[논문]고경도 철계 장갑재의 미세조직과 기계적 특성 분석

이지민; 한종주; 송영범; 함진희; 김홍규; 황병철

doi:10.3740/mrsk.2018.28.8.459

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a study of the microstructure and mechanical properties of commercial high-hardness armor (HHA) steels tempered at different temperatures. Although the as-received specimens of all the steels exhibit a tempered martensite structure with lath type morphology, the A steel, which ha...

This paper presents a study of the microstructure and mechanical properties of commercial high-hardness armor (HHA) steels tempered at different temperatures. Although the as-received specimens of all the steels exhibit a tempered martensite structure with lath type morphology, the A steel, which has the smallest carbon content, had the lowest hardness due to reduced solid solution hardening and larger lath thickness, irrespective of tempering conditions. As the tempering temperature increases, the hardness of the steels steadily decreases because dislocation density decreases and the lath thickness of martensite increases due to recovery and over-aging effects. When the variations in hardness plotted as a function of tempering temperature are compared with the hardness of the as-received specimens, it seems that the B steel, which has the highest yield and tensile strengths, is fabricated by quenching, while the other steels are fabricated by quenching and tempering. On the other hand, the impact properties of the steels are affected by specimen orientation and test temperature as well as microstructure. Based on these results, the effect of tempering on the microstructure and mechanical properties of commercial high-hardness armor steels is discussed.

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문제 정의

또한 미세조직과 기계적 특성 변화의 상관관계에 대한 연구가 부족하여 기존의 소재보다 물성이 향상된 소재를 개발하는데 한계가 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 높은 경도를 갖는 대표적인 철계 장갑재 4종에 대하여 템퍼링 온도에 따른 미세조직 변화를 관찰하고, 경도, 인장, 충격 시험을 실시하여 기계적 특성을 비교한 후 미세조직과의 상관관계를 고찰하였다.
본 연구에서는 높은 경도를 갖는 대표적인 철계 장갑 재 4 종의 미세조직을 관찰하고, 경도, 인장, 충격 시험을 실시하여 템퍼링 온도에 따른 미세조직 변화와 기계적 특성의 상관관계를 고찰하였다. 모든 강들은 템퍼링 온도가 높아질수록 마르텐사이트 내부의 탄소 확산과 전위 밀도 감소에 의해 경도가 뚜렷하게 감소되는 경향을 나타내었다.

제안 방법

경도는 마이크로 비커스 경도계(FM-800, Future-tech, Japan)를 이용하여 500 gf의 하중 하에서 측정한 후 브리넬 경도로 환산하였다. 인장 시험은 ASTM E8의 표준 시험법에 따라 압연 방향(rolling direction)으로 표점 거리 25 mm, 직경 6 mm의 sub-size 판상 형태 인장 시편을 가공하고, 10톤 용량의 만능시험기(Instron8801, INSTRON, USA)를 사용하여 10⁻³/s의 변형률 속도로 상온에서 실시하였다.
또한 템퍼링 시 형성될 수 있는 석출물들을 관찰하기 위하여 투과전자현미경(TEM, trans mission electron microscopy, JEM-2100F, JEOL, Japan) 분석을 실시하였는데, 이들 시편은 10 % 과염소산 + 90 % 에탄올 전해액에서 −10 ℃로 유지하고 twin-jet 법을 이용하여 제작한 후 200 kV의 가속전압 하에서 TEM으로 관찰하였다.
본 연구에 사용되는 철계 장갑재 4 종의 초기(asreceived) 미세조직을 광학현미경과 주사전자현미경으로 관찰한 결과를 Fig. 1과 2에 나타내고, JMatPro 7.0 소프트웨어(Sente Software Ltd.)를 이용하여 계산한 마르텐사이트 변태 시작 온도(M_S)를 Table 1에 정리하였다. 모든 강들은 급랭 또는 급랭과 템퍼링 처리에 의한 래스(lath) 형태의 마르텐사이트 또는 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite) 조직을 나타내었다.
템퍼링 온도에 따른 경도를 비교하기 위해 강들을 900 ℃의 온도에서 각각 15분간 재가열한 후 급랭하고, 200 ℃ ~ 600 ℃의 온도에서 30분간 템퍼링을 실시하였다. 열처리 전후 미세조직은 판재의 옆면(longitudinalshort transverse plane)을 기계적으로 연마하고, 3 % 나이탈 용액으로 에칭한 후 광학현미경(OM, optical microscope, BA310met, MOTIC, China) 및 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope, AIS1800C, SERON, Korea)으로 관찰하였다. 또한 템퍼링 시 형성될 수 있는 석출물들을 관찰하기 위하여 투과전자현미경(TEM, trans mission electron microscopy, JEM-2100F, JEOL, Japan) 분석을 실시하였는데, 이들 시편은 10 % 과염소산 + 90 % 에탄올 전해액에서 −10 ℃로 유지하고 twin-jet 법을 이용하여 제작한 후 200 kV의 가속전압 하에서 TEM으로 관찰하였다.
인장 시험은 ASTM E8의 표준 시험법에 따라 압연 방향(rolling direction)으로 표점 거리 25 mm, 직경 6 mm의 sub-size 판상 형태 인장 시편을 가공하고, 10톤 용량의 만능시험기(Instron8801, INSTRON, USA)를 사용하여 10−3/s의 변형률 속도로 상온에서 실시하였다.
충격 시험은 ASTM E23의 표준 시험법에 따라 L-T(longitudinal-transverse)와 T-L(transverselongitudinal) 방향으로 10 × 10 × 55 mm 크기의 표준 샤르피 충격 시편을 가공한 후 750 J 용량의 충격시험기(PSW 750, ZwickRoell, Germany)를 사용하여 상온(25 ℃)과 저온(−40 ℃)에서 실시하였다.
템퍼링 온도에 따른 경도를 비교하기 위해 강들을 900 ℃의 온도에서 각각 15분간 재가열한 후 급랭하고, 200 ℃ ~ 600 ℃의 온도에서 30분간 템퍼링을 실시하였다.

대상 데이터

2. SEM micrographs of the as-received A, B, C, and D steels.
연구에서 사용된 철계 장갑재는 SSAB사에서 생산된 A와 B 강, ArcelorMittal사에서 생산된 C와 D 강으로 이들의 자세한 화학조성을 Table 1에 나타내었다.^8,9)화학조성을 자세히 살펴보면, 모든 강들은 Ni이 약 1~2 wt%, Mo이 0.

성능/효과

8,9)화학조성을 자세히 살펴보면, 모든 강들은 Ni이 약 1~2 wt%, Mo이 0.3~0.4 wt% 정도 첨가되어 있으며, A와 B 강은 C와 D 강에 비해 Cr과 Mn 함량이 상대적으로 높지만, Si 함량이 다소 낮다. 그 외 C 강을 제외하고, 경화능 향상을 위해 10 ppm 이상의 B이 첨가되어 있으며, A 강의 경우 가장 낮은 C와 Ni 함량을 가지는 것으로 확인되었다.
철계 장갑재 4 종의 상온 인장 시험 결과를 Table 2에 정리하였다. 그 결과를 보면, 항복 강도, 인장 강도 및 연신율이 모두 해당 강종의 인장 특성 범위를 잘 만족하였다. 항복 및 인장 강도의 경우 탄소 함량이 높을수록 값이 대체로 증가되는 경향을 보이는데, 이는 탄소 함량이 높을수록 고용 강화 효과가 증가하고, 마르텐사이트 변태 시 전단 변태에 의한 격자 비틀림이 커서 전위밀도 또한 증가하기 때문이다.
4 wt% 정도 첨가되어 있으며, A와 B 강은 C와 D 강에 비해 Cr과 Mn 함량이 상대적으로 높지만, Si 함량이 다소 낮다. 그 외 C 강을 제외하고, 경화능 향상을 위해 10 ppm 이상의 B이 첨가되어 있으며, A 강의 경우 가장 낮은 C와 Ni 함량을 가지는 것으로 확인되었다.
본 연구에서는 높은 경도를 갖는 대표적인 철계 장갑 재 4 종의 미세조직을 관찰하고, 경도, 인장, 충격 시험을 실시하여 템퍼링 온도에 따른 미세조직 변화와 기계적 특성의 상관관계를 고찰하였다. 모든 강들은 템퍼링 온도가 높아질수록 마르텐사이트 내부의 탄소 확산과 전위 밀도 감소에 의해 경도가 뚜렷하게 감소되는 경향을 나타내었다. 또한 템퍼링 온도에 따른 경도 시험 결과와 초기 경도의 비교를 통해 B 강은 템퍼링없이 급랭만으로 제조되고, 나머지 장갑재들은 급랭 후 200 ℃ ~300 ℃에서 템퍼링 처리가 된 것으로 생각되었다.
5에 나타내었다. 모든 장갑재에서 템퍼링 온도가 높아질수록 경도가 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 오스테나이트화 처리 후 급랭으로 형성된 높은 전위밀도를 가진 마르텐사이트가 템퍼링 동안 마르텐사이트 내부의 탄소 확산과 전위 풀림에 의해 전위밀도가 감소하고, 미세조직이 조대화되기 때문이다.
3에 나타내었다. 저온과 상온에서 모두 L-T 방향으로 가공된 시편들이 T-L 방향으로 가공된 시편들보다 상대적으로 높은 충격 흡수에너지 값을 나타내었다. 이는 L-T 시편의 경우 압연에 의해 생긴 밴드 구조(band structure)가 충격 시험 시 균열 진행 방향을 방해하는 쪽으로 배열되어 있는 반면,T-L 시편의 경우 밴드 구조가 균열 진행을 효과적으로 방해하지 못하기 때문이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	철계 장갑재의 장점은?	현대전에서 전투 장비의 성능 개선을 위해 장갑재의 중요성이 크게 인식되면서 기동력, 화력을 대표하는 장갑차량의 생존성에 직접적인 영향을 미치는 방탄 성능을 향상시키기 위한 연구가 꾸준히 진행되고 있다. 일반적으로 장갑재의 방탄 성능은 소재의 경도에 크게 의존하는 것으로 알려져 있는데 현재 사용되고 있는 여러 장갑재들 중 철계 장갑재는 높은 경도와 방탄 성능, 저렴한 가격, 용접성 등의 장점으로 인해 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.1-4)
	철계 장갑재의 대표적인 특성은?	또한 미세조직과 기계적 특성 변화의 상관관계에 대한 연구가 부족하여 기존의 소재보다 물성이 향상된 소재를 개발하는데 한계가 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 높은 경도를 갖는 대표적인 철계 장갑재 4종에 대하여 템퍼링 온도에 따른 미세조직 변화를 관찰하고, 경도, 인장, 충격 시험을 실시하여 기계적 특성을 비교한 후 미세조직과의 상관관계를 고찰하였다.
	철계 장갑재의 경도와 인성은 미세조직의 영향을 받는것으로 알려져 있는데 고경도 철계장갑재를 확보하기 위해 어떻게 제조해야 하는가?	5-7) 철계 장갑재의 경도와 인성은 대체로 탄소 함량과 합금 원소, 열처리 방법에 따른 미세조직의 영향을 크게 받는다. 실제로 고경도의 철계 장갑재를 확보하기 위해 탄소 함량을 증가시키면 인성이 크게 감소하기 때문에 적절한 탄소 함량과 합금 원소, 급랭(quenching) 또는 템퍼링(tempering)을 통해 우수한 경도와 충격 흡수에너지의 조합을 갖도록 제조하는 것이 중요하다.8,9)

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