P3-2124분
스테인리스강 용접
Schaeffler, 예민화, 페라이트 관리
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스테인리스강(Stainless Steel, STS)은 Cr 함량 10.5% 이상으로 내식성이 우수한 철합금입니다. 용접 시 예민화(Sensitization), 고온 균열, 시그마(σ)상 취화, 페라이트 수(FN) 관리 등 탄소강과 다른 고유의 야금학적 문제를 이해해야 합니다. 스테인리스강의 종류에 따라 용접 특성과 주의사항이 크게 다르므로, 정확한 분류와 그에 맞는 시공이 필수적입니다.
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스테인리스강 분류와 용접 특성
| 분류 | 대표 강종 | 조직 | P-No. | 용접 특성 | 주요 문제 |
|---|---|---|---|---|---|
| 오스테나이트 | 304, 304L, 316, 316L | γ (FCC) | P-8 | 용접성 양호, 예열 불요 | 예민화, 고온 균열, 변형 大 |
| 페라이트 | 430, 409 | α (BCC) | P-7 | 입열 제한 필요 | 475°C 취화, 결정립 조대화 |
| 마르텐사이트 | 410, 420 | α' (BCT) | P-6 | 예열 필수(200~300°C) | 수소 균열, 경도 과다 |
| 듀플렉스 | 2205, 2507 | γ + α | P-10H | 입열 관리 중요 | 페라이트 비율 30~70% 유지 |
| 석출경화 | 17-4PH | α' + 석출물 | P-6 | 특수 열처리 필요 | 과시효, 인성 저하 |
오스테나이트계(304/316)가 산업 현장에서 가장 많이 사용되며, 용접기사 시험에서도 출제 비중이 가장 높습니다.
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Schaeffler / WRC-1992 다이어그램
스테인리스강 용접부의 미세조직을 예측하는 핵심 도구입니다.
Cr당량 및 Ni당량 계산식:
| 다이어그램 | Cr당량 | Ni당량 |
|---|---|---|
| Schaeffler | Cr + Mo + 1.5Si + 0.5Nb | Ni + 30C + 0.5Mn |
| WRC-1992 | Cr + Mo + 0.7Nb | Ni + 35C + 20N + 0.25Cu |
Schaeffler 다이어그램 활용:
- 두 모재와 용가재의 Cr당량·Ni당량을 계산
- 희석율을 고려하여 용접부 조성점을 도표에 표시
- 해당 위치의 조직(A, A+F, A+M, F, M 등) 확인
- 위험 영역: 마르텐사이트 영역(균열), 완전 오스테나이트(고온 균열)
WRC-1992 다이어그램:
- Schaeffler보다 정밀한 페라이트 수(FN) 예측
- FN(Ferrite Number): 자기 측정법(Magne-Gage, Feritscope)으로 실측
- 목표 FN: 3~10 (고온 균열 방지, 내식성 유지)
- FN < 3: 고온 균열(Hot crack) 위험 증가
- FN > 10: 인성·내식성 저하 위험
Schaeffler 다이어그램의 Cr당량 = Cr + Mo + 1.5Si + 0.5Nb, Ni당량 = Ni + 30C + 0.5Mn 공식은 용접기사 시험에서 반드시 암기해야 합니다. WRC-1992는 N(질소) 원소를 반영하여 듀플렉스 STS와 질소 첨가강의 조직 예측에 더 정확합니다.
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예민화(Sensitization)와 방지 대책
오스테나이트 STS의 가장 중요한 용접 야금 문제입니다.
| 항목 | 내용 |
|---|---|
| 정의 | 500~800°C(특히 600~700°C) 온도 범위에서 장시간 노출 시 입계에 Cr₂₃C₆ 탄화물 석출 |
| 메커니즘 | 입계에 Cr 탄화물 석출 → 입계 주변 Cr 농도 12% 이하로 감소(Cr-depleted zone) → 입계부식 발생 |
| 발생 조건 | 용접 HAZ에서 가장 빈번 (입열이 과대한 경우) |
| 결과 | 입계부식(Intergranular Corrosion, IGC), 응력부식균열(SCC) 감수성 증가 |
예민화 방지 대책:
| 대책 | 원리 | 적용 |
|---|---|---|
| L grade 사용 | C ≤ 0.03%로 탄화물 석출 억제 | 304L, 316L — 가장 일반적 |
| 안정화 원소 첨가 | Ti(321), Nb(347)가 C와 우선 결합 → Cr 탄화물 방지 | 고온 서비스 |
| 고용화 열처리 | 1050~1100°C 가열 후 급냉 → Cr₂₃C₆ 재고용 | 제조 시, PWHT 대용 |
| 입열 제한 | 패스간 온도 ≤ 150°C, 낮은 입열 | 용접 시공 시 필수 |
| 용접 속도 증가 | 500~800°C 체류 시간 최소화 | 현장 관리 |
시험 핵심: "304 STS 용접 HAZ에서 입계부식이 발생하는 원인은?" → 예민화(Sensitization). 500~800°C 온도 범위에서 Cr₂₃C₆가 입계에 석출되어 인접 영역의 Cr 농도가 12% 이하로 감소하기 때문입니다. 방지책은 L grade(저탄소), 안정화 원소(Ti/Nb), 입열 제한입니다.
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용접 용가재 선택 및 시그마(σ)상 취화
오스테나이트 STS 용가재:
| 모재 | 용가재 | 비고 |
|---|---|---|
| 304/304L | ER308L / E308L-16 | 동종 용접 기본 |
| 316/316L | ER316L / E316L-16 | Mo 함유 |
| 이종금속(CS+STS) | ER309L / E309L-16 | Cr·Ni 높아 희석 보상 |
| 듀플렉스 2205 | ER2209 | Ni 높여 페라이트 비율 조정 |
| 듀플렉스 2507 | ER2594 / ENiCrMo-13 | 초듀플렉스 전용 |
시그마(σ)상 취화:
| 항목 | 내용 |
|---|---|
| 발생 조건 | 600~900°C 장시간 노출 (수백~수천 시간) |
| 발생 기구 | 페라이트 → σ상(FeCr 금속간 화합물) 변태 |
| 영향 | 극심한 경도 상승, 인성 급락, 취성 파괴 위험 |
| 감수성 | 페라이트 함량 높을수록 σ상 변태 빠름 (듀플렉스 주의) |
| 방지 | 용접 후 급냉, 600~900°C 체류 최소화, 고용화 열처리(1050°C) |
듀플렉스 STS 용접 핵심:
- 페라이트 비율 30~70% 유지가 핵심 (이상적: 40~60%)
- 입열 관리: 너무 낮으면 과다 페라이트, 너무 높으면 σ상·χ상 위험
- 용가재 ER2209는 Ni을 2~4% 높여 오스테나이트 형성 촉진
- 패스간 온도: ≤ 150°C (과열 방지)
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STS 종류 확인
모재의 STS 분류(오스테나이트/페라이트/마르텐사이트/듀플렉스)와 강종(304L, 316L, 2205 등)을 확인합니다.
2
Schaeffler/WRC 조직 예측
Cr당량·Ni당량을 계산하고 WRC-1992 다이어그램에서 FN(페라이트 수)을 예측합니다. 목표 FN 3~10.
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용가재·입열 결정
304L→ER308L, 316L→ER316L, 듀플렉스→ER2209. 패스간 온도 ≤150°C, 입열 제한을 설정합니다.
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예민화/시그마상 방지
L grade 사용, 입열 최소화, 패스간 온도 관리로 예민화·시그마상 형성을 방지합니다.
🎯 학습 확인 퀴즈⚠️ 자체 제작 문항1 / 7
오스테나이트계 스테인리스강의 예민화(Sensitization)가 발생하는 온도 범위는?