강소성가공에 의해 제조된 저탄소 TRIP 강의 미세조직 및 기계적 특성 연구

Abstract

최근 자동차 산업에서는 연비효율의 향상과 더불어 이산화탄소 배출량을 줄이기 위해 고강도 철강재를 개발함으로써 소재 경량화를 실현하고자 하는 다양한 접근이 시도되고 있다. 이에, 고강도와 고성형성을 이루기 위해 이상 조직강 (dual-phase steel, DP)과 변태유기 소성강 (transformation induced plasticity, TRIP)과 같이 2개 이상의 상으로 구성된 복합조직 강에 대한 관심이 증대되고 있다. 이 중에서 소성변형 중 변형유기 변태에 의해 우수한 기계적 물성을 갖는 TRIP 강은 고강도 재료로서 널리 주목 받고 있다. 대부분의 연구들은 결정립 크기가 마이크로 수준일 경우에 해당하는 것으로, 알려진 Hall-Petch 관계를 생각하게 된다면 향후 1 ㎛ 이하의 결정립에 대한 심도 깊은 이해가 필요할 것이다. 금속재료의 결정립 미세화는 강도와 인성을 동시에 향상 시킬 뿐 아니라 Debye 온도, Curie 온도 및 damping 등 여러 가지 물리적 성질의 향상과 상온인장 및 초소성 등 기계적 성질의 향상을 가져온다. 따라서 단면적 감소 없이 금속재료에 심한 소성 변형(severe plastic deformation: SPD)을 부여함으로서 열처리 및 조성의 변화 없이 ingot 재료에서 결정립을 미세화 할 수 있는 획기적인 방법들이 고안되어 왔다. 그중에서 Equal Channel Angular Pressing(ECAP)으로 알려진 강소성 가공법은 결정립을 submicrometer 또는 nanometer 크기까지 미세화하여 강도와 인성을 동시에 향상시킬 수 있다. 특히 강도는 기존의 약 2배 이상으로 향상되며 연신율은 저하되지 않는 특징을 나타낸다. 최근까지 알루미늄 합금과 구리 등 비교적 가공이 용이한 재료들에 ECAP 가공법이 적용되어, submicrometer 크기를 갖는 초미세 결정립이 효과적으로 얻어질 수 있다는 것이 실험적으로 입증되었다. 그러나 대표적 구조재인 강에 대한 연구는 아직 국내외적으로 미흡한 실정이었다. 따라서 본 연구에서는 저탄소강에서 ECAP 가공법을 적용하여 결정립을 초미세화 시킴으로 강도를 크게 향상시켰다. 그러나 대부분의 초미세립 강에서 나타나는 낮은 가공경화능은 공업적 실용화에 커다란 문제점으로 여겨지고 있다. 그러므로 ECAP 가공과 기존의 변태유기 소성 (Transformation-induced plasticity, TRIP)의 특성을 이용하여 기존의 한계를 극복하고자 하였고, 가공된 조직에 적당한 이상영역과 항온변태 열처리를 통해 초미세립 TRIP 강을 제조하였다. 이에 본 연구에서는 초미세 결정립을 갖는 저탄소강에 변형유기 변태에 의해서 우수한 연신율을 수반하는 TRIP 특성을 도입하고자 한다. 우선 ECAP (equal channel angular pressing) 가공법을 사용하여 초미세 결정립 저탄소강을 제조한 후 이상영역 및 항온변태 열처리를 통하여 초미세 결정립 TRIP 강을 제조하고자 하였다. 초기조직을 일반적인 마르텐사이트에서 ECAP 가공 후 영역으로부터의 항온변태 처리 온도로 냉각을 통해 페라이트, 베이나이트, 잔류 Austenite의 조직을 갖는 TRIP 강을 제조하였다. 이러한 초미세립 TRIP 강은 고강도, 고연성을 나타냈으며 높은 균일 연신률을 갖는다. 특히 조대립을 갖는 TRIP 강보다 초미세립 TRIP 강에서 미세조직에 있어서 보다 균일하게 분포한 미세한 페라이트, 베이나이트와 잔류 오스테나이트를 관찰할 수 있었다. 각 상의 분율 및 잔류 오스테나이트의 크기, 형상, 분포에 따른 각각의 변수를 고려하여 초미세립 TRIP 강의 미세조직과 기계적 특성에 미치는 영향을 고찰하였다.