■ Austenitic Stainless Steel
Austenitic Stainless Steel은 가장 널리 사용되는 Stainless Steel 재료로 304 / 316 SS가 대표적인 강종이다.
고온 산화성이 적고, 뛰어난 내식성으로 인해 산, 알카리등의 광범위한 부식환경에 적절하게 사용이 가능하다. 전반적으로 양호한 내식성을 보이지만 Chloride성분이 있는 곳에서의 사용은 Chloride Stress Corrosion Cracking의 위험성으로 인해 제한된다. 적절한 강도를 가지면서도 연신이 크고, 충격에 강하며 성형성이 좋아 가공하기 쉽다. 아래 표에 Austenite계 Stainless Steel의 강종별 개략적인 특징과 용도를 제시한다.
대부분의 경우에 저온 충격시험(Impact Test)은 요구되지 않는다.
425 ~ 870℃ 영역에서 장시간 유지시에는 입계에 Cr탄화물이 형성되어 내식성이 저하되고 기계적 강도도 감소한다. 따라서 이 온도 영역에서의 사용은 극히 제한된다. Cr탄화물에 의한 예민화 현상을 억제하기 위해 Carbon의 함량을 0.03%이하로 줄인 304L / 316L등의 Low Grade를 사용하거나, Chromium보다 Carbon과의 친화력이 좋은 Ti이나 Nb(Cb)를 첨가하여 Cr탄화물의 생성을 억제한 321 SS, 347 SS를 사용한다.
|
AISI명 |
화학 성분 (Max. Wt. %) |
| |||||||
|
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Ni |
Cr |
Mo |
기타 | |
|
301 |
0.15 |
1 |
2 |
0.04 |
0.03 |
6 ~ 8 |
16 ~ 18 |
|
|
|
302 |
0.15 |
1 |
2 |
0.04 |
0.03 |
8 ~ 10 |
17 ~ 19 |
|
|
|
302B |
0.15 |
2 ~ 3 |
2 |
0.045 |
0.03 |
8 ~ 10 |
17 ~ 19 |
|
|
|
303 |
0.15 |
1 |
2 |
0.2 |
0.15 |
8 ~ 10 |
17 ~ 19 |
-1 |
|
|
303Se |
0.15 |
1 |
2 |
0.2 |
0.03 |
8 ~ 10 |
17 ~ 19 |
|
|
|
304 |
0.08 |
1 |
2 |
0.04 |
0.03 |
8 ~ 10.5 |
18 ~ 20 |
|
|
|
304L |
0.03 |
1 |
2 |
0.04 |
0.03 |
9 ~ 13 |
18 ~ 20 |
|
|
|
305 |
0.12 |
1 |
2 |
0.04 |
0.03 |
10.5 ~ 13 |
17 ~ 19 |
|
|
|
308 |
0.08 |
1 |
2 |
0.04 |
0.03 |
10 ~ 12 |
19 ~ 21 |
|
|
|
309 |
0.2 |
1 |
2 |
0.045 |
0.03 |
12 ~ 15 |
22 ~ 24 |
|
|
|
309S |
0.08 |
1 |
2 |
0.04 |
0.03 |
12 ~ 15 |
22 ~ 24 |
|
|
|
310 |
0.25 |
1.5 |
2 |
0.045 |
0.03 |
19 ~ 22 |
24 ~ 26 |
|
|
|
310S |
0.08 |
1.5 |
2 |
0.04 |
0.03 |
19 ~ 22 |
24 ~ 26 |
|
|
|
314 |
0.25 |
1.5 ~ 3.0 |
2 |
0.04 |
0.03 |
19 ~ 22 |
23 ~ 26 |
|
|
|
316 |
0.08 |
1 |
2 |
0.04 |
0.03 |
10 ~ 14 |
16 ~ 18 |
2 ~ 3 |
|
|
316L |
0.03 |
1 |
2 |
0.045 |
0.03 |
10 ~ 14 |
16 ~ 18 |
2 ~ 3 |
N ≤0.1 |
|
317 |
0.08 |
1 |
2 |
0.04 |
0.03 |
11 ~ 15 |
18 ~ 20 |
3 ~ 4 |
|
|
317L |
0.03 |
1 |
2 |
0.045 |
0.03 |
11 ~ 15 |
18 ~ 20 |
3 ~ 4 |
N ≤0.1 |
|
317LN |
0.03 |
1 |
2 |
0.045 |
0.03 |
11 ~ 15 |
18 ~ 20 |
3 ~ 4 |
0.1 ≤N ≤0.22 |
|
317LM |
0.03 |
1 |
2 |
0.045 |
0.03 |
13.2 ~ 17.5 |
18 ~ 20 |
4 ~ 5 |
N ≤0.1 |
|
317LMN |
0.03 |
1 |
2 |
0.045 |
0.03 |
13.5 ~ 17.5 |
17 ~ 20 |
4 ~ 5 |
0.1 ≤N ≤0.2 |
|
321 |
0.08 |
1 |
2 |
0.04 |
0.03 |
9 ~ 13 |
17 ~ 19 |
|
Ti ≥ 5XC% |
|
347 |
0.08 |
1 |
2 |
0.045 |
0.03 |
9 ~ 13 |
17 ~ 19 |
|
Nb + Ta ≥ 10XC% |
|
348 |
0.08 |
1 |
2 |
0.045 |
0.03 |
9 ~ 13 |
17 ~ 19 |
|
Co : 0.2 |
|
Nb + Ta ≥ 10XC% | |||||||||
|
단, Ta ≤0.1 | |||||||||
|
384 |
0.08 |
1 |
2 |
0.04 |
0.03 |
17 ~ 19 |
15 ~ 17 |
|
|
|
385 |
0.08 |
1 |
2 |
0.04 |
0.03 |
14 ~ 16 |
11.5 ~ 13.5 |
|
|
|
201 |
0.15 |
1 |
5.5 ~ 7.5 |
0.06 |
0.03 |
3.5 ~ 5.5 |
16 ~ 18 |
|
N ≤0.25 |
|
202 |
0.15 |
1 |
7.5 ~ 10 |
0.06 |
0.03 |
4 ~ 6 |
17 ~ 19 |
|
N ≤0.25 |
<Austenite계 Stainless Steel의 화학 성분>
|
AISI명 |
주요 특징 및 용도 |
|
301 |
- 304에 비해 Ni과 Cr함량이 적고, N 성분이 많다 |
| - 조질압연에 의해 불안정한 Austenite가 Martensite로 바뀌어 강도가 향상된다. | |
| - 탄소강이나 Aluminum에 비해 뛰어난 고온 강도, 피로 강도를 가진다. | |
| - 우수한 내식성이 있다. | |
| - 가격이 경제적이다. | |
| - 302보다 가공 경화성이 크고 경량이다. | |
| - 내식성은 302보다 저하한다. | |
| - 철도 차량, 항공기 구조재, 운수설비 등에 사용된다. | |
|
302 |
- 가공이 용이하다 |
| - 입계 부식이 일어나므로 용접용은 부적합 | |
| - 건축자재, 주방용품 및 식품 제조 설비에 사용된다. | |
|
302B |
- 302에 Si을 첨가하여 가열시 침탄 및 산화 방지효과가 있다. |
| - 다른 특징은 302와 동일하다. | |
|
303 |
- S. P를 함유하여 302의 절삭성을 개선한 강이다. |
| - S의 적열 취성은 막기 위해 Mo를 첨가한 강이다. | |
| - Bolt, Nut, Valve등의 재료로 사용된다. | |
|
303Se |
- 302에 Se을 첨가한 강으로 쾌삭강이다. |
|
304 |
- Austenite Stainless Steel의 대표적인 강이다. |
| - 용접성이 우수하고, 내식성이 우수하다. | |
| - 내열성이 우수하고, 저온 강도가 좋다. | |
| - 우수한 기계적 성질을 나타내고 비자성이다. | |
| - 열처리에 의해 경화하지 않는다. | |
| - 열교환기, 수송용기, 식품 용기 등에 사용된다. | |
|
304L |
- 304의 탄소를 0.03%이하로 제한한 강종이다. |
| - 탄소가 적어서 입계부식을 방지한다. | |
| - 원자력 기기등에 사용된다. | |
|
305 |
- 304에 Ni양을 증가하여 가공 경화성이 적다. |
| - 냉간 성형이 쉽다. | |
| - 성형, Spring재료, 식품 용기로 사용된다. | |
|
308 |
- Cr과 Ni의 함량이 증가하여 내식성, 내산화성이 좋다. |
| - 용접봉 및 전극용으로 사용된다. | |
|
309 |
- 고온 내산화성이 우수하다. |
| - 304 보다 내식성 양호 | |
| - 탄소강등 이종 금속의 용접에 적용된다. | |
| - 용접봉 및 열처리 설비에 사용된다. | |
|
309S |
- 309의 저 탄소강으로 용접성이 우수하다. |
| - 높은 내산화성이 요구되는 곳에 사용된다. | |
| - 열처리 설비, 노 부품등에 사용된다. | |
|
310 |
- 309보다 내인성이 양호하다. |
| - 내열성이 우수한 고온용 강종이다. | |
|
310S |
- 내산화성이 310보다 더 우수한 강종이다. |
| - 1030℃ 까지 사용가능한다. | |
| - 열처리용 부품에 사용된다. | |
|
314 |
- 310에 Si을 첨가하여 내산화성을 증대한 강이다. |
| - 내인성이 가장 좋다. | |
| - 내침탄성이 있다. | |
| - 열처리용 부품에 사용된다. | |
|
316 |
- 304에 Mo 성분이 추가되어 Pitting저항성이 좋다. |
| - 우수한 내식성이 있다. | |
| - 고온의 Creep강도가 우수하다. | |
| - 해수, 제지공업 및 화학공업 장치용으로 사용된다. | |
|
316L |
- 316의 탄소를 0.03%이하로 제한한 강종이다. |
| - 탄소가 적어서 입계부식을 방지한다. | |
| - Pitting저항성이 316 보다 우수하다. | |
|
317 |
- Pitting저항성이 316 보다 우수하다. |
| - 입계부식에 대한 저항성이 좋다. | |
| - 염색설비재 등에 사용된다. | |
|
321 |
- Ti을 첨가하여 입계 부식의 원인인 Cr 탄화물의 형성을 방지한 강이다. |
| - 입계 부식에 의한 피해가 예상되는 용접부에 사용된다. | |
|
347 |
- Nb(Cb)를 첨가하여 입계 부식의 원인인 Cr 탄화물의 형성을 방지한 강이다. |
| - 입계 부식에 의한 피해가 예상되는 용접부에 사용된다. | |
|
348 |
- 대부분 347과 동일하다. |
| - 중성자 흡수계수가 작아 원자력용 기기에 사용된다. | |
|
384 |
- 305보다 가공 경화성이 낮다. |
| - 냉간 압연, 성형용으로 사용된다. | |
|
385 |
- 305와 384의 중간 정도의 냉간 가공성을 가진다. |
|
201 |
- 301, 302의 Ni 함량을 낮게 제어한 강이다. |
| - 기계적 성질은 301, 302와 유사하다. | |
| - 냉간 가공에 의해 항복점이 300계 보다 40% 정도 높아진다. | |
| - 650℃ 까지는 고온성질도 더욱 좋으나 800℃ 이상에선는 산화에 의해 나빠진다. | |
| - 용도는 300계와 동일하다. |
<Austenite계 Stainless Steel의 강종별 개략적인 특징과 용도>
Austenite계 Stainless Steel 은 용접성이 매우 양호한 재료로서, 용접열에 의해 조직이 경화되지 않으므로 예열과 후열의 필요성이 없다.다만, 열팽창이 크고, 용접시에 변형이 크며, 입계예민화에 의해 입계부식이 우려될 수 있으므로 주의를 요한다. 사용되는 용접봉은 모재와 동일 강종인 Austenite계열의 용접봉과 함께 흔히 Ni-Cr-Fe / Ni-Cr-Mo계열의 용접봉이 사용될 수 있다.
Ni합금계 용접봉이 사용되는 경우는 주로 이종 금속과의 용접이나 특별히 용접부의 부식성이 우려될 경우 및 고온용으로 사용할 경우에 사용되며, 용접성은 매우 좋지만 가격이 비싸기 때문에 널리 사용되기 에는 무리가 따른다.
용접시에 특별히 주의할 조건은 거의 없지만, 용접중 발생할 수 있는 예민화 현상을 방지 하기 위해서 층간 온도를 Max. 180 ~ 200℃정도로 제한하는 것이 좋다.
1. Ferrite의 의미
Austenite Stainless Steel의 용접과정에서 가장 많이 언급되는 항목 두가지를 고른 다면, 입계 부식과 Ferrite이다.
스테인레스강에서 Ferrite phase 량은 제작, 용접 및 운전중에 중요한 역할을 한다. 특히 기계적 특성, 자성, 부식특성, 고온 균열 특성에 많은 변수를 가진다. 따라서 이 량의 적절한 조절은 중요한 의미를 가지며 그 크기는 단위 면적당의 Ferrite분율에 해당하는 %로 표기하거나 FN (Ferrite No.)로 표기된다. 면적 분율 %와 FN은 비슷하나 수치가 일치하지는 않으며 현재 ISO 8249, IIW (국제용접학회)및 ASTM 등에서 이들을 규정하고 있다.용접 금속내 Ferrite의 의미와 중요성에 대해 논하기 전에 먼저 Stainless Steel 용접금속의 응고 과정의 조직 변화를 알아 본다.
Stainless Steel용접부는 응고 과정에서 Austenite, Austenite-Ferrite, Ferrite-Austenite, Ferrite의 조직 변화를 겪게 된다.
A. Austenite
: 응고 초기부터 Austenite 조직이 형성되고 발달하여 상온 까지 완전한 Austenite 조직만이 유지 된다. 이후 다시 고온으로 가열하여도 조직의 변화가 없게 된다.
B. Austenite-Ferrite
: 응고 초기에 Austenite 조직이 형성되고, Austenite의 Dendrite 조직사이에 Austenite로 포함되지 않은 용탕에서 Ferrite 조직이 형성된다.
C. Ferrite-Austenite
: 응고 초기에 Ferrite 조직이 형성되고, 응고가 진행되면서 Ferrite Dendrite 사이에 Austenite가 형성되고 발달하여 극히 소량의 Ferrite 조직만이 남고 전체적으로 상온에서 Austenite조직이 된다.
Ferrite : 응고 초기에 형성된 Ferrite 조직이 상온까지 내려오면서 발달한다.
2. Ferrite Phase의 장, 단점
(1) 장점
1) Hot Crack 저항성
Austenite Stainless Steels (ASS) 에서의 용접중 Hot Crack 저항성이다. 용접부의 Ferrite조직은 Austenite 조직보다 유해 원소 및 저융점 불순물 원소 (P, S, Si, Nb, O)의 고용도 (Table 19 참조)가 크기 때문에 Ferrite가 많이 존재함에 따라 응고시에 저융점의 액막이 적게 되어 응고 범위가 좁아져 균열 발생이 그 만큼 어렵게 된다. 즉 이들 불순물 원소의 고용도가 낮게 되면 금속 입계에 이들이 편석하여 이들 부위만 응고를 지연시키게 되므로 미세 균열 또는 열간 균열이 많이 발생하게 된다. 또한, Ferrite 가 존재함에 따라 열팽창계수가 작게 되므로 수축응력이 감소하여 그 만큼 고온 응고균열을 억제하게 된다.
2) Pitting 이나 SCC 저항성 향상
일반적인 부식과는 달리 Chloride분위기에서는 Pure ASS 보다 Pitting 이나 SCC (Stress Corrosion Cracking, 응력부식균열) 저항성을 향상시킨다. 이를 이용한 것이 Austenite-Ferrite 계 Duplex stainless steels (예, 2205 SS 등) 이다. 그림 1은 Fe-Cr-Ni-Mo alloy에서 875 ppm Cl- at 204℃, 8hr 동안 Test한 SCC 저항성을 나타낸 것으로서 10~30% Ferrite 공존 범위에서는 Threshold Stress (응력부식균열 개시응력) 를 향상시킴을 알 수 있다. Ferrite상은 Austenite상보다 결정의 미끄럼계가 많기 때문에 교차 미끄럼을 일으키기 쉬우며, 따라서 SCC발생에 필요한 조대 미끄럼을 일으키기 어렵게 되어 결국 균열은 Ferrite상을 피하여 통과 하든지 또는 균열 속도를 지연시킨다고 보고되고 있다.
그러나 Ferrite의 SCC 저항성은 여러 실험에서 아직은 Ferrite의 분율, Service의 농도, 온도 및 Stress에 변수에 대한 광범위한 평가를 실행치는 않았으며, 또한 유사한 조건의 실험치에서도 똑같은 경향을 나타내고 있지는 않아 아직 정확한 Mechanism은 규명되지 않은 상태이다. 분명한 것은 그 범위가 부식환경별 제한은 있지만 chloride 분위기에 대한 耐 SCC성이 상당히 긍정적인 가치가 인정받고 있다는 것이며 용접재료 자체의 FN (Ferrite No.) 이 5정도인309SS 용접재료를 용접사들이 선호하는 이유도 고온 균열이 현격히 줄어드는 양호한 용접성 때문이다. 그러나 부식분위기에 대한 내식성은 사전에 검토되어야 한다.
Necessary Stress to Induce SCC in Cast Fe-Cr-Ni-Mo Alloy in the Vapor Condensation
Phase of an Aqueous Solution with 875 ppm Cl- at 204℃, 8 hours Testing Time
(2) 단점
1) 일반적인 부식 저항성 저하
Pure ASS 보다 일반적인 腐蝕 저항성은 떨어진다. Ferrite상은 Austenite 바탕보다도 Cr% (Ferrite 촉진 원소) 가 높고 Ni% ((Austenite 촉진 원소) 가 낮으므로, 성분적으로는 활성태 (강산 또는 강염에서 부동태 피막이 쉽게 벗겨지는 상태) 에 위치하게 되어 보다 쉽게 부식된다. 예를들면, 42% MgCl2에 의한 SCC실험에서는 Ferrite상의 부분 부식 용해가 많이 발생되는 반면에 고온 식염류와 같이 전면 부식성이 심하지 않는 경우에는 반대로 균열의 양상은 Austenite 바탕보다도 Ferrite상에서 좁게 되는 경우가 있다.
2) 고온에서 SCC 저항성 저하
높은 응력에서는 Ferrite상에 의한 SCC 방지 효과를 그다지 기대할 수 가 없다. Ferrite가 너무 많은 용접부 조직은 장시간의 고온 Creep강도를 떨어뜨리며, 530~820℃의 온도 범위에서 장시간 노출되는 용접부는 σ Phase를 형성하게 되어 연성, 충격 인성 및 내부식성의 저하를 가져온다. 따라서 용착 금속중의 Ferrite량은 대개 3~8% (또는 3~10%) 가 되도록 용접 재료를 선정해야 한다. 다음 표는 Austenite 조직과 Ferrite 조직이 용접과정에서 Slag를 형성하게 되는 합금 원소들의 고용도를 표시한다.
|
합금원소 |
합금 원소의 고용도(Solubility, %) | |
|
Ferrite조직의 고용도 |
Austenite 조직의 고용도 | |
|
P |
0.4 |
0.15 |
|
S |
2.8 |
0.1 |
|
Ca |
0.024 |
0.016 |
|
Si |
10.9 |
1.9 |
|
Al |
30 |
0.95 |
|
Ti |
8.7 |
Max. 1 |
|
Zr |
11.7 |
Max. 1 |
위 표에 제시된 바와 같이 각종 합금 원소의 고용도는 Austenite에 비해 Ferrite 조직이 훨씬 크다.
3. Ferrite 조직의 형성
Austenite 조직과 Ferrite 조직의 형성은 Stainless Steel의 주요 원소인 Cr과 Ni의 함량에 따라 결정된다. Cr 및 Cr계열의 원소들은 Ferrite 조직을 활성화 시키는 원소로서 Ferrite Former로 구분되며, Ni 및 Ni 계열의 원소들은 Austenite조직을 활성화 시키는 원소로서 Austenite Former로 구분된다. 이러한 경향은 금속 조직의 합금 성분에 의한 조직 판별을 위해 많이 사용되며, 이를 공식화한 사람이 Hammer and Svensson으로 각각 다음과 같은 식에 Cr 당량(Equivalent)과 Ni 당량(Equivalent)으로 계산한다.
- Cr eq = Cr + 1.37 Mo + 1.5 Si + 2 Nb + 3 Ti
- Ni eq = Ni + 0.31 Mn + 22 C + 14.2 N + Cu
위 계산식에서 각 원소의 함량은 중량비(Weight percent)로 계산한다.
위 계산식에 의해 구해진 Cr eq / Ni eq의 비율에 의해 응고 후에 나타나는 금속 조직을 대략적으로 구분할 수 있다.
- Cr eq / Ni eq ＜ 1.5 Austenite-Ferrite 응고 조직
- 1.5 ≤Cr eq / Ni eq ≤2.0 Ferrite-Austenite 응고 조직
- Cr eq / Ni eq ＞2.0 Ferrite 응고 조직
Cr eq / Ni eq의 비가 클수록 Ferrite의 형성이 촉진된다. 응고 초기에 형성된 미량의 δ-ferrite는 Austenite Stainless Steel의 용접시에 고온 균열을 예방하는 장점이 있다. 이러한 특성은 금속간에 저융점 개재물을 만드는 Sulfur, Phosphorous등의 저융점 원소의 고용도가 높아서 고온에서 균열을 예방하는 것이다. Austenite Stainless Steel 의 용접부는 Hot Crack을 방지하기 위해 3 ~ 11 Ferrite Number를 함유해야 한다.
그러나, Ferrite조직은 금속의 내식성을 저하하는 단점이 있다. 특히 Pitting에 저항성을 저하하고 Ferrite조직이 우선적으로 Pitting의 피해를 입게된다.
이러한 이유로 내식성 분위기에 사용되는 Austenite Stainless Steel의 경우에는 δ-ferrite의 최대 함량을 규정하여 최소한의 δ-ferrite만이 용접부에 포함되도록 하고 있다. 이렇게 δ-ferrite가 포함된 용접조직은 Ferrite의 특성으로 인해 미미한 정도의 자성을 띄게 되고, Slag 형성 원소가 Ferrite조직에 많이 고용되어 상대적으로 적은량의 Slag가 형성된다.
4 .용접부의 Ferrite량
용접부의 FN규정은 Filler metal의 선정시 부터 고려되어야 한다. Dilution효과와는 별도로 주어진 Filler metal의 Ferrite의 량은 용접조건에 큰 영향을 받는다. 우선 Filler metal과 용접부의 화학조성을 비교해야 할 것이다. 가장 큰 변수로는 다음의 것들이 있다.
- 용접 Arc 발생시 Nitrogen의 침투
- Shield gas 내의 CO2로 부터 Carbon의 침입
- Oxidizing shield gas 및 Submerged arc flux 에 의한 Cr의 산화
- Cr compensation flux의 사용에 의한 화학조성의 변화
- 높은 입열로 기대치보다 낮은 FN 초래
한편 용접 종류에 따른 변수는 다음과 같다.
(1) Manual Metal Arc Welding (SMAW)
공기로 부터 용융풀 안으로 Nitrogen이 침입할 수 있다. 이것은 주로 Arc길이에 영향을 받는데 많이 사용하고 있는 Stainless steel coated electrode을 극단적으로 짧은 Arc로 사용하면 용접부에서 용접봉에서는 전혀 없었던 100 ppm (0.01%) 정도의 N이 검출된다. 극히 긴 Arc를 사용하면 1500 ppm (0.15%) 이상의 N이 검출된다. 따라서 같은 용접봉이라도 긴 Arc는 짧은 Arc에 비해 낮은 FN값을 가지게 된다. 예를들면 긴 Arc에서 8 FN이 나았던 용접부를 짧은 Arc를 사용하여 0 FN까지도 만들 수 있다. Arc길이 (일반적으로 용접기의 Voltage를 높이거나 용접봉의 extension을 줄이면 길어짐)의 이 효과는 특히 낮은 전류로 용접되는 수직상향용접에서 쉽게 나타난다. 이 경우는 Arc outage를 피하기 위해 다소 긴 Arc가 요구되는 경향이 있기 때문이다. 일반적으로 Arc초기에는 순간적으로 Shielding이 잘 안되므로 긴 Arc가 형성되기 때문에 국부적으로 Ferrite 가 줄어들 수 있다. 따라서 초기에는 용접 이행의 출발점을 약간 앞쪽으로 옮겨 예정된 출발점을 약간 뒤로 할 필요가 있다. Arc 길이의 이 같은 효과는 Self-shielded FCAW (flux cored arc welding) 에서 잘 적용되고 있다.
한편 Wire 의 용입 속도를 줄이면 용접부에 Nitrogen의 증가가 나타난다.
(2) Gas Shield Arc Welding (GMAW & GTAW)
1) Ferrite 감소
Soild or flux cored wire filler metal 등은 Gas shield 의 방해나 손실로 인해 N이 침입되어 FN이 낮아지게 될 수 있다. Oxidizing Gas (CO2, Ar mixes high in O2 or CO2) 를 사용하면 Ferrite 의 감소에 영향을 미치는 Cr2O3의 생성시킬 수 있고 CO2 를 통해 C가 유입되기 때문이다.
(3) Submerged Arc Welding (SAW)
공기로 부터 Shielding을 위해 Flux가 사용된다.
1) Ferrite 감소
Arc의 flashing으로 인해 flux covering의 결핍이 생겨 N이 칩입되어 FN 이 떨어지게 된다. Flux의 조성이 높은 Manganese silicate일 경우 Cr2O3가 쉽게 생성되어 Ferrite가 줄어들게 된다.
2) Ferrite 증가
Flux내에 Cr의 금속 화합물이 함유될 경우 용접부의 Cr을 높여 Ferrite가 증가된다. 높은 Voltage 를 유지하거나 Wire의 이송 속도를 줄이면 Ferrite는 증가한다.
5. Ferrite량과 Pitting 저항성
Stainless Steel에 포함된 δ-ferrite의 양에 따른 Stainless Steel의 Pitting 저항성은 ASTM G150에 규정된 실험 방법에 의해 Critical Pitting Temperature(CPT, 임계공식온도)으로 평가될 수 있다.
CPT온도가 낮을수록 Pitting 에 취약하게 된다.
다음의 표는 21개의 316L 시편 용접부를 대상으로 평가한 δ-ferrite의 양과 CPT의 관계이다.
|
시편No. |
Ni eq |
Cr eq |
Cr eq / Ni eq |
%Ferrite Max. |
CPT ℃, avg |
|
1 |
14.03 |
21.63 |
1.54 |
2.24 |
22.6 |
|
2 |
12.71 |
21.12 |
1.66 |
3.58 |
16.3 |
|
3 |
13.62 |
20.28 |
1.49 |
2.23 |
13.1 |
|
4 |
16.02 |
21.78 |
1.36 |
0.23 |
23.1 |
|
5 |
13.59 |
20.9 |
1.54 |
1.73 |
16.4 |
|
6 |
13.97 |
21.45 |
1.54 |
2.39 |
23.9 |
|
7 |
13.57 |
20.51 |
1.51 |
1.62 |
22.3 |
|
8 |
13.26 |
21.24 |
1.6 |
3.87 |
20.4 |
|
9 |
13.92 |
21 |
1.51 |
1.81 |
12.4 |
|
10 |
13.59 |
20.09 |
1.48 |
0.7 |
10.2 |
|
11 |
12.26 |
20.27 |
1.65 |
4.53 |
4.1 |
|
12 |
12.71 |
21.05 |
1.66 |
5.15 |
15.5 |
|
13 |
14.05 |
20.99 |
1.49 |
1.36 |
13.9 |
|
14 |
16.11 |
21.78 |
1.35 |
0.21 |
20.6 |
|
15 |
15.93 |
21.81 |
1.37 |
0.29 |
20.1 |
|
16 |
15.68 |
21.91 |
1.4 |
0.3 |
18.2 |
|
17 |
12.23 |
20.72 |
1.69 |
6.4 |
7 |
|
18 |
13.63 |
20.67 |
1.52 |
2.38 |
12.3 |
|
19 |
13.85 |
20.51 |
1.48 |
1.21 |
10.6 |
|
20 |
13.16 |
20.37 |
1.55 |
3.23 |
13.2 |
|
21 |
13.61 |
21.14 |
1.55 |
3.93 |
15.9 |
<시편용접부의 δ-ferrite의 양과 CPT의 관계>
이 표에 나타난 바와 같이 Ferrite의 함량이 클수록 CPT(임계공식온도) 값이 작은 것을 알 수 있다.
6. Ferrite량의 측정
Ferrite Number는 Ferrite함량을 지수화 한 것으로 용접부의 건전성을 Chemical Component로 예측해 볼 수 있는 손쉬운 방법이다. Ferrite함량 측정은 여러가지 방법이 있으나, 가장 널리 사용되는 세가지 방법에 대해 다음과 같이 설명한다.
(1) Shaeffler Diagram에 의한 계산법
Shaeffler의 Cr & Ni당량 공식에 따라 용접부의 성분 분석치를 기준으로 계산하여 다음의 그림2에 제시된 Shaeffler Diagram서 Ferrite Content를 구하는 방법이다. Ferrite의 함량을 %로 측정하는 Shaeffler Diagram의 불편함을 해소하여 기준 값을 제시하고, 단일화된 수치로 표시한 것이 Dillong Diagram이다. 성분 분석을 위한 Chip Sampling은 용접 과정에서 합금 원소의 Dillution에 의한 문제점을 해결하기 위해 용접부 표면으로부터 통상 1.6mm이하의 금속을 Drill등을 이용하여 채취하여 분석한다.
<Schaeffler Diagram 과 Cr & Ni당량 계산식>
(2) Ferrite Detector로 측정하는 방법
Ferrite Detector에는 Magnetic Type과 Eddy-Current Type의 두 종류가 있으며, 두가지 모두 자성을 가지는 Ferrite의 특성을 이용하여 특정하는 방법이다. 측정이 손쉽고 장비가 간단해 가장 널리 쓰이지만, 측정 과정의 오차가 많아 절대적인 값으로 신뢰하기는 어렵다. 최근에는 Digital 화면으로 Ferrite 함량이 표시되는 손쉬운 측정 장비가 많이 나와있다.
(3) 현미경에 의한 조직 분석법
조직 시편을 만들어 광학 현미경을 통해 Ferrite와 Austenite의 조직분률(Area %)을 직접 측정하는 방법이다. 측정상의 오차에 의한 문제점은 최소화 할 수 있으나, 반드시 시편을 만들어서 측정해야 하는 적용상의 어려움으로 인해 현장 적용은 어려운 단점이 있다.
7. 입계 부식, Cr 탄화물의 생성
300계열의 Austenite Stainless Steel을 500 ~ 800℃ 정도의 범위에서 가공하거나, 이 온도 범위에서 장시간 유지할 경우에 발생한다. 이 온도 범위에서 Stainless Steel의 내식 특성을 좌우하게 되는 Cr이 탄화물 형태로 입계에 석출하게 된다. 이러한 현상을 Austenite Stainless Steel의 예민화(Sensitization)라고 한다. 탄화물의 성상은 Cr23C6로서 많은 양의 Cr이 탄화물 형성에 사용된다. 따라서, 이들 탄화물이 집중적으로 석출되는 입계를 따라서 내식성이 저하하게 되고, 이러한 조직이 부식성 분위기에 노출되게 되면 입계를 따라서 부식이 급진전하게 된다.
이러한 부식 형태를 입계부식(Intergranular Corrosion)이라고 부른다.
아래 그림에 Cr 탄화물의 형성과 입계부식에 대한 도해를 소개한다.
또한 대개의 경우에 입계 부식을 일으키는 부식 인자들은 응력 부식을 동반하므로 구체적으로 표현할 때는 입계응력부식균열(Intergranular Stress Corrosion Cracking)이라고 구분한다.
<Cr 탄화물의 형성과 입계 부식>
Cr 탄화물 형성에 의한 입계 부식을 예방하기 위해서는 다음과 같은 방법들이 적용된다.
(1) 저 탄소강의 사용 (Low Carbon Grade)
일반적인 Austenite Stainless Steel의 탄소 함량은 Max. 0.08% 정도로 규정되며, 실제 측정치는 대략 0.04% 정도를 유지하고 있다. 저 탄소강을 사용한 입계 부식 방지법은 Cr 탄화물 형성에 필요한 탄소의 함량을 0.03% 이하로 제한하여 탄화물 형성이 최소화 하도록 유도한다. 이러한 강종은 그 명칭뒤에 “L”을 붙여서 구분하다. (예, 304L, 316L)
일반적인 경우에 있어서는 저 탄소강의 사용만으로도 입계 부식 저항성을 가질 수 있다. 그러나, 극심한 부식 분위기 이거나 용접등의 과정에서 부적절한 용접부 관리가 이루어 지게 되면, 저 탄소강의 사용만으로는 충분한 입계 부식 저항성을 갖기가 어렵다. 실례로 저 탄소강의 용접부를 따라서 가는 선형의 입계 부식이 진행되어 마치 칼로 용융 접합부를 자른 것과 같은 날카로운 균열을 보이는 경우가 있다. 이를 Knife Line Attack이라고 부른다.
저 탄소 Austenite Stainless Steel은 용접부나 고온 가공부의 Cr 탄화물 형성을 최소화 하여 입계 부식을 예방할 수 있는 장점은 있으나, 탄소 함량 부족으로 인해 고온 강도가 저하하는 단점이 있다.
ASME Sec. II Part D.에 따르면, 저 탄소 Austenite Stainless Steel의 고온 사용을 최대 427℃로 규정하고 있다. 그러나, 실제 사용되는 설계 온도는 약 350℃ 정도 이하로 관리되고 있다.
이에 반대되는 개념의 Stainless Steel은 탄소 함량이 0.08% 이상의 강종으로 명칭 뒤에 “H”를 붙여서 구분하다. 이들 “H-Grade”의 강종들은 내식성을 목적으로 하지 않고 고온 강도용으로 사용한다.
<304SS의 열처리 전후 입계 부식 시험 결과>
(2) 안정화 원소의 첨가 (Stabilized Grade)
앞선 설명한 바와 같이 저 탄소강을 사용한 입계 부식 예방만으로는 다양한 부식 환경에 안정적으로 대처하기에 다소 부족하다. 아무리 저 탄소강이라고 해도 고온에서 결국 약간의 탄화물은 형성되기 때문이다.
그러나, Cr보다 탄소에 대한 친화력이 더 우수한 합금 원소들을 첨가하여 Cr 탄화물이 형성되기 보다는 이들 합금 원소의 탄화물이 형성되도록 하여 Cr 결핍층이 생기지 않도록 하는 방법이 적용될 수 있다.
이러한 합금 원소로는 Ti과 Nb(Cb)가 있다.
Ti과 Nb(Cb)가 탄화물이 형성될 수 있는 고온 영역에서 Cr 탄화물 대신에 이들 원소의 탄화물인 TiC, NbC들을 형성하여 입계에 석출한다.
Ti이 들어간 강종을 321 SS로 구분하고 Nb(Cb)가 들어간 강종을 347 SS로 구분한다. 이러한 강종을 안정화처리강(Stabilized Stainless Steel)이라고 한다. 첨가되는 안정화 원소의 양은 보통 탄소량의 약 4배 정도가 포함된다. 그러나, 이런 탄화물이 지나치게 많이 생성되면 탄화물의 석출에 의해 경도가 상승하고 강도가 너무 커져서 가공에 불리하게 된다.
Ti이 함유된 321 SS의 용접시에는 용접봉의 Ti성분이 Welding Arc에 의해서 용접부로 Transfer되지 않으므로 Nb(Cb)가 함유된 347 SS용접봉을 사용한다. ASME Sec. II Part C의 용접봉 구분에도 SFA 5.9의 ER 321 SS가 321 SS의 용접봉으로는 유일하게 규정되어 있을 뿐이다.
Ti에 의해 안정화된 강보다는Nb(Cb)에 의해 안정화된 강의 예민화에 대한 저항성이 크다. 347 SS는 321 SS보다 용접성이 좋으며, 예민화 현상에 대한 저항성이 더 크다.
321 SS와 비슷한 특성을 가진 것으로 316Ti SS가 있다. 일반적으로 이들 재료의 적용 기준은 온도에 의한 구분으로 이루어 진다.
약 480℃ 이하의 최고 사용 설계 온도에서는 321 SS 혹은 316Ti SS가 사용되고, 480℃ ~ 525℃ 정도의 온도 범위에서는 347 SS가 사용된다.
(3) 고용화 열처리 (Solution Annealing)
용접이나 고온 가공 및 장시간에 걸친 고온 사용으로 인해 형성된 Cr 탄화물은 A1 변태점이상의 온도로 가열하게 되면 조직내 탄화물이 다시 분해하여 탄소와 Cr으로 나누어 진다. 실제 현장 작업에서는 약 960 ~ 1020℃ 정도로 가열한 후에 급냉하게 된다.
고용화 열처리는 이렇게 A1 변태점 이상의 고온으로 강을 가열하여 탄화물을 분해한 후에 상온 까지 급냉하여 조직내에 탄화물이 다시 생성될 수 없도록 하는 열처리 작업을 의미한다.
탄화물의 생성은 약 500 ~ 800℃ 정도의 범위에서 발생하므로 이 범위의 온도 구간을 급냉하여 탄화물이 생성될 수 있는 시간을 주지 않는 것이 중요하다. 그러나, 실제 완성된 제품에 고용화 열처리를 적용하기는 변형과 표면 산화등의 문제점으로 인해 매우 어렵다.
아래의 내용은 Austenite Stainless Steel의 재료 특성과 용접성을 종합적으로 요약한 것이다.
|
Type |
대표 강종 |
재료 특성 및 용접성 |
|
Austenitic |
304 SS |
- 용접성이 매우 양호한 재료로서, 용접으로 인해 경화되지 않으므로 예열과 후열의 필요성이 없다. |
| - 열팽창이 크고, 용접시에 변형이 크므로 주의를 요한다. | ||
| - 425 ~ 870℃ 용역에서 장시간 유지시에는 입계에 Cr탄화물이 발생해서 내식성이 저하되고, 기계적 강도도 감소한다. | ||
| - Cr탄화물에 의한 예민화 현상을 방지하기 위해, Carbon함량을 0.03%이하로 줄인 Low Grade를 사용하거나, Carbon과 친화력이 좋은 Ti이나 Nb(Cb)를 첨가한 321 SS, 347 SS가 사용된다. | ||
| - 321 SS, 347 SS, 348 SS 와 316Ti는 예민화 현상이 일어나지 않는 것으로 평가된다. “H” Grade는 내식성이 요구되지 않고 고온에서의 기계적 강도만 요구되는 경우에 사용된다. | ||
| - 예민화가 일어날 수 있는 304 SS, 316 SS등은 용접하지 않고 사용할 경우의 최대 사용온도는 425℃이며, 냉간가공을 할 경우에는 370℃로 제한된다. | ||
| - 용접 구조물에 사용되는 Low Carbon Grade인 304L, 316L의 경우에는 위의 경우와 같은 온도 제한을 받는다. | ||
| - 316 Ti, 321 SS, 347 SS는 모두 용접이 가능하며, 최대 480℃까지 사용된다. 347 SS는 321 SS보다 용접성이 좋으며, 예민화 현상에 대한 저항성이 더 크다. | ||
| - 용접중 발생할 수 있는 예민화 현상을 방지하기 위해 층간 온도(Interpass Temperature)는 Max. 180 ~ 200℃정도로 제한한다. | ||
| - 용접부는 Hot Crack을 방지하기 위해 3 ~ 11 Ferrite Number정도의 Ferrite를 함유해야 한다. | ||
| - Ti이 함유된 321 SS의 용접시에는 용접봉의 Ti성분이 Welding Arc에 의해서 용접부로 Transfer되지 않으므로 Nb(Cb)이 함유된 347 SS용접봉을 사용한다. |
<Austenite Stainless Steel의 재료 특성 및 용접성>
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