[논문]템퍼링 조건이 마르텐사이트계 고강도강의 수소확산거동에 미치는 영향

박진성; 황은혜; 이만재; 김성진

doi:10.14773/cst.2018.17.5.242

템퍼링 조건이 마르텐사이트계 고강도강의 수소확산거동에 미치는 영향
Effect of Tempering Condition on Hydrogen Diffusion Behavior of Martensitic High-Strength Steel 원문보기

Corrosion science and technology, v.17 no.5, 2018년, pp.242 - 248

박진성 (순천대학교 신소재공학과) , 황은혜 (순천대학교 신소재공학과) , 이만재 (포항산업과학연구원 분석평가그룹) , 김성진 (순천대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Martensitic high-strength steels revealed superior mechanical properties of high tensile strength exceeding 1000 Mpa, and have been applied in a variety of industries. When the steels are exposed to corrosive environments, however, they are susceptible to hydrogen embrittlement (HE), resulting in catastrophic cracking failure. To improve resistance to HE, it is crucial to obtain significant insight into the exact physical nature associated with hydrogen diffusion behavior in the steel. For martensitic steels, tempering condition should be adjusted carefully to improve toughness. The tempering process involves microstructural modifications, that provide changes in hydrogen diffusion/trapping behavior in the steels. From this perspective, this study examined the relationship between tempering condition and hydrogen diffusion behavior in the steels. Results based on glycerin measurements and hydrogen permeation evaluations indicated that hydrogen diffusion/trapping behavior was strongly affected by the characteristics of precipitates, as well as by metallurgical defects such as dislocation. Tempering condition should be adjusted properly by considering required mechanical properties and resistance to HE.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1 Electrochemical cell used for hydrogen charging to the specimen.
그림 Fig. 2 Experimental procedure for measuring the diffusible hydrogen content in pre-charged specimen.
그림 Fig. 3 Electrochemical hydrogen permeation test equipment [17].
그림 Fig. 4 Microstructure observation after (a) rolling, (b) quenching, (c) quenching and tempering at 200 ^oC (QT1), (d) quenching and tempering at 600 ^oC (QT2).
그림 Fig. 6 TEM images showing carbide particles distributed in QT₂.
그림 Fig. 7 Diffusible hydrogen contents measured by glycerin method.
그림 Fig. 5 (a) TEM images showing carbide particles distributed in QT₁, and (b) EBSD phase colored map of QT₁ (Color in phase map: Red-Ferrite; Yellow green-Fe_2.4C [19].
그림 Fig. 8 (a) Hydrogen permeation curves of four tested specimens: R, Q, QT1, and QT2, and (b) Rising transients of the permeation curves.
표 Table 1 Hydrogen permeation parameters of four tested specimens (R: Rolled, Q: Quenched, QT₁: Quenched and tempered at 200 ^oC, and QT₂: Quenched and tempered at 600 ^oC)

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 템퍼링 조건에 따라 조직 내 석출되는 탄화물의 종류, 형태, 크기 및 분포 등의 특성은 크게 변화되며 [14], 이에따라 수소원자의 확산거동 및 수소취화 저항성 또한 크게 달라질 것으로 판단된다. 따라서, 본 연구에서는 템퍼링 조건의 변화에 따라 조직 내 석출되는 탄화물의 종류 및 특성을 파악한 후, 각각에 대한 수소원자의 확산거동을 분석함으로써, 마르텐사이트계 고강도 강재의 수소취화특성 연구를 위한 이론적 토대를 확립하고자 한다.
본 연구에서는 자동차, 건축 및 조선 산업 등 다양한 산업분야에 적용, 및 적용이 고려되고 있는 마르텐사이트계 고강도 강재를 대상으로 템퍼링 조건 (200 ℃와 600 ℃)에 따른 수소확산거동에 대한 연구를 수행하였다. 200 ℃ 템퍼링 결과 미세조직 내 150 nm 길이의 침상형의 탄화물 (ε-Fe_2.

제안 방법

압연 (R), Q 처리, QT₁, 그리고 QT₂ 처리 후 시편 각각의 수소확산거동을 평가하기 위해 전기화학적 수소투과실험을 수행하였고, 전체적인 결과를 Fig. 8a에 나타내었다.
그 결과, 과포화된 탄소에 기인하여 조직 내 높은 전위밀도 및 잔류응력이 존재할 것으로 판단되며, 이후 높은 잔류응력 및 결함의 감소를 목적으로 실시한 템퍼링은 200 ℃ (QT₁)와 600 ℃ (QT₂)에서 각각 30분, 15분 간 유지하였다. 열처리 조건 별 형성된 미세조직 및 조직 내 석출된 탄화물을 관찰/분석하기 위해 전계 방사형 주사전자현미경 (field emission scanning electron micro-scopy, FE-SEM)과 후방산란전자회절 (electron back-scatter diffraction, EBSD)를 사용하였고, 시편 내 존재하는 미세석출물의 형상을 관찰 및 분석을 위해 thin foil로 제작한 시편을 투과전자현미경 (transmission electronmicroscopy, TEM)으로 관찰하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 시험편은 0.3 ~ 0.4wt%의 C, 1 ~1.3wt%의 Mn 및 0.2 ~ 0.3wt%의 Si을 주 성분으로 하는탄소강 계열이며 1 GPa 이상의 인장강도를 갖는 마르텐사이트계 고강도 강재이다. 시험편은 1200 ℃ 에서 2시간유지 후 열간 및 냉간 압연을 거쳐 최종 두께 2 t의 판재로 제작되었다.

이론/모형

강재 내부 수소확산거동을 평가하기 위해 ISO 17081 표준시험법에 [16] 입각한 전기화학적 수소투과실험 (Hydrogenpermeation test)을 실시하였다. Fig.
템퍼링 조건에 따른 강재 내부의 확산성 수소량을 측정하기 위해 JIS Z3113에 [15] 입각하여 글리세린 시험법을 활용하였다. 강재 내부에 전기화학적으로 수소를 주입하기위해 potentiostat 장비 (Gamry reference 600)를 사용하였다.

성능/효과

4C)이 석출된 반면, 600 ℃ 템퍼링 후에는 상대적으로 조대한 크기의 구상형 탄화물 (Fe₃C)이 석출되었다. 석출물과 수소원자의 반응성은 석출물의 종류, 형태, 크기에크게 의존하며, 본 연구에서는 저온 템퍼링 시편의 경우 수소원자와 높은 결합에너지를 갖는 ε-Fe_2.4C의 석출에 기인하여 수소투과도 및 내부 수소용해도가 감소하는 거동이 확인되었다. 반면 고온 템퍼링 시편의 경우 조대한 크기의 구상형태로 석출된 Fe₃C에 의해 가역트랩의 전체적 계면적이 감소하여 수소원자의 주된 확산경로가 격자확산이 되어, 타 시편 대비 높은 확산계수와 낮은 내부 용해도 값이 도출된 것으로 분석되었다.

후속연구

2%임을 분석하였다. EBSD를 통한 미세석출물 분석은 본질적으로 측정/분석 오류를 수반할 수 있으므로 앞서 제시된 정량분석치는 대략적 참고치정도로 판단하는 것이 바람직할 것이다. 미세 침상형태를 가지는 ε-Fe_2.
아울러, 마르텐사이트 lath가 분해되며, 내부 잔류응력과 전류밀도가 큰 폭으로 감소하는 고온 템퍼링의 일반적 과정이, 큰 폭으로 감소하는 수소용해도 값을 설명해주는 이론이 될 수 있다. 본 연구를 통해 제시된 미세조직과 수소확산거동 간 상관관계를 토대로, 마르텐사이트계 고강도 강재의 높은 수소취화저항성 보증을 위해서는 고온 템퍼링 조건이 요구됨을 확인할 수 있으나, 고온템퍼링을 통한 소재 자체의 강도저하 가능성을 배제할 수 없으므로, 산업 내 적용코자 하는 구조체의 요구물성 특성이 충분히 고려된 방식으로 제조조건을 확립할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마르텐사이트계 강재의 단점은?	마르텐사이트계 강재는 A3 변태 온도 이상에서 일정시간 유지 및 급냉을 통하여 경한 마르텐사이트 조직을 형성한 후, 적절한 인성을 부여하기 위해 A1온도 이하에서 일정시간 동안 템퍼링을 부가적으로 실시하여 고강도 및 고인성의 우수한 기계적 물성보증이 가능하도록 제조한다 [6]. 이렇듯 우수한 기계적 특성에도 불구하고,타 소재대비 현저히 낮은 내식성 및 수소취화저항성은 산업내 구조체로의 적용에 있어 크나큰 걸림돌로 지적되고 있다[7,8]. 특히, 부품 제조과정 중 인성향상을 목적으로 수행되는 템퍼링 과정을 통해 강재 내 탄화물 (Fe2.
	마르텐사이트계 철강소재가 사용되는 분야는?	마르텐사이트계 철강소재는 고강도 성능을 기반으로 자동차, 건축, 조선 및 에너지 산업에 이르기까지 다양한 산업영역에 사용되며 점차 그 적용 영역을 확대하고 있다 [1,2].일반적으로 마르텐사이트계 강재는 1 GPa 이상의 인장강도를 바탕으로, 구조체 내에 적용되는 소재의 두께를 현저히 감소시켜 생산비 절감효과를 얻을 수 있을 뿐 아니라,높은 구조적 안전성을 확보할 수 있다는 장점을 갖는다[3,4].
	마르텐사이트계 강재의 장점은?	마르텐사이트계 철강소재는 고강도 성능을 기반으로 자동차, 건축, 조선 및 에너지 산업에 이르기까지 다양한 산업영역에 사용되며 점차 그 적용 영역을 확대하고 있다 [1,2].일반적으로 마르텐사이트계 강재는 1 GPa 이상의 인장강도를 바탕으로, 구조체 내에 적용되는 소재의 두께를 현저히 감소시켜 생산비 절감효과를 얻을 수 있을 뿐 아니라,높은 구조적 안전성을 확보할 수 있다는 장점을 갖는다[3,4]. 특히 자동차용 부품의 경우, 강판의 두께 감소를 통한 차체의 경량화와 그에 따른 주행 연비 향상효과로 인해높은 수요를 나타낸다 [5].

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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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