슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 캐비테이션 마모 특성에 대한 연구
전순혁·김순태†· 이인성· 박용수
연세대학교 신소재공학과
A Study on the Characteristics of Cavitation Erosion of Super Duplex Stainless Steel
Soon-Hyeok Jeon, Soon-Tae Kim†, In-Sung Lee, and Yong-Soo Park
Department of Materials Science and Engineering, Yonsei University, Seoul, 120-749 Korea
Abstract
To elucidate the characteristics of cavitation erosion of super duplex stainless steel, a cavitation erosion test, an optical micro- structure, a hardness test, and a transmission electron microscope (TEM) analysis were conducted. As aging time at 475
oC increased, the hardness of ferrite phase increased whereas that of austenite phase was nearly constant. The reason why the cavitation erosion resistance increased with an increase of aging time was due to the formation of W-rich phases (α’) of a nanometer scale with the high hardness that were precipitated within α-grains and at α-grain boundaries during aging, compared with that of the solution annealed alloy.
Key words : Cavitation erosion, Duplex stainless steel, W-enriched phase, Precipitation, Mean depth of penetration.
(Received June 30, 2010 ; Accepted August 10, 2010)
1. 서 론
듀플렉스 스테인리스강은 오스테나이트계 스테인리스강보다 기계적 성질 및 내식성이 우수할 뿐만 아니라 값비싼 Ni 및 Mo이 저감되어 경제적이기 때문에 해수 담수 설비, 발전소 등 의 해수 환경(Cl-)에서 사용되고 있는 펌프 임펠러, 밸브 디스 크 등의 핵심 부품 재료로서 그 사용량이 증가하고 있는 추세 이다[1-2].
펌프 임펠러(impeller), 스터러(stirrer), 초음파 믹서(mixer) 등과 같이 고속으로 회전하는 부품들은 금속 표면에 증기포 (vapor bubble)들이 빠른 속도로 생성과 소멸을 반복적으로 거 치면서 캐비테이션 마모(cavitation erosion)가 발생하여 내구성 이 저하되는 것으로 알려져 있다[3]. 특히, 해수 환경(Cl−)에서 사용되고 있는 펌프 임펠러 주강의 재질은 항복강도가 260 MPa 정도인 AISI 316L (ASTM A 743 - CF3M) 오스테나 이트계 스테인리스 주강이다. 고속의 해수 유속에 의해 생성된 증기포가 빠른 속도로 소멸될 때 임펠러 표면에 가해지는 압 력은 약 400 MPa 이상 이기 때문에[4] AISI 316L 재료는 기계적인 소성변형을 발생시킬 뿐만 아니라, 증기포가 소멸될 때 가해지는 높은 압력에 의해 재료가 손상된다. 따라서 펌프 임펠러의 캐비테이션 마모 저항성을 한 단계 향상시키기 위해 서는, 항복강도가 AISI 316L 보다 월등히 우수한 슈퍼 듀플
렉스 스테인리스 강의 적용 가능성을 살펴 볼 필요가 있다.
475oC에서 듀플렉스 스테인리스강을 시효 열처리하면 페라이 트 상이 알파 프라임(alpha prime, α') 상으로 변태함으로써 Cr 고갈 구역을 형성시켜 공식저항성을 저하 시키고, 전위 이 동도를 감소시켜 취성을 유발한다[5-7]. 그리고, 이 상은 페라 이트 상과 같은 체심 입방(Body Centered Cubic, BCC) 구 조를 갖으며, 그 크기가 수 나노 미터(nano meter)로서 매우 미세하기 때문에, 전자 현미경을 통한 정량적인 분석에 상당한 어려움이 있다[8,9].
현재까지, 475oC 시효 열처리에 의한 α' 상이 공식저항성에 미치는 영향에 대해서 많은 연구가 수행되었지만, α' 상이 캐 비테이션 마모 저항성에 미치는 영향에 대해서는 거의 연구가 진행되지 않고 있는 상황이다.
이번 연구에서는 대기 고주파 유도로를 이용하여 제조된 고 질소 함유 슈퍼 듀플렉스 스테인리스 주강의 캐비테이션 마모 저항성에 미치는 475oC에서의 시효 열처리 영향을 규명하기 위해, 첫째, ASTM G 32의 캐비테이션 마모 평가법에 따라 무게 손실 및 평균 마모 깊이를 정량화하였다. 둘째, 비커스 경도기를 이용하여 오스테나이트 상 및 페라이트 상의 경도 변화를 측정하였다. 셋째, 투과 전자현미경 (TEM)을 이용하여 α' 상의 성분 및 결정 구조를 분석하였다.
†Corresponding author : [email protected]
슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 캐비테이션 마모 특성에 대한 연구 - 전순혁·김순태· 이인성· 박용수
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−2. 실험 방법
2.1 실험 합금의 제조
고주파 유도로 및 마그네시아 도가니를 사용하여 시험 시편 을 제조하였다. Table 1에 제작된 실험합금과 비교재로 사용된 상용 AISI 316L 오스테나이트 스테인리스강의 화학 조성을 나 타내었다. 이렇게 제조된 실험합금은 1,130oC에서 두께 1 mm 당 5분 유지 후 1,050oC까지 노냉한 다음 수냉하였으며, 그 다음 475oC에서 25 시간 및 50 시간 유지 후 수냉하였다. 고 용화 열처리 및 시효 열처리 과정은 Fig. 1에 나타내었다.
2.2 미세조직 관찰
조직 관찰용 시편은 SiC paper # 2000까지 습식 연마 후 1µm diamond paste 를 이용하여 경면으로 준비한 후 아세톤 으로 세척하였다. 그 다음 10% KOH 용액을 사용하여 에칭한 다음 광학 현미경을 이용하여 미세조직을 관찰 하였다. 투과전자 현미경(JEM 2100F) 관찰용 시편의 경우 1 µm diamond paste 를 이용하여 시편의 두께를 20 µm 까지 연마한 후, 이온빔 밀 링(PIPS, Gatan model 691)을 하였다.
2.3 경도 시험
재료의 경도를 측정하기 위해 시편을 SiC paper # 2000 까 지 연마한 후, Mitutoyo 사 ARK-60 Rockwell 경도계를 사용 하여 C-scale로 측정하였다. Load는 150 kg으로 일정하게 유지 하였으며, 10 회 측정 후 최대값, 최소값을 제외한 나머지 값들 을 평균하여 구하였다. Vickers 경도계를 사용하여 오스테나이트 상 및 페라이트 상 각각에 대해, 하중을 100 g으로 유지하여 10회 측정 후 최대값, 최소값을 제외한 나머지 값들을 평균하여 두 상의 경도를 측정하였다.
2.4 캐비테이션 마모 시험
캐비테이션 마모 저항성 측정을 위해 ASTM G 32[10]에 의거하여 25oC의 3.5 wt% NaCl 용액에서 캐비테이션 마모 저항성을 측정하였다. 장비의 모식도를 Fig. 2에 나타내었다.
시험용 시편은 표면적 1.89 cm2의 원형 나사 모양으로 가공 하였으며 초음파 진동용 혼(horn)에 부착하여 실험을 행하였다.
초음파 발진기 (tranducer)에서 발생된 초음파는 혼을 통해 시 편에 전달되는데, 이때 전달되는 초음파는 20 kHz의 진동수로 고정하였으며, 다이얼 게이지를 이용하여 시편의 진폭을 40 µm 로 고정시킨 후 10 시간 동안 실험을 하였으며, 전자 저울을 이용하여 1 시간마다 ± 0.1 mg 까지 손실된 무게 감량을 측정 하였다.
측정된 무게 감량을 토대로 하여, 평균 마모 깊이(mean depth of penetration, MDP)와 캐비테이션 마모 저항성을(cavi- tation erosion resistance, Rc) 아래와 같은 관계식에 의하여 계산하였다[11].
MDP (µm) = ∆W / 10·ρ·A (1)
Table 1. Chemical composition of the experimental alloys (wt.%).
Alloy
Designation C Cr Ni Mo W Si Mn REM N Fe
SR-4DX 0.025 28.3 6.75 1.26 3.68 0.3 1.6 0.005 0.42 Bal.
316L 0.025 19.2 11.5 2.30 - 0.5 1.1 - - Bal.
Fig. 1. Heat treatment procedures of the experimental alloys. Fig. 2. Schematic diagrams of the cavitation erosion test equipment.
Rc (h/µm) = 10·ρ·A·∆t / ∆W (2)
여기서 ∆W 는 무게 감량 (mg)이고, ρ는 밀도(g/cm3), A는 노출된 시편의 표면적(cm2)이며, ∆t는 실험시간(hour) 이다.
3. 실험 결과 및 고찰
3.1 475oC 열처리가 미세조직에 미치는 영향
Fig. 3은 실험합금 SR-4DX의 고용화 열처리 후의 수냉한 시편의 미세조직과 475oC에서 50 시간 시효 열처리 후 수냉한 시편의 광학현미경 미세조직을 나타낸 것이다. 이들 미세조직에 서 알 수 있듯이, 페라이트 상 기지 (matrix)에 섬 (island) 모 양의 오스테나이트 상들이 형성된 것을 관찰할 수 있으나, 두 상들의 크기 차이와 특히, 시효 열처리된 미세조직에서 석출물 들을 관찰할 수 없었다. 그 이유는 475oC에서 시효 열처리할 때 석출된 α' 상은 수십 내지 수백 나노 미터(nm)의 크기로서, 매우 미세하기 때문에 광학현미경을 통해서 석출물의 유무를 확인할 수 없기 때문이다. 이미지 분석기 (image analyzer)를 통해서 페라이트 체적 분율을 측정한 결과, 고용화 열처리 후 의 실험합금 SR-4DX의 페라이트 분율은 44 vol.%로 오스테나 이트 상과 페라이트 상의 분율이 적절하게 분배되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 475oC에서 50 시간 시효 열처리 후의 실험 합금에 페라이트 분율은 42 vol.%로 고용화 열처리 후의 실험 합금과 비교해서 약간 감소하였다.
따라서 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 α' 상의 석출 유무를 확인하였다(Fig. 4). α' 상의 성분분석을 위하여 EDS (energy dispersive spectroscopy)를 이용하여 화학 성분을 분석한 결과, 모재 조직에 비해서 텅스텐의 함량이 농축된 것을 확인할 수 있 었다. 또한, 475oC에서 50 시간 동안 시효 열처리한 실험합금에 서 석출된 α' 상의 크기는 수 내지 수십 나노 미터 (nm) 이었 다. 결정축을[001] 방향으로 하여 페라이트 기지금속에 대해 회 절 패턴을 분석한 결과, BCC 결정 구조를 갖는 것을 확인하였 으며, α' 상은 페라이트 기지금속에 석출된 것을 알 수 있었다.
그러나 이번 연구에서는 BCC 결정 구조를 갖는 것으로 알 려진 α' 상[8,9]이 동일한 결정구조를 갖는 페라이트 상 기지 금속에 석출되어 있기 때문에, 회절 패턴으로는 α' 상 의 석출
유무를 알 수 없기 때문에 TEM 이미지 및 성분 분석을 통해 α' 상의 석출을 확인할 수 있었다.
3.2 475oC 열처리가 경도에 미치는 영향
Fig. 5는 475oC에서의 시효 열처리 시간이 경도 변화 미치 는 영향을 나타낸 것이다. Rockwell 경도계 (Scale-C, 하중 150 Kg)를 통해서 페라이트 상과 오스테나이트 상이 전체적으 로 포함되는 넓은 부분의 경도를 측정하였고, 페라이트상과 오 스테나이트상 각각의 경도를 측정하기 위하여 Vickers 경도계 (하중 100 g)를 이용하여 측정하였다. 시효시간이 증가함에 따라 서, 오스테나이트 상의 경도는 변화하지 않은 반면에, 페라이트 상의 경도는 시간이 지남에 따라서 증가하였다. 그리고 두 상의 경도를 포함하는 Rockwell 경도의 경우도 시효 시간이 증가함 에 따라 경도가 증가하고 있음을 알 수 있다. 그 이유는 475oC에서 시효 열처리 시간이 증가함에 따라 페라이트 상이
Fig. 3. Optical microstructures of the alloy-SR-4DX: (a) solution annealed and (b) aged for 50 hours at 475
oC.
Fig. 4. TEM analysis of α' phase in the alloy-SR4DX aged for 50
hours at 475
oC.
슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 캐비테이션 마모 특성에 대한 연구 - 전순혁·김순태· 이인성· 박용수
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−고경도의 W-rich α' 상으로 변태함으로써 페라이트 상의 Vickers 경도(Hv)가 증가한 것이며, 전체적으로 Rockwell 경 도(HRC)가 증가한 것으로 생각된다.
3.3 475oC 열처리가 캐비테이션 마모 저항성에 미치는 영향
Fig. 6(a)는 실험합금 및 비교재 AISI 316L에 대해 25oC의 3.5 wt% NaCl 용액에서 10 시간 동안 캐비테이션 마모 시험 을 한 후 손실된 마모 무게 감량을 측정한 결과이다. 시험 시 간이 증가함에 따라 손실된 마모 무게 감량이 증가하고 있다.
비교재 AISI 316L에 비해 고용화 열처리된 실험합금 SR- 4DX의 무게 감량이 훨씬 적다. 특히, 시효 시간이 증감함에 따라 무게 감량의 정도가 더욱 감소하는 것을 알 수 있다. 이 는 석출된 고경도의 W-rich α' 상에 기인하여, 캐비테이션 마 모 저항성이 증가한 것으로 판단된다.
Fig. 6(b)는 실험합금 및 비교재의 캐비테이션 마모 부식 시 험 후 평균 마모 깊이를 나타낸 것이다. 이 또한 무게감량과 같은 경향성을 보이고 있다. 고용화 열처리된 실험합금 SR- 4DX의 평균 마모 깊이에 비해 비교재 AISI 316L의 평균 마 모 깊이는 약 2.4배로 훨씬 많이 마모된 것을 확인할 수 있고, 시효 열처리 시간이 증가함에 따라, 무게 감량과 마찬가지로 평 균 마모 깊이가 감소한 것을 확인하였다.
Fig. 6(a)와 (b)의 결과를 이용하여 캐비테이션 마모 저항성 (RC)을 Fig. 6(c)에 나타내어 보았다. 여기서, RC의 단위인 hour/µm에서 알 수 있는 바와 같이 캐비테이션 마모 저항성 (RC)은 1 µm의 금속 두께를 마모시키는데 걸리는 시간을 의미 한다. 그러므로 RC값이 증가할수록 1 µm의 금속 두께를 마 모시키는데 걸리는 시간이 증가하기 때문에 캐비테이션 마모 저항성이 우수하다고 할 수 있다. 비교재 AISI 316L에 비해 고용화 열처리된 실험합금 SR-4DX의 RC값이 약 2.3 배 정 도 우수하다는 것을 알 수 있고, 475oC에서 시효 열처리를 50 시간 행하였을 경우, RC 값이 약 3.7 배 정도 AISI 316L 보 다 탁월하다는 것을 알 수 있다.
실험합금 SR-4DX의 고용화열처리한 시편과 475oC에서 50 시간 동안 시효 열처리한 시편에 대해 캐비테이션 마모 부식
시험을 10 시간 한 후 마모된 시편의 측면을 광학현미경을 통 해 미세조직을 관찰하였다(Fig. 7). 고용화 열처리된 실험합금 SR-4DX의 경우 페라이트 상이 선택적으로 파괴된 것을 볼 수 있다(Fig. 7(a)). 오스테나이트 상에 비해 상대적으로 높은 경 도 값을 갖는 페라이트 상은 소성변형이 어렵고 응력을 가하면 파괴가 일어나는 취약한 상이고, 오스테나이트 상은 소성변형이
Fig. 5. Effects of aging time at 475
oC on the hardness of the alloy-
SR4DX.
Fig. 6. Effect of aging time at 475
oC on the resistance to cavitation
erosion of alloy-SR-4DX and the commercial alloy: (a)
weight loss, (b) mean depth of penetration and (c) cavitation
erosion resistance.
잘 일어나는 연성의 상이다. 그러므로 페라이트 상이 선택적으 로 파괴된다고 할 수 있다. 그러나, 고용화 열처리한 시편에 비해 475oC에서 50 시간 동안 시효 열처리한 시편의 경우, 페 라이트 상과 오스테나이트 상이 함께 마모된 모습을 볼 수 있 다(Fig. 7(b)). 이렇게 시효 열처리에 의해 캐비테이션 마모 저 항성이 증가하였던 이유는 시효 열처리에 의해 페라이트 상의 결정입계 및 입내에 고경도의 W-rich α' 상들이 석출하였기 때문인 것으로 판단된다.
4. 결 론
슈퍼 듀플렉스 스테인리스강의 마모 특성을 규명하기 위해, 캐비테이션 마모 시험, 경도 시험 및 투과전자현미경 미세조직 관찰을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 475oC에서 시효 열처리 시간이 증가함에 따라 페라이트 상이 고경도의 W-enriched α' 상으로 변태함으로써, 페라이트 상의 Vickers 경도 (Hv)가 크게 증가하였으나, 오스테나이트 상 의 경도의 변화는 거의 없었다. 페라이트 상의 경도의 증가에 기인하여 Rockwell (scale-C) 경도가 증가하였음을 확인하였다.
2) 475oC에서 시효 열처리 시간이 증가함에 따라 캐비테이 션 마모 저항성이 향상되었던 이유는 고경도의 W-rich α' 상 이 페라이트 상의 결정입계 및 입내에 석출하였기 때문이다.
참 고 문 헌
