1. 서 론
오스테나이트계 스테인리스강은 내식성, 가공성 등이 우수하여 여러 산업분야에서 사용되고 있는 강이다. 그러나 항복강도가 낮아 내식성과 강도가 동시에 요구되는 해양 및 화학 플랜트 등과 같은 산업분야의 구조재로서는 다양하게 사용되지 못하고 있다. 때문에 강도를 향상할 수 있는 적절한 방법이 강구되어야할 필요성이 있다.
이러한 강에서 강도를 높일 수 있는 방법은 오스테나이트를 가공에 의해 마르텐사이트로 변태시킨 후 어닐링처리 하여 미세립 오스테나이트로 역변태시켜 강인화 하는 것이 가장 이상적인 방법이라 판단된다(Kang and Hur, 2012; Kim et al, 1995b; Bhandarkar et al, 1972; Lee and Kwon, 1993). 또한 이러한 강의 수요를 더욱더 확대하고, 사용안정성을 확보하기 위해서는 가공에 의해 생성된 마르텐사이트(이하 가공유기 마르텐사이트라 함)를 전부 오스테나이트로 역변태 시키지 않고 일부 잔류시켜 2상 조직의 강으로 만들어 강도와 연신율의 우수한 조합을 얻는 것도 한 방법이라 판단된다.
지금까지 오스테나이트와 마르텐사이트의 2상 조직을 얻기 위한 조건이나, 2상 조직을 갖는 강에서 인장성질에 대한 연구는 일부 수행되었지만(Kim et al, 1995a), 오스테나이트계 스테인리스강의 가격을 낮추기 위해 Cr과 Ni의 양을 낮추는 대신 Mn이 많이 첨가되어 있는 오스테나이트계 스테인리스강에서는 아직 수행되지 않고 있다.
따라서 본 연구는 고 Mn 오스테나이트계 스테인리스강을 사용하여 가공에 의해 오스테나이트 조직을 마르텐사이트로 변태시킨 다음 이를 온도와 시간을 달리하는 어닐링 처리에 의해 마르텐사이트와 오스테나이트가 함께 존재하는 2상 조직의 강으로 만든 다음 인장특성을 조사하였다.
2. 실험방법
2.1 시료
기존 오스테나이트계 스테인리스강에 비해 Cr을 14％, Ni을 5％ 정도로 낮춘 대신 Mn이 6％ 정도 첨가된 고 Mn 오스테나이트계 스테인리스강을 70％ 냉간압연 하여 오스테나이트의 대부분을 마르텐사이트로 변태시켜 시료로 사용하였고, 그 화학조성을 Table 1에 나타내었다.
2.2 역변태 처리
마르텐사이트와 오스테나이트가 함께 존재하는 2상 조직을 얻기 위한 역변태처리는 70％ 냉간압연 한 시료를 500℃와 700℃ 사이의 여러 온도에서 10분, 그리고 700℃ 온도에서 최대 10분까지 시간을 달리하는 어닐링처리를 하였다.
2.3 미세조직 관찰
냉간압연 한 시료의 미세조직은 광학현미경, 주사전자현미경과 투과전자현미경(Hitach, 200kV)으로 관찰하였다. 또한 냉간압연한 다음 역변태처리 한 시료의 미세조직도 투과전자현미경으로 관찰하였다. 이 때 투과전자현미경 관찰은 시료를 박막으로 만든다음 Jet연마하여 관찰하였다.
2.4 X선 회절시험
가공유기 마르텐사이트와 역변태 오스테나이트의 체적분율은 Cu-Ka X-선을 사용하여 2θ를 10°~80° 범위로 하여 1°/min의 속도로 시험하였을 때 얻은 각상의 상대 적분강도 값을 이용하여 구하였다(Jee et al, 2004).
3. 실험결과 및 고찰
3.1 미세조직
Fig. 1은 70％ 냉간압연 한 고 Mn 오스테나이트계 스테인리스강의 미세조직을 광학현미경과 주사전자현미경으로 나타낸 것이다. 가공에 의해 대부부분의 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태되어 있는 것을 알 수 있다. 또한 주사전자현미경 사진(b)로부터 마르텐사이트가 표면기복을 일으키며 방향성을 띄고 생성되어 있고, 일부는 교차하여 생성되어 있는 것을 알 수 있다(Nohara et al, 1997). 한편 70％ 냉간압연 한 시료의 마르텐사이트의 양은 98％ 이상이었다.
Fig. 2는 70％ 냉간압연 한 시료의 미세조직을 투과전자현미경으로 나타낸 것으로 (a)는 명시야 상, (b)는 명시야 상의 제한 시야 회절패턴(SADP)과 이를 분석하여 나타낸 것이다. BCC 결정구조를 갖는 밴드형상의 α′-마르텐사이트가 생성되어 있는 것을 알 수 있다(Kang et al, 2012).
Fig. 2
TEM micrographs showing the deformation induced martensite in 70％ cold rolled high manganese austenite stainless steel
Fig. 3은 70％ 냉간압연 한 시료를 600℃와 650℃에서 10min. 어닐링 처리하였을 때의 미세조직을 투과전자현미경으로 나타낸 것이다. 두 시료 모두 가공에 의해 생성된 α′- 마르텐사이트 내 300nm 크기 이하의 역변태 오스테나이트가 존재하고 있는 2상 조직으로 되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 600℃ 보다는 650℃가 역변태 오스테나이트의 양이 많은 것을 알 수 있다.
Fig. 3
TEM micrographs showing the reversed austenite obtained by annealing treatment at 600℃ and 650℃ for 10min. in 70％ cold relled high manganese austenitic stainless steel
3.2 역변태 거동
Fig. 5는 역변태에 미치는 어닐링 온도의 영향을 정량적으로 조사하기 위하여 70％ 냉간압연 한 시료를 500℃에서 700℃ 사이온도에서 10분 어닐링 처리 하였을 때 역변태된 오스테나이트의 양을 조사하여 나타낸 것이다. 온도가 높아짐에 따라 역변태된 오스테나이트의 양이 빠르게 증가하고 있는 것을 알 수 있다.
Fig. 5
Effect of annealing temperature on the volume fraction of reversed austenite in 70％ cold rolled high manganese austenitic stainless steel
Fig. 6은 역변태에 미치는 어닐링 시간의 영향을 알아보기 위하여 700℃에서 시간을 달리하여 어닐링처리 하였을 때 역변태된 오스테나이트의 양을 조사하여 나타낸 것이다. 시간이 길어짐에 따라 역변태된 오스테나이트의 체적분율이 빠르게 증가하고 있는 것을 알 수 있다.
Fig. 6
Effect of annealing time on the volume fraction of reversed austenite in 70％ cold rolled high manganese austenitic stainless steel
이상의 결과로부터 가공유기 생성된 마르텐사이트 조직을 갖는 고 Mn 오스테나이트계 스테인리스강을 500℃에서 700℃ 사이의 온도에서 적절한 시간동안 어닐링 처리하면 오스테나이트와 마르텐사이트가 공존하는 2상 조직을 갖는 스테인리스강의 제조가 가능함을 알 수 있다.
3.3 인장성질
Fig. 7은 가공유기 마르텐사이트와 역변태 오스테나이트의 2상 조직을 갖는 고 Mn 스테인리스강의 인장성질에 미치는 어닐링온도의 영향을 조사하여 나타낸 것이다. 온도가 증가함에 따라 항복 및 인장강도가 빠르게 감소하고, 연신율은 서서히 증가하다 550℃ 이상이 되면 빠르게 증가하고 있는 것을 알 수 있다.
Fig. 7
Effect of annealing temperature on the tensile properties of high manganese austenitic stainless steel with two phases of reversed austenite and deformation induced martensite
Fig. 8은 2상 조직을 갖는 고 Mn 스테인리스강의 인장성질에 미치는 어닐링 시간의 영향을 조사하여 나타낸 것이다. 시간의 증가와 함께 항복 및 인장강도가 빠르게 감소하고 있는데 반하여 연신율은 빠르게 증가하고 있는 것을 알 수 있다.
Fig. 8
Effect of annealing time on the tensile properties of high manganese austenitic stainless steel with two phases of reversed austenite and deformation induced martensite
이상의 결과로부터 어닐링 온도가 높아질수록 그리고 시간이 길어질수록 항복 및 인장강도가 감소하고 연신율이 증가하는 것을 알 수 있고, 이러한 이유는 Fig. 5와 6에서 알 수 있는 바와 같이 온도가 높아질수록 그리고 시간이 길어질수록 가공유기 마르텐사이트가 자신보다 강도가 낮은 오스테나이트로 변태되는 양이 많아지기 때문이라 판단된다(Kang and Hur, 2012).
Fig. 9는 마르텐사이트와 오스테나이트가 함께 존재하는 2상 조직을 갖는 고 Mn 스테인리스강의 강도와 역변태 오스테나이트양과의 관계를 조사하여 나타낸 것이다. 온도와 시간을 달리하여 어닐링처리 한 시료에서 역변태된 오스테나이트의 양이 동일함에도 불구하고 강도의 차이가 있지만 역변태된 오스테나이트의 양이 증가함에 따라 항복 및 인장강도가 비례관계로 빠르게 감소하고 있는 것을 알 수 있다.
Fig. 9
Effect of volume fraction of reversed austenite on the tensile and yield strength in high manganese austenitic stainless steel with two phases of reversed austenite and deformation induced martensite
Fig. 10은 2상 조직을 갖는 고 Mn 스테인리스강의 연신율과 오스테나이트 양과의 관계를 조사하여 나타낸 것이다. 연신율 역시 온도와 시간을 달리하여 어닐링처리 한 시료가 역변태된 오스테나이트의 양이 동일함에도 연신율의 차이가 있지만 오스테나이트의 양이 증가함에 따라 역변태된 오스테나이트의 양이 적은 영역에서는 큰 변화가 없다가 역변태된 오스테나이트의 양이 20％ 이상이 되면 빠르게 증가하고 있는 것을 알 수 있다.
Fig. 10
Effect of volume fraction of reversed austenite on the elongation of high manganese austenitic stainless steel with two phase of reversed austenite and deformation induced martensite
이상의 결과로부터 가공유기 마르텐사이트와 역변태 오스테나이트의 2상 조직을 갖는 고 Mn 오스테나이트계 스테인리스강의 강도는 역변태된 오스테나이트에 강하게 영향을 받고, 연신율은 역변태된 오스테나이트의 양이 20％ 이상이 되면 크게 영향을 받게 된다는 것을 알 수 있다.
한편 Fig. 9와 10에서 온도와 시간을 달리하여 어닐링처리 한 시료에서 역변태 오스테나이트의 양이 동일함에도 불구하고 강도와 연신율의 차이가 나타나고 있는데 이는 어닐링처리 온도와 시간이 달라지면 역변태 된 오스테나이트내 냉간압연시 도입된 전위 등의 결함 등의 밀도가 달라지기 때문이다(Mehl, 1948.). 또한 이상의 결과로부터 마르텐사이트와 오스테나이트의 적절한 체적분율을 갖는 2상 조직의 강으로 만들면 강도와 연성의 조합이 우수한 강의 제조가 가능함을 알 수 있다(Kim et al, 1995a).
4. 결 론
가공유기 마르텐사이트와 역변태 오스테나이트의 2상 조직을 갖는 고 Mn 스테인리스강에서 인장성질을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) 역변태 처리에 의해 300nm크기 이하의 초 미세립 오스테나이트가 얻어졌다.
(2) 가공유기 마르텐사이트와 역변태 오스테나이트의 2상 조직은 500℃에서 700℃ 사이의 온도에서 시간을 달리하는 어닐링처리에 의해 얻는 것이 가능하였다.
(3) 역변태 오스테나이트의 양은 어닐링 온도 및 시간의 증가와 함께 빠르게 증가하였다.
(4) 역변태 오스테나이트의 양이 증가함에 따라 강도는 빠르게 감소하는데 반하여 연신율은 서서히 증가하다 빠르게 증가하였다. 따라서 강도와 연신율은 역변태된 오스테나이트에 크게 영향을 받고 있다.
(5) 가공유기 마르텐사이트와 역변태 오스테나이트의 2상 조직을 만들면 강도와 연신율의 조합이 우수한 강의 제조가 가능하다.
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