Effect of Titanium Microalloying on the Microstructure, Wear, and Corrosion Behavior of ASTM A216 Cast Steel for Fishing Vessel Stern Tube Applications

낚싯배의 수면 아래 깊은 곳에는 선박을 계속 움직이게 하기 위해 끊임없이 작동하는 중요한 기계 부품이 있습니다. 이것은 선미 관(stern tube)으로, 엔진룸 내부에서 선체 안쪽을 지나 열린 바다로 나가는 프로펠러 축이 통과할 수 있게 해주는 무겁고 속이 빈 원통입니다. 이 부품은 회전하는 축의 엄청난 무게를 지탱하고, 바닷물이 엔진으로 흘러 들어오는 것을 막아야 하며, 윤활유가 밖으로 새어 나가는 것을 방지해야 합니다. 종종 거친 환경 속에서 장시간 운항하며 속도와 방향이 빈번하게 변하는 낚싯배의 경우, 이 부품은 가혹한 복합적 도전 과제에 직면하게 됩니다. 내부의 금속은 회전하는 축에 의해 끊임없이 마찰을 일으키는 '슬라이딩 마모(sliding wear)' 과정을 겪으며, 외부에는 표면을 갉아먹는 염수(소금물)가 닿아 있습니다. 이 두 가지 힘이 동시에 공격할 때, 금속은 각각의 힘이 단독으로 작용할 때보다 훨씬 더 빠르게 손상될 수 있으며, 이는 누수, 진동, 그리고 잠재적인 해상 고장으로 이어질 수 있습니다. 엔지니어들은 오랫동안 이 부품을 제작하기 위해 ASTM A216으로 알려진 표준 주강(cast steel)을 사용해 왔는데, 이는 강도가 높고 저렴하며 모양을 만들기 쉽기 때문입니다. 그러나 연구자들은 이 표준 재료를 지나치게 비싼 합금으로 만들지 않고도, 더 강하고 가혹한 해양 환경에 대한 저항력을 높일 수 있는 방법이 있지 않을까 의문을 품었습니다.

이집트의 한 연구팀은 금형에 부어 넣기 전 용융된 강철에 아주 적은 양의 티타늄을 첨가한다는 단순한 아이디어를 테스트함으로써 이 질문에 답하고자 했습니다. 티타늄은 탄소 및 질소와 결합하여 강철의 내부 구조를 변화시킬 수 있는 미세하고 단단한 입자를 형성하는 능력을 가진 금속으로 알려져 있습니다. 과학자들은 두 세트의 강철 샘플을 만들었습니다. 하나는 기준점으로 사용될 수정되지 않은 표준 강철이었고, 다른 하나는 용해 과정 중에 제어된 양의 티타늄이 첨가된 동일한 강철이었습니다. 그런 다음 그들은 이 재료들을 실제 선미 관의 중공 기하학적 구조를 모방한 형태로 주조했습니다. 금속 내부에서 어떤 일이 일어나는지 이해하기 위해, 그들은 철과 탄소의 결정립(grains)이 어떻게 배열되어 있는지 미세 구조를 조사했습니다. 또한 샘플들을 일련의 엄격한 테스트에 투입했습니다. 그들은 금속의 경도를 측정했고, 회전하는 강철 디스크에 핀을 문질러 마모를 시뮬레이션하여 손실된 재료의 양을 측정했으며, 바닷물을 모사한 염수 용액에 담갔을 때 금속이 어떻게 반응하는지 확인했습니다. 심지어 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 금형 내부에서 금속이 냉각되는 과정을 관찰하며, 열이 어디에 갇히는지와 그것이 최종 구조에 어떤 영향을 미칠지를 추적했습니다.

결과는 티타늄이 수정된 강철에서 명확한 변화를 보여주었습니다. 현미경 관찰 결과, 표준 강철은 내부 결정립이 다소 거칠고 불균일한 배열을 보였습니다. 반면, 티타늄이 첨가된 강철은 훨씬 더 미세하고 균일한 구조를 나타냈습니다. 금속의 개별 결정립은 크게 줄어들어 훨씬 작아졌고 더 촘촘하게 밀집되었습니다. 연구자들은 또한 금속 전체에 흩어져 있는 티타늄이 풍부한 작고 뚜렷한 입자들을 발견했는데, 이 입자들은 결정립계를 고정하는 닻 역할을 했습니다. 이러한 구조적 미세화는 재료의 강도에 직접적인 영향을 미쳤습니다. 수정된 강철은 표준 버전보다 눈에 띄게 단단했습니다. 회전하는 축의 마찰을 시뮬레이션하는 동일한 마찰 조건에 노가 되었을 때, 그 차이는 더욱 극명해졌습니다. 표준 강철은 테스트 과정 동안 티타늄 수정 강철보다 두 배 이상의 무게를 더 많이 잃었습니다. 실제로 가장 높은 속도에서 테스트했을 때, 표준 강철은 수정된 버전보다 거의 10배나 더 빠르게 마모되었습니다. 티타늄 처리된 금속은 단순히 재료의 제거를 훨씬 더 효과적으로 견뎌냈습니다.

연구진이 강철이 소금물의 부식력을 어떻게 다루는지 살펴보았을 때도 이야기는 똑같이 흥미로웠습니다. 염수 용액에 놓였을 때, 표준 강철은 금속이 녹기 시작하면서 높은 전류가 흐르는 등 활성 부식 징후를 보였습니다. 그러나 티타늄이 수정된 강철은 훨씬 더 저항력이 있는 장벽처럼 행동했습니다. 이 강철은 화학 반응을 급격히 늦추는 안정적인 표면층을 형성했습니다. 이 부식에 대한 저항력은 표준 강철에 비해 수정된 강철에서 거의 20배 더 높았습니다. 이는 실제 상황에서 티타늄 처리된 부품이 해양 부품을 흔히 괴롭히는 피팅(pitting, 구멍 부식)과 퇴화 현상을 겪을 가능성이 훨씬 낮음을 의미합니다. 컴퓨터 시뮬레이션은 금속이 왜 그렇게 행동했는지를 설명하는 데 도움을 주었는데, 주조되는 부위마다 냉각 속도가 다르며 두꺼운 부분이 더 오래 뜨거운 상태를 유지한다는 것을 보여주었습니다. 이러한 불균일한 냉각은 주조의 일반적인 부분이지만, 티타늄 첨가는 이러한 열적 변화에도 불구하고 결과적인 미세 구조가 수정되지 않은 버전보다 우수함을 보장했습니다.

본 연구는 일반적인 주강에 소량의 티타늄을 첨가하는 것이 표준 버전보다 더 단단하고, 마모가 훨씬 느리며, 염수 부식에 훨씬 더 잘 견디는 재료를 만든다는 결론을 내립니다. 이러한 개선은 티타늄이 금속의 내부 지형을 변화시켜 마찰과 화학적 공격이라는 이중 공격을 더 잘 견딜 수 있는 더 미세하고 균일한 구조를 만드는 방식에서 비롯됩니다. 연구진은 실험실의 통제된 환경에서 테스트가 수행되었으며, 실제 환경에는 윤활이나 정렬과 같은 많은 다른 변수가 포함된다는 점을 언급했지만, 이번 발견은 유망한 길을 제시합니다. 추진 시스템의 신뢰성에 의존하는 낚싯배들에게, 이 수정된 강철은 핵심 부품의 수명을 연장하고 개방된 바다의 가혹한 환경에서 발생할 수 있는 고장 위험을 줄일 수 있는 방법을 제시합니다. 이 작업은 표준 재료의 레시피에 비교적 간단한 조정을 가하는 것만으로도 상당한 이점을 얻을 수 있음을 입증하며, 이들 선박을 움직이게 하는 기계의 더 내구적인 토대를 제공합니다.