CORROSION SCIENCE AND TECHNOLOGY, Vol.14, No.2(2015), pp.93~98 pissn: 1598-6462 / eissn: 2288-6524 DOI: http://dx.doi.org/10.14773/cst.2015.14.2.93 SSC13 주강품의내부식특성에미치는고용화열처리영향 김국진 1, 임수근 2 박성준 3 1 ( 주 ) 하이스텐 2 경상대학교대학원재료공정융합과 3 가천대학교바이오나노연구원 (2015 년 2 월 2 일접수, 2015 년 4 월 27 일수정, 2015 년 4 월 27 일채택 ) Effects of the Solid Solution Heat Treatment on the Corrosion Resistance Property of SSC13 Cast Alloy Kuk-Jin Kim 1,, Su-Gun Lim 2, and S. J. Pak 3 1 Hi-Sten Co., Ltd., Gimhae City, Korea 2 Dept. Materials Manufacturing Processes Graduate School, Gyeongsang National University, 501 Jinju Main Street, Jinju, 660-701 3 Gachon BioNano Research Institute, Gachon University, Sungnam City, Korea (Received February 02, 2015; Revised April 27, 2015; Accepted April 27, 2015) Recently, Stainless steels have been increasingly selected as the fitting or the valve materials of water pipes as the human health issue is getting higher and higher. Therefore, the connectors attached at pipes to deliver water are exposed to more severe environments than the pipes because crevice or galvanic corrosion is apt to occur at the fittings or the valves. Effects of the solid solution annealing, cooling rate after this heat treatment, and passivation on the corrosion properties of the shell mold casted SSC13 (STS304 alloy equivalent) were studied. The heating and quenching treatment more or less reduced hardness but effectively improved corrosion resistance. It was explained by the reduction of delta ferrite contents. Independent of heat treatment, the chemical passivation treatment also lowered corrosion rate but the improvement of corrosion resistance depended on temperature and time for passivation treatment indicating that the optimum conditions for passivation treatment were the bath temperature of 34 o C and operating time of 10 minutes. Therefore it is suggested that the corrosion resistance of SSC13 can be effectively improved with the heat treatment, where SSC13 is heated for 10 minutes at 1120 C and quenched and passivation treatment, where SSC13 is passivated for at least 10 seconds at 34 C nitric acid solution. Keywords : SSC13, ferrite content, fittings, heat treatment, passivation 1. 서론 상하수도배관에서사용되는관이음쇠및밸브의부식에의해발생되는녹은수돗물의안정성과수질에큰영향을끼치고누수률상승의주요요인이되므로국민생활건강및경제에파급되는영향이크다. 이로인해토양환경등에대한내부식성과기계적성질이우수한스테인리스강이배관뿐만아니라관이음쇠및밸브재료로사용되는추세이다. 하지만스테인리스강주강품의경우다양한제조조건에따라서내식성이달라진다. 우수한내식성을지닌스테인리 Corresponding author: histen_m@histen.co.kr 스강주강품의개발을위해서는새로운기술표준의제정이필요하다. 그동안주철등의합금은오래전부터사용되어왔으나스테인리스강의사용은그역사가오래되지않았으며특히상수도분야에서재료는최근에개발되었다 1). 스테인리스강의주요성분인크롬은내식성이우수하므로다양한종류의스테인리스강합금이제작되어경수로재료등각종구조물에광범위하게사용되고있다 2). 뿐만아니라우수한내식성으로인하여의료, 선박, 해수파이프, 건설구조용과고온재료에적용되어왔다 3-4). 그러나최근환경오염의증대와더불어각종산업구조물에사용되는스테인리스강합금의경우더욱더우수한기계적및내부식성특성을요구하고있다. 그중에서 SSC13 합금은우수한내부식
EKUK-JIN KIM, SU-GUN LIM, AND S. J. PAK Table 1. Chemical composition of stainless steel casting material (SSC13) (wt.%) C Si Mn P S Ni Cr SSC13 0.07 1.29 1.11 0.02 0.01 8.26 18.22 Table 2. Summary on treatments used for these tests Treatment No. Heat Treatment Passivation 1 No heat treatment No passivation 2 Annealing and quenching No passivation 3 Annealing and quenching Passivation for 10s at 34 C 4 Annealing and quenching Passivation for 30s at 34 C 5 Annealing and quenching Passivation for 60s at 34 C 6 Annealing and quenching Passivation for 10s at 23 C 7 Annealing and quenching Passivation for 30s at 23 C 8 Annealing and quenching Passivation for 60s at 23 C 성과강도를가지고있어가장널리사용되는스테인리스강합금이다. 스테인리스주강품의경우내부식성및기계적성질을높이기위해고용화열처리를실시하는경우가많다. 한국주물공업협동조합의스테인리스주강품규격인 SPS- KFCA-D4103-5006 에언급된바와같이고용화열처리의조건과관련열처리에따른기계적성질에관해서는자세히언급되어있지만열처리에따른내식성의변화와내식성의판정기준에대하여는언급되어있지않다. 이외에현재주강품의고용화열처리필요성에대한인식부족및비용문제로대부분의업체에서열처리가시행되지않는다. 이를해결하기위해본연구에서는스테인리스강 (SSC13) 을셀몰드주조하여관이음쇠를제작하고, 고용화열처리후금속조직에서의페라이트함량이내부식성에미치는영향과페라이트함량에따른고용화열처리의판정유무에대하여고찰해보았다. 2. 연구방법 SSC13 을고주파용해로에서용해하여주조한이후주형외부를공냉하였다. 주조재는실제상하수도관에사용되는 50 A의 90도엘보우형태의관이음쇠 ( 이하시편 ) 이며주 조재의화학적조성은 Table 1와같다. 시편을설정온도대비 ±2 이내로제어되는열처리노에장입하고 1120 에서 10 분동안유지시켰다. 이후 Table 2에표시된바와같이시편을급냉하였다. 열처리가완료된시편은두께가 7.7 mm, 3 mm 가되는부위로두께방향과수직이되는방향으로마찰열을방지하기위해밴드쏘를사용하여절단하였다. 절단된면은연마하여경도측정하고, 에칭액 ( 질산 : 염산 = 3:1) 을사용하여미세조직을관찰하고 ASTM A 262-02C 에언급된오스테나이트스테인리스강부식감수성탐지를위한질산시험에따라질산 65 % 용액을사용하여스테인리스강내식성에대한화학적실험을실시하였다. 내식성실험전에 Table 2에표시된바와같이일부시편은질산 5 % 용액에서 23 와 34 에서부동태처리를실시하여부동태처리에따른내식성변화를조사하였다. 또한, 염도가 4.6 % 인온도 25 염수에서 2 시간최대속도분무시험후관찰한부식된표면상태를보여주고있다. 페라이트측정실험에사용된측정장치는 Fischer 사의페라이트함량측정기를사용하였다. 부식된표면사진은멀티미디어영상현미경 (Nikon 사 ) 으로 400 배율로관찰하였다. CORROSION SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol.14, No.2, 2015
EFFECTS OF THE SOLID SOLUTION HEAT TREATMENT ON THE CORROSION RESISTANCE PROPERTY OF SSC13 CAST ALLOY Fig. 1. Brinell hardness of specimens before and after annealing at 1100 for 10 minutes. (a) (b) (c) Fig. 2. Optical microstructures of (a) inner cross sectional area, (b) middle cross sectional area and (c) outer cross sectional area of shell mold casted SSC13 alloy (Scale bar indicates 100 µm.). 3. 연구결과및고찰 3.1 기계적성질에대한고찰 Fig. 1은 1120 에서 10 분유지후급냉한열처리유무에따른경도값을나타내고있다. 열처리를하지않은시편은 SPS-KFCA-D4103-5006 에서규정한 183이하의경도유지를대부분위배하였으나열처리이후에는모든시편이 SPS-KFCA-D4103-5006 의경도규정을만족시켰다. Fig. 2는열처리하지않은주조재의 400배광학현미경조직사진을보여주고있다. 오스테나이트스테인리스합금에대한상태도와연속냉각에의한상변태곡선 5) 으로부터 Fig. 2에나타난백색의밝은영역은오스테나이트상이며짙은선은델타페라이트상임을보여준다. 낮은냉각속도에서관찰되는델타페라이트상이몰드주조재에서도관찰 되는이유는주조에사용되는몰드가실제낮은속도로냉각되기때문으로생각된다. Fig. 3는고용화열처리후내면, 중간부그리고외면근처의단면조직사진으로열처리전에비해델타페라이트함량이감소하고오스테나이트상 ( 에칭되지않은부분 ) 이증가하였으며또한결정립이선명하게관찰되었다. 그러므로 Fig. 1에나타난열처리에따른경도의감소는 Fig. 3과 Fig. 4에나타난바와같이열처리에따른델타페라이트상의감소와오스테나이트상인기지의결정립성장에의한것으로판단된다. 3.2 고용화열처리에의한투자율및내부식성의변화 Fig. 4는 1120 에서 10 분유지한후수냉된 (Treatment No. 2) 각시험편의두께에따른델타페라이트함량변화를나타내고있다. 시편에따라차이가있으나열처리되고시 CORROSION SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol.14, No.2, 2015
EKUK-JIN KIM, SU-GUN LIM, AND S. J. PAK (a) (b) (c) Fig. 3. Optical microstructures of (a) inner cross sectional area, (b) middle cross sectional area, and (c) outer cross sectional area of shell mold casted SSC13 alloy annealed at 1120 for 10 minutes. (Scale bar indicates 100 µm). Fig. 4. Ferrite content (%) of specimens before and after the heat treatment with thickness 3mm and 7.7 mm (right and left side of the specimens). Treatment Number Fig. 5. Relationship between weight loss (%) and the specimens with or without heat treatment. CORROSION SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol.14, No.2, 2015
EFFECTS OF THE SOLID SOLUTION HEAT TREATMENT ON THE CORROSION RESISTANCE PROPERTY OF SSC13 CAST ALLOY 25mm Fig. 6. Result of 2-hr salt spray test of (a) and (c) heat treated specimen and (b) and (d) non-heat treated specimen. 편의두께가얇은시편일수록낮은델타페라이트함량을지니고있다. 그러나 7.7 mm 두께의시편의경우오른편과왼편의함량이유사한것으로보아두께좌우방향으로페라이트함량의변화는없는것으로판단된다. 이는 Fig. 2의사진에나타난열처리된시편에서상대적으로델타페라이트함량의감소와일치하였다. Fig. 5은 1120 에서고용화열처리후부동태처리에따른화학부식에의한무게감소율변화를보여주고있으며 Fig. 6은최대분무속도를사용한염수분무시험결과를보여주고있다. 그림에서알수있듯이열처리전후무게감소율변화가있음을알수있으며특히열처리후부동태처리된시편 (Treatment No. 3) 에서가장적은값을나타내고있으며열처리되지않은시편 (Treatment No. 1) 의경우가가장큰값을나타내고있다. 그리고열처리에따라내부식성은높은값을나타내는경향이있음을알수있었다. 열처리하지않은시편 (Treatment No. 1) 에서는델타페라이트상의영향으로부식속도가증가한것으로생각된다. 그리고열처리에의해서결정립은조대화되고점진적으로델타페라이트상은감소함에따라부식속도는감소하는것으로판단된다. Fig. 5 에서볼수있듯이특히 Treatment No. 3과 Treatment No. 6 처리된시편에서내부식성이 가장좋았다. 이것은시험편의열처리와더불어최적부동태화공정으로내부식성이좋은것으로생각된다. 또한 Treatment No. 7 처리된시편에서다시내부식성이저하하는이유는미흡한부동태처리에의한것으로생각되나, 이에관하여향후좀더구체적인연구고찰이필요하다. Fig. 6은염도 4.6 % 인온도 25 염수에서 2 시간최대속도분무시험후관찰한부식된표면상태를보여주고있다. 고용화열처리를하지않은경우표면에부식현상이나타나고있음을알수있다. 그리고고용화열처리에의해서점차부식현상이감소하고고용화열처리된시편에서는부식이거의관찰되지않았다. 전술한바와같이고용화열처리를함으로써결정립이조대화되고점진적으로델타페라이트상은감소하여부식이억제되는것으로생각된다. 결과적으로고용화열처리에따른델타페라이트및크롬농도의변화에의해서내부식성의개선효과가얻어졌다고판단되었다 6-9). 4. 결론지금까지셀몰드주조한스테인리스강을 1120 의일정온도에서열처리했을때기계적성질과내부식성에미치는 CORROSION SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol.14, No.2, 2015
EKUK-JIN KIM, SU-GUN LIM, AND S. J. PAK 효과에대해서비교고찰한결과다음과같은결론을얻을수있었다. 1. 열처리를통하여경도의감소뿐만이니라내식성의향상이관찰되었으며, 이는델타페라이트함량의감소에의한것이다. 2. 열처리후부동태온도와시간이내식성에영향을미쳤다. 상온에서 10초간부동태처리가내식성을가장효과적으로향상시켰다. 3. 소형 SSC13 소재주물의내부식성향상에가장적합한열처리기술개발의중요한참고자료를제시하였다. References 1. Y. Hyun, H. Kim, Y.-H. Kim, H. Jang, Y. Park and Y. Choi, Corrs. Sci. Tech., 11, 56 (2012). 2. H. C. Choe, K. T. Moon and K. H. Kim, J. Corros Sci. Soc. of Kor., 21, 239 (1992). 3. E. C. Bain, R. H. Aborm and J. J. B. Rutherfold, Trans. Amer. Soc. Steel Treat., 21, 481 (1933). 4. S. J. Bullard, D. E. Larson and J. S. Dunning, Corrosion, 48, 891 (1992). 5. G. K. Allan, Ironmaking and Steelmaking, 22, 465 (1995). 6. S. T. Kim, K. H. Kong, I. S. Lee, Y. S. Park, J. H. Lee, and D. H. Kim, Corrs. Sci. Tech., 13, 95 (2014). 7. M. H. Brown, Corrosion, 30, 1 (1974). 8. S. H. Jeon, S. T. Kim, I. S. Lee, J. S. Kim, K. T. Kim, and Y. S. Park, Corrs. Sci. Tech., 9, 209 (2010). 9. S. Y. Kim, H. S. Kwon, H. S. Kim, Solid State Phenom., 124, 1533 (2007). CORROSION SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol.14, No.2, 2015