KR20240061711A - 극저온 인성이 우수한 이상조직을 가지는 크롬-망간 강 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 종래 극저온 고망간 강보다 우수한 극저온 충격인성을 나타내기 때문에, 수소, LNG, 질소 등의 다양한 액화가스를 보다 안전하게 저장할 수 있으며, 외부 충격이 가해지는 사고 시에도 용기 파손에 대한 저항성을 현격히 증가시킬 수 있는 극저온 인성이 우수한 이상조직을 가지는 합금 조성, 크롬-망간 강 및 이의 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 극저온 인성이 우수한 이상조직을 가지는 크롬-망간 강 합금 조성, 크롬-망간 강 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래 극저온 고망간 강보다 우수한 극저온 충격인성을 나타내기 때문에, 수소, LNG, 질소 등의 다양한 액화가스를 보다 안전하게 저장할 수 있으며, 외부 충격이 가해지는 사고 시에도 용기 파손에 대한 저항성을 현격히 증가시킬 수 있는 극저온 인성이 우수한 이상조직을 가지는 크롬-망간 강 합금 조성, 크롬-망간 강 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 액화수소, 액화산소, 액화천연가스 등과 같은 액화 가스는 액체상태를 유지한 상태로 보관 및 이송을 위한 극저온 저장이 필수적으로 요구된다. 이를 위해서는 극저온에서 충분한 인성과 강도를 겸비한 소재로 만든 저장용기가 필요하다.
그러나 기존의 탄소강 제품은 사용온도가 낮아지면 항복강도가 급격하게 증가하면서 인성이 크게 하락하는 단점이 있어 사용에 제한이 있다. 높은 저온인성을 가지는 재료를 만드는 방법은 상온 및 저온에서 안정한 오스테나이트 조직을 가지도록 하는 것이다. 이와 같은 오스테나이트 조직은 극저온에서도 연성-취성 천이현상이 없고 높은 저온인성을 가지는데 이는 페라이트와 달리 저온에서 항복강도가 낮아 소성변형이 용이하여 외부 변형에 의한 충격을 흡수할 수 있으며, 타 금속소재들에 비해 극저온 인성이 높은 편이나 고가의 니켈(Ni)을 포함하고 있어 제조원가가 높다는 문제가 있다.
또한 최근 각광을 받는 액화수소의 경우 저장 온도가 기존 액화가스에 비해 더 낮기 때문에 극저온에서 더 높은 인성이 요구되나 현용 오스테나이트계 내식강의 경우 수소저장에 요구되는 극저온에서의 인성이 충분하지 않다. 이에 따라 최근 니켈을 대체하여 오스테이나이트 상의 안정화를 위한 저가의 망간(Mn) 및 탄소(C)를 다량 첨가한 고망간 강 기반의 극저온 소재들이 개발되고 있다. 이들의 극저온 인성은 기존 오스테나이트계 내식강에 필적하거나 향상된 것으로 보고되고 있으나, 내식성이 떨어지며 여전히 극저온에서의 구조적 안정성을 확보할 수 있을 만큼의 높은 인성을 나타내지는 못한다는 문제점이 있다.
이에 따라, 다양한 액화가스를 보다 안전하게 저장할 수 있으며, 외부 충격이 가해지는 사고 시에도 용기 파손에 대한 저항성을 현격히 증가시킬 수 있음과 동시에 경제성과 극저온 인성이 우수한 합금 조성에 대한 연구가 시급한 실정이다.
본 발명은 상술한 문제를 극복하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 기존에 개발된 액화가스 저장용기용 극저온 금소소재보다 더 우수한 극저온 충격인성을 나타내는 합금 조성, 크롬-망간 강 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위하여 Fe 기지에 망간(Mn) 15 ∼ 25 중량%, 크롬(Cr) 5 ∼ 15 중량%, 알루미늄4 중량% 이하, 탄소(C)를 0.05 중량% 이하 및 잔부를 포함하되, 오스테나이트 및 δ-페라이트의 이상(two-phase) 조직을 가지는 극저온 인성이 우수한 크롬-망간 강의 합금 조성을 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 상기 알루미늄(Al)에 추가적으로 규소(Si)가 포함되어 알루미늄(Al) 및 규소의 중량%가 6중량% 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 합금 조성을 가지며 30 mJ/m2 이하의 낮은 적층결함에너지를 나타내어, 외부에서 가해지는 응력 및 충격 조건 하에서 오스테나이트상에서 ε-마르텐사이트로의 상변태 및 ε-마르텐사이트에서 α'-마르텐사이트 상으로 상변태가 일어나는 극저온 인성이 우수한 크롬-망간 강을 제공한다.
또한, δ-페라이트 입자의 가장 긴 방향의 길이(a)에 대한 가장 짧은 방향으로의 길이(b)의 비율(b/a)은 0.5 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 액체질소 온도(약 -196 ℃)에서 샤르피 V 노치 표준시편에 대한 충격시험을 통해 얻은 충격흡수에너지가 200 J 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 하기 관계식 (1) 및 (2)를 모두 만족하는 것을 특징으로 할 수 있다.
(1) 200 MPa 이상의 항복강도
(2) 550 MPa 이상의 최대인장강도
또한, 하기 관계식 (3)을 만족하는 것을 특징으로 할 수 있다.
(3) 60% 이상의 총연신율
또한, 본 발명은 오스테나이트 및 δ-페라이트의 이상(two-phase) 조직을 가지는 극저온 인성이 우수한 크롬-망간 강의 합금 조성물을 용해하는 제1단계, 상기 용해된 합금 조성물을 잉곳에서 900 ℃ ∼ 1200 ℃ 온도 범위로 1 시간 ∼ 10 시간 동안 유지한 후 공랭 또는 수냉하여 균질화 열처리하는 제2단계, 상기 균질화 열처리 후 900 ℃ ∼ 1200 ℃ 온도 범위에서 50 % ∼ 90 % 범위의 두께 감소율로 열간가공(압연 또는 단조)하는 제3단계 및 상기 열간가공 후, 600 ℃ ∼ 900 ℃ 온도 범위에서 0.5 시간 ∼ 10 시간 동안 열처리한 후 공랭 또는 수냉하는 재결정 열처리 제4단계를 포함하는 극저온 인성이 우수한 크롬-망간 강의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면 상기 제2단계는 5% 이상에서 30% 이하의 면적분율을 갖는 δ-페라이트 상이 균질하게 생성되는 단계인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제4단계 수행 후, 목적하는 두께의 판재로 냉간 가공한 후 다시 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 극저온 인성이 우수한 이상조직을 가지는 크롬-망간강에 의하면 외부에서 가해진 변형 및 충격에너지가, 기지 상인 오스테나이트(austenite) 상의 상변태유기소성(TRansformation-Induced Plasticity, TRIP)을 야기하여 오스테나이트 상이 ε-마르텐사이트(ε-martensite)로 변태되고 이후 생성된 ε-마르텐사이트가 다시 α'-마르텐사이트(α'-martensite)로 변태되는데 소모되고, 이 상변태유기소성 과정의 결과로서 생성된 ε-마르텐사이트, α'-마르텐사이트 및 잔존하는 오스테나이트 상의 입자미세화를 통해 충격에 대한 저항성이 향상되며, 충격에 의해 생성된 균열의 진전에 필요한 에너지가 균열 주변의 오스테나이트 상의 쌍정유기소성(twining-induced plasticity, TWIP) 및 슬립을 통해 소모되며, 최종적으로는 균열의 진전 방향에 수직하게 놓인 연신된 형태의 δ-페라이트(δ-ferrite) 상에 의해 균열의 진전이 억제될 수 있어서 현격히 우수한 극저온 충격인성을 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 크롬-망간 강의 주사전자현미경 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 크롬-망간 강의 -196 ℃에서 충격시험을 한 후의 파단면에 대한 주사전자현미경 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 크롬-망간 강의 196 ℃에서 충격시험을 통해 파단된 시편의 파단면 주변의 미세조직을 전자후방산란회절법을 통해 분석한 상(phase)의 공간분포 이미지이다.
도 4는 도 3과 동일한 영역에 대한 결정방위 이미지이다.
도 5는 -196 ℃에서 충격시험을 통해 파단된 실시예 1의 시편에 대해 파단 표면에서 내부로 5 mm 떨어진 위치에서의 상(phase) 공간분포 이미지와 결정방위 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 크롬-망간 강의 -196 ℃에서 충격시험을 한 후의 파단면에 대한 주사전자현미경 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 크롬-망간 강의 196 ℃에서 충격시험을 통해 파단된 시편의 파단면 주변의 미세조직을 전자후방산란회절법을 통해 분석한 상(phase)의 공간분포 이미지이다.
도 4는 도 3과 동일한 영역에 대한 결정방위 이미지이다.
도 5는 -196 ℃에서 충격시험을 통해 파단된 실시예 1의 시편에 대해 파단 표면에서 내부로 5 mm 떨어진 위치에서의 상(phase) 공간분포 이미지와 결정방위 이미지이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
상술한 것과 같이 종래 극저온 소재는 극저온에서 내식성 또는 구조적 안정성 문제와 고가의 니켈이 필수적으로 요구되는 경제성 문제 등으로 인해 그 사용에 제한이 있으며, 나아가 최근 각광받는 액화수송의 저장용기 등으로 사용하지 못하는 문제가 있다.
이에 따라, 본 발명은 위하여 Fe 기지에 망간(Mn) 15 ∼ 25 중량%, 크롬(Cr) 5 ∼ 15 중량%, 알루미늄(Al) 4 중량% 이하, 탄소(C)를 0.05 중량% 이하 및 잔부를 포함하되, 오스테나이트 및 δ-페라이트의 이상(two-phase) 조직을 가지는 극저온 인성이 우수한 크롬-망간 강의 합금 조성 및 극저온 인성이 우수한 크롬-망간 강을 제공하여 상술한 문제의 해결을 모색하였다.
이를 통해, 본 발명은 종래 극저온 고망간 강보다 우수한 극저온 충격인성을 나타내기 때문에, 수소, LNG, 질소 등의 다양한 액화가스를 보다 안전하게 저장할 수 있으며, 외부 충격이 가해지는 사고 시에도 용기 파손에 대한 저항성을 현격히 증가시킬 수 있는 극저온 인성이 우수한 이상조직을 가지는 크롬-망간 강을 제공할 수 있다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
극저온 인성이 우수한 크롬-망간 강의 합금 조성 및 크롬-망간 강
본 발명에 따른 극저온 인성이 우수한 크롬-망간 강의 합금 조성물을 통한 합급 조성의 설계 개념은 극저온 환경 하에서 외부에서 가해진 충격에너지가 면심입방정(face-centered cubic, fcc) 구조를 가지는 오스테나이트 상이 조밀육방정(hexagonal close-packed, hcp) 구조의 ε-마르텐사이트로 상변태되고, 상변태된 ε-마르텐사이트가 다시 체심입방정(body-centered cubic, bcc) 구조의 α'-마르텐사이트로 변태되는데 상당량 소모되는 것에 기초한다. 한편, 이때 일부 충격에너지는 균열 전파부에서 변형쌍정 및 슬립을 통한 소성변형을 통해 소모되는데 추가적으로 오스테나이트 상과 공존하는 연신된 형태의 δ-페라이트 상들이 균열의 진전을 억제시키는 효과에 의해 매우 우수한 극저온 인성을 나타낼 수 있다. 또한 전술된 상변태의 결과로서 잔존하는 오스테나이트 상, 변태된 ε-마르텐사이트 상 및 α'-마르텐사이트 상의 입자미세화 효과도 극저온 충격인성의 향상에 기여하게 된다.
이를 위해 본 발명에 따른 극저온 인성이 우수한 크롬-망간 강의 합금 조성은 Fe 기지에 망간(Mn) 15 ∼ 25 중량%, 크롬(Cr) 5 ∼ 15 중량%, 알루미늄 4 중량% 이하, 탄소(C)를 0.05 중량% 이하 및 잔부를 포함하되, 오스테나이트 및 δ-페라이트의 이상(two-phase) 조직을 가지도록 구현하여 크롬-망간 강의 기지 상인 오스테나이트 상이 적정 범위의 적층결함에너지를 갖게 하고, 이와 동시에 제 2상인 δ-페라이트 상을 적정량 생성시켜 상술한 극저온 충격인성 향상 효과를 얻을 수 있다.
이때 본 발명에서 상기 "망간(Mn)"은 고가의 니켈(Ni)을 대체하면서, 강도를 증가시키고 적층결함에너지를 증가시키며 오스테나이트 상을 안정화하는데 필수적인 원소로 첨가될 수 있다. 또한 망간은 불순물 원소인 황(S)이나 산소(O)와 결합하여 망간황화물(MnS)이나 망간산화물(MnO) 등의 비금속 개재물을 형성시킬 수 있다.
이에 따라, 상기 망간의 함량이 15 중량% 미만으로 첨가되면 오스테나이트 상의 안정화가 어려워 다량의 δ-페라이트 상이 생성되는 문제가 있을 수 있고, 25 중량%를 초과하여 첨가되면 열간 성형성 및 용접성 및 내산화성이 저하되는 문제가 있을 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 "크롬(Cr)"은 철강재료에 첨가되어 내식성을 향상시키는 역할을 하며, 페라이트를 안정시키는 대표적인 합금원소이다. 고망간 강에 첨가된 크롬은 오스테나이트의 적층결함에너지를 다소 증가시킬 수 있으며, 그 함량이 증가되면 탄소와 결합하여 다양한 탄화물을 형성시킬 수 있다.
이에 따라, 상기 크롬 함량이 5 중량% 미만으로 첨가되면 내식성이 현저히 저하될 수 있으며, 15 중량%를 초과하여 첨가되면 과도한 양의 δ-페라이트 상이 생성되는 문제가 있을 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 "탄소(C)"는 오스테나이트의 안정성을 높이는 원소이고 높은 적층결함에너지 영역에서도 마르텐사이트의 발생을 억제하며, 고용강화 효과를 통해 철강의 강도를 향상시키는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 상기 탄소는 냉각공정 혹은 가공에 의한 오스테나이트에서 마르텐사이트로의 변태온도를 낮추는 역할을 할 수 있다.
이에 따라, 상기 탄소의 함량이 0.05 중량%를 초과하여 첨가되면 오스테나이트 상의 안정성이 커져 δ-페라이트 상의 생성이 어려워지며, 이와 동시에 첨가된 크롬과 탄소가 반응하여 입계에 탄화물을 형성시켜 극저온 충격인성이 저하되는 문제가 있을 수 있다.
한편, 본 발명은 오스테나이트 상에서 ε-마르텐사이트로 변태되는 상변태유기소성 및 쌍정유기소성이 모두 발현되기 위해서는 상온에서의 오스테나이트의 적층결함에너지가 약 30 mJ/m2 이하여야 한다. 만일 적층결함에너지가 30 mJ/m2 이상이면 ε-마르텐사이트 변태가 일어나지 않을 수 있기 때문에 극저온 충격흡수에너지가 기존 고망간 강의 수준밖에 될 수 없다. 즉 본 발명은 30 mJ/m2 이하의 적층결함에너지에 의하여 변형 또는 충격 조건 하에서 오스테나이트상에서 ε-마르텐사이트로의 상변태 및 ε-마르텐사이트에서 α'-마르텐사이트 상으로 상변태가 일어날 수 있다.
이를 위해 상기 알루미늄(Al)에 추가적으로 규소(Si)가 포함되어 알루미늄(Al) 및 규소의 중량%가 6중량% 이하일 수 있다.
상기 적층결함에너지는 하기 수학식 1과 같은 합금조성과 후술할 표 1의 적층결함에너지 사이의 관계를 통해 도출하였다.
[수학식 1]
적층결함에너지 [mJ/m2] = 0.5Х(망간의 중량%) + 5.2Х(알루미늄의 중량%) + 40Х(탄소의 중량%) - 0.016Х(크롬의 중량%)
이때 상기 "알루미늄 및 규소"는 경량화 원소로 작용하여 고망간 강의 밀도를 낮추며, 적층결함에너지를 높이는 효과가 있으며, 고망간 강의 극저온 인성을 향상시킬 수 있다. 즉 본 발명은 알루미늄 및 규소의 첨가를 통해 적층결함에너지룰 적절한 수준으로 조절할 수 있으며, 추가적으로 부분적인 강도 향상의 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 것과 같이 δ-페라이트 상에 의한 균열 진전 억제 효과를 높이기 위해서는 이들을 연신된 형태로 미세조직 내에 균질하게 분포시켜야 하는데, 이를 위해 연신된 페라이트 상의 외형비(aspect ratio: 연신된 입자에 대해, 가장 긴 방향의 길이(DL)에 대한 가장 짧은 방향의 길이(DS) 비. 즉 DS/DL)는 0.5 이하일 수 있다. 이때 만일 상기 연신된 페라이트 상의 외형비가 0.5를 초과하는 경우 δ-페라이트 상에 의한 균열 진전 억제 효과를 목적하는 만큼 얻을 수 없는 문제가 있을 수 있다.
극저온 인성이 우수한 크롬-망간 강의 제조방법
본 발명에 따른 극저온 인성이 우수한 크롬-망간 강의 제조방법에 대하여 설명한다. 다만 중복을 피하기 위하여 상술한 극저온 인성이 우수한 크롬-망간 강의 합금 조성물과 기술적 사상이 동일한 부분에 대하여는 설명을 생략한다.
본 발명에 따른 극저온 인성이 우수한 크롬-망간 강의 제조방법은 오스테나이트 및 δ-페라이트의 이상(two-phase) 조직을 가지는 극저온 인성이 우수한 크롬-망간 강의 합금 조성물을 용해하는 제1단계, 상기 용해된 합금 조성물을 잉곳에서 900 ℃ ∼ 1200 ℃ 온도 범위로 1 시간 ∼ 10 시간 동안 유지한 후 공랭 또는 수냉하여 균질화 열처리하는 제2단계, 상기 균질화 열처리 후 900 ℃ ∼ 1200 ℃ 온도 범위에서 50 % ∼ 90 % 범위의 두께 감소율로 열간가공(압연 또는 단조)하는 제3단계 및 상기 열간가공 후, 600 ℃ ∼ 900 ℃ 온도 범위에서 0.5 시간 ∼ 10 시간 동안 열처리한 후 공랭 또는 수냉하는 재결정 열처리 제4단계를 포함한다.
상기 제1단계는 상술한 극저온 인성이 우수한 크롬-망간 강의 합금 조성물을 준비하고 이를 용해하는 단계이다. 이때 상기 용해는 상술한 합금 조성에 부합하며 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 종래 공지의 통상적인 용해 방법을 이용하여 잉곳을 제조할 수 있으며, 바람직하게는 진공유도용해(vacuum induction melting, VIM)을 이용하여 합금 조성에 부합하는 원소재를 정량하여 용해하고 이로부터 잉곳을 제조할 수 있다.
다음, 상기 제2단계는 상기 제1단계에서 용해된 합금 조성물을 잉곳에서 900 ℃ ∼ 1200 ℃ 온도 범위로 1 시간 ∼ 10 시간 동안 유지한 후 공랭 또는 수냉하여 균질화 열처리하는 단계이며, 본 발명은 상기 제2단계를 통해 5 % 이상에서 30 % 이하의 면적분율을 갖는 δ-페라이트 상을 균질하게 형성시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 균열 전파부에서 균열의 진전을 효과적으로 억제하기 위해서는 전체 미세조직에서 δ-페라이트 상이 차지하는 면적분율이 5 % 이상에서 30 % 이하가 되어야 한다. 즉 δ-페라이트 상의 면적분율이 5 %보다 낮으면, 충분한 균열 진전 억제 효과를 얻을 수 없는 문제가 있을 수 있고, 이와 반대로 δ-페라이트 상의 면적분율이 30 %보다 높으면, 극저온에서 충격흡수에너지가 낮은 페라이트 상들의 영향이 커져 상대적으로 충격흡수에너지의 감소 현상이 나타날 수 있다.
이에 따라 상기 제2단계의 온도가 900 ℃ 미만이거나 유지 시간이 1시간 미만일 경우 δ-페라이트 상의 면적분율이 낮아 충분한 균열 진전 억제 효과를 얻을 수 없는 문제가 있을 수 있고, 또한 만일 상기 제2단계의 온도가 1200 ℃를 초과하거나 유지시간이 10시간을 초과하는 경우 극저온에서 충격흡수에너지가 낮은 페라이트 상들의 영향이 커져 상대적으로 충격흡수에너지의 감소 현상이 나타나는 문제가 있을 수 있다.
다음, 상기 제3단계는 상기 제2단계에서 균질화 열처리 후 900 ℃ ∼ 1200 ℃ 온도 범위에서 50 % ∼ 90 % 범위의 두께 감소율로 열간가공(압연 또는 단조)하는 단계이며, 상기 제4단계는 상기 제3단계에서 열간가공 후, 600 ℃ ∼ 900 ℃ 온도 범위에서 0.5 시간 ∼ 10 시간 동안 열처리한 후 공랭 또는 수냉하는 재결정 열처리 단계이다.
이와 같이 본 발명은 제3단계 및 제4단계를 수행함으로써 본 발명은 액체질소 온도(약 -196 ℃)에서 샤르피 V 노치 표준시편에 대한 충격시험을 통해 얻은 충격흡수에너지가 200 J 이상이며, 하기 관계식 (1) 내지 (3)을 모두 만족하는 극저온 인성이 우수한 크롬-망간 강을 제조할 수 있다.
(1) 200 MPa 이상의 항복강도
(2) 550 MPa 이상의 최대인장강도
(3) 60% 이상의 총연신율
한편, 일반적으로 상기 최종 재결정 열처리는 열간압연 후에 수행되지만, 필요에 따라서는 재결정 열처리 후 목적하는 두께의 판재로 냉간 가공한 다음 다시 열처리하는 단계를 수행할 수 있다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
실시예 1 - 극저온 인성이 우수한 크롬-망간 강의 합금 조성물의 제조
하기 표 1과 같은 조성을 가지는 크롬-망간 강의 합금 조성물을 준비하고, 이를 진공유도용해(vacuum induction melting, VIM)을 이용하여 합금조성에 부합하는 원소재를 정량하여 용해하여 이로부터 잉곳을 제조하였다. 다음, 용해된 잉곳을 1150 ℃에서 2시간 동안 균질화 열처리한 후, 곧장 75 %의 두께 감소율로 열간압연하였고, 곧장 수냉하여 열간압연 판재를 제조하였다. 다음, 열간압연재 판재를 800 ℃에서 2시간 동안 재결정 열처리한 후, 곧장 수냉하여 최종 크롬-망간 강을 수득하였다.
실시예 2 내지 4 - 극저온 인성이 우수한 크롬-망간 강의 합금 조성물의 제조
상기 실시예 1과 동일하게 제조하되, 하기 표 1과 같이 조성을 달리하여 크롬-망간 강을 제조하였다.
비교예 1 내지 4
비교예로 종래 크롬이 첨가되지 않은 다량의 탄소가 함유된 고망간 강 4종을 선택하였다. 4종의 비교예는 모두 단상의 오스테나이트 상으로 구성되어 있었으며, 이들의 합금조성, 상온 인장특성 및 상온 및 극저온(-196 ℃) 충격흡수에너지 정보는 기존에 출간된 아래의 논문에서 발췌하였다(비교예 1, 2: Hyunmin Kim, Jaeyoung Park, Joong Eun Jung, Seok Su Sohn, Sunghak Lee, Materials Science and Engineering A, (2015), vol. 641, pp. 340-347, 비교예 3, 4: Changsheng Li, Kun Li, Jingbo Dong, Jikai Wang, Zhibao Shao, Materials Science and Engineering A, (2021), vol. 809, pp. 140998)
| C | Cr | Mn | Al | Fe | 적층결함에너지 [mJ/m2] |
|
| 실시예 1 | 0.03 | 8.99 | 17.14 | 1.80 | Bal. | 18.9 |
| 실시예 2 | 0.10 | 9.04 | 17.59 | 1.77 | Bal. | 21.8 |
| 실시예 3 | 0.32 | 9.16 | 18.01 | 1.89 | Bal. | 31.4 |
| 실시예 4 | 0.54 | 9.11 | 18.21 | 1.99 | Bal. | 40.4 |
| 비교예 1 | 0.4 | - | 18 | - | Bal. | 25.0 |
| 비교예 2 | 1.0 | - | 18 | - | Bal. | 49.0 |
| 비교예 3 | 0.3 | - | 20 | 4 | Bal. | 42.8 |
| 비교예 4 | 0.3 | - | 27 | 4 | Bal. | 46.3 |
실험예 1 - 주사전자현미경 이미지 분석
실시예 1 내지 4에 대한 주사전자현미경 미세조직을 도 1에 도시하였다.
탄소함량이 0.03 wt.%인 실시예 1의 경우, 균질화열처리 및 열간압연 예열과정에서 δ-페라이트 상이 면적분율로 약 10% 형성되고, 이후 열간압연 과정에서 길게 연신되어 오스테나이트 기지상 사이에 균질하게 분포하고 있음을 알 수 있다.
실시예 2의 경우, 탄소함량이 0.1 wt.%로 증가됨에 따라 δ-페라이트 상의 면적분율이 2% 이하로 현저히 감소되며, 첨가된 크롬과 탄소가 결합하여 국부적으로 탄화물을 형성한 것을 알 수 있다.
한편, 탄소함량이 0.32 wt.%인 실시예 3의 경우, δ-페라이트 상은 형성되지 않고 기지조직은 모두 오스테나이트 상으로 구성되어 있으며, 입계를 따라 탄화물들이 석출된 것을 알 수 있다.
또한, 탄소함량이 0.54 wt.%인 실시예 4의 경우, 실시예 3과 마찬가지로 단상의 오스테나이트 상만으로 존재하며, 입계를 따라 다량의 탄화물이 형성된 것을 알 수 있다.
실험예 2 - 인장특성 분석
실시예 및 비교예의 상온 인장특성 측정하고 이를 표 2에 정리하였다.
실시예의 경우, 탄소함량이 증가됨에 따라 항복강도와 인장강도 모두 증가하였다. 보다 구체적으로 총 연신율의 경우 실시예 2가 가장 낮은 60.3%를 나타냈으며, 나머지 실시예들는 73.8 ∼ 82.1 %의 범위의 연신율을 나타내었다. 크롬이 없고 탄소함량이 높은 비교예의 경우, 실시예에 비해 높은 강도를 나타내었으며 Al이 첨가되지 않은 비교예 1과 비교예 2는 매우 우수한 연신율을 나타내었다.
| 항복강도 [MPa] |
최대인장강도 [MPa] |
총연신율 [%] |
|
| 실시예 1 | 219 | 568 | 77.6 |
| 실시예 2 | 266 | 591 | 60.3 |
| 실시예 3 | 314 | 687 | 73.8 |
| 실시예 4 | 317 | 796 | 82.1 |
| 비교예 1 | 322 | 977 | 125 |
| 비교예 2 | 338 | 1058 | 120 |
| 비교예 3 | 376 | 660 | 58 |
| 비교예 4 | 419 | 678 | 49 |
실험예 3 - 충격시험 분석
실시예와 비교예의 상온 및 -196 ℃에서의 샤르피 충격흡수에너지를 측정하고 이를 표 3에 정리하였다. 충격시험은 ASTM D6110 절차에 따라 ASTM E23 규격의 V 노치 시편을 사용하여 실시하였다.
실시예 1의 경우 상온에서는 394 J, 액체질소온도인 -196 ℃에서는 260 J의 높은 충격흡수에너지 값을 나타내었다. 실시예 2, 3, 4의 경우 상온 및 -196 ℃에서 모두 탄소함량의 증가에 따라 충격흡수에너지 값이 감소되었다. 비교예 4의 경우 상온 및 -196 ℃에서 각각 310 J 및 179 J의 충격흡수에너지 값을 보이면서 비교예 중에서 가장 높은 값을 나타내었으나, 실시예 1에 비해서는 현저히 낮은 충격흡수에너지 값을 보임을 알 수 있다.
| 충격흡수에너지 [J] | ||
| 25 ℃ | - 196 ℃ | |
| 실시예 1 | 394 | 260 |
| 실시예 2 | 225 | 112 |
| 실시예 3 | 184 | 72 |
| 실시예 4 | 165 | 30 |
| 비교예 1 | 196 | 92 |
| 비교예 2 | 197 | 123 |
| 비교예 3 | 166 | 102 |
| 비교예 4 | 310 | 179 |
실험예 4 - 충격시험 후 주사전자현미경 이미지 분석
실시예에 대해 상온 및 -196 ℃에서 충격시험을 한 후의 파단면에 대한 주사전자현미경 사진을 도 2에 도시하였다. 상온에서 충격시험을 통해 파단된 경우, 실시예 1과 실시예 2에서는 연성파괴의 특징인 딤플(dimple)과 찢어짐(tearing)이 관찰되었고, 실시예 3과 실시예 4에서는 부분적으로는 딤플이 나타났지만 입계를 따라 파단된 양상도 함께 보임을 알 수 있다. 또한 -196 ℃에서 충격시험을 통해 파단된 경우, 실시예 1과 실시예 2는 여전히 연성파단의 특징인 딤플이 관찰되었으나, 실시예 3과 실시예 4는 뚜렷한 입계 파괴 양상을 나타내었는데 이와 같은 입계 파괴의 원인은 다량의 탄소 첨가로 인한 입계에서의 탄화물 생성 때문인 것으로 판단된다.
실험예 5 - 충격시험 후 전자후방산란회절법을 통한 이미지 분석
실시예에 대해 -196 ℃에서 충격시험을 통해 파단된 시편의 파단면 주변의 미세조직을 전자후방산란회절법을 통해 분석한 상(phase)의 공간분포 이미지를 도 3에 도시하였다. 실시예 1의 경우 파단면 근처뿐만 아니라 파단면에서 떨어진 내부에도 다량의 α'-마르텐사이트(연두색)가 생성되어 있었고, 그 주변에는 소량의 ε-마르텐사이트(붉은색)가 공존하는 것을 알 수 있다. 이는 극저온에서 가해진 충격에너지가 오스테나이트의 ε-마르텐사이트로 변태, ε-마르텐사이트의 α'-마르텐사이트로의 변태되는데 소모되었음을 의미한다. 실시예 2의 경우에도 α'-마르텐사이트와 ε-마르텐사이트가 관찰되었으나, 그 생성량은 실시예 1에 비해 현저히 작은 것을 알 수 있다. 실시예 3과 실시예 4에서는 오직 오스테나이트(회색) 상만이 관찰되었고, 판단면에 이웃한 입자의 계면을 따라 균열이 전파되어 있는 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 3과 동일한 영역에 대한 결정방위 이미지를 도 4에 도시하였다. 실시예 1의 경우, 기존 오스테나이트 상 내에서 ε-마르텐사이트 및 α'-마르텐사이트로의 변태를 통해 서로 다른 방위를 갖는 미세한 입자가 형성되었고, 이러한 양상은 실시예 2에서도 관찰된다. 실시예 3과 실시예 4의 경우는 파단면 주변이 슬립과 변형쌍정에 의해 변형된 양상만 관찰되는 것을 알 수 있다.
또한, -196 ℃에서 충격시험을 통해 파단된 실시예 1의 시편에 대해 파단표면에서 내부로 5 mm 떨어진 위치에서의 상(phase) 공간분포 이미지와 결정방위 이미지를 도 5에 도시하였다. 도 3의 파단표면에서 관찰된 것과 마찬가지로, 충격이 가해진 위치에서 멀리 떨어진 영역에서도 오스테나이트의 ε-마르텐사이트로 변태, ε-마르텐사이트의 α'-마르텐사이트로의 변태가 발생하였음을 알 수 있다. 이는 가해진 충격에너지가 파단표면에서 멀리 떨어진 곳까지도 전달되어 오스테나이트의 ε-마르텐사이트로 변태, ε-마르텐사이트의 α'-마르텐사이트로의 상변태를 야기하는데 소모되었음을 의미한다. 동일한 영역에 대한 결정방위 이미지를 통해, 충격시험 전 오스테나이트와 δ-페라이트 상으로 구성된 미세조직이 극저온 충격 후에는 미세한 입도를 갖는 오스테나이트, δ-페라이트, ε-마르텐사이트, 및 α'-마르텐사이트의 다중 상(multiple-phase) 조직으로 변했음을 알 수 있다. 이러한 입자미세화 또한 극저온 충격인성을 향상시키는데 기여한 것으로 판단된다.
Claims (10)
- Fe 기지에 망간(Mn) 15 ∼ 25 중량%, 크롬(Cr) 5 ∼ 15 중량%, 알루미늄(Al) 4 중량% 이하, 탄소(C)를 0.05 중량% 이하 및 잔부를 포함하되,
오스테나이트 및 δ-페라이트의 이상(two-phase) 조직을 가지는 극저온 인성이 우수한 크롬-망간 강의 합금 조성.
- 제1항에 있어서,
상기 알루미늄(Al)에 추가적으로 규소(Si)가 포함되어 알루미늄(Al) 및 규소의 중량%가 6중량% 이하인 것을 특징으로 하는 극저온 인성이 우수한 크롬-망간 강의 합금 조성.
- 제1항 또는 제2항에 따른 극저온 인성이 우수한 크롬-망간 강의 합금 조성을 가지며,
30 mJ/m2 이하의 낮은 적층결함에너지를 나타내어, 외부에서 가해지는 응력 및 충격 조건 하에서 오스테나이트상에서 ε-마르텐사이트로의 상변태 및 ε-마르텐사이트에서 α'-마르텐사이트 상으로 상변태가 일어나는 것을 특징으로 하는 극저온 인성이 우수한 크롬-망간 강.
- 제3항에 있어서,
δ-페라이트 입자의 가장 긴 방향의 길이(a)에 대한 가장 짧은 방향으로의 길이(b)의 비율(b/a)은 0.5 이하인 것을 특징으로 하는 극저온 인성이 우수한 크롬-망간 강.
- 제3항에 있어서,
액체질소 온도(약 -196 ℃)에서 샤르피 V 노치 표준시편에 대한 충격시험을 통해 얻은 충격흡수에너지가 200 J 이상인 것을 특징으로 하는 극저온 인성이 우수한 크롬-망간 강.
- 제3항에 있어서,
하기 관계식 (1) 및 (2)를 모두 만족하는 것을 특징으로 하는 극저온 인성이 우수한 크롬-망간 강.
(1) 200 MPa 이상의 항복강도
(2) 550 MPa 이상의 최대인장강도
- 제3항에 있어서,
하기 관계식 (3)을 만족하는 것을 특징으로 하는 극저온 인성이 우수한 크롬-망간 강.
(3) 60% 이상의 총연신율
- 오스테나이트 및 δ-페라이트의 이상(two-phase) 조직을 가지는 극저온 인성이 우수한 크롬-망간 강의 합금 조성물을 용해하는 제1단계;
상기 용해된 합금 조성물을 잉곳에서 900 ℃ ∼ 1200 ℃ 온도 범위로 1 시간 ∼ 10 시간 동안 유지한 후 공랭 또는 수냉하여 균질화 열처리하는 제2단계;
상기 균질화 열처리 후 900 ℃ ∼ 1200 ℃ 온도 범위에서 50 % ∼ 90 % 범위의 두께 감소율로 열간가공(압연 또는 단조)하는 제3단계; 및
상기 열간가공 후, 600 ℃ ∼ 900 ℃ 온도 범위에서 0.5 시간 ∼ 10 시간 동안 열처리한 후 공랭 또는 수냉하는 재결정 열처리 제4단계; 를 포함하는 극저온 인성이 우수한 크롬-망간 강의 제조방법.
- 제8항에 있어서,
상기 제2단계를 통해 5% 이상에서 30% 이하의 면적분율을 갖는 δ-페라이트 상이 균질하게 생성되는 단계인 것을 특징으로 하는 극저온 인성이 우수한 크롬-망간 강의 제조방법.
- 제8항에 있어서,
상기 제4단계 수행 후, 목적하는 두께의 판재로 냉간 가공한 후 다시 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 극저온 인성이 우수한 크롬-망간 강의 제조방법.
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