[논문]템퍼링 온도에 따른 ARMOX 500T 장갑재의 미세조직과 기계적 특성

임현석; 이지민; 송영범; 김홍규; 황병철

doi:10.3740/mrsk.2017.27.7.359

템퍼링 온도에 따른 ARMOX 500T 장갑재의 미세조직과 기계적 특성
Effect of Tempering Temperature on the Microstructure and Mechanical Properties of ARMOX 500T Armor Plate 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.27 no.7, 2017년, pp.359 - 363

임현석 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 이지민 (서울과학기술대학교 신소재공학과) , 송영범 (국방과학연구소) , 김홍규 (국방과학연구소) , 황병철 (서울과학기술대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The resistance of metallic materials to ballistic penetration generally depends on a number of parameters related to projectile, impact, and armor plate. Recently, armor materials have been required to have various properties such as hardness, strength, and impact toughness in order to maintain an excellent ballistic resistance even after impact. In the present study, the influence of tempering on the microstructure and mechanical properties of an ARMOX 500T armor steel plate was investigated and then compared with those of S45C and SCM440 steels. As the tempering temperature increased, the hardness and strength gradually decreased, whereas the ductility and impact toughness clearly increased because the hardness, tensile, and impact properties were affected by the microstructural evolution and precipitation occurring during tempering. On the other hand, temper embrittlement appeared at tempering temperatures of 300 to $400^{\circ}C$ for the impact specimens tested at low temperature.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 높은 경도 및 인성으로 인해 방탄 성능이 우수한 것으로 알려진 ARMOX 500T 장갑판재에 대하여 템퍼링 온도에 따른 미세조직 변화를 관찰하고, 경도, 인장, 충격 시험을 통해 기계적 특성을 평가한 후 템퍼링 온도에 따른 미세조직 변화와 기계적 특성의 상관관계를 조사하였다.
본 연구에서는 상용 방탄 소재로 사용되고 있는 ARMOX 500T 장갑재의 템퍼링 온도에 따라 변화되는 미세조직을 관찰하고, 경도, 인장, 충격 시험을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 일반적으로 알려진 바와 같 이 템퍼링 온도가 높아짐에 따라 경도 및 강도는 감소하고, 충격인성과 연신율은 증가하는 경향을 나타내지만, 200~300^o C 템퍼링 온도 구간에서는 일시적으로 경도 및 강도가 증가하고 충격인성과 연신율은 감소하는 경향을 나타내었다.

제안 방법

9) 또한 강재의 압연 방향으로 표점거리 25mm, 폭 6.3mm, 두께 2mm의 판상 형태인 장시험편으로 가공한 후 10톤 용량의 만능 시험기(Model: 8516, MTDI., Korea)를 사용하여 10−3s−1의 변형률 속도로 상온에서 인장 시험하였다.
본 연구에서는 이 소재를 900^oC 부근에서 15분간 재가열하고 수냉 처리하거나 이후 150~600^oC 온도에서 30분간 템퍼링하였다. 각각의 템퍼링 온도에 따른 미세조직 변화를 광학 및 주사 전자 현미경(SEM)을 이용하여 관찰하였다. 한편 ARMOX 500T와 함께 S45C와 SCM440의 상용 강재를 동일한 조건에서 열처리하여 경도 변화를 500gf 의 하중을 갖는 마이크로 비커스 경도계를 이용하여 측정한 후 상호 비교하였다.
광학 현미경 사진으로는 구분이 어렵기 때문에 이를 좀 더 자세히 관찰하기 위해 주사 전자 현미경을 이용하여 각각의 미세조직을 관찰하였다(Fig. 2).
본 연구에서는 이 소재를 900oC 부근에서 15분간 재가열하고 수냉 처리하거나 이후 150~600oC 온도에서 30분간 템퍼링하였다.
충격 시험은 ASTM E 23의 시편 규격에 따라 Sub-size의 10×55×5mm, L-T 방향의 시편으로 제작하여 Charpy V-notch 시험을 통해 충격 인성을 측정하였다.
템퍼링 온도에 따른 석출물 형성 거동을 확인하기 위해 Fig. 3에 Thermo-Calc 소프트 웨어를 이용하여 템퍼링 온도에 따른 석출 거동을 분석하였다. 300^oC 부근에서 M₂₃C₆가 석출되고, 그 이상의 온도에서 시멘타이트가 점차 증가함을 알 수 있다.
각각의 템퍼링 온도에 따른 미세조직 변화를 광학 및 주사 전자 현미경(SEM)을 이용하여 관찰하였다. 한편 ARMOX 500T와 함께 S45C와 SCM440의 상용 강재를 동일한 조건에서 열처리하여 경도 변화를 500gf 의 하중을 갖는 마이크로 비커스 경도계를 이용하여 측정한 후 상호 비교하였다. 충격 시험은 ASTM E 23의 시편 규격에 따라 Sub-size의 10×55×5mm, L-T 방향의 시편으로 제작하여 Charpy V-notch 시험을 통해 충격 인성을 측정하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 강재는 스웨덴 SSAB사의 ARMOX 500T 방탄 소재로 경도 540 Hv 이상, 인장 강도 1750MPa 이상, 연신율 10% 이상 등의 기계적 특성을 갖도록 제조된 6mm 장갑 판재이다. 이 강재의 조성과 함께 비교재로 상용 강재인 JIS 규격 S45C와 SCM440의 조성을 Table 1에 나타내었다.
본 연구에서는 템퍼링 온도에 따른 미세조직 변화를 확 인하기 위해 ARMOX 500T 시편의 광학 현미경 사진을 Fig. 1에 나타내었다. 템퍼링 온도에 관계없이 모든 시편에서 침상형의 미세조직이 나타나며, 템퍼링 온도에 따른 미세조직 차이는 광학현미경 상으로 구분하기 어려웠다.

성능/효과

이러한 요구에 발맞추어 알루미늄이나 티타늄, 철강 등 다양한 금속 장갑 소재들이 개발되고 있다.¹⁾ 비철 장갑 소재는 철강 장갑 소재에 비해 상대적으로 강도가 낮아 방탄 성능보다는 경량화가 필요한 부분에 주로 사용되는데, 티타늄 합금의 경우 가격이 비싸고 용접 가공에 어려움이 있어 특정 부위에 제한적으로 사용이 가능하다. 이에 반해 철강 장갑 소재는 가격이 저렴하고 강도가 뛰어날 뿐만 아니라 용접성이 비교적 우수하여 일반적인 장갑 소재에도 널리 이용되고 있다.
모든 강재는 템퍼링 온도가 높아짐에 따라 경도가 감소하게 되는데 이는 템퍼링시 마르텐사이트 내부의 탄소가 확산되어 마르텐사이트의 격자 상수 및 전위 밀도가 감소됨으로써 마르텐사이트의 강도가 감소하기 때문이다.^11-13) 상용 강재와 ARMOX 강재의 경도 차이는 300^oC 이하에서 크게 나타나다가 300^oC 이상에서는 크지 않음을 알 수 있다. 모든 시편들에서 템퍼링 온도가 높아짐에 따라 경도가 감소하는데 비해, ARMOX 500T 소재는 템퍼링 온도가 높아짐에 따라 경도가 감소하다가 일시적으로 300^oC에서 증가하였다.
연신율은 급랭한 시편에 비해 모두 높은 연신율을 나타내는데, 이는 마르텐사이트 내부의 탄소가 템퍼링 동안 확산되고 전위 밀도가 낮아지면서 마르텐사이트 조직이 연화되기 때문 이다.^14,15) 항복 강도와 연신율은 200~300^oC에서 일시적으로 증가 및 감소하게 되는데, 경도 및 인장 시험에서의 결과와 같이 석출에 의한 석출 경화로 인하여 일시적으로 연신율 감소 및 항복 강도 증가가 일어났음을 알 수 있다.^16-20) 그러나 인장 강도에는 큰 영향을 주지 못한 것으로 보아 소성 변형 과정에서 가공 경화에는 미미한 효과를 보였음을 알 수 있다.
이는 Cr 첨가에 의한 Cr 탄화물과 시멘타이트의 석출로 인한 석출 경화와 가공 경화 기구 측면의 변화로 인해 기계적 특성에 영향을 주었기 때문이다. 또한 인장 특성은 가동 전위 밀도의 변화와 마르텐사이트 내부의 탄소 확산에 의한 두 기구의 상호 보완적인 효과가 각각의 인장 특성에 대하여 다르게 작용함 을 알 수 있었다.
^16-20) 그러나 인장 강도에는 큰 영향을 주지 못한 것으로 보아 소성 변형 과정에서 가공 경화에는 미미한 효과를 보였음을 알 수 있다. 또한 템퍼링 온도 변화에 따른 항복비와 Hollomon식을 이용한 가공 경화 지수를 살펴보면(Fig. 5), 템퍼링 온도가 높아짐에 따라 항복비는 증가하며, 가공 경화 지수는 감소하였다. 이는 템퍼링 온도의 상승과 함께 전위 밀도는 보다 감소하고, 마르텐사이트 내 탄소 확산에 의한 연화가 진행되어 항복비 및 가공 경화 지수에 영향을 주기 때문이다.
^11-13) 상용 강재와 ARMOX 강재의 경도 차이는 300^oC 이하에서 크게 나타나다가 300^oC 이상에서는 크지 않음을 알 수 있다. 모든 시편들에서 템퍼링 온도가 높아짐에 따라 경도가 감소하는데 비해, ARMOX 500T 소재는 템퍼링 온도가 높아짐에 따라 경도가 감소하다가 일시적으로 300^oC에서 증가하였다. 이는 이전의 미세조직 분석 결과를 통해서 볼 때, 석출물이 형성되는 과정에서 기계적 특성에 영향을 주기 때문으로 볼 수 있다.
^11-13) 상온과 저 온 모두 300^oC 이상의 템퍼링 온도에서 일시적으로 충격 인성이 감소하였는데, 이는 경도의 경우처럼 200~300^oC 온도 구간에서 템퍼링이 실시될 때, Cr 탄화물이 석출되어 템퍼링으로 인한 마르텐사이트의 연화를 상쇄시키기 때문이다. 이와 같이 본 연구에서는 방탄 소재로 사용되는 ARMOX 500T의 템퍼링 온도에 따른 기계적 특성은 미세조직 및 탄화물의 영향을 받음을 알 수 있 었다. 향후 방탄 성능이 보다 우수한 강재를 개발하기 위해서는 기계적 특성 향상을 위한 효과적인 열처리 및 미세조직의 구현이 필요할 것으로 생각된다.
본 연구에서는 상용 방탄 소재로 사용되고 있는 ARMOX 500T 장갑재의 템퍼링 온도에 따라 변화되는 미세조직을 관찰하고, 경도, 인장, 충격 시험을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 일반적으로 알려진 바와 같 이 템퍼링 온도가 높아짐에 따라 경도 및 강도는 감소하고, 충격인성과 연신율은 증가하는 경향을 나타내지만, 200~300^o C 템퍼링 온도 구간에서는 일시적으로 경도 및 강도가 증가하고 충격인성과 연신율은 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 Cr 첨가에 의한 Cr 탄화물과 시멘타이트의 석출로 인한 석출 경화와 가공 경화 기구 측면의 변화로 인해 기계적 특성에 영향을 주었기 때문이다.

후속연구

이와 같이 본 연구에서는 방탄 소재로 사용되는 ARMOX 500T의 템퍼링 온도에 따른 기계적 특성은 미세조직 및 탄화물의 영향을 받음을 알 수 있 었다. 향후 방탄 성능이 보다 우수한 강재를 개발하기 위해서는 기계적 특성 향상을 위한 효과적인 열처리 및 미세조직의 구현이 필요할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	철강 장갑 소재의 장점은?	1) 비철 장갑 소재는 철강 장갑 소재에 비해 상대적으로 강도가 낮아 방탄 성능보다는 경량화가 필요한 부분에 주로 사용되는데, 티타늄 합금의 경우 가격이 비싸고 용접 가공에 어려움이 있어 특정 부위에 제한적으로 사용이 가능하다. 이에 반해 철강 장갑 소재는 가격이 저렴하고 강도가 뛰어날 뿐만 아니라 용접성이 비교적 우수하여 일반적인 장갑 소재에도 널리 이용되고 있다. 1,2) 철강 장갑 소재로는 주로 고경도 장갑판재(HHA; high hardness armor plate) 및 균질 압연 장갑판재(RHA; rolled homogeneous armor plate)가 사용되는데, HHA는 급냉을 통해 경도가 매우 높아 관통 저항성이 높은 판재이고, RHA는 공냉과 압연 공정을 통해 HHA에 비해 상대적으로 경도가 낮고 취성 파괴 저항성이 높은 판재이다.
	철강 장갑 소재의 종류 및 특징은 무엇인가?	이에 반해 철강 장갑 소재는 가격이 저렴하고 강도가 뛰어날 뿐만 아니라 용접성이 비교적 우수하여 일반적인 장갑 소재에도 널리 이용되고 있다. 1,2) 철강 장갑 소재로는 주로 고경도 장갑판재(HHA; high hardness armor plate) 및 균질 압연 장갑판재(RHA; rolled homogeneous armor plate)가 사용되는데, HHA는 급냉을 통해 경도가 매우 높아 관통 저항성이 높은 판재이고, RHA는 공냉과 압연 공정을 통해 HHA에 비해 상대적으로 경도가 낮고 취성 파괴 저항성이 높은 판재이다. 1-3)
	장갑 소재에서 경도가 방탄 성능에 큰 영향을 주는 중요한 기계적 특성 인자인 이유는?	장갑 소재에서 경도는 방탄 성능에 큰 영향을 주는 중요한 기계적 특성 인자이다. 이는 관통 시험시 관통 깊이와 관통영역 부피를 감소시켜 충격시의 에너지를 효과적으로 흡수하기 때문이다. 4,5) 그러나 경도가 매우 높은 초고경도 장갑 소재에서는 충격인성이 방탄 성능을 지배하는 것으로 알려져 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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