한국해양공학회지제 28 권제 4 호, pp 356-362, 2014 년 8 월 / ISSN(print) 1225-0767 / ISSN(online) 2287-6715 Original Research Article Journal of Ocean Engineering and Technology 28(4), 356-362 August, 2014 http://dx.doi.org/10.5574/ksoe.2014.28.4.356 용접재료별주강피스톤크라운용접부위의부식특성에대한평가 문경만 * 김윤해 * 이명훈 ** 백태실 *** 김진경 **** * 한국해양대학교공과대학조선기자재공학부 ** 한국해양대학교해사대학기관공학부 *** 포항대학교제철산업과 **** 한국해양수산연수원교육연구본부 Evaluation of the Corrosion Property on the Welded Zone of Cast Steel Piston Crown with Types of Electrode Kyung-Man Moon *, Yun-Hae Kim *, Myeong-Hoon Lee **, Tae-Sil Baek *** and Jin-Gyeong Kim **** * College of Engineering, Korea Maritime and Ocean Univ. Busan, Korea ** College of Maritime Sciences, Korea Maritime and Ocean Univ. Busan, Korea *** Department of steel industry, Pohang College. GeongBuk, Korea **** Education Division, Korea Institute of Maritime and Fisheries Technology. Busan, Korea KEY WORDS: Corrosion Potential 부식전위, Galvanic Cell 갈바닉전지, Weld Metal 용접금속, Heat Affected Zone 열영향부, Arc Welding 아크용접 ABSTRACT: Wear and corrosion of the engine parts surrounded with combustion chamber is more serious compared to the other parts of the engine because temperature of the exhaust gas in a combustion chamber is getting higher and higher with increasing of using the heavy oil of low quality. Therefore, an optimum repair weldment as well as an available choice of the base metal for these parts are very important to prolong their lifetime in a economical point of view. It reported that there was an experimental result for repair weldment on the forged steel which would be generally used with piston crown material, however, it is considered that there is no study for the repair weldment on the cast steel of piston crown material. In this study, four types of electrodes such as 1.25Cr-0.5Mo, 0.5Mo Inconel 625 and 718 were welded with SMAW and GTAW methods on the cast steel which would be generally used with piston crown material. And the corrosion properties of weld metal, heat affected zone and base metal were investigated using electrochemical methods such as measurement of corrosion potential, anodic polarization curves, cyclic voltammogram and impedance etc. in 35% H 2SO 4 solution. In the cases of Inconel 625, 718, the weld metals and base metals exhibited the best and worst corrosion resistance respectively, however, 1.25Cr-0.5Mo and 0.5Mo indicated that corrosion resistance of the base metal was better than the weld metal. And the weld metal welded with electrodes of Inconel 625 revealed the best corrosion resistance among the electrodes, and Inconel 718 followed the Inconel 625. Hardness relatively also indicated higher value in the weld metal compared to heat affected zone and base metal. In particular, Inconel 718 indicated the highest value of hardness compared to other electrodes in the heat affected zone. 1. 서론 1970년대유류파동이후세계적인유가상승으로연료비가앙등함에따라 C 중유를사용하는대형선박디젤기관의연료는더욱저질화되어연료자체의비중은물론불순물의함량또한증가되었다. 이런저질중유로운전하는디젤기관에서연소실구성부품인피스톤크라운에서링홈의마멸증대및중유중에함유되어있는바나듐 (V) 과유황 (S) 에의한고온부식과 저온부식등 (Jeon, 1985) 과연료분사시미연소탄소입자의부착등이피스톤크라운과실린더헤드의폭발면에소손과균열등의발생을일으키는원인이되고있다. 따라서이러한피스톤크라운, 실린더헤드의폭발면을신조선은물론운항중인선박의경우에도선주의요구에의해용접방법을선급의인정을받아서덧살붙임보수용접을하여사용함으로써수명연장에따른경제적인효과를얻고있다. 한편일반적인강구조물의용접부에대한기계적특성 (Kim et al., 2006; Kim, et al., 2000) Received 24 April 2014, revised 20 August 2014, accepted 22 August 2014 Corresponding author Jin-Gyeong Kim: +82-051-620-5791, jg21kim@naver.com c 2014, The Korean Society of Ocean Engineers 356
용접재료별주강피스톤크라운용접부위의부식특성에대한평가 357 과부식 (Tsay et al., 1997; Moon et al., 2003; Bilmes et al., 2006) 등에관한연구는많이발표되고있으나, 상기한부품들의수명연장을위해이런보수용접을할경우, 이들용접부위즉, 모재, 용접열영향부및용접금속의기계적성질과내식성비교평가등에대한연구결과는거의없는실정이다. 본연구에서는피스톤크라운을주강으로제작한경우, 실제주강의한부분을모재로하고여기에몇종류의용접재료로피복아크용접 (SMAW, Shielded metal arc welding) 과가스텅스텐아크용접 (GTAW, Gas tungsten arc welding) 을하였을때, 용접재료의종류에따른모재, 용접열영향부및용접금속의내식성의비교평가를전기화학적인측면에서비교고찰하였다. 따라서본연구의결과는주강제품인피스톤크라운을몇종류의용접재료로 SMAW 와 GTAW를하였을경우, 용접재료의종류에따른각용접부위에대한내식성의차이와특성을비교고찰함으로써최적의용접재료의사용가능성에대한참고자료를제공하는데그의미가클것으로사료된다. Fig. 1 Photographs of the test specimen sample with base metal(bm), heat affected zone(haz) and weld metal(wm). 2. 사용재료및실험방법 2.1 용접재료및용접방법본실험에서모재로사용된주강용피스톤크라운재료는 Cr-Mo 저합금내열강이며, 합금성분의특성을 Table 1에서보여주고있다. 또한, 본실험에사용된용접재료의종류는 1.25Cr-0.5Mo (AWS E 8016-B2), 0.5Mo(AWS E 7016-A1), Inconel 625(AWS ER NiCrMo-3) 및 Inconel 718(AWS ER NiFeCr-2) 이고, 초기의 용접할시험편모재는두께 50mm, 폭 260mm, 길이 410mm로제작하였으며, 이들시험편의중심부에직경 20mm와깊이 3.5mm의홈을일정한간격으로 4곳을판후 1.25Cr-0.5Mo, 0.5Mo의 φ4 용접재료는 SMAW 로, Inconel 625 및 Inconel 718 의 φ2.4 용접재료는 GTAW로직류정극성용접을수행하였다. 그리고이들로부터실험할시험편을가로 70mm, 세로 20mm, 두께 10mm의크기로기계가공한후돌출된용접금속을모재와평활하게선반가공하였다. 가공된시험편을에칭 (Etching) 한모습을 Fig. 1에나타내고있으며, 각용접재료의화학성분 Table 1 Chemical composition and mechanical property of base metal(wt %) Chemical composition(wt %) Y.S T.S E.L C Si Mn P S Cr Mo Ni (MPa) (%) 0.18 0.50 0.69 0.014 0.006 1.29 0.46 0.02 489 631 22.6 Table 2 Comparison of chemical composition (wt %) and mechanical properties of various electrodes. Types Chemical composition(wt %) C Mn Si P S Cr Mo Ni Ti Nb+Ta Fe 1.25Cr-0.5Mo 0.07 0.72 0.51 0.012 0.004 1.26 0.51 - - - bal 0.5Mo 0.06 0.74 0.52 0.012 0.008-0.53 - - - bal Inconel625 0.012 0.04 0.04 0.003 0.001 22.22 8.73 64.40 0.18 3.62 0.42 Inconel718 0.06 0.01 0.09 0.003 0.001 17.55 2.96 52.60 0.95 5.10 20.0 Mechanical properties Types Yield point Tensile strength Elongation (MPa) (MPa) (%) 1.25Cr-0.5Mo 550 640 25 0.5Mo 540 630 28 Inconel625 326 829 55 Inconel718 965 1069 17
358 문경만 김윤해 이명훈 백태실 김진경 과기계적성질은 Table 2에나타내고있다. 2.2 실험방법기계가공된시험편을사포 100번에서 2000번까지연마한후에칭 (Etching) 하여용접금속 (WM, Weld metal) 과열영향부 (HAZ, Heat affected zone) 및모재 (BM, Base metal) 로구분하였고, 각부위의노출면적 1cm 2 ( 열영향부 0.25cm 2 ) 만을남기고나머지는실리콘수지로절연시켰으며, 가장자리에구멍을뚫고동선을연결하여시험편을제작하였다. 시험용액은 35% 황산용액을사용하였으며, 부식전위변화및양극분극곡선과부식전류밀도를측정하였다. 그리고사이클릭 (Cyclic) 선도변화와임피던스 (Impedance) 를측정하고표면의경도와사이클릭볼타모그램 (Cyclic voltammogram) 으로 15 사이클후의부식된표면을관찰하였다. 실험에사용된측정장치는 Won. A. Tech 사가수입판매하는 CMS-100 프로그램이며, 기준전극은 SCE 전극, 대극은백금을사용하였고, 주사속도는 1mV /s, 그리고 Delay time 은 1800초로하였다. 단, 사이클릭선도변화측정은 +1.5V ~ -0.5V 영역에서 30mV /s의주사속도로하였으며, 부식된표면사진은멀티미디어영상현미경 (Sometech사, Model: SV35) 으로 300배배율로관찰하였다. 에칭한시험편의표면을용접금속중심부에서모재방향으로향하여 2mm 간격으로경도를각각 3회측정하여평균값을구하였다. 3. 실험결과및고찰 Fig. 2는각용접재료로용접한경우용접부의경도변화를나타내고있다. 3 종류의용접재료즉, 1.25Cr-0.5Mo, 0.5Mo 및 Inconel 625의경우에는용접금속의경도가높고열영향부와모재로갈수록경도가낮아지는경향을나타내고있으며, Inconel 718 경우에는열영향부의경도가용접금속과모재에비해서높은경향을나타내었다. 일반적으로용접열영향부가급랭에의한담금질효과로경도가상승하고용접금속의경도가낮아지는경우가있으나, 다층용접이나경우에따라서는용접재료의성분이모재로혹은모재의성분이용접금속으로확산이동하 여용접금속의경도가높고열영향부의경도가오히려낮아지는경우도있다는연구결과도있다 (Ahn et al., 2005; Jones, 1998; Muylder et al., 1996; Shin, 1984). 본용접실험의경우모재의합금성분이 Table 1에서알수있듯이 Cr, Mo 및 Ni이각각 1.29%, 0.46% 및 0.02% 함유되어있음을알수있다. 그런데 Table 2에서알수있듯이 1.25Cr-0.5Mo, 0.5Mo, Inconel 625 및 Inconel 718의용접재료인경우 Cr, Mo 및 Ni의함량이 Table 1의모재에비해서훨씬많다는사실을알수있다. 따라서전술한급랭의효과나모재에서용접금속으로성분의이동보다는경도에영향을미치는용접재료의화학성분이모재에비해서월등히많이함유되어있으므로용접금속과열영향부가모재에비해서경도가높게나타나는것으로생각된다. Fig. 3은 4 종류의용접재료로용접한경우각용접금속의조직변화를나타내고있다. 1.25Cr-0.5Mo 용접재료로용접한경우에는검은색상의펄라이트 (Pearlite) 가많이나타나고있으며흰바탕의페라이트 (Ferrite) 가혼재하고있음을알수있다. 또한 0.5Mo 용접재료의경우에는침상형태의페라이트 (Ferrite) 가증가한양상을알수있으며, Inconel 625와 Inconel 718 용접재료로용접한경우에는펄라이트 (Pearlite) 조직은거의사라지고둥근모양의페라이트 (Ferrite) 조직이주로나타나고있음을알수있다. 이것은 Table 2에서알수있듯이 Inconel 625와 Inconel 718 용접재료의 Cr, Mo 및 Ni의성분이 1.25Cr-0.5Mo, 0.5Mo 의용접재료에비해서현저하게많이함유되어있으며, 이들성분이조직과경도의변화에영향을미친것으로생각된다. Fig. 4는 4종류의용접재료로용접한후각용접금속의부식전위변화를보여주고있다. Inconel 625 용접재료로용접한경우의용접금속의부식전위가가장높은값을나타내고있으며, 다음으로 Inconel 718 용접재료로용접한경우가높은값을나타내고있음을알수있다. 그리고 1.25Cr-0.5Mo 과 0.5Mo 용접재료로용접한경우의용접금속은상대적으로현저하게낮은부식전위를나타내고있다. 일반적으로해수용액에서는동일해수용액의용존산소농도는같기때문에염소이온에의한피막의파괴에의해서양극분극의감소로부식전위가낮아지는 Fig. 2 Variation of Vickers hardness of welding zones welded with various electrodes Fig. 3 Comparison of microstructures of weld metals welded with four types of electrode ( 300)
용접재료별주강피스톤크라운용접부위의부식특성에대한평가 359 도의근사값으로간주할수있다고생각된다. 일반적으로양극및음극분극곡선에의해부식전류밀도를구하는경우에는다음의 (1) 식과같이 Stern-Geary 식 (Moon, 1999) 을이용하여컴퓨터시뮬레이션에의해서부식전류밀도를구하는경우가많다. (1) : 부식전류밀도, : 공급전류밀도, : 과전압, : 양극및음극타펠기울기 Fig. 4 Time dependence of corrosion potentials for weld metals in the case welded with four types of electrode Fig. 5 Comparison of anodic polarization curves for weld metals in the case welded with four types of electrode 것으로추측하며, 동시에내식성이상대적으로좋지않은것으로판단하는경우가일반적이다. 그러나본실험의경우에는 35% 황산용액에서측정한부식전위이다. 고농도의황산용액에서는양극의산화반응과함께음극의환원반응즉, 수소발생반응 (2H + + 2e H 2) 과수소이온과용존산소에의한환원반응 (O 2 + 4H + + 4e 2H 2O) 에의해부식전위가형성되므로부식전위가낮은값을나타낸다고해서반드시내식성이상대적으로좋지않은것으로단언할수없다고생각된다. 왜냐하면부식전위의형성이양극에의한지배혹은음극에의해지배되는경우가있기때문이다. Fig. 5는각용접재료로용접한경우의용접금속에대한양극분극곡선을보여주고있다. 분극곡선상에서가로형태의화살표로나타나는부동태전류밀도가 Inconel 625 용접재료로용접한경우가가장낮은값을나타내며그다음으로 Inconel 718이며, 1.25Cr-0.5Mo 과 0.5Mo 용접재료로용접한경우상대적으로부동태전류밀도가높은값을나타내고있음을알수있다. 그리고분극곡선상에서수직화살표로표시하는지점의전류밀도는부식전위상태에서출발하는전류밀도이므로부식전류밀 상기의식 (1) 에의해부식전류밀도를구하는경우, 양극과음극의기울기가분극곡선의형태에따라변하게되어있다. 그리고시험편의재질의특성과주사속도및용액의유동유무등에따라서컴퓨터시뮬레이션에의해서구한부식전류밀도의값이경우에따라서는다른분극의내식특성예를들면, 임피던스, 혹은사이클릭선도등과일치하지않는경우가종종있음을알수있었다. 따라서본연구에서는전술한바와같이수직의화살표에대응하는전류밀도를부식전류밀도의근사값으로간주하고다른분극특성과비교고찰하기로하였으며, 이들값을 Fig. 6에정리하여나타내고있다. Fig. 6에서알수있듯이 Inconel 625의부식전류밀도가가장낮은값을나타내고있으며그다음으로 Inconel 718임을알수있다. 그리고 0.5Mo 용접재료의경우부식전류밀도가가장높은값을나타내고있으며 1.25Cr-0.5Mo 가그다음으로높은부식전류밀도를나타내었다. Fig. 7은각각의용접재료로용접한경우용접금속의임피던스변화를나타내고있다. Inconel 625와 Inconel 718 용접재료로용접한경우가장높은임피던스값을나타내고있으며, 0.5Mo 와 1.25Cr-0.5Mo 의경우상대적으로현저하게낮은임피던스값을보여주고있음을알수있다. 지금까지실험결과에서부식전위, 부동태전류밀도, 부식전류 Fig. 6 Corrosion current densities of weld metals obtained from anodic polarization curves
360 문경만 김윤해 이명훈 백태실 김진경 Fig. 7 Variation of impedances for weld metals in the case welded with four types of electrode Fig. 9 Comparison of cyclic voltammogram curves for weld metals in the case welded with four types of electrode Fig. 8 Morphologies of corroded surfaces of weld metal after drawing anodic polarization curves 밀도및임피던스값의상호관계가잘일치하고있음을알수있었다. 예를들면, 부식전위가높은값을가질수록부동태및부식전류밀도가낮으며임피던스값이큰경향을나타내었다. Fig. 8은양극분극곡선후의부식된표면의상태를비교하여나타내고있다. 1.25Cr-Mo 과 0.5Mo 용접재료로용접한경우의용접금속은표면에공식과같은국부부식이많이관찰되고있음을알수있으며, Inconel 625와 Inconel 718의경우에는국부부식의양상은보이지않으며, 전면부식의형태가나타나고있음을알수있다. 특히 Inconel 625의경우에는부식된표면이평활한모습을보여주고있음을알수있다. Fig. 9는각각의용접재료로용접한경우용접금속의사이클릭선도변화를보여주고있다. 그림에서알수있듯이양분극의영역에서는 Inconel 625와 Inconel 718의용접금속이수직의양상을보이고다른두용접재료의경우에는오른쪽으로기울고있음을알수있으며, 음분 Fig. 10 Comparison of anodic polarization curves of heat affected zones welded with four types of electrode 극의영역에서는 Inconel 625와 Inconel 718의경우음분극이큰경향을나타내었다. 따라서 Inconel 625와 Inconel 718 용접금속이 1.25Cr-0.5Mo과 0.5Mo 용접금속에비해서분극저항이크다는사실을알수있다. 결과적으로사이클릭선도의분극특성도 Fig. 6의내식특성과거의일치하는경향이있음을알수있었다. 지금까지실험결과에서 Inconel 625와 Inconel 718의용접금속이 1.25Cr-0.5Mo 과 0.5Mo의용접금속에비해서내식성이우수한이유는 Table 2에서알수있듯이 Inconel 625와 Inconel 718 용접재료의합금성분즉, 내식성에영향을미치는 Cr, Mo 및 Ni의함량이1.25Cr-0.5Mo과 0.5Mo 용접재료에비해서훨씬많이함유되어있기때문으로생각된다. Fig. 10은각각의용접재료로용접한경우열영향부의양극분극곡선을나타내고있다. 가로형의화살표에서표시하는부동태전류밀도는 Inconel 625의경우가가장낮은값을나타내고있음을알수있다. 그리고수직의화살표에대응하는전류밀도를부식전류밀도로간주하여정리한결과를 Fig. 11에나타내고
용접재료별주강피스톤크라운용접부위의부식특성에대한평가 361 Fig. 11 Comparison of corrosion current densities for heat affected zones welded with various electrodes Fig. 13 Comparison of anodic polarization curves of weld metal, heat affected and base metal welded with 1.25Cr-0.5Mo type of electrode Fig. 12 Comparison of anodic polarization curves of weld, heat affected and base metal welded with Inconel 625 type of electrode 있다. Fig. 11에서알수있듯이 Inconel 625의열영향부의부식전류밀도가가장낮은값을보여주고있으며다음으로 Inconel 718임을알수있다. 그리고 1.25Cr-0.5Mo 과 0.5Mo으로용접한경우의열영향부의부식전류밀도가상대적으로높은값을나타내었다. 결과적으로열영향부에서나타나는내식특성도용접금속의큰차이가없음을알수있다. Fig. 12는 Inconel 625로용접한경우의각용접부위에대한양극분극곡선을나타내고있다. 그림에서알수있듯이수직과가로의화살표에서각각나타내는부식전류밀도와부동태전류밀도는용접금속이가장낮고모재가가장높은전류밀도를보여주고있음을알수있다. 또한 Inconel 718의경우에도같은경향을나타내었다. 그러나 Fig. 13의 1.25Cr-0.5Mo 용접재료의경우에는수직과가로의화살표에서알수있듯이부식전류밀도와부동태전류밀도가모재의경우가오히려용접금속보다좋은경향을나타내었음을알수있다. 그리고 0.5Mo 용접재료의 Fig. 14 Comparison of corrosion current densities for weld metal, heat affected zone and base metal welded with various electrodes 경우에도같은경향을나타내었다. Fig. 14는각각의용접재료로용접한경우각용접부위에대한부식전류밀도를막대그래프로비교하여나타내고있다. Inconel 625와 Inconel 718 용접재료경우에는용접금속의부식전류밀도가가장낮고모재의부식전류밀도가가장높은값을보여주고있다. 그리고 1.25Cr-0.5Mo과 0.5Mo 용접재료경우에는오히려모재의부식전류밀도가상대적으로용접금속과열영향부에비해서낮은값을나타내고있음을알수있다. 이것은전술한바와같이 Inconel 625와 Inconel 718의경우에는 Cr, Mo 및 Ni의함량이 Table 1의모재에비해서훨씬많이함유되어있으며, 반면에 1.25Cr-0.5Mo 은 Table 1의모재에비해서 Cr 의함량이적고 Ni이함유되어있지않으며, 또한 0.5Mo 용접재료는 Cr과 Ni이함유되어있지않은것에기인하는것으로생각된다.
362 문경만 김윤해 이명훈 백태실 김진경 4. 결론지금까지주강피스톤크라운의금속재질을시험할시험편을원판으로하여 4 종류의용접재료로용접한경우, 각용접부위에대한경도및내식특성을비교고찰한결과다음과같은결론을얻을수있었다. (1) 모든용접금속의경도는모재에비해서높은값을나타내었으며, 열영향부에서는 Inconel 718 용접재료의경우가가장높은값을나타내었다. (2) 용접금속의내식성은 Inconel 625의경우가가장좋았으며, 그다음으로 Inconel 718 용접재료이었다. 또한열영향부의경우에도같은경향을나타내었다. (3) Inconel 625와 Inconel 718 용접재료의용접금속이모재에비해서내식성이우수하였으나, 1.25Cr-0.5Mo 과 0.5Mo 용접재료의경우에는오히려모재가용접금속과열영향부에비해서내식성이우수하였다. (4) 결과적으로각용접부위에대한내식특성의변화는용접재료중합금성분의종류와함량에영향을받는것으로생각된다. References Ahn, S.H., Jeong, J.H., Nam, K.W., 2005. Evaluation of Characteristic for SS400 and STS304 steel by Weld Thermal Cycle Simulation. Journal of Ocean Engineering and Technology, 19(4), 64-71. Bilmes, P.D., Liorente, C.L., Saire Huaman, Gassa L.M., Gervasi, C.A., 2006. Microstructure and Pitting Corrosion of 13CrNiMo Weld Metal. Corrosion Science, 48, 3261-3270. Jeon, D.H., 1985. Control of the Corrosion and Anti-corrosion. Iljoongsha, 426-428. Jones, D.A., 1998. Principles and Prevention of Corrosion. Original American Edition Published by Prentice-Hall, Inc., 314. Kim, J.G., Kang, M.S., Kim, Y.S., 2006. A Study on Characteristics of Repair Welding for Cast Iron Part of Diesel Engine for Ship. Journal of Ocean Engineering and Technology, 20(2), 41-45. Kim, M.N., Kim, B.I., Han, J.D., 2000. A Study of Mechanical Properties of Underwater Wet Welding Electrode. Journal of Ocean Engineering and Technology, 14(4), 56-61. Moon, K.M., 1999. Practical Electro Chemistry. Hyosung Publishing Co., 177. Moon, K.M., Lee, M.H., Kim, K.J., Kim, J.G. Kim, S.J., 2003. A Study on the Post-Weld Heat Treatment Effect to Mechanical Properties and Hydrogen Embrittlement for Heating Affected Zone of a RE36 Steel. Corrosion Science and Technology, 2(6), 283-288. Muylder, J.V., Pourbaix, M., 1966. Atlas of Electrochemical Equilibria in Aqueous Solution. Ed. by M. Pourbaix, Rergomon Press and Cebelcor, 260-509. Shin, M.K., 1984. New Edition Workshop Practice. Ah Sung Publishing Co., 244-245. Tsay, L.W., Lin, W.L., Chenct S.W., Leu G.S., 1997. Hydrogen Sulphide Stress Corrosion Cracking of 2.25 Cr-Mo Steel Weldments. Corrosion Science, 39(7), 1165-1176.