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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.29 No.8 pp.511-518
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2019.29.8.511

Effect of Carbon Equivalent and Cooling Rate on Microstructure in A516 Steels for Pressure Vessel

Hyun Wook Lee1, Ui Gu Kang2, Min Soo Kim2, Sang Yong Shin1
1School of Materials Science and Engineering, University of Ulsan, Ulsan 44610, Republic of Korea
2Technical Research Center, Hyundai Steel Company, Dangjin 31719, Republic of Korea
Corresponding author E-Mail : sshin@ulsan.ac.kr (S. Y. Shin, Univ. of Ulsan)
April 22, 2019 August 5, 2019 August 13, 2019

Abstract


In this study, the effect of carbon equivalent and cooling rate on microstructure and hardness of A516 steels for pressure vessel is investigated. Six kinds of specimens are fabricated by varying carbon equivalent and cooling rate, and their microstructures and hardness levels are analyzed. Specimens with low carbon equivalent consist of ferrite and pearlite. As the cooling rate increases, the size of pearlite decreases slightly. The specimens with high carbon equivalent and rapid cooling rates of 10 and 20 °C/s consist of not only ferrite and pearlite but also bainite structure, such as granular bainite, acicular ferrite, and bainite ferrite. As the cooling rate increases, the volume fractions of bainite structure increase and the effective grain size decreases. The effective grain sizes of granular bainite, acicular ferrite, and bainitic ferrite are ~20, ~5, and ~10 μm, respectively. In the specimens with bainite structure, the volume fractions of acicular ferrite and bainitic ferrite, with small effective grains, increase as cooling rate increases, and so the hardness increases significantly.



압력용기용 A516 강의 미세조직에 미치는 탄소 당량과 냉각 속도의 영향

이 현욱1, 강 의구2, 김 민수2, 신 상용1
1울산대학교 첨단소재공학과
2현대제철 R&D Center

초록


    Korea Institute for Advancement of Technology
    P0002007

    © 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

    전 세계 국가들의 급속한 산업화와 기술 고도화 추세 에 따라 압력용기용 강재는 우수한 기계적, 화학적 특 성이 요구되고 있다. 원유 및 액화가스를 이용한 화력 발전 산업은 점차 대형화 및 고효율화되고 있으며, 더 다양한 온도와 압력 조건에서 에너지의 생산, 운반, 운 전이 안전하게 사용될 수 있는 설비의 제작이 요구되고 있 다. 특히, 저온에서 액화된 가스는 저온과 고압하에서 안 전하게 가스를 저장하고 수송하기 위해서 이들 설비에 사용되는 재료는 우수한 강도와 저온인성이 필요하다.1)

    이를 위해 최근에는 베이나이트와 같은 저온변태조직 을 이용한 철강재료가 활발히 연구되고 있으며, 주로 화 학 조성이나 열처리 공정을 변화시켜 저온 변태조직을 얻고 있다.2-4) 화학 조성은 주로 탄소 당량(Ceq)으로 제 어되며, 보통의 철강재료는 탄소 당량이 증가될수록 강 도는 증가하나 인성이 저하된다.5-6) 따라서, 화학 조성의 첨가가 최소화된 상태에서 제조공정의 최적화로 미세조 직을 제어하는 방법이 강도와 인성을 동시에 향상시킬 수 있다. 제조공정의 변수로는 압하율과 압연 횟수 등 의 역학적 요소와 열처리 온도, 냉각 속도 등의 열적 요 소가 있으며 TMCP(thermo-mechanical control process) 가 대표적인 두 가지 공정 변수를 제어한 사례로써, 고 온에서 제어압연을 실시하여 결정립 미세화 효과를 충 분히 얻고, 가속냉각을 통해 저온변태조직을 형성시켜서 우수한 물성을 얻을 수 있다.7-9) 압력용기 강의 경우 노 말라이징 열처리 방법에서는 열적 요소만을 제어한 NACT (normalizing and accelerated cooling + tempering) 공정을 적용한 연구가 있는데, 이는 역학적 요소도 함께 제어 하는 TMCP 공정에 비해 비용 측면에서 경쟁력을 가진 다.1) NACT 공정에서의 주요 변수는 노말라이징 온도, 냉각 속도, 냉각 종료 온도, 템퍼링 조건으로 다양한 공 정 조건의 조합이 가능하다. 최근 개발된 압력용기강의 더욱 우수한 물성을 얻기 위해서는 이들 변수들의 복합 적 요소에 대한 정량적 분석으로 조직과 물성의 상관관 계에 대한 연구가 많이 요구된다. 또한 최근에는 탄소 당량을 낮추어 미세한 결정립의 베이나이트를 얻을 수 있는 다양한 공정 조건에 대한 연구가 꾸준히 필요한 실 정이다.

    따라서 본 연구에서는 압력용기용 철강재료 중에서 사 용범위가 비교적 넓은 A516 강의 탄소 당량을 다르게 조 절하여 NACT 공정을 적용하였다. 딜라토미터(dilatometer) 로 냉각 속도를 다양하게 절하여 NACT 공정을 모사하 였고, 제조된 시편들의 미세조직을 분석하였다. 일반적으 로 구조용 철강재료의 경도는 강도와 비례관계에 있으 며,10,11) 비커스 경도 시험으로 탄소 당량과 냉각 속도에 따른 경도의 변화를 분석하였다. 이상의 결과로부터 탄 소 당량을 제어한 A516 강에서 냉각 속도에 따라 형성 되는 베이나이트계 조직의 형성 과정을 규명하고, 조직 과 경도의 상관관계를 조사하였다.

    2. 실험 방법

    본 연구에서 사용된 A516 강의 화학 조성과 열처리 과정을 Table 1과 Fig. 1에 나타내었다. 탄소의 함량을 달리하여 탄소 당량을 제어하였으며, 탄소 당량이 0.40 % 이하인 A516 강을 ‘L’ 강으로, 탄소 당량이 0.43 % 이하인 A516강을 ‘H’강으로 표기하였다. 2 종류의 A516 강을 냉각 조건을 조절하여 시편을 제조하였다. 모든 시 편은 10 × 5 × 1.5 mm로 가공하여 딜라토미터를 이용하 여 열처리하였으며, 노말라이징 온도인 Ar3 온도 이상의 오스테나이트 단상 영역에서 베이나이트 시작 온도 아 래 범위까지 냉각하여 베이나이트계 조직의 형성을 유 도하였다. 오스테나이트 단상 영역의 온도를 구하기 위 해서 식 (1)의 계산식을 이용하였고, Ar3 온도는 L과 H 강에서 각각 884와 856 ºC로 계산되었다. 베이나이트 시 작 온도(Bs)는 식 (2)를 통해 계산하였고, L과 H 강에 서 각각 666와 650 ºC로 계산되었다.12,13)

    Ar 3 ( o C) = 910 -203 C - 21Mn- 15Ni + 32Mo+ 45Si + 13W + 104V
    (1)
    B s ( o C) = 745 - 110C- 59Mn - 39Ni - 68Cr - 106Mo- 17MnNi + 6Cr 2  + 29Mo 2
    (2)

    두 강재 모두 베이나이트계 조직을 형성할 수 있는 온 도 범위인 550 ºC까지 5, 10, 20 ºC/s의 냉각 속도로 냉 각한 후, 10 ºC/s로 최종 냉각하였다. 편의상 시편 제조 시 적용된 냉각 속도에 따라 ‘5’, ‘10’, ‘20’으로 시편을 분류하였다. 예를 들어, ‘L5’ 시편은 탄소 당량이 0.40 % 이한인 강에 대해 냉각 속도를 5 ºC/s로 제어하여 열 처리한 시편이다.

    시편의 미세조직을 분석하기 위해서 2000 grit의 사포 로 연마하고, 1 μm 다이아몬드 서스펜션으로 연마한 뒤 2 % 나이탈 용액(질산+에탄올)으로 에칭하여 광학 및 주 사전자현미경(scaninng electron microscope, SEM)으로 관찰하였다. 후방산란전자회절패턴분석기(electron back scatter diffraction, EBSD) 분석을 위해 시편의 표면을 기계적으로 연마한 후, A2용액(2-부톡시에탄올+에탄올+증 류수+과염소산)을 사용하여 flow rate 3, 40-50 V, 2 s 조 건으로 전해연마하여 시편을 준비하였다. EBSD 분석은 주사전자현미경 내에서 실시되었으며, 결정방위는 OIM analysis 소프트웨어를 이용하여 분석하였다. 비커스 경도 는 하중 300 gf, 유지시간 10 s로 하여 측정하였다.

    3. 실험 결과

    열처리 전 A516 강의 미세조직을 SEM으로 관찰하여 Fig. 2에 나타내고, 각 미세조직의 분율과 결정립의 크 기를 Table 2에 나타내었다. L강과 H 강은 모두 페라이 트(ferrite, F)와 펄라이트(pearlite, P)로 구성되어 있다. 탄소 당량이 낮은 L 강은 페라이트 90 %, 펄라이트 10 % 로 구성되어 있으며, 페라이트의 결정립 크기는 25 μm 정도로 크고, 펄라이트의 결정립 크기는 5 μm정도로 미 세하다. 탄소 당량이 높은 H 강은 페라이트 75 %, 펄 라이트 25%로 L 강이 비해 펄라이트의 분율이 높으며, 페라이트의 결정립 크기는 20 μm정도로 L 강 보다 약 간 작지만, 펄라이트의 결정립 크기는 10 μm정도로 L 강 보다 더 크다.

    Fig. 3에 다양한 냉각 조건에 의해 형성된 시편들의 미 세조직을 광학현미경로 관찰하여 나타내고, Table 34 에 각 미세조직의 분율과 결정립 크기를 나타내었다. 모 든 시편은 페라이트가 주된 조직으로 이루어져 있으며, 펄라이트, 입상형 베이나이트(granular bainite, GB), 침상 형 페라이트(acicular ferrite, AF), 베이나이트계 페라이 트(bainitic ferrite, BF)가 일부 형성되어 있다. 철강에서 베 이나이트계 조직은 다양하게 나타나는데, 본 연구에서는 아래의 형태학적 분류로 각 미세조직을 구분하였다.2-3,14) 입상형 베이나이트는 침상형 페라이트보다 느린 냉각 조 건에서 형성되고 결정립 내부에 이차상이 입자의 형태 로 존재하며, 결정립이 수십 μm로 크고, 강도와 인성이 비교적 낮다. 이차상은 대부분 1 μm 내외의 크기로서, 마 르텐사이트와 잔류 오스테나이트, 세멘타이트 등이다. 침 상형 페라이트는 수 μm의 결정립이 불규칙적인 형태로 형성되어 있고 결정립계에는 미세한 이차상들이 분포하 고 있어서 강도와 인성의 조합이 우수하다. 베이나이트 계 페라이트는 침상형 페라이트보다 빠른 냉각 조건에 서 형성되는 조직으로 결정립이 수십 μm로 크며, 결정 립의 내부나 결정립계에 이차상이 래스(lath) 형태로 분 포하고 있어서 강도는 우수하나 인성이 낮다.

    L 시편들은 페라이트 80~85 %, 펄라이트 15~20 % 형 성되어 있다. L 시편들은 냉각 속도가 증가함에 따라 페 라이트와 펄라이트의 분율 변화는 크지 않지만, 페라이 트와 펄라이트의 크기는 감소한다. L20 시편의 경우 L5 와 L10 시편에 비해 페라이트의 크기가 15 μm에서 10 μm로 감소하였고, 펄라이트는 15 μm에서 7 μm로 감소 하였다. 그리고 L 시편들은 냉각 속도가 증가함에 따라 층상조직이 뚜렷하지 않은 펄라이트가 페라이트의 결정 립계를 따라 넓게 분포되어 있다.

    H5 시편은 L 시편들과 마찬가지로 페라이트 80 %, 펄 라이트 20 %로 구성되어 있으나, H10과 H20 시편은 입 상형 베이나이트, 침상형 페라이트, 베이나이트계 페라이 트와 같은 베이나이트계 조직들이 일부 형성되어 있다. 냉각 속도가 증가할수록 페라이트와 펄라이트의 분율은 감소하고, 베이나이트계 조직들의 분율이 증가한다. H20 시편에서 베이나이트계 조직들의 분율이 26 % 정도로 다 른 시편들에 비해 높다. L시편들과 마찬가지로, 냉각 속 도가 증가할수록 H 시편들의 페라이트와 펄라이트의 결 정립 크기도 감소하였다.

    H 시편들의 경우, 베이나이트계 조직들을 더욱 자세히 관찰하기 위해서 SEM으로 조직을 관찰하여 Fig. 4에 나 타내었다. H5 시편의 경우, 페라이트와 펄라이트가 주된 조직을 이루고 있는 것이 L 시편과 비슷하다. 하지만 H10과 H20 시편은 베이나이트계 조직이 일부 관찰된다.

    H10 시편에서는 입상형 베이나이트 패킷의 크기가 15 μm 크기로 형성되어 있고, 침상형 페라이트 패킷은 8 μm 크기로 형성되어 있다. H20 시편에서는 입상형 베 이나이트 패킷의 크기가 15 μm, 침상형 페라이트 패킷 의 크기는 5 μm, 베이나이트계 페라이트 패킷의 크기는 8 μm로 형성되어 있다.

    모든 시편의 비커스 경도를 측정하여 Table 5에 나타 내었다. L 시편들은 176~181 Hv의 경도를 가지며, H 시 편들은 178~203 Hv의 경도를 가진다. 탄소 당량이 증가 할수록 경도가 증가하며, 냉각 속도가 증가함에 따라 경 도가 증가한다. H10과 H20 시편의 경우, 다른 시편들 에 비해서 경도의 편차가 크다.

    4. 고 찰

    철강재료의 강도와 인성을 향상시키기 위해서 후판강 의 경우, 그 미세조직을 베이나이트계 조직으로 형성시 키기 위한 열처리 조건이 다양하게 연구되고 있다.3-5) 특 히, 대형 구조물의 용접부 인성 향상을 위해서는 탄소 당 량을 최대한 낮추어야 하는데.5-6) 탄소 당량의 주요 인자 인 탄소는 미세조직의 형성에 가장 큰 영향을 미친다.15-21) 본 연구에서는 2종류의 다른 탄소 당량을 갖는 시편들 을 오스테나이트 단상역역에서 노말라이징 후, 냉각 속도 를 5, 10, 20 ºC/s로 변화시켜 냉각을 진행하였고, 계산 식을 바탕으로 베이나이트 시작 온도(Bs) 이하에서 냉각 을 종료하였다. 탄소 당량이 증가할수록 연속 냉각 변 태 곡선이 우측으로 이동하여 베이나이트의 형성이 쉽 다고 알려져 있고,19,20) 냉각 속도는 빠를수록 결정립이 작아지며 페라이트보다 베이나이트계 조직이 더 잘 형 성된다고 알려져 있다.2,14)

    미세조직 형성에 미치는 탄소 당량의 영향을 알아보기 위해 동일한 냉각 속도를 가질 때의 L시편과 H시편을 비교하여 보자. L시편들에서 베이나이트계 조직이 형성 되지 않았고, H10과 H20 시편에서는 베이나이트계 조 직이 형성되었다. 즉, H 시편들이 L 시편들에 비해 탄 소 당량이 높아서 베이나이트계 조직의 잘 형성된 것을 확인할 수 있다. 그러나 H5시편에서는 베이나이트계 조 직이 관찰되지 않았는데, 이는 H5, H10, H20시편의 냉 각 속도 차이 때문이다. H5시편은 냉각 속도가 느려서 연속 냉각 변태 곡선의 베이나이트 영역에 도달하기 전 에 펄라이트 변태가 완료되었다. Table 3에 나타낸 것처 럼 베이나이트가 형성된 H10과 H20시편들에서도 냉각 속도에 따른 베이나이트계 조직의 분율 차이가 나타나 는데, 냉각 속도가 가장 빠른 H20시편에서 BF의 분율 이 높았다.

    Fig. 5에 H20 시편을 EBSD로 분석하여 역극점도(inverse pole figure map)와 결정립계도(grain boundary map)로 나타내었다. 베이나이트계 조직의 경우, 역극점도에서 주 변 결정립들은 비슷한 방위관계를 가지므로 유효결정립 (effective grain)의 크기 분석이 쉽지 않다. 일반적으로 베이나이트계 조직의 내부는 아결정립(sub-grain)이 서로 15º 이하의 저경각계로 나뉘어져 있다. 따라서 EBSD의 결정립계도 분석을 통해 결정립계가 15º 이상과 이하를 기준하여 각각 고경각계와 저경각계로 구분하였다. 강도 나 인성과 같은 기계적 특성은 15º 이상의 고경각계로 결정립을 구분한 유효결정립에 큰 영향을 받는다. H20 시편은 베이나이트계 조직인 입상형 베이나이트, 침상형 페라이트, 베이나이트계 페라이트 분율이 가장 높으며, 역 극점도에서 비슷한 방위관계를 보이며 결정립계도에서 파 란색의 유효결정립으로 구분되는 영역에서 입상형 베이 나이트, 침상형 페라이트, 베이나이트계 페라이트를 구분 하였다. 침상형 페라이트는 ~5 μm의 미세한 유효결정립 을 가지며, 베이나이트계 페라이트는 이보다 큰 ~10 μm 의 유효결정립을 갖는다. 하지만, 입상형 베이나이트는 ~20 μm의 큰 유효결정립을 가지며, 내부에는 아결정립을 구분하는 저경각계가 잘 관찰된다.

    Fig. 6에 H와 L 시편들의 냉각 속도와 경도의 상관관 계를 나타내었다. 탄소 당량 및 냉각 속도의 변화에 따른 미세조직의 변화는 기계적 특성에 영향을 미치며, 상분율 과 결정립 크기 등이 영향 인자로 알려져 있다.5,22-24) 페 라이트와 펄라이트로 미세조직이 주로 형성된 L 시편들 은 냉각 속도의 변화에 경도의 변화가 크지 않다. 하지 만, 냉각 속도가 증가할수록 결정립 크기가 감소하기 때 문에 경도가 약간 증가한다. 저온변태조직인 베이나이트 는 페라이트보다 강도가 높으며, 본 연구에서 형성된 베 이나이트계 조직 중에서는 베이나이트계 페라이트와 침 상형 페라이트가 입상형 베이나이트보다 강도가 높다.2) 탄소 당량이 높은 H 시편들 중에서 페라이트와 펄라이 트로 조직이 형성된 H5 시편은 L5 시편과 비슷한 정 도의 경도를 갖는다. 하지만, 베이나이트계 조직이 형성 된 H10과, H20시편들의 경도는 이들보다 훨씬 크다. 또 한 냉각 속도의 증가에 따른 베이나이트 분율이 증가하 고 결정립 크기도 감소하기 때문에 경도도 크게 증가한 다. 그리고 베이나이트계 조직을 갖는 시편들의 경도 편 차는 페라이트 펄라이트 조직을 갖는 시편들보다 더 크다.

    본 연구에서는 탄소 당량의 증가와 냉각 속도의 증가 에 따라 베이나이트계 조직의 분율이 증가하고, 결정립 크기가 감소하여 경도가 증가하는 것을 확인하였다. 특 히, 침상형 페라이트와 베이나이트계 페라이트의 결정립 크기가 5~10 μm 정도로 미세하게 형성되어, 경도 증가 효과가 크게 나타났다. 하지만 베이나이트계 조직의 분 율이 낮으면 경도의 편차가 커지므로 이를 주의해야한 다. 강도 및 인성이 우수한 베이나이트계 고강도 고인 성강은 미세한 결정립의 침상형 페라이트와 베이나이트 계 페라이트를 많이 형성시켜야 하며, 이를 위해 더욱 다양한 탄소 당량과 냉각조건에 따른 최적화 연구가 이 루어져야 할 것이다.

    5. 결 론

    본 연구에서는 압력용기용 A516 강의 탄소 당량과 냉 각 속도를 달리하여 6종류의 시편을 제조하고, 이들의 미 세조직과 경도에 미치는 탄소 당량과 냉각 속도의 영향 을 조사하여 다음의 결론을 얻었다.

    1. 낮은 탄소 당량을 갖는 시편들의 경우, 미세조직이 페라이트와 펄라이트로 구성되어 있으며, 냉각 속도가 증 가할수록 페라이트 결정립의 크기는 비슷하지만, 펄라이 트 결정립의 크기는 감소하였다. 냉각 속도의 변화에 따 른 상분율의 변화는 거의 없었다.

    2. 높은 탄소 당량을 가지고 냉각 속도가 5 ºC/s로 느 린 시편의 미세조직은 페라이트와 펄라이트로 구성된다 . 하지만, 냉각 속도가 10과 20 ºC/s로 빠른 시편들의 미 세조직은 페라이트와 펄라이트 뿐만 아니라, 입상형 베 이나이트, 침상형 페라이트, 베이나이트계 페라이트의 저 온변태조직이 함께 형성되었다. 냉각 속도가 증가할수록 베이나이트계 조직의 분율이 증가하였고, 유효결정립의 크 기도 감소하였다.

    3. 높은 탄소 당량과 20 ºC/s의 빠른 냉각 속도로 제 조된 시편에서 베이나이트 조직이 잘 형성되었고, 이들 조직의 유효결정립 크기는 입상형 베이나이트가 20 μm 로 조대하였고, 침상형 페라이트와 베이나이트계 페라이 트는 5~10 μm 정도로 미세하였다.

    4. 페라이트와 펄라이트로 구성된 시편들에서는 냉각 속 도가 증가할수록 결정립 크기의 감소도 크지 않아서 경 도 증가도 미비하였다. 반면, 베이나이트계 조직이 형성 된 시편들에서는 냉각 속도가 증가할수록 유효결정립이 작은 침상형 페라이트와 베이나이트계 페라이트의 분율 이 증가하고, 유효결정립 크기도 감소하여서 경도가 크 게 증가하였다.

    Acknowledgements

    This research was supported by Hyundai Steel Company under the Contract No. 2017-0919. The authors thank Mr. Nuri Cho for his help of the microstructure analysis. This research was partly supported by the Korea Institute for Advancement of Technology(KIAT) grant funded by Korea Government (MOTIE). (No.P0002007, The Competency Development Program for Industry Specialist).

    Figure

    MRSK-29-8-511_F1.gif

    Schematic diagram of cooling conditions of the specimens heat-treated by a dilatometer.

    MRSK-29-8-511_F2.gif

    SEM micrographs of the as-rolled (a) L and (b) H steels.

    MRSK-29-8-511_F3.gif

    Optical micrographs of the (a) L5, (b) L10, (c) L20, (d) H5 and (f) H20 nital etched specimens, respectively.

    MRSK-29-8-511_F4.gif

    SEM micrographs of the (a) H5, (b) H10 and (c) H20 nital etched specimens, respectively.

    MRSK-29-8-511_F5.gif

    (a) Inverse pole figure map and (b) image quality map and grain boundary map of the H20 specimen.

    MRSK-29-8-511_F6.gif

    Vickers hardness results as a function of a cooling rate.

    Table

    Chemical compositions of the A516 steels.

    Volume fractions and grain size of microstructure in the A516 steels.

    Volume fractions of microstructure in the heat-treated specimens.

    Grain or packet sizes of microstructure in the heat-treated specimens.

    Vickers hardness results of the heat-treated specimens.

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