[논문]TP 316L 스테인리스강의 기계가공 및 열처리에 의한 표면잔류응력 특성 측정 연구

이경수; 이정근; 송기오; 박재학

doi:10.3795/ksme-a.2011.35.5.453

TP 316L 스테인리스강의 기계가공 및 열처리에 의한 표면잔류응력 특성 측정 연구
Study on Effect of Mechanical Machining and Heat Treatment on Surface Residual Stress of TP316L Stainless Steel 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.35 no.5, 2011년, pp.453 - 458

이경수 (한전 전력연구원 원자력발전연구소) , 이정근 (한전 전력연구원 원자력발전연구소) , 송기오 (한전 전력연구원 원자력발전연구소) , 박재학 (충북대학교 공과대학 안전공학과)

초록
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본 논문은 TP316L 스테인리스강 재료에 대한 표면 기계가공 및 열처리에 의한 잔류응력의 생성 및 변화에 대해 연구한 것이다. 연구를 위해서 TP316L 시편에 대해 방전가공, 밀링, 연마의 3 가지 기계가공을 수행하고 표면의 잔류응력을 측정하였다. 동일한 방법으로 기계가공한 다른 시편은 열처리를 수행한 후에 표면잔류응력을 측정하여 열처리를 수행하지 않은 시편과의 차이를 비교하였다. 잔류응력측정은 엑스선회절법을 사용하였다. 또한 각 시편에 대해 비커스경도를 측정하여 열처리 수행전과 수행후의 경도를 비교하였다. 본 연구를 통해서 기계가공 방법에 따라 잔류응력의 형태가 달라지며 열처리에 의해서 대부분의 잔류응력이 제거됨이 확인되었다. 경도는 잔류응력의 인장 또는 압축의 방향에는 관계없이 크기에만 관련성이 있는 것으로 관찰되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

We study the effect of mechanical machining and heat treatment on the surface residual stress of TP 316L stainless steel. Electrical discharge machining (EDM), milling and grinding were applied to TP 316L plate specimens. The residual stress and hardness were measured and the effect of heat treatment on the surface residual stress was examined. The residual stress was measured by the X-ray diffraction method, which showed that the surface residual stress was related only to the stress magnitude and was independent of the compressive or tensile component. The surface residual stress was greatly decreased by the heat treatment, but it was not removed completely.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 용접모형의 잔류응력해석 및 측정연구과정에서 해석값과 측정값 사이에 편차가 발생 하는 것을 발견하고 그 원인을 규명하기 위한 작업의 일환으로 수행되었다. 용접잔류응력해석에서는 용접과정만을 고려하고 기계가공효과는 고려하지 않는 반면, 용접시편은 제조과정에서 용접뿐만 아니라 기계가공작업이 수반되므로 이로 인해 해석결과와 측정결과 사이에 편차가 있을 수 있는 것으로 추정되었다.
용접잔류응력해석에서는 용접과정만을 고려하고 기계가공효과는 고려하지 않는 반면, 용접시편은 제조과정에서 용접뿐만 아니라 기계가공작업이 수반되므로 이로 인해 해석결과와 측정결과 사이에 편차가 있을 수 있는 것으로 추정되었다. 이를 위해 원자력발전소의 배관 및 노즐재료로 널리 사용되는 TP 316L 오스테나이트 스테인리스강으로 시편을 제작하고 제작및 잔류응력측정 과정에 수반되는 기계작업을 부가하여 기계작업이 재료표면에 미치는 잔류응력의 영향을 평가하고자 하였다. 잔류응력측정방법은 연구의 일관성을 위해 기존 연구에서 사용하였던 엑스선회절법을 사용하였다.
잔류응력측정방법은 연구의 일관성을 위해 기존 연구에서 사용하였던 엑스선회절법을 사용하였다. 잔류응력과 경도간의 상관관계 및 열처리 효과에 대해서도 함께 고찰하였다.

제안 방법

가장자리 영향을 고려하여 표면으로부터 5μm 지점부터 측정을 시작하였고 깊이 방향은 50μm 간격으로 측정하였다.
각 가공방법에 의해 발생한 잔류응력이 열처리에 의해 제거되는 정도를 확인하기 위해 동일 방법으로 가공된 나머지 시편에 대해 고용화 열처리 (solid solution annealing)를 수행하였다. 열처리 방법은 진공 열처리로를 이용하여 고진공 상태에서 1150℃로 30 분간 유지 후 액화질소를 이용하여 상온까지 냉각하였다.
각각의 기계가공에 의해 생성되는 잔류응력이 어느 깊이까지 영향을 주는 지를 확인하기 위해 시편 표면으로부터 일정 깊이씩 전해연마를 수행한 후 해당 깊이에서의 잔류응력을 측정하였다. 응력방향은 가공방향을 0^°, 이에 수직한 방향을 90^°로 하였다.
기계가공 방법별 차이를 알아보기 위해 밀링, 연삭, 방전가공으로 각 2 개씩 시편의 상부표면을 3mm 추가 가공하였다. 제작과정을 Fig.
엑스선회절법을 이용하여 각 시편 표면에서의 잔류 응력을 측정하였다. 장비는 RIGAKU 사에서 제작한 MSF-3M 를 사용하였으며 측정조건은 Table 3과 같았다.
3과 같았다. 열처리 수행 후 동일한 방법으로 잔류 응력 및 경도를 측정하여 열처리를 수행하지 않은 경우와 결과를 비교하였다.
원자력발전소의 배관재인 TP 316L 스테인리스강에 대해 평판시편을 기계가공하여 각 가공방법이 재료의 표면잔류응력 및 경도에 미치는 영향과 열처리 효과를 실험한 결과, 아래와 같은 결과를 얻을 수 있었다.
잔류응력과 경도간의 상관관계를 확인하기 위해 비커스 경도를 측정하였다. Figure 2 와 같이 고속절단기로 시편을 절단하였으며 절단 후 두 개의 수직표면에서 경도를 측정하였다.
실험을 위하여 원자력발전소의 압력용기 노즐 안전단 또는 배관재료로 사용되는 TP 316L 스테인리스강으로 40(l)×40(w)×10(t) mm 크기의 시편 6개를 제작하였다. 절단은 방전가공을 사용하였다. TP 316L의 화학적 조성을 Table 1 에 나타내었다.

대상 데이터

실험을 위하여 원자력발전소의 압력용기 노즐 안전단 또는 배관재료로 사용되는 TP 316L 스테인리스강으로 40(l)×40(w)×10(t) mm 크기의 시편 6개를 제작하였다.

데이터처리

가장자리 영향을 고려하여 표면으로부터 5μm 지점부터 측정을 시작하였고 깊이 방향은 50μm 간격으로 측정하였다. 동일 깊이에 대해서는 5지점을 측정하여 평균 경도 값을 구하였다.

이론/모형

이를 위해 원자력발전소의 배관 및 노즐재료로 널리 사용되는 TP 316L 오스테나이트 스테인리스강으로 시편을 제작하고 제작및 잔류응력측정 과정에 수반되는 기계작업을 부가하여 기계작업이 재료표면에 미치는 잔류응력의 영향을 평가하고자 하였다. 잔류응력측정방법은 연구의 일관성을 위해 기존 연구에서 사용하였던 엑스선회절법을 사용하였다. 잔류응력과 경도간의 상관관계 및 열처리 효과에 대해서도 함께 고찰하였다.

성능/효과

(2) 밀링, 연삭 및 방전가공 중에서 가공잔류응력이 미치는 깊이는 방전가공이 가장 작고, 연삭이 가장 큰 것으로 확인되었다. 가공경화현상도 이와 유사한 경향을 나타내었다.
(3) 경도는 잔류응력의 압축 또는 인장방향에는 관계없이 크기에만 상관성이 있는 것으로 나타났다.
(4) 기계가공에 의해 형성된 잔류응력 및 가공 경화는 고용화 열처리를 통해 제거 또는 감소함이 확인되었다.
3 가지 가공법의 종류 및 가공방향에 관계 없이 열처리 후 시편표면에서의 잔류응력이 완전하게 제거되지는 않았지만 약 0±50MPa 로 가공에 의한 잔류응력이 현격하게 감소됨을 확인하였다.
5μm 정도의 매우 낮은 거칠기를 나타내었다. 또한 두 시편 모두 밀링시편과는 달리 연삭공구 및 방전와이어의 진행 방향과 같은 방향과 수직한 방향의 재료 절삭량이 비슷한 것으로 나타났다. 잔류응력이 미치는 깊이는 방전가공이 가장 작고 밀링, 연삭의 순서로 증가하였다.
밀링시편과 연삭시편은 가공방향과 평행한 평면(0°)의 표층으로부터 5μm 지점에서 각각 310Hv, 335Hv 의 최대값을 나타내었고 55μm 깊이에서는 각각 220Hv, 252Hv 이었으며 깊이가 더할수록 서서히 감소하여 255μm 이후에서는 200Hv 이하의 안정된 값을 나타내었다.
본 결과에 의하면 밀링에 의한 표면가공효과는 약 75μm 깊이 정도까지 잔류응력을 생성시키며 절삭방향에 따라 인장 또는 압축 잔류응력을 형성하는 것을알 수 있다.
연삭시편과 방전가공시편은 표면과 5μm 지점에서도 잔류응력측정이 가능하였으며 표면 거칠기를 측정한 결과 표면에서도 0.4~0.5μm 정도의 매우 낮은 거칠기를 나타내었다.
본 연구는 용접모형의 잔류응력해석 및 측정연구과정에서 해석값과 측정값 사이에 편차가 발생 하는 것을 발견하고 그 원인을 규명하기 위한 작업의 일환으로 수행되었다. 용접잔류응력해석에서는 용접과정만을 고려하고 기계가공효과는 고려하지 않는 반면, 용접시편은 제조과정에서 용접뿐만 아니라 기계가공작업이 수반되므로 이로 인해 해석결과와 측정결과 사이에 편차가 있을 수 있는 것으로 추정되었다. 이를 위해 원자력발전소의 배관 및 노즐재료로 널리 사용되는 TP 316L 오스테나이트 스테인리스강으로 시편을 제작하고 제작및 잔류응력측정 과정에 수반되는 기계작업을 부가하여 기계작업이 재료표면에 미치는 잔류응력의 영향을 평가하고자 하였다.
이의 확인을 위해 표면 거칠기를 측정하였으며 5μm 전해연마상태에서의 표면 거칠기(Ra)값이 커터진행방향으로는 2.72μm, 수직방향으로는 2.65μm 로 확인되었다(Fig. 5).
방전가공시편은 양 표면 모두 뚜렷한 가공경화현상이 관찰되지 않았다. 종합적으로 표면가공경화현상은 연삭의 경우가 가장 큰 것으로 나타났다. Figure 4 의 잔류응력분포와 비교해 볼 때, 잔류응력의 인장 또는 압축방향 여부와 관계없이 표면근처에서 높은 경도를 지시하는 것으로 보아 경도는 잔류응력의 크기에만 관계가 있는 것으로 추정된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	원자력발전소의 원자로, 증기발생기, 가압기 등주요 기기는 무엇으로 제작되는가?	원자력발전소의 원자로, 증기발생기, 가압기 등주요 기기는 구조용 탄소강으로 제작되고 이들 기기를 연결하는 배관은 배관용 스테인리스강 또는 탄소강으로 제작된다. 주기기와 배관 사이는 용접으로 연결되어 있다.
	TP 316L 스테인리스강에 대해 평판시편을 기계가공하여 각 가공방법이 재료의 표면잔류응력 및 경도에 미치는 영향과 열처리 효과를 실험한 결과는?	(1) 기계가공작업에 의해 재료표면에 잔류응력이 형성되며 잔류응력의 방향 및 잔류응력이 미치는 깊이는 가공방법에 따라 다른 양상을 나타낸다. (2) 밀링, 연삭 및 방전가공 중에서 가공잔류응력이 미치는 깊이는 방전가공이 가장 작고, 연삭이 가장 큰 것으로 확인되었다. 가공경화현상도 이와 유사한 경향을 나타내었다. (3) 경도는 잔류응력의 압축 또는 인장방향에는 관계없이 크기에만 상관성이 있는 것으로 나타났다. (4) 기계가공에 의해 형성된 잔류응력 및 가공 경화는 고용화 열처리를 통해 제거 또는 감소함이 확인되었다. (5) 용접잔류응력에 대한 해석결과를 엑스선회절법에 의한 측정결과와 비교할 경우는 표면가공 잔류응력의 영향을 고려해야 할 것으로 판단된다.
	일차수응력부식균열 발생 원인으로는 어떤 것이 있는가?	최근 주기기와 배관 사이의 용접부에서 일차수응력부식균열이 발생하고 있으며 이에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 일차수응력부식균열 발생 원인 중 하나로서 용접 중 발생하는 과도한 인장잔류응력이 지목되고 있으며 용접잔류응력을 정확하게 평가하기 위한 해석 및 측정에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다.(1~6)

참고문헌 (7)

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Kim., Y.J., Song, T.K., Bae, H.Y., Song, T.K., Bae, H.Y., Lee, K.S., Park, C.Y., Yang, J.S., Huh, N.S., Kim, J.U., Park, J.S., Song, M.S., Lee, S.K., Kim, J.S., Yu, S.C. and Chang, Y.S., 2009, “Assessment of Round Robin Analyses Results on Welding Residual Stress Prediction in a Nuclear Power Plant Nozzle,” Trans. of the KSME A 33 (1), pp. 72-81

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Ahluwalia, K. and King, C., 2007, “Review of Stress Corrosion Cracking of Alloy 182 and 82 in PWR Primary Water Service (MRP-220),” EPRI, October
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Parrish, G., 1977, “Influence of Microstructure on Properties of Case-Carburised Components,” Heat Treta. Met. Vol. 4, No. 2, pp. 45-54

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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