Fe-0.4C-2.3Si강의 기계적 성질에 미치는 오스템퍼링 열처리 조건의 영향
손제영 ·송준환·김지훈 *·예병준†
경북대학교, *중소기업진흥공단
Effects of Heat Treatment Condition on the Mechanical Properties in Fe-0.4%C-2.3%Si Steel
Je-Young Son, June-Hwan Song, Ji-Hun Kim*, and Byung-Joon Ye†
School of Materials Science and Engineering, Materials Science and Metallurgical Engineering,
Graduate School of Kyungpook National University, Daegu 702-701, Korea
*Small and Medium Business Corporation, Daegu 702-712, Korea
Abstract
The effect of heat treatment on mechanical properties of 0.4C-2.3Si(wt%) steel with bainitic ferrite matrix were investigated.
This steel has been synthesized intergrating concepts from TRIP(Transformation Induced Plasticity) steel & Austempered Ductile Cast Iron(ADI) technology. The low alloy medium carbon (0.4 %C) steel with high silicon (2.3 %Si) was initially annealed for 60 min at 800
oC, 820
oC and 840
oC respectively in the intercritical region and then subsequently austempered at various temperatures at 260
oC, 320
oC and 380
oC for 30 min in a salt bath. The mechanical properties were measured by using a tensile test. A detailed study of the microstructure of this steel after heat treatment was carried out by means of electron back scattering diffraction (EBSD) technic. In this study, a new low alloy steel with high strength (780~1,050MPa) and exceptionally high ductility (20~40%) was obtained.
Key words : Intercritical annealing, Austempering, Retained austenite, Mechanical property.
(Received March 30, 2012 ; Accepted April 20, 2012)
1. 서 론
근래 자동차업계의 당면 현안으로 원유가격 급변동에 따른 연비향상, 배기가스 배출량 저감으로 대표되는 환경규제에 대한 대응, 승객 및 보행자 안정성 확보 그리고 세계적으로 급변하 는 경제적 상황에서의 경쟁력 강화 등을 들 수 있다. 이러한 수요산업의 환경변화에 대하여 철강업계에서는 박육화 및 고강 도화를 통한 경량화 소재 개발과 도입으로 대응하고 있으며, 향후 전기자동차 및 연료전지 자동차와 같은 미래형 자동차 개 발이 가시화에 맞추어 일부 부품에 선별적으로 사용되고 있는 인장강도 1GPa급 이상의 초고강도강의 적용도 확대될 것으로 예상된다. 지난 수십년간 자동차 산업에서는 고강도 강의 개발 을 위한 많은 연구가 시행되어 왔으며, 그 가운데 1967년 Zackay 등이[1] 최초로 연구한 TRIP (transformation induced
plasticity)강은 고강도 및 고연성을 가지는 새로운 형태의 강으 로 기대되고 있다. 그러나 TRIP강은 Ni과 Cr을 다량 함유하 여 오스테나이트가 상온에서도 비교적 안정하게 잔류하도록 하 고, 소성변형중에 변형유기 마르텐사이트 변태가 일어나도록 설 계된 합금으로서 매우 복잡한 제조공정과 고가인 Ni, Cr 등을 첨가하기 때문에 상용화에는 많은 어려움이 있었다[2]. 그러나 본 저자는 이전 연구에서 저합금 오스템퍼드 고탄소·고규소강 으로 흑연노듈이 없는 순수한 오스페라이트 조직을 형성시킴으 로써 양호한 오스페라이트 조직과 기계적 성질 (인장강도 : 1,300~2,200MPa, 연신율 : ~30%)을 얻었다[3]. 따라서 본 연 구에서는 일반적인 TRIP강의 제조공정을 오스템퍼드 고탄소·
고규소강의 제조공정과[4] 결합시킴으로써 저합금 중탄소· 고규 소강의 기계적 성질에 미치는 열처리 영향을 고찰하여 우수한 기계적 성질을 갖는 최적의 열처리 조건을 찾고자함에 그 중
†
Corresponding author: Byung-Joon Ye
[Tel: +82-53-950-5567, E-mail : [email protected]]
요성과 목적이 있다.
2. 실험 방법 2.1 시편 제작
본 연구에서 사용된 소재는 Fig. 1과 같이 50 Kg급 진공유 도용해로에 의해 50 mm 두께의 잉곳으로 제조된 후, 질소 분 위기에서 1,250oC로 재가열하여 2시간 동안 유지한 후 파일롯 (pilot) 열간 압연기에서 마무리 압연 온도를 890oC로 하여 총 5 pass 압연으로 두께 3 mm로 제작되었다. 이후 이상영역 구간 인 800oC에서 아르곤 분위기에서 1시간 유지 후 다양한 오스 템퍼링 온도(260oC, 320oC and 380oC) 영역에서 30 min 동 안 등온 유지시켰다. 본 시편의 화학 성분은 Table 1과 같다.
2.2 기계적 물성 시험
열처리된 시편은 ASTM E 8M 규격으로 제작되었으며[4], 인장시험기(Shimadzu UH-F 100A)를 사용하여 크로스 헤드의 이동 속도를 2 mm/min로 인장시험을 실시하였다.
2.3 미세조직 관찰
미세조직은 인장시편에서 채취하여 기계 연마 후 0.05
µ
m 알 루미나(alumina)를 사용하여 버퍼(buffer)에서 폴리싱(polishing)한 다음, 3% Nital (97C2H5OH-3HNO3)로 에칭하여 광학현미 경으로 관찰하였다. 또한 시편의 미시적 관찰을 위해 EBSD (Electron Back Scattering Diffraction)을 이용하여 상(phase)을 구분하여 분석하였다[5].
3. 결과 및 고찰 3.1 미세조직
Fig. 2는 열간 압연 시편의 초기 미세조직을 나타내고 있으 며 펄라이트와 초석 페라이트로 구성되어 있고 페라이트 분율 이 약 50%인 것을 확인할 수 있었다. 이러한 시편을 이상영 역온도에서 어닐링을 하게 되면 펄라이트가 오스테나이트로 상 변태함으로써 오스테나이트와 페라이트의 이상조직이 되며, 조 직의 구성비율은 합금 성분에 따른 Ac1, Ac3 및 가열온도에 의해 결정되어 진다. 또한, 압연시에 잔존하는 펄라이트의 밴드 조직을 완전하게 분해할 수 있도록 충분한 유지시간도 요구된 다[6]. Fig. 3은 본 연구에서 사용된 중탄소·고규소강을 이상 영역구간(800oC, 820oC and 840oC)에서 60min 동안 항온 열 처리한 후 수냉시킨 미세조직이 페라이트와 마르텐사이로 구성 되어 있는 것을 나타내고 있다. 영상분석 결과, 이상영역열처리 온도가 증가할수록 페라이트 분율이 45%, 35%, 그리고 25%
정도로 감소하고 있는 것을 확인하였다. 이는 Fig. 4와 5에서 보듯이 이상영역열처리 과정에서 생성되는 페라이트의 부피 분 율이 감소할수록 오스테나이트의 부피 분율의 증가와 동시에 오스테나이트의 안정도가 낮아지는 것으로 계산되었다[7]. 이는
Fig. 1. Schematic diagram of hot rolling and heat treatment in this steel.
Table 1. Chemical composition of this steel (wt%).
Element C Si Mn P S Fe
Mass(%) 0.38 2.32 0.34 0.0019 0.0013 Bal. Fig. 2. Microstructure of this steel in as-rolled condition.
Fig. 3. Microstructure of this steel on intercritical annealing temperature condition. ; (a) 800
oC, (b) 820
oC, (c) 840
oC.
향후 오스템퍼링 열처리 후 미세조직과 기계적 물성에 영향을 미칠 것으로 사료되며, 후자에 자세히 언급할 것이다. Fig. 6은 800oC에서 이상영역열처리 후, 오스템퍼링 온도에 따른 미세조 직의 변화를 EBSD로 관찰한 결과이다. 여기서 흰색은 페라이 트, 어두운 색으로 보이는 조직은 베이나이트, 붉은 색으로 나
타나는 조직은 잔류 오스테나이트를 나타낸다. 이상영역구간에 서 열처리를 하게 되면 오스테나이트와 페라이트 두 조직이 형 성되게 되고, 급냉 및 오스템퍼링(austempering) 항온열처리 시 에 일부 오스테나이트가 베이나이트로 변태됨에 따라 베이나이 트로 변태되지 않은 오스테나이트에 C, Mn 등의 오스테나이트 안정화원소가 오스테나이트에 농축되면서 Ms 온도가 낮아지게 된다. 따라서, 상당량의 오스테나이트가 안정화되어 상온까지 잔류하므로 페라이트, 베이나이트, 잔류 오스테나이트의 3상 조 직이 형성되게 된다[8]. Fig. 7은 오스템퍼링 온도 변화에 따 른 미세조직 결과를 도식화한 것이다. 오스템퍼링 온도가 증가 할수록 페라이트와 잔류 오스테나이트 분율은 증가하고 베이나 이트 분율은 감소하고 있는 것을 확인할 수 있다. 이는 이상 영역 열처리 후 오스템퍼링 온도까지 급냉함으로 오스테나이트 로부터 초석 페라이트로 일부 변태되었을 것으로 사료되며, 잔 류 오스테나이트 분율이 증가하는 것은 오스템퍼링 온도가 증 가할수록 오스테나이트로부터 베이나이트 생성이 2.3%의 Si 함량으로 인해 더욱 지연되기 때문인 것으로 사료된다[9,10].
3.2 기계적 성질
Fig. 8은 이상영역구간에서 열처리 후, 오스템퍼링 온도에 따 른 기계적 성질의 변화를 나타낸 것이다. 우선 800oC 열처리
Fig. 7. Volume fraction of retained austenite, bainite, ferrite on austempering temperature condition at 800
oC, intercritical annealing temperture.
Fig. 4. Volume fraction of ferrite and austenite on intercritical annealing temperature.
Fig. 5. Carbon contents in austenite on intercritical annealing tem- perature condition.
Fig. 6. Microstructure of this steel observed by means of EBSD measurement on austempering temperature condition at 800
oC, intercritical
annealing temperture ; (a) 260
oC, (b) 320
oC, (c) 380
oC.
후, 오스템퍼링 온도에 따른 변화를 살펴보면 오스템퍼링 온도 가 260oC에서 380oC로 증가함에 따라 인장강도는 1,000MPa에 서 800MPa 수준으로 약 200MPa 감소하였으나 항복강도는 인 장강도와는 달리 440MPa에서 550MPa 수준으로 약 110MPa 증가하였다. 그 결과, 항복비는 오스템퍼링 온도가 증가할수록 0.45에서 0.71로 증가하였다. 그리고 연신율은 22%에서 40%
수준으로 큰 폭으로 증가하였기 때문에 강도-연성 balance 역 시 22,000에서 31,000으로 높은 값을 나타내었다. 오스템퍼링 온도에 따른 기계적 성질, 특히 연신율과 강도-연성 balance의 변화는 잔류 오스테나이트와 페라이트 분율의 변화 경향과 잘 일치하는데 이는 Fig. 7과 8을 비교해보면 확인할 수 있다.
즉, 상대적으로 베이나이트보다 연질상인 잔류 오스테나이트와 페라이트의 분율이 높으면 연신율이 높아지기 때문에 강도-연성 balance값 또한 높은 것을 확인할 수 있었다. 그리고 동일한 오스템퍼링 조건에서 이상영역열처리 온도에 따른 기계적 성질 을 살펴보면, 전반적으로 이상영역 열처리 온도가 증가함에 따 라 항복강도와 인장강도는 증가하지만, 연신율은 감소하였다.
특히 상대적으로 낮은 온도인 800oC에서 열처리한 경우, 앞서 언급하였듯이 40%의 높은 연신율로 인해 강도-연성 balance가 가장 높았다.
4. 결 론
열간 압연된 Fe-0.4 %C-2.3 %Si강의 저합금 중탄소·고규소 강을 이상영역구간인 800oC, 820oC, 그리고 840oC에서 60분간 열처리한 후, 260oC, 320oC, 그리고 380oC에서 30분 동안 오 스템퍼링 등온 열처리를 실시한 결과, 미세조직과 기계적 성질 에 미치는 영향에 대하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 이상영역 열처리 온도 및 오스템퍼링 온도 변화에 따른 기계적 물성을 평가한 결과, 우수한 기계적 성질 (인장강도 : 780~1050MPa, 연신율 : 20~40%)을 가지는 고강도·고연성강 을 개발하였다.
2) 이상영역열처리 온도변화에 따른 미세조직 관찰 결과, 온 도가 증가할수록 페라이트 분율이 감소함과 동시에 오스테나이
Fig. 8. Mechanical properties on austempering temperature in intercritical annealing temperature condition.
트 분율이 증가함으로 오스테나이트내에 있는 탄소 함량이 감 소하였다. 이는 최종 열처리된 소재의 잔류 오스테나이트 안정 도에 상당한 영향을 미쳤다.
3) 이상영역구간 열처리 온도 변화에 따른 기계적 물성을 평 가한 결과, 800oC에서 840oC로 증가할수록 인장강도 및 항복 강도는 증가하였으며, 연신율은 감소하였다.
4) 800oC에서 열처리한 후, 오스템퍼링 온도 변화에 따른 미세조직을 관찰한 결과, 온도가 증가할수록 페라이트 및 잔류 오스테나이트는 증가하였으며, 베이나이트는 감소하였다.
5) 오스템퍼링 온도 변화에 따른 기계적 물성을 평가한 결과, 260oC에서 380oC로 증가할수록 인장강도는 감소하였으나, 항복 강도 및 연신율은 증가하였다. 특히 연신율은 260oC 대비 40%
이상 증가하였다. 이는 연질상인 페라이트와 잔류 오스테나이트 분율 및 잔류 오스테나이트 안정도가 영향을 미친 것으로 사료 된다.
참고문헌
