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1 스테인레스강 (Stainless Steel) - 목차 1. Stainless Steel 의종류 3 Table 1 Stainless Steel 의일반적인구분과특성 2. Stainless 강의특성 STAINLESS 강의종류별특성 Table 2 Stainless Steel 의종류별특성 STAINLESS 강의성질 Table3. Stainless Steel 의성질및용도 물리적성질 Table 4 대표적인 Stainless Steel 의물리적성질 기계적성질 Table 5 ASTM A240 에따른 Stainless Steel 의기계적시험요구사항 7 (ASTM 98 Ed.) 고온특성 11 (1) Martensite 계 (2) Ferrite 계 (3) Austenite 계 (4) Duplex 계 저온특성 12 (1) Martensitic & Ferritic 계 (2) Austenite 계 (3) Duplex 계 야금학적성질 12 Table 6 Stainless Steel 야금학적성질 (1) 475 취화 (2) 입계탄화물석출 (3) 상석출 (4) 고온취성 ( 결정립조대화 ) 1 / 40

2 3. Stainless Steel의강종별용접특성 Ferritic Stainless Steel Table 7 Ferrite계 Stainless Steel 의화학성분 14 Table 8 Ferrite계 Stainless Steel의특징과용도 Martensitic Stainless Steel Table 9 Martensite계 Stainless Steel의화학성분 16 Table 10 Martensite계 Stainless Steel 의특징과용도 17 Table 11 용접봉의 Chemical Composition (Kobe용접봉기준 ) 19 Table 12 용접조건비교 ( 용접봉의특성기준 ) 20 Table 13 용접봉의용도별적용기준 Austenitic Stainless Steel Table 14 Austenite계 Stainless Steel의화학성분 23 Table 15. Austenite계 Stainless Steel의강종별개략적인특징과용도 Ferrite의의미 Table 16 금속조직에따른합금원소의고용도 27 Table 17 시편용접부의 δ-ferrite의양과 CPT의관계 29 Ferrite함량측정세가지방법 29 (1) Shaeffler Diagram에의한방법 (2) Ferrite Detector로측정하는방법 (3) 현미경에의한조직분석법 3.4 Duplex Stainless Steel 30 Table 18 Duplex Stainless Steel의화학성분 석출경화형 (Precipitation Hardening) Stainless Steel 종류및용도 Table 19 석출경화형 Stainless Steel의화학성분 33 Table 20 석출경화형 Stainless Steel의특징과주요용도 34 Table 21 석출경화형 Stainless Steel의열처리 35 Table 22 석출경화형 Stainless Steel의기계적특성 36 Table 23 Ferritic Stainless Steel의재료특성및용접성 37 Table 24 Martensitic Stainless Steel의재료특성및용접성 38 Table 25 Duplex Stainless Steel의재료특성및용접성 39 Table 26 Austenitic Stainless Steel의재료특성및용접성 40 2 / 40

3 1. Stainless Steel 의종류 Stainless Steel 이라고하면흔히 304, 316 등을연상하게되고, 실제로이러한재질들이현업에서가장많이사용되는재질들이다. 그러나, 이러한표기는사실은정확한공식적인재료명의표기법은아니다. 각규격의명명법에따라정확하게표기한다고하면, AISIS 304 혹은 UNS S30400 등으로표기해야한다. 하지만여기에서는자세한재료의표기법과구분을장황하게설명하기보다는이해를돕기위해그저많은사람들이알고있는그대로 304, 316 이라고재료명을구분하여설명을전개하고자한다. Stainless Steel 은그재료의성분과조직에따라다섯가지로크게구분된다. 각강종의조직구분은주로 Chromium 의함량과 Nickel 의유무및기타원소의함량에따라결정이된다. 각강종이보여주는물리적, 기계적, 화학적특성은조직에따라구분이되며, 이들조직을기준으로다음과같이 Stainless Steel 을구분한다. Table 1 Stainless Steel 의일반적인구분과특성 조직분류대표강종기본조성일반적인주요특성 Martensite 410 SS 13 Cr 1. 자성이있고, 녹이발생할수있다. 2. 충격에약하고연신률이작다. 3. 뛰어난강도와내마모성이있다. 4. 열처리에의해경화된다. Ferrite 430 SS 18 Cr 1. 자성이있다. 2. 충격에약하고연신률이작다. 3. 용접구조물로사용이제한된다. 4. 열처리에의해경화되지않는다. 1. 자성이없고, 뛰어난내식성이있다. Austenite 304 SS 316 SS 18 Cr - 8 Ni 2. 충격에강하고, 연신률이크다. 3. 열처리에의해경화되지않는다. 4. Cr 탄화물이형성되는예민화에의해고온사용이제한된다. Precipitation Hardening Dulpex 16 Cr 631 SS 7 Ni - 1 Al SAF ~ 30 Cr - 4 ~ 6 Ni - 1. 자성이없고, 양호한내식성을가진다. 2. 열처리후높은강도와경도를가진다. 1. Austenite Stainless Steel 의단점을보완한강종, Ferrite 기지위에 Austenite 가 50 % 정도공존하는 3 / 40

4 SAF ~ 3 Mo 조직이다. 2. Ferrite 보다양호한인성, Austenite 보다월등한기계적강도가있다. 3. 열팽창계수가작고, 열전도도가높다. 2. Stainless 강의특성 2.1 STAINLESS 강의종류별특성 Stainless Steel 은그합금성분과조직의특성에따라서다양한성질을나타낸다. 보다자세한사항은각강종별특성편에서정리하기로하고, 개략적인사용상의특성을다음표에정리한다. Table 2 Stainless Steel 의종류별특성 특성 강종 AISI 조성 자성가공성내식내산화 고온강도 저온강성 소입성용접열처리 Martensite 계 Cr-0.1C 유 유 예열후열 Ferrite 계 Cr-0.1C 유 무 예열후열 Austenite 계 Cr-8Ni 무 무 Precipitation Hardening Cr - 7 Ni - 1 Al 무 유 Duplex 계 ~ 30 Cr -4 ~ 6 Ni -2 ~ 3 Mo 유 무 : 우수, : 양호, : 보통, : 저하 4 / 40

5 2.2 STAINLESS 강의성질 각 Stainless Steel 강종별로적용되는용도와특성은다음과같이정리될수있다. Table3. Stainless Steel 의성질및용도 종류 AISI 조성 성질및용도 Martensite 계 Cr--0.1C 내식, 내열일반용 Ferrite 계 Cr--0.1C 내식성우수로질산 Tank, 싱크대 Austenite 계 301 7Cr-7Ni-0.1C 철도차량 Cr-8Ni -0.1C 항공기 Engine Cover 주방용품 Cr - 8Ni 일반용, 화학제품, 식품제품 304L 18Cr - 8Ni C 입계탄화물석출방지원자력용 Cr - 10Ni 용접봉용 Cr - 12Ni - 0.2C 열처리설비, 소둔노 Cover Cr - 20Ni - 0.2C 내열성우수열교환기 Cr - 12Ni - 2.5Mo C 내식성우수, 고 Creep 저항, 화학및제지공업 Cr - 12Ni - 3.5Mo C 316 보다내식성우수 Cr - 10Ni - Nb C 304 에 Nb 첨가용접을요하는설비 물리적성질 일반적으로사용되는 Austenite Stainless Steel 을기준으로한대략적인탄소강과의비교하면다음과같다. 1. 우선 Stainless Steel 은높은전기비저항으로용접시발열이심하고 ( 탄소강의약 3 배 ) 2. 저항이큰만큼열전도율도떨어지고따라서냉각속도가느려진다 ( 탄소강의 1/3 정도 ) 3. 또한, 열팽창계수가커서변형이심하게된다. 변형을최소화하기위해서는가급적낮은전류를사용하는것이좋다. 통상적으로일반연강용접시보다 10% 전류를낮추어용접하는것을추천한다. 5 / 40

6 Table 4 대표적인 Stainless Steel 의물리적성질 강종구분 물리적성질 열전도도 (W/m-K) 비열 Type UNS No. 비중 (J/Kg-K) 전기비저항융점 (mg/cm 3 ) (μω-cm) ( ) at 0 ~ S ~ S ~ S S ~ S ~ B S ~ S ~ S ~ L S ~ 1450 S30430 S ~ N S ~ S ~ S ~ S ~ S ~ S S ~ L S ~ N S ~ S ~ L S ~ S ~ S N ~ S ~ S ~ S ~ S ~ S ~ S ~ S ~ / 40

7 420 S ~ S ~ S ~ S ~ F S ~ S S ~ S ~ A S ~ C S ~ S S ~ 1510 PH13-8Mo S ~ PH S ~ PH S ~ PH S ~ 기계적성질 Stainless Steel 의기계적성질은각강종별로매우다양한특징을보이고있다. 아래의표는 ASTM A240 에제시되어있는각종 Stainless Steel 의기계적성질을정리한것이다. 그러나, 여기에제시된값은 Martensite 계 Stainless Steel 의열처리조건에따른기계적성질의다양한변화는고려하지않았으며, 단지 ASTM 에제시된기준값만을표기한다. 석출경화형 Stainless Steel 에대한부분이빠져있는것이아쉽지만, 이에관한내용은석출경화형 Stainless Steel 항목에서다시다루기로한다. Table 5 ASTM A240 에따른 Stainless Steel 의기계적시험요구사항 (ASTM 98 Ed.) 기계적시험요구사항 UNS No. Type 인장강도항복강도경도연신율 (%) ksi Mpa Ksi Mpa BHN HRB Cold Bend Austenitic (Chromium-Nickel) (Chromium-Manganese-Nickel) N80367 Sheet & Strip N.R Plate N.R N N.R S / 40

8 S S L N.R S LN N.R S A N.R S S N.R S N.R S N.R S N.R S L N.R S H N.R S N.R S N N.R S LN N.R S N.R S S N.R S N.R S S S N.R S H N.R S Cb N.R S HCb N.R S S N.R S H N.R S Cb N.R S HCb N.R S N.R S N.R S L N.R S LN N.R S H N.R S Ti N.R S Cb N.R S N N.R S N.R S N.R 8 / 40

9 S N.R S L N.R S LN N.R S N.R S H N.R S N.R S N.R S N.R S N.R S N.R S H N.R S N.R S H N.R S N.R S38100 XM N.R S30452 Sheet & Strip XM N.R Plate N.R S MoLN N.R S21600 Sheet & Strip XM N.R Plate N.R S21603 Sheet & Strip XM N.R Plate N.R S20910 Sheet & Strip XM N.R Plate N.R S24000 Sheet & Strip XM N.R Plate N.R S21400 Sheet & Strip XM N.R Plate N.R S N.R Duplex (Austenite-Ferritic) S A N.R 9 / 40

10 S S A N.R S A N.R S A N.R S A N.R S N.R S A N.R S A N.R Ferritic or Martensitic (chromium) S N.R S S S S S S S S S A N.R S S S S S S44626 XM S44627 XM S A 180 S S A 180 S A 180 S A 180 S Note A : Rockwell C Scale 의측정값. 10 / 40

11 2.2.3 고온특성 (1) Martensite 계 1. 가공성용이 2. 일반탄소강과비슷한양상의기계적특성을나타내므로고온가공이용이하다. 3. 소입경화 : 급냉에의해경화될수있으므로용접과열처리시에주의를요한다. (2) Ferrite 계 1. C, N, Ni 의양을낮추고, Al, Ti 첨가하면, 약간의 Cr 양으로도 Ferrite 계가될수있음. 2. Martensite 계보다내식성우수 ~600 이상에서기계적성질이급격히저하 (σ 상석출취하 ) 이상장기간가열하면결정립조대화로인성, 연성이떨어짐 5. 고 Cr Ferrite 계 Stainless 강은고온으로가열하면 475 취화, σ 상취화, 고온취화등의현상이나타남. (3) Austenite 계 이상고온에서 Stainless 강중가장우수한강도를가진다. 2. 그러나, 고온에서탄화물형성에의한예민화현상으로사용에주의를요한다. 3. SUS 304L, SUS 316L 등의탄소함량 0.03% 이하의저탄소강재는고온에서허용강도의저하로인하여 420 이상의고온사용이제한된다. (ASME Sec. II Part D, ASME Sec. VIII Div. 1) 4. SUS 304 에 Mo, Nb, Ti 을첨가시킨 SUS 316, SUS 321 등은 SUS 304 보다고온인장강도를가짐. (4) Duplex 계 1. Austenite 와 Ferrite 의특징을모두가지고있다. 2. Austenite 에비해두배이상의강도를가지고있다 이상에서는 Ferrite 조직의분해가일어나서취성이발생한다. 4. 통상적으로 200 미만의온도에서사용한다. 11 / 40

12 2.2.4 저온특성 (1) Martensitic & Ferritic 계 Martensite Stainless 과 Ferritic Stainless Steel 은저온취성을일으키므로저온재료에사용되지않는다. (2) Austenite 계 Austenite 계는저온취성을일으키지않으며, 저온인성이좋아저온용용접구조물용재료로널리사용된다. (3) Duplex 계 -60 이하에서는충격치가급속하게감소한다. 통상사용온도는 -50 ~ 200 정도로제한된다 야금학적성질 Table 6 Stainless Steel 야금학적성질 강종 AISI 입계탄화물결정립 475 취화 σ 상석출석출조대화 (400~500 ) (600~1,000 ) (500~800 ) (1,150 이상 ) Ferrite 계 Austenite 계 * * - : 취화함, - : 취화하지않음. * : 열처리조건에따라취화함. (1) 475 취화 Cr 16% 이상의고 Cr 강인 Ferrite 계 Stainless Steel 을 400~600 범위에서장기간가열하던가이온도구역내에서서냉할경우나타나는현상이다. Cr 함량이높을수록이런현상이잘발생한다. 475 취화가발생하면, 인장강도와경도는높아지고연성과인성은낮아지며내식성은떨어진다. 한번취화된것을 600 이상단기간재가열하여공냉시키면일종의소둔처리로인성이회복된다. 단, Ti, Nb 의첨가는 475 취화를촉진시킨다. 12 / 40

13 (2) 입계탄화물석출 Austenite 계 Stainless 강은 500~800 로장기간가열하던가이온도범위내에서서냉하면결정입계에 Cr 탄화물 (Cr 23 C 6 ) 이석출하여이부근의 Cr의농도가낮아져 Stainless 의특성을잃게되어 300 계열의강종에서흔히언급되는입계부식되기쉽다. 이를방지하기위해 C 함량을 0.03 이하로낮추던가 Nb 나 Ti 을첨가시켜 Cr 탄화물대신 Nb 탄화물이나 Ti 탄화물을석출시켜 C 를안정화시킨다. (3) σ 상석출 고 Cr (20% 이상 ) Ferrite 계 Stainless 강은 540~900, Austenite 계 Stainless 강은 600~800 장기간가열하면 σ 상인 Fe-Cr 화합물이석출하게되는데이조직은극히단단하고취성을나타낸다. Si, Al, Nb, Ti 혹은 Mo 의첨가로 σ 상석출을촉진시킨다. 한번형성된 σ 상은 930~980 로가열한후급냉하면소실된다. (4) 고온취성 ( 결정립조대화 ) 고 Ferrite 계 Stainless 강을 1,150 이상으로가열시켜급냉될때생기는취성이다. 즉고온에서결정입의조대화가일어나기때문에상온에서극히취화하게된다. 800 전후에서소둔 (Annealing) 하면얼마간회복된다. 3. Stainless Steel 의강종별용접특성 이하에서는위에열거한 Stainless Steel 의강종구분에따른개략적인특성과용접봉의선택및용접시주의점에대해정리한다 3.1 Ferritic Stainless Steel Ferritic Stainless Steel 은 Ni 을함유하지않은저탄소고 Cr 강으로서고온에서도상온때와같이 Ferrite 가안정상이며, 고온에서급냉하여도소입경화등이없고단지냉간가공에의해서약간경화되고자성을띤다. Stainless Steel 로구분되기는하지만, 실외에서는약간의녹이발생하는문제점이있다. 탄소량이많아지면, 고온에서 Austenite 상이형성되고, 급냉에의해 Martensite 로변태하는경우도있다, 따라서, 탄소함량이커지면소입경화능이생기므로탄소의함량을 0.12% 이하로제한하고있다. 일반부식에강하고, 고온에서의산화가적으며, S 부식과 H 2 S 및 Chloride 분위기에서의저항성이크고, 열처리에의해경화되지않는특성이있다. Column 의 Strip Lining 등으로일부이용되기도하며, 용접시에경화성이없으므로예열및후열처리가불필요하다. 최대사용온도는 475 (885 ) 에서의 Embrittlement 로인해 343 (650 ) 정도로제한된다. 13 / 40

14 Table 7 Ferrite 계 Stainless Steel 의화학성분 AISI 명 화학성분 (Max. Wt. %) C Si Mn P S Cr Mo 기타 ~ 14.5 Al : 0.1 ~ ~ ~ F ~ FSe ~ Se : 0.15% 18.0 이상 ~ 0.75 ~ ~ ~ 27.0 N : 0.25 Note : KS 와 JIS 에서는최대 0.6% 까지의 Ni 함유를허용한다. 14 / 40

15 Table 8 Ferrite 계 Stainless Steel 의특징과용도 AISI 명 405 주요특징과용도 Al 이함유되어용접후자경성이감소한다. Turbine Blade, 용접용재료로사용된다. 냉동공업, 의약, 화학공업등에사용된다 의용접성을개량한강종이다. 그외는 430 과동일하다. 430 대표적인 Ferrite 계 Stainless Steel 이다. 압연이용이하고, 가격이저렴하다. 방열기, 자동차부품, 화학설비등에사용된다. 430F 430FSe 의절삭성을개량한강종이다. 단조성이좋고, 자동선반용재료로사용된다. 430 의개량강종으로염분에강하다 자동차외장용으로사용된다. 442 내식성은 430 과동일한수준이다. 고온용재료로사용된다. 446 내산화성이가장우수하다. S 가함유된분위기에사용된다. N 은결정립성장을방지한다. 고온용, 화학공업용, 입욕전극봉의재료로사용된다. 용접시 HAZ( 열영향부 ) 부의조직이조대화되고, 인성이급격히저하하며, 550 ~ 850 사이에서 Fe-Cr 의금속간화합물이생겨취성이발생하므로용접구조물로는사용이제한된다. 주로사용되는용접봉은 E309 계열의용접봉이사용되고열처리가요구될때는 E430 or Ni-Cr-Fe 계의용접봉을사용한다. E309 로용접한구조물은 260 (500 ) 이상에서사용하면모재와의 thermal Expansion 차이로인해높은 Stress 가발생하므로 E309 의최대사용온도는이보다하향으로제한된다. 현업에서자주사용되는 410S SS 는 Martensitic Stainless Steel 인 410 SS 에서 Carbon 이 0.08% 이하로규제되고, Ni 이최대 0.60% 로제한된강종이다. Carbon 함량이작아서양호한용접성을가지고있다. ASME Code 에서는 410S SS 를 Ferritic Stainless Steel 로구분하여 P No.7 으로관리하지만, 실제로는 P No. 6 번인 Martenisitic Steel 로구분하는것이타당한재료이다. 15 / 40

16 3.2 Martensitic Stainless Steel Martensitic Stainless Steel 은 Ferritic Stainless Steel 과매우유사한특성을보이지만가장큰차이점은열처리에의해경화된다는점이다. Martensite 계 Stainless Steel 은소입 (Quenching) 에의해고온에서안정한 Austenite 가 Martensite 로변태하여경화되며, Ferrite 와마찬가지로자성을가진다. Stainless 강종중에유일하게열에의해경화되는특징이있다. Table 9 Martensite 계 Stainless Steel 의화학성분 AISI 명 화학성분 (Max. Wt. %) 403 C Si Mn P S Ni Cr Mo 기타 ~ ~ ~ 11.5 ~ ~ Se ~ 14 Se : 0.15 이상 이상 ~ F 0.15 이상 ~ ~ 15 ~ A 0.6 ~ ~ B 0.75 ~ ~ C 0.95 ~ ~ / 410S 로대표되는이재질은 Ferritic Stainless Steel 과마찬가지로고온에서의산화가적으며, S 부식과 H 2 S 및 Chloride 분위기에서의저항성이커서 VCM, PVC 등의 Process 에많이사용된다. Solid 상태보다는 Column 의 Strip Lining or Cladding 재료로주로사용되며, Low Carbon Grade 로용접성이좋은 410S SS 가주로사용된다. 16 / 40

17 높은강도와내마모성을가지고있어서, Valve 의 Disk 나 Seat Ring 의본재료혹은 Weld Overlay 용으로사용되기도한다. 인성이작고, 강한인장응력이있으나, Elongation 이작아서충격에쉽게파단된다. 이러한이유로 95 년도 ASME Code 에서는 Stainless Steel 중유일하게 Impact Test 를요구하였으나, 이후 Addenda 에서는이규정이삭제되었다. 440 ~ 450 에서는탄화물이석출하여충격치가급격히감소하므로사용이제한된다. 통상상용온도는 -29 ~ 440 정도이다. 내식성은소입상태가가장좋고, 소입후 Tempering 시는저온에서하는것이좋다. 500 ~ 650 에사가열하면미립의탄화물이석출하여기지의고용 Cr 량이감소되어내식성이떨어진다. 650 이상에서는 Cr 의재고용으로내식성이다시향상된다. 저탄소강인 13% 및 16% Cr 강과 2% 의 Ni 이함유된 431 강종은내식구조용으로사용되고, 고탄소계의 440 등은내마모용으로사용된다. Table 10 Martensite 계 Stainless Steel 의특징과용도 AISI 명 403 주요특징과용도 자경성이있다. Turbine Blade, Valve, Jet Engine 등의높은응력이요구되는곳에사용된다. 410 높은경도를나타낸다. 내식성이우수하다. Valve Seat, Shaft 등의일반기계부품으로사용된다 보다고강도용으로사용된다. 410 의성형성, 내식성을향상시킨강이다. Ni 의첨가로인성이좋고내식성도우수한다. Shaft, Knife, Spring 등으로사용된다. 416 Stainless Steel 중에기계가공성이가장우수하다. 쾌삭강으로 Valve, Shaft, Bolt, Nut 등으로사용된다. 416Se 416 의절삭성을더욱향상시킨강이다. 절삭성은좋지만, 기계가공성은떨어진다. 420 열처리에의해높은경도를얻을수있다. 내식성양호하다. Knife, 외과용기구등에사용된다. 420F 급냉시 420 보다더높은경도를얻을수있다. Bolt, Nut, Valve 의재료로사용된다. 17 / 40

18 431 Ni 의첨가로인성이개량된강종이다. Martensite Stainless Steel 중에최고의내식성을가진다. 선박용 Shaft, 제지기계, Spring, Bearing 등으로사용된다. 440A 440B 440C Stainless Steel 중에최고의경도를나타낸다. A, B, C 순으로내마모성이증가하지만, 내식성과인성은감소한다. Valve Seat, Knife, 외과용기구, 절단기, Bearing 등에사용된다. 가장많이사용되는 410S 는용접조건이부적절하면경화가극심하고, HAZ 부 ( 열영향부 ) 가조대화되며, 조직과내부응력의불균일화 ( 잔류응력 ) 로인해 Operation 중에 Stress Corrosion Cracking 이나 Delayed Hydrogen Cracking 이발생하기쉽다. 용접은주로 E309 or Ni-Cr- Fe 계와 E410 의용접봉으로실시한다. E309 or Ni-Cr-Fe 로용접하면 ASME Sec.VIII UHA-32 에따라열처리를면제받을수있는방법이있으나, E410 으로용접하면두께에무관하게용접후열처리를실시해야한다. Martensitic Stainless Steel 은 Chloride 분위기에강하지만 Austenitic Stainless Steel 용접봉으로용접할경우에는 Chloride 에약한 Austenitic Stainless Steel 의특성으로인해강한 Chloride 분위기에적용될경우에는 E410 용접봉의사용이요구된다. 용접시에는예열이반드시필요하고, 후열은모재의두께와사용되는용접봉의종류및예열조건에따라결정된다. 자세한사항은 ASME Sec.VIII UHA-32 에따라시행한다. 사용되는용접재료마다예열, 후열조건과적용되는특성이다소다르다. 일본 Kobe 용접봉을기준으로분류한개략적인 Chemical Composition 과용접적용방법은다음의 Table 10 과같다. 표기에나타난용접봉종류의 309 SS, 410 SS, Ni-Cr-Fe는편의상재료의분류를한것으로, 정학한표기는 ASME Sec II Part C 에따라 SFA No. 와함께 E / ER 309 등으로표기하여야하지만여러분의이해를돕기위해편의상용접봉의호칭으로구분하였다. 위에서제기한용접부의 Stress Corrosion Cracking 이나 Delayed Hydrogen Cracking 의위험성을방지하기위해 Carbon 을 0.1% 이하로줄이고, Nickel 4% 와 Molybdenum 0.5% 를추가한 F6NM, CA6NM 등의대체사용도추천된다. 다음의내용은 410 / 410S SS 를기준으로적용되는용접봉의종류와사용기준을제시한것이다. 적용되는용접조건은용접봉 Maker 마다조금씩다를수있으나, 큰차이는없으므로 Kobe 용접봉을기준으로한다음의분류를그대로수용해도무방하다. 18 / 40

19 Table 11 용접봉의 Chemical Composition (Kobe 용접봉기준 ) 용접봉종류 C Si Mn P S Ni Cr Nb others AWS No. 309 SS NC A5.4 E NCA HIMELT SS CR A5.4 E CR-40Cb Al,Ti Ni- Cr- Fe Nic-70A Fe:9.24 Co: 0.03 A5.11 ENiCrFe-1 * 1 NIC Fe:7.90 A D Ti:0.01 ENiCrFe-3 Co:0.03 * 2 * 1 : Inconel Welding Electrode 132, * 2 : Inconel Welding Electrode 182 * 가장널리상용되는 Inco Alloy 사의 NiCrFe-x 계의용접봉은다음과같다. 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 / 40

20 Table 12 용접조건비교 ( 용접봉의특성기준 ) 용접봉종류 예열층간용접전류후열조건 ( ) 조건 ( ) 온도 ( ) (3.2Ø, F,HF 기준 ) 309 SS NC ~ 115 A (AC or DC-EP) NCA ~ 115 A (AC or DC-EP) HIMELT ~ 140 A (AC or DC-EP) 410 SS CR ~ ~ ~ ~ 115 A (AC or DC-EP) CR-40Cb 100 ~ ~ ~ ~ 115 A (AC or DC-EP) Ni-Cr- Nic-70A ~ 115 A (AC) Fe NIC-703D ~ 110 A (DC-EP) Table 13 용접봉의용도별적용기준 용접봉종류 309 SS NC-39 NCA-309 HIMELT-309 적용용도및특성 22%Cr-12%Ni 의 309S SS 의용접에적용되며, carbon steel 이나 low alloy 등의이종금속의용접에주로사용된다. Lime-titania 계용접봉으로고 ( 高 ) 전류에서고 ( 高 ) 능률의용접을시행할수있다. Ferrite 를포함한 Austenitic structure 의용접금속으로좋은용접성과내부식성, 고온특성을나타낸다. 합금원소의양이많고안정된 Austenitic structure 를만들기때문에, 이종용접시 Carbon steel 이나 low alloy steel 의 dilution 이우려되는용접조건에적용하기알맞다. 다른 Stainless Steel 과마찬가지로 Chloride 에약한단점을보이므로 Chloride 분위기에서내식성이요구되는곳에는사용이제한된다. 38t 미만의 410SS 모재에서 232 이상으로예열하고용접중이온도의예열상태로층간온도를 (Interpass Temperature) 유지하면용접시후열처리 (PWHT) 조항이면제된다. (ASME SEC VIII UHA -32.) 410 SS CR , 410, 420J1/J2 SS 의용접과부식분위기에서의 Hard surfacing 용으로사용된다. Self-hardening 특성을가진 Ferrite 를포함한 Martensitic structure 로 Cavitation 에좋은특성을보인다. 20 / 40

21 후열처리 (PWHT) 가반드시요구된다. (ASME SEC VIII UHA -32.) CR-40Cb 403, 405, 410 SS 와 405 SS Clad 용접에적용된다. Al,Ti, Nb 를적당히포함하고있어서 Ferrite structure 를 Fine Grain 으로만든다. 비교적양호한 Ductility, Notch toughness 와뛰어난용접성을나타낸다. Self-hardening 특성이없고내마모성은작다. 후열처리가 (PWHT) 반드시요구된다. (ASME SEC VIII UHA -32.) Ni-Cr-Fe Nic-70A Lime 계의교류용접봉으로, Inconel 용접과 Inconel to low alloy, stainless steel to low alloy 의이종금속간의용접에사용된다. 용접성이좋고, 우수한기계적특성, 내부식성및고온특성을나타낸다. 38t 미만의 410SS 모재에서 232 이상으로예열하고용접중이온도의예열상태로층간온도를 (Interpass Temperature) 유지하면용접시후열처리 (PWHT) 조항이면제된다. (ASME SEC VIII UHA -32.) NIC-703D Lime 계의직류용접봉으로 Inconel 용접과 Inconel to low alloy, stainless steel to low alloy 의이종금속간의용접에사용된다. 용접성이좋고, 우수한기계적특성, 내부식성및고온특성을나타낸다. 38t 미만의 410SS 모재에서 232 이상으로예열하고용접중이온도의예열상태로층간온도를 (Interpass Temperature) 유지하면용접시후열처리 (PWHT) 조항이면제된다. (ASME SEC VIII UHA -32.) 21 / 40

22 3.3 Austenitic Stainless Steel Austenitic Stainless Steel 은가장널리사용되는 Stainless Steel 재료로 304 / 316 SS 가대표적인강종이다. 고온산화성이적고, 뛰어난내식성으로인해산, 알카리등의광범위한부식환경에적절하게사용이가능하다. 전반적으로양호한내식성을보이지만 Chloride 성분이있는곳에서의사용은 Chloride Stress Corrosion Cracking 의위험성으로인해제한된다. 적절한강도를가지면서도연신이크고, 충격에강하며성형성이좋아가공하기쉽다. 아래표에 Austenite 계 Stainless Steel 의강종별개략적인특징과용도를제시한다. 대부분의경우에저온충격시험 (Impact Test) 은요구되지않는다. 425 ~ 870 영역에서장시간유지시에는입계에 Cr 탄화물이형성되어내식성이저하되고기계적강도도감소한다. 따라서이온도영역에서의사용은극히제한된다. Cr 탄화물에의한예민화현상을억제하기위해 Carbon 의함량을 0.03% 이하로줄인 304L / 316L 등의 Low Grade 를사용하거나, Chromium 보다 Carbon 과의친화력이좋은 Ti 이나 Nb(Cb) 를첨가하여 Cr 탄화물의생성을억제한 321 SS, 347 SS 를사용한다. 22 / 40

23 Table 14 Austenite 계 Stainless Steel 의화학성분 AISI 명 화학성분 (Max. Wt. %) C Si Mn P S Ni Cr Mo 기타 ~ 8 16 ~ ~ ~ B ~ ~ ~ ~ ~ 19 (1) 303Se ~ ~ ~ ~ L ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ S ~ ~ ~ ~ S ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 18 2 ~ 3 316L ~ ~ 18 2 ~ ~ ~ 20 3 ~ ~ ~ 19 Ti 5XC% ~ ~ 19 Nb + Ta 10XC% Co : ~ ~ 19 Nb + Ta 10XC% 단, Ta ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 18 N ~ ~ 6 17 ~ 19 N 0.25 Note : (1) Mo 는 0.6% 까지함유할수있다. 23 / 40

24 Table 15. Austenite 계 Stainless Steel 의강종별개략적인특징과용도 AISI 명 301 주요특징및용도 304 에비해 Ni 과 Cr 함량이적고, N 성분이많다 조질압연에의해불안정한 Austenite 가 Martensite 로바뀌어강도가향상된다. 탄소강이나 Aluminum 에비해뛰어난고온강도, 피로강도를가진다. 우수한내식성이있다. 가격이경제적이다. 302 보다가공경화성이크고경량이다. 내식성은 302 보다저하한다. 철도차량, 항공기구조재, 운수설비등에사용된다. 302 가공이용이하다 입계부식이일어나므로용접용은부적합 건축자재, 주방용품및식품제조설비에사용된다. 302B 302 에 Si 을첨가하여가열시침탄및산화방지효과가있다. 다른특징은 302 와동일하다. 303 S. P 를함유하여 302 의절삭성을개선한강이다. S 의적열취성은막기위해 Mo 를첨가한강이다. Bolt, Nut, Valve 등의재료로사용된다. 303Se 에 Se 을첨가한강으로쾌삭강이다. Austenite Stainless Steel 의대표적인강이다. 용접성이우수하고, 내식성이우수하다. 내열성이우수하고, 저온강도가좋다. 우수한기계적성질을나타내고비자성이다. 열처리에의해경화하지않는다. 열교환기, 수송용기, 식품용기등에사용된다. 304L 304 의탄소를 0.03% 이하로제한한강종이다. 탄소가적어서입계부식을방지한다. 원자력기기등에사용된다 에 Ni 양을증가하여가공경화성이적다. 냉간성형이쉽다. 24 / 40

25 성형, Spring 재료, 식품용기로사용된다. 308 Cr 과 Ni 의함량이증가하여내식성, 내산화성이좋다. 용접봉및전극용으로사용된다. 309 고온내산화성이우수하다. 304 보다내식성양호 탄소강등이종금속의용접에적용된다. 용접봉및열처리설비에사용된다. 309S 309 의저탄소강으로용접성이우수하다. 높은내산화성이요구되는곳에사용된다. 열처리설비, 노부품등에사용된다 보다내인성이양호하다. 내열성이우수한고온용강종이다. 310S 내산화성이 310 보다더우수한강종이다 까지사용가능한다. 열처리용부품에사용된다 에 Si 을첨가하여내산화성을증대한강이다. 내인성이가장좋다. 내침탄성이있다. 열처리용부품에사용된다 에 Mo 성분이추가되어 Pitting 저항성이좋다. 우수한내식성이있다. 고온의 Creep 강도가우수하다. 해수, 제지공업및화학공업장치용으로사용된다. 316L 316 의탄소를 0.03% 이하로제한한강종이다. 탄소가적어서입계부식을방지한다. Pitting 저항성이 316 보다우수하다. 317 Pitting 저항성이 316 보다우수하다. 입계부식에대한저항성이좋다. 염색설비재등에사용된다. 321 Ti 을첨가하여입계부식의원인인 Cr 탄화물의형성을방지한강이다. 25 / 40

26 입계부식에의한피해가예상되는용접부에사용된다. 347 Nb(Cb) 를첨가하여입계부식의원인인 Cr 탄화물의형성을방지한강이다. 입계부식에의한피해가예상되는용접부에사용된다. 348 대부분 347 과동일하다. 중성자흡수계수가작아원자력용기기에사용된다 보다가공경화성이낮다. 냉간압연, 성형용으로사용된다 와 384 의중간정도의냉간가공성을가진다. 301, 302 의 Ni 함량을낮게제어한강이다. 기계적성질은 301, 302 와유사하다. 냉간가공에의해항복점이 300 계보다 40% 정도높아진다. 650 까지는고온성질도더욱좋으나 800 이상에선는산화에의해나빠진다. 용도는 300 계와동일하다. Austenite 계 Stainless Steel 은용접성이매우양호한재료로서, 용접으로인해경화되지않으므로예열과후열의필요성이없다. 다만, 열팽창이크고, 용접시에변형이크며, 입계예민화에의해입계부식이우려될수있으므로주의를요한다. 사용되는용접봉은모재와동일강종인 Austenite 계열의용접봉과함께흔히 Ni- Cr-Fe / Ni-Cr-Mo 계열의용접봉이사용될수있다. Ni 계용접봉이사용되는경우는주로이종금속과의용접이나특별히용접부의부식성이우려될경우및고온용으로사용할경우에사용되며, 용접성은매우좋지만가격이비싸기때문에널리사용되기에는무리가따른다. 용접시에특별히주의할조건은거의없지만, 용접중발생할수있는예민화현상을방지하기위해서층간온도를 Max. 180 ~ 200 정도로제한하는것이좋다 Ferrite 의의미 Austenite Stainless Steel 의용접과정에서가장많이언급되는항목두가지를고른다면, 입계부식과 Ferrite 이다. 용접금속내 Ferrite 의의미와중요성에대해논하기전에먼저 Stainless Steel 용접금속의응고과정의조직변화를알아본다. 26 / 40

27 Stainless Steel 용접부는응고과정에서 Austenite, Austenite-Ferrite, Ferrite-Austenite, Ferrite 의조직변화를겪게된다. Austenite : 응고초기부터 Austenite 조직이형성되고발달하여상온까지완전한 Austenite 조직만이유지된다. 이후다시고온으로가열하여도조직의변화가없게된다. Austenite-Ferrite : 응고초기에 Austenite 조직이형성되고, Austenite 의 Dendrite 조직사이에 Austenite 로포함되지않은용탕에서 Ferrite 조직이형성된다. Ferrite-Austenite : 응고초기에 Ferrite 조직이형성되고, 응고가진행되면서 Ferrite Dendrite 사이에 Austenite 가형성되고발달하여극히소량의 Ferrite 조직만이남고전체적으로상온에서 Austenite 조직이된다. Ferrite : 응고초기에형성된 Ferrite 조직이상온까지내려오면서발달한다. 다음표는 Austenite 조직과 Ferrite 조직이용접과정에서 Slag 를형성하게되는합금원소들의고용도를표시한다. Table 16 금속조직에따른합금원소의고용도 합금원소 합금원소의고용도 (Solubility, %) Ferrite 조직의고용도 Austenite 조직의고용도 Ca Si Al Ti 8.7 Max. 1 Zr 11.7 Max. 1 위표에제시된바와같이각종합금원소의고용도는 Austenite 에비해 Ferrite 조직이훨씬크다. Austenite 조직과 Ferrite 조직의형성은 Stainless Steel 의주요원소인 Cr 과 Ni 의함량에따라결정된다. Cr 및 Cr 계열의원소들은 Ferrite 조직을활성화시키는원소로서 Ferrite Former 로구분되며, Ni 및 Ni 계열의원소들은 Austenite 조직을활성화시키는원소로서 Austenite Former 로구분된다. 이러한경향은금속조직의합금성분에의한조직판별을위해많이사용되며, 이를공식화한사람이 Hammer and Svensson 으로각각다음과같은식에 Cr 당량 (Equivalent) 과 Ni 당량 (Equivalent) 으로계산한다. Cr eq = Cr Mo Si + 2 Nb + 3 Ti Ni eq = Ni Mn + 22 C N + Cu 위계산식에서각원소의함량은중량비 (Weight percent) 로계산한다. 27 / 40

28 위계산식에의해구해진 Cr eq / Ni eq 의비율에의해응고후금속조직을대략적으로구분할수있다. Cr eq / Ni eq < 1.5 Austenite-Ferrite 응고조직 1.5 Cr eq / Ni eq 2.0 Ferrite-Austenite 응고조직 Cr eq / Ni eq >2.0 Ferrite 응고조직 Cr eq / Ni eq 의비가클수록 Ferrite 의형성이촉진된다. 응고초기에형성된미량의 δ-ferrite 는 Austenite Stainless Steel 의용접시에고온균열을예방하는장점이있다. 이러한특성은금속간에저융점개재물을만드는 Sulfur, Phosphorous 등의저융점원소의고용도가높아서고온에서균열을예방하는것이다. Austenite Stainless Steel 의용접부는 Hot Crack 을방지하기위해 3 ~ 11 Ferrite Number 를함유해야한다. 그러나, Ferrite 조직은금속의내식성을저하하는단점이있다. 특히 Pitting 에저항성을저하하고 Ferrite 조직이우선적으로 Pitting 의피해를입게된다. 이러한이유로내식성분위기에사용되는 Austenite Stainless Steel 의경우에는 δ-ferrite 의최대함량을규정하여최소한의 δ-ferrite 만이용접부에포함되도록하고있다. 이렇게 δ-ferrite 가포함된용접조직은 Ferrite 의특성으로인해미미한정도의자성을띄게되고, Slag 형성원소가 Ferrite 조직에많이고용되어상대적으로적은량의 Slag 가형성된다. Stainless Steel 에포함된 δ-ferrite 의양에따른 Stainless Steel 의 Pitting 저항성은 ASTM G150 에규정된실험방법에의해 Critical Pitting Temperature(CPT, 임계공식온도 ) 으로평가된다. CPT 온도가낮을수록 Pitting 에취약하게된다. 다음의표는 21 개의 316L 시편용접부를대상으로평가한 δ-ferrite 의양과 CPT 의관계이다. 28 / 40

29 Table 17 시편용접부의 δ-ferrite 의양과 CPT 의관계 시편 No. Ni eq Cr eq Cr eq / Ni eq %Ferrite Max. CPT, avg 이표에나타난바와같이 Ferrite 의함량이클수록 CPT( 임계공식온도 ) 값이작은것을알수있다. Ferrite Number는 Ferrite함량을지수화한것으로용접부의건전성을 Chemical Component 로예측해볼수있는손쉬운방법이다. Ferrite 함량측정은여러가지방법이있으나, 가장널리사용되는세가지방법에대해다음과같이설명한다. (1) Shaeffler Diagram 에의한방법 Shaeffler 의 Cr & Ni 당량공식에따라용접부의성분분석치를기준으로계산하여다음의그림 1 의 Diagram 에서 Ferrite Content 를구하는방법이다. Ferrite 의함량을 % 로측정하는 Shaeffler Diagram 의불편함을해소하여기준값을제시하고, 단일화된수치로표시한것이 Dillong Diagram 이다. 성분분석을위한 Chip Sampling 은용접과정에서합금 29 / 40

30 원소의 Dillution 에의한문제점을해결하기위해용접부표면으로부터통상 1.6mm 이하의금속을 Drill 등을이용하여채취하여분석한다. (2) Ferrite Detector 로측정하는방법 Ferrite Detector 에는 Magnetic Type 과 Eddy-Current Type 의두종류가있으며, 두가지모두자성을가지는 Ferrite 의특성을이용하여특정하는방법이다. 측정이손쉽고장비가간단해가장널리쓰인다. 최근에는 Digital 화면으로 Ferrite 함량이표시되는손쉬운측정장비가많이나와있다. (3) 현미경에의한조직분석법 조직시편을만들어광학현미경을통해 Ferrite 와 Austenite 의조직분률 (Area %) 을직접측정하는방법이다. Ti 이함유된 321 SS 의용접시에는용접봉의 Ti 성분이 Welding Arc 에의해서용접부로 Transfer 되지않으므로 Nb(Cb) 가함유된 347 SS 용접봉을사용한다. ASME Sec. II Part C의용접봉구분에도 SFA 5.9 의 ER 321 SS 가 321 SS 의용접봉으로는유일하게규정되어있을뿐이다. 347 SS 는 321 SS 보다용접성이좋으며, 예민화현상에대한저항성이더크다. 그림 1 Schaeffler Diagram 과 Cr & Ni 당량계산식 3.4 Duplex Stainless Steel Duplex Stainless Steel 은가장최근에개발된강종으로점차그사용영역이확대되어가고있는강종이다. 이강종은기존의 Austenitic Stainless Steel 에 Cr 의함량을더높이고약간의 Mo 를추가한강종으로보통 25% 정도의 Cr 에 2 ~ 3% Mo 를포함하는강종이다. 30 / 40

31 대표적인재질로는 SAF 2205 (UNS No. : S31083), SAF 2507 (UNS No. : S32750) 이있다. Table 18 Duplex Stainless Steel 의화학성분 화학성분 (Max. Wt.%) UNS No. C Mn P S Si Cr Ni Mo N Cu 기타 S ~ ~ ~ ~ 0.20 S ~ ~ ~ ~ ~ 0.8 W : 0.1 ~ 0.5 S ~ ~ ~ ~ 0.20 S ~ ~ ~ ~ ~ 0.60 S ~ ~ ~ ~ ~ 2.5 S ~ ~ ~ ~ W : 0.5 ~ S ~ ~ ~ ~ ~ Cr Mo + 16N = 40 Min. S ~ ~ ~ 2.0 S ~ ~ ~ ~ 0.35 이강종의특징은기존 Austenitic Stainless Steel 이입계부식 (Intergranular Corrosion) 및응력부식균열 (Stress Corrosion Cracking) 에민감한단점을보완하기위해개발된강종으로 Ferrite 기지위에 50% 정도의 Austenite 조직이공존하는 Dual Phase 의조직이다. Austenite 조직이존재함으로인해 Ferrite Stainless Steel 보다양호한인성을가지고있다. 또한, Ferrite 조직이존재함으로인해 Austenite Stainless Steel 보다약 2 배이상의강도를가지고있어서기계가공및성형이어렵다. Austenitic Stainless Steel 보다열팽창계수가낮고, 열전도도는높아서열교환기등의 tube 재질로적합하다. Chloride 등에대한저항성이커서 VCM Project 등의열교환기용재료로사용되고있다. Ni 함량이적어서경제적이고열처리에의해경화될수있다. 31 / 40

32 -60 이하에서는충격치가급속히감소하며, 300 이상에서는 Ferrite 조직의분해가일어나서취성이발생하므로통상적인사용온도는 -50 ~ 250 정도로제한된다. Duplex Stainless Steel 은 Austenite 조직과 Ferrite 조직의상분률 ( 狀分率 ) 이매우중요하다. 상분률이깨어지면원하는특성을얻을수없고취성이발생하여적절하게사용할수없다. 전반적으로용접성은매우양호한재질로평가되지만, 입열조절이무척중요하다. 따라서다층용접시각 Pass 사이의 Interpass Temperature 와 Travel Speed 의조절이매우중요한조절인자로작용한다. 용접시입열이부적절하면 Dual Phase 의상분률 ( 狀分率 ) 이깨어지므로통상 0.5 ~ 1.5KJ/mm 정도로엄격히제한한다. Interpass Temperature 는 Max. 150 정도로규제한다. 용접봉은모재보다 2 ~ 3% 정도 Ni 함량이많은재료를선정하고, 지나친급냉이나서냉이되지않도록한다. 용접시 800 ~ 1000 범위에서장시간유지되면해로운 Secondary Phase 가생겨서기계적성질및내식성의저하를가져오므로피해야한다. 대개용접후열처리 (PWHT) 는실시하지않으나, 해로운 Secondary Phase 를피하기위해 1100 정도의온도에서 5 ~ 30 분간후열처리를한후급냉하도록한다. 서냉하게되면, 탄화물의석출에의해내식성이저하하고, 인성이떨어진다. Code 상규정은없지만용접부에대한충격시험 (Impact Test) 을요구하는경우가많으며, 별도의비파괴검사 (NDT) 를실시하지않고용접부의건전성을평가하는가장손쉬운방법은경도 (Hardness) 측정과 Ferrite 량측정이다. Ferrite 량을측정하고 Hardness 측정하면대략적인용접부의건전성을평가할수있다. 경도측정은 Code 상반드시적용해야하는규정은아니다. Ferrite 함량은 Austenitic Stainless Steel 의용접부검사에적용한것과동일한방법을적용하면된다. Ferrite 함량 37 ~ 52% 정도에서통상적인 Hardness 는 Brinell 경도로 238 ~ 265 정도가나오면적정선이다. 이경도값에관해서는사전에기준치를정하는협의가필요하다. 3.5 석출경화형 (Precipitation Hardening) Stainless Steel 종류및용도 석출경화형 Stainless Steel 은 Austenite 와 Martensite 계의결점을없애고이들의장점을겸비하게한강이다. 즉, Austenite 계의우수한내열성및내식성을가지고있지만강도가부족하고, Martensite 계는경화능을있으나내식성및가공성이좋지못하므로양계의부족한점을충족시키고, 좋은특성을살리기위해석출경화현상을이용한것이이강종이다. 현재규격화된것은 KS 에 3 종, AISI 규격에 7 종, JIS 규격에 2 종이있다. 이중에대표적인것은 STS 630 과 STS 631 이있다. 32 / 40

33 STS 630 은흔히 17-4 PH 강이라고알려졌으며, Austenite-Martensite 변태점이상온위에있기때문에고용화열처리를하면 Martensite 가되고여기에다석출경화열처리를단 1 회만하면충분하므로단일열처리 Martensite 강 (Single Treatment Martensite Steel) 이라고구분한다. STS 631 은 17-7 PH 강이라알려졌으며, 변태점이상온이하에있으므로중간열처리로변태점을상온이상으로끌어올려 Austenite-Martensite 로변태시킨다음에석출경화열처리를하므로이중처리 Martensite (Double Treatment Martensite Steel) 이라고한다. 여기에는 AISI 632 및 633 이있다. Table 19 석출경화형 Stainless Steel 의화학성분 강종의구분화학성분 (Max. wt. %) KS AISI JIS C Si Mn P S Ni Cr Mo 기타 15.5 Cu : 3 ~ 5 STS 630 SUS ~ 5 ~ 17.5 Nb + Ta : 0.15 ~ (17-4 PH) Cu : 3.2 Nb + Ta : 0.25 STS 631 SUS ~ 16 ~ Al : 0.75 ~ 1.5 STS 631J1 SUS ~ 16 ~ Al : (17-7 PH) Al : (PH 15-7 Mo) Al : (AM-350) N : (AM-355) N : P Cu : Cu,Mo Nb : 0.5 Ti : / 40

34 Table 20 석출경화형 Stainless Steel 의특징과주요용도 강종의구분 KS AISI JIS STS SUS 630 (17-4 PH) STS SUS 631 (17-7 PH) 주요용도 Martensite 기지를가지고내식, 내마모성이우수하다. Valve, 항공기 Propeller, Piston Rod, Ball Bearing, Shaft 등에사용된다. 반 (Half) Austenite 기지위에 Al 을석출시켜서경도를증가시킨강이다. Spring, Washer, Valve 재료로사용된다. 632 (PH 15-7 Mo) 631 보다고장력이요구되는부분에사용된다. 성형성이좋다. 633 (AM-350) 634 (AM-355) P Cu,Mo 반 (Half) Austenite 기지위에 Mo 를첨가하여 Ms 점을강하시킨강이다. 용체화처리시에는완전 Austenite 가되고, 시효처리시에는 Cr 탄화물과 Martensite 변태를일으켜서고강도와내열성을얻는다. Austenite 계 Stainless Steel 이다. P 를첨가하여격자를왜곡시켜탄화물석출양상이양호하다. K- Monel, Be-Bronze 의대용으로선박부품에사용된다. Austenite 계 Stainless Steel 이다. 540 이상에서도우수한강도를가진다. 항공기, Gas Turbine, Steam Turbine, Super Heater, Reactor 등에사용된다. 내식성도우수하다. * 631 J1 은 631 과동일하며, 선재혹은선으로제조된경우의분류명명이다. 34 / 40

35 Table 21 석출경화형 Stainless Steel 의열처리 강종의구분 열처리 KS AISI JIS 종류 기호 열처리조건 ( ) 고용화열처리 A 1020 ~ 1060 급냉 H900 A 처리후 470 ~ 490 공냉 STS (17-4 PH) SUS 630 석출경화 H1025 A 처리후 540 ~ 560 공냉열처리 H1075 A 처리후 570 ~ 590 공냉 H1150 A 처리후 610 ~ 630 공냉 STS 631 SUS 631 고용화열처리 A 1000 ~ 1100 급냉 631 (17-7 PH) 632 (PH 15-7 Mo) A 처리후 760±15 에서 90 분유지 TH 시간내에 15 이하로유지 석출경화 565±10 에서 90 분후공냉 열처리 A 처리후 955±10 에서 10분후공냉 RH 시간내에-73±6 에 8 시간유지 510±10 에 60 분유지후공냉 고용화열처리 A 1065±14 공냉 TH 760±14 에 90 분에서 16 이하공냉 566±6 에 90 분유지후공냉 석출경화 열처리 954±14 에 10 분후공냉 RH -70 에서 8 시간, 579±6 에서 90 분후공냉 고용화열처리 A 1065±14 공냉 633 A 처리후 732 에서 1 ~ 2시간후공냉 DA 석출경화 455 에서 1 ~ 2 시간후공냉 (AM-350) 열처리 A 처리후 932 에서 10분후공냉 SCT -73 에서 3 시간후 455 에서 3 시간후공냉 634 고용화열처리 A 1024±10 급냉 석출경화 DA 633 과동일 (AM-355) 열처리 SCT 633 과동일 고용화열처리 A 1121 에서 30 분후수냉 P 석출경화 704 에서 24 시간후공냉 DA 열처리 649 에서 24 시간후 704 에서 12 시간후공냉 고용화열처리 A 1232 에서 30 분후수냉 석출경화 Cu,Mo 열처리 732 에서 5 시간후공냉 35 / 40

36 Table 22 석출경화형 Stainless Steel 의기계적특성 강종의구분 기계적성질 경도시험 KS AISI JIS 기호 인장강도 (kg/mm2) 연신율 (%) Brinell (BHN) Rockwell A 363 HRC38 H HRC40 STS (17-4 H HRC35 PH) SUS 630 H HRC31 H HRB85 A HRC43 STS (17-7 TH HRC48 PH) SUS 631 RH HRB A HRC44 TH HRC48 (PH 15-7 Mo) RH HRC A HRC41 DA HRC43 (AM-350) SCT HRB A HRC41 DA HRC45 (AM-355) SCT HRC P A HRC30 DA HRC Cu,Mo A 다음에첨부하는 4 장의 Table 은 Stainless steel 의종류별로개략적인특징과용접시의주의점을정리한것으로지금까지언급된내용과중복되는내용이많지만각각종의특징을쉽게파악하는데도움이될것이다. 36 / 40

37 Table 23 Ferritic Stainless Steel 의재료특성및용접성 Type 대표강종재료특성및용접성 Ferritic (12 ~ 30 %Cr) 405 SS (13 % Cr) 430 SS (17% Cr) 최대사용온도는 475 (885 ) 에서의 Embrittlement 로인해 343 (650 ) 정도로제한된다. 용접시 HAZ( 용접열영향부 ) 의인성이급격하게저하하여용접구조물로는사용이제한된다. 용접시 HAZ 부의 Grain Growth 가급속하게이루어지고, 550 ~ 850 사이에서 Fe-Cr 의금속간화합물이생겨취성이발생하므로용접구조물로의사용이제한된다. Column 의 Strip Lining 등으로일부이용되기도하며, 용접시에경화성이없으므로, 예열및후열처리가필요없다. 일반부식에강하고, 고온산화가적으며, S 부식과 H 2, H 2 S및 Chloride 분위기에서의저항성이강하다. 주로사용되는용접봉은 E309 가사용되고, 열처리가요구될경우에는 E430 or Nickel-Chromium-Iron 계용접봉을사용한다. E309 로용접한구조물은 260 (500 ) 이상에서사용하면, 모재와의 Thermal Expansion 의차이로인해높은 Stress 가발생하므로최대사용온도가이보다하향으로제한된다. 410S SS 는 Martensitic Stainless Steel 인 410 SS 에서 Carbon 이 0.08% 이하로규제되고, Nickel 이 Max.0.60% 로미량의차이가나며, 양호한용접성을가진재료이다. 410S SS 는용접시에 410 SS 와는달리 P No. : 7 의 Ferrite Stainless Steel 로분류된다. (410 SS 는 Carbon : 0.15%, Nickel 0.75% 로 P No. : 6 인 Martensitic Stainless Steel 이다.) 37 / 40

38 Table 24 Martensitic Stainless Steel 의재료특성및용접성 Type 대표강종재료특성및용접성 Martensitic (12 ~ 18% Cr) 410 SS (12 % Cr) 410S SS CA6NM F6NM 용접시에쉽게경화되며, 전반적으로매우취약한용접성을가지고있다. Stainless Steel 강종중에유일하게용접으로인해경화되는재료이다. 고온 S 부식과 H 2, H 2 S 및 Chloride 분위기에서의부식저항성이매우강하다. 440 ~ 450 에서는탄화물이석출하여충격치가급격히감소하므로사용이제한된다. 상용온도는 -29 ~ 440 이다. 주로 Column 의 Strip Lining or Cladding 재로사용되며, 용접성이좋은 Low Carbon Grade 인 410S SS 를널리사용한다. 인성이작고, 강한인장응력이있으나, Elongation 이작아서충격에쉽게파단된다. 이러한이유로 95 년도 ASME Code 에서는 Stainless Steel 중유일하게 Impact Test 를요구하였으나, 이후 Addenda 에서는이규정이삭제되었다. 용접조건이부적절하면경화가극심하고, HAZ 부가조대화되며, 조직과내부응력의불균일화로인해 Operation 중에 Stress Corrosion Cracking 이발생하기쉽다. 용접부의경화로인해, Delayed Hydrogen Cracking 이일어나기쉽다. 용접부의 Delayed Hydrogen Cracking 위험성을방지하기위해 Carbon 을 0.1 % 이하로줄이고, Nickel 4% 와 Molybdenum 0.5% 를추가한 F6NM, CA6NM 재질로의대체사용도추천된다. 용접은주로 E309 or Nickel-Chromium-Iron 계용접봉으로실시하며, Process 의특성에따라 E410 으로용접을요구할경우도있다. 열처리조건은 ASME Sec.VIII UHA-32 에따른다. Chloride 분위기에서는강하지만, Austenitic Stainless Steel 용접봉으로용접할경우에는 Chloride 에약한 ASS 의특성으로인해 E410 용접봉의사용이요구된다. 38 / 40

39 Table 25 Duplex Stainless Steel 의재료특성및용접성 Type 대표강종재료특성및용접성 Duplex (18~30% Cr, 4~6% Ni, 2~3% Mo) SAF 2204 (S32304) SAF 2205 (S31803) SAF 2507 (S32750) Austenitic Stainless Steel 의입계부식및응력부식균열에민감한단점을보완하기위해개발된강종으로 Ferrite 조직기지위에 50% 정도의 Austenite 조직이공존하는 Dual Phase 의조직이다. Austenitic 조직이존재함으로인해 Ferrite Stainless Steel 보다양호한인성을가지고있다. Ferritic 조직이존재함으로인해 Austenitic Stainless Steel 보다우수한 Mechanical Strength( 약 2 배 ) 를가지고있으며, 기계가공및성형이어렵다. Austenitic Stainless Steel 보다열팽창계수가낮고열전도도는높아서열교환기의 Tube 재질등으로적합하다. Ni 함량이작아서가격이경제적이다. 충격치가 -60 이하에서는급속히감소하며, 300 이상에서는 Ferrite 조직의분해가일어나서취성이발생하므로통상적인사용온도는 -50 ~ 250 정도이다. 300 ~ 550 의열처리에의해경화될수있다. 용접시에예열은하지않으며, 입열이부적절하면 Dual Phase 의상분율 ( 狀分率 ) 이깨어지므로, 0.5 ~ 1.5KJ/mm 정도로엄격하게제한된다. 용접봉은모재보다 2 ~ 3% 정도 Ni 이많은재료를선정하고, 지나친급냉이나서냉이되지않도록한다. 용접시 800 ~ 1000 범위에서장시간유지되면, 해로운 Secondary Phase 가생겨서기계적성질및내식성의저하를가져온다. 대개용접후열처리 (PWHT) 는하지않으나, 해로운 Secondary Phase 를피하기위해 1100 정도의온도에서 5 ~ 30 분간후열처리를한다. 39 / 40

40 Table 26 Austenitic Stainless Steel 의재료특성및용접성 Type 대표강종재료특성및용접성 Austenitic 304 SS 316 SS 321 SS 347 SS 용접성이매우양호한재료로서, 용접으로인해경화되지않으므로예열과후열의필요성이없다. 열팽창이크고, 용접시에변형이크므로주의를요한다. 425 ~ 870 용역에서장시간유지시에는입계에 Cr 탄화물이발생해서내식성이저하되고, 기계적강도도감소한다. Cr 탄화물에의한예민화현상을방지하기위해, Carbon 함량을 0.03% 이하로줄인 Low Grade 를사용하거나, Carbon 과친화력이좋은 Ti 이나 Nb(Cb) 를첨가한 321 SS, 347 SS 가사용된다. 321 SS, 347 SS, 348 SS 와 316Ti 는예민화현상이일어나지않는것으로평가된다. H Grade 는내식성이요구되지않고고온에서의기계적강도만요구되는경우에사용된다. 예민화가일어날수있는 304 SS, 316 SS 등은용접하지않고사용할경우의최대사용온도는 425 이며, 냉간가공을할경우에는 370 로제한된다. 용접구조물에사용되는 Low Carbon Grade 인 304L, 316L 의경우에는위의경우와같은온도제한을받는다. 316 Ti, 321 SS, 347 SS 는모두용접이가능하며, 최대 480 까지사용된다. 347 SS 는 321 SS 보다용접성이좋으며, 예민화현상에대한저항성이더크다. 용접중발생할수있는예민화현상을방지하기위해층간온도 (Interpass Temperature) 는 Max. 180 ~ 200 정도로제한한다. 용접부는 Hot Crack 을방지하기위해 3 ~ 11 Ferrite Number 정도의 Ferrite 를함유해야한다. Ti 이함유된 321 SS 의용접시에는용접봉의 Ti 성분이 Welding Arc 에의해서용접부로 Transfer 되지않으므로 Nb(Cb) 이함유된 347 SS 용접봉을사용한다. [ 자료제공 : LG 건설이진희기술사 ] 40 / 40