In this study, the effect of carbon equivalent and cooling rate on microstructure and hardness of A516 steels for pressure vessel is investigated. Six kinds of specimens are fabricated by varying carbon equivalent and cooling rate, and their microstructures and hardness levels are analyzed. Specimen...
In this study, the effect of carbon equivalent and cooling rate on microstructure and hardness of A516 steels for pressure vessel is investigated. Six kinds of specimens are fabricated by varying carbon equivalent and cooling rate, and their microstructures and hardness levels are analyzed. Specimens with low carbon equivalent consist of ferrite and pearlite. As the cooling rate increases, the size of pearlite decreases slightly. The specimens with high carbon equivalent and rapid cooling rates of 10 and $20^{\circ}C/s$ consist of not only ferrite and pearlite but also bainite structure, such as granular bainite, acicular ferrite, and bainite ferrite. As the cooling rate increases, the volume fractions of bainite structure increase and the effective grain size decreases. The effective grain sizes of granular bainite, acicular ferrite, and bainitic ferrite are ~20, ~5, and ${\sim}10{{\mu}m$, respectively. In the specimens with bainite structure, the volume fractions of acicular ferrite and bainitic ferrite, with small effective grains, increase as cooling rate increases, and so the hardness increases significantly.
In this study, the effect of carbon equivalent and cooling rate on microstructure and hardness of A516 steels for pressure vessel is investigated. Six kinds of specimens are fabricated by varying carbon equivalent and cooling rate, and their microstructures and hardness levels are analyzed. Specimens with low carbon equivalent consist of ferrite and pearlite. As the cooling rate increases, the size of pearlite decreases slightly. The specimens with high carbon equivalent and rapid cooling rates of 10 and $20^{\circ}C/s$ consist of not only ferrite and pearlite but also bainite structure, such as granular bainite, acicular ferrite, and bainite ferrite. As the cooling rate increases, the volume fractions of bainite structure increase and the effective grain size decreases. The effective grain sizes of granular bainite, acicular ferrite, and bainitic ferrite are ~20, ~5, and ${\sim}10{{\mu}m$, respectively. In the specimens with bainite structure, the volume fractions of acicular ferrite and bainitic ferrite, with small effective grains, increase as cooling rate increases, and so the hardness increases significantly.
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문제 정의
미세조직 형성에 미치는 탄소 당량의 영향을 알아보기 위해 동일한 냉각 속도를 가질 때의 L시편과 H시편을 비교하여 보자. L시편들에서 베이나이트계 조직이 형성 되지 않았고, H10과 H20 시편에서는 베이나이트계 조직이 형성되었다.
본 연구에서는 압력용기용 A516 강의 탄소 당량과 냉각 속도를 달리하여 6종류의 시편을 제조하고, 이들의 미세조직과 경도에 미치는 탄소 당량과 냉각 속도의 영향을 조사하여 다음의 결론을 얻었다.
제안 방법
15-21) 본 연구에서는 2종류의 다른 탄소 당량을 갖는 시편들을 오스테나이트 단상역역에서 노말라이징 후, 냉각 속도를 5, 10, 20ºC/s로 변화시켜 냉각을 진행하였고, 계산식을 바탕으로 베이나이트 시작 온도(Bs) 이하에서 냉각을 종료하였다.
따라서 본 연구에서는 압력용기용 철강재료 중에서 사용범위가 비교적 넓은 A516 강의 탄소 당량을 다르게 조절하여 NACT 공정을 적용하였다. 딜라토미터(dilatometer) 로 냉각 속도를 다양하게 절하여 NACT 공정을 모사하였고, 제조된 시편들의 미세조직을 분석하였다. 일반적으 로 구조용 철강재료의 경도는 강도와 비례관계에 있으며, 10,11) 비커스 경도 시험으로 탄소 당량과 냉각 속도에 따른 경도의 변화를 분석하였다.
따라서 EBSD의 결정립계도 분석을 통해 결정립계가 15° 이상과 이하를 기준하여 각각 고경각계와 저경각계로 구분하였다.
따라서 본 연구에서는 압력용기용 철강재료 중에서 사용범위가 비교적 넓은 A516 강의 탄소 당량을 다르게 조절하여 NACT 공정을 적용하였다. 딜라토미터(dilatometer) 로 냉각 속도를 다양하게 절하여 NACT 공정을 모사하였고, 제조된 시편들의 미세조직을 분석하였다.
모든 시편은 10 × 5 × 1.5 mm로 가공하여 딜라토미터를 이용하여 열처리하였으며, 노말라이징 온도인 Ar3 온도 이상의 오스테나이트 단상 영역에서 베이나이트 시작 온도 아래 범위까지 냉각하여 베이나이트계 조직의 형성을 유도하였다.
시편의 미세조직을 분석하기 위해서 2000 grit의 사포로 연마하고, 1 µm 다이아몬드 서스펜션으로 연마한 뒤 2 % 나이탈 용액(질산+에탄올)으로 에칭하여 광학 및 주 사전자현미경(scaninng electron microscope, SEM)으로 관찰하였다.
일반적으 로 구조용 철강재료의 경도는 강도와 비례관계에 있으며, 10,11) 비커스 경도 시험으로 탄소 당량과 냉각 속도에 따른 경도의 변화를 분석하였다. 이상의 결과로부터 탄소 당량을 제어한 A516 강에서 냉각 속도에 따라 형성되는 베이나이트계 조직의 형성 과정을 규명하고, 조직과 경도의 상관관계를 조사하였다.
딜라토미터(dilatometer) 로 냉각 속도를 다양하게 절하여 NACT 공정을 모사하였고, 제조된 시편들의 미세조직을 분석하였다. 일반적으 로 구조용 철강재료의 경도는 강도와 비례관계에 있으며, 10,11) 비커스 경도 시험으로 탄소 당량과 냉각 속도에 따른 경도의 변화를 분석하였다. 이상의 결과로부터 탄소 당량을 제어한 A516 강에서 냉각 속도에 따라 형성되는 베이나이트계 조직의 형성 과정을 규명하고, 조직과 경도의 상관관계를 조사하였다.
모든 시편은 페라이트가 주된 조직으로 이루어져 있으며, 펄라이트, 입상형 베이나이트(granular bainite, GB), 침상형 페라이트(acicular ferrite, AF), 베이나이트계 페라이트(bainitic ferrite, BF)가 일부 형성되어 있다. 철강에서 베이나이트계 조직은 다양하게 나타나는데, 본 연구에서는 아래의 형태학적 분류로 각 미세조직을 구분하였다.2-3,14) 입상형 베이나이트는 침상형 페라이트보다 느린 냉각 조건에서 형성되고 결정립 내부에 이차상이 입자의 형태로 존재하며, 결정립이 수십 µm로 크고, 강도와 인성이 비교적 낮다.
탄소의 함량을 달리하여 탄소 당량을 제어하였으며, 탄소 당량이 0.40 % 이하인 A516 강을 ‘L’ 강으로, 탄소 당량이 0.43 % 이하인 A516강을 ‘H’강으로 표기하였다.
편의상 시편 제조 시 적용된 냉각 속도에 따라 ‘5’, ‘10’, ‘20’으로 시편을 분류하였다.
대상 데이터
43 % 이하인 A516강을 ‘H’강으로 표기하였다. 2 종류의 A516 강을 냉각 조건을 조절하여 시편을 제조하였다. 모든 시편은 10 × 5 × 1.
본 연구에서 사용된 A516 강의 화학 조성과 열처리 과정을 Table 1과 Fig. 1에 나타내었다. 탄소의 함량을 달리하여 탄소 당량을 제어하였으며, 탄소 당량이 0.
후방산란전자회절패턴분석기(electron back scatter diffraction, EBSD) 분석을 위해 시편의 표면을 기계적으로 연마한 후, A2용액(2-부톡시에탄올+에탄올+증류수+과염소산)을 사용하여 flow rate 3, 40-50 V, 2 s 조건으로 전해연마하여 시편을 준비하였다.
데이터처리
후방산란전자회절패턴분석기(electron back scatter diffraction, EBSD) 분석을 위해 시편의 표면을 기계적으로 연마한 후, A2용액(2-부톡시에탄올+에탄올+증류수+과염소산)을 사용하여 flow rate 3, 40-50 V, 2 s 조건으로 전해연마하여 시편을 준비하였다. EBSD 분석은 주사전자현미경 내에서 실시되었으며, 결정방위는 OIM analysis 소프트웨어를 이용하여 분석하였다. 비커스 경도는 하중 300 gf, 유지시간 10 s로 하여 측정하였다.
성능/효과
7-9) 압력용기 강의 경우 노말라이징 열처리 방법에서는 열적 요소만을 제어한 NACT(normalizing and accelerated cooling + tempering) 공정을 적용한 연구가 있는데, 이는 역학적 요소도 함께 제어하는 TMCP 공정에 비해 비용 측면에서 경쟁력을 가진다. 1) NACT 공정에서의 주요 변수는 노말라이징 온도, 냉각 속도, 냉각 종료 온도, 템퍼링 조건으로 다양한 공정 조건의 조합이 가능하다. 최근 개발된 압력용기강의 더욱 우수한 물성을 얻기 위해서는 이들 변수들의 복합적 요소에 대한 정량적 분석으로 조직과 물성의 상관관계에 대한 연구가 많이 요구된다.
1. 낮은 탄소 당량을 갖는 시편들의 경우, 미세조직이 페라이트와 펄라이트로 구성되어 있으며, 냉각 속도가 증가할수록 페라이트 결정립의 크기는 비슷하지만, 펄라이트 결정립의 크기는 감소하였다. 냉각 속도의 변화에 따른 상분율의 변화는 거의 없었다.
3. 높은 탄소 당량과 20ºC/s의 빠른 냉각 속도로 제조된 시편에서 베이나이트 조직이 잘 형성되었고, 이들 조직의 유효결정립 크기는 입상형 베이나이트가 20 µm 로 조대하였고, 침상형 페라이트와 베이나이트계 페라이트는 5~10 µm 정도로 미세하였다.
4. 페라이트와 펄라이트로 구성된 시편들에서는 냉각 속도가 증가할수록 결정립 크기의 감소도 크지 않아서 경도 증가도 미비하였다. 반면, 베이나이트계 조직이 형성된 시편들에서는 냉각 속도가 증가할수록 유효결정립이 작은 침상형 페라이트와 베이나이트계 페라이트의 분율이 증가하고, 유효결정립 크기도 감소하여서 경도가 크게 증가하였다.
하지만, 냉각 속도가 10과 20ºC/s로 빠른 시편들의 미세조직은 페라이트와 펄라이트 뿐만 아니라, 입상형 베이나이트, 침상형 페라이트, 베이나이트계 페라이트의 저온변태조직이 함께 형성되었다. 냉각 속도가 증가할수록 베이나이트계 조직의 분율이 증가하였고, 유효결정립의 크기도 감소하였다.
본 연구에서는 탄소 당량의 증가와 냉각 속도의 증가에 따라 베이나이트계 조직의 분율이 증가하고, 결정립 크기가 감소하여 경도가 증가하는 것을 확인하였다. 특히, 침상형 페라이트와 베이나이트계 페라이트의 결정립 크기가 5~10 µm 정도로 미세하게 형성되어, 경도 증가 효과가 크게 나타났다.
하지만, 냉각 속도가 증가할수록 결정립 크기가 감소하기 때문에 경도가 약간 증가한다. 저온변태조직인 베이나이트는 페라이트보다 강도가 높으며, 본 연구에서 형성된 베이나이트계 조직 중에서는 베이나이트계 페라이트와 침상형 페라이트가 입상형 베이나이트보다 강도가 높다.2) 탄소 당량이 높은 H 시편들 중에서 페라이트와 펄라이트로 조직이 형성된 H5 시편은 L5 시편과 비슷한 정도의 경도를 갖는다.
L시편들에서 베이나이트계 조직이 형성 되지 않았고, H10과 H20 시편에서는 베이나이트계 조직이 형성되었다. 즉, H 시편들이 L 시편들에 비해 탄소 당량이 높아서 베이나이트계 조직의 잘 형성된 것을 확인할 수 있다. 그러나 H5시편에서는 베이나이트계 조직이 관찰되지 않았는데, 이는 H5, H10, H20시편의 냉각 속도 차이 때문이다.
특히, 침상형 페라이트와 베이나이트계 페라이트의 결정립 크기가 5~10 µm 정도로 미세하게 형성되어, 경도 증가 효과가 크게 나타났다.
후속연구
하지만 베이나이트계 조직의 분율이 낮으면 경도의 편차가 커지므로 이를 주의해야 한다. 강도 및 인성이 우수한 베이나이트계 고강도 고인 성강은 미세한 결정립의 침상형 페라이트와 베이나이트계 페라이트를 많이 형성시켜야 하며, 이를 위해 더욱 다양한 탄소 당량과 냉각조건에 따른 최적화 연구가 이루어져야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
제조공정의 변수로 어떤 열적 요소가 있는가?
5-6) 따라서, 화학 조성의 첨가가 최소화된 상태에서 제조공정의 최적화로 미세조직을 제어하는 방법이 강도와 인성을 동시에 향상시킬 수 있다. 제조공정의 변수로는 압하율과 압연 횟수 등의 역학적 요소와 열처리 온도, 냉각 속도 등의 열적 요소가 있으며 TMCP(thermo-mechanical control process)가 대표적인 두 가지 공정 변수를 제어한 사례로써, 고온에서 제어압연을 실시하여 결정립 미세화 효과를 충분히 얻고, 가속냉각을 통해 저온변태조직을 형성시켜서 우수한 물성을 얻을 수 있다. 7-9) 압력용기 강의 경우 노말라이징 열처리 방법에서는 열적 요소만을 제어한 NACT(normalizing and accelerated cooling + tempering) 공정을 적용한 연구가 있는데, 이는 역학적 요소도 함께 제어하는 TMCP 공정에 비해 비용 측면에서 경쟁력을 가진다.
화력 발전 산업의 설비에 사용되는 재료는 우수한 강도와 저온인성이 필요한데 이를 위해 연구되고 있는 것은?
이를 위해 최근에는 베이나이트와 같은 저온변태조직을 이용한 철강재료가 활발히 연구되고 있으며, 주로 화학 조성이나 열처리 공정을 변화시켜 저온 변태조직을 얻고 있다. 2-4) 화학 조성은 주로 탄소 당량(Ceq)으로 제어되며, 보통의 철강재료는 탄소 당량이 증가될수록 강도는 증가하나 인성이 저하된다.
NACT 공정은 무엇인가?
제조공정의 변수로는 압하율과 압연 횟수 등의 역학적 요소와 열처리 온도, 냉각 속도 등의 열적 요소가 있으며 TMCP(thermo-mechanical control process)가 대표적인 두 가지 공정 변수를 제어한 사례로써, 고온에서 제어압연을 실시하여 결정립 미세화 효과를 충분히 얻고, 가속냉각을 통해 저온변태조직을 형성시켜서 우수한 물성을 얻을 수 있다. 7-9) 압력용기 강의 경우 노말라이징 열처리 방법에서는 열적 요소만을 제어한 NACT(normalizing and accelerated cooling + tempering) 공정을 적용한 연구가 있는데, 이는 역학적 요소도 함께 제어하는 TMCP 공정에 비해 비용 측면에서 경쟁력을 가진다. 1) NACT 공정에서의 주요 변수는 노말라이징 온도, 냉각 속도, 냉각 종료 온도, 템퍼링 조건으로 다양한 공정 조건의 조합이 가능하다.
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