델타페라이트

왜 배우는가: 델타페라이트 함량은 응고균열 저항과 시그마상 취성 사이의 균형을 정하므로 오스테나이트계 스테인리스강 용접의 기본 변수이다. 시험에서는 장점과 단점, 함량 규제 이유를 함께 묻는 문항으로 나타난다.

출제 이력: 제126회 2교시 3번, 제111회 3교시 6번, 제93회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

델타페라이트는 오스테나이트계 스테인리스강의 응고 과정에서 생성되어 상온까지 오스테나이트로 완전히 변태하지 않고 남는 체심입방격자(BCC) 조직의 페라이트이다.

답안에 쓸 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 델타페라이트
• 오스테나이트계 스테인리스강
• 체심입방격자
• 크롬당량
• 니켈당량
• 페라이트 지수
• 응고균열

2. 개념 풀이

델타페라이트는 오스테나이트계 스테인리스강 용접금속이 액상에서 응고할 때 먼저 정출된 페라이트가 냉각 중 오스테나이트로 모두 변하지 못하고 상온까지 잔류한 조직이다. 철은 상온에서 체심입방격자인 α철이며, 약 910℃ 이상에서 면심입방격자인 γ철, 즉 오스테나이트로 변한다. 니켈은 온도와 관계없이 면심입방격자를 유지하므로, 니켈을 첨가한 오스테나이트계 스테인리스강은 상온까지 오스테나이트 조직이 유지된다.

용접금속은 평형 냉각이 아니라 빠른 응고와 냉각으로 만들어진다. 크롬과 몰리브덴 같은 페라이트 형성 원소가 많고 니켈, 탄소, 질소, 망간 같은 오스테나이트 형성 원소가 적으면 응고가 델타페라이트 정출로 시작하는 FA 모드로 진행된다. 이때 고상 확산이 부족해 델타페라이트의 오스테나이트 변태가 완결되지 않으므로, 델타페라이트가 상온에서도 남는다.

응고 모드는 조성에 따라 A, AF, FA, F의 네 가지로 나뉘며, 델타페라이트가 상온까지 남는 것은 주로 FA와 AF 모드이다. 따라서 같은 강종이라도 조성 편차에 따라 델타페라이트 양이 달라진다. 용접금속의 조성은 모재 희석률에 따라서도 변하므로, 용가재 조성만으로 델타페라이트 양을 정할 수 없다.

용접금속의 델타페라이트 양은 크롬당량과 니켈당량의 관계로 예측한다. 이 관계는 다음 식으로 나타낸다.

$Cr_{eq} = Cr + Mo + 1.5Si + 0.5Nb$

$Ni_{eq} = Ni + 30C + 0.5Mn$

크롬당량은 크롬 함량에 몰리브덴, 규소의 1.5배, 니오븀의 0.5배를 더한 값이다. 니켈당량은 니켈 함량에 탄소의 30배, 망간의 0.5배를 더한 값이다. 크롬당량이 니켈당량에 비해 커질수록 델타페라이트가 많아진다. 이 관계를 두 당량의 좌표 위에 조직 영역으로 나눈 도표가 쉐플러 선도이다.

실제 용접부의 델타페라이트 양은 페라이트 지수(FN)로 표시하며, 자기식 측정기로 측정한다. 자기식 측정은 페라이트의 자성을 이용하는 방식이며 시편을 훼손하지 않아 현장 검사에 쓰인다. 일반적인 오스테나이트계 용접금속은 3~10 FN 범위로 관리한다. 페라이트 지수가 0이면 완전 오스테나이트 조직이고, 값이 커질수록 델타페라이트가 많다는 뜻이다.

3. 등장 배경과 필요성

오스테나이트계 스테인리스강은 내식성과 인성이 우수하여 화학 플랜트, 원자력 설비, 식품 설비 등에 널리 쓰인다. 이 강을 용접하면 용접금속이 완전 오스테나이트 조직이 되기 쉬운데, 완전 오스테나이트 용접금속은 응고균열에 취약하다.

용접금속이 응고할 때 인(P)과 황(S) 같은 불순물은 오스테나이트 결정 경계로 밀려나 편석하고, 저융점 액막을 만든다. 응고 수축 응력이 걸리면 이 액막을 따라 균열이 생기는데, 이것이 응고균열이다. 델타페라이트는 인과 황의 고용도가 오스테나이트보다 커서 이 불순물을 흡수한다. 또한 결정 경계에 분산되어 액막의 연속을 끊으므로 응고균열 저항을 높이는 역할을 한다.

그러나 델타페라이트를 많이 남길 수는 없다. 시그마상은 약 600~800℃에서 장시간 가열될 때 석출되어 취성을 일으킨다. 델타페라이트가 많으면 시그마상 취성과 475℃ 취성의 발생 위험이 커지고, 이 취성은 인성과 내식성을 떨어뜨린다.

따라서 델타페라이트는 응고균열을 막을 최소한의 양은 확보하고, 취성이 생길 과다한 양은 피하는 범위에서 관리해야 한다. 이처럼 상반된 요구가 있으므로 델타페라이트 함량은 조성으로 제어해야 하며, 이것이 용접 재료 설계의 필요성이다. 용접재료를 고를 때 쉐플러 선도로 예상 조직을 확인하고, 측정한 페라이트 지수로 시공 결과를 검증하는 절차가 여기서 나온다.

델타페라이트 함량이 낮으면 용접 중 균열 위험이 높아지고, 함량이 높으면 장시간 사용 후 취성이 생겨 설비 수명이 줄어든다. 두 위험은 같은 조성 안에서 서로 반대 방향으로 작용하므로, 한쪽만 고려해 함량을 정하면 다른 쪽 문제가 생긴다.