■ Duplex Stainless Steel
Duplex Stainless Steel은 가장 최근에 개발된 강종으로 점차 그 사용 영역이 확대되어 가고 있는 강종이다. 이 강종은 기존의 Austenitic Stainless Steel에 Cr의 함량을 더 높이고 약간의 Mo를 추가한 강종으로 보통 25%정도의 Cr에 2 ~ 3% Mo를 포함하는 강종이다.
대표적인 재질로는 SAF 2205 (UNS No. : S31083), SAF 2507 (UNS No. : S32750)이 있다.
초기에 개발된 Duplex Stainless Steel은 용접시에 열영향부의 인성이 저하하는 단점으로 인해 사용에 제한이 있었다. 이는 용접과정에서 Ferrite상의 과다 석출과 이로 인한 부식 저항성의 저하 때문이었다.
1968년 이후에 제강 기술이 발달하고, AOD(Argon Oxygen Decarburization)방법이 적용되면서 Stainless Steel속에 질소(Nitrogen)를 첨가할 수 있게 되면서 용접부 인성 저하의 문제는 어느 정도 해결되고 있다. 강중에 첨가된 질소는 용접부 특히 용접 열영향부의 인성을 향상시키고, 응고 과정에서 상변화(Intermetallic Phases Formation)를 억제하여 부식 저항성을 높이는 효과를 가져오고 있다. 질소의 첨가가 이루어 지면서 개량된 Duplex Stainless Steel을 제 2세대 Duplex Stainless Steel이라고 구분한다.
가장 최근에 적용되고 있는Duplex Stainless Steel의 개발은 1970년을 기준으로 구분 될 수 있다. 이시기를 지나면서 염소(Chloride)에 대한 우수한 저항성으로 인해 해양 구조물등에 적용 실적이 늘어나고 우수한 강도로 인해 구조물의 두께를 얇게 가져갈 수 있는 이점이 부각되고 있다.
널리 사용되고 있는 2205와 같은 재료는 이시기를 통해 활용도가 증대된 대표적인 Duplex Stainless Steel이다.
|
Name |
UNS No. |
EN No. |
Chemical Composition (wt.%) | ||||||
|
C |
Cr |
Ni |
Mo |
N |
Cu |
W | |||
|
Wrought Duplex Stainless Steels | |||||||||
|
First-Generation Duplex Grades | |||||||||
|
329 |
S32900 |
1.446 |
0.08 |
23.0 ~ 28.0 |
2.5 ~ 5.0 |
1.0 ~ 2.0 |
- |
- |
- |
|
3RE60 |
S31500 |
1.4417 |
0.03 |
18.0 ~ 19.0 |
4.3 ~ 5.2 |
2.50 ~ 3.00 |
0.05 ~ 0.1 |
|
|
|
Uranus 50 |
S32404 |
|
0.04 |
20.5 ~ 22.5 |
5.5 ~ 8.5 |
2.0 ~ 3.0 |
- |
1.0 ~ 2.0 |
|
|
Second-Generation Duplex Grades | |||||||||
|
2304 |
S32304 |
1.4362 |
0.03 |
21.5 ~ 24.5 |
3.0 ~ 5.5 |
0.05 ~ 0.60 |
0.05 ~ 0.20 |
|
|
|
2205 |
S31803 |
1.4462 |
0.03 |
21.0 ~ 23.0 |
4.5 ~ 6.5 |
2.5 ~ 3.5 |
0.08 ~ 0.20 |
|
|
|
2205 |
S32205 |
1.4462 |
0.03 |
22.0 ~ 23.0 |
4.5 ~ 6.5 |
3.0 ~ 3.5 |
0.14 ~ 0.20 |
|
|
|
DP-3 |
S31260 |
|
0.03 |
24.0 ~ 26.0 |
5.5 ~ 7.5 |
5.5 ~ 7.5 |
0.10 ~ 0.30 |
0.20 ~ 0.80 |
0.10 ~ 0.50 |
|
UR 52N+ |
S32520 |
1.4507 |
0.03 |
24.0 ~ 26.0 |
5.5 ~ 8.0 |
3.0 ~ 5.0 |
0.20 ~ 0.35 |
0.50 ~ 3.00 |
- |
|
255 |
S32550 |
1.4507 |
0.04 |
24.0 ~ 27.0 |
4.5 ~ 6.5 |
2.9 ~ 3.9 |
0.10 ~ 0.25 |
1.50 ~ 2.50 |
- |
|
DP-3W |
S30274 |
|
0.03 |
24.0 ~ 26.0 |
6.8 ~ 8.0 |
2.5 ~ 3.5 |
0.24 ~ 0.32 |
0.20 ~ 0.80 |
1.50 ~ 2.50 |
|
2507 |
S32750 |
1.441 |
0.03 |
24.0 ~ 26.0 |
6.0 ~ 8.0 |
3.0 ~ 5.0 |
0.24 ~ 0.32 |
0.5 |
- |
|
Zecon 100 |
S32760 |
1.4501 |
0.03 |
24.0 ~ 26.0 |
6.0 ~ 8.0 |
3.0 ~ 4.0 |
0.20 ~ 0.30 |
0.50 ~ 1.00 |
0.50 ~ 1.00 |
|
Casting Duplex Stainless Steels | |||||||||
|
CD4McuN |
J93372 |
|
0.04 |
24.5 ~ 26.5 |
4.4 ~ 6.0 |
1.7 ~ 2.3 |
0.10 ~ 0.25 |
2.7 ~ 3.3 |
|
|
Grade 1B | |||||||||
|
CD3MN |
J92205 |
|
0.03 |
21.0 ~ 23.5 |
4.5 ~ 6.5 |
2.5 ~ 3.5 |
0.10 ~ 0.30 |
- |
- |
|
Cast 2205 | |||||||||
|
Grade 4A | |||||||||
|
CE3MN |
J93404 |
1.4463 |
0.03 |
24.0 ~ 26.0 |
6.0 ~ 8.0 |
4.0 ~ 5.0 |
0.10 ~ 0.30 |
- |
- |
|
Atlas958 | |||||||||
|
Cast 2507 | |||||||||
|
Grade 5A | |||||||||
|
CD3MWCuN |
J93380 |
|
0.03 |
24.0 ~ 26.0 |
6.5 ~ 8.5 |
3.0 ~ 4.0 |
0.20 ~ 0.30 |
0.5 ~ 1.0 |
0.5 ~ 1.0 |
|
Cast Zeron 100 | |||||||||
|
Grade 6A | |||||||||
<Duplex Stainless Steel의 화학성분>
|
UNS No. |
화학 성분 (Max. Wt.%) | ||||||||||
|
C |
Mn |
P |
S |
Si |
Cr |
Ni |
Mo |
N |
Cu |
기타 | |
|
S31200 |
0.03 |
2 |
0.045 |
0.03 |
1 |
24.0 ~ 26.0 |
5.5 ~ 6.5 |
1.2 ~ 2.0 |
0.14 ~ 0.20 |
|
|
|
S31260 |
0.03 |
1 |
0.03 |
0.03 |
0.75 |
24.0 ~ 26.0 |
5.5 ~ 7.5 |
2.5 ~ 3.5 |
0.1 ~ 0.3 |
0.2 ~ 0.8 |
W : 0.1 ~ 0.5 |
|
S31803 |
0.03 |
2 |
0.03 |
0.02 |
1 |
21.0 ~ 23.0 |
4.5 ~ 6.5 |
2.5 ~ 3.5 |
0.08~ 0.20 |
|
|
|
S32304 |
0.03 |
2.5 |
0.04 |
0.03 |
1 |
21.5 ~ 24.5 |
3.0 ~ 5.5 |
0.05 ~ 0.60 |
0.05 ~ 0.20 |
0.05 ~ 0.60 |
|
|
S32205 |
0.03 |
2 |
0.03 |
0.02 |
1 |
21.5 ~ 23.0 |
4.5 ~ 6.5 |
2.5 ~ 3.5 |
0.14 ~ 0.2 |
|
|
|
S32550 |
0.04 |
1.5 |
0.04 |
0.03 |
1 |
24.0 ~ 27.0 |
4.5 ~ 6.5 |
2.9 ~ 3.9 |
0.1 ~ 0.25 |
1.5 ~ 2.5 |
|
|
S32750 |
0.03 |
1.2 |
0.035 |
0.02 |
0.8 |
24.0 ~ 26.0 |
6.0 ~ 8.0 |
3.0 ~ 5.0 |
0.24 ~ 0.32 |
0.5 |
|
|
S32760 |
0.03 |
1 |
0.03 |
0.01 |
1 |
24.0 ~ 26.0 |
6.0 ~ 8.0 |
3.0 ~ 4.0 |
0.2 ~ 0.3 |
0.5 ~ 1.0 |
W : 0.5 ~ 1.0 |
|
Cr + 3.3 Mo + 16N = 40 Min. | |||||||||||
|
S32900 |
0.08 |
1 |
0.04 |
0.03 |
0.75 |
23.0 ~ 28.0 |
2.5 ~ 5.0 |
1.0 ~ 2.0 |
|
|
|
|
S32950 |
0.03 |
2 |
0.035 |
0.01 |
0.6 |
26.0 ~ 29.0 |
3.5 ~ 5.20 |
1.0 ~ 2.5 |
0.15 ~ 0.35 |
|
|
<ASTM A240에 기준한 Duplex Stainless Steel의 화학 성분>
1. 합금 원소의 영향과 Duplex Stainless Steel의 조직
Duplex Stainless Steel은 합금 성분의 영향에 의해 조직의 상분률이 달라지고 다양한 기계적 및 화학적 특성을 나타내고 있다.
(1) 크롬(Chromium, Cr)
크롬의 역할은 내식성의 기초가 되는 산화성 피막을 형성하는 것이다. 적절한 수준의 산화성 피막을 형성하기 위해서는 최소한 10.5% 이상의 Cr 함량이 필요하다. 일반적인 개념의 부식 저항성은 Cr 함량이 증가함에 따라 증대된다. Cr은 대표적인 Ferrite 조직 형성 원소로서 조직을 체심입방격자(Body Centered Cubic Structure, BCC)로 만들려고 한다.
그러나 Cr함량이 증가함에 따라 금속간 화합물의 형성이 많아지는 단점이 있다. 또한 Cr은 열처리나 용접 과정에서 발생하는 산화층 및 변색의 주요 원인이 된다. Duplex Stainless Steel을 만들기 위해서는 최소한 22% 이상의 Cr이 필요하게 되고, Cr의 영향으로 인해 Duplex Stainless Steel은 산세(Acid Cleaning, Pickling)이 어렵고, 용접 과정에서 발생된 변색 조직의 제거가 기존의 Austenitic Stainless Steel에 비해 어렵다.
(2) 몰리브데늄(Molybdenum, Mo)
Mo의 역할은 염소(Chloride)에 의한 부식 저항성을 증대하기 위하여 첨가된다. Mo는 동일한 Cr첨가량에 비해3 배 이상의 공식(Pitting) 및 틈부식(Crevice Corrosion)에 대한 저항성을 나타내는 효과가 있다.
Cr과 마찬가지로 Mo는 Ferrite 조직을 형성 원소이고 조직에 해가 될 수 있는 금속간 화합물을 만드는 성질이 강하다. 따라서 Mo의 첨가량은 Duplex Stainless Steel에서는 최대 4% 이하로 유지하며, Austenitic Stainless Steel에서는 최대 7.5% 이하로 관리한다.
(3) 질소(Nitrogen, N)
질소는 강력한 Austenite 조직 형성 원소이다. Pitting과 Crevice Corrosion에 대한 저항성이 매우 강한 것이 특징이며, 고용강화 원소로서 기계적 강도를 향상시키며, 저온의 인성을 향상시킨다.
또한 금속간 화합물의 형성을 제한하여 조직의 안정성을 도모한다.
Duplex Stainless Steel 제조 과정에서 질소는 그 고용한도 까지 첨가된다.
(4) 니켈(Nickel, Ni)
니켈은 가장 대표적인 Austenite 조직 형성 원소이다. Ni의 첨가로 인해 체심입방격자(BCC)인 Ferrite 조직인 면심입방격자(Face Centered Cubic Structure, FCC)인 Austenite로 변화한다. 또한 Ni은 질소의 영향에 비하면 약하지만, 조직내에 해로운 금속간 화합물의 형성을 방지하는 기능을 담당한다. 면심입방격자(FCC)인 Austenite 조직은 Ferrite 조직에 비해 저온의 인성을 증가하는 효과가 있다.
<Nickel첨가에 따른 Ferrite 조직의 Austenite조직으로의 변화>
<Nickel 첨가에 따른 조직의 변화 도식>
2. Duplex Stainless Steel의 특성
이 강종의 특징은 기존 Austenitic Stainless Steel이 입계부식(Intergranular Corrosion) 및 응력 부식 균열(Stress Corrosion Cracking)에 민감한 단점을 보완하기 위해 개발된 강종으로Ferrite기지위에 50%정도의 Austenite조직이 공존하는 Dual Phase의 조직이다.
(1) 기계적 성질
Austenite조직이 존재 함으로 인해 Ferrite Stainless Steel보다 양호한 인성을 가지고 있다. 또한, Ferrite조직이 존재 함으로 인해 Austenite Stainless Steel보다 약 2배 이상의 강도를 가지고 있어서 기계 가공 및 성형이 어렵다. Austenitic Stainless Steel보다 열팽창 계수가 낮고, 열전도도는 높아서 열 교환기 등의 Tube재질로 적합하다.
그러나, 고온에 노출되면 조직의 상분률이 깨져서 Duplex Stainless Steel의 특성을 잃게 되므로 최대 사용 온도가 제한된다.
ASME나 TUV와 같은 Design Code에서는 최대 온도를 다음의 Table 24 와 같이 제한하지만, 상용적인 개념으로 대략 250℃를 최대 사용 기준 온도로 적용한다.
|
Grade |
Condition |
ASME |
TUV | ||
|
℃ |
℉ |
℃ |
℉ | ||
|
2304 |
Unwelded |
315 |
600 |
300 |
570 |
|
2304 |
Welded, matching filler |
315 |
600 |
300 |
570 |
|
2304 |
Welded with 2205/2209 |
315 |
600 |
250 |
480 |
|
2205 |
Unwelded |
315 |
600 |
280 |
535 |
|
2205 |
Seamless Tubes |
315 |
600 |
250 |
480 |
|
2507 |
Seamless Tubes |
315 |
600 |
250 |
480 |
|
Alloy 255 |
Welded or Unwelded |
315 |
600 |
- |
- |
<설계 기준에 따른 Duplex Stainless Steel의 최대 사용 온도>
| 2205 | Superduplex | |||
| ℃ | ℉ | ℃ | ℉ | |
| Solidification Range | 1445 ~ 1385 | 2630 ~ 2525 | 1450 ~ 1390 | 2640 ~ 2535 |
| Scaling Temperature in Air | 1000 | 1800 | 1000 | 1800 |
| Sigma Phase Formation | 700 ~ 975 | 1300 ~ 1800 | 700 ~ 975 | 1300 ~ 1800 |
| Carbide Precipitation | 450 ~ 800 | 840 ~ 1470 | 450 ~ 800 | 840 ~ 1470 |
| 475℃/885℉ Embrittlement | 350 ~ 525 | 650 ~ 980 | 350 ~ 525 | 650 ~ 90 |
<온도별 Duplex 조직의 변화>
(2) 부식성
유사한 양의 합금 원소를 첨가한 Austenite계열의 합금에 비해 공식(Pitting)과 틈새 부식성은 유사하지만, 응력부식 균열과 유기산에 대한 저항성은 매우 우수하다. Chloride등에 대한 저항성이 커서 VCM Project등의 열 교환기용 재료로 사용되고 있다. 통상 부식성의 우열은 내공식성 지수(Pitting Corrosion Resistance Index, PREN)으로 평가하는 방법이 가장 일반적이다. PRE 값이 높으면 Pitting이나 Crevice Corrosion에 대한 저항성이 큰 것을 의미한다. 또한 이러한 PRE 지수 이외에 중요한 것이 임계온도이다. Pitting이나 Crevice Corrosion은 온도에 대한 의존성이 있는 데, 이를 활용하여 각 부식발생의 임계 온도를 평가한다.
- CPT : Critical Pitting Temperature
- CCT : Critical Crevice Corrosion Temperature
다음 표에 Duplex Stainless Steel의 부식성에 관한 자료를 요약한다.
<강종별 CCT와 CPT 비교표>
|
|
304L & 316L |
3RE60 |
2205 |
25Cr Duplex |
Super-duplex |
|
42% MgCl2 Boiling 154℃ U-Bend |
● |
● |
● |
● |
● |
|
35% MgCl2, Boiling 125℃ U-Bend |
● |
● |
● |
● |
● |
|
Droop Evap. 0.1M Nacl 120℃ 0.9 x Y.S |
● |
● |
● |
● |
● |
|
Wick Test 1500ppm Cl as NaCl 100℃ |
● |
● |
● |
● |
● |
|
33% LiCl2 Boiling 120℃ U-Bend |
● |
● |
● |
● |
● |
|
40% CaCl2 120℃ |
● |
● |
● |
● |
● |
|
0.9 x Y.S | |||||
|
25 ~ 28% NaCl Boiling 106℃ U-Bend |
● |
● |
● |
● |
● |
|
26% NaCl Autoclave 155℃ U-Bend |
● |
● |
● |
● |
● |
|
26% NaCl Autoclave 200℃ U-Bend |
● |
● |
● |
● |
● |
|
600ppm Cl (NaCl) Autoclave 300℃ U-Bend |
● |
● |
● |
● |
● |
|
100ppm Cl (Sea salt + O2) Autoclave 230℃ U-Bend |
● |
● |
● |
● |
● |
|
100ppm Cl (Sea salt + O2) Autoclave 230℃ U-Bend |
● |
● |
● |
● |
● |
| ● Cracking Anticipated | |||||
| ● Cracking Possible | |||||
| ● Cracking Not Anticipated | |||||
| ● Insufficient Data | |||||
<DSS와 ASS의 응력부식(Stress Corrosion Cracking) 실험 비교>
(3) 가공성
Ni함량이 적어서 경제적이고 열처리에 의해 경화될 수 있다.
일반 탄소강과 유사한 저온 특성을 보이며, -60℃이하에서는 충격치가 급속히 감소하여 사용이 제한된다. 300℃ 이상에서는 Ferrite조직의 분해가 일어나서 취성이 발생하므로 통상적인 사용온도는 -50 ~ 250℃정도로 제한된다.
Duplex Stainless Steel은 Austenite조직과 Ferrite조직의 상분률(狀分率)이 매우 중요하다. 상분률이 깨어지면 원하는 특성을 얻을 수 없고 취성이 발생하여 적절하게 사용할 수 없다.
(4) 용접성
전반적으로 용접성은 매우 양호한 재질로 평가되지만, 입열조절이 무척 중요하다. 따라서 다층 용접시 각 Pass사이의 Interpass Temperature와 Travel Speed의 조절이 매우 중요한 조절인자로 작용한다.
용접시 입열이 부적절하면 Dual Phase의 상분률(狀分率)이 깨어지므로 통상 0.5 ~ 1.5KJ/mm정도로 엄격히 제한한다. Interpass Temperature는 Max. 150℃정도로 규제한다.
용접봉은 모재보다 2 ~ 3%정도 Ni함량이 많은 재료를 선정하고, 지나친 급냉이나 서냉이 되지 않도록 한다. 용접시 800 ~ 1000℃ 범위에서 장시간 유지되면 해로운 Secondary Phase가 생겨서 기계적 성질 및 내식성의 저하를 가져오므로 피해야 한다. 대개 용접후 열처리(PWHT)는 실시 하지 않으나, 해로운 Secondary Phase를 피하기 위해 1100℃정도의 온도에서 5 ~ 30분간 후열처리를 한후 급냉 하도록 한다. 서냉하게 되면, 탄화물의 석출에 의해 내식성이 저하하고, 인성이 떨어진다.
Code상 규정은 없지만 용접부에 대한 충격시험(Impact Test)을 요구하는 경우가 많으며, 별도의 비파괴 검사(NDT)를 실시 하지 않고 용접부의 건전성을 평가하는 가장 손쉬운 방법은 경도(Hardness) 측정과 Ferrite량 측정이다. Ferrite량을 측정하고 Hardness측정하면 대략적인 용접부의 건전성을 평가 할 수 있다. 경도 측정은 Code상 반드시 적용해야 하는 규정은 아니다.
Ferrite함량은 Austenitic Stainless Steel의 용접부 검사에 적용한 것과 동일한 방법을 적용하면 된다.
Ferrite함량 37 ~ 52%정도에서 통상적인 Hardness는 Brinell경도로 238 ~ 265정도가 나오면 적정선이다. 이 경도 값에 관해서는 사전에 기준치를 정하는 협의가 필요하다.
|
Type |
대표 강종 |
재료 특성 및 용접성 |
|
Duplex |
SAF 2204 |
- Austenitic Stainless Steel의 입계 부식 및 응력 부식균열에 민감한 단점을 보완하기 위해 개발된 강종으로 Ferrite 조직 기지위에 50%정도의 Austenite조직이 공존하는 Dual Phase의 조직이다. |
| - Austenitic조직이 존재함으로 인해 Ferrite Stainless Steel보다 양호한 인성을 가지고 있다. | ||
| - Ferritic조직이 존재함으로 인해 Austenitic Stainless Steel보다 우수한 Mechanical Strength(약 2배)를 가지고 있으며, 기계 가공 및 성형이 어렵다. | ||
| - Austenitic Stainless Steel보다 열팽창 계수가 낮고 열전도도는 높아서 열교환기의 Tube재질등으로 적합하다. | ||
| - Ni함량이 작아서 가격이 경제적이다. | ||
| - 충격치가 -60℃ 이하에서는 급속히 감소하며, 300℃이상에서는 Ferrite조직의 분해가 일어나서 취성이 발생하므로 통상적인 사용온도는 -50℃ ~ 250℃정도이다. | ||
| - 300 ~ 550℃의 열처리에 의해 경화될 수 있다. | ||
| - 용접시에 예열은 하지 않으며, 입열이 부적절하면 Dual Phase의 상분율(狀分率)이 깨어지므로, 0.5 ~ 1.5KJ/mm정도로 엄격하게 제한된다. | ||
| - 용접봉은 모재보다 2 ~ 3%정도 Ni이 많은 재료를 선정하고, 지나친 급냉이나 서냉이 되지 않도록 한다. | ||
| - 용접시 800 ~ 1000℃범위에서 장시간 유지되면, 해로운 Secondary Phase가 생겨서 기계적 성질 및 내식성의 저하를 가져온다. | ||
| - 대개 용접후 열처리(PWHT)는 하지 않으나, 해로운 Secondary Phase를 피하기 위해 1100℃정도의 온도에서 5 ~ 30분간 후열처리를 한다. |
<Duplex Stainless Steel의 재료 특성 및 용접성>
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