STS 용접 심화

STS 4계열 — 화학조성과 조직

핵심 개념
- 17~18% Cr 이상, C < 0.1% → 순 Ferrite 조직
- Cr 20~70% 영역에 σ상(시그마 상) 석출 영역 — σ는 매우 취약
- 입계부식 메커니즘은 다음 페이지로 → "용접 후 부식이 진행되는 부분"

Delta Ferrite — 오스테나이트계의 생명줄

오스테나이트계 STS 용착금속에 5~8% 함유시켜야 하는 2상 조직(δ-Ferrite). 응고 시 처음에 Ferrite로 응고했다가 일부가 Austenite로 변태하지 않고 남은 것.

Delta Ferrite의 역할 (4가지)

1. 고온균열 방지 — P, S, Si, Nb 등 저융점 불순물 고용도 ↑ → 입계 액막 ↓
2. 인장강도 증가
3. 응력부식균열(SCC) 저항성 향상 (적정량까지)
4. 수축응력 감소 — Ferrite의 열팽창계수가 낮음

적정 함량 5~10% FN (Ferrite Number)
- < 5% FN: 고온균열 위험
- 5~10% FN: 최적 범위
- > 10%: σ상 취화 위험, SCC 저항 ↓, Long-term creep 저하

용가재별 권장 FN
- E308·E308L·E316·E316L: ~3 FN
- E309: 4 FN
- E347 (Nb 안정화): 6 FN (Nb 영향으로 더 필요)

측정 방법: AWS A4.2 자기 측정기. 6점 이상 평균. FN ≠ % Ferrite지만 10 FN 이하에서는 거의 일치.

Schaeffler / DeLong 선도 — Cr·Ni 당량 계산

용착금속의 조성으로 응고 후 조직을 예측하는 도구.

Schaeffler (1949) — Mo 포함, N 없음:
$$Cr_{eq} = Cr + Mo + 1.5\,Si + 0.5\,Nb$$
$$Ni_{eq} = Ni + 30\,C + 0.5\,Mn$$

DeLong (1973) — N 포함, 정확도↑:
$$Cr_{eq} = Cr + Mo + 1.5\,Si + 0.5\,Nb$$
$$Ni_{eq} = Ni + 30\,(C+N) + 0.5\,Mn$$

Schaeffler 선도에서 Cr당량(가로축)·Ni당량(세로축) 교점이 위치한 영역으로 조직 판정:
- Austenite (A)
- Austenite + Ferrite (A+F)
- Austenite + Martensite (A+M)
- Martensite (M)
- Martensite + Ferrite (M+F)
- Ferrite (F)

WRC-1992 선도 — 가장 최신, 응고 모드(A/AF/FA/F)까지 표시:
- A 모드 (Primary Austenite): 고온균열 多
- AF 모드 (Austenite + Ferrite): 보통
- FA 모드 (Ferrite → Austenite): 최적 — 응고균열 최소
- F 모드 (Primary Ferrite): 결정립 조대화 우려

오스테나이트계 용접의 황금률: FA 모드 응고 + 5~10 FN

WELD DECAY (입계 부식) — 예민화 현상

오스테나이트계 STS를 550~800℃에서 가열하거나 이 온도 범위를 통과하며 서냉하면, Cr 탄화물(M₂₃C₆)이 입계에 망상 석출. 입계 양쪽 Cr 농도가 13% 이하로 떨어져 부식 환경에서 우선 부식 → 입계 부식.

특히 용접 HAZ의 본드에서 약간 떨어진 영역(약 650℃ 도달 부위)이 가장 취약.

4가지 대책

1. 저탄소 STS 사용 — 304L, 316L (C ≤ 0.03%) → 탄화물 형성 최소화
2. 안정화 STS 사용 — Ti(SUS321), Nb(SUS347) → 안정한 TiC·NbC 우선 형성하여 Cr이 입계로 못 빨려가게 함
3. 고용화 열처리 — 1010~1150℃ 가열 → 900℃에서 급냉(수냉) → 탄화물 재고용
4. 용접 시 냉각 가속 — Cu Backing, 수냉으로 650℃ 체류시간 최소화

KS B 0857 / ASTM A262 입계부식 시험으로 평가:
- Practice A: 옥살산 — 신속 판정 (합격만)
- Practice E: 황산-황산동 — 정밀 (Bend test → 균열 확인)

475℃ 취화 + σ상 취화 — 페라이트계 STS의 적

475℃ 취화 (16% Cr 이상)

400~600℃, 특히 475℃에서 장시간 가열 또는 서냉 시 Cr 탄화물이 미세 석출하여 매우 취화.

- 인성 급감, 작은 응력에서 균열
- 예열 70~100℃ 권장, 150℃ 이상 절대 금지
- 회복: 600℃ 이상 단시간 재가열 후 공냉

σ상(Sigma Phase) 취화

Fe-Cr 계 강에서 540~820℃ 장시간 가열 → σ상(Fe-Cr 금속간 화합물) 석출.

- 매우 단단·취약·자성 無
- 인성·연성·내부식성 모두 저하
- 오스테나이트계에서도 540~926℃에서 서서히 형성
- Mo, Cb, Ti 등 Ferrite 안정화 원소가 σ형성 촉진
- 적정 조성·열처리(고용화)로 회피

Ferrite 영향 — Ferrite 과다 시 σ상 형성 多 → 충격강도·내부식성↓ → 10% FN 이하 관리.

DUPLEX STS — 양상(Two-Phase) 우수 합금

Ferrite + Austenite 50:50 (대표: SUS 329J3L, 2205). 양 상의 장점 결합.

장점
- 일반 오스테나이트계의 약 2배 강도
- SCC 저항성 ↑ (염소 함유 환경)
- 공식·틈부식 저항성↑
- 25%Cr-7%Ni 기본 + Mo 첨가

용접 시 핵심 관리 — Ferrite·Austenite 비율

용접 후 Ferrite 25~50% 범위 유지가 핵심. 너무 빨리 냉각 → 100% Ferrite 잔존(취화), 너무 천천히 → σ상 석출. 적정 입열 1.5~3 kJ/mm.

용가재: 모재보다 Ni을 2~3% 더 함유한 봉(예: E2209) — 용착부 오스테나이트화 보완.

층간온도: 150℃ 이하 엄수 — 600~1000℃ 체류시간 ≤ 5분 권장.