[논문]API J55강의 미세조직과 기계적 특성에 미치는 열처리 및 합금원소(B, Ti)의 영향

최종민

doi:10.5762/kais.2018.19.4.69

API J55강의 미세조직과 기계적 특성에 미치는 열처리 및 합금원소(B, Ti)의 영향
Microstructures and Mechanical Properties of API J55 steel with Heat treatment conditions and Alloying elements(B, Ti) 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.19 no.4, 2018년, pp.69 - 76

초록
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본 연구에서는 유정용 강관의 열처리 조건 및 합금원소(B, Ti)에 따른 미세조직 및 기계적 성질을 조사하였다. 실험에는 J55, J55+B,Ti 강재를 사용하였고, 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, J55+B,Ti 강재의 화학적 성분을 기준으로 평형상태도와 CCT 곡선을 예측하였다. 시뮬레이션 결과 평형상태도는 A1, A3 온도가 약 $20^{\circ}C$ 감소하였고, CCT 곡선은 B, Ti이 첨가됨에 따라 ferrite와 bainite nose 부분이 오른쪽으로 이동하였다. J55, J55+B,Ti 강재의 CCT 곡선을 기준으로 냉각속도에 따른 martensite, bainite, ferrite등 예상되는 미세조직을 예측하였고, J55 강재의 미세조직 예측값은 실제 실험값과 유사한 양상을 나타내었지만. J55+B,Ti 강재의 예측값은 실제 실험값과는 차이가 있었다. 열처리 조건이 변화됨에 따라 martensite, bainite, ferrite 등 다양한 조직이 생성되었으며, 이는 경도, 강도 및 연신율에 밀접한 영향을 미쳤다. J55시편의 수냉의 경우 martensite 조직이 형성되었고, 유냉의 경우 bainite와 ferrite 조직이 형성되었지만, J55+B,Ti시편은 B의 첨가에 의한 경화능 향상으로 냉각방식에 관계없이 martensite 조직이 형성되었다. 전반적으로 B, Ti을 첨가하면서 기계적 성질은 향상되었고, quenching 이후의 시편보다 tempering 이후의 시편에서 크게 향상되었다. 이는 Ti의 첨가로 인해 생성된 미세한 석출물이 재결정시 결정립 성장을 억제하여 미세한 오스테나이트 결정립을 생성하였고, tempering 열처리 이후에도 결정립 미세화 효과가 큰 영향을 미친 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study examined the effect of the heat treatment and alloying elements (B, Ti) on the microstructures and mechanical properties of API J55 steel. The experiments were carried out using various austenization temperatures ($880^{\circ}C$, $910^{\circ}C$, $940^{\circ}C$), cooling methods (water quenching, oil quenching) and tempering temperatures (none, $550^{\circ}C$, $650^{\circ}C$) with J55 and J55+B,Ti steels. The phase diagram and CCT curve were simulated based on the chemical compositions of the J55 and J55+B,Ti steels to predict the microstructures. The results showed that the A1 and A3 temperatures decreased and, as a result, the noses of the ferrite and bainite parts of the CCT curve moved to the right. Various microstructures were formed, namely martensite, bainite, ferrite and pearlite, in accordance with the heat treatment, which had an effect on the hardness, tensile strength and toughness. Martensite was formed after water quenching, but bainite and ferrite appeared after oil quenching with the J55 specimens. On the other hand, martensite was formed, regardless of the cooling method (water quenching, oil quenching), with the J55+B,Ti specimens, because of the improvement of the hardenability caused by the addition of boron. Therefore, the J55+B,Ti specimens exhibited much higher mechanical properties than the J55 specimens, even after the tempering treatment, since the addition of Ti caused fine precipitates to be formed, which inhibited grain growth at the recrystallization temperature.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 J55강의 합금성분조절 및 열처리공정제어를 통해 다양한 미세조직을 가지는 유정용 강을 제조하였다. J55강의 미세조직과 기계적 성질에 미치는 열처리조건에 따른 합금원소(B, Ti)의 영향을 분석하여, 사용 환경에 적합한 유정용 강재를 개발하는데 정량적으로 도움이 되고자 한다.
본 연구에서는 J55강의 기계적 특성에 미치는 B, Ti의 영향을 분석하여 다음 결과를 얻었다.

가설 설정

0006wt%) 이다. J.mat Pro 프로그래밍시 시편의 조성은 위와 동일하게 하였으며 오스테나이트 처리온도 910℃, 결정립크기 10.5㎛ 라고 가정 하에 실험하였다.

제안 방법

현미경을 통한 분석을 위해 시편을 사포를 이용하여 그라인딩 및 1um까지 다이아몬드 서스펜션을 통하여 기계적 연마를 실시한 후 4% 나이탈 용액을 통해 화학적 에칭을 실시하였다. 광학현미경만으로는 Ferrite, Bainite, Martensite 등의 미세조직 구별이 어려워 주사전자현미경으로 온도에 따른 미세조직변화를 관찰하였다.
열처리에 따른 경도값을 알기 위해 마이크로 비커스경도시험기(HM-100, Mitutoyo)를 이용하여 측정하였다. 경도 실험은 하중 0.
열처리에 따른 조직변화를 관찰하기 위해 광학현미경(Optical microscope, Nikon Optiphot-100)과 주사전자현미경(FE-SEM, S-4800) 분석을 실시하였다. 현미경을 통한 분석을 위해 시편을 사포를 이용하여 그라인딩 및 1um까지 다이아몬드 서스펜션을 통하여 기계적 연마를 실시한 후 4% 나이탈 용액을 통해 화학적 에칭을 실시하였다.
그림 2는 CCT Curve Simulation 프로그램인 J mat Pro를 사용하여 J55 강의 CCT Curve를 계산하였다. 온도측정기를 각시편에 설치 후 Quenching시 온도변화를 측정하였으며 Water Quenching은 107℃, Oil Quenching은 35℃로 Water Quenching이 약 3배정도 빠른 냉각속도를 나타내었다. 그리고 냉각속도를 CCT Curve에 대입해 보았고, Simulation 결과 J55시편 수냉의 경우에는 냉각이 됨에 따라 소량의 Ferrate, Bainite조직과 상당부분의 Martensite 조직의 3상이 얻어질 것으로 예상되며, 유냉의 경우에는 추가적으로 Pealite조직이 미량 형성되는 것으로 예상된다.
열처리한 시편은 채취하여 판상형 ASTM A370 subsize 규격으로 제작하였다. 인장시험은 RB Model 301 UNITECH-M 시험기를 이용하여 상온에서 1.5mm/min의 속도로 실시하였으며, 항복강도, 인장강도, 인장연신율을 측정하였다.
열처리에 따른 조직변화를 관찰하기 위해 광학현미경(Optical microscope, Nikon Optiphot-100)과 주사전자현미경(FE-SEM, S-4800) 분석을 실시하였다. 현미경을 통한 분석을 위해 시편을 사포를 이용하여 그라인딩 및 1um까지 다이아몬드 서스펜션을 통하여 기계적 연마를 실시한 후 4% 나이탈 용액을 통해 화학적 에칭을 실시하였다. 광학현미경만으로는 Ferrite, Bainite, Martensite 등의 미세조직 구별이 어려워 주사전자현미경으로 온도에 따른 미세조직변화를 관찰하였다.

대상 데이터

mat Pro 를 이용하였다. Thermal Calc 프로그래밍시 J55 시편의 조성은 C(0.23wt%), Si(0.16wt%), Mn(1.35wt%), P(0.014wt%), S(0.015wt%), Ti(0.003wt%), B(0.0006wt%) 이다. J.
J55는 합금성분조절 즉 보론(B), 티타늄(Ti)의 첨가로 경화능을 향상시키고 이를 통해 열처리 후 강도를 보증하는 것이 일반적이다. 본 연구에서는 J55강의 합금성분조절 및 열처리공정제어를 통해 다양한 미세조직을 가지는 유정용 강을 제조하였다. J55강의 미세조직과 기계적 성질에 미치는 열처리조건에 따른 합금원소(B, Ti)의 영향을 분석하여, 사용 환경에 적합한 유정용 강재를 개발하는데 정량적으로 도움이 되고자 한다.
본 연구에서 사용된 API J55 유정용 강의 화학 조성을 표 1에 나타내었고 열처리조건(오스테나이트 처리온도, 냉각방식, 템퍼링온도)을 표 2에 나타내었다. 열처리로는 Hanyoung DX9 Temperature controller를 대기분위기에서 사용하였다.
열처리한 시편은 채취하여 판상형 ASTM A370 subsize 규격으로 제작하였다. 인장시험은 RB Model 301 UNITECH-M 시험기를 이용하여 상온에서 1.

데이터처리

열처리에 따른 경도값을 알기 위해 마이크로 비커스경도시험기(HM-100, Mitutoyo)를 이용하여 측정하였다. 경도 실험은 하중 0.5kgf, 하중부과시간 10초의 조건으로 15회 측정하여 최소, 최대값을 제외한 평균값을 구하였다.
그림 2는 CCT Curve Simulation 프로그램인 J mat Pro를 사용하여 J55 강의 CCT Curve를 계산하였다. 온도측정기를 각시편에 설치 후 Quenching시 온도변화를 측정하였으며 Water Quenching은 107℃, Oil Quenching은 35℃로 Water Quenching이 약 3배정도 빠른 냉각속도를 나타내었다.

성능/효과

B, Ti이 첨가됨에 따라 경화능 향상 효과로 인해 수냉, 유냉한 시편 모두 Martensite조직이 형성되어 높은 인장강도와 경도를 나타내었으며, 결정립 미세화 효과로 인해 오스테나이트 처리온도가 증가함에도 불구하고 미세한 오스테나이트 결정립을 유지하여 템퍼링 열처리 이후에도 높은 기계적 성질을 나타냈다.
유냉의 경우 J55시편은 소량 생성될 것이라 예상되었던 Pealite조직은 생성되지 않았으며, 상대적으로 느린 냉각속도로 인해 Bainite조직과 Widmanstattem Ferrite이 생성되었다. J55+B,Ti시편은 Bainite와 Ferrite조직이 일부 생성될것이라 예상했지만 Martensite조직이 형성되어 시뮬레이션 결과와 크게 차이를 보였으며, 이는 B의 첨가에 따른 경화능 향상 효과가 시뮬레이션 예측보다 크게 작용한 것을 알 수 있다. 일반적으로 강에 소량의 B을 첨가하면 경화능이 크게 향상되어 Martensite조직이 쉽게 생성된다고 알려져 있다[8].
J55+B,Ti시편의 경우 수냉, 유냉한 시편 모두 Martensite조직이 형성되었지만, J55시편의 경우 수냉한 시편은 Martensite조직과 소량의 Ferrite조직이 유냉한 시편은 Bainite조직과 Ferrite조직이 형성되었고 Ferrite 조직의 형태는 냉각속도가 빠를 경우 생성되는 Widmanstatten Ferrite가 나타났다.
표 4에 오스테나이트처리온도, 냉각방식, 템퍼링 온도에 따른 강종별 경도와 연신율을 표기하였다. J55+B,Ti시편이 J55시편보다 더 높은 경도를 나타내었으며 수냉한 시편에 비해 유냉한 시편의 경도가 훨씬 높게 측정되었다. 이는 그림 5, 6에서 알 수 있듯이 수냉한 시편은 오스테나이트 처리온도와 관계없이 모두 Martensite조직이 형성이 되어 약 500Hv의 경도를 나타내지만, 유냉한 시편의 경우, J55시편은 Bainite조직이 J55+B,Ti 시편은 Martensite조직이 형성되어 각각 약 510Hv, 290Hv의 경도를 나타내어 큰 차이를 보였다.
온도측정기를 각시편에 설치 후 Quenching시 온도변화를 측정하였으며 Water Quenching은 107℃, Oil Quenching은 35℃로 Water Quenching이 약 3배정도 빠른 냉각속도를 나타내었다. 그리고 냉각속도를 CCT Curve에 대입해 보았고, Simulation 결과 J55시편 수냉의 경우에는 냉각이 됨에 따라 소량의 Ferrate, Bainite조직과 상당부분의 Martensite 조직의 3상이 얻어질 것으로 예상되며, 유냉의 경우에는 추가적으로 Pealite조직이 미량 형성되는 것으로 예상된다. J55+B,Ti시편 수냉의 경우에는 소량의 Ferrate, Bainite변태 후 Matensite 변태를 하는 것으로 예상되며, 유냉의 경우에도 Ferrite, Bainite, Martensite 조직이 형성될 것으로 예상된다.
템퍼링을 실시하지 않았을 경우에는 J55+B,Ti시편과 J55시편이 유사한 인장강도를 나타냈지만, 템퍼링을 실시한 이후에는 J55+B,Ti시편이 J55시편에 비해 높은 인장강도값을 나타냈다. 또한 오스테나이트 처리온도가 증가함에 따라 J55+B,Ti시편과 J55시편의 인장강도 값의 차이가 증가하였다.
이는 그림 5, 6에서 알 수 있듯이 수냉한 시편은 오스테나이트 처리온도와 관계없이 모두 Martensite조직이 형성이 되어 약 500Hv의 경도를 나타내지만, 유냉한 시편의 경우, J55시편은 Bainite조직이 J55+B,Ti 시편은 Martensite조직이 형성되어 각각 약 510Hv, 290Hv의 경도를 나타내어 큰 차이를 보였다. 연신율은 오스테나이트 처리온도가 낮을수록, 템퍼링 온도가 높을수록 높아지는 일반적인 경향을 나타내었으나 B, Ti의 첨가에 따른 경향성은 나타나지 않았다.
열역학 시뮬레이션 결과 평형상태도는 A1, A3온도가 각각 약 20℃정도 감소하는 결과를 얻었으며, CCT Curve 시뮬레이션 결과 B, Ti의 첨가로 인해 Ferrite와 Bainite 생성부의 nose가 오른쪽으로 이동하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유정용 강관의 사용환경은?	유정용 강관은 주로 가혹한 환경하에서 사용되며 채굴환경에 따라 고강도, 저온인성, 내부식성 등 요구사항이 다양하다. 합금설계 및 열처리 등의 방법을 통해 채굴환경에 적합한 강도, 인성, 조직제어를 설계하는 것이 중요하다[1,2,3,4].
	유정용 강관 설계시 고려해야 하는 것은?	유정용 강관은 주로 가혹한 환경하에서 사용되며 채굴환경에 따라 고강도, 저온인성, 내부식성 등 요구사항이 다양하다. 합금설계 및 열처리 등의 방법을 통해 채굴환경에 적합한 강도, 인성, 조직제어를 설계하는 것이 중요하다[1,2,3,4].
	J55의 강도를 위해 합금성분조절을 어떻게 하는가?	J55은 유정용 강관으로 가장 많이 사용되고 있으며, 담금질 및 템퍼링(Quenching and Tempering: QT) 열처리로 재질을 향상시킬 수 있는 강종이며 열처리 조건에 따른 연구는 일부 진행된 바 있다[5]. J55는 합금성분조절 즉 보론(B), 티타늄(Ti)의 첨가로 경화능을 향상시키고 이를 통해 열처리 후 강도를 보증하는 것이 일반적이다. 본 연구에서는 J55강의 합금성분조절 및 열처리공정제어를 통해 다양한 미세조직을 가지는 유정용 강을 제조하였다.

참고문헌 (10)

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R. Klueh, P. Maziasz, E. 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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B. Hwang, Effect of Austenitizing Temperature on the Hardenability and Tensile Properties of Boron Steels, Korean Journal of Materials Research, vol. 25, no. 9, pp. 497-502, 2015. DOI: https://doi.org/10.3740/MRSK.2015.25.9.497

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Arribas, M., B. Lopez, and J. M. Rodriguez-Ibabe. "Additional grain refinement in recrystallization controlled rolling of Ti-microalloyed steels processed by near-net-shape casting technology", Materials Science and Engineering: A, vol. 485, no. 1-2, pp. 383-394, 2008. DOI: https://doi.org/10.1016/j.msea.2007.08.015

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Han, Y., Shi, J., Xu, L., Cao, W. Q., Dong, H. "Effects of Ti addition and reheating quenching on grain refinement and mechanical properties in low carbon medium manganese martensitic steel", Materials & Design, vol. 34, pp. 427-434, 2012. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2011.08.015

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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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