SOFC 분리판용 고Cr강의 입계 산화 거동 고찰

김병규1, 김동익1, 정인호2, 이경우2

1한국과학기술연구원, 고온에너지재료센터

2서울대학교, 재료공학부

E-mail: byungkyuchriskim@gmail.com

본 연구에서는 서로 다른 결정립 크기의 두 가지 Crofer22APU (VDM Metlas, 독일) 시료를 사용하여 23Cr 페라이트계 스테인리스강의 합금 입계가 고온 산화 특성에 끼치는 영향을 고찰하였다. 두 시료의 평균 결정립 크기를 후방산란전자회절 (EBSD) 을 이용하여 측정하였으며 분석 결과 두 시료의 평균 결정립 크기는 각각 ~ 25 μm와 ~ 500 μm로 측정되었다. 불연속 weight-gain 실험을 통해 산화 거동을 비교해본 결과 결정립 크기가 큰 시료가 약 36% 감소된 산화 속도를 나타내는 것을 확인하였다. 이러한 차이를 일으키는 주 원인은 추가적 입계 산화를 일으키는 합금의 입계에 크게 기인한다. 합금의 입계는 산화막 형성에 필요한 산소와 금속의 빠른 확산통로로 작용하기 때문에 추가적 내부 입계 MnCr2O4 산화물 및 두꺼운 외부 산화물 형성을 유도하게 된다. 이러한 금속 입계와 관련된 산화 현상이 결정립 크기가 작은 시료, 즉 단위면적당 입계 길이가 긴 시료가 높은 산화 속도를 보이는 주 원인인 것으로 판단된다. 산화 동역학 연구에 더하여 내부 및 외부 산화물과 합금 입계를 투과 전자 현미경 (TEM) 및 원자 탐침 토모그래피 (APT) 를 이용하여 분석하였다. 또한 입계 및 내부 산화 현상의 이해를 위해 미세조직 분석에 기반한 열역학 해석을 실시하였으며, 이는 다음의 두 가지 목적을 위해 수행되었다. 1) 관찰 된 산화물 상에 대응하는 평형 산소 분압 (pO2)의 범위를 예측하는 것과 2) 합금 내부 입계에 형성되는 MnCr2O4 과 관련된 가장 주요한 요인이 무엇인가를 이해하는 것이다. 분석 및 해석 결과 금속-산화물 계면에서의 최소 pO2 는 MnCr2O4 의 형성에 필요한 최소 요구치인 log(pO2) ~ -28 atm 으로 추정이 되며 이를 통해 MnCr2O4 가 Cr2O3 대비 높은 열역학적 안정성을 가지는 것을 확인할 수 있었다. APT 를 통한 합금 입계 분석 결과 Cr 의 입계편석이 일어나는 것을 관찰하였으며, 이는 합금 입계의 화학조성 측면에서 Cr2O3 의 형성이 MnCr2O4 보다 유리하다는 것을 나타낸다. 하지만 열역학 해석 결과 단순 조성 측면에서 MnCr2O4 입계 형성이 Cr2O3 형성을 압도하기 위해선 Mn 의 함량이 기존 대비 5 배 정도 증가해야 한다는 것을 확인할 수 있었다. APT 분석 결과 Mn 의 입계편석은 관찰되지 않았기 때문에 산소 평형 분합과 관련된 열역학적 안정성과 더불어 합금 입계 확산을 통한 빠른 Mn 의 공급이 입계 MnCr2O4 형성에 가장 중요한 요인인 것으로 결론지었다.

Keyword: TEM, APT, oxidation, grain boundary