어제의 뉴스는 자동차 강철의 강인성이 100% 증가했다고 밝혔다. 사실입니까?

강철의 강도를 높이는 간단하고 저렴한 방법은 탄소 함량을 늘리는 것이다. 그러나 이 방법은 성형, 용접성, 인성 및 기타 성능과 같은 기타 필요한 성능을 약화시킵니다. 성능이 중요한 일부 응용에서는 탄소 함량이 낮은 수준으로 유지되어야 한다. 저탄소 강철의 강도를 높이고 높은 수준의 종합 성능을 유지하기 위해 가장 경제적인 방법은 마이크로합금화 기술을 적용하는 것이다.

왜 강도가 높습니까?

고강도 강철의 응용은 판의 두께를 줄여 많은 응용에서 무게를 줄일 수 있다. 자동차 산업에서 차체의 경량화는 연료를 절약하여 환경을 보호 (배기량 감소) 할 수 있습니다. 조선업에서는 선체가 더 많은 화물을 적재하기 위해 경감될 수 있다. 그림 3 은 파이프 구조에서 파이프의 적용을 보여줍니다. 길이가 18m 이고 외부 지름이 1000mm 인 파이프의 경우 저강도 강철 대신 고강도 강철 X70 을 사용하면 파이프 중량이 14t 에서 6t 로 줄어듭니다. 또 다른 중요한 예는 그림 4 와 같이 민간 건물이다. 저강도 강철 (235MPa) 대신 460MPa 의 고강도 강철로 40% 의 재료를 절약하고, 중량을 50% 이상 줄이며, 용접 재료를 70% 이상 절약할 수 있습니다.

미세 합금화 효과

그림 5 는 주요 마이크로합금 원소 Nb, V, Ti 가 강도와 인성을 높이는 데 미치는 영향과 그 강화 메커니즘을 보여 줍니다. 이 세 가지 요소는 모두 결정립 미세화와 침전 강화를 통해 강도를 높이지만, 각 메커니즘의 강화 정도는 다르다. Nb 의 결정립 미세화 강화작용이 가장 강하고, V 의 석출 강화작용이 가장 강하며, Ti 는 둘 사이에 있다. 그림 6 에서 볼 수 있듯이 결정립 미세화는 인성을 동시에 높일 수 있는 유일한 강화 메커니즘입니다. 따라서 파이프라인 강철, 구조용 강철 등과 같이 강도와 인성이 모두 필요한 경우 모두 텅스텐을 추가해야 합니다. 그림 5 에서도 니오븀이 경제적으로 효과적이라는 것을 알 수 있다. 저탄소 강철의 항복 강도를 100MPa 로 높이려면 0.02% 의 텅스텐과 두 배의 텅스텐을 넣어야 한다.

니오브 결정립 미세화에 의한 강한 작용은 오스테 나이트가 고용체를 통한 재결정 지연과 관련이 있으며, 특히 압연 중 니오븀의 탄질화물이 석출된다. 그림 7 은 각각 Nb, V 및 Ti 가 포함된 강철의 효과를 보여 줍니다. 압연의 마지막 단계에서 오스테 나이트의 재결정을 막고 평평한 입자의 변형을 촉진하여 매우 작은 페라이트 결정립을 생성합니다.

텅스텐의 또 다른 중요한 역할은 중저탄소강의 상전이 온도를 낮춰 베이 조직의 형성을 촉진하는 것이다. 이는 그림 8 과 같이 이미 많이 연구되었다. 전이 온도의 감소는 압연 과정에서 일부 텅스텐이 고용체에 남아 침전반응이 발생하지 않았기 때문이다. 이 효과는 그림과 같이 Nb 와 Mo 가 동시에 추가되거나 Nb 와 B 가 동시에 추가될 때 시너지 효과를 통해 향상됩니다. 실제 예는 X80 파이프 라인 강철입니다. 철소체-저주광체 조직은 인성 요구 사항을 충족시킬 수 있지만 강도 수준에 미치지 못한다.

미세 합금화는 압연 제품에만 효과가 있을 뿐만 아니라 V 는 열처리급 강철의 강도를 높일 수 있고, 텅스텐은 알갱이를 다듬을 수 있다. 그림 9 에서 볼 수 있듯이 정상적인 열처리 후 텅스텐은 결정립을 크게 다듬습니다.

원하는 높은 수준의 성능을 얻기 위해서는 S, N, P 와 같은 불순물 함량을 조절하는 것도 중요하다. 제강에서, 특히 고인성이 필요한 판재 제품에 대해서는 더욱 그렇다. 그림 10 은 S 가 충격 성능에 미치는 영향을 보여줍니다. S 의 함량을 낮은 수준으로 조절하기 위해서는 황화물 모양 컨트롤 (보통 칼슘으로 처리됨) 을 적용하여 측면 인성에 해로운 확장을 방지하는 황화마그네슘이 매우 중요하다.

그림 1 1 에서 볼 수 있듯이 질소는 열 영향 지역의 인성에 큰 손상을 입히기 때문에 저질소를 보급할 가치가 있다. 이런 손해는 티타늄으로 유리 질소를 고정함으로써 줄일 수 있다. 질화 티타늄은 고온에서 매우 안정적이어서 입자가 자라는 것을 막을 수 있다. 그림 12 는 티타늄 질소 고정 처리가 열 영향 영역의 인성을 높이는 이점을 보여줍니다. 그러나 티타늄을 사용하려면 좋은 제어 수단이 필요하다. 강철에 첨가된 티타늄의 양은 질소 고정에 필요한 양으로 제한해야 한다. 티타늄을 더 넣으면 탄화티타늄이 형성되어 13 과 같이 열 영향 영역의 인성을 파괴한다. 질소는 14 와 같이 용접 금속의 인성에도 영향을 줍니다.

박판 제품의 미세 합금화

시트 제품의 기술적 진보는 다음과 같습니다.

1950 년대 말: Nb 의 도입

60 년대: 압연 제어에 관한 실험적 탐구

70 년대: 미세 합금화 및 제어 압연을 전면적으로 실시하다.

80 년대: 가속 냉각을 실시하다.

90 년대: 직접 담금질.

그림 15 는 다양한 냉각 공정에서 미세 합금 원소 Nb, V, Ti 의 강화 효과, 특히 Nb 의 인성 향상 효과를 보여줍니다.

마이크로합금화 강판은 관강, 조선용 강철, 해양플랫폼, 민간건물 (교량, 육교, 건축) 등 광범위하게 응용된다.

표 1 에서 볼 수 있듯이 파이프라인 강철 제품의 발전은 탄소 함량이 감소하고 있지만 강도가 증가하고 있음을 보여줍니다. 이 이유는 이전에 이미 설명했다. X80 으로 업그레이드 된 제품은 상업적으로 생산되었으며 일부 철강 기업은 X 100 을 개발했습니다. 수소 균열 성능을 높이려면 표 2 에 나와 있는 공업 제품과 같이 더욱 엄격한 제강 공정과 매우 낮은 탄소 황 함량이 필요합니다.

마지막으로 표 3 에는 열연과 난로 두루마리 제품을 포함한 몇 가지 파이프라인 강철이 요약되어 있습니다. 표에서, 우리는 일부 강철의 플루토늄 함량이 정상 수준보다 높고, 0.07% 에서 0.09% 까지 다양하다는 것을 알 수 있다. 최근 몇 년 동안 이 강들은 이미 북미에서 상업화 생산을 진행했다. 높은 플루토늄 함량은 오스테 나이트 재결정을 더 높은 온도 (그림 7 참조) 로 지연시켜 제어 압연 공정을 더욱 느슨하게 할 수 있습니다. 예를 들어 최종 압연 온도가 높으면 전력이 제한된 강판 압연기에 도움이 됩니다. 그리고 이 초저탄소 고철강은 매우 좋은 인성 특성을 가지고 있다.

해양 플랫폼 및 조선업의 경우 1970 년대 이후의 추세는 탄소 함량을 줄이는 것이다. 특히 용접 작업량이 많고 용접 성능을 높여야 하는 경우 더욱 그렇다. 표 4 는 정상적인 열처리 및 가속 냉각 공정에서 생산되는 335MPa 급 강철의 전형적인 화학 성분을 보여줍니다.

민용건축 방면에서 그림 16 은 스웨덴 현대교량에 사용된 고강도 마이크로합금강을 보여준다. 고강도 강철, 항복 강도 460MPa, 변형 열처리 (TMCP) 는 감량 100t, 비용 2500 만 달러 절감. 표 5 는 정상 상태 (N), 제어 압연 (TM), 담금질 및 템퍼링 (QT), 변형 열처리 (TMCP) 및 직접 담금질 (DQ) 인 50mm 두께의 구조 보드 제품의 일반적인 화학 성분을 보여줍니다. 최근 몇 년 동안 소방안전이 점점 더 중요해졌다. 그림 17 과 같이 내화성 구조용 강철이 개발되었으며 강철에 Nb 및 Mo 를 추가하여 고온 강도를 높였습니다.

자동차 공업용 열간 압연 및 냉간 압연 강판

1970 년대 초의 첫 번째 석유 위기 이후, 마이크로합금 열연과 냉연강판은 자동차 공업에 광범위하게 사용되었다. 저강도 강철 대신 고강도 강철을 사용하는 것은 과거에도 여전히 자동차 무게를 줄이고 연료를 절약하는 효과적인 방법이다. 안전의 필요성도 고강도 강재의 응용을 자극했다.

열연 강판

열연 저합금 고강도 강판 (HSLA) 은 주로 트럭 섀시와 버스의 바퀴와 허브에 사용됩니다. 전통적인 항복 강도 수준은 350 MPa-550 MPa 사이에 철소체와 소량의 펄라이트 조직이 있다. 표 6 에는 몇 가지 전형적인 화학 성분이 나와 있습니다. 과거에는 이 강들도 Ti 를 주요 마이크로합금 원소로 생산했는데, 특히 과거 강철의 황 함량이 비교적 높을 때 더욱 그러하였다. 티타늄을 첨가하는 또 다른 주요 작용은 황화물의 모양을 조절하는 것이다. 그러나 탄화물 형성의 역학으로 인해 압연 과정은 매우 복잡하며, 대부분의 경우 18 과 같이 최종 제품 성능의 일반적인 대규모 분산을 피하기 위해 허용되지 않습니다. 철소체-주광체 강에서는 두 가지 마이크로합금 원소가 시트 두께 방향에서 더 높은 강도를 얻을 때 Nb 와 V 의 조합으로 성능 분산 범위가 작아집니다. 위의 고려 사항에는 Ti 의 탄화물 침전 강화 작용이 포함된다. Ti 는 N 을 고정하는 데만 사용하면 매우 효과적이며, Nb 가 포함된 강철에서는 강도가 더욱 높아진다. 더 많은 Nb 도 주조성을 높일 수 있기 때문이다.

최근 690MPa 급 트럭 대들보 강철이 개발되어 열연강 직접 압연된 베이 스틸의 모든 강화 메커니즘을 이용했습니다 (그림 19 참조). 표 7 에는 두 유럽 제품의 합금 설계가 나와 있습니다.

철소체-베이 강철, 10~30% 베이, 바퀴, 바퀴, 섀시에 사용. 철소체-주광체 강보다 플랜지의 가장자리 확장 성능이 더 좋습니다. 철소체-마르텐 사이트-쌍상강과는 달리 허브 타이어를 용접할 때 이 강철을 사용하면 부분 수축이 발생하지 않습니다. 그림 20 에서와 같이 합금 설계 및 롤링 매개변수 (감기 온도) 를 제어하여 2 상이 주로 베이 체상일 때 강도와 성형성의 최적의 조합을 얻을 수 있습니다.

냉간 압연 강판

전통적인 마이크로합금화 고강도 냉연강판은 자동차 공업에서 25 년 동안 사용되어 왔지만 일부 자동차 부품은 높은 성형성을 필요로 하지 않는다. 그림 2 1 은 커버로 어닐링 강판의 전형적인 화학 성분을 보여줍니다. 기존의 미세 합금강은 연속 어닐링 라인에서도 생산할 수 있으며, 이 경우 주어진 강종에 대해 더 높은 강도를 얻을 수 있습니다. 예를 들어 그림 22 와 같이 쌍상강은 자동차 측면 점토판에 사용됩니다.

더 복잡한 모양의 제품-차체 (통합

패널 개발) 및 기존 강재가 커버로의 퇴화와 같은 성형성에 미치지 못해 연속 퇴화를 도입하여 얇은 강판을 생산하는 새로운 강재, 즉 초저탄소 IF 강을 개발해야 한다.

틈없는 강철은 Ti, Nb 또는 Ti+Nb 를 추가하여 틈없는 원자를 생성합니다. 특히 아연 도금 제품에서 TiNb 이음매없는 강철은 그림 23, 24, 25, 26, 27, 28 과 같이 최적의 기계적 성능과 우수한 표면 품질을 얻을 수 있습니다. Ti 만 있는 수밀 강철은 표면 결함을 일으키기 쉽다.

피츠버그 대학의 최신 연구는 철소체 결정계가 용해될 때 중요한 역할을 할 수 있다는 것을 보여준다. 결정계에 용해된 텅스텐은 냉가공 취성을 개선하고 아연도금 제품의 분화 추세를 낮출 수 있다.

단조용 미세 합금강

마이크로합금화 기술은 단조 자동차 부품 강철에 적용되어 자동차 부품을 생산하면 전통적인 조정 열처리를 취소할 수 있어 생산 비용을 크게 절감할 수 있다. 표 8 에는 시장에 나타나는 일부 강종이 나와 있다.

현재 미세 합금 원소 V, Nb 및 Nb, V 만 포함된 복합 미세 합금강이 생산되었습니다. 그 결과, Nb 와 V 의 복합 추가는 이 두 미세 합금 원소의 별도 추가보다 더 효과적이라는 것을 알 수 있습니다. Nb 는 v 의 석출 잠재력을 향상시킵니다.

이 제품에서 가장 최근의 성과로는 직접 불 (마르텐 사이트) 또는 공기 냉각을 통해 얻은 저탄소 마르텐 사이트+베이 또는 베이 니틱 강철이 포함되며, 이는 개선된 인성을 보여줍니다. 표 9 는 예를 보여줍니다.

고강도 패스너 및 서스펜션 스프링

냉단 고강도 조임쇠의 전통 강철은 중탄소강이며, 최종 제품에 필요한 성능은 담금질과 화염을 통해 얻을 수 있다. 중탄소강 대신 저탄소 마이크로합금강을 사용하면 열처리 없이 최종 필요한 역학 성능을 얻을 수 있으며 감기 중 중간 구형 처리를 취소할 수 있습니다. 표 10 은 8.8 강 (철소체-펄라이트) 과 10.9 강 (철소체-베이) 의 화학성분을 제공한다.

현가 스프링은 마이크로합금화 기술을 이용하여 체중을 감량하는 또 다른 제품이다. 북미는 열처리 후 인장 강도 2000MPa, HRc 53-55 의 강철을 생산한다. 화학성분과 기계적 성질은 표 1 1 에 나와 있다.

침탄강

비정상적인 결정립 성장은 침탄 강철에서 흔히 볼 수 있는데, 특히 온단 조건에서는 더욱 그렇다. 이 강철에 텅스텐을 넣어 비정상적인 결정립 성장을 억제한 지 이미 여러 해가 지났고, 최근에는 북미에서도 사용되기 시작했다. 이러한 강철에 미세 합금 요소를 추가하면 더 높은 가열 온도를 통해 침탄 시간을 줄일 수 있다는 이점도 있습니다. 텅스텐의 첨가는 알갱이의 성장을 억제하므로 더 높은 온도에서 침탄을 할 수 있다.

강철틀

구조용 강철 기술의 최신 주요 발전은 텅스텐이 함유된 구조용 강철/I 자강은 단 하나의 화학 성분만으로 몇 가지 기술 조건을 충족시킬 수 있다는 것입니다. 찰팔라르 철강사가 개발한 이런 다급강의 전형적인 성분은 0.0 1-0.02% 의 Nb (목표 0.0 15%) 로 ASTM 을 만들기에 충분하다.

A36 의 항복 강도는 345MPa 이상으로 증가하고 인장 강도는 550MPa 이하로 제한되어 ASTM A36 및 ASTM 요구 사항을 충족합니다.

A572-50 의 기술적 요구사항. 50 급 강철의 최소 항복 강도 요구 사항을 충족하기 위해 더 많은 v, v 0.02-0.03% (0.0 15%Nb 와 비교) 를 추가해야 할 수 있기 때문에 선택적으로 추가되는 미량 원소입니다 A572-42, A572-50, A529-42, A5290-50, A709-36, A709-50 은 다른 ASTM 강의 기술적 요구 사항을 충족합니다.

철근

이 제품은 인장 능력을 높이기 위해 대형 콘크리트 구조에 사용됩니다. V 와 Nb 는 큰 지름과 고강도 철근에 추가됩니다. 일부 현대압연기는 마이크로합금화 대신 수냉 기술을 사용하여 강도를 높인다. 그림 29 는 용접 강봉에서 V 와 Nb 의 강화 효과를 보여줍니다.

세계 미세 합금강 개발

세계 미세 합금강의 발전은 그림 30 과 같이 텅스텐이 주요 미세 합금 원소이고 75% 의 텅스텐이 미세 합금강에 사용되기 때문에 총 소모량으로 설명할 수 있다. 니오브 소비는 1970 년대에 급격히 증가했다. 당시 전 세계가 모두 제어 압연 기술을 채택하고 있었고, 자동차 공업의 사용량도 갈수록 커졌다. 1980 년대는 안정된 시기였지만 미세 합금강의 생산량은 계속 증가했다. Nb 소비의 안정성은 철강 공장의 효율성 향상 (예: 연속 주조 장비 설치 및 냉각 가속화) 으로 인해 주어진 수의 최종 제품에 대한 원료를 절약할 수 있습니다. 그러나 텅스텐의 소비가 포화점에 도달한 후, 90 년대에 텅스텐에 대한 수요가 크게 증가했다. 이것은 많은 중요한 철강 회사의 제품 구조 조정의 영향을 받으며, 그 품종은 마이크로합금강을 포함한 부가 가치 제품에 초점을 맞추고 있습니다. 그림 3 1 은 유럽 미세 합금강의 성장을 보여줍니다. 그림에서 볼 수 있듯이, 이 지역에서는 조강보다 FeNb 의 소비가 현저히 증가한다. 유럽에서, 톤당 강철의 FeNb 는 60 그램이다.

미세 합금강 생산량의 증가 외에도 Nb 의 응용 분야도 증가하고 있다. 그림 32 에서 볼 수 있듯이, 1970 년대 중반에는 주로 관강 제품에 사용되었습니다. 이 제품 개발을 위해 개발된 마이크로합금화 기술은 그림 2000 년과 같이 이후 다른 분야에 적용되었습니다.

결론

마이크로합금화 기술은 고강도 및 기타 필요한 성능을 갖춘 고품질 제품을 생산하는 경제적이고 효과적인 방법입니다.

전 세계 미세 합금강의 생산량이 모두 증가하고 있다. 신강종은 여러 분야에서 개발되고 응용되어 재료 분야에서 강재의 양호한 경쟁력을 유지하고 있다.