[논문] 열처리공학회지, 제21권 제2호(2008)J. of the Korean Society for Heat Treatment, Vol. 21, No. 2, (2008) pp. 79~86

바나듐 첨가에 의한 저탄소 구조용강의 강화

이상옥·이현권·이상우†

금오공과대학교 신소재시스템공학부

Strengthening of 0.25%C Low Carbon Structural Steels by Vanadium Addition

Sang-Ok Lee, Hyun-Kwuon Lee, Sang Woo Lee†

School of Advanced Materials & Systems Engineering Kumoh National Institute of Technology,

Gumi 730-701, Korea

Abstract As a basic research for developing 600 MPa yield strength reinforcing steel bars, the strengthening of

0.25 wt.% carbon steel by vanadium addition was studied. The changes of microstructure and mechanical prop-

erties were investigated for the specimen V0 (0.00 wt.% V), V1 (0.03 wt.% V) and V2 (0.06 wt.% V) processed

by various heat treatments. To set the heat treatment conditions, the continuous cooling transformation (CCT)

curves were drawn for austenitizing temperatures of 900oC and 1100oC. For specimens tempered at 600oC after

quenching from 900oC and 1100oC, yield strength was increased by 19 MPa and 21 MPa for 0.01 wt % V addi-

tion, and tensile strength was increased by 25 MPa and 28 MPa for 0.01 wt % V addition, respectively. Also, for

0.06 wt.% V added specimens tempered after quenching and normalized, tensile strength was increased by 50

MPa and 30 MPa for increasing austenitizing temperature of 100oC, respectively.

(Received February 18, 2008; accepted March 4, 2008)

Key words: Carbon steel, Vanadium, Strengthening, Microstructure, Mechanical property

1. 서 론

최근 들어 구조물들의 대형화 및 경량화 경향에

따른 고장력 철근에 대한 연구가 전 세계적으로 활

발히 진행되고 있다. 현재 국내의 기술로는 500 MPa

급의 상용화에 그치고 있지만 일본의 경우 685 MPa

급 철근의 개발이 완료되었으며, 이를 상용화하려고

준비 중이다. 더욱이 현재 국내의 철근생산 기술 수

준은 600 MPa 급 철근의 합금설계 조차 되어있지

않은 상황임을 감안할 때, 600 MPa 급 철근의 합금

설계 및 상용화에 대한 연구가 시급한 실정이다.

고장력강의 개발을 위한 방법으로는 미량합금원소

첨가와 더불어 가공 열처리 기술을 통한 페라이트 결

정립 미세화가 중심이 되어 왔다. 강판 제조의 가공

열처리 기술에는 입자 미세화를 목적으로 하는 제어

압연 기술과 오스테나이트/페라이트 변태를 제어하는

가속 냉각 기술이 함께 적용되는 TMCP강 제조기술

(Thermomechanical Control Process)과 TMCP강

의 매우 낮은 압연 생산성을 보완하기 위해 개발된

동적 재결정 제어압연기술(DRCR, Dynamic Recry-

stallization Controlled Rolling)이 적용되고 있다[1].

철근의 제조방법에는, 열간압연 직후 냉각 시 철근의

표면만을 빠르게 수냉하여 표면에는 마르텐사이트 변

태를 일으키고, 냉각속도가 느린 내부는 페라이트 +

펄라이트 조직으로 만들며, 내부에 남아있는 열이 외

부로 나오면서 표면부의 마르텐사이트가 템퍼링

(tempering)되는 효과를 이용하는 공정이 많이 활용

되고 있다. 이렇게 열처리 하였을 경우 노말라이징

(normalizing) 되었을 경우에 비해 강도가 상승하게

된다.

고장력강에 첨가되는 미량 합금원소는 강력 탄질화

물 원소인 Nb, V, Ti 등으로서 이에 대한 연구는

대단히 많이 진행되었으며, 이들 원소의 첨가 영향은

오스테나이트 미세화와 미재결정화, 그리고 페라이트

의 결정립 미세화 및 석출강화로 알려져 있다[2]. 특

히, vanadium(V)을 0.06~0.12 wt.% 정도 첨가하면†E-mail : sangwoo@kumoh.ac.kr

80 이상옥·이현권·이상우

균열에 대한 저항이 증가하고 Nb 첨가에 따른 가장

큰 문제점인 Widmanstaetten 조직을 억제하는 효과

가 있으며 인성이 줄어들지 않고 인장 강도나 내마

멸성이 개선된다. 예를 들어, V을 첨가한 탄소강 주

강품은 노말라이징한 경우에 V을 첨가하지 않은 것

보다 인장강도가 10~15% 정도 개선되고 수명이

16~20% 개선되며 10~25%의 중량 감소가 가능하

다. 하지만 V이 0.12 wt.%를 넘으면 취성 파괴를

초래할 수 있다는 보고가 있다[3].

본 연구에서는 0.25 wt.% 탄소를 함유한 탄소강을

기본으로 하고, 여기에 0.03 wt.% V과 0.06 wt.%

V을 첨가한 3종류 강의 열처리 후 미세조직 및 기

계적 특성을 비교하고 V의 첨가에 따른 강화효과를

고찰하였다.

2. 실험방법

진공 유도 용해법으로 V첨가량에 따른 3종류의 합

금을 제조한 후 두께 15 mm, 폭 150 mm, 길이

2 m의 압연판재로 제조하였다. 분광분석기

(Spectrovac)로 분석한 각 합금의 화학조성과 시편

표기를 Table 1에 나타내었다. 0.26 wt.% C를 포함

한 탄소강(V0)을 기준으로 하였으며 여기에 0.03

wt.% V(V1)과 0.06 wt.% V(V2)을 첨가하였다. 준

비된 압연판재를 3Φ× 10 mm의 시편으로 제작하여

5oC/sec로 900oC와 1100oC까지 승온하여 10분간

오스테나이트화한 후 여러 냉각 속도로 상온까지 냉

각하였다. 이때 발생하는 상변태에 따른 시편의 부피

변화와 광학현미경(Nikon ECLIPSE L150)과 전자

현미경(Hitachi S-2400)을 이용한 조직관찰 및 마이

크로 비커스를 이용한 경도 실험의 결과를 토대로

각 조건별 CCT 곡선을 제작하였다.

열처리를 위해 준비된 압연판재를 압연방향에 수직

한 방향으로 두께 15 mm, 폭 15 mm, 길이 150 mm

의 직육면체 형태로 절단하였다. 절단 시편을

900oC, 1000oC, 1100oC에서 30분간 오스테나이트화

처리한 후 공기 중에서 냉각(노말라이징)하거나 수냉

하였다. 수냉시편은 550oC, 600oC, 650oC에서 20분

간 템퍼링하였다.

열처리 시편에서 KS규격(인장시험 시편 4호)에 따

라 봉형 인장시편을 가공하였고, 만능시험기(Instron

US/4468)를 이용하여 5 mm/min의 인장속도로 인장

시험을 실시하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 CCT 곡선

열처리 온도의 결정을 위해 시편을 900oC와

1100oC에서 오스테나이트화 한 후 여러 가지 냉각속

도 조건에서의 CCT곡선을 구하였다. 그 결과 CCT

곡선의 형태는 실험조건에 따라 큰 차이를 보이지는

않았고 3종류의 강은 모두 약 2oC/sec 보다 느린

냉각에서 페라이트 +펄라이트의 조직으로 변태되었

다. 대표적으로 Fig. 1에 900oC에서 오스테나이트화

한 후의 V1 시편(0.03 wt.%V)의 CCT 곡선을 나타

내었다.

시편을 1oC/sec 속도로 냉각했을 때 V 첨가량과

Table 1. Chemical composition of steels and specimen designation (wt %)

C Si Mn P S V N

V0 0.261 0.201 1.20 0.002 0.002 − 0.0098

V1 0.249 0.203 1.21 0.002 0.002 0.030 0.0075

V2 0.248 0.203 1.21 0.002 0.001 0.060 0.0076

Fig. 1. CCT curve of steel V1 austenitized at 900oC.

바나듐 첨가에 의한 저탄소 구조용강의 강화 81

오스테나이트화 온도에 따른 Ar3온도 변화를 Fig. 2

에 나타내었다. V이 첨가되지 않은 경우에 비해

0.06 wt.% V이 첨가 되었을 경우 Ar3 온도가 18oC

상승하는 것을 확인할 수 있었다. Andrews가 제안

한 식에 따르면 V이 첨가되면 가열 시 Ac3 온도가

상승한다[4]. 이 이유는 V 첨가에 의해 페라이트의

안정성이 증가되기 때문이며, 따라서 냉각 시에도 오

스테나이트는 V이 첨가되지 않은 경우보다 상대적으

로 높은 온도에서 페라이트로 변태되기 때문으로 판

단된다. 1100oC에서 오스테나이트화 한 시편의 경우

가 전체적으로 낮은 Ar3 온도를 나타내고 있다. 이

는 900oC에서 오스테나이트화 했을 경우 V(C, N)

과 같은 탄질화물들이 완전히 용해되지 않은 상태이

기 때문에 기지 내의 탄소량이 적고 오스테나이트

입자가 작기 때문에 Ar3 온도가 높으며, 1100oC에

서 오스테나이트화 한 경우는 탄질화물들이 대부분

용해되어 기지 내의 탄소량이 많고 오스테나이트 입

자 크기가 상대적으로 크기 때문에 Ar3 온도가 낮아

졌다고 판단된다[5].

3.2 미세조직

Fig. 3에 오스테나이트화 온도와 바나듐 첨가량에

따른 미세조직을 나타내었다. 900oC에서 오스테나이

트화한 시편의 경우 V0과 V1의 오스테나이트의 결

정립도는 비슷하지만 V2의 경우에는 상당한 결정립

미세화가 이루어졌음을 알 수 있었다. 또한 1100oC

에서 오스테나이트화 한 경우는 V0, V1, V2 모두

오스테나이트 결정입도의 변화는 크지 않음을 알 수

있었다. 이러한 결과는 용해도 차이 때문이다. 아래

의 식은 평형상태에서 온도에 따른 V 석출물의 용

해도를 나타내는 식이다[6].

여기서 [V], [C], [N]은 wt.% 농도이며 T는 절대

온도이다. 이 식을 이용하면 평형상태에서 VC의 완

전용해 온도는 V1과 V2에서 각각 800oC, 838oC이

며, VN의 경우는 V1과 V2에서 각각 902oC, 959oC이다. V(C, N)의 경우에는 알려진 명확한 식은

없지만 VC와 VN의 용해온도 중간정도의 온도에서

존재한다고 보고되고 있다[6]. 이러한 결과는 900oC

에서는 아직 V(C, N)이 아직 완전히 용해되지 않았

다는 것을 의미한다. 즉 V 함량이 많을 때는 용해

되지 않고 남았던 V(C, N)의 고착효과에 의해서 오

스테나이트의 성장이 억제되고, 이로부터 생성된 페

라이트 입자도 미세해지는 결과로 판단된다. 반면,

1100oC에서 오스테나이트화 하였을 경우에는 V석출

물이 모두 용해되기 때문에 오스테나이트 결정립 크

기가 V0는 약 100 µm, V1은 약 85 µm, V2는 약

80 µm로서 900oC에서 오스테나이트화한 경우의 V0

(약 30 µm), V1(약 27 µm), V2(약 20 µm)보다 훨

씬 더 크다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 1100oC

에서 오스테나이트화한 경우 V1과 V2가 V0보다 작

은 이유는 석출물에 의한 고착효과는 기대할 수 없

지만, 용해된 V 원자에 의한 solute drag 효과가

어느 정도 작용한 것으로 생각된다.

Fig. 4에 노말라이징된 각 조성 시편의 미세조직을

나타내었다. 1100oC로 오스테나이트화한 시편의 경

우에는 Fig. 3에서 나타나듯이 V이 첨가되더라도 오

스테나이트 결정립이 80 µm 이상으로 조대하여 노

말라이징 후의 미세조직은 기다란 형태의 Widman-

staetten 페라이트와 베이나이트로 이루어져 있다. 한

편 900oC로 오스테나이트화한 시편의 경우에는 V이

첨가되지 않은 V0 시편의 경우에는 기다란 형태의

Widmanstaetten 페라이트가 상당량 석출하였으나,

V 첨가량이 증가될수록 페라이트의 형태는 등축정으

V[ ]log C[ ]9500–

T--------------- 6.72+=

V[ ]log N[ ]7840–

T--------------- 3.02+=

Fig. 2. Variation of Ar3 temperature with austenitizing

temperature and V content.

82 이상옥·이현권·이상우

로 미세화되는 경향을 보인다. 결국 초기 오스테나이

트의 결정입도와 같이 페라이트의 결정립도 또한

900oC에서 오스테나이트화한 V2시편의 경우 페라이

트 입자가 가장 미세화 됨을 알 수 있다. 이러한

결과는 오스테나이트화 온도가 900oC일 경우에 완전

용해되지 않고 남아있는 V 탄질화물에 의해서 초기

오스테나이트의 결정입도가 작아짐에 따른 효과로 생

각된다.

3.3 경도 및 강도

Fig. 5는 노말라이징한 시편 내에 석출된 페라이트

고유의 미소경도값을 나타내고 있다. 오스테나이트화

온도가 높고 V 함량이 클수록 페라이트의 경도값이

높게 나오는 것을 알 수 있다. 또한 0.06 wt.% V

이 첨가된 경우의 경도값은 V이 첨가되지 않은 경

우보다 더 크게 나타났는데, 경도값의 증가값은

900oC에서 오스테나이트화한 경우는 13 Hv, 1100oC

에서 오스테나이트화한 경우에는 28 Hv였다. 오스테

나이트화 온도가 900oC의 경우에는 열간압연 상태에

있던 V(C, N) 및 AlN등의 석출물들이 완전히 용해

되지 않고 압연판 내에 큰 입자로 남아있어서 석출

강화 효과가 적다. 반면 1100oC로 오스테나이트화된

경우에는 열간압연 상태에 있던 조대한 석출물들이

모두 용해되고 냉각시 미세하게 재석출되어 석출강화

Fig. 3. Variation of austenite grain with austenitizing temperature and V content.

바나듐 첨가에 의한 저탄소 구조용강의 강화 83

효과에 의해 페라이트의 경도값이 더 커지는 것으로

판단된다. 또한 이와 동시에 첨가된 V 함량이 높을

수록 페라이트 입내에 석출되는 양이 증가되됨에 따

라 페라이트의 경도는 증가되는 것으로 생각된다.

Fig. 6과 Fig. 7에 900oC와 1100oC에서 오스테나

이트화 하여 수냉하고 550oC, 600oC, 650oC에서

템퍼링한 시편과 상온에서 노말라이징한 시편의 각

조성별 항복강도 및 인장강도를 나타내었다. 전체적

으로 V 첨가에 따라 항복강도 및 인장강도가 증가

하는 것을 볼 수 있다. Fig. 6(a)에서 노말라이징된

V2(0.06 wt.% V)의 경우 항복강도의 급격한 증가현

상을 보이는데 이는 Fig. 4에서 나타난 페라이트 결

Fig. 4. Microstructure of normalized specimen with austenitizing temperature and V content.

Fig. 5. Variation of ferrite hardness with austenitizingtemperature and V content.

84 이상옥·이현권·이상우

정립 크기의 감소에 의한 강화현상으로 설명할 수

있다. 결과를 종합하면, 수냉시편의 항복강도와 인장

강도 값은 V의 함량이 증가할수록 전체적으로 증가

하였다. 900oC 및 1100oC에서 오스테나이트화한 후

600oC에서 템퍼링 하였을 경우 항복강도는 0.01

wt.% V당 각각 19 MPa과 21 MPa의 증가를 보였

으며, 인장강도는 0.01 wt % V당 각각 25 MPa과

28 MPa의 증가를 보였다. 한편 노말라이징하였을 경

우에는 900oC에서 오스테나이트화 한 경우에는 항복

강도와 인장강도가 0.01 wt.% V 첨가당 각각 24

MPa, 6 MPa의 증가를 보였으며, 1100oC에서 오스

테나이트화 한 경우에는 항복강도와 인장강도가 0.01

wt.% V 첨가당 각각 15 MPa, 13 MPa의 증가를

보였다.

Fig. 8은 V2 시편(0.06 wt.% V)에서 오스테나이트

화 온도와 열처리 방법에 따른 항복강도와 인장강도

를 나타내고 있다. 수냉 시편의 경우 오스테나이트화

온도가 높을수록 항복강도와 인장강도가 증가됨을 알

수 있다. 이는 오스테나이트화 온도가 높을수록 열간

압연 상태에 있던 조대한 탄질화물이 더 많이 용해

되어 수냉 후 템퍼링 시 미세하게 재석출하기 때문

이다. 한편 수냉시편의 항복강도의 경우 오스테나이

트화 온도가 높을수록 템퍼링 온도 상승에 따른 항

복강도의 감소가 둔화되는 것을 확인할 수 있었다.

이러한 이유는 오스테나이트화 온도가 높을수록 더

많은 양의 석출물들이 용해되고, 수냉 후의 템퍼링시

미세한 바나듐 탄화물들이 석출됨으로써 석출강화 효

과가 템퍼링에 따른 기지의 연화를 보완해 주기 때

Fig. 6. Variation of yield strength with V content of steels;(a) austenitized at 900oC (b) austenitized at 1100oC.

Fig. 7. Variation of tensile strength with V content ofsteels; (a) austenitized at 900oC (b) austenitized at1100oC.

바나듐 첨가에 의한 저탄소 구조용강의 강화 85

문이라 판단된다.

노말라이징 시편의 경우 인장강도는 수냉시편과 같

이 오스테나이트화 온도가 높을수록 증가하였다. 반

면 Fig. 8(a)에 나타나듯이 노말라이징 시의 오스테

나이트화 온도에 따른 항복강도 변화는 수냉시편과

반대의 경향을 보이는데, 이는 오스테나이트와 온도

증가에 따라 오스테나이트 및 페라이트의 결정립 크

기가 커지기 때문이다. 즉, 고온으로 오스테나이트화

할수록 석출강화에 의한 강도상승보다 페라이트 결정

립의 조대화에 따른 강도저하가 더 크기 때문이라고

생각된다. Fig. 8(b)에서 보듯이 수냉 후 템퍼링 하

였을 경우와 노말라이징 하였을 경우의 인장강도는

오스테나이트화 온도가 100oC 증가할수록 각각 약

50 MPa와 약 30 MPa의 일정한 증가를 보였다.

4. 결 론

본 연구에서는 0.25 wt.% 탄소를 함유한 탄소강을

기본으로 하고, 여기에 0.03 wt.% V과 0.06 wt.%

V을 첨가한 3종류 강의 열처리 후 미세조직 및 인

장 특성을 비교하고 V의 첨가에 따른 강화효과를

고찰한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. V2시편의 경우 오스테나이트화 온도가 1100oC

일 때의 오스테나이트 결정립 크기는 약 80 µm로서

900oC로 오스테나이트화 된 경우의 20 µm보다 더

크다는 것을 확인하였다. 이는 오스테나이트화 온도

에 따른 V(C, N) 석출물의 용해도차에 의한 것으로

판단된다.

2. 페라이트 입내 경도 값은 1100oC에서 오스테나

이트화한 V2 시편에서 가장 높은 값을 나타내었다.

이는 V(C, N) 석출물이 1100oC에서 모두 용해되어

냉각 시 좀 더 미세하게 석출되고 V함량이 높을수

록 페라이트 입내에 고용되는 V 함량이 높아져 고

용강화 효과가 증가되기 때문으로 생각된다.

3. V의 함량이 증가할수록 항복강도와 인장강도 값

은 전체적으로 증가하였다. 600oC에서 템퍼링 시편

에서 오스테나이트화 온도가 900oC 및 1100oC일

경우에 항복강도는 0.01 wt.% V 첨가당 각각 19

MPa과 21 MPa의 증가를 보였으며, 인장강도는

0.01 wt.% V 첨가당 각각 25 MPa과 28 MPa의 증

가를 보였다.

4. 0.06 wt.% V이 첨가된 경우, 오스테나이트화

온도가 100oC 증가할수록 수냉 후 템퍼링 시편과

노말라이징 시편의 인장강도는 각각 약 50 MPa와

약 30 MPa 증가되었다.

감사의 글

본 연구는 2005년도 금오공과대학교 학술연구비

(2005-104-062)로 수행되었으며, 이에 감사드립니다.

참고문헌

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Fig. 8. Effects of austenitizing temperature and heattreatment condition on yield strength and tensile strengthof V2 specimen; (a) yield strength (b) tensile strength.

86 이상옥·이현권·이상우

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