In order to meet recent market-driven demand to save energy and environment, development of a high-strength and eco-friendly product has become important. Since steel products consist of 60 wt.% of a vehicle, higher strength steel is essential to increase fuel efficiency and decrease the emission of carbon dioxide.
Among the different strengthening mechanisms, grain refinement is an effective method to improve both strength and toughness. Thermo-mechanical processing (TMP) technique is one of the typical methods to produce ultrafine-grained (UFG) steel by controlling the temperature and deformation.
Warm caliber rolling (WCR) belongs to TMP technique to produce UFG steel and guarantees both high strength and toughness. Contrary to the typical hot rolling, WCR was applied in the non-recrystallization region (below A1 temperature). The initial microstructure derived from the phase transformation from austenite to ferrite/pearlite phases was obtained by cooling the billet. These structures evolve from lamellar structures to micro sized ferrite grains that consist of spheroidized and uniformly dispersed submicron cementite particles during the WCR. The refined ferrite grains contributed to improvement of strength and toughness without decrease of ductility to a degree. In spite of these advantages of the WCR, studies on the WCR of the fully pearlitic steel were rather limited.
In this study, the effects of process conditions on mechanical properties of high carbon steel produced by the WCR were investigated. In the WCR process, initial microstructure, tempering temperature and time, interpass time, and rolling temperature are major process parameters which affect mechanical properties. To optimize the process parameters, the initial microstructure was determined by priority based on strength and toughness. Then, the other parameters were investigated with the selected initial microstructure.
To investigate the effect of initial microstructure on mechanical properties, WCR were conducted with the initial microstructures of pearlite and tempered martensite, respectively. As the reference, conventional hot rolling was conducted with the initial microstructure of austenite. Tensile tests and micro-hardness were carried out to compare the strength of material. Toughness of the rolled material was evaluated by Charpy V-notch impact tests. In addition, SEM was utilized to observe microstructural changes.
Based on the test results, the tempered martensite was determined to be the best initial microstructure showing higher strength and toughness. Smaller spacing between cementite particles and dispersed cementite particles aligned to the rolling direction were considered to be the reason of improved strength and toughness, respectively.
To investigate the effect of tempering temperature and time on mechanical properties, three different temperatures of 500℃, 600℃, and 650℃ and time of 1 hour, 3 hours, and 5 hours were applied to the tempering ahead of the WCR at 500℃. According to tensile test results, strength of the rolled specimen under various tempering conditions was similar, however, elongation was the highest under the tempering condition of 1 hour at 500℃.
The rolling temperatures of 500℃, 600℃, and 650℃ were applied after the tempering of 1 hour at 650℃ to avoid an additional tempering by reheating up the specimen from 500℃ and investigate the independent effect of rolling temperature on the mechanical properties of the material. According to tensile test results, the rolling temperatures of 500℃ showing highest yield strength were best condition to apply.
Since the temperature is a key parameter influencing the behavior of material flow, the temperature control is important. To control the temperature during the WCR process, interpass time during the WCR was predicted by the FE analysis. For validity of the FE analysis, friction coefficient and interface heat transfer coefficient were determined based on the shape of the cross section and surface temperature history of the rolling experimental results.
지속적인 유가급등에 대비하고 녹색산업장려정책에 부합하고자 자동차생산업체들은 연비향상과 이산화탄소 배출 저감을 위해 자동차 중량의 약 60%를 차지하고 있는 강의 비강도 향상을 통한 자동차 부품의 소형화와 경량화를 위해 노력하고 있다.
강의 기계적 강도를 향상시키는 여러 방법 중에서 결정립 미세화는 강의 강도와 인성을 함께 증가시켜주는 방법으로 알려져 있다. 결정립을 미세화하는 대표적인 방법인 열-기계적 가공법 (thermo-mechanical processing)은 열처리에 소성가공을 결합시킨 것으로 페라이트 결정립을 미세화하여 개선된 기계적 성질을 가진 소재를 만드는 가공법이다. 열기계적 가공법 중 최근 제안된 온간공형압연(warm caliber rolling)은 강의 생산 시 약 90%에 쓰이는 압연공정에 바로 적용할 수 있다는 장점을 가지며, 소재의 생산 단계에서 고가의 합금 원소의 첨가 없이 소성 변형만으로 소재의 강도와 인성을 동시에 향상 시킬 수 있는 장점을 가진다. 온간공형압연이 많은 장점을 가짐에도 이와 관련된 연구는 주로 저탄소강과 중탄소강에 집중되어 왔으며, 고탄소강에 대한 많은 연구가 이루어지지 않았다. 따라서 본 연구에서는 열-기계적 가공법 중 하나인 온간공형압연 공정을 통해 고탄소강의 강도와 인성을 향상시키기 위한 연구를 수행하였다.
이를 위해 먼저 고탄소강의 온간공형압연 공정 적용 가능성을 확인하고자 초기열처리 없이 온간공형압연을 수행한 후 인장시험을 통해 압연 전/후의 강도와 연성을 확인하였다. 고탄소강의 온간공형압연 적용 가능성 판단을 위한 실험을 통해 온간공형압연의 적용 가능성을 확인한 후 초기열처리를 통한 초기조직의 변화가 온간공형압연 후 기계적 성질에 미치는 영향을 미세조직 분석을 통해 고찰하고 열간압연 공정과 비교하였다.
그 결과 온간공형압연 공정을 적용한 공정 B와 C가 열간압연 공정을 모사한 공정 A에 비해 파단연신율은 감소하였지만, 경도 및 항복강도와 인장강도의 향상을 보였으며, 상온에서 충격에너지가 향상된 결과를 얻었다. 그 후 초기조직 중 강도와 인성이 가장 향상된 공정 C를 선택하여 뜨임온도와 시간 및 압연온도를 변화시켜 기계적 성질에 미치는 영향을 확인하였다.
마지막으로 실험을 통해 확인하기 힘든 압연 중 위치별 온도분포를 유한요소해석을 통해 확인하고 패스 간 시간을 조절하여 기계적 성질에 영향을 주는 불연속적인 재결정이나 결정립의 조대화가 일어나지 않는 공정조건을 찾아 기계적 성질을 향상시킬 수 있는 온간공형압연 공정 설계에 반영하였다.
