질문: 최근 일부 부품을 304 스테인리스 스틸로 제작해야 하는 작업을 시작했는데, 이 소재는 자체 용접 및 연강 용접에 사용됩니다. 스테인리스 스틸과 최대 1.25인치 두께의 스테인리스 스틸 사이에 용접 균열 문제가 발생했습니다. 페라이트 함량이 낮다는 의견도 있었는데, 이 문제가 무엇인지, 그리고 어떻게 해결해야 하는지 설명해 주시겠습니까?
A: 좋은 질문이네요. 네, 저페라이트가 무엇인지, 그리고 어떻게 예방할 수 있는지 알려드리겠습니다.
먼저 스테인리스강(SS)의 정의와 페라이트가 용접 접합부와 어떤 관련이 있는지 살펴보겠습니다. 흑색강과 합금은 50% 이상의 철을 함유하고 있습니다. 여기에는 모든 탄소강과 스테인리스강뿐만 아니라 특정 그룹도 포함됩니다. 알루미늄, 구리, 티타늄은 철을 함유하지 않으므로 비철 합금의 훌륭한 예입니다.
이 합금의 주요 구성 요소는 철 함량이 90% 이상인 탄소강과 철 함량이 70~80%인 스테인리스강입니다. 스테인리스강으로 분류되려면 최소 11.5%의 크롬을 첨가해야 합니다. 이 최소 기준치를 초과하는 크롬 함량은 강철 표면에 크롬 산화막을 형성하여 녹(산화철)이나 화학적 부식과 같은 산화를 방지합니다.
스테인리스강은 크게 오스테나이트, 페라이트, 마르텐사이트 세 가지 그룹으로 나뉩니다. 이 세 가지 그룹의 명칭은 실온에서의 결정 구조에서 유래합니다. 또 다른 일반적인 그룹으로는 페라이트와 오스테나이트가 균형을 이루는 듀플렉스 스테인리스강이 있습니다.
오스테나이트계 강종인 300계는 크롬 16%~30%, 니켈 8%~40%를 함유하여 주로 오스테나이트 결정 구조를 형성합니다. 니켈, 탄소, 망간, 질소와 같은 안정제는 제강 공정에서 오스테나이트-페라이트 비율 형성을 위해 첨가됩니다. 일반적인 강종으로는 304, 316, 347이 있습니다. 우수한 내식성을 제공하며, 주로 식품, 화학, 제약 및 극저온 산업에 사용됩니다. 페라이트 형성을 조절하여 저온에서 우수한 인성을 제공합니다.
페라이트 스테인리스강은 400계열로, 완전 자성을 띠고 11.5%에서 30%의 크롬을 함유하며 주로 페라이트 결정 구조를 가지고 있습니다. 페라이트 형성을 촉진하기 위해 강철 생산 과정에서 크롬, 실리콘, 몰리브덴, 니오븀 등의 안정제가 사용됩니다. 이러한 스테인리스강은 자동차 배기 시스템 및 파워트레인에 일반적으로 사용되며 고온 적용이 제한적입니다. 일반적으로 사용되는 유형으로는 405, 409, 430, 446이 있습니다.
403, 410, 440과 같이 400 시리즈라고도 불리는 마르텐사이트계 합금은 자성을 띠고, 11.5%에서 18%의 크롬을 함유하며, 마르텐사이트 결정 구조를 가지고 있습니다. 이 조합은 금 함량이 가장 낮아 생산 비용이 가장 저렴합니다. 내식성과 강도가 우수하며, 식기, 치과 및 수술 장비, 조리기구, 그리고 일부 유형의 도구에 일반적으로 사용됩니다.
스테인리스강을 용접할 때는 모재의 종류와 사용 환경에 따라 적합한 용가재가 결정됩니다. 보호 가스 공정을 사용하는 경우, 용접 관련 문제를 방지하기 위해 보호 가스 혼합물에 특히 주의해야 할 수 있습니다.
304강을 서로 납땜하려면 E308/308L 전극이 필요합니다. "L"은 저탄소(Low Carbon)를 의미하며, 입계 부식 방지에 도움이 됩니다. 이 전극의 탄소 함량은 0.03% 미만입니다. 이 값을 초과하면 입계에 탄소가 침전되고 크롬 결합으로 인해 크롬 탄화물이 형성될 위험이 증가하여 강의 내식성이 사실상 저하됩니다. 이는 스테인리스강 용접부의 열영향부(HAZ)에서 부식이 발생하는 경우 더욱 두드러집니다. L 등급 스테인리스강의 또 다른 고려 사항은 일반 스테인리스강보다 고온에서 인장 강도가 낮다는 것입니다.
304는 오스테나이트계 스테인리스강이므로 해당 용접 금속은 대부분의 오스테나이트를 함유합니다. 그러나 용접봉 자체에는 용접 금속 내 페라이트 형성을 촉진하기 위해 몰리브덴과 같은 페라이트 안정제가 포함되어 있습니다. 제조업체는 일반적으로 용접 금속의 페라이트 함량에 대한 일반적인 범위를 명시합니다. 앞서 언급했듯이 탄소는 강력한 오스테나이트 안정제이므로 용접 금속에 탄소가 첨가되는 것을 방지하는 것이 필수적입니다.
페라이트 수는 셰플러 차트와 WRC-1992 차트에서 도출되는데, 이 차트들은 니켈 및 크롬 당량 공식을 사용하여 차트에 표시했을 때 정규화된 값을 나타내는 값을 계산합니다. 0에서 7 사이의 페라이트 수는 용접 금속에 존재하는 페라이트 결정 구조의 체적 백분율에 해당하지만, 백분율이 높을수록 페라이트 수는 더 빠르게 증가합니다. 스테인리스강의 페라이트는 탄소강 페라이트와 동일하지 않으며, 델타 페라이트라는 상이라는 점을 기억하십시오. 오스테나이트계 스테인리스강은 열처리와 같은 고온 공정과 관련된 상 변화를 겪지 않습니다.
페라이트는 오스테나이트보다 연성이 높기 때문에 바람직하지만, 페라이트 형성을 제어해야 합니다. 낮은 페라이트 함량은 일부 적용 분야에서 우수한 내식성을 제공하지만, 용접 중 고온 균열이 발생하기 매우 쉽습니다. 일반적으로 페라이트 개수는 5개에서 10개 사이여야 하지만, 적용 분야에 따라 더 낮거나 더 높은 값이 필요할 수 있습니다. 페라이트는 작업장에서 페라이트 지표를 사용하여 쉽게 확인할 수 있습니다.
균열과 낮은 페라이트 함량 문제가 있다고 말씀하셨으니, 필러 메탈을 자세히 살펴보고 페라이트가 충분히 생성되는지 확인해 보세요. 8개 정도면 충분합니다. 또한, 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW)을 사용하는 경우, 이러한 필러 메탈은 일반적으로 100% 이산화탄소 또는 75% 아르곤과 25% 이산화탄소의 혼합 가스를 사용하는데, 이는 용접 금속에 탄소가 흡수될 수 있습니다. 금속 아크 용접(GMAW) 공정으로 전환하여 98% 아르곤/2% 산소 혼합물을 사용하면 탄소 침전물 발생 가능성을 줄일 수 있습니다.
스테인리스강과 탄소강을 용접할 때는 용가재 E309L을 사용해야 합니다. 이 용가재는 이종 금속 용접에 특별히 사용되며, 탄소강이 용접부에서 용해된 후 일정량의 페라이트를 형성합니다. 탄소강은 탄소를 일부 흡수하기 때문에, 탄소가 오스테나이트를 형성하는 경향을 상쇄하기 위해 용가재에 페라이트 안정제를 첨가합니다. 이는 용접 중 열 균열을 방지하는 데 도움이 됩니다.
결론적으로, 오스테나이트계 스테인리스강 용접부의 고온 균열을 수리하려면 페라이트 용가재가 충분한지 확인하고 적절한 용접 관행을 따르십시오. 입열을 50kJ/in 미만으로 유지하고, 층간 온도를 중간에서 낮은 수준으로 유지하며, 납땜 전 솔더 접합부가 깨끗한지 확인하십시오. 적절한 게이지를 사용하여 용접부의 페라이트 양을 확인하고, 5~10%를 목표로 하십시오.
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