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문제 정의
- 본 연구에서는 디프 드로잉성이 우수한 인장강도 440~540 MPa 급 복합조직강 개발을 목적으로 탄소 함량을 0.021%~0.048%로 변화시켜, 탄소양과 어닐링 온도가 미세조직과 집합조직에 미치는 영향을 연구하여 미량의 마르텐사이트를 함유하는 복합조직강에서 r 값의 증가가 가능한지를 연구하였다.
제안 방법
- 페라이트와 오스테나이트의 2상 영역까지 가열한 직후 존재하던 오스테나이트는 냉각과정과 용융아연 도금 온도인 460℃, 아연도금층의 합금화가 일어나는 510℃까지 냉각되면서 페라이트로 변태되고 남은 오스테나이트가 마지막 냉각과정에 마르텐사이트로 변태되어 페라이트와 마르텐사이트의 복합조직강을 나타내게 된다. 2 상영역에서 가열한 직후 존재하는 오스테나이트의 양을 예측하기 위해 Fig. 1의 열 사이클 1과 같이 열처리를 실시하였다. 열 사이클 1에 사용된 냉각속도는 연속 어닐링 모사 열처리 장치의 가스 제트 냉각에서 얻어진 냉각속도로 약 150℃/sec이었으며, 후술하듯이 이런 냉각속도에서도 오스테나이트의 일부는 페라이트로 변태되었다.
- 1에 도시한 전형적인 연속용융 합금화아연도금강판의 어닐링 사이클에 따라 어닐링을 실시하였다. 460℃는 용융아연도금을 위한 온도이고, 510℃는 아연도금 합금화를 위한 온도이며, 760℃~880℃로 어닐링 온도를 변화시켜 어닐링온도가 미세조직과 집합조직에 미치는 영향을 조사하였다. Andrews 식[14]에서 계산된 C1, C2 및 C3 강의 Ac3 온도는 각각 888℃, 880℃ 및 873℃이었으며, 세 강의 Ac1 온도는 모두 706℃로 계산되었다.
- Fig. 1에 도시한 전형적인 연속용융 합금화아연도금강판의 어닐링 사이클에 따라 어닐링을 실시하였다. 460℃는 용융아연도금을 위한 온도이고, 510℃는 아연도금 합금화를 위한 온도이며, 760℃~880℃로 어닐링 온도를 변화시켜 어닐링온도가 미세조직과 집합조직에 미치는 영향을 조사하였다.
- 광학현미경과 주사전자현미경을 이용해 미세조직을 관찰하였으며, 영상분석기 (Image Analyzer)를 이용하여 마르텐사이트의 부피분율을 측정하였다. 조직내에 존재하는 마르텐사이트의 양이 적고 크기가 미세하여 1,000배 배율에서 마르텐사이트의 부피분율 측정하였다.
- 냉간압연판은 연속용융 합금화아연도금강판 열처리 라인(Continuous Galvanizing Line, CGL)의 전형적인 열처리조건(Fig. 1의 열 사이클 2)에 따라 연속 어닐링 모사열처리 장치를 이용하여 열처리하였다. 페라이트와 오스테나이트의 2상 영역까지 가열한 직후 존재하던 오스테나이트는 냉각과정과 용융아연 도금 온도인 460℃, 아연도금층의 합금화가 일어나는 510℃까지 냉각되면서 페라이트로 변태되고 남은 오스테나이트가 마지막 냉각과정에 마르텐사이트로 변태되어 페라이트와 마르텐사이트의 복합조직강을 나타내게 된다.
- 복합조직강의 결정립별 방위 분포와 집합 조직의 발달정도를 조사하기 위해 EBSD(Electron Back Scattered Diffraction)를 사용하였다. 압연면을 대상으로 결정립 방위분포 사진과 역극점도를 얻어 열처리조건과 탄소함량에 따른 결정립들의 방위분포와 집합조직의 발달 정도를 조사하였다.
- 열간압연이 끝난 강판은 650℃ 까지 공냉하였으며, 650℃로 유지된 로에 장입하여 1시간 동안 유지시킨 후 로냉하여 공장 제조시의 열연판 권취(Coiling) 공정을 재현하였다. 열간압연 시 형성된 열연판 표면의 산화피막을 깨끗이 제거한 후 74%의 냉간압하율로 1.0 mm의 두께까지 냉간압연하였다.
- 복합조직강의 디프 드로잉성을 향상시키기 위해서는 마르텐사이트의 양을 최소로 제어하는 것이 중요하다. 이를 위해 탄소함량을 0.021%~0.048% 범위로 설계하였으며, 440 MPa 이상의 인장강도를 얻기 위해 1.6%의 Mn과 함께 경화능 합금 원소인 Cr과 Mo 및 Boron을 각각 0.3%, 0.2%, 0.001% 첨가하였다.
- 광학현미경과 주사전자현미경을 이용해 미세조직을 관찰하였으며, 영상분석기 (Image Analyzer)를 이용하여 마르텐사이트의 부피분율을 측정하였다. 조직내에 존재하는 마르텐사이트의 양이 적고 크기가 미세하여 1,000배 배율에서 마르텐사이트의 부피분율 측정하였다. 복합조직강의 결정립별 방위 분포와 집합 조직의 발달정도를 조사하기 위해 EBSD(Electron Back Scattered Diffraction)를 사용하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용한 세 종류의 합금성분을 Table 1에 나타내었다. 복합조직강의 디프 드로잉성을 향상시키기 위해서는 마르텐사이트의 양을 최소로 제어하는 것이 중요하다.
이론/모형
- 조직내에 존재하는 마르텐사이트의 양이 적고 크기가 미세하여 1,000배 배율에서 마르텐사이트의 부피분율 측정하였다. 복합조직강의 결정립별 방위 분포와 집합 조직의 발달정도를 조사하기 위해 EBSD(Electron Back Scattered Diffraction)를 사용하였다. 압연면을 대상으로 결정립 방위분포 사진과 역극점도를 얻어 열처리조건과 탄소함량에 따른 결정립들의 방위분포와 집합조직의 발달 정도를 조사하였다.
성능/효과
- 이것은 Table 2에서알 수 있듯이 어닐링온도가 증가하고 탄소함량이 증가할수록 조직내 마르텐사이트의 양이 증가하기 때문이다. 0.021%C 강, 0.034%C 강 및 0.048%C 강을 790℃~820℃에서 어닐링했을 때 제조가능한 인장강도는 각각 450 MPa, 480 MPa, 550 MPa 수준이었으며, 항복강도를 인장강도로 나눈 값인 항복비는 0.5~0.6을 나타내어 전형적인 복합조직강 특성을 나타내었다.
- 1. 탄소함량이 낮을수록 {111} 집합조직이 발달하였으며, rm 값도 증가하였다.
- 2. 복합조직강에서 마르텐사이트 양이 5% 정도이면서 미세하고 균일하게 분포되도록 조직을 제어할때 최대 rm 값을 얻었다.
- 4. 0.021% C강을 820~850℃에서 어닐링할 때 가장 높은 1.3 정도의 rm 값을 나타내었다.
- 5. 0.034% C강과 0.048% C강의 합금성분 중 Mn, Cr, Mo양을 약간 감소시키면 냉각되는 동안 변태 페라이트 형성을 촉진시켜 마르텐사이트 양을 감소시키고 rm 값의 증가가 가능하다.
- 6. 3 종류의 강을 CGL 열처리 사이클에 따라 열처리할 때 가열온도를 760℃~880℃ 범위로 변화시켜도 마르텐사이트의 양 변화는 2.0%~4.0%로 적었다.
- 또한 동일한 어닐링온도에서 탄소양을 0.021%에서 0.034%, 0.048%로 증가시키면 마르텐사이트의 양이 증가되었으나 그 양 또한 크지 않았으며, 그 이유 역시 경화능 합금원소가 충분히 첨가되지 않았기 때문으로 판단된다. 복합조직강의 특성을 유지하면서 rm 값을 최대로 증가시키기 위한 5% 내외의 마르텐사이트 양은 0.
- 이것은 880℃ 가열 후 C2 강에 존재하는 오스테나이트 양이 C1 강보다 많았기 때문이다. 마르텐사이트 양의 차이를 제외하고 관찰된 조직 특성은 동일한 열사이클을 거친 C1강과 거의 동일한 양상을 나타내었으며, 820℃ 열처리재와는 완전히 다른 양상을 나타내었다.
- 이것은 880℃ 가열 후 냉각되는 동안 변태 페라이트의 형성이 C1 강이나 C2 강에 비해 훨씬 적었음을 의미한다. 마르텐사이트 양의 차이를 제외하고 관찰된 조직 특성은 동일한 열처리 사이클을 거친 C2강과 거의 동일한 양상을 나타내었으며, 820℃ 열처리재와는 완전히 다른 양상을 나타내었다.
- 마르텐사이트의 양은 5.6%로서 복합조직강의 특성을 나타내는 임계 마르텐사이트 양인 5% 수준에 해당되며, 1 µm 내외의 극히 미세한 마르텐사이트 입자(M으로 표시)가 조직 내에 균일하게 분포되어 입자간 거리도 충분히 확보되어 있음을 알 수 있다.
- 048%로 증가시키면 마르텐사이트의 양이 증가되었으나 그 양 또한 크지 않았으며, 그 이유 역시 경화능 합금원소가 충분히 첨가되지 않았기 때문으로 판단된다. 복합조직강의 특성을 유지하면서 rm 값을 최대로 증가시키기 위한 5% 내외의 마르텐사이트 양은 0.021%C강을 760℃~850℃에서 어닐링할때 얻어졌으며, 탄소양이 0.034%나 0.048%로 높아지면 7% 이상으로 마르텐사이트 양이 증가 하였다.
- 본 연구에서 선택한 탄소양과 어닐링 온도 중 가장 높은 rm 값을 나타낸 것은 0.021% C강을 850℃에서 어닐링했을 경우로 rm 값은 1.33이었다. Fig.
- 8% 증가하는 등 2~4% 정도 미량 증가하는데 그쳤다. 어닐링온도가 증가하면 페라이트와 오스테나이트의 2 상 영역에서 생성된 오스테나이트의 양이 증가하므로 어닐링 완료 후 마르텐사이트의 양이 크게 증가할 것으로 예측되었으나 실험결과는 차이를 나타내었다. 이것은 본 연구에서 사용된 합금성분계에의 경화능이 충분히 높지 않아 Fig.
- 이상의 결과로부터 0.021% C강을 820℃ 근처에서 어닐링할 때 가장 높은 rm 값이 얻어진 것은 열처리 후 조직내에 존재하는 마르텐사이트의 양이 복합조직강의 특성을 나타내는 최소양인 5% 수준으로 낮게 제어되어 {111} 집합조직의 발달이 상대적으로 약하게 억제되었고, {111} 방위의 잔류 페라이트가 냉각되는 동안 변태 페라이트로 Epitaxial 성장을 통해 {111} 집합조직을 발달시켰기 때문으로 판단된다. 열 사이클 2로 열처리한 0.
- 이상의 결과로부터 임계 마르텐사이트 양보다 약간 많은 마르텐사이트 양과 미세한 크기의 마르텐사이트가 입자간 거리가 멀면서 균일하게 분포되는 Morphology는 복합조직강의 Deep Drawing성을 저해하지 않으면서 rm 값을 최대로 향상시킬 수 있는 최적 미세조직으로 판단된다.
- 6은 C1, C2 및 C3 강의 어닐링온도에 따른 연신율, 인장강도, 항복강도 및 rm 값의 변화를 도시한 것이다. 탄소함량에 관계없이 어닐링온도가 증가 하면 항복강도와 인장강도가 증가하고 연신율은 감소하였다. 동일 어닐링온도에서는 탄소함량이 높을수록 강도가 높고 연신율이 낮았다.
- 6%로서 복합조직강의 특성을 나타내는 임계 마르텐사이트 양인 5% 수준에 해당되며, 1 µm 내외의 극히 미세한 마르텐사이트 입자(M으로 표시)가 조직 내에 균일하게 분포되어 입자간 거리도 충분히 확보되어 있음을 알 수 있다. 탄소함량이 다소 높은 0.034C 강과 0.048% C강의 경우도 Mn, Cr, Mo 양의 감소를 통해 경화능을 낮추어 주면 어닐링 후 냉각 시 변태 페라이트 형성을 촉진시 키는 것에 의해 마르텐사이트 양을 더욱 감소시키고 이를 통해 있어 rm 값의 증가가 가능할 것으로 판단된다.
후속연구
- 021% C강에 비해 rm 값이 다소 낮아지는 것은 {111} 방위의 잔류 페라이트가 냉각되는 동안 Epitaxial 성장을 통해 {111} 집합조직을 발달시키지만 마르텐사이트의 양이 증가하기 때문에 그 효과가 적고, 마르텐 사이트 양이 증가한 효과가 복합적으로 작용하였기 때문으로 판단된다. 그러나 냉각되는 동안 {111} 방위의 잔류 페라이트가 다른 방위에 비해 우선적으로 Epitaxial 성장을 하는지에 대해서는 좀더 깊은 연구가 필요하다고 판단된다.
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