Transformation kinetics and density models of quenching and partitioning (Q&P) steel

Abstract

The present thesis investigates thermal dilatation during an isothermal partitioning process below the martensite start temperature. The dilatation was characterized and modeled for quenching and partitioning (Q&P) of a steel sheet. Due to a lack of standard practices and research on the application of Q&P steel for press-hardening technology, developing the forming conditions by predicting thermal distortion is challenging. The dilatations were attributed to changes in the phase composition and phase density due to austenitic decomposition and carbon partitioning. Current works cover the development of new kinetics models for phase transformation, carbon partitioning and phase density variation. Chapter 1 presents a literature review describing the historical developments of press-hardening and Q&P technologies. In Chapter 2, the materials investigated in the present thesis are described. The chapter also describes the experimental works including the dilatometry test and the measurement of magnetic saturation. In Chapter 3, a new kinetics model for martensite transformation is developed to overcome the limitation in predictability of the existing kinetics models. A new concept, the evolution of transformation rate parameter, was proposed for describing the transient behavior of reaction rate. The prediction accuracy was highly enhanced, and the incompatibility of in the existing kinetics models disappeared. In Chapter 4, a new kinetics model for austenite decomposition during carbon partitioning is developed to overcome the lack of predictability of the classical kinetics models. These approaches were improved by allowing the evolution of the transformation rate parameter to consider thermal activation and the accelerating effect of the neighboring martensite. In Chapter 5, a kinetics model for carbon partitioning is developed based on a classical model for diffusional transformation. The reaction rate parameter was designed to describe thermal activation and the accelerating effect of neighboring martensite. The partitioning exponent parameter was also characterized to be controlled by the initial amount of martensite, which affects the activity of carbon partitioning. In Chapter 6, the variation in phase density during the carbon partitioning is modeled based on the thermal dilatation excluding the effect of austenite decomposition. The maximum volume fraction of the isothermally transformed phase during the partitioning was calculated to understand the competing reactions of the carbon partitioning and the transformation. The density variations of the carbon-enriched austenite and carbon-depleted martensite were characterized by considering thermal activation and the volume ratio between the phases. In Chapter 7, the proposed models are implemented in a FE code using a user subroutine, and they are validated by predicting the dilatation changes of single and two-stage partitioning experiments.

근래의 자동차 산업은 갈수록 엄격해지는 충돌안전성 규제와 연비 규제를 동시에 만족시키기 위해 고군분투 중이다. 시장의 선택을 받기 위한 해답으로 초고강도강 판재 (Ultra High Strength Steel, UHSS) 를 적용한 경량화 차체를 개발 중에 있으나 초고강도 소재의 성형성 부족으로 인해 기존의 냉간 성형 기술의 한계성과 맞딱뜨리고 있다. 이에 대한 대체 기술로 열간 성형 기술이 개발되어 왔으며, 그 중 프레스 경화 (Press Hardening, PH) 혹은 열간프레스성형 (Hot Press Forming, HPF) 기술은 고온에서의 우수한 성형성과 급랭에 의한 경화능 (Hardenability) 을 통해 1.5 GPa 이상 급의 인장강도를 가지는 초고강도 차체 부품 제작을 가능케한다. 판재를 오스테나이트 변태 온도 (약 900 °C) 이상으로 가열하여 오스테나이트 조직을 형성 시킨 후, 가열로에서 꺼내어 공랭에 의해 다른 조직으로 변태가 발생하기 전에 프레스 성형과 금형에 의한 퀜칭 (die quenching) 을 동시에 진행한다. 성형 종료 후에도 금형 내에서 머무르면서 상온 부근까지 냉각하여 오스테나이트를 마르텐사이트로 상변태하여 목표한 초고강도의 제품을 얻을 수 있다. 하지만 마르텐사이트 조직은 연성 (ductility) 이 매우 부족하여 충돌 시 에너지를 흡수하지 못하고 취성 파단 (brittle fracture) 이 발생하여 재질의 개선이 요구된다. 따라서, 급랭에 의해 얻어진 마르텐사이트 조직은 일반적으로 템퍼링 (tempering) 열처리 공정을 통해 페라이트 조직 내 과포화된 탄소 (supersaturated carbon) 원자를 석출시켜 추가적인 연성을 확보해왔다. 하지만 템퍼링 공정 중 석출된 탄소 원자는 페라이트 입내 혹은 입계에 탄화물을 석출하여 강도 저하를 일으키기 때문에 강도-연성 조합의 개선이 이루어지지 않는 다는 단점이 있다. 이에 대한 대체 기술로 언급되는 퀜칭-파티셔닝 (Quenching and partitioning, Q&P) 공법은 급랭된 마르텐사이트의 열처리 공정에서 배출된 탄소 원자가 탄화석출물을 생성하는 것을 억제시키고, 탄소 고용도가 높은 잔류 (retained) 오스테나이트로 확산되도록 하여 탄소가 농축된 (carbon enriched) 잔류 오스테나이트와 탄소가 열화된 (carbon depleted) 마르텐사이트 조직 구성을 가지도록 하는 기술이다. 탄화석출물 생성을 억제시키기 위해 철 원자의 이동을 방해하는 확산 속도가 매우 느린 치환형 고용체 원소 (규소, 알루미늄) 를 합금 원소로 추가시킨 Q&P 강을 사용하여야 한다. 탄소 농도가 높아진 오스테나이트는 높은 안정성 (stability) 으로 인해 상온에서 잔류하는 오스테나이트 양을 늘려주어 충돌 시 TRIP (Transformation induced plasticity) 효과에 의해 추가적인 연성을 제공하고, 오스테나이트 자체의 강도를 높여주어 강도-연성 조합을 개선시켜주는 효과가 있다. 본 연구에서는 Q&P 강의 프레스 경화 기술 적용을 위해 급랭과 등온 열처리 공정 중에 발생하는 확산/비확산 상변태와 탄소 파티셔닝의 동역학 모델과 탄소 파티셔닝에 의한 오스테나이트와 마르텐사이트의 상밀도 변화 모델을 제안하였다. 딜라토미터 실험을 통해 Q&P공정을 모사하기위해 마르텐사이트 변태 시작 온도 이하의 다양한 온도까지 급랭한 후 등온을 1,400 초 동안 유지하여 시편의 길이 팽창을 측정하여 각 반응의 동역학 모델을 개발하였다. 합금강에서 나타나는 기존의 마르텐사이트 비확산 상변태 모델의 예측 능력 한계를 개선하기 위해 실험적으로 얻어진 변태 속도 파라미터 (transformation rate parameter) 를 성장형 지수 함수로 수식화하였으며 지수 파라미터를 추가하였다. 확산 상변태 모델도 실험적으로 얻어진 변태 속도 파라미터의 지수함수 수식화와 온도에 의한 활성화를 고려 기존 모델을 개선하였다. 탄소 파티셔닝의 동역학 모델은 확산 반응을 기반으로 하기 때문에 기존의 확산 상변태 모델을 바탕으로 반응 속도 파라미터, 온도에 의한 활성화, 마르텐사이트에 의한 가속 효과에 착안하여 모델을 개발하였다. 탄소 파티셔닝에 의해 탄소 농도가 달라진 오스테나이트와 마르텐사이트의 상 밀도 변화 모델의 개발을 위해 온도에 따른 밀도 변화 거동을 열적 활성화, 마르텐사이트에 의한 가속효과를 고려하였다. 개발된 모델들의 예측 성능을 검증하기 위해 상용 유한요소해석 프로그램에 유저서브루틴 (usersubroutine) 을 통해 이식 (implementation) 하였으며, 다양한 열처리 조건의 Q&P공정을 정확히 예측함으로써 모델의 타당성을 입증하였다.