[논문]보수용접봉의 종류와 용접후 열처리가 용접금속부의 내식성에 미치는 영향에 관한 전기화학적 평가

신재현; 문경만

doi:10.14773/cst.2010.9.6.310

보수용접봉의 종류와 용접후 열처리가 용접금속부의 내식성에 미치는 영향에 관한 전기화학적 평가
An Electrochemical Evaluation on the Corrosion Resistance of Welding Zone due to Kinds of Repair Welding Filler Metals and Post Weld Heat Treatment 원문보기

Corrosion science and technology, v.9 no.6, 2010년, pp.310 - 316

신재현 (한국해양 수산연수원) , 문경만 (한국해양대학교 조선기자재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently a fuel oil of the diesel engine of the marine ship is being changed with heavy oil of low quality as the oil price is higher more and more. Therefore the wear and corrosion in all parts of the engine such as cylinder liner, piston crown, spindle and seat ring of exhaust valves are predominantly increased. In particular the degree of wear and corrosion of piston crown is more seriously compared to the other parts of the engine due to operating in severe environment such as the high temperature of exhaust gas and repeating impact. Thus the repair weldment of the piston crown is a unique method to prolong the its life in a economical point of view. In this case, filler metals having a high corrosion and wear resistance such as stellite 6, Inconel 625 and Inconel 718 are mainly being used for repair welding. However it has been often happened that piston crown on the ship,s job site is being actually inevitably welded with mild filler metals. Therefore in this study, filler metals such as E4301, E4313 and E4316 were welded at SS401 steel as the base metal, and corrosion property of their weld metals in the case of post weld heat treatment or not was investigated with some electrochemical methods such as measurement of corrosion potential, cathodic and anodic polarization curves, cyclic voltammogram and polarization resistance etc. in 0.1% $H_2SO_4$ solution. Corrosion resistance of the weld metal of E4301 was better than the other weld metals in the case of no heat treatment, however, its resistance was considerably decreased with post weld heat treatment(annealing:$625^{\circ}C$, 2 hr) compared to other weld metals. The weld metals of E4313 and E4316 showed a relatively good corrosion resistance by post weld heat treatment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 운항중인 실제의 선박에서는 연강용접봉으로 긴급하게 보수용접을 해야 하는 불가피한 경우가 종종 발생하고 있다. 따라서 본 연구에서는 일반 연강의 한 부분을 모재부로 하고 여기에 연강용접봉으로 보수용접을 하였을 경우 보수용접봉의 종류와 열처리가 용접금속부의 경도와 내식성에 미치는 비교 평가를 전기화학적인 측면에서 비교 고찰하였다. 따라서 본 연구의 결과는 연강용접봉의 종류와 열처리가 용접금속부의 내식성에 미치는 영향을 규명함으로써 향후 현장의 상선에서 긴급하게 보수용접을 할 경우 효율적인 용접봉의 사용과 열처리효과에 대한 참고자료를 제공하는데 그 의미가 클 것으로 사료된다.

제안 방법

내식성의 비교평가를 위해 부식전위와 분극곡선 및 사이클릭선도변화 등을 측정하였다. 그리고 분극곡선으로부터 부식전류밀도를 구하였으며, 양극 및 음극분극곡선을 측정한 후의 부식된 표면을 관찰하였다. 또한 각 용접 금속부 시험편의 표면을 2000번까지 연마한 후 각각의 시험편의 중심부에서 좌우 1 mm 간격으로 5 mm까지 즉 11번의 용접금속부의 경도를 측정하고 이들 값의 평균치를 구하였다.
1% 황산용액을 사용하였으며 3 cm/s (PIV: Particle Image Velocimetery 로 측정)의 속도로 용액을 유동(마그내트볼에 의한유동)시키면서 측정하였다. 내식성의 비교평가를 위해 부식전위와 분극곡선 및 사이클릭선도변화 등을 측정하였다. 그리고 분극곡선으로부터 부식전류밀도를 구하였으며, 양극 및 음극분극곡선을 측정한 후의 부식된 표면을 관찰하였다.
실험에 사용된 측정장치는 CMS-100 프로그램이며 기준전극은 SCE전극, 대극은 백금을 사용하였고 주사속도는 1 mV/s, 그리고 delay time은 1800초로 하였다. 단 사이클릭 선도변화 측정은 +1.5 V ~ -0.5 V 영역에서 30 mV/s의 주사속도로 하였으며 부식된 표면사진은 멀티미디어 영상현미경(Sometech사, Model: SV35)으로 100배 배율로 관찰하였다. 그리고 조직사진을 위한 에칭액으로 3% 나이탈용액을 사용하였다.
그리고 분극곡선으로부터 부식전류밀도를 구하였으며, 양극 및 음극분극곡선을 측정한 후의 부식된 표면을 관찰하였다. 또한 각 용접 금속부 시험편의 표면을 2000번까지 연마한 후 각각의 시험편의 중심부에서 좌우 1 mm 간격으로 5 mm까지 즉 11번의 용접금속부의 경도를 측정하고 이들 값의 평균치를 구하였다.
그리고 샌드페이퍼 100번에서 2000번까지 연마한 후 노출면적 1 cm²만을 남기고 나머지는 실리콘 수지로 절연 시켰으며 가장자리에 구멍을 뚫고 동선을 연결하여 시험편을 제작하였다. 시험용액은 0.1% 황산용액을 사용하였으며 3 cm/s (PIV: Particle Image Velocimetery 로 측정)의 속도로 용액을 유동(마그내트볼에 의한유동)시키면서 측정하였다. 내식성의 비교평가를 위해 부식전위와 분극곡선 및 사이클릭선도변화 등을 측정하였다.

대상 데이터

5 cm의 측정용 시험편을 만들었다. 그리고 샌드페이퍼 100번에서 2000번까지 연마한 후 노출면적 1 cm²만을 남기고 나머지는 실리콘 수지로 절연 시켰으며 가장자리에 구멍을 뚫고 동선을 연결하여 시험편을 제작하였다. 시험용액은 0.
본 실험에 사용된 모재부는 가로 10 cm, 세로 5 cm, 두께 10 mm의 SS401강이며 용접 방법은 교류 피복아크용접(AC Shielded Matal Arc Welding: AC SMAW)으로 교류 1층 에서 5층까지 용접하였으며 용접된 용접금속부(WM)의 두께는 5 mm 였다. 그리고 용접후의 열처리는 625 ℃에서 2시간 어닐링 열처리를 실시하였으며 용접봉의 종류와 용접방법 및 용접봉의 성분 상세는 Table 1 및 Table 2와 같다.
실험에 사용된 측정장치는 CMS-100 프로그램이며 기준전극은 SCE전극, 대극은 백금을 사용하였고 주사속도는 1 mV/s, 그리고 delay time은 1800초로 하였다. 단 사이클릭 선도변화 측정은 +1.

성능/효과

1) 열처리를 하지 않았을 경우에는 E4301의 용접금속부가 내식성이 가장 우수하고 E4316, E4313순으로 내식성이 좋지 않았다.
2) 열처리를 하였을 경우에는 E4316의 용접금속부가 내식성이 가장 우수하고 역으로 E4301의 내식성이 좋지 않았다.
3) 부식전위는 열처리 유무에 따라 변화 하였으며 부식전 위의 값과 내식성의 상관관계는 일치하지 않았다.
4는 용접금속부를 열처리한 경우의 부식전위변화를 나타내고 있다. E4316 용접금속부의 부식전위가 가장 비한 전위값을 나타내고 있으며 E4301과 E4313 용접금속부의 부식전위가 비교적 귀한 경향을 나타내고 있음을 알 수 있다. 열처리에 의해서 E4316의 경우 다른 용접 금속부에 대해서 현저하게 부식전위가 낮은 경향을 나타내고 있음을 알 수 있다.
11은 타펠 외삽법에 의해서 구한 각 용접금속부의 부식전류밀도변화를 나타내고 있다. 결과적으로 열처리를 함으로써 E4301 용접금속부의 내식성은 오히려 저하되었고 E4313과 E4316의 내식성은 역으로 개선된 실험결과를 얻을 수 있었다. 또한 Fig.
그러나 E4313의 경우에는 열처리전에는 표면이 다소 오목볼록의 형태를 나타내었으나 열처리에 의해서 표면은 균일한 양상을 나타내고 있음을 알 수 있다. 그리고 E4316 용접금속부도 열처리 전에는 표면의 오목 볼록이 현저하여 어느 특성금속이 선택적으로 부식된 경향을 나타내었으나 열처리에 의해서 표면은 균일한 형태를 나타내는 균일부식 양상을 보여주고 있음을 알 수 있다. 이처럼 E4316과 E4313의 용접금속부는 열처리에 의해서 내식성이 개선되었으며 E4301의 경우에는 오히려 열처리에 의해서 내식성이 상대적으로 좋지 않다는 사실을 알 수 있었다.
사이클릭선도가 왼쪽의 위치에 있을수록 일정 공급전류밀도에 대한 분극전위가 높은 값을 나타내므로 분극저항 역시 크기 때문에 내식성이 상대적으로 양호한 경향을 유추할 수 있다. 따라서 E4301의 용접금속부가내식성이 양호하다는 사실을 알 수 있으며 이 결과는 Fig. 11의 부식전류밀도 비교에서 E4301의 내식성이 우수한 경향과 잘 일치하고 있음을 알 수 있다. 그리고 E4313 용접금속부의 선도가 가장 오른쪽에 위치하고 있는 즉 내식성이 가장 좋지 않은 실험 결과는 Fig.
E4316의 용접금속부가 내식성이 우수하고 E4301의 경우가 내식성이 상대적으로 좋지 않은 경향을 정성적으로 알 수 있다. 따라서 용접금속부의 내식성이 용접봉의 종류와 열처리 유무에 따라서 변화할 수 있다는 가능성을 실험결과를 통하여 알 수 있었다.

후속연구

따라서 본 연구에서는 일반 연강의 한 부분을 모재부로 하고 여기에 연강용접봉으로 보수용접을 하였을 경우 보수용접봉의 종류와 열처리가 용접금속부의 경도와 내식성에 미치는 비교 평가를 전기화학적인 측면에서 비교 고찰하였다. 따라서 본 연구의 결과는 연강용접봉의 종류와 열처리가 용접금속부의 내식성에 미치는 영향을 규명함으로써 향후 현장의 상선에서 긴급하게 보수용접을 할 경우 효율적인 용접봉의 사용과 열처리효과에 대한 참고자료를 제공하는데 그 의미가 클 것으로 사료된다.
6에서 알 수 있듯이 E4316의 경우에는 열처리에 의해서 오히려 부식전위가 비한 경향을 나타내었다. 따라서 용접봉의 종류와 열처리가 부식전위의 변화에 영향을 미치는 것으로 사료되나 이들 부식전위의 변화와 내식성의 상대적 관계는 현 단계에서 알 수 없으며 다음의 실험결과와 비교고찰을 통해서 알 수 있을 것으로 사료돤다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실린더 헤드, 피스톤 크라운 및 배기 밸브의 손상부분에 보수용접을 통하여 얻을 수 있는 것은?	피스톤 크라운은 고온 하에서의 반복 충격과 압력으로 인한 물리적인 마멸과 전기화학적 부식으로 인한 부식생성물의 연소에 의한 마멸량이 증대 되고 있다. 따라서 전술한 실린더 헤드, 피스톤 크라운 및 배기 밸브의 손상부분은 보수용접을 통하여 재사용함으로써 수명연장에 따른 경제적인 효과를 얻고 있다.
	선박에서 불가피하게 연강용접봉으로 보수용접을 할 경우 3가지의 연강용접봉으로 용접하고 이들 용접금속부의 내식성을 열처리 유무에 대해서 비교 고찰한 결과로 얻은 결론은?	1) 열처리를 하지 않았을 경우에는 E4301의 용접금속부가 내식성이 가장 우수하고 E4316, E4313순으로 내식성이 좋지 않았다. 2) 열처리를 하였을 경우에는 E4316의 용접금속부가 내식성이 가장 우수하고 역으로 E4301의 내식성이 좋지 않았다. 3) 부식전위는 열처리 유무에 따라 변화 하였으며 부식전 위의 값과 내식성의 상관관계는 일치하지 않았다.
	디젤기관의 경우 저질중유의 사용으로 인한 문제점은?	세계적인 유가의 상승으로 연료비가 앙등함에 따라 C중유를 사용하는 대형 선박 디젤기관 연료는 더욱 저질화되어 연료자체의 비중은 물론 불순물의 함량 또한 증가 되었다. 그리고 이러한 조건에서 운전하는 디젤기관의 경우 저질중유의 사용으로 인한 실린더라이너와 피스톤 크라운의 링홈의 마멸 증대 및 중유 중에 함유되어 있는 바나듐(V)과 유황(S)에 의한 고온부식과 저온부식 등1)으로 인해 실린더 헤드의 소손과 균열 발생 등이 야기되고 있다. 더욱이 연소실을 구성하는 주요한 요소인 피스톤상부는 표면 온도가 제일 높은 분위기속에서 작동되며 또한 연소폭발에 의한 강한 반복 충격을 받고 있는 동시에 연소 가스를 끊임없이 배출한다.

참고문헌 (17)

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J. V. Muylder and M. Pourbaix, Atlas of Electrochemical Equilibria in Aqueous Solution, Ed. by M. Pourbaix, Rergomon press and cebelcor, 287 (1966).

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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