Medium carbon steel is widely used for automobile products. Processing of quenching and tempering(called QT steel) after hot deformation (rolling, forging) is generally used. Recently, V added microalloyed medium carbon steel is replace QT steel since quenching and tempering procedure could be removed from processing. Produced product have different final microstructure (ferrite, pearling and martensite etc) by processing and mechanical property is directly related with microstructure size. Fine microstructure show improved mechanical property and final microstructure came from austenite at high temperature before transformations. It`s called prior austenite grain size(p-AGS). It`s well known that fine pAGS can make fine final microstructure and V-microalloyed medium carbon steel is very useful for fine pAGS because it have precipitates at high temperature. Precipitates can inhibit the grain coarsening at high temperature with Zener drag force. But observation of pAG behavior during high temperature processing, so it`s difficult to understand of determine accurately what kind of phenomena is more crucial for pAG behavior. In this paper, I tried to observe the pAGS behavior during high temperature processing (induction hardening and high temperature heating) using computational simulation method called Monte Carlo simulation.
Firstly, I studied austenite grain coarsening behavior during induction hardening process. Surface microstructure induction hardened have various grain size along depth from surface and that came from temperature gradient during induction hardening process. Surface pAGS was also increased when input power and frequency increase since input power and frequency make heating rate increase dufing induction hardening. But, there is also abrupt increment of pAGS between 20kW and 30kW of input power. Surface hardness show pAGS variation is rarely influence to hardness and there were many reports about that pAGS after induction hardening process effect on the fatigue property. In V-microalloyed medium carbon steel, pAGS is dramatically increase when input power was increased(from 20kW to 30kW). Experimental simulation using gleeble show this abrupt pAGS increment was directly related with V-carbonitride precipitates. Abobe 900℃, pAGS show sudden increment and thermodynamic equilibrium calculation for precipitates (MnS and V(C,N)) show that precipitates were dissolved around 900℃. Microstructure simulated with non-isothermal monte carlo simulation show temperature gradient make pAGS gradient along depth from surface but more continuous profile was established. Monte carlo simulation results with precipitates gradient under isothermal condition show that precipitates fraction profile cause abnormal grain growth at surface. Because small fraction of precipitates do not have efficient Zener drag force to pin growing grains and not distributed widely. Monte carlo simulation results with temperature gradient and precipitates fraction gradient in hardened surface show pAGS difference is more bigger with different surface temperature than pAGS difference under only temperature gradient. With results, induction hardening process with V-microalloyed medium carbon steel can cause abnormal grain growth by precipitates fraction gradient in hard-ened surface and it`s essential much consideration about precipitates dissolution.
Secondly, Zener pinning phenomena was simulated during high temperature heat treatment. The criti-cal problem was recognized with standard monte carlo simulation for grain growth with precipitates. That`s the attractive force between precipitate and grain boundary. So, almost 2D monte carlo simulation show dif-ferent Zener relation with theoretical and experimental. Because it`s possibte that Zener drag force could be overestimated with standard monte carlo simulation, standard monte carlo simulation show almost not-random precipitates distribution situation. In this paper, modified monte carlo simulation method was sug-gested to apply more uniform and not overestimated Zener drag force. Results with modified monte carlo simulation show less Zener drag force than standard monte carlo simulation and much well follow the exper-imental results from literature.
In real system, materials heat treated is not equilibrium so precipitation kinetics is very important to predict pAGS behavior, especially grain coarsening temperature (GCT). In this research, GCT prediction using mixed precipitation kinetics and monte carlo simulation with modified method was tried and results show difference about 50℃. The difference between prediction and experimental would come from bi-precipitates condition. Because, in real materials, there are several kinds of precipitates. If under sufficiently low tempera-ture (sufficient precipitates fraction) limited grain size was effected almost from precipitate which have big-gest Zener drag force, but, in high temperature, limited grain size determined by mixed Zener drag force. So, more effort is necessary to adapt to real system. But results show that modified monte carlo simulation meth-od is more applicable to real system than standard monte carlo simulation.
중탄소강은 자동차 부품 제조에 널리 사용되는 재료인데 주 공정은 고온 변형 후 ㅋㅞㄴ칭과 템퍼링으로 구성되어 있다.(QT공정) 최근 V가 첨가된 비조질강의 개발로 열처리 공정을 생략할 수 있게 되어 기존의 QT강을 많은 부분에서 대체하고 있다. 생산된 부품의 기계적 성질은 공정에 따라 다양한 최종 조직을 갖는데 이는 부품의 기계적 성질과 직접적으로 관련이 있다. 미세한 조직은 향상된 기계적 성질을 나타내는데 최종 조직의 미세화는 pAGS라 불리는 변태 전 고온에서의 오스테나이트 조직과 관련이 깊다. 또한 V 첨가 비조질강의 경우에는 고온에서 석출물을 형성하기 때문에 고온 오스테나이트 결정립 성장 억제에 탁월한 효과가 있다. 이는 석출물이 결정립 성장을 억제하는 Zener pinning force로 작용하기 때문이다. 하지만 고온에서의 오스테나이트 조직은 직접적으로 관찰할 수 없기 때문에 제조 공정이 고온 오스테나이트 결정립 성장 거동에 미치는 영향을 이해하기가 어렵다. 이에 본 논문에서는 미세 조직의 전산 모사 방법 중 하나인 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 부품 제조 공정에서 가장 널리 사용되는 공정(고주파 표면 경화 공정 및 고온 열처리)에서 일어나는 오스테나이트 결정립 변화 거동을 모사하고자 하였다.
첫째로, 고주파 표면 경화 공정 중 일어나는 오스테나이트의 결정립 변화 거동을 모사하였다. 고주파 표면 경화된 미세 조직은 깊이에 따라 오스테나이트의 결정립 크기 변화를 보이고 이는 열처리 공정 중 경화층에 형성된 온도 구배에 의하여 형성된 것임을 알 수 있다. 표면 오스테나이트 결정립 크기는 입력 파워와 주파수가 증가할 수록 커지는데 이는 공정 변수에 의하여 열처리 시에 표면의 승온 속도가 증가하기 때문에 같은 시간 열처리를 실시할 때 표면 열처리 온도가 증가하기 때문이다. 하지만 입력 파워가 20kW에서 30kW로 증가하였을 때 결정립의 크기가 급격하게 증가하는 경향을 보였다. 경화층의 경도 측정 결과 경도는 결정립 크기에 거의 무관함이 관찰되었고 실제로 오스테나이트 결정립 크기는 주로 피로 강도와 밀접한 관련이 있다는 많은 연구 결과가 있었다. Gleeble을 이용한 열처리 공정의 실험 모사 결과 결정립 크기의 급격한 변화는 V 탄질화물과 직접적으로 관련이 있음을 알 수 있었다. 결정립 크기가 900℃ 부근에서 급격한 증가가 일어나는데 이 온도는 열역학 평형 계산 결과에서 V 탄질화물의 재용해 온도와 거의 일치하기 때문이다. 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 온도 구배가 존재하는 경우에 미세 조직 변화를 모사한 결과 온도 구배에 의하여 경화층에 형성된 결정립은 점진적으로 감소하는 경향을 보였다. 온도 구배 없이 석출물의 분율 구배가 경화층에 존재하는 경우에 대하여도 모사를 실시하였는데 표면에 비정상 결정립 성장이 일어나는 현상을 보였다. 이는 온도 구배의 존재로 인하여 석출물의 부분적인 용해와 조대화가 일어나기 때문에 경화층에 석출물의 분율 구배가 발생할 것으로 판단되기 때문이다. 최종적으로 경화층에 온도 구배와 석출물의 분율 구배가 동시에 존재하는 경우에 대하여 전산 모사를 실시한 결과 온도 구배가 존재하는 경우에 비하여 결정립 크기 차이가 더 크게 났었다. 모사 결과를 토대로 V 첨가 중탄소강의 고주파 표면 경화 열처리는 표면에 석출물의 분율 구배를 일으키고 이는 표면에 비정상 결정립 성장을 유발하기 때문에 공정 변수의 결정에 석출물의 분율 변화를 충분히 고려해야 함을 알 수 있다.
둘째로, Zener pinning 현상에 대하여 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 전산 모사를 실시하였다. 기존의 시뮬레이션 방법은 석출물과 계면 간에 인력이 작용하여 Zener force가 과대평가 될 수 있는 문제점이 발생할 가능성을 인지하였다. 이러한 문제점으로 인하여 현재까지 대부분의 2D 시뮬레이션에서 Zener 관계식은 이론이나 실험 결과와 차이를 보이는데 이는 Zener force의 과대 평가에 의하여 의도치 않게 석출물의 non-random 분포가 모사되기 때문이다. 이에 본 논문에서는 이러한 과대 평가를 줄일 수 있는 방법을 제시하였고 수정된 방법으로 모사를 실시한 결과 실제 실험 결과의 경향과 유사한 경향을 모사 결과에서 관찰할 수 있었다.
한편, 실제 재료에서는 열처리 공정 중 평형 상태에 도달하지 않기 때문에 평형 계산 결과로만 결정립 성장 거동, 특히 결정립 조대화 온도를 예측하기는 어렵다. 따라서 결정립 조대화 온도 예측을 위해서 본 논문에서는 석출 속도 계산과 새롭게 제안한 몬테카를로 시뮬레이션을 결합하여 새롭게 GCT 예측을 시도하였고 예측 결과 실험 결과보다 약 50℃ 낮게 예측되었다. 이는 시뮬레이션에서 단일 석출물만 고려한 부분에서 발생한 오차로 판단된다. 이는 만약 열처리 온도가 충분히 낮아서 충분한 양의 석출물이 발생한다면 최종 결정립 크기는 가장 큰 Zener force를 보이는 석출물에 대부분의 영향을 받지만, 열처리 온도가 높으면 여러 석출물의 다양한 Zener force가 결합하여 결정립 크기가 결정되기 때문으로 판단된다. 따라서 실제 조대화 온도 예측을 위해서는 다양한 조건에서의 모사 결과가 필요하다. 하지만 모사 결과는 기존의 몬테카를로 시뮬레이션 결과에 비하여 실험 결과와 잘 일치하는 모습을 보였다.
