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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.25 No.9 pp.497-502
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2015.25.9.497

Effect of Austenitizing Temperature on the Hardenability and Tensile Properties of Boron Steels

Byoungchul Hwang†
Department of Materials Science and Engineering, Seoul National University of Science and Technology, Seoul 139-743, Korea
Corresponding author bhwang@seoultech.ac.kr (B. Hwang, Seoul Nat’l Univ. of Sci & Tech.)
August 21, 2015 August 27, 2015 August 27, 2015

Abstract

The hardenability of boron steel specimens with different molybdenum and chromium contents was investigated using dilatometry and microstructural observations, and then was quantitatively measured at a critical cooling rate corresponding to 90 % martensite hardness obtained from a hardness distribution plotted as a function of cooling rate. Based on the results, the effect of an austenitizing temperature on the hardenability and tensile properties was discussed in terms of segregation and precipitation behavior of boron atoms at austenite grain boundaries. The molybdenum addition completely suppressed the formation of pro-eutectoid ferrite even at the slowest cooling rate of 0.2 °C/s, while the chromium addition did at the cooling rates above 3 °C/s. On the other hand, the hardenability of the molybdenum-added boron steel specimens decreased with an increasing austenitizing temperature. This is associated with the preferred precipitation of boron atoms since a considerable number of boron atoms could be concentrated along austenite grain boundaries by a non-equilibrium segregation mechanism. The secondary ion mass spectroscopy results showed that boron atoms were mostly segregated at austenite grain boundaries without noticeable precipitation at higher austenitization temperatures, while they formed as precipitates at lower austenitization temperatures, particularly in the molybdenum-added boron steel specimens.


오스테나이트화 온도에 따른 보론강의 경화능과 인장 특성

황 병철†
서울과학기술대학교 신소재공학과

초록


    1.서 론

    보론(B, boron)은 다른 합금원소와 달리 수십 ppm의 미량 첨가를 통해서도 강의 경화능(hardenability)을 효과 적으로 향상시키는 원소로 알려져 Ni, Cr, Mo 등의 값 비싼 경화능 원소를 대체하기 위한 연구가 오랫동안 진 행되어 왔다. 보론 첨가에 의한 경화능 향상 기구로는 다양한 이론들이 제시되어 있지만, 일반적으로 보론이 오 스테나이트 결정립계(austenite grain boundary)에 편석 (segregation)되어 결정립계 에너지를 감소시킴으로써 오 스테나이트에서 페라이트로의 변태를 억제시키기 때문으 로 알려져 있다.1-5) 그러나 보론은 강 중 고용도가 낮기 때문에 합금원소나 열처리 조건에 따라 결정립계에 석 출물들(AlN, BN, M23(C,B)6 등)을 쉽게 형성하여 경화 능을 저하시키기도 한다.3,5) 따라서 보론이 첨가된 강(이 하 보론강)에서 경화능을 최대로 얻기 위해서는 합금원 소와 열처리 조건에 따른 보론의 편석과 석출 거동에 대 한 이해가 매우 중요하다.

    일반적으로 보론의 편석 거동은 평형 편석(equilibrium segregation)과 비평형 편석(non-equilibrium segregation) 으로 나누어지며, 오스테나이트 결정립계에 편석되는 보 론의 양은 냉각 온도, 냉각 속도와 같은 열처리 조건이 나 합금원소에 의존한다.6-10) 1960년대 이후 중성자 조 사에 의한 알파 트랙 에칭법(ATE, α-track etching)이 사 용되고, 2차 이온 질량 분석기(SIMS, secondary ion mass spectroscopy), 투과전자현미경(TEM, transmission electron microscopy) 등의 분석방법이 개발되면서 미국과 유럽, 일 본을 중심으로 보론의 입계 편석과 석출에 대한 연구가 본격적으로 진행되었다. 그러나 보론강의 경화능 연구에 있어 보론의 편석과 석출에 대한 합금원소와 열처리 조 건의 상호작용에 대한 연구는 아직까지 미비한 실정이다.

    최근 보론강에 다른 합금원소를 추가적으로 첨가하여 경화능을 보다 향상시키려는 연구가 활발히 진행되고 있 다. 그 중에서도 Mo은 보론과의 상호작용으로 인해 다 른 합금원소에 비해 보론강의 경화능를 매우 크게 향상 시키는 원소로 알려져 있지만,6,11) 그 원인에 대해서는 아 직까지 논란이 있는 실정이다. 본 연구에서는 탄소강의 경화능 향상에 많이 사용되고 있는 Mo과 Cr을 포함한 보론강을 제조한 후 오스테나이트화 온도, 냉각 속도 등 의 열처리 조건을 달리한 시편들에 대하여 미세조직, 변 태 온도, 경도 분석 결과로부터 경화능을 정량적으로 평 가하고, 인장 시험을 실시하였다. 이를 통해 다양한 미 세조직을 갖는 보론강 시편들의 경화능과 인장 특성을 보론의 편석과 석출 거동 관점에서 이해하고자 하였다.

    2.실험 방법

    본 연구에서는 Table 1과 같이 보론 농도를 0.002 wt.% (20 ppm)로 고정하고, 다른 함량의 Mo와 Cr을 첨가하여 총 6 종류의 보론강 시편을 제조하였다. 이 시편들에서 보론이 BN로 형성되는 것을 막기 위해 Ti과 Al를 각각 0.015, 0.03 wt.%씩 첨가하여 질소(N)를 AlN, TiN으로 고정하였다. 먼저 시편들은 진공 유도용해로를 이용하여 30 kg의 잉곳으로 제조한 후 1,200 °C로 재가열하여 950 °C 이상의 온도에서 두께 20 mm로 열간 압연하였다. 이 후 압연된 판재로부터 길이 10 mm, 지름 3 mm의 원통 형 시편을 가공한 후 가열 온도와 냉각 속도를 정밀하게 제어할 수 있는 선팽창 분석 장치(Dilatometer, Dilatronic III, Theta Inc., USA)로 열처리를 수행하여 시편들의 경 화능을 평가하였다. 이를 위해 시편들을 1,100 °C와 900 °C에서 각각 5 분간 유지한 후 0.2~50 °C/s 범위의 냉각 속도로 상온까지 냉각하고, 광학현미경으로 미세조직을 분 석한 다음 하중 300 g 하에서 유지 시간 10 초로 하여 비커스 경도 시험을 실시하였다.

    또한 판재로부터 sub-size의 판상 인장 시편(표점거리 25.4 mm, 직경 6.3 mm)을 가공한 후 1,100 °C와 900 °C 에서 5 분간 유지하고, 0.2, 3, 20 °C/s의 냉각 속도로 상온까지 냉각하였다. 이 시편들에 대하여 ASTM E8 표 준 시험법에 따라 10톤 용량의 Instron 시험기를 이용하 여 2 mm/min의 속도로 인장 시험을 실시하였다. 인장 시 험시 연속 항복 거동을 나타내는 시편들의 경우 응력- 변형률 곡선으로부터 0.2 % offset한 유동응력을 항복 강 도로 하였고, 불연속 항복 거동을 나타내는 시편들의 경 우 하부 항복점을 항복 강도로 사용하였다.

    최근 강재의 경화능을 정량적으로 평가하기 위하여 특 정한 경화 조직(베이나이트 또는 마르텐사이트)이나 경 도값을 가지는 임계 냉각 속도(critical cooling rate)를 활용하는 방법이 종종 사용되고 있는데, 그 대표적인 것 이 90 % 마르텐사이트 조직의 경도값을 갖기 위한 임 계 냉각 속도(Vc-90)이다.2,5,6,11) 본 연구에서는 여러 냉각 속도에서 얻어진 경도값을 90 % 마르텐사이트 조직의 경 도값과 비교하여 시편들의 임계 냉각 속도(Vc-90)를 측정 함으로써 경화능을 정량적으로 평가하였다. 임계 냉각 속 도가 작으면 경화능이 높고, 임계 냉각 속도가 크면 경 화능이 낮은 것을 의미한다.

    한편 보론강의 경화능에 미치는 합금원소와 열처리 온 도의 영향을 구체적으로 이해하기 위하여 9 % Ni이 첨 가된 보론강 모델 합금을 제조한 후 냉각 속도에 따른 보론의 편석 및 석출 거동을 조사하였다. 오스테나이트 결정립계에 편석되는 보론 분포를 관찰하기 위하여 모 델 합금 시편들을 1,100 °C와 900 °C에서 5 분간 열처 리한 후 20 °C/s의 냉각 속도로 650 °C까지 냉각한 후 급랭하였다. 이와 같이 열처리된 시편들에 대하여 2차 이 온 질량 분석기(SIMS)를 이용하여 미세조직 내 보론의 분포를 관찰하였다.

    3.결과 및 고찰

    오스테나이트화 온도에 따라 다른 Mo과 Cr 함량을 갖 는 보론강의 연속냉각 변태(continuous cooling transformation) 곡선을 Fig. 1과 Fig. 2에 나타내고, 베이나이트 변태 시작 온도(Bs)와 마르텐사이트 변태 시작 온도(Ms) 를 점선으로 표시하였다.12) 오스테나이트화 온도에 관계 없이 Mo 및 Cr 함량이 많아짐에 따라 변태 시작과 종 료 온도가 모두 낮아졌다. 변태 시작 온도가 낮아지는 것은 느린 냉각 속도에서는 초석 페라이트의 핵생성이 억제되며, 빠른 냉각 속도에서는 베이나이트나 마르텐사 이트와 같은 저온 변태 조직이 보다 많이 생성되어 경 화능이 증가됨을 의미한다. 연속냉각 곡선을 자세히 살펴 보면(Fig. 1), Mo 첨가 시편들은 0.2 wt.% Mo 첨가 시부 터 오스테나이트화 온도에 관계없이 대부분의 냉각 속도 에서 변태 시작과 종료 온도가 크게 낮아졌다. 20 °C/s 이상의 빠른 냉각 속도에서는 마르텐사이트 변태로 인 해 변태 종료온도가 거의 같았다. 특히 900 °C의 오스 테나이트화 온도에서 냉각된 0.5 Mo 시편의 경우 모든 냉각 속도에서 변태 시작 온도가 베이나이트 변태 시작 온도보다 낮아 경화능이 더욱 향상되었다. 따라서 0.5 wt.% Mo 첨가는 보론강의 경화능 향상에 매우 효과적 이며, 낮은 오스테나이트화 온도와 느린 냉각 속도에서 그 효과가 상대적으로 우수함을 알 수 있었다.

    한편 합금원소가 경화능에 미치는 영향에 대한 Grossman 의 연구결과13,14)에 따르면 0.2 wt.% Mo 첨가는 0.5 wt.% Cr 첨가와 거의 같은 경화능 효과를 나타내는 것으로 알 려져 있다. 그러나 Cr 첨가 시편들의 경우 0.5와 1.2 wt.% Cr 첨가에도 불구하고 1 °C/s 이하의 느린 냉각 속 도에서 변태 시작과 종료 온도가 크게 낮아지지 않으며, 냉각 속도가 빨라짐에 따라 변태 시작과 종료 온도가 서 서히 낮아졌다. 이를 통해 보론강에서는 Cr 첨가가 Mo 첨가에 비해 상대적으로 경화능에 미치는 효과가 작음 을 알 수 있다.

    오스테나이트화 온도와 냉각 속도에 따라 연속 냉각된 보론강 시편들의 미세조직과 경도 변화를 Fig. 3과 Fig. 4에 각각 나타내고, 90 % 마르텐사이트 조직에 해당되 는 경도를 점선으로 표시하였다. 0.5 Cr 시편의 경우 초 석 페라이트의 형성을 억제하기 위하여 3 °C/s 이상의 빠 른 냉각 속도가 필요하였으나, 0.5 Mo 시편의 경우 0.2 °C/s의 느린 냉각 속도에서도 초석 페라이트의 생성이 완 전히 억제되어 미세조직의 대부분이 베이나이트로 형성 되었다.

    냉각 속도에 따른 경도 변화를 살펴보면(Fig. 4), 0.5 wt.% Mo 첨가시 오스테나이트화 온도가 낮아짐에 따라 경화능이 향상되어 임계 냉각 속도(Vc-90)가 10 °C/s 이 하로 감소하였다. Mo과 Cr이 동시에 첨가된 시편의 경 우에도 같은 경향을 나타내는데, 낮은 오스테나이트화 온 도에서 임계 냉각 속도가 1 °C/s 이하로 매우 작아 경 화능이 향상되었다. 또한 Cr 첨가 시편은 같은 함량을 갖는 Mo 첨가 시편에 비해 임계 냉각 속도가 상대적 으로 크며, Base 시편과 마찬가지로 오스테나이트화 온 도의 영향이 작았다.

    한편 보론강의 경화능에 미치는 보론의 편석 및 석출 거동을 이해하기 위하여 오스테나이트 결정립계의 보론 분포를 관찰한 SIMS 분석 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 모든 시편들에서 보론 원자들이 오스테나이트 결정립계 에 주로 분포된 것으로 관찰되었다. 특히 1,100 °C의 높 은 오스테나이트화 온도에서는 결정립계 보론의 농도가 높게 나타나는데, 이는 보론의 비평형 편석에 의한 것 으로 볼 수 있다. 비평형 편석은 높은 온도에서 과잉으 로 형성된 공공(vacancy)이 공공-용질 복합체(vacancy- solute complexs)를 형성하여 냉각시 결정립계로 소멸하 는 메커니즘에 의해 보론 원자들이 결정립계로 움직이 는 현상이다.6-8) 따라서 보론강의 경우 높은 오스테나이 트화 온도에서는 냉각시 냉각되는 구간의 온도 차이가 상대적으로 크기 때문에 결정립계에 편석되는 보론 원 자의 농도가 증가되는 것이다.

    합금원소에 따른 결정립계 보론의 농도를 자세히 살펴 보면(Fig. 5), Mo 첨가 시편의 경우 결정립계 보론의 농 도가 가장 높게 나타난다. 이는 오스테나이트에서 페라 이트로의 변태시 초석 페라이트의 핵생성을 억제하여 경 화능을 크게 증가시킬 수 있다. 그러나 Mo 첨가 시편 의 경우 높은 오스테나이트화 온도에서는 비평형 편석 으로 인해 결정립계로 편석되는 보론 원자의 농도가 크 게 증가됨으로써 조대한 석출물들이 쉽게 형성될 수 있 는데,15,16) 이러한 석출물들은 페라이트의 핵생성 자리로 작용하여 오스테나이트에서 페라이트로의 변태를 촉진하 기 때문에 보론강의 경화능을 오히려 저하시킨다. 따라 서 Mo 첨가 시편은 높은 오스테나이트화 온도에서 경 화능이 감소되어 임계 냉각 속도가 더 크다(Fig. 4). 그 러나 Cr 첨가 시편의 경우 오스테나이트화 온도에 따른 결정립계 보론 원자의 농도 차이가 크지 않기 때문에 경 화능을 나타내는 임계 냉각 속도도 큰 차이를 나타내지 않는다(Fig. 4).

    한편 오스테나이트화 온도 및 냉각 속도에 따른 인장 특성의 변화를 Fig. 6에 나타내었다. Mo 첨가 시편들은 냉각 속도에 관계없이 낮은 오스테나이트화 온도에서 모 두 높은 강도를 나타내었다. Cr 첨가 시편들은 0.2 °C/s 와 3 °C/s의 냉각 속도에서 오스테나이트화 온도에 따른 강도 차이가 거의 없지만, 20 °C/s의 냉각 속도에서는 낮 은 오스테나이트화 온도에서 상대적으로 높은 강도를 나 타내었다. 이는 앞서 언급한 바와 같이 Mo 첨가 시편 들의 경우 낮은 오스테나이트화 온도에서 경화능이 보 다 크기 때문에 베이나이트나 마르텐사이트와 같은 경 한 조직이 많이 형성되어 항복 및 인장 강도가 높은 것 으로 볼 수 있다. 그러나 Cr 첨가 시편들은 낮은 냉각 속도에서 오스테나이트화 온도에 따른 경화능 차이가 크 지 않아 강도의 차이가 작으며, 빠른 냉각 속도에서는 Cr에 의한 경화능 효과가 매우 증가되어 낮은 오스테나 이트화 온도에서 경화능이 커져 항복 및 인장 강도가 높 은 것으로 생각된다.

    또한 보론강은 합금원소에 관계없이 냉각 속도가 증가 함에 따라 베이나이트나 마르텐사이트와 같은 저온 변 태 조직의 형성이 많아짐으로써 항복 및 인장 강도가 모 두 증가하고, 연신율이 감소하였다. 특히 Mo이 단독으 로 첨가되거나 Mo과 Cr이 복합 첨가된 시편은 냉각 속 도가 0.2 °C/s에서 3 °C/s로 증가함에 따라 냉각시 형성 되는 베이나이트나 마르텐사이트의 분율이 커져 항복 및 인장 강도가 크게 증가되었다. Mo와 Cr이 동시에 첨가 된 시편은 0.5 Mo 첨가 시편과 비교할 때, 3 °C/s와 20 °C/s의 냉각 속도에서 항복 강도와 인장 강도가 모두 100 MPa 이상 높지만, 연신율은 큰 차이가 없는 우수한 인 장 특성을 나타내었다.

    4.결 론

    선팽창 분석 장치를 이용하여 보론강의 경화능을 정량 적으로 평가하였고, 미세조직과 기계적 특성 평가를 통 해 그 타당성을 확인하였다. 보론강에서 Mo 첨가는 같 은 함량의 Cr 첨가에 비해 변태 시작과 종료 온도를 크 게 낮추고 경화능을 더욱 향상시켜 0.2 °C/s의 느린 냉 각 속도에서도 초석 페라이트의 생성이 완전히 억제되 어 대부분의 미세조직이 베이나이트로 구성되었다. 한편 Mo 첨가 시편의 경우 높은 오스테나이트화 온도에서는 비평형 편석에 의해 결정립계 보론의 농도가 증가하여 석출물이 형성됨으로써 오스테나이트에서 페라이트로의 변 태를 촉진하여 보론강의 경화능을 오히려 감소시켰다. 이 에 따라 Mo 첨가 시편들은 냉각 속도에 관계없이 낮은 오스테나이트화 온도에서 높은 강도를 나타내었으며, Mo 와 Cr이 동시에 첨가된 시편의 경우 0.5 Mo 시편과 비 교해 강도가 100 MPa 이상 높지만, 연신율이 거의 같 은 우수한 인장 특성을 나타내었다.

    Figure

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    Continuous cooling transformation (CCT) diagrams showing the transformation start and finish temperatures of boron steel specimenss with different Mo contents, which were cooled from (a) 1,100 °C and (b) 900 °C. The dotted parallel lines indicate the bainite start (Bs) and martensite start (Ms) temperatures calculated by empirical equations considering the chemical compositions of the investigated boron steels.12)

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    Continuous cooling transformation (CCT) diagrams showing the transformation start and finish temperatures of boron steel specimens with different Cr contents, which were cooled from (a) 1,100 °C and (b) 900 °C. The dotted parallel lines indicate the bainite start (Bs) and martensite start (Ms) temperatures calculated by empirical equations considering the chemical compositions of the investigated boron steels.12)

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    Optical micrographs of the base, 0.5Mo, 0.5Cr, and 0.5Mo-0.5Cr boron steel specimens cooled with various rates from 900 °C. The green and yellow dotted lines represent boundaries having 90 % martensite structure and 90 % bainite structure, respectively.

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    Hardness plotted as a function of cooling rate for the boron steel specimens with different Mo and Cr contents, which were cooled from (a) 1,100 °C and (b) 900 °C. A critical cooling rate (Vc-90) having the hardness corresponding to 90 % martensite structure was measured from these hardness distribution.

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    Secondary 11B+ ion images obtained from secondary ion mass spectroscopy (SIMS) analysis for Fe-9%Ni model alloys containing 20 ppm boron. The source used for analysis of boron distribution was O2– at 12.5 keV as the primary ion and the image field diameter was about 60 μm. The model alloys were heated to 1,100 °C and 900 °C for 5 min followed by cooling down to 650 °C at a rate of 20 °C/s.

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    Tensile properties of the boron steel specimens with different Mo and Cr contents. The specimens were cooled down at a rate of (a) 0.2 °C/s, (b) 3 °C/s, and (c) 20 °C/s after austenitizing at 1,100 °C and 900 °C.

    Table

    Chemical composition of boron steel specimens (wt.%).

    Reference

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