[논문]STS 430 고온변형 특성에 관한 연구

조범호

문제 정의

그러나 ridging 현상의 가장 큰 원인은 변형중 조대한 결정립이 동적 및 정적 연화 기구들에 의해 미세화되지 않기 때문에 나타난다고 할 수 있다. 이는 페라이트계 스테인리스강의 적층결함에 너지가 오스테나이트계 스테인리스강의 경우에 비해 매우 높은 값을 보여 변형 중 동적 재결정이 발생하기 어렵기 때문이다 따라서 본 연구에서는 대표적인 페라이트계 스테인리스강인 STS430을 연속변형 시험하여 구한 유동응력 곡선과 미세 조직을 분석하여 고온 연화기구가 연속 동적 재결정 (continuous dynamic recrystallization, CDR×) 임을 규명하고 연속동적 재결정을 이용하여 결정립을 미세화 시킬 수 있는 열간 변형 공정을 설정하고자 하였다. 특히, 연속 변형의 결과를 다단 변형에 적용하여 실제 다단 압연 공정에 대한 적용 가능성을 알아보고자 하였다.
이는 페라이트계 스테인리스강의 적층결함에 너지가 오스테나이트계 스테인리스강의 경우에 비해 매우 높은 값을 보여 변형 중 동적 재결정이 발생하기 어렵기 때문이다 따라서 본 연구에서는 대표적인 페라이트계 스테인리스강인 STS430을 연속변형 시험하여 구한 유동응력 곡선과 미세 조직을 분석하여 고온 연화기구가 연속 동적 재결정 (continuous dynamic recrystallization, CDR×) 임을 규명하고 연속동적 재결정을 이용하여 결정립을 미세화 시킬 수 있는 열간 변형 공정을 설정하고자 하였다. 특히, 연속 변형의 결과를 다단 변형에 적용하여 실제 다단 압연 공정에 대한 적용 가능성을 알아보고자 하였다.

제안 방법

3에 STS 430 강재에 대하여 일정한 온도와 일정한 변형속도에서 10패스로 다단 변형 (multipass deformation)하여 얻은 유동 응력곡선들을 나타내었다. 각각의 유동 웅력곡선들은 총 변형량 500%의 변형에 대한 것으로 가공변수인 변형속도, 변형온도 및 유지 시간을 달리하여 가공변수의 영향을 분석하였다. 유동 응력 곡선의 전체적인 형태는 연속변형으로 얻어진 유동 응력 곡선과 유사하였는데 이는 연속 동적재결정이 다단변형에서도 발생할 수 있음을 단적으로 보여주는 결과이다.
변형 전 초기 결정 립 크기는 약 400μm로 매우조대하였다. 다단변형 공정의 모의실험은 500%의 총변형량을 900, 1000, 1100℃의 일정한 온도와 0.05, 0.5, 8sec의 일정한 변형속도 및 50%의 일정한 패스변형량으로 변형하여 다단변형 중 가공변수의 영향을 파악하고자 하였다. 열간 변형에 의한 조직변화를 관찰하기 위해 미세 연마하여 에칭한 후 광학현미경과 TEM, EBSD를이용하였다.
시험편은 직경 lOmm× 표점거리 20mm로 절삭가공한 고체형 비틀림 시험편을 사용하였다. 연속 및 다단 변형시험은 변형속도 5.0×10'2 〜 5.0×l0°/sec, 변형온도 900 〜 1100℃ 의 범위에서 하였는데 승온속도를 1'C/sec로하여 1100℃ 에서 30 분 유지한 후 각각의 변형온도에서 10분간 유지한 후 변형하였다. 변형 전 초기 결정 립 크기는 약 400μm로 매우조대하였다.
5, 8sec의 일정한 변형속도 및 50%의 일정한 패스변형량으로 변형하여 다단변형 중 가공변수의 영향을 파악하고자 하였다. 열간 변형에 의한 조직변화를 관찰하기 위해 미세 연마하여 에칭한 후 광학현미경과 TEM, EBSD를이용하였다.

대상 데이터

5wt%Cr 이었다. 시험편은 직경 lOmm× 표점거리 20mm로 절삭가공한 고체형 비틀림 시험편을 사용하였다. 연속 및 다단 변형시험은 변형속도 5.
실험에 사용한 시료는 상용 STS 430 봉재로 화학조성은 Fe-0.02wt.%C-16.

성능/효과

Fig. 3(a)에 나타낸 다단 변형 거동에 미치는 변형속도의 영향은 전체적인 유동응력의 변화에도 잘 나타나는데 변형속도가 증가할수록 최대응력값과 마지막 패스의 응력값의 차이가 커졌으며 이는 형성된 연속 동적 재결정립의 크기가 변형속도가 클수록 더 작아진다는 것을 의미한다. 이와 같은 응력 값과 결정립의 변화는 변형온도에 대해 더욱 민감하였다.
2(e)와 (h)에 보인 것처럼 다른 변형속도 조건에서도 동일하게 나타났다. 따라서 결정립 미세화를 위한 페라이트계 스테인리스강의 다단변형은 1000℃이하의 온도에서 하는 것이 유리할 것으로 판단되었다. 연속 동적 재결정에 미치는 변형속도 및 변형온도의 영향을 고려할 때 다단변형에서의 연속 동적재결정 효과는 변형에너지의 축적이 중요하므로 유지시간이 짧을수록 효과적일 것으로 판단되었으며 이는 Fig.
이와 같은 결과는 결정립의 크기가 유지시간이 짧을수록 미세해지는 것을 의미하는 것으로 변형온도가 낮고 변형속도가 빠를수록 그 효과는 증가할 것으로 판단되었다. 따라서 총변형량을 연속 동적재결정이 발생할 수 있도록 충분히 큰 변형량으로 설정하여 낮은 변형온도, 빠른 변형속도 및 짧은 유지시간으로 다단변형공정을 설정하면 미세한 결정립을 얻을 수 있을 것으로 판단되었으며 이로부터열간 압연 시 발생하는 ridging 현상을 억제할 수 있을 것으로 기대되었다.
2(a) - (d)에 보인 변형량에 따른 미세조직의 변화를 광학 현미경으로 관찰한 결과로부터 쉽게 알 수 있었다. 변형 전의 결정립 크기가 약 400例로 매우 조대하여 변형 시 발생한 아결정립 (subgrain)이 쉽게 관찰되었으며 아결정립은 그 크기와 분포가 변형량이 증가함에 따라 증가하였다.
따라서 결정립 미세화를 위한 페라이트계 스테인리스강의 다단변형은 1000℃이하의 온도에서 하는 것이 유리할 것으로 판단되었다. 연속 동적 재결정에 미치는 변형속도 및 변형온도의 영향을 고려할 때 다단변형에서의 연속 동적재결정 효과는 변형에너지의 축적이 중요하므로 유지시간이 짧을수록 효과적일 것으로 판단되었으며 이는 Fig. 3(c)의 응력곡선으로 증명할 수 있었다. 유지시간이 1초에서 20초로 증가함에 따라서 각 패스에서의 유동 응력곡선은 그 기울기가 감소하였으며 다단변형 후반기의 응력값은 증가하였다.
3(c)의 응력곡선으로 증명할 수 있었다. 유지시간이 1초에서 20초로 증가함에 따라서 각 패스에서의 유동 응력곡선은 그 기울기가 감소하였으며 다단변형 후반기의 응력값은 증가하였다. 이와 같은 결과는 결정립의 크기가 유지시간이 짧을수록 미세해지는 것을 의미하는 것으로 변형온도가 낮고 변형속도가 빠를수록 그 효과는 증가할 것으로 판단되었다.
유지시간이 1초에서 20초로 증가함에 따라서 각 패스에서의 유동 응력곡선은 그 기울기가 감소하였으며 다단변형 후반기의 응력값은 증가하였다. 이와 같은 결과는 결정립의 크기가 유지시간이 짧을수록 미세해지는 것을 의미하는 것으로 변형온도가 낮고 변형속도가 빠를수록 그 효과는 증가할 것으로 판단되었다. 따라서 총변형량을 연속 동적재결정이 발생할 수 있도록 충분히 큰 변형량으로 설정하여 낮은 변형온도, 빠른 변형속도 및 짧은 유지시간으로 다단변형공정을 설정하면 미세한 결정립을 얻을 수 있을 것으로 판단되었으며 이로부터열간 압연 시 발생하는 ridging 현상을 억제할 수 있을 것으로 기대되었다.

후속연구

또한 전체적인 유동응력은 변형온도가 감소하고 변형속도가 증가함에 따라 증가하였는데 이는 연속 동적재결정이 전위형성과 관련이 있기 때문으로 판단되었다. 따라서, 큰 변형량으로 비교적 저온 고변형속도 조건에서 변형하면 연속 동적재결정을 이용하여 페라이트계 스테인리스강의 결정립을 미세화 시킬 수 있을 것으로 기대되었다.

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