탄소 구조강에서 인 편석의 형성 및 균열 분석
현재 국내 제철소에서 공급하는 탄소 구조용 선재 및 봉강의 일반적인 규격은 φ5.5~φ45이며, 보다 성숙한 규격은 φ6.5~φ30입니다. 이러한 소형 선재 및 봉강 원자재에서 인 편석으로 인한 품질 사고가 빈번하게 발생하고 있습니다. 인 편석의 영향과 균열 발생 원인 분석을 참고 자료로 제공하고자 합니다.
철에 인을 첨가하면 철-탄소 상평형도에서 오스테나이트 상 영역이 닫히게 됩니다. 따라서 고상선과 액상선 사이의 거리가 넓어져야 합니다. 인을 함유한 강이 액체에서 고체로 냉각될 때 넓은 온도 범위를 통과해야 합니다. 강에서 인의 확산 속도는 느립니다. 이때, 인 농도가 높은(융점이 낮은) 용융철이 처음 응고된 수지상 결정 사이의 틈을 채우면서 인 편석이 형성됩니다.
냉간 단조 또는 냉간 압출 공정에서 균열이 발생한 제품이 종종 관찰됩니다. 균열이 발생한 제품의 금속 조직 검사 및 분석 결과, 페라이트와 펄라이트가 띠 형태로 분포되어 있고, 기지 내에 백주철 띠가 뚜렷하게 보입니다. 페라이트 기지 내에는 띠 모양의 연회색 황화물 개재물이 간헐적으로 나타납니다. 이러한 띠 모양 구조는 인화황의 편석으로 인해 발생하며, 이를 "유령선(ghost line)"이라고 합니다. 이는 인 편석이 심한 영역의 인 함량이 높은 부분이 하얗고 밝게 보이기 때문입니다. 이 백주철 띠의 인 함량이 높기 때문에 탄소 함량은 감소하거나 매우 낮습니다. 이러한 이유로, 인이 풍부한 띠를 연속 주조할 때 연속 주조 슬래브의 주상 결정은 중심부를 향해 발달합니다. 빌릿이 응고될 때, 용강에서 오스테나이트 수지상 결정이 먼저 석출됩니다. 수지상 결정에 함유된 인과 황은 환원되지만, 최종적으로 응고된 용강은 인과 황 불순물이 풍부하게 함유되어 있습니다. 이 불순물들은 수지상 결정 축 사이에서 응고되는데, 인과 황 함량이 높기 때문에 황은 황화물을 형성하고 인은 기지에 용해됩니다. 인은 쉽게 확산되지 않고 탄소를 배출하는 효과를 냅니다. 탄소는 용융되지 않으므로 인 고용체 주변(페라이트 백색 띠의 측면)은 탄소 함량이 높습니다. 페라이트 띠의 양쪽, 즉 인이 풍부한 영역의 양쪽에 있는 탄소 원소는 각각 페라이트 백색 띠와 평행한 좁고 불연속적인 펄라이트 띠를 형성하고 인접한 정상 조직과 분리됩니다. 빌릿을 가열 및 압착할 때, 이 펄라이트 띠는 압연 가공 방향을 따라 연장됩니다. 이는 페라이트 밴드에 인 함량이 높기 때문이며, 즉 심각한 인 편석으로 인해 철 원소 본체의 넓고 밝은 밴드 내에 밝은 회색 황화물 띠가 뚜렷하게 나타나는 광범위하고 밝은 페라이트 밴드 구조가 형성되기 때문입니다. 이러한 긴 황화물 띠를 포함하는 인이 풍부한 페라이트 밴드를 일반적으로 "유령선" 구조라고 부릅니다(그림 1-2 참조).
그림 1. 탄소강 SWRCH35K 200X의 고스트 와이어
그림 2. 일반 탄소강 Q235 500X의 고스트 와이어
강철을 열간압연할 때, 빌릿에 인 편석이 존재하면 균일한 미세구조를 얻는 것이 불가능합니다. 더욱이, 심각한 인 편석으로 인해 "유령선" 구조가 형성되어 재료의 기계적 특성이 필연적으로 저하됩니다.
탄소강에서 인의 편석은 흔한 현상이지만, 그 정도는 다양합니다. 인이 심하게 편석되면("유령선" 구조가 나타남) 강재에 매우 악영향을 미칩니다. 특히, 심한 인 편석은 냉간 단조 공정 중 재료 균열의 주요 원인입니다. 강재의 각 결정립마다 인 함량이 다르기 때문에 강도와 경도가 달라지고, 내부 응력이 발생하여 내부 균열이 발생하기 쉬워집니다. "유령선" 구조가 나타난 재료에서는 경도, 강도, 파괴 후 연신율, 단면적 감소율이 특히 높고, 충격 인성이 크게 저하되어 냉간 취성이 발생합니다. 따라서 인 함량과 강재의 구조적 특성은 매우 밀접한 관계를 가지고 있습니다.
금속 조직 검사 결과, 시야 중앙의 "유령선" 조직에서 다수의 밝은 회색의 길쭉한 황화물이 관찰되었습니다. 구조용 강재의 비금속 개재물은 주로 산화물과 황화물 형태로 존재합니다. GB/T10561-2005 "강재 내 비금속 개재물 함량에 대한 표준 등급표 미세 검사 방법"에 따르면, B형 개재물은 가황 처리된 상태이며, 이때 재료 등급은 2.5 이상입니다. 비금속 개재물은 균열 발생의 잠재적 원인이며, 강재 미세 구조의 연속성과 치밀성을 심각하게 손상시키고 입계 강도를 크게 저하시킵니다. 따라서 강재 내부 구조의 "유령선"에 황화물이 존재하는 것은 균열 발생 가능성이 가장 높은 부위임을 알 수 있습니다. 따라서 많은 체결 부품 생산 현장에서 발생하는 냉간 단조 균열 및 열처리 담금질 균열은 다량의 밝은 회색의 가느다란 황화물 때문에 발생합니다. 이러한 불량한 섬유 구조는 금속 특성의 연속성을 저해하고 열처리 위험을 증가시킵니다. "유령 섬유"는 노멀라이징 등의 공정으로 제거할 수 없으므로, 제련 공정 또는 원자재가 공장에 반입되기 전부터 불순물 원소를 엄격하게 관리해야 합니다.
비금속 개재물은 조성 및 변형성에 따라 알루미나(A형), 규산염(C형), 구형 산화물(D형)로 구분됩니다. 이러한 개재물이 존재하면 금속의 연속성이 끊어지고 박리 후 구멍이나 균열이 발생합니다. 냉간 성형 시 균열 발생의 원인이 되기 쉽고, 열처리 시 응력 집중을 유발하여 담금질 균열로 이어질 수 있습니다. 따라서 비금속 개재물은 엄격하게 관리해야 합니다. 현재 사용되는 GB/T700-2006 "탄소 구조강" 및 GB/T699-2016 "고품질 탄소 구조강" 표준에서는 비금속 개재물에 대한 명확한 요구사항을 제시하고 있지 않습니다. 중요 부품의 경우, A, B, C형의 조립선과 미립선의 비율은 일반적으로 1.5 이하, D형과 Ds형의 조립선과 미립선의 비율은 2 이하로 제한됩니다.
게시 시간: 2021년 10월 21일
