오스테나이트계 스테인리스강에서 크리프-피로 특성에 영향을 미치는 입계탄화물 석출 및 제어에 관한 연구

Abstract

오스테나이트계 스테인리스강에서 크리프-피로 변형시 주요 손상기구인 입계 cavity의 유용한 생성 site를 제공하는 입계탄화물의 체계적인 연구는 미비한 실정이다. 이는 스테인리스강이 오래 전부터 널리 사용되는 재료라고 생각해 볼 때 놀라운 일이 아닐 수 없다. 본 연구에서는 대표적이면서 고온 구조용 재료로서 가장 많이 적용되고 있는 304와 316 스테인리스강을 이용하여 서로 다른 모양과 분포를 갖는 각각의 입계탄화물에 대한 석출 및 제어에 대하여 고찰하였다. 결과들을 간략히 요약하자면, 304 스테인리스강의 경우 입계특성에 따라 탄화물의 모양과 분포가 달라짐을 확인하였으며, 결정학적인 고찰을 통해 탄화물들이 석출 및 성장시 시스템의 계면 자유에너지를 최소화하기 위해 삼각형 모양의 탄화물이 편평한 입계위에 생성된다는 것을 확인하였다. 아울러 크리프-피로 변형시 cavity 생성은 입계탄화물 및 입계특성과의 상관관계가 있음을 확인하고 이를 해석하였다. 한편, 316 스테인리스강에서는 시효처리 초기에 탄화물이 석출되기 전 입계 serration이 발생된다는 것을 세계최초로 발견하였으며, 입계 serration 발생에 대한 결정학적, 열역학적 고찰을 통해 낮은 온도에서 입계의 계면 자유 에너지(방위차)를 줄이기 위해 자발적으로 발생하여 serrated된 입계는 안정된 configuration이라는 것을 제시하였다. 이러한 입계 serration 발생은 등온 열처리 조건에 밀접하게 의존하는데, 높은 용체화 및 시효처리 온도 조건에서는 발생하지 않음을 확인하였다. 여러 가지 체계적인 미세구조 관찰을 통해 입계 serration은 입계모양 뿐만 아니라 탄화물의 모양과 밀도 및 정합배열에 상당한 영향을 준다는 것을 알 수 있었다. 게다가 serrated된 입계위에 형성된 탄화물들의 특성은 cavity 생성 저항성에 상당히 유리하도록 석출된다는 사실로부터 입계 serration 유도를 통한 미세구조 제어를 제안하였다. 입계 serration 기구에 대한 이론적 배경을 토대로 실제적으로 노냉을 시켰을 경우 입계가 심하게 serrated된다는 것을 확인하였다. 이러한 크리프-피로 특성 향상을 위한 미세조직 제어방안을 실제적으로 304 및 316 스테인리스강에 적용시켜 보았으며, 직접 실험을 통해 실제 크리프-피로 특성이 상당히 향상된다는 것을 검증하였다. 따라서, 본 연구결과의 의미를 따져 본다면, 입계특성을 고려한 입계탄화물 석출기구 규명 및 characterization, cavity 생성기구와 상관관계 제시, 입계 serration 기구 고찰 등의 학문적인 의미 이외에도 크리프-피로 저항성이 우수한 재료개발을 위한 미세구조 제어방법을 제안하는 등의 새로운 고온재료개발에도 본 연구결과를 직·간접적으로 응용할 수 있을 것으로 사료되어 매우 독창적이며 실용적인 연구로서 평가될 수 있다고 사료된다.