AlN이 V-microalloyed 중탄소강의 오스테나이트 결정립 조대화에 미치는 영향

Abstract

지난 40년간, 고강도 저합금강의 개발에 있어서 눈부신 발전이 이루어졌다. 0.1% wt이하의 적은 양의 니오븀, 타이타늄, 바나듐의 존재로 인해 형성된 카보나이트라이드는 결정립성장의 억제할 수 있었다. 주로 자동차 산업에서 쓰이는 부품들 또한, 이러한 종류의 미량합금강으로 만들어진다. 자동차 부품 제조로 널리 사용되는 비조질강인 V-Microalloyed(V-MA) 중탄소강은 V를 미량 첨가하여 오스테나이트 결정립을 미세화하고 탄질화물의 석출강화를 활용하는 강으로 열간 단조 공정에서 열간단조후 후열처리 없이 제어냉각 공정만으로 최종 부품의 제조가 가능하다, 공정의 경제성으로 인하여 종래의 조질강 (QT : Quenching-Tempering)을 대체하여 부품 제조에 많이 사용되고 있다. 그러나 V-MA 열간단조강은 일반적으로 열간단조후 후열처리, 즉 Quenching-Tempering (QT)를 시행하는 종래의 조질강 (QT강)에 비해 인성이 열악하다는 문제가 있어 왔다. 일반적으로 비 조질강의 인성은 초기 오스테나이트 결정립 즉, p-AGS(prior-austenite grain size)에 큰 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서 다루는 강은 알루미늄과 질소의 미량 첨가한 V-microalloyed강으로서, 석출되는 AlN를 이용하여 p-AGS(prior-austenite grain size)를 제어한다. 하지만, 보통 Al은 미량합금 원소로 분류되지는 않을 뿐만 아니라, 탈산제로 사용되었다. 그 이유는 cracking, fracture 그리고 인성과 같은 기계적 성질의 저하를 유발하기 때문이다. 또 다른 연구자들은 AlN에 의한 결정립 미세화 효과가 있다고 보고한다. 따라서, Al 미량 첨가에 따른 효과를 분석 함으로써 미량합금원소(Ti, Nb, V) 대체를 통해 비용절감을 이룩할 수 있을 것으로 기대된다. AlN는 강 입내에서 가공열처리에 민감하게 핵생성 되는 것으로 알려져 있다. 이 연구를 수행하기 위해 2가지의 비교강(S45CVMn, #1 시편)과 실험강(S45CVMn+[Al,N], #4 시편)을 준비하였다. 실험강은 V-microalloyed 중탄소강에 Al과 N이 미량 첨가된 강이다. 먼저, Al과 N의 첨가에 따른 AlN의 효과를 확인하기 위해 어닐링 온도를 바꿔가며 p-AGS를 측정한 결과 서로 다른 GCT 결과를 얻을 수 있었다. 또한, Gleeble $1500^{TM}$ 고온변형모사 시험기를 통해 4가지의 서로 다른 선가공열처리를 수행하였다. 이 실험을 통해 각 조건에서 달라지는 AlN 석출 속도론과 그에 따른 온도와 시간에 따른 결정립 성장 억제를 관찰 할 수 있었다. 뿐만 아니라, 선택적 추출 방법을 이용해 정량 분석을 수행하였으며, 카본 레플리카법을 통해 직접적인 AlN의 관찰을 TEM으로 할 수 있었다. 결과적으로 Al과 N이 미량 첨가된 실험강의 경우가 첨가되지 않은 비교강에 비해 GCT 온도가 $150^\circ C$ 가량 높게 나타나게 되었고, Gleeble $1500^{TM}$ 을 통한 실험에서는 ID(변형 및 어닐링)과 QR(급랭 및 재가열)의 경우에서 빠른 속도의 AlN 석출에 의해 나머지 선가공열처리 조건인 IH(등온 열처리), HT(균질화 처리)에 비해 $100^\circ C$ 가량 높은 $1100^\circ C$ 가 결정립 조대화를 막아주는 결과를 얻었다. 이상의 4가지 종류의 선가공열처리를 수행한 Gleeble $1500^{TM}$ 을 통해 AlN 석출이 가장 빠른 최적의 조건을 찾을 수 있었다.