듀플렉스 스테인리스 용접부의 크롬 함량에 따른 기계적 특성 및 내식성에 관한 연구 The Effect of Different Chromium Content on the Mechanical and Corrosion Properties of Duplex Stainless Steel Welds원문보기
강동훈
(동아대학교 대학원
Material Science & Engineering
국내석사)
듀플렉스 스테인리스 용접부의 크롬 함량에 따른 기계적 특성 및 내식성에 관한 연구
The Effect of Different Chromium Content on the Mechanical and Corrosion Properties of Duplex Stainless Steel Welds
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듀플렉스 스테인리스 용접부의 크롬 함량에 따른 기계적 특성 및 내식성에 관한 연구
The Effect of Different Chromium Content on the Mechanical and Corrosion Properties of Duplex Stainless Steel Welds
금속공학과 강동훈
지 도 교 수 이해우
AISI 304L 스테인리스강에 크롬의 함량을 조절한 3종류의 AWS 2209TO (1)-1/4 듀플렉스 용접와이어를 새롭게 제작하여 FCAW (Flux Cored Arc Welding)을 실시하였으며, 용착금속들의 상분율 (Ferrite Number: 평균 45, 55 그리고 68FN)에 따른 기계적 특성 및 내식성을 평가하였다. 시편 제작 시 350℃ 이상의 고온에서 발생하는 금속간 화합물을 최소화하기 위하여 층간온도는 최대 150℃ 이하, 입열량은 15KJ/cm 이하로 유지하였다. 미세조직은 용착금속 내에 크롬의 함량이 증가할수록 델타페라이트 함량이 증가하였으며, 이에 따라 입계 및 위드만스테텐 오스테나이트의 결정립 크기는 감소하였다. 또한 용접 시 급 가열-급냉각 과정에서 질소의 확산이 충분히 이루어지지 않아 델타페라이트 내에 질소가 과포화되어 크롬나이트라이드 (Cr2N)가 석출되는 경향을 보였다. 이러한 크롬나이트라이드는 전위의 이동을 막는 핀 (Pin) 역할을 하여 전위의 활동도를 감소시켰으며, 이는 용착금속내의 강도 향상 뿐만 아니라 저온에서의 인성을 저해하는 요소로 작용하였다. 이뿐만 아니라 크롬 함량 증가에 따른 오스테나이트의 상분율 감소는 오스테나이트상 내부에 크롬과 몰리브덴을 증가시켜 고용강화 효과를 일으켰으며, 이 역시 인장·항복 강도를 향상시키는 주요 원인이 되었다. 반면에, 20 ℃, -50 ℃ 그리고 -100 ℃에서 각각 실시된 충격시험에 있어서는 45FN으로 페라이트 함량이 가장 낮은 용착부에서 높은 충격값을 나타내었으며, 용착금속의 페라이트 함량을 45-55 사이로 유지할 경우 현장적용 조건인 -20℃ 34J을 -50℃ 에서도 충분히 만족시키는 반면, 68FN을 나타내는 용착부에서는 비교적 빠르게 연성취성천이 특성이 나타나는 것을 확인하였다. -50℃ 이하로 충격온도가 감소할수록 전반적인 파면의 양상은 좁고 깊은 형태의 딤플(dimple) 구조에서 넓고 얕은 구조로 바뀌었으며 파면 표면에 상당히 많은 리버패턴을 함유한 평평한 벽개면이 나타났다.
외부환경에 노출되는 부위에 따라서 내식성을 평가하고자 용착부를 크게 최외각 표면과 루트 부분, 센터 영역으로 나누어서 1몰 황산과 1몰 염수분위기에서 각각 분극실험을 실시하였다. 1몰 황산 분위기에서는 오스테나이트 분율이 증가할수록 내식성이 증가하는 경향을 보였으며 1몰 염수 분위기에서는 용착부의 2-3패스사이의 센터 영역에 국한하여 FN에 관계없이 동일한 pitting potential이 측정되었다. SEM/EDX을 통한 미세조직 분석 결과 이차 오스테나이트(secondary austenite)가 부식이 발생하는 통로 역할을 하는 것을 확인하였다. 또한 부식용액의 온도가 25℃에서 60℃ 증가할수록 공식전위가 감소하고 공식전류밀도 값이 증가하여 내식성이 대폭 감소하였는데 이를 통해 온도가 내식성에 영향을 미치는 인자임을 규명하였다. 최외각 표면과 루트부분에 대해서는 1몰 염수분위기에서 분극 실험 후 FN에 따라 각기 다른 반응을 보였는데 55FN을 유지한 시편에서 가장 높은 내공식성을 나타냈으며 다음으로 45FN, 68FN 시편 순서로 내공식성이 점점 감소하였다. pit의 형태를 관찰한 결과 내공식성지수 (PREN)가 낮은 상에서 우선적인 pit이 발생하였으며, 페라이트-오스테나이트 두 상의 내공식성지수가 비슷할 경우 가장 높은 공식 전위 값을 나타내었다. 전체적으로 페라이트 분율이 증가 할수록 오스테나이트에서 발생한 준안정상의 pit이 페라이트상으로 이동하는 경향을 보였으며, 실제 오스테나이트 상의 내공식성 지수가 페라이트에 비해 3-5정도 낮더라도 최종적인 공식 전위 값은 훨씬 높게 나오는 경향을 보였다.
주요어: 듀플렉스 스테인리스강, FCAW(Flux Cored Arc Welding), 크롬
(chromium), 페라이트분율, 기계적특성, 내공식성, 내공식성 지수
듀플렉스 스테인리스 용접부의 크롬 함량에 따른 기계적 특성 및 내식성에 관한 연구
The Effect of Different Chromium Content on the Mechanical and Corrosion Properties of Duplex Stainless Steel Welds
금속공학과 강동훈
지 도 교 수 이해우
AISI 304L 스테인리스강에 크롬의 함량을 조절한 3종류의 AWS 2209TO (1)-1/4 듀플렉스 용접와이어를 새롭게 제작하여 FCAW (Flux Cored Arc Welding)을 실시하였으며, 용착금속들의 상분율 (Ferrite Number: 평균 45, 55 그리고 68FN)에 따른 기계적 특성 및 내식성을 평가하였다. 시편 제작 시 350℃ 이상의 고온에서 발생하는 금속간 화합물을 최소화하기 위하여 층간온도는 최대 150℃ 이하, 입열량은 15KJ/cm 이하로 유지하였다. 미세조직은 용착금속 내에 크롬의 함량이 증가할수록 델타페라이트 함량이 증가하였으며, 이에 따라 입계 및 위드만스테텐 오스테나이트의 결정립 크기는 감소하였다. 또한 용접 시 급 가열-급냉각 과정에서 질소의 확산이 충분히 이루어지지 않아 델타페라이트 내에 질소가 과포화되어 크롬나이트라이드 (Cr2N)가 석출되는 경향을 보였다. 이러한 크롬나이트라이드는 전위의 이동을 막는 핀 (Pin) 역할을 하여 전위의 활동도를 감소시켰으며, 이는 용착금속내의 강도 향상 뿐만 아니라 저온에서의 인성을 저해하는 요소로 작용하였다. 이뿐만 아니라 크롬 함량 증가에 따른 오스테나이트의 상분율 감소는 오스테나이트상 내부에 크롬과 몰리브덴을 증가시켜 고용강화 효과를 일으켰으며, 이 역시 인장·항복 강도를 향상시키는 주요 원인이 되었다. 반면에, 20 ℃, -50 ℃ 그리고 -100 ℃에서 각각 실시된 충격시험에 있어서는 45FN으로 페라이트 함량이 가장 낮은 용착부에서 높은 충격값을 나타내었으며, 용착금속의 페라이트 함량을 45-55 사이로 유지할 경우 현장적용 조건인 -20℃ 34J을 -50℃ 에서도 충분히 만족시키는 반면, 68FN을 나타내는 용착부에서는 비교적 빠르게 연성취성천이 특성이 나타나는 것을 확인하였다. -50℃ 이하로 충격온도가 감소할수록 전반적인 파면의 양상은 좁고 깊은 형태의 딤플(dimple) 구조에서 넓고 얕은 구조로 바뀌었으며 파면 표면에 상당히 많은 리버패턴을 함유한 평평한 벽개면이 나타났다.
외부환경에 노출되는 부위에 따라서 내식성을 평가하고자 용착부를 크게 최외각 표면과 루트 부분, 센터 영역으로 나누어서 1몰 황산과 1몰 염수분위기에서 각각 분극실험을 실시하였다. 1몰 황산 분위기에서는 오스테나이트 분율이 증가할수록 내식성이 증가하는 경향을 보였으며 1몰 염수 분위기에서는 용착부의 2-3패스사이의 센터 영역에 국한하여 FN에 관계없이 동일한 pitting potential이 측정되었다. SEM/EDX을 통한 미세조직 분석 결과 이차 오스테나이트(secondary austenite)가 부식이 발생하는 통로 역할을 하는 것을 확인하였다. 또한 부식용액의 온도가 25℃에서 60℃ 증가할수록 공식전위가 감소하고 공식전류밀도 값이 증가하여 내식성이 대폭 감소하였는데 이를 통해 온도가 내식성에 영향을 미치는 인자임을 규명하였다. 최외각 표면과 루트부분에 대해서는 1몰 염수분위기에서 분극 실험 후 FN에 따라 각기 다른 반응을 보였는데 55FN을 유지한 시편에서 가장 높은 내공식성을 나타냈으며 다음으로 45FN, 68FN 시편 순서로 내공식성이 점점 감소하였다. pit의 형태를 관찰한 결과 내공식성지수 (PREN)가 낮은 상에서 우선적인 pit이 발생하였으며, 페라이트-오스테나이트 두 상의 내공식성지수가 비슷할 경우 가장 높은 공식 전위 값을 나타내었다. 전체적으로 페라이트 분율이 증가 할수록 오스테나이트에서 발생한 준안정상의 pit이 페라이트상으로 이동하는 경향을 보였으며, 실제 오스테나이트 상의 내공식성 지수가 페라이트에 비해 3-5정도 낮더라도 최종적인 공식 전위 값은 훨씬 높게 나오는 경향을 보였다.
주요어: 듀플렉스 스테인리스강, FCAW(Flux Cored Arc Welding), 크롬
(chromium), 페라이트분율, 기계적특성, 내공식성, 내공식성 지수
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