서론
강철 개발의 주요 목표 중 하나는 페라이트 강의 입자 크기를 미세하게 조정하는 것입니다. 이는 강도와 인성을 동시에 향상시키기 위함입니다. 페라이트 강의 입자 크기를 줄이는 가장 효과적인 방법은 중압 제어 압연과 가속 냉각을 결합하는 것입니다. 예를 들어, 단순한 강철 성분을 가진 판재 압연에서는 핫 롤링과 공기 냉각을 통해 10μm의 페라이트 입자 크기를 제어 압연과 수냉을 통해 5μm로 줄일 수 있으며, 이로 인해 항복 강도는 약 80 MPa 증가합니다.
배경
이전 연구에서는 제어 압연 강의 오스테나이트에서 페라이트로의 변태 과정에서 페라이트 입자 크기가 약 5μm로 제한된다는 것을 보여주었습니다. 이는 부분적으로 변태 동안 페라이트의 조대화에 기인합니다. 그러나 만약 1μm 크기의 입자, 즉 초미세 페라이트(UFF)를 생산하고 유지할 수 있다면, 5μm 페라이트와 비교하여 항복 강도가 거의 350 MPa 증가할 수 있습니다.
페라이트 강이란
페라이트 강철은 체심입방구조(BCC)를 가진 낮은 탄소 함량의 철강으로, 높은 연성과 중간 정도의 강도, 우수한 내충격성 및 부식 저항성을 특징으로 합니다. 이러한 특성 덕분에 페라이트 강철은 자동차 산업, 건설, 가전제품 및 기계 부품 등 다양한 분야에서 널리 사용되며, 열처리와 용접 등의 제조 공정을 통해 기계적 특성을 조절할 수 있습니다. 특히, 높은 열전도성과 자성을 가져 열교환기나 전기 기기에서도 유용하게 활용됩니다.
페라이트 강의 강화기구
- 입자 미세화 강화 (Grain Refinement Strengthening): 페라이트 강의 입자 크기를 줄이면 강도와 경도가 증가합니다. 이는 Hall-Petch 관계에 따라 입자 경계가 변위의 이동을 방해하기 때문입니다. 작은 입자 크기는 입자 경계의 밀도를 증가시켜 변위 이동을 더 어렵게 만듭니다.
- 용질 강화 (Solid Solution Strengthening): 강철에 다른 원소(예: 탄소, 망간, 규소 등)를 용해시켜 페라이트 격자 내의 불순물을 형성하는 방법입니다. 이러한 불순물 원자는 격자 변형을 유발하여 변위 이동을 방해하고, 결과적으로 강도를 증가시킵니다.
- 침전물 강화 (Precipitation Strengthening): 미세한 입자의 침전물을 형성하여 강화하는 방법입니다. 이러한 침전물은 변위 이동을 방해하여 강도를 증가시킵니다. 예를 들어, 탄소가 철강 내에서 탄화물 형태로 침전되면 강도와 경도가 증가합니다.
- 변형 강화 (Work Hardening): 소성 변형 과정에서 격자 내에 변위 밀도가 증가하여 강도가 증가하는 현상입니다. 변형이 일어날 때 격자 내에 새로운 결함이 형성되고, 이 결함들은 변위 이동을 방해하여 강도를 증가시킵니다.
- 강화상 분포 (Distribution of Strengthening Phases): 페라이트 강 내에 존재하는 다른 강화상(예: 베이나이트, 마르텐사이트 등)의 분포도 강도에 영향을 미칩니다. 이러한 강화상들은 고강도와 높은 경도를 제공하여 전체적인 기계적 특성을 향상시킵니다.
이러한 강화 기구들은 서로 상호작용하며, 페라이트 강의 최종 기계적 특성을 결정짓는 중요한 요소들입니다. 제조 과정에서 이러한 기구들을 적절히 조절함으로써 원하는 특성을 가진 강철을 생산할 수 있습니다.
실험 방법
이 연구에서는 단순 저탄소 강(0.06wt%C-0.59Mn)을 사용하여 BHP Research의 2고 랩 압연기에서 압연 실험을 수행했습니다. 압연을 위한 시편의 초기 두께는 2mm였으며, 스테인리스 스틸 포일 백에 담가 과도한 산화를 방지한 채 1250°C에서 15분 동안 재가열하여 오스테나이트 입자 크기를 100–200μm로 만들었습니다. 압연 후 샘플을 공기 냉각하여 초미세 페라이트 구조를 형성했습니다.
fcc 미세구조
압연된 샘플의 미세구조는 두께를 따라 불균질했습니다. 표면 근처에는 약 1μm 크기의 등축 초미세 페라이트(UFF) 입자가 존재하였으며, 이는 전체 두께의 1/4에서 1/3 깊이까지 침투했습니다. 중심부에는 5–10μm 크기의 조대한 페라이트 입자와 펄라이트가 있었습니다.
논의
이 글의 주목할 만한 점은 처리 조건의 단순성과 다양한 강철 화학 성분에 적용 가능하다는 것입니다. 기존의 압연 공정은 압연 일정, 온도 및 냉각 속도의 엄격한 제어가 요구되지만, 이번 실험에서는 상대적으로 작은 감소와 공기 냉각만으로도 초미세 페라이트 구조를 형성할 수 있었습니다.
결론
- 새로운 열기계적 공정을 통해 초미세(1μm) 등축 페라이트 입자를 생성할 수 있었습니다. 스트립은 조대한 오스테나이트 입자 크기를 만들기 위해 재가열되었고, 단일 패스로 Ar3 바로 위에서 압연되었습니다. 초미세 입자는 스트립의 표면 영역에 형성되어 전체 두께의 약 1/4에서 1/3 깊이까지 침투했습니다. 중심부에서는 5–10μm 크기의 조대한 페라이트 입자와 탄화물이 형성되었습니다.
- 관찰된 미세화는 변형 유도 변태 반응에 기인하며, 이는 높은 과냉과 높은 유효 압연 변형률을 요구합니다.
이번 글은 저탄소 강철에서 초미세 페라이트를 형성하는 열기계적 공정의 가능성을 보여주었습니다. 향후 연구에서는 다양한 강철 화학 성분과 압연 조건을 적용하여 이러한 미세구조의 형성 메커니즘과 이를 통해 얻을 수 있는 기계적 특성의 최적화 방법을 탐구해야 할 것입니다. 또한, 실제 산업 공정에 적용할 수 있는 방법론을 개발하여 대규모 생산에서의 적용 가능성을 검토해야 할 것입니다.
강철의 강도와 인성을 동시에 향상시킬 수 있는 새로운 가능성을 제시하였으며, 이를 통해 다양한 산업 분야에서의 활용 가능성을 열었습니다.