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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.28 No.9 pp.522-527
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2018.28.9.522

Effect of Isothermal Heat Treatment on the Microstructure and Mechanical Properties of Medium-Carbon Bainitic Steels

Ji-Min Lee, Sang-In Lee, Hyeon-Seok Lim, Byoungchul Hwang
Department of Materials Science and Engineering Seoul National University of Science and
Technology
Corresponding author
E-Mail : bhwang@seoultech.ac.kr (B. Hwang, Seoul Nat'l Univ.)
August 4, 2018 September 1, 2018 September 5, 2018

Abstract


This study investigates the effects of isothermal holding temperature and time on the microstructure, hardness and Charpy impact properties of medium-carbon bainitic steel specimens. Medium-carbon steel specimens with different bainitic microstructures are fabricated by varying the isothermal conditions and their microstructures are characterized using OM, SEM and EBSD analysis. Hardness and Charpy impact tests are also performed to examine the correlation of microstructure and mechanical properties. The microstructural analysis results reveal that granular bainite, bainitic ferrite, lath martensite and retained austenite form differently in the specimens. The volume fraction of granular bainite and bainitic ferrite increases as the isothermal holding temperature increases, which decreases the hardness of specimens isothermally heat-treated at 300 °C or higher. The specimens isothermally heat-treated at 250 °C exhibit the highest hardness due to the formation of lath martensite, irrespective of isothermal holding time. The Charpy impact test results indicate that increasing isothermal holding time improves the impact toughness because of the increase in volume fraction of granular bainite and bainitic ferrite, which have a relatively soft microstructure compared to lath martensite for specimens isothermally heat-treated at 250 °C and 300 °C.



등온 열처리에 따른 중탄소 베이나이트강의 미세조직과 기계적 특성

이지민, 이상인, 임현석, 황병철
서울과학기술대학교 신소재공학과

초록


    © Materials Research Society of Korea. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    1980년대 고강도 및 고인성을 지닌 탄화물이 없는 베 이나이트(carbide-free bainite)강이 소개된 이후 자동차, 베어링, 기어, 철도 등 다양한 산업 분야에서 널리 적 용되고 있다.1-7) 이들 강은 일반적으로 1.5~2.0 wt%의 Si 을 포함하여 베이나이트 변태 시 시멘타이트의 석출을 억제시키기 때문에 베이나이트계 페라이트와 잔류 오스 테나이트로 구성된 우수한 기계적 특성으로 큰 주목을 받고 있다.8,9) 특히 베이나이트계 강재는 산업 분야에서 요구되는 강도와 경도의 개선을 위해 탄소 함량을 높여 최대한 베이나이트 변태 온도를 낮추려는 연구가 시도 되고 있다.10,11)

    최근 C. Garcia-Mateo 등12,13)은 고탄소, 고실리콘 강 재를 200~350 °C에서 등온 열처리 후 20~40 nm 두께의 미세한 베이나이트계 페라이트 판(plate)과 필름 형태의 잔류 오스테나이트로 이루어진 고강도의 나노 스케일 베 이나이트 미세조직을 얻은 바 있다. 이들 베이나이트계 강재의 강도와 인성은 탄소 함량과 열처리 방법에 따른 미세조직의 영향을 크게 받는데14-17) 높은 탄소 함량은 베 이나이트 변태 완료 시간의 증가, 낮은 충격 인성와 연 신율 등의 단점을 보이며, 낮은 탄소 함량은 마르텐사 이트 변태 시작 온도의 증가로 인한 높은 베이나이트 변 태 온도로 인해 조대한 베이나이트 미세구조가 형성되 어 기계적 물성이 저하되는 단점이 있다.18-20)

    본 연구에서는 위와 같은 저탄소 및 고탄소 베이나이 트강의 문제점을 해결하기 위해 등온 열처리 조건에 따 른 중탄소 베이나이트강의 미세조직 형성과 기계적 특 성을 분석하고자 하였다. 이를 위하여 중탄소 강재에 대 한 탄화물 형성 억제 원소의 첨가와 등온 열처리 조건 을 조절하여 다양한 베이나이트계 미세조직을 갖는 시 편을 제조한 후 미세조직의 특징과 변화를 관찰하고, 경 도 및 충격 시험을 실시하여 미세조직과 기계적 특성의 상관관계를 고찰하였다.

    2. 실험 방법

    본 연구에서 사용된 강재의 화학조성은 Fe-0.52C- 1.41Si-0.72Mn-1.0(Cr+Mo+V) (wt%)이며, 등온 열처리 온도와 시간에 따라 다양한 시편들을 제조하였다. 이를 위하여 950 °C의 온도에서 15분간 오스테나이트화(austenization) 처리 후 250~400 °C에서 8 분~24 시간 동안 등온 열처리를 실시하고 상온까지 급랭 처리하였다. 등 온 열처리시 냉각 속도 측정을 위해 시편 중심부까지 Thermo-couple(TJ36-CAXL-18G-12, OMEGA Engineering, Korea)을 연결하여 열처리 동안 온도 변화를 Data logger(OM-DAQ-USB-2401, OMEGA Engineering, Korea) 를 통해 출력하였다. 또한 등온 열처리 시 중탄소강 시 편의 냉각 속도 측정 결과와 함께 JMatPro 소프트웨어 (Version 7.0, Sente Software Ltd., UK)로 계산된 T-TT( time-temperature-transformation) 곡선을 Fig. 1에 나타 내었다. 냉각 곡선을 자세히 살펴 보면, 중탄소강 시편 들은 냉각이 진행되면서 펄라이트와 베이나이트 영역을 모두 지나고 열처리 종료 후 급랭되기 때문에 등온 열 처리 조건에 따라 최종적으로 다양한 형태의 베이나이 트계 미세조직들과 마르텐사이트 및 잔류 오스테나이트 등이 형성될 것으로 예측되었다.

    등온 열처리 전후 미세조직은 시편의 옆면(longitudinalshort transverse plane)을 기계적으로 연마하고, 3 % 나 이탈 용액으로 에칭한 후 광학현미경(OM) 및 주사전자 현미경(SEM)으로 관찰하였다. 또한 미세조직 내에 형성 된 잔류 오스테나이트의 분율과 형상을 EBSD(electron backscatter diffraction) 분석을 통해 확인하였다. EBSD 분석을 위해 시편을 기계적 연마 후 10 %의 글라시알 아세틱산(acetic acid glacial)과 90 %의 퍼클로릭산(perchloric acid)을 혼합한 용액에서 전압 20 V, 전류 800 mA 및 상온 조건의 전해 연마를 실시하여 기계적 연 마 후 발생할 수 있는 표면 결함을 제거하였다. EBSD 분 석은 FE-SEM(SU5000, Hitachi High Technology, Japan) 에서 실시되었으며, 결정방위는 EDAX-TSL사(TexSEM Laboratories, Inc., USA)에서 제공하는 OIM(orientation imaging microscopy) 분석 소프트웨어를 이용하여 분석 하였다. 보다 자세한 미세조직 관찰을 위하여 투과전자 현미경(TEM, transmission electron microscopy, JEM- 2100F, JEOL, Japan) 분석을 실시하였는데, 이들 시편은 10 % 과염소산 + 90 % 에탄올 전해액에서 −10 °C로 유 지하고 twin-jet 법을 이용하여 제작한 후 200 kV의 가 속전압 하에서 TEM으로 관찰하였다.

    경도는 마이크로 비커스 경도계(FM-800, Future-tech, Japan)를 이용하여 500 gf의 하중 하에서 측정한 후 브 리넬 경도로 환산하였다. 충격 시험은 ASTM E23의 표 준 시험법에 따라 L-T(longitudinal-transverse) 방향으로 10 × 10 × 55 mm 크기의 표준 샤르피 충격 시편을 가공 한 후 750 J 용량의 충격시험기(PSW 750, ZwickRoell, Germany)를 사용하여 상온(25 °C)과 저온(−40 °C)에서 실 시하였다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1 등온 열처리에 따른 미세조직 변화

    등온 열처리 온도와 시간에 따른 중탄소강 시편의 광 학현미경 미세조직 사진을 Fig. 2에 나타내었다. 250 °C, 300 °C, 350 °C에서 8 분간 등온 열처리한 시편들의 미 세조직은 일부 생성된 베이나이트와 함께 급랭 처리를 통해 얻어진 상당량의 마르텐사이트가 형성되었다. 또한 300 °C, 350 °C 및 400 °C에서 30 분 이상 등온 열처리 한 시편들은 베이나이트 변태가 대부분 완료되어 이후 변태 시간에서는 미세조직 차이가 거의 없는 것으로 확 인되었다. 그러나 250 °C에서 30 분 이상 등온 열처리 한 시편들은 베이나이트 분율이 여전히 증가하는 모습 을 나타내었다.

    주사전자현미경으로 보다 자세히 관찰한 Fig. 3의 미 세조직 사진을 보면, 등온 열처리 온도와 시간에 따라 형성되는 베이나이트 조직이 크게 달라지는 것을 볼 수 있다. 300 °C, 350 °C 및 400 °C에서 등온 열처리한 시 편들은 하부조직인 마르텐사이트-오스테나이트 입자(martensite- austenite, 이하 MA)를 갖는 입상형 베이나이트 (granular bainite, 이하 GB)와 베이나이틱 페라이트(bainitic ferrite, 이하 BF)가 관찰되며, 250 °C에서는 BF와 래스 마르텐사이트(lath martensite, 이하 LM)가 동시에 나타 나는 것을 확인할 수 있다. 또한 이들은 모두 등온 열 처리 시간이 증가할수록 다소 조대해 지는 것으로 보인다.

    한편 등온 열처리 온도에 따른 베이나이트 두께 변화 를 관찰하기 위해 TEM으로 관찰 결과를 Fig. 4에 나타 내었다. 모든 시편에서 탄화물이 거의 관찰되지 않았으 며, BF와 잔류 오스테나이트(retained austenite)가 동시 에 관찰되었다.21) 이는 탄화물 형성 억제 원소인 Si에 의 해 시멘타이트 대신 잔류 오스테나이트가 형성되기 때 문이다. 한편 등온 열처리 온도가 올라갈수록 잔류 오 스테나이트의 두께가 증가되는 것을 확인할 수 있는데 (Fig. 4), 이는 열처리 온도가 올라갈수록 탄소 확산이 활 발해지기 때문이다.

    등온 열처리 조건에 따른 잔류 오스테나이트의 분율 및 형태를 확인하기 위해 EBSD 분석을 실시하였으며, EBSD phase map 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 본 연구에서 제 조된 시편의 경우 FCC 상은 잔류 오스테나이트를 나타 내며, BCC 상은 베이나이트와 급랭 처리에 의해 형성 된 마르텐사이트로 고려될 수 있다. 등온 열처리 온도 가 250 °C에서 300 °C로 높아짐에 따라[Fig. 5(a) 및 (c)] 잔류 오스테나이트 분율이 증가하고, 래스(lath) 형태에서 블록(blocky) 형태로 조대해 지는 것을 확인할 수 있다. 이는 등온 열처리 온도가 증가할수록 베이나이트 생성 구동력이 감소하고 미변태 오스테나이트로의 탄소 확산 이 활발히 일어나 오스테나이트 안정도가 증가하기 때 문이다. 한편 400 °C에서 등온 열처리한 시편의 경우 잔 류 오스테나이트 분율이 다시 감소하는 것으로 나타나 는데, 이는 고온에서 형성되는 GB가 미세조직 내에 이 미 충분히 형성되어 이후의 등온 변태에서 잔류 오스테 나이트가 거의 형성되기 않기 때문이다.

    3.2 미세조직 변화에 따른 경도 및 충격 특성

    본 연구에서 사용된 시편의 등온 열처리 조건에 따른 경도 및 충격 인성 변화를 Fig. 6에 나타내었다. 등온 열처리 시간에 따른 경도 값을 비교해 보면[Fig. 6(a)], 각 온도에서 8 분간 등온 열처리한 시편들의 경우 경 도 값이 거의 같은 것을 확인할 수 있다. 이는 모두 등 온 열처리 온도에서 미변태된 오스테나이트가 베이나이 트로 변태되기 전에 급랭 처리에 의해 마르텐사이트가 동일하게 형성되기 때문이다. 이후 등온 열처리 시간이 증가함에 따라 경도 값이 감소하고 일정 시간 이후에는 경도 값의 변화가 거의 없는 것을 볼 수 있다. 이는 등 온 열처리 시간이 증가할수록 베이나이트 변태에 의한 탄소 확산으로 인해 미변태 오스테나이트의 안정도가 증 가되어 추가적인 변태가 어렵기 때문이다. 한편 등온 열 처리 온도에 따른 경도 값을 비교해보면, 30 분 이상 등 온 열처리한 시편들의 온도에 따른 경도 값은 250 °C, 400 °C, 350 °C 및 300 °C 순으로 낮아진다. 이는 250 °C에서 등온 열처리한 시편들의 경우 다량의 마르텐사 이트가 형성되기 때문이며, 400 °C에서 등온 열처리한 시 편들은 입상형 베이나이트 하부조직 내에 있는 MA의 분 율 증가 때문으로 생각된다.

    한편 등온 열처리 조건에 따른 충격 인성 변화를 살 펴 보면[Fig. 6(b)], 상온 충격 인성 값은 등온 열처리 시간이 증가할수록 대체로 높아지며, 30 분 이후로는 큰 변화가 없다. 이는 시간이 지날수록 급랭 처리에 의한 경한 마르텐사이트 조직보다 상대적으로 연한 조직인 베 이나이트 분율이 증가하며, 30 분 이후로는 베이나이트 변태가 종료되기 때문이다. 등온 열처리 온도에 따른 상 온 충격 인성 값을 비교해보면, 8 분간 등온 열처리한 경우 온도가 높을수록 충격 인성 값이 보다 커지는 경 향을 볼 수 있다. 이는 같은 등온 열처리 시간에서 온 도가 높을수록 상대적으로 연한 베이나이트 조직이 더 많이 형성되기 때문이다. 한편 등온 열처리 온도나 시 간에 따른 저온 충격 인성 값은 큰 차이가 없는데, 이 는 충격 시험 온도가 낮아짐에 따라 전위 이동에 대한 마찰 저항 값이 크게 증가되어 열처리 조건에 관계없이 충격 인성 값이 매우 낮기 때문이다.22-24)

    4. 결 론

    본 연구에서는 중탄소강에 대하여 등온 열처리 온도와 시간에 따른 미세조직의 변화를 관찰하고, 경도 및 충 격 특성을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

    • 1) 등온 열처리 온도가 증가함에 따라 전단 변태보다 확산 변태가 활발하기 때문에 베이나이틱 페라이트, 입 상형 베이나이트 순으로 분율이 증가하며, 블록 형태의 잔류 오스테나이트가 형성되는 경향을 나타내었다. 또한 등온 열처리 시간이 증가할수록 미세조직이 다소 조대 해 지는 것으로 확인되었다.

    • 2) 경도 시험 결과 베이나이트 변태 완료 이후 경도 값은 250 °C, 400 °C, 350 °C 및 300 °C 순으로 높은 것으로 확인되었다. 이는 250 °C에서 등온 열처리한 시 편의 경우 미변태된 오스테나이트의 급랭으로 형성된 다 량의 래스 마르텐사이트로 인해 경도가 가장 높고, 400 °C에서 등온 열처리한 시편의 경우 입상형 베이나이트 하부조직 내에 MA의 분율 증가가 경도 향상에 기여하 기 때문으로 판단된다.

    • 3) 상온 충격 시험 결과 등온 열처리 온도에서는 시 간이 증가할수록 래스 마르텐사이트 대신 상대적으로 연 한 베이나이트의 분율이 증가하여 높은 충격 인성 값을 나타내었다.

    Figure

    MRSK-28-522_F1.gif

    (a) Schematic illustration of the cooling experiment and (b) time-temperature-transformation(T-T-T) and cooling rate curves of medium-carbon bainitic steel specimens with a chemical composition of the Fe-0.52C-1.41Si-0.72Mn-0.62Cr-0.27Mo-0.21V(wt%). Solid lines and dotted lines indicate the transformation start and finish, respectively.

    MRSK-28-522_F2.gif

    Optical micrographs of the medium-carbon bainitic steel specimens isothermal heat treated at 250 °C, 300 °C, 350 °C and 400 °C for 8 minute, 30 minute, 1 hour and 6 hour.

    MRSK-28-522_F3.gif

    SEM micrographs showing granular bainite(GB), bainitic ferrite(BF) and lath martensite(LM) formed in the medium-carbon bainitic steel specimens after isothermal heat treatment at 250 °C, 300 °C, 350 °C and 400 °C for 8 minute, 30 minute, 1 hour and 6 hour.

    MRSK-28-522_F4.gif

    Bright-field TEM image of the medium-carbon bainitic steels isothermally heat-treated at (a) 250 °C for 8 minutes, (b) 250 °C for 1 hour and (c) 350 °C for 1 hour. Microstructure designation; RA(retained austenite).

    MRSK-28-522_F5.gif

    EBSD phase map of the medium-carbon bainitic steel specimens after isothermal heat treatment at (a) 250 °C for 1 hour, (b) 300 °C for 8 minute, (c) 300 °C for 1 hour and (d) 400 °C for 1 hour, showing the distribution and volume fraction of retained austenite.

    MRSK-28-522_F6.gif

    (a) Vickers hardness and (b) Charpy impact toughness of the medium-carbon bainitic steel specimens plotted as a function of isothermal heat treatment condition.

    Table

    Reference

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