오스테나이트계 스테인리스강은 우수한 내식성으로 인해 다양한 산업에 널리 적용되는 재료이다. 그러나 열처리나 용접 실시 후 입계에 크롬탄화물 생성으로 크롬 결핍대가 형성되어, 입계의 내식성이 상대적으로 취약해지는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 Ti 또는 Nb과 같은 탄소 안정화 원소를 첨가하여 크롬 탄화물 생성을 억제한다. 이러한 안정화된 스테인리스강에 대한 해수환경하에서의 내식성에 관한 연구는 적은 실정이다. 본 연구에서는 안정화 원소(Ti 및 Nb)를 함량 변수로 첨가한 스테인리스강에 대해 해수환경하에서 전기화학적 특성을 평가하고자 하였다. 이를 위해 합금원소 첨가에 따른 미세조직의 변화를 관찰하였으며, 자연전위 측정과 동전위분극 실험을 통해 전기화학적 특성을 파악하였다. 미세조직 관찰 결과, 모든 시편에서 오스테나이트 기지상 이외에 합금원소 첨가에 따른 개재물이 관찰되었다. 이러한 개재물은 기지 조직과 상이한 전기화학적 특성을 가지는 것으로 판단되며, 안정화 원소의 종류 및 함량에 따라 뚜렷한 전기화학적 특성 차이를 나타냈다. 본 연구 결과 오스테나이트계 스테인리스강에 내식성 향상을 위해 첨가되는 Ti 또는 Nb은 첨가량에 따라 서로 다른 전기화학적 특성을 나타내므로, 이를 고려한 합금 설계가 중요할 것으로 사료된다.
오스테나이트계 스테인리스강은 우수한 내식성으로 인해 다양한 산업에 널리 적용되는 재료이다. 그러나 열처리나 용접 실시 후 입계에 크롬 탄화물 생성으로 크롬 결핍대가 형성되어, 입계의 내식성이 상대적으로 취약해지는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 Ti 또는 Nb과 같은 탄소 안정화 원소를 첨가하여 크롬 탄화물 생성을 억제한다. 이러한 안정화된 스테인리스강에 대한 해수환경하에서의 내식성에 관한 연구는 적은 실정이다. 본 연구에서는 안정화 원소(Ti 및 Nb)를 함량 변수로 첨가한 스테인리스강에 대해 해수환경하에서 전기화학적 특성을 평가하고자 하였다. 이를 위해 합금원소 첨가에 따른 미세조직의 변화를 관찰하였으며, 자연전위 측정과 동전위분극 실험을 통해 전기화학적 특성을 파악하였다. 미세조직 관찰 결과, 모든 시편에서 오스테나이트 기지상 이외에 합금원소 첨가에 따른 개재물이 관찰되었다. 이러한 개재물은 기지 조직과 상이한 전기화학적 특성을 가지는 것으로 판단되며, 안정화 원소의 종류 및 함량에 따라 뚜렷한 전기화학적 특성 차이를 나타냈다. 본 연구 결과 오스테나이트계 스테인리스강에 내식성 향상을 위해 첨가되는 Ti 또는 Nb은 첨가량에 따라 서로 다른 전기화학적 특성을 나타내므로, 이를 고려한 합금 설계가 중요할 것으로 사료된다.
Austenitic stainless steel is widely used in various industries due to its excellent corrosion resistance. However, Cr carbides precipitation along the grain boundaries after heat treatment or welding may develop Cr depleted zone, which acts as a preferential site for intergranular corrosion attack....
Austenitic stainless steel is widely used in various industries due to its excellent corrosion resistance. However, Cr carbides precipitation along the grain boundaries after heat treatment or welding may develop Cr depleted zone, which acts as a preferential site for intergranular corrosion attack. To resolve this, carbon stabilizing element such as Ti or Nb are added to suppress formation of Cr carbides. However, there are few reports on corrosion characteristics under seawater environment of the stabilized stainless steel. This study investigated the effects of alloying contents on the electrochemical characteristics in seawater of stainless steel containing stabilizing element(Ti and Nb). To achieve this, the changes on the microstructure due to alloying were observed with microscope, and the electrochemical characteristics were determined by measurement of natural potential and potentiodynamic polarization experiments. The microscopic observation revealed that all specimens had inclusions other than the austenite matrix phase due to the addition of alloying elements. Such inclusions are considered to have different electrochemical characteristics from those of the matrix, and thus a clear distinction was found according to the type of stabilizers and the contents. The results of this study suggest that it is important to consider the effects of alloying contents on the electrochemical characteristics in seawater with the addition of Ti or Nb into austenitic stainless steel.
Austenitic stainless steel is widely used in various industries due to its excellent corrosion resistance. However, Cr carbides precipitation along the grain boundaries after heat treatment or welding may develop Cr depleted zone, which acts as a preferential site for intergranular corrosion attack. To resolve this, carbon stabilizing element such as Ti or Nb are added to suppress formation of Cr carbides. However, there are few reports on corrosion characteristics under seawater environment of the stabilized stainless steel. This study investigated the effects of alloying contents on the electrochemical characteristics in seawater of stainless steel containing stabilizing element(Ti and Nb). To achieve this, the changes on the microstructure due to alloying were observed with microscope, and the electrochemical characteristics were determined by measurement of natural potential and potentiodynamic polarization experiments. The microscopic observation revealed that all specimens had inclusions other than the austenite matrix phase due to the addition of alloying elements. Such inclusions are considered to have different electrochemical characteristics from those of the matrix, and thus a clear distinction was found according to the type of stabilizers and the contents. The results of this study suggest that it is important to consider the effects of alloying contents on the electrochemical characteristics in seawater with the addition of Ti or Nb into austenitic stainless steel.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 해양환경에서 안정화 원소 Ti과 Nb이 스테인리스강의 전기화학적 특성에 미치는 영향을 규명하고자 한다.
본 연구에서는 오스테나이트계 스테인리스강의 탄소 안정화 원소인 Ti과 Nb의 첨가량에 따라 상이한 미세조직이 존재함을 확인하였으며, 이러한 미세조직 차이에 기인한 전기화학적 부식 특성에 대해 고찰하였다.
제안 방법
자연전위 측정은 천연해수 용액에서 36,000초(10시간) 동안 침지하여 전위 거동을 관찰하였다. 동전위 양극분극 실험은 초기 안정화 시간을 600초로 하여 2mV/s의 주사속도로 개로전위(OCP)에서 +3V까지 분극시켰다. 용존산소 환원반응에 의한 농도분극과 수소가스 발생에 의한 활성화 분극 거동 관찰을 위해 2mV/s의 주사속도로 개로전위에서 -2V까지 동전위 음극분극 실험을 실시하였다.
용존산소 환원반응에 의한 농도분극과 수소가스 발생에 의한 활성화 분극 거동 관찰을 위해 2mV/s의 주사속도로 개로전위에서 -2V까지 동전위 음극분극 실험을 실시하였다. 분극 실험 후 시편 표면은 주사전자현미경과 3D현미경으로 이용하여 표면 관찰 및 손상 깊이를 측정하였다.
동전위 양극분극 실험은 초기 안정화 시간을 600초로 하여 2mV/s의 주사속도로 개로전위(OCP)에서 +3V까지 분극시켰다. 용존산소 환원반응에 의한 농도분극과 수소가스 발생에 의한 활성화 분극 거동 관찰을 위해 2mV/s의 주사속도로 개로전위에서 -2V까지 동전위 음극분극 실험을 실시하였다. 분극 실험 후 시편 표면은 주사전자현미경과 3D현미경으로 이용하여 표면 관찰 및 손상 깊이를 측정하였다.
각 합금은 주조후 열간 압연하였다. 이러한 시편의 미세조직을 관찰하기 위해 10% 옥살산 용액에서 7V로 90~150초간 전해에칭을 실시하였다. 전기화학실험용 시편은 1 x 1 cm2의 크기로 절단 후 2000번까지 SiC paper로 연마하였다.
전기화학 셀은 시편을 작업전극으로 하고, 기준전극은 은/염화은 전극을, 대극은 백금전극을 사용하였으며, 전해액은 천연해수용액을 사용하였다. 자연전위 측정은 천연해수 용액에서 36,000초(10시간) 동안 침지하여 전위 거동을 관찰하였다. 동전위 양극분극 실험은 초기 안정화 시간을 600초로 하여 2mV/s의 주사속도로 개로전위(OCP)에서 +3V까지 분극시켰다.
대상 데이터
본 연구에 사용된 재료는 304 스테인리스강을 기본 조성으로 하여 Ti의 경우 0.26, 0.71 wt. %를 첨가하였으며, Nb은 0.
이러한 안정화 스테인리스강은 각종 발전 설비, 화학 플랜트, 원자력 설비등의 발전과 밀접히 연관되어 개발되어 왔으며[5], 용접 구조물이나 고온용으로 주로 사용되고 있다. 상용 안정화 스테인리스강으로는 탄소 안정화 원소인 Ti, Nb+Ta, Nb를 각각 첨가한 321, 347 및 348 스테인리스강이 있다[1]. 최근에는 고분자전해질 연료전지 분리판용 재료로서 316 스테인리스강에 Nb 및 Ti을 첨가하여 표면처리하면, 316 모재에 비해 입계 부식 저항성 및 전기 전도도가 개선된다는 보고가 있다[6].
이러한 시편의 미세조직을 관찰하기 위해 10% 옥살산 용액에서 7V로 90~150초간 전해에칭을 실시하였다. 전기화학실험용 시편은 1 x 1 cm2의 크기로 절단 후 2000번까지 SiC paper로 연마하였다. 연마된 시편은 아세톤과 증류수로 세척하여 드라이어로 건조하였다.
성능/효과
Figure 6은 Ti, Nb 함량변화에 따른 스테인리스강의 동전위 양극분극 실험 후 3D 분석 결과를 나타낸 것이다. 0.26Ti 보다 0.71Ti의최대손상깊이가 더 크게 나타났으나, Nb의 경우는 함량이 증가할수록 손상깊이가 더욱 적어지는 경향이 관찰되었다. 관련 규정에 의하면, Ti의 경우 탄소함량의 5배(최대 0.
71Nb 순의 전류밀도를 나타냈다. 0.71Nb이 타 조건에 비해 낮은 전류밀도를 나타냈으므로 다른 시편에 비해 양호한 전기화학적 특성을 나타낼 것으로 사료된다. 일반적으로 스테인리스강에 존재하는 개재물의 조성은 공식에 큰 영향을 주는 것으로 알려져 있다.
1) 자연전위 측정결과, 최종 전위값은 0.71Nb이 가장 높은 값을 나타냈으며, 이후 0.26Ti > 0.71Ti > 0.29Nb > 0.46Nb 순으로 측정되었다.
2) 양극분극 실험 결과, Ti, Nb함량에 따른 대부분 시편에서 스테인리스강 표면에 형성되는 현저한 부동태 경향은 관찰되지 않았으나, 0.71Nb의 경우 0.046V ~ 0.11V 전위구간에서 전류밀도가 일부 정체되는 부동태 특성이 관찰되었다. 또한, 양극분극 실험 후 시편 표면 관찰결과 Ti이 함유된 시편은 직선형태 부식이, Nb이 함유된 시편은 웜홀 형태의 공식이 관찰되었다.
3) 음극분극 실험결과, 0.29Nb의 경우 농도분극구간의 범위는 0.582V로 가장 컸으나 농도분극 구간에서의 전류밀도는 가장 큰 값을 나타냈다.
36,000초 후 최종 전위 비교 결과, 0.71Nb > 0.26Ti > 0.71Ti > 0.29Nb > 0.46Nb 순으로 측정되었다.
농도분극영역에서의 전위범위는 최소 0.372V에서 최대 0.582V 정도로 관찰되었으며, 0.29Nb > 0.71Nb > 0.46Nb > 0.71Ti > 0.26Ti 순으로 넓게 나타났다.
Figure 3은 Ti, Nb 함량변화에 따른 스테인리스강의 공식전위 및 부동태경향 관찰을 위한 양극분극 실험 결과를 나타낸 그래프이다. 대부분 조건에서 일반적인 스테인리스강 표면에 생성되는 현저한 부동태 영역은 관찰되지 않았으며, 0.71Nb에서는 0.046V ~ 0.11V 전위구간에서 전류밀도 증가가 일부 정체되는 부동태 경향이 관찰되었다. 10-2A/cm2 이하의 전류밀도를 나타낸 전위 영역에서는 0.
해수에서 측정된 갈바닉 계열(galvanic series) 상에서 스테인리스강과 같은 활성-부동태 금속의 전위는 일반적으로 활성상태보다 부동태 상태가 더 귀한(noble) 위치에 있다. 따라서 다른 합금에 비해 상대적으로 안정적이고 귀한 전위 거동을 나타낸 0.71Nb과 0.26Ti이 비교적 안정적인 부동태피막을 형성한 것으로 판단된다. 36,000초 후 최종 전위 비교 결과, 0.
11V 전위구간에서 전류밀도가 일부 정체되는 부동태 특성이 관찰되었다. 또한, 양극분극 실험 후 시편 표면 관찰결과 Ti이 함유된 시편은 직선형태 부식이, Nb이 함유된 시편은 웜홀 형태의 공식이 관찰되었다. Nb의 경우, 함량 증가에 따라 공식손상이 저하된 이유는 크롬탄화물의 석출을 억제시켜 부식 저항성을 향상시켰기 때문으로 사료된다.
Figure 1은 10% 옥살산 용액에서 전해에칭 후 광학 현미경으로 미세조직을 관찰한 것이다. 모든 재료에서 합금원소 첨가에 따른 오스테나이트 기지조직이외에 다수의 2차상이 관찰되었다. Ti함유 시편의 경우 0.
Nb의 경우 응고 중에 산화물, 질화물, 탄화물이 다량 생성되면 열연 및 냉연과정에서 재료 표면에 선모양의 결함을 발생시키므로 적절하게 Nb 첨가 조성 조절이 필요하다. 본 연구에서는 Nb 함량이 0.71%인 시편의 미세조직에서 조대한 개재물이 관찰되는데, 이는 Nb이 강력한 2차상 형성원소라는 보고와 대체적으로 부합하는 결과이다[12]. 또한 Nb함유 스테인리스강에서 나타나는 석출되는 2차상은 Nb(C,N)이며 Nb 함량이 낮은 경우 0.
또한 이러한 2차상의 분포에 따라 재료의 기계적 성질이 크게 달라진다고 보고하였다[4]. 본 연구에서는 Nb함량이 많은 0.71Nb에서 조대한 2차상이 관찰되었다. 일반적인 304 스테인리스강은 오스테나이트 기지상이외에 다원소 산화물(multi-element)과 MnS가 주로 관찰된다.
Srivastava 등은 상용 스테인리스강의 공식에 미치는 Ti의 역할에 대해 조사하였다. 실험에서 Ti 개재물은 중앙의 Ti-rich particle이 용해성 황화물로 둘러 싸인 형태와 isolated Ti-rich 개재물의 두가지 형태로 존재함을 확인하였다. 부식 환경에서 Ti 개재물은 언제나 황화물과 기지상에 대해 음극적인 거동을 보이며, 황화물 인접 영역은 용해되고 인접한 기지상은 공격을 받는다[23].
Figure 9는 Ti, Nb 함량변화에 따른 스테인리스강의 동전위 음극분극 실험 후 표면 관찰한 것이다. 전체적으로 모든 조건에서 손상이 없는 깨끗한 표면이 관찰되었다. 또한, 손상깊이와 거칠기도 큰 차이가 발생하지 않은 거의 유사한 거동을 나타냈다.
6V(vs SCE) 이하에서 도달한다는 보고와 부합된다[27]. 특히 0.29Nb 합금은 동일한 농도분극 전위 조건에서 가장 높은 전류밀도를 나타냈으며, 이는 양극분극 시험 후 3D 분석 결과 가장 큰 손상깊이를 나타낸 것과 일치하는 경향을 나타냈다. 또한 다른 조건에서는 전체적으로 유사한 분극 경향을 나타내어 큰 차이는 관찰되지 않았다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
오스테나이트계 스테인리스강에서 예민화 현상이 발생하는 원인은 무엇인가?
이와 같은 산업에 사용되는 스테인리스강으로 구조물 제작시 강도, 가공성, 내식성 등을 확보하기 위해 열처리는 필수적이며, 이들 구조물 접합을 위해서 다양한 용접 기술이 적용된다. 오스테나이트계 스테인리스강은 용접과 열처리 시 특정온도 구간(450~850℃)에서 일정 시간 유지하면 예민화(sensitization) 현상이 발생한다. 예민화 현상으로 인해 결정립계에 크롬 탄화물이 석출되고, 이크롬탄화물 형성으로 크롬 고갈대가 형성되어 입계부식이 발생한다[1].
오스테나이트계 스테인리스강이 다양한 산업에 널리 적용되는 이유는 무엇인가?
오스테나이트계 스테인리스강은 우수한 내식성으로 인해 다양한 산업에 널리 적용되는 재료이다. 그러나 열처리나 용접 실시 후 입계에 크롬 탄화물 생성으로 크롬 결핍대가 형성되어, 입계의 내식성이 상대적으로 취약해지는 문제점이 있다.
오스테나이트계 스테인리스강의 문제점은 무엇인가?
오스테나이트계 스테인리스강은 우수한 내식성으로 인해 다양한 산업에 널리 적용되는 재료이다. 그러나 열처리나 용접 실시 후 입계에 크롬 탄화물 생성으로 크롬 결핍대가 형성되어, 입계의 내식성이 상대적으로 취약해지는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 Ti 또는 Nb과 같은 탄소 안정화 원소를 첨가하여 크롬 탄화물 생성을 억제한다.
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