Stainless Steel의 강종별 특성-Martensitic Stainless Steel
Martensitic Stainless Steel은 Ferritic Stainless Steel과 매우 유사한 특성을 보이지만 가장 큰 차이점은 열처리에 의해 경화된다는 점이다. Martensite계 Stainless Steel은 소입(Quenching)에 의해 고온에서 안정한 Austenite가 Martensite로 변태하여 경화되며, Ferrite와 마찬가지로 자성을 가진다.
Stainless강종중에 유일하게 열에 의해 경화되는 특징이 있다
|
AISI 명 |
화학 성분 (Max. Wt. %) | ||||||||
|
403 |
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Ni |
Cr |
Mo |
기타 |
|
403 |
0.15 |
0.5 |
1 |
0.04 |
0.03 |
|
11.5 ~ 13 |
|
|
|
410 |
0.15 |
1 |
1 |
0.04 |
0.03 |
|
11.5 ~ 13 |
|
|
|
414 |
0.15 |
1 |
1 |
0.04 |
0.03 |
1.25 ~ 2.5 |
11.5 ~ 13.5 |
|
|
|
416 |
0.15 |
1 |
1.25 |
0.06 |
0.15 |
|
12 ~ 14 |
0.6 |
|
|
416Se |
0.15 |
1 |
1.25 |
0.06 |
0.06 |
|
12 ~ 14 |
|
Se : 0.15 이상 |
|
420 |
0.15 이상 |
1 |
1 |
0.04 |
0.03 |
|
12 ~ 14 |
|
|
|
420F |
0.15 이상 |
1 |
1.25 |
0.06 |
0.15 |
0.6 |
12 ~ 14 |
0.06 |
|
|
431 |
0.2 |
1 |
1 |
0.04 |
0.03 |
1.25 ~ 2.5 |
15 ~ 17 |
|
|
|
440A |
0.6 ~ 0.75 |
1 |
1 |
0.04 |
0.03 |
|
16 ~ 18 |
0.75 |
|
|
440B |
0.75 ~ 0.95 |
1 |
1 |
0.04 |
0.03 |
|
16 ~ 18 |
0.75 |
|
|
440C |
0.95 ~ 1.2 |
1 |
1 |
0.04 |
0.03 |
|
16 ~ 18 |
0.75 |
|
<Martensite계 Stainless Steel의 화학성분>
410 / 410S로 대표되는 이 재질은 Ferritic Stainless Steel과 마찬가지로 고온에서의 산화가 적으며, S부식과 H2S및 Chloride분위기에서의 저항성이 커서 VCM, PVC등의 Process에 많이 사용된다. Solid상태 보다는 Column의 Strip Lining or Cladding재료로 주로 사용되며, Low Carbon Grade로 용접성이 좋은 410S SS가 주로 사용된다. 높은 강도와 내 마모성을 가지고 있어서, Valve의 Disk나 Seat Ring의 본 재료 혹은 Weld Overlay용으로 사용되기도 한다.
인성이 작고, 강한 인장 응력이 있으나, Elongation이 작아서 충격에 쉽게 파단된다. 이러한 이유로 ‘95년도 ASME Code에서는 Stainless Steel중 유일하게 Impact Test 를 요구하였으나, 이후 Addenda에서는 이 규정이 삭제 되었다. 440 ~ 450℃에서는 탄화물이 석출하여 충격치가 급격히 감소하므로 사용이 제한된다. 통상 상용 온도는 -29 ~ 440℃정도 이다. 내식성은 소입 상태가 가장 좋고, 소입후 Tempering시는 저온에서 하는 것이 좋다. 500 ~ 650℃에사 가열하면 미립의 탄화물이 석출하여 기지의 고용 Cr량이 감소되어 내식성이 떨어진다. 650℃ 이상에서는 Cr의 재고용으로 내식성이 다시 향상된다. 저 탄소강인 13% 및 16% Cr강과 2%의 Ni이 함유된 431강종은 내식 구조용으로 사용되고, 고탄소계의 440등은 내 마모용으로 사용된다.
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AISI 명 |
주요 특징과 용도 |
|
403 |
- 자경성(Self Hardening)이 있다. |
| - Turbine Blade, Valve, Jet Engine 등의 높은 응력이 요구되는 곳에 사용된다. | |
|
410 |
- 높은 경도를 나타낸다. |
| - 내식성이 우수하다. | |
| - Valve Seat, Shaft등의 일반 기계 부품으로 사용된다. | |
|
414 |
- 410 보다 고강도 용으로 사용된다. |
| - 410의 성형성, 내식성을 향상시킨 강이다. | |
| - Ni의 첨가로 인성이 좋고 내식성도 우수한다. | |
| - Shaft, Knife, Spring등으로 사용된다. | |
|
416 |
- Stainless Steel중에 기계 가공성이 가장 우수하다. |
| - 쾌삭강으로 Valve, Shaft, Bolt, Nut등으로 사용된다. | |
|
416Se |
- 416의 절삭성을 더욱 향상 시킨 강이다. |
| - 절삭성은 좋지만, 기계 가공성은 떨어진다. | |
|
420 |
- 열처리에 의해 높은 경도를 얻을 수 있다. |
| - 내식성 양호하다. | |
| - Knife, 외과용 기구 등에 사용된다. | |
|
420F |
- 급냉시 420 보다 더 높은 경도를 얻을 수 있다. |
| - Bolt, Nut, Valve 의 재료로 사용된다. | |
|
431 |
- Ni의 첨가로 인성이 개량된 강종이다. |
| - Martensite Stainless Steel중에 최고의 내식성을 가진다. | |
| - 선박용 Shaft, 제지 기계, Spring, Bearing등으로 사용된다. | |
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440A |
- Stainless Steel 중에 최고의 경도를 나타낸다. |
|
440B |
- A, B, C 순으로 내 마모성이 증가하지만, 내식성과 인성은 감소한다. |
|
440C |
- Valve Seat, Knife, 외과용 기구, 절단기, Bearing등에 사용된다. |
<Martensite계 Stainless Steel 의 특징과 용도>
가장 많이 사용되는 410S는 용접조건이 부적절하면 경화가 극심하고, HAZ부(열영향부)가 조대화되며, 조직과 내부응력의 불균일화(잔류응력)로 인해 Operation중에 Stress Corrosion Cracking이나 Delayed Hydrogen Cracking이 발생하기 쉽다. 용접은 주로 E309 or Ni-Cr-Fe계와 E410의 용접봉으로 실시한다.
E309 or Ni-Cr-Fe로 용접하면 ASME Sec.VIII UHA-32에 따라 열처리를 면제 받을 수 있는 방법이 있으나, E410으로 용접하면 두께에 무관하게 용접 후 열처리를 실시해야 한다.
Martensitic Stainless Steel은 Chloride분위기에 강하지만 Austenitic Stainless Steel용접봉으로 용접할 경우에는 Chloride에 약한 Austenitic Stainless Steel의 특성으로 인해 강한 Chloride분위기에 적용될 경우에는 E410용접봉의 사용이 요구된다. 용접시에는 예열이 반드시 필요하고, 후열은 모재의 두께와 사용되는 용접봉의 종류 및 예열조건에 따라 결정된다. 자세한 사항은 ASME Sec.VIII UHA-32에 따라 시행한다.
사용되는 용접재료 마다 예열, 후열조건과 적용되는 특성이 다소 다르다. 일본 Kobe용접봉을 기준으로 분류한 개략적인 Chemical Composition과 용접 적용 방법은 다음의 Table 11과 같다.
표기에 나타난 용접봉 종류의 309 SS, 410 SS, Ni-Cr-Fe는 편의상 재료의 분류를 한 것으로, 정학한 표기는 ASME Sec II Part C에 따라 SFA No.와 함께 E / ER 309등으로 표기하여야 하지만 여러분의 이해를 돕기 위해 편의상 용접봉의 호칭으로 구분하였다.
위에서 제기한 용접부의 Stress Corrosion Cracking이나 Delayed Hydrogen Cracking의 위험성을 방지하기 위해 Carbon을 0.1%이하로 줄이고, Nickel 4%와 Molybdenum 0.5%를 추가한 F6NM, CA6NM등의 대체 사용도 추천된다.
다음의 내용은 410 / 410S SS를 기준으로 적용되는 용접봉의 종류와 사용기준을 제시한 것이다. 적용되는 용접 조건은 용접봉 Maker마다 조금씩 다를 수 있으나, 큰 차이는 없으므로 Kobe 용접봉을 기준으로 한 다음의 분류를 그대로 수용해도 무방하다.
|
용접봉 종류 |
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Ni |
Cr |
Nb |
others |
AWS No. | |
|
309 SS |
NC-39 |
0.08 |
0.45 |
1.61 |
0.021 |
0.003 |
12.51 |
23.87 |
- |
- |
A5.4 E309-16 |
|
|
NCA-309 |
0.06 |
0.23 |
1.45 |
0.023 |
0.004 |
13.09 |
24.01 |
- |
- |
|
|
|
HIMELT-309 |
0.07 |
0.26 |
1.09 |
0.018 |
0.004 |
12.41 |
23.91 |
- |
- |
|
|
410 SS |
CR-40 |
0.08 |
0.37 |
0.29 |
0.02 |
0.003 |
- |
13.37 |
- |
- |
A5.4 E410-16 |
|
|
CR-40Cb |
0.08 |
0.37 |
0.43 |
0.018 |
0.003 |
- |
13.37 |
0.77 |
Al,Ti |
|
|
Ni-Cr-Fe |
Nic-70A |
0.05 |
0.25 |
3.14 |
0.006 |
0.005 |
70.66 |
14.46 |
2.17 |
Fe:9.24 Co: 0.03 |
A5.11 |
|
ENiCrFe-1 | |||||||||||
|
* 1 | |||||||||||
|
|
NIC-703D |
0.06 |
0.34 |
6.55 |
0.004 |
0.003 |
69.4 |
13.9 |
1.8 |
Fe:7.90 |
A5.11 |
|
Ti:0.01 |
ENiCrFe-3 | ||||||||||
|
Co:0.03 |
* 2 | ||||||||||
<410 /410S용 용접봉의 Chemical Composition (Kobe용접봉 기준)>
* 1 : Inconel Welding Electrode 132
* 2 : Inconel Welding Electrode 182
* 가장 널리 상용되는 Inco Alloy사의 NiCrFe-x계의 용접봉은 다음과 같다.
SMAW : Inconel Welding Electrode 112 / 132 / 152 /182
SMAW : Inconweld A / B Electrode
GTAW / GMAW : Inconel Filler Metal 52 / 62 / 82 / 92
SAW : Inconel Filler Metal 82
|
용접봉 종류 |
예열 조건 |
층간 온도 |
후열 조건 |
용접전류(3.2Ø, F, HF기준) | |
|
309 SS |
NC-39 |
- |
- |
- |
70 ~ 115 A (AC or DC-EP) |
|
NCA-309 |
- |
- |
- |
70 ~ 115 A (AC or DC-EP) | |
|
HIMELT-309 |
- |
- |
- |
80 ~ 140 A (AC or DC-EP) | |
|
410 SS |
CR-40 |
200 ~ 400℃ |
200 ~ 400℃ |
700 ~ 760℃ |
70 ~ 115 A (AC or DC-EP) |
|
CR-40Cb |
100 ~ 250℃ |
100 ~ 250℃ |
700 ~ 760℃ |
70 ~ 115 A (AC or DC-EP) | |
|
Ni-Cr-Fe |
Nic-70A |
- |
- |
- |
70 ~ 115 A (AC) |
|
NIC-703D |
- |
- |
- |
80 ~ 110 A (DC-EP) | |
<410/410S 용접시 용접 조건 비교 (용접봉의 특성 기준)>
|
용접봉 종류 |
적용 용도 및 특성 | |
|
309 SS |
NC-39 |
- 22%Cr-12%Ni의 309S SS의 용접에 적용되며, carbon steel이나 low alloy 등의 이종 금속의 용접에 주로 사용된다. |
| - Lime-titania계 용접봉으로 고(高)전류에서 고(高)능률의 용접을 시행할 수 있다. | ||
| - Ferrite를 포함한 Austenitic structure의 용접금속으로 좋은 용접성과 내 부식성, 고온 특성을 나타낸다. | ||
| - 합금원소의 양이 많고 안정된 Austenitic structure를 만들기 때문에, 이종 용접시 Carbon steel이나 low alloy steel의 dilution이 우려되는 용접 조건에 적용하기 알맞다. | ||
| - 다른 Stainless Steel과 마찬가지로 Chloride에 약한 단점을 보이므로 Chloride분위기에서 내식성이 요구되는 곳에는 사용이 제한 된다. | ||
| - 38t 미만의 410SS 모재에서 232℃ 이상으로 예열하고 용접중 이 온도의 예열 상태로 층간 온도를(Interpass Temperature) 유지하면 용접시 후열처리(PWHT) 조항이 면제된다. (ASME SEC VIII UHA -32.) | ||
|
410 SS |
CR-40 |
- 403, 410, 420J1/J2 SS의 용접과 부식 분위기에서의 Hard surfacing용으로 사용된다. |
| - Self-hardening 특성을 가진 Ferrite를 포함한 Martensitic structure로 Cavitation에 좋은 특성을 보인다. | ||
| - 후열처리 (PWHT) 가 반드시 요구된다. | ||
| (ASME SEC VIII UHA -32.) | ||
|
CR-40Cb |
- 403, 405, 410 SS와 405 SS Clad 용접에 적용된다. | |
| - Al,Ti, Nb를 적당히 포함하고 있어서 Ferrite structure를 Fine Grain으로 만든다. | ||
| - 비교적 양호한 Ductility, Notch toughness와 뛰어난 용접성을 나타낸다. | ||
| - Self-hardening특성이 없고 내마모성은 작다. | ||
| - 후열처리가(PWHT) 반드시 요구된다. | ||
| (ASME SEC VIII UHA -32.) | ||
|
Ni-Cr-Fe |
Nic-70A |
- Lime계의 교류 용접봉으로, Inconel용접과 Inconel to low alloy, stainless steel to low alloy의 이종 금속간의 용접에 사용된다. |
| - 용접성이 좋고, 우수한 기계적 특성, 내 부식성 및 고온 특성을 나타낸다. | ||
| - 38t 미만의 410SS 모재에서 232℃ 이상으로 예열 하고 용접중 이 온도의 예열 상태로 층간 온도를(Interpass Temperature) 유지하면 용접시 후열처리(PWHT) 조항이 면제된다. (ASME SEC VIII UHA -32.) | ||
|
NIC-703D |
- Lime계의 직류 용접봉으로 Inconel용접과 Inconel to low alloy, stainless steel to low alloy의 이종 금속간의 용접에 사용된다. | |
| - 용접성이 좋고, 우수한 기계적 특성, 내 부식성 및 고온 특성을 나타낸다. | ||
| - 38t 미만의 410SS 모재에서 232℃ 이상으로 예열 하고 용접중 이 온도의 예열 상태로 층간 온도를(Interpass Temperature) 유지하면 용접시 후열처리(PWHT) 조항이 면제된다. (ASME SEC VIII UHA -32.) | ||
<410/410S 용접시 적용되는 용접봉의 용도별 적용 기준>
|
Type |
대표 강종 |
재료 특성 및 용접성 |
|
Martensitic (12~18% Cr) |
410 SS(12% Cr) 410S SS |
- 용접시에 쉽게 경화되며, 전반적으로 매우 취약한 용접성을 가지고 있다. Stainless Steel강종중에 유일하게 용접으로 인해 경화되는 재료이다. |
| - 고온 S 부식과 H2, H2S및 Chloride분위기에서의 부식 저항성이 매우 강하다. | ||
| - 440 ~ 450℃에서는 탄화물이 석출하여 충격치가 급격히 감소하므로 사용이 제한된다. 상용온도는 -29 ~ 440℃이다. | ||
| - 주로 Column의 Strip Lining or Cladding 재로 사용되며, 용접성이 좋은 Low Carbon Grade인 410S SS를 널리 사용한다. | ||
| - 인성이 작고, 강한 인장 응력이 있으나, Elongation이 작아서 충격에 쉽게 파단된다. 이러한 이유로 ‘95년도 ASME Code에서는 Stainless Steel중 유일하게 Impact Test를 요구하였으나, 이후 Addenda에서는 이 규정이 삭제되었다. | ||
| - 용접조건이 부적절하면 경화가 극심하고, HAZ부가 조대화 되며, 조직과 내부 응력의 불균일화로 인해 Operation 중에 Stress Corrosion Cracking이 발생하기 쉽다. | ||
| - 용접부의 경화로 인해, Delayed Hydrogen Cracking이 일어나기 쉽다. | ||
| - 용접부의 Delayed Hydrogen Cracking위험성을 방지하기 위해 Carbon을 0.1 %이하로 줄이고, Nickel 4%와 Molybdenum 0.5%를 추가한 F6NM, CA6NM재질로의 대체 사용도 추천된다. | ||
| - 용접은 주로 E309 or Nickel-Chromium-Iron계 용접봉으로 실시하며, Process의 특성에 따라 E410으로 용접을 요구할 경우도 있다. 열처리 조건은 ASME Sec.VIII UHA-32에 따른다. | ||
| - Chloride분위기에서는 강하지만, Austenitic Stainless Steel용접봉으로 용접할 경우에는 Chloride에 약한 ASS의 특성으로 인해 E410용접봉의 사용이 요구된다. |
<Martensitic Stainless Steel의 재료 특성 및 용접성>
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