1. 이론 시험 및 분석
3개 중타이어 밸브회사에서 제공한 샘플 2개 중 2개는 밸브이고, 1개는 아직 사용되지 않은 밸브입니다. A와 B 중 사용되지 않은 밸브는 회색으로 표시되어 있습니다. 그림 1을 종합적으로 보면, 밸브 A의 외면은 얕고, 밸브 B의 외면은 평평하며, 밸브 C의 외면은 평평합니다. 밸브 A와 B에는 부식 생성물이 덮여 있습니다. 밸브 A와 B는 굽은 부분에서 균열이 발생했으며, 굽은 부분의 바깥쪽은 밸브를 따라 균열이 이어지고, 밸브 B의 링 입구는 끝쪽으로 갈수록 균열이 커집니다. 밸브 A 표면의 균열 사이를 흰색 화살표로 표시했습니다. 위 그림에서 볼 수 있듯이, 균열은 곳곳에 있으며, 균열의 크기는 가장 크고, 균열은 모든 곳에 퍼져 있습니다.
한 부분타이어 밸브A, B, C 시편은 굽힘 부분에서 절단하였고, 표면 형태는 ZEISS-SUPRA55 주사전자현미경으로 관찰하였으며, 미세 영역의 조성은 EDS로 분석하였다. 그림 2(a)는 밸브 B 표면의 미세 구조를 보여준다. 표면에 흰색의 밝은 입자들이 많이 관찰되며(그림의 흰색 화살표 참조), 이 흰색 입자들에 대한 EDS 분석 결과 황(S) 함량이 높은 것으로 나타났다. 흰색 입자들의 에너지 스펙트럼 분석 결과는 그림 2(b)에 나타내었다.
그림 2(c)와 (e)는 밸브 B의 표면 미세구조를 나타낸다. 그림 2(c)에서 볼 수 있듯이 표면은 부식 생성물로 거의 완전히 덮여 있으며, 에너지 스펙트럼 분석 결과 부식 생성물의 부식성 원소는 주로 S, Cl, O이며, 특정 위치에서 S 함량이 더 높게 나타났다. 에너지 스펙트럼 분석 결과는 그림 2(d)에 나타나 있다. 그림 2(e)에서 밸브 A의 표면에는 밸브 링을 따라 미세 균열이 발생한 것을 확인할 수 있다. 그림 2(f)와 (g)는 밸브 C의 표면 미세 형상을 나타낸다. 표면 역시 부식 생성물로 완전히 덮여 있으며, 부식성 원소는 그림 2(e)와 마찬가지로 S, Cl, O를 포함한다. 밸브 표면의 부식 생성물 분석 결과를 바탕으로 균열 발생 원인은 응력 부식 균열(SCC)일 가능성이 높다. 그림 2(h)는 밸브 C의 표면 미세구조를 나타낸다. 표면이 비교적 깨끗하고, EDS로 분석한 표면의 화학 조성은 구리 합금과 유사하여 밸브가 부식되지 않았음을 알 수 있다. 세 밸브 표면의 미세 형태와 화학 조성을 비교해 보면 주변 환경에 S, O, Cl과 같은 부식성 물질이 존재함을 알 수 있다.
밸브 B의 균열은 굽힘 시험을 통해 관찰되었으며, 균열은 밸브 단면 전체를 관통하지 않고, 후굴면 쪽에서 발생했으며, 후굴면 반대쪽에서는 균열이 발생하지 않았습니다. 파단면을 육안으로 관찰한 결과, 파단면의 색깔이 어두운 것으로 보아 부식이 진행되었음을 알 수 있으며, 특히 파단면의 일부 영역에서는 색깔이 더욱 어두워 부식 정도가 심한 것으로 판단됩니다. 밸브 B의 파단면을 주사전자현미경으로 관찰한 결과는 그림 3에 나타나 있습니다. 그림 3(a)는 밸브 B 파단면의 거시적인 모습을 보여줍니다. 밸브 근처의 파단면 바깥쪽이 부식 생성물로 덮여 있는 것을 확인할 수 있으며, 이는 주변 환경에 부식성 매체가 존재했음을 시사합니다. 에너지 스펙트럼 분석 결과, 부식 생성물의 주요 화학 성분은 S, Cl, O이며, S와 O의 함량이 상대적으로 높은 것으로 나타났습니다(그림 3(b) 참조). 파단면을 관찰한 결과, 균열 성장 패턴은 결정면을 따라 진행되는 것을 확인할 수 있었습니다. 그림 3(c)에서 볼 수 있듯이, 더 높은 배율로 파단면을 관찰하면 다수의 이차 균열이 확인됩니다. 그림에서 흰색 화살표는 이차 균열을 나타냅니다. 파단면의 부식 생성물과 균열 성장 패턴은 응력 부식 균열의 특징을 다시 한번 보여줍니다.
밸브 A의 파손 부위를 열지 않고 밸브의 일부(파손 부위 포함)를 제거하고, 밸브의 축 방향 단면을 연마 및 광택 처리한 후, FeCl₃(5g) + HCl(50mL) + C₂H₅OH(100mL) 용액으로 에칭하였다. 그런 다음 Zeiss Axio Observer A1m 광학 현미경으로 금속 조직 및 균열 성장 형태를 관찰하였다. 그림 4(a)는 밸브의 금속 조직을 보여주는데, α+β 이중상 구조이며, β상은 비교적 미세하고 과립 형태로 α상 기지상에 분포되어 있다. 원주 방향 균열에서의 균열 전파 양상은 그림 4(a), (b)에 나타나 있다. 균열면이 부식 생성물로 채워져 있어 두 균열면 사이의 간격이 넓어 균열 전파 양상을 구분하기 어렵다. 분기 현상이 관찰되었다. 그림 4(c)에서 볼 수 있듯이, 이 주 균열 위에는 흰색 화살표로 표시된 것처럼 많은 이차 균열이 관찰되었으며, 이 이차 균열들은 결정립을 따라 전파되었습니다. 에칭 처리된 밸브 시편을 SEM으로 관찰한 결과, 주 균열과 평행한 다른 위치에도 많은 미세 균열이 존재함을 확인했습니다. 이 미세 균열들은 표면에서 시작하여 밸브 내부로 확장되었으며, 분기되어 결정립을 따라 연장되었습니다(그림 4(c), (d) 참조). 이러한 미세 균열의 환경 및 응력 상태는 주 균열과 거의 동일하므로, 주 균열의 전파 형태 또한 결정립계 균열임을 추론할 수 있으며, 이는 밸브 B의 파단면 관찰을 통해 다시 한번 확인되었습니다. 균열의 분기 현상은 밸브의 응력 부식 균열 특성을 다시 한번 보여줍니다.
2. 분석 및 논의
요약하면, 밸브의 손상은 SO2에 의한 응력 부식 균열로 인해 발생한 것으로 추론할 수 있다. 응력 부식 균열은 일반적으로 다음 세 가지 조건을 충족해야 한다. (1) 응력 부식에 민감한 재료; (2) 구리 합금에 민감한 부식 매체; (3) 특정 응력 조건.
일반적으로 순수 금속은 응력 부식에 영향을 받지 않으며, 모든 합금은 정도의 차이는 있지만 응력 부식에 취약하다고 알려져 있습니다. 황동의 경우, 2상 구조가 단상 구조보다 응력 부식에 대한 민감도가 더 높다고 여겨집니다. 문헌에 따르면 황동 소재의 아연(Zn) 함량이 20%를 초과하면 응력 부식 민감도가 높아지고, Zn 함량이 높을수록 민감도도 높아진다고 보고되어 있습니다. 본 사례의 가스 노즐의 금속 조직은 α+β 2상 합금이며, Zn 함량은 약 35%로 20%를 훨씬 초과하므로 응력 부식 민감도가 높아 응력 부식 균열 발생에 필요한 재료 조건을 충족합니다.
황동 재질의 경우, 냉간 가공 변형 후 응력 완화 열처리를 하지 않으면 적절한 응력 조건과 부식 환경에서 응력 부식이 발생합니다. 응력 부식 균열을 유발하는 응력은 일반적으로 국부적인 인장 응력이며, 이는 작용 응력 또는 잔류 응력일 수 있습니다. 트럭 타이어에 공기를 주입하면 타이어 내부의 높은 압력으로 인해 에어 노즐의 축 방향으로 인장 응력이 발생하여 에어 노즐에 원주 방향 균열이 생깁니다. 타이어 내부 압력으로 인한 인장 응력은 σ=p R/2t (여기서 p는 타이어 내부 압력, R은 밸브의 내경, t는 밸브의 벽 두께)로 간단히 계산할 수 있습니다. 그러나 일반적으로 타이어 내부 압력으로 인한 인장 응력은 크지 않으므로 잔류 응력의 영향을 고려해야 합니다. 가스 노즐의 균열 발생 위치는 모두 후굽힘 부위이며, 후굽힘 부위의 잔류 변형이 크고 잔류 인장 응력이 존재함을 알 수 있습니다. 실제로 많은 실제 구리 합금 부품에서 응력 부식 균열은 설계 응력에 의해 발생하는 경우는 드물고, 대부분 눈에 띄지 않고 무시되는 잔류 응력에 의해 발생합니다. 이 경우 밸브의 후면 굽힘 부분에서 타이어 내부 압력에 의해 발생하는 인장 응력의 방향이 잔류 응력의 방향과 일치하며, 이 두 응력의 중첩이 응력 부식 균열 발생 조건을 제공합니다.
게시 시간: 2022년 9월 23일
