반복 신선-Patenting에 의한 고탄소 펄라이트 강선의 미세조직 경로 의존성 = Microstructural Path Dependence of High-Carbon Pearlitic Steel Wires under Repeated Drawing?Patenting Cycles

국문 초록 (Abstract)

고탄소 펄라이트 강선은 냉간 신선 과정에서 수반되는 층상 간격 미세화, 전위 축적 및 시멘타이트 분해의 복합적 강화를 통해 고강도를 구현할 수 있는 대표적인 구조용 소재이다. 실제 제조 공정에서는 신선에 따른 가공 한계를 극복하기 위해 중간 patenting 열처리를 반복 적용하여 미세조직과 연성을 회복시키는 방법이 널리 활용되고 있다. 그러나 기존 연구의 대부분은 단일 patenting 이후의 연속 신선 거동에 초점을 두고 있어, 반복되는 신선-patenting cycle 전반에 걸친 미세조직 변화를 단계별로 추적한 연구는 제한적이다.
이에 본 연구에서는 Fe-0.89C-0.3Mn-0.2Cr-0.2Si （wt.%） 조성의 과공석강을 대상으로, 직경 5.5 mm 선재로부터 3회의 신선과 2회의 중간 patenting을 거쳐 직경 0.12 mm의 최종 강선에 이르는 총 6단계 공정 시편을 확보하고, 펄라이트 라멜라 구조, 시멘타이트의 형태학적·결정학적 변화, 그리고 페라이트의 전위밀도 및 격자 변형 거동을 다중 스케일에서 체계적으로 분석하였다.
분석 결과, 펄라이트 콜로니는 신선에 따라 신선 방향으로 점진적으로 재배향되었으며, 층상 간격（interlamellar spacing, ILS）은 180 nm에서 11 nm까지 현저히 감소하였다. 시멘타이트는 누적 변형률 증가에 따라 연속적인 판상에서 불연속적인 판상을 거쳐 미세한 입자상 구조로 단계적으로 전이하였으며, 이는 계면에서 개시되는 비정질화와 전위 구동 탄소 추출이 복합적으로 작용한 결과로 해석되었다. STEM-EDS 기반 겉보기 탄소 농도 차이（△C）는 WR 6.59 at.%에서 3D 2.06 at.%까지 감소하였으며, 이는 시멘타이트로부터 페라이트로의 실질적인 탄소 재분배를 반영하는 것으로 판단되었다.
페라이트의 전위밀도는 신선에 따라 10^15 m^-2 수준까지 증가하였고, patenting 후에는 초기 수준에 가깝게 회복되었다. 격자상수는 신선 시편에서 최대 0.29% 증가하였으며, 이는 시멘타이트 분해로 유리된 탄소의 과포화 고용에 기인하는 것으로 판단되었다. 또한 신선 전후의 분석 시편 모두에서 [100] 정대축의 {001} 위치에 나타나는 약한 추가 반사가 수 nm 크기의 국소 영역에 집중되어 관찰되었으며, 이는 계면 인접 탄소 농축 영역에서의 단범위 질서（short-range order, SRO） 배열과 관련되었을 가능성을 시사한다.
중간 patenting은 시멘타이트의 결정성, 상 간 탄소 분배, 전위밀도 및 격자상수를 비변형 상태에 가까운 수준으로 재설정하였으나, ILS는 cycle을 거듭할수록 점진적으로 미세화되어 초기 상태로 복귀하지 않았다. △C 역시 부분적으로만 회복되어 초기값 수준에는 도달하지 못하였으며, 이는 페라이트 내 과포화 탄소의 잔류 가능성을 뒷받침한다. 이러한 선택적 재설정 거동은 patenting 후 재형성된 조직이 선행 cycle의 이력을 보존함을 의미한다.
종합하면, 본 연구는 실제 강선 제조 공정의 반복 신선-patenting cycle 동안 진행되는 미세조직 진화와 상 간 탄소 재분배 거동을 통합적으로 규명하였으며, 최종 미세조직이 총 누적 변형률뿐 아니라 전체 공정 경로에 의해 규정되는 경로 의존성을 실험적으로 제시하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• Ⅱ. 이론적 배경 3
• 2.1. 펄라이트 조직 형성 및 미세구조적 특징 3
• 2.1.1 공석 반응 3
• 2.1.2 계층 구조 6
• 2.1.3 층상 간격 8
• 2.2. 강선 제조 공정 11
• 2.2.1 선재 제조 및 제어 냉각 11
• 2.2.2 신선 가공 14
• 2.2.3 Patenting 열처리 16
• 2.3. 주요 강화 기구 19
• 2.3.1 Hall-Petch형 계면 강화 20
• 2.3.2 전위 강화 24
• 2.3.3 고용 강화 27
• 2.4 미세조직 정량 분석 기법 31
• 2.4.1 Modified Williamson-Hall 분석 31
• Ⅲ. 실험 방법 34
• 3.1 시편 준비 및 공정 조건 34
• 3.2 펄라이트 분석 38
• 3.3 시멘타이트 분석 41
• 3.4 페라이트 분석 42
• Ⅳ. 실험 결과 44
• 4.1 펄라이트 미세구조 변화 44
• 4.1.1 펄라이트 라멜라 구조 44
• 4.1.2 시멘타이트-페라이트 탄소 농도 분포 52
• 4.2 시멘타이트 형상 및 결정성 변화 56
• 4.3 페라이트 결정학적 특성 및 전위밀도 변화 62
• Ⅴ. 고 찰 72
• 5.1 신선 공정에 의한 펄라이트 구조의 다중 스케일 해석 72
• 5.1.1 콜로니 재배향과 층상 간격 감소 72
• 5.1.2 시멘타이트 단계적 분해 기구 74
• 5.1.3 페라이트 격자의 변형 유도 왜곡 76
• 5.1.4 단범위 탄소 질서의 기원 78
• 5.2 Patenting에 의한 미세조직의 선택적 재설정 80
• 5.2.1 시멘타이트 결정성과 페라이트 결정 구조의 회복 80
• 5.2.2 층상 간격과 잔류 탄소의 이력 보존 81
• Ⅵ. 결 론 83
• 참고문헌 85
• Abstract 92