한국표면공학회지 J. Korean Inst. Surf. Eng.
Vol. 50, No. 5, 2017.
https://doi.org/10.5695/JKISE.2017.50.5.380
<연구논문>
ISSN 1225-8024(Print) ISSN 2288-8403(Online)
STS 304 강의 기계적 특성에 미치는 고온 열화 시간의 영향
정광후a, 김성종a,*
a목포해양대학교 기관시스템공학부
Effect of High Temperature Aging Time on Mechanical Characteristics Degradation of STS 304 Steel
Kwang-Hu Junga and Seong-Jong Kima,*
a
Division of Marine Engineering, Mokpo National Maritime University, Mokpo 58628, korea
(Received August 30, 2017 ; revised September 20, 2017 ; accepted September 20, 2017)
Abstract
Mechanical characteristics of the STS 304 which is heat resistance steel were investigated after artificial aging at 650
oC with 1,000 hours. Tensile test specimens and small test pieces were done artificial aging up to 1,000 hours in the high temperature atmospheric environment. The results present that as the aging time increased, tensile properties were deteriorated. In the case of failure mechanism, the configuration of the fractography presented drastic change from ductile to brittle with aging time. M
23C
6carbide leading to the change of the mechanical properties and fracture mode of the aged STS 304 steel continuously precipitated along the grain boundaries of austenite microstructure.
Keywords : STS 304, Artificial aging, Mechanical property, Degradation, M
23C
6carbide.
1. 서 론
오스테나이트계 스테인리스 강은 우수한 기계적 물성치 및 내식성 때문에, 다양한 발전 설비 및 화 학플랜트 등의 고온부품 및 배관 재료로써 산업 전 반에 걸쳐 널리 사용되는 재료이다[1]. 그 중 STS 304 강(18Cr-8Ni-Fe)은 가장 보편적인 스테인리스 강이며, 오스테나이트 300계열의 강종들은 STS 304 를 개선한 것으로 고온 내식성 및 크리프 손상에 대한 우수한 특성을 나타낸다[1,2]. 그러나, 장기간 고온 환경에 노출됨에 따라 경년열화(aging degradation)현상에 의한 재료의 초기 미세조직 및 기계적 성질 저하는 불가피하다. 특히 오스테나이
트 스테인리스강의 경우 450 - 850oC 온도 범위에 노출 될 경우 미세 조직입계(grain boundary)에 탄 화물이 석출되는 예민화(sensitization) 현상에 의해 고온에서의 사용이 제한되며, 형성된 탄화물 주위 에 크롬 고갈 영역이 형성된다[3-6]. 예민화된 STS 304강의 경우 입계에 형성된 탄화물에 의해 입계응 력부식균열(intergranular stress corrosion cracking)에 취약해지며[4], 기계적 물성치 및 파괴 메커니즘에 크게 영향을 미치게 된다. 열화 현상으로 인한 구 조물의 수명 단축 및 가동 정지로 인한 경제적 손 실은 물론 경우에 따라 인명 사고를 초래하며, 고 온 환경에 재료의 열화 특성 평가는 반드시 수행되 어져야 한다.
따라서, 본 연구에서는 오스테나이트계 304 강 을 고온의 650oC의 대기 환경에서 1,000시간까 지 열화시킨 후, 고온 열화 환경에서 입계 탄화 물 형성에 따른 기계적 물성치 저하특성을 관찰 하였다.
*
Corresponding Author: Seong-Jong Kim
Division of Marine Engineering, Mokpo National Maritime University
Tel: +82-61-240-7226 ; Fax: +82-61-240-7201
E-mail: [email protected]
2. 실험방법
본 연구에서 사용된 STS 304(ASTM A204M- 304) 강은 포스코(POSCO)에서 제작된 가로, 세로 그리고 두께가 1,219 mm × 2,438 mm × 2 mm인 박판을 사용하였으며, 화학 조성을 표 1에 나타내 었다. 박판을 일정 크기로 절단 후 기계적 특성 평 가 및 조직 관찰을 위한 인장시편 및 미소시편으로 가공하였으며, 인장시편의 치수 및 형상을 그림 1 에 나타내었다. 미소시편의 경우 에머리 페이퍼로
#2000까지 경면 연마하였으며, 아세톤 및 에탄올 세척 후 완전히 건조시켜 열화를 진행하였다.
스테인리스강의 인공 열화 실험은 일반적으로 600 - 800oC 범위에서 시행되며[7,8], 본 연구에서는 650oC의 열화 온도를 선정하였다. 인장 시험편 및 미소 시험편은 주문 제작한 전기열처리로(electric furnace)를 이용하여 대기 중 650oC 에서 100 시간 부터 최대 1,000시간까지 실시하였다. 고온열화에 따른 Vickers 경도 변화는 압입하중을 1 HV, 압입 시간은 10 초로 하여 각 시편 당 5 회씩 측정하여, 그 평균값을 산출하였다. 고온 열화재의 인장시험 은 상온에서 2 mm/min의 변위제어를 통해 실시하 였으며, 응력-변형율 곡선을 통해 기계적 물성치를 산출하였다. 항복강도는 0.2% 오프셋 방법을 통해 계측을 하였으며, 연신율은 인장시험기의 크로스헤 드 변위가 아닌 별도의 신율계를 장착하여 계측하 였다. 인장시험 이후 파단면은 주사전자현미경으로 열화에 따른 파단양상 변화를 관찰하였다.
고온 열화된 미소 시험편을 산화 알루미나 0.3 µm 까지 경면 연마 후, Murakami's regent(3 g K3Fe (CN)6 + 10g NaOH + 100mL H2O)를 이용하여 입 계 탄화물만을 선택적으로 에칭하여, 고온 열화에 따른 탄화물 거동을 관찰하였다. 또한, EDS 분석을
통해 석출된 탄화물의 성분을 분석하였다.
3. 실험 내용 및 고찰
그림 2는 고온 열화된 STS 304 강에 대하여 상 온에서 실시한 인장실험의 열화 시간에 따른 응력 -변형율 곡선을 나타낸 그래프이다. 모재의 경우 항 복점 이후 인장강도에 도달하기 까지 가공경화 구 간이 길게 나타나는 전형적인 연성재료의 응력-변 형률 곡선을 나타내었다. 열화시간 증가에 따라 모 재 대비 가공경화 구간이 짧아짐으로써 연신율이 감소하는 경향이 뚜렸하게 나타났으며, 특히 그림 2(a)의 열화초기인 100시간에서 300시간까지 급격 한 응력-변형률 곡선의 변화를 나타내었으며. 이후 열화시간 증가에 따라 점진적으로 취성형태의 응력 -변형률 곡선으로 변하는 경향을 나타내었다.
그림 3은 열화된 STS 304 강에 대하여 열화 시
Fig. 1. Schematic diagram of tensile specimen.
Table. 1 Chemical composition of STS 304.
(wt, %)
Alloy C Si Mn Cr Ni P N S
STS 304 0.05 0.37 1.03 18.27 8.13 0.03 0.03 0.0075
Fig. 2. Stress-strain curves of STS 304 steel after isother
aging at 650
oC with time.
간에 따른 기계적 물성치를 상호 비교한 그래프이 며 상세한 기계적 물성치를 표 2에 나타내었다. 인 장강도와 항복강도의 경우 열화가 진행됨에 따라 서로 상반되는 경향을 나타내었다. 인장강도의 경 우, 열화초기(100 - 300시간) 인장강도가 지속적으 로 상승하는 경향을 나타내었다. 오스테나이트 스 테인리스강의 경우 450 - 850oC의 온도 범위에서 미세 조직 입계에 탄화물이 석출되고, 그 주변에 크 롬고갈영역(Cr-deplection zone)을 형성하게 된다 [5,6]. 열화초기 인장강도 증가는 오스테나이트 입 계에 생성된 M23C6가 항복점 이후 가공경화 구간 에서의 전위(dislocation) 이동을 방해하는 일종의 석 출경화 효과에 기인한 것으로 사료된다[6,9]. 열화 300시간 이후부터 최종 열화 1,000시간까지 인장강 도는 거의 일정한 값을 나타내었다. 스테인리스강 은 고온에서 장기 열화 시 Cr-탄화물의 석출과 크 롬 고갈 영역으로 기지 내 Bulk Cr이 확산되는 탈 예민화(desensitization) 현상이 발생하는 것으로 알 려져 있다[7,10]. 300시간 이후 인장강도 증가의 정 체는 Cr-탄화물 석출 및 탈 예민화 현상에 의한 고 용강화 감소 효과가 더 지배적으로 나타난 것으로 사료된다. 항복강도의 경우, 열화 초기 100시간까
지 급격하게 감소하였으며, 이는 열화 초기 급격한 탄화물 형성 및 기지 내 Cr 농도 저하에 따른 고 용강화 효과가 감소하였기 때문으로 사료된다[5-7].
이후 열화 진행에 따른 항복강도 변화는 미소하였 다. 연신율의 경우 열화 초기 급격한 감소를 나타 내었으며, 열화 300시간 이후부터 점진적으로 상승 하는 경향을 나타내었다. 연신율과 인장강도 변화 는 상호 부합되는 경향을 나타내었다. 이는 금속 내 석출된 입자간의 밀도가 클수록 전위이동에 필요한 응력이 증가하는 Orowan law [9]에 따라 오스테나 이트 입계 석출물에 의해 인장강도는 증가한 반면, 열화된 재료의 소성(plasticity)은 증가한 것으로 판 단된다[7]. 또한, 오스테나이트 입계 탄화물이 균열 의 핵으로 작용함으로써 인장강도점 이후 균열이 쉽게 진전된 것으로 사료된다.
그림 4는 열화된 STS 304 강의 열화 시간에 따 른 경도값을 나타낸 그래프이다. 열화 500시간까지 열화에 따른 경도변화는 거의 나타나지 않았다. 이 후 최종 열화 1,000시간에서 168 Hv로 모재 대비 미소한 증가 경향을 나타내었다. 이는 열화 과정 중 입계 또는 주변부에 M23C6 탄화물이 석출되고, 경 도 측정 시 압입자에 의한 소성 변형 중 가공경화 효과가 나타난 것으로 사료된다[6,9,11,12]. 이는 인장 강도의 증가 메커니즘과 동일한 것으로 판단된다. 그 러나 표면 경도의 변화율은 모재 대비 2.4%의 증 가율로, 본 실험 조건 내에서의 STS 304강의 표면 경도변화는 미미한 것으로 판단된다.
그림 5는 상온에서 인장 시험 후 파단면을 주사 전자현미경을 통해 관찰한 사진이다. 열화 전 모재 의 경우 미소공동(microvoid) 성장에 의한 전형적인 연성파단 형태를 나타내었으며, 미세한 딤플(dimple) 이 파단면 전반에 걸쳐 균일하게 나타났다. 이는 STS 304 강이 전형적인 연성재료로써 큰 파괴인성
Fig. 3. The results of tensile experiment of STS 304
steel after isothermal aging at 650
oC with time.
Table. 2 Detailed mechanical properties of STS 304 steel after isothermal aging at 650
oC with time
STS 304- 650
oC
Aging time (Hour)
Tensile stress (MPa)
Yield stress (MPa)
Elongation (%) As-received 716.00 295.36 86.25
100 729.93 255.43 77.26
200 727.32 246.64 73.20
300 742.98 257.08 64.95
500 741.24 252.73 66.34
700 738.63 250.12 69.40
1,000 745.59 245.77 70.56
Fig. 4. Hardness of STS 304 steel after isothermal aging
at 650
oC with time.
을 가지고 있음을 나타낸다. 그러나 열화가 진행됨 에 따라 급격한 파단양상의 변화를 나타내었다. 초 기 열화 100시간부터 벽개면(clevage plane)과 딤플 이 혼재된 파단면이 관찰됨으로써, 취성 파단의 양
상을 강하게 나타냈다. 이후 열화가 진행됨에 따라 연성의 딤플은 관찰되지 않았으며, 전형적인 취성 양상의 파단면이 관찰되었다. 열화 1,000시간의 고 배율 사진의 경우 오스테나이트 결정립계의 모양을 따라 균열이 진전되었음을 알 수 있으며, 입계파괴 의 파면을 나타냈다. 이는 오스테나이트 조직입계 에 생성된 M23C6 탄화물이 미세 조직 간의 결합력 을 약화시키고, 인장하중이 부여됨에 따라 균열 진 전의 통로로 작용했기 때문으로 사료된다[5].
그림 6은 고온 열화된 STS 304 강에 대하여 광 학 현미경으로 관찰한 사진이다. 관찰 전 Murakami’s regent를 사용하여 M23C6 탄화물을 선택
Fig. 5. Fractograpghies of STS 304 steel after isothermal aging at 650
oC with time.
Fig. 6. Micrograph of STS 304 steel after isothermal aging at 650
oC by Murakami’s etchant.
Fig. 7. EDS analysis of STS 304 after after isothermal aging at 650
oC during 1,000 hours.
적으로 에칭함으써, 열화에 따른 탄화물의 생성 및 분포를 관찰하였다. 전체적으로 열화가 진행됨에 따 라 오스테나이트 입계에 형성된 M23C6 탄화물의 생 성 및 조대화 현상이 관찰되었다. 모재의 경우, 광 학현미경을 통한 M23C6 탄화물은 관찰되지 않았다.
열화 100시간부터 미세하고 엷은 탄화물이 오스테 나이트 입계를 따라 관찰되었으나, 광학현미경을 통 한 뚜렷한 식별은 불가능하였다. 이후 열화 500시 간에서는 오스테나이트 입계에 형성된 M23C6 탄화 물을 확연하게 식별할 수 있었으며, 탄화물 분포에 따른 오스테나이트 조직 간의 구분도 가능하였다.
최종 열화 1,000시간에서는 탄화물의 석출량 증가에 따른 금속조직과 탄화물의 구분이 확연하게 나타났 으며, 이는 열화 시간 증가에 따라 탄화물의 생성 및 조대화가 진행된 것으로 사료된다[13].
그림 7은 650oC에서 1,000시간 열화된 STS 304 강의 주사전자현미경 사진 및 EDS(energy dispersive spectrometer) 분석 결과를 나타낸 사진이다. 주사전 자 현미경 사진에서 오스테나이트 입계를 따라 M23C6 탄화물이 분포되어 있으며, 열화 시간 증가에 따라 조대화 된 것으로 사료된다. Point A의 EDS 분석 결과를 보면 입계에 석출된 M23C6 탄화물은 주로 Cr과 C가 주성분인 것으로 나타났다[14]. Point B 의 기지에 대한 EDS 분석결과와 비교해 보았을 때, Point A의 경우 Cr 및 Carbon 함량이 보다 높게 나 타났으며, 입계에 형성된 M23C6 탄화물은 Cr-rich 탄화물로 판단된다.
4. 결 론
고온 열화에 따른 STS 304 강의 경도, 인장강도 의 경우 오스테나이트 입계 M23C6 탄화물의 형성 으로 인한 가공경화 구간에서의 전위이동에 대한 전단응력 상승으로 증가하는 경향을 나타내었다. 반 면, 항복강도의 경우 입계 M23C6 탄화물 형성 및 Bulk Cr 재 확산에 의한 기지 내 고용강화 원소인 Cr 농도가 저하됨으로써, 열화 시간증가에 따라 점 진적으로 감소하는 경향을 나타내었다. 연신율의 경 우, 오스테나이트 입계 M23C6 탄화물 형성으로 인 해 강도는 증가한 반면, 취성 증가로 인해 열화 초 기 급격하게 감소하는 경향을 나타내었다. 모재의 경우 전형적인 연성파괴양상을 나타내었으나, 열화 에 따른 입계 M23C6 탄화물이 균열의 진전 통로로 작용함으로써 파단면은 입계파괴 형태의 취성파면 으로 급격하게 변하였다. 열화가 진행됨에 따라 오 스테나이트 입계를 따라 미세한 M23C6 탄화물이 형 성되었으며, 열화 시간 증가에 따른 조대화가 발생
하였다. EDS 분석결과 입계에 형성된 탄화물은 Cr- rich M23C6 탄화물로 판단된다.
감사의 글
본 연구는 2016년도 산업자원통상부의 재원으로 한국에너지기술평가원 (KETEP)의 지원을 받아 수 행한 연구 과제입니다(20161110100090).
참고문헌
