N3-0630분
스테인리스강 용접
예민화, Schaeffler 도표, 듀플렉스 STS
🟡Referenced — 전문가 참조
🟡 Referenced
스테인리스강(STS, Stainless Steel)은 Cr 함량 10.5% 이상으로 내식성이 우수한 합금강입니다. 용접 시에는 일반 탄소강과 전혀 다른 야금학적 문제가 발생하므로, STS 고유의 용접 특성을 이해해야 합니다.
STS 분류 (5가지 계열):
| 계열 | 대표 강종 | 조직 | 자성 | 용접성 |
|---|---|---|---|---|
| 오스테나이트 | 304, 316, 321, 347 | γ (FCC) | 비자성 | 양호 |
| 페라이트 | 409, 430, 446 | α (BCC) | 자성 | 보통 |
| 마르텐사이트 | 410, 420, 440C | α' (BCT) | 자성 | 불량 |
| 듀플렉스 | 2205, 2507 | α + γ | 자성 | 양호 |
| 석출경화 | 17-4PH, 15-5PH | α' + 석출물 | 자성 | 특수 관리 |
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🟡 Referenced
예민화(Sensitization)와 입간부식(Intergranular Corrosion)
오스테나이트계 STS의 가장 대표적인 용접 문제입니다.
메커니즘:
1. 용접 열로 HAZ가 450~850°C (예민화 온도 범위)에 노출
2. 이 온도에서 Cr₂₃C₆(크롬 탄화물)이 결정립계에 석출
3. 입계 주변의 Cr이 탄화물에 소모되어 Cr 결핍 영역(Cr-depleted zone) 형성
4. Cr < 10.5%인 결핍 영역은 내식성을 상실
5. 부식 환경에서 입계를 따라 선택적으로 부식 진행 → 입간부식(IGC)
예민화 방지 대책:
- 저탄소 강종 사용: 304L (C ≤ 0.03%), 316L — 탄화물 석출 억제
- 안정화 강종 사용: 321 (Ti 안정화), 347 (Nb 안정화) — Cr 대신 Ti/Nb가 C와 결합
- 입열 제어: 450~850°C 체류 시간을 최소화 (낮은 입열, 빠른 냉각)
- 고용화 열처리: 1,050~1,150°C에서 급냉 → Cr₂₃C₆ 재고용
🟡 Referenced
Schaeffler / DeLong / WRC-1992 도표
오스테나이트계 STS 용접부의 미세조직(특히 델타 페라이트 함량)을 예측하는 도구입니다.
Cr 당량(Creq): 페라이트 형성 원소의 합
Creq = Cr + Mo + 1.5Si + 0.5Nb
Ni 당량(Nieq): 오스테나이트 형성 원소의 합
Nieq = Ni + 30C + 0.5Mn (Schaeffler)
Nieq = Ni + 30C + 30N + 0.5Mn (DeLong — 질소 고려)
델타 페라이트(δ-Ferrite)의 역할:
- 적정량(3~10 FN): 고온균열 방지에 매우 효과적. 유해 불순물(S, P)을 페라이트에 고용시키고, 균열 경로를 차단
- 과다(>15 FN): 고온 장시간 사용 시 시그마상(σ-Phase) 석출 위험 → 475°C 취화
- 부족(<3 FN): 고온균열 감수성 증가
WRC-1992 도표: 현재 가장 널리 사용. Creq/Nieq로 Ferrite Number(FN)를 직접 읽을 수 있으며, DeLong 대비 정확도가 향상됨.
시험 필수 공식: Creq = Cr + Mo + 1.5Si + 0.5Nb / Nieq = Ni + 30C + 30N + 0.5Mn (DeLong). 델타 페라이트 3~10 FN이 최적. 3 미만이면 고온균열 위험, 15 초과면 시그마상 석출 위험입니다.
🟡 Referenced
듀플렉스 스테인리스강(Duplex STS)
오스테나이트(γ) + 페라이트(α)가 약 50:50으로 공존하는 2상(Dual-phase) 조직입니다.
대표 강종:
- Lean Duplex: 2304 (UNS S32304) — 경제적
- Standard Duplex: 2205 (UNS S31803/S32205) — 가장 범용
- Super Duplex: 2507 (UNS S32750) — 극한 내식성
용접 시 핵심 관리:
- α/γ 상비율 유지: 용접부에서 페라이트가 과다(>70%)하면 인성 저하, 내식성 감소
- 입열 관리: 입열이 너무 낮으면 γ 재생성 부족 → 페라이트 과다. 적정 입열 필요
- 인터패스 온도 제한: 최대 150°C. 과도한 열 축적 시 시그마상 석출 위험
- 질소 보호가스: Ar + 2~5% N₂ 보호가스가 γ 재생성을 촉진. 순수 Ar만 사용 금지
- PWHT 불요: 대부분의 듀플렉스 STS는 PWHT 없이 사용. PWHT 시 오히려 시그마상 석출 위험
PREN(Pitting Resistance Equivalent Number):
PREN = Cr + 3.3Mo + 16N
- Standard Duplex 2205: PREN ≥ 35
- Super Duplex 2507: PREN ≥ 40
- PREN이 높을수록 공식(Pitting) 저항성 우수
듀플렉스 STS 용접 시 가장 흔한 실수: ① 순수 Ar 보호가스 사용 (N₂ 미첨가 → 페라이트 과다) ② 과도하게 낮은 입열 (γ 재생성 부족) ③ 인터패스 온도 150°C 초과 (시그마상 위험). 이 3가지를 반드시 관리하세요.
🟡 Referenced
STS 용접 시 용가재 선택 원칙
오스테나이트계:
- 동종 용접: ER308L (304L용), ER316L (316L용)
- 이종/고합금: ER309L (오스테나이트-페라이트 바운더리), ERNiCrMo-3 (Inconel 625, 만능형)
- 덧살 용접 시 δ-페라이트 3~10 FN 확보 필수
듀플렉스:
- ER2209 (2205용): Ni 함량이 모재보다 높아 γ 재생성 촉진
- ER2594 (2507용): Super Duplex용
페라이트계:
- 동종 필러 또는 ER309L (오스테나이트계 필러로 인성 보완)
마르텐사이트계:
- ER410 (동종) + 반드시 예열(200~300°C) + PWHT(730~790°C)
- 경우에 따라 ER309L (오스테나이트계)로 예열/PWHT 없이 용접 가능
STS 용접의 청정 관리: 탄소강 공구(와이어 브러시, 그라인더)를 STS에 사용하면 철 입자가 전이되어 표면에 녹이 발생합니다. STS 전용 스테인리스 와이어 브러시, 전용 그라인더 디스크를 사용해야 하며, 탄소강 작업장과 물리적으로 분리하여 교차 오염을 방지해야 합니다.
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STS 계열·강종 확인
용접할 STS의 계열(오스테나이트/듀플렉스/페라이트/마르텐사이트)과 구체적 강종(304L, 316L, 2205 등)을 확인합니다. 계열에 따라 용접 전략이 완전히 다릅니다.
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용가재 선정·δ-페라이트 예측
Schaeffler/WRC-1992 도표로 Creq/Nieq를 계산하여 용접부 δ-페라이트 함량을 예측합니다. 3~10 FN 범위가 되도록 용가재를 선정합니다.
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입열·인터패스 온도 관리
오스테나이트계: 예민화 방지를 위해 저입열+빠른 냉각. 듀플렉스: 적정 입열로 γ 재생성 확보, 인터패스 ≤150°C. 보호가스에 N₂ 첨가 여부를 확인합니다.
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청정 관리·후처리
STS 전용 공구를 사용하고, 용접 후 산세(Pickling) 또는 전해 연마로 표면 부동태 피막을 복원합니다. 탄소강 접촉에 의한 철 오염을 점검합니다.
STS 시험 함정 5종 1. "예민화(Sensitization) 온도?" → 450~850°C (KS 기준) 또는 500~800°C(ASM). Cr₂₃C₆ 입계 석출. 2. "STS304L vs 304 차이?" → C ≤ 0.03%(L) vs 0.08%(일반). L grade가 예민화 방지에 유리. 3. "PREN 공식?" → Cr + 3.3Mo + 16N. 2205 ≥ 35, 2507 ≥ 40. 공식 저항 지표. 4. "듀플렉스 보호가스에 N₂를 첨가하는 이유?" → γ(오스테나이트) 재생성 촉진. 순수 Ar만 쓰면 페라이트 과다. 5. "STS 전용 와이어 브러시 사용 이유?" → 탄소강 공구의 철 입자 전이 → 표면 부식. 교차 오염 방지.
🎯 퀴즈 준비 중 ()