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문제 정의
- 본 연구에서는 탄소강의 경화능 향상에 많이 사용되고 있는 Mo과 Cr을 포함한 보론강을 제조한 후 오스테나이트화 온도, 냉각 속도 등의 열처리 조건을 달리한 시편들에 대하여 미세조직, 변태 온도, 경도 분석 결과로부터 경화능을 정량적으로 평가하고, 인장 시험을 실시하였다. 이를 통해 다양한 미세조직을 갖는 보론강 시편들의 경화능과 인장 특성을 보론의 편석과 석출 거동 관점에서 이해하고자 하였다.
제안 방법
- 002 wt.% (20 ppm)로 고정하고, 다른 함량의 Mo와 Cr을 첨가하여 총 6 종류의 보론강 시편을 제조하였다. 이 시편들에서 보론이 BN로 형성되는 것을 막기 위해 Ti과 Al를 각각 0.
- 03 wt.%씩 첨가하여 질소(N)를 AlN, TiN으로 고정하였다. 먼저 시편들은 진공 유도용해로를 이용하여 30 kg의 잉곳으로 제조한 후 1,200 ℃로 재가열하여 950 ℃ 이상의 온도에서 두께 20 mm로 열간 압연하였다.
- 최근 강재의 경화능을 정량적으로 평가하기 위하여 특정한 경화 조직(베이나이트 또는 마르텐사이트)이나 경도값을 가지는 임계 냉각 속도(critical cooling rate)를 활용하는 방법이 종종 사용되고 있는데, 그 대표적인 것이 90 % 마르텐사이트 조직의 경도값을 갖기 위한 임계 냉각 속도(Vc-90)이다.2,5,6,11) 본 연구에서는 여러 냉각속도에서 얻어진 경도값을 90 % 마르텐사이트 조직의 경도값과 비교하여 시편들의 임계 냉각 속도(Vc-90)를 측정함으로써 경화능을 정량적으로 평가하였다. 임계 냉각 속도가 작으면 경화능이 높고, 임계 냉각 속도가 크면 경화능이 낮은 것을 의미한다.
- 그 중에서도 Mo은 보론과의 상호작용으로 인해 다른 합금원소에 비해 보론강의 경화능를 매우 크게 향상 시키는 원소로 알려져 있지만,6,11) 그 원인에 대해서는 아직까지 논란이 있는 실정이다. 본 연구에서는 탄소강의 경화능 향상에 많이 사용되고 있는 Mo과 Cr을 포함한 보론강을 제조한 후 오스테나이트화 온도, 냉각 속도 등의 열처리 조건을 달리한 시편들에 대하여 미세조직, 변태 온도, 경도 분석 결과로부터 경화능을 정량적으로 평가하고, 인장 시험을 실시하였다. 이를 통해 다양한 미세조직을 갖는 보론강 시편들의 경화능과 인장 특성을 보론의 편석과 석출 거동 관점에서 이해하고자 하였다.
- 선팽창 분석 장치를 이용하여 보론강의 경화능을 정량적으로 평가하였고, 미세조직과 기계적 특성 평가를 통해 그 타당성을 확인하였다. 보론강에서 Mo 첨가는 같은 함량의 Cr 첨가에 비해 변태 시작과 종료 온도를 크게 낮추고 경화능을 더욱 향상시켜 0.
- , USA)로 열처리를 수행하여 시편들의 경화능을 평가하였다. 이를 위해 시편들을 1,100 ℃와 900℃에서 각각 5 분간 유지한 후 0.2~50 ℃/s 범위의 냉각속도로 상온까지 냉각하고, 광학현미경으로 미세조직을 분석한 다음 하중 300 g 하에서 유지 시간 10 초로 하여 비커스 경도 시험을 실시하였다.
- 오스테나이트결정립계에 편석되는 보론 분포를 관찰하기 위하여 모델 합금 시편들을 1,100 ℃와 900 ℃에서 5 분간 열처리한 후 20 ℃/s의 냉각 속도로 650 ℃까지 냉각한 후 급랭하였다. 이와 같이 열처리된 시편들에 대하여 2차 이온 질량 분석기(SIMS)를 이용하여 미세조직 내 보론의 분포를 관찰하였다.
- 먼저 시편들은 진공 유도용해로를 이용하여 30 kg의 잉곳으로 제조한 후 1,200 ℃로 재가열하여 950 ℃ 이상의 온도에서 두께 20 mm로 열간 압연하였다. 이후 압연된 판재로부터 길이 10 mm, 지름 3 mm의 원통형 시편을 가공한 후 가열 온도와 냉각 속도를 정밀하게 제어할 수 있는 선팽창 분석 장치(Dilatometer, Dilatronic III, Theta Inc., USA)로 열처리를 수행하여 시편들의 경화능을 평가하였다. 이를 위해 시편들을 1,100 ℃와 900℃에서 각각 5 분간 유지한 후 0.
- 이 시편들에 대하여 ASTM E8 표준 시험법에 따라 10톤 용량의 Instron 시험기를 이용하여 2 mm/min의 속도로 인장 시험을 실시하였다. 인장 시험시 연속 항복 거동을 나타내는 시편들의 경우 응력- 변형률 곡선으로부터 0.2 % offset한 유동응력을 항복 강도로 하였고, 불연속 항복 거동을 나타내는 시편들의 경우 하부 항복점을 항복 강도로 사용하였다. 최근 강재의 경화능을 정량적으로 평가하기 위하여 특정한 경화 조직(베이나이트 또는 마르텐사이트)이나 경도값을 가지는 임계 냉각 속도(critical cooling rate)를 활용하는 방법이 종종 사용되고 있는데, 그 대표적인 것이 90 % 마르텐사이트 조직의 경도값을 갖기 위한 임계 냉각 속도(Vc-90)이다.
- 한편 보론강의 경화능에 미치는 합금원소와 열처리 온도의 영향을 구체적으로 이해하기 위하여 9 % Ni이 첨가된 보론강 모델 합금을 제조한 후 냉각 속도에 따른 보론의 편석 및 석출 거동을 조사하였다. 오스테나이트결정립계에 편석되는 보론 분포를 관찰하기 위하여 모델 합금 시편들을 1,100 ℃와 900 ℃에서 5 분간 열처리한 후 20 ℃/s의 냉각 속도로 650 ℃까지 냉각한 후 급랭하였다.
이론/모형
- 2, 3, 20 ℃/s의 냉각 속도로 상온까지 냉각하였다. 이 시편들에 대하여 ASTM E8 표준 시험법에 따라 10톤 용량의 Instron 시험기를 이용하여 2 mm/min의 속도로 인장 시험을 실시하였다. 인장 시험시 연속 항복 거동을 나타내는 시편들의 경우 응력- 변형률 곡선으로부터 0.
성능/효과
- 5 wt.% Mo 첨가는 보론강의 경화능 향상에 매우 효과적이며, 낮은 오스테나이트화 온도와 느린 냉각 속도에서 그 효과가 상대적으로 우수함을 알 수 있었다.
- 2에 나타내고, 베이나이트 변태 시작 온도(Bs)와 마르텐사이트 변태 시작 온도(Ms) 를 점선으로 표시하였다.12) 오스테나이트화 온도에 관계 없이 Mo 및 Cr 함량이 많아짐에 따라 변태 시작과 종료 온도가 모두 낮아졌다. 변태 시작 온도가 낮아지는 것은 느린 냉각 속도에서는 초석 페라이트의 핵생성이 억제되며, 빠른 냉각 속도에서는 베이나이트나 마르텐사이트와 같은 저온 변태 조직이 보다 많이 생성되어 경화능이 증가됨을 의미한다.
- 2 ℃/s에서 3 ℃/s로 증가함에 따라 냉각시 형성 되는 베이나이트나 마르텐사이트의 분율이 커져 항복 및 인장 강도가 크게 증가되었다. Mo와 Cr이 동시에 첨가된 시편은 0.5 Mo 첨가 시편과 비교할 때, 3 ℃/s와 20℃/s의 냉각 속도에서 항복 강도와 인장 강도가 모두 100 MPa 이상 높지만, 연신율은 큰 차이가 없는 우수한 인장 특성을 나타내었다.
- 또한 보론강은 합금원소에 관계없이 냉각 속도가 증가 함에 따라 베이나이트나 마르텐사이트와 같은 저온 변태 조직의 형성이 많아짐으로써 항복 및 인장 강도가 모두 증가하고, 연신율이 감소하였다. 특히 Mo이 단독으로 첨가되거나 Mo과 Cr이 복합 첨가된 시편은 냉각 속도가 0.
- 5에 나타내었다. 모든 시편들에서 보론 원자들이 오스테나이트 결정립계에 주로 분포된 것으로 관찰되었다. 특히 1,100 ℃의 높은 오스테나이트화 온도에서는 결정립계 보론의 농도가 높게 나타나는데, 이는 보론의 비평형 편석에 의한 것으로 볼 수 있다.
- 한편 Mo 첨가 시편의 경우 높은 오스테나이트화 온도에서는 비평형 편석에 의해 결정립계 보론의 농도가 증가하여 석출물이 형성됨으로써 오스테나이트에서 페라이트로의 변태를 촉진하여 보론강의 경화능을 오히려 감소시켰다. 이에 따라 Mo 첨가 시편들은 냉각 속도에 관계없이 낮은 오스테나이트화 온도에서 높은 강도를 나타내었으며, Mo 와 Cr이 동시에 첨가된 시편의 경우 0.5 Mo 시편과 비교해 강도가 100 MPa 이상 높지만, 연신율이 거의 같은 우수한 인장 특성을 나타내었다.
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