[논문]스테인레스강 SS420의 입계예민화에 의한 피트 부식

최병학; 이범규; 장현수; 박찬성; 김진표; 박남규; 김청인; 김보미

doi:10.3740/mrsk.2017.27.8.431

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This study investigated the surface pit corrosion of SS420J2 stainless steel accompanied by intergranular crack. To reveal the causes of surface pits and cracks, OM, SEM, and TEM analyses of the microstructures of the utilized SS420J2 were performed, as was simulated heat treatment. The intergranula...

This study investigated the surface pit corrosion of SS420J2 stainless steel accompanied by intergranular crack. To reveal the causes of surface pits and cracks, OM, SEM, and TEM analyses of the microstructures of the utilized SS420J2 were performed, as was simulated heat treatment. The intergranular cracks were found to have been induced by a grain boundary carbide of $(Cr,Fe)_{23}C_6$, which was identified by SEM/EDS and TEM diffraction analyses. The mechanism of grain boundary sensitization occurred at the position of the carbide, followed by its occurrence at the Cr depleted zone. The grain boundary carbide of $(Cr,Fe)_{23}C_6$ type precipitated during air cooling condition after a $1038^{\circ}C$ solid solution treatment. The carbide precipitate formation also accelerated at the band structure formed by cold working. Therefore, using manufacturing processes of cooling and cold working, it is difficult to protect SS420J2 stainless steel against surface pit corrosion. Several counter plans to fight pit corrosion by sensitization were suggested, involving alloying and manufacturing processes.

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문제 정의

본 연구에서는 이와 같은 SS420J2의 입계부식 현상을 고찰하였다. 입계부식은 다른 논문들의 보고와 마찬가지로 입계탄화물에 의한 전형적인 입계예민화(grain boundarysensitization)으로 보여지는데,^8-12) 이러한 입계탄화물이 어느 제조공정(제강 → 가공/성형 → 열처리)에서 유발되는지 확인해야 한다.
이를 위해서 입계탄화물의 상분석이 이루어져야 한다. 본 연구에서는 사용 후 표면부식 문제가 발생된 SS420 부품과 이것의 모사된 열처리에서 채취된 시료들에 대한 미세조직(광학, SEM/EDS, TEM) 및 경도측정을 통해, 입계탄화물의 상분석과 석출기구를 확인하고자 하였다. 본 논문의 연구결과는 SS420 부품의 입계부식 방지를 위한 열처리 공정의 개선으로 제시될 수 있다.
본 연구는 사용 중에 표면 피트부식이 발생된 SS420J2부품에 대하여 분석을 수행한 것이다(Fig. 1). 피트부식은 부품 사용 1년 미만에 발생된 것으로써, 사용 분위기는 정량화가 어렵지만 대략적으로 1 시간/일 정도의 간헐적인 습분상태 식염수 분위기이다.
또한 Table 2와 같이 SS420J2의 냉각에 대한 모사열처리를 수행하여 입계탄화물 석출이 발생되는 시점을 찾고자 하였다. 이때 부품으로부터 채취된 열처리시편 크기는 10 × 10 × 5 mm³이다.
또한 부품의 사용조건은 습분 식염수 상태로 정량화는 어렵지만 이것이 비교적 심각한 부식을 야기할 수 있는 분위기로 추정된다. 이러한 부식여건이 열처리에 의한 미세조직 구성에 따라 가속될 수 있으며 이에 대하여 고찰하였다.
SS420J2 부품의 표면 입계예민화 균열 및 피트 부식원인을 제공한 입계탄화물이 어느 공정에서 발생하였는지를 고찰하였다. SS420J2 각 모사열처리에 대한 경도값은 Table 3과 같은데, 여기에는 경도와 더불어 Fig.

제안 방법

주사전자현미경(SEM, scanning electronmicroscope) 기종은 TESCAN-MIRA SEG-3인데, 여기에 SIMADZU EPMA-1720 기종의 EDS(energy dispersivespectroscope, SIMADZU 성분분석기가 장착된 것이다. 투과전자현미경(TEM, transmission electron microscope)은 JEOL-JEM 2000FX 기종으로써, TEM 샘플은 SEM동일 기종의 FIB(focused Ion beam)으로 제작하였다. 또한 재질의 경도는 micro-Vickers(HV)를 이용하여 측정하였다.
투과전자현미경(TEM, transmission electron microscope)은 JEOL-JEM 2000FX 기종으로써, TEM 샘플은 SEM동일 기종의 FIB(focused Ion beam)으로 제작하였다. 또한 재질의 경도는 micro-Vickers(HV)를 이용하여 측정하였다. 경도 측정값은 각 부분 3회 측정에 대한 평균값으로 하였다.
1과 같이 사용 중이던 SS420J2 부품 표면에 피트부식이 발생되었다. 이것은 부품 사용 1년 미만에 발생된 부식손상으로써 간헐적인 식염수 분위기 사용을 하더라도 비정상적으로 빨리 진행된 부식손상으로 판정되어 분석을 수행하였다.
입계탄화물 석출을 동반한 SS420J2의 AS-received(used) 미세조직이 어떠한 열처리 상태로부터 유도되는지를 알아보기 위하여 모사열처리를 수행하였다. 먼저 AS received 미세조직의 경우 Fig.
가열 후 냉각과정 중에 입계탄화물 생성 여부를 확인하기 위하여 수냉과 공냉조건을 비교하였다. Fig.
입계에 석출된 입계탄화물에 대한 상분석을 TEM 분석을 통해 수행하였다. Fig.
입계탄화물과 모상인 마르텐사이트의 정합관계를 살펴보기 위하여, 모상의 상구조를 해석하였다. Fig.
4) 여기에서 N은 일반적 함량인 0.015 %에서 0.05 % 정도의 증가로 약 3배 이상 첨가되는데, 논문에는 N에 의한 피트부식성(PRE, pitting resistance equivalent) 개선을 아래와 같이 제시한다.

대상 데이터

광학 및 주사전자현미경(SEM) 미세조직 관찰을 위해서 Viella 에칭액(Glycerin 45 ml, HNO₃ 15 ml, HCl 30ml)을 사용하였다. 주사전자현미경(SEM, scanning electronmicroscope) 기종은 TESCAN-MIRA SEG-3인데, 여기에 SIMADZU EPMA-1720 기종의 EDS(energy dispersivespectroscope, SIMADZU 성분분석기가 장착된 것이다.

데이터처리

또한 재질의 경도는 micro-Vickers(HV)를 이용하여 측정하였다. 경도 측정값은 각 부분 3회 측정에 대한 평균값으로 하였다.

성능/효과

이러한 분석결과를 종합하면 SS420J2 부품 표면 부식원인을 제공한 입계탄화물은 부품 담금질을 위한 가열 후 공냉에 준하는 냉각과정 중에 석출한 것으로 보여 진다. 즉 가열 후 냉각 중 600 ^oC ~ 900 ^oC 온도범위를 거치면서 (Cr,Fe)₂₃C₆ 입계탄화물이 석출한 것이며, 이로 인해 입계 Cr 고갈지역 형성으로 부식성이 떨어지고 부품표면부터 내면으로 입계예민화 균열로 이어진 것으로 해석된다.
3) 입계석출상은 SEM/EDS 성분분석으로부터 (Cr,Fe) 및 C 함량이 접적된 (Cr,Fe) 탄화물로 추정되었으며, TEM 회절도형 분석을 통해 이것이 10.95 Å 격자상수를 갖는 fcc 격자구조의 (Cr,Fe)23C6 탄화물인 것으로 상해석된다.
4) TEM 분석으로부터 모상인 래쓰 형상의 마르텐사이트(bcc, a = 2.87 Å)와 괴상의 입계탄화물이 서로 정합관계를 갖지 않는 것으로 확인되었다.
2) WQ (1038 ^oC and Water quenching) 열처리의 경우 미세조직은 마르텐사이트 로 구성되는데, 입계탄화물의 석출이 관찰되지 않았다. 이에 비해 AC (1038 ^oC and air Cooling)의 경우 미세조직은 마르텐사이트 또는 템퍼드마르텐사이트 조직인데, 입계탄화물 석출이 확인되었다.
6) 모사열처리를 통해서 사용 SS420J2 표면 피트부식은 재질 담금질 후 공냉의 냉각속도에서 석출된 입계탄화물에 기인한 것으로 판단된다. 즉 SS420J2 재질특성에서 수냉의 냉각속도가 아니면 쉽게 입계예민화 피트부식을 일으킬 여지가 있다.
즉 SS420J2 재질특성에서 수냉의 냉각속도가 아니면 쉽게 입계예민화 피트부식을 일으킬 여지가 있다. 또한 재질 냉간가공에 의한 밴드조직은 탄화물 석출 및 입계균열을 촉진시켜 피트부식 원인이 되는 것으로 확인되었다.

후속연구

본 연구에서는 사용 후 표면부식 문제가 발생된 SS420 부품과 이것의 모사된 열처리에서 채취된 시료들에 대한 미세조직(광학, SEM/EDS, TEM) 및 경도측정을 통해, 입계탄화물의 상분석과 석출기구를 확인하고자 하였다. 본 논문의 연구결과는 SS420 부품의 입계부식 방지를 위한 열처리 공정의 개선으로 제시될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스테인레스강 420은 어디에 속하는가?	스테인레스강 420(이하 SS420)은 13.5Cr 성분의 마르텐사이트계 스테인레스강에 속한다. SS420 강종은 탄소함유량에 따라 0.
	SS420 강종은 어떻게 구분되는가?	5Cr 성분의 마르텐사이트계 스테인레스강에 속한다. SS420 강종은 탄소함유량에 따라 0.1~0.2 % 범위의 J1과 0.2~0.4 % 범위의 J2 등급으로 구분된다. 이 강종은 같은 계열인 SS410(12Cr-0.
	SS420 강종의 특징은?	4 % 범위의 J2 등급으로 구분된다. 이 강종은 같은 계열인 SS410(12Cr-0.15C)에 비하여 Cr 함량이 높아서 내부식성 및 내마모성이 개선된 재질이며, 이러한 특성이 요구되는 전단 칼날(shear blade), 니들 밸브, 외과용 수술기구, 날붙이류(나이프, 포크, 숟가락, 연장류) 등으로 사용된다.1-3)

참고문헌 (14)

AK Steel Corporation, Product Data Sheet of 420 Stainless Steel, 420-S- 08-01-07 (2007).
L. D. Barlow and M. Du Toit, J. Mater. Eng. Performance, 21, 1327 (2012).

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