Microstructures and Mechanical Properties of API J55 steel with Heat treatment conditions and Alloying elements(B, Ti)

This study examined the effect of the heat treatment and alloying elements (B, Ti) on the microstructures and mechanical properties of API J55 steel. The experiments were carried out using various austenization temperatures ($880^{\circ}C$, $910^{\circ}C$, $940^{\circ}C$), cooling methods (water quenching, oil quenching) and tempering temperatures (none, $550^{\circ}C$, $650^{\circ}C$) with J55 and J55+B,Ti steels. The phase diagram and CCT curve were simulated based on the chemical compositions of the J55 and J55+B,Ti steels to predict the microstructures. The results showed that the A1 and A3 temperatures decreased and, as a result, the noses of the ferrite and bainite parts of the CCT curve moved to the right. Various microstructures were formed, namely martensite, bainite, ferrite and pearlite, in accordance with the heat treatment, which had an effect on the hardness, tensile strength and toughness. Martensite was formed after water quenching, but bainite and ferrite appeared after oil quenching with the J55 specimens. On the other hand, martensite was formed, regardless of the cooling method (water quenching, oil quenching), with the J55+B,Ti specimens, because of the improvement of the hardenability caused by the addition of boron. Therefore, the J55+B,Ti specimens exhibited much higher mechanical properties than the J55 specimens, even after the tempering treatment, since the addition of Ti caused fine precipitates to be formed, which inhibited grain growth at the recrystallization temperature.

API J55강의 미세조직과 기계적 특성에 미치는 열처리 및 합금원소(B, Ti)의 영향

본 연구에서는 유정용 강관의 열처리 조건 및 합금원소(B, Ti)에 따른 미세조직 및 기계적 성질을 조사하였다. 실험에는 J55, J55+B,Ti 강재를 사용하였고, 열처리 조건은 각각 오스테나이트 처리온도 ($880^{\circ}C$, $910^{\circ}C$, $940^{\circ}C$), 냉각방식 (수냉, 유냉), 템퍼링 온도 (미실시, $550^{\circ}C$, $650^{\circ}C$) 이다. 열처리 조건에 따라 얻어지는 미세조직을 예측하기 위해 J55, J55+B,Ti 강재의 화학적 성분을 기준으로 평형상태도와 CCT 곡선을 예측하였다. 시뮬레이션 결과 평형상태도는 A1, A3 온도가 약 $20^{\circ}C$ 감소하였고, CCT 곡선은 B, Ti이 첨가됨에 따라 ferrite와 bainite nose 부분이 오른쪽으로 이동하였다. J55, J55+B,Ti 강재의 CCT 곡선을 기준으로 냉각속도에 따른 martensite, bainite, ferrite등 예상되는 미세조직을 예측하였고, J55 강재의 미세조직 예측값은 실제 실험값과 유사한 양상을 나타내었지만. J55+B,Ti 강재의 예측값은 실제 실험값과는 차이가 있었다. 열처리 조건이 변화됨에 따라 martensite, bainite, ferrite 등 다양한 조직이 생성되었으며, 이는 경도, 강도 및 연신율에 밀접한 영향을 미쳤다. J55시편의 수냉의 경우 martensite 조직이 형성되었고, 유냉의 경우 bainite와 ferrite 조직이 형성되었지만, J55+B,Ti시편은 B의 첨가에 의한 경화능 향상으로 냉각방식에 관계없이 martensite 조직이 형성되었다. 전반적으로 B, Ti을 첨가하면서 기계적 성질은 향상되었고, quenching 이후의 시편보다 tempering 이후의 시편에서 크게 향상되었다. 이는 Ti의 첨가로 인해 생성된 미세한 석출물이 재결정시 결정립 성장을 억제하여 미세한 오스테나이트 결정립을 생성하였고, tempering 열처리 이후에도 결정립 미세화 효과가 큰 영향을 미친 것으로 판단된다.