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문제 정의
- 본 연구에서는 기존의 배기 매니폴드용 소재로서 사용되고 있는 주철재(FCD50HS)와 비교하여, 개발 중인 25Cr-13Ni 오스테나이트계 스테인리스강을 가지고 고온인장시험, 고온 저주기 피로와 고온 크리프-피로 시험을 수행함으로써 이 강종이 광범위한 고온 영역에서 장시간 안정적이며 우수한 내열성을 유지할 수 있는지를 조사, 연구하였으며, 또한 LCF 및 HTTF에서의 피로응력 조건 및 인장유지시간(Tension hold time, ΔTH)이 피로 수명에 미치는 영향에 대하여 조사하였다.
제안 방법
- Nb 등의 합금원소를 첨가하여 개량된 25Cr-13Ni 오스테나이트계 스테인리스강을 진공용해 후 1500~1550oC의 주입온도에서 Y-Block 에 금형주조하여 제조하였다. 주조 후 열처리 공정을 거치지 않았으며 샘플의 기본적인 조성은 Table 1에 나타내고 있다.
- 고온인장 시험은 25Cr-13Ni 스테인리스강과 배기 매니폴드 소재로서 많이 사용되고 있는 구상흑연주철인 FCD50HS의 두 종류의 시편으로 각각 동일 조건에서 수행하여 결과값을 비교하였다. Fig.
- 고온인장시험은 유압식 MTS 810(최대 하중:10 ton)을 사용하여 상온(23℃)~1000℃의 온도범위에서 수행되었다. 시험편의 형태는 봉상으로서 전체 길이 73.
- 미세조직을 관찰하기 위해 주조시편의 표면을 연마 후 10 g CrO3+ 100 m 증류수 혼합용액에서 전해에칭하여 광학현미경 및 SEM 관찰을 실시하였다.
- 본 연구에서는 배기 매니폴드 소재로 개발된 주조 25Cr-13Ni 오스테나이트 스테인리스강을 사용하여 고온인장시험, 저주기피로 및 고온 크리프-피로 시험을 실시하여 소재의 특성을 평가하였고 피로거동에 미치는 시험조건의 영향을 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 시험 시 온도는 시험편의 평행부 상부와 하부에 K-type T/C를 spotwelding하여 측정 및 제어하였으며 시험 전 온도보정을 거쳐 ± 2oC의 범위에서 시험하였다. 상온 인장시험은 ASTM E8, 고온 인장시험은 E21-05를 근거로 시험하였으며, 고온인장시험의 경우 시험온도 도달 후 15분의 안정화를 거쳐 cross head speed=0.033 mm/sec로 수행하였다.
- 시험 시 온도는 시험편의 평행부 상부와 하부에 K-type T/C를 spotwelding하여 측정 및 제어하였으며 시험 전 온도보정을 거쳐 ± 2oC의 범위에서 시험하였다.
- 4 mm, 직경 12 mmφ, 게이지 길이 15 mm, 게이지 지름 6mmφ로 제작하였다. 시험편 적절한 물림부는 나사선으로 가공하였다. 시험 시 온도는 시험편의 평행부 상부와 하부에 K-type T/C를 spotwelding하여 측정 및 제어하였으며 시험 전 온도보정을 거쳐 ± 2oC의 범위에서 시험하였다.
- 저주기피로 및 고온 크리프-피로시험 특성시험은 유압식 MTS 810(최대하중=10 ton)를 사용하여 수행하였다. 피로시험편의 형상은 인장시험과 동일하였으며 변형률 제어 방식(strain controlled method, strain ratio = −1)으로 수행하였다.
- 피로시험에서는 변형률제어 방식에서 변형률 사이클이 전형적인 삼각파인 symmetrical LCF 형태와 최대 인장변형(peak tension strain, εp) 하에서 변형유지 시간(ΔTH)을 1분, 10분 및 30분으로 달리하여 수행한 HTTF시험을 하여 서로의 결과값을 비교하였다.
대상 데이터
- )이 피로 수명에 미치는 영향에 대하여 조사하였다. 25Cr-13Ni 스테인리스강은 원래 극저온(cryognic temperature)에서도 연성취성 천이현상이 발생하지 않는 특성 때문에 초전도체 구조물 등으로 개발되었던 강종이며[4], 본 연구에서는 다른 합금원소로서 Nb 등을 첨가하여 개량한 강을 가지고 시험하였다.
- 시험편의 형태는 봉상으로서 전체 길이 73.4 mm, 직경 12 mmφ, 게이지 길이 15 mm, 게이지 지름 6mmφ로 제작하였다.
데이터처리
- 인장 및 압축 시의 strain rate는 2 × 10−3/s로 항상 일정하였으며, 각 시험은 동일 조건에서 2 번씩 실시하여 결과의 평균값을 취하였다.
이론/모형
- 피로시험편의 형상은 인장시험과 동일하였으며 변형률 제어 방식(strain controlled method, strain ratio = −1)으로 수행하였다.
성능/효과
- 1. 인장시험의 결과, 상온-500℃ 범위에서는 주철재인 FCD50HS의 항복강도, 인장강도가 크게 높았 으나, 배기 매니폴드가 실제로 사용되는 500℃ 이상의 온도에서는 25Cr-13Ni 강의 강도가 상대적으로 뚜렷하게 더 우수하였다. 즉 기존의 매니폴드 소재로 사용되는 주철재인 FCD50HS 보다 25Cr13Ni강의 고온인장 강도가 더 높아 고온에 노출되는 매니폴드 소재로서 상대적으로 우수한 특성을 나타내었다.
- 2. 25Cr-13Ni강의 HTTF 시험에서 최대 인장 변형률이 일정하게 유지되는 인장유지 시간 동안에 피크 응력(peak stress)이 연속적으로 감소하는 stress relaxation이 발생하였으며, 이것은 결정 내부의 회복 과정에 의한 것으로서 인장 유지시간 동안에 크리프 메카니즘이 작동하여 전위 셀의 재배열 및 전위밀도의 감소, subgrain 및 석출입자의 조대화 등이 복합적으로 발생하였기 때문이라고 생각된다.
- 3. Peak strain 에서 인장유지시간(ΔTH)이 주어진 크리프-피로 시험 결과 ΔTH가 길어질수록 피로수명은 감소하였다. 이는 인장유지 동안 발생한 크리프 변형 메카니즘에 의해서 생성되는 Cavity가 피로균열의 진전을 가속화하였기 때문이라고 판단된다.
- 한편 25Cr-13Ni강의 경우 500℃ 이하에서는 강도가 낮지만 시험온도가 900℃까지 상승하여도 강도가 완만하게 감소하고 있다. 결과적으로 600℃ 이하의 온도에서는 주철재가 상대적으로 높은 강도를 나타내고 있으나, 600℃ 이상의 고온에서는 25Cr13Ni 강의 강도가 뚜렷하게 더 높다. 특히 배기 매니폴드가 실제로 사용되는 600∼900℃ 범위의 온도에서는 25Cr-13Ni강의 강도가 상대적으로 약 100 MPa 더 높게 나타나고 있다.
- 모든 시험에서 피로균열은 표면에서 시작되었으며 파면에서 입계파괴와 입내파괴를 확인할 수 있었다. Fig.
- 위에서 언급한 바와 같은 석출물 및 subgrain의 성장 등 미세조직의 불안정성에 의해 발생하는 cyclic softening은 본 연구 결과에서는 인장유지 시간이 길어질수록 일찍 뚜렷하게 나타났으며 이것은 인장유지 시간 동안에 발생한 creep 변형 메카니즘이 미세조직의 불안정성을 야기 시켰다고 판단된다. Fig.
- 즉 본 연구에서 ΔTH=30min.인 조건에서의 크리프-피로의 파괴는 전형적인 피로파괴에서 나타나는 striation을 포함하는 입내파괴 형태보다는 공동의 성장에 의한 입계파괴가 파괴 양상을 지배하고 있음을 알 수 있었다. 이것을 통하여 인장 유지시간 동안에 발생한 크리프 변형에 의한 입계균열의 발생이 전체 피로수명을 감소시키는데 결정적인 영향을 미친 것으로 판단된다.
- 인장시험의 결과, 상온-500℃ 범위에서는 주철재인 FCD50HS의 항복강도, 인장강도가 크게 높았 으나, 배기 매니폴드가 실제로 사용되는 500℃ 이상의 온도에서는 25Cr-13Ni 강의 강도가 상대적으로 뚜렷하게 더 우수하였다. 즉 기존의 매니폴드 소재로 사용되는 주철재인 FCD50HS 보다 25Cr13Ni강의 고온인장 강도가 더 높아 고온에 노출되는 매니폴드 소재로서 상대적으로 우수한 특성을 나타내었다.
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