특집 : 스테인리스강용접기술 오스테나이트계스테인리스강의소재개발및용접기술 Development of Alloy Design and Welding Technology for Austenitic Stainless Steel Namhyun Kang 1. 서론 스테인리스강은우수한내식성과기계적성질때문에 많은산업에서널리사용되고있다 특히오스테나이트 계스테인리스강의용접기술은발전플랜트및석유화학 등에너지산업에서중요한역할을담당하고있다 일 반적으로오스테나이트계스테인리스강의용접부및열 영향부에서는고온응고균열 과용접부식 이발생할수있다 현재용 접기술의발전으로대부분이들결함에대한대응기술 은밝혀져있다 그러나점점더가혹한해수 부식분 위기에서사용되는해양플랜트및원자력등발전플랜 트에는내식성이더욱우수한슈퍼오스테나이트계스테 인리스강이개발되어적용되고있으며 이에대한용접 기술도보고되어있다 저자는오스테나이트계스테 인리스강의재료조직학적인성질에서용접부식을일으 키는용접조직학적인특성들을용접 접합편람및 교수의저서를기본으로정리한다 또한현재원자 력등발전설비의 슈퍼 오스테나이트계스테인리스강 육성용접기술 을포함한용접부미세조직및기술 동향에대하여기술한다 2. 오스테나이트계스테인리스강의종류및특성 오스테나이트계스테인리스강의조성은일반적으로 과 를함유한 의삼 원계를중심으로한다 합금에 과 를첨가한 경우평형상태도를그림 에나타내었다 은페라이 트 α δ 조직을안정화시켜그림 와같이 폐오스테나이트루프 γ 를형성시킨다 는오스테나이트 γ 조직의안정구역을확장하고 마르텐사이트조직이형성되기시작하는온도를낮추어 그림 에서와같이상온에서오스테나이트조직을안 16 14 1 8 6 Fe-C Fe-Cr 7%Fe-Ni-Cr A+F Ferrite +carbide %C 1 %Cr 2 2 1 L+A %Ni %Cr A + F L+F +Sigma 3 정화시킨다 예를들어 용접부에존재하는 페라이트상과오스테나이트상의 사진과 분석표를그림 에나타내었다 페라이트는 상 이고오스테나이트는 상임을알수있다 그러 나 상의경계 에서는 과 의조 성이상의중심과차이가있음을확인할수있다 이는 오스테나이트계스테인리스강에서 등의합금원 소의확산속도가빠르지않음을증명하고 이현상은 예민화 현상을일으키는원인이되기도 한다 오스테나이트계스테인리스강은합금원소의조성에 따라서냉간가공후마르텐사이트조직으로변태할수 있는준안정성오스테나이트계스테인리스강 냉간가공 전후조직의변화가없는안정성오스테나이트계스테 인리스강이있다 또한합금의조성에따라서취성을 나타내는 σ 상이나 χ 상이나타나며 이러한상의석출 은상온에서오스테나이트계스테인리스강의충격인성 을저하시키는요인이된다
오스테나이트계스테인리스강의소재개발및용접기술 28 14 26 12 Wt. % Chromium 24 22 2 18 1 8 6 4 Wt. % Nickel 16 2 4 6 8 Distance(nm) 2 오스테나이트조직은온도가낮아짐에따라 고용량이급격히감소한다 냉각속도가충분히느린경우 후열처리를하는경우또는용접열이력을가한경우 결정립계를따라탄화물이석출하여강의내식성이감소된다 이를극복하기위하여 등의재료는 이나 를첨가하여 탄화물의결정 립계석출을방지한다 또한 의함량을 이하 로낮추어탄화물의석출을억제한저탄소오스테나이 트스테인리스강 이개발되었다 저탄소 오스테나이트계스테인리스강의경우에는항복응력이 낮아지며 이를보완하기위하여 까지 을첨가시킨저탄소오스테나이트계스테인리스강 도있다 기존의스테인리스강은우수한내식 성에도불구하고고온또는염화물의농도가높은가혹 한환경에서는국부부식발생이우려된다 이를개선하 기위한합금원소개량의결과로고급화된슈퍼오스테 나이트스테인리스강이개발되었다 슈퍼오스테나이트 계스테인리스강은일반적으로 그리고 를함유하고있다 오스테나이트계스테인리스강은일반적으로내식성이 우수하고연성및내열성이우수할뿐아니라용접성도 양호하다 그러나오스테나이트미세조직의안정화및 내공식성개선을위해다량함유시킨 와 은사용 중또는용접공정후열이력의증가와더불어 σ 상과 χ 상같은 또는 석출물을생성시켜 내식성과인성을크게저하시킬수있다는우려가있다 3. 용접성 3.1 용접부미세조직에따른고온응고균열 의 상태도 그림 를통해서살 펴보면 냉각경로 을통해용접부가응고되면오스 테나이트상이우선형성되고응고가진행되면서다른 상변태는더이상발생하지않는다 냉각경로 에서 는오스테나이트상이먼저형성된후잔류액상에서조 성적과냉에의해생성된 δ 페라이트상이공존한다 경 로 에서는먼저페라이트상이응고된후잔류액상 에서조성적과냉에의해생성된오스테나이트상과공 존한다 응고가계속되면서페라이트상은오스테나이트 상으로고상변태하게된다 경로 는페라이트단상 으로응고하여다른고상변태는더이상발생하지않는 다 합금조성이냉각경로 를거치는경우용접 부의최종미세조직은오스테나이트상만으로또는미량의 δ 페라이트상이존재하게된다 그러나냉각경로 의용접부조직에서는 δ 페라이트상의분율이 점차증가한다 결과적으로 당량이증가하고 당량이감소하면 δ 페라이트의함량이증가한다 경로 의오스테나이트계스테인리스강용접 부에서는수지상입계에저융점편석물을쉽게형성시 키는 등의합금원소에대한고용도가낮 아고온균열에대한저항성이매우낮다 이균열은최 종적으로응고되는부분에쉽게발생하므로비드중앙 부에서주로용접방향에평행하게발생한다 고온균열 은용접금속내에적당한함량 대략 의 δ 페라이트조직이존재하면방지할수있다 그이유는 δ 페라이트는오스테나이트상에비해 와같은불순 물원소의고용도가크므로편석량이감소하기때문이 다 와 도표를이용하면용접후미세조직을정량적으로예측가능하다 3.2 탄화물의석출에따른용접부식 상온에서오스테나이트조직의 용해도는대단히낮
Temperature, 14 12 1 8 6 4 NbC solvus NiC solvus Cr 23 C 6 TiC precipitation Cr 23 C 6 precipitation.5.1.2 solvus Carbon content, wt% 으며 과 와의친화력이강하기때문에 형 태의탄화물을쉽게형성한다 따라서 이상의 가함유된오스테나이트계스테인리스강의열영향부 는입계부식 형태의 용접부식에노출되기쉽다 입계부식은입계에쉽게생 성되는 복합탄화물의석출로인해주위에 결핍층이생성되는예민화 영역때문에 발생한다 탄화물이석출되는온도는그림 에서와같 이합금원소에따라다르다 탄화물은 탄화물은 탄화물은 온도영역에서주로석출이된다 용접시편에서탄화물의석출에따른영향은용접부 의위치에따라다르게나타난다 용접부내부와용접 부경계에서인접한열영향부에서는용접시최고온도 가탄화물석출온도보다높고냉각속도도매우높기 때문에탄화물석출이쉽지않고용접부식 도발생하지않는다 그러나용접부경계에서조금떨 어진열영향부에서는용접시최고온도가탄화물석출 온도와일치하고예민화온도에서지체되는시간이증 가하여탄화물이석출될수있고용접부식에대한위험 이크다 용접부경계에서멀리떨어진열영향부에서는 용접시최고온도가탄화물석출가능온도영역보다낮 기때문에용접부식의우려가없다 용접부식이발생하 는예민화영역을줄일수있는방법은강한탄화물석 출원소 를합금원소로첨가하거나탄소 의함량을줄이거나용접입열량을줄이는방법이일반 적이다 3.3 응력부식균열 (stress corrosion cracking) 오스테나이트계스테인리스강은낮은열전도율과높 은열팽창계수를가지기때문에용접후상당한잔류응 력이발생할수있다 따라서일반대기상태에서는내 식성에큰문제가없지만염소등극심한부식환경에서 는용접열영향부 또는용접부의토우 에서 응력부식균열이발생할수있다 4. 오스테나이트계스테인리스강의용접기술동향 오스테나이트계스테인리스강의용접성에서주의해야 할점은오스테나이트상에따른고온응고균열및응력 부식균열 탄화물에의한응고부식을들수있다 경수로 에사용되는 의경우가열시효취화 와같은용접결함에대한연구도수행되었다 응고 균열결함은용접재료의선택을통하여 δ 분율 을조절하므로써제어가능하다 또한냉각속도조절을 통하여탄화물및부분용해역 생성을제어가능하다 용접후열처리 를통하 여용접부결함들을제어할수도있지만내식성확보가 주된목적인오스테나이트계스테인리스강은 시발생하는예민화현상때문에일반적으로 를 실시하지않는다 그러나탄소강 오스테나이트계스테 인리스강의이종용접또는내부식 내마모성육성용접의 경우에는상당히장시간에걸친 가필요하다 최근육성용접의경우원자력등발전플랜트에많이 사용되는압력용기를 용접기술을이용하여복 원하는연구가활발히진행되고있다 모재는주로 또는 에대한연구가수행되고있으 며 용접열원으로는파이버레이저또는 레이 저를이용한클래딩기술을이용한육성용접기술이개 발되고있다 용접재료는 분말 분말또는 초합금분말을사용하였 다 기존의 모재에 분말을플라 즈마용사하여슈퍼오스테나이트계스테인리스강을표 면에육성시킨기술도소개되었다 육성용접의장점 에도불구하고재가공없이사용하기에표면이거칠다는 단점을극복하기위하여레이저재용해 기술을이용하여육성용접후표면의거칠기 도향상시킬수있다 육성용접을제외한일반용접에서는냉각속도가빠르 고열영향부가좁아많은이점이있는레이저용접에대 한연구가활발히진행되었다 최근의연구는레이저 출력밀도와펄스주기가오스테나이트계스테인리스강의 합금성분중 등의기화 에
오스테나이트계스테인리스강의소재개발및용접기술 미치는연구등레이저와용융금속간에일어나는 에대한관심이많다 에서 성분의기화처럼활발하게발생하지는않지만 의레이저키홀용접에서 과 의평형기화압의차이가발생한다 따라서용접부에서 의농도는감소하고 의농도는상대적으로증가하는것으로밝혀졌다 용접부결함을제어하기위한연구는레이저초점의최적화와플룸 의효과적인제거방법에대하여진행되고있다 실시간용접현상측정기술로는파이버레이저원격용접 에서안정되고깊은용입을확보하기위하여고속비디오카메라및 분석장비등을이용한연구가진행되고있다 용접부미세조직에대한연구는주로응고순서또는응고모드에대한연구와이에따른석출물의생성에대한연구가주를이루고있다 특히 의연구에서는결정입계공학 을적용하여 입계를증가시키면 아크용접시열영향부에서발생하는예민화현상에의한용접부식을효과적으로제어할수있음을밝혔다 이종스테인리스강에서레이저 용접시발생하는응고순서와모드에대해서도많은연구가진행되었다 특히 의연구에서 비율이높으면준안정오스테나이트상으로응고가시작되며 비율이낮으면열역학적으로오스테나이트상이안정화되는것을알수있다 염화물의농도가높은가혹한부식환경에적용하기위하여개발된슈퍼오스테나이트계스테인리스강에대한용접기술연구는극히적다 기존의오스테나이트계스테인리스강의용접기술과큰차이가없고아직이재료가많이적용되지않고있기때문이다 슈퍼오스테나이트계스테인리스강의용접에대한연구는주로용접부의희석율 제어를위한용접공정변수제어 함량에따른용접부에서의 δ 페라이트생성 및열영향부에서의 σ 석출물의생성 에대한내용이주를이루고있다 5. 결론 오스테나이트계스테인리스강의용접결함은합금및용접재료의성분 용접공정최적화그리고용접후열처리에의해제어가능하다 그러나점차가혹한부식환경에서의플랜트건설이필요하게되면서 와 이다량함유된슈퍼오스테나이트스테인리스강의적용이 활발해질전망이다 슈퍼오스테나이트스테인리스강은 기존의오스테나이트스테인리스강보다많은양의합금 원소가첨가되었기때문에탄화물 계 질화물 σ 상또는 χ 상등의 또는 석출물의발생빈도가증가한다 이러한용접결함주위 에는예민화영역과함께용접부식이치명적일수있 다 국내발전플랜트및해양플랜트의건설과보수를 위한기술자립화를위하여국내에서도슈퍼오스테나이 트계스테인리스강의개발과용접기술에대한연구가 활발히진행되어야할것이다 참고문헌 대한용접학회편 용접 접합편람 대한용접학회
년생 부산대학교재료공학부 용접야금 레이저접합 무연솔더