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해수 내 캐비테이션-침식 저항성에 미치는 스테인리스강의 Nb 첨가의 영향
Cavitation-erosion Resistance of Stabilized Stainless Steel with Niobium Addition in Sea Water Environment 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.49 no.3, 2016년, pp.274 - 279  

최용원 (김포해양경비안전센터) ,  한민수 (목포해양대학교 기관시스템공학부) ,  김성종 (목포해양대학교 기관시스템공학부)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Stainless steel is widely used in various industries due to its excellent anti-corrosion characteristics. However, if the stainless steel is exposed to high speed fluid flow and chloride ion in the marine environment, corrosion and cavitation damage occurred on the surface easily. Therefore, to prev...

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  • 그리고 실험 전·후 측정한 무게 감소량과 함께 종합적으로 비교분석하여 캐비테이션 저항성을 평가하였다.
  • 그리고 아세톤과 증류수로 세척한 후 진공 건조기에서 24시간 이상 건조시킨 후 캐비테이션 손상정도 평가를 위해 실험 전·후 무게를 측정하였다.
  • 시편은 혼과 대향하도록 1 mm 간격을 두고 고정하였으며, 실험용액 온도는 30°C로 일정하게 유지하였다. 또한 캐비테이션 실험 후 주사전자현미경과 광학 현미경을 이용하여 표면 손상정도를 관찰하고 3D 분석을 실시하였다. 그리고 실험 전·후 측정한 무게 감소량과 함께 종합적으로 비교분석하여 캐비테이션 저항성을 평가하였다.
  • 본 연구에서는 19%Cr-9%Ni을 기본조성으로 Nb을 각각 0.29%, 0.46%, 0.71% 첨가하여 Nb함량에 따른 해수환경에서의 캐비테이션-침식 저항성을 비교하였다. 그 결과, Nb함량이 가장 높은 0.
  • 시편은 19%Cr-9%Ni-0.07%C를 기본으로 Nb의 함량을 0.29%, 0.46%, 0.71%로 다르게 첨가하였고, 900°C에서 압연 후 0°C 물에 급랭하여 제작하였다.
  • 71%을 Nb의 최고 함량으로 정하였다[6]. 이에 따라 19%Cr-9%Ni를 기본조성으로 하는 스테인레스 강에 Nb을 각각 0.29%, 0.46%, 0.71% 첨가하여 Nb의 함량에 따른 캐비테이션 손상 특성을 평가하고자 한다.
  • 그리고 아세톤과 증류수로 세척한 후 진공 건조기에서 24시간 이상 건조시킨 후 캐비테이션 손상정도 평가를 위해 실험 전·후 무게를 측정하였다. 캐비테이션 실험은 천연해수 내에서 ASTM-G32 규정[7]을 준용한 진동발생 장치로 수행하였다. 본 장비는 압전소자에 60 Hz, 220 V의 전원을 공급하여 원추형 혼을 축 방향으로 진동시킴으로써 재료표면에 캐비테이션 충격을 가하는 장치이다.

대상 데이터

  • 캐비테이션 실험을 위한 시편은 2 cm × 2 cm × 0.5 cm 크기로 제작하여 에머리 페이퍼 #2000번까지 연마 후 1분간 초음파 세척을 실시하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
스테인리스강이 우수한 내식성을 가지는 이유는? 스테인리스강은 특유의 우수한 내식성으로 인해 산업 전반뿐만 아니라 일상생활에서도 널리 사용된다. 이와 같이 스테인리스강이 우수한 내식성을 나타내는 이유는 표면에 치밀한 크롬 산화물(Cr2O3) 피막 층이 형성되어 부식환경과 금속의 직접적인 접촉이 차단되기 때문이다. 그러나 피막 층이 균일하게 형성되지 못할 경우, 부식이 촉진될 뿐만 아니라 낮은 경도 값을 나타내는 부분에서 캐비테이션 손상이 가속화될 수 있다.
크롬 고갈층은 무엇인가? 크롬 고갈층은 스테인레스강의 강도나 내식성 등을 향상시키기 위한 열처리 과정 중 특정 온도구간(450-850°C)에서 일정시간 이상 유지될 때 크롬탄화물(Cr23C6)이 입계를 따라 석출된다. 크롬탄화물의 석출로 인하여 주위에 크롬함량이 12% 이하로 저하되는 고갈층이 형성되는데[1,2], 이러한 크롬 고갈층은 부식에 취약할 뿐만 아니라 물리적 강도가 낮으므로 캐비테이션 저항성을 저하시킬 수 있다[3]. 특히, 조선 및 해양구조물에 사용되는 스테인리스강은 염소이온이 포함된 해양환경에 항상 노출되어 있으므로 부동태 피막이 쉽게 파괴되고, 공식 및 입계부식 등이 활발히 진행될 수 있다[4].
크롬 고갈층에서 발생하는 스테인레스강의 손상은 어떤것인가? 이와 같이 스테인리스강이 우수한 내식성을 나타내는 이유는 표면에 치밀한 크롬 산화물(Cr2O3) 피막 층이 형성되어 부식환경과 금속의 직접적인 접촉이 차단되기 때문이다. 그러나 피막 층이 균일하게 형성되지 못할 경우, 부식이 촉진될 뿐만 아니라 낮은 경도 값을 나타내는 부분에서 캐비테이션 손상이 가속화될 수 있다. 이러한 스테인레스강의 손상은 주로 입계를 따라 생성되는 크롬 고갈층에서 발생한다.
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참고문헌 (15)

  1. A. J. Sedriks, Corrosion of Stainless Steels, 2nd ed., John Wiley & Sons, Inc., New York (1996). 

  2. E. R. Hwang, B. H. Seo, S. G. Kang, A Study on the Intergranular Corrosion Behavior of Stainless Steels in Molten Carbonate Salt by EPR Test, J. Kor. Inst. Surf. Eng., 31 (1998) 223-230. 

  3. G. Bregliozzia, A. D. Schino, S. I. U. Ahmed, J. M. Kenny, H. Haefke, Cavitation Wear Behaviour of Austenitic Stainless Steels with Different Grain Sizes, Wear, 258 (2005) 503-510. 

  4. H. U. Jang, J. H. Lee, Y. H. Kim, W. S. Chung, Study on Passive Layer Characteristics of Chemically Passivated Duplex Stainless Steel, J. Kor. Inst. Surf. Eng., 45 (2012) 219-225. 

  5. H. C. Choe, Effects of Plasma-Nitriding on the Surface Characteristics of Stainless Steels Containing Nb, J. Kor. Inst. Surf. Eng., 37 (2004) 119-127. 

  6. J. H. Lee, Y. W. Choi, S. K. Jang, S. J. Kim, Effects of Alloy Elements on Electrochemical Characteristics Improvement of Stainless Steel in Sea Water, J. Korean Soc. Mar. Eng., 38 (2014) 890-899. 

  7. Annual Book of ASTM standards G32-92, Standard Method of Vibratory Cavitation Erosion Test, ASTM International, Philadelphia (2004) 119. 

  8. M. Shome, D. S. Sarma, O. P. Gupta, O. N. Mohanty, Precipitate Dissolution and Grain Growth in the Heat Affected Zone of HSLA-100 Steel, ISIJ Int., 43 (2003) 1431-1437. 

  9. J. H. Lee, Y. W. Choi, S. K. Jang, S. J. Kim, Effects of Stabilizing Elements on Mechanical and Electrochemical Characteristics of Stainless Steel in Marine Environment, J. Korean Soc. Mar. Eng., 38 (2014) 1087-1093. 

  10. J. O. Moon, C. H. Lee, Precipitation and Precipitate Coarsening Behavior according to Nb Addition in the Weld HAZ of a Ti-containing Steel, J. Korean Weld. Join. Soc., 26 (2008) 76-82. 

  11. S. H. Cho, C. S. Lee, C. G. Kang, Evaluation of Mechanical Properties of T5-A356 Alloy with Grain Size by Using Nanoindenter and AFM, Int. J. Precis. Eng. Manuf., 10 (2006) 293-294. 

  12. J. G. Auret, O. F. R. A. Domm, G. J. Wright, F. P. A. Robinson, Influence of Cathodic and Anodic Currents on Cavitation Erosion, Corrosion, 49 (1993) 910-920. 

  13. S. G. Kang, A Study on Intergranular Corrosion of Austenitic Stainless Steel in Molten Carbonate, Hanyang univ., (1997) 1-6. 

  14. S. J. Kim, K. Y. Hyun, Investigation on Surface Hardening and Corrosion Characteristics by Water Cavitation Peening with Time for Al 5052-O Alloy, Corros. Sci. Tech., 11 (2012) 151-156. 

  15. J. F. Santa, J. C. Baena, A. Toro, Slurry Erosion of Thermal Spray Coatings and Stainless Steels for Hydraulic Machinery, Wear, 263 (2007) 258-264. 

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