[논문]오스테나이트계 스테인리스강의 용접성과 내식성에 미치는 합금원소의 영향(I) - 응고균열 감수성을 중심으로 -

정호신; 이윤용; 배동수

doi:10.5781/kwjs.2012.30.3.255

문제 정의

이와 같은 목적으로 종래의 STS 310S와 동등하거나 그 이상의 성능을 가지는 스테인리스강의 개발을 목표로 하였다. 또한 내열성과 고온강도를 확보함과 동시에 STS 304강의 화학조성을 기본으로 하여 종래의 STS 310S에 비해 상대적으로 Cr과 Ni의 함유량을 대폭 줄임과 아울러 N, Nb, W을 첨가한 새로운 강재를 개발함으로써 경제성이 좋은 재료의 개발하고자 하였다. 이와 같은 목적으로 새로운 합금설계에 의해 개발한 오스테나이트계 스테인리스강 신강종의 현장 적용성을 높이기 위해서는 용접성을 고려하여야 하며, 특히 Si을 비롯하여 각종 합금원소가 첨가될 경우에는 용접성이 저하할 가능성이 매우 크기 때문에 용접성 향상을 위한 연구를 수행하였다.
본 연구에서 사용한 신강종의 경우에는 내열성 및 고온강도 향상을 위하여 각종의 합금원소인 Nb, W, N, Si가 첨가하여 합금원소의 첨가에 기인하는 응고균열 감수성을 평가하기 위하여 개발 대상 강종 총 14종에 대하여 보호 가스 조성을 변화시켜 Varestraint 시험을 실시하여 응고균열 감수성이 낮은 합금성분계를 도출함과 더불어 델타 페라이트 함유량이 많은 경우, 오히려 고온균열 감수성이 커질 수 있기 때문에 델타 페라이트 함유량을 줄이기 위하여 질소를 첨가하였다. 본 실험에서 사용한 14종의 오스테나이트계 내열 스테인리스강의 화학조성을 Table 1에 나타내었다.
또한 내열성과 고온강도를 확보함과 동시에 STS 304강의 화학조성을 기본으로 하여 종래의 STS 310S에 비해 상대적으로 Cr과 Ni의 함유량을 대폭 줄임과 아울러 N, Nb, W을 첨가한 새로운 강재를 개발함으로써 경제성이 좋은 재료의 개발하고자 하였다. 이와 같은 목적으로 새로운 합금설계에 의해 개발한 오스테나이트계 스테인리스강 신강종의 현장 적용성을 높이기 위해서는 용접성을 고려하여야 하며, 특히 Si을 비롯하여 각종 합금원소가 첨가될 경우에는 용접성이 저하할 가능성이 매우 크기 때문에 용접성 향상을 위한 연구를 수행하였다.
특히 환경적인 측면에서도 공해 물질의 저감이라는 측면에서 재료의 사용 온도 범위가 더욱 더 높아지고 있고 이에 따라 합금설계의 개념이 바뀌고 있고 이러한 재료에 요구되는 용접성은 중요한 문제로 대두되고 있다. 이와 같은 목적으로 종래의 STS 310S와 동등하거나 그 이상의 성능을 가지는 스테인리스강의 개발을 목표로 하였다. 또한 내열성과 고온강도를 확보함과 동시에 STS 304강의 화학조성을 기본으로 하여 종래의 STS 310S에 비해 상대적으로 Cr과 Ni의 함유량을 대폭 줄임과 아울러 N, Nb, W을 첨가한 새로운 강재를 개발함으로써 경제성이 좋은 재료의 개발하고자 하였다.

제안 방법

Varestraint 시험 후 용접금속을 채취하여 연마한 후 현미경 조직관찰과 SEM, EDX, EPMA 분석하였고, magne-gage를 사용하여 델타 페라이트 양을 측정하였다.
용접 후 실체현미경을 사용하여 용접금속에서 발생한 균열을 사진 촬영하였고, 그 상을 image-analyzer를 사용하여 균열길이를 측정하여 그 균열길이의 총합으로 균열 감수성을 평가하였다. Varestraint 시험은 시험편 고정용 chuck에 시험편을 장착한 후 시험편의 단부에서 용접을 시작하여 TIG 토치가 소정의 위치로 이동해 왔을 때 힘을 가하여 시험편 고정용 chuck을 하부로 이동시켜 굽힘 block을 따라 시험편이 변형되도록 하여 시험편에 소정의 굽힘 스트레인을 부가하는 방식으로 이 때 용접금속에서 발생한 균열의 길이를 측정하여 균열감수성을 평가하였다.
3%급의 고 Nb재로 하여 Nb 첨가량을 3단계로 변화시켰다. 또한 W은 첨가량 약 0.5%의 저 W재, 약 0.95%급의 중 W재 및 1.8%급의 고 W재로 하여 W 첨가량도 3단계로 변화시켰다. 응고균열 감수성 평가를 위한 시험편은 4mm 두께의 열간 압연재이다.
화학성분은 습식 분석하였으며, 산소와 질소의 경우에는 따로 핀 샘플을 준비하여 기기분석하였다. 시험편 STD에서부터 시험편 7번까지는 N 함유량이 약 0.14%대인 고질소 강종이고, 시험편 8번부터 13번까지는 N 함유량이 0.08～0.09%대의 저 질소 강종이며, 7번 시험편에는 희토류 원소인 Ce을 0.05% 첨가하였다.
용접조건은 전류 140A, 용접속도 25cm/min,아르곤가스 유량은 15l/min로 하였다. 용접 후 실체현미경을 사용하여 용접금속에서 발생한 균열을 사진 촬영하였고, 그 상을 image-analyzer를 사용하여 균열길이를 측정하여 그 균열길이의 총합으로 균열 감수성을 평가하였다. Varestraint 시험은 시험편 고정용 chuck에 시험편을 장착한 후 시험편의 단부에서 용접을 시작하여 TIG 토치가 소정의 위치로 이동해 왔을 때 힘을 가하여 시험편 고정용 chuck을 하부로 이동시켜 굽힘 block을 따라 시험편이 변형되도록 하여 시험편에 소정의 굽힘 스트레인을 부가하는 방식으로 이 때 용접금속에서 발생한 균열의 길이를 측정하여 균열감수성을 평가하였다.
응고균열 감수성을 평가하기 위하여 Varestraint 시험을 실시하였다. 이때 용접 중 보호가스를 100%Ar, 95%Ar+5%N₂, 90%Ar+10%N₂로 질소함량을 단계적으로 변화시켜 용접하였다.
응고균열 감수성을 평가하기 위하여 Varestraint 시험을 실시하였다. 이때 용접 중 보호가스를 100%Ar, 95%Ar+5%N₂, 90%Ar+10%N₂로 질소함량을 단계적으로 변화시켜 용접하였다. 용접시의 구속도를 변화시키기 위하여 곡률반경이 1.
본 실험에서 사용한 14종의 오스테나이트계 내열 스테인리스강의 화학조성을 Table 1에 나타내었다. 전 강종에서 각각 Cr 18.4%, Ni 8.6%, Mn 1.0%, Si 1.5%, C 0.067%, Ti 0.014%를 목표로 진공용해하였고, 강종별로 N, Nb, W, Ce 함량을 변화시켰다. 화학성분은 습식 분석하였으며, 산소와 질소의 경우에는 따로 핀 샘플을 준비하여 기기분석하였다.
014%를 목표로 진공용해하였고, 강종별로 N, Nb, W, Ce 함량을 변화시켰다. 화학성분은 습식 분석하였으며, 산소와 질소의 경우에는 따로 핀 샘플을 준비하여 기기분석하였다. 시험편 STD에서부터 시험편 7번까지는 N 함유량이 약 0.

대상 데이터

8%급의 고 W재로 하여 W 첨가량도 3단계로 변화시켰다. 응고균열 감수성 평가를 위한 시험편은 4mm 두께의 열간 압연재이다.

성능/효과

1) 용접 중 보호가스에 질소를 첨가함에 따라 상온에서 존재하는 페라이트 양은 감소하였고, 동시에 응고균열 감수성은 증가하였다. 그러나 페라이트양이 대략 FN 10 이상일 경우에는 보호가스 중에 질소를 첨가하여 페라이트 함유량이 감소하면 응고균열 감수성은 저하하는 경향을 나타내었다.
11-Fig. 13은 90%Ar+10%N2 보호가스 중에서 용접한 시험편 STD의 backfilled 영역에서의 EPMA 선분석 결과로서 back filling된 균열 주위에는 S 및 Nb가 현저하게 편석되어 있음을 알 수 있다.
2) 용접부의 현미경 조직관찰 결과 전 강종이 초정 페라이트로 응고하였으나, 고 질소 강종에 있어서는 10%N₂ 보호가스 중에서 용접할 경우, 일부 초정 오스테나이트로 응고한 영역도 존재하였다.
3) Nb의 경우 페라이트양이 대략 FN 2일 때는 페라이트 형성원소로 작용하여 응고균열 감수성을 저하시켰으나, 그 이상의 페라이트가 존재할 때에는 페라이트의 형상이 lathy상으로 되기 때문에 응고균열 감수성을 높이는 경향을 나타내었다.
4) 희토류 원소인 Ce을 첨가하면 응고균열 감수성은 저하하였으나, 용접비드 형상이 불규칙하게 되는 경향이 있었다.
P와 S의 경우 응고시 저융점 화합물 형성하여 응고 균열 발생을 조장하는 원소들로서 본 실험에서 사용한 14강종의 경우 S와 P 함유량이 상용의 오스테나이트계 스테인리스강의 S와 P 함유량은 각각 0.03% 및 0.045%보다도 적고 초정 응고상이 페라이트임에도 불구하고 backfilled 영역에서 상당량이 편석되어 있었다. 한편 S와 P뿐만 아니라 Nb, C, Si도 상당히 편석 되어 있었고, Cr와 W의 경우 backfilled 영역에서 농도가 조금 증가는 경향을 나타내고 있지만, Fe와 Ni의 경우는 backfilled 영역에서 농도가 감소하였다.
균열을 SEM으로 관찰한 결과, 응고균열 파면에는 셀상의 덴드라이트가 존재하였고 이에 따라 균열은 응고 과정 중에 발생한 균열임을 알 수 있었으며 균열은 대부분 backfield균열이었다. Backfilled 균열이란 응고 중 균열이 발생하였으나 풍부한 잔류 액상이 존재하여 균열이 다시 액상으로 채워진 영역에서 발생하는 균열이다.
. 따라서 (a)와 같이 용접시 스트레인이나 응력이큰 경우에는 응고균열 감수성은 페라이트 양에 크게 의존하지만, 비교적 적은 스트레인이나 응력이 가해지는 경우는 페라이트 양보다는 보호가스 중에 질소가 첨가됨에 따른 BTR의 증가에 크게 영향을 받는 것을 알 수 있었다.
연구결과⁴⁾에 의하면 Nb가 첨가되면, Fe-Cr-Nb 공정화합물 액상이 형성되며 이러한 액상이 응고균열 감수성을 증가시킨다는 보고가 있다. 따라서 Nb의 경우도 페라이트 양이 FN 2 이하일 때에는 Nb가 페라이트 형성원소로 작용하여 Nb 첨가에 따라 응고균열 감수성은 감소하였으나, 페라이트 양이 그 이상일 때에는 오히려 응고균열 감수성을 증가시켰다.
도 있다. 따라서 본 실험에서 사용한 14강종의 경우에는 backfilled 영역에서 Nb, C, Si, S, P의 농도가 큰 폭으로 증가하고, Cr의 농도도 약간 증가하며, Ni과 Fe의 농도가 감소하는 것에 기인하여, Nb이 P, Cr, Mn과 함께 저융점 인화물의 형성하는 것과 Nb이 S, Si, Cr, Mn과 함께 저융점 황화물-산화물 개재물을 형성하는 것이 복합적으로 작용하여 응고균열을 조장하는 것으로 사료된다.
즉 이와 같이 용접금속이 FN 10 이상의 페라이트를 함유하는 경우에는 다른 경우와는 달리 응고균열은 용접센터라인 부근의 망목상으로 연결된 lathy 페라이트가 존재하는 영역에서만 발생하였고, 균열의 길이도 다른 강종의 경우와 같이 vermicular 페라이트가 존재하는 영역에서 발생한 균열보다도 훨씬 길었다. 따라서 용접금속이 FN 10 이상의 델타 페라이트를 함유할 때는 응고균열 감수성은 증가하였다. 그러나 이 경우 용접시 보호가스에 질소를 첨가함에 따라 망목상으로 연결된 lathy 페라이트가 vermicular 페라이트로 바뀌면서, 비록 페라이트양은 감소함에도 불구하고 응고균열 감수성 다소 감소하는 경향을 나타내었다.
5에 나타낸 시험편 STD, 1번, 2번과 같이 W 함량이 증가함에 따라 응고균열 감수성이 감소하는 경향은 나타나지 않았다. 따라서 페라이트 양이 대략 FN 2 이하에서는 페라이트 형성원소인 W의 첨가에 따라 응고균열 감수성이 감소하였지만, 그 이상의 페라이트가 존재하거나 Nb이 많이 첨가된 강종에서는 W의 첨가에 따른 응고균열의 감수성 저하는 확인할 수 없었다.
87의 범위이었다. 또한 DeLong 당량식과 조직도를 사용하여 FN을 구한 결과 그 값은 FN 3～12의 범위이었다. 이 표의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이 FN과 100%Ar의 보호가스로 용접하였을 경우, 용접금속의 magne-gage로 직접 측정한 FN을 비교해보면, 강종별로 FN은 비슷한 경향을 나타내었지만, 강종마다의 페라이트양의 정도는 정확하게 예측하기는 힘들었다.
이 그림에서 알 수 있는 바와 같이 vermicular 형태의 페라이트가 존재하였으며, 보호가스 중 질소함량이 증가함에 따라 페라이트양은 감소하였다. 또한 보호가스에 질소를 첨가하지 않았을 경우 lathy 페라이트와 vermicular 페라이트가 혼재하였으나, 보호가스 중에 질소를 첨가함에 따라 lathy 페라이트의 분율은 감소하면서 상대적으로 vermicular 페라이트의 분율을 증가하였으며, 전체적으로 페라이트의 양은 감소하였다.
5(a)와 같이 보호가스가 100%Ar일 때는 W 함량에 따라 응고균열 감수성이 큰 차이를 나타내고 있지 않지만, 보호가스 중에 질소를 첨가함에 따라 W 함량이 많은 시험편 2번의 응고균열 감수성이 현저히 저하하였다. 보호가스 중에 질소를 5% 첨가한 경우에는 저 W 함유량의 시험편 1번과 중 W 함유량의 시험편 STD 사이의 응고균열 감수성에는 큰 차이가 없지만 고 W 함유량의 시험편 2번의 균열 감수성이 가장 낮으며 W은 약 2% 정도 첨가되면 균열 방지에 효과적인 것을 알 수 있다. 이러한 W 함량의 증가에 따른 응고균열 감수성의 저하는 W이 페라이트 안정화 원소로 작용하여 용접부의 페라이트 양이 증가하고 따라서 응고균열 감수성이 저하한 것으로 사료된다.
용접시의 구속도를 변화시키기 위하여 곡률반경이 1.56inch, 3.12inch, 6.25inch인 굽힘 block을 사용하여 부가되는 스트레인을 조절하였고, 그 때 시험편에 부가한 스트레인은 보의 이론으로부터 ε=t/2R (ε:부가스트레인, t:두께, R:곡률반경)의 식에 의해 계산한 결과 각각 5.04%, 2.52%, 1.26%이었다.
1로 다른 강종에 비하여 월등히 많은 페라이트를 함유하고 있으며, 시험편 13번, 5번, 1번 강종의 순으로 적은 양의 페라이트를 함유하고있다. 이 경우 페라이트양이 적은 강종일수록 응고균열 감수성은 증가하였고, 보호 가스 중 질소함량이 증가함에 따라 균열감수성은 증가하였으나, 시험편 10번의 경우 100%Ar 보호가스에서는 비록 다른 강종에 비해 가장 많은 페라이트를 함유에도 불구하고 응고균열 감수성이 약간 높은 편이지만, 보호가스 중에 질소를 첨가함에 따라 델타 페라이트 함유량이 줄어들어 lathy ferrite에서 vermicular ferrite로 되며, 질소를 첨가한 경우와 100%Ar 가스의 경우의 균열 감수성에는 큰 차이가 없었다. 따라서 델타 페라이트 함유량이 FN 10 이상일 경우에는 보호가스 중에 질소를 첨가하는 것이 응고균열 감수성을 낮추는데 효과적임을 알 수 있다.
또한 DeLong 당량식과 조직도를 사용하여 FN을 구한 결과 그 값은 FN 3～12의 범위이었다. 이 표의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이 FN과 100%Ar의 보호가스로 용접하였을 경우, 용접금속의 magne-gage로 직접 측정한 FN을 비교해보면, 강종별로 FN은 비슷한 경향을 나타내었지만, 강종마다의 페라이트양의 정도는 정확하게 예측하기는 힘들었다. 이것은 본 실험에서 사용한 14 강종의 경우 W이 첨가되었고, 강종마다 W의 함량이 달랐으나, DeLong 당량식의 경우 페라이트 안정화 원소인 W의 영향이 포함되지 않기 때문이라고 사료된다.
즉 이와 같이 용접금속이 FN 10 이상의 페라이트를 함유하는 경우에는 다른 경우와는 달리 응고균열은 용접센터라인 부근의 망목상으로 연결된 lathy 페라이트가 존재하는 영역에서만 발생하였고, 균열의 길이도 다른 강종의 경우와 같이 vermicular 페라이트가 존재하는 영역에서 발생한 균열보다도 훨씬 길었다. 따라서 용접금속이 FN 10 이상의 델타 페라이트를 함유할 때는 응고균열 감수성은 증가하였다.
56%로서 비교적 적은 스트레인이 가해진 경우에는 페라이트 양보다는 보호가스 중에 질소를 첨가함에 따라 균열감수성이 크게 증가하였다. 특히 부가 스트레인이 1.26%로서 가장 작을 경우에는 질소 가스를 첨가한 경우에는 100%Ar 가스의 경우에 비해 균열감수성에 현저한 차이가 있었다. 즉 서로 다른 강종에서 용접조건에 따라 비슷한 페라이트 양을 함유할 경우에도 보호가스 중 질소의 유무와 양에 따라 응고균열 감수성은 크게 변하였다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	14종의 오스테나이트계 내열 스테인리스강의 고온균열 감수성을 평가한 연구 결과는?	1) 용접 중 보호가스에 질소를 첨가함에 따라 상온에서 존재하는 페라이트 양은 감소하였고, 동시에 응고균열 감수성은 증가하였다. 그러나 페라이트양이 대략 FN 10 이상일 경우에는 보호가스 중에 질소를 첨가하여 페라이트 함유량이 감소하면 응고균열 감수성은 저하하는 경향을 나타내었다. 2) 용접부의 현미경 조직관찰 결과 전 강종이 초정 페라이트로 응고하였으나, 고 질소 강종에 있어서는 10%N2 보호가스 중에서 용접할 경우, 일부 초정 오스테나이트로 응고한 영역도 존재하였다. 3) Nb의 경우 페라이트양이 대략 FN 2일 때는 페라이트 형성원소로 작용하여 응고균열 감수성을 저하시켰으나, 그 이상의 페라이트가 존재할 때에는 페라이트의 형상이 lathy상으로 되기 때문에 응고균열 감수성을 높이는 경향을 나타내었다. 4) 희토류 원소인 Ce을 첨가하면 응고균열 감수성은 저하하였으나, 용접비드 형상이 불규칙하게 되는 경향이 있었다.
	응고균열 감수성을 평가 시 어떤 시험을 실시하였는가?	응고균열 감수성을 평가하기 위하여 Varestraint 시험을 실시하였다. 이때 용접 중 보호가스를 100%Ar, 95%Ar+5%N2, 90%Ar+10%N2로 질소함량을 단계적으로 변화시켜 용접하였다.
	magne-gage를 사용하여 무엇을 측정하였는가?	Varestraint 시험 후 용접금속을 채취하여 연마한 후 현미경 조직관찰과 SEM, EDX, EPMA 분석하였고, magne-gage를 사용하여 델타 페라이트 양을 측정하였다.

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