장갑강 첨단 생산 및 가공: 경량 방호를 위한 초고강도 강재 기술

장갑강의 생산 및 가공

오늘날 저중량으로 관통탄(AP)을 격파할 수 있는 경량 장갑 기술 개발이 가속화되고 있습니다. 이러한 노력의 다수는 알루미늄과 티타늄 같은 저밀도 금속 적용을 포함하지만, 강 합금은 사용 가능한 장비와 인력으로 상업 및 군사 작전 지역에서 장갑 부품을 제작할 수 있다는 능력 때문에 많은 탄도 및 구조적 용도에서 여전히 경쟁력이 있습니다. 이는 강재 솔루션의 주요 장점입니다.

강재는 높은 밀도에도 불구하고 인성, 용이한 구득성, 저비용, 주조성, 용접성 등의 특성으로 인해 가장 종합적인 성능을 발휘하는 장갑 소재입니다. 장갑강은 고강도와 경도, 파괴 인성을 겸비한 일반 강재가 아닙니다. 이들은 전투 중 관통체 손상이나 압력으로부터 물체를 보호하는 데 사용됩니다. 이 강재들은 일반적으로 열간 압연 판재 형태로 장갑차량 제조에 사용됩니다.

인성, 경도, 우수한 피로 강도, 용이한 가공 및 접합, 상대적 저비용 같은 장갑강의 주요 특성은 장갑차량용 소재로 강재를 인기 있게 만듭니다. 이 강재의 중요한 요구사항은 과매칭 포탄 충격 시 영하 온도에서도 구조적 무결성을 유지하는 것입니다. 따라서 이 강재는 저온 충격 강도를 가져야 합니다. 장갑강 판재의 다른 중요한 고려사항은 현대 제조 및 시공 기술에 적합하고 쉽게 용접 가능하며 다양한 형상으로 생산 가능해야 한다는 것입니다.

화학 조성, 오스테나이트화 및 템퍼링 온도, 강재 입자 크기가 기계적 특성에 영향을 미쳐 탄도 성능을 좌우한다는 것은 잘 알려져 있습니다. 또한 화학 조성과 열처리 매개변수 제어로 마르텐사이트강의 기계적 특성과 탄도 성능을 최적화할 수 있음이 입증되었습니다.

장갑강은 기본적으로 고강도 저합금 구조강으로, 일반적으로 열역학적 기계적 처리에 의한 열처리를 통해 매우 높은 관통 저항성을 부여받습니다. 강재의 관통 저항성은 조직 강도를 높여 개선할 수 있으며, 이는 열역학적 기계적 처리로 얻을 수 있습니다. 장갑의 질량 효율성은 소재 경도와 함께 증가합니다. 그러나 너무 경한 장갑은 취약해져 충격 시 파쇄되는 경향이 있습니다.

장갑강의 주요 합금 원소는 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo)입니다. 이 강재의 인(P)과 황(S) 함량은 매우 낮아야 합니다(각 원소별 0.015% 미만 선호). 또한 질소(N₂), 산소(O₂), 수소(H₂) 같은 용해 가스 함량도 매우 낮아야 합니다. 또한 매우 청정한 강재로 개재물 수준이 매우 낮아야 하며 편석이 없어야 합니다.

강철 장갑은 네 가지 주요 그룹으로 분류됩니다: (i) 압연 균질 장갑(RHA), (ii) 고경도 장갑(HHA), (iii) 가변 경도 강철 장갑, (iv) 천공 장갑. 이 네 가지 유형 중 RHA 강재가 일반적으로 벤치마크 소재로 간주됩니다. RHA 강재는 경량 장갑차량용 관행 장갑으로 고려되어 왔습니다. 압연 후 열처리를 통해 강도와 인성의 최적 조합을 부여하는 고품질 합금강입니다.

압연 균질 장갑(RHA) 강재는 저비용, 신뢰성, 생산 인프라 가용성, 구조 소재로서의 동시 용도, 용이한 가공성 덕분에 전 세계 대부분의 전차에서 표준 장갑으로 남아 있습니다. 이 장갑강은 열처리 후 템퍼드 마르텐사이트 미세 조직을 유지하며, 경화를 통해 관통체 관통 저항을 높이고 템퍼링을 통해 인성을 높여 충격 관통체에 대한 에너지 흡수 능력을 향상시킵니다.

HHA 규격은 현대 연속 가공 기술의 효율적 사용을 가능하게 하며 자동 템퍼링 고경도 강재의 새로운 클래스를 제공합니다. 가변 경도 장갑강은 이중 경도 장갑(DHA) 강재로도 알려져 있으며, 고경도 전면 판재를 저경도 후면 판재에 롤 본딩하여 생산합니다. 롤 본딩 DHA 강재는 생산이 복잡하고 알려진 생산 한계가 있습니다. 전기슬래그 재용해 공정으로 DHA 강재를 생산하려는 연구가 있었지만, DHA 강재 생산은 여전히 어렵습니다.

경도 600 BHN(브리넬 경도) 이상의 단일체 초고경도 장갑(UHHA) 강재 개발을 위한 여러 노력이 진행 중이며, 이 방향으로 강재 야금학에서 상당한 발전이 있었습니다. 경도 증가에 따른 강철의 향상된 탄도 저항은 탄도학계에서 잘 확립되어 있습니다. UHHA 강재는 AP 탄환 격파 능력 향상, 장갑 중량 감소, DHA에 내재된 제조 어려움 해소가 기대됩니다.

담금질과 템퍼링은 금속 또는 합금의 가열과 냉각 조합으로 정의되며, 강재의 미세 조직을 변화시켜 처리되는 소재의 강도, 경도, 인성을 향상시킵니다. 오스테나이트 영역에 있는 강재의 담금질 중 냉각 속도는 Ms(마르텐사이트 생성 시작) 온도 아래로 강철을 냉각시킬 수 있어야 합니다. 강철의 전체 미세 조직이 마르텐사이트로 변환된 후 마르텐사이트 템퍼링이 수행됩니다. 템퍼링 공정 중 강철 온도를 마르텐사이트 조직이 템퍼링되는 온도로 올립니다. 열간 압연 중 담금질과 템퍼링 공정에서 마감 압연 온도와 담금질 및 템퍼링 속도를 제어하여 저합금 함량으로 최적 품질 등급의 강재를 얻습니다. 그 결과 저합금 담금질 및 템퍼링 강재 제품은 장갑차량 설계자에게 기존 강재에서는 일반적으로 얻을 수 없는 강도-중량 이점과 내마모 특성을 제공합니다.

장갑강 생산 공정

장갑판 제조에 사용되는 기술은 매우 높은 수준이어야 합니다. 고강도 고경도 강재의 요구사항이 가장 엄격한 공정 루트 중 하나를 강판 생산에 활용하도록 요구하기 때문입니다. 장갑강의 1차 제강은 전로(BOF) 또는 전기로(EAF)에서 수행할 수 있습니다.

전로에서는 주로 용선(고로에서 나온 액체 철)과 스크랩이 제강 원료로 사용되는 반면, 전기로는 가용성에 따라 스크랩, 직접 환원 철, 용선을 사용할 수 있습니다. 1차 제강용 원료 품질은 제어되어야 합니다. 제강 시 용선 사용 시 공정 요구사항에 따라 용선의 탈황, 탈인, 탈규소화를 수행하여 황, 인, 규소 함량을 낮게 유지하는 것이 바람직합니다. 이들 원소의 용선 내 제거는 전로 제강 공정 중 양질의 슬래그 형성에 도움이 됩니다. 제강용 스크랩은 청정하고 고밀도여야 하며, 트램프 원소 함량이 매우 낮아야 합니다.

장갑강 생산 및 가공 공정 흐름도는 그림 1과 그림 2에 나와 있습니다. 그림 1은 슬래브 생산 단계까지의 공정을, 그림 2는 압연, 열처리, 판재 검사 공정을 보여줍니다.

그림 1 장갑강 판재 생산 및 가공 흐름도(슬래브 생산까지)

그림 2 장갑강 판재 생산 및 가공 흐름도(슬래브 압연부터 판재까지)

장갑강 제조 및 주조

전로 또는 전기로에서 액체 강철을 제조한 후 2차 제강 장치에서 처리됩니다. 2차 제강의 목적은 다음과 같습니다: (i) 래들 내 액체 강철의 화학 조성 및 온도 균질화, (ii) 탈산 또는 킬링(산소 제거), (iii) 과열 조정(연속 주조에 적합한 온도로 액체 강철 가열 또는 냉각), (iv) 페로합금 및 탄소 첨가로 액체 강철 화학 조성 조정, (v) 진공 탈가스로 수소와 질소 가스 제거, (vi) 바람직하지 않은 비금속 화합물을 슬래그로 부상시켜 제거, (vii) 잔류 불순물 조성 변경으로 강철 미세 조직 개선. 2차 제강은 압연 후 강철의 원하는 기계적 특성 달성에 필요합니다.

장갑 품질 강재 생산 중 일반적으로 사용되는 2차 제강 공정에는 진공 탈가스, 래들로 및 래들 탈가스, 진공 아크 탈가스, 전기슬래그 재용해가 포함됩니다. 2차 제강 공정 중에도 래들에서 액체 강철의 린싱 또는 교반과 다양한 재료 주입을 통해 균질화와 정제를 수행합니다. 2차 제강은 연속 주조기에서 액체 강철의 원활한 주조와 양질의 슬래브 생산에도 필요합니다.

강철 연속 주조는 액체 강철을 반제품인 슬래브(장갑강의 경우)로 응고시켜 압연기에서 후속 압연하는 공정입니다. 연속 주조기 운전은 주어진 조성의 액체 강철을 주형 운전, 스프레이 냉각 구간, 교정 구간 운전 등의 일련 작업을 통해 주어진 크기의 슬래브 스트랜드로 변환합니다. 주조 슬래브 두께는 판재 압연 중 최소 수준의 압하가 일어나도록 해야 합니다.

연속 주조기의 주요 설비는 다음과 같습니다: (i) 래들 터렛(터렛 계량 시스템 및 래들 커버 매니퓰레이터 포함), (ii) 턴디시 및 턴디시 카(턴디시 계량 시스템, 턴디시 예열기 및 건조기 포함), (iii) 주형 및 주형 진동(주형 레벨 제어 및 전자기 교반기 포함), (iv) 2차 냉각(스트랜드 냉각, 스트랜드 가이드 및 안내), (v) 인출 및 교정 유닛, (vi) 더미 바, 더미 바 주차 및 더미 바 분리 롤 유닛, (vii) 핀치 롤 및 토치 컷오프 유닛, (viii) 제품 식별 시스템, (ix) 롤러 테이블 및 제품 배출 시스템(냉각 베드, 롤러 테이블, 배출 그리드 포함).

저합금 장갑강 주조 시 청정 강재 생산에 중점을 둡니다. 또한 주조 제품의 미세 조직과 조성 균질화에 대한 요구사항이 더 높습니다. 화학 조성, 응고 조건, 주형 내 액체 강철 흐름 특성이 주조 제품의 표면 품질과 내부 구조에 영향을 미칩니다. 전자기 교반(EMS) 기술 적용은 스트랜드 내 등축정대 형성을 촉진합니다. 이는 응고 조직 미세화, 개재물 함량 감소, 주조 슬래브 표면, 표층 및 내부 구조 품질 향상을 가져옵니다.

장갑강용 슬래브는 전기슬래그 재용해, 광폭 잉곳 주조, 잉곳 단조로 슬래브 제작 경로로도 생산할 수 있습니다. 잉곳 주조 시 액체 강철 응고가 진행됨에 따라 응고 방향으로 탄소 편석이 일어나므로 전기슬래그 재용해 공정이 필요합니다. 그러나 이 경로는 슬래브 생산 비용을 증가시킵니다. 이 생산 경로는 주로 저용량에 적합합니다. 또한 단조 공정으로 슬래브를 생산하므로 내부 구조가 건전합니다.

래들 터렛부터 주조 제품 배출까지 모든 유형의 제어 장치를 갖춘 최신 슬래브 연속 주조기는 실제 표면 및 표층 결함이 거의 없는 매우 건전한 슬래브를 생산합니다. 그러나 장갑강의 중요성 때문에 냉각 후 슬래브를 육안, 마그나플럭스, 초음파 검사하여 표면, 표층, 내부 결함을 식별합니다. 연속 주조 슬래브의 내부 결함은 열역학적 기계적 가공 중 강재 성능과 최종 제품 기계적 특성 모두에 강한 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 결함을 식별, 정량화, 특성화하는 것이 중요합니다. 결함 특성화에는 이상 현상의 밀도, 분포, 유형, 위치가 포함됩니다.

검사를 통해 주조 슬래브를 세 가지 범주로 분리합니다: (i) 압연용 프라임 슬래브, (ii) 스카핑이나 그라인딩으로 제거 가능한 경미한 표면 결함이 있는 슬래브(압연용으로 적합하게 만듦), (iii) 용납할 수 없는 표층 및 내부 결함이 있는 슬래브(압연 불가로 판정되어 재용해용으로 스크랩 처리).

판재 공장에서 슬래브 압연

검사 후 슬래브는 재가열로에서 약 1,150°C~1,200°C로 가열되어 강철의 소성 변형과 압연에 적합한 상태가 됩니다. 워킹 빔 타입 재가열로가 에너지 효율적이고 슬래브 균일 가열을 보장하므로 선호됩니다. 재가열로는 폐열 회수 설비를 모두 갖춰야 하며, 슬래브 온도 제어용 연소 제어와 효율적 운전에 필요한 기타 제어 장치도 장착되어야 합니다.

가열된 슬래브는 판재 압연기에서 압연됩니다. 판재 압연기는 일반적으로 단일 스탠드 또는 2스탠드 구성의 4하이 가역 압연기입니다. 압연 스탠드에는 일반적으로 판폭 제어용 에저 롤이 부착되어 있습니다. 판재는 일반적으로 가역 압연 스탠드에서 상하 롤 간격을 단계적으로 줄이며 반복 통과시켜 규정 두께로 압연하며, 일반적으로 여러 압연 패스가 필요합니다. 판재를 롤 간극으로 통과시키는 동작을 패스(pass)라고 하며, 각 패스에서 판재 두께 감소량을 압연 압하량이라고 합니다. 압연 중 두께 감소는 여러 압연 패스에 분배됩니다. 슬래브 두께에서 제품 두께까지 패스 수와 각 패스의 압연 압하량을 결정하는 공정을 압연 패스 스케줄이라고 합니다. 마감 압연 온도는 소재 특성으로 인해 필요한 패스 수에 영향을 미치며, 더 차가운 소재는 더 단단해집니다.

일반 두께 제품(평판)의 경우, 압연 패스 중 상하 롤 간격이 변하지 않도록 제어하여 전체 길이에 걸쳐 동일한 두께를 얻습니다.

압연 시작 및 마감 온도는 공정 안정성을 결정하며, 차가운 소재는 더 뜨거운 소재보다 더 큰 압연력을 필요로 합니다. 따라서 두꺼운 판보다 냉각 속도가 빠른 얇은 판은 압연 공정을 불안정하게 만들 수 있으며, 특히 온도 강하가 큰 저두께 판에서 그렇습니다.

공장 스탠드와 판재 냉각 시스템, 모든 하류 공장 구간은 고강도 판재를 생산 및 가공하여 최고 품질의 최종 제품을 얻을 수 있도록 설계되어야 합니다.

스크루 다운과 자동 간극 제어는 설정 두께에 따라 롤 간극을 조정하는 압연기의 주요 부분입니다. 각 판재 크기마다 적절한 롤 간극, 롤 힘, 공장 계수를 포함한 자체 패스 스케줄 계산이 있습니다.

얇은 판 압연 시 판재 공장은 자동 형상 제어, 평탄도 제어, 두께 제어 설비를 갖춰야 합니다. 얇은 판 압연은 일반적으로 마감 스탠드에서 최종 패스를 주는 2스탠드가 필요합니다. 또한 온라인 두께 측정 기기가 필요합니다.

압연 판재는 열간 레벨러에서 레벨링된 후 열처리 구간으로 들어가고, 열처리 구간 후 냉간 레벨러에서 다시 레벨링됩니다. 강판의 좋은 평탄도는 냉각 과정에서 물이 강판과 충돌하는 거리와 강판 위 물 흐름에 영향을 미치므로 바람직합니다. 냉각 장비 전 설치된 열간 레벨러의 기능은 냉각 전 강판을 평탄하게 만드는 것입니다. 반면 열처리 구간 후 설치된 냉간 레벨러는 냉각으로 악화된 형상을 교정하여 후속 공정으로의 원활한 이송을 위한 것입니다.

장갑강 압연 시 마감 압연 온도는 일반적인 열간 압연 판재보다 낮게 설정됩니다. 이는 압연 공정 중 온도 조정을 위한 대기 시간이 필요할 수 있음을 의미하며, 대기 시간은 더 두꺼운 제품에서 더 길어지는 경향이 있습니다.

열처리 구간은 장갑강 생산 및 가공에서 매우 중요합니다. 강재의 최종 특성이 이 구간에서 판재 가공 중 얻어지기 때문입니다. 장갑강 생산 중 요구사항을 충족하기 위해 세 가지 접근 방식이 사용됩니다.

첫 번째 접근 방식에서는 열처리를 판재 공장 오프라인에서 수행합니다. 이 방식에서 판재를 오스테나이트화 온도 범위의 원하는 온도로 가열합니다. 입자 성장을 피하기 위해 가열 제어가 중요합니다. 판재가 균질한 오스테나이트 조직을 달성하면, 예정 냉각 속도로 물로 담금질하여 마르텐사이트 강철 조직을 얻습니다. 담금질된 강철은 원하는 특성을 얻기 위해 저온에서 템퍼링됩니다.

두 번째 접근 방식에서는 압연 직후 강재를 가속 제어 냉각시킵니다. 이 경우 마르텐사이트 조직은 피하고 매우 미세한 베이나이트 조직을 목표로 합니다. 이 방식에서는 매우 높은 경도를 달성할 수 없지만 강철은 높은 강도와 우수한 인성을 겸비하게 됩니다.

세 번째 접근 방식에서는 압연 직후 온라인으로 담금질과 템퍼링 작업을 수행합니다. 이 방식에서는 판재 가열이 필요 없지만, 판재 압연 속도와 담금질 및 템퍼링 시간이 일치하거나 그렇지 않으면 한 작업이 다른 작업 완료를 기다려야 합니다. 또한 열처리 매개변수 제어를 위해 피로미터를 넉넉히 설치해야 합니다. 나아가 열처리 구간은 제어 시스템을 통해 압연 작업과 밀접하게 연계되어 장갑판 특성을 효과적으로 제어해야 합니다.

담금질 및 템퍼링 작업 중 핀치 롤은 강판을 사이에 고정하여 냉각/가열 중 판재 변형 억제, 균일한 냉각/가열 촉진, 판재 형상 개선, 냉각 구간 확보 기능을 합니다. 강판 담금질 시 마감 냉각 온도와 냉각 시간은 크기와 목표 소재에 따라 크게 달라집니다. 따라서 냉각 장비의 냉각 구간 길이를 조정할 필요가 있습니다. 핀치 롤은 냉각 구간 하류로의 냉각수 흐름을 결정하여 냉각 구간 외부 강판 위 잔류수로 인한 불균일 냉각을 방지함으로써 냉각 구간과 비냉각 구간을 분리합니다.

물 담금질 장치는 물 비등 곡선의 영향을 받으므로 적절히 설계되어야 합니다. 고온에서 강판을 냉각하는 물의 냉각 능력은 비등 곡선(그림 3 참조)으로 알려진 특성적 거동을 보입니다. 고온 영역에서는 강판과 물 사이에 증기 막이 존재하여 필름 비등 상태가 되며, 높은 온도에도 불구하고 냉각 능력이 약간 낮아집니다. 강판 온도가 내려가면 물이 강판과 접촉하기 시작하고, 온도가 더 내려가면 물과 강판 접촉 면적이 확대되어 전이 비등 영역에 진입하며 냉각 능력이 증가합니다. 강판 온도가 더 내려가면 기포가 주요 역할을 하는 핵비등 영역으로 들어갑니다. 강판 냉각에서 전이 비등 영역의 냉각이 중요합니다. 이 영역에서 냉각 능력이 강판 온도 하락과 함께 증가함에 따라 이전 냉각에서 발생한 강판 내 불균일 온도 분포가 확대되고, 마감 냉각 온도도 각 강판마다 달라집니다.

그림 3 물의 비등 곡선

물 담금질 장치는 물 비등 곡선의 영향을 받으므로 적절히 설계되어야 합니다. 물 담금질 장치에 필요한 기능은 광범위하여 빠른 냉각 능력을 가져야 합니다. 따라서 넓은 판재의 균일하고 빠른 냉각을 위해 높은 유량이 필요하므로 많은 스프레이 노즐을 장착해야 합니다. 또한 운전 조건과 목표 강판 품질에 따라 마감 냉각 온도(Mf 온도)를 전이 비등 영역 어딘가에 설정해야 합니다.

필요한 열처리를 거쳐 강도, 경도, 인성의 원하는 특성을 얻은 후 강판은 교정기에서 다시 교정되고, 흐름도에 표시된 대로 전단 및 절단, 시편 채취, 시험 및 검사, 필요한 경우 쇼트 블라스팅, 코팅 및 염색 등 마무리 작업이 수행됩니다. 판재는 출하 전 최종 검사를 받습니다.

시험 중에는 관련 표준에 따라 치수, 치수 공차, 미세 조직, 강도, 경도, 인성 등에 지정된 값에 부합하는지 확인하기 위해 모든 필요한 시험을 수행해야 합니다. 압연 공장 실험실은 압연 판재의 필수 시험 및 검사를 수행할 수 있도록 모든 필요한 시험 및 검사 설비를 갖춰야 합니다.