[논문]오스테나이트 스테인리스 주강의 미세 조직 및 고온 산화 특성에 미치는 합금원소의 영향

이인성; 전순혁; 김순태; 이정석; 고영상; 김종명

[국내논문] 오스테나이트 스테인리스 주강의 미세 조직 및 고온 산화 특성에 미치는 합금원소의 영향
Effects of Alloying Elements on the Characteristics of Microstructure and High Temperature Oxidation of Cast Austenitic Stainless Steel 원문보기

한국주조공학회지 = Journal of Korea Foundry Society, v.30 no.5, 2010년, pp.179 - 186

이인성 (연세대학교 신소재공학과) , 전순혁 (연세대학교 신소재공학과) , 김순태 (연세대학교 신소재공학과) , 이정석 ((주) 현대.기아자동차 선행개발센터) , 고영상 ((주) 현대.기아자동차 선행개발센터) , 김종명 ((주) 현대.기아자동차 선행개발센터)

Abstract ▼ AI-Helper

To elucidate the effects of alloying elements on the characteristics of microstructure and high temperature oxidation of cast austenitic stainless steel, a thermodynamic calculation, a cyclic oxidation test, a X-ray diffraction, a scanning electron microscopy-back scattered electron, a electron probe microanalysis were conducted. The thermodynamic calculation for the effect of vanadium (V) addition on the formation of various precipitates leads to a decrease of chromium (Cr)-rich $M_{23}C_6$ carbides due to the formation of M (C, N) carbo-nitrides containing V and / or niobium (Nb). The V added alloy increased the resistance to high temperature oxidation due to a decrease of Cr-depleted zone deteriorating the oxidation resistance and due to the V-enriched oxide layer formed in inner oxide layer blocking the outward transport of cations.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

광학현미경 및 BSE-EDS를 이용하여 950℃에서 100 시간 열처리된 실험합금들의 미세조직 및 각종 상들의 성분을 분석하였다. ASTM G 54 평가법에 의거하여[18] 내산화성에 미치는 바나듐 첨가의 영향을 고찰하기 위해 대기 중에서 950o C에서 24 시간 간격으로 100 시간 동안 열처리를 행하여 무게 증감을 구하였다. 산화 시험 후 형성된 산화물 층의 미세조직과 성분 분포를 알아보기 위해 BSE 이미지, X 선 회절(Xray diffraction, XRD) 시험을 행하였으며, EPMA를 이용하여 선 분석(line analysis) 및 elemental mapping을 행하였다.
X 선 분석 시에는 Cu-Kα target을 사용하였고, 40 KV, 300 mA 및 주사속도는 10°/min의 조건으로 회절각(2θ)이 10~90°인 범위에서 검사하였으며, 회절선을 JCPDS (Joint Committee on Powder Diffraction Standards)파일을 이용하여 비교 검색하였다.
% Ni을 기본 조성으로 하는 오스테나이트계 스테인리스 주강의 고온 산화 및 미세 조직 특성에 미치는 합금원소의 영향을 규명하기 위해, 보완된 Schaeffler 도표 및 Thermal-Calc. software 프로그램을 이용하여 상 안정성을 예측하였고, 950℃에서의 열처리 전과 후의 합금들에 대해 BSE-EDS (Back-scattered Electron-Energy Dis-persive Spectroscopy)을 이용하여 각종 상들의 형상 및 성분 분석을 수행하였으며, 산화물 층의 분석을 위해 전자 탐침 미소 분석기(Electron Probe Micro-Analyzer, EPMA)를 이용하여 산화물 층의 line profile 및 elemental mapping을 수행하였다.
광학현미경 및 BSE-EDS를 이용하여 950℃에서 100 시간 열처리된 실험합금들의 미세조직 및 각종 상들의 성분을 분석하였다. ASTM G 54 평가법에 의거하여[18] 내산화성에 미치는 바나듐 첨가의 영향을 고찰하기 위해 대기 중에서 950o C에서 24 시간 간격으로 100 시간 동안 열처리를 행하여 무게 증감을 구하였다.
4는 광학현미경을 이용하여 실험합금들의 주조상태와 950℃에서 100 시간 열처리한 후의 미세조직을 관찰한 결과이다. 미세조직 관찰 결과, 바나듐이 첨가된 실험합금-ASSV의 미세조직이 주조상태나 열처리한 후의 상태 모두 석출물이 적게 석출된 것을 확인할 수 있었으며, 이들 석출물의 종류와 성분분석을 상세히 확인하고자 BSE-EDS 분석을 수행하였다.
ASTM G 54 평가법에 의거하여[18] 내산화성에 미치는 바나듐 첨가의 영향을 고찰하기 위해 대기 중에서 950o C에서 24 시간 간격으로 100 시간 동안 열처리를 행하여 무게 증감을 구하였다. 산화 시험 후 형성된 산화물 층의 미세조직과 성분 분포를 알아보기 위해 BSE 이미지, X 선 회절(Xray diffraction, XRD) 시험을 행하였으며, EPMA를 이용하여 선 분석(line analysis) 및 elemental mapping을 행하였다. 시편의 횡단면을 관찰하기 위하여 호마이커로 마운팅한 다음 다이아몬드 페이스트를 이용하여 미세 연마하였으며 해상도를 높이기 위하여 Pt로 스퍼터링 했다.
산화 시험 후 형성된 산화물 층의 미세조직과 성분 분포를 알아보기 위해 BSE 이미지, X 선 회절(Xray diffraction, XRD) 시험을 행하였으며, EPMA를 이용하여 선 분석(line analysis) 및 elemental mapping을 행하였다. 시편의 횡단면을 관찰하기 위하여 호마이커로 마운팅한 다음 다이아몬드 페이스트를 이용하여 미세 연마하였으며 해상도를 높이기 위하여 Pt로 스퍼터링 했다. X 선 분석 시에는 Cu-Kα target을 사용하였고, 40 KV, 300 mA 및 주사속도는 10°/min의 조건으로 회절각(2θ)이 10~90°인 범위에서 검사하였으며, 회절선을 JCPDS (Joint Committee on Powder Diffraction Standards)파일을 이용하여 비교 검색하였다.
주조 상태와 마찬가지로, 실험합금-ASS에서 긴 바늘 모양의 M(C,N) 탄화물을 확인하였고, 약간 어두운 M₆(C,N)의 석출물을 확인하였다. 실험합금-ASSV에서도 마찬가지로 M(C,N) 탄화물을 확인하였고, 소량의 M23C6의 크롬 탄화물을 확인하였다.
5(b)는 BSE-EDS 분석을 통해서 950℃에서 100 시간 열처리한 후의 실험합금의 석출물의 모습과 성분분석을 나타낸 그림이다. 주조 상태와 마찬가지로, 실험합금-ASS에서 긴 바늘 모양의 M(C,N) 탄화물을 확인하였고, 약간 어두운 M₆(C,N)의 석출물을 확인하였다. 실험합금-ASSV에서도 마찬가지로 M(C,N) 탄화물을 확인하였고, 소량의 M23C6의 크롬 탄화물을 확인하였다.
Modified schaeffler diagram을 이용하여 실험합금들의 응고 모드와 상 안정성을 예측하였으며, Thermo-Calc. 프로그램을 이용하여 각종 상들의 열역학적 계산을 시도하였다.
% Ni을 기본 조성으로 하는 오스테나이트계 스테인리스 주강의 고온 산화 및 미세조직 특성에 미치는 합금원소의 영향을 규명하기 위해, 보완된 Schaeffler 도표 및 Thermal-Calc. 프로그램을 이용하여 상 안정성을 예측하였고, 950o C에서의 열처리 전과 후의 합금들에 대해 BSE-EDS(Backscattered Electron-Energy Dispersive Spectroscopy)을 이용하여 각종 상들의 형상 및 성분 분석을 수행하였으며, 산화물 층의 분석을 위해 전자 탐침 미소 분석기(Electron Probe MicroAnalyzer, EPMA)를 이용하여 산화물 층의 line profile 및 elemental mapping을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

1~2 wt.% 첨가한 합금 (합금명: ASSV)을 고주파 유도로를 이용하여 대기 중에서 용해하였다.

성능/효과

(1) Modified Schaeffler diagrams을 이용하여 상 안정성을 예측한 결과, 실험합금은 austenite (γ) 단상을 나타내었었으며, 상용 Ferrite-scope를 이용하여 δ-ferrite를 측정한 결과 자성의 δ-ferrite가 검출되지 않았다
(3) 950℃에서 100 시간 동안 공기 중에서 열처리했을 경우, 열처리 전보다 Cr 탄화물(M23C6)은 감소한 반면, Nb 및/또는 V 함유 탄질화물(M (C, N))은 증가하였다.
(4) 950℃에서 100 시간 동안 공기 중에서 산화시켰을 경우 V이 첨가된 실험합금의 내산화성이 우수하였던 이유는 Cr 탄화물(M₂₃C₆)의 분율이 감소됨으로써 내산화성을 저하시키는 Cr 고갈층이 감소되고, 내부 산화층에 Cr 및 V 산화물이 농축되어 금속 양이온들이 외부 스케일 층으로의 이동을 방해하는 장애물로 작용하여 기지금속과 스케일의 계면에서의 공동(空洞, void)들의 형성을 방지함으로써 그들 계면에서의 흡착성이 개선되었기 때문인 것으로 판단된다.
EPMA line-profile을 이용하여 크롬 탄화물이 형성된 구역과그 주변을 분석한 결과(Fig. 10), Cr 탄화물 주변에 Cr이 심하게 고갈되어 있음을 확인할 수 있으며, 이들 구역에서 실험합금의 내산화성이 저하한다고 판단된다. 앞서 3.
Fig. 4와 Fig. 5를 종합적으로 살펴 볼 때, 950℃에서 100시간 동안 공기 중에서 열처리 했을 경우, 열처리 전보다 Cr 탄화물(M₂₃C₆)은 감소한 반면, Nb 및/또는 V 함유 탄질화물(M(C, N))은 증가하였다. 이는 기존의 문헌[21]에서와 같이 800~1200℃ 사이의 온도구간에서는 Cr 탄화물(M₂₃C₆)이 감소하고, M(C, N) 탄질화물이 증가하는 것과 같은 경향을 보이고 있다.
두 실험합금 모두 약 900℃ 부근에서 금속간화합물인 시그마(sigma, σ) 상의 석출과 전체 분율의 약 10% 정도의 M23C6 형태의 크롬 탄화물의 석출 및 약 600~700℃ 부근에서 금속간화합물인 라베스(laves) 상이 석출되는 것을 예측할 수 있다.
실험합금-ASS에서 흰색을 띠는 석출물은 M₆(C,N)의 석출물이고, 회색을 띠는 석출물은 M₂₃C₆으로 크롬 탄화물인 것을 확인하였다. 실험합금-ASSV에서 보여지는 긴 바늘 모양의 흰색 석출물은 M(C,N) 탄화물임을 확인하였고, 검은색의 개재물은 (Fe,Cr,Mn,Al)O 산화물임을 확인하였다. 검은색의 개재물을 제외하고, 석출물은 크게 구형상의 흰색 석출물인 M₆(C,N) 과 긴 바늘 형상의 흰색 석물출인 M(C,N) 탄화물과 회색을 띠는 탄화물로 크게 3가지 종류로 구분할 수 있다.
5(a)는 BSE-EDS 분석을 통해서 주조상태에서의 실험합금들의 석출물의 BSE 이미지와 성분분석을 나타낸 그림이다. 실험합금-ASS에서 흰색을 띠는 석출물은 M₆(C,N)의 석출물이고, 회색을 띠는 석출물은 M₂₃C₆으로 크롬 탄화물인 것을 확인하였다. 실험합금-ASSV에서 보여지는 긴 바늘 모양의 흰색 석출물은 M(C,N) 탄화물임을 확인하였고, 검은색의 개재물은 (Fe,Cr,Mn,Al)O 산화물임을 확인하였다.
6에 950℃ 열처리 전과 후 그리고 바나듐 첨가효과에 대한 석출물을 관찰하기 위하여 수행한 XRD 분석 결과를 나타내었다. 주조상태와 950℃에서 열처리 후에 XRD 분석 결과 바나듐을 첨가한 실험합금-ASSV가 V 및/또는 Nb 함유 탄질화물(M(C, N)들의 형성에 기인하여 크롬 탄화물(M₂₃C₆, M₇C₆)의 peak 수가 감소함을 확인할 수 있었으며, 이는 미세조직 관찰 결과 그리고 Thermo-Calc에서 예측한 결과와 동일한 결과를 나타내었다.
프로그램을 이용하여 상 안정성 및 각종 상들의 분율을 계산한 결과, 실험합금은 액상에서 오스테나이트 단상의 고상으로 변태하는 A 타입의 응고 모드(L → L + γ→ γ)를 따랐으며, 바나듐을 첨가하면, M23C6의 크롬 탄화물이 감소하고, M(C, N) 타입의 탄질화물이 증가함을 예측할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	오스테나이트 스테인리스 주강에 첨가하여 크립 저항성을 향상시킬 수 있는 원소는?	ASSs는 우수한 크립(creep) 저항성 및 내산화성 때문에 내열 소재로서 많이 사용되고 있다. Ti, Nb, V 와 같은 열역학적으로 안정한 탄질화물(carbo-nitride) 형성 원소들을 오스테나이트 스테인리스 주강에 첨가함으로써 크립 저항성이 한 단계 향상되는 것으로 알려져 있다[8,9]. 이들 내열 주강은 본질적으로 페라이트(ferrite) 상을 전혀 함유하지 않으면서, 크롬 탄화물(chromium-rich M23C6 carbide) 및 니오비움 탄화물(niobiumrich MC carbide)들을 함유한 오스테나이트(austenite) 단상 조직을 갖는 것으로 보고되고 있다[10].
	오스테나이트 스테인리스 주강에 Ti, Nb, V와 같은 원소를 첨가한 내열 주강은 어떤 조직을 가지는가?	Ti, Nb, V 와 같은 열역학적으로 안정한 탄질화물(carbo-nitride) 형성 원소들을 오스테나이트 스테인리스 주강에 첨가함으로써 크립 저항성이 한 단계 향상되는 것으로 알려져 있다[8,9]. 이들 내열 주강은 본질적으로 페라이트(ferrite) 상을 전혀 함유하지 않으면서, 크롬 탄화물(chromium-rich M23C6 carbide) 및 니오비움 탄화물(niobiumrich MC carbide)들을 함유한 오스테나이트(austenite) 단상 조직을 갖는 것으로 보고되고 있다[10].
	HP 40 합금은 어떤 특징이 있는가?	% Cr-35wt.%Ni)은 스케일 외부에 스피넬(spinel)구조를 갖는 MnFe계 산화물과 스케일 내부에 산화 저항성을 향상시키는 크롬 산화물(chromia, Cr2O3)의 2중(duplex) 구조를 형성하며, 스케일과 기지금속 계면에 Si 산화물이 형성되어 내산화성을 개선시킨다[11].

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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