[논문]안정화 원소 Ti 첨가에 따른 스테인리스강의 해수 내 캐비테이션-침식 특성

최용원; 양예진; 김성종

doi:10.5695/jkise.2016.49.4.344

안정화 원소 Ti 첨가에 따른 스테인리스강의 해수 내 캐비테이션-침식 특성
Cavitation-Erosion Characteristics of the Stainless Steel with Adding Ti Stabilizer Element in Sea Water 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.49 no.4, 2016년, pp.344 - 348

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

Abstract ▼ AI-Helper

Stainless steel is widely applied in many industrial fields due to its excellent anti-corrosion and durability characteristics. However, stainless steel is very vulnerable to cavitation attack caused by high speed flow of fluid in the chloride environments such as marine environment. These conditions promote intergranular corrosion and cavitation-erosion, leading to degradation of the structural integrity and service life. In order to prevent these problems, the stabilized stainless steel is applied to the offshore and shipbuilding industries. In this study, Ti was added to 19%Cr-9%Ni as the stabilizer element with different concentrations (0.26%, 0.71%), and their durabilities were evaluated with cavitation-erosion experiment by a modified ASTM G32 method. The microstructural change was observed with the stabilizer element contents. The result of the observation indicated that the amount of carbide precipitation was decreased and its size became finer with increasing Ti content. In the cavitation-erosion experiment, both weight loss and surface damage depth represented an inverse proportional relationship with the amount of Ti element. Consequently, the stainless steel containing 0.71% of Ti had excellent durability characteristics.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

71%로 선정해 캐비테이션 실험을 수행하여 Ti가 캐비테이션 특성에 미치는 영향을 평가하고자 한다. 또한 타 안정화 원소가 첨가된 경우와의 비교를 위해 결정립 미세화 효과가 탁월한 것으로 알려진 Nb에 대한 선행연구[7]를 참고하여 안정화 원소별 캐비테이션 특성에 미치는 영향을 상호 비교하고자 한다.
43% 이상 함유되어야 한다[6]. 이를 바탕으로 본 연구에서는 Ti함량을 0.26%와 0.71%로 선정해 캐비테이션 실험을 수행하여 Ti가 캐비테이션 특성에 미치는 영향을 평가하고자 한다. 또한 타 안정화 원소가 첨가된 경우와의 비교를 위해 결정립 미세화 효과가 탁월한 것으로 알려진 Nb에 대한 선행연구[7]를 참고하여 안정화 원소별 캐비테이션 특성에 미치는 영향을 상호 비교하고자 한다.
이 영역에서는 산화피막 형성이 저하 되어 쉽게 부식될 뿐만 아니라 물리적 강도도 낮아 캐비테이션 충격에 취약하다[4]. 이에 따라 안정화 원소를 첨가한 스테인리스강이 사용되는데, 본 연구에서는 그 중에서도 강한 탄·질화물 형성 원소로 알려진 Ti가 첨가된 스테인리스강의 캐비테이션-침식 특성을 평가하고자 한다. 오스테나이트계 스테인리스강에 Ti가 첨가되면 기지내의 C와 우선적으로 결합하여 TiC를 형성함으로써 크롬탄화물의 형성을 억제한다.

제안 방법

본 연구에서는 19%Cr-9%Ni를 기본조성으로 안정화 원소인 Ti를 각각 0.26%와 0.71% 첨가하여 미세조직 관찰과 캐비테이션 실험을 수행하였다. 미세조직 관찰결과, 입계에 석출된 탄화물의 양은 0.
또한, 천연해수 수조 내에 냉각코일을 설치하고, 시험편 주위의 국부적인 온도상승을 방지하기 위해 마그네틱 바와 교반기로 시험용액을 강제 대류시키며, 온도를 30^o C로 일정하게 유지하였다. 캐비테이션 실험 후에는 캐비테이션 손상량을 평가하기 위해 무게감소량과 캐비테이션 손상율을 조사하고, 표면손상을 광학현미경(Motic, Japan)과 주사전자현미경(Hitachi High Technologies, Japan)으로 관찰하였으며, 3D분석은 ‘3D Measurement (Mitani corporation, Japan)’ 프로그램을 활용하여 표면 손상깊이를 계측하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 재료는 C를 0.07% 함유하며, 19%Cr-9%Ni을 기본조성으로 하는 스테인리스강에 Ti를 0.26%와 0.71% 첨가하여 900^o C에서 압연 후 0^o C 물에 급냉하여 제작하였다. 이들 시험편에 대한 화학적 조성은 표 1에 나타내었다.

이론/모형

그리고 진공 건조기에서 24시간 이상 건조 후 상온에 30분 동안 냉각하여 캐비테이션 손상량의 평가를 위해 무게를 계측하였으며, 실험 전·후 동일한 과정을 거쳐 실시하였다. 캐비테이션 실험은 ASTM G32[8] 기준을 따라 제작된 주파수 20 kHz의 초음파 진동 장치로 수행하였다. 캐비테이션 혼의 진폭은 정진폭 자동 제어방식으로 30 μm로 일정하게 유지하였고, 시험편과 혼의 거리는 1 mm로 하였다.

성능/효과

그러나 Ti를 첨가할 경우, 크롬탄화물의 그 비율과 크기가 감소한다. Ti의 함량을 19%Cr-9%Ni0.26%Ti(이하 0.26Ti)에서 19%Cr-9%Ni-0.71%Ti(이하 0.71Ti)로 증가시켰을 때, 석출된 2차상은 6% 감소하였고, 그 크기도 미세해졌다. 이는 Ti가 Cr에 비해 C와의 결합력이 강해 크롬탄화물의 형성을 저지시키고, 입내·외에 미세한 TiC를 형성하기 때문이다[11].
26Ti에 비해 무게 감소량이 적게 나타났다. 결과적으로 실험 종료시점에서 0.26Ti가 0.71Ti에 비해 무게 감소량이약 1.7배 크게 나타나 0.71Ti가 상대적으로 우수한 캐비테이션 저항 특성을 갖는 것으로 사료된다. 또한, 선행연구 중 오스테나이트계 스테인리스강에 Nb을 첨가(0.
이는 실험초기 캐비테이션 충격으로 표면이 경화되는 잠복기를 거치기 때문이며, 이러한 잠복기는 구조물의 피로수명을 결정하는데 있어 좋은 기준이 되는 것으로 알려져 있다[12]. 따라서, 가시적인 표면손상이 실험시간 3시간에 확인된 0.26Ti 보다 실험시간 5시간에 표면손상이 확인된 0.71Ti 의 캐비테이션 저항성이 우수함을 알 수 있다. 이후, 0.
71Ti 보다 24% 적게 나타났다. 따라서, 무게 감소량이 적은 Nb의 캐비테이션 저항성이 Ti첨가 경우에 비해 우수한 것으로 여겨진다.
이와 같이 미세하게 분포된 고강도 입자는 전위 이동을 방해하여 기지의 강도를 높이며, 균열발생 시 이러한 입자들 사이에서 균열선단의 전위가 휘어지며, 유효 계면에너지가 증가하여 재료의 연성 또한 향상된다[10]. 따라서, 캐비테이션 저항성은 입계에 석출된 탄화물이 상대적으로 적은 0.71Ti가 우수할 것으로 예측된다.
4배 크게 나타났다. 또한 캐비테이션 손상율은 0.26Ti가 4.3배 큰 것으로 나타나 전반적으로 탄화물의 양이 적고 미세하게 석출된 0.71Ti의 캐비테이션-침식 손상이 작게 나타났다.
26Ti에 비해 6% 적었으며, 그 크기 또한 미세화 되었다. 캐비테이션 실험 결과, 무게 감소량은 0.26Ti가 0.71Ti에 비해 1.74배 크게 나타났으며, 손상된 표면의 3D분석 결과, 표면 손상깊이는 0.26Ti가 약 2.4배 크게 나타났다. 또한 캐비테이션 손상율은 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	크롬고갈영역에서 발생할 수 있는 문제는?	오스테나이트계 스테인리스강이 450 ~ 850o C 온도 범위 내에서 장시간 노출되면 크롬탄화물이 입계를 따라 석출되는 동시에 Cr함량이 12% 이하로 저하되는 크롬고갈영역이 형성된다[3]. 이 영역에서는 산화피막 형성이 저하 되어 쉽게 부식될 뿐만 아니라 물리적 강도도 낮아 캐비테이션 충격에 취약하다[4]. 이에 따라 안정화 원소를 첨가한 스테인리스강이 사용되는데, 본 연구에서는 그 중에서도 강한 탄·질화물 형성 원소로 알려진 Ti가 첨가된 스테인리스강의 캐비테이션-침식 특성을 평가하고자 한다.
	스테인리스강의 캐비테이션-침식이 주로 입계에 따라 진행되는 이유는?	따라서, 스테인리스강으로 제작된 터빈, 펌프 임펠러, 선박 프로펠러 등과 같이 고속 유체와 접하여 급격한 압력 변동이 발생하는 경우 부식뿐만 아니라 캐비테이션 특성도 고려해야 한다. 스테인리스강의 캐비테이션-침식은 주로 입계를 따라 진행되는데, 이는 제조과정 중 재료의 기계적 성질을 향상시키기 위한 열처리 또는 용접작업 시 입계를 따라 크롬탄 화물이 석출되기 때문이다[2]. 오스테나이트계 스테인리스강이 450 ~ 850o C 온도 범위 내에서 장시간 노출되면 크롬탄화물이 입계를 따라 석출되는 동시에 Cr함량이 12% 이하로 저하되는 크롬고갈영역이 형성된다[3].
	캐비테이션이란?	그러나 해양환경 특성 상 지속적인 염소이온 공급에 따른 부식과 빠른 유속에 의한 압력 변동으로 인해 캐비테이션-침식에 의한 복합손상이 발생할 수 있다. 캐비테이션이란 고속의 유체와 접하는 재료 표면에 공동이 발생하는 것으로써 압력이 해당 온도의 증기압 이하로 저하되면 유체가 국부적으로 비등하며 증기포가 생성되는 현상이다. 이러한 증기포는 재료 표면 부근에서 붕괴되면서 표면에 반복적인 충격을 가하여 침식손상을 야기시킨다.

참고문헌 (16)

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표제어: PCR

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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].

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