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공학석사학위논문

초저탄소강의 통전처리를 통한 어닐링에 미치는 전류밀도의 영향

Effect of current density on annealing through electropulsing treatment

in ultra-low carbon steel

2018 년 2 월

서울대학교 대학원 재료공학부

진 성 우

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초 록

통전처리를 이용한 초저탄소강의 어닐링에서 열효과(thermal effect)와 비열효과(athermal effect)를 분리하여 정량화하고 전류밀도가 재결정 분율에 미치는 영향을 분석하였다. 한번의 펄스를 인가시간을 적절하게 조절하여 비슷한 최대온도와 냉각속도를 이루도록 40, 50, 68, 140, 210A/mm² 의 전류밀도에서 통전처리한 후, EBSD(electron backscatter diffraction)와 비커스 경도를 분석하였다.

그 결과로 최대온도 760, 800℃ 통전처리 조건에서 재결정 분율, 재결정이 완료된 결정립의 성장(growth) 그리고 재결정이 일어나지 않은 결정립의 회복(recovery) 현상이 전류밀도 68A/mm²을 기준으로 그 이하에선 전류밀도가 낮을수록 잘 일어나고, 그 이상에선 전류밀도가

커질수록 잘 일어나는 경향을 확인했다. 대조군 열처리 실험과

additivity rule 이 적용된 Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov 식을 이용한 최적화를 통해 활성화에너지와 Avrami 지수 등 상수를 구하였다. 이를 통전처리의 온도이력에 적용하여 열효과만에 의한

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전류밀도와 유효온도를 위한 온도 증분 간 관계식을 근사하고, 해당 현상을 설명하기 위한 메커니즘을 제안하였다.

주요어 : 통전처리, 비열효과, 어닐링, 정량화, 유효온도 학번 : 2016-20836

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목 차

초 록 ... I 목 차 ... III 그림 목차... V 표 목차... XII

제 1 장 서 론... 1

1.1 통전소성... 1

1.2 통전처리... 2

1.3 연구의 필요성 및 목적... 3

제 2 장 실험방법 ... 5

2.1 시편 정보... 5

2.2 통전처리 실험... 8

2.3 열처리 실험 ...11

2.4 시편 준비...11

2.5 경도 측정 및 미세조직 관찰...12

(6)

3.1.3 재결정 분율 및 경도 분석 ...27

3.1.4 재결정 결정립들의 성장 분석...37

3.1.5 변형 결정립들의 회복 분석 ...41

3.2 열처리 실험...45

3.2.1 온도이력 ...45

3.2.2 EBSD 미세구조 분석 ...47

3.2.3 재결정 분율 및 경도 분석 ...49

3.3 열효과와 비열효과의 정량화...53

3.3.1 상수 최적화 ...53

3.3.2 정량화...56

3.4 비열효과에 대한 고찰...62

3.4.1 활성화에너지 감소 ...62

3.4.2 유효온도 ...64

제 4 장 결 론...72

참고문헌 ...73

Abstract ...76

(7)

그림 목차

Figure 1. EBSD orientation maps (ND) and inverse pole figure of (a) 80% cold-rolled and (b) annealed specimens.

Figure 2. Instrumental set-up for electrical treatment.

Figure 3. Temperature history measured during electropulsing treatment under target temperature of 700℃.

Figure 7. EBSD orientation maps (ND and inverse pole figure for recrystallized grains obtained from electropulsing treated

(8)

Figure 8. EBSD orientation maps (ND and inverse pole figure for recrystallized grains obtained from electropulsing treated specimens for target temperature of 760℃ with current density of (a) 40A/mm², (b) 50 A/mm², (c) 68 A/mm², (d) 140 A/mm²and (e) 210 A/mm².

Figure 11. EBSD grain orientation spread maps (ND, 0<GOS<2̊) obtained from electropulsing treated specimens for target temperature of 700℃ with current density of (a) 40A/mm², (b) 50 A/mm², (c) 68 A/mm², (d) 140 A/mm²and (e) 210 A/mm².

(9)

Figure 15. Recrystallization fraction for the specimens with different current density under the target temperature of 700℃.

Figure 16. Recrystallization fraction for the specimens with

(10)

Figure 19. Vickers hardness values for the specimens with different current density under the target temperature of 700℃.

Figure 23. Average grain size of recrystallized grains (0<GOS<2̊) after electropulsing treatment for target temperature of 760℃.

Figure 26. Average values of kernel average misorientation (KAM) of non-recrystallized grains (GOS>2̊) after electropulsing treatment for target temperature of 700℃.

(11)

Figure 29. Temperature history measured during heat treatment.

Figure 30. EBSD orientation maps (ND and inverse pole figure for recrystallized grains obtained from heat treated specimens for target temperature of (a) 805℃, (b) 847℃, (c) 868℃ and (d) 899℃.

Figure 31. EBSD grain orientation spread maps (ND, 0<GOS<2) obtained from heat treated specimens for target temperature of (a) 805℃, (b) 847℃, (c) 868℃ and (d) 899℃.

Figure 32. Recrystallization fraction for the heat treated specimens

(12)

Figure 34. Relationship between measured recrystallization fraction and calculated recrystallization fraction using Eq. (2).

Figure 35.Recrystallization fraction calculated by only temperature history (red line) obtained from electropulsing treatment under the target temperature of 700℃.

Figure 39. Decremental values of recrystallization activation energy with a current density.

Figure 40. Schematic temperature history diagram showing the concept of effective temperature.

(13)

Figure 45. Incremental values of peak temperature with a current density and the curve fitting the relationship between them.

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표 목차

Table 1. Chemical composition of EDDQ steel

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1. 서 론

재료의 물리적 성질에 전류가 영향을 미친다는 E. Machlin [1]의 연구가 보고된 1959 년 이후, 재료공학과 기계공학 분야에선 전류를 이용한 다양한 연구들이 보고되었다. 그 동안 진행된 연구들은 크게 전류를 변형 중에 인가하는 경우와 변형을 가하지 않는 상태에서 전류를 인가하는 경우로 분류 할 수 있다.

1.1 통전소성 (electroplasticity)

먼저 재료의 변형 중에 전류를 인가하는 경우, 유동응력이 감소하고 연신율이 증가하는 통전소성(electroplasticity) 효과에 대해 다양한 연구자들이 보고하였다 [2-6]. Troitskii [2]는 아연, 주석, 납 등 소재에서 인장과 압축 시 펄스 전류를 인가하여 유동 응력이 감소한다는 현상과 이것이 전자의 움직임이 전위(dislocation)의 거동에 영향을 미치기 때문에 발생한다고 보고하였다. Conrad 등 [3]은 금속과 세라믹 재료의 소성 변형 중에 전기장이나 전류를 가했을 때, 줄 발열(Joule heating)에 의한 열효과(thermal effect) 이상으로 소성변형이 향상됐으며 그것이 전자바람(electron wind)에 의한 추가적인 응력으로 전위의 움직임이 활성화되었기 때문이라고 보고하였다. 그 후에 이러한

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원인임을 밝혔다. 이외에도 수많은 연구자들이 다양한 재료의 물리적 성질에 전류가 영향을 미친다는 사실을 보고하였고, Salandro 등[6]은 이들을 정리하여 전류를 이용한 성형(electrically assisted forming)에 관한 도서를 저술하였다.

1.2 통전처리 (electropulsing treatment)

다음으로 변형을 가하지 않는 상태에서 전류를 인가하는 경우, 이른바 통전처리(electropulsing treatment)에 대해서도 많은 연구가 수행되었다. Conrad 등[7]은 냉간 가공된 구리에 펄스 전류를 인가하여 재결정(recrystallization)이 일어난 현상을 통해 변형 중이 아닐 때에도 전류가 재료의 미세구조에 영향을 미칠 수 있다는 사실을 보고하며 통전처리 연구의 서막을 열었다. 또한 후속 연구에선 아레니우스 타입의 식을 이용하여 전류를 인가했을 때 재결정과 회복(recovery)의 속도(kinetics)가 향상되었고 이 현상은 전류가 전위의 움직임에 영향을 미쳤을 것으로 주장하였다 [8]. Xu 등 [9]은 전류를 이용하여 전류가 냉간 가공된 타이타늄의 재결정과 결정립 성장(grain growth)에 미치는 영향에 대해 보고하였는데, 전류밀도를 변화시키면서 로(furnace)를 이용하여 같은 온도이력에서 어닐링을 하였을 때 전류밀도가 커질수록 결정립의 크기가 커진다는 사실을 보고하였다. Zhou 등 [10]은 구리- 아연합금에 통전처리를 이용하여 상변태(phase transformation)의 핵 생성(nucleation)이 가속화 되는 현상이 빠른 가열속도나 냉각속도에

의한 것이 아니라, 전류에 의한 효과임을 보고하였다. 또한

후속연구에서 이 현상을 활용하여 결정립 미세화(grain refinement)된

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미세조직을 확보하였다 [11]. Hu 등 [12]은 전기강판에 전류를 인가하여 (110)<001> 집합조직(texture) 형성에 전류가 온도에 의한 열효과보다 훨씬 큰 영향을 미친다는 사실을 보고하였다. 단순히 재결정이나 상변태의 가속화에 관한 연구만 보고된 것이 아니라, Qin 등 [13]의 연구처럼 펄라이트(pearlite) 조직의 강에 통전처리를 통하여 일반적인 열처리(heat treatment)로는 얻을 수 없는 미세구조를 얻을 수 있다는 가능성이 보고되기도 하였다.

1.3 연구의 필요성 및 목적

이렇듯 전류를 인가할 땐 발열에 의한 열효과만으론 설명되지 않는 비열효과(athermal effect)가 존재한다는 사실이 인정받고 있다. 이를 이용하여 전통적인 thermo-mechanical 공정보다 낮은 온도에서, 빠른 속도로 진행하여 공정 효율성을 향상 시킬 수 있기 때문에 차세대 공정으로 전류를 이용한 공정은 아주 유망하다. 하지만 Qin 이 제기한 문제처럼 여전히 비열효과에 대한 메커니즘은 여전히 논란이 많고, 정량화를 시도한 연구가 많지 않다[14]. 물론 Hariharan 등[15]이

유한요소해석 소프트웨어인 ABAQUS 를 이용하여 통전 인장 시

열효과에 의한 연신 항을 분리하여 계산한 연구 결과가 있고, Lee 등[16]의 DSA(dynamic strain aging) 개념을 도입하여 통전소성

(18)

Kolmogorov) 식을 이용하여 전류 인가 시 재결정 활성화에너지가 감소한다는 보고 외는 비열효과에 대한 정량화 시도가 많지 않았기 때문이다.

따라서 본 연구에선 통전처리를 이용한 어닐링 시 일어나는

비열효과를 정량화 해보고자 하였다. 저자들은 변수의 단순화를 위해

한번의 펄스만을 이용하였고, 다른 전류밀도에 대해 인가시간을

조절하여 최고 온도와 냉각 시간을 일치 시키고자 하였다. 이를 통해

실험 조건들 간 열효과의 차이를 최소화하여, 비열효과에 미치는

전류밀도의 영향을 알 수 있을 것이라 판단하였다. 또한 additivity rule 이 적용된 JMAK 식을 이용하여 비열효과를 정량화하고 [19], 이를 설명하기 위한 메커니즘을 제안하고자 하였다.

(19)

2. 실험 방법

2.1 시편 정보

본 연구에서 사용된 소재는 포스코에서 EDDQ(Extra Deep Drawing Quality)강으로 생산된 초저탄소강 판재이다. 조성을 Table. 1 에 표기하였다. 어닐링 공정 전의 압하율 80%로 냉간압연 된 판재와 어닐링이 완료된 판재를 제공 받았다. 각 판재의 평균 경도 값은 각각 181.26 와 67.9Hv 였고, 미세조직은 Fig. 1 과 같았다. 80% 냉간압연 판재는 <100>//ND 와 <111>//ND 집합조직을 가지고 있었고, 재결정 판재는 <111>//ND 집합조직을 가짐을 확인했다. 이를 통해 시편이 전형적인 압연조직과 재결정 조직을 가지는 페라이트 단상의 초저탄소 강임을 확인했다. 어닐링 처리를 위한 실험으로는 냉간압연 판재를 40mm(RD) * 10mm(TD) * 0.6mm(ND)로 가공하여 사용하였다.

(20)

Table 1. Chemical composition of EDDQ steel

(21)

Figure 1. EBSD orientation maps (ND) and inverse pole figure of (a) 80% cold-rolled and (b) annealed specimens.

(22)

2.2 통전처리 실험

통전처리를 위한 장비를 Fig. 2 에 나타내었다. 400 A 이상의 높은 전류는 전원 장치(Vadal-SP1000U)를 이용하였고, 그 이하의 낮은 전류는 Weltech 에서 맞춤 제작한 전원 장치를 이용하여 시편의 RD 방향과 평행하게 인가되었다. 시편은 한 펄스의 전류인가 후 공냉하였고, 시편 홀더는 전류가 인가 될 때 발생하는 열팽창에 의한 변형을 방지하기 위하여 한쪽 끝을 윤활 처리 된 레일 위에 올려 팽창이 일어나도 시편의 휘어짐을 최소화하도록 설계되었다. 시편의 온도는 적외선 열화상 카메라(FLIR-T430)를 이용하여 측정하였고 실제 시편에 인가되는 전류는 클램프 미터(Chauvin Arnoux-PAC 22)를 이용하여 측정되었다.

전류밀도는 40, 50, 68, 140, 210 A/mm² 로 인가하였으며, 각 전류밀도에서 인가시간을 16.5, 10.09, 2.1, 0.523, 0.23 초 인가하여 최고온도 700℃를 확보하였고, 20.2, 10.56, 2.25, 0.545, 0.24 초 인가하여 760℃의 최고온도, 인가시간을 22.93, 11.06, 2.4, 0.56, 0.25 초 인가하여 800℃의 최고온도, 가장 높은 온도 조건으로 23.28, 12.04, 2.45, 0.584, 0.26 초 인가하여 860℃의 최고 온도에 도달하게 한 후 공냉하였다. 통전처리 실험은 한 조건 별로 4 번씩 진행하였으며, 전류밀도에 따라 비슷한 최고 온도군에서 가장 비슷한 최고온도가 기록한 시편들을 집중적으로 분석하였다. 한가지 주목할 점으로는 가열속도가 낮아서 중앙부분만 가열이 되는 낮은 전류밀도 조건 40, 50, 68 A/mm² 의 경우 시편의 중앙부분을 이용하였지만 굉장히 빠른 가열속도를 가지는 140, 210A/mm²의 경우 중앙부분의 경우 공냉 시에

(23)

냉각속도가 낮아 저전류 조건과 냉각속도를 가능한 일치시키기 위하여 시편의 중앙부가 아닌 가장자리 부분의 온도를 측정하였으며, 표면 처리 후 그 영역의 경도 및 EBSD 미세조직 분석을 진행하였다.

(24)

Figure 2. Instrumental set-up for electrical treatment.

(25)

2.3 열처리 실험

대조군으로 진행한 열처리는 노(Lindberg-Blue M box furnace)를 사용하였다. K-type 열전대를 시편에 용접하여 온도를 측정하였으며, 통전처리 같은 빠른 승온을 위하여 설정 가능한 최대 온도인 1200℃를 맞춘 뒤 시편을 넣어 가열하고 원하는 타겟 온도 800, 850, 870, 900℃에 도달하면 시편을 꺼내 공냉하였다. 이후 통전처리 시편과 마찬가지로 표면 처리 후 비커스 경도 및 EBSD 미세조직 분석을 진행하였다.

2.4 시편 준비

통전처리와 열처리 후 시편의 표면처리는 기계 연마 및 전해 연마를 통해 시편의 ND 방향으로 수행되었다. 기계연마는 #400, #600, #800,

#1200 그리드의 사포(SiC Paper)를 이용한 사포 연마 후 Struers 사의 MD-Mol 연마천에 6μm, 1μm 다이아몬드 서스펜션 용액을 분사하여 마무리 되었다. 전해 연마는 90% Ethanol-10%

Perchloric acid 용액을 이용하여 20V 에서 20 초간 진행하였다. 각 연마 단계 후에 시편을 99.9% Ethanol 용액에 넣어 초음파 세척하였다.

(26)

2.5 경도 측정 및 미세조직 관찰

비커스 경도는 디지털 비커스 경도계(Wolpert group -430SVD)를 이용하여 측정되었다. 5kgf 의 로드와 10 초의 유지시간으로 인덴터가 압입 되었으며, 온도를 측정한 영역 열화상 카메라의 이미지의 위치를 따져서 표시한 후 해당 영역을 크게 벗어나지 않도록 좌, 우, 상, 하, 중앙 십자가의 형태로 5 회씩 측정하였다.

미세조직은 주사전자현미경(scanning electron microscope, Hitachi- SU70)에 부착된 전자후방산란회절 검출기(electron backscatter diffraction system, Hikari-EDAX/TSL)를 통하여 관찰되었고, EDAX 사 TSL OIM Analysis 6 프로그램을 이용하여 분석하였다.

가속전압은 15kV 를 이용하였고 모든 시편에 대하여 200 배을 배율로 step size 1.5μm 로 조건에서 분석하였다. 또한 결정립 식별을 위한 critical misorientation angle 은 15^o 를 사용했다. 또한 재결정 분석을 위하여 널리 사용되고 있는 GOS(grain orientation spread)를 2̊

기준으로 그 미만의 결정립을 재결정이 완료된 결정립으로 구분하였고, 본 조건에서 포스코에서 제공받은 완전 재결정 된 시편이 0.928 라는

높은 재결정 분율을 갖게 되어 구분 조건으로 타당하다고

판단되었다[20]. IPF (inverse pole figure) map 과 IPF 를 통해 재결정 집합조직에 전류가 미치는 영향을 알아보고자 하였고, GOS map 의 면적 분율을 이용하여 재결정 분율을 구하였다. 또한 결정립 성장과 회복에

전류밀도가 미치는 영향을 분석하기 위하여 결정립 크기와

KAM(Kernal average misorientation)에 대한 분석이 수행되었다.

(27)

3. 결과 및 고찰

3.1 통전처리 실험

3.1.1 온도 이력

700℃, 760℃, 800℃그리고 860℃ 최고 온도를 목표로 40, 50, 68, 140, 210 A/mm² 으로 통전처리 시 온도이력 그래프를 Fig. 3~6 에 나타내었다. 700℃ 조건의 경우 실제 측정된 최고 온도는 각 전류밀도에서 703, 705, 697, 704, 704℃로 측정되었다(Fig. 3). 760℃

조건의 경우 실제 측정된 최고 온도 값은 각 전류밀도에서 761, 762, 762, 757, 766℃ (Fig. 4), 800℃ 조건의 경우 각 전류밀도에서 795, 794, 793, 792, 796℃로 측정되었다 (Fig. 5). 또한 860℃의 경우 864, 866, 865, 865, 871℃였다(Fig. 6). 열화상 카메라의 온도 범위 때문에 200℃부터 측정되었으며, 0 초에 전류인가가 시작되도록 그래프를 나타내었다.

(28)

0 5 10 15 20 25 30

200 400 600 800

1000 68 A/mm² 210 A/mm²

140 A/mm² 40 A/mm²

50 A/mm²

Temperature (o C)

Time (sec)

(29)

0 5 10 15 20 25 30

200 400 600 800

1000 68 A/mm² 210 A/mm²

140 A/mm² 40 A/mm²

50 A/mm²

Temperature (o C)

Time (sec)

(30)

0 5 10 15 20 25 30

200 400 600 800 1000

Temperature (o C)

Time (sec)

68 A/mm² 140 A/mm² 40 A/mm²

50 A/mm²

210 A/mm²

(31)

0 5 10 15 20 25 30

200 400 600 800

1000 68 A/mm² 210 A/mm²

140 A/mm² 40 A/mm²

50 A/mm²

Temperature (o C)

Time (sec)

(32)

3.1.2 EBSD 미세조직 분석

통전처리 시편들의 전류밀도에 따른 EBSD 미세조직 분석 결과를 inverse pole figure(IPF) map 과 IPF 는 Fig 7~10, GOS map 은 Fig 11~14 도시하였다. 이때 IPF 는 재결정이 완료된 재결정 결정립만 추려내었고, GOS map 의 경우 재결정이 된 부분을 파란색으로 표현되도록 하였다. IPF 를 통하여 전류밀도와 인가시간에 무관하게

<111>//ND 의 전형적인 재결정 조직이 발달함을 확인 할 수 있었다.

IPF 에서 나타나는 intensity 의 최대값에 전류밀도의 변화에 따른 경향성이 없는 것으로 보아 전류가 texture 의 변화나 발달 정도에는 크게 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다 [19].

GOS map 의 면적 분율을 통해 구한 재결정 분율은 다음 장에서 경도와 함께 다루었다.

(33)

Figure 7. EBSD orientation maps (ND and inverse pole figure for recrystallized grains obtained from electropulsing treated specimens for target temperature of 700℃ with current density of (a) 40A/mm2, (b) 50 A/mm2, (c) 68 A/mm2, (d) 140 A/mm2 and (e) 210 A/mm2.

(34)

Figure 8. EBSD orientation maps (ND and inverse pole figure for recrystallized grains obtained from electropulsing treated specimens for target temperature of 760℃ with current density of (a) 40A/mm2, (b) 50 A/mm2, (c) 68 A/mm2, (d) 140 A/mm2 and (e) 210 A/mm2.

(35)

(36)

(37)

(38)

(39)

(40)

(41)

3.1.3 경도 및 재결정 분율 분석

GOS map 을 통해 GOS 가 2̊미만인 결정립의 면적 분율로 재결정 분율을 구했다. 재결정 분율은 전류밀도 40, 50, 68, 140, 210A/mm²로 인가 시 700℃ 조건의 경우 각각 0.178, 0.156, 0.141, 0.152, 0.156 의 재결정 분율(Fig. 15), 760℃ 조건의 경우 0.642, 0.598, 0.36, 0.458, 0.656(Fig. 16), 800℃ 조건에선 각각 0.92, 0.866, 0.775, 0.873, 0.938(Fig. 17) 그리고 860℃에선 0.944, 0.935, 0.95, 0.967, 0.955 로 구해졌다(Fig. 18).

좀더 넓은 스케일에서 재결정 정도를 파악하기 위한 다른 방법으로 비커스 경도를 측정한 결과 전류밀도 40, 50, 68, 140, 210A/mm² 에서 700℃ 조건의 경우 각각 155.74, 163.34, 162.04, 160.52, 157.57Hv(Fig. 19), 760℃ 조건은 각 105.64, 114.06, 137.88, 119.6, 109.8 Hv(Fig. 20), 800℃ 타겟 온도에선 각각 72.8, 77.6, 88, 76.1, 65.82 Hv 를 얻었으며(Fig. 21), 860℃조건에선 60.76, 67.06, 59.7, 68.375, 68.475 로 구해졌다(Fig. 22).

두 결과들을 Fig 15~22 에 나타냈으며, 700℃의 경우 모든 전류밀도

조건에서 재결정이 거의 일어나지 않았고 860℃ 모든 조건에서

재결정이 일어나 전류밀도의 영향을 파악하기 어려웠다. 하지만 중간 온도영역인 760℃와 800℃ 조건에선 전류밀도 68A/mm² 을 기점으로

(42)

이를 통하여 한번의 펄스를 인가하는 통전처리로 재결정이 일어날 때, 통전처리의 주요 변수는 68A/mm² 의 낮은 전류밀도에선 인가시간 그리고 그 이상의 높은 전류밀도에선 전류밀도라고 판단하였다

(43)

0 60 120 180 240

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Recrystallization fraction

Current density (A/mm²)

0 5 10 15 20

Duration time (sec)

(44)

0 60 120 180 240

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0 5 10 15 20 25 30

Duration time (sec)

(45)

0 60 120 180 240

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0 5 10 15 20 25 30

Duration time (sec)

(46)

0 60 120 180 240

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0 5 10 15 20 25 30

Duration time (sec)

(47)

0 60 120 180 240

40 80 120 160 200

Vickers Hardness (Hv)

0 5 10 15 20 25 30

Duration time (sec)

(48)

0 60 120 180 240

40 80 120 160 200

0 5 10 15 20 25 30

Duration time (sec)

(49)

0 60 120 180 240

40 80 120 160 200

0 5 10 15 20 25 30

Duration time (sec)

(50)

0 60 120 180 240

40 80 120 160 200

0 5 10 15 20 25 30

Duration time (sec)

(51)

3.1.4 재결정 결정립들의 성장 분석

통전처리 시 전류밀도가 결정립 성장(grain growth)에 미치는 영향을 알아보기 위하여, EBSD 분석을 통하여 재결정이 된 결정립(GOS<2̊)의 결정립 크기에 대한 분석을 진행하였다. 먼저, 결정립 성장의 경우 재결정이 일어난 결정립만을 고려했기 때문에 재결정이 일어나지 않은 700℃ 조건은 제외하였다.

그 결과 전류밀도 40, 50, 68, 140, 210A/mm² 조건에서 결정립 크기는 최고온도 760℃ 케이스의 경우 각각 13.34, 12.36, 7.53, 11.04, 12.26μm(Fig. 23), 800℃ 조건에선 각각 19.05, 17.28, 13.47, 16.38, 17.41μm 으로 측정되었으며(Fig. 24), 860℃ 조건은 27.24, 24.31, 22.54, 22.56, 24.18μm 로 구해졌다(Fig. 25).

재결정 분율과 마찬가지로 재결정이 일어난 이후 결정립들의 결정립 성장 역시 68A/mm² 를 기점으로 그 이하의 저전류에선 전류밀도

증가에 따라 재결정 크기가 작아지고, 그 이상의 고전류밀도에선

전류밀도 증가에 따라 결정립 크기가 증가하는 경향을 확인할 수 있었고, 최고 온도가 높아질수록 절대값은 커지지만 위의 경향은 유지되었다.

이를 통해 재결정뿐만 아니라 결정립 성장 역시 전류밀도의 변화에 따라 영향을 받음을 확인 할 수 있었다.

이를 통하여 한번의 펄스를 인가하는 통전처리로 결정립 성장이

(52)

0 60 120 180 240

0 5 10 15 20 25 30

Avg. grain size (mm)

0 5 10 15 20 25 30

Duration time (sec)

(53)

0 60 120 180 240

0 5 10 15 20 25 30

Duration time (sec)

(54)

0 60 120 180 240

0 5 10 15 20 25 30

Duration time (sec)

(55)

3.1.5 변형 결정립들의 회복 분석

이번엔 통전처리 시 전류밀도가 회복(recovery)에 미치는 영향을 알아보기 위하여, EBSD 분석을 통하여 재결정이 일어나지 않은 결정립 내 픽셀들(GOS>2̊)의 kermel average misorientation (KAM) 분석을

진행하였다. 재결정이 일어나지 않은 결정립 내 픽셀들의 KAM

분석결과는 860℃ 조건에선 모든 시편이 재결정이 완료되었기 때문에 제외하였다.

분석 결과 KAM 값은 전류밀도 40, 50, 68, 140, 210A/mm² 에서 700℃ 조건의 경우 각각 2.50, 2.59, 2.596, 2.53, 2.52(Fig. 26), 최고온도 760℃의 경우 각각 2.04, 2.06, 2.46, 2.35, 1.90 으로 측정되었고(Fig. 27), 800℃의 경우 각각 1.27, 1.75, 1.73, 1.22, 1.05 로 측정되었다(Fig. 28).

이를 통해 재결정이 일어나지 않은 결정립들의 회복 효과도

마찬가지로 68A/mm² 이전의 낮은 전류밀도에서는 전류밀도가 증가 할수록 KAM 값이 증가하지만, 68A/mm² 이상에선 전류밀도가 높아질수록 KAM 이 낮아지는 경향을 확인 할 수 있었다. 최고온도 700℃에선 굉장히 값의 차이가 미미하였지만, 760℃와 800℃ 조건에선 뚜렷하게 나타났고, 온도가 높아짐에 따라 절대값이 낮아졌다. 이를 통하여 재결정, 결정립 성장뿐 아니라 회복까지 어닐링 전 과정에 걸쳐

(56)

0 60 120 180 240

0 1 2 3 4

Avg. kernel average misorientation

0 5 10 15 20 25 30

Duration time (sec)

(57)

0 60 120 180 240

0 1 2 3 4

0 5 10 15 20 25 30

Duration time (sec)

(58)

0 60 120 180 240

0 1 2 3 4

0 5 10 15 20 25 30

Duration time (sec)

(59)

3.2 열처리 실험

3.2.1 온도 이력

대조군으로 로를 이용하여 열처리를 진행하며 측정한 온도이력을 Fig.

29 에 도시하였다. Han 등[21]의 논문에 따라 초저탄소강의 경우에 재결정 시작온도가 약 680℃ 부근이기 때문에, 그 이상의 온도만을 도시하였고 680℃에 도달하는 순간을 0 초로 나타냈다. 피크 온도는 805, 847, 868, 899℃로 측정되었다.

(60)

Figure 29. Temperature history measured during heat treatment.

0 5 10 15 20

650 700 750 800 850 900 950

Temperature(o C)

Time (sec)

(61)

3.2.2 EBSD 미세조직 분석

열처리 후 시편들의 EBSD 분석을 통한 IPF map 과 IPF 결과를 Fig.

30 에 도시하였다. IPF 는 통전처리와 마찬가지로 재결정이 완료된 결정립들만 분리하여 그렸으며, 그 결과 통전처리와 마찬가지로 잘 알려진 <111>//ND 재결정 조직을 확인 할 수 있었다. 열처리의 경우 최고온도가 높을수록 intensity 의 최대값이 증가하고 IPF map 상에도 파랗게 표시되는 γ-fiber 집합조직을 가지는 결정립들이 늘어나고 있음이 확실히 보였다.

(62)

Figure 30. EBSD orientation maps (ND and inverse pole figure for recrystallized grains obtained from heat treated specimens for target temperature of (a) 805℃, (b) 847℃, (c) 868℃ and (d) 899℃.

(63)

3.2.3 경도 및 재결정 분율 분석

EBSD 분석을 이용하여 GOS map 을 통해 재결정 분율을 구한 결과 최고 온도 805, 847, 868, 899℃에서 각각 0.183, 0.396, 0.724, 0.908 의 값을 나타내었다(Fig. 31). 또한 비커스 경도의 경우 각각 164.44, 126.16, 75.32, 64.58Hv 로 측정되어 Fig. 33 에 도시하였다.

열처리의 경우 피크온도가 증가할수록 재결정 분율은 증가하고, 경도는 낮아지는 경향을 보였고, 805℃의 경우 재결정이 거의 일어나지 않은 반면에 899℃는 재결정이 완료된 재결정 분율과 경도 값을 얻은 것으로 미루어 보아 잘 알려진 S 모양의 커브의 중심부근의 온도범위를 잘 측정했다고 판단하였다.

한 가지 기존의 연구결과들처럼 주목할만한 점으로는 통전처리의 경우 높은 전류밀도에선 매우 짧은 가열 시간이었음에도 불구하고 760℃와 800℃에서 얻을 수 있었던 재결정 분율을 열처리에선 더 오랜시간 가열하여 847, 868℃가 되어야 얻을 수 있다는 점에서 다시 한번 통전처리에는 줄발열에 의한 열효과만으론 설명이 되지 않는 비열효과의 존재를 확인할 수 있었다 [7-10, 18].

(64)

Figure 31. EBSD grain orientation spread maps (ND, 0<GOS<2) obtained from heat treated specimens for target temperature of (a) 805℃, (b) 847℃, (c) 868℃ and (d) 899℃.

(65)

Figure 32. Recrystallization fraction for the heat treated specimens with different target temperature.

800 820 840 860 880 900

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Peak temperature (^oC)

(66)

Figure 33. Vickers hardness value for the heat treated specimens with different target temperature.

800 820 840 860 880 900

40 80 120 160 200

Peak temperature (^oC)

(67)

3.3 열효과와 비열효과의 정량화

3.3.1 상수 최적화

비열효과의 정량화를 위하여, 비교적 잘 이론이 정립 되어있는 열효과로 인한 재결정 분율을 계산하여 두 효과를 분리해보고자 하였다.

Ferry 등 [19]의 연구결과에서 anisothermal 어닐링 중 재결정 분율을 계산하기 위해 JMAK 식에 additivity rule 을 적용하여 다음과 같은 식을 제안하였다.

위 식의 첫 번째 적분 항은 승온과정, 두 번째는 온도 유지구간, 세 번째 항은 냉각 과정을 의미한다. 상수 γ1 과 γ2 는 각각 가열속도와 냉각속도(Ks^-1)를 의미하며 T0, T1, T2 는 각각 재결정의 시작, 최고, 종료 온도(K)를 의미한다. 이 때, 함수 k(T)=Aexp(Q/RT)로 가정한다면 A 는 pre-exponential 인자, n 은 Avrami 지수, Q 는 재결정 활성화에너지를 의미한다.

본 연구에서는 holding 되는 시간이 없이 승온과 냉각만으로 어닐링이

= 1 − exp − ∫ ^{( )} + ∫ ( ) + ∫ ^{( )} …… (1)

(68)

식(2)에서 열처리 실험의 온도이력의 T0 과 T2 는 재결정 시작온도인 680℃ (953K)로 설정하고, T1 을 각 조건에서의 최고온도로 설정하였다. 최고온도 805, 847, 868, 899℃에서 각각의 가열속도 (γ1)는 59.45, 43.17, 49.9, 52.92 Ks^-1 였고 냉각속도(γ2)의 경우엔 각각 -88.86, -47.6, -58.15, -71.29K/s 였다. 식(2)를 목적함수로 genetic algorithm 을 통하여 계산 재결정 분율과 측정된 재결정 분율의 차이가 최소가 되도록 상수들을 최적화한 결과 A 는 1.655 * 10¹¹s^-1, Q 는 248.314 kJ/mol 그리고 n 의 경우 1.068 로 얻을 수 있었다.

저탄소강의 경우 150~300kJ/mol 범위의 재결정 활성화에너지의 가진다고 알려져 있고 [22], n 의 경우 1 부근으로 알려져 있어 이 값들은 타당하다고 판단되었다 [19]. 해당 상수들을 이용해 열처리 이력에서 다시 계산한 재결정 분율과 실험으로 측정된 재결정 분율을 비교하여 Fig. 34 에 도시하였고, 잘 맞음을 확인할 수 있었다. 사용된 모든 온도 값의 경우 절대온도로 환산하여 계산되었다.

(69)

Figure 34. Relationship between measured recrystallization fraction and calculated recrystallization fraction using Eq. (2).

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Calculated recrystalization fraction

Measured recrystalization fraction

(70)

3.3.2 정량화

식(2)와 앞서 구한 변수들을 이번엔 통전처리 온도이력에 대입하여 시편들의 재결정 분율을 계산하였다. 이 경우, 계산된 재결정 분율은 열처리에서 얻은 들을 사용하기 때문에 온도이력에 따른 열효과에 의한 재결정 분율이라고 판단하였다.

먼저 온도이력을 통해 구해진 식(2)의 상수들은 다음과 같다.

전류밀도 40, 50, 68, 140, 210A/mm² 에서 700℃ 조건의 경우 가열속도(γ1)는 각각 66.88, 123.5, 404.4, 1601, 3254 Ks^-1, 냉각속도(γ2)는 -96.8, -92.44, -69.86, -88.14, -72.12 Ks^-1 였다.

최고온도 760℃의 경우 가열속도는 각각 56.03, 126.6, 402.9, 1576, 3412 Ks^-1, 냉각속도는 각각 -96.34, -90.42, -67.89, -104.4, - 155.9 Ks^-1 였으며, 최고온도 800℃ 케이스의 가열속도는 60.69, 122.2, 401.6, 1746, 3046 Ks^-1, 냉각속도는 -101.2, -92.79, -70.91, -79.03, -109.6 Ks^-1 였다. 860℃ 조건의 가열속도는 57.83, 121.4, 418.6, 1823, 3743 Ks^-1 그리고 냉각속도는 -118.9, -110.3, -92.98, -123.9, -111.3 Ks^-1로 식(2)에 적용되었다.

각 통전처리 온도조건을 통하여 계산된 재결정 분율은 전류밀도 40, 50, 68, 140, 210A/mm²에서 700℃는 각 0.001, 0.002, 0.003, 0.005, 0.006(Fig. 35)이었고, 760℃ 케이스의 경우 각각 0.042, 0.028, 0.026, 0.012, 0.011 이었으며(Fig. 36), 800℃의 경우 0.108, 0.075, 0.063, 0.048, 0.038 이었다(Fig. 37). 또한 860℃ 조건에선 각각 0.506, 0.383, 0.361, 0.202, 0.204 로 계산되었다 (Fig. 38).

(71)

모든 통전처리 조건에서 계산된 재결정 분율은 측정된 재결정 분율보다 현저히 낮은 값으로, 이를 열효과(thermal effect)에 의한

재결정 분율로 해석하여, 이를 제외한 나머지 재결정 분율을

비열효과(athermal effect)로 정량화 할 수 있었다.

(72)

0 60 120 180 240

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Measured

Calculated with measrued temperature

(73)

50 100 150 200

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Measured

(74)

50 100 150 200

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Measured

(75)

50 100 150 200

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Measured

(76)

3.4 비열효과에 대한 고찰

3.4.1 활성화에너지 감소

이전 연구에선 비열효과의 원인을 전류에 의한 재결정 활성화에너지 감소로 설명하였다 [18]. 따라서 전류에 의한 활성화에너지가 감소를 가정한다면 식(1)를 다음과 같이 변형할 수 있다.

= − − ∫ − ( −⁽ ⁾ ……(3)

통전처리 실험결과를 맞추도록 위 식의 활성화에너지 감소 값을

최적화한 결과, 계산된 재결정 분율은 전류밀도 40, 50, 68, 140, 210A/mm² 에서 최고온도 700℃ 조건으론 각각 0.162, 0.163, 0.081, 0.202, 0.362 로 계산되었다. 마찬가지로 760℃는 각 0.649, 0.593, 0.432, 0.563, 0.661 였으며, 800℃ 조건에선 0.907, 0.873, 0.708, 0.930, 0.962 로 계산되었고, 860℃에선 0.999, 0.999, 0.995, 0.999, 0.999 로 68A/mm²을 기준으로 바뀌는 경향은 맞출 수 있었다. 하지만 활성화에너지 감소 값의 경우 전류밀도 40, 50, 68, 140, 210A/mm² 조건에서 각각 25.64, 27.67, 24.69, 33.55, 37.55kJ/mol 었고 이를 Fig.

39 에 나타낸 것처럼 활성화에너지 감소 값이 전류밀도에 비례하는

일정한 경향이 나타나지 않는다는 점에서 비열효과를 설명하기엔

논리적으로 맞지 않았다.

(77)

Figure 39. Decremental values of recrystallization activation energy with a current density.

0 60 120 180 240

0 10 20 30 40 50

Decremental activation energy(kJ/mol)

(78)

3.4.2 유효온도

따라서 본 연구에서는 비열효과를 설명하기 위한 다른

방안으로 유효온도(effective temperature)의 개념을 제안했다 (Fig.

40). 여기서 유효온도란 거시적으로 측정된 온도가 아닌 전기전도도가

낮은 결함 부근에서 미시적으로 발생할 것으로 예상되는 가상의

온도이다. 이를 표현하기 위해서 여러 방법이 있으나, 본 연구에선 가장

간단한 방식으로 전류가 인가되는 중에는 거시적 온도를

평행이동(linear offset) 시켜 미시적인 유효온도를 가정하였다. 따라서

식(1)을 다음과 같이 수정하였다.

식(4)를 온도 증가 값 α를 최적화하여 구해진 재결정 분율은 전류밀도 40, 50, 68, 140, 210A/mm²에서 최고온도 700℃ 조건에서 각 0.191, 0.218, 0.127, 0.303, 0.305 로 계산되었고(Fig. 41), 760℃의 경우 0.662, 0.604, 0.451, 0.635, 0.648 (Fig. 42), 800℃의 경우 0.887, 0.857, 0.686, 0.821, 0.860 으로 계산되었으며(Fig. 43), 860℃에선 0.999, 0.999, 0.988, 0.966, 0.994 로 로 68A/mm² 을 기준으로 바뀌는 경향을 맞출 수 있었다(Fig. 44). 이 경우엔 유효온도와 실제 측정된 온도의 차이인 온도 증분 (incremetnal temperature) 값이 전류밀도 40, 50, 68, 140, 210A/mm² 에서 각각 135.27, 164.98, 200.53, 307.85, 347.9℃로 전류밀도가 증가할 수록

= 1 − − ∫ ⁽ ⁽ ⁾ ⁾ + ∫ ⁽ ^{( )} ⁾ …… (4)

(79)

증가하는 경향성을 얻을 수 있다는 점에서 보다 논리적으로 비열효과를 설명할 수 있었다 (Fig. 45). 또한 이를 바탕으로 전류밀도와 온도 증분 간의 상관관계를 근사한 결과로 다음과 같은 실험적인 식을 구할 수

있었다.

유효온도를 기존의 알려진 메커니즘 중 하나인 전위 밀도가 높은 부분이나 결정립계에서 발생하는 국부적 줄발열(local Joule heating)의 개념으로 해석할 수 도 있다 [23, 24]. 하지만 본 그룹에서 수행한 유한요소해석을 통한 알루미늄 AA5052 합금의 전류 인가 시뮬레이션 결과 금속재료에선 열전도가 굉장히 빨라서 결정립계 부근에 결정립 내부와 차별화 될 정도로 높은 온도 상승이 발생하는 것이 어려운 것을 확인하였다. 해당 시뮬레이션이 원자단위의 작은 스케일을 반영하지 못하여 정확한 계산엔 적합하지 않는다는 한계점이 있지만, 본 연구에선 Fig. 13 에서 얻은 온도 증분 값이 단순한 줄발열이 아니라 전자의

흐름이 결정립계 같은 결함 부근의 높은 저항으로 국부적인

전하(charge)가 생겨 발생한 원자 수준의 결합(bonding) 변화를 온도

상승의 개념으로 정량화한 것일 가능성을 열어두고자 한다. 이를

측정하는 것은 현재로선 불가능하기 때문에 증명을 위하여 원자 수준의

∆ = 24.33 ∗ √ …… (5)

(80)

주변의 국부적인 전하에 의한 비열효과가 동시에 구현된 결과로 설명할 수 있다.

(81)

(82)

Figure 41. Recrystallization fraction calculated by effective temperature (blue line) obtained from electropulsing treatment under the target temperature of 700℃

50 100 150 200

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Measured

Calculated with effective temperature

(83)

Figure 42. Recrystallization fraction calculated by effective temperature (blue line) obtained from electropulsing treatment under the target temperature of 760℃

50 100 150 200

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Measured

(84)

Figure 43. Recrystallization fraction calculated by effective temperature (blue line) obtained from electropulsing treatment under the target temperature of 800℃.

50 100 150 200

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Measured

(85)

Figure 44. Recrystallization fraction calculated by effective temperature (blue line) obtained from electropulsing treatment under the target temperature of 860℃.

50 100 150 200

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Measured

(86)

Figure 45. Incremental values of peak temperature with a current density and the curve fitting the relationship between them.

(87)

4. 결 론

유망한 차세대 공정인 전류를 이용한 공정의 상용화를 위해

비열효과에 대한 구체적인 이해가 필요하다. 이를 위해 본 연구에선 비열효과의 정량화와 전류밀도가 비열효과에 미치는 영향에 대한 분석이

수행되었다. 실험 변수를 통제하기 쉽도록 한번의 펄스를 이용한

통전처리 실험으로 초저탄소 강의 어닐링 과정에서 전류밀도가 재결정과 결정립 성장 그리고 회복에 미치는 영향을 분석하였다. 40, 50, 68, 140, 210A/mm² 의 다른 전류밀도를 인가시간을 조절하여 최고온도와 냉각 속도를 비슷하게 맞추어 그간 잘 연구되지 않았던 통전 조건간 비교를 시도하였다. 결과로 통전처리의 어닐링 효과가 68A/mm² 을 기점으로 그 전엔 전류밀도가 커질수록 감소하고, 그 이후엔 전류밀도와 비례하여 증가하는 흥미로운 경향을 확인하였다. 비열효과의 정량화를 위하여 대조군 열처리 실험을 수행하고, 등온이 아닐 때 적용이 가능하도록 변형된 JMAK 식을 이용한 최적화를 통해 활성화에너지, Avrami 지수 등 상수를 구하였다. 이를 통전처리 온도이력에 적용하여 열효과에 의한 재결정 분율을 분리해내어 정량화했다. 또한 비열효과가 전류밀도에

비례하도록 해석하기 위하여 유효온도의 개념이 제안되었고, 해당

개념이 실험 결과의 경향성을 잘 설명할 수 있음을 확인하였다. 또한 전류밀도와 유효온도를 위한 온도 증분 간 관계식을 근사하고, 해당

(88)

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