질문: 최근 저희는 주로 304 등급 스테인리스강으로 제작된 부품을 사용하는 작업을 시작했는데, 이 부품들은 스테인리스강끼리 또는 연강과 용접됩니다. 최대 1.25인치 두께의 스테인리스강 대 스테인리스강 용접 부위에서 균열 문제가 발생했습니다. 페라이트 함량이 낮다는 이야기가 나왔는데, 이것이 무엇이며 어떻게 해결해야 하는지 설명해 주시겠습니까?
A: 좋은 질문입니다. 네, 페라이트 수치가 낮다는 것이 무엇을 의미하는지, 그리고 어떻게 예방할 수 있는지 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 탄소강, 스테인리스강 및 기타 정의된 그룹이 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 산화물 막을 형성하여 녹(산화철)이나 화학적 부식과 같은 산화 현상을 방지합니다.
스테인리스강은 크게 오스테나이트, 페라이트, 마르텐사이트의 세 가지 그룹으로 나뉩니다. 이 이름들은 상온에서의 결정 구조에서 유래되었습니다. 또 다른 일반적인 그룹으로는 페라이트와 오스테나이트의 결정 구조가 균형을 이루는 듀플렉스 스테인리스강이 있습니다.
오스테나이트계 강종인 300 시리즈는 크롬 16~30%와 니켈 8~40%를 함유하여 주로 오스테나이트 결정 구조를 이룹니다. 오스테나이트-페라이트 비율 형성을 촉진하기 위해 제강 과정에서 니켈, 탄소, 망간, 질소와 같은 안정제를 첨가합니다. 일반적인 강종으로는 304, 316, 347 등이 있습니다. 우수한 내식성을 제공하며 주로 식품, 화학, 제약 및 극저온 분야에 사용됩니다. 페라이트 형성을 제어하여 탁월한 저온 인성을 제공합니다.
페라이트계 스테인리스강은 400 시리즈 등급으로, 완전한 자성을 띠며 11.5%에서 30%의 크롬을 함유하고 페라이트 결정 구조가 주를 이룹니다. 페라이트 형성을 촉진하기 위해 제강 과정에서 크롬, 실리콘, 몰리브덴, 니오븀 등의 안정제를 첨가합니다. 이러한 종류의 스테인리스강은 자동차 배기 시스템 및 발전소에 일반적으로 사용되며 고온 환경에서의 사용은 제한적입니다. 대표적인 종류로는 405, 409, 430, 446 등이 있습니다.
마르텐사이트계 금은 403, 410, 440과 같은 400 시리즈로도 알려져 있으며, 자성을 띠고 크롬 함량이 11.5%에서 18%에 이르며 결정 구조는 마르텐사이트입니다. 이러한 특징은 금 함량이 가장 낮아 생산 비용이 가장 저렴합니다. 마르텐사이트계 금은 내식성이 뛰어나고 강도가 우수하며 식기류, 치과 및 수술 기구, 조리 기구, 특정 공구 등에 널리 사용됩니다.
스테인리스강을 용접할 때는 접합 재료의 종류와 사용 용도에 따라 적절한 용접봉을 선택해야 합니다. 가스 보호 용접 방식을 사용하는 경우, 특정 용접 관련 문제를 방지하기 위해 보호 가스 혼합 비율에 특별히 주의해야 합니다.
304 스테인리스강을 자체적으로 납땜하려면 E308/308L 전극이 필요합니다. "L"은 저탄소를 의미하며, 이는 입계 부식을 방지하는 데 도움이 됩니다. 이 전극은 탄소 함량이 0.03% 미만입니다. 이보다 높으면 탄소가 입계에 석출되어 크롬과 결합하여 크롬 카바이드를 형성할 위험이 증가하며, 결과적으로 강철의 내식성이 저하됩니다. 이는 스테인리스강 용접부의 열영향부(HAZ)에서 부식이 발생할 경우 분명하게 나타납니다. L 등급 스테인리스강의 또 다른 고려 사항은 고온 사용 환경에서 일반 스테인리스강보다 인장 강도가 낮다는 것입니다.
304 스테인리스강은 오스테나이트계 스테인리스강이므로 용접 금속은 대부분 오스테나이트로 구성됩니다. 그러나 용접봉에는 몰리브덴과 같은 페라이트 안정제가 포함되어 용접 금속 내 페라이트 생성을 촉진합니다. 제조업체는 일반적으로 용접 금속의 페라이트 함량 범위를 명시합니다. 앞서 언급했듯이 탄소는 강력한 오스테나이트 안정제이므로 용접 금속에 탄소가 첨가되지 않도록 하는 것이 매우 중요합니다.
페라이트 수는 니켈과 크롬의 등가 공식을 사용하여 값을 계산하는 셰플러 도표와 WRC-1992 도표에서 도출되며, 이 값을 도표에 표시하면 정규화된 값이 생성됩니다. 0에서 7 사이의 페라이트 수는 용접 금속에 존재하는 페라이트 결정 구조의 부피 백분율에 해당합니다. 그러나 백분율이 높을수록 페라이트 수는 더 빠른 속도로 증가합니다. 스테인리스강의 페라이트는 탄소강의 페라이트와는 다른 델타 페라이트라는 상이라는 점에 유의해야 합니다. 오스테나이트계 스테인리스강은 열처리 등의 고온 공정과 관련된 상변화가 없습니다.
페라이트는 오스테나이트보다 연성이 뛰어나기 때문에 형성이 바람직하지만, 페라이트 함량을 제어해야 합니다. 페라이트 함량이 낮은 용접부는 일부 용도에서 우수한 내식성을 나타낼 수 있지만, 용접 중 고온 균열이 발생하기 쉽습니다. 일반적인 사용 조건에서는 페라이트 함량이 5~10 사이가 적당하지만, 특정 용도에서는 더 낮거나 높은 값이 필요할 수 있습니다. 페라이트는 페라이트 지시계를 사용하여 현장에서 쉽게 확인할 수 있습니다.
균열 문제와 낮은 페라이트 함량에 대해 말씀하셨으니, 용접봉을 자세히 살펴보고 페라이트 함량이 충분한지 확인해야 합니다. 약 8 정도의 페라이트 함량이 도움이 될 것입니다. 또한, 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW)을 사용하는 경우, 이러한 용접봉은 일반적으로 100% 이산화탄소 또는 75% 아르곤/25% 이산화탄소 혼합 가스를 보호 가스로 사용하는데, 이로 인해 용접 금속에 탄소가 흡수될 수 있습니다. 탄소 흡수 가능성을 줄이려면 가스 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, 탄소강이 용접부에 녹아들면서 일정량의 페라이트를 형성합니다. 탄소강은 탄소를 흡수하는 성질이 있기 때문에, 용접봉에 페라이트 안정제를 첨가하여 탄소가 오스테나이트를 형성하는 경향을 억제합니다. 이는 용접 시 열 균열을 방지하는 데 도움이 됩니다.
요약하자면, 오스테나이트계 스테인리스강 용접 이음매에서 열 균열을 방지하려면 적절한 페라이트 용가재를 사용하고 올바른 용접 절차를 준수해야 합니다. 열 입력은 인치당 50kJ 미만으로 유지하고, 층간 온도는 중간에서 낮은 수준으로 유지하며, 납땜 전에 용접 부위에 오염 물질이 없는지 확인하십시오. 적절한 게이지를 사용하여 용접 이음매의 페라이트 양을 확인하고, 5~10을 목표로 하십시오.
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