제조공정
산업 제조
강철은 매우 광범위한 용도를 가진 다재다능한 소재입니다. 높은 강도-중량비, 내구성, 다용도성, 재활용성, 그리고 무엇보다 다른 공학 소재 대비 경제적 타당성 등의 여러 장점 때문에 다양한 용도로 주목받습니다. 일반 용도 외에도 많은 산업용 중요 부품의 소재로 선택됩니다. 이러한 중요 용도는 강철 특성 면에서 매우 엄격한 요구사항을 요구합니다. 이러한 요구사항은 경량, 고강도, 고인성, 고압 견딤, 영하 온도 견딤, 우수한 용접성, 양호한 내식성 등 구체적 니즈 면에서 다양하며, 이러한 특성의 조합이 필요한 경우가 빈번합니다.
강철의 다재다능함은 엔지니어가 화학성분과/또는 미세조직을 수정해 특성을 맞춤 설계할 수 있게 합니다. 이 두 변수에 관한 여러 발전이 있었음에도, 강철의 사용 성능을 결정하는 또 다른 중요한 측면은 불순물이 얼마나 없는지(때로 청정도라 불림)입니다. 강철 청정도는 강철에 내재된 비금속 개재물(또는 단순히 개재물)에 의해 결정됩니다. 강철 성능을 개선하기 위해서는 개재물을 제어해야 하는데, 개재물은 구조용 강철의 치명적 문제이며 크기, 형상, 분포에 따라 기계적 특성에 매우 해로울 수 있기 때문입니다.
개재물은 금속 원소(철, 망간, 실리콘, 알루미늄, 칼슘 등)와 비금속 원소(산소, 황, 질소, 탄소 등)의 조합으로 이루어진 화학 화합물입니다. 가장 흔한 개재물로는 산화물, 황화물, 옥시황화물, 인산염, 질화물, 탄화물, 탄질화물이 있습니다. 고체화 단계 중 냉각 조건에 따라 결정질 또는 유리질 상태를 나타낼 수 있습니다. 개재물은 강철과 다른 상을 형성하지만, 일부는 결정 구조와 원자 크기에 따라 더 높은 미스매치를 보이기도 합니다. 둘 이상의 화합물을 포함하는 개재물을 복합 개재물(스피넬, 옥시황화물, 탄질화물 등)이라 부릅니다.
크기 면에서 개재물은 미세 개재물 또는 거대 개재물일 수 있습니다. 미세 개재물과 거대 개재물을 구분하는 임계값은 보통 100μm로 가정됩니다. 그러나 최근 제강 관행 발전으로 개재물 크기 제어가 가능해지면서, 미세 개재물을 부유 한계 직경 이하(현대 제강 공정에서 수십 μm 값)로 정의하는 새로운 방식이 제안되었습니다. 미세 개재물은 크기가 작아 가장 풍부하고 용강 내 더 균일하게 분포하는 경향이 있어 덜 해로운 것으로 보입니다. 거대 개재물은 크기가 커서 최종 제품의 파단 개시나 반제품 결함을 유발합니다.
개재물은 기계적·구조적 용도에 관련된 강철의 여러 특성에 영향을 미칩니다. 주강 내 개재물이 나타내는 일부 유해 효과는 열간 가공으로 저감될 수 있는데, 이 공정은 개재물의 배향 변화와 분쇄를 유도할 수 있기 때문입니다. 따라서 강철 품질에 영향을 미치는 제조·추가 가공 관련 다양한 요인을 함께 탐구하면, 까다로운 용도의 강철 부품에 대한 점점 더 엄격한 기계적 특성 요건 준수를 위한 일관된 품질 보장에 도움이 됩니다. 이 메커니즘에 대한 이해는 최근 진전되었습니다. 이 이해의 정량화에 상당한 진전이 있었습니다.
강철 미세조직 중요성에 큰 강조가 주어지는 반면, 개재물이 강철 특성에 미치는 영향은 상대적으로 간과되어 왔습니다. 그러나 업계에서는 개재물이 강철 성능에 미치는 중요성에 주목하고 있으며, 지속적 연구와 개선에 초점을 맞추고 있습니다. 이는 강철이 다양한 대체 소재와 더 까다로운 용도로부터 도전받음에 따라 특히 중요해졌습니다. 여러 특성 개선은 개재물의 유형, 크기, 분포와의 관계 이해를 통해서만 가능해졌습니다. 최근 강철 업계는 개재물 체적분율, 크기, 조성 제어를 크게 개선하는 공정 개선을 개발했습니다.
특성과 성능 개선을 위해 개재물을 맞춤 설계하는 것은 제강의 중요한 특징이며, 1980년대 만들어진 '개재물 엔지니어링(inclusion engineering)' 용어가 널리 쓰입니다. 개재물 엔지니어링은 개재물이 가져야 할 바람직한 특성 정의로 시작합니다. 그런 다음 적절한 가공 조건 정의를 통해 이들 바람직한 개재물이 주로 형성되는 제품을 만듭니다. 최종 제품 내 개재물 분포 제어, 특히 고체화 시작 후 형성되는 개재물(2차 개재물) 제어는 여전히 상당한 과제입니다.
개재물은 강철 기지 내에 내재된 필연적 화학 화합물로, 산소, 질소, 황 등 최소 한 가지 비금속 성분을 포함합니다. 이들 화합물은 제강 공정의 다양한 단계에서 기원할 수 있습니다. 개재물 제어 면에서 제강 공정의 역할은 매우 중요한데, 개재물이 공정 경로의 다양한 단계에서 기원하고 변형될 수 있기 때문입니다. 또한 개재물은 고체화 시 구조 균질성을 깨뜨리는 방식으로 해로움을 끼칩니다. 개재물 제어에 중요한 역할을 하는 2차 제강 단계로는 탈산, 탈황, 진공 탈가스, 아르곤 교반이 있습니다. 이들 작업에서 합금 원소 첨가, 강철 내 용해 가스 저감, 개재물 제거 및/또는 화학적 변질로 고품질 강철을 보장합니다. 그림 1은 강철 연속 주조에서 개재물 제어를 위한 중요한 야금 반응로(래들, tundish, 몰드)를 보여줍니다.
그림 1 개재물 제어를 위한 핵심 야금 반응로
2차 제강 작업을 수행한 후 정제된 강철은 연속 주조기로 이송되어 용강을 주조품(슬래브, 블룸, 빌릿 등)으로 주조합니다. 주조 중 강철과 개재물 간 여러 상호작용이 발생할 수 있습니다. 주조 분말과 용강 간 반응이 일어나고, 주조 분말 포획이 발생할 수 있습니다. 몰입 노즐(SEN) 설계와 유동, 전자기 교반, 수직 또는 곡면 몰드 사용은 최종 강철 개재물 함량에 영향을 미치는 주요 현상들입니다. 그림 2는 강철과 개재물 간 다양한 상호작용으로 인해 연속 주조 공정에서 발생하는 개재물 현상을 보여줍니다.
그림 2 연속 주조 공정에서 발생하는 개재물 현상
액체 상태 개재물 제거 전 과정은 '형성-성장-제거' 사이클로 구성됩니다. 개재물 형성은 각 단계에서 발생하는 현상에 따라 다른 단계로 나눌 수 있습니다. 형성은 온도 또는 시스템 화학조성 변화로 인한 용강의 용질 과포화 결과로 발생합니다. 개재물 성장은 과포화가 없거나 화학적 평형이 달성될 때까지 계속됩니다. 열대류 또는 자기 교반력에 의한 용강 운동은 (액체 또는 고체 각각) 개재물의 합병 또는 응집을 유발합니다. 표면 에너지가 높은 개재물이 더 쉽게 합병합니다. 더 큰 개재물을 슬래그로 부상시켜 흡수시키는 것이 더 쉽지만, 이 제거 공정은 입자 반경에 의존합니다. 그림 3에서 강철 제조 다양한 단계에서 개재물의 공정, 현상, 진화 메커니즘이 설명되어 있습니다.
그림 3 개재물 성장과 제거 메커니즘
개재물은 구형, 판상, 수상, 다면체 형상일 수 있습니다. 형상 면에서 가장 바람직한 것은 등방적 특성으로 인해 기계적 특성에 미치는 영향이 등방적인 구형입니다. 판상 또는 박막 형상은 공융 변태 시 입계에 위치합니다. 이들은 입계 결합을 약화시키므로 기계적 특성에 가장 해롭습니다. 수상 형상은 과량 알루미늄에 의해 발생합니다. 이 개재물들은 높은 융점을 가지며 액체 단계에서 노즐 막힘을 유발할 수 있습니다. 고체화된 강철에서 수상 개재물의 날카로운 모서리와 코너는 내부 응력 집중을 일으키고 기계적 특성에 부정적 영향을 미칩니다. 다면체 개재물은 더 구형에 가까워 수상이나 판상 개재물보다 기계적 특성 영향이 낮습니다. 수상 개재물 형상은 희토류 원소(세륨, 란타넘) 또는 알칼리 토금속 원소(칼슘, 마그네슘) 소량 첨가로 다면체 형상으로 변형 가능합니다.
개재물 거동 이해를 위해 강철 기지와 개재물 모두의 액체→고체 상전이 이해가 필요합니다. 고체화 온도에서 주변 기지와 개재물의 물리적 특성은 중요하며, 서로 다른 시나리오를 나타낼 수 있습니다. 개재물이 강철 고체화 온도에서 액체 상태(낮은 융점)라면 압축 잔류 응력 시스템이 발달해 개재물과 기지 간 응집성을 보장합니다. 반면 개재물이 고체이고 강철이 고체화될 때, 응력 발달은 두 종의 열팽창 계수 차이에 의존합니다. 개재물이 기지보다 덜 수축하면 개재물 내 압축 잔류 응력과 개재물 주변 기지에 인장 응력이 발생합니다. 반대로 개재물이 기지보다 빨리 수축하면 개재물 내 인장 잔류 응력 발생과 개재물-기지 디코히전(보이드 형태)이 발생합니다.
개재물은 고체화 강철의 매우 작은 부분을 차지하며 보통 미세하게 분산됩니다. 이들은 구조 균질성을 깨뜨리는 방식으로 해로움을 끼칩니다. 강철 열간 가공 중 개재물 변형 거동은 최종 제품 특성에 매우 중요합니다. 강철 기지와 개재물 모두 보통 다상 구조지만, 비교를 위해 강철은 개재물 구조가 강철 미세조직보다 조대하므로 균질 상으로 간주할 수 있습니다.
개재물과 기지 열팽창 차이로 내부 응력 발생 가능. 강철 기지가 개재물 위와 주위로 흐르며 개재물 변형 발생, 압연 방향 계면 마찰 결과로 개재물 신장 증가에 따라 변형도 감소. 개재물이 강한 계면 결합력을 가지면 열간 가공 중 신장되며 파단되지 않고 유지. 반면 약한 계면 결합력이면 강철 흐름과 상호작용하지 않고 불연속 생성. 이 관점에서 개재물은 (1) 본질적으로 소성 개재물(망간 황화물 등), (2) 특성 온도에서 소성이 되는 비결정질 유리질 개재물(일부 유리질 실리케이트 등), (3) 소성 없음, 취성 거동 보이는 결정성 이온 고체(칼슘 알루미네이트, 알루미네이트 산화물, 일부 결정질 실리케이트 등)로 분류 가능.
강철 조성에서 허용되는 여러 원소는 산소 친화력이 높아 탈산제로 사용되며, 용강 첨가 시 비금속 탈산 생성물 형성. 예: 실리콘, 망간, 알루미늄. 탈산 생성물은 중요한 산화물 개재물이 될 수 있습니다. 황의 경우 철에 난용성인 원소(칼슘, 망간)나 희토류 원소만이 용강 온도에서 비금속 황화물 형성에 충분히 높은 황 친화력 가집니다. 따라서 강철 내 황 대부분은 슬래그 정제로 용액에서 제거되고, 나머지는 주로 고체화 중 침전 반응으로 제거. 고체화 중 침전하는 가장 흔한 황화물은 망간 황화물.
이 관찰로부터 개재물에 대한 두 가지 가능한 분류가 도출: (1) 화학 조성 이용(산화물, 황화물 등), (2) 고체화 시작 시점 기준 형성 시점 고려: 1차(고체화 시작 전), 2차(몰드에서 고체 강철 형성 시작 후). 또한 제강 공정에서 기원한 개재물을 '내생(endogenous)', '외부' 소스(내화물 파편, 포획 슬래그 등)에서 나타난 개재물을 '외생(exogenous)'으로 분류. 그러나 '외생' 물질이 강철 내에서 광범위한 액강 반응 없이 오래 생존하는 경우는 드뭄. 이 반응들이 개재물 변화를 만듦. 따라서 이 분류는 때로 혼란스러울 수 있음.
마지막으로 개재물 크기 관련 일반적인 분류: 개재물 크기로 거대 개재물과 미세 개재물 분류. 합리적 컷오프: 개재물이 가공 또는 사용 중 즉각적 제품 파단 유발할 만큼 크면 거대 개재물. 그 외 모두 미세 개재물. 따라서 중요하지만 적용하기 어려운 분류.
개재물 특성 중 강철 거동 영향에 핵심적 중요성 갖는 것들: 온도 함수로서 소성도 또는 경도, 열팽창 계수(CTE), 결정화 거동(유리질 개재물 경우), 금속 용질 용해도(덜 중요). 개재물은 이온성, 공유성, 혼합 결합 특성 가짐. 따라서 일반적으로 상온에서 취성이고 금속 기지와 강한 결합 없음. 온도 상승 시 일부 개재물 더 소성적 됨.
개재물 경도와 소성 여러 측정 결과, 관찰된 변화가 단순하게 기술하기엔 너무 복잡. 변형 거동 기술에 가장 널리 쓰이는 개념은 개재물 '상대 소성도(relative plasticity)'. 이 개념은 개재물 특성 정확한 지식 부족 시 특히 유용. 1960년대 도입된 상대 소성도 개념은 개재물 진변형률과 강철 진변형률 비율 나타냄. 온도와 개재물 조성에 따라 개재물 상대 소성도 변화, 개재물은 변형, 크랙, 혼합 거동 보임. 그림 4에 표시.
그림 4 변형 중 개재물 거동
그림 4에서 보듯, 기지에 대한 낮은 결합 강도와 기지 변형이 결합해 보이드 생성과 분리(디본딩) 유도. 또한 경질 개재물은 통상 이러한 조건에서 파단해 강철 내 재분포. 이는 알루미나 사례 논의됨. 알루미나 파단과 재분포 이해는 액체 상태 가공 중 알루미나 개재물이 자주 클러스터링함으로 더 복잡. 저온에서 덜 소성적이 되거나 경질인 개재물 거동 예측은 과제였음.
그러나 개재물 기계적 거동과 그에 따른 강철 특성 영향을 정량적으로 기술하는 데 필요한 기본 파라미터 존재. 가공 온도에서 소성적인 개재물은 강철 가공 시 변형. 이는 주 가공 방향을 따른 개재물 신장 결과. 여러 경우 개재물 형상 이방성 유발. 이는 개재물 영향 받는 특성의 이방성 결과. 최근 고온 소성도와 산화물 개재물 융점 간 관계 확인됨, 개재물 계산 액상선 온도와 측정된 종횡비 상관관계로.
열간 가공 중 개재물 변형 모델링 작업에서, 개재물 소성 변형이 점성 흐름과 연관되어 이방성 합리적 예측 달성. 정량적 연구에서 개재물 유동 응력과 기지 유동 응력 비율이 개재물 신장도 정의함 보여줌. 알루미나를 망간 황화물이 둘러싼 복합 개재물 거동은 그림 4(d)와 같음. 결과는 황 함량이 60ppm 미만으로 떨어지면 알루미나/망간 황화물 개재물 종횡비가 실질적으로 감소함 확인. 이 결과는 현대 고순도 청정강에 특별히 중요.
개재물 형상 변화로 유입된 이방성은 추가 열처리로 제거 불가. 개재물과 편석 변형은 강철 마크로조직 검사 시 관찰되는 '파이버(fibre)' 외관 책임. 강철 가공 중 개재물 최종 결정화는 변형 정도와 온도 따른 소성도 변화 예측 복잡하게 만듦. 초기에 '유리질' 또는 비정질인 개재물은 강철 열간 가공 온도 범위 열처리 시 결정화됨 보여짐. 결정화된 개재물은 '유리질' 개재물과 다른 레올로지적 거동(또는 상대 소성도) 보임. 이는 개재물 소성도가 중요할 때 특히 중요.
개재물 열팽창 계수(CTE)는 강철과 다름. CTE 차이는 개재물 주변 잔류 응력 영향. 개재물이 테셀레이트(tessellated, 틈새 없이 다각형 등 반복 형상이 밀착하는 패턴 특징) 응력과 연관된 인장 응력장에 둘러싸여 더 해로울 수 있음. 이는 피로 조건에서 특히 중요. 이 응력들은 절삭성에도 관련 있다고 여겨짐. 개재물 주변 강철 기지에 응력장, 캐비티, 기공 형성이 절삭성에 유리한 효과 있다고 믿어짐. 강철보다 높은 CTE 가진 개재물은 강철 가공 온도에서 냉각 시 기지에서 분리. 이는 야금 시편 제조 문제와 크기 결정 어려움도 유발.
자동 방법 사용 시 산화물과 황화물 구분을 위해 그레이 레벨 임계값 설정. 선택된 임계값에 따라 기지와 개재물 사이 어두운 영역이 측정된 개재물 크기에 다르게 기여. '개재물' 표현 사용에 대해 파단 모델링 논의에서 상당한 차이 존재. 일부는 탄화물, 탄질화물, 기타 제2상 입자를 '개재물' 정의에 포함. 연성 파단 공정 고려 시 두 입자 유형 모두 고려하는 것 중요. 기지-개재물 계면 강도 차이, 다양한 입자 유형 크기와 분포 차이에 특별 주의 필요.
개재물-강철 계면은 일반적으로 매우 낮거나 강도 없음. 반면 탄화물-강철 계면 강도는 1,200~2,000MPa 범위로 추정됨. 이 차이는 강철 특성, 특히 파단에 대한 개재물 영향에 큰 중요성. 개재물과 제2상 입자 구분이 모호해질 수 있음. 일부 강철에서 티타늄이 질소 고정용으로 사용되며, 액체 상태에서 질화 티타늄 개재물 형성 가능. 반면 전기강판에서 망간 황화물은 입계 이동 제어용 미세 침전물로 형성. 한 연구에서 강철 내 알루미나 입자 사용해 입자 크기와 체적분율이 입계 이동 영향에 통제적 역할 함 입증.
개재물이 강철 특성에 미치는 영향은 오래전부터 연구되어 왔습니다. 개재물은 주조품 개선을 위해 제강 공정에서 맞춤 설계 가능. 또한 압연 제품 필요 성능 알면 특정 강종 개재물을 '엔지니어링' 가능. 개재물 엔지니어링으로 강철 특성 개선을 제대로 다루려면 액체 단계부터 주조 후 작업과 압연 제품 내 영향까지 전체 가공 경로 상 개재물 현상과 거동 지식 중요.
2009년 유럽위원회는 4대 주요 제철소 수행 연구 검토 발표, 목적은 개재물 제어로 고품질 스트립 강철 달성 위한 다양한 2차 야금 루트 최적화와 평가. 벌크 소재 생산은 재현성 문제, 특수강은 개별 맞춤 문제. 따라서 루트가 개재물 개체군에 미치는 영향과 개재물이 강철 특성에 미치는 영향 이해 중요.
현대 제강에서 공정 조건이 제품 특성에 미치는 영향 평가 위한 임계 측정 관련 개재물 강철 특성 영향 최근 연구: 탄소 알루미늄 킬드강, 중탄소 알루미늄 킬드강, 초고장력강, 절삭강, 모두 자동차 용도 엄격한 강철 특성 요건 고려(저개재물 함량, 칼슘 변형으로 자동차 부품 고성형성·기계적 성능 향상 보장).
개재물 관련 청정도 요건은 제품마다 다름. 개재물 관련 청정도 보편적 정의 있을 수 없음. 요건은 강철 사용될 특정 용도 요구사항과 강철 부품 내 위치, 형상, 분포 등 여러 측면 고려해 정해져야 함.
가공 중 조건이 강철 용도 시 예상 조건과 보통 다르므로, 개재물 가공 중 영향과 용도 중 영향을 분리해 고려하는 편이 편리. 이는 개재물 관련 대다수 이슈가 상대 소성도와 강철 연성 파단 영향 관련되어 있음에도 사실. 열간/냉간 가공 또는 성형 중 개재물이 재료 단면 상당 부분 차지하거나 가공 변형 큰 구역에 있으면 가공 중 파단 유발. 따라서 개재물 체적분율, 크기, 분포 제어 중요. 또한 개재물 엔지니어링은 피로 특성에 중요하며 이방성 합리적 예측 달성.
추가 발전을 위한 중요한 과제 영역: (1) 개재물 특성과 강철 계면 특성 적절한 특성화, (2) 대량 다입자 개체군 크기, 형상, 분포 특성화 위한 적절한 메트릭, (3) 다입자 개체군 고려 계산 방법 관련 어려움.
강철 인장 강도는 최종 개재물 체적분율, 개재물 형태와 배향 영향받음. 개재물 배향이 하중 방향 대비 중요한데, 특정 개재물 수준이 재료 연성 영향주기 때문. 작은 단면 경우 개재물 크기가 미세 보이드 핵생성 위치(기지와의 디코히전 또는 개재물 파단)로 작용해 강철 연성 부정적 영향주므로 개재물 효과 더 큼. 현재 제강 관행에서 개재물 체적분율 수준 크게 저감되어 표준 시험편 크기에서 인장 강도 영향은 사실상 무시 가능. 다양한 불순물 수준 강철 조사해 초고강도강 개재물 허용 수준 결정한 연구에서, 신장된 망간 황화물이 연성과 벤드 능력 저하시키나 강도엔 유의미한 영향 없음 발견.
파단 인성은 재료가 크랙 전파에 저항하는 특성으로, 여러 공학 부품 설계에 쓰이는 핵심 특성. 대다수 개재물은 고체화 구조 내 응력 상승 인자로 간주되며 파단 유발 가능. 보이드 핵생성 입자 분포는 두 크기 척도 관련: (1) 상대적으로 작은 변형률에서 보이드 핵생성하는 더 큰 개재물, (2) 훨씬 큰 변형률에서 보이드 핵생성하는 더 작은 입자. 작은 크랙 핵생성은 보통 더 큰 크기 개재물에서 발생, 크랙 전파는 더 작은 개재물에서 생성된 미세 보이드 연결로 발생. 보이드 핵생성 입자 크기는 보통 0.1~100μm, 체적분율 몇 퍼센트 이하이나 이 작은 비율이 구조 합금 크랙 성장 저항에 주요 역할. 강철 파단 모드는 세 가지 주요 메커니즘:
첫 두 모드는 보통 연성-취성 전이 온도 아래서 발생, 세 번째는 전이 온도 위에서 발생. 그림 5는 작은 변형률(5a), 큰 변형률(5b), 강철 파단(5c)에서 보이드 핵생성 보여줌.
그림 5 작은 변형률, 큰 변형률에서 보이드 핵생성과 강철 파단
연성 파단과 취성 파단은 저합금강 두 주요 파단 유형. 연성 파단은 고온 노출 시, 취성 파단은 보통 저온 발생. 그림 6은 인가 변형률 속도 차이로 특징지어지는 정적·동적 파단 모드 곡선 차이 보여줌. 정적·동적 파단 모드 평가 두 시험: 샤르피 V-노치 시험(동적 파단 평가), '크랙 팁 개방 변위'(CTOD) 시험(준정적 파단 인성 평가). CTOD 시험은 파단 전 소성 변형 나타낼 수 있는 소재 적용. 이 변위 측정은 공학적 목적 매우 중요, 시험 중요성은 이 파라미터 정확한 측정에 의존.
그림 6 정적·동적 파단 인성 관계 개요
인성 영향 또 다른 중요 요소: 열간 압연 제품 파단 거동 이방성. 이는 신장된 개재물 또는 개재물 클러스터 배향 관련. 가장 높은 흡수 에너지는 크랙 평면이 신장 개재물에 수직인 시편에서 발생, 크랙이 개재물 계면 따라 디플렉트 가능. 더 낮은 에너지 흡수는 크랙이 신장 개재물 계면 따라 전파될 때. 그림 7 두 강철 비교: 왼쪽 일반 압연강, 개재물 압연 방향 평행 신장으로 이방성 높음. 이 방향(빨간 화살표) 하중 시 강도가 횡방향(노란 화살표)보다 높음. 오른쪽은 개재물 제어 강철. 이 강철은 더 적고, 고립되고, 더 작은 개재물 생성하는 개선된 개재물 제어로 이방성 낮음. 이 경우 가장 유리/불리 하중 조건 간 큰 차이 없음.
그림 7 일반 강철과 개재물 제어 강철 이방성 비교
망간 황화물 개재물은 파단 이방성 주요 원인. 망간 황화물로 인해 횡방향과 두께 방향이 개재물 이방성 가장 큰 영향. 황화물 개재물 변형해 가공 중 구형 유지하는 경질 개재물 형성하거나, 비용 정당화되면 추가 탈황이나 진공 교반으로 황 함량 저감으로 개선 가능.
산화물 개재물은 딤플 연결 특징인 연성 파단 관련. 산화물 개재물 주변 보이드 형성은 전단 파단에 지배적 역할. 강철 강도 수준 증가 시 개재물 영향, 특히 저온에서 현저히 두드러짐.
보통 낮은 개재물 수준으로 초고강도강에서 허용 가능한 연성·인성 기준 보장 가능. 그러나 미래 이 특성 개발 수요 생기면, 신장 망간 황화물 회피와 거대 질화 티타늄 개수 최소화가 초고강도강에서 상대적 저불순물 수준 연성 열화시키는 가장 해로운 개재물 유형이므로 추구되어야 함.
강철 부품 파단이 재료 항복 응력 아래 반복 하중 횟수(사이클)로 인한 경우 피로 파단이라 함. 이 점에서 개재물 주요 역할하는 매우 중요한 측면들 존재. 경도와 피로 한계 관계 규명한 초기 연구 중 하나는 Garwood 등 수행. 이후 비금속 개재물 관련성, 특히 고강도강 관점에서 여러 연구 주제. 이들 연구 다수는 응력 집중 관련 여러 요인, 즉 개재물 형상, 개재물-기지 접착, 개재물·기지 탄성 상수, 개재물 크기 지적.
Murakami와 Endo는 금속 소재 미세 결함(구멍) 평가 위한 면적 모델 개발. 연구에서 미세 결함 문제가 본질적으로 미세 크랙 문제이므로 응력 집중 대신 응력 강도 인자로 풀어야 함 입증. 최대 응력 강도 인자가 최대 주응력에 수직인 평면 상 결함 투영 면적과 강한 상관관계 있음 발견. 개재물은 사실상 동일한 투영 면적값(크랙 면적 제곱근) 가진 미세 결함과 기계적으로 동등하게 취급 가능.
개재물 또는 결함이 부품 내 위치도 피로 수명 영향. 특정 크기 개재물이 표면 근처에 있으면 동일 크기 개재물이 표면에서 더 먼 위치에 있는 것보다 피로 수명에 더 큰 영향. Murakami는 표면 결함, 표면 근처, 내부 결함 가진 소재 피로 강도 예측 정량적 공식 발표. 그림 8은 위치별 개재물 분류.
그림 8 위치별 개재물 분류
개재물 크기와 피로 수명 유해 효과 관계는 그림 9에 표시. 이 그림은 큰 구형 개재물이 형상 때문이 아닌 크기 때문에 가장 해로움, 동일 크기 산화물 대비 칼슘 황화물 덜 해로움, 동일 크기 범위에서 다른 산화물/황화물 대비 질화 티타늄이 가장 해로운 개재물 유형임 보여줌.
그림 9 유해성 지수와 개재물 직경 비교
강철 피로에 대한 개재물 중요성 오래전부터 인식. 그러나 개재물 유형, 조성, 형상, 크기 피로 영향 광범위 연구에도 확고한 결론 없음. 최근 연구가 개재물 피로 영향 이해에 새 빛 제공, 요약: 피로 한계는 비전파 크랙 존재와 상관관계, 크랙 개시와 무관. 피로 한계는 크랙 개시 임계 응력 아닌 크랙 전파 임계 응력. 피로 한계는 ~400HV까지 경도와 상관관계. 이 영역에서 '피로 한계는 소재 평균 소성 변형 저항 나타내는 물성으로 결정'.
400HV 임계값 넘으면 일반적으로 결함(개재물 등) 존재로 이상적 피로 한계(물성 연관) 도달 불가. '임계 크기 미만 결함은 피로 강도에 비손상(비유해), 임계 크기는 정적 강도 높은 소재에서 더 작음, 따라서 주어진 크기 결함이 고강도강에 저강도 금속보다 더 유해'. 실험적 예들로 입증: 피로 한계는 크랙 전파 발생하지 않는 응력, 작은 결함서 크랙 시작 가능하나 크기와 응력에 따라 피로 유도 가능/불가. 개재물-금속 계면 또는 개재물 크랙 통해 크랙 기원 시 개재물 내 응력 해제되고 개재물 영역 기계적으로 응력 자유 결함 또는 기공과 동등 간주 가능. 따라서 테셀레이트 응력 등 이전에 생각보다 덜 중요할 수 있음.
이 접근으로 고강도강 피로 한계 예측 적절한 관계식 발견 가능, 개재물이 하중 방향 직교 단면적 차지하는 항 포함해 내구 한계-경도 관계 조정. 하중에 따라 개재물 위치 중요, 이 점 고려. 따라서 회전 굽힘에서 표면 근처 개재물에 대해 내구 한계-경도 경험적 관계 제안.
이 통찰이 베어링 강 개발(SAE 52100 또는 100Cr6)에 매우 중요. 따라서 특정 개재물 조성에 특별 관련성 부여된 결과들 재평가 가능. Murakami 형식론 따라 분석 시 개재물 유형 중요성 훨씬 적음, 그림 9 참조. Murakami 결과에 따르면 응력 구역 내 최대 개재물이 피로 파단 책임. 이 강철들 고청정도로 고전적 개재물 평가·정량화 방법 피로 거동 예측에 상당히 비효과적, 극값 통계가 해결책 제시. 이 맥락에서 Murakami가 극값 개재물 정량화 방법 개발.
나중 베어링 커뮤니티 염두에 두고 ASTM 표준 개발. 이 방법으로 Murakami 등이 극값 통계 기반 개재물로 피로 특성 예측 가능. 또한 개재물 개체군과 크기가 EB(전자빔) 용해 강철처럼 극도로 작아지면 미세조직 이질성(베이나이트 구역)이 개재물보다 커서 피로 핵 역할 함 보임. 개재물 피로 중요성은 여전히 빈번한 논의 주제, 특히 초고사이클 피로 영역.
Murakami 등이 주도한 고강도강 피로 개재물 중요성 이해 발전은 스프링강과 밸브강 개재물 엔지니어링에도 심대한 영향. 요약: 피로 크랙 개시·전파 문헌 고려 시 개재물 크기와 체적분율 고려. 크랙 개시 '기지 내' 또는 제2상 입자, 특히 개재물 관련 발생. 저강도강 경우 더 큰 개재물 초과하는 임계 크랙 크기 필요해 피로 발생, 따라서 청정 저강도강에서 개재물 역할 덜 중요. 반면 고강도강에서 개재물 충분히 커서 중요 역할 가능.
개재물-강철 계면 조건도 피로 수명 역할. 반면 개재물-기지 계면 강도는 피로 크랙 현미경 현상 중요 인자 고려됨. Spriestersbach 등은 '고전적' 개재물(산화물, 복합 산화물, 황화물)이 낮은 개재물-강철 계면 강도로 쉽게 디본딩 됨 지적.
또한 CTE 차이 개재물-기지 분리 촉진. 따라서 고전적 개재물은 Murakami 제안대로 구멍처럼 거동 간주 가능. 반면 질화 티타늄은 기지 강한 결합, 질화 티타늄-강철 계면 분리 없음. 질화 티타늄 고응력 받으면 크랙 발생, 크랙 기지 전파. 따라서 질화 티타늄 크기와 피로 거동 상관관계 '고전적' 개재물 관찰된 것과 다를 수 있음.
절삭성은 칩 형성, 절삭 공구 마모, 가공품 표면 특성, 환경 요인 등 광범위 파라미터 포함. 가공은 주로 금속 파단과 금속 제거로 특정 형상이나 특정 위치 드릴 구멍 생산하는 두 공정으로 설명 가능.
일부 산화물 개재물은 칩 형성 공정(구조 따라 파단 생성 능력 의존)에 긍정적 효과 있으나 절삭 공구 마모에 부정적 효과로 초기 칩 형성 긍정 효과 상쇄 가능. 망간 황화물 개재물도 칩 형성에 유익, 고황 함량 절삭강 유익 효과 오래 보고됨, 망간 황화물 개재물이 산화물만큼 절삭 공구 마모 유발하지 않기 때문. 다양한 강종·용도별 상이 개재물 유형 효과 철저 조사 결과, 다른 강종들은 매우 다른 특성 가진 다양한 개재물 가짐. 따라서 이들 특성 각 강종 그룹별 최적화해 기계적 특성 상당한 저감 없이 강철 절삭성 개선해야 함.
개재물과 가장 전통적으로 연관된 특성 중 하나가 절삭성. 황화물 효과 잘 알려짐, 이들 개재물 절삭성 위해 설계 꽤 성공적. 계산 열역학 이용해 황화물 맞춤 설계로 납 '금속 개재물' 대체하는 절삭성 좋은 강철 설계에 활용. 납 첨가 강철은 제강 중 중요 건강 위험, 상당한 환경 영향. 현재 자동차 산업 비재황강 최소 황 함량 정의해 절삭성 개선. 이는 강봉 제조사에게 칼슘 사용 시 황 0.02% 범위에서 노즐 막힘 방지 위해 공정 조정 필요 과제 제기. 이 경우 엄격한 공정 제어 필요.
개재물은 상변태에 중요 역할. 용접 금속 내 미세 침상 페라이트 핵생성에도 결정적 역할. 이 미세조직은 열간/제어 가공 없이 저탄소 조성으로 만족스러운 기계적 특성 달성 위해 중요. 따라서 용접 금속 조성 적절한 침상 페라이트 핵생성 침전 유도하도록 맞춤. 개재물이 침상 페라이트 핵 역할 하는 데 관련 요인: 결정 구조, CTE 차이, 개재물 주변 오스테나이트 안정화 원소(망간 등) 고갈. 후자가 가장 선호 설명, 그 다음 개재물-오스테나이트 기지 CTE 차이 발생 응력. 이는 박판 주조 전망과 특별 관련: 오스테나이트 입자 미세화 위해 수행 가능한 열간/제어 가공 정도 매우 제한적.
페라이트 핵생성 과정 최초·명확한 in situ 관찰 중 하나 Sugiyama와 Shigesato 수행, 망간 황화물 페라이트 핵생성 중요성 상세 논의. Li 등은 실험적·제1원리 계산으로 지르코늄·티타늄 산화물이 개재물-기지 계면 망간 고갈 구역 촉진해 페라이트 핵생성 유리함 입증. 또한 망간 황화물이 지르코늄 산화물 위 핵생성 가능함 보임. 결과 지르코늄-티타늄 탈산이 미세합금강에서 더 미세하고 균일한 망간 황화물 분산과 침상 페라이트 미세조직 촉진함 유익 효과 입증. Grong 등은 '분산체(dispersoids)' - 고체화 중 핵생성뿐 아니라 페라이트 핵생성 영향 줄 충분히 미세한 크기와 조성 가진 개재물 - 생산 가능성 검토. 이를 위해 이들 입자는 고전적 개재물 형성 반응 결과만으로 아닌 더 복잡한 방식으로 형성되어야 함.
표면 마무리는 절삭성 이슈로 볼 수 있으나, 플라스틱 금형용 공구강 등은 특별한 요건 가짐. 연구들 미세조직과 청정도 모두 중요 역할 함 보여줌. 단순 청정도 정량화 형태는 일반적으로 연마 품질과 상관관계 짓기 어려움. 개재물 유형 공정에서 확실한 역할, ESR(전기슬래그 재용해) P20 강철 경우 전형적 ESR 탈황이 표면 마무리에 해로움, 불활성 분위기 재용해로 탈황 방지하고 황화물이 산화물 개재물 덮게 해 양호한 표면 마무리 보장 필요 입증. VAR(진공 아크 재용해)과 소위 PESR(불활성 가스 하 ESR) 비교 결과 이 관점서 설명 가능.
개재물이 강철 부식 성능 영향 미치는 두 예: 수소 관련 파단(수소 유기 균열 HIC) 중요성, 피트 형성 중요성.
개재물이 HIC 트랩과 핵 역할 중요성 최소 1970년대부터 인식. 편석과 개재물, 특히 망간 황화물 시너지 효과 중요성 곧 인식. Nakai 등은 황화물 형상 제어 HIC에 큰 영향 미침 관찰. 타입 I 황화물(고소성 아님) 가진 고산소 강철이 압연 중 신장하는 타입 II 황화물 가진 알루미늄 킬드강보다 HIC 저항성 더 좋음 보여줌. 그러나 칼슘 또는 세륨 황화물 변형으로 양호 특성 보장 선호.
단순 황 저감과 황화물 형상 제어만으론 크랙 전파가 편석 제어되므로 충분 HIC 저항성 보장 안됨 명확. 따라서 저탄소·저망간 강철 개발, 편석 특히 밴딩 저감과 미세조직 균일 경도 촉진 가속 냉각 전략 개발.
편석과 칼슘 변형 상호작용 연구에서 대규모 편석 내 정상 칼슘 처리가 망간 황화물 형성 방지 무효함 입증. 따라서 매우 낮은 황과 망간 황화물 회피가 양호 HIC 저항성 보장 규칙. 그러나 개재물 여전히 HIC 크랙 핵생성 중요 역할. 매우 청정 강철에서 망간 황화물 수소 크랙 촉진함 입증. API X120 미세합금강 저항성 연구에서 Huang 등은 강철 청정도와 수소 효과 저감 연관성 발견, 개재물 유형 무관. 그러나 강철 황 함량 정보 미제공.
Jin 등은 칼슘 처리 API X100 강철(황 50ppm)서 산화물 수소 저항성 해로움 보고. Domizzi 등은 황화물 길이나 황 함량 HIC 저항성 상관관계 짓기 못함(황 50~150ppm 강철). 황 함량과 개재물 크기 수소 저항성 영향 제안. 소수 매우 신장된 개재물이 더 많은 짧은 입자들과 같은 방식으로 HIC 저항성 저감 가능 지적. 밴딩 관련성 강조, 미세합금강서 밴딩 보통 고망간 함량 연관.
밴딩은 음극 보호 받는 심해 용도 AISI 4140 볼트 수소 유도 파단에도 결정적임 입증. Du 등은 지르코늄-티타늄 탈산으로 미세 산화물·황화물 분산 생성 시 기존 알루미늄 탈산 대비 HIC 저항성 유익 효과 입증. 최근 검토에서 Ohaeri 등은 개재물 일반적으로 수소 열화 저항성 해로움 확인, 신장 개재물 더 부정적 효과 확인. 신장 황화물 수소 블리스터링 정도 영향 중요성도 입증. 따라서 개재물 형상, 양, 유형 수소 크랙에 중요 역할.
개재물 최종 클러스터링, 특히 미세조직 밴딩 구역, 수소 관련 이슈 촉진 시너지 효과 가지므로 주의 깊게 회피해야 함. 또한 Murakami가 개재물 수소 트래핑이 초장수명 피로 현상 상당한 효과 가짐 입증. 위 논의서 개재물 엔지니어링이 수소 저항 강철 설계에 점점 중요해짐 명백.
Wranglen은 탄소강·스테인리스강 모두에서 망간 황화물 피팅 개시 위치 중요성 보고. 탄소강서 공격은 황화물 개재물 근처 기지에서 시작, 황화물이 기지보다 귀금속적이라 제안. 스테인리스강서 공격은 황화물 개재물 자체서 시작. 특성화 기술 발전으로 Ryan 등은 스테인리스강 황화물 개재물 주변 크롬 고갈 구역 존재 측정, 이들 피팅 개시 위치 제안. 그러나 이 구역 형성 메커니즘 제안 안함, 시편 열처리 이력 기술 안함. Meng 등이 다양한 강철(Ryan 원본 시편 포함) 측정 결과 이 결과 반박.
Ryan 관찰은 감작 스테인리스강 탄화크롬 주변 기지 조성 프로파일 닮음. 탄화물 주변 크롬 고갈 구역 형성 명확한 설명 존재하나, 황화물 개재물 주변 기지 경우는 아님. 최근 Williams 등은 스테인리스강 황화물 개재물 주변 철 풍부 황화물 층 관찰. 이 층 우선 용해돼 피팅 공정 시작. 결론서 개재물 엔지니어링으로 망간-철-크롬 황화물 조성 제어해 이 현상 방지 가능 제안. Park와 Kang 최근 스테인리스강 개재물 이슈 검토. 황화물 고체화 공정이 Williams 관찰 상황 초래 가능 논의.
개재물 주변 미세 화학 조성 차이가 스테인리스강 피팅에 중대 중요성 가짐 분명. 현재 가용 결과들 황화물 형성 중 발생 조성 변동 매우 중요 역할 가능성 지시. Liu 등은 알루미나 클러스터 탄소강 피팅 효과 최근 입증. Ma 등은 망간 황화물 개재물 연관 피팅 이방성 거동 입증. 따라서 개재물, 특히 황화물 개재물, 피팅에 결정적 역할 함 명백. Park와 Kang은 산화물 개재물도 스테인리스강 피팅에 중요 역할 가능 언급.
제조공정
퀜칭 및 템퍼링 처리: 퀜칭 후 고온 템퍼링하는 열처리 방법을 퀜칭 및 템퍼링 처리라고 합니다. 고온 템퍼링은 500~650°C 사이의 템퍼링을 말합니다. 퀜칭 및 템퍼링으로 강철의 성능과 소재를 크게 조절할 수 있으며, 강도, 소성, 인성이 좋고 우수한 종합 기계적 특성을 가집니다. 퀜칭 및 템퍼링 후 템퍼드 소바이트(Tempered Sorbite) 획득. 템퍼드 소바이트는 마르텐사이트 템퍼링 중 형성. 광학 금속현미경으로 500~600배 확대해야만 구별 가능. 페라이트 기지에 탄화물(시멘타이트 포함) 구상화물이 복합된 조직
강철의 변신은 탄소로 가능합니다. 강철의 탄소 함량이 다양한 용도에 맞춰 강철의 특성을 변화시킵니다. 측정된 탄소 비율을 사용해 구부릴 수 있는 알루미늄 강철부터 충격에 강한 장갑판까지 인장 특성을 조절할 수 있습니다. 강철의 특성 철은 강철의 기본 금속이지만 너무 부드러워 생산적으로 사용할 수 없습니다. 오스테나이트와 페라이트(탄소의 형태)가 도입되면 다양한 형태의 강철이 구현됩니다. 시멘타이트 같은 다른 합금 원소도 강철의 구조적 가치를 변경하는 데 사용됩니다. 통제된 조건에서의 추가 가열 및 냉각이 재료를 굳힙니다. 생산 공