스텐레스 강(Stainless Steel)의 용접 기술

[대림열기]

스테인레스강 (Stainless Steel)

1. 서론

스텐레스 강의 용접에 대해서는 많은 자료가 소개되고 있으며, 산업 현장에서 활용도도 탄소강 다음으로 높은 편이다. 이장에서는 주로 Martensitic / Ferritic Stainless Steel을 중심으로 스텐레스강에 대한 개괄적인 이해를 돕기 위한 자료를 소개한다.

2. Stainless Steel의 종류

Stainless Steel 이라고 하면 흔히 304, 316등을 연상하게 되고, 실제로 이러한 재질들이 현업에서 가장 많이 사용되는 재질 들이다. 
그러나, 이러한 표기는 사실은 정확한 공식적인 재료명의 표기법은 아니다. 
하지만 여기에서는 자세한 재료의 표기법과 구분을 장황하게 설명하기 보다는 이해를 돕기 위해 그저 많은 사람들이 알고 있는 그대로 304, 316이라고 재료명을 구분하여 설명을 전개하고자 한다.
Stainless Steel은 그 재료의 성분과 조직에 따라 다섯 가지로 크게 구분된다. 각 강종의 조직 구분은 주로 Chromium의 함량과 Nickel 의 유무 및 기타 원소의 함량에 따라 결정이 된다. 

각 강종이 보여 주는 물리적, 기계적, 화학적 특성은 조직에 따라 구분이 되며, 이들 조직을 기준으로 다음과 같이 Stainless Steel을 구분한다.

* Table . Stainless Steel의 일반적인 구분과 특성

3. Stainless 강의 특성

3.1 STAINLESS강의 종류별 특성

Stainless Steel은 그 합금 성분과 조직의 특성에 따라서 다양한 성질을 나타낸다. 개략적인 사용상의 특성을 다음 표에 정리한다.

* Table . Stainless Steel의 종류별 특성

◎ : 우수, ⊙ : 양호, ○ : 보통, △ : 저하

3.2 STAINLESS강의 성질 및 용도

각 Stainless Steel 강종별로 적용되는 용도와 특성은 다음과 같이 정리될 수 있다.

* Table. Stainless Steel의 성질 및 용도

3.3 STAINLESS강의 성질

3.3.1 물리적 성질

일반적으로 사용되는 Austenite Stainless Steel 을 기준으로 한 대략적인 탄소강과의 비교 하면 다음과 같다. 우선 Stianless Steel 은 높은 전기 비저항으로 용접시 발열이 심하고(탄소강의 약 3배), 저항이 큰 만큼 열전도율도 떨어지고 따라서 냉각속도가 느려진다(탄소강의 1/3정도). 또한, 열팽창계수가 커서 변형이 심하게 된다. 

변형을 최소화 하기 위해서는 가급적 낮은 전류를 사용하는 것이 좋다. 통상적으로 일반 연강 용접시 보다 10% 전류를 낮추어 용접하는 것을 추천한다.

3.3.2 기계적 성질

* Table. Stainless Steel의 기계적 성질

3.3.3 고온 특성

1) Martensite계

• 가공성 용이
• 일반 탄소강과 비슷한 양상의 기계적 특성을 나타내므로 고온 가공이 용이하다.
• 소입 경화
• 급냉에 의해 경화될 수 있으므로 용접과 열처리시에 주의를 요한다.

2) Ferrite 계

• C, N, Ni의 양을 낮추고, Al, Ti 첨가하면, 약간의 Cr 양으로도 Ferrite계가 될 수 있음.
• Martensite계보다 내식성 우수
• 500~600℃ 이상에서 기계적 성질이 급격히 저하(σ상 석출 취하)
• 900℃이상 장기간 가열하면 결정립 조대화로 인성, 연성이 떨어짐
• 고 Cr Ferrite계 Stainless강은 고온으로 가열하면 475℃ 취화, σ상취화, 고온 취화등의 현상이 나타남.

3) Austenite계

• 600℃이상 고온에서 Stainless강중 가장 우수한 강도를 가짐
• 그러나, 고온에서 탄화물 형성에 의한 예민화 현상으로 사용에 주의를 요한다. 
• SUS304에 Mo, Nb, Ti을 첨가시킨 SUS316, SUS321등은 SUS304보다 고온 인장 강도를 가짐.

3.3.4 저온 특성

• Martensite Stainless과 Ferritic Stainless Steel은 저온 취성을 일으키므로 저온 재료에 사용되지 않는다. 
• Austenite계는 저온 취성을 일으키지 않으며, 저온 인성이 좋아 저온용 용접 구조물용 재료로 널리 사용된다.

3.3.5 야금학적 성질

* Table. Stainless Steel 야금학적 성질

○ : 취화함, - : 취화하지 않음. * : 열처리조건에 따라 취화함.

1) 475℃ 취화

Cr 16% 이상의 고 Cr강을 400~600℃ 범위에서 장기간 가열하던가 이 온도 구역 내에서 서냉할 경우 나타나는 현상이다.
이 취화에 의해 인장강도와 경도는 높아지고 연성과 인성은 낮아지며 내식성은 떨어진다.
한번 취화된 것을 600℃이상 단기간 재가열하여 공냉 시키면 일종의 소둔 처리로 회복된다.
단, Ti, Nb의 첨가는 475℃ 취화를 촉진시킨다.

2) 입계 탄화물 석출

Austenite계 Stainless강은 500~800℃로 장기간 가열하던가 이 온도 범위내에서 서냉하면 결정입계에 Cr탄화물 (Cr₂₃C₆)이 석출하여 이 부근의 Cr의 농도가 낮아져 Stainless의 특성을 잃게 되어 300계열의 강종에서 흔히 언급되는 입계 부식되기 쉽다.
이를 방지하기 위해 C을 0.03이하로 낮추던가 Nb나 Ti을 첨가시켜 Cr 탄화물 대신 Nb 탄화물이나 Ti 탄화물을 석출시켜 C를 안정화시킨다.

3) σ상석출

고 Cr (20%이상) Ferrite계 Stainless강은 540~900℃, Austenite계 Stainless강은 600~800℃ 장기간 가열하면 σ상인 Fe-Cr 화합물이 석출하게 되는데 이 조직은 극히 단단하고 취성을 나타낸다.

Si, Al, Nb, Ti 혹은 Mo의 첨가로 σ상 석출을 촉진시킨다.
한번 형성된 σ상은 930~980℃로 가열한 후 급냉하면 소실된다.

4) 고온 취성 (결정립 조대화)

고 Ferrite계 Stainless강을 1,150℃이상으로 가열시켜 급냉될 때 생기는 취성이다. 즉 고온에서 결정입의 조대화가 일어나기 때문에 상온에서 극히 취화하게 된다. 
800℃ 전후에서 소둔(Annealing)하면 얼마간 회복된다.

4. Stainless Steel의 강종별 용접 특성

이하에서는 위에 열거한 Stainless Steel의 강종중 Precipitation hardening Stainless Steel을 제외한 4종류의 강종 구분에 따른 개략적인 특성과 용접봉의 선택 및 용접시 주의점에 대해 정리한다. Precipitation hardening Stainless Steel은 열처리상의 문제점과 용접의 어려움으로 인해 용접구조물로는 거의 사용되지 않는다.

4.1 Ferritic Stainless Steel

• Ferritic Stainless Steel은 앞서 간단히 거론한 바와 같이 자성이 있고, 실외에서는 약간의 녹이 발생하는 문제점이 있다. 
• 일반부식에 강하고, 고온에서의 산화가 적으며, S부식과 H₂S및 Chloride분위기에서의 저항성이 크고, 열처리에 의해 경화되지 않는 특성이 있다. 
• Column의 Strip Lining등으로 일부 이용되기도 하며, 용접시에 경화성이 없으므로 예열 및 후열 처리가 불 필요하다. 
• 최대 사용온도는 475℃(885℉)에서의 Embrittlement로 인해 343℃(650℉)정도로 제한된다.

용접시 HAZ(열영향부)부의 조직이 조대화되고, 인성이 급격히 저하하며, 550 ~ 850℃ 사이에서 Fe-Cr의 금속간 화합물이 생겨 취성이 발생하므로 용접 구조물로는 사용이 제한된다. 주로 사용되는 용접봉은 E309계열의 용접봉이 사용되고 열처리가 요구될 때는 E430 or Ni-Cr-Fe계의 용접봉을 사용한다. E309로 용접한 구조물은 260℃(500℉)이상에서 사용하면 모재와의 thermal Expansion 차이로 인해 높은 Stress가 발생하므로 E309의 최대 사용온도는 이보다 하향으로 제한된다. 

현업에서 자주 사용되는 410S SS는 Martensitic Stainless Steel인 410 SS에서 Carbon이 0.08%이하로 규제되고, Ni이 최대 0.60%로 제한된 강종이다. Carbon 함량이 작아서 양호한 용접성을 가지고 있다. 

ASME Code에서는 410S SS를 Ferritic Stainless Steel로 구분하여 P No.7으로 관리하지만, 실제로는 P No. 6번인 Martenisitic Steel로 구분하는 것이 타당한 재료이다. 

4.2 Martensitic Stainless Steel

Martensitic Stainless Steel은 Ferritic Stainless Steel과 매우 유사한 특성을 보이지만 가장 큰 차이점은 열처리에 의해 경화된다는 점이다. Stainless강종중에 유일하게 열에 의해 경화되는 특징이 있다. 

• 410 / 410S로 대표되는 이 재질은 Ferritic Stainless Steel과 마찬가지?고온에서의 산화가 적으며, S부식과 H₂S및 Chloride분위기에서의 저항성이 커서 VCM, PVC등의 Process에 많이 사용된다. 
• Solid상태 보다는 Column의 Strip Lining or Cladding재료로 주로 사용되며, Low Carbon Grade로 용접성이 좋은 410S SS가 주로 사용된다. 
• 높은 강도와 내 마모성을 가지고 있어서, Valve의 Disk나 Seat Ring의 본 재료 혹은 Weld Overlay용으로 사용되기도 한다. 
• 인성이 작고, 강한 인장 응력이 있으나, Elongation이 작아서 충격에 쉽게 파단된다. 이러한 이유로 ‘95년도 ASME Code에서는 Stainless Steel중 유일하게 Impact Test 를 요구하였으나, 이후 Addenda에서는 이 규정이 삭제 되었다. 
• 440 ~ 450℃에서는 탄화물이 석출하여 충격치가 급격히 감소하므로 사용이 제한된다. 통상 상용 온도는 -29 ~ 440℃정도 이다. 
• 용접조건이 부적절하면 경화가 극심하고, HAZ부(열영향부)가 조대화되며, 조직과 내부응력의 불균일화(잔류응력)로 인해 Operation중에 Stress Corrosion Cracking이나 Delayed Hydrogen Cracking이 발생하기 쉽다. 용접은 주로 E309 or Ni-Cr-Fe계와 E410의 용접봉으로 실시한다. 
• E309 or Ni-Cr-Fe로 용접하면 ASME Sec.VIII UHA-32에 따라 열처리를 면제 받을 수 있는 방법이 있으나, E410으로 용접하면 두께에 무관하게 용접 후 열처리를 실시해야 한다. 

 Martensitic Stainless Steel은 Chloride분위기에 강하지만 Austenitic Stainless Steel용접봉으로 용접할 경우에는 Chloride에 약한 Austenitic Stainless Steel의 특성으로 인해 강한 Chloride분위기에 적용될 경우에는 E410용접봉의 사용이 요구된다. 용접시에는 예열이 반드시 필요하고, 후열은 모재의 두께와 사용되는 용접봉의 종류 및 예열조건에 따라 결정된다. 자세한 사항은 ASME Sec.VIII UHA-32에 따라 시행한다. 

 사용되는 용접재료 마다 예열, 후열조건과 적용되는 특성이 다소 다르다. 일본 Kobe용접봉을 기준으로 분류한 개략적인 Chemical Composition과 용접 적용 방법은 다음의 Table과 같다. 

표기에 나타난 용접봉 종류의 309 SS, 410 SS, Ni-Cr-Fe는 편의상 재료의 분류를 한 것으로, 정학한 표기는 ASME Sec II Part C에 따라 SFA No.와 함께 E / ER 309등으로 표기하여야 하지만 여러분의 이해를 돕기 위해 편의상 용접봉의 호칭으로 구분하였다. 

위에서 제기한 용접부의 Stress Corrosion Cracking이나 Delayed Hydrogen Cracking의 위험성을 방지하기 위해 Carbon을 0.1%이하로 줄이고, Nickel 4%와 Molybdenum 0.5%를 추가한 F6NM, CA6NM등의 대체 사용도 추천된다.

다음의 내용은 410 / 410S SS를 기준으로 적용되는 용접봉의 종류와 사용기준을 제시한 것이다.

적용되는 용접 조건은 용접봉 Maker마다 조금씩 다를 수 있으나, 큰 차이는 없으므로 Kobe 용접봉을 기준으로 한 다음의 분류를 그대로 수용해도 무방하다. 

*Table. 용접봉의 Chemical Composition (Kobe용접봉 기준)

핀튜브, 열교환기, 온수 코일, 냉수 코일, 쿨러, 폐열회수기, 공냉식 열교환기 등 문의는 대림열기에서