오스테나이트계 스테인리스강 용접

왜 배우는가: 오스테나이트계 스테인리스강은 내식성과 인성이 우수해 화학 플랜트, 식품 설비, LNG 저장 설비 등에 널리 쓰이므로 용접 품질이 설비의 수명을 좌우한다. 응고균열, 입계부식, 시그마상 취화처럼 이 재료 고유의 문제가 여러 교시에 걸쳐 반복해서 다뤄지므로 개념의 출발점을 정확히 익혀야 한다.

출제 이력: 제137회 3교시 5번, 제132회 1교시 8번, 제102회 3교시 2번, 제96회 1교시 13번, 제93회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

오스테나이트계 스테인리스강 용접은 상온의 오스테나이트 조직을 유지하면서 내식성과 인성을 확보하도록 용접 재료와 조건을 정하는 용접이다. 다음은 이 개념을 이해하는 데 필요한 핵심 키워드이다.

• 오스테나이트 조직: 상온에서도 면심입방격자(FCC) 구조를 유지하는 조직이며, 자성이 거의 없고 저온 인성이 좋다.
• 델타 페라이트: 응고 과정에서 생기는 체심입방격자(BCC) 페라이트로, 응고균열 저항성을 높이는 역할을 한다.
• 응고모드: 용융금속이 응고할 때 오스테나이트와 페라이트가 정출하는 순서이며, 응고균열 감수성을 좌우한다.
• 입계부식: 결정 경계에 크롬 탄화물이 석출하여 주변 크롬이 고갈되면서 생기는 국부 부식이다.
• 시그마상 취화: 고온에서 페라이트가 분해되며 생기는 경질 금속간화합물에 의해 인성이 떨어지는 현상이다.
• 저탄소 용접 재료: 탄소 함량을 낮춘 용접 재료로, 입계부식 감수성을 줄이기 위해 쓴다.

2. 개념 풀이

오스테나이트계 스테인리스강은 크롬을 다량 함유한 철 기반 합금으로, 니켈·망간·질소 같은 오스테나이트 형성 원소를 더해 상온에서도 오스테나이트 조직을 유지하는 강이다. 이 조직은 자성이 거의 없고 저온에서도 인성이 떨어지지 않는다. 용접 관점에서 이 강을 정의하는 핵심은 냉각 중에 조직이 변태하지 않는다는 점이다.

오스테나이트 조직은 체심입방격자(BCC)인 페라이트나 마르텐사이트와 달리 냉각 중 상변태가 없으므로, 탄소강처럼 급랭에 의한 경화가 거의 없다. 그 대신 열팽창계수가 탄소강보다 크고 열전도도가 작아서, 용접부 주변에 열이 쌓이고 수축이 커져 잔류응력과 변형이 커진다. 이 물성 차이 때문에 같은 용접 조건에서도 균열과 뒤틀림이 더 쉽게 생긴다.

용접금속은 응고 과정에서 두 가지 경로를 거친다. 오스테나이트가 액상에서 바로 정출하는 응고모드(A 모드)는 결정 경계가 평탄하고 불순물이 경계에 모이기 쉬워 응고균열에 취약하다. 반면 델타 페라이트가 먼저 정출한 뒤 오스테나이트가 생기는 FA 모드는 결정 경계에 페라이트가 분산되어 불순물을 나누어 받으므로 균열 저항이 높다. 용접금속에 적정량의 델타 페라이트를 남기는 것이 응고균열 방지의 기본 원리이다. 델타 페라이트를 적정량 남기는 것이 응고균열 방지의 기본 원리이다.

용접금속의 조직은 크롬 당량과 니켈 당량을 계산해 쉐플러 선도에서 예측한다. 크롬 당량이 높으면 페라이트가 많아지고 니켈 당량이 높으면 오스테나이트가 많아진다. 설계 단계에서 이 선도로 용접 재료의 조성을 정하면 응고균열과 취화 위험을 미리 조절할 수 있다.

입계부식은 용접 열영향부가 450~850℃ 구간에 머무를 때 일어난다. 이 구간에서 탄소가 크롬과 결합해 결정 경계에 Cr23C6 형태의 크롬 탄화물을 석출시키고, 경계 주변의 크롬 농도가 내식 한계 이하로 떨어진다. 이 현상을 입계부식(예민화)이라 하며, 심해지면 결정립이 떨어져 나가는 형태로 강도까지 잃는다.

고온에 오래 머무르면 델타 페라이트가 분해되어 시그마상이 생긴다. 시그마상은 경질이고 취성이 커서 상온 인성을 크게 떨어뜨린다. 따라서 입열을 제한하고 고온 체류 시간을 줄여 시그마상 생성을 막는 것이 취화 방지의 핵심이다.

델타 페라이트의 양은 자기적 방법으로 측정하며, 페라이트 수(FN)로 표시한다. 오스테나이트 조직은 자성이 없으므로 페라이트가 많을수록 자성이 강해지는 원리를 이용한 것이다. 이 측정값은 용접 후 검사에서 응고균열 위험을 판단하는 간접 지표로 쓰인다.

3. 등장 배경과 필요성

오스테나이트계 스테인리스강은 부식 환경과 저온 환경에서 탄소강을 대체하기 위해 발전해 왔다. 화학 플랜트의 배관과 압력용기, 식품·의약 설비, 극저온 저장 설비에서는 탄소강이 부식이나 인성 저하로 쓰기 어렵기 때문이다. 이런 설비는 대부분 용접으로 제작되므로, 모재의 내식성과 인성을 용접부에도 그대로 유지하는 기술이 필요해졌다.

용접 기술이 중요해진 이유는 모재 선택만으로는 설비 성능을 보장하지 못하기 때문이다. 용접 후 입계부식이나 균열이 생기면 모재가 우수해도 설비 전체가 실패한다. 그래서 용접 재료, 입열, 층간 온도를 함께 관리해야 한다는 인식이 자리 잡았다.