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문제 정의
- 본 연구에서는 크롬-니켈계 스테인리스강인 STS 304와 크롬계 스테인리스강인 22APU를 가스 텅스텐 아크 용접 즉, GTAW(Gas Tungsten Arc Welding)를 실시하여 각 용접부의 부식특성을 전기화학적으로 비교 고찰하여 보았다. 따라서 본 연구결과는 각종 스테인리스강 구조물의 용접부에 대한 부식억제를 위해서 GTAW의 적합성 여부와 최적 용접방법 및 용접 재료의 선택과 사용에 유익한 참고 자료가 되리라 기대된다.
제안 방법
- STS 304는 용접봉 없이, 22APU는 ER309{≦0.12 C, 23.0∼25.0 Cr, 12.0~14.0 Ni(wt%)}용접 와이어를 사용하여 맞대기 이음으로 GTAW을 실시하였다.
- 각각의 용접부위에 대한 경도측정을 하기 위하여 시험편을 용접 방향과 직각 방향으로 기계 절단, 가공하고 샌드페이퍼로 2000번까지 연마한 후 각각의 시험편을 에칭(etching)하였으며, 에칭 된 시험편은 Figure 1과 같다. 경도의 측정방법은 22APU의 경우 용접금속 중심부에서 모재 방향으로 좌우 1mm 간격으로 3점의 위치에서, STS 304는 용접 금속 중심부에서 모재 방향으로 좌우 1mm 간격으로 3점의 위치에서 각각 3회 측정하여 평균값을 구하였다.
- 각각의 용접부위에 대한 경도측정을 하기 위하여 시험편을 용접 방향과 직각 방향으로 기계 절단, 가공하고 샌드페이퍼로 2000번까지 연마한 후 각각의 시험편을 에칭(etching)하였으며, 에칭 된 시험편은 Figure 1과 같다. 경도의 측정방법은 22APU의 경우 용접금속 중심부에서 모재 방향으로 좌우 1mm 간격으로 3점의 위치에서, STS 304는 용접 금속 중심부에서 모재 방향으로 좌우 1mm 간격으로 3점의 위치에서 각각 3회 측정하여 평균값을 구하였다. 그리고 에칭 후에 용접금속과 모재 사이 검게 변색된 용접열영향부의 경우 왼쪽과 오른쪽의 중앙의 각각 2점 위치에서 측정하였다(정확한 경도측정값을 얻기 위해서는 측정점의 개소가 많아야 하나 각 용접부위별 경도값의 차이가 뚜렷하여 편의상 간단히 측정하였다.
- 5cm2 만을 노출시키고 다른 부분은 에폭시로 절연시켰다. 그리고 각각 전기화학적 실험은 해수를 3cm/s(PIV: Particle Image Velocimetery로 측정)의 유동 상태에서 실시하였고, CMS-100 시스템이 내장된 측정 장치(Won. A. Tech Garmy사)를 사용하여 부식 전위 변화, 양극 및 음극 분극곡선(주사속도: 1mV/s, 대극: 백금, 기준전극: SCE), 사이클릭 볼타모그램(주사속도: 30mV/s, 측정영역: -0.5V~1.5V) 등의 변화 경향을 측정하였으며, 사이클릭볼타모그램의 변화 경향을 측정한 후 그 부식된 표면사진을 주사전자현미경으로 관찰하였다.
- 경도의 측정방법은 22APU의 경우 용접금속 중심부에서 모재 방향으로 좌우 1mm 간격으로 3점의 위치에서, STS 304는 용접 금속 중심부에서 모재 방향으로 좌우 1mm 간격으로 3점의 위치에서 각각 3회 측정하여 평균값을 구하였다. 그리고 에칭 후에 용접금속과 모재 사이 검게 변색된 용접열영향부의 경우 왼쪽과 오른쪽의 중앙의 각각 2점 위치에서 측정하였다(정확한 경도측정값을 얻기 위해서는 측정점의 개소가 많아야 하나 각 용접부위별 경도값의 차이가 뚜렷하여 편의상 간단히 측정하였다.).
- 지금까지 22APU 및 STS 304 스테인리스강에 대해 GTAW를 실시한 후 용접부위에 대한 내식성을 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
대상 데이터
- 실험에 사용한 스테인리스강 시험편의 치수는 가로100mm 세로 150mm이고, 각각의 두께는 STS 304는 1.5mm, 22APU는 2.5mm이었다. 일반적으로 스테인리스강의 용접에는 입열량이 큰 피복아크용접이나, 얇은 판재의 경우 GTAW를 시공한다.
성능/효과
- 1. 22APU와 STS 304의 시험편에 대해 GTAW를 실시한 결과 용접부위 중 용접금속의 경도가 모두 제일 높게 나타났으며, STS 304의 경우 용접열영향부 그리고 22APU는 모재의 경도가 각각 가장 낮게 나타났다.
- 2. 22APU 용접부위 중 용접금속의 내식성이 가장 좋지 않았으며 모재가 내식성이 가장 우수하였고, STS 304의 경우에는 용접열영향부의 내식성이 가장 나쁘고 용접금속의 내식성이 가장 좋은 것으로 나타났다.
- 그러나 STS 304는 시험편이 박판이며 용접봉을 사용하지 않는 맞대기 용접부위이므로 입계부식이 발생하기 쉬운 예민화온도 영역이 존재하는 용접열영향부의 부식전류밀도가 가장 높은 것으로 사료된다. 2층 용접한 22APU의 용접금속은 상대적으로 열전도도가 느린 스테인리스강이므로 열확산의 지연으로 예민화 온도영역에서 충분히 예민화 되었을 것으로 사료되며, 그리고 단층 용접한 STS304 용접열영향부도 예민화되어 크롬탄화물의 석출로 크롬결핍층이 발생한 영역에 입계부식이 발생한 결과로 부식전류밀도가 각각 다른 부위에 비해 가장 높게 나타난 것으로 생각된다.
- 3. 각 시험편의 모재에는 모두 입계부식이 발견되지 않았으나, 22APU의 용접금속과 STS 304의 용접열영향부에는 입계부식이 상대적으로 심하게 나타났다.
- Figure 10은 15번째 사이클릭볼타모그램 측정 후의 부식된 표면을 전자현미경으로 관찰한 결과이다. 두 종류의 시험편 모두 모재에는 피팅 현상이 나타나고 있으며, 22APU의 용접금속과 STS 304의 용접열영향부와 용접금속에는 입계부식이 발생되고 있으며 특히 STS 304의 용접열영향부는 입자가 작은 입계부식을 관찰할 수 있었다.
- 본 실험의 결과로 각 용접부위 별 부식전위 변화와 Figure 2의 경도값의 상관관계를 비교할 때, 22APU의 경우에는 경도값이 높은 용접금속의 부식 전위가 낮았음을 알 수 있으며, STS 304의 경우에는 경도가 높은 용접금속의 부식전위가 높은 실험결과를 얻을 수 있었다. 따라서 경도와 부식전위의 상관관계는 반드시 일치하지 않았으며 용접봉과 모재의 화학적 성분, 금속 조직 등의 영향에 기인하는 것으로 사료된다.
- 모재의 분극곡선이 수직으로 나타나고 있으며, 용접금속의 분극곡선이 가장 오른쪽으로 기울고 있음을 알 수 있다. 즉 용접금속의 선도가 가장 오른쪽 위치에 있으므로 어떤 일정한 분극전위에서 예를 들면, 0.
- 경우에 따라서는 용접금속의 성분이 모재로 혹은 모재의 성분이 용접금속으로 확산 이동하여 용접금속 경도가 높고 열영향부의 경도가 오히려 낮아지는 경우도 있다는 보고도 있으며, 한편으로 용접금속이 덴드라이트(dendrite) 조직으로 변하면서 결정입자의 조대화와 함께 경도가 상승하는 경우도 있다는 연구결과도 있다[1-2][13-14]. 본 실험에서 GTAW의 경우 순간적으로 고온도의 열이 가해지므로 경도가 높은 모재의 크롬이 용접금속으로 확산 이동하여 용접금속의 경도가 높고 용접열영향부, 모재 순으로 점차 경도가 낮아지는 것으로 사료된다. 그리고 STS 304의 경우에는 용접열영향부가 예민화 온도 영역에 있으므로 크롬탄화물의 형성과 함께 크롬 결핍영역의 영향으로 열영향부의 경도가 가장 낮은 것으로 사료된다.
- 본 실험의 결과로 각 용접부위 별 부식전위 변화와 Figure 2의 경도값의 상관관계를 비교할 때, 22APU의 경우에는 경도값이 높은 용접금속의 부식 전위가 낮았음을 알 수 있으며, STS 304의 경우에는 경도가 높은 용접금속의 부식전위가 높은 실험결과를 얻을 수 있었다. 따라서 경도와 부식전위의 상관관계는 반드시 일치하지 않았으며 용접봉과 모재의 화학적 성분, 금속 조직 등의 영향에 기인하는 것으로 사료된다.
후속연구
- 4. 결과적으로 용접부위의 입계부식을 억제하기 위해서는 두 강 모두 용체화처리가 필요하며, 특히 22APU 스테인리스강은 용접방법과 용접재료의 선택 그리고 STS 304는 용접방법 선택 등에 대한 적절한 대안이 검토되어야 할 것으로 사료된다.
- 본 연구에서는 크롬-니켈계 스테인리스강인 STS 304와 크롬계 스테인리스강인 22APU를 가스 텅스텐 아크 용접 즉, GTAW(Gas Tungsten Arc Welding)를 실시하여 각 용접부의 부식특성을 전기화학적으로 비교 고찰하여 보았다. 따라서 본 연구결과는 각종 스테인리스강 구조물의 용접부에 대한 부식억제를 위해서 GTAW의 적합성 여부와 최적 용접방법 및 용접 재료의 선택과 사용에 유익한 참고 자료가 되리라 기대된다.
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