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스테인레스강의 종류
  • 작성자
    관리자
  • 등록일
    2010-01-26 10:42:54
    조회수
    9765

자료제공:LG 건설 기술사 이진희


1. 서론
스텐레스 강의 용접에 대해서는 많은 자료가 소개되고 있으며, 산업 현장에서 활용도도 탄소강 다음으로 높은 편이다. 이장에서는 주로 Martensitic / Ferritic Stainless Steel을 중심으로 스텐레스강에 대한 개괄적인 이해를 돕기 위한 자료를 소개한다.

2. Stainless Steel의 종류
Stainless Steel 이라고 하면 흔히 304, 316등을 연상하게 되고, 실제로 이러한 재질들이 현업에서 가장 많이 사용되는 재질 들이다.
그러나, 이러한 표기는 사실은 정확한 공식적인 재료명의 표기법은 아니다.
하지만 여기에서는 자세한 재료의 표기법과 구분을 장황하게 설명하기 보다는 이해를 돕기 위해 그저 많은 사람들이 알고 있는 그대로 304, 316이라고 재료명을 구분하여 설명을 전개하고자 한다.
Stainless Steel은 그 재료의 성분과 조직에 따라 다섯 가지로 크게 구분된다. 각 강종의 조직 구분은 주로 Chromium의 함량과 Nickel 의 유무 및 기타 원소의 함량에 따라 결정이 된다.


각 강종이 보여 주는 물리적, 기계적, 화학적 특성은 조직에 따라 구분이 되며, 이들 조직을 기준으로 다음과 같이 Stainless Steel을 구분한다.

Table . Stainless Steel의 일반적인 구분과 특성 조직 분류
대표 강종
기본 조성
일반적인 주요 특성

Martensite
410 SS
13 Cr
자성이 있고, 녹이 발생 할 수 있다.
충격에 약하고 연신률이 작다.
뛰어난 강도와 내 마모성이 있다.
열처리에 의해 경화된다.

Ferrite
430 SS
18 Cr
자성이 있다.
충격에 약하고 연신률이 작다.
용접구조물로 사용이 제한된다.
열처리에 의해 경화되지 않는다.

Austenite
304 SS

316 SS
18 Cr-8 Ni
자성이 없고, 뛰어난 내식성이 있다.
충격에 강하고, 연신률이 크다.
열처리에 의해 경화되지 않는다.
Cr탄화물이 형성되는 예민화에 의해 고온 사용이 제한된다.

Precipitation Hardening
631 SS
16 Cr-7 Ni-1 Al
자성이 없고, 양호한 내식성을 가진다.
열처리후 높은 강도와 경도를 가진다.

Dulpex
SAF 2205

SAF 2507
18 ~ 30 Cr
4 ~ 6 Ni -
2 ~ 3 Mo
Austenite Stainless Steel 의 단점을 보완한 강종, Ferrite기지위에 Austenite가 50 %정도 공존하는 조직이다.
Ferrite보다 양호한 인성, Austenite보다 월등한 기계적 강도가 있다.
열팽창계수가 작고, 열전도도가 높다.





3. Stainless 강의 특성
3.1 STAINLESS강의 종류별 특성
Stainless Steel은 그 합금 성분과 조직의 특성에 따라서 다양한 성질을 나타낸다. 개략적인 사용상의 특성을 다음 표에 정리한다.

Table . Stainless Steel의 종류별 특성 강 종
AISI
조 성
특 성

자성
가공성
내식
내산화
고온
강도
저온
강성
소입성
용접
열처리

Martensite 계
410
13Cr-0.1C







예열
후열

Ferrite 계
430
18Cr-0.1C







예열
후열

Austenite계
304
18Cr-8Ni











◎ : 우수, ⊙ : 양호, ○ : 보통, △ : 저하

3.2 STAINLESS강의 성질 및 용도
각 Stainless Steel 강종별로 적용되는 용도와 특성은 다음과 같이 정리될 수 있다.

Table. Stainless Steel의 성질 및 용도 종류
AISI
조 성
성질 및 용도

Martensite 계
410
13Cr--0.1C
내식, 내열 일반용

Ferrite 계
430
18Cr--0.1C
내식성 우수로 질산 Tank, 싱크대

Austenite 계
301
7Cr-7Ni-0.1C
철도 차량

302
18Cr-8Ni -0.1C
항공기 Engine Cover 주방용품

304
18Cr - 8Ni
일반용, 화학제품, 식품제품

304L
18Cr - 8Ni - 0.04C
입계 탄화물 석출방지 원자력용

308
19Cr - 10Ni
용접봉용

309
22Cr - 12Ni - 0.2C
열처리 설비, 소둔노 Cover

310
25Cr - 20Ni - 0.2C
내열성 우수 열교환기

316
18Cr - 12Ni - 2.5Mo - 0.08C
내식성 우수, 고 Creep 저항,

화학 및 제지 공업

317
18Cr - 12Ni - 3.5Mo - 0.08C
316보다 내식성 우수

347
18Cr - 10Ni - Nb - 0.08C
304에 Nb 첨가 용접을 요하는 설비





3.3 STAINLESS강의 성질

3.3.1 물리적 성질

일반적으로 사용되는 Austenite Stainless Steel 을 기준으로 한 대략적인 탄소강과의 비교 하면 다음과 같다. 우선 Stianless Steel 은 높은 전기 비저항으로 용접시 발열이 심하고(탄소강의 약 3배), 저항이 큰 만큼 열전도율도 떨어지고 따라서 냉각속도가 느려진다(탄소강의 1/3정도). 또한, 열팽창계수가 커서 변형이 심하게 된다.

변형을 최소화 하기 위해서는 가급적 낮은 전류를 사용하는 것이 좋다. 통상적으로 일반 연강 용접시 보다 10% 전류를 낮추어 용접하는 것을 추천한다.

3.3.2 기계적 성질

Table. Stainless Steel의 기계적 성질 종 류
AISI
열 처 리
기계적 성질

TS
(kgf/㎟)
EL(%)
Toughness
IZOD(ft.lbs)

Martensite 계
410
소둔
46~53
30
90

410
소입
141
15
20~45

Ferrite 계
430
소둔
53
30
15~50

Austenite 계
304
고용화
60
60
100~120

309
고용화
67
45
-

316
고용화
56
55
95~120

347
고용화
63
50
95~120

탄 소 강
6013
AW
50
25
70 (J)





3.3.3 고온 특성

1) Martensite계

가공성 용이
일반 탄소강과 비슷한 양상의 기계적 특성을 나타내므로 고온 가공이 용이하다.
소입 경화
급냉에 의해 경화될 수 있으므로 용접과 열처리시에 주의를 요한다.
2) Ferrite 계

C, N, Ni의 양을 낮추고, Al, Ti 첨가하면, 약간의 Cr 양으로도 Ferrite계가 될 수 있음.
Martensite계보다 내식성 우수
500~600℃ 이상에서 기계적 성질이 급격히 저하(σ상 석출 취하)
900℃이상 장기간 가열하면 결정립 조대화로 인성, 연성이 떨어짐
고 Cr Ferrite계 Stainless강은 고온으로 가열하면 475℃ 취화, σ상취화, 고온 취화등의 현상이 나타남.
3) Austenite계

600℃이상 고온에서 Stainless강중 가장 우수한 강도를 가짐
그러나, 고온에서 탄화물 형성에 의한 예민화 현상으로 사용에 주의를 요한다.
SUS304에 Mo, Nb, Ti을 첨가시킨 SUS316, SUS321등은 SUS304보다 고온 인장 강도를 가짐.
3.3.4 저온 특성

Martensite Stainless과 Ferritic Stainless Steel은 저온 취성을 일으키므로 저온 재료에 사용되지 않는다.
Austenite계는 저온 취성을 일으키지 않으며, 저온 인성이 좋아 저온용 용접 구조물용 재료로 널리 사용된다.


3.3.5 야금학적 성질

Table. Stainless Steel 야금학적 성질 강 종
AISI
475℃취화
(400~500℃)
입계 탄화물
석 출
(500~800℃)
σ상석출
(600~1,000℃)
결 정 립
조 대 화
(1,150℃이상)

Ferrite계
430

-
-


Austenite계
304
-


-

316
-


-

321
-
- *

-

347
-
- *

-



○ : 취화함, - : 취화하지 않음. * : 열처리조건에 따라 취화함.

1) 475℃ 취화

Cr 16% 이상의 고 Cr강을 400~600℃ 범위에서 장기간 가열하던가 이 온도 구역 내에서 서냉할 경우 나타나는 현상이다.
이 취화에 의해 인장강도와 경도는 높아지고 연성과 인성은 낮아지며 내식성은 떨어진다.
한번 취화된 것을 600℃이상 단기간 재가열하여 공냉 시키면 일종의 소둔 처리로 회복된다.
단, Ti, Nb의 첨가는 475℃ 취화를 촉진시킨다.

2) 입계 탄화물 석출

Austenite계 Stainless강은 500~800℃로 장기간 가열하던가 이 온도 범위내에서 서냉하면 결정입계에 Cr탄화물 (Cr23C6)이 석출하여 이 부근의 Cr의 농도가 낮아져 Stainless의 특성을 잃게 되어 300계열의 강종에서 흔히 언급되는 입계 부식되기 쉽다.
이를 방지하기 위해 C을 0.03이하로 낮추던가 Nb나 Ti을 첨가시켜 Cr 탄화물 대신 Nb 탄화물이나 Ti 탄화물을 석출시켜 C를 안정화시킨다.

3) σ상석출

고 Cr (20%이상) Ferrite계 Stainless강은 540~900℃, Austenite계 Stainless강은 600~800℃ 장기간 가열하면 σ상인 Fe-Cr 화합물이 석출하게 되는데 이 조직은 극히 단단하고 취성을 나타낸다.

Si, Al, Nb, Ti 혹은 Mo의 첨가로 σ상 석출을 촉진시킨다.
한번 형성된 σ상은 930~980℃로 가열한 후 급냉하면 소실된다.

4) 고온 취성 (결정립 조대화)

고 Ferrite계 Stainless강을 1,150℃이상으로 가열시켜 급냉될 때 생기는 취성이다. 즉 고온에서 결정입의 조대화가 일어나기 때문에 상온에서 극히 취화하게 된다.
800℃ 전후에서 소둔(Annealing)하면 얼마간 회복된다.

4. Stainless Steel의 강종별 용접 특성
이하에서는 위에 열거한 Stainless Steel의 강종중 Precipitation hardening Stainless Steel을 제외한 4종류의 강종 구분에 따른 개략적인 특성과 용접봉의 선택 및 용접시 주의점에 대해 정리한다. Precipitation hardening Stainless Steel은 열처리상의 문제점과 용접의 어려움으로 인해 용접구조물로는 거의 사용되지 않는다.

4.1 Ferritic Stainless Steel

Ferritic Stainless Steel은 앞서 간단히 거론한 바와 같이 자성이 있고, 실외에서는 약간의 녹이 발생하는 문제점이 있다.
일반부식에 강하고, 고온에서의 산화가 적으며, S부식과 H2S및 Chloride분위기에서의 저항성이 크고, 열처리에 의해 경화되지 않는 특성이 있다.
Column의 Strip Lining등으로 일부 이용되기도 하며, 용접시에 경화성이 없으므로 예열 및 후열 처리가 불 필요하다.
최대 사용온도는 475℃(885℉)에서의 Embrittlement로 인해 343℃(650℉)정도로 제한된다.
용접시 HAZ(열영향부)부의 조직이 조대화되고, 인성이 급격히 저하하며, 550 ~ 850℃ 사이에서 Fe-Cr의 금속간 화합물이 생겨 취성이 발생하므로 용접 구조물로는 사용이 제한된다. 주로 사용되는 용접봉은 E309계열의 용접봉이 사용되고 열처리가 요구될 때는 E430 or Ni-Cr-Fe계의 용접봉을 사용한다. E309로 용접한 구조물은 260℃(500℉)이상에서 사용하면 모재와의 thermal Expansion 차이로 인해 높은 Stress가 발생하므로 E309의 최대 사용온도는 이보다 하향으로 제한된다.

현업에서 자주 사용되는 410S SS는 Martensitic Stainless Steel인 410 SS에서 Carbon이 0.08%이하로 규제되고, Ni이 최대 0.60%로 제한된 강종이다. Carbon 함량이 작아서 양호한 용접성을 가지고 있다.

ASME Code에서는 410S SS를 Ferritic Stainless Steel로 구분하여 P No.7으로 관리하지만, 실제로는 P No. 6번인 Martenisitic Steel로 구분하는 것이 타당한 재료이다.

4.2 Martensitic Stainless Steel

Martensitic Stainless Steel은 Ferritic Stainless Steel과 매우 유사한 특성을 보이지만 가장 큰 차이점은 열처리에 의해 경화된다는 점이다. Stainless강종중에 유일하게 열에 의해 경화되는 특징이 있다.

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.
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 Table과 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.

Table. 용접봉의 Chemical Composition (Kobe용접봉 기준) 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
0.020
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
69.40
13.90
1.80
Fe:7.90

Ti:0.01

Co:0.03
A5.11

ENiCrFe-3

* 2



* 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
Table. 용접 조건 비교 (용접봉의 특성 기준) 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)





Table. 용접봉의 용도별 적용 기준(1/2) 용접봉 종류
적용 용도 및 특성

309 SS
NC-39

NCA-309
22%Cr-12%Ni의 309S SS의 용접에 적용되며, carbon steel이나 low alloy 등의 이종 금속의 용접에 주로 사용된다.

HIMELT-309
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.)





Table . 용접봉의 용도별 적용 기준 (2/2) 용접봉 종류
적용 용도 및 특성

410 SS
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 이종금속간의 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.)





4.3 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.

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.

용접성이 매우 양호한 재료로서, 용접으로 인해 경화되지 않으므로 예열과 후열의 필요성이 없다. 열팽창이 크고, 용접시에 변형이 크므로 주의를 요한다. 사용되는 용접봉은 모재와 동일 강종인 Austenite계열의 용접봉과 Ni-Cr-Fe / Ni-Cr-Mo계열의 용접봉이 사용될 수 있다.

Ni계 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.

용접부는 Hot Crack을 방지하기 위해 3 ~ 11 Ferrite Number를 함유해야 한다. 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.

4.3.1 Shaeffler Diagram에 의한 방법

Shaeffler의 Cr & Ni당량 공식에 따라 용접부의 성분 분석치를 기준으로 계산하여 다음의 그림7-8의 Diagram에서 Ferrite Content를 구하는 방법이다.

4.3.2 Ferrite Detector로 측정하는 방법

Ferrite Detector에는 Magnetic Type과 Edi-Current Type의 두 종류가 있으며, 두가지 모두 자성을 가지는 Ferrite의 특성을 이용하여 특정하는 방법이다. 측정이 손쉽고 장비가 간단해 가장 널리 쓰인다.

4.3.3 현미경에 의한 조직 분석법

조직 시편을 만들어 광학 현미경을 통해 Ferrite와 Austenite의 조직분률(Area %)을 직접 측정하는 방법이다.

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.

347 SS는 321 SS보다 용접성이 좋으며, 예민화 현상에 대한 저항성이 더 크다.



그림 7-8 Schaeffler Diagram 과 Cr & Ni당량 계산식



4.4 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, SAF 2507이다.

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.

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.

Chloride등에 대한 저항성이 커서 VCM Project등의 열 교환기용 재료로 사용되고 있다.

Ni함량이 적어서 경제적이고 열처리에 의해 경화될 수 있다.

60℃이하에서는 충격치가 급속히 감소하며, 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.

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 한다.

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.

다음에 첨부하는 5장의 Table은 Stainless steel 의 종류 별로 개략적인 특징과 용접시의 주의점을 정리한 것으로 지금까지 언급된 내용과 중복되는 내용이 많지만 각 각종의 특징을 쉽게 파악하는데 도움이 될 것이다.

5. Stainless Steel의 강종별 용접 특성
5.1 Ferritic Stainless Steel

Table. Ferritic Stainless Steel의 재료 특성 및 용접성 Type
대표 강종
재료 특성 및 용접성

Ferritic
(12 ~ 30Cr)
405 SS(13 Cr)

430 SS(17% Cr)
최대 사용온도는 475℃(885℉)에서의 Embrittlement로 인해 343℃(650℉)정도로 제한된다.

용접시 HAZ(용접열영향부)의 인성이 급격하게 저하하여 용접 구조물로는 사용이 제한 된다.

용접시 HAZ부의 Grain Growth가 급속하게 이루어 지고, 550 ~ 850℃ 사이에서 Fe-Cr의 금속간 화합물이 생겨 취성이 발생하므로 용접 구조물로의 사용이 제한된다.

Column의 Strip Lining등으로 일부 이용되기도 하며, 용접시에 경화성이 없으므로, 예열 및 후열처리가 필요없다.

일반 부식에 강하고, 고온산화가 적으며, S부식과 H2, H2S및 Chloride분위기에서의 저항성이 강하다.

- 주로 사용되는 용접봉은 E309가 사용되고, 열처리가 요구될 경우에는 E430 or Nickel-Chromium-Iron계 용접봉을 사용한다.

- E309로 용접한 구조물은 260℃(500℉)이상에서 사용하면, 모재와의 Thermal Expansion의 차이로 인해 높은 Stress가 발생하므로 최대 사용온도가 이보다 하향으로 제한된다.

- 410S SS는 Martensitic Stainless Steel인 410 SS에서 Carbon이 0.08% 이하로 규제되고, Nickel이 Max.0.60%로 미량의 차이가 나며, 양호한 용접성을 가진 재료이다.

- 410S SS는 용접시에 410 SS와는 달리 P No. : 7의 Ferritic Stainless Steel 로 분류된다.
(410 SS는 Carbon : 0.15%, Nickel 0.75%로 P No. : 6인 Martensitic Stainless Steel 이다.)





5.2 Martensitic Stainless Steel

Table . Martensitic Stainless Steel의 재료 특성 및 용접성 Type
대표 강종
재료 특성 및 용접성

Martensitic
(12 ~ 18% Cr)
410 SS
(12 % Cr)

410S SS

CA6NM

F6NM


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.





5.3 Dulpex Stainless Steel

Table . Duplex Stainless Steel의 재료 특성 및 용접성 Type
대표 강종
재료 특성 및 용접성

Duplex (18~30% Cr, 4~6% Ni, 2~3% Mo)
SAF 2204

(S32304)

SAF 2205

(S31803)

SAF 2507

(S32750)


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.





5.4 Austenitic Stainless Steel

Table . Austenitic Stainless Steel의 재료 특성 및 용접성 Type
대표 강종
재료 특성 및 용접성

Austenitic
304 SS

316 SS

321 SS

347 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.

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