강철의 비금속 개재물: 기원과 제어
강철의 작은 불순물이 중요한 이유는 무엇일까요? 이러한 비금속 개재물은 미세하지만 강철의 특성과 유용성에 큰 영향을 미칩니다. 이 기사에서는 불순물의 기원과 분류, 그리고 발전된 기술을 자세히 살펴봅니다...
고품질 제조 공정에도 불구하고 일부 철강 제품이 예기치 않게 고장 나는 이유는 무엇일까요? 그 해답은 비금속 개재물에 있습니다. 제강 공정 중에 형성되는 이러한 작은 불순물은 강철의 내구성, 인성 및 부식에 대한 저항성에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 강철 품질을 개선하려면 이러한 불순물의 종류와 영향을 이해하는 것이 중요합니다. 이 글에서는 이러한 내포물이 어떻게 형성되고 분류되며 다양한 응용 분야에서 강철의 성능에 미치는 중대한 영향에 대해 살펴봅니다. 이러한 숨겨진 위협을 완화하고 철강 제품이 최적의 성능을 달성할 수 있도록 하는 방법을 알아보세요.
1. 내인성 포함
강철을 제련하는 과정에서 탈산 반응이 일어나 산화물 및 기타 생성물이 생성됩니다. 이러한 생성물이 용융된 강철이 굳기 전에 표면으로 올라오지 않으면 강철 안에 갇혀 있게 됩니다. 다음과 같은 반응이 일어납니다:
용강에 산소, 황, 질소와 같은 불순물이 존재하면 냉각 및 응고 과정에서 고용체에 침전되어 궁극적으로 잉곳에 갇히게 됩니다. 내인성 내포물로 알려진 이러한 내포물의 분포는 일반적으로 균일하며 입자가 작은 것이 특징입니다.
적절한 운영과 적절한 공정 조치를 시행하면 내포물의 수를 줄이고 구성, 크기 및 분포를 변경할 수 있지만, 일반적으로 내포물의 존재는 피할 수 없습니다.
2. 이물질 포함
제련 및 주입 과정에서 용강 표면에 떠다니는 슬래그와 제강로 내벽, 탭핑 트로프, 래들에서 벗겨질 수 있는 내화 물질 또는 기타 이물질은 용강이 굳기 전에 항상 제거되지 않아 강철 내에 존재하게 됩니다.
이러한 내포물은 제련 과정에서 금속과 외부 물질의 접촉으로 인해 형성됩니다.
일반적으로 이러한 내포물은 모양이 불규칙하고 크기가 크며 모양이 고르지 않아 "거친 내포물"이라는 별명을 얻습니다.
그러나 이러한 내포물은 적절한 운영 기술을 통해 예방할 수 있습니다.
클래스 A(황화물): 높은 연성과 다양한 형태적 비율을 가진 단일 회색 내포물로서 일반적으로 끝이 둥근 형태입니다.
클래스 B(알루미나): 대부분의 입자는 변형되지 않고 각진 형태이며 형태적 비율이 작고(일반적으로 3 미만) 검은색 또는 파란색입니다. 롤링 방향을 따라 최소 3개 이상의 입자가 연속으로 있어야 합니다.
클래스 C(규산염): 높은 연성과 다양한 형태적 비율(일반적으로 3 이상)을 가진 단일 검은색 또는 짙은 회색 내포물, 일반적으로 끝이 예각인 경우.
클래스 D(구형 산화물): 형태비가 작고(일반적으로 3 미만), 검은색 또는 푸르스름하며 불규칙하게 분포된 변형되지 않은 각진 입자 또는 원형 입자.
클래스 D(단일 입자 구형): 지름이 13μm 이상인 원형 또는 거의 원형에 가까운 단일 입자 내포물.
표 1 등급 제한(최소)
| 등급 차트 레벨 I | 포함 카테고리 | ||||
| A. 총 길이(음) | B 총 길이(음) | C 총 길이(음) | D 수량 | S 지름(um) | |
| 0.5 | 37 | 17 | 81 | 1 | 3 |
| 1 | 127 | 777 | 6 | 41 | 9 |
| 1.5 | 261 | 84 | 769 | 2 | 7 |
| 2 | 436 | 43 | 201 | 63 | 8 |
| 2.5 | 649 | 555 | 102 | 55 | 3 |
| 3 | 898（<1181）822（<1147） | 46（<1029）3 | 6（<49）7 | 6（<107） | |
| 참고: 위의 클래스 A, B, C 포함물의 총 길이는 부록 D에 제공된 공식에 따라 계산되며 가장 가까운 정수를 취합니다. | |||||
표 2 포함 폭
| 카테고리 | 훌륭한 시스템 | 거친 시스템 | ||
| 최소 너비(um) | 최대 너비(um) | 최소 너비(um) | 최대 너비(um) | |
| A | 2 | 4 | >4 | 12 |
| B | 2 | 9 | >9 | 15 |
| 2 | 5 | >5 | 12 | |
| D | 3 | 8 | >8 | 13 |
| 참고: 클래스 D 내포물의 최대 크기는 지름으로 정의됩니다. | ||||
10μm보다 작은 크기의 내포물이 존재하면 구조의 핵 형성이 촉진되고 용접 중에 입자 성장이 발생합니다.
(1) 다음을 추가합니다. 합금 원소 Nb, V, Ti 등의 원소는 연속 주조 및 가열 중에 C 및 N 화합물(일종의 미세 내포물)의 침전을 초래할 수 있습니다.
(2) 황화 칼슘, 규산염 및 미세 산화철은 결정 핵을 정제하여 인성, 가소성 및 강도에 유익한 결정 핵을 정제 할 수 있습니다. 강판.
그러나 비금속 내포물이 50μm를 초과하면 강철의 가소성, 인성 및 피로 수명이 감소하고 냉간 및 열간 가공 특성 및 일부 물리적 특성이 저하됩니다.
일반적으로 용융강 내 개재물의 크기는 50μm를 초과하면 강판의 인성, 가소성 및 강도가 감소합니다.
이러한 특성 외에도 내포물은 내산성, 피로 성능, 표면 마감 및 용접 성능에 부정적인 영향을 미칩니다.
1. 단조, 냉간 가공, 담금질, 가열 및 용접 중에 균열이 발생하기 쉽습니다.
2. 롤링 후 표면 품질과 표면 거칠기 연삭 후 부품의 비율이 감소합니다.
포함 입자가 상대적으로 크고 크기가 10μm를 초과하는 경우, 특히 포함 함량이 낮은 경우, 포함 입자가 상대적으로 큰 경우 항복 강도 와 강철의 인장 강도가 현저히 감소합니다.
그러나 개재 입자가 작고 크기가 10μm 미만인 경우 강철의 항복 강도와 인장 강도가 향상됩니다.
강재 내 작은 입자의 양이 증가함에 따라 항복 강도와 인장 강도도 증가하지만 연신율은 약간 감소합니다.
내포물은 다음과 같은 주요 원인으로 널리 알려져 있습니다. 피로 실패 강철로.
그림 1에서 볼 수 있듯이 결합력이 약하고 크기가 큰 부서지기 쉬운 구형 내포물은 피로 성능에 큰 영향을 미치며, 강도가 높을수록 위험성이 커집니다.
고강도 강철의 경우 부품의 표면이 잘 가공된 경우 균열 시작 및 포함이 피로 균열의 주된 모드가 됩니다.
작은 내포물은 균열 핵 생성에는 거의 영향을 미치지 않지만 피로 균열 전파에는 유익한 역할을 할 수 있습니다.
그림 2는 작은 내포물 주변의 보이드 형성 및 성장을 개략적으로 나타낸 것입니다.
보조개는 0.5mm보다 작은 내포물과 관련이 있는 것으로 알려져 있습니다.
그림 1 동일한 스트레스 수준에서의 인클루전 크기 및 피로 수명
그림 2 인접하지 않은 개재물 사이에 미세 공극이 형성되는 개략도
실패 사례:
장비 모터의 탄성 샤프트는 일정 기간 사용 후 고장납니다. 그림 3은 파손의 거시적 모습을 보여줍니다.
파괴 표면의 거시적 피로 선과 방사형 선의 방향에서 균열이 탄성 샤프트 표면에서 시작되어 샤프트 표면의 세로 선에 해당한다는 것을 알 수 있습니다.
그러나 균열이 시작되는 지점의 파단 표면이 심하게 마모되어 원래 파단 표면의 형태학적 특성이 명확하지 않습니다.
그림 4와 같이 고장 나지 않은 탄성축을 거시적 및 현미경으로 검사하면 축 표면에 다양한 정도의 세로 균열이 있고 균열이 발생한 부위에 비금속 개재물이 있음을 알 수 있습니다.
에너지 스펙트럼 분석 결과 균열의 비금속 내포물은 알루미늄 산화물인 것으로 나타났습니다. 모터 탄성 샤프트의 구형 산화물 내포물 및 단일 입자 구형 내포물은 2.0 등급입니다.
탄성 샤프트의 조기 고장의 주요 원인은 다음과 같습니다. 피로 골절 이 교대 스트레스의 영향을 받아 핵심 피로 원인으로 작용하여 발생합니다.
그림 3 파손된 모터의 탄성축 파손의 거시적 모습
그림 4 탄성 샤프트의 내포물 SEM 분석
강철에 비금속 개재물이 있으면 부식에 대한 저항력이 크게 떨어질 수 있습니다.
비금속 내포물과 강철 베이스 사이의 화학적 조성의 차이로 인해 그 사이에 마이크로셀이 쉽게 형성될 수 있습니다. 이로 인해 환경 부식성 매체가 존재할 경우 전기 화학적 부식이 발생하여 부식 구덩이와 균열이 형성될 수 있습니다. 심한 경우 파손으로 이어질 수 있습니다.
예를 들어, 난방용 수도관은 Q235B 탄소 구조용 강철이 조기에 누출되었습니다. 그림 5(a)는 누수된 수도관의 거시적 외관을 보여주며, 누수 지점 근처에서 부식의 증거를 보여줍니다. 그림 5(b)는 산화 및 부식 생성물을 제거한 후 누수 지점의 용접부에 선명한 홈이 있음을 보여줍니다.
누수된 수도관과 원래 수도관의 금속 조직학, 개재물, 에너지 스펙트럼, 모의 가속 부식 테스트를 종합적으로 분석한 결과, 용접 접합부에서 내부 표면을 관통하는 산화물 개재물 또는 복합 산화물 개재물의 존재가 국부 부식, 부식 홈 형성 및 수도관의 조기 누수의 주요 원인인 것으로 밝혀졌습니다.
파이프에 존재하는 O2, S, Cl과 같은 부식성 매체로 인해 비금속 개재물이 인접한 철과 부식 셀을 형성하여 전기 화학적 부식을 일으켜 결국 수도관이 누수되는 원인이 됩니다.
그림 5 누수 수도관의 거시적 모습
수소가 물질에 침투하거나 매질과 물질 표면 사이의 전기화학적 상호작용을 통해 수소가 생성되면 특정 조건에서 계속 확산되어 내포물과 같은 함정에서 수소 분자로 쉽게 응집 및 결합할 수 있습니다.
이러한 트랩에서 수소 분자의 압력이 재료의 강도 한계를 초과하면 균열 핵이 형성됩니다.
수소가 계속 확산되고 응집되면 재료는 결국 거시적 파괴를 경험하게 됩니다.
수소로 인한 균열에 영향을 미치는 요인은 여러 가지가 있지만, 그 중에서도 특히 강철 유형의 경우 공정 요인의 영향을 제외하면 내포물의 영향이 가장 중요합니다. 내포물은 강력한 수소 트랩이며 비금속 내포물(특히 큰 내포물) 주변의 압력은 매우 높으며 내포물과 매트릭스 사이의 결합 강도는 상대적으로 약합니다.
수소 압력이 증가하면 내포물과 매트릭스 사이의 계면에 균열이 형성됩니다. 내포물에서 수소로 인한 균열이 발생할 확률은 높으며, 내포물의 수준과 양이 많을수록 수소로 인한 균열에 대한 민감도가 커집니다.
고장 사례로는 판 두께 24mm, 작동 압력 1.18MPa의 16Mn으로 제작된 한 LPG 회사의 200m3 LPG 저장 탱크가 있습니다. 수년 동안 사용한 후 구형 탱크 표면의 54개 부위에 금이 갔고, 20개는 이미 금이 간 상태였습니다. 금속 조직 검사, SEM 및 에너지 스펙트럼 분석 결과 드럼 안팎에 심각한 MNS 내포물과 수소 봉쇄가 발견되었습니다.
팽창의 원인은 음극 수소 진화 반응으로 인해 강철에 침투한 수소가 축적되어 내포물-매트릭스 계면 결함에 팽창을 형성했기 때문입니다. 팽창의 표면 균열은 인장 응력의 작용에 의한 수소 유발 지연 파괴였습니다.
그림 6과 7은 각각 저장 탱크의 내부 및 외부 표면의 돌출부의 거시적 외관과 드럼 내벽 표면의 미세한 형태 및 Mn 및 S 원소의 표면 분포를 보여줍니다. 심각한 비금속 포함은 수소 블리스터를 형성하고 블리스터의 균열을 일으키는 물질적 요인이었습니다.
그림 6 탱크 드럼의 거시적 외관
그림 7 드럼 내벽 표면의 미세 형태와 Mn 및 S 원소의 분포도
MachineMFG의 창립자인 저는 10년 넘게 금속 가공 산업에 종사해 왔습니다. 폭넓은 경험을 통해 판금 제조, 기계 가공, 기계 공학 및 금속용 공작 기계 분야의 전문가가 될 수 있었습니다. 저는 이러한 주제에 대해 끊임없이 생각하고, 읽고, 글을 쓰면서 제 분야에서 선두를 유지하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 저의 지식과 전문성을 귀사의 비즈니스에 자산으로 활용하세요.
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