KR20010062522A - 복상 조직강의 조직제어방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄소 0.05 내지 0.8중량%을 함유하는 강을 α-상 또는 γ-상의 온도 대역에서 0.1 이상의 순 변형량으로 변형 가공한 다음, α-상 및 γ-상으로 이루어진 2상 조직 대역을 형성하는 온도 범위내에서 0.1 내지 20T의 자장을 적용시키는 2상 조직강의 조직제어방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 2상 조직강의 조직제어방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 2상 조직강의 제조 공정에서 자장 적용 처리를 효과적으로 이용함으로써 저렴한 비용으로 강의 조직을 효율적으로 유리하게 개선시키는 방법에 관한 것이다.
강의 바람직한 특성으로는 고 강도 및 고 인성이 요구된다. 일반적으로 강의 강도가 증가할 때 인성이 낮아지므로 상기 2가지 특성을 동시에 만족시키는 것은 매우 어렵다.
상기 2가지 특성을 만족시키는 수단으로 현재까지는 강 조직의 2상 형성과 결정 미립자의 형성이 제안되어 왔다.
2상 조직강에서는 원하는 특성을 얻는데 있어 조직이 매우 중요하므로, 각종 조직제어방법이 제안되어 있다.
그러나, 이러한 종래 방법에서는 만족할만한 특성이 반드시 얻어지는 것이아니어서, 새로운 조직제어방법이 개발될 것이 요구되었다.
이에 반해, 미립자 형성 수단으로서 고 압하량으로 압연하는 방법이 사용되고 있지만, 이러한 압연 방법을 통해 강의 특성을 개선하는데는 일정한 한계가 있다. 특히, 강판의 경우에는 압연 방향에서 판형 결정 입자가 증가하거나 결정 입자의 배향을 특정 방향으로 정렬시키는 결(texture)이 발생하여서, 충격 에너지의 흡수능이 낮아지고 강판의 표면 품질이 저하되는 등의 문제점이 발생한다.
상기 이유로, 새로운 강 조직의 조직제어방법의 개발이 요구된다.
이러한 조직제어방법중 하나로서, 자장을 이용하는 방법이 고려된다.
예컨대, 팔마이 졸탄(Palmai Zoltan)의 문헌[Gepgyartastechnologia. vol. 22(1982), page 463]에는 자장이 강에 미치는 효과를 보여주는 연구로서, Fe-0.60C-030Si-0.72Mn 조성을 갖는 강을 마텐자이트 조직로부터 오스테나이트 조직로 역 변태시키기 위한 열처리동안에 0.57T(T는 자장 강도를 나타내는 단위이다: 텔사)의 자장을 적용하면 페라이트상이 안정하게 되어 페라이트의 잔류량이 증가한다고 보고하고 있다.
그러나, 상기 선행 연구는 약 자장으로 인해 자장의 효과가 확실하게 관측되지 않으므로 공업적으로 적용되지 않고 있다.
또한, 현재까지는 자장을 이용한 강의 조직제어에 대한 연구 또는 발명은 시도된 바 없다.
강력한 자장을 적용시킬 수 있는 초전도성 자석이 최근 개발된 이후에 발명자들은 자장을 이용한 강 조직제어에 대하여 연구하였다.
그 결과, 발명자들은 역 변태된 오스테나이트 상을 자장에서 가열하에 역 변태시킴으로써 자장 적용 방향으로 정렬되는 방법인 2상 조직강의 조직제어방법을 발견하고, JP-A-11-315321호 및 문헌[Bulletin of the Japan Institute of Metals, vol. 38, No. 5(1999), page 380 and Scripta materialia vol. 32, (2000), page 499]에 개시하였다.
본 발명에서는 상기 방법을 더욱 개선하기 위한 것으로, 2상 조직강의 조직제어 동안에 자장 적용 처리를 이용하여 2상 조직을 매우 단시간에 제어할 수 있고, 가열 시간을 단축하여 생산성을 증가시킬 수 있고, 종래의 열처리를 통한 제어에 비해 열처리 연료 비용을 낮추어서 비용을 절감할 수 있는 2상 조직강의 조직제어방법을 제공하고자 한다.
도 1a 내지 1c는 정상 변태의 경우 시간 경과에 따라 자장에서 정렬된 조직의 모델을 도시한 것으로, 도 1a는 변태 진행 정도가 적은 경우이고, 도 1b는 변태 진행 정도가 중간인 경우이며, 도 1c는 변태 진행 정도가 큰 경우이다.
도 2a 내지 2c는 역 변태의 경우 시간 경과에 따라 자장에서 정렬된 조직 모델을 도시한 것으로, 도 2a는 변태 진행 정도가 적은 경우이고, 도 2b는 변태 진행 정도가 중간인 경우이며, 도 2c는 변태 진행 정도가 큰 경우이다.
도 3은 고온 대역에서 가공한 후 2상 조직 대역에서 정상 변태를 실시한 경우의 열처리 패턴을 도시한 것이다.
도 4는 온간 가공 또는 냉간 가공 이후에 2상 조직 대역에서 가열함으로써 역 변태를 실시한 경우의 열처리 패턴을 도시한 것이다.
도 5a 및 5b는 자장에서 정상 변태된 강 조직의 현미경 사진을 도시한 것으로, 도 5a는 실시예 5의 경우이고 도 5b는 비교예 3의 경우이다.
도 6은 재결정된 입자의 입도 변화시 냉간 압연에서의 압하량의 영향을 나타낸 그래프이다.
도 7a 및 7b은 자장에서의 열처리후에 재결정 처리된 강에서의 재결정된 입자의 종횡비를 나타낸 그래프로서, 도 7a는 자장을 통해 정렬된 강을 재결정 처리한 경우이고 도 7b는 자장을 통한 정렬이 이루어지지 않은 강을 재결정 처리한 경우이다.
도 8은 강 자장을 이용하는 실험 장비를 개략적으로 나타낸 것이다.
본 발명자들은 (α+γ) 2상 조직 대역 또는 α-상과 γ-상으로 이루어진 2상 조직 대역을 형성하는 온도 범위에서의 열처리 이전에 0.1 이상의 순 변형을 형성하는 가공을 한 후, 상기 2상 조직 대역에서의 열처리시에 자장을 적용하면, 강이 매우 단시간에 자장 적용 방향으로 정렬된 2상 조직으로 되고 이러한 정렬 방향은 이전의 단조 방향, 압연 방향 등과는 상관없이 자장 적용 방향에 의해서만 결정됨을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
즉, 본 발명은 탄소 0.05 내지 80중량%을 함유하는 강에 α-상 또는 γ-상의 온도 대역에서 0.1 이상의 순 변형을 형성하는 가공을 실시한 후에 α-상과 γ-상으로 이루어진 2상 조직 대역을 형성하는 온도 범위내에서 0.1 내지 20T의 자장을 적용함을 특징으로 하는, 2상 조직강의 조직제어방법에 관한 것이다.
본 발명은 첨부된 도면과 관련하여 설명된다.
본 발명에 계속되는 실험 결과가 하기에 기재되어 있다.
탄소 0.6중량%, 규소 0.2중량% 및 망간 0.4중량%을 포함하고 나머지는 실질적으로 Fe인 조성으로 이루어진 강(Ac1: 725℃, Ac3: 785℃)을 열간 압연한 다음 냉간 압연하여서 1.5㎜ 두께의 강판을 수득한다. 이어서, 강판을 870℃로 가열하고, 상기 온도에서 0.2의 순 변형에 상응하게 압연 가공한 다음, (α+γ) 2상 조직 대역의 온도인 745℃에서 1분동안 열처리하는 동시에 압연 방향과 평행하게 8T의 자장을 적용한 다음 담금질하고 실온으로 냉각한다. 반면, 강판의 일부를 상기와 동일하게 열처리하면서 강판 표면과 수직 방향으로 자장을 적용한다.
이와 같이 수득된 강판을 두께 방향으로 절단한 다음, 절단된 표면을 연마하고 3부피% 질산의 알코올 용액으로 부식시킨 후에 현미경으로 관측하였다.
자장 적용 방향과 평행한 구역을 관찰한 결과, 변태를 거쳐 형성된 잔류한 오스테나이트 상(담금질 이후에는 마텐자이트 상으로 관측됨)과 페라이트 상은 열간 압연 방향과는 무관하게 자장 적용 방향으로 정렬되어 있음이 확인되었다. 또한, 자장 적용 방향과 수직인 구역에서는 셀(cell)형 조직이 형성됨이 확인되었다.
상기 결과로부터, 강을 변형 가공한 후에 자장에서 열처리함으로써 압연 등의 이전 처리와는 상관없이 매우 단시간내에 변태를 통한 조직제어가 가능함이 밝혀졌다.
본 발명에 따라 α(페라이트 상) 온도 대역 또는 γ-상(오스테나이트 상) 온도 대역에서 강에 변형을 가한 후 α-상과 γ-상으로 이루어진 2상 조직 대역의 온도 범위에서 자장을 적용하는 경우에, 강 조직이 자장 적용 방향으로 정렬되는 형태가 되는 현상의 메카니즘은 하기와 같은 것으로 고려된다.
도 1a 내지 1c에는 정상 변태에서 시간 경과에 따르는 변태의 진행 정도에 따라 자장에서의 조직 모델을 각각 도시하고 있다. 이들 도면 각각은 적용된 자장 방향에 평행한 L-구역(종방향 구역) 및 적용된 자장 방향과 수직인 T-구역(횡방향 구역)을 나타낸다.
자장에서 변태가 실시될 때, 강자성 페라이트 상의 핵이 상자성 오스테나이트 상의 내부에서 발생된다. 이 경우, 상기 핵은 총 정자기적 에너지의 증가를 최소화시키는 형태를 갖는다.
이러한 형태는 자장 방향으로 정렬되는 환상형으로 생각된다. 이러한 상태가 변태 진행 정도가 낮은 것을 나타내는 도 1a로서 도시되어 있다.
변태 진행 정도가 중간일 때, 페라이트 상의 핵이 성장하고 결합하여서, 쇄형 조직을 형성한다(도 1b 참조).
변태 진행 정도가 최종적으로 커질 때, L-구역에 있는 자장 적용 방향으로 정렬된 조직 및 T-구역에 있는 셀형 형태(이후, 벌집형 조직라 부름)를 지칭하는신장된 2상 조직이 형성된다(도 1c 참조).
상기 정상 변태의 경우, 강을 γ-상 온도 대역에서 변형 가공할 때, 이러한 가공에 의해 변형 에너지가 강 내부에 저장되어서 변태 핵의 생성점을 증가시킨다. 또한, 많은 전위 및 간극이 형성되어서 원자의 이동도를 상당히 증가시킨다. 그 결과, 변태가 매우 빠르게 진행된다.
도 2a 내지 2c에는 역 변태에서 시간 경과에 따르는 변태 진행 정도에 따라 자장에서의 조직 모델을 각각 도시하였다.
이 경우에, 정상 변태의 경우에서와 마찬가지로 총 정자기적 에너지를 최소화시키기 위해 상자성 오스테나이트 상의 핵이 강자성 페라이트 상의 내부에서 발생된다(도 2a 참조).
이후, 변태 진행 정도가 중간일 때, 쇄형 조직을 형성하도록 오스테나이트 상의 성장 및 결합이 촉진된다(도 2b 참조). 마지막으로, 벌집형 조직이 변태 진행 정도가 큰 단계에서 형성된다(도 2c 참조).
상기 역 변태의 경우에서도 강이 실온 또는 이보다 높은 온도에서 변형 가공될 때, 변태 핵을 발생시키는 장소를 증가시키는 처리에 의해 변형 에너지가 강 내부에 저장된다. 또한, 전위 및 간극이 많이 형성되어 원자의 이동도를 상당히 증가시킨다. 그 결과, 변태가 매우 신속하게 진행된다.
요약하자면, 본 발명은 2상 조직강이 상자성 상과 강자성 상으로 이루어지는 경우, 실제의 모든 강에 적용될 수 있으며, 본 발명에 따른 방법 역시 정상 변태 및 역 변태에 상관없이 적용가능하다.
상기 방법의 예가 도 3과 4에 각각 도시되어 있다.
도 3은 γ-상 온도 대역에 상응하는 고온 대역에서 강을 변형 가공한 후에 2상 조직 대역에서 정상 변태를 실시하는 경우이고, 도 4는 α-상 온도 대역에 상응하는 난온 또는 저온에서 강을 변형 가공한 후에 2상 조직 대역까지 가열하여 역 변태를 실시한 경우이다.
상기 두 경우 전부에서, 열처리는 매우 단시간에 끝나므로, 상기 방법을 공업 제조 라인에 적용시키는 것이 매우 쉽다.
본 발명에서 강 조성 및 열처리 조건이 전술한 범위로 제한되는 이유가 하기에 기재되어 있다.
본 발명은 강이 상자성 상과 강자성 상이 공존하는 상태를 갖는다면, 임의의 조성을 갖는 모든 강에 적용될 수 있다. 이 경우, 기본 조건으로서 탄소는 0.05 내지 0.8중량% 범위로 포함된다면 충분하다.
탄소의 하한치가 0.05중량%인 이유는 탄소량이 0.05중량% 미만이면 2상 조직 대역의 온도가 지나치게 높아져서 변형 에너지가 효과적으로 저장되지 못하기 때문이며, 상한치가 0.8중량%인 이유는 탄소량이 공석(eutectoid) 조성을 초과할 때 (α+γ) 2상 조직 대역의 변태가 일어나지 않기 때문이다.
그 다음, 강을 자장에서 열처리하기 전에 0.1 이상의 순 변형에서 가공하는 것은 상기 가공에 의해 강 내부에 변형 에너지가 저장되고 변태의 핵 생성점을 초래하여 단시간의 가열하에 변태를 촉진시키는 전위 등이 일어나기 때문이다. 변형량이 0.1 미만이면, 핵 생성 부위가 강 내부에서 충분히 형성되지 못하여 변태가단시간에 촉진될 수 없다.
또한, 가공 방법은 압연, 인연 등의 임의의 것일 수 있다. 그러나, 이 경우에는 0.1 이상의 순 변형에 해당되는 변형 에너지가 강에 저장되어야 하므로, 이후의 회수 재결정 등에 의해 상기 변형 에너지가 손실되지 않게 하는 것이 중요하다.
또한, 상기 가공 처리를 실시하는 온도 대역이 α-상 온도 대역 또는 γ-상 온도 대역으로 한정되는 이유는 변형 에너지가 단일상 대역에 충분히 저장된 후에 변태가 일어나기 때문이다.
또한, 열처리시에 적용된 자장 강도가 0.1 내지 20T로 제한되는 이유는 상기 강도가 0.1T 미만일 때 자장 효과가 적고 상기 쇄형 조직 또는 벌집형 조직이 효과적으로 얻어지지 않기 때문이고, 20T의 상한치는 넓은 공간에서 공업적으로 발생가능한 자장 강도에 의해 결정된다. 자장 강도는 바람직하게는 1 내지 20T, 더욱 바람직하게는 4 내지 20T이다.
또한, 자장 종류는 정자장(static magnetic field) 및 저 주파수의 가변 자장중 임의의 것일 수 있으나, 직류 정적 자장이 일반적으로 유리하다.
자장 적용시의 온도는 변태를 통해 정렬된 2상 조직을 형성하기 위해서 강을 2상 조직 대역의 온도로 유지하는 것이 필수이다.
따라서, 본 발명에서는 α-상 온도 대역 또는 γ-상 온도 대역에서의 가공 이후에 자장 적용시에 실시되는 열처리 온도는 (α+γ) 2상 온도 대역, 즉 α-상과 γ-상의 2상 조직 대역에 상응하는 온도 대역으로 한정된다.
본 발명에 따르면, 변태가 매우 단시간에 완료되므로, 가열 시간은 특별히제한되지 않지만 바람직하게는 10초 이상이다.
또한, 본 발명은 강판, 강선, 봉강, 현강 등과 같은 통상적인 강 물질 전부에 적용가능하다.
하기의 실시예는 본 발명을 예시하기 위해 제공된 것이며, 본 발명을 제한하는 것이 아니다.
실시예 1
진공하에서 용융시켜 탄소 0.61중량%, 규소 0.45중량% 및 망간 0.60중량%을 포함하는 강(Ac1: 730℃, Ac3: 788℃)을 제공한다. 길이 150㎜, 너비 25㎜ 및 두께 2㎜의 표본을 강로부터 재단하고, 870℃로 가열함으로써 충분히 γ-상이 되게 한 다음 상기 온도를 유지시키면서 순 변형량이 0.05 내지 1.0 범위에서 변하는 조건하에 열간 압연시킨다. 그 직후에, 초전도성 자석의 자장이 최대(자장: 10T)이도록 하는 로 위치에 표본을 놓고, 745℃로 1분동안 유지하면서 정상 변태를 수행하기 위해 두께 방향으로 자장을 적용한다. 이후, 표본을 물-담금질시킨다.
이와 같이 수득된 강판의 압연된 표면을 연마하고, 3% 질산의 알코올 수용액으로 부식시키고 광학 현미경으로 관측하였다. 그 결과, 강판이 변태를 통해 형성된 페라이트 상 및 오스테나이트 상(담금질 이후에는 마텐자이트 상으로 관측됨)으로 이루어진 2상 조직을 가짐이 확인되었다.
이어서, 조직에서 관측되는 마텐자이트 상의 자장 적용 방향으로의 정렬도는 하기 방법으로 측정한다.
자장 적용 방향을 z-축이라 할 때, z-축에 평행한 평면에서 조직을 관측하며, 그 동안 마텐자이트 상의 z-방향 길이는 현미경 사진의 이미지 프로세싱에 의해 측정한다. 그 다음, z-축에 수직인 평면에서 조직을 관측하며, 그 동안 상기 평면에서 관측된 마텐자이트 상의 연장된 크기를 이미지 프로세싱에 의해 측정한다. 이 경우에, 상기 평면에서의 조직이 셀형일 때 셀을 측정한다.
이어서, 2개 크기의 비(z-축 방향 길이/z-축에 수직인 평면에서의 연장된 길이)를 측정한다. 상기 비는 조직의 현미경사진 전체에 걸쳐 측정하고, 측정치의 평균을 정렬도로 계산한다.
본 방법에 따르면, 정렬도가 커질수록 자장에 의한 조직 정렬이 촉진된다. 본 발명에서 자장에 의한 조직제어 효과는 1.5 이상의 정렬도에서 일어나는 것으로 정의된다.
측정된 결과를 하기 표 1에 나타냈다.
| 번호 | 순 변형량 | 가열 시간(분) | 정렬도 | 조직 관측 결과 | 비고 |
| 1 | 0.05 | 1.0 | 0.9 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 혼합된 입자 조직 | 비교예 1 |
| 2 | 0.1 | 1.0 | 1.6 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 벌집형 조직 | 실시예 1 |
| 3 | 0.4 | 1.0 | 2.5 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 벌집형 조직 | 실시예 2 |
| 4 | 0.8 | 1.0 | 3.0 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 벌집형 조직 | 실시예 3 |
| 5 | 1.0 | 1.0 | 3.2 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 벌집형 조직 | 실시예 4 |
| 6 | 0.05 | 45.0 | 1.6 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 쇄형 조직 | 비교예 2 |
표 1에서 확인되는 바와 같이, 실시예 1 내지 4의 전부에서 정렬도는 1분동안 가열함으로써 변태 진행 정도가 큰 도 1c에 도시된 모델에 상응하는 2상의 벌집형 조직을 얻기에 충분할 정도로 증가된다.
이에 반해, 비교예 1은 순 변형량이 낮아서, 정렬도가 낮고 2상 조직이 충분히 제어되지 않아 변태 진행 정도가 적으며 조직은 혼합된 입자 조직이다. 반면에, 순 변형량이 비교예 1과 동일한 비교예 2에서는 1.6의 정렬도가 최종적으로 얻어지지만 강 조직은 z-축에 평행한 쇄형 조직이고 z-축에 수직 방향에서 매우 엉성한 벌집형 조직이다.
실시예 2
진공하에 용융시켜 탄소 0.2중량%, 규소 0.2중량%, 망간 1.3중량% 및 티탄 0.1중량%을 포함하는 강(Ac1: 715℃, Ac3: 875℃)을 제공한다. 길이 150㎜, 너비 25㎜ 및 두께 2㎜의 표본을 강로부터 재단하고, 1000℃로 유도 가열함으로써 γ-상이 되게 한 다음 순 변형량이 0.05 내지 1.0 범위에서 변하는 조건하에 열간 압연시키고, 이 후에 초전도성 자석의 자장이 최대(자장: 10T)이도록 하는 로 위치에 표본을 놓고, (α+γ) 2상 조직 대역에 상응하는 800℃에 0.5분동안 두면서 정상 변태를 수행하기 위해 두께 방향으로 10T의 자장을 적용한다. 이후, 표본을 담금질한다.
이와 같이 수득된 강판의 압연된 표면을 연마하고, 3% 질산의 알코올 수용액으로 부식시키고 광학 현미경으로 관측하였다. 그 결과, 강판이 변태를 통해 형성된 페라이트 상 및 γ-상(담금질 이후에는 마텐자이트 상으로 관측됨)으로 이루어진 2상 조직을 가짐이 확인되었다.
이어서, 조직에서 관측되는 마텐자이트 상이 자장 적용 방향으로 정렬된 정도는 하기 방법으로 측정한다.
또한, 인장 강도(인장 속도: 10㎜/s) 및 전체 신장을 측정하기 위해 압연 방향이 길이 방향과 일치하도록 평행 부분중 40㎜의 길이, 너비 5㎜ 및 총 길이 70㎜의 인장 시험 편을 강판로부터 재단한다. 또한, 길이 50㎜, 너비 10㎜ 및 두께 2㎜의 평판형 시편을 재단하고, 그 위에 U-노치를 새기고, 이어서 실온에서 충격 시험을 거쳐 인성 측정을 위한 흡수 에너지를 측정한다.
측정된 결과를 하기 표 2에 나타냈다.
| 번호 | 순변형량 | 가열시간(분) | 정렬도 | 조직 관측 결과 | 인장강도(MPa) | 총 신장율(%) | 흡수에너지(J) | 비고 |
| 7 | 0.05 | 0.5 | 0.9 | 마텐자이트 상과페라이트 상의혼합된 입자 조직 | 300 | 12 | 50 | 비교예 3 |
| 8 | 1.0 | 0.5 | 1.8 | 마텐자이트 상과페라이트 상의벌집형 조직 | 580 | 30 | 100 | 실시예 5 |
| 9 | 0.4 | 0.5 | 2.5 | 마텐자이트 상과페라이트 상의벌집형 조직 | 620 | 32 | 115 | 실시예 6 |
| 10 | 0.8 | 0.5 | 4.0 | 마텐자이트 상과페라이트 상의벌집형 조직 | 650 | 33 | 120 | 실시예 7 |
| 11 | 1.0 | 0.5 | 4.9 | 마텐자이트 상과페라이트 상의벌집형 조직 | 700 | 34 | 125 | 실시예 8 |
| 12 | 0.05 | 45.0 | 1.6 | 마텐자이트 상과페라이트 상의쇄형 조직 | 390 | 17 | 60 | 비교예 4 |
표 2에서 확인되는 바와 같이, 실시예 5 내지 8의 전부에서 0.5분동안 가열함으로써 정렬도가 충분히 증가되었고, 벌집형 2상 조직이 얻어졌다.
도 5a는 실시예 5의 강에서 자장 적용 방향과 평행한 표면에서의 조직을 현미경 사진으로 나타낸 것으로, 변태 진행 정도가 큰 도 1c에 도시된 모델에 상응한다.
반대로, 비교예 3은 순 변형량이 적고, 따라서 정렬도가 낮으며 2상 조직이 충분히 제어가 수행되지 않아 변태 진행 정도가 적으며 조직은 혼합된 입자 조직이다. 상기 조직의 현미경사진이 도 5b에 도시되어 있다. 반면에, 비교예 3에서와 동일한 순 변형량에서 45분동안 가열한 비교예 4에서는 1.6의 정렬도가 최종적으로 얻어지지만 강 조직은 z-축에 평행한 쇄형 조직이고 z-축에 수직으로 매우 엉성한 벌집형 조직이다.
또한, 정렬도가 높고 벌집형 2상 조직을 갖는 본 발명의 실시예가 기계적 특성 측면에서 우수하며, 비교예에 비해 강도, 신장 및 인성과 같은 우수한 특성을 나타낸다.
실시예 3
본 실시예는 역 변태에 대한 실험이다.
진공하에 용융시켜 탄소 0.61중량%, 규소 0.20중량% 및 망간 0.45중량%을 포함하는 강(Ac1: 724℃, Ac3: 782℃)을 제공한다. 강을 열간 압연시키고 묽은 산 용액에 담그고 냉간 압연한다. 이 경우에, 강에 적용된 순 변형량은 0.04 내지 1.1 범위에서 변한다.
이어서, 초전도성 자석의 자장이 최대(자장: 10T)이도록 하는 로 위치에 강을 놓고, 745℃로 1분동안 유지하는 동시에 두께 방향으로 자장을 적용시켜 역 변태를 실시한다. 이후, 표본을 물로 담금질한다.
이와 같이 수득된 강에 대해 실시예 1에서와 동일한 방식으로 조직을 평가한다. 또한, α-상의 비(z-축 방향 길이/z-축에 수직인 평면에서의 연장된 길이)를 측정한다. 상기 비는 조직 현미경사진 전체에서 측정되며, 측정치의 평균을 정렬도로 계산한다.
측정된 결과를 하기 표 3에 나타냈다.
| 번호 | 순 변형량 | 가열 시간(분) | 정렬도 | 조직 관측 결과 | 비고 |
| 13 | 0.04 | 1.0 | 0.8 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 혼합된 입자 조직 | 비교예 5 |
| 14 | 0.1 | 1.0 | 1.6 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 벌집형 조직 | 실시예 9 |
| 15 | 0.5 | 1.0 | 2.4 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 벌집형 조직 | 실시예 10 |
| 16 | 0.8 | 1.0 | 2.9 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 벌집형 조직 | 실시예 11 |
| 17 | 1.1 | 1.0 | 3.2 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 벌집형 조직 | 실시예 12 |
| 18 | 0.05 | 45.0 | 1.6 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 쇄형 조직 | 비교예 6 |
표 3에서 확인되는 바와 같이, 실시예 9 내지 12의 전부에서 1분동안 가열함으로써 2상의 벌집형 조직을 얻기에 충분할 정도로 정렬도가 증가하며, 상기 조직은 변태 진행 정도가 큰 도 2c에 도시된 모델에 상응하는 것이다.
이와는 대조적으로, 순 변형량이 0.4 정도로 적은 비교예 5에서는 약 1분동안 가열될 때 정렬도가 낮고, 2상 조직이 불충분하게 제어되어 변태 진행 정도가적으며 조직은 혼합된 입자 조직이다. 반면에, 비교예 5에서와 동일한 순 변형량에서 45분동안 가열한 비교예 6에서는 1.6의 정렬도가 최종적으로 얻어지지만 강 조직은 z-축에 평행한 쇄형 조직이고 z-축에 수직으로는 매우 엉성한 벌집형 조직이다.
실시예 4
본 실시예에서는 강 조성물이 강 조직에 미치는 영향에 대해 연구한다.
표 4에 도시된 바와 같이 다양한 탄소량을 갖는 각종 강 및 통상의 조성을 갖는 조직의 강을 진공 하에 용융시켜 제공한다. 따라서, 길이 150㎜, 너비 25㎜ 및 두께 2㎜의 표본을 상기 강로부터 재단한다. 이후, 상기 표본을 1000℃로 유도 가열함으로써 γ-상이 되게 하고, 0.3의 순 변형량에 상응하는 조건하에서 열간 압연시키고, 이어서 초전도성 자석의 자장이 최대이도록 하는 로 위치에 놓고, 표 4에 도시된 (α+γ) 2상 조직 대역의 온도로 0.5분동안 유지시키면서 두께 방향으로 10T의 자장을 적용하여 정상 변태를 수행한다. 이후, 표본을 담금질한다.
이와 같이 수득된 강에 대하여 실시예 1에서와 동일한 방식으로 조직을 평가하였다.
그 결과를 하기 표 4에 도시하였다.
| 번호 | 조성(중량%) | 가열온도(℃) | 정렬도 | 조직 관측 결과 | 비고 | ||||
| C | Si | Mn | Ti | Nb | |||||
| 19 | 0.03 | 0.20 | 0.45 | - | - | 770 | 1.3 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 혼합된 입자 조직 | 비교예 7 |
| 20 | 0.10 | 0.20 | 0.45 | - | - | 770 | 3.3 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 벌집형 조직 | 실시예 13 |
| 21 | 0.39 | 0.20 | 0.45 | - | - | 770 | 3.5 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 벌집형 조직 | 실시예 14 |
| 22 | 0.61 | 0.20 | 0.45 | - | - | 750 | 3.2 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 벌집형 조직 | 실시예 15 |
| 23 | 0.75 | 0.20 | 0.45 | - | - | 750 | 3.5 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 벌집형 조직 | 실시예 16 |
| 24 | 0.85 | 0.20 | 0.40 | - | - | 750 | 1.1 | 마텐자이트 상과 시멘타이트 상의 혼합된 입자 조직 | 비교예 8 |
| 25 | 0.11 | 0.22 | 1.31 | - | 0.05 | 800 | 3.5 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 벌집형 조직 | 실시예 17 |
| 26 | 0.30 | 1.50 | 0.60 | 0.05 | - | 800 | 4.0 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 벌집형 조직 | 실시예 18 |
| 27 | 0.06 | 1.40 | 2.01 | - | - | 800 | 4.3 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 벌집형 조직 | 실시예 19 |
표 4에서 확인되는 바와 같이, 적절한 범위의 탄소량을 만족시키는 실시예 13 내지 16의 전부는 2상 조직을 적절히 제어한다.
이에 반해, 탄소량이 본 발명에서 정의된 범위밖에 있는 실시예 7과 8에서는 2상 조직이 적절히 제어되지 않는다.
실시예 17 내지 19에 도시된 바와 같이, 충분히 정렬된 2상 조직의 제어는 일반적인 조성을 갖는 조직의 강에서도 이루어진다.
실시예 5
본 실시예에서는 역 변태에서 탄소량의 영향을 연구한다.
표 5에 도시된 바와 같이 다양한 탄소량(그 밖의 성분은 규소 0.20중량% 및 망간 0.45중량%이다)을 갖는 각종 강을 진공하에 용융시켜 제공한다. 이들을 1.5㎜의 두께가 되게 열간 압연 및 냉간 압연(0.2의 순 변형에 상응)하고 묽은 산에 담그었다. 이들을 초전도성 자석의 자장이 최대이도록 하는 로 위치에 놓고, 자장에서 열처리하였다. 즉, 750℃에서 1분동안 열처리하는 동시에 두께 방향으로 10T의 자장을 적용시켜 변태를 수행하였다.
이와 같이 수득된 강에 대해 실시예 3에서와 동일한 방식으로 조직을 평가한다.
결과를 하기 표 5에 나타냈다.
| 번호 | 탄소량(중량%) | 정렬도 | 조직 관측 결과 | 비고 |
| 28 | 0.03 | 1.3 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 혼합된 입자 조직 | 비교예 9 |
| 29 | 0.10 | 2.2 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 벌집형 조직 | 실시예 20 |
| 30 | 0.39 | 2.3 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 벌집형 조직 | 실시예 21 |
| 31 | 0.61 | 2.2 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 벌집형 조직 | 실시예 22 |
| 32 | 0.75 | 2.3 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 벌집형 조직 | 실시예 23 |
| 33 | 0.85 | 1.1 | 마텐자이트 상과 시멘타이트 상의 혼합된 입자 조직 | 비교예 10 |
표 5에서 알 수 있듯이, 적절한 범위의 탄소량을 만족시키는 실시예 20 내지 23의 전부는 2상 조직을 적절한 제어한다.
이와 반대로, 탄소량이 본 발명에서 정의된 범위 밖에 있는 비교예 9와 10에서는 2상 조직이 적절히 제어되지 않는다.
실시예 6
본 실시예에서는 자장 강도 및 열처리 온도에 의한 효과를 연구한다.
탄소 0.2중량%, 규소 0.2중량%, 망간 1.3중량% 및 티탄 0.1중량%을 포함하는실시예 2에서와 동일한 강(Ac1: 715℃, Ac3: 875℃)을 제공하고, 1.5㎜ 두께가 되게 열간 압연 및 냉간 압연하고 묽은 산에 담그었다. 또한, 냉간 압연시의 순 변형량은 0.2이다.
이어서, 자장 강도 및 열처리 온도를 변화시키는 조건하에서 0.5분동안 자장에서의 열처리를 수행한다.
이와 같이 수득된 강판에 대하여 실시예 3에서와 동일한 방식으로 조직을 평가한다.
그 결과를 표 6에 도시한다.
| 번호 | 자장강도(T) | 열처리 온도(℃) | 정렬도 | 조직 관측 결과 | 비고 |
| 34 | 0.05 | 745 | 0.9 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 혼합된 입자 조직 | 비교예 11 |
| 35 | 0.5 | 745 | 2.0 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 벌집형 조직 | 실시예 24 |
| 36 | 4.0 | 745 | 2.8 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 벌집형 조직 | 실시예 25 |
| 37 | 10.0 | 745 | 3.2 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 벌집형 조직 | 실시예 26 |
| 38 | 10.0 | 710 | 측정 불가 | 페라이트 상의 다결정 | 비교예 12 |
| 39 | 10.0 | 910 | 0.9 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 혼합된 입자 조직 | 비교예 13 |
표 6에서 확인되는 바와 같이, 본 발명에서 정의된 조건을 만족시키는 실시예 24 내지 26의 전부는 2상 조직을 적절한 제어한다.
이와 반대로, 비교예 11은 자장 강도가 약하기 때문에 자장에 의한 효과를 나타내지 않는다. 비교예 12에서는 열처리 온도가 지나치게 낮기 때문에 변태가진행되지 않는다. 비교예 13에서는 열처리 온도가 지나치게 높기 때문에 2상 조직이 제어될 수 없다.
실시예 7
본 실시예에서는 자장 강도 및 열처리 온도에 의한 효과를 연구한다.
탄소 0.61중량%, 규소 0.45중량% 및 망간 0.60중량%을 함유하는 실시예 1에서와 동일한 강(Ac1: 730℃, Ac3: 788℃)을 제공하고, 1.5㎜의 두께가 되게 열간 압연 및 냉간 압연하고 묽은 산에 담그었다. 또한, 냉간 압연시의 순 변형량은 0.2이다.
이어서, 자장 강도 및 열처리 온도를 변화시키는 조건하에 자장에서 1분동안 열처리한다.
이와 같이 수득된 강판에 대하여 실시예 3에서와 동일한 방식으로 조직을 평가한다.
그 결과를 표 7에 도시한다.
| 번호 | 자장강도(T) | 열처리온도(℃) | 정렬도 | 조직의 관측 결과 | 비고 |
| 40 | 0.05 | 745 | 0.9 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 혼합된 입자 조직 | 비교예 14 |
| 41 | 0.5 | 745 | 1.8 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 벌집형 조직 | 실시예 27 |
| 42 | 4.0 | 745 | 1.9 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 벌집형 조직 | 실시예 28 |
| 43 | 10.0 | 745 | 2.1 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 벌집형 조직 | 실시예 29 |
| 44 | 10.0 | 715 | 측정 불가 | 페라이트 상의 다결정 | 비교예 15 |
| 45 | 10.0 | 810 | 0.9 | 마텐자이트 상과 페라이트 상의 혼합된 입자 조직 | 비교예 16 |
표 7에서 확인되는 바와 같이, 본 발명에서 정의된 조건을 만족시키는 실시예 27 내지 29의 전부는 2상 조직을 적절히 제어한다.
이와 반대로, 비교예 14는 자장 강도가 약하기 때문에 자장에 의한 효과를 나타내지 않는다. 비교예 15에서는 열처리 온도가 지나치게 낮기 때문에 변태가 진행되지 않는다. 비교예 16에서는 열처리 온도가 지나치게 높기 때문에 2상 조직이 제어될 수 없다.
실시예 8
본 실시예에서는 정렬된 조직을 이용하여 재결정된 시이트를 연구한다.
탄소 0.2중량%, 규소 0.2중량%, 망간 1.3중량% 및 티탄 0.1중량%을 함유하는 실시예 2에서와 동일한 강(Ac1: 715℃, Ac3: 875℃)을 진공하에 용융시켜 제공한다. 길이 150㎜, 너비 25㎜ 및 두께 2㎜을 갖는 표본을 강로부터 재단하고, 1000℃에서 유도 가열함으로써 γ-상이 되게 하고, 0.3의 순 변형량에 상응하는 조건하에 열간 압연한 후, (α+γ) 2상 온도 대역에 상응하는 800℃로 0.5분동안 유지하는 동시에 10T의 자장을 적용하여 정상 변태를 실시한다. 이 경우에 자장은 두께 방향으로 적용된다. 이후, 강판을 담금질한다.
이에 의해, 두께 방향으로 정렬된 조직을 수득하고 정렬도는 4.0이다(이후, "자장 정렬된 강"이라 부름).
이어서, 강판을 30 내지 75%의 압하량으로 냉간 압연시키고, 600℃로 30분동안 유지시켜 재결정을 실시하였다.
비교를 위해, 강판에 자장을 적용하지 않고 전술된 바와 같이 동일하게 열처리하고, 추가의 냉간 압연 및 재결정을 실시하였다(이후, "제로(0) 자장 강"이라 함).
상기 강 각각의 압연된 표면을 연마하고, 3% 질산의 알코올 수용액으로 부식시키고 광학 현미경으로 관측하여 재결정된 입자의 평균 입도를 이미지 프로세싱에 의해 측정하였다. 또한, 종횡비(압연 방향의 크기/압연 방향에 수직인 방향으로의 최소 연장된 크기)를 편평한 입자의 비를 정량화하는 이미지 프로세싱에 의해 측정한다.
도 6에는 냉간 압연시에 압하량이 재결정된 입자의 입도 변화에 미치는 영향에 대한 연구 결과가 나타나 있다.
도 6에서 알 수 있듯이, 40% 압하량에서 냉간 압연시의 재결정된 입자의 평균 입도는 자장 정렬된 강에서 약 2.5㎛인 반면, 제로 자장 강의 경우에는 75% 압하량에서 냉간 압연에 의해 평균 입도가 최종적으로 2.5㎛가 되었다.
상기 사실은, 제로 자장에서 1패스당 40%로 압연을 실시하는 경우, 상기 압연을 3회 실시하여서 얻어지는 효과(전체 압하량: 약 78%)가 자장 정렬된 강의 경우에는 단지 1패스에 의해 달성됨을 의미한다.
도 7a 및 7b에는 50% 압하량에서 수득된 냉간 압연된 강판을 600℃로 30분동안 재결정 어닐링시킨 경우에 종횡비의 측정 결과를 도시한 것으로, 도 7a는 자장 정렬된 강을 사용한 경우이고 도 7b는 제로 자장 강을 사용한 경우이다.
자장 정렬된 강을 사용하는 경우에는, 종횡비가 3 이하일 때에 예리한 분포가 얻어지는 반면, 3 이상의 종횡비를 갖는 편평한 입자 약 7%가 제로 자장 강에 존재한다.
또한, 도 7a와 도 7b에서 사용된 것과 동일한 강판의 압연된 표면 200㎛2범위에 대해 EBSD(Electron Back Scaterring Diffraction)에 의해 결정 입자의 배향 분포를 측정한다. 그 결과, (111) 배향 누적이 제로 자장 강에서 일정 수준으로 관측된 반면, 자장 정렬된 강에서는 특정한 배향의 누적은 크게 관측되지 않았고 결정 입자의 배향이 일정치 않았다.
상기 실험 결과로부터, 공업화를 위한 하기의 중요한 특징이 유도될 수 있다.
즉, 자장을 통해 정렬된 조직은 약 0.5분의 매우 단시간동안 얻어지며, 재결정 어닐링을 실시함으로써 압연 부하를 크게 감소시켜서 무작위 배향을 갖는 등축의 미립자 조직이 얻어진다.
실시예 9
실험 설비는 하기의 공업화 공정을 가정하여 제작한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 가열 로-압연 롤-초전도성 자석-압연 롤-어닐링 로를 갖는 처리 장치를 제작하여서, γ-대역 가열-열간 압연-자장에서의 변태-가공-재결정 어닐링을 연속하여 실시한다.
시험 강은 진공하에서 실시예 2와 동일한 조성물을 용융시켜서 수득하였으며, 길이 300㎜, 너비 50㎜ 및 두께 15㎜를 가졌다. 또한, 하기 조건하에서 실험을 실시한다.
시험 강을 1000℃로 가열하여 γ-상을 형성한다. 이어서, 0.3의 순 변형량에서 열간 압연한다. 이어서, 초전도성 자석에 통과시키고, 그 동안 800℃의 온도 및 10T의 자장에서 20초동안 열처리하여서 (α+γ) 2상 조직 대역에서 약 50%까지 정상 변태를 진행시켰다. 이후, 700℃의 온도 및 40%의 압하량에서 압연하고, 600℃의 어닐링 로에 통과시켜서 재결정을 실시하였다. 이 경우에, 강 통과 속도는 4m/min이다.
이와 같이 수득된 강판의 압연된 표면을 연마하고, 3% 질산의 알코올 용액으로 부식시키고 광학 현미경으로 관측하여서 실시예 8에서와 동일한 방식으로 재결정된 입자의 입도 분포를 측정하였다. 또한, 자장에서 변태시킨 후에 시험 강의 일부를 담금질하여서 자장을 통해 정렬된 조직의 정렬도를 측정한다.
그 결과, 자장에서 변태된 후의 정렬도는 3.8이고, 재결정된 입자의 평균 입도는 2.1㎛이며, 입계가 대부분 큰 각도를 갖는 등축 미립자 조직물을 수득하였다.
또한, JIS No. 13B의 인장 시험 편을 시이트로부터 종방향으로 재단하여서 인장 강도(인장 속도: 10㎜/s) 및 전체 신장을 측정하는 한편, 보다 작은 크기(길이: 50㎜, 너비: 10㎜, 두께: 5㎜)의 샤르피 충격 시험 편을 재단하여서 U형의 노치를 새기고 실온에서 충격 시험을 실시하였다.
그 결과, 인장 강도는 750MPa이고 전체 연신은 30%이며 흡수 에너지는 150J이었다.
비교를 위해, 자장을 적용하지 않고 열처리만 실시하여 수득한 동일 조성의 시험 강에 대해 충격 시험을 실시하였다. 이 경우, 평균 입도는 10㎛이고, 인장 강도는 450MPa이며, 총 연신은 35%이고, 흡수 에너지는 160J이었다.
본 발명에 의한 자장을 이용함으로써 미립자가 형성된다. 우수한 기계적 특성이 인성의 손실없이 얻어진다. 본 발명은 보다 높은 강도 및 인성을 제공하는 압연-재결정에 의해 미립자를 형성하기 위한 강 제조에서 매우 효과적이다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 2상 조직강의 조직이 단시간내에 저비용으로 제어될 수 있어서 공업적으로 매우 유용하다.
Claims (3)
- 탄소 0.05 내지 0.80중량%을 함유하는 강을 α-상 또는 γ-상의 온도 대역에서 0.1 이상의 순 변형을 형성시키는 가공을 실시한 다음, α-상 및 γ-상으로 이루어진 2상 조직 대역을 형성하는 온도 범위내에서 0.1 내지 20T의 자장을 적용시킴을 특징으로 하는, 2상 조직강의 조직제어방법.
- 제 1 항에 있어서,자장이 1 내지 20T인 2상 조직강의 조직제어방법.
- 제 2 항에 있어서,자장이 4 내지 20T인 2상 조직강의 조직제어방법.
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