질문: 최근 일부 구성품을 주로 304 등급 스테인리스 스틸로 제작해야 하는 작업을 시작했는데, 이 스틸을 자체 및 일반 강철에 용접합니다. 두께가 1.25인치 이하인 스테인리스 스틸과 스테인리스 스틸 용접부에서 균열 문제가 발생했습니다. 페라이트 수가 낮다는 의견도 있었습니다. 이것이 무엇인지, 그리고 어떻게 해결할 수 있는지 설명해 주시겠습니까?
A: 좋은 질문입니다. 네, 페라이트 수가 낮다는 것이 무엇을 의미하는지, 그리고 이를 방지하는 방법을 알려드릴 수 있습니다.
먼저 스테인리스강(SS)의 정의와 페라이트가 용접 접합부와 어떤 관련이 있는지 살펴보겠습니다. 흑색강과 합금은 철을 50% 이상 함유하고 있습니다. 여기에는 모든 탄소강과 스테인리스강 및 기타 정의된 그룹이 포함됩니다. 알루미늄, 구리, 티타늄은 철을 함유하지 않으므로 비철 합금의 훌륭한 예입니다.
이 합금의 주요 구성 요소는 최소 90%의 철을 함유한 탄소강과 70~80%의 철을 함유한 스테인리스강입니다. 스테인리스강으로 분류되려면 최소 11.5%의 크롬을 첨가해야 합니다. 이 최소 한계값을 넘는 크롬 함량은 강철 표면에 크롬 산화막을 형성하고 화학적 침식으로 인한 녹(철 산화물)이나 부식과 같은 산화 형성을 방지합니다.
SS는 주로 오스테나이트, 페라이트, 마르텐사이트의 세 그룹으로 나뉩니다. 이름은 이들을 구성하는 실온에서의 결정 구조에서 유래되었습니다. 또 다른 일반적인 그룹은 결정 구조에서 페라이트와 오스테나이트의 균형을 이루는 이중 SS입니다.
오스테나이트 등급인 300 시리즈는 16~30%의 크롬과 8~40%의 니켈을 함유하여 주로 오스테나이트 결정 구조를 형성합니다. 오스테나이트-페라이트 비율 형성을 촉진하기 위해 강철 제조 공정에서 니켈, 탄소, 망간, 질소와 같은 안정제가 첨가됩니다. 일반적인 등급으로는 304, 316, 347이 있습니다. 우수한 내식성을 제공하며 주로 식품, 화학 서비스, 제약 및 극저온 응용 분야에 사용됩니다. 페라이트 형성을 제어하면 탁월한 저온 인성을 제공합니다.
페라이트 스테인리스강은 완전 자성을 띠고, 11.5~30%의 크롬을 함유하고 있으며, 페라이트가 주성분인 결정 구조를 가진 400 시리즈 강종입니다. 페라이트 형성을 촉진하기 위해 강철 생산 과정에서 크롬, 실리콘, 몰리브덴, 니오븀과 같은 안정제가 사용됩니다. 이러한 유형의 스테인리스강은 일반적으로 자동차 배기 시스템과 발전소에서 사용되며 고온 적용이 제한적입니다. 일반적으로 사용되는 유형으로는 405, 409, 430, 446이 있습니다.
403, 410 및 440과 같은 400 시리즈로도 식별되는 마르텐사이트 등급은 자성을 띠고, 11.5%~18%의 크롬을 함유하고 있으며, 결정 구조가 마르텐사이트입니다. 이 조합은 금 함량이 가장 낮아 생산 비용이 가장 저렴합니다. 이 등급은 어느 정도 내식성이 있고, 강도가 뛰어나며, 식기, 치과 및 수술 장비, 조리기구 및 특정 유형의 도구에 일반적으로 사용됩니다.
SS를 용접할 경우, 기질의 종류와 실제 사용 환경에 따라 적합한 필러 메탈이 결정됩니다. 가스 차폐 공정을 사용하는 경우, 특정 용접 관련 문제를 방지하기 위해 차폐 가스 혼합물에 특별히 주의해야 할 수도 있습니다.
304를 자체적으로 납땜하려면 E308/308L 전극이 필요합니다. "L"은 저탄소를 의미하며, 입계 부식을 방지하는 데 도움이 됩니다. 이 전극의 탄소 함량은 0.03% 미만입니다. 이보다 높으면 탄소가 입계로 침전되어 크롬과 결합하여 크롬 탄화물을 형성할 위험이 높아져 강의 내식성이 효과적으로 감소합니다. 이는 SS 용접 조인트의 열영향부(HAZ)에서 부식이 발생하면 분명해집니다. L 등급 SS에 대한 또 다른 고려 사항은 직접 SS 등급보다 높은 서비스 온도에서 인장 강도가 낮다는 것입니다.
304는 오스테나이트계 SS이므로 해당 용접 금속은 대부분의 오스테나이트를 함유합니다. 그러나 전극 자체에는 용접 금속에서 페라이트 형성을 촉진하기 위해 몰리브덴과 같은 페라이트 안정제가 포함됩니다. 제조업체는 일반적으로 용접 금속에 대한 일반적인 페라이트 양 범위를 나열합니다. 앞서 언급했듯이 탄소는 강력한 오스테나이트 안정제이며 이러한 이유로 용접 금속에 탄소가 첨가되는 것을 방지하는 것이 중요합니다.
페라이트 수는 니켈과 크롬 당량 공식을 사용하여 값을 계산하는 셰플러 다이어그램과 WRC-1992 다이어그램에서 파생되며, 다이어그램에 표시하면 정규화된 숫자가 생성됩니다. 0~7 사이의 페라이트 수는 용접 금속에 존재하는 페라이트 결정 구조의 체적 백분율에 해당합니다. 그러나 백분율이 높을수록 페라이트 수는 더 빠른 속도로 증가합니다. SS의 페라이트는 탄소강 페라이트와 동일하지 않고 델타 페라이트라는 상이라는 것을 기억하세요. 오스테나이트 SS는 열처리와 같은 고온 공정과 관련된 상 변화가 없습니다.
페라이트는 오스테나이트보다 연성이 더 높기 때문에 형성이 바람직하지만, 이를 제어해야 합니다. 페라이트 수가 적으면 일부 적용 분야에서 우수한 내식성을 가진 용접을 만들 수 있지만 용접 중에 열 균열이 발생하기 매우 쉽습니다. 일반적인 사용 조건에서 페라이트 수는 5~10 사이여야 하지만, 일부 적용 분야에서는 더 낮거나 더 높은 값이 필요할 수 있습니다. 페라이트는 페라이트 지표를 사용하여 작업 현장에서 쉽게 확인할 수 있습니다.
균열 문제와 낮은 페라이트 수가 있다고 언급했으므로 필러 메탈을 자세히 살펴보고 충분한 페라이트 수를 생성하는지 확인해야 합니다. 약 8이면 도움이 될 것입니다. 또한 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW)을 사용하는 경우 이러한 필러 메탈은 일반적으로 100% 이산화탄소 차폐 가스 또는 75% 아르곤/25% CO2 혼합물을 사용하는데, 이는 용접 금속에 탄소가 흡수될 수 있습니다. 탄소가 흡수될 가능성을 줄이기 위해 가스 메탈 아크 용접(GMAW) 공정으로 전환하고 98% 아르곤/2% 산소 혼합물을 사용하는 것이 좋습니다.
SS를 탄소강에 용접하려면 E309L 필러 재료를 사용해야 합니다. 이 필러 금속은 이종 금속을 용접하는 데 특별히 사용되며 탄소강이 용접부에 희석된 후 일정량의 페라이트를 형성합니다. 탄소강은 일부 탄소를 흡수하므로 페라이트 안정제를 필러 금속에 추가하여 탄소가 오스테나이트를 형성하는 경향을 상쇄합니다. 이는 용접 작업에서 열 균열을 방지하는 데 도움이 됩니다.
요약하자면, 오스테나이트 SS 용접 접합부의 고온 균열을 제거하려면 적절한 페라이트 필러 금속을 확인하고 올바른 용접 관행을 따라야 합니다. 열 입력을 50kJ/인치 미만으로 유지하고, 중간에서 낮은 층간 온도를 유지하며, 납땜 전에 납땜 접합부에 오염 물질이 없는지 확인하십시오. 적절한 게이지를 사용하여 용접 접합부의 페라이트 양을 확인하고, 5~10을 목표로 합니다.
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