선박재료용 SS400강의 내식성에 대한 용접후 열처리효과에 관한 전기화학적 연구 (II) An Electrochemical Study on the Effect of Post-Weld Heat Treatment about Corrosion Resistance Property of SS400 Steel for Ship`s Materials원문보기
When SS400 steel was welded with low hydrogen type and ilmennite type welding, the effect of post-weld heat treatment(PWHT) was investigated with parameters such as micro vickers hardness, corrosion potential, polarization behaviors, galvanic current, Al anode generating current and Al anode weight ...
When SS400 steel was welded with low hydrogen type and ilmennite type welding, the effect of post-weld heat treatment(PWHT) was investigated with parameters such as micro vickers hardness, corrosion potential, polarization behaviors, galvanic current, Al anode generating current and Al anode weight loss etc. Hardness of each parts(HAZ, BM, WM) by PWHT in case of low hydrogen type and ilmennite type welding was lower than that of each parts by As-welded However hardness of WM area in case of low hydrogen type and ilmennite type welding was the highest among those three parts regardless of PWHT, Whereas in case of ilmennite type welding, WM area was the highest potential among these three parts on galvanic potential series with As-welded while BM area was the highest potential among these three parts by PWHT on the contrary. And in case of low hydrogen type welding, galvanic corrosion and micro cell corrosion of welding parts was decreased with PWHT. However, It was increased with PWHT in case of ilmennite type welding. Moreover Al anode generating current and anode weight loss in case of low hydrogen type was decreased by PWHT compared to As-wedled but, which was increased than that of As-welded in case of ilmennite type welding. Therefore, it is suggested that Corrosion resistance property in case of low hydrogen type welding is increased by PWHT. However its property was devreased with PWHT in case of ilmennite type welding.
When SS400 steel was welded with low hydrogen type and ilmennite type welding, the effect of post-weld heat treatment(PWHT) was investigated with parameters such as micro vickers hardness, corrosion potential, polarization behaviors, galvanic current, Al anode generating current and Al anode weight loss etc. Hardness of each parts(HAZ, BM, WM) by PWHT in case of low hydrogen type and ilmennite type welding was lower than that of each parts by As-welded However hardness of WM area in case of low hydrogen type and ilmennite type welding was the highest among those three parts regardless of PWHT, Whereas in case of ilmennite type welding, WM area was the highest potential among these three parts on galvanic potential series with As-welded while BM area was the highest potential among these three parts by PWHT on the contrary. And in case of low hydrogen type welding, galvanic corrosion and micro cell corrosion of welding parts was decreased with PWHT. However, It was increased with PWHT in case of ilmennite type welding. Moreover Al anode generating current and anode weight loss in case of low hydrogen type was decreased by PWHT compared to As-wedled but, which was increased than that of As-welded in case of ilmennite type welding. Therefore, it is suggested that Corrosion resistance property in case of low hydrogen type welding is increased by PWHT. However its property was devreased with PWHT in case of ilmennite type welding.
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문제 정의
2)-4) 그리고 전술한 바와 같이 가혹한 부식환경 에 노출 되어 있는 해양구조물의 경우 용접부 부식으로 인한 손상문제는 결코 경시 할 수 없는 사안이 라고 사 료되며, 용접후열처리에 의한 내식성 향상의 시도는 큰 의미가 있다고 사료된다. 따라서 본 연구에서는 일반구조용강으로 널리 이용되고 있는 SS400강8)-9)을 저수소계 용접봉과 일미나이트계 용접봉을 사용하여 용접부 주위의 부식특성에 미치는 용접후열처 리효과에 대해 전기화학적 방법으로 비교 . 고찰하였다.
제안 방법
그리고 일 미나이트계 용접봉은 조선의 중요부분이나 일반 구조물, 보일러 등에 사용되며, 기계적 성질 및 작 업성 이 뛰어나며 , 고능률용접 에 적 합하고, 비교적 사용범위가 넓다는 특징이 있다."「‘" 이러한 용접 법 으로 제 작된 시험 편을 시 간당 80° C씩 증온하고, 625° C 에서 1시간 유지 한 후 노냉 시키는 방법 으로용접 후열처리 를 실시하였다.
Fig. 1은 면적 이 0.123cm2인 알루미 늄합금 희 생양극을 이용하여, 용접금속의 노출면적 6.5cm2을 음극으로 하여 2리터용량의 비커에 해수용액을채 워서 부식셀을 만든후 용액이 정지중인 상태와 유 동중(3cm/sec)인 상태에서 각각 168시 간동안 침지 시켰을 경우 시간적 변화에 따른 양극과 음극 양단 간 흐르는 전류량 및 양극소모량 등을 상호 비교 . 분석하였다.
시험편을 2000번까지 샌드페이퍼로 연마하고, 나이탈에칭 처리한 후, 노출면적이 8mm2o] 되도록 한 상태에서 고저 항 전위 차계 인 Fluke 87 RMS Multimeter와 기준전극으로 포화카로멜전극 (SCE)을 사용하여 부식전위를 420분동안 측정하였다. 그리고 분극실험은 백금전극을 대극으로, 기 준전극은 포화카로멜 전극을 사용하였고, 분극시 험용 포텐쇼스타트는 미국 Gamry사의 CMS100 전기화학적 부식측정 시스템을 사용하여 실시하 였다그리고 각 부위별 동일노출면적(8mm2)끼 리 갈바닉 셀을 형성하여 양단간 흐르는 부식 전류 량을 900분동안 연속 측정하였다.
시험편을 2000번까지 샌드페이퍼로 연마하고, 나이탈에칭 처리한 후, 노출면적이 8mm2o] 되도록 한 상태에서 고저 항 전위 차계 인 Fluke 87 RMS Multimeter와 기준전극으로 포화카로멜전극 (SCE)을 사용하여 부식전위를 420분동안 측정하였다. 그리고 분극실험은 백금전극을 대극으로, 기 준전극은 포화카로멜 전극을 사용하였고, 분극시 험용 포텐쇼스타트는 미국 Gamry사의 CMS100 전기화학적 부식측정 시스템을 사용하여 실시하 였다그리고 각 부위별 동일노출면적(8mm2)끼 리 갈바닉 셀을 형성하여 양단간 흐르는 부식 전류 량을 900분동안 연속 측정하였다.
시험편을 2000번까지 샌드페이퍼로 연마한 후 나이 탈에 칭 처리 하고 용접 부, 열 영 향부, 모재 부위 별 마이크로비커스 경도기를 사용해서 측정하여 상호 비교 . 분석하였다.
5에서와 같이 다소 높게 나타났으며, 용접후열처리에 의해서 거의 균 등한 값이 되 었음을 고려할 때 저수소계 용접봉의 경우에는 HAZ부의 부식 위험성은 적으며 BM부 의 전면부식이 일어날 가능성이 높다고 사료된다. 한편 용접부 시험편을 A1 양극을 사용하여 회생양극법 으로 음극방식 시 켰을 경우 알루미 늄양극과 용접금속사이에 흐르는 양단간 전류량의 변화를 168시간동안 측정하였으며, 이때 양극과 음극의 면적비는 1 : 53으로 실험하였다. Fig.
대상 데이터
본 연구에 사용된 시험편은 길이 150mm, 폭 150mm, 두께 12mm인 SS400강으로 화학적 조성 은 Table 1과 같으며 , 4Ψ인 저 수소계 (Low Hydrogen type : E4316)용접봉과 일미나이 트계 (Ilmennite Type : E4301)용접 봉을 사용하여 아 크전압 40V, 아크전류 125~130A로 피복아크용 접을 Double V형 양면 3층용접을 실시하였다.
이론/모형
일 반적 으로 부식전 류밀 도로 구하는 방법에 는 여러가지가 있으나 본 실험에서는 Tafel식과 분극. 저 항법 즉 Stern-Geary식 을 이용하여 부식속도값을 구하여 비교 고찰하였다产 즉
성능/효과
1. 저수소계 용접봉과 일미나이트계 용접봉을 사용하여 용접한 경우 용접후열처리를 시행 한 시험편은 용접후열처리를 행하지 않은 시 험편에 비해 경도는 전체적으로 낮은 값을 나 타내었으며, 그리고 시험편 모두 용착부에서 가장 높은 값을 나타내었고, 모재부가 가장 낮은 경 도값을 나타내었다.
2. 저수소계 용접봉 및 일미나이트계 용접봉을 사용하였을 경우 용접후열처리에 의해서 각 부위간의 갈바닉 셀에 의한 부식전류가 감소 되었다. 그러나 저수소계 용접의 경우에는 용 접후열처리에 관계없이 갈바닉 전위계열상 HAZ부가 가장 높고 BM부가 가장 전위 가 낮 았으나 일미나이트계 용접의 경우에는 용접 후열처리 전의 경우에는 WM부가 전위가 가장 높고 BM부가 가장 전위가 낮았으며, 용접 후열처리에 의해서 WM부와 BM부의 전위가 반대로 되었다.
3. 용접후열처리에 의해서 저수소계 용접의 경우에는 각 부위간의 갈바닉 부식과 각 부위별 자체의 미크로 셀에 의한 부식을 억제할 수 있었으며 용접부의 국부부식보다는 BM부의 균일 부식 이 발생할 수 있다고 사료된다.
4. 일미나이트계 용접의 경우에는 용접후열처리 에 의해서 각 부위간의 갈바닉 부식은 다소 억제될 수 있었으나 소양극-대음극의 형태 에 의한 HAZ부와 WM부의 국부부식 이 오히려 용접후열처리에 의해서 증가될 수 있음을 알 수 있었다.
5. 저수소계 용접의 경우 용접후열처리를 시행 한 경우가 회생양극에 의해서 음극방식할 경우 양극소모량이 감소되었으나, 일미나이트 계 용접의 경우에는 오히려 열처리를 시행한 경우가 시행하지 않은 경우에 비해서 양극소 모량이 증대되었다.
Table 3에서 알 수 있듯이 용접후열처 리를 시행 하지 않은 저수소계 용접 봉인 경우 HAZ부가 가장 귀한 전위값을 BM부가 가장 비한 전위값을 나타 내었음을 알 수 있으며, 이는 갈바닉셀 형성시 HAZ부가 갈바닉 부식 이 발생할 가능성이 가장 적 으며, BM부가 크다는 것을 의미한다고 할 수 있다. 한편 용접후열처리를 시행한 경우도 마찬가지 로 HAZ부가 가장 갈바닉 부식 이 일어날 가능성이 작으며, BM부가 갈바닉 부식이 일어날 가능성이 가장 크다는 사실을 알 수 있다.
따라서 WM부가 음극으로 BM부가 양극으로 작용하고 있음을 알 수 있다. 결과적으로 저수소계 용접 봉을 사용하였을 경우에는 일미나이트계와 반대 로 용접후열처리 전후의 각 부위별 양극과 음극의 극성이 동일하였고 양극간에 흐르는 전류는 용접 후열처리에 의해서 감소되었음을 알 수 있었다. Fig.
그래프에서 보는 바와 같이 모두 10시간 정 도에서 가장 높은 발생전류값을 나타내었으며, 이후 서 서히 안정되어가는 것을 볼 수 있다. 그리고 전체 적으로는 용접후열처리를 시행한 시험편이 용접 후열처리를 시행하지 않은 시험편에 비해 오히려 양단간 흐르는 전류량이 크게 나타났으며, 이는 저 수소계 용접봉을 사용한 경우와 상반되는 특성을나타냈다.
그리고 열영향부의 경우 페라이트와 퍼얼 라이 트의 조직 이 용접 후열처리 유무에 무관하게 미세화되었음을 알 수 있었다. 그리고 용착부의 경우에는 열영향부에 비해서 페라이트의 조직이 다소 조대화 되었음을 알 수 있으며, 용접후열처리를 시행하지 않은 경우 퍼얼라이트의 조직이 국부적 으로 존재했으나 용접후열처리를 시행한 경우에는 퍼얼라이트조직이 거의 사라지고 있음을 알 수 있었다. 그리고 일미 나이 트계 용접봉을 사용한 경우는 저수소계 용접 봉을 사용한 경우와 거의 유사한 특징을 나타내고 있다.
그리고 갈바닉 부 식시에 BM부가 양극으로 작용하므로 '대양극- 소음극' 에 의한 부식 이 일어 나게 되 므로 국부부식 의 위험은 없을 것으로 사료된다. 그리고 일미나이 트계 용접봉을 사용한 경우 용접후열처리 전의 경우에는 WM부의 전위가 가장 높고 BM부의 전위 가 가장 낮았으나 용접후열처리에 의해서 반대로 BM부의 전위가 가장 높고 WM부의 전위가 가장 낮은 결과가 나왔다. 따라서 용접후열처리에 의해서 오히려 소양극(WM)—대음극(BM)의 갈바닉부 식이 일어날 수 있음을 배제할 수 없다고 사료된다.
그림에서 알 수 있둣이 용접봉 변수에 관계없이 용착부(WM)의 경도가 가장 높고 열영 향부(HAZ), 모재부(BM)순으로 경도가 낮아지는 경향을 알 수 있다. 그리고 저 수소계 용접 봉을 사용한 경우와 일 미나이트계 용접봉을 사용한 경우 모두 용접후열 처리를 않는 경우에 비해서 용접후열처리를 한 경우가 전 부위에 걸쳐서 경 도가 낮아지는 경향이 있음을 알 수 있었다. 이것은 용접으로 경화된 조직 이 용접후열처리로 인하여 다소 연화되었기 때문 으로 사료된다.
그래프에서 보는 바와 같이 모두 10시간 정 도에서 가장 높은 발생전류값을 나타내었으며, 이후 서 서히 안정되어가는 것을 볼 수 있다. 그리고 전체 적으로는 용접후열처리를 시행한 시험편이 용접 후열처리를 시행하지 않은 시험편에 비해 오히려 양단간 흐르는 전류량이 크게 나타났으며, 이는 저 수소계 용접봉을 사용한 경우와 상반되는 특성을나타냈다. 그리고 유동중인 시험편이 정지중인 시 험편에 비해 양단간 흐르는 전류량이 크게 나타났다.
이는 실험 초기 에는 양단간 큰 전위 차가 분극 되면서 서서히 안정되어가기 때문인 것으로 사료된다. 그리고 전체적으로는 용접후열처리를 시행 하지 않은 시험편이 용접후열처리를 시행한 시험 편에 비해 양단간 흐르는 전류량이 컸으며, 또한 유동중인 시험편이 정지중인 시험편에 비해 양단 간 흐르는 전류량이 크게 나타나는 사실을 알 수 있었다. Fig.
52㎂의 마이너 스 전류값을 나타내었다. 따라서 WM부가 양극으로 HAZ부가 음 극으로 작용하고 있음을 알 수 있으며, 이것은 용 접후열처리 전의 경우에 비해서 양극과 음극이 반 대로 되었으며, 또한 양단간 흐르는 전류는 감소되 었음을 알 수 있다. 그리고, HAZ부를 적색단자에 BM부를 흑색단자에 연결하였을 경우에는 -L84 “A의 마이너스 전류를 나타내었으므로 HAZ부가 양극으로 BM부가 음극으로 작용하고 있음을 알 수 있다.
Table 3의 경우에는 용접후열처리에 관 계없이 갈바닉 계열상 HAZ부가 가장 전위가 높고 BM부가 가장 전위가 낮았다. 따라서 갈바닉 부식 의 경우에는 HAZ부가 부식될 위험이 없으나 미크 로 셀에 의한 부식속도는 Fig. 5에서와 같이 다소 높게 나타났으며, 용접후열처리에 의해서 거의 균 등한 값이 되 었음을 고려할 때 저수소계 용접봉의 경우에는 HAZ부의 부식 위험성은 적으며 BM부 의 전면부식이 일어날 가능성이 높다고 사료된다. 한편 용접부 시험편을 A1 양극을 사용하여 회생양극법 으로 음극방식 시 켰을 경우 알루미 늄양극과 용접금속사이에 흐르는 양단간 전류량의 변화를 168시간동안 측정하였으며, 이때 양극과 음극의 면적비는 1 : 53으로 실험하였다.
이 처럼 용접후열처리를 함으로써 각 부위간의 양극 과 음극이 모두 바뀌 었으며 각 부위 간 흐르는 갈바 닉 부식 전류는 용접후열처리전보다 다소 감소하는 경향을 알 수 있었다. 따라서 전술한 Fig. 3에서 각 부위간 전위차는 용접후열처리후의 경우가 다소 크게 나타났으므로 내식성이 저하된 것으로 간 주되었으나 Fig. 4의 결과에서 알 수 있듯이 용접 후열처리에 의해서 갈바닉 부식이 다소 억제될 수 있다고 사료된다. 한편 용접후열처리를 시행하지 않은 저수소계 용접봉을 사용하였을 경우 WM부 를 적 색단자, HAZ부를 혹색단자에 연결하였을 경우 - 1.
즉 WM부가 갈바닉 부식 발생 가능성이 가장 큰 경향을 나타내고 있으므로 WM부가 갈바닉 부 식에 대한 저항성이 열악할 것으로 사료된다. 상기 의 실험결과에서 알 수 있듯이 저수소계 용접봉을 사용하였을 경우에는 용접후열처리에 의해서 갈 바닉부식 억제효과가 있으나 일미나이트계 용접 봉을 사용하였을 경우에는 용접후열처리에 의해서 오히려 국부부식의 위험이 커질 수 있음을 알 수 있었다. 그리고 일반적으로 해양환경하의 SS400강은 양극 및 음극분극곡선을 측정하였을 경우 음극분극곡선은 용존산소환원 반응(。2 + 2H2O+4e—4OH-)에 따른 활성화 분극과 농도분 극이 나타나며, 양극분극곡선에서는 철의 산화반 응(Fe—Fe『+2e)에 따른 활성 화분극이 일어 난다.
용접후열처리를 시행한 시험편이 시행하지 않은 시험편에 비해 오히려 양극 소모량이 컸으며, 이는 부식전위측정 실험이나 음극 및 양극분극시 험을 통해 나타난 결과와 동일하다는 것을 알 수 있었다. 그리고 유동중인 경우가 정지중인 경우에 비해 소모량이 많았다는 사실을 알 수 있었다.
따라서 WM부가 양극으로 BM부가 음극으로 작용하고 있음을 알 수 있다. 이 처럼 용접후열처리를 함으로써 각 부위간의 양극 과 음극이 모두 바뀌 었으며 각 부위 간 흐르는 갈바 닉 부식 전류는 용접후열처리전보다 다소 감소하는 경향을 알 수 있었다. 따라서 전술한 Fig.
전체적으로 보아 용접후열처 리를 시행하지 않은 경우가 시행한 경우에 비해 양극소모량이 많았 으며, 유동중인 경우가 정지중인 경우에 비해 소모 량이 많다는 사실을 알 수 있었다. 이는 유속의 증가에 따라 해수의 상대적인 운동으로 인하여 금속 표면 즉, 음극의 용존산소환원반응에 따른 농도분 극이 감소되어 알루미늄양극과 시험편의 전위차 가 더 커지게 되어 양극의 발생전류가 증가하며, 동시에 양극소모량도 증대된 것으로 사료된다
그리고 타펠식에 의해서 구한 전류밀도값이 비교적 큰 값을 나타내고 있음을 알 수 있으며, I , II 중 ![ 의 경우가 대체적으로 높은 값을 나타내고 있으나 경향은 유사하다는 사실을 알 수 있었다. 한편 Stern—Geary식에 의해서 구한 부식속도는 일미나이트 용접봉을 사용한 경우 용접후열처리 를 시행한 경우가 오히려 용접후열처리를 시행하 지 않은 경우에 비해 증가하였으며, 저수소계 용접 봉을 사용한 경우 부식속도는 용접후열처 리를 시행한 경우가 감소하였다는 사실을 알 수 있었다.
한편 저수소계 용접봉을 사용하여 용접후열처리 를 시 행 하지 않은 경우는 HAZ부가 가장 부식 속 도가 컸으며, BM 그리고 WM순으로 작게 나타났다. 그리고 용접후열처리를 시행한 경우는 세 부분 모두 거의 유사한 부식 속도를 나타내고 있음을 알 수 있다.
후속연구
고찰하였다. 그러므로 본 연구결과는 선박 및 해양환경구조물 설계시공시에 용접부 부 식특성과 억제대책에 좋은 참고자료가 될 것으로 기대된다.
따라서 용접후열처리에 의해서 오히려 소양극(WM)—대음극(BM)의 갈바닉부 식이 일어날 수 있음을 배제할 수 없다고 사료된다. 즉 WM부가 갈바닉 부식 발생 가능성이 가장 큰 경향을 나타내고 있으므로 WM부가 갈바닉 부 식에 대한 저항성이 열악할 것으로 사료된다. 상기 의 실험결과에서 알 수 있듯이 저수소계 용접봉을 사용하였을 경우에는 용접후열처리에 의해서 갈 바닉부식 억제효과가 있으나 일미나이트계 용접 봉을 사용하였을 경우에는 용접후열처리에 의해서 오히려 국부부식의 위험이 커질 수 있음을 알 수 있었다.
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