한국표면공학회지 J. Kor. Inst. Surf. Eng.
Vol. 45, No. 3, 2012.
http://dx.doi.org/10.5695/JKISE.2012.45.3.130
<연구논문>
고강도 DP강과 TRIP강의 표면 수소 주입량에 따른 수소취성평가
이철치a, 박재우b, 강계명c*
a서울과학기술대학교 산업대학원 재료공학과, b서울과학기술대학교 에너지환경대학원 신에너지공학과,
c서울과학기술대학교 신소재공학과
The Change of Microstructures According to the Charging Amounts of Hydrogen in High Strength DP Steels and TRIP Steel
Chul-Chi Leea, Jae-Woo Parkb, Kae-Myung Kangc*
a
Dept. of Materials Science and Engineering, The Graduate School of Industry & Engineering, SNUST
b
Dept. of New Energy Engineering, The Graduate School of Energy & Environment, SNUST
c
Dept. of Materials Science & Engineering, SNUST
(Received June 18, 2012 ; revised June 28, 2012 ; accepted June 28, 2012)
Abstract
Hydrogen charging was electrochemically conducted at higjh strength DP steels and TRIP steel with varying charging time. The penetration depths and the mechanical properties with charging conditions were investigated through the distribution of micro-hardness and the microstructural observation of the subsurface zone. The micro-Vickers hardness was measured to evaluate the hydrogen embrittlement of subsurface zone in addition to the microscope investigation. It was shown that the hydrogen amounts decreased in DP steels and TRIP steel with increasing hydrogen charging time. As shown by micro-Vickers hardness test and small punch test results, micro-Vickers hardness and SP energy for DP steels and TRIP steel decreased with increasing hydrogen charging time, for constant value of charging current density. SEM investigation results for the hydrogen contained samples showed that the major fracture behavior was brittle fracture which results in dimples on fractured surface and the size of dimples were decreased with increasing hydrogen charging time.
These results indicate that hydrogen embrittlement is the major cause for the fracture of high strength steels and also micro-Vickers hardness test and small punch test is a valuable test method for hydrogen embrittlement of high strength sheet steels.
Keywords: Hydrogen charging, DP steel, TRIP steel, Hygen embrittlement
1. 서 론
고강도 박강판재의 적용 및 수요가 증가함에 따 라 수소침투에 의한 재료의 기계적 물성저하 및 취 성파괴의 문제가 대두되고 있다. 더욱이 소재의 강 도가 클수록 극미량의 수소에 의해서도 수소취성에 취약한 것으로 보고되고 있다1,2). 뿐만 아니라 수소 취성은 재료의 강도 및 크기, 외부응력, 사용분위기 등에 따라 취성정도가 크게 변화함을 보이며3-5), 금
속내부로의 수소 침투현상은 표면에서 가장 먼저 일어나므로, 표면에서 발생되는 물성 변화를 파악 하는 것이 중요하다. 그러나 아직까지도 수소취성 을 민감하게 평가할 수 있는 정량적 평가기술의 확 립이 부족한 실정이다. 그러므로 고강도 박강판재 에서의 수소침투에 따른 수소의 재료 내 거동 해석 및 이를 평가할 수 있는 시험기술의 확립은 필수적 연구과제로 있다.
한편 최근 자동차 산업에서는 연비향상 및 CO2
배출량 저감을 위해 강도 특성과 성형가공 특성을 동시에 확보할 수 있는 고강도 박강판재에 관한 연
*
Corresponding author. E-mail : [email protected]
구가 주요 연구의 대상으로 있다. 개발강종으로 특 히 2상조직강(DP, Dual Phase)과 변태유기소성을 이용한 TRIP강(TRIP, TRansformantion Induced Plasticity)과 같이 2개 이상의 상으로 구성된 복합 조직강에 관심이 집중되고 있다.
2상조직강은 오스테나이트와 페라이트의 2상 영 역에서 어닐링 후 급냉에 의해 연질상인 페라이트 와 경질상인 마르텐사이트로 구성된 미세조직을 갖 는 복합조직강으로서, 석출강화강에 비하여 연성 및 장출가공성이 우수하며 충돌흡수능이 큰 장점이 있다.
이에 비해 페라이트와 베이나이트 및 잔류오스테 나이트의 3상 조직을 기본으로 하는 TRIP강은 조 직내에 존재하는 잔류오스테나이트 조직이 소성변 형 중 마르텐사이트 조직으로 변태하는 현상을 이 용하는 복합조직강이다6). 600~1000 MPa의 높은 강 도를 지니면서도 약 25~35% 정도의 우수한 연성 을 확보할 수 있어 현재 개발이 활발히 진행되고 있다.
또한 복합조직강에 개발에 있어, 기계적 성질 및 강도-연성의 밸런스 조절과 밀접한 상관관계를 갖 는 미세조직 제어를 위해 열처리 조건 및 합금설계 등에 대한 연구가 주로 이루어져 왔다.
본 연구에서는 자동차용 고강도 박강판재인 DP 강과 TRIP강에 음극전기분해법을 이용하여 강제로 수소를 장입시켜, 재료 내부로 침투한 수소가 강재 의 미세조직 및 기계적 특성에 미치는 영향에 대하 여 연구하였다. 이를 위해 장입조건에 따른 수소장 입량을 정량적으로 측정하였다. 또한 표면층 깊이 에 따른 미소경도 분포측정 및 소형펀치시험을 통 하여 DP강과 TRIP강의 수소취화 거동에 대하여 고 찰하고자 하였다.
2. 실험 방법
본 연구에서는 자동차용 고강도 박강판재로 연구, 개발 중인 DP강 3종과 TRIP강 1종을 시험편으로 선정하였으며, 표 1에 각 시험편의 화학적 조성과 기계적 특성을 나타내었다. 수소장입시편은 와이어
컷팅기를 사용하여 10 × 10 mm의 크기로 가공하였 고, 절단면 및 표면을 고르게 연마시켜 5 mm의 두 께로 최종 제작하였다. 연마 후 시편은 아세톤을 사 용하여 세척하였으며, 드라이로 건조시킨 후 실험 에 사용하였다. 수소장입은 전기화학적 반응을 이 용한 전기분해법을 적용하여 음극(Cathode)에 고정 시킨 시편에 수소가 강제로 장입되도록 하였다. 수 소장입 실험장치는 그림 1에 나타낸 바와 같이 전 해액으로는 0.5 M의 황산수용액(H2SO4)을 사용하였 고, 양극(Anode)에는 백금(Pt)을, 기준전극에는 포 화칼로멜 전극(SCE, Saturated Calomel Electrode)을 사용하였다. 전기화학 계측장비인 Potentiostat/
Galvanostat(263A, EG&G)를 이용하여 상온에서 5 h, 10 h, 25 h, 50 h로 장입시간을 변화시키며 150 mA/
cm2의 일정 전류밀도 하에서 실험을 진행하였다.
수소장입조건에 따른 수소장입량의 측정은 수소 분석기(Hydrogen Determinator, ONH836, LECO)를 통하여 정량분석하였고, 수소장입에 따른 시험편의 기계적 특성 변화를 평가하기 위해 미소경도 분포 측정과 소형펀치시험을 본 연구에 적용하였다. 미 소경도 분포측정은 표면으로부터 재료 내부로의 깊 이 방향으로 마이크로 비커스 경도계(Micro-Vickers hardness tester, FM-700, Future-Tech)를 이용하여, 하중 25 gf, 부하시간 15 sec의 시험조건 하에서 실 험하였다. 이때 수소장입 과정에서 생성될 수 있는 시험편 표면층 부식 등의 영향을 고려하여 표면층
Table 1. Chemical compositions and mechanical properties of DP steels and TRIP steel
Chemical compositions (wt.%) Mechanical properties
C Si Mn P Al Cr Mo B
(ppm)
T.S.
(MPa)
Y.S.
(MPa)
EL.
(%)
DP1 0.06 0.03 2.0 0.01 0.03 - - - 475 329 30.9
DP2 0.06 0.03 2.0 0.01 0.03 0.3 0.2 - 603 376 26.9
DP3 0.06 0.03 2.0 0.01 0.03 - 0.2 10 624 405 27.1
TRIP 0.14 0.9 2.1 0.01 0.04 0.02 - - 829 518 26.2
Fig. 1. Schematic diagram of hydrogen charging by
electrochemical polarization method.
으로부터 50 µm를 띄운 뒤 최초 경도를 측정하였 고, 이후 60 µm 간격으로 경도 분포를 조사하였다.
5번의 측정에서 얻어진 경도값 중에서 최대경도값 과 최소경도값을 제외시킨 나머지 경도값의 평균치 를 본 연구의 측정값으로서 평가하였다.
또한 소형펀치시험(Small Punch Test)은 ASTM E-643 규격에 준하여 직접 제작한 Die를 만능재료 시험기(universal testing machine, Instron 8516)에 설치하여, 0.5 mm/min.의 부하속도로 하중을 가해 실험하였고7), 소형펀치시험에 의해 얻어진 변위-하 중곡선을 비교하였고, 파단이 일어난 부위를 주사 전자현미경(SEM, Scanning Electron Micrograph)으 로 관찰하여 고강도 DP강과 TRIP강의 수소취성거 동 특성을 평가하고자 하였다.
3. 실험 결과 및 고찰
음극전기분해법에 의해 수소장입 실험장치의 음 극에서는 다음의 반응식 (1)과 같은 화학적 반응이 일어난다.
(1)
이와 같이 발생한 수소는 음극에 고정된 시편표 면으로 침투하게 된다. 재료 내부로 침투ㆍ확산된 수소는 격자내의 침입형 자리뿐만 아니라 공공, 전 위 및 입계와 같은 격자 결함, 그리고 탄화물, 석출 물 등 제 2상의 계면에 우선적으로 트랩된다8,9).
그림 2는 수소장입시간에 따라 수소를 전기화학 적으로 장입시킨 시편의 수소장입량을 측정한 결과 이다. 그림에서 볼 수 있듯이, 장입시간이 증가함에 따라 시편 전체에서 수소장입량은 증가하는 것으로
나타났다. 수소장입시간이 증가함에 따라 모든 시 험편에서 수소량은 증가하는 것으로 조사되었다. 특 히 DP강에서 가장 높은 강도를 갖는 No.3 시험편 은 5 h에서 50 h로 장입시간이 증가하였을 때, 18 ppm에서 54 ppm의 높은 수소장입량으로 조사되 었고, 가장 강도가 낮은 No. 1 시험편에서 조사된 수소장입량은 15 ppm에서 38 ppm으로 작았다. 반 면 TRIP강에서는 DP강에 비해 장입된 수소량이 12 ppm에서 32 ppm으로 가장 적은 것으로 나타났 다. 이는 TRIP강의 잔류해 있는 γ 상에 기인한 것 으로서 판단된다. γ 상은 FCC 구조로 수소원자가 8 면체 자리에 위치하여 안정하기 때문에 확산가능성 도 적을 뿐만 아니라 확산속도가 매우 느리다. 이 에 따라 재료의 격자 구조가 용해수소량에 큰 영향 을 미친다는 것을 추정할 수 있었다.
그림 3은 DP강과 TRIP강의 미소경도분포에 미치 는 수소주입의 영향을 나타낸 것이다. 수소가 시편 표면으로부터 침투하여, 표면 하 미소경도를 증가 시켰고, 특히 TRIP강의 변화율이 크게 나타났다. 이 는 TRIP강이 가공 및 변형에 의해 변형유기 α' 마 르텐사이트로 변태하는 특성, 즉 γ →α' 변태에 의 해 표면 하 수소 확산속도가 크게 증가하여 미소경 도에 영향을 미쳐 수소 취성에 더욱 민감하게 나타 난 것으로 판단된다.
수소장입 시험편에 SP 시험을 실시하여 얻은 하 중-변위 그래프를 그림 4에 나타내었다. 장입시간 이 25시간에서 50시간으로 증가함에 따라 더욱 많 은 수소가 재료 내부로 침투·확산되어질 것으로 예측할 수 있다. 50시간의 장입시간에서 전체적으 로 Pmax가 감소하는 것으로 조사되었다. 이는 수소 장입시간의 증가로 인해 수소장입량이 증가하고, 따 2H2O+2e–
→
2OH–+2Had+ or H2↑Fig. 2. Hydrogen amounts charged in specimens with charging times.
Fig. 3. The variation of micro-Vickers hardness according
to depth from the surface at each specimen with
50 h charging time.
라서 수소취화현상에 의한 인장강도의 저하가 나타 난 것이라 판단된다.
또한 하중-변위 곡선에서 곡선의 아래 면적으로 계산한 SP 에너지를 그림 5에 나타내었다. 그림 5 에서 볼 수 있듯이 SP 에너지 역시 시험편 전체에 서 크게 감소하는 것으로 조사되었다. 이는 수소장 입의 증가로 인한 재료의 수소취화에 기인하는 것 으로 판단된다. 25시간, 50시간으로 수소장입시간 이 증가함에 따라서 SP 에너지는 모든 시험편에서
크게 감소하였다. 앞서 그림 4의 결과에서 설명한 바와 같이 수소장입시간의 증가로 인해 수소장입량 이 증가하여 수소취화현상이 현저하게 나타나는 것 이라 판단된다. 미소경도 분포 측정 및 소형펀치시 험에서도 TRIP강은 DP강재에 비해 표면층으로부 터의 수소침투의 영향이 적은 것으로 조사되었다.
그림 6, 7, 8, 9는 SP시험을 실시한 DP강과 TRIP 강 시험편의 파단면을 SEM으로 관찰하여 나타낸 것이다. 시험편의 균열은 수소장입시간이 증가함에 따라 균열이 더욱 현저하게 나타났고, 파단이 진행 된 형상이 관찰되었다. 시험편 파단면의 미시적 관 찰은 시편 스테이지를 틸팅(Tilting)하여 관찰하였다.
25 h의 장입조건에서는 시험편의 균열이 크지 않아 파면관찰에 제한이 있었으나, 50 h 장입조건의 경 우 파단 진전이 커 관찰이 가능하였다. 25 h에서는 딤플(Dimple)이 많이 분포하는 것을 관찰할 수 있 었고, 50 h의 경우 25 h에서 보다 딤플의 수가 감소 하고, 그 크기가 증가하는 것으로 관찰되었다. 이는 계면으로부터 트랩되는 수소에 의해 생성된 수소화 물이 재료의 취화를 일으키고, 단면의 감소를 보이 며, 수소장입에 의해 재료의 파면이 취성파면의 형 태로 나타난다고 보고된 Zhang 등의 연구 결과와 일치함을 보였다10). 이러한 이유는 장입시간의 증 가에 따라서 수소에 의해 생성된 수소화물의 증가
Fig. 4. Load-displacement curves measured from small punch test of 590DP steels and TRIP steel.
Fig. 5. SP energy at each specimen according charging
times.
Fig. 6. SEM image of fracture surface of DP steel (No. 1) after small punch testing.
Fig. 7. SEM image of fracture surface of DP steel (No. 2) after small punch testing.
Fig. 8. SEM image of fracture surface of DP steel (No. 3) after small punch testing.
가 미소 void의 생성과 증가에 기인하는 결과로 사 료된다. 또한 DP강에서 TRIP강에 비해 수소취성 저항성이 큰 것을 확인할 수 있었다.
4. 결 론
고강도 박강판재인 DP강과 TRIP강에 수소주입에 따른 수소주입량 분석과 표면하 미소경도분포 측정 및 소형펀치시험을 실시하였다. 수소주입시간에 비 례하여 DP강과 TRIP강 조직 내 수소량은 증가하 는 것으로 조사되었고, 침투 된 수소에 의해 표면 층에 우선적으로 트랩되어 미소경도값이 증가에 영 향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 미소경도분포 및 소형펀치 시험을 통해 DP강은 TRIP강에 비해 수소취성에 강한 강재인 것으로 판단되었다.
후 기
본 연구는 지식경제부 부품·소재기술개발사업 (과제번호: 2011-0340)의 연구비 지원으로 수행되었 으며, 이에 감사드립니다.
참고문헌
