[논문]11 wt% 크롬이 함유된 Ti 첨가 페라이트스테인리스강의 입계부식에 미치는 규소의 영향

현영민; 김희산

doi:10.14773/cst.2013.12.6.265

11 wt% 크롬이 함유된 Ti 첨가 페라이트스테인리스강의 입계부식에 미치는 규소의 영향
Effect of Silicon on Intergranular Corrosion Resistance of Ti-stabilized 11 wt% Cr Ferritic Stainless Steels 원문보기

Corrosion science and technology, v.12 no.6, 2013년, pp.265 - 273

Abstract ▼ AI-Helper

Ti-stabilized 11 wt% Cr ferritic stainless steels (FSSs) for automotive exhaust systems have been experienced intergranular corrosion (IC) in some heat-affected zone (HAZ). The effects of sensitizing heat-treatment and silicon on IC were studied. Time-Temperature-Sensitization (TTS) curves showed that sensitization to IC was observed at the steels heat-treated at the temperature lower than $650^{\circ}C$ and that silicon improved IC resistance. The sensitization was explained by chromium depletion theory, where chromium is depleted by precipitation of chromium carbide during sensitizing heat-treatment. It was confirmed with the results from the analysis of precipitates as well as the thermodynamical prediction of stable phases. In addition, the role of silicon on IC was explained with the stabilization of grain boundary. In other words, silicon promoted the formation of the grain boundaries with low energy where precipitation was suppressed and consequently, the formation of Cr-depleted zone was retarded. The effect of silicon on the formation of grain boundaries with low energy was proved by the analysis of coincidence site lattice (CSL) grain boundary, which is a typical grain boundary with low energy.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

후자는 SPECTRO사의 유도결합 플라즈마 방출분광 분석기 (inductively coupled plasma- atomic spectro meter: ICP-AES)를 이용하여 석출물에 함유된 크롬, 규소, 알루미늄을 정량 분석하였다. ICP-AES 분석을 위해 10 wt% 테트라메틸암모늄(tetramethyl ammonium)이 함유된 아세틸프로피오닐 (pentanedione) 용액에서 기지만 선택적으로 용해시켜 석출물을 분리시켰다. 분리된 석출물을 Na₂CO₃ 및 H₃BO₃와 섞어 열처리를 통하여 용융시킨 이후 최종적으로 염산 용액에 용해시켰다.
Table 2에 표시된 조성을 지닌 4종의 type 409L강판을 가로와 세로 각각 2 cm 와 5 cm 크기로 가공하여, 탈지, 세척 및 건조를 시킨 후 진공 분위기의 quartz관에 삽입하고 봉합하였다. Heat affected zone (HAZ)을 모사하기 위하여 봉합된 유리관을 1200 ℃에서 30분동안 균질화 열처리 한 후 수냉을 시켰다.
Thermo_Calc사의 상 평형 프로그램(TCC S-ver.)과 TCFE3 열역학 database를 이용하여 Table 2에 나타난 alloy no 1의 합금 성분에 대하여 온도에 따른 평형상의 종류 및 몰 분율 그리고 각 평형상을 구성하는 성분들의 농도를 예측하였다.
본 연구에서는 위의 목적을 위해 안정화 원소인 티타늄 그리고 미세합금 원소(황, 인, 망간, 규소)에 따른 11 wt% 크롬 스테인리스강의 입계부식 저항성을 평가하고자 침지 실험(modified Strauss test)을 실시하였고, 입계부식 저항성의 변화 원인을 밝히고자 TEM-EDS및 inductively coupled plasma (ICP)를 이용하여 석출물을 분석하였으며, 마지막으로 결정립계 에너지의 의존성을 평가하기 위해 coincidence site lattice (CSL) 모델을 적용하여 electron backscatter diffraction (EBSD) 분석을 실시하였다.
5 wt% H₂SO₄)이 사용되었다. 비등 온도에서 9시간 유지 시킨 후 입계부식저항성의 평가를 위하여 시편 표면에 잔류하고 있는 구리 금속과 산화스케일은 각각 60℃에서 20 wt% 질산용액과 60 ℃에서 1 wt% 불산이 포함된 20 wt% 질산용액을 이용하여 순차적으로 제거시켰다. 본 연구에서는 Table 3에 나타난 기준에 따라 3이상의 등급을 가진 시편은 입계부식에“예민화”된 것으로⁷⁾ 판정하였다.
여기서, S 값이 29이하인 결정립계를 “ordered boundary”로 정하고¹⁶⁾ CLS 결정립계로 명명하였다. 시편을 60 wt% HNO₃용액으로 최종 전해 연마한 후 0.45 cm²의 시편 면적에 대하여 EBSD 분석을 실시하였다. 또한 입계부식과 결정립계 에너지와의 상관성을 확인하기 위하여 상대적으로 짧은 시간 (1.
균질화 열처리된 시편을 진공 quartz 유리관을 이용하여 진공 분위기에서 예민화 열처리 후 수냉을 시켰다. 예민화 열처리 온도는 400 ℃와 800 ℃사이에서 50 ℃간격으로, 유지시간은 각 열처리 온도에서 0.3, 3, 30, 300 hours로 정하였다. 열처리된 시편의 부식 실험 및 분석을 위해 표면에서 두께 방향으로 약 0.
석출물은 두 가지 방법으로 분석 되었다. 전자는 replica 방법을 이용하여 석출물을 축출한 이후 Philips사의 trans- mission electron microscopy (CM-200)에 부착된 energy dispersive spectroscopy (EDS)를 이용하여 분석하였다. 후자는 SPECTRO사의 유도결합 플라즈마 방출분광 분석기 (inductively coupled plasma- atomic spectro meter: ICP-AES)를 이용하여 석출물에 함유된 크롬, 규소, 알루미늄을 정량 분석하였다.
5시간) 동안 modified Strauss test를 실시하였다. 침지 전후 동일 위치에서 EBSD 분석을 수행하기 위하여 전해 연마 후 미소경도계를 이용하여 시편 표면에 분석 위치를 표시하였다.
침지실험, 석출물 거동 분석 그리고 EBSD를 이용한 CSL 결정립계 조사를 통하여 Ti-stabilized type 409L강의 입계부식의 원인 및 입계부식저항성에 미치는 규소의 영향에 대하여 다음과 같은 결론을 도출하였다:
전자는 replica 방법을 이용하여 석출물을 축출한 이후 Philips사의 trans- mission electron microscopy (CM-200)에 부착된 energy dispersive spectroscopy (EDS)를 이용하여 분석하였다. 후자는 SPECTRO사의 유도결합 플라즈마 방출분광 분석기 (inductively coupled plasma- atomic spectro meter: ICP-AES)를 이용하여 석출물에 함유된 크롬, 규소, 알루미늄을 정량 분석하였다. ICP-AES 분석을 위해 10 wt% 테트라메틸암모늄(tetramethyl ammonium)이 함유된 아세틸프로피오닐 (pentanedione) 용액에서 기지만 선택적으로 용해시켜 석출물을 분리시켰다.

대상 데이터

가 사용되었다. 이를 위해 SiC #1200으로 최종 연마 후 12시간 경과된 시편이 구리 볼(약 360 g)과 접촉된 상태에서 구리 볼과 시편 모두가 황산 구리 용액에 충분히 잠기도록 약 350 mL의 황산 구리 용액(6 wt% CuSO₄ + 0.5 wt% H₂SO₄)이 사용되었다. 비등 온도에서 9시간 유지 시킨 후 입계부식저항성의 평가를 위하여 시편 표면에 잔류하고 있는 구리 금속과 산화스케일은 각각 60℃에서 20 wt% 질산용액과 60 ℃에서 1 wt% 불산이 포함된 20 wt% 질산용액을 이용하여 순차적으로 제거시켰다.

데이터처리

Electron backscatter diffraction (EBSD)를 이용하여 coincidence site lattices (CSL)를 지닌 결정립계의 빈번도를 측정하기 위하여 Bruker사의 EBSD(e-Flash^HR)와 EDS (XFlash)가 부착된 Hitachi 사의 SEM(S-4300SE) 그리고 CLS 분석용 프로그램으로 Bruker사의 Esprit software (version 1.9.4)이 사용되었다. 여기서, S 값이 29이하인 결정립계를 “ordered boundary”로 정하고¹⁶⁾ CLS 결정립계로 명명하였다.
45 cm²의 시편 면적에 대하여 EBSD 분석을 실시하였다. 또한 입계부식과 결정립계 에너지와의 상관성을 확인하기 위하여 상대적으로 짧은 시간 (1.5시간) 동안 modified Strauss test를 실시하였다. 침지 전후 동일 위치에서 EBSD 분석을 수행하기 위하여 전해 연마 후 미소경도계를 이용하여 시편 표면에 분석 위치를 표시하였다.

이론/모형

침지를 통한 입계부식저항성을 평가하기 위하여 modified Strauss test^18,19)가 사용되었다. 이를 위해 SiC #1200으로 최종 연마 후 12시간 경과된 시편이 구리 볼(약 360 g)과 접촉된 상태에서 구리 볼과 시편 모두가 황산 구리 용액에 충분히 잠기도록 약 350 mL의 황산 구리 용액(6 wt% CuSO₄ + 0.

성능/효과

1. Ti-stabilized type 409L강은 700℃ 이상의 온도에서 열처리에 의해 예민화되지 않은 반면, 400 ~ 650℃의 온도에서 열처리에 의해 예민화가 발생되었다.
3. EBSD를 이용한 CSL 분율 측정 결과로부터 규소가 균질화 열처리 동안 상대적으로 결정립계를 안정화시켜 크롬 함유 탄화물의 석출을 억제시킴에 따라 입계부식저항성이 향상됨을 알 수 있었다. 그러나 균질화 열처리에 의해결정립이 성장하는 동안 결정립계 안정화에 미치는 규소의 영향이 규명되지 않았으므로 이에 추가적인 연구가 필요하다.
1-(b) ~그림 1-(d)는 그림 1-(a)처럼 다른 실험재의 예민화 거동도 alloy no 1와 유사함을 나타내었다. 그러나 입계부식저항성 측면에서 보면 alloy no 1은 alloy no 2과 유사하였고 alloy no3은 alloy no 4과 유사하였지만 전자에 속한 실험재가 후자에 비해 입계부식저항성이 우수함을 보였다. Table 2에 나타난 바와 같이 안정화 비뿐만 아니라 탄소 및 질소의 농도가 유사하여 실험재간 입계부식 저항성의 차이를 단순히 크롬 고갈층의 형성과 관련있는 석출물의 석출속도로 설명하기는 어렵다.
3, 3, 30, 300 hours로 정하였다. 열처리된 시편의 부식 실험 및 분석을 위해 표면에서 두께 방향으로 약 0.1 mm제거하여 열처리에 의해 야기될 수 있는 표면 오염의 영향을 최소화하였다.

후속연구

EBSD를 이용한 CSL 분율 측정 결과로부터 규소가 균질화 열처리 동안 상대적으로 결정립계를 안정화시켜 크롬 함유 탄화물의 석출을 억제시킴에 따라 입계부식저항성이 향상됨을 알 수 있었다. 그러나 균질화 열처리에 의해결정립이 성장하는 동안 결정립계 안정화에 미치는 규소의 영향이 규명되지 않았으므로 이에 추가적인 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Ti-stabilized type 409L강에서 티타늄이 과잉 첨가될 경우 어떤 특성이 생기는가?	단지 앞의 경우와 차이점은 후자의 경우 크롬 고갈층이 크롬 탄화물에 의한 것이 아니라는 점이다. 또한 이들은7,8) 티타늄이 과잉 첨가 시 Ti-stabilized type 409L강의 입계부식저항성이 오히려 저하됨을 주장한다. 크롬고갈층이론 이외에 입계에 편석된 인과 황의 우선적 용해를 입계부식의 기구로 설명하기도 하지만 이들에 의한 입계부식 변화 정도는 미비하다9,10) .
	스테인리스강의 입계부식을 억제하기 위한 방안으로 첨가되는 것은?	개발된 스테인리스강 중에서 높은 경제성과 요구 수준이상의 내식성을 지닌 11 wt% 크롬을 함유하는 type 409L이 머플러 재료로 현재 가장 많이 사용되고 있다. 스테인리스강의 입계부식은 크롬 탄화물에 의해 야기된 크롬 고갈층의 형성6) 에 의해 발생되므로 입계부식을 억제하기 위한 방안으로 안정화 원소(Ti, Nb)가 첨가된다. 그러나 Table 1에서 제시된 티타늄 양보다 많은 티타늄이 첨가되었음에도 불구하고 type 409L 강에서 관찰되는 입계 부식도 크롬고갈층이론으로7,8) 설명되었다.
	입계부식저항성이 결정립계 에너지에 의존하는 이유는?	최근에는 입계부식저항성이 결정립계 에너지에도 의존됨을 보였다. 11-16) 이 의존성은 결정립계 에너지에 따라 크롬 고갈층의 형성에 영향을 미치는 석출물의 석출 속도가 변하기 때문이다. 14-16) 그러나 이 결과는 강산화분위기에 노출된 스테인리스강에서 관찰된 입계부식 기구와는17) 다른 것이다.

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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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