1. 서 론
최근 해양플랜트 및 극한지역 자원개발 시스템 적용을 위해 구조용 철강 재료의 강도와 인성을 더욱 향상시키 고자 제어 압연과 가속 냉각 공정을 통한 미세조직 제 어 연구가 활발하게 진행되고 있다.1-4) 이는 주로 Nb, Ti, V등의 미량합금 원소(micro-alloying element) 첨가를 통해 오스테나이트 재결정 및 비재결정(non-recrystallization) 영역을 제어하여 초석 페라이트 핵생성 자리를 증 가시킴으로써 최종 미세조직의 결정립 미세화를 달성하 는 연구가 많이 이루어져 왔다. 그러나 최종 압연온도 를 페라이트-오스테나이트 2상역 온도까지 내렸을 때 비 재결정 오스테나이트 영역에서 구현할 수 있는 미세화 보다 60~70 % 향상된 효과를 나타내는 것으로 보고되 고 있다.5) 이에 따라 보다 높은 기계적 특성 구현을 위 하여 페라이트-오스테나이트 2상역 온도에서 변형에 따 른 미세조직 변화에 대한 연구가 꾸준히 진행 중이다.1-4)
실제로 페라이트-오스테나이트 2상역 온도에서 가장 중 요한 미세조직적 인자는 변형 전 변태된 초석 페라이트 의 분율과 이 페라이트가 변형에 의해 변형 페라이트 (deformed ferrite)가 되었을 때 회복 및 재결정에 의해 형성된 셀 및 아결정립과 같은 하부조직의 형성이다.5-7) 이러한 인자들을 변화시키는 변수로는 온도, 압하율, 변 형률 속도 및 미량합금 원소 첨가 등이 있다.8-11) 상기 변수들은 초기 오스테나이트 결정립 크기와 초석 페라 이트 핵생성 구동력, 변태 온도 및 2상역 온도 구간 등 에 영향을 주기 때문에 이들 사이의 상관관계를 이해하 는 것이 매우 중요하다.5-11) 그러나 아직까지 미량합금 원 소 첨가가 2상역에서 페라이트 및 오스테나이트의 회복 및 재결정 거동에 미치는 영향에 대해서는 명확히 밝혀 지지 않고 있다. 따라서 본 연구에서는 다양한 미량합 금 원소가 첨가된 시편에 대하여 재가열 온도와 2상역 에서 변형률 속도를 달리하여 유동응력 거동과 재결정 에 따른 미세조직 변화를 조사하였다.
2. 실험 방법
본 연구에서 사용된 시편들은 950 °C 이상 오스테나이 트화 온도에서 20 mm 두께로 열간 압연된 4종류의 판 재로 각각의 화학조성을 Table 1에 나타내었다. Base 시 편의 조성인 Fe-0.15C-0.2Si-0.5Mn-0.03Al-0.008N (wt %) 을 기본으로 Nb가 0.04 wt% 첨가된 Nb 시편과 Ti, Nb, V가 각각 0.015, 0.02, 0.1 wt % 복합 첨가된 TiNbV 시 편이 제조되었다. 또한 AlN 석출물의 효과를 조사하기 위하여 Al과 N을 각각 0.05, 0.015 (wt %) 씩 첨가하고 탄소 함량이 높은 CAlN 시편이 제조되었다.
Table 1
Chemical composition of specimens investigated in this study (wt %).
| Specimen | C | Si | Mn | Al | Ti | Nb | V | N | Fe |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Base | 0.15 | 0.2 | 0.5 | 0.03 | - | - | - | 0.008 | Bal. |
| Nb | 0.15 | 0.2 | 0.5 | 0.03 | - | 0.04 | - | 0.008 | |
| TiNbV | 0.15 | 0.2 | 0.5 | 0.03 | 0.015 | 0.02 | 0.1 | 0.008 | |
| CAlN | 0.4 | 0.2 | 0.5 | 0.05 | - | - | - | 0.015 | |
실험에 앞서 재가열 온도를 설정하기 위해 압연 판재 에 석출된 여러 탄질화물의 용해온도(dissolution temperature) 는 다음 식들을 통해 계산하였다.12)
본 연구에서 재가열 온도 설정은 미량합금 원소 Nb 첨가에 따라 석출되는 Nb 탄질화물의 용해온도를 기준 으로 하였으며, 그 온도는 식(1)에 의하여 약 1,244 °C 로 계산되었다. 따라서 고온 압축 시험 전 결정립 크기 와 미세조직 내 탄질화물 석출을 조절하여 고온 압축 간 유동응력 및 재결정 거동의 변화를 알아보고자 1,244 °C 와 비슷하거나 낮은 온도인 1,200 °C와 1,100 °C를 재가 열 온도로 설정하였다. Nb 탄질화물 이외에 모든 시편 에서는 Al과 N 첨가에 따른 AlN이 석출되며 분해온도 는 식(2)로 계산한 결과 1,182 °C와 1,356 °C로 CAlN 시편은 1,200 °C 재가열 후에도 거의 분해되지 않을 것 이라 예상되며, 마찬가지로 TiNbV 시편에서 TiN 석출 물의 분해온도도 식(3)에 의해 1,341 °C로 높아 미세조 직 내 잔류하여 결정립 미세화에 기여할 것으로 예상되 었다.
한편 4종류 시편이 모두 2상역에 존재하는 온도를 설 정하기 위해 JMatPro 상용 프로그램(Ver. 8.0, Sente Software Ltd., UK)을 통해 상변태 온도를 계산하였다. 그 리고 딜라토미터 시험장비(Model: Dilatometric III, Theta Industries, Inc., USA)를 통해 시편의 실제 상변태 온도 를 측정하여 서로의 온도를 비교 후 2상역 고온 압축 시험 온도를 결정하였다. 딜라토미터 시험은 3ϕ × 10 mm 크기의 원통형 시편을 가열 및 냉각 속도를 10 °C/s로 하 여 1,200 °C까지 가열 후 냉각하면서 기울기가 변하는 부 분을 상변태 온도로 측정하였다.
고온 압축 시험은 열간압축변형 시험기(Model : THERMECMASTOR- Z, Fuji Electronics Ind. Co., Japan)를 이용하여 실시하였다. 압축 시편은 지름 8 mm, 높이 12 mm로 높이 방향은 압연 방향과 평행하게 원통형 시편 으로 가공하였다. 시험 조건은 1,200 °C와 1,100 °C로 각 각 시편을 가열하였으며 그 온도에서 300초간 유지 후 10 °C/s 의 냉각속도로 2상역까지 냉각하고 그 온도에서 5초 유지하였다. 그 다음 5 s−1의 빠른 변형률 속도와 10−2 s−1의 느린 변형률 속도로 50 %의 변형량까지 압축을 실 시하였고, 고온 압축 직후 결정립 크기를 유지하며 조 대화 또는 정적 재결정 발생을 억제하기 위해 질소가스 를 주입하여 급냉하였다.
압축 시편의 미세조직은 높이 방향으로 수직 절단 후 절단면을 연마하여 광학현미경으로 관찰하였고, 전계 방 출 주사전자 현미경(FE-SEM, field-emission scanning electron microscopy, S-4300SE, Hitachi, Japan,)내 장착 된 전자후방 산란회절(EBSD, electron backscatter diffraction, CrystAlign e-FlashHR, Bruker, Germany)과 분석 프로그램(Esprit 1.9, Bruker, Germany)을 통해 시편의 결정립 크기 및 형상, 방위 분포를 분석하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 상변태 거동과 2상역 온도의 설정
본 연구에서 제조된 4종류의 시편에 대하여 열역학 프 로그램을 이용하여 계산한 상변태 곡선과 딜라토미터 곡 선을 Fig. 1과 Fig. 2에 각각 나타내고, 이들로부터 계 산된 상변태 시작 온도를 Table 2에 정리하였다. 먼저 열 역학 계산 프로그램으로 계산한 평형 상변태 온도를 살 펴보면 Base, Nb, TiNbV 시편의 Ar3 와 A3 온도는 각 각 824 °C, 848~856 °C로 거의 일정한 반면, CAlN 시 편의 그 온도는 746 °C와 786 °C로 나머지 시편과 크게 차이가 났다. 그러나 A1 온도는 719~728 °C로 모든 시 편이 거의 일정하였다. 따라서 초석 페라이트 석출이 시 작되는 A3 온도는 미량합금 원소보다는 탄소 함량의 큰 영향을 받으며 초석 페라이트 석출이 종료되는 A1 온도 는 탄소 및 미량합금 원소의 영향을 거의 받지 않는 것 으로 보인다.
Fig. 1
Time-temperature-transformation (TTT) diagrams calculated by JMatPro software: (a) Base, (b) Nb, (c) TiNbV and (d) CAlN specimens.
Table 2
Calculated and experimented transformation temperatures of specimens investigated in this study. Bs temperature represents bainite transformation start temperature, and Ms martensite transformation start temperature.
| Specimen | Thermodynamic calculation*(°C) | Dilatometric analysis**(°C) | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ar3 | A3 | A1 | Bs | Ms | Ar3 | Ar1 | |
| Base | 824 | 848 | 719 | 639 | 458 | 649 | 522 |
| Nb | 824 | 849 | 719 | 639 | 459 | 820 | 600 |
| TiNbV | 824 | 856 | 728 | 639 | 460 | 803 | 597 |
| CAlN | 746 | 786 | 725 | 601 | 363 | 687 | 572 |
** Measured by dilatometric curves of Fig. 2.
Fig. 2
Dilatometric curves of the (a) Base, (b) Nb, (c) TiNbV and (d) CAlN specimens. The speicmens were austenitized at 1,200 °C and cooled down to room temperature at the cooling rate of 10 °C/sec.
한편 딜라토미터 곡선(Fig. 2)을 보면, 측정된 Ar1 및 Ar3 온도는 평형 A1, A3 온도보다 낮게 측정되기도 하 였는데(Table 2), 이 차이는 미량합금 원소 첨가에 따라 상이하였다. Nb이 첨가된 Nb, TiNbV 시편의 Ar3 온도 는 열역학 계산 상변태 온도와 크게 차이가 나지 않았 다. Ohtska13)와 Thomas14)는 Nb이 탄소의 활동도를 지 연시키거나 오스테나이트/페라이트 계면에 편석되어 계면 의 이동을 방해해 페라이트의 석출을 억제한다고 보고 하였다. 그러나 Nb은 페라이트 안정화 원소로 알려져 있 고, Nb 탄질화물에 의한 오스테나이트의 결정립 미세화 효과로 인한 많은 페라이트 핵생성 자리에 의해 높은 온 도에서부터 페라이트 핵생성이 촉진된 것으로 생각된다. 반면 미량합금 원소가 첨가되지 않은 Base 시편은 빠른 냉각속도에 의해 페라이트 변태가 확연히 지연된 것으 로 보인다. Ar1 온도도 마찬가지로 Ar3 온도 변화와 비 슷한 경향을 보였다. 결과적으로 열역학 프로그램으로 계 산한 상변태 온도는 Nb 첨가에 따른 결정립 크기 감소 를 고려할 수 없기 때문에 딜라토미터 시험을 통한 시 편의 실제 상변태 온도와 차이가 있다. 따라서 본 연구 에서는 딜라토미터 시험을 통한 상변태 온도를 기준으 로 하여 2상역 변형 시험 온도를 650 °C로 최종 선정하 였다. Base 시편의 Ar3 온도는 약 649 °C로 상변태 경 계부분이지만 압축 시험에 의한 변형으로 페라이트 생 성 구동력이 증가하기 때문에 Ar3 온도는 상승하여 2상 역에 포함될 것으로 생각되었다.
3.2. 변형률 속도에 따른 재결정 거동
본 연구에서 재가열 온도 및 변형률 속도 변화에 따 른 시편들의 고온 유동응력 곡선과 시험 후 관찰한 미 세조직을 Fig. 3과 4에 각각 나타내었다. 고온 유동곡선 (Fig. 3)을 살펴보면 모든 시편은 재가열 온도 또는 미 량합금 원소 첨가와 무관하게 변형이 진행됨에 따라 유 동응력이 급격히 증가해서 최대 응력(peak stress)에 도 달한 후 정상상태(steady state)에 도달하지 않고 지속적 인 감소가 나타나는 경향을 보인다. 또한 변형률 속도 가 느린 경우의 곡선은 빠른 경우에 비해 최대 응력 크 기와 도달할 때의 변형량이 감소하고 유동응력 감소 구 간이 확장되었다. 이는 이전 연구자들의 연구결과5-7)에 의 하여 설명될 수 있는데 2상역에서 변형 시 변형초기 단 계에서 오스테나이트 및 페라이트의 가공경화에 의한 유 동응력이 증가하고 열적 활성화 정도에 따라 변형된 페 라이트는 동적 회복에 의한 셀 또는 아결정립 구조를 이 루고, 변형된 오스테나이트는 가공경화된 상태로 존재하 거나 또는 등축정의 페라이트로 변태될 수 있다고 보고 하였다. 이를 확인하고자 각 조건에서 시험된 시편의 미 세조직을 살펴보면(Fig. 4), 빠른 변형률 속도로 압축한 시편들은 변형을 받지 않은 것으로 보이는 등축정 페라 이트의 분율과 크기가 느린 변형률 속도로 압축한 시편 보다 적고 미세한 경향이 나타났다. 따라서 본 연구에 서 변형된 페라이트는 열적 활성화에 의하여 동적 회복 이 발생하고 변형된 오스테나이트에서 페라이트 변태가 발생함에 따라 모든 시편에서 최대 응력 도달 후 지속 적으로 감소하는 경향이 나타나며, 특히 변형률 속도가 느린 경우 변형을 해소할 수 있는 시간이 충분하기 때 문에 열적 활성화에 따른 회복 거동이 보다 낮은 변형 량에서 시작되었다.
Fig. 3
Compressive stress-strain curves of the (a) Base, (b) Nb, (c) TiNbV and (d) CAlN specimens deformed by 50 % at the deformation temperature (DT) of 650 °C and at the strain rate (SR) of 10−2 s−1 after austenitizing at the reheating temperature (RT) of 1,200 °C and 1,100 °C followed by gas-quenching.
3.3. 미량합금 원소 첨가에 따른 재결정 거동
미량합금 원소 첨가는 원소 그 자체로 기지 내 고용 되어 존재하거나 탄소 및 질소와 결합하여 석출물을 형 성하여 재가열 시 초기 오스테나이트 결정립 크기와 고 온 압축 변형 도중 또는 후에 발생하는 회복 및 재결 정 거동에 영향을 주는 것으로 잘 알려져 있다.5-11) 그 러나 온도가 변할 때마다 이 원소들과 오스테나이트 기 지 내 탄소 및 질소와의 친화도가 다르기 때문에 온도 에 따른 용해도 및 석출물 형성 과정을 이해하는 것이 매우 중요하다. 이전 연구들5,12)에 따르면 오스테나이트 와 페라이트 내 질소의 용해도가 탄소보다 작기 때문에 질화물들의 석출온도가 탄화물보다 높다. 특히 TiN은 주 조 후 응고과정에서부터 석출되는 것으로 알려져 있다. 또 한 육방(hexagonal)구조의 AlN을 제외하고 나머지 탄화 물 및 질화물들은 입방(cubic)구조를 가지기 때문에 구 조를 변화시키지 않고 동형치환이 가능해 서로 혼합하 여 탄질화물(carbonitride)을 형성할 수 있다. 이러한 석 출물들은 재가열 시 용해되지 않을 경우 초기 오스테나 이트 결정립 크기에 큰 영향을 주며, 용해된 경우 이후 낮은 온도에서 변형유기 석출로 재결정을 지연시키며 석 출강화를 일으킨다.
고온 유동곡선(Fig. 3)을 살펴보면 미량합금 원소가 첨 가된 시편들의 최대 응력 크기는 첨가되지 않은 Base 시 편보다 대체적으로 증가되었으며, 변형률 속도가 느린 경 우 그 차이는 컸다. 또한 변형률 속도가 빠른 경우 모 든 시편은 재가열 온도 변화에 따른 유동응력의 차이가 크게 발생하지 않았으나, 느린 경우 미량 합금원소가 첨 가되지 않은 Base 시편은 1,100 °C 재가열 온도 시편의 유동응력이 더 높고, 첨가된 나머지 시편들은 그 반대 의 경향을 보였다. 이를 통해 2상역에서와 같이 상대적 으로 낮은 변형온도와 변형률 속도가 빠른 경우 유동응 력은 온도와 변형률 속도에만 주로 의존하고 오스테나 이트와 페라이트 결정립 크기와 미량합금 원소 첨가의 영향은 미비한 것으로 보여진다.15,16) 그러나 변형률 속 도가 느릴 때 결정립 크기 변화와 미량합금 원소 첨가 는 변형 간 발생하는 열적 활성화 과정에 영향을 준 것 으로 생각된다. 미량합금 원소가 첨가되지 않은 Base 시 편의 경우 재가열 온도 감소에 따른 결정립 크기 감소 는 유동응력을 증가시킨 반면, 미량합금 원소 첨가 시 편들은 1,200 °C에서 재가열된 시편의 유동응력이 컸는 데 이는 높은 온도에서 용해된 석출물들이 압축 시험 간 다시 변형유기 석출로 유동응력을 효과적으로 증가시킨 것으로 판단된다.
한편 고온 압축된 시편들의 회복 및 재결정 거동을 보 다 자세히 확인하고자 1,100 °C 재가열 후 빠른 변형률 속도에서 시험된 시편들의 EBSD 관찰 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 모든 시편에서 조대한 결정립의 입계 또는 내부에서 미세한 결정립들이 높고 낮은 방위격차를 가 지며 관찰되는 것으로 보아 동적 회복 및 재결정이 복 합적으로 작용한 것으로 보인다. 특히 미량합금 원소가 복합 첨가된 TiNbV 시편보다 Nb가 단독 첨가된 시편 에서 보다 높은 저경각 입계 분포를 보였는데, 이는 2 상역에서 변형 시 Ti와 V 첨가보다 Nb가 재결정 억제 에 가장 효과적으로 작용하였기 때문이다. 한편 CAlN 시 편은 높은 탄소 함량으로 인한 낮은 Ar3 온도로 초석 페라이트의 분율은 적으나 오스테나이트가 변형에 의하 여 내부 변형대 등에서 페라이트가 석출되고, 냉각 중 에 펄라이트 변태에 의한 공석 페라이트로 인하여 미세 한 결정립들이 다수 관찰되었다.
5. 결 론
본 연구에서는 각각 다른 함량의 미량합금 원소가 첨 가된 4종류의 탄소강을 열역학 계산과 딜라토미터 시험 을 통하여 2상역 변형 온도를 설정한 후 재가열 온도 와 변형률 속도 변수에 따른 재결정 거동 변화를 조사 하였다. 모든 시편들은 유동응력이 최대 응력에 도달한 후 감소하는 회복 및 재결정 거동이 나타나는 경향을 보 였으며, 특히 변형률 속도가 느린 경우 열적 활성화에 따른 연화 거동이 보다 빠르게 시작되었다. 미량합금 원 소 첨가는 재가열 시 석출물로 존재할 경우 오스테나이 트 결정립 크기를 미세화시켜 초석 페라이트의 석출을 촉진시키며, 고용 상태로 존재할 경우 2상역에서 변형 중 에 변형유기 석출됨으로써 시편의 유동응력을 증가시켰 다. 또한 Nb 시편은 TiNbV 시편보다 효과적으로 2상 역에서 페라이트의 재결정을 억제하였다.
