오스테나이트계 스테인리스의 용접 대책, 슈퍼오스테나이트계 스테인리스

오스테나이트계 스테인리스강의 용접

 

1. 개요

 

1) 오스테나이트계 스테인리스강 정의

가장 내식성, 내열성 우수, 천이온도 낮음, 강인함, 열처리 경화 X, 고온강도 우수, 극저온 취성 X, 크리프 강도 높음, 그러나 인장강도에 비해 낮은 내력, 가공경화성이 높음 (소성이나 절삭가공이 곤란), 열팽창율이 탄소강의 1.5배이고 열전도율이 약 60%라서(낮아서) 용접 등의 열가공시 변형이나 잔류응력 문제가 있음, 또한 다른 재료와 접합시 접합부에 열응력 발생하기 쉬움, 가공시 조직의 일부가 가공유기마르텐사이트로 변화(가공으로 인해 경화), 자성이 생김
 * 200번계열은 Cr-Ni-Mn계, 300번 계열은 Cr-Ni계

 

 

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

용접 결함의 종류, 오버랩, 언더컷, 용입부족, 융합불량

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

스테인리스 부동태처리 (Passivation treatment)

 

 

 

2) 스테인리스강 용접 열 영향부(HAZ; Heat Affected Zone)의 세부 구분 

스테인리스강 용접시, 열영향부는 약 1000도 이상으로 가열된 조립역 (조리부, coarse grain zone)의 용체화부와, 500-850도 정도로 가열된 탄화물 석출부로 구분될 수 있음
이중, 500-850도 정도로 가열된 Cr탄화물 석출 영역에서는 결정립계에 Cr탄화물이 석출하여 결정립계 부분에 Cr 결핍층이 나타나게되고,결정립계부분이 선택적으로 뷕되어 입계부식이 생기기 쉬움 

Cr, Ni등의 합금원소는 확산속도가 빠르지 않아, 예민화 현상 (sensitization)현상을 일으키는 원인디 된다 

오스테나이트계 스테인리스강 용접부의 Cr결핌층, "스테인리스강 용접부의 부식과 그 보수 용접기술"

용접에 따른 열영향부 구분, 네이버 블로그

 

3) 스테인리스강 용접부의 부위별 부식 형태

스테인리스강 용접시, 부동태 피막이 국부적으로 파괴됨에 따라 입계부식, 피팅, 틈새부식, 응력부식균열, 황화물 부식 등이 발생함

부위별 부식형태, "스테인리스강 용접부의 부식과 그 보수 용접기술"

 

4) 오스테나이트계 스테인리스강의 열영향부 입계부식 

Cr-Fe 복합탄화물의 석출로 인해 주위 결핍층에 생기는 예민화 영역 때문에 발생함
Cr23C6 탄화물은 600-850도, TiC 탄화물은 900-1100도, NbC탄화물은 1100-1300도에서 주로 석출이 됨 

용접부 내부와, 용접부 경계의 열영향부에서는 용접 최고 온도가 탄화물 석출 온도보다 높고 냉각 속도도 빨라 탄화물 석출이 쉽지 않아 용접부식이 발생하지 않음. 

그러나, 용접부 경계에서 조금 떨어진 열영향부에서는 용접 최고 온도가 탄화물 석출온도와 일치하고, 이때 예민화 온도에서 지체되는 시간이 증가하면 탄화물이 석출될 수 있어 용접부식의 위험이 큼 (마찬가지로 떨어진 부위에서는 용접 최고온도가 탄화물 석출 가능온도보다 낮아서 용접부식이 생기지 않음) 

온도에 따른 탄화물 석출 추이, "오스테나이트계 스테인리스강의 소재개발 및 용접기술"

 

 

2. 오스테나이트계 스테인리스강의 용접  

 

1) 오스테나이트계 스테인리스강의 용접성 

18-8 스테인리스강은 고온에서 급랭시킨 것을 400 ~ 800도에서 장시간 유지하면 페라이트와 델타상이 발생하거나, 탄화물이 입계에 석출하여 입계부식 (intergranular corrosion)이 발생 
이를 강의 예민화현상이라고 함 
입계부식의 원인은 결저립계의 가까운 Cr원자가 탄소원자와 결합, 탄화물을 만들기 때문 
예민화는 Cr탄화물을 만들지 않아야하고 이를 위해 
1) 탄소를 충분히 낮게 하거나(용접용 소재로 304L 사용), 2) Ti, Nb, Mo(탄소 안정화 원소)등을 첨가하여 Cr 석출을 막아야함

또한 용접시, 오스테나이트계는 열팽창이 높고, 열전도도가 낮기 때문에 빠른 속도로 용접을 실시하여 열 변형과 입계부식을 방지해야함

열팽창이 크기 때문에 뒤틀림 등의 문제를 예방하려면 가용접을 훨씬 많이 해야함 
또한, 변형을 억제할 수 있는 각종 방법 (후퇴법, 단속법, 비석법)등을 이용하여 용접한다.

또한, 할수있는 상황이 적겠지만, 스테인리스의 기본 열처리인 고용화 열처리를 통해 냉간 가공 또는 용접 등에 의해 생긴 내부 응력을 제거함과 동시에 열간 가공이나 용접에 의해 석출된 Cr탄화물 및 시그마 상을 고용하여 가공 조직을 재결정하고 유연한 상태로 하여 연성의 회복 및 내식성을 증대시킬 수 있음 

또한, 오스테나이트계 스테인리스강은 낮은 열전도율과 높은 열팽창계수를 가져, 용접 후 상당한 잔류응력이 남아있을 수 있고, 이는 염소 등 극심한 부식환경에서는 응력부식균열을 유발할 수 있다 

• 예열을 하면 안됨 (예민화온도와 겹칠 가능성이 있으며, 마찬가지로 후열도 지양)
• 층간온도가 200도 이상 넘어서면 안됨
• 아크 길이를 짧게 유지할 필요 
• 아크 중단시 크레이터 처리 
• 용접봉은 모재와 동일한 것을 사용, 가는 용접봉 사용
• 낮은 용접봉으로 입열을 억제 

 

2) 오스테나이트계 스테인리스강의 부식 방지 대책 

오스테나이트 조직은 냉각속도가 느린 경우, 후열처리나 용접 이력이 잇는 경우, 결정립계에 따라 탄화물이 석출하여 강의 내식성이 감소하고, 이를 극복하기 위해 탄소 안정화 원소 재료 첨가가 된 STS, 저탄소 STS를 사용한다. 

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

슈퍼오스테나이트계 스테인리스 (Cr 20wt%, Mo5wt%, N0.15wt%) : 미세조직 안정화, 내공식성 개선 목적  Mo, Cr 다량 함유

또한, 용접의 입열량 자체를 줄이는 방법 또한 일반적이다(레이저용접 등). 용접 후 열처리(PWHT)는 예민화 현상이 발생할 수 있어서 실시하지 않는다 (탄소강-오스테나이트계 스테인리스 이종용접시 후열처리가 필요함) 
압력용기 등에는 STS304L, 316L등의 파이버레이저 등을 이용한 육성요접기술이 개발되고 있음 

- Ti, Nb, Mo첨가 오스테나이트계 스테인리스 : STS 321, 347, 348
- 저탄소 STS : STS304L, STS316L
- 예민화영역과 겹칠 수 있기 때문에 예열, 후열처리는 실시하지 않는다 
- 레이저 용접 등을 사용하여 입열량 자체를 줄임 (냉각속도가 빠르고, 열영향부가 좁아 이점이 있음)  : 레이저 초점 최적화 

응력부식균열 (SCC; Stress Corrosion Cracking)

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스테인리스 부동태처리 (Passivation treatment)