Mechanical and Corrosion Properties of A487 Cast with Different C and Cr/Mo Contents

A487 주강품의 C 및 Cr/Mo 함량 변화에 따른 기계적 및 부식 특성

정우진·정대호·이영철 *·이재현 **·김상식^† 경상대학교 금속재료공학과, *한국생산기술연구원, **창원대학교

Mechanical and Corrosion Properties of A487 Cast with Different C and Cr/Mo Contents

Woo-Jin Jung, Dae-Ho Jeong, Young-Cheol Lee*, Jae-hyun Lee** and Sang-shik Kim^†

Department of Metallurgical and Materials Engineering, ReCAPT, Gyeongsang National University, Chinju 660-701, Korea

*Dongnam Regional Divison, Korea Institute of Industrial Technology, Busan 618-230, Korea

**Department of Materials Science and Engineering, Chanagwon National University, Gyeongnam 641-773, Korea

Abstract

The effect of different C and Cr/Mo contents, which were varied within the range allowed in the relevant specification, on the mechanical and corrosion properties of A487 alloy cast steel were examined. The increase in strength level with increasing C con- tent and the decrease in strength along with the increase in tensile elongation with decreasing Cr/Mo contents were observed in A487 alloys with different C and Cr/Mo contents. At room temperature, the decrease in Cr/Mo content was beneficial in improving the impact properties of A487 alloy, with no notable difference in absorbed energy with varying C content. The impact properties of A487 alloy at −60^oC, on the other hand, greatly improved with the increase in C and the decrease in Cr/Mo contents. The corrosion behavior of A487 alloys in 3.5% NaCl solution did not show any meaningful change with different C and Cr/Mo contents.

Key words: Tensile property, Impact property, Corrosion property, A487, Low temperature

1. 서 론

내압용 소재로 널리 사용되고 있는 마르텐사이트계 A487 주강품은 심해 석유자원 개발의 수요 증가와 더불어 해양플랜 트용 밸브 소재 또는 무어링 시스템의 chain wheel 소재 등 으로 그 사용 범위가 넓어지고 있다. 해양플랜트용 주강품의 경우, 강도뿐만 아니라 우수한 저온에서의 충격 특성 및 해수 환경에서의 부식 특성이 요구된다. 이러한 해양플랜트용 A487 주강품의 주된 합금원소인 C, Mn, Si, Ni, Cr 및 Mo 원소 의 경우 선급 규정에 의해 엄격하게 관리된다. 특히 C와 Cr/

Mo 함량은 미량의 차이에 의해서도 기계적 특성이 크게 변화 하는 것으로 알려져 있다. C는 Fe, Cr, Mo, V 등과 함께

탄화물을 만들어 강의 강도를 증가시키는 것으로 알려져 있다 [1-3]. 이러한 탄화물은 딤플의 생성과 소성변형 거동을 변화시 켜 특히 Q (quenching) & T (tempering) 강의 충격 특성에 큰 영향을 미치는 것으로 보고되어 있다[3,4]. Cr과 Mo는 안 정한 탄화물을 만들어 강의 경화능과 템퍼취성(temper embrit- tlement)을 감소시키는 것으로 알려져 있다. 동시에 첨가되었을 때 더욱 효과가 큰 것으로 알려진 Cr/Mo의 함량이 증가하면 페라이트의 결정립 크기를 감소시키고 인성을 증가하는 것으로 보고되고 있다[5].

본 연구에서는 A487 주강품의 C 및 Cr/Mo 함량을 규정 내에서 변화시켜 각 합금원소들이 미세조직, 인장특성, 상온 및 저온 충격 특성 그리고 3.5% NaCl 수용액에서의 부식 특

Received: Mar. 26, 2015 ; Revised: Apr. 24, 2015 ; Accepted: Apr. 28, 2015

†

Corresponding author: Sang-shik Kim (Gyeongsang National Univ.) Tel: +82-55-772-1667, Fax: +82-55-762-8670

E-mail: [email protected]

Journal of Korea Foundry Society 2015. Vol. 35 No. 3, pp. 045~052 http://dx.doi.org/10.7777/jkfs.2015.35.3.045 pISSN 1598-706X / eISSN 2288-8381

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성에 미치는 영향을 확인하고자 한다. 이를 위해 C 및 Cr/

Mo 함량을 변화시킨 A487 시편을 주조하고, 인장 및 충격시 험을 행하였으며, 염수에서의 침지시험과 분극시험을 행하였다.

원소 함량에 따른 미세조직의 변화를 관찰하고, 인장 및 충격 시험 후 파단면 관찰을 통해 C 및 Cr/Mo 원소가 A487 주 강품의 부식 및 기계적 특성에 미치는 영향을 고찰하였다.

2. 실험 방법

본 연구에서는 ASTM A487 규정에 의거해 C 함량이 0.19 wt.% 그리고 Cr/Mo 함량이 0.69/0.26 wt.%인 표준 A487 합금과 규정 내에서 C를 각각 0.16 및 0.23 wt.% 그리고 Cr/Mo 함량을 0.52/0.19 wt.%로 변화시킨 합금을 235 mm(w)

× 70 mm(l) × 170 mm(h) 크기의 Y-Block 형태로 주조하였다.

본 연구에서 사용한 A487 주강품의 화학성분을 Table 1에 나타내었다.

주조된 네 종류의 A487 합금에 대하여 910^oC에서 9시간 노멀라이징(normalizing)한 후 950^oC에서 5시간 유지 후 칭 (quenching) 및 610^oC에서 7시간 템퍼링(tempering) 열처리를 동일하게 행하였다. 본 연구에서 사용한 열처리 조건을 Fig.

1에 도식적으로 나타내었다. 미세조직 관찰을 위해 시편을 경 면 연마 후 3% 나이탈(3% 질산 + 97% 에탄올) 용액을 이용 하여 에칭한 후 광학현미경과 주사전자현미경을 이용하여 관찰 하였다. 열처리된 와이 블록(Y-block)에서 Fig. 2에서 나타낸 바와 같이 (a) 표점 거리 36 mm, 직경 6 mm의 인장시험편과

(b) 10 mm× 10 mm × 55 mm 크기의 샤르피 V노치 충격시험 편을 제작하였다. ASTM E8M 규정에 의거하여 만능재료시험 기(모델: MTDI UT-050)를 이용하여 상온에서 1 × 10⁻³/sec의 변형률 속도로 실시하였다. 충격시험은 ASTM E23에 의거하 여 상온 및 −60^oC에서 실시하였다. Fig. 2에서는 본 연구에 서 사용한 인장 및 충격시험 후 파단면은 주사전자현미경 (SEM, 모델: 필립스 XL30S FEG)을 이용하여 관찰하였다.

해수 환경에서의 부식시험은 상온 3.5% NaCl 용액에 336 시간 침지한후 침지 전후의 무게 변화를 측정하는 침지 시험 과 상온 3.5% NaCl 수용액에서 1 mV/sec의 주사속도로 포 텐시오스테트(potentiostat, 모델: 원아테크 WPG100e)를 이용 한 분극시험을 행하여 자유부식전위를 측정하였다.

3. 시험 결과 및 고찰

Fig. 3과 4는 (a) A487, (b) A487+C, (c) A487-C, (d) A487-Cr/Mo 합금의 미세조직을 각각 광학현미경(Fig. 3)과 주사전자현미경(Fig. 4)을 이용하여 관찰한 사진을 보여주고 있다. A487 합금과 A487+C 합금에서는 대부분 템퍼드 마르 텐사이트 조직과 일부 베이나이트 조직이 관찰되고 있다. 이에 반해 C 또는 Cr/Mo 함량을 감소시킨 A487-C 합금과 A487- Cr/Mo 합금에서는 템퍼드 마르텐사이트와 페라이트 조직이 일 부 관찰되고 있다. 주사전자현미경을 이용한 고배율 관찰 결과

Table 1.

Alloy C Si Mn P S Ni Cr Mo Cu Al Fe

A487 0.19 0.48 0.93 0.017 0.009 0.45 0.69 0.28 0.03 0.03 Bal.

A487+C 0.23 0.34 0.88 0.012 0.004 0.73 0.72 0.27 0.09 0.04 Bal.

A487-C 0.16 0.5 0.88 0.018 0.008 0.73 0.68 0.3 0.02 0.03 Bal.

A487-Cr/Mo 0.2 0.41 0.86 0.016 0.004 0.78 0.52 0.19 0.06 0.03 Bal.

Fig. 1.

Fig. 2.

Fig. 4.

Fig. 3.

Tempered martensite.

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상의 계면에서 탄화물들이 다수 존재하는 것을 알 수 있다.

예상한 바와 같이 C와 Cr/Mo 함량 변화에 따라 탄화물의 양 도 같이 변화하는 것을 알 수 있다.

Fig. 5는 C 및 Cr/Mo 함량을 달리한 A487 주강품의 대 표적 응력-변형률 곡선을 보여주고 있으며, 이러한 응력-변형률 곡선에서 측정된 인장 특성을 Table 2에 정리하였다. C 함량 을 0.19에서 0.23 wt.%로 증가시킨 합금의 경우 연신률의 변 화는 거의 없었으나 인장 및 항복강도는 크게 증가하였다. 한 편 C 함량을 0.16 wt.%로 다소 낮춘 합금에서는 연신률은 다 소 증가하였으나 항복강도와 인장 강도는 6에서 내지 7% 수 준의 감소폭을 나타내었다. Cr/Mo 함량을 0.52/0.19 wt.%로 낮춘 A487-Cr/Mo 합금의 경우에는 연신률은 약 9% 증가하 였으나 항복 및 인장 강도가 각각 11 및 8% 감소하는 것을 알 수 있었다. 가공경화지수의 경우 각 합금에서 큰 차이가 관찰되지 않았다. 성분 함량의 변화에 따른 강도, 연신률의 변 화 경향을 Fig. 6에 나타내었다. Fig. 7은 (a) A487, (b) A487+C, (c) A487-C, (d) A487-Cr/Mo 합금의 인장시험 후 파단면을 주사전자현미경을 이용하여 관찰한 사진을 보여주고 있다. 네 종류의 A487 합금은 모두 전형적인 딤플 파단 양상 을 보였으며, 파단면 상에 조대한 딤플과 미세한 딤플이 동시 에 관찰되는 경향을 나타내었다. 또한 표준 시편에 비해 규정 범위 내에서 C 함량을 증가시킨 A487+C 시편과 Cr/Mo를

감소시킨 A487-Cr/Mo 합금의 경우 미세한 딤플이 더욱 잘 발달되어 있음을 알 수 있다.

Table 3과 Fig. 8은 상온 및 −60^oC에서 각 합금의 충격 특성을 각각 표와 그래프로 나타내고 있다. 표와 그림에서 보 는 바와 같이 상온에서 규정 범위 내에서 C 함량을 변화시켰 을 경우에는 충격 특성에는 큰 변화가 없었으나 Cr/Mo 함량 이 감소된 주강품의 충격 특성은 크게 증가하였다. −60^oC에서 는 C 함량이 증가되거나 Cr/Mo 함량이 감소된 A487 합금의 충격특성이 표준 시편에 비해 크게 증가하는 것을 알 수 있다.

Fig. 9와 10은 각각 상온 및 −60^oC에서 (a) A487 (b) A487+C (c) A487-C (d) A487-Cr/Mo 주강품을 충격시험한 후 파단면을 주사전자현미경을 이용하여 관찰한 사진을 보여주 고 있다. 상온에서는 모든 A487 합금에서 미세한 딤플과 조 대한 딤플이 동시에 존재하는 파단 양상이 관찰되었다. 그러나 상대적으로 미세하고 균일한 분포의 딤플이 A487-Cr/Mo 합 금의 경우에 더 잘 발달되어 있는 것을 알 수 있으며, 이는 상온에서의 높은 충격 특성과 관련이 있을 것으로 판단된다.

−60^oC에서는 A487 합금과 A487-C 합금에서는 전체적으로 벽계파단 양상이 관찰이 되고 있으며, 파단면의 여러 곳에서 2차균열(secondary cracking)이 관찰되었다. 이에 반해 A487+C 합금과 A487-Cr/Mo 합금의 경우에는 벽계파단과 함께 연성 파단 양상도 동시에 관찰되고 있으며, 이러한 두 시편의 파단 양상은 상대적으로 높은 충격 특성을 나타내는 경향과 잘 일 치하는 것을 알 수 있다.

마르텐사이트계 강을 템퍼링하면 C의 편석, 탄화물 생성, 잔류 오스테나이트의 분해, 회복 및 재결정 등의 현상이 동반 된다[6]. A487 합금의 경우에도 템퍼링을 하면 라스 마르텐사 이트와 전위 구조의 회복 현상에 의해 연성이 증가하게 된다 [6,7]. 본 연구에서 관찰되는 인장 특성의 변화는 템퍼드 마르 텐사이트의 분율과 관련이 있는 것으로 판단된다. 즉 C 함량 이 증가함에 따라 Fig. 3에서 보는 바와 같이 템퍼드 마르텐 사이트의 분율은 증가하면서 항복과 인장강도가 증가하고, 반

Table 2.

Alloys YS

(MPa) UTS (MPa)

Tensile elongation (%)

Strain hardening exponent

A487 596 730 18.4 0.08

A487+C 708 817 17.5 0.09

A487-C 554 687 20.7 0.10

A487-Cr/Mo 529 674 20.1 0.09

Fig. 5.

Fig. 6.

대로 C 함량이나 Cr/Mo 함량이 감소에 따라 마르텐사이트 분율이 감소하면서 강도는 감소하고 연신률은 증가한 것으로 판단된다. 이에 반해 상온 및 저온에서의 충격 특성은 템퍼드 마르텐사이트와 비례적인 관계를 나타내고 있지 않는 것으로 보인다.

일반적으로 C는 Fe, Cr, Mo, V 등과 화합하여 탄화물을 만들어 강의 강도를 증가시킬 뿐만 아니라 템퍼드 강의 충격 특성에 가장 큰 영향을 미치는 원소로 알려져 있다. 즉 C가 증가하면 기지 내 탄화물이 증가하고 이러한 탄화물이 딤플의 생성원으로 작용함으로 미세한 딤플 생성을 유도할 수 있다.

실제로 Fig. 9의 상온 충격 파단면에서 관찰되는 바와 같이

C의 함량이 증가함에 따라 미세한 딤플들이 잘 분포되어 있는 것을 알 수 있다. C 함량과 관련한 소성 기구의 변화에 따른 충격 특성 변화의 가능성으로는 C 함량이 증가하면 넥킹 이 후의 연신률은 감소하는 것으로 알려져 있다[8]. 이러한 경향 은 Fig. 5의 각 합금의 응력-변형률 곡선에서도 나타나고 있 다. 따라서 딤플의 생성과 성장은 일반적으로 넥킹 이후의 연

Fig. 7.

Table 3. The impact properties of A487 alloys at 25 and −60^oC.

Alloys Temp (^oC) Absorbed energy (J)

A487 25 118.1

−60 32.3

A487+C 25 116.1

−60 91

A487-C 25 125

−60 34.3

A487-Cr/Mo 25 160.6

−60 72.9

Fig. 8.

−60^oC.

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Fig. 9.

Fig. 10.

신률에 크게 지배되는 점을 고려하면 C의 증가는 탄화물을 증가시켜 미세 딤플 생성을 유도함으로써 충격 특성이 향상될 수 있는 반면, 넥킹 이후의 연신률 감소에 의해 딤플 성장이 제한됨으로써 충격 특성이 감소할 수 있는 가능성을 동시에 가지고 있다. 상온에서 C의 함량 변화에 따른 충격 특성의 변화가 거의 나타내지 않는 점도 이러한 원인에 기인하는 것 으로 판단된다. 한편 Fig. 9에서 보는 바와 같이 전반적으로 충격 특성을 감소시킬 가능성이 있는 조대한 딤플이 Cr과 Mo가 감소된 A487-Cr/Mo 합금에서 가장 적게 관찰되었다.

이러한 결과는 탄화물 생성을 촉진시키는 Cr과 Mo가 감소할 경우에 강도 감소와 더불어 Fig. 4에서 보는 바와 같이 조대 한 탄화물의 생성이 억제되면서 충격 특성이 향상된 것으로 판단된다.

저온에서는 네 합금 모두 벽계 파괴 양상을 보이나, 충격흡 수에너지가 높은 A487+C 합금과 A487-Cr/Mo 합금에서는 일부 연성파단 양상이 관찰되고 있다. C 함량이 높은 A487+C 합금의 경우에는 저온에서도 탄화물 증가에 따라 딤플 생성이 용이하게 됨으로써 이처럼 딤플에 의한 연성 파단 양상이 관 찰되는 것으로 판단된다. 이러한 저온에서의 연성 파단은 상온 과 달리 A487+C 합금의 취성적 파단 양상을 감소시킴으로써 저온 충격 특성을 증가시킨 것으로 판단된다. A487-Cr/Mo 합금의 경우에는 전술한 바와 같이 조대한 탄화물의 생성을 억제시켜 저온에서도 우수한 충격 특성을 나타내는 것으로 보 인다.

Table 4는 상온에서 표준 A487 합금과 C 및 Cr/Mo를 변 화시킨 합금의 3.5% NaCl 수용액에서의 부식특성의 변화를 나타내고 있다. 무게 감소와 이를 부식속도로 환산한 값은 3.5% NaCl 수용액에서의 침지시험을 통해 측정하였으며, 자유 부식전위값은 동일한 3.5% NaCl 수용액에서 분극시험을 통해 측정하였다. 예상대로 C 함량을 높인 A487+C 합금이 표준 합금에 비해 다소 높은 부식속도를 나타내었다. 일반적으로 주 강품의 부식 특성을 향상시키는 원소로 알려져 있는 Cr/Mo 함량이 감소한 경우에도 부식속도가 다소 증가하는 것을 알 수 있다. 그러나 분극시험 결과를 보면 각 합금의 자유부식전 위값은 유의미한 차이를 나타내지 않았다. 본 연구에서 실시한

침지시험 및 분극시험 결과를 통해 규정 범위 내에서의 C 및 Cr/Mo 함량의 변화는 각 합금의 부식 특성에 큰 영향을 미치 지는 않은 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 A487 주강품의 C 및 Cr/Mo 함량을 규정 내에서 변화시켜 각 합금원소들이 인장특성, 충격 특성 그리고 부식 특성에 미치는 영향을 연구하여 다음과 같은 결론을 얻 었다.

1) A487 합금에서 C 함량을 규정 내에서 증가시킨 합금의 경우 예상한 바와 같이 C 함량 증가에 따라 강도 증가와 연 신률 감소가 확인되었고, C 함량을 다소 감소시킨 합금은 이 와 반대의 경향을 나타내었다. Cr/Mo 함량을 다소 감소시킨 합금의 경우에는 강도는 감소하고 연신률은 약 9% 증가하였 으나 항복 및 인장 강도가 각각 11 및 8% 감소하는 것을 알 수 있었다.

2) 상온에서의 충격 특성의 경우 Cr/Mo 함량을 감소시킨 합금의 충격흡수에너지가 표준 시편에 비해 월등히 높았으며, C 함량의 증감에 따른 충격 특성의 변화는 거의 관찰되지 않 았다.

3) −60^oC에서의 충격 특성 관찰 결과에서는 C 함량을 증가 시킨 합금과 Cr/Mo 함량을 저감시킨 합금의 충격흡수에너지가 표준시편에 비해 월등히 우수한 것을 알 수 있었다. 파단면 관찰 결과, 이러한 충격 특성의 차이는 탄화물 생성과 관련된 딤플의 생성과 성장 그리고 소성변형 거동의 변화에 기인한 것으로 판단된다.

4) A487 합금에서 C와 Cr/Mo 함량을 규정 내에서 변화시 킨 합금의 3.5% NaCl 수용액에서의 부식거동은 유의미한 변 화를 나타내지 않았다.

감사의 글

이 논문은 2015년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국 연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(2011-0030058).

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Table 4.

solution at 25^oC.

Alloys Weight loss (g)

Corrosion rate*

(MPY)

E_corr**

(mV_SCE)

A487 0.0251 0.82 −443

A487+C 0.0478 1.27 −444

A487-C 0.224 0.73 −451

A487-Cr/Mo 0.0343 1.12 −448

*Corrosion rate was converted from weight loss.

**E_corr value was obtained by potentiodynamic test.

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