[논문]STS 431 마르텐사이트계 스테인리스강의 고온 가스 질화 열처리에 따른 상변화

유대경; 공정현; 이해우; 강창룡; 김영희; 성장현

STS 431 마르텐사이트계 스테인리스강의 고온 가스 질화 열처리에 따른 상변화
Phase Changes of the STS 431 Martensitic Stainless Steel after High Temperature Gas Nitriding Treatment 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.21 no.5, 2008년, pp.244 - 250

유대경 (현대제철(주)) , 공정현 (동아대학교 신소재공학과) , 이해우 (동아대학교 신소재공학과) , 강창룡 (부경대학교 신소재공학부) , 김영희 (동아대학교 클러스터사업단) , 성장현 (동아대학교 클러스터사업단)

Abstract ▼ AI-Helper

This study has investigated the surface phase change, hardness variation, surface precipitates, nitrogen content and corrosion resistance in STS 431 (17Cr-2Ni-0.2C-0.01Nb) martensitic stainless steel after high temperature gas nitriding (HTGN) treatment at the temperature range between $1050^{\circ}C$ and $1150^{\circ}C$. The HTGN-treated surface layer appeared $Cr_2N$ of rod type, carbo-nitride of round type and fine precipitates in the austenite matrix. On the other hand the interior region where the nitrogen was not permeated, exhibited martensite phase. The surface hardness showed 250~590 HV, depending on the HTGN treatment conditions, while the interior martensitic phase represented 520 HV. The permeation depth of nitrogen increased with increasing the HTGN-treated temperature. The nitrogen concentration of the surface layer appeared approximately ~0.17% at $1100^{\circ}C$. On comparing the corrosion resistance between solution-annealed and HTGN-treated steels, the corrosion resistance of HTGN-treated steel was superior to that of solution-annealed specimens.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 STS 431 마르텐사이트계 스테인리스강을 이용하여 고온질화(HTGN) 한 후 표면과 내부의 미세조직 변화 및 경도변화, 표면층의 석출물 종류, 질소 함량 변화, 내식성변화에 대하여 연구하였다.

제안 방법

미세 석출물 및 기지의 상 분석은 5% picric acid + 95% acetic acid 용액을 사용하여 jet polishing한 다음 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 관찰하였다. HTGN 처리가 끝난 시료의 최외각 표면층에서 내부로의 질소농도 변화는 GDS(Glow Discharge Spectrometer)를 이용하여 분석하였다. 고온질화 처리한 시료의 내식성은 고용 화어닐링(SA) 처리한 시료의 내식성과 비교분석하였으며, 상온의 1 N H₂SO₄수용액에서 Ag/AgCl을 기준전극으로 사용하여 양극분극 실험에 의해 평가하였다.
HTGN 처리가 끝난 시료의 최외각 표면층에서 내부로의 질소농도 변화는 GDS(Glow Discharge Spectrometer)를 이용하여 분석하였다. 고온질화 처리한 시료의 내식성은 고용 화어닐링(SA) 처리한 시료의 내식성과 비교분석하였으며, 상온의 1 N H₂SO₄수용액에서 Ag/AgCl을 기준전극으로 사용하여 양극분극 실험에 의해 평가하였다.
열처리가 끝난 시료는 연마 및 정마 과정을 거친 다음 10 ml CH₃COOH + 10 ml HNO₃+ 15 ml HCl에서 에칭한 후 표면과 내부의 미세조직변화, 질화물석출, 경도변화를 광학현미경, 주사전자현미경(FESEM)을 사용하여 분석하였고 HTGN 처리에 따른 최외각 표면에서 내부기지로의 경도 변화는 마이크로 비커스 경도기(Load = 100 g)로 측정하였다. 미세 석출물 및 기지의 상 분석은 5% picric acid + 95% acetic acid 용액을 사용하여 jet polishing한 다음 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 관찰하였다. HTGN 처리가 끝난 시료의 최외각 표면층에서 내부로의 질소농도 변화는 GDS(Glow Discharge Spectrometer)를 이용하여 분석하였다.
HTGN 처리는 질소분위기로에서 질소압력을 1 kg/cm²로 유지하고 1050℃~1150℃온도범위에서 50℃ 온도 간격으로 10시간 동안 유지 후 수냉하였다. 열처리가 끝난 시료는 연마 및 정마 과정을 거친 다음 10 ml CH₃COOH + 10 ml HNO₃+ 15 ml HCl에서 에칭한 후 표면과 내부의 미세조직변화, 질화물석출, 경도변화를 광학현미경, 주사전자현미경(FESEM)을 사용하여 분석하였고 HTGN 처리에 따른 최외각 표면에서 내부기지로의 경도 변화는 마이크로 비커스 경도기(Load = 100 g)로 측정하였다. 미세 석출물 및 기지의 상 분석은 5% picric acid + 95% acetic acid 용액을 사용하여 jet polishing한 다음 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 관찰하였다.

대상 데이터

시료는 가로 × 세로 × 두께를 15 mm × 50 mm × 7 mm 크기로 절단하여 표면을 연마지(#1500)로 연마한 후 고온질화 열처리 시료로 사용하였다.
시판되고 있는 STS 431 마르텐사이트계 스테인리스강(50Φ 환봉)을 고온질화에 사용하였다.

성능/효과

1. HTGN 처리 후 최외각 표면층은 열처리 온도 변화에 따른 질소와 Cr의 함량변화에 따라 마르텐사이트 또는 오스테나이트 상, 중간 표면층은 오스테나이트 상 및 내부는 마르텐사이트 조직을 나타내었다.
2. HTGN 처리 후 최외각 표면층에는 질소와 Cr의 강한 친화력에 의해 Cr₂N 및 탄질화물이 석출되었고 최외각 표면층 경도는 최대 590 HV, 최소 250 HV를 나타내었으며 내부는 520 HV를 나타내었다. HTGN 처리 후 질소 침투 층 깊이는 온도가 상승함에 따라 증가하였으며, 표면에서 5 µm 깊이에서의 질소농도는 1100°C에서 0.
3. HTGN 처리한 시험편을 상온에서 1 N H₂SO₄용액으로 potentiodynamic 시험한 결과 활성태 영역에서 임계전류밀도(I_C), 초기 부동태화 전위(E_pp) 및 부동태 영역에서 부동태화 전류밀도(I_p)가 고용화처리(SA)한 강보다 낮아서 부식저항성이 우수 하였다.
8은 1150°C에서 HTGN 처리 한 후 최외각 표면층의 석출물 TEM 관찰 및 회절패턴을 분석한 그림이다. 300 nm 크기의 미세한 각형 석출물이 존재하며 회절패턴 분석 결과 Z = [100]의 Cr₂N으로 확인되었으며 기지는 FCC 구조의 오스테나이트 인 것을 알 수 있다.
HTGN 처리 후 입계에 석출한 석출물로 인해 Cr 결핍이 발생하였으나 1100°C에서 10시간 HTGN 처리한 강이 1150°C에서 1시간 고용화 어닐링 처리(SA)한 강보다 임계전류밀도(IC), 초기 부동태화 전위(Epp) 및 부동태 영역에서 부동태화 전류 밀도(Ip)가 낮아서 부식저항성이 우수하였다.
HTGN 처리 후 질소 침투 층 깊이는 온도가 상승함에 따라 증가하였으며, 표면에서 5 µm 깊이에서의 질소농도는 1100°C에서 0.17%이었다.
11은 1150°C에서 1시간 고용화어닐링 및 1050°C~1150°C로 10시간 HTGN 처리 후 상온에서 5% H₂SO₄용액에서 100시간 침지한 시료의 무게감량을 측정한 결과이다. 고용화어닐링한 강과 HTGN 처리한 강을 비교해 볼 때 무게감량은 고용 화어닐링한 강이 크게 나타났으며, HTGN 처리 온도가 상승함에 따라 무게감량은 감소하고 있다. 이는 수퍼마르텐사이트계 스테인리스강의 HTGN 처리에서 HTGN 처리 온도가 상승함에 따라 무게감량이 감소한다는 보고[9]와 일치한다.
(a)그림에서 입내에 많은 석출물이 관찰되며 mark a는 8 µm 크기의 마름모형 석출물과 mark b는 2 µm 크기의 막대형(각형) 석출물이 관찰된다. 마름모형 및 각형 석출물을 EDS 분석 결과 Fe의 함량이 낮고 Cr 및 N의 함량이 매우 높은 것으로 보아 MN 또는 M₂N 질화물로 추정된다. (b) 그림에서는 입내 및 입계에 많은 석출물을 관찰할 수 있으며 Fe의 함량이 낮고 Cr 및 N의 함량이 높다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고질소 스테인리스강이란?	일반적으로 고질소 스테인리스강의 구분은 스테인리스강의 종류에 따라 달라지며 마르텐사이트계 강은 질소를 0.08 wt.% 이상 함유한 경우, 오스테나이트계 강은 기지에 0.4 wt.% 이상의 질소를 함유한 경우를 고질소강이라고 부르고 있다[1]. 고질소 스테인리스강에서 질소는 탄소보다 고용강화에 효과적으로 작용하여 결정립 미세화에 의해 강도를 증대시키며[2, 3] 강력한 오스테나이트 안정화 원소로서 오스테나이트 안정화에 필요한 Ni의 함량을 낮출 수 있어 경제적이다.
	질소의 고용도를 증대시키는 합금 원소는?	질소의 농도는 Fick's 제2법칙을 따라 표면에서 거리가 멀어짐에 따라 감소하며 경화층 깊이는 고온질화 시간과 온도에 의존한다. 질소의 고용도를 증대시키는 합금 원소인 Ti, V, Nb, Cr, Mo 및 Mn을 소량 함유한 스테인리스강에 질소를 침투시키면 질소와 이들 원소와의 강력한 친화력 때문에 질소가 표면에서 내부로 침투 확산된다[7-9]. Cr은 스테인리스 강에서 가장 중요한 합금원소로 질소의 고용도를 증가시키지만 고용체 상태에서 Ti, Zr, V 및 Nb와 비교하면 질화물 형성 경향이 낮다고 보고되어 있다[10].
	질소의 고용도를 증대시키는 합금 원소인 Cr의 단점은?	질소의 고용도를 증대시키는 합금 원소인 Ti, V, Nb, Cr, Mo 및 Mn을 소량 함유한 스테인리스강에 질소를 침투시키면 질소와 이들 원소와의 강력한 친화력 때문에 질소가 표면에서 내부로 침투 확산된다[7-9]. Cr은 스테인리스 강에서 가장 중요한 합금원소로 질소의 고용도를 증가시키지만 고용체 상태에서 Ti, Zr, V 및 Nb와 비교하면 질화물 형성 경향이 낮다고 보고되어 있다[10]. Ni 역시 스테인리스강에서 중요한 합금 원소이지만 질소의 고용도를 감소시키므로 고질소강에서는 첨가량이 제한적이다[11].

참고문헌 (15)

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CLI Brochure, FGD Equipments Metallic Solutions (1994) 35

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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