오스테나이트계 스테인리스강(Austenitic Stainless Steel), 스테인리스강 부식, 공식, 응력부식균열, 저온용강, 석출경화계, 듀플렉스강

오스테나이트계 스테인리스란?

<기출 - 금속재료>

15-2-1	1. 마텐자이트계 스테인리스강 (martensite stainless steel )의 특정과 용도를 설명하시오.
16-2-5	5. 석출경화계 스테인리스강의 주요 합금원소 및 특성과 용도를 설명하시오.
23-1-10	10. 오스테나이트계 스테인리스강의 예민화현상에 대하여 설명하고 이를 방지하기 위한방안3가지를설명하시오.
18-4-2	2. 오스테나이트계 스테인리스강의예민화(sensitization)현상과방지방법을설명하시오.
24-2-2	2. 스테인리스강을금속 조직학상으로 분류하고,각각에대하여설명하시오.
24-3-1	1. 오스테나이트계스테인리스강용접부에서발생하는입계부식의발생원인과방지대책에 대하여설명하시오.
21-1-6	6. 18Cr-8Ni 스테인리스강의 특징 4가지를 설명하시오.
21-1-12	12.오스테나이트계스테인리스강을LNG선박의저장용기에사용하는이유를설명하시오.
21-2-1	1. 오스테나이트계 스테인리스강 단조품의 시그마 상(sigma(σ)-phase) 생성, 문제점 및방지대책을 설명하시오.
19-1-6	6. -200℃부근의극저온용으로오스테나이트스테인리스강이적합한이유를설명하시오.
19-2-1	1. STS 420J2 마텐자이트 스테인리스강, STS 304 오스테나이트 스테인리스강, STS 430 페라이트 스테인리스강의 일반등급 소재에 대한 가격을 구성 성분에 근거하여 비교설명하시오.
19-4-3	3. 비자성 STS304(18-8 스테인리스강)의 상온 가공을 받은 부분이 자석에 붙는 이유와이를방지하는방법을설명하시오.
18-1-6	6. 오스테나이트계 스테인리스강의 델타페라이트(delta ferrite)에 대하여 설명하시오.
16-4-4	4. 그림과 같은 제품을 생산하려고 한다. 적합한 재료선정과 내구성 향상을 위한 열처리 방안을 설명하시오.  1) 수술용 의료기구 2) 주방용 칼
15-3-4	4 오스테나이 트 계 스테인리 스 강에 있어서 입계부식 및 웅력부식균열의 방지 대책에 대하여 설명하시오.
22-1-9	9. 2상(dual phase) 스테인리스강의특징을5가지만 설명하시오.

22-3-3	3. 고농도 염산이 담긴18Cr-8Ni 스테인리스강 용기 내부가 대기 중에노출될 때 공식이 발생하는원인과그방지대책을설명하시오.
22-4-6	6. 오스테나이트계 스테인리스강의 응력부식균열의 원인과 특징 및 방지대책에 대하여 설명하시오.
20-1-4	4. 오스테나이트계 스테인리스강에서 발생하는 응력부식균열의 방지대책을 5가지만 설명하시오.

 

1. 개요

 

1) 스테인리스강의 정의

 강에 Cr을 적정량 함유하면 12%Cr 이상의 강에 내식성이 현저하게 향상이 되는데, 이와 같이 Cr이 산화피막을 강의 표면에 형성하여 보호작용을 하는 (부동태화) 강을, 정확히 말하면 12% 이상의 Cr을 함유하는 강을 스테인리스강(stainless steel)이라 한다 
스테인리스강은 크게 Cr계와 Cr-Ni계로 구분이 되며 마르텐사이트계, 페라이트계, 오스테나이트계, 오스테나이트-페라이트계, 석출경화계 5종류로 분류가 된다. 스테인리스강은 일반 가정용품부터 수술용품, 위생용품 등 산업 다양한 곳에 사용이 된다.

강재 분류; 탄소강, 합금강, 특수강, 비조질강, 조질강, 듀얼페이스강, 스테인리스 강(듀플렉스강

 

2. 스테인리스강의 종류

스테인리스강의 종류

크게 기지로 구분할 수 있으며 페라이트계 스테인리스강, 마르텐사이트계 스테인리스강, 오스테나이트계 스테인리스강, 석출경화계 스테인리스강, 듀플렉스강으로 구분이 가능하다 

스테인리스강의 열처리, 스테인리스강 소성가공 (가공경화), 스테인리스강 용접, 오스테나이트

 

1) 페라이트계 스테인리스강

12-18% Cr과 0.1% 이하의 C를 함유한 스테인리스강  (대표 : 18Cr 스테인리스강)
Cr함량이 높아서, 𝛄상(오스테나이트)에 도달하지 못하고 Ferrite와 탄화물의 상이 형성됨
오스테나이트에 도달할 수 없기 때문에 열처리에 의한 재질의 개선이 불가능하여 기계적 성질은 떨어짐 
반대로 말하면, 가열 및 냉각을 하더라도 소입(담금질)되지 않으므로 용접이 용이하고 Cr함량이 높아 내식성이 우수함 
BCC 결정구조, 강자성이며 내식성, 성형성이 마르텐사이트계 스테인리스강 대비 우수

• 내열합금에는 27% 크로뮴 스테인리스강 사용
• 용접열 영향에 의해 입계부식이 생기기 어려움 (부품 제작 공정 간소화 가능) 
• 박판은 단면수축률이 뛰어나 가공성이 좋으나, 후판재는 기계적 성질, 인성 저하가 쉽고 열영향부에 결정립이 성장하여 내충격성이 실온 직하에서 급격히 떨어짐 
• 퀜칭 후 경화성 없음 
• 자성 존재 
• 오스테나이트계 스테인리스에 비해 내응력 부식균열이나 내극간 부식성이 현저하게 뛰어남 (가정용온수기 제작시 꼭 필요) 
• 용접작업시 예열, 후열이 불필요함 (퀜칭 후 경화성 없음) 
• 마르텐사이트계 : 13%의 크로뮴을 첨가한 크로뮴스테인리스강이 유명 (낮은 크롬 함량은 담금질시 마르텐사이트 변태가 발생하므로 마르텐사이트스테인리스강으로 구분됨)
• 저온취성이 발생한다 (오스테나이트강은 저온취성이 발생하지 않는다) 

Fe-Cr계 평형상태도

고순도 페라이트계 스테인리스강 
탈탄을 통해 강중의 C, N을 제거하고 C, N 안정화 원소인 Ti, Nb를 첨가하여 성형성, 용접성, 내식성, 인성을 개선한 강 

 

2) 오스테나이트계 스테인리스강

Cr 12-26%, Ni 6-22%를 함유하는 Fe-Cr-Ni계 스테인리스강 
고용화열처리를 실시하면 오스테나이트조직이 되고 상온에서도 오스테나이트 조직을 유지하며 우수한 인성, 연성, 내식성을 가지고 있음 (FCC, 비자성) 
준안정오스테나이트를 갖는 가장 경제적인 조합이 18%Cr, 8%Ni이며(Ni의 가격이 비쌈) 이것이 가장 대표적인 18-8 스테인리스강이다

 * 오스테나이트 안정화 원소 : Ni, Mn, C, N 
 * 페라이트 생성 원소 : Cr, Mo, Si, Ti, Nb 

• 페라이트조직보다 원자밀도가 높아 내식성이 우수함 
• ⍺+𝛄상일 경우 내식성은 나빠짐 
• 500도 이상의 크리프강도가 크롬계보다 높음 
• 내식성 양호 (페라이트계 대비) 
• 퀜칭 후 경화성 없음 (열처리로는 경화되지 않고 냉간가공으로만 경화) 
• 비자성 (일부 전자부품, 의료기기, 특수병기 등에 사용) 
• 냉간가공 외 다른 방법으로 경화시킬 수 없음 (마르텐사이트 변태 방지) 
• 용접성 우수, 고온강도, 저온취성 우수 
  : 600도에서도 인장강도는 탄소강 대비 3~5배 크고(STS304) 고온기계부품에 사용됨
   -200도에서도 샤르피 충격치가 변함이 없어 초전도기계부품이나 액화 LPG 기계부품에 적당함 
• 인성 우수 (금속조직이 FCC라 연성과 가공성이 우수함) : 니켈 덕분에 FCC 조직 유지

Mn, Ni은 𝛄상 영역을 open시키고 C, N은 𝛄상 영역을 expand시킨다. 좁히는 것은 페라이트 안정화 원소

<오스테나이트계 스테인리스강이 상온에서 오스테나이트를 유지하는 이유>

기본적으로 Cr계 스테인리스강은 Fe-Cr 평형상태도를 참고하면 𝛄영역이 굉장히 좁아서 Cr계 STS의 영역(보통 12% 이상)에서는 오스테나이트상을 접근할 수가 없다. 

하지만 오스테나이트계 스테인리스강은 8%의 Ni을 첨가하게 되고 (304 기준) 이는 Mn과 함께 대표적인 오스테나이트 안정화원소로 𝛄 영역을 open시켜주기때문에 상온에서 오스테나이트 상태를 유지할 수 있는 것이다. 

이는 아래 18-8 절단상태도를 보면 알 수 있는데, 304 기준 탄소 함량은 약 0.08%로 𝛄영역임을 알 수 있다. 
해당 이미지를 보면 가열시 Cm이 석출될 수 있는데 500도 ~900도 예민화구간에서만 크롬탄화물(Cr, Fe)23C6이 석출된다. 
또한, 이는 냉각시에도 크롬탄화물이 석출될 수 있다는 의미이기 때문에 용체화열처리시 (완전한 𝛄 영역, 약 1100도의 온도로 가열 후) 급냉처리하여 탄화물의 석출을 막아야한다. 

또한 아래 좌측 도표를 봐도 오스테나이트 상이 형성됨을 알 수 있다.

우측 하단 도표의 점선은 가공으로 인해 마르텐사이트가 형성되는 온도를 표시한다 (소성 유기 마르텐사이트)

0.07%C 기준 Fe-Cr-Ni 상태도(좌측), 18-8 STS 기준 절단상태도(우측), 신금속재료학

<가정용품에 STS304, 316, 316Ti가 많은 이유>

오스테나이트계 스테인리스 (18Cr-8Ni 스테인리스강)의 대표주자인 304는 아마 가정용 식기, 칼, 냄비 등에 가장 많이 사용되는 소재가 아닐까싶다. 
기본적으로 304는 다른 마르텐사이트계 스테인리스나 페라이트계 스테인리스보다 내식성이 우수하다. 
Ni을 주 축으로, Mn, C, N을 첨가하여 (오스테나이트 안정화원소들) Mf점이 상온보다 훨씬 낮고 𝛄상 영역이 열려있어서 상온에서 오스테나이트 조직을 유지하는 오스테나이트계 스테인리스는, Cr계 스테인리스와 달라서 비산화성산에도 잘 견디며 Ni, Co는 효과적인 첨가원소이고 Mo, Cu 또한 소량이면 효과가 있다. (HCl은 대표적인 비산화성산)
또한 오스테나이트조직은 페라이트 조직보다 원자 밀도가 높아서 (페라이트계 68%, 오스테나이트계 74%) 내식성이 좋고, ⍺+𝛄의 2상 조직은 𝛄의 단상조직보다 조직적으로 불균일하여 내식성은 나빠진다 (ex. 마르텐사이트계, 듀플렉스계)

또한 페라이트계 스테인리스강, 마르텐사이트계 스테인리스강이 오스테나이트계에 비해 연성이 낮고 내식성이 떨어지는 주요 원인은 C, N이 높기 때문이다. 
KS 스테인리스강 규격 기준 페라이트계인 405, 430, 434의 경우 0.15%C, 0.20%C 이하인 반면 304는 0.08%C 이하의 함량 기준을 가지고 있다. 마르텐사이트계는 소입성을 높이기 위해 C%를 증대하며, 페라이트계는 열처리효과가 없기 때문에 고용강화효과를 얻기 위해 C%를 증대한다고 생각할 수 있다. 

따라서 식칼의 경우, 원하는 내마모성을 얻기위한 경도와 칼로써 역할을 다 할수 있는 강도, 내충격성 등만 확보가 된다면 (칼로 무를 썬다던지 가쓰오부시를 도려낸다던지 충격을 가해 친다던지.. 이런 환경에서 버틸 수 있다는 보장만 있다면) 상품성 측면에서 가장 필요한 가치는 내식성이 아닐까 싶다. 

316은 304대비 Mo를 첨가하여 내식성을 강화한 소재(Mo은 Ni대용의 소재, 산화크롬피막 내식성 강화)이고, 316Ti는 티타늄을 추가하여 내열성과 입계부식저항성을 향상시킨 강종이다. (Ti는 Cr보다 C와 친화적이여서 입계부식저항성을 향상시킬 수 있음 - Ti, Nb 등 C 탄화물 친화 원소 투입) 

가장 높은 온도 영역이 식기세척기 수준이라면, 입계부식저항성을 높일 필요는 없을것이라 판단되며 304를 주로 사용하고, 고급강쟂를 원한다면 316을 사용하는게 가장 합리적인 사치일 것이라 판단된다. 

3) 마르텐사이트계 스테인리스강

Cr량이 12-18%, C%를 높게하여 고온에서 오스테나이트 조직을 형성할 수 있게하여 급랭 한 뒤 마르텐사이트 조직을 얻는 스테인리스강 (대표 : 13Cr 스테인리스강)
C%가 높으면 내식성은 좋지 않으나, 우수한 기계적 성질을 얻기 위해 C%를 높게 하기도 하는데, 이는 trade-off 관계이므로 적당히 C량과 열처리온도를 선택하여 내산화성, 내열성, 기계적 성질을 정해야한다

• 퀜칭 후 경화성 있음  (열처리에 의해 경화됨)
• 자성 존재 (강자성; 자력에 반응함)
• 담금질성을 가짐 
• 열팽창율 및 열전도율이 탄소강에 가까움 : 자동차의 배기 부품에 적용되기도 함 (가열시 소재 변형이 적음) 
• 비교적 내식성
• 일반용품, 기계부품용, 칼종류, 메스 등의 외과 의료기, 밸브, 트립부품, 증기터빈 블레이드 등에 사용 
• 가격변동이 큰 Ni를 포함하지 않가 가격이 저렴하고 안정적임 

 

4) 석출경화계 스테인리스강(PH계; Precipitation Hardening)

스테인리스강에 Al, Nb, Cu, Ti, Be, P 등의 석출경화성 원소를 첨가한 강 
마르텐사이트계, 오스테나이트계, 오스테나이트-페라이트계, 세미오스테나이트계의 4분류가 있음 
어떤 물질(Cu, Al 등)은 오스테나이트에서는 충분히 고용되지만, 마르텐사이트 조직에서는 조금밖에 고용되지 못한다. 따라서 이 고용도차이를 이용, 담금질하여 마르텐사이트 조직을 만들어 결정립계에서 탄화물을 석출시켜 경화시키는 강을 석출경화계 스테인리스라고 한다.

마르텐사이트계에는 대표적으로 17-4강(STS630)이 존재 (17Cr-4Ni에 Cu 3-5%)
1000-1050도에서 급냉하여 (고용화처리하여) Cu를 주로한 마르텐사이트조직을 형성하고 이를 4-600도로 뜨임함 

세미오스테나이트계에서는 대표적으로 17-7강(STS631)이 존재 
Al을 첨가하여 Ni-Al화합물에 의한 석출경화로 강화 (고용화처리 → 마르텐사이트처리 → 석출경화처리)
알루미늄을 0.75-1.5% 첨가한 17%Cr-7%Ni강으로, Al은 Ni과 결합하여 Ni-Al 화합물을 만들며, 해당 화합물이 석출하며 경화한다. 해당 강은 고용화열처리시 Ms점이 상온 이하가 되기 때문에 상온에서도 마르텐사이트 변태가 발생하지 않고 고온 상태 그대로 오스테나이트 상태를 유지한다. 따라서 가공성이 우수하다. 
고용화처리를 해서 오스테나이트 조직을 만든 뒤, 조정 처리에서는 열처리를 통해 (약 760도 가열) 오스테나이트 조직을 마르텐사이트로 변하게 한다. (CH처리에서는 냉간가공을 통해 마르텐사이트 변태를 이룬다). 이후 석출 경화 처리를 통해 Ni-Al 화합물을 석출하며 경화시킨다. 

오스테나이트계는 오스테나이트안정화원소 (C, P, Ti, Al, V, Nb, N)을 첨가하여 오스테나이트 기지를 유지하며 석출강화 

2상계는 페라이트 형성원소인 Cr, Si, Mo, Be 등의 함량을 증대시켜 2상 조직을 가지고 있는 강

• 강도가 높음
• 마르텐사이트계에 비해 성형성, 용접성, 내식성이 우수함 
• 경화열처리 온도가 마르텐사이트계보다 작아, 열처리 변형 또한 적음 

 

5) 듀플렉스강 (Duplex Stainless Steel), 2상 스테인리스강(Dual Phase stainless steel)

기존 오스테나이트계 스테인리스에 Cr의 함량을 더 높이고 약간의 Mo를 추가한 강종 
25% Cr에 2~3Mo 포함 
Cr 20-25%, NI 4-8%, Mo, Cu, N 등을 복합첨가하여 페라이트(약 50-80% 차지)기지와 오스테나이트 기지, 두 상이 혼합되어있는 미세조직을 가진 스테인리스강

오스테나이트계와 페라이트계를 적절히 혼합된 조직. 
(Ferrite기지위에 50%정도의 Austenite조직이 공존하는 Dual Phase조직)

이 강종의 특징은 기존 Austenitic Stainless Steel이 입계부식(Intergranular Corrosion) 및 응력 부식 균열(Stress Corrosion Cracking)에 민감한 단점 보완 목적 개발된 강종

듀플렉스강 조직

• 일반적인 스테인리스보다 높은 내식성과 강도 
• 응력부식균열 (SCC) 내성 높음 
• 기계적 성질 우수 (오스테나이트계보다 2배 2상의 강도) 
• 열팽창계수 낮음, 용접성 좋음 
• 원자력발전, 담수화 설비 등에 사용
• 페라이트구조가 섞여있어 자성을 가지고 있음 
• 높은 가격과 성형성의 한계로 많이 사용하지 못하고 있음 
• 대표강재 : SAF2205 (UNS No. : S31083), SAF2507 (UNS No. : S32750)
• 고크롬에 Mo, N 첨가시 내해수성이 우수하고 값이 저렴함 (오스테나이트계 대비 저렴)
• 페라이트계보다 응력부식감수성이 낮지는 않지만 오스테나이트계보다는 저항성이 높음 (오스테나이트계 대비 우세)
• 입계부식 저항성이 높음 (오스테나이트계 대비 우세)
• 강도가 상대적으로 높으며, 고용화처리상태에서 약 2배의 내력을 가짐 (오스테나이트계 대비 우세) 
• 페라이트계에 비해 용접부 내식성이 좋고 가공성이 우수함 (페라이트계 대비 우세) 
• 𝜎상이 석출하기 쉬움 (800-850도에서 석출하기 가장 쉬워 열처리 후 7-900도에서는 급냉처리가 필요하며, 해당 온도 범위에서 응력제거풀림은 지양해야함) 

반응형

기본열처리 - 풀림(Annealing), 소둔

잔류응력의 영향, 잔류응력 해소법

 

3. 오스테나이트계 스테인리스강

 

1) 오스테나이트계스테인리스강을LNG선박의저장용기에사용하는 이유

액화천연가스를 운반하는 선박을 LNG라고 함
천연가스를 저온에서 액화시켰기때문에 액화점인 -162℃ 이하로 만들어줘야함
(부피가 약 1/600으로 줄어들어 훨씬 많은 양을 운반할 수 있음) 

따라서, 저온특성이 우수한 강을 저장용기의 재질로 사용해야하는데, 이때 특화되어있는게 오스테나이트계 스테인리스강임 
오스테나이트계 스테인리스강은 저온취성이 발생하지 않는다 (극저온에서도 연성과 인성 유지) 
스테인리스강에서 Cr%가 증가함에 따라 충격치의 천이온도(DBTT)는 점차 고온측으로 이동한다 (더 쉽게 저온취성이 발생한다) 
(고 크롬 페라이트는 벽개면이 발달하여 취성이 생김 ; 산소 제거시, C,N 감소시 천이온도 하강)
FCC구조는 저온에서도 변형을 흡수할 수 있는 능력이 우수함 

또한 LNG는 액화상태이므로, 물질 표면에 결로가 생길 수 있는데 오스테나이트계 스테인리스강은 내식성이 우수하기 때문에 부식에 의한 손상을 예방할 수 있다 

또한 오스테나이트계 스테인리스강은 용접성이 우수하기 때문에 LNG 저장용기의 복잡한 설계에 적합하다 

저온에서 높은 기계적 안정성, 내식성, 가공성, 용접성으로 높은 안정성과 효율성, 신뢰성 확보 목적

LNG 선박 이미지, 네이버 블로그

 

2) 스테인리스강의 시그마 상(sigma(σ)-phase) 생성, 문제점 및 방지대책

아래 Fe-Cr 평형상태도를 보면, 𝛄상일때 최대 Cr량은 12.5%인 것을 알 수 있으며, 약 45% Cr에서 𝜎상이 생기는 것을 알 수 있다 
시그마상은 매우 경하고 취약해서 실용할 수 없다. 따라서 시그마 상은 재료 성능에 심각한 영향을 미칠 수 있으므로, 합금 설계 및 열처리 공정을 통해 형성을 억제해야 하며, 이를 통해 기계적 신뢰성과 내식성을 유지하여 고품질 단조품을 생산할 수 있어야함.

475℃취성
Cr 15% 이상의 강종을 370-540℃로 장시간 가열시 취화하는 현상 
아래 Fe-Cr 평형상태도를 보면, 고크롬계에서는 ⍺'+𝜎상으로, 저크롬계에서는 ⍺+𝜎으로 분리하기 때문에 취화
(결국 𝜎상이 생기면서 취화) 
475 취성은 해당 구간을 지속하는 것이 아닌, 단기간으로 가열하면 인성을 회복한다 (600도 이상) 

𝜎취성
815도 이하 Cr45% 일대에서 𝜎상이 존재하는데, 해당 상으로 인해 경하고 취약해지는 현상 (내식성 또한 악화)
Si, Mn은 𝜎상의 석출을 촉진하고 Al은 𝜎상의 석출을 억제함
800도 이상부터는 석출이 되지 않으므로 800도 이상으로 가열하여 급냉하면 인성을 회복한다 (𝜎상이 없어지고 고용됨)

Fe-Cr 평형상태도

 

3) -200℃부근의 극저온용으로 오스테나이트계 스테인리스강이 적합한 이유

페라이트계 스테인리스강은 저온취성이 나타나며, 오스테나이트계 스테인리스강은 저온취성이 발생하지 않는다
스테인리스강에서 Cr%가 증가함에 따라 충격치의 천이온도(DBTT)는 점차 고온측으로 이동한다 (더 쉽게 저온취성이 발생한다) 
(고 크롬 페라이트는 벽개면이 발달하여 취성이 생김 ; 산소 제거시, C,N 감소시 천이온도 하강)

또한 오스테나이트계의 FCC결정구조는 극저온에서도 높은 연성과 인성을 유지함 (변형 저항성이 뛰어남) 

극저온 구조 재료로서는 극저온에서 물리적·기계적 특성이 우수한 300계열의 오스테나이트계 스테인리스강이 널리 사용되어 옴. 이 중에서도 오스테나이트의 안정성을 향상시키기 위해 몰리브덴(Mo)을 첨가한 316이나 용접 중에 입계 석출물의 발생을 줄이기 위하여 탄소(C)의 함유율을 감소시킨 316L, 그리고 질소(N)를 첨가시켜 강도와 오스테나이트를 동시에 향상시킨 316LN이 상업화되어 생산되는 대표적인 저온 구조 재료이다. 

오스테나이트계 스테인리스강은 극저온 환경에서의 높은 연성과 인성, 우수한 내식성, 그리고 제조 공정의 용이성으로 -200℃ 부근의 극저온용 재료로 적합하다. 이러한 특성은 LNG 산업과 같은 극저온 응용 분야에서 재료의 신뢰성과 경제성을 보장한다.

금속의 취성; 저온취성, 뜨임취성, 수소취성, 청열취성, 적열취성, 상온취성, 취성-연성 천이 온

대표적인 저온용강, 오스테나이트계 스테인리스

4) 오스테나이트계 스테인리스강의 가공경화 (비자성 → 자성)

18-8 스테인리스강은 끝자락에 있는, 오스테나이트 한계부근의 스테인리스강이다 (가장 경제적인 오스테나이트계 스테인리스)
따라서, 상온에서 소성가공시 𝛄상은 일부 마르텐사이트 변태를 발생시켜 경화되며, 자성이 생길 수 있다.

마르텐사이트는 BCT구조를 가지고 있으며, 강한 자성을 띄고 있음 

<자성 발생 방지 방법>
- 용체화처리를 통해 상을 복원시켜 마르텐사이트로 변화된 기지를 다시 오스테나이트화시킨다
- 가공시 과도한 변형을 방지
- STS304L과 같은 저탄소 함유 스테인리스를 사용 (마르텐사이트 생성 억제)
   : 마르텐사이트조직 자체가, 급냉시켜 탄소원자들이 충분히 확산되지 않고 무확산 변태를 하는 원리이기 때문에 (a철 속에 탄소가 과포화되어있음) 탄소 자체가 적으면 마르텐사이트 형성을 막을 수 있음 

기본열처리 - 담금질 (Quenching)

금속 조직별 일반적인 기계적 성질, 자성차이 - 마르텐사이트, 오스테나이트, 페라이트, 펄라이

탄소 함량에 따른 담금질 후 경도 차이

 

5) 오스테나이트계 스테인리스강의 델타페라이트(delta ferrite)

오스테나이트계스테인리스강은 용접성은 좋으나, 예민화현상에 의한 입계부식, 응력부식균열등이 쉽게 발생할 수 있는 여지가 있다. 또한 100% 오스테나이트 조직은, 용접시 결정립이 조대해지고 입계 편석이 발생하여 고온 균열이 발생하기 쉽다. 따라서 적정량의 델타페라이트 (delta ferrite)가 필요하다.

델타페라이트는 BCC구조로, 오스테나이트와 많은 차이를 보인다 
용접시 형성되는 델타 페라이트의 함량은 약 5-15%인데, 이는 용접시 빠른 냉각속도로 인한 비평형 응고조직으로 오스테나이트 기지에 미세하게 분포함 (델타 페라이트가 잔류)
준 안정상으로, 열이 가해지면 함량 및 형상이 변하게 됨

델타페라이트는 셰플러 다이아그램으로 함량을 예측할  수 있음 (아래 그림)

적절한 델타페라이트는 인과 황의 고용도가 오스테나이트조직에 비해 커서, 저융점 개재물이 형성되지 않게 도와주고 이로 인해 균열 전파 저항성 또한 커지게 됨(델타페라이트는 용접시 열간균열이 크게 감소한다). 그리고 고온 열팽창계수가 오스테나이트 조직에 비해 작아 수축응력을 줄여준다 

하지만 일반적은 부식 저항성이 저하되(성분적으로 크롬 함량이 높고 오스테나이트 조직 활성화 원소인 니켈 함량이 적어 성분적으로 활성태 역할을 하여 쉽게 부식됨) 
또한 페라이트상이 너무 많은 용접부 조직은 크리프강도를 떨어뜨리고, 델타 페라이트는 고온(530-820도)에서는 시그마상을 형성할 수 있어 주의해야함 

이런 특성으로 인해 용접시 적정량의 델타페라이트 형성을 위한 용접봉과 용접조건을 잡아야함 

<델타페라이트 형성 인자>
- 페라이트 안정화 원소 (Cr 등)
- 냉각속도가 빠를수록 증가 (핵 생성량 증가)
- 입열량이 작을수록 냉각속도가 빨라져 증가
- 층간온도가 낮을수록 냉각속도가 빨라져 증가

성분	델타 페라이트일때 고용도	오스테나이트일때 고용도
황	0.18%	0.05%
안	2.8%	0.25%

SCHAEFFLER DIAGRAM

오스테나이트계 스테인리스강에서 관련 화학 성분의 수는 일반적으로 다섯 개 이상이지만, 네 가지를 초과하는 성분을 고려한 상도는 드물어, 강 미세구조의 상과 그 양을 예측하기 어렵다. 이에 따라 합금 화학 성분을 기반으로 한 지표에서 상의 양과 종류를 나타내는 경험적 지도(empirical map)가 개발되었다. 가장 잘 알려진 지도 중 하나는 Schaeffler가 제안한 것으로 위와 같다.

 

4. 고찰

 

1) 스테인리스 부동태처리 (Passivation treatment)

스테인리스강의 표면은 얇은 산화막으로 덮혀 있고 (산화 크롬 피막, Cr2O3) 이 피막이 내식성을 가지고 있다. 
그러나 이 산화피막 속에는 철의 산화물을 함유하고 있어 구리, 알루미늄, 고무, 에보나이트 등에 접촉하여 습기를 받는 환경에 있으면 부식되기 때문에 화학적으로 처리하여 부통태화 (passivation)할 필요가 있음 (더욱 두껍고 균일하게 부동태피막(산화피막) 형성) 

스테인리스의 산화크롬피막 똫나 부동태피막이라서, 부식이 잘 되지 않지만(녹이 잘 슬지 않지만) 스테인리스강 사용 전 표면에 유지나 오염물이 있을경우 산화크롬피막이 균일하게 생기지 않아 부식이 발생할 수 있음. 

부동태화(Passivation)은 스테인리스강이 공기 또는 기타 산소가 있는 환경에 노출될 때 화학적으로 비활성인 피막을 자발적으로 형성하는 과정임. 결국 자발적으로 생기게 하기 위해서 외부 스케일이나 유지, 불순물들을 제거해주는 것임 

스테인리스 부동태처리 (Passivation treatment)

 

2) 스테인리스강의 부식; 오스테나이트계 스테인리스강의 예민화현상, 응력부식균열

금속이 그 주위의 분위기와 반응을 일으켜서 다른 화합물로 변화하는 현상을 부식이라고 함 

(1) 예민화 현상(Sensitization)

오스테나이트계 스테인리스강을 500-800도로 가열시 입계에 복합탄화물이 석출되어 Cr량이 저하, 부동태가 형성이 되지 않아 부식되기 쉬운 상태가 되는 것 
이로 인해 입계-입내(입내에는 부동태로 남아있음)끼리 활성태-부동태 전지가 형성되어 입계에 따라 부식이 발생하는데, 이를 입계부식이라 함
예민화현상을 피하기 위해서는, 오스테나이트계 스테인리스는 예민화구간에서 서냉하면 안되고 (서냉시 탄화물이 석출됨) 고온에서 급냉처리(고용화처리)해야한다 

(2) 응력부식균열(SCC; Stress Corrosion Cracking)

내외적 응력이 작용하고 있는 강을 염화물(Cl-), 혹은 알칼리용액에서 사용시 국부적인 균열을 발생시키는데, 이를 응력부식균열이라 함 

균열의 방향은 인장응력 방향의 직각이고, 결정립 내를 통해 주로 발생하는 특징이 있다. 
(응력부식균열은 입내에서 균열이 발생할 수 있고, 입계에서도 균열이 발생할 수 있음. 응력부식균열의 원인은 표면의 격자결함부(입계, 비금속개재물, 석출한 다른 상 등이 원인으로 고려된다)

응력부식의 기점은 격자결함부(입계, 비금속개재물, 석출한 제 2상, 전위 등)이라 생각되고 있으며, 응력부식균열의 환경은 고온염화물용액(MgCl2, CaCl2, NaCl 등) Cl-를 함유하는 수증기, 고온알칼리 수용액 등이며 용존산소는 이를 촉진한다. 

인장에 의한 변형과정과 특별한 부식이 동시에 작용했을 때 일어나는 균열
을 말한다. 인장응력과 산소와 부식환경이 공존하는 경우에 응력부식균열이 발생한다. 그리고 전면(全面)부식이 적은 환경에서 균열이 발생하기 쉽다. 극히 적은 성분 또는 불순물이 합금의 균열 감수성을 증가하며 더욱이 열처리에 의한 조직변화, 소성변형 등이 영향을 준 결과라고 한다. 현재로서는 타당한 이론이 체계화되어 있지 않은 것이 현상이므로 과거의 실적, 문헌 등을 참고로 해서 방지대책을 수립하여야 한다.

해당 현상은 연성 재료의 급작스러운 파단을 야기할 수 있음 
재질과, 환경의 조합에 따라 응력부식균열이 발생할 수도 있고 발생하지 않을수도 있음 

응력부식균열은 마르텐사이트계, 페라이트계 스테인리스강에서는 생기지 않는다 (대신 수소취성균열이 발생함)

<응력부식균열 방지대책>
- 고 니켈 재료 사용 (7-8%Ni일때 응력부식균열 감수성이 가장 높다, 즉 오스테나이트계에서 응력부식균열 다수 발생)
- Si의 첨가 (C, N, P, As, Sb는 균열감수성을 증대시킴)  
- 부식 억제제 사용 : 질산 나트륨, 몰리브데이트 나트륨, 벤조트리아졸 등이 메탄올 SCC를 예방하는 데 사용.
- 수분 농도 제어 : 메탄올 시스템에서 수분 농도를 낮추어 부식 예방.
- 온도 제어 : 메탄올의 끓는점 이하로 온도 유지.
- 기계적 응력 회피 : 고응력 상태를 피함으로써 메탄올 SCC 위험 감소, 외적응력이 없도록 설계 
- 산소 수준 제어 : 산소 수준을 낮추기 위해 산소 스캐빈저 사용.
- 응력제거풀림(SRA) : 풀림열처리를 통한 잔류응력의 제거(내부 응력 제거, 850-900도로 가열하여 급냉) 
- 압축 응력 형성 (ex. shot peening) 
- 염화물, 알칼리를 제거 : 억제제나 고온용 실리콘 사용 
- 음극방식 (양극으로는 Al을 사용, 외부 전류에 의한 방식 또한 가능함)

응력부식균열 (SCC; Stress Corrosion Cracking)

입계를 따라 균열이 발생한 경우, 응력부식균열

18-8 스테인리스 중 좌측은 입내를 통해 발생한 응력부식균열, 우측은 입계를 통해 발생한 응력부식균열, 신금속재료학

오스테나이트계 슈퍼스테인리스강

오스테나이트계에 비해 Cr, Ni 함량을 높이고 Mo함량을 증대시켜 내극간부식성을 향상시키고
Cu를 첨가하여 내산성을 향상시키고 Si, N을 첨가하여 내응력부식균열성을 향상시킨 것 

또한, 기존 스테인리스강의 가혹한 환경의 국부부식 발생 우려 (고온 또는 염화물 농도가 높은 조건)로 인해,고급화된 슈퍼오스테나이트 스테인리스강을 적용한다.(용접과 무관하게 내식성 보강) 
기존 오스테나이트계 스테인리스보다 많은 양의 합금 원소가 첨가되었기에 (Cr, Mo등) 탄화물, 질화물, 시그마상 등의 석출물 발생 빈도가 증가하고 예민화 영역과 함께 용접 부식이 치명적일 수 있기 때문에 점점 사용량이 증대하고 있는 슈퍼오스테나이트계 스테인리스강의 용접기술 연구가 필요한 전망임

오스테나이트계 스테인리스의 용접 대책, 슈퍼오스테나이트계 스테인리스

 

(3)공식(pitting)

스테인리스, 알루미늄 등 공기중에 부통태막을 형성하는 금속에서 주로 발생하는 부식
일반적인 오스테나이트계 스테인리스강은 내식성이 아주 우수하지만, 그로 인해서 부식이 발생하면 훨씬 치명적으로 발생하는데 대표적인 부식이 공식(pitting)이다 

금속 자체의 재질, 조직, 잔류응력 등의 차이로 인해 금속 표면의 부식이 전체적으로 나타나는 것이 아닌, 일부분에 공상 혹은 구상으로 진행되는 경우. 특히 구멍 형태로 나타나는 것을 공식(Pitting Corrosion)이라 함 (ex. 해수 속 스테인리스 스틸) 
부동태피막을 국부적으로 파괴, 관통하는 할로겐이온 (Cl-, F-, Br- 등)이 포함되어있는 수용액중에 발생하는 경우가 많고, Cl-(겨울철 염화칼슘은 부식의 원인 중 하나)는 공식 발생의 주 원인이다.

피막 결함부에 Cl-가 습착하여 피막이 파괴되고, 이때 피막 속 금속이 용출되면 해당 금속이 anode가 되고, 주위 피막은 cathode가 되어 전지가 형성되며, 부식전류가 흘러서 공식을 발생시키는 원리이다.

<공식(pitting)의 대책>
① 할로겐 이온의 고농도를 피함

② 액을 유동시켜 균일한 산화성 용액으로 하고, 산소농담전지의 형성을 피하거나 부식 생성물을 제거 

③ 액의 산화성을 증가하거나 공기를 차단하여 산소를 제거

④ 잘선염, 크롬산염 등 부동태화제를 첨가

⑤ 재료 중 C를 적게하거나 Ni, Cr, Mo, Si, N 등을 많게 한다

파이프에 생긴 공식, 훨씬 치명적인 부식이 발생한다

<고농도 염산이 담긴18Cr-8Ni 스테인리스강 용기 내부가 대기 중에노출될 때 공식이 발생하는원인과그방지대책>

염화이온은 산화크롬으로 구성된 크롬 산화막에 침투하여 국부적으로 산화막을 파괴하고 부식을 촉진할 수 있으며, 국부적인 전기화학반응이 활발해져 양극에서 철이 용해될 수 있음 (염소 분위기에서 내식성이 떨어짐)

이를 방지하기 위해서는 고합금 스테인리스강 사용 - 몰리브덴 4% 이상 첨가 : 산소와 매우 친화적이여서 산화피막이 꺠지지 않도록 도와줌), 표면 연마 및 처리(부동태처리)를 통해 수동 피막을 강화하고 표면 결함을 최소화한다. 

결국 오스테나이트계 스테인리스강은 표면 패시베이션(부동태화)를 유지할 수 없으면 부식됨

고농도 부식환경인 황산 및 염산 분위기에서는 범용 스테인리스강은 내식성이 매우 열악하여 사용될 수 없으며, 고가의 슈퍼스테인리스강이나 Ni기지 합금이 사용되고 있음 

부식의 종류, 부식의 원리, 스테인리스강부식, 틈부식, 알루미늄 부식, 주철 부식, 주철의 내식성

스테인리스 부동태처리 (Passivation treatment)

스테인리스강의 부식, 티스토리

 

3) 스테인리스강의 용접성, 입계부식 (예민화현상)

입계부식

오스테나이트계 스테인리스강은 상온에서 C의 용해도는 약 0.007-0.009%인데, 약 1000℃까지 가열 후 서냉하면 Cr-Fe 복합탄화물 (Cr-Fe)23C6가 오스테나이트 입계에 석출하여 입계부식을 발생시킨다 (Cr이 석출되므로 Cr산화피막이 형성되지 않아 부식이 발생) 
혹은 오스테나이트계 스테인리스강을 500-800도로 가열해도, 탄화물((Cr-Fe)23C6)가 석출되어, 탄화물 근방은 Cr량이 12% 이하로 저하하여 부동태가 형성되지 않게 됨. 이와 같이 부식되기 쉬운 상태가 되는 것을 예민화 (Sensitize)라 함.
입계와는 달리 입내는 부동태피막이 남기 때문에 활성태-부동태 전지가 형성이 되고 이로 인해 입계를 따라 발생하는 부식을 입계부식(intergranular corrosion)이라 함 

이로 인해 입계-입내(입내에는 부동태로 남아있음)끼리 활성태-부동태 전지가 형성되어 입계에 따라 부식이 발생하는데, 이를 입계부식이라 함
입계부식은 주로 스테인리스 용접시 급냉되지 않고 냉각속도가 느릴때 용접부의 열영향부에서 발생하게되고, 이를 방지하기 위해서는 1100도 부근에서 급냉(고용화처리)하여 균일한 오스테나이트 조직을 형성하는 것이 중요하다 
특히 용접 중 용접부에서 수mm 떨어진 곳에 500-800도로 가열되어 탄화물이 석출, 입계부식이 발생하는 것을 용접부식(weld decay)라 함 

<입계부식의 방지 대책>
① C량을 낮게하여 석출물 생성 방지 (ex. STS304L)
② 1000-1150도로 가열하여 탄화물을 고용시킨 후 급냉하는 고용화 열처리 실시 (서냉 방지)
③ C와의 친화력이 큰 안정화원소 (Ti, Nb, Ta)를 첨가하여 안정화(stabilization)시킴

입계부식

오스테나이트계 스테인리스의 용접 대책, 슈퍼오스테나이트계 스테인리스

스테인리스의 용접성, 용접 대책