[논문]템퍼링에 따른 Cu 첨가 고강도강의 미세조직과 기계적 특성

이상인; 황병철

doi:10.3740/mrsk.2014.24.10.550

템퍼링에 따른 Cu 첨가 고강도강의 미세조직과 기계적 특성
Effects of Tempering Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of Cu-Bearing High-Strength Steels 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.24 no.10, 2014년, pp.550 - 555

이상인 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 황병철 (서울과학기술대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The present study deals with the effects of tempering treatment on the microstructure and mechanical properties of Cu-bearing high-strength steels. Three kinds of steel specimens with different levels of Cu content were fabricated by controlled rolling and accelerated cooling, ; some of these steel specimen were tempered at temperatures ranging from $350^{\circ}C$ to $650^{\circ}C$ for 30 min. Hardness, tensile, and Charpy impact tests were conducted in order to investigate the relationship of microstructure and mechanical properties. The hardness of the Cu-added specimens is much higher than that of Cu-free specimen, presumably due to the enhanced solid solution hardening and precipitation hardening, result from the formation of very-fine Cu precipitates. Tensile test results indicated that the yield strength increased and then slightly decreased, while the tensile strength gradually decreased with increasing tempering temperature. On the other hand, the energy absorbed at room and lower temperatures remarkably increased after tempering at $350^{\circ}C$; and after this, the energy absorbed then did not change much. Suitable tempering treatment remarkably improved both the strength and the impact toughness. In the 1.5 Cu steel specimen tempered at $550^{\circ}C$, the yield strength reached 1.2 GPa and the absorbed energy at $-20^{\circ}C$ showed a level above 200 J, which was the best combination of high strength and good toughness.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 Cu 함량(0, 0.5, 1.5 wt. %)이 다른 3종류의 고강도강 시편을 제조한 후 템퍼링 온도에 따른 미세조직 변화를 관찰하고, 인장 및 충격 시험을 실시하여 미세조직과 기계적 특성의 상관관계를 규명하고자 하였다. 본 연구에서 제조된 시편들은 Nb, V, Ti 등의 미량 합금원소가 포함되어 있고, 추가적으로 석출강화 효과를 얻을 수 있는 Cu와 Mo이 첨가되어 있어 적절한 템퍼링에 의해 우수한 강도와 인성의 조합을 얻을 수 있을 것으로 기대되었다.

가설 설정

^9,10) 그러나 DUB의 경우 래스 사이에 탄소가 농축된 잔류 오스테나이트나 마르텐사이트 또는 M-A(martensite-austenite) 조직과 같은 금속상들(metallic phases)이 존재하여 기존의 UB보다 충분히 높은 인성을 가질 수 있다.⁷⁾ 그러나 너무 많은 양의 M-A 입자는 인성에 나쁜 영향을 미칠 수 있다.^8-10) 템퍼링 전 시편들에 대한 EBSD 분석 사진을 보면(Fig.

제안 방법

또한 템퍼링 처리 후 형성될 수 있는 석출물들을 관찰하기 위하여 투과전자현미경(TEM, transmission electron microscopy) 분석을 실시하였는데, 이들 시편은 15 % 피크릭산 + 85 % 에탄올 전해액에서 −30 ℃로 유지한 후 twin-jet 법을 이용하여 제작하였다.
먼저 1,150 ℃에서 시편들을 재가열한 후 오스테나이트의 재결정 영역에서 50 %의 압하율로 압연하고, 오스테나이트의 비재결정 영역(non-recrystallization region)에서 70 % 이상의 압하율로 다시 압연하였다. 마무리 압연 후 800 ℃에서 약 250 ℃의 온도까지 20 ℃/s의 속도로 냉각하였고, 이들 중 일부는 450, 550, 650 ℃의 온도에서 30 분 동안 템퍼링 처리하였다.
5 Cu’ 로 표기하기로 한다. 먼저 1,150 ℃에서 시편들을 재가열한 후 오스테나이트의 재결정 영역에서 50 %의 압하율로 압연하고, 오스테나이트의 비재결정 영역(non-recrystallization region)에서 70 % 이상의 압하율로 다시 압연하였다. 마무리 압연 후 800 ℃에서 약 250 ℃의 온도까지 20 ℃/s의 속도로 냉각하였고, 이들 중 일부는 450, 550, 650 ℃의 온도에서 30 분 동안 템퍼링 처리하였다.
3 mm)으로 가공한 후 10톤 용량의 Instron 시험기를 이용하여 5 mm/min의 속도로 상온에서 실시하였다. 모든 시편들은 연속 항복 거동을 나타내어 응력-변형률 곡선으로부터 0.2 % offset한 유동응력을 항복 강도로 사용하였다. 한편 충격 시험은 ASTM E23 표준 시험법에 따라 10 × 10 × 55 mm의 표준 샤피 충격(Charpy impact V-notch, CVN) 시편으로 가공한 후 500 J 용량의 시험기를 이용하여 상온과 저온(−20 ℃)의 두 온도에서 실시하였다.
본 연구에서는 Cu 함량이 다른 3 종류의 고강도강 시편을 제조한 후 템퍼링 온도에 따른 미세조직과 기계적 특성을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
또한 템퍼링 처리 후 형성될 수 있는 석출물들을 관찰하기 위하여 투과전자현미경(TEM, transmission electron microscopy) 분석을 실시하였는데, 이들 시편은 15 % 피크릭산 + 85 % 에탄올 전해액에서 −30 ℃로 유지한 후 twin-jet 법을 이용하여 제작하였다. 이와 같이 박막시편으로 제작한 다음 200 kV의 가속전압 하에서 TEM(Model: JEM-2100F, JEOL)으로 관찰하였다.
제조된 강들의 미세조직은 압연 판재의 옆면을 연마하고 2 % 나이탈 용액으로 에칭한 후 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope)으로 관찰하고, colloidal silica로 최종 연마하여 기계적 연마로 발생된 표면의 결함을 최소화한 다음 EBSD(electron back-scattered diffraction) 분석을 실시하였다. 또한 템퍼링 처리 후 형성될 수 있는 석출물들을 관찰하기 위하여 투과전자현미경(TEM, transmission electron microscopy) 분석을 실시하였는데, 이들 시편은 15 % 피크릭산 + 85 % 에탄올 전해액에서 −30 ℃로 유지한 후 twin-jet 법을 이용하여 제작하였다.
한편 충격 시험은 ASTM E23 표준 시험법에 따라 10 × 10 × 55 mm의 표준 샤피 충격(Charpy impact V-notch, CVN) 시편으로 가공한 후 500 J 용량의 시험기를 이용하여 상온과 저온(−20 ℃)의 두 온도에서 실시하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 재료는 Fe-0.07C-0.25Si-1.9Mn-0.7(Ni+Cr+Mo)-0.01(Nb+V+Ti)-0.03Al-0.001B(wt. %)을 기본 조성으로 하여 Cu 함량을 달리한 3 종류의 시편들이다. 이들 시편들의 자세한 화학조성을 Table 1에 나타내었다.

이론/모형

인장 시험은 ASTM E8 표준시험법에 따라 판재의 수직 방향(transverse direction, T-방향)으로 sub-size 봉상 시편(표점거리 25.4 mm, 직경 6.3 mm)으로 가공한 후 10톤 용량의 Instron 시험기를 이용하여 5 mm/min의 속도로 상온에서 실시하였다. 모든 시편들은 연속 항복 거동을 나타내어 응력-변형률 곡선으로부터 0.

성능/효과

1) 템퍼링된 시편들은 템퍼링 이전에 비해 래스 형태가 대부분 유지되어 있지만, 오스테나이트의 pancake 조직은 잘 나타나지 않았다. 그러나 Cu가 많이 첨가된 1.
2) Cu가 첨가된 0.5 Cu와 1.5 Cu 시편의 경도는 350 ℃의 템퍼링 온도에서 이전과 거의 같은 값을 나타내어 0 Cu 시편에 비해 경도가 매우 높으며, 템퍼링 온도가 증가됨에 따라 경도는 서서히 감소하였다. 이는 Nb, Ti, V 등의 미량 함금원소 첨가에 따라 합금 탄화물들이 미세하게 석출되어 있으며, Cu 첨가에 따라 Cu 석출물이 형성되어 추가적인 석출강화 효과를 얻을 수 있었기 때문이다.
3) 템퍼링 온도가 높아짐에 따라 항복강도는 서서히 증가하다가 다시 감소하는 반면, 인장강도는 대체로 감소하였다. 350 ℃에서의 템퍼링 후 상온과 저온에서의 충격 흡수에너지는 매우 크게 증가하며, 이 후 템퍼링 온도가 높아짐에 따라 큰 변화가 없거나 완만하게 증가하였다.
4) Cu 함량이 가장 많은 1.5 Cu 시편의 경우 550 ℃에서의 템퍼링에 의해 인장 및 항복 강도가 약 1,200 MPa이고, 상온과 −20 ℃에서의 충격 흡수에너지는 모두 200 J 이상으로 매우 우수한 기계적 특성을 나타내었다.
이와 같이 Cu가 첨가된 시편들의 경우 Cu가 첨가되지 않은 시편과 달리 템퍼링 온도 증가에 따른 경도 감소가 크지 않는데, 이는 템퍼링 시 형성되는 Cu 석출물이 경도 향상에 기여하기 때문으로 볼 수 있다. 본 연구에서 제조된 시편들의 경우 Nb, Ti, V 등의 미량 합금원소가 모두 첨가되어 있고, 일부 시편들은 Cu가 상당량 첨가되어 있기 때문에 적절한 템퍼링 처리에 의해서 상당한 석출강화 효과를 얻을 수 있다.
본 연구에서는 9R Cu 석출이 발생되기 이전에 기지의 [001]α 방향에 수직으로 modulated 구조가 형성된 것이 관찰되었는데, 이는 bcc Cu 클러스터가 비교적 규칙적인 형태를 지니고 있음을 의미한다.
5 Cu 시편의 경우 Cu에 의한 고용강화 효과 이외에 Cu와 관련된 석출 현상이 중요한 역할을 한 것으로 생각된다. 이를 통해 Cu가 첨가된 HSLA강의 경우 적절한 과정에 의해서 우수한 강도와 인성 조합을 얻을 수 있었다.

후속연구

%)이 다른 3종류의 고강도강 시편을 제조한 후 템퍼링 온도에 따른 미세조직 변화를 관찰하고, 인장 및 충격 시험을 실시하여 미세조직과 기계적 특성의 상관관계를 규명하고자 하였다. 본 연구에서 제조된 시편들은 Nb, V, Ti 등의 미량 합금원소가 포함되어 있고, 추가적으로 석출강화 효과를 얻을 수 있는 Cu와 Mo이 첨가되어 있어 적절한 템퍼링에 의해 우수한 강도와 인성의 조합을 얻을 수 있을 것으로 기대되었다.^7-10)

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	친환경 저가원소에는 무엇이 있는가?	최근 원자재비 상승, 고유가 등에 따른 경제적인 문제와 함께 자원 재활용, 지구 온난화와 같은 환경적인 문제로 인해 친환경 저가원소(C, N, B, Cu 등)의 활용과 제조공정의 개선을 통해 환경친화적이고 경제적인 방법으로 고강도강을 제조하려는 노력이 꾸준히 진행되고 있다. 대표적으로 Cu는 용강 중에서의 안정도가 매우 높아 제강 공정에서 제거하기가 어렵고 이로 인하여 여러가지 문제점이 발생하기 때문에 이를 적극적으로 활용하고자 하는 연구들이 많이 진행되고 있다.
	Cu는 상온에서 강에 어떤 영향을 끼치는 것으로 알려져 있는가?	실제로 Cu는 상온에서 페라이트 내의 고용도가 거의 없고, 열간압연 중에 입계와 표면에 취화를 일으켜 표면 품질을 저해하는 원소로 알려져 있다. 그러나 Cu 첨가된 강(Cu-bearing steel)의 경우 적절한 템퍼링에 의한 시효 처리에 의해 초기에는 체심입방구조(bcc)를 가지는 Cu 클러스터(cluster)로 정합 석출한 후 9R, 3R 등의 중간상을 거쳐 최종적으로 면심입방구조(fcc)의 ε-Cu 석출물이 페라이트 내에 미세하고 균일하게 분산함으로써 큰 석출강화 효과를 나타내는 것으로 알려져 있다.
	본 연구에서 Cu함량이 다른 3 종류의 고강도강 시편을 제조하여 템퍼링 온도에 따른 미세조직과 기계적 특성을 분석한 결과 어떤 결론을 얻었는가?	1) 템퍼링된 시편들은 템퍼링 이전에 비해 래스 형태가 대부분 유지되어 있지만, 오스테나이트의 pancake 조직은 잘 나타나지 않았다. 그러나 Cu가 많이 첨가된 1.5 Cu 시편은 Cu 석출물이 안정적으로 형성되어 템퍼링 전후 래스나 pancake 등의 미세조직 형태가 거의 유지되었다. 2) Cu가 첨가된 0.5 Cu와 1.5 Cu 시편의 경도는 350 ℃의 템퍼링 온도에서 이전과 거의 같은 값을 나타내어 0 Cu 시편에 비해 경도가 매우 높으며, 템퍼링 온도가 증가됨에 따라 경도는 서서히 감소하였다. 이는 Nb, Ti, V 등의 미량 함금원소 첨가에 따라 합금 탄화물들이 미세하게 석출되어 있으며, Cu 첨가에 따라 Cu 석출물이 형성되어 추가적인 석출강화 효과를 얻을 수 있었기 때문이다. 3) 템퍼링 온도가 높아짐에 따라 항복강도는 서서히 증가하다가 다시 감소하는 반면, 인장강도는 대체로 감소하였다. 350 ℃에서의 템퍼링 후 상온과 저온에서의 충격 흡수에너지는 매우 크게 증가하며, 이 후 템퍼링 온도가 높아짐에 따라 큰 변화가 없거나 완만하게 증가하였다. 4) Cu 함량이 가장 많은 1.5 Cu 시편의 경우 550 ℃에서의 템퍼링에 의해 인장 및 항복 강도가 약 1,200 MPa이고, 상온과 −20 ℃에서의 충격 흡수에너지는 모두 200 J 이상으로 매우 우수한 기계적 특성을 나타내었다.

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