질문: 최근 저희는 주로 304 스테인리스강으로 제작된 부품을 사용하는 작업을 시작했는데, 이 부품들은 스테인리스강끼리 또는 연강과 용접됩니다. 그런데 최대 1.25인치 두께의 스테인리스강과 스테인리스강 사이의 용접 부위에서 균열이 발생하는 문제가 발생했습니다. 페라이트 함량이 낮다는 이야기가 나왔는데, 페라이트 함량이 낮은 것이 무엇이며 어떻게 해결해야 하는지 설명해 주시겠습니까?
A: 좋은 질문입니다. 네, 페라이트 함량이 낮다는 것이 무엇을 의미하는지, 그리고 어떻게 예방해야 하는지 이해하실 수 있도록 도와드리겠습니다.
먼저 스테인리스강(SS)의 정의와 페라이트가 용접 접합부에 미치는 영향에 대해 살펴보겠습니다. 흑강 및 합금은 50% 이상의 철을 함유하고 있습니다. 여기에는 모든 탄소강과 스테인리스강, 그리고 특정 다른 종류의 강철이 포함됩니다. 알루미늄, 구리, 티타늄은 철을 함유하지 않으므로 비철 합금의 대표적인 예입니다.
이 합금의 주성분은 철 함량이 90% 이상인 탄소강과 철 함량이 70~80%인 스테인리스강입니다. 스테인리스강으로 분류되려면 최소 11.5%의 크롬이 첨가되어야 합니다. 이 최소 기준치 이상의 크롬 함량은 강철 표면에 크롬 산화막 형성을 촉진하여 녹(산화철)이나 화학적 부식과 같은 산화 현상을 방지합니다.
스테인리스강은 크게 오스테나이트계, 페라이트계, 마르텐사이트계의 세 가지로 나뉩니다. 이러한 명칭은 상온에서 구성하는 결정 구조에서 유래되었습니다. 또 다른 일반적인 종류로는 페라이트와 오스테나이트 결정 구조가 균형을 이루는 듀플렉스 스테인리스강이 있습니다.
오스테나이트계 강재인 300 시리즈는 크롬 16~30%와 니켈 8~40%를 함유하여 주로 오스테나이트 결정 구조를 이룹니다. 니켈, 탄소, 망간, 질소와 같은 안정제는 제강 과정에서 오스테나이트-페라이트 비율을 조절하기 위해 첨가됩니다. 대표적인 강종으로는 304, 316, 347 등이 있습니다. 오스테나이트계 강재는 우수한 내식성을 제공하며, 주로 식품, 화학, 제약 및 극저온 산업에 사용됩니다. 페라이트 생성을 제어함으로써 저온에서도 뛰어난 인성을 나타냅니다.
페라이트계 스테인리스강은 400 시리즈 등급으로, 완전한 자성을 띠며 11.5%에서 30%의 크롬을 함유하고 주로 페라이트 결정 구조를 가지고 있습니다. 페라이트 형성을 촉진하기 위해 제강 과정에서 크롬, 실리콘, 몰리브덴, 니오븀과 같은 안정제를 첨가합니다. 이러한 종류의 스테인리스강은 자동차 배기 시스템 및 동력 전달 장치에 일반적으로 사용되며 고온 환경에서의 사용은 제한적입니다. 대표적인 종류로는 405, 409, 430, 446 등이 있습니다.
마르텐사이트계 은(400 시리즈라고도 하며, 403, 410, 440 등이 있음)은 자성을 띠고 크롬 함량이 11.5%에서 18%에 이르며 마르텐사이트 결정 구조를 가지고 있습니다. 이러한 조합은 금 함량이 가장 낮아 생산 비용이 가장 저렴합니다. 마르텐사이트계 은은 내식성이 뛰어나고 강도가 우수하여 식기류, 치과 및 수술 기구, 조리 기구, 그리고 일부 공구류에 널리 사용됩니다.
스테인리스강을 용접할 때는 접합면의 종류와 사용 용도에 따라 적절한 용접봉을 선택해야 합니다. 보호 가스 용접 방식을 사용하는 경우, 특정 용접 문제를 방지하기 위해 보호 가스 혼합 비율에 특별히 주의해야 합니다.
304 스테인리스강을 자체적으로 납땜하려면 E308/308L 전극이 필요합니다. "L"은 저탄소강을 의미하며, 입계 부식을 방지하는 데 도움이 됩니다. 이 전극의 탄소 함량은 0.03% 미만입니다. 이 값을 초과하면 입계에 탄소가 침착되고 크롬이 결합하여 탄화크롬을 형성할 위험이 증가하여 강철의 내식성이 저하됩니다. 이는 스테인리스강 용접부의 열영향부(HAZ)에서 부식이 발생할 경우 분명하게 나타납니다. 또한 L 등급 스테인리스강은 일반 스테인리스강에 비해 고온 작동 시 인장 강도가 낮다는 점도 고려해야 합니다.
304 스테인리스강은 오스테나이트계 스테인리스강이므로 용접 금속은 대부분 오스테나이트로 구성됩니다. 그러나 용접봉에는 용접 금속 내 페라이트 생성을 촉진하기 위해 몰리브덴과 같은 페라이트 안정제가 포함되어 있습니다. 제조업체는 일반적으로 용접 금속의 페라이트 함량 범위를 명시합니다. 앞서 언급했듯이 탄소는 강력한 오스테나이트 안정제이므로 용접 금속에 탄소가 첨가되는 것을 방지하는 것이 중요합니다.
페라이트 수는 니켈과 크롬의 등가 공식을 사용하여 계산한 값을 차트에 표시하면 정규화된 수치가 되는 셰플러 차트와 WRC-1992 차트에서 도출됩니다. 페라이트 수가 0에서 7 사이이면 용접 금속에 존재하는 페라이트 결정 구조의 부피 백분율을 나타내지만, 백분율이 높아질수록 페라이트 수는 더 빠르게 증가합니다. 스테인리스강의 페라이트는 탄소강의 페라이트와는 다른 델타 페라이트라는 상이라는 점에 유의해야 합니다. 오스테나이트 스테인리스강은 열처리 등의 고온 공정에서 상변화를 겪지 않습니다.
페라이트는 오스테나이트보다 연성이 뛰어나기 때문에 바람직한 성분이지만, 그 함량을 제어해야 합니다. 페라이트 함량이 낮은 용접부는 특정 용도에서 우수한 내식성을 제공하지만, 용접 중 고온 균열이 발생하기 쉽습니다. 일반적인 사용 조건에서 페라이트 함량은 5~10개 정도가 적당하지만, 용도에 따라 더 낮거나 높은 함량이 요구될 수도 있습니다. 페라이트 함량은 페라이트 지시계를 사용하여 작업장에서 쉽게 확인할 수 있습니다.
균열 발생 및 페라이트 함량 부족 문제를 언급하셨으니, 용접봉을 자세히 살펴보고 페라이트 함량이 충분한지 확인해 보시기 바랍니다. 페라이트 함량이 약 8 정도면 적당합니다. 또한, 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW)을 사용하시는 경우, 일반적으로 100% 이산화탄소 또는 75% 아르곤과 25% 이산화탄소 혼합 가스를 보호 가스로 사용하는데, 이로 인해 용접 금속이 탄소를 흡수할 수 있습니다. 탄소 침착 가능성을 줄이려면 금속 아크 용접(GMAW)으로 전환하고 98% 아르곤/2% 산소 혼합 가스를 사용하는 것이 좋습니다.
스테인리스강과 탄소강을 용접할 때는 E309L 용접봉을 사용해야 합니다. 이 용접봉은 이종 금속 용접에 특수하게 사용되며, 용접 과정에서 탄소강이 용해된 후 일정량의 페라이트를 형성합니다. 탄소강은 탄소를 흡수하는 성질이 있기 때문에, 용접봉에 페라이트 안정제를 첨가하여 탄소가 오스테나이트를 형성하는 경향을 억제합니다. 이는 용접 중 열 균열 발생을 방지하는 데 도움이 됩니다.
따라서 오스테나이트계 스테인리스강 용접부의 열 균열을 보수하려면 페라이트 용가재의 균일성을 확인하고 최적의 용접 방법을 따라야 합니다. 열 입력은 50kJ/in 미만으로 유지하고, 층간 온도는 중간에서 낮은 수준으로 유지하며, 납땜 전에 용접 부위가 깨끗한지 확인하십시오. 적절한 게이지를 사용하여 용접부의 페라이트 함량을 확인하고, 5~10 범위에 집중하십시오.
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