2.1 초기 조직

본 연구에 사용된 소재는 H기업에서 열연 생산한 Ø8.5 직경의 선재형태로 SCM 435 및 개발강종을 사용하였고 합금 조성은 아래 표 1에 나타냈다. 열처리 전후 미세조직의 차이를 비교하기 위해 광학현미경(optical microscope, OM, VHX-X1) 및 전계방사 주사현미경(field emission scanning electron microscope, FE-SEM, SU8010)을 이용하였다. 또한, 구상화 기구를 설명하기 위해 먼저 초기조직을 분석하였으며 Nital과 Le Pera 에칭법을 적용하여 상을 구분하였다. Nital 용액은 3%의 질산과 에탄올을 혼합하여 제조하였으며, Le pera 용액은 증류수 내 1% Na₂S₂O₅ (sodium metabisulfite)와 에탄올 내 4%의 피크릭산을 혼합하여 제조하였다. 일반적으로 강의 미세조직은 Nital 에칭법으로 형상 및 명암 대비로 상을 구분하지만 Na₂S₂O₅가 포함된 Le Pera 에칭은 색상 대비를 높여 페라이트, 마르텐사이트, 베이나이트, 펄라이트 등을 구분할 수 있게 한다. ERİŞİR, E. [¹⁷]와 F. HAIRER [¹⁸]의 보고에 따라 열연 중탄소 복합조직강 내 페라이트는 밝은 갈색이나 푸른색, 마르텐사이트는 하얀색, 베이나이트는 어두운 갈색과 검은색, 펄라이트는 어두운 조직으로 나타난다.

아래 그림 1은 OM 및 FE-SEM을 이용해 SCM 435와 개발강종의 초기 미세조직을 관찰한 결과이다. 먼저 OM을 통해 관찰한 결과 그림 1(a)의 SCM 435에선 페라이트기지(matrix) 위에 대다수 분절된 펄라이트 조직을 관찰할 수 있다. 반면에 그림 1(c)의 개발강종에서는 전체적으로 하부 베이나이트 조직이며, 베이나이트 조직 내부에 침상형 페라이트가 고립된 형태로 형성된 것을 관찰할 수 있다[¹⁹-²²]. 개발강종에서 저온변태조직 특성이 나타난 이유는 SCM 435에 비해 Mo 중량이 2배 이상 많아 강력하게 탄화물을 생성할 수 있으며 이는 페라이트와 탄화물의 집합체인 하부 베이나이트 형성에 기여하고[²³], 이 밖의 NbC 탄화물과 같은 미세 석출물의 성장이 오스테나이트 결정립의 성장을 방해하여 퀜칭시 많은 급랭조직을 형성하기 때문이다[²⁴,²⁵]. 또한, 결정립 성장을 방해하는 Nb, Ti, V과 같은 성분들은 본 연구에 사용된 개발강종과 같은 두꺼운 강재 압연시 결정립 미세화를 통해 충격인성을 향상시키 위해 일부 첨가되며 이와 같은 미세한 결정립은 아래 그림 1(c)에서도 확인할 수 있다.

2.2 DSC 분석

구상화 어닐링의 온도는 조직 내 상변태 거동과 밀접한 관련이 있으며 열역학적 안정성과 미세조직을 제어하기 위해 오스테나이트의 상변태 온도가 중요하다. 따라서 고온 시차주사열량(differential scanning calorimetry, DSC) 분석법을 이용하여 SCM 435와 개발강종의 Ac₁과 Ac₃ 변태 온도를 확인하였으며 두 가지 열처리 조건을 설계하였다[²⁶-²⁸]. 분석에 사용된 DSC 장비는 Pegasus 社의 DSC 404 F1 모델이며 조건은 Ar 분위기 내 5°C/min의 승온 속도로 온도에 따른 DSC결과를 아래 그림 2와 같이 나타내었다. Ac₁과 Ac₃ 변태온도는 endo peak와 exo peak를 그리는 곡선에 접선을 그어 기지선과 만나는 부분을 각 변태 온도로 설정하였다[²⁹,³⁰]. SCM 435의 Ac₁과 Ac₃ 변태온도는 각각 754°C와 809°C이고, 개발강종의 Ac₁과 Ac₃ 변태온도는 각각 780°C와 851°C이다.

2.3 구상화 어닐링 조건

구상화 어닐링은 Ac₁과 Ac₃ 변태온도를 기준으로 두 가지 사이클의 열처리 조건을 설계하였다.

구상화 열처리를 위해, Ac₁과 Ac₃ 변태구간 내 1차 가열하여 오스테나이트화를 유도한 뒤 냉각하여 Ac₃ 직하 온도에서 구상화를 유도하는 임계간 어닐링(intercritical annealing, IA) 조건과, Ac₁ 직하 온도에서 장시간 열처리를 통해 시멘타이트의 분해 및 구상화를 유도하는 아임계 어닐링(subcritical annealing, SA) 조건을 적용하였다. IA 조건 내 1차 가열구간의 온도는 Ac₁ 변태점보다 20°C 높은 온도로 설정하였고, 2차 가열구간의 온도는 20°C씩 낮춰가며 4가지 조건을 설정하였다[³¹]. SA 조건은 Ac₁ 직하에서 10°C씩 차이를 두어 어닐링 결과를 분석하였다. 또한, 조직 내 모든 상이 변태에 참여할 수 있도록 각 구간당 2시간, 8시간씩 충분한 열처리를 진행하였다[³²]. 시편은 각각 10 mm 단위로 관상로에 장입해 열처리를 진행하였으며 아래 그림 3, 4에 열처리 패턴을 나타내었다. 1차 가열 후 냉각 속도는 30°C/hr 이상이면 시멘타이트가 석출 후 성장할 시간적 여유가 없고, 냉각 속도가 10°C/hr 이하이면 구상 시멘타이트 입자가 지나치게 조대해져 소재를 열화 시키기 때문에 30°C/hr 넘지 않는 범위에서 냉각하였다.

3.1 미세조직

그림 5(a)는 IA 조건에서 SCM 435의 미세조직을 관찰한 결과이다. 전반적으로 분절된 형태의 펄라이트 조직을 확인할 수 있고, 이는 펄라이트 내 시멘타이트 일부가 구상화되었으며 대체로 분절 형태의 모습이다. 그 중 770°C 2시간-720°C 8시간 어닐링한 결과에서 분절된 펄라이트 조직과 구상화된 시멘타이트 입자가 가장 뚜렷하게 나타났다. 이는 770°C에서의 1차 가열을 통해 펄라이트 내 시멘타이트가 부분적으로 오스테나이트화되며 분절이 촉진되고, 이어지는 2차 가열온도 720°C에서의 열처리가 구상화에 필요한 확산조건을 충분히 만족시킴으로써, 시멘타이트의 분절 및 구형화가 효과적으로 진행되었기 때문이다. 일반적으로 온도가 낮을수록 용질원자의 확산속도는 지수함수적으로 감소하는데, 이로 인해 2차 가열온도 740°C에서부터 온도가 낮아질수록 펄라이트 층의 두께와 길이가 얇아지고 짧게 분절되는 경향을 보인다. 그러나 2차 가열온도 700°C 및 680°C의 조건에선 다시 펄라이트의 분율이 증가하였는데 이는 너무 낮은 열처리 온도로 인해 확산이 제한되어 시멘타이트의 응집 및 구형화가 충분히 이루어지지 않았다[³³].

그림 5(b)의 SA 조건에서 SCM 435의 미세조직을 관찰한 결과이다. 750°C에서 장시간 열처리를 진행하였을 때는 온도가 Ac₁ 온도인 754°C와 매우 근접한 온도로 진행 했음에도 불구하고, 조직은 뚜렷한 구상화 현상 없이 초기의 조직과 유사한 형태로 관찰되었다. 이는 구상화 어닐링이 진행되기보다는, 일부 영역에서 오스테나이트화가 개시되었다가 냉각 과정에서 다시 펄라이트로 역변태되는 과정이 반복되면서, 결과적으로 구상화가 억제되고 원래의 층상 시멘타이트 구조가 유지된 것으로 판단된다. 특히, Cr, Mo와 같은 오스테나이트 안정화 합금원소가 존재하기 때문에, 이러한 국부적 오스테나이트화 현상이 더욱 촉진되었을 가능성이 있다[³⁴]. 740°C에선 시멘타이트와 같은 탄화물의 양이 감소한 것처럼 보이는데 이는 임계온도 근처의 온도로 시멘타이트가 불안정해지는 구간이기 때문이다. 이 온도에서는 시멘타이트가 분해되지만 응집 및 재석출이 충분히 진행되지 않았기 때문이다. 730°C에선 탄화물의 분해 및 응집이 활발히 이루어지며 시멘타이트가 구형화된 것을 확인하였다. 하지만 점차 온도가 낮아지면서 시멘타이트가 더욱 응집하면서 입자의 크기는 커졌지만 불완전하고 불규칙한 형태로 성장하는 경향을 보였다.

그림 6 (a)는 IA 조건에서 개발강종의 미세조직을 관찰한 결과이다. IA 조건에선 초기 베이나이트 조직 내부의 탄화물 입자들이 오스테나이트화 과정에서 분해된 후 냉각 및 항온 처리 중에 재석출되며 미세한 시멘타이트 입자로 형성되었다. 특히 2차 가열온도에 따라 시멘타이트의 형태, 분율 및 분포가 크게 달라지는 것으로 관찰되었다. IA 열 처리 후 미세조직 내에는 기존 침상 형태의 탄화물(needle-like carbide)이 열역학적 안정화 및 표면에너지 감소에 따라 구형화 방향으로 진화하였다. 760 °C 조건에서는 침상 탄화물이 용해된 후 불규칙한 형태로 재석출되었는데 이는 Ac₁ 온도와 너무 근접한 조건에서는 시멘타이트의 용해와 재석출이 열역학적으로 불안정하기 때문이다[³⁵]. 이후 740 °C 조건에서는 탄화물의 구형화가 가장 활발하게 진행되어, 분율 및 입자 균질성 측면에서 가장 우수한 구상화 결과를 보였다. 이는 해당 온도가 시멘타이트의 응집 및 성장에 적절한 확산 속도와 열역학적 조건을 동시에 만족하기 때문으로 판단된다. 반면, 720 °C 이하의 온도에서는 탄화물 입자의 분율이 감소하고, 형상 또한 불완전한 구형을 나타내는 경향이 두드러졌다. 특히 700 °C 조건에서는 시멘타이트 입자들이 응집 및 구형화 없이 불규칙한 형태로 미세하게 분산되어 있는 모습이 관찰되었다. 이는 구상화 어닐링 공정에서 2차 열처리 온도가 미세조직 제어에 결정적인 인자로 작용함을 시사하며, 과도하게 낮은 온도에서는 구상화 효율 저하가 발생할 수 있음을 보여준다.

그림 6 (b)의 SA 조건에서는 Ac₁ 이하의 온도에서 열처리를 수행하기 때문에, 오스테나이트화를 통한 탄소의 재고용 및 시멘타이트의 분해가 유도되지 않는다. 초기조직이 베이나이트와 같은 저온변태조직은 시멘타이트의 분율이 적고, 탄소는 기지 내에 고용된 형태로 존재한다. 이러한 상태에서는 구상화가 기존 시멘타이트의 응집보다 새로운 핵생성과 성장에 의존하며 펄라이트와 같은 조직에 비해 더 높은 확산 활성화 에너지와 열역학적 구동력을 요구한다. 또한 SA 조건은 비교적 낮은 온도에서 장시간 열처리를 수행하는 방식이기 때문에, 탄소의 확산 속도가 느리며, 이는 시멘타이트의 구형화를 저해하는 원인으로 작용한다. 그 결과 개발강종의 경우 대부분의 SA 조건에서 구상화 반응이 충분히 진행되지 않아 탄화물이 미세하고 산재된 불완전한 형태로 잔류하였다. 이러한 특성으로 인해, 저온변태조직을 가진 개발강종의 경우 SA 열처리를 적용할 경우 구상화 효과가 제한적인 것으로 판단된다.

3.2 경도

그림 7, 8과 표 2, 3은 각각 SCM 435와 개발강종의 조건별 구상화 어닐링한 시편의 비커스 경도를 측정한 결과이다. 시험은 중심부터 일정한 간격을 두고 각각 10회씩 시험하였다. 전반적으로 SCM 435보다 개발강종의 경도가 더 높으며 이는 초기 미세조직과 합금원소의 차이 때문이다. SCM 435의 경우 IA(770°C 2시간-720°C 8시간) 조건에서 경도가 113 HV으로 가장 낮았다. IA 열처리 방법은 초기경도 대비 약 55.3%~62.3%로 평균 약 58% 정도 경도가 감소하였다. SA 방법에서는 임계온도 근처의 불안정한 시멘타이트 석출 온도로 인해 탄화물의 양이 매우 적게 나타났던 SA(740°C 8시간) 조건에서 경도가 112HV로 가장 낮았다. 이처럼 SA 열처리 일부 조건에서는 탄화물분율 감소와 경도 저하 현상이 나타났는데 이는 시멘타이트의 구상화가 탄화물의 분해 및 고용 현상으로 판단된다. 이를 제외한 다른 조건에서는 최소 149 HV 부터 최대 189 HV까지 나타났으며 이는 초기 경도 대비 약 39.8%~50.4%이고 평균 약 43%로 IA 방법보다 15% 정도 더 적은 경도감소율을 나타냈다. 개발강종의 경우 IA (800°C 2시간-740°C 8시간) 조건에서 경도가 171로 가장 낮았다. IA 열처리 방법은 초기경도 대비 약 52.6% ~56.5%까지 평균 약 54.5% 정도 경도가 감소하였다. SA 방법에서는 SA(770°C 8시간) 조건에서 경도가 190.6% 가장 낮았고 전체적으로 약 40.4%~51.5%까지 평균 약 45%로 IA 열처리 방법 대비 10% 정도 더 적은 경도감소율을 나타냈다.

3.3 구상화율 측정

위 미세조직 분석 결과 중 개발강종의 IA 방법에 한하여 구상화율을 정량적으로 검증하기 위해 형상 인자(Shape factor) F를 이용하여 구상화율을 측정하였다. 개발강종의 IA 조건에서 진행한 열처리 시편의 SEM 이미지를 Image analyzer를 통해 구상화 입자를 추출하였고 이를 기반으로 F인자의 거동을 확인하였다. F인자는 평균 곡률 ( K ¯ m )에 대한 평가할 입자의 분율 중 일정 영역 크기를 나눠( S v P = S v / V v ) 표현할 수 있으나 완전한 구형이 아니므로 아래 식 (1)의 오른쪽 수식에 따라 계산하였다. 일정한 사각형 영역 내 대각선을 연결하여 주어진 변수에 해당하는 값을 대입하여 계산하는 방식으로 비교할 수 있다[³⁶].

N_L은 영역 내 대각선에 교차하는 입자 수, V_v는 시멘타이트의 전체 분율, N_A는 영역 내 시멘타이트 입자 수이다. F는 1에 가까울수록 구형에 가깝다. 계산 결과, 경도가 가장 낮게 측정된 800°C 2시간-740°C 8시간에서 F값 또한 가장 1에 근사했고 이는 입자의 구형 정도가 가장 우수함을 나타낸다. 아래 그림 7을 통해 IA 조건에서 열처리한 2차 가열온도별 F인자의 거동을 확인할 수 있다.