슈퍼 오스테나이트 스테인리스강의 용접 후 열처리 온도에 따른 내식특성

Abstract

대형 선박을 통한 해상운송은 전세계 물동량의 90 %이상을 차지하고 있다. 이러한 선박에서 연료유의 연소로 발생되는 물질은 전체 연료의 연소로 발생되는 물질의 약 20~30 %를 차지할 정도로 그 양이 상당하다. 그중 가장 문제가 되는 황산화물은 인체에 악영향을 미칠뿐만 아니라 산성비, 토양의 산성화 등 여러 가지 문제를 야기한다. 따라서 국제해사기구(International Maritime Organization, IMO)는 2020년부터 모든 해역에서 황함유량이 0.5 % 이하인 연료를 사용하도록 규제하였다. 강화된 규제에 대한 대응책은 저유황유나 액화천연가스(liquefied natural gas, LNG)의 사용 및 탈황설비의 설치 등이 있으며 탈황설비의 설치가 가장 현실적이고 가격 경쟁력있는 대안으로 평가받고 있다. 선박에서 사용되는 탈황설비는 주변의 해수를 활용할 수 있는 습식 탈황설비가 주를 이룬다. 그러나 습식 탈황설비는 해수에 포함 된 염분과 탈황과정 중 발생하는 황산 및 침전물 등으로 가혹한 환경이 형성되고 부식에 취약하게 된다. 특히 용접부와 열영향부에서 부식이 집중되는 사례도 빈번히 발생하여 문제가 되고 있는 실정이다.

본 연구에서는 이와 같은 용접부에서 발생하는 부식문제를 해결하기 위해 용접 후열처리를 실시하였다. 이에 따라 본 실험에서는 UNS N08031 모재 및 UNS N06625 용가재를 사용하여 GTAW(gas tungsten arc welding)법으로 용접하였다. 또한 용접 후열처리는 1,150, 1,160, 1,170 및 1,180 ℃에서 진행되었다.

그 후 용접 후열처리 온도에 따른 재료의 특성을 분석하기 위해 조직 구조 및 원소조성 분포의 분석은 물론 미세경도의 측정을 실시하였다. 또한 재료의 용접 후열처리 온도에 따른 내식 특성을 평가하기 위해 개방회로전위 (open circuit potential, OCP)측정을 통한 재료의 부식 거동 확인 및 재활성화분극(double loop - electrochemical potentiokinetic reactivation, DL-EPR)시험을 통한 재료의 예민화도 측정을 실시하였다. 그리고 전기화학적 임피던스 분광법(electrochemical impedance spectroscopy, EIS)을 통한 각 시험편 부동태 피막의 내식성 비교 및 임계공식온도(critical pitting temperature, CPT)시험을 통한 공식저항성 평가를 실시하였다.

상기 시험을 통해 1,160 ℃ 이상의 온도에서 용접 후열처리 실시한 경우 용접부에 존재하던 수지상 구조 및 이차상인 Laves 상이 고용되며 원소의 미세편석 현상이 해소되었음은 물론 열영향부에 존재하던 잔류응력이 해소되어 모재부와 비슷한 경도 분포를 보였다. 또한 미세편석 현상이 해소되어 개방회로전위측정 시험에서는 귀한 전위를 유지하였다. 재활성화 분극시험에서는 예민화 정도가 감소하여 높은 입계부식 저항성을 보였다. 그리고 전기화학적 임피던스 분광법에서는 재료의 분극저항이 크게 증가하였으며 부동태 피막의 두께도 증가한 것을 확인할 수 있었다. 마지막으로 임계공식온도시험에서는 1,160 ℃ 이상의 온도에서 열처리한 시험편은 열처리 하지 않은 경우보다 임계공식온도가 10 ℃ 상승한 80 ℃를 나타내었다.

이상의 시험을 통해 슈퍼 오스테나이트 스테인리스강은 1,160 ℃이상의 온도에서 용접 후열처리한 경우 미세편석이 해소되어 균일한 원소조성 분포를 가졌다. 그 결과 균일하고 안정적인 부동태 산화피막을 형성하여 내식성이 증가 하는 것으로 해명되었다.

즉, 본 연구를 통해 용접 후 열처리한 슈퍼 오스테나이트 스테인리스강은 탈황설비 모사 환경과 같이 가혹한 환경에서도 우수한 내식성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이 결과는 탈황설비뿐만 아니라 해양환경, 화학플랜트 및 제지산업 등과 같은 가혹한 부식 환경에도 응용 가능한 기초적인 지침을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.