[논문]산업설비용 2상 스테인리스강 개발 동향 및 용접성

안상곤; 김지수; 김광태

doi:10.5781/kwjs.2010.28.1.022

산업설비용 2상 스테인리스강 개발 동향 및 용접성
Development Trends of Duplex Stainless Steels for the Process Industries and It's Weldability 원문보기

大韓溶接·接合學會誌 = Journal of the Korean Welding and Joining Society, v.28 no.1, 2010년, pp.22 - 33

안상곤 (POSCO 기술연구원) , 김지수 (POSCO 기술연구원) , 김광태 (POSCO 기술연구원)

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 2상 스테인리스강에 대한 이해를 돕기 위해, 국내․외에서의 현황과 품질특성 등 전반에 대해 정리했다. 이를 위해 먼저 2상 스테인리스강의 개발 역사, 최근 진행되고 있는 2상 스테인리스강 개발 강종 및 배경, 국내의 개발 현황을 소개하고, 이어서 응고 및 석출특성, 기계적 성질과 부식성 등의 기본특성과 용접 열영향부의 야금학적 현상, 페라이트-오스테나이트 상분율 제어 등의 용접특성을 설명하고자 했다.
새로운 2상 스테인리스강이 계속해서 개발되고 있다. 여기에는 합금성분의 최적화를 통한 제조 코스트 저감, 적용 확대를 위한 품질 개선 및 제품 형태의 다양화 등이 그 목적이라고 할 수 있다.
3%의 하이퍼 2상 스테인리스강이 개발되고 있다. 이들 강종은 6% Mo의 슈퍼 오스테나이트계 스테인리스강 보다 가혹한 부식 환경, 화학, 석유 및 정류산업에 적용하는 것이 목적이다. 현재 해수 냉각 열교환기 튜브용 슈퍼 오스테나이트계 스테인리스강, Ni계 합금 등을 대체하기 위해 하이퍼 2상 스테인리스강의 심리스(seamless) 튜브로만 제조되고 있으며, 조만간 제조기술의 확립으로 코일이나 판재도 상용화가 가능할 것으로 생각된다.

제안 방법

S32205와 S32750에 상당하는 2상 스테인리스강 2종에 대한 응고특성을 조사하기 위해 304를 비교재로 사용하여 Thermo-calc.를 이용하여 온도 변화에 따른 페라이트와 오스테나이트 상분율을 모사했다.
S32205와 S32750에 상당하는 2상 스테인리스강 2종에 대한 응고특성을 조사하기 위해 304를 비교재로 사용하여 Thermo-calc.를 이용하여 온도 변화에 따른 페라이트와 오스테나이트 상분율을 모사했다. Fig.
따라서 본 연구에서는 2상 스테인리스강에 대한 이해를 돕기 위해, 국내․외에서의 현황과 품질특성 등 전반에 대해 정리했다. 이를 위해 먼저 2상 스테인리스강의 개발 역사, 최근 진행되고 있는 2상 스테인리스강 개발 강종 및 배경, 국내의 개발 현황을 소개하고, 이어서 응고 및 석출특성, 기계적 성질과 부식성 등의 기본특성과 용접 열영향부의 야금학적 현상, 페라이트-오스테나이트 상분율 제어 등의 용접특성을 설명하고자 했다.
최근 전세계 스테인리스강 제조 메이커에서 활발히 개발되고 있는 Lean 급과 하이퍼 2상 스테인리스강의 특징을 간략하게 소개한다.

성능/효과

1) 냉간 가공에 의한 오스테나이트 상의 마르텐사이트 형성 위험 때문에 Cr+Mo 함량은 반드시 21% 이상 첨가하는 것이 좋다.
2) 페라이트 상의 안정성, 즉 금속간 화합물의 석출 때문에 Cr+Mo 함량은 35% 이상 첨가할 수 없다.
3) N를 0.1-0.2% 첨가했던 초기의 제품들은 현재 고N 첨가 강으로 전환되고 있으며, 이때 N 첨가량은 N 고용한(Solubility limit)까지로 한정한다 (용해, 용접 중 기공 발생 등).
4) 최근 개발되는 제품들은 N 효과를 야금학적으로 충분히 활용하기 위해 N 첨가량이 기존 제품에 비해 전반적으로 높다.
그 이유는 앞서와 같이 저 Ni의 오스테나이트 상에서 C와 N의 고용도가 높기 때문이며, 탄화물 석출에 미치는 N의 지연 효과로 설명할 수 있다. 결과적으로 N 첨가 2상 스테인리스강은 냉각에 따른 입계 예민화는 상대적으로 발생 가능성이 거의 없다.
1% 수준으로 높았다. 그렇지만 2상 스테인리스강은 오스테나이트계 스테인리스강에 비해 입계 부식저항성이 우수하고, 강도가 높다는 장점이 있고, 여기에 응력부식균열이 문제가 되는 환경에서 오스테나이트계 스테인리스강을 2상 스테인리스강으로 대체 적용이 가능하다는 사실도 확인되었다.
냉각속도 80℃/s의 저 입열 조건에서도 열영향부 최대 페라이트 함량은 개발 강이 70% 이하인 반면, 기존 강은 80% 수준을 보이고 있다. 따라서 개발 강은 기존 강보다 열영향부 충격특성이나 내식성이 우수할 것으로 생각된다.
또 S32750은 S32205와 응고방식은 유사하지만, α : γ가 50:50으로 균형을 이루는 온도는 S32750이 더 높고, 또 S32205 보다 시그마상 석출온도도 높고 석출량도 더많다는 것을 알 수 있다.
5 % 정도 감소했다. 이처럼 두께 저감에 의한 무게 감소로 현지에서의 거스(Girth) 용접시간이 2100(304L)시간에서 1325시간(2상 스테인리스강)으로 775시간이나 감소했고, 또 부가적으로 용접재료 사용량 감소, 파이프를 다루는데 사용되는 모든 에너지의 절약과 소재를 제조하는데 발생하는 CO₂ 방출량 등도 저감이 가능해 졌다. 이 외에도 2상 스테인리스강이 장시간에 결쳐 각종 산업설비 용도로 가격대비 효율이 우수하다는 것이 입증됨에 따라 해수 담수화 설비, 심해의 오일과 가스 플랜트, 발전설비 및 화학 플랜트 등 다양한 산업분야에 적용되고 있다.
2상 스테인리스강의 야금학적 특성을 잘 이해하면 저온 충격특성을 개선할 수 있다. 일례로 표준형 2상 스테인리스강에 대해 고청정, 최적화된 제조조건, 페라이트 함량을 30-50%로 낮게 관리하면 -80℃의 저온에서도 양호한 충격치를 얻을 수 있다.
AISI 329를 비롯한 초기 제품들, 소위 제 1세대로 분류되는 2상 스테인리스강은 우수한 품질에도 불구하고 용접 구조재로 사용하는 데는 한계가 있었다. 즉 용접 열영향부의 페라이트 함량이 지나치게 높아 충격치가 감소했고, 내식성도 모재에 비해 현저히 저하하는 문제가 발생했다. 이 때문에 제 1세대 2상 스테인리스강은 대부분 용접이 필요하지 않는 설비나 부품에 사용되었다.
즉 효율적으로 C를 저감시키고, 또 N을 필요한 만큼 정밀하게 제어할 수 있게 되어 현재와 같은 2상 스테인리스강이 출현하게 되었다. 특히 N 첨가는 오스테나이트 안정도를 향상시켜 품질 저하의 직접적인 요인인 금속간 화합물의 석출을 지연시킬 뿐 아니라, 용접한 그대로도 열영향부의 충격특성이나 내공식성이 모재에 근접할 정도로 품질이 개선되었다. 이처럼 N을 합금원소로 활용하여 1970년대 후반에 상용화된 강종을 제 2세대 2상 스테인리스강으로 정의하고, 그 대표적인 강종으로 2205가 있다.
5Mo(453S)강이 개발되었는데, 이 강종은 2차 세계대전 후에 미국철강협회에서 AISI 329 2상 스테인리스강을 제정하는데 기본 강이 되었다. 한편 그 당시에 제조된 2상 스테인리스강은 소둔 후에도 페라이트가 60-70%로서 비교적 높았고, 또 탄소 정련기술이 미흡하여 다른 스테인리스강과 마찬가지로 2상 스테인리스강도 탄소 함량이 통상 0.1% 수준으로 높았다. 그렇지만 2상 스테인리스강은 오스테나이트계 스테인리스강에 비해 입계 부식저항성이 우수하고, 강도가 높다는 장점이 있고, 여기에 응력부식균열이 문제가 되는 환경에서 오스테나이트계 스테인리스강을 2상 스테인리스강으로 대체 적용이 가능하다는 사실도 확인되었다.

후속연구

여기서 Lean급에 속하는 329LD(KS) 또는 UNS S81921(ASTM)은 오스테나이트계 스테인리스강 316L을 대체 적용할 목적으로 개발되었고, 전세계 2상 스테인리스강, 수요의 약 80%를 차지하는 표준형 2상 스테인리스강, 329J3L(KS) 또는 UNS S32205(ASTM)은 1995년에 개발하여 화력 발전소의 탈황설비와 다단증발식 해수 담수화 설비에 공급한 실적을 갖고 있다. 또한 내공식성 지수가 40 이상인 슈퍼 2상 스테인리스강도 역삼투압식 해수담수화 설비 적용을 목적으로 2009년에 개발했고, 조만간 고강도^․고내식이 요구되는 해수 펌프나 발전설비 등에도 사용될 것으로 생각된다. 이로써, 국내에서도 사용 환경이나 요구 품질특성에 따라 적합한 2상 스테인리스강의 선택이 가능해 졌다.
특히 최근에 개발된 Lean급 2상 스테인리스강은 304, 316L을 대체해서 우수한 품질과 가격 Merit를 동시에 확보할 수 있게 되었고, 전체적인 흐름에서 산업설비용 6% Mo급의 슈퍼 오스테나이트계 스테인리스강을 2상 스테인리스강으로 대체 적용하는 것도 시간적인 문제라고 생각된다. 이와 함께 2상 스테인리스강의 고유 품질을 활용하는 신수요 개발도 활발하게 진행될 것으로 판단된다.
한편 2상 스테인리스강의 품질 개선 및 사용기술 측면에서는 현재 보증온도가 -40℃인 2상 스테인리스강을 보다 저온 용도로도 사용할 수 있는 품질 설계 및 용접기술, 생산성을 고려하여 적정 용접 입열량 범위를 확대 할 수 있는 용접기술 등에 관한 연구도 시급하게 추진되어야 할 과제라고 볼 수 있다.
향후에는 304, 316L을 대체하는 Lean급 2상 스테인리스강의 개발과 사용 범위를 확대하는 연구가 매우 활성화될 것이며, PRE 지수가 45 이상인 초내식 6% Mo급 슈퍼 오스테나이트계 스테인리스강과 동등 이상의 내식성을 보유하는 하이퍼 2상 스테인리스강 개발 연구가 주목을 받을 것으로 생각된다.
현재 Outokumpu, Industeel, ATI, POSCO 등에서 7-8 종이 상용화되어 있으며, 이 중 대표 5 강종에 대한 화학조성과 내공식성 지수를 Table 2에 나타냈다. 향후에는 Lean 급 2상 스테인리스강도 304와 316L 급으로 각각 구분하여 개발하거나 상용화될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2상 스테인리스강은 어떤 스테인리스강인가?	2상 스테인리스강는 금속 조직적으로 페라이트와 오스테나이트 상이 거의 1:1의 동등한 비율로 혼합된 미세조직을 갖는 스테인리스강이다. 2상 스테인리스강은 1930년에 개발되어 약 80년의 개발 역사를 가지고 있으나, 실질적으로는 C, N 정련기술이 확립된 1970년대에 이르러 현재와 같은 야금학적 특성을 갖는 2상 스테인리스강이 상용화되었다고 할 수 있다.
	2상 스테인리스강도 오스테나이트계 스테인리스강과 마찬가지로 합금원소에 따른 내공식성 지수에 따라 5개의 강종 군(Family)으로 어떻게 분류할 수 있는가?	가) Mo를 첨가하지 않은 2304 또는 PRE 지수가 30 미만인 Lean급 2상 스테인리스강 나) 2205 표준형 2상 스테인리스강 (30≤PREN＜36) 다) PRE 지수가 40 이하인 25Cr 2상 스테인리스강 (36≤PREN＜40) 라) 슈퍼 2상 스테인리스강 (40≤PREN＜45) 마) 초내식 하이퍼(Hyper) 2상 스테인리스강 (45≤PREN)
	2상 스테인리스강은 언제 개발 됐는가?	2상 스테인리스강는 금속 조직적으로 페라이트와 오스테나이트 상이 거의 1:1의 동등한 비율로 혼합된 미세조직을 갖는 스테인리스강이다. 2상 스테인리스강은 1930년에 개발되어 약 80년의 개발 역사를 가지고 있으나, 실질적으로는 C, N 정련기술이 확립된 1970년대에 이르러 현재와 같은 야금학적 특성을 갖는 2상 스테인리스강이 상용화되었다고 할 수 있다. 또 1980년대 초에는 슈퍼 2상 스테인리스강과 2304 Lean급 2상 스테인리스강이 연속해서 개발되었다.

참고문헌 (16)

James Chater : The Irresistible Rise of Duplex, Jour. of Stainless Steel World, Dec. (2007), KCI publishing, 49-51
Mikael Paijkull et al.: The Use of Duplex Stainless Steel Grades in Tubular Products, Jour. of Stainless Steel World, KCI publishing, Dec. (2008), 71-79
Kare Johasson : Duplex stainless steel "Past, present and future", Proceedings of 6th World Conference on Duplex Stainless Steels, Oct. (2000), 13-28
M.Liljas : "80 years with duplex steels, a historic review and prospects for the future", 6th European Stainless Steel Conference, Helsinki, 10-13 June, 2008
J. Charles : "Past, present and future of duplex stainless steels", Duplex conference, Grado, Italy, 18-20 June, 2007
P.Soulignac and Jean-Christophe Gagnepain : "Why duplex usage will continue to grow" Duplex conference, Grado, Italy, 18-20 June, 2007
Jean-Christophe Gagnepain : Duplex stainless steels "Success story and growth rerspectives", Jour. of Stainless Steel world, KCI publishing, Dec. (2008), 31-36
K.Lorentz and G.Medawar : Thyssen Forschung, vol.1 (1969) 97-102
W.Heimann : Stainless Steels for Desalination Plants to cope with Corrosion Problems, DMESeminar "Materials and Corrosion in Desalination Plants", Achern, Swiss, 26-27 Aug. 2009
P.Kangas : Hyper Duplex Stainless steels, Proceedings of Stainless Steel World Conference Science and Market, Masstricht, Netherlands, 2009
안상곤 외 : 역삼투압식 해수담수화 플랜트용 고강도.고내식 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강, 포스코 연구논문 vol 14 (2009) 39-47
김선미, 이종수: 포스코 위탁과제, 2008Y909
M.Pohl, O.Storz and T.Glogowski : Effect of intermetallic precipitations on the properties of duplex stainless steel. Material Science Engineering 58 (2007) 65-71
B. Messer et al : Duplex Stainless Steel Welding, Jour. of Stainless Steel World, Dec. (2007), KCI publishing, 53-63
J.C.Varol et al : Microstructure/property relationships in simulated heat affected zones in duplex stainless steels, ASM international, Materials Park, OH, 757-762, 1990
J.C.Lippold et al : The influence of composition and microstructure on the HAZ toughness of duplex stainless steels at $-20^{\circ}C$ , Welding Jour., 73 (1994) 75-79

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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