[논문]유정용 강관의 미세조직 및 기계적 성질에 미치는 열처리의 영향

최종민; 노상우; 이원재

doi:10.5762/kais.2017.18.5.252

초록
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본 연구에서는 유정용 강관의 열처리 조건에 따른 미세조직 및 기계적 성질을 조사하였다. 실험에 사용된 유정용 강관의 종류는 J55 강재를 사용 하였고, 열처리 조건은 각각 오스테나이트 처리온도 ($880^{\circ}C$, $910^{\circ}C$, $940^{\circ}C$), 냉각방식 (수냉, 유냉), 템퍼링 온도 (미실시, $550^{\circ}C$, $650^{\circ}C$) 이다. 열처리 조건에 따라 얻어지는 미세조직을 예측하기 위해 J55 강재의 화학적 성분을 기준으로 평형상태도와 CCT 곡선을 시뮬레이션 하였으며, 그 결과 A1, A3 온도가 약 $20^{\circ}C$ 감소 하는 결과를 얻을 수 있었다. 냉각속도에 따라 마르텐사이트, 베이나이트, 페라이트등 예상되는 미세조직을 정성적으로 알 수 있었고 이 결과는 실제 실험값과 유사한 양상을 나타내었다. 오스테나이트 처리온도가 증가 함에 따라 구 오스테나이트 결정립이 조대화 되었으며, 특히 $920^{\circ}C$ 이상에서 결정립 크기가 급격히 증가하였다. 따라서 결정립 미세화 효과에 따라 경도와 강도는 감소 하였다. 열처리 조건이 변화함에 따라 마르텐사이트, 베이나이트, 페라이트 등 다양한 조직이 생성되었으며, 이는 경도, 강도 및 연신율에 큰 영향을 미쳤다. 수냉의 경우 마르텐사이트 조직이, 유냉의 경우 베이나이트와 페라이트 조직이 형성되었으며 수냉한 시편이 더 우수한 기계적 성질을 나타내었다. 템퍼링 처리후 마르텐사이트 조직 내에 FeC 석출물이 생성되었고 템퍼링 처리온도가 증가함에 따라 FeC석출물이 조대화되면서 인성이 향상되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study examined the effect of heat treatment on the microstructure and mechanical properties of J55 line pipe steel. The experiments were carried out at under the following various conditions: austenization temperature($880^{\circ}C$, $910^{\circ}C$, $940^{\circ}C$

This study examined the effect of heat treatment on the microstructure and mechanical properties of J55 line pipe steel. The experiments were carried out at under the following various conditions: austenization temperature($880^{\circ}C$, $910^{\circ}C$, $940^{\circ}C$), cooling methods(water quenching, oil quenching) and tempering temperature(none, $550^{\circ}C$, $650^{\circ}C$). The phase diagram and CCT curve were simulated based on the chemical composition of J55 steel to predict the microstructures. In the results, A1, A3 temperature decreased. As the austenization temperature increased, existing austenite grains grew exponentially which seriously degraded their mechanical properties. Various microstructures, including martensite, bainite, ferrite, and pearlite, developed in accordance with the heat treatments and were closely correlated with hardness, tensile strength and toughness. Martensite was formed after water quenching, but bainite and ferrite appeared after oil quenching. FeC precipitation formed and coarsened during tempering, which improved their toughness.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

광학현미경과 주사전자 현미경(Scanning Electron Microscopy)을 통하여 미세조직의 종류와 상분율을 측정하였으며 이들의 인장특성 및 경도를 조사하였다. 열처리조건에 따라 변화하는 미세조직과 기계적 성질을 정량적으로 분석하여 사용환경에 최적화 된 유정용 강관개발에 도움이 되고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 유정용 강재(J55)의 열처리 조건의 변화를 통해 다양한 미세조직을 갖는 유정용 강을 제조하였다. 광학현미경과 주사전자 현미경(Scanning Electron Microscopy)을 통하여 미세조직의 종류와 상분율을 측정하였으며 이들의 인장특성 및 경도를 조사하였다. 열처리조건에 따라 변화하는 미세조직과 기계적 성질을 정량적으로 분석하여 사용환경에 최적화 된 유정용 강관개발에 도움이 되고자 한다.
본 연구에서는 유정용 강재(J55)의 열처리 조건의 변화를 통해 다양한 미세조직을 갖는 유정용 강을 제조하였다. 광학현미경과 주사전자 현미경(Scanning Electron Microscopy)을 통하여 미세조직의 종류와 상분율을 측정하였으며 이들의 인장특성 및 경도를 조사하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 API J55급 유정용 강의 화학 조성을 표 1에 나타내었다. J55시편에 오스테나이트 처리온도, 냉각속도, 템퍼링온도를 각각 변화하여 열처리를 실시하였으며 열처리 조건은 표 2에 나타내었다. 열처리로는 Hanyoung DX9 Temperature controller 를 사용 하였으면 대기 분위기에서 실시하였다.
열처리한 시편은 채취하여 판상형 ASTM A370 subsize 규격으로 제작하였다. 인장시험은 RB Model 301 UNITECH-M 시험기를 이용하여 상온에서 1.

이론/모형

일반적으로 결정립크기와 강도와의 관계는 Hall petch relationship으로 표현되며 아래와 같다. (σy = yield stress, σ₀ = a materials constant for the starting stress for the dislocation movement, k = the strengthening coefficient, d = the average grain diameter)

성능/효과

1. 시뮬레이션 결과 평형상태도는 A1, A3온도가 각각 약 20℃정도 감소하는 결과를 얻었으며, CCTCurve와 냉각속도를 통해 예상되는 미세조직을 예측할 수 있었다.
2. 오스테나이트 처리온도를 880℃, 910℃, 940℃로 증가시킴에 따라서 결정립크기가 증가하였다. 경도와 강도값은 오스테나이트 처리온도가 증가함에 따라 약간 감소하는 경향을 나타내었으며 그 이유는 결정립 미세화 효과라고 사료된다.
3. 수냉의 경우엔 대부분이 Martensite조직이 형성이 되었고, 유냉의 경우엔 Bainite, Ferrite 조직 등이 다양하게 나타났다. 냉각속도가 빠를수록 경도와 강도가 높게 나타났다.
4. 템퍼링 온도는 550℃ 650℃로 실시하였고. 템퍼링 온도가 상승할수록 미세조직에선 석출물의 양과 크기가 증가하였다. 경도와 강도는 템퍼링 온도가 상승함에 따라 그 값이 감소하였지만 인성이 증가하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	API강관이란?	기존 에너지가 고갈로 인해 심해저, 극한지 등 가혹한 환경에서의 석유생산과 비전통 석유자원(오일샌드, 셰일가스)의 채취가 증가함에 따라 경제적인 채굴 및 수송효율을 위한 강관, 즉 API강관의 개발이 요구되고 있다. API강관은 미국석유협회(American Petroleum Institute)에서 인정하는 강관으로 수송용(Line pipe), 유정용(OCTG), 해양구조물용으로 구분되며 수요가 급증하고 있다[1]. 현재 세계 강관 시장의 대부분을 중국이 차지하고 있으며, 그 뒤를 러시아, 일본, 한국이 뒤따르고 있다.
	유정용 강관의 요구사항이 더 다양한 이유는?	유정용 강관는 심해저 및 극한지에 사용되므로 채굴환경에 따라 고강도화, 저온인성, 내부식성 등 요구사항이 다양하다. 채굴환경에 최적화된 강재를 설계하기 위해서는 적합한 강도, 인성, 조직특성의 제어가 필요하며,이를 위해 합금설계 및 열처리 등의 방법이 중요하다[5-9].
	템퍼링 처리 후 경도와 강도가 감소한 이유는?	표 3, 4, 5, 6,에서 템퍼링을 실시하지 않은 경우엔 경도가 약 500Hv정도값을 강도는 1590MPa값을 나타내며 템퍼링 이후엔 경도와 강도 모두 급격히 감소하며 템퍼링 온도가 증가할수록 그 값은 더욱더 감소한다. 그 이유는 Martensite 조직내에 고용되어있던 탄소가 템퍼링을 실시함으로서 석출되기 때문에 경도와 강도는 감소를 하지만 인성이 증가하는 것을 알 수 있다.

참고문헌 (12)

L. Helin, H. Lihong, Z. Wenli, "Demand for and Development of Hi-performance OCTG", Steel Pipe, vol. 1, p. 3, 2009.
J. Yu, H. Jung, K. Noh, S. Cheon, K. Kang, "Technological Development Trend of API steel", Trends in metals & Materials Engineering, vol. 25, no. 6, pp. 4-11, 2012.
Y. Zhang, L. Zhiwei, "Current Development Situation and Prospects of Offshore Oil Pipes". Steel Pipe. vol. 5, p. 3, 2009.
L. Yang, S. Song, X. Han, K. Lin, "Review on the technologies of casing and its development trend", Oil Field Equipment, vol. 3, p. 5, 2005.
H. Kang, "Technological Development Trend of OCTG", Trends in metals & Materials Engineering, vol. 25, no. 6, pp. 57-64, 2012.
Y. Zhang, Z. Mingliang, "Forecast of OCTG Prospects (Part II)", Steel Pipe, vol. 3, 2007.
C. Zhang, "Development of Coiled Tubing Technology", Baosteel Technology, vol. 2, no. 2, pp. 26-29, 2007
Helin Li, "Development Trend of OCTG and Related Topics of General Interest", Steel Pipe, vol. 6, p. 1, 2005
R. Chunming, Cui. Runjiong, "Development and Application of Non-quenched and Tempered Steels for Oil-well Tube", Iron and Steel, vol. 1, pp. 015, 2002
R. L. Klueh, P. J. Maziasz, E. H Lee "Manganese as an austenite stabilizer in Fe-Cr-Mn-C steels", Materials Science and Engineering: A, vol. 102, no. 1, pp. 115-124, 1988. DOI: https://doi.org/10.1016/0025-5416(88)90539-3

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S. J. Kim, C. G Lee, T. H Lee, C. S. Oh "Effect of Cu, Cr and Ni on mechanical properties of 0.15 wt.% C TRIP-aided cold rolled steels." Scripta Materialia, vol. 48, no. 5, pp. 539-544, 2003. DOI: https://doi.org/10.1016/S1359-6462(02)00477-3

상세보기
H Zhao, B. P. Wynne, E. J. Palmiere, "Effect of austenite grain size on the bainitic ferrite morphology and grain refinement of a pipeline steel after continuous cooling", Materials Characterization, vol. 123, pp. 128-136, 2017. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matchar.2016.11.025

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