[논문]오스테나이트계 STS 304강의 해수 내 전기화학적 특성에 미치는 캐비테이션의 영향

김성종; 이승준; 정상옥

doi:10.5916/jkosme.2013.37.5.484

오스테나이트계 STS 304강의 해수 내 전기화학적 특성에 미치는 캐비테이션의 영향
Effect of cavitation for electrochemical characteristics in seawater for austenitic 304 stainless steel 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.37 no.5, 2013년, pp.484 - 492

김성종 (Division of marine engineering, Mokpo national maritime university) , 이승준 (Division of marine engineering, Mokpo national maritime university) , 정상옥 (Division of marine engineering, Mokpo national maritime university)

초록
AI-Helper

세계 각국은 산업 고도화에 따라 해수환경에 내식성, 내마모성을 갖는 재료에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 특히 표면이 미려하고 내식성이 강한 스테인리스강은 선박, 해양 플랜트 및 조류발전 등 다양한 산업분야에 널리 사용되고 있다. 그러나 해양환경에서 $Cl^-$ 이온에 의한 부식 손상과 고속회전에 따라 캐비테이션 손상이 발생하기 쉽다. 따라서 이 연구에서는 해수 내 빠른 유속 환경에 사용되는 304 스테인리스강에 대해 캐비테이션 침식-부식실험을 실시하여 외부 조건이 스테인리스강의 내식성에 미치는 영향을 종합 분석하였다. 캐비테이션이 발생된 조건에서 워터캐비테이션 피닝효과에 의한 시험편 내에 압축잔류응력 형성으로 높은 경도를 나타냈으나, 물리적 충격으로 인한 산화피막 파괴로 동전위 분극 실험에서는 높은 전류밀도를 나타냈다. 따라서 해수 내 캐비테이션에 대한 저항성을 향상시키기 위해서는 전기화학적 특성뿐만 아니라 기계적 특성도 복합적으로 고려한 재료의 선택이 필요하다.

Abstract ▼ AI-Helper

With the industrial acceleration in a lot of countries of the world, the demand for anti-corrosion and anti-abrasion material increases continuously. Particularly, stainless steel with the fine surface and excellent corrosion resistance is widely used in various industrial fields including ship, offshore structures tidal power plant, and etc. In marine environment, however, it is easy to generate by the corrosion damage by $Cl^-$ ion and cavitation damage due to high rotation speed on stainless steel. Therefore, in this research, the cavitation erosion-corrosion test (Hybrid test) was performed for 304 stainless steel specimen used in the high flow rate seawater environment. And the cavitation damage behavior in the corrosive environment was analyzed overall. The high hardness was shown due to the formation of compressive residual stress by the water cavitation peening effect in cavitation condition. However, high current density in the potentiodynamic polarization experiment presented with the breakdown of the passive film caused by physical impact. Therefore, both electrochemical characteristics and mechanical properties must be taken into account to improve the cavitation resistance in seawater.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 연구에서는 304 스테인리스강을 선정하여 캐비테이션 장비로 구현한 외부 조건 이 스테인리스강의 내식성에 미치는 영향을 종합 분석하였다.

제안 방법

0V까지 2mV/s의 주사속도로 실시하였다. 또한 분극 실험 후 마이크로 비커스 경도기를 사용하여 하중 100gf로 5초 동안 인가하여 표면경도를 측정하였으며, ±0.25V의 범위에서 분극 실험 후 타펠 분석을 실시하여 부식전위와 부식전류밀도를 구하였다. 그리고 실험 후 손상정도를 미시적으로 분석/평가하기 위하여 주사전자현미경과 2D, 3D 현미경을 통해 표면의 손상 거동을 측정하여 상호 비교, 분석하였다.
또한 진폭은 정진폭 자동제어 방식을 통해 30㎛로 일정하게 하였으며, 캐비테이션 혼 팁 (horn tip)과 시편 간 거리는 1mm를 유지하여 실험을 진행하였다[18]. 자연전위 측정은 46,800초(13시간) 동안 시편을 해수 속에 침지시켜 전위를 관찰하였으며, 동전위 양분극과 음분극 실험은 개로전위에서 각각 +3.0V, -2.0V까지 2mV/s의 주사속도로 실시하였다. 또한 분극 실험 후 마이크로 비커스 경도기를 사용하여 하중 100gf로 5초 동안 인가하여 표면경도를 측정하였으며, ±0.

대상 데이터

본 연구에서는 오스테나이트계 304 스테인리스강(이하 STS 304)을 사용하여 천연 해수 환경하에서 캐비테이션 조건에 따른 전기화학적 실험을 실시하였다[13]-[17]. Table 1은 STS 304의 화학적 조성을, 그리고 Figure 1은 캐비테이션 환경하에서 전기화학적 실험을 위한 모식도를 나타냈다.

데이터처리

25V의 범위에서 분극 실험 후 타펠 분석을 실시하여 부식전위와 부식전류밀도를 구하였다. 그리고 실험 후 손상정도를 미시적으로 분석/평가하기 위하여 주사전자현미경과 2D, 3D 현미경을 통해 표면의 손상 거동을 측정하여 상호 비교, 분석하였다.

이론/모형

포텐쇼/갈바노스태트(Potentistatic / Galvanostat) 장비를 사용하여 작동전극(STS 304), 기준전극(Ag/AgCl) 그리고 대극(platinum) 으로 전기화학 셀을 구성하였으며, 수조는 전기 화학적 부식의 영향을 피하기 위해 아크릴로 제작하였다. 캐비테이션 실험은 압전 효과 (piezoelectric)를 이용한 진동발생 장치를 사용하여 대향형 진동법으로 실시하였다. 이는 60Hz, 220V의 전력이 전자회로를 거쳐 20KHz의 정격출력을 발생시켜 진동자에 공급하는 역할을 한다.

성능/효과

(1) 자연전위 측정 결과, 물리적 충격으로 인한 부동태 피막 파괴와 압축잔류응력 발생으로 인하여 캐비테이션 조건이 정적인 조건에 비해 낮은 전위를 나타냈다.
(2) 동전위 분극실험 결과, 양분극 곡선에서는 공식전위 이상에서 정적인 조건이, 음분극 곡선에서는 모든 구간에서 캐비테이션 조건이 높은 전류밀도를 나타냈다.
(3) 경도 측정 결과, 워터캐비테이션 피닝 효과에 의해 압축잔류응력이 형성되어 캐비테이션 조건에서 높은 경도를 나타냈으며, 이로 인해 재료의 손상에 대한 저항성 향상으로 국부부식 발생을 감소시킬 것으로 판단된다.
(4) 타펠 분석 결과, 캐비테이션 조건에서 물리적 침식과 부식이 중첩해서 발생하여 정적인 조건에 비해 현저히 높은 부식전류밀도를 나타냈다.
캐비테이션 조건에서는 정적인 조건보다 약 13배 높은 부식전류밀도 값을 나타냈다. 결과적으로 캐비테이션 침식과 부식이 중첩해서 발생할 때 부식속도가 현저히 증가하는 것을 알 수 있다. 이와 같이 해수환경에서 동일한 전기화학적 실험 시 캐비테이션 유무에 따라 부식속도의 차이가 크게 나타난 이유는 캐비티 붕괴 시 발생된 충격압이 부동태 피막 제거를 용이하게 하여 재료에 직접적인 손상을 일으키기 때문으로 판단된다.

후속연구

결과적으로 해수 내 캐비테이션에 대한 저항성을 향상시키기 위해서는 전기화학적 특성뿐만 아니라 기계적 특성도 복합적으로 고려하여야 한다. 또한 캐비테이션 손상을 억제하기 위해서는 저항성이 높은 합금을 사용하거나, 구조적인 재설계를 통해 유동 특성을 개선함으로써 캐비티 발생을 미연에 방지해야 할 것으로 사료된다.
결과적으로 해수 내 캐비테이션에 대한 저항성을 향상시키기 위해서는 전기화학적 특성뿐만 아니라 기계적 특성도 복합적으로 고려하여야 한다. 또한 캐비테이션 손상을 억제하기 위해서는 저항성이 높은 합금을 사용하거나, 구조적인 재설계를 통해 유동 특성을 개선함으로써 캐비티 발생을 미연에 방지해야 할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스테인리스강의 특징은?	이는 가혹한 부식 환경에서도 견딜 수 있는 다양한 금속합 금이 개발되었기 때문에 가능한 일이다. 특히 스테인리스강은 철의 최대 단점인 부식특성을 개선한 합금으로, 내식성과 내마모성이 우수하 다. 또한 금속 자체의 광택으로 미려한 외관은 물론 강도도 우수하여 해마다 수요가 증가하고 있으며 그 적용범위도 확대되고 있다.
	전기 화학적 부식의 영향을 피하기 위해 제작된 수조의 재료는?	Table 1은 STS 304의 화학적 조성을, 그리고 Figure 1은 캐비테이션 환경하에서 전기화학적 실험을 위한 모식도를 나타냈다.포텐쇼/갈바노스태트(Potentistatic / Galvanostat) 장비를 사용하여 작동전극(STS 304), 기준전극(Ag/AgCl) 그리고 대극(platinum) 으로 전기화학 셀을 구성하였으며, 수조는 전기 화학적 부식의 영향을 피하기 위해 아크릴로 제작하였다. 캐비테이션 실험은 압전 효과 (piezoelectric)를 이용한 진동발생 장치를 사용하 여 대향형 진동법으로 실시하였다.

참고문헌 (27)

G. Okamoto, "Passive film of 18-8 stainless steel structure and its function," Corrosion Science, vol. 13, no. 6, pp. 471-479, 1973.

상세보기
T. Momma and A. Lichtarowicz, "A study of pressure and erosion produced by collapsing cavitation," Wear, vol. 186-187, pp. 425-436, 1995.

상세보기
M. K. Lee, S. M. Hong, G. H. Kim, and C. K. Rhee, "Investigation of the impact load and erosive pit damage on the SUS316 and 8.8Al-bronze alloys by cavitation bubble collapse," Journal of the Korean institute of metals and materials, vol. 44, no. 5, pp. 350-358, 2006.
A. J. Sedriks, Corrosion of stainless steels, New York, Wiley-Interscience, 1996.
D. A. Jones, Principles and Prevention of Corrosion, 2ed., Prentice Hall, 1996.
I. R. Jones and D. H. Edward., "An experimental study of forces generated by the collapse of transient cavities in water," Journal of Fluid Mechanics, vol. 7, pp. 596-609, 1960.

상세보기
A. Karabenciov, A. D. Jurchela, I. Bordeassu, M. Popoviciu, N. Biraau, and A. Lustyan, "Considerations upon the cavitation erosion resistance of stainless steel with variable chromium and nickel content," Earth and Environmental Science, vol. 12, no. 1, 012036, 2010. [Online] Available: http://iopscience.iop.org/1755-1315/12/1/012036

상세보기
G. Bregliozzi, A. D. Schino, S. I. U. Ahmed, J. M. Kenny, and H. Haefke, "Cavitation wear behaviour of austenitic stainless steels with different grain sizes," Wear, vol. 258, pp. 503- 510, 2005.

상세보기
A. Al-Hashem and W. Riad, "The effect of duplex stainless steel microstructure on its cavitation morphology in seawater," Materials Characterization, vol. 47, pp. 389-395, 2001.

상세보기
R. J. K. Wood and S. A. Fry, "The synergistic effect or cavitation erosion and corrosion for Copper and Cupro-Nickel in seawater," Transaction of the The American Society of Mechanical Engineers, vol. 111, pp. 271-277, 1989.
M. S. Han, S. J. Lee, S. K. Jang, and S. J. Kim, "Electrochemical and cavitation characteristics of Al thermal spray coating with F-Si sealing," Corrosion Science and Technology, vol. 9, no. 6, pp. 317-324, 2010.
S. J. Kim and S. J. Lee, "Investigation on electrochemical and cavitation characteristics of rudder materials for ship in sea water," Corrosion Science and Technology, vol. 10, no. 3, pp. 101-107, 2011.
S. J. Kim, K. Y. Hyun, and S. K. Jang, "Effects of water cavitation peening on electrochemical characteristic by using micro-droplet cell of Al-Mg alloy," Current Applied Physics, vol. 12, pp. S24-S30, 2012.

상세보기
S. L. Coleman, V. D. Scott, B. McEnaney, B. Angell, and K. R. Stokes, "Comparison of tunnel and jet methods for cavitation erosion testing," Wear, vol. 184, no. 1, pp. 73-81, 1995.

상세보기
C. H Tang, F. T Cheng, and H. C Man, "Effect of laser surface melting on the corrosion and cavitation erosion behaviors of a manganese-nickel-aluminium bronze," Materials Science and Engineering: A, vol. 373, no. 1-2, pp. 195-203, 2004.

상세보기
J. S. M. Rusby, "The onset of sound wave distortion and cavitation in water and sea water," Ultrasonics, vol. 9, no. 2, p. 124, 1971.

상세보기
Y. G. Zheng, S. Z. Luo, W. Ke, "Cavitation erosion-corrosion behaviour of CrMnB stainless overlay and Cr13Ni5Mo stainless steel in 0.5 M NaCl and 0.5 M HCl solutions," Tribology International, vol. 41, no. 12, pp. 1181-1189, 2008.

상세보기
Annual book of ASTM standards G32-92," U.S., 1992.
Y. C. Lin and S. C. Chen, "Effect of residual stress on thermal fatigue in a type 420 martensitic stainless steel weldment," Journal of Materials Processing Technology, vol. 138, no. 1-3, pp. 22-27, 2003.

상세보기
M. G. Fontana, Corrosion Engineering, 3ed., New York, McGraw-Hill Book Company, 1986.
Y. Zheng, S. Luo and W. Ke, "Effect of passivity on electrochemical corrosion behavior of alloys during cavitation in aqueous solutions," Wear, vol. 262, pp. 1308-1314, 2007.

상세보기
P. Lacombe, B. Baroux, and G. Beranger, Stainless steels, Les Ulis, France: Les Editions de Physique, 1993.
S. J. Kim and K. Y. Hyun, "Investigation on surface hardening and corrosion characteristics by water cavitation peening with time for Al 5052-O alloy," Corrosion Science and Technology, vol. 11, no. 4, pp. 151-156, 2012.

원문보기 상세보기
S. J. Lee and S. J. Kim, "Investigation on potentiostatic corrosion protection technology with cavitation condition for 5083-H116 Al alloy," Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2012, Submitted.
Y. Yamauchi, H. Soyama, Y. Adachi, K. Sato, T. Shindo, R. Oba, R. Oshima, and M. Yanabe, "The suitable region of high-speed submerged water-jets for cutting and peening," Journal of The Japan Society of Mechanical Engineers, vol. 59, no. 557, pp. 16-22, 1993.

상세보기
K. Hirano, K. Enomoto, E. Hayashi, and K. Kurosawa, "Effect of water jet peening on corrosion resistance and fatigue strength of type 304 stainless steel," Journal of Journal of the Society of Materials Science, Japan, vol. 45, no. 7, pp. 740-745, 1996.

상세보기
H. Soyama, Y. Yamauchi, T. Ikohagi, R. Oba, K. Sato, T. Shindo, and R. Oshima, "Marked peening effects by high speed submerged water jets," Journal of Jet Flow Engineering, vol. 13, no. 1, pp. 25-32, 1996.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증