Over the past 40 years, significant progress has been achieved in the development of high strength low alloy (HSLA or MA, microalloyed) steels. The properties attained depend on the presence of small addi-tions (generally less than 0.1%) of niobium, vanadium, or titanium which, by precipitating in the form of carbonitrides, can give inhibition of grain growth. In industry, the final products of automobile components have been produced from these kinds of MA steel.
The products can be achieved without following heat treatment by using controlled cooling processing with V-MA(vanadium micro-alloyed) medium carbon steel(Non-normalized steel) which has fine austenite grain size by vanadium MA. This steel has been widely used to produce car components than QT steel(quenching and tempering). However, V-MA steel has lower toughness property than that of QT steel. Generally, it is well known that toughness in non-normalized steel is heavily affected by p-AGS(prior-austenite grain size).
This thesis deals with hindering coarsen p-AGS in V-MA to achieve fine grains by adding aluminum and nitrogen in micro-quantity to precipitate AlN(aluminum nitride). However, aluminum is not usually classi-fied as a microalloying element and has been employed primarily for deoxidation purposes. The reason why it has not been employed to be MA element is its harmful effect on mechanical property such as cracking, fracture and toughness. Some researchers have reported that it has also grain refining ability. Therefore, it is needed that accurate analysis of AlN precipitation on properties for replacing expensive MA elements such as Ti, Nb and V, aluminum can be a solution.
Aluminum nitride nucleates with some difficulty in steel, unless precipitation can be enhanced by prior thermal or mechanical treatment. For carrying out this study, there are two kinds of specimens, S45CVMn(#1) and S45CVMn + [Al, N] (#4), which is containing aluminum and nitrogen in micro quantity. To make the AlN effect on grain coarsening, while changing annealing temperature, we observed micro-graphs of p-AGS and obtained GCT(grain coarsening temperature). We set 4 kinds of pre-thermomechanical treatments and operate them with Gleeble $1500^{TM}$ which is thermo-mechanical simulator. These treatments had effects on AlN kinetics variably and showed different AlN precipitation in time and temperature variables. Furthermore, to quantify the amount of AlN precipitates existing in steel matrix, we used the selective dissolution technique and we used TEM with carbon replica method to have direct observation from AlN particles.
As a result of this study, AlN precipitation was sensitively affected by heat treatment history and in case of fully precipitated, GCT has increased about $150^\circ C$ more. In addition, both of deformed and reheated conditions have shown large amount of precipitates. For these research steps, we achieved the optimum condition for precipitating AlN in austenite and the GCT.
지난 40년간, 고강도 저합금강의 개발에 있어서 눈부신 발전이 이루어졌다. 0.1% wt이하의 적은 양의 니오븀, 타이타늄, 바나듐의 존재로 인해 형성된 카보나이트라이드는 결정립성장의 억제할 수 있었다. 주로 자동차 산업에서 쓰이는 부품들 또한, 이러한 종류의 미량합금강으로 만들어진다.
자동차 부품 제조로 널리 사용되는 비조질강인 V-Microalloyed(V-MA) 중탄소강은 V를 미량 첨가하여 오스테나이트 결정립을 미세화하고 탄질화물의 석출강화를 활용하는 강으로 열간 단조 공정에서 열간단조후 후열처리 없이 제어냉각 공정만으로 최종 부품의 제조가 가능하다, 공정의 경제성으로 인하여 종래의 조질강 (QT : Quenching-Tempering)을 대체하여 부품 제조에 많이 사용되고 있다. 그러나 V-MA 열간단조강은 일반적으로 열간단조후 후열처리, 즉 Quenching-Tempering (QT)를 시행하는 종래의 조질강 (QT강)에 비해 인성이 열악하다는 문제가 있어 왔다. 일반적으로 비 조질강의 인성은 초기 오스테나이트 결정립 즉, p-AGS(prior-austenite grain size)에 큰 영향을 받는 것으로 알려져 있다.
본 연구에서 다루는 강은 알루미늄과 질소의 미량 첨가한 V-microalloyed강으로서, 석출되는 AlN를 이용하여 p-AGS(prior-austenite grain size)를 제어한다. 하지만, 보통 Al은 미량합금 원소로 분류되지는 않을 뿐만 아니라, 탈산제로 사용되었다. 그 이유는 cracking, fracture 그리고 인성과 같은 기계적 성질의 저하를 유발하기 때문이다. 또 다른 연구자들은 AlN에 의한 결정립 미세화 효과가 있다고 보고한다. 따라서, Al 미량 첨가에 따른 효과를 분석 함으로써 미량합금원소(Ti, Nb, V) 대체를 통해 비용절감을 이룩할 수 있을 것으로 기대된다.
AlN는 강 입내에서 가공열처리에 민감하게 핵생성 되는 것으로 알려져 있다. 이 연구를 수행하기 위해 2가지의 비교강(S45CVMn, #1 시편)과 실험강(S45CVMn+[Al,N], #4 시편)을 준비하였다. 실험강은 V-microalloyed 중탄소강에 Al과 N이 미량 첨가된 강이다. 먼저, Al과 N의 첨가에 따른 AlN의 효과를 확인하기 위해 어닐링 온도를 바꿔가며 p-AGS를 측정한 결과 서로 다른 GCT 결과를 얻을 수 있었다. 또한, Gleeble $1500^{TM}$ 고온변형모사 시험기를 통해 4가지의 서로 다른 선가공열처리를 수행하였다. 이 실험을 통해 각 조건에서 달라지는 AlN 석출 속도론과 그에 따른 온도와 시간에 따른 결정립 성장 억제를 관찰 할 수 있었다. 뿐만 아니라, 선택적 추출 방법을 이용해 정량 분석을 수행하였으며, 카본 레플리카법을 통해 직접적인 AlN의 관찰을 TEM으로 할 수 있었다.
결과적으로 Al과 N이 미량 첨가된 실험강의 경우가 첨가되지 않은 비교강에 비해 GCT 온도가 $150^\circ C$ 가량 높게 나타나게 되었고, Gleeble $1500^{TM}$ 을 통한 실험에서는 ID(변형 및 어닐링)과 QR(급랭 및 재가열)의 경우에서 빠른 속도의 AlN 석출에 의해 나머지 선가공열처리 조건인 IH(등온 열처리), HT(균질화 처리)에 비해 $100^\circ C$ 가량 높은 $1100^\circ C$ 가 결정립 조대화를 막아주는 결과를 얻었다. 이상의 4가지 종류의 선가공열처리를 수행한 Gleeble $1500^{TM}$ 을 통해 AlN 석출이 가장 빠른 최적의 조건을 찾을 수 있었다.
