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문제 정의
- 이와 함께 튜브의 침탄 정도를 비파괴적으로 측정할 수 있는 침탄측정기를 이용한 분석도 함께 실시하였다. 이를 토대로 튜브 두께의 침탄 정도에 따른 금속학적, 기계학적 변화 추이에 대한 객관적인 자료를 확보하고, 소재의 침탄에 따른 건전성 평가 및 교체 주기설정 등의 설비 운용에 적용할 수 있는 비교 자료를 제시하고자 한다.
제안 방법
- BSE 이미지만으로 본 시료 내에 존재 가능한 크롬 탄화물들에 대한 식별이 불가능하므로 EBSD 관찰을 수행하였다. Fig.
- 위의 광학만으로 구별이 어려운 탄화물상들을 식별하기 위해 아울러 BSE(Back-scattered electron) 관찰을 행하였으며, JEOL (Japan)사의 JXA 8800R이 이용되었다. EBSD(Electron Back-scattered Diffraction) 이미지를 통하여 침탄정도에 따라 각 시료에 존재하는 상(phase)들을 식별하고, 크롬 탄화물의 분포 및 침탄깊이를 확인하였다. 미세조직 관찰을 위해 1 µm 다이아몬드 연마제로 연마 후, 0.
- type steel의 일종인 KHR-45A강에 대하여 침탄정도가 다른 튜브시편을 확보하여 침탄정도에 따른 금속학적 미세구조 변화 및 탄화물의 화학적 조성 변화, 체적 분률 등을 비교·분석하였다.
- 침탄정도에 따른 크롬 탄화물의 부피분율 측정은 ASTM E562 Standard 방법에 의하였다. 마이크로 비커스 경도 측정은 침탄된 부위와 비 침탄 부위의 기계적 강도를 비교하는 데 이용하였다. 경도 측정시 하중은 500 gf이였으며, 가압시간은 20초로 실험을 하였다.
- 미세조직 관찰을 위해 1 µm 다이아몬드 연마제로 연마 후, 0.05 µm 콜로이드 실리카로 1 시간동안 최종 연마함으로써 EBSD 이미지를 관찰하였다.
- 1과 같이 나선형으로 용접 비드(Weldment bid)를 형성시켜 제작한다. 샘플의 침탄정도는 튜브로부터 제거되기 전에 비파괴적인 자속밀도를 측정하여 결정하였다. 자속 밀도 측정기(침탄 측정기)는 일본 Kuboda 사에서 제작한 KCD 100X를 사용하였다.
- + 15 ml glycerin)을 사용하였다. 위의 광학만으로 구별이 어려운 탄화물상들을 식별하기 위해 아울러 BSE(Back-scattered electron) 관찰을 행하였으며, JEOL (Japan)사의 JXA 8800R이 이용되었다. EBSD(Electron Back-scattered Diffraction) 이미지를 통하여 침탄정도에 따라 각 시료에 존재하는 상(phase)들을 식별하고, 크롬 탄화물의 분포 및 침탄깊이를 확인하였다.
- type steel의 일종인 KHR-45A강에 대하여 침탄정도가 다른 튜브시편을 확보하여 침탄정도에 따른 금속학적 미세구조 변화 및 탄화물의 화학적 조성 변화, 체적 분률 등을 비교·분석하였다. 이와 함께 튜브의 침탄 정도를 비파괴적으로 측정할 수 있는 침탄측정기를 이용한 분석도 함께 실시하였다. 이를 토대로 튜브 두께의 침탄 정도에 따른 금속학적, 기계학적 변화 추이에 대한 객관적인 자료를 확보하고, 소재의 침탄에 따른 건전성 평가 및 교체 주기설정 등의 설비 운용에 적용할 수 있는 비교 자료를 제시하고자 한다.
- 튜브의 외각 부분(비 침탄지역)은 M23C6 탄화물이 관찰되며, 내부(침탄지역)로 이동함에 따라 M7C3 탄화물이 관찰된다. 즉, 외각부위에서 내부의 침탄영역으로 이동함에 따라 탄화물은 M23C6 탄화물로부터 M7C3 탄화물로의 전이하며, 천이영역의 위치는 침탄정도에 따라 다름을 확인하였다.
대상 데이터
- 샘플의 침탄정도는 튜브로부터 제거되기 전에 비파괴적인 자속밀도를 측정하여 결정하였다. 자속 밀도 측정기(침탄 측정기)는 일본 Kuboda 사에서 제작한 KCD 100X를 사용하였다. 샘플의 사용시간은 대략 30,000 시간이었다.
- 침탄특성 평가에 사용된 소재는 MERT Type HP강이며, MERT는 Mixing element radiation tube의 약자로 튜브 내부의 유체의 mixing 능력을 향상시키기 위해 Kuboda에서 개발되었다. 적용소재는 KHR45A 튜브이며, 내부에 Fig. 1과 같이 나선형으로 용접 비드(Weldment bid)를 형성시켜 제작한다. 샘플의 침탄정도는 튜브로부터 제거되기 전에 비파괴적인 자속밀도를 측정하여 결정하였다.
- 튜브에 침탄정도에 따른 거시적인 조직 및 미세조직 변화를 관찰하기 위하여 각각 Marble's reagent(10 g CuSO4+ 50 ml HCl + 50 ml H2O)과 Glyceregia(15 ml HCl + 5 ml HNO3+ 15 ml glycerin)을 사용하였다.
이론/모형
- 침탄정도에 따른 크롬 탄화물의 부피분율 측정은 ASTM E562 Standard 방법에 의하였다. 마이크로 비커스 경도 측정은 침탄된 부위와 비 침탄 부위의 기계적 강도를 비교하는 데 이용하였다.
성능/효과
- 1) 침탄이 진행됨에 따라 크롬 탄화물의 조대화가 관찰되었으며, 조대화 된 영역이 튜브의 내부에서 외부로 이동되는 것을 확인할 수 있었다.
- 2) 전체적인 크롬 함량은 일정한 반면, 기지의 크롬 함량은 외부로부터 내부로 이동함에 따라 현저히 감소하였다. 침탄된 튜브의 자화는 오스테나이트 기지의 크롬의 겹핍에 의한 것으로 확인되었다.
- 3) BSE 이미지 관찰 결과, 내부(침탄된 지역)의 탄화물의 크기가 외부(비 침탄지역의 탄화물)보다 조대함을 관찰하였다.
- 4) EBSD 측정결과로부터 침탄정도가 클수록 Cr-rich M23C6 탄화물에서 Cr-rich M7C3 탄화물로 변화됨을 확인할 수 있었다.
- 5) 튜브의 내부로 들어갈수록 크롬 탄화물의 부피분율은 증가하였고, 침탄량이 증가함에 따라 크롬 탄화물의 증가 속도가 상대적으로 더 컸다. 크롬 탄화물의 부피분율 증가 속도와 자속밀도 측정치(침탄 측정기)는 대략적인 선형성을 나타내었다.
- 6) 튜브의 단면에서 외부로부터 내부로 이동 할수록 경도 값이 증가하였으며, 침탄깊이가 클수록 경도 값의 증가가 내부에서 외부로 천이되는 것을 확인할 수 있었다. 경도 측정을 통해 확인된 침탄 경화층의 깊이도 각 시편의 침탄 영역와 유사함을 확인하였다.
- 5(a), (b)에서 검은색의 탄화물은 크롬 탄화물이었으며(영역 ②), 회색의 탄화물은 니오븀 탄화물로 확인되었고(영역 ①), 영역 ③은 침탄지역의 기지(matrix), 영역④는 비 침탄지역의 기지(matrix)로 각각 확인되었다. 침탄된 영역의 탄화물의 크기가 비 침탄영역의 탄화물보다 조대하였으며, 침탄지역의 크롬함량이 비 침탄지역의 크롬함량보다 현저하게 감소함을 확인하였다. 이것은 오스테나이트 기지가 상자성에서 왜 강자성체가 되는 지를 설명하여 준다.
- 8에 마이크로 비커스 경도 측정을 통하여 침탄지역과 비 침탄지역의 경도 값을 비교한 것이다. 튜브의 단면에서 외부로부터 내부로 이동 할수록 경도 값이 증가하였으며, 침탄깊이가 클수록 경도 값의 증가가 내부에서 외부로 천이되는 것을 확인할 수 있었다.
- 7에 나타내었다. 튜브의 단면에서 외부로부터 내부로 이동 할수록 크롬 탄화물의 부피분율은 증가하였고, 침탄측정값이 큰 시편일수록 크롬 탄화물의 부피분율이 더 빠르게 증가함을 확인하였다. 이는 크롬탄화물의 부피 분율 증가로 인해 오스테나이트 기지의 크롬 결핍을 야기하여 침탄 영역이 자화가 되는 현상과 부합한다.
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