탄소 구조강의 인 편석 형성 및 균열 분석
현재 국내 제철소에서 공급하는 탄소 구조용 강선재 및 봉강의 일반적인 규격은 φ5.5~φ45이며, 더 발전된 규격은 φ6.5~φ30입니다. 소형 선재 및 봉강 소재에서 인 편석으로 인한 품질 사고가 빈번하게 발생합니다. 인 편석의 영향과 균열 발생 분석에 대해 참고하시기 바랍니다.
철에 인을 첨가하면 철-탄소 상태도에서 오스테나이트 상 영역이 그에 상응하여 좁아집니다. 따라서 고상선과 액상선 사이의 거리를 늘려야 합니다. 인을 함유한 강은 액상에서 고상으로 냉각될 때 넓은 온도 범위를 통과해야 합니다. 강에서 인의 확산 속도는 느립니다. 이때, 인 농도가 높은(저융점) 용선은 먼저 응고된 수지상정 사이의 틈을 메우면서 인 편석을 형성합니다.
냉간 압조 또는 냉간 압출 공정에서 균열이 발생한 제품이 자주 관찰됩니다. 균열된 제품의 금속 조직 검사 및 분석 결과, 페라이트와 펄라이트가 띠 모양으로 분포되어 있으며, 기지(matrix)에 백색 철 띠가 뚜렷하게 보입니다. 페라이트 내부에는 이 띠 모양의 페라이트 기지에 간헐적으로 띠 모양의 밝은 회색 황화물 개재물이 있습니다. 인화황의 편석으로 인해 발생하는 이 띠 모양의 구조를 "고스트 라인"이라고 합니다. 이는 인 편석이 심한 부위의 인이 풍부한 영역이 백색이고 밝게 보이기 때문입니다. 백색 및 광택 띠의 높은 인 함량으로 인해 인이 풍부한 백색 및 광택 띠의 탄소 함량이 감소하거나 매우 적습니다. 이러한 방식으로 인이 풍부한 벨트의 연속 주조 과정에서 연속 주조 슬래브의 주상 결정이 중앙을 향해 발달합니다. 빌릿이 응고되면 용강에서 오스테나이트 수지상 결정이 먼저 석출됩니다. 이러한 수지상정에 포함된 인과 황은 환원되지만 최종 응고된 용강은 인과 황 불순물 원소가 풍부하여 수지상정 축 사이에서 응고됩니다.인과 황의 함량이 높기 때문에 황은 황화물을 형성하고 인은 매트릭스에 용해됩니다.확산하기 어렵고 탄소를 배출하는 효과가 있습니다.탄소는 용해될 수 없으므로 인 고용체 주변(페라이트 화이트 밴드의 측면)은 탄소 함량이 더 높습니다.페라이트 벨트의 양쪽, 즉 인이 풍부한 영역의 양쪽에 있는 탄소 원소는 각각 페라이트 화이트 벨트와 평행한 좁고 간헐적인 펄라이트 벨트를 형성하고 인접한 정상 조직은 분리됩니다.빌렛이 가열되고 가압되면 샤프트가 압연 가공 방향을 따라 확장됩니다. 페라이트 밴드에 인 함량이 높기 때문입니다. 즉, 심각한 인 편석으로 인해 철이 뚜렷하게 보이는 넓고 밝은 페라이트 밴드 구조가 형성됩니다. 원소 본체의 넓고 밝은 밴드에는 밝은 회색의 황화물 띠가 있습니다. 이렇게 인이 풍부한 페라이트 밴드와 긴 황화물 띠를 흔히 "유령선"이라고 부릅니다(그림 1-2 참조).
그림 1 탄소강 SWRCH35K 200X의 고스트 와이어
그림 2 일반 탄소강 Q235 500X의 고스트 와이어
강재를 열간 압연할 때, 빌릿에 인 편석이 존재하는 한 균일한 미세 조직을 얻는 것이 불가능합니다. 더욱이, 심각한 인 편석으로 인해 "고스트 와이어" 구조가 형성되어 재료의 기계적 성질을 필연적으로 저하시킵니다.
탄소강에서 인의 편석은 흔하지만 그 정도는 다릅니다. 인이 심하게 편석되면("유령선" 구조가 나타나면) 강재에 매우 부정적인 영향을 미칩니다. 이러한 심한 인 편석은 냉간 압조 공정 중 재료 균열의 주요 원인입니다. 강재의 결정립마다 인 함량이 다르기 때문에 재료의 강도와 경도가 달라집니다. 또한, 재료에 내부 응력을 발생시켜 내부 균열 발생을 촉진합니다. "유령선" 구조를 가진 재료의 경우, 경도, 강도, 파단 후 연신율, 단면적 감소, 특히 충격 인성의 감소가 재료의 냉간 취성을 초래합니다. 따라서 인 함량과 강의 구조적 특성은 매우 밀접한 관계를 갖습니다.
금속 조직학적 검출 시야 중앙의 "유령선" 조직에는 밝은 회색의 길쭉한 황화물이 다량 존재합니다. 구조용 강재의 비금속 개재물은 주로 산화물과 황화물의 형태로 존재합니다. GB/T10561-2005 "강재 내 비금속 개재물 함량에 대한 표준 등급표 현미경 검사 방법"에 따르면, B형 개재물은 이 시점에서 가황되어 재료 수준이 2.5 이상에 도달합니다. 아시다시피, 비금속 개재물은 균열의 잠재적 원인입니다. 비금속 개재물의 존재는 강재 미세구조의 연속성과 치밀성을 심각하게 손상시키고 강재의 입계 강도를 크게 감소시킵니다. 따라서 강재 내부 구조의 "유령선"에 황화물이 존재하는 것이 균열 발생 가능성이 가장 높은 위치라고 추론할 수 있습니다. 따라서 다수의 패스너 생산 현장에서 발생하는 냉간 단조 균열 및 열처리 담금질 균열은 다량의 밝은 회색의 가는 황화물에 의해 발생합니다. 이러한 불량한 직조는 금속 특성의 연속성을 손상시키고 열처리 위험을 증가시킵니다. "고스트 스레드"는 노멀라이징 등으로 제거할 수 없으므로, 제련 공정이나 원자재 공장 입고 전 단계에서 불순물 원소를 엄격하게 관리해야 합니다.
비금속 개재물은 조성 및 변형성에 따라 알루미나(A형), 규산염(C형), 구형 산화물(D형)로 구분됩니다. 이러한 개재물의 존재는 금속의 연속성을 차단하고, 박리 후 피트(pit)나 균열을 형성합니다. 냉간 업세팅(cold upsetting) 시 균열 발생원이 형성되기 매우 쉽고, 열처리 시 응력 집중을 유발하여 담금질 균열을 초래합니다. 따라서 비금속 개재물은 엄격하게 관리되어야 합니다. 현행 강재 GB/T700-2006 "탄소 구조강" 및 GB/T699-2016 "고품질 탄소 구조강" 표준은 비금속 개재물에 대한 명확한 요건을 제시하지 않습니다. 중요 부품의 경우, A, B, C의 조대선과 미세선은 일반적으로 1.5 이하이며, D와 D의 조대선과 미세선은 2 이하입니다.
게시 시간: 2021년 10월 21일
