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문제 정의
- 본 연구에서는 316 스테인레스강의 고온특성을 평가하여 내열 밸브 부품의 개발을 위한 기반 특성을 확보하고자 한다. 특히, 316 스테인레스강의 강도특성에 미치는 열충격 온도 차이와 열충격 반복수의 영향을 조사하였다.
- 본 연구에서는 내열 밸브의 재료로 사용되는 316 스테인레스강의 열충격 특성을 평가하였다. 특히, 316 스테인레스강의 굽힘강도와 미세조직에 미치는 열충격 온도차이와 열충격 반복수의 영향에 대하여 조사하였다.
- 열충격에 의한 316 스테인레스강의 강도특성을 평가하기 위하여 열충격 후 상온에서 3점 굽힘시험을 실시하였다. 특히, 열충격 온도와 열충격 반복수의 변화가 굽힘강도에 미치는 영향을 조사하였다. 굽힘시험에 사용한 시험편은 열충격 시험에 이용한 것과 동일하게 하였다.
제안 방법
- 316 스테인레스강의 기초 데이터 확보를 위하여 광학현미경을 사용하여 미세조직을 관찰하였다. 특히, 열충격 온도차이 및 열충격 반복수의 증가에 따른 미세조직을 관찰하였다.
- 굽힘시험에 사용한 시험편은 열충격 시험에 이용한 것과 동일하게 하였다. 굽힘강도는 열충격을 부하한 3개의 시험편을 채취하여 조사하였다. 특히, 반복 열충격에 의한 굽힘강도는 설정한 시험온도에서 20회의 반복 주기로 평가하였다.
- 특히, 316 스테인레스강의 강도특성에 미치는 열충격 온도 차이와 열충격 반복수의 영향을 조사하였다. 또한 반복 열충격에 의한 316 스테인레스강의 미세조직의 변화를 분석하여 강도특성과의 상관성을 조사하였다.
- 미세조직 관찰용 시험편의 표면은 연마지와 알루미나 분말을 사용하여 정밀하게 연마하였다. 또한, 미세조직을 명확히 관찰하기 위하여 염산과 질산을 혼합한 용액을 사용하여 시험편의 표면을 부식 처리하였다.
- 특히, 열충격 피로특성을 평가하기 위하여 700℃의 온도차이에서 반복적으로 열충격을 실시하였다. 반복 열충격시험은 100회까지 실시하였으며 20회 간격으로 시험편의 미세조직을 관찰하였다.
- 또한, 열충격을 가하지 않은 시험편 표면을 나타내었다. 열충격 시험은 60회의 반복하여 실시하였다. 316 스테인레스강은 열충격 후 표면에 많은 손상이 발생한 것을 알 수 있다.
- 열충격 시험은 700ºC의 온도차이에서 100회까지 반복하여 실시하고 20회의 주기로 굽힘강도를 조사하였다.
- 열충격 시험은 700ºC의 온도차이에서 100회까지 반복하여 실시하였으며 20회 열충격 반복주기에 따른 미세조직의 결정립 크기를 측정하였다.
- 5은 316 스테인레스강의 굽힘강도에 미치는 열충격 온도차이의 영향을 나타낸다. 열충격 시험은 각 시험온도에서 1회의 열충격을 실시하였다. 열충격을 받지 않은 316 스테인레스강는 약 630MPa의 굽힘강도를 나타내었다.
- Table 1은 316 스테인레스강의 열충격 시험 조건을 나타낸다. 열충격 온도차이에 따른 굽힘강도 변화를 조사하기 위하여 시험온도 차이의 범위는 300℃에서 1000℃까지 하였으며 100℃의 간격으로 열충격을 실시하였다. 특히, 열충격 피로특성을 평가하기 위하여 700℃의 온도차이에서 반복적으로 열충격을 실시하였다.
- 열충격에 의한 316 스테인레스강의 강도특성을 평가하기 위하여 열충격 후 상온에서 3점 굽힘시험을 실시하였다. 특히, 열충격 온도와 열충격 반복수의 변화가 굽힘강도에 미치는 영향을 조사하였다.
- 본 연구에서는 316 스테인레스강의 고온특성을 평가하여 내열 밸브 부품의 개발을 위한 기반 특성을 확보하고자 한다. 특히, 316 스테인레스강의 강도특성에 미치는 열충격 온도 차이와 열충격 반복수의 영향을 조사하였다. 또한 반복 열충격에 의한 316 스테인레스강의 미세조직의 변화를 분석하여 강도특성과의 상관성을 조사하였다.
- 본 연구에서는 내열 밸브의 재료로 사용되는 316 스테인레스강의 열충격 특성을 평가하였다. 특히, 316 스테인레스강의 굽힘강도와 미세조직에 미치는 열충격 온도차이와 열충격 반복수의 영향에 대하여 조사하였다. 실험 결과로부터 얻어진 결론은 다음과 같다.
- 굽힘강도는 열충격을 부하한 3개의 시험편을 채취하여 조사하였다. 특히, 반복 열충격에 의한 굽힘강도는 설정한 시험온도에서 20회의 반복 주기로 평가하였다. 3점 굽힘시험에 사용한 스팬 길이와 크로스 헤드의 속도는 각각 16mm와 1mm/min로 하였다.
- 316 스테인레스강의 기초 데이터 확보를 위하여 광학현미경을 사용하여 미세조직을 관찰하였다. 특히, 열충격 온도차이 및 열충격 반복수의 증가에 따른 미세조직을 관찰하였다. 미세조직 관찰용 시험편의 표면은 연마지와 알루미나 분말을 사용하여 정밀하게 연마하였다.
- 열충격 온도차이에 따른 굽힘강도 변화를 조사하기 위하여 시험온도 차이의 범위는 300℃에서 1000℃까지 하였으며 100℃의 간격으로 열충격을 실시하였다. 특히, 열충격 피로특성을 평가하기 위하여 700℃의 온도차이에서 반복적으로 열충격을 실시하였다. 반복 열충격시험은 100회까지 실시하였으며 20회 간격으로 시험편의 미세조직을 관찰하였다.
대상 데이터
- 316 스테인레스강의 열충격 피로시험은 압연강재로부터 굽힘시험편을 가공하여 반복적으로 실시하였다. 굽힘시험편의 크기는 두께 7mm, 폭 3mm, 길이 15mm로 하였다. 시험편은 #100~#1500의 연마지와 약 3μm 입경의 알루미나 입자를 사용하여 표면을 정밀하게 연마하였다.
- 시험재료는 압연처리하여 제조한 316 스테인레스강을 사용하였다. 316 스테인레스강은 몰리브덴 (Mo)을 2~3% 함유하고 있는 오테나이트계 내열강으로서 내식성이 매우 우수하여 스테인리스강 중에서 가장 일반적으로 사용되는 304 스테인레스강에 비해 보다 가혹한 환경에서 사용되고 있다.
- 시험편은 #100~#1500의 연마지와 약 3μm 입경의 알루미나 입자를 사용하여 표면을 정밀하게 연마하였다.
데이터처리
- 1은 압연 처리한 316 스테인레스강의 미세조직을 광학현미경으로 관찰한 결과를 나타낸다. 316 스테인레스강의 결정립 크기는 미세조직 사진의 일정부분을 선정하여 평균값으로 정의하였다. 미세조직에는 미세한 석출물이 다소 존재하고 있으며 평균 입경은 약 40μm정도를 나타내고 있다.
- 3은 열충격 온도차이의 상승에 따른 316 스테인레스강의 미세조직에 존재하는 결정립 크기를 나타낸다. 결정립의크기는 광학현미경을 사용하여 관찰한 미세조직 사진의 일정 부분에 대해 평균값으로 산출하였다. 미세조직의 결정립 크기는 열충격 온도차이가 증가함에 따라 증가하는 것을 알 수 있다.
성능/효과
- (1) 316 스테인레스강의 미세조직은 약 40μm의 평균 입경을 가지는 결정립을 형성하였다.
- (2) 316 스테인레스강의 결정립 크기는 열충격 온도차이가 증가함에 따라 증가하여 약 800ºC 이후의 열충격 온도차이에서 감소하였다.
- (3) 316 스테인레스강의 굽힘강도는 열충격 온도차이의 증가와 함께 상승하지만 800ºC 이상의 열충격 온도차이에서 급격히 감소하였다.
- (4) 316 스테인레스강는 700ºC의 열충격 온도차이에서 열충격 반복수를 증가함에 따라 미세조직의 조대화 및 표면손상을 동반하면서 굽힘강도가 감소하는 경향을 나타내었다.
- 2의 결과에서 알 수 있듯이, 미세조직은 열충격 반복수의 증가에 의해 결정립의 조대화가 발생하는 것을 알 수 있다. 또한 열충격 반복수가 증가함에 따라 미세조직에는 미세한 석출물을 발생하여 결정립 내부와 입계에 많이 분포하는 것을 알 수 있다.
- 특히, 1000ºC의 열충격 온도차이에서 굽힘강도는 열충격을 하지 않은 시험편 강도의 약 85%에 상당하는 약 540MPa을 나타내었다.
- 그러나, 열충격 반복수가 증가함 에 따라 굽힘강도는 서서히 감소하면서 80회의 열충격 이후에 급격히 저하하였다. 특히, 100회의 열충격을 받은 경우에 굽힘강도는 약 500MPa로서 열충격을 가하지 않는 재료 강도(약 630MPa)의 약 80%에 상당하는 낮은 강도를 나타내었다. 이와 같은 강도의 감소는 Fig.
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