1. 서 론
1차 세계대전에서 탱크가 처음 등장한 이래로 장갑 차 량의 중요성이 크게 인식되었고, 장갑차의 화력과 방호 력을 향상시켜주는 단일 장갑재(armor plate)의 방탄성능 향상에 대한 연구가 활발히 이루어져 왔다. 이러한 요 구에 발맞추어 알루미늄이나 티타늄, 철강 등 다양한 금 속 장갑 소재들이 개발되고 있다.1) 비철 장갑 소재는 철 강 장갑 소재에 비해 상대적으로 강도가 낮아 방탄 성 능보다는 경량화가 필요한 부분에 주로 사용되는데, 티 타늄 합금의 경우 가격이 비싸고 용접 가공에 어려움이 있어 특정 부위에 제한적으로 사용이 가능하다. 이에 반 해 철강 장갑 소재는 가격이 저렴하고 강도가 뛰어날 뿐 만 아니라 용접성이 비교적 우수하여 일반적인 장갑 소 재에도 널리 이용되고 있다.1,2) 철강 장갑 소재로는 주 로 고경도 장갑판재(HHA; high hardness armor plate) 및 균질 압연 장갑판재(RHA; rolled homogeneous armor plate)가 사용되는데, HHA는 급냉을 통해 경도가 매우 높아 관통 저항성이 높은 판재이고, RHA는 공냉과 압 연 공정을 통해 HHA에 비해 상대적으로 경도가 낮고 취성 파괴 저항성이 높은 판재이다.1-3)
장갑 소재에서 경도는 방탄 성능에 큰 영향을 주는 중 요한 기계적 특성 인자이다. 이는 관통 시험 시 관통 깊 이와 관통영역 부피를 감소시켜 충격 시의 에너지를 효 과적으로 흡수하기 때문이다.4,5) 그러나 경도가 매우 높 은 초고경도 장갑 소재에서는 충격인성이 방탄 성능을 지배하는 것으로 알려져 있다. ORDP 20170에 의하면 어느 경도 이상에서는 노치나 인장 충격 시험에 의하여 측정된 인성이 증가할수록 방탄 성능이 증가하는 것으 로 보고되었다.4-8) 장갑 소재의 인성을 높이기 위해서는 제조공정 과정에서의 불순물 및 미세조직 제어가 필수 적으로 요구되며, 이를 위한 방안으로 진공 용해나 정 련과정을 통한 불순물 저감, 압연 및 단조를 통한 결정 립 미세화, 석출상 제어, 열처리를 통한 템퍼링 등의 다 양한 방법들이 있다.
본 연구에서는 높은 경도 및 인성으로 인해 방탄 성 능이 우수한 것으로 알려진 ARMOX 500T 장갑판재에 대하여 템퍼링 온도에 따른 미세조직 변화를 관찰하고, 경도, 인장, 충격 시험을 통해 기계적 특성을 평가한 후 템퍼링 온도에 따른 미세조직 변화와 기계적 특성의 상 관관계를 조사하였다.
2. 실험 방법
본 연구에서 사용된 강재는 스웨덴 SSAB 사의 ARMOX 500T 방탄 소재로 경도 540 Hv 이상, 인장 강도 1750 MPa 이상, 연신율 10 % 이상 등의 기계적 특성을 갖도 록 제조된 6 mm 장갑 판재이다. 이 강재의 조성과 함 께 비교재로 상용 강재인 JIS 규격 S45C와 SCM440의 조성을 Table 1에 나타내었다. 본 연구에서는 이 소재를 900 °C 부근에서 15분간 재가열하고 수냉 처리하거나 이 후 150~600 °C 온도에서 30분간 템퍼링하였다. 각각의 템퍼링 온도에 따른 미세조직 변화를 광학 및 주사 전 자 현미경(SEM)을 이용하여 관찰하였다.
Table 1
Chemical composition of the ARMOX 500T, S45C, and SCM440 steel specimens(wt%).
| Specimens | C | Si | Mn | Cr | Mo | Ni | P | S | B | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ARMOX 500T | 0.27 | 0.24 | 0.83 | 0.51 | 0.35 | 0.10 | 0.007 | - | 0.002 | |
| JIS S45C | 0.44 | 0.23 | 0.70 | 0.02 | - | 0.02 | 0.007 | 0.026 | - | |
| JIS SCM440 | 0.40 | 0.25 | 0.70 | 0.01 | 0.19 | 1.00 | 0.012 | 0.010 | - | |
한편 ARMOX 500T와 함께 S45C와 SCM440의 상용 강재를 동일한 조건에서 열처리하여 경도 변화를 500 gf 의 하중을 갖는 마이크로 비커스 경도계를 이용하여 측 정한 후 상호 비교하였다. 충격 시험은 ASTM E 23의 시편 규격에 따라 Sub-size의 10 × 55 × 5 mm, L-T 방향 의 시편으로 제작하여 Charpy V-notch 시험을 통해 충 격 인성을 측정하였다.9) 또한 강재의 압연 방향으로 표 점거리 25 mm, 폭 6.3 mm, 두께 2 mm의 판상 형태 인 장 시험편으로 가공한 후 10톤 용량의 만능 시험기(Model: 8516, MTDI., Korea)를 사용하여 10−3 s−1의 변형률 속 도로 상온에서 인장 시험하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 템퍼링 온도에 따른 미세조직 변화
본 연구에서는 템퍼링 온도에 따른 미세조직 변화를 확 인하기 위해 ARMOX 500T 시편의 광학 현미경 사진 을 Fig. 1에 나타내었다. 템퍼링 온도에 관계없이 모든 시편에서 침상형의 미세조직이 나타나며, 템퍼링 온도에 따른 미세조직 차이는 광학현미경 상으로 구분하기 어 려웠다. 이러한 침상 조직은 900 °C의 오스테나이트화 온 도에서 급랭하는 과정에서 마르텐사이트 생성 온도 이 하로 냉각 시 대부분의 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태된 것이다.
광학 현미경 사진으로는 구분이 어렵기 때문에 이를 좀 더 자세히 관찰하기 위해 주사 전자 현미경을 이용하여 각각의 미세조직을 관찰하였다(Fig. 2). 템퍼링 온도가 상 승함에 따라 미세조직의 변화는 미미하나 광학 현미경 으로는 관찰되지 않을 정도의 매우 미세한 석출물이 발 견되었다. 템퍼링 온도 200 °C의 시편부터 입내에 매우 작은 나노 크기의 석출물이 형성되며, 템퍼링 온도의 증 가와 동시에 입계 및 입내 석출물의 양이 많아지고, 그 크기가 동시에 증가하였다. 이러한 미세조직 변화는 템 퍼링 온도의 증가가 석출물의 증가 및 성장을 촉진시켜 입계 뿐 아니라 입내에서도 석출물이 형성됨을 나타낸다.
템퍼링 온도에 따른 석출물 형성 거동을 확인하기 위 해 Fig. 3에 Thermo-Calc 소프트 웨어를 이용하여 템퍼 링 온도에 따른 석출 거동을 분석하였다. 300 °C 부근 에서 M23C6가 석출되고, 그 이상의 온도에서 시멘타이 트가 점차 증가함을 알 수 있다. 이러한 M23C6의 석출 은 기계적 특성에 영향을 줄 것으로 예상된다. 시멘타 이트의 생성은 여러 저합금강의 충격 시험결과에서 알 려진 템퍼 취성 온도(260~370 °C) 구간에서 ε-탄화물이 천이과정을 통해 시멘타이트로 변태되거나 잔류 오스테 나이트가 마르텐사이트의 래스 경계에서 얇은 필름 형 태의 시멘타이트로 변화된 것이다.10,11) 이렇게 생성된 시 멘타이트는 템퍼링 온도가 높아짐에 따라 점차 조대화 되어 석출 경화 효과가 감소한다.
3.2. 템퍼링 온도에 따른 경도, 인장, 충격 특성 변화
템퍼링 온도 변화에 따른 ARMOX 500T와 상용 강 재인 SCM440과 S45C의 경도 시험 결과를 Fig. 4에 나 타내었다. 전체적으로 상용 강재의 경도가 ARMOX 강 재보다 높은데, 이는 상용 강재에 첨가된 탄소 함량이 상대적으로 높기 때문이다. 모든 강재는 템퍼링 온도가 높아짐에 따라 경도가 감소하게 되는데 이는 템퍼링 시 마르텐사이트 내부의 탄소가 확산되어 마르텐사이트의 격 자 상수 및 전위 밀도가 감소됨으로써 마르텐사이트의 강도가 감소하기 때문이다.11-13) 상용 강재와 ARMOX 강 재의 경도 차이는 300 °C 이하에서 크게 나타나다가 300 °C 이상에서는 크지 않음을 알 수 있다. 모든 시편들에 서 템퍼링 온도가 높아짐에 따라 경도가 감소하는데 비 해, ARMOX 500T 소재는 템퍼링 온도가 높아짐에 따라 경도가 감소하다가 일시적으로 300 °C에서 증가하였다. 이 는 이전의 미세조직 분석 결과를 통해서 볼 때, 석출물 이 형성되는 과정에서 기계적 특성에 영향을 주기 때문 으로 볼 수 있다. ARMOX는 상용 강재와는 달리 300 °C 부근에서 M23C6와 같은 탄화물이 석출되었고, 상용 강재에 비해 Cr이 다량 첨가되어 Cr23C6이 석출됨을 알 수 있다. 이러한 Cr 탄화물이나 시멘타이트와 같은 경 한 조직의 생성으로 인하여 일시적으로 경도가 상승하 였음을 알 수 있다.
Fig. 4
Hardness plotted as a function of tempering temperature for the ARMOX 500T, S 45C and SCM 440 steels.
추가적으로 템퍼링 온도에 따른 미세조직 변화가 인장 특성에 어떠한 영향을 미치는지 알아보기 위하여 ARMOX 500T에 대한 인장 시험 후 그 결과를 Fig. 5에 나타내 었다. 템퍼링 온도가 높아짐에 따라 항복 및 인장 강도 는 감소하고 연신율은 증가하는 일반적인 경향을 나타 내었다. 항복 강도와 연신율은 200~300 °C 사이의 온도 에서 일시적으로 증가 및 감소하였다. 연신율은 급랭한 시편에 비해 모두 높은 연신율을 나타내는데, 이는 마 르텐사이트 내부의 탄소가 템퍼링 동안 확산되고 전위 밀도가 낮아지면서 마르텐사이트 조직이 연화되기 때문 이다.14,15) 항복 강도와 연신율은 200~300 °C에서 일시적 으로 증가 및 감소하게 되는데, 경도 및 인장 시험에서 의 결과와 같이 석출에 의한 석출 경화로 인하여 일시 적으로 연신율 감소 및 항복 강도 증가가 일어났음을 알 수 있다.16-20) 그러나 인장 강도에는 큰 영향을 주지 못 한 것으로 보아 소성 변형 과정에서 가공 경화에는 미 미한 효과를 보였음을 알 수 있다. 또한 템퍼링 온도 변 화에 따른 항복비와 Hollomon 식을 이용한 가공 경화 지수를 살펴보면(Fig. 5), 템퍼링 온도가 높아짐에 따라 항복비는 증가하며, 가공 경화 지수는 감소하였다. 이는 템퍼링 온도의 상승과 함께 전위 밀도는 보다 감소하고, 마르텐사이트 내 탄소 확산에 의한 연화가 진행되어 항 복비 및 가공 경화 지수에 영향을 주기 때문이다. 따라 서 변형에 의한 인장 강도 감소가 항복 강도에 비해 크 기 때문에 항복비가 증가하는 결과를 관찰할 수 있다.
Fig. 5
(a) Strength, (b) elongation, (c) strain hardening exponent, and (d) yield ratio plotted as a function of tempering temperature for the ARMOX 500T steel.
템퍼링 온도에 따른 저온 및 상온에서의 충격 인성을 Fig. 6에 나타내었다. 일반적으로 템퍼링 온도가 높아짐 에 따라 충격 인성이 증가되는데 이는 탄소 확산으로 인 하여 경한 조직의 마르텐사이트가 연화되어 강도는 감 소하지만 연성이 크게 증가하기 때문이다.11-13) 상온과 저 온 모두 300 °C 이상의 템퍼링 온도에서 일시적으로 충 격 인성이 감소하였는데, 이는 경도의 경우처럼 200~300 °C 온도 구간에서 템퍼링이 실시될 때, Cr 탄화물이 석 출되어 템퍼링으로 인한 마르텐사이트의 연화를 상쇄시 키기 때문이다. 이와 같이 본 연구에서는 방탄 소재로 사용되는 ARMOX 500T의 템퍼링 온도에 따른 기계적 특성은 미세조직 및 탄화물의 영향을 받음을 알 수 있 었다. 향후 방탄 성능이 보다 우수한 강재를 개발하기 위해서는 기계적 특성 향상을 위한 효과적인 열처리 및 미세조직의 구현이 필요할 것으로 생각된다.
4. 결 론
본 연구에서는 상용 방탄 소재로 사용되고 있는 ARMOX 500T 장갑재의 템퍼링 온도에 따라 변화되는 미세조직을 관찰하고, 경도, 인장, 충격 시험을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 일반적으로 알려진 바와 같 이 템퍼링 온도가 높아짐에 따라 경도 및 강도는 감소 하고, 충격인성과 연신율은 증가하는 경향을 나타내지만, 200~300 °C 템퍼링 온도 구간에서는 일시적으로 경도 및 강도가 증가하고 충격인성과 연신율은 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 Cr 첨가에 의한 Cr 탄화물과 시멘타 이트의 석출로 인한 석출 경화와 가공 경화 기구 측면 의 변화로 인해 기계적 특성에 영향을 주었기 때문이 다. 또한 인장 특성은 가동 전위 밀도의 변화와 마르텐 사이트 내부의 탄소 확산에 의한 두 기구의 상호 보완 적인 효과가 각각의 인장 특성에 대하여 다르게 작용함 을 알 수 있었다.
