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문제 정의
- 본 연구에서는 그동안 철도차량 구조물의 재질로 많이 사용되고 있는 SM490A, SS400, SUS205L 및 SUS304에 대한 전기화학 부식시험, 장시간에 걸쳐 시행하고 있는 대기 부식 시험 그리고 일정 기간마다 수거한 시편에 대한 인장 및 피로시험 결과를 기술하였다. 본 연구에서 얻은 주요한 결론은 다음과 같다.
- 본 연구에서는 우선 대기부식 시험과 대기부식 시편의 산세처리 등 일련의 부식시험절차를 확립하고, 철도차량 구조재료로 사용되고 있는 대표적인 강재인 SM490A와 SS400 시편을 대기부식 시험대에 올려놓고 일정 기간마다 수거하여 인장 및 피로시험을 수행하여 부식기간에 따른 인장과 피로특성의 변화에 대한 정량적인 자료를 확보하였다. 그리고 용접후열처리 한 시편과 하지 않은 시편의 피 로강도의 상호 비교시험을 수행하였고 또한 다양한 부식 용액을 이용하여 시편에 대한 전기화학 부식시험을 통하여 SM490A, SS400, SUS205L 및 SUS304의 부식특성을 비교 분석하였다.
- 1, 주파수 15 Hz에서 인장피로시험을 수행하였다. 일정하중에서 시편이 완전히 파단 될 때의 피로수명을 기준으宣 하였다. Fig.
제안 방법
- (1) 부식에 대한 구조용 강의 거동특성을 평가할 수 있는 대기부식 시험절차를 개발하고 SM490A와 SS400에 적용하여 이들 강의 부식 특성을 평가하였다.
- 본 연구에서는 우선 대기부식 시험과 대기부식 시편의 산세처리 등 일련의 부식시험절차를 확립하고, 철도차량 구조재료로 사용되고 있는 대표적인 강재인 SM490A와 SS400 시편을 대기부식 시험대에 올려놓고 일정 기간마다 수거하여 인장 및 피로시험을 수행하여 부식기간에 따른 인장과 피로특성의 변화에 대한 정량적인 자료를 확보하였다. 그리고 용접후열처리 한 시편과 하지 않은 시편의 피 로강도의 상호 비교시험을 수행하였고 또한 다양한 부식 용액을 이용하여 시편에 대한 전기화학 부식시험을 통하여 SM490A, SS400, SUS205L 및 SUS304의 부식특성을 비교 분석하였다.
- 대기오염물질이 수분과 반응에 의해 부식환경을 조성하는 부식성 분위기에 노출되면 재질 열화를 동반한 내식성의 저하로 부식 발생이 일어나므로 실험분위기는 기본 수용액을 3차 증류수로 하였다. 기타 다양한 용액에서 철도차량의 대차와 차체 구조재인 SS400, SM490A와 차체에 사용되는 SUS205L 및 SUS304에 대해 전기화학적 분극시험을 통해 재료별 부 식거동과 부식경향 및 부식속도를 측정하였다.
- 철도차량은 다양한 지역을 운행하기 때문에 다양한 대기 오염물질과의 접촉에 의해 부식이 발생한다. 대기오염물질이 수분과 반응에 의해 부식환경을 조성하는 부식성 분위기에 노출되면 재질 열화를 동반한 내식성의 저하로 부식 발생이 일어나므로 실험분위기는 기본 수용액을 3차 증류수로 하였다. 기타 다양한 용액에서 철도차량의 대차와 차체 구조재인 SS400, SM490A와 차체에 사용되는 SUS205L 및 SUS304에 대해 전기화학적 분극시험을 통해 재료별 부 식거동과 부식경향 및 부식속도를 측정하였다.
- 일반부식은 육안으로 쉽게 관찰되므로 유지보수를 통하여 쉽게 대비할 수 있으나 구멍부식을 비롯하여 틈새에서 진행되는 틈새부식(crevice corrosion)등은 관찰이 용이하지 않은 반면에 국부적인 부식손상의 효과가 크므로 사전에 대비를 하지 못하면 예기치 않은 결과를 초래할 수도 있게 된다. 본 연구에서는 표면에 형성된 부식물을 제거한 후에 현미경을 통하여 표면을 관찰하였다. SM490A는 전체적으로 고르게 부식이 진행된 흔적이 있는 반면에 SS400은 군데군데 부식이 심하게 진행되었다.
- 마운팅된 시편은 SiC 연마지(#800〜2000)로 기계적인 연마를 마치고 Al2O3 분말로 lum까지 연마한 다음 부식시험을 실시하였다. 부식 전위와 부식 속도는 정전압 장치(potentiostat, Gammy 2400)를 사용하여 전기화학적으로 측정하였다. 표준전극(ref&ence electrode)으로는 SCE(Saturated Calomel Electrode)를 사용하였고, 상대전극(counter electrode)으로는 백금(Pt) 전극을 사용하였다.
- 16과 같이 대기부식 시험대에 SM490A와 SS400을 설치하여 대기부식시험을 실시하였다. 시험대는 정남향을 향하게 설치하였고 미국 표준시험 기준(ASTM)에 따라 시험편의 거치 및 높이 등을 설정하였다. 전기화학적인 부식 시험 방법은 강종의 부식거동에 대한 정성적인 자료를 제공하는 반면 대기부식에 의한 시험은 장시간의 시간이 요하는 단점이 있지만 실제의 자연 환경에서 부식이 일어나는 상태를 관찰할 수 있다는 장점이 있다.
- 앞에서 기술한 대기부식 시편을 채취하여 응력비 R=최소응력/최대응력 =0.1, 주파수 15 Hz에서 인장피로시험을 수행하였다. 일정하중에서 시편이 완전히 파단 될 때의 피로수명을 기준으宣 하였다.
대상 데이터
- Fig. 16과 같이 대기부식 시험대에 SM490A와 SS400을 설치하여 대기부식시험을 실시하였다. 시험대는 정남향을 향하게 설치하였고 미국 표준시험 기준(ASTM)에 따라 시험편의 거치 및 높이 등을 설정하였다.
- 전기화학 분극시험용 모든 시편은 lcm x lcm 크기로 저속 시편 절단기를 사용하여 절단한 후 구리(Cu) 도선을 연결하여 땜납(soldering)시킨 후 호마이카로 포장하여 마운팅 하였다. 마운팅된 시편은 SiC 연마지(#800〜2000)로 기계적인 연마를 마치고 Al2O3 분말로 lum까지 연마한 다음 부식시험을 실시하였다. 부식 전위와 부식 속도는 정전압 장치(potentiostat, Gammy 2400)를 사용하여 전기화학적으로 측정하였다.
- 시험은 SS400과 SM490A에 대해 각각 열처리되지 않은 시편 30개, 열처리된 시편 10개씩 총 80개의 시편을 사용하였다. 시간에 따른 부식정도를 알아보기 위해 각 시편들은 설치된 시점을 기준으로 시험 1차 년도에는 3개월에 한번 씩, 시험 2, 3, 4차년도에는 6개월에 한 번씩 채취하게 되며 채취시편의 개수는 비열처리 시편 각 3개씩, 열처리 시편 각 1개씩이다. Table 1은 대기부식시험의 진행상황을 개략적으로 정리한 것이다.
- 시험은 SS400과 SM490A에 대해 각각 열처리되지 않은 시편 30개, 열처리된 시편 10개씩 총 80개의 시편을 사용하였다. 시간에 따른 부식정도를 알아보기 위해 각 시편들은 설치된 시점을 기준으로 시험 1차 년도에는 3개월에 한번 씩, 시험 2, 3, 4차년도에는 6개월에 한 번씩 채취하게 되며 채취시편의 개수는 비열처리 시편 각 3개씩, 열처리 시편 각 1개씩이다.
- 부식 전위와 부식 속도는 정전압 장치(potentiostat, Gammy 2400)를 사용하여 전기화학적으로 측정하였다. 표준전극(ref&ence electrode)으로는 SCE(Saturated Calomel Electrode)를 사용하였고, 상대전극(counter electrode)으로는 백금(Pt) 전극을 사용하였다. 부식 용액은 산성비와 유사한 용액으로 하였으며, 부식 반응으로 생긴 기포가 시편 표면에 부착되는 것을 막고 용액의 균일성을 유지하기 위해 자석식 교반기로 교반하였다.
이론/모형
- 부식 용액은 산성비와 유사한 용액으로 하였으며, 부식 반응으로 생긴 기포가 시편 표면에 부착되는 것을 막고 용액의 균일성을 유지하기 위해 자석식 교반기로 교반하였다. 부식 전위는 시편을 용액에 담그고 2시간이 경과한 후 측정하였으며, 부식 속도는 potentiostatic 방법으로 양극 분극 및 음극 분극으로 부식 전위를 5~10 mV 만큼 변화시키면서 15분이 지난 후 전류값을 측정하여 Tafel 곡선으로부터 linear polarization method를 이용하여 구하였다.
- 부식 용액은 산성비와 유사한 용액으로 하였으며, 부식 반응으로 생긴 기포가 시편 표면에 부착되는 것을 막고 용액의 균일성을 유지하기 위해 자석식 교반기로 교반하였다. 부식 전위는 시편을 용액에 담그고 2시간이 경과한 후 측정하였으며, 부식 속도는 potentiostatic 방법으로 양극 분극 및 음극 분극으로 부식 전위를 5~10 mV 만큼 변화시키면서 15분이 지난 후 전류값을 측정하여 Tafel 곡선으로부터 linear polarization method를 이용하여 구하였다.
- 부식 속도는 potentiostatic 방법으로 양극 분극 및 음극 분극으로 부식 전위를 5~10 mV 만큼 변화시키면서 15분이 지난 후 전류값을 측정하여 Tafel 곡선으로부터 linear po larization method를 이용하여 구하였다. 부식속도를 측정하기 위하여 선형분극시험으로 분극저항 Rp를 측정한 후 Stern-Geary의 식을 [5] 이용하여 부식전류밀도 icorr를 계산한 다음 Faraday식을 [6] 이용하여 부식속도(mpy)로 환산하였다.
성능/효과
- (2) 표면의 부식면적을 기준으로 할 때 SS400이 SM490A 보다 상대적으로 부식이 작았다.
- (3) 국부적으로 깊이 방향을 따라 진행되는 구멍부식의 경우 SS400이 SM490A보다 상대적으로 부식이 더 심하였다.
- (4) 열처리를 한 시편이 하지 않은 시편에 비해 부식이 더 심하였다.
- (5) 대기부식의 진행과 함께 항복강도, 인장강도 및 피로강도가 낮아지는데 초기 3개월 동안의 강도 저하가 크고 그 이후에는 서서히 감소하였다.
- (6) 열처리를 한 시편이 하지 않은 시편에 비해 상대적으로 피로강도가 더 낮았다.
- (7) 차체에 사용되는 SUS205L과 SUS3O4는 모든 용액에서 강 재료인 SS400과 SM490A 보다 부식속도가 작다. SUS205L의 부식속도는 부식용액에 따라 SUS304보다 크기도 하고 작기도 하다.
- 24는 SM490A의 대기부식 시편의 피로강도를 모재의 피로강도와 비교한 것이다. 3, 6, 9, 12개월 부식시편 모두 모재에 비하여 수명이 많이 줄어들었다. 그러나 부식 기간에 따라 점진적으로 수명이 줄어들지 않는데 이는 피로 데이터는 산란이 매우 크므로 예상되는 결과라고 할 수 있다.
- 부식속도는 산성비 영역에서 높게 나타났다. SS400과 SM490A는 스 테인레스 강보다 8~15배 정도 높았으며, 염수 및 알카리 영역에서도 다소 부식속도가 높음을 알 수 있다. SM490A 강종은 내후성강으로 설계되어 장시간 사용할 때 부식에 의한 저항이 SS400 강종보다 우수하게 설계되어 있다.
- 알칼리수용 액에서는 SUS205L과 SUS304는 약간의 부동태 영역을 나타내었고, SS400O] 다른 금속에 비해 활성화 분극거동을 나타내었다. SS400과 SM490A의 분극곡선의 경향이 다소 높은 위치의 전류밀도 쪽으로 이동하는 것으로 보아 스테인레스 강에 비해 부식의 정도가 심해짐을 알 수 있다.
- SUS205L, SUS304 경우 산성 및 중성영역에서 약간의 부동태 영역을 나타내었다. 부식 전류 밀도는 SS400과 SUS205L에서는 유사한 전류밀도를 나타내었으며, SUS304는 알칼리영역에서 SUS205L 보다 분극곡선의 경향이 다소 높은 위치의 전류밀도 쪽으로 이동하는 것으로 보아 부식의 정도가 심해짐을 알 수 있다.
- 재질에 따른 분극곡선은 전형적인 Tafel 거동을 나타내었다. 산성비와 증류수 용액에서 SS400과 SM490A 합금은 부동태 영역의 존재 없이 전류밀도가 계속 상승함을 알 수 있으며, 서로 유사한 활성화 분극 거동을 나타내었다. SUS205L과 SUS304 합금은 산성비와 3.
후속연구
- (8) 부식된 차량 구조물의 수명평가를 위해서는 부식과 피로에 관한 정량적인 데이터가 필요한데 이런 연구는 긴 시간과 비용이 소요되므로 지속적인 지원이 필요함을 알 수 있었다.
- 인장강도와 마찬가지로 처음 3개월 동안에 피로강도가 상당히 줄어들고 그 이후에는 큰 변화가 없음을 알 수 있다. 따라서 부식에 의한 인장강도와 피로강도의 변화 경향이 밀접한 상관관계가 있는 것으로 판단할 수 있으므로 지속적인 관찰이 요구된다.
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