Stainless Steel Metallurgy

Published on January 2017 | Categories: Documents | Downloads: 355 | Comments: 0 | Views: 733
of 4
Download PDF   Embed   Report

Comments

Content

제2장 스테인리스강 야금
공업용으로 사용되는 금속들은 특별한 경우를 제외하고는 대부분 합금원소를 첨가하게
되는데, 스테인리스강은 통상의 다른 합금강 대비 많은 합금원소가 첨가 되고 이로 인해
다양한 상이 생성될 수 있다. 스테인리스강에서 생성되는 기본적인 상은 페라이트
(Ferrite), 오스테나이트(Austenite), 마르텐사이트(Martensite)의 세가지 인데, 이들은
단상으로 나올 수 도 있고 복합상으로 나올 수 도 있다. 본장에서는 합금원소의 효과와
합금원소 첨가에 따른 야금학적 변화에 대해 설명할 것이다.

강(Steel)에는 강도나 내식성, 내열성, 내마모성 등의 성질을 개선 시키기 위해 탄소(C)
나 망간(Mn), 니켈(Ni), 몰리(Mo), 크롬(Cr), 실리콘(Si)등의 다양한 종류의 합금원소
를 첨가하는데 그 양은 황(S), 산소(O), 인(P)등과 같은 불순원소를 포함해도 5%를 넘
지 않은 경우가 일반적이다. 반면 스테인리스강은 Cr의 한가지 성분만 해도 최소 11%
이상 들어 있고, 400계 일부 스테인리스를 제외하고는 열역학적으로 의미를 가질 수 있
을 만큼의 다른 합금원소도 가지고 있다. 이런 합금원소 첨가로 인해 스테인리스강에는
다양한 종류의 안정적인 상을 동시에 가질 수 있다.
대부분의 스테인리스강은 최초 목표로 했던 상 이외에 다른 상들이 나타날 경우 조직
의 불균질에 따라 내식성이나 기계적 성질이 나빠지게 된다. 최초 제강사와 같은 제조사
에서 생산된 제품은 엄격한 화학성분과 열관리를 통해 목적하고자 하는 상을 가진 제품
을 공급하게 되지만 이후 추가적인 열처리나 용접과 같은 공정 등으로 부적절한 상이 만
들어져 성능을 떨어뜨릴 수 있다. 이를 방지 하기 위해서는 상의 형성 과정에 대한 이해
가 필요하고 어떻게 하면 그런 상이 생성되지 않는지에 대해 잘 이해할 필요가 있다.

1.

스테인리스강의 응고와 상변태(Phase Transformations)

스테인리스강이 응고 온도 이하로 냉각되면 최초 수지상정(Dendrite)의 형상으로 응고
되는데, 이 수지 상정은 성분에 따라 최초 오스테나이트상으로 형성 될 수도 있고, 페라
이트상으로 형성 될 수도 있다. 오스테나이트나 페라이트와 같은 초상이 생성되더라도
최종 응고부는 편석에 의해 초상과 다른 상이 생성될 수 있다. 그리고 응고에 의해 상
형성이 완료된 고상상태에서도 성분에 따라 고상 변태(Solid state transformation)가
일어나 초상과 완전히 다른 상이 생성 될 수 있다.
스테인리스강이 응고시 어떤 상이 생성되는 가를 나타내는 것이 응고모드
(Solidification mode)인데, 이 응고모드는 주어진 성분과 온도에 따라 A, AF, FA, F의
4가지 응고모드로 구분한다. 초상이 오스테나이트상으로 응고 되고 이후 냉각에도 상변
태 없이 상온까지 오스테나이트상이 이어지는 것을 A 응고모드 라고 하고 STS 310이
대표적이다. 초상이 오스테나이트 이지만 오스테나이트 결정입계과 아결정(sub-grain)
입계에서 공정 반응에 의해 페라이트상이 형성되는 것을 AF 응고모드라고 하고 STS
316에서 자주 관찰된다. 반대로 초상이 페라이트상이었다가 페라이트 결정입계와 아결
정입계에서 오스테나이트상이 형성되는 것을 FA 응고모드라고 한다. FA 응고모드에서
페라이트상이 고상 상변태에 의해 모두 오스테나이트로 바뀌기도 하는데 대표적인 재질

인 STS 304이다. 마지막으로 F 응고모드는 초상이 페라이트상으로 형성되어 응고완료
까지도 페라이트상이 유지되는 것으로 페라이트계 스테인리스강과 이상 스테인리스강에
서 관찰된다. 그림 xxx는 스테인리스강의 주요 성분이 Cr과 Ni의 함량 변화에 따른 응
고모드 변화를 나타낸 상태도이다. 그림에서 보는 것처럼, Ni 또는 Ni 당량이 높을수록
A 응고모드가 되고, Cr 또는 Cr 당량이 높을수록 F 응고모드가 됨을 알 수 있다.

그림 2-1 Fe-Cr-Ni Pseudobinary 상태도 (Fe는 70%) (출처 : AWS Welding Handbook,
Materials and Application, Part 2)

스테인리스강은 응고온도 이하인 고상 상태에서도 변태가 진행될 수다. 대부분이 페라
이트에서 오스테나이트 형태로 진행되는데 이상 스테인리스강을 예를 들어 설명하면
다음과 같다. 그림 xxx에서 보는 것과 같이 22Cr 이상 스테인리스강은 최초 페라이트
상으로 100% 응고되는데 온도가 내려 갈수록 이 페라이트상이 오스테나이트상으로 변
태되면서 오스테나이트상이 많아지게 된다. 이상 스테인리스강의 상분율 목표는 오스테
나이트와 페라이트가 50:50이 되는 것이므로 너무 낮은 온도까지 서냉을 시키게 되면
한쪽 상이 과다해 지거나 이차상이 생성되어 적절한 상분율을 얻을 수 없게 된다. 그림
XXX 상으로는 약 1,000~1,100℃ 이하에서는 충분한 냉각속도를 가져야 상온에서 적
절한 이상(Dual phase)의 상태로 남게 된다. 실제 이상 스테인리스강을 제조시 어닐링
(Annealing) 온도를 950~1,100℃ 정도의 좁은 영역에서 실시하게 되는데, 이는 적절
한 상분율을 얻기 위한 조치 이다. 그림 xxx는 적절한 상분율 가진 이상 스테인리스강
의 조직 사진으로 어둡게 에칭된 부분이 페라이트상이고, 밝게 에칭된 부분이 오스테나

이트상이다.

그림 2-2 온도에 따른 22Cr 이상스테인리스강의 상분율 (출처 : Handbook of Stainless Steel –
Outokumpu)

그림 2-3 이상 스테인리스강의 조직 사진(어둡게 에칭된 부분이 페라이트상이고, 밝게 에칭된 부
분이 오스테나이트상) (출처 : Handbook of Stainless Steel – Outokumpu)

이상 스테인리스강과 달리 페라이트 스테인리스강은 페라이트 단상으로 응고가 완료된
후에 온도가 내려가더라도 고상 변태가 생기지 않아 상온에서도 응고시 생성된 조직이
그대로 존재하게 된다. 단상을 가지 스테인리스강의 경우 상대적으로 결정립 방해 요소
가 작아 가열시 결정립 조대화가 쉬워진다. 그래서 페라이트 스테인리스강은 통상 750
~ 1,000℃ 정도의 비교적 낮은 온도에서 어닐링을 실시해서 결정립의 과대한 성장을 예
방하게 된다.

2.

스테인리스강의 기본 상(Phase)

스테인리스강은 Fe를 기본성분으로 Cr을 첨가한 것이다. Fe-Cr의 상태도(그림 2-1
참조)를 보면 BCC 구조인 페라이트와 FCC 구조인 오스테나이트가 함께 있지만 그 형
태와 크기는 Fe-C 상태도와는 상이하다. 이는 페라이트 안정화 원소인 Cr이 오스테나
이트 형성 영역을 좁게 하여 오스테나이트상의 생성을 억제하기 때문인데, Cr 함량이 약
12% 이상이 되면 응고온도에서부터 상온까지 페라이트 단상 조직이 나타나고 변태는
일어나지 않는다.
오스테나이트상을 쉽게 가지기 위해서는 오스테나이트 형성 영역을 넓혀야 하는데, 통
산 Ni이나 Mn과 같은 치환형 오스테나이트 안정화 원소는 대부분 확산속도가 느리기
때문에 이들을 첨가하면 전 온도 구간에서 오스테나이트 조직을 안정되게 유지 시킬 수
있다. 스테인리스강에서 오스테나이트상을 생성 시키기 위해 주로 Ni을 첨가하게 되는데
첨가되는 Ni의 함량은 참가되는 다른 합금 원소량을 고려해서 결정되게 된다. 가령 17%
Cr이 첨가된 강의 경우 충분한 오스테나이트상을 형성 시키기 위해서는 7% 정도의 Ni
이 필요하고, 26% Cr이 첨가될 경우 20% 정도로 필요한 Ni이 양이 증가하게 된다. Ni
은 가격이 비싸기 합금원소이기 때문에 N와 같은 대체 합금 원소 첨가를 통해 양을 줄
이기도 한다.
마르텐사이트계 스테인리스강은 오스테나이트계 스테인리스강 만큼의 안정한 오스테나

Sponsor Documents

Or use your account on DocShare.tips

Hide

Forgot your password?

Or register your new account on DocShare.tips

Hide

Lost your password? Please enter your email address. You will receive a link to create a new password.

Back to log-in

Close