스테인리스강의 열처리
1. 기술의 개요
□ 스테인리스강은 11% 이상의 Cr을 함유하는 철계 합금으로서 다른 재료와 동일하게 강도, 가공성, 내식성 등과 같은 특성을 개선하기 위해열처리를 실시한다. 어닐링, 퀜칭, 템퍼링 등과 같이 탄소강과 동일하게열처리가 있는데, 스테인리스강에 있어서는 주요한 구성원소인 Cr과 C의 반응이 열처리 후의 특성에 큰 영향을 미친다. 오스테나이트계, 페라이트계, 마르텐사이트계 스테인리스강에 대하여 JIS에 기재된 열처리와 기계적 성질, 그리고 Cr과 C의 반응이 열처리에 미치는 영향 등에대하여 정리하였다.
２. 오스테나이트계 스테인리스강의 열처리
□ 고용화 열처리
○ 고용화 열처리는 전공정(前工程)에서 생성된 탄화물, 마르텐사이트,변형 등을 없애 오스테나이트 단상으로 만들어서 내식성과 가공성이우수한 스테인리스강을 만드는 열처리이며, JIS에 규정된 오스테나이트계 스테인리스강 중 일부 재료의 고용화 열처리 조건과 기계적 성질을 <표 1>에 정리하였다(1∼5번). 열처리 온도는 대부분이 1,010∼1,150℃이며 일부 스테인리스강은 열처리의 하한 온도가 900℃대에달하는 경우도 있다. 고온에서 대부분의 C는 강 중에 많이 고용되어있어서 탄화물이 분해하기 쉬워진다. 그런데 Ti과 Nb는 C와 친화력이 강하여 안정한 탄화물을 만들기 때문에 이 경우 고용되어 있는탄소량은 공칭 함유량보다 현저히 감소하게 된다. 따라서 SUS316Ti,SUS321, SUS347과 같이 Ti, Nb가 안정화 원소로 첨가된 스테인리스강은 오스테나이트상에 고용된 실제의 탄소량이 작아져서 900℃대에서도 Cr 탄화물이 소실될 수 있어 고용화 열처리를 할 수 있다.
<표 1> 스테인리스강의 열처리와 기계적 성질
○ 오스테나이트상은 페라이트상보다 많은 양의 C를 고용할 수 있으나온도가 800℃에 이르면 C의 고용량이 0.01%로 되어 냉각과정에서 탄화물이 석출하기 쉬운 상태가 된다. 실제로 박판 재료를 공기 중에서냉각을 하면 800℃의 상태가 100초 동안 유지되면서 탄화물이 석출하게 되므로, 이를 막기 위해서는 기름 속에서 냉각을 해야 한다. 냉각과정에서 탄화물이 석출되면 근방의 Cr 농도가 낮아지고 이러한Cr 결핍층에서 국소적으로 부식이 일어나기 쉬워져 결과적으로 스테인리스강의 내식성을 현저하게 저하시킨다. 따라서 C을 고용하는 열처리 후 Cr 탄화물이 결정립계에 석출되지 않도록 급랭하는 것이 필수적이다.
□ 안정화 열처리
○ 스테인리스강을 용접하는 과정에서 증가되는 고용탄소를 Cr보다 C와 친화력이 강한 Ti과 Nb 등과 반응시켜 고용탄소량을 낮추는 열처리기술이다. SUS321과 SUS347은 Ti과 Nb 등의 안정화 원소가 첨가되어 C을 고정시키고 고용탄소를 낮게 해주는데 고온의 상태가 되면 TiC과 NbC도 분해 되면서 고용탄소량이 증가하게 된다.
○ 안정화 열처리에서는 Cr 탄화물이 석출되기 어려운 온도(850℃ 이상)와 TiC과 NbC가 충분히 석출하여 고용탄소를 저하시키는 온도(930℃ 이하)에서 장시간(판 두께 25mm당 1∼2시간) 유지하여 고용탄소를 낮춘다. 그리고 대형구조물과 복잡한 형상의 물건의 경우에는 응
력제거를 겸해서 열처리를 실시한다.
□ 응력제거 열처리
○ 용접하는 과정에서 발생하는 잔류응력을 제거하여 스테인리스강 용접부의 응력부식균열(SCC)의 위험성을 낮추기 위해 실시하는 열처리이다. 오스테나이트계 스테인리스강을 해수와 같이 염소이온이 존재하는 환경에서 인장응력이 부하되는 상태에서 사용하면 응력부식균열이 발생하여 단시간에 파단을 일으킨다.
○ 400∼550℃의 낮은 온도에서 잔류응력을 완화시켜 내응력부식균열을개선할 수 있다. 응력제거를 목적으로 하는 열처리 후에는 서랭이 필
요하나 이 경우 탄화물이 석출하여 입계부식감수성이 높게 될 수 있으며, 또한 열처리에 의해 Cr 탄화물의 입계석출과 σ상의 생성 등으로 내식성을 열화시키는 조직변화가 일어나게 된다. 따라서 응력제거열처리를 하는 경우에는 스테인리스강의 종류와 사용 환경을 면밀히검토하여 열처리 조건을 선정할 필요가 있다.
□ 응력완화 열처리
○ 냉간에서 가공 경화되어 준안정 상태에 있는 SUS301과 SUS304와 같은 오스테나이트계 스테인리스강을 저온에서 가열하여 압연과정에
발생한 잔류응력을 완화시켜서 재료의 탄력특성을 개선하는 열처리이다.
○ 압연재를 가열하면 0.1% 정도 수축되고 형상변화가 발생하며, 이 과정에서 이동전위가 C, N과 결합하여 이동이 어렵게 되고 탄성비례한도가 향상하여 탄성특성이 개선된다. 인장응력이 걸린 상태에서 이열처리를 실시하면 재료의 형상이 교정되는데 이를 인장어닐링
(tension annealing)이라 하며 릴레이 등의 정밀 전자부품에 사용되는탄성재에 실시한다.
3. 페라이트계 스테인리스강의 열처리
□ 어닐링 열처리
○ 어닐링은 전 공정에서 발생한 변형과 응력을 제거하고 우수한 내식성과 가공성을 확보하기 위해 실시하는 열처리이며, JIS에 규정된 페라이트계 스테인리스강 중 일부 재료의 어닐링 열처리 조건과 기계적 성질을 <표 1>에 정리하였다(6∼8번). 열처리 온도는 2종류가 있다. 상한온도가 850℃인 SUS430과 SUS434는 850℃보다 높은 온도가되면 오스테나이트상이 생성되고, 상한온도가 1050℃인 SUS447J1은 어느 온도에서도 오스테나이트상이 생성되지 않는다.
○ 페라이트상은 C의 고용한도가 낮아서 850℃ 이하에서는 Cr 탄화물을 많이 함유하는 페라이트로 되며, 냉각과정에서 Cr 탄화물이 생성될위험이 없기 때문에 서랭을 할 수 있다. 900℃ 이상이 되면 페라이트상에도 C이 제법 고용되어 냉각과정에서 결정립계에 Cr 탄화물이 석출하여 내식성이 현저하게 떨어진다.
○ 고온에서 열처리하는 스테인리스강에는 Ti과 Nb와 같이 C와 친화력이 강한 안정한 원소를 첨가하여 냉각과정에서 Cr 탄화물이 석출되는 것을 막아야 한다. 가열온도가 1050℃을 넘으면 TiC과 NbC가 분해되기 시작하고 결정립의 조대화와 고용탄소량의 증대에 따라 스테인리스강이 현저하게 취화되며 내식성도 떨어진다. 가열 후에 서랭을하면 탄화물의 석출 등에 의해 연신율이 저하되므로 급랭을 할 필요가 있다.
4. 마르텐사이트계 스테인리스강의 열처리
□ 어닐링 열처리
○ 어닐링은 전 공정에서 발생한 변형과 조직적 불균일성을 제거하고 연질(軟質)에서 기계가공과 냉간가공에 적합한 상태를 확보하기 위해실시하는 열처리이며, JIS에 규정된 마르텐사이트계 스테인리스강 중 일부 재료의 어닐링 열처리 조건과 기계적 성질을 <표 1>에 정리하였다(9∼11번).
○ SUS403과 SUS410은 완전어닐링과 저온어닐링의 2종류를 실시한다.
- 완전어닐링은 오스테나이트의 변태개시온도(A1)보다 50∼100℃ 정도가 높은 800∼900℃의 높은 온도에서 가열하여 조직을 오스테나이트화하여 조성을 균질화시킨 후 600℃까지 서랭하여 페라이트와 탄화물로 완전하게 변태시키는 열처리이다. 고온에서 오스테나이트 단상(탄화물 함유)으로 유지되며 확산에 의해 응고편석된 것이 소실되면서 조직적으로 균일하게 할 수 있으며 열간가공 등에 사용된다.
- 저온어닐링은 A1 온도 바로 아래인 750℃의 페라이트＋탄화물 영역에서 재결정하여 가공성을 회복시키는 열처리이며 냉간가공 도중의연화에 적합한 방법이다.
○ Ni을 함유하는 SUS431은 오스테나이트에서 페라이트＋탄화물의 변태가 현저히 지연되기 때문에 완전어닐링은 효과가 없으며 일단 퀜칭을 한 후 변태점 바로 아래에서 가열하여 마르텐사이트에서 페라이트＋탄화물로 변태시키는 2단계 어닐링법이 지정되어 있다.
□ 퀜칭/템퍼링 열처리
○ 퀜칭은 필요한 고강도를 얻기 위하여 오스테나이트화한 후 마르텐사이트로 변태시키는 열처리이다. 변태개시온도 이상으로 가열하여 오스테나이트상이 생성되면 대부분의 Cr 탄화물은 분해 된다. C은 빠르게 확산할 수 있으나 Cr의 확산에는 시간이 필요하며, 확산시간이 충분하지 않으면 퀜칭을 하더라도 균일한 마르텐사이트 조직이 얻어지지 않고 템퍼링 후에도 인성을 얻을 수 없다. 따라서 가열의 유지 시간을 충분히 해주고 가열의 유지온도를 높여서 오스테나이트 중의 탄소고용량과 확산속도를 증대시켜 성분을 균일화시킨다.
한편 고용탄소는 마르텐사이트의 변태개시온도를 낮추며 특히 고온에서 가열되면 오스테나이트에 잔류하여 경도를 떨어뜨린다. 잔류 오스테나이트는 인성을 떨어뜨리므로 이를 막기 위해 서브제로처리를 실시한다.
○ 퀜칭을 마친 마르텐사이트계 스테인리스강은 경도가 매우 높은 반면에 인성이 매우 나쁜 취성의 상태를 보임에 따라 경도를 다소 희생시키면서 용도에 필요한 인성을 얻을 목적으로 템퍼링 열처리를 행한다. 열처리 온도는 100∼250℃에서 행하는 저온 템퍼링과 600∼750℃에서 행하는 고온 템퍼링이 있다. 저온 템퍼링은 경도가 중요시 되는 경우에 실시하며 내부응력을 완화시켜 주고 취성을 경감시켜준다.
고온 템퍼링은 인성이 중요시되는 경우에 실시하며 마르텐사이트가 분해 되어 미세한 탄화물을 석출함으로써 재료의 충격치와 비틀림 강도 등을 개선시켜준다. 만일 400∼550℃의 중간 온도에서 템퍼링을 실시하면 재료가 취화되고 내응력부식균열성이 떨어지므로 이 온도 구간에서는 템퍼링을 피해야 한다.
-전문가 제언-
□ 스테인리스강은 내식성과 내열성 등의 특성이 우수하여 원자력산업, 화력발전, 석유화학, 자동차, 토목․건축 등 다양한 분야에서 광범위하게 활용되고 있으며 스테인리스강 소재를 이용하여 기계류 부품이나 장치 를 설계 및 제작할 때 강도, 가공성, 내식성 등과 같은 품질특성을 확보를 위해 어닐링, 퀜칭, 템퍼링 등과 같은 열처리를 실시한다.
□ 용접으로 스테인리스강 구조물을 제작하는 경우, 용접과정에서 발생한 잔류응력을 제거하여 스테인리스강 용접부의 응력부식균열의 위험성을 낮추기 위해 응력제거 어닐링 열처리를 실시하는데 이 과정에서 결함이 발생하면 제품과 환경에 치명적인 영향을 미치므로 따라서 스테인리스강 용접부에 응력제거 열처리를 하는 경우에는 스테인리스강의 종류와 사용 환경을 면밀히 검토하여 열처리 조건을 선정하는 것이 중요하다.
□ 동일한 계통의 스테인리스강 용접부에 대한 후열처리 시공은 본문에서 해설한 열처리 내용을 참고 자료로 활용할 수 있을 것으로 생각된다.
한편 스테인리스강＋탄소강, 또는 스테인리스강＋합금강 등과 같은 이종재료 용접부에 대하여 후열처리 시공을 실시하는 경우에는 스테인리스강의 특성을 저하시키지 않도록 세심한 주의가 필요하다.
□ 자동차, 석유화학, 에너지 플랜트 등의 국제경쟁력을 확보하기 위해서는 부가가치가 높은 스테인리스강 구조물의 제작에 대한 기술력의 확가 이루어져야 하며 특히 2상계, 석출경화계, 페라이트계 STS444 등 과 같은 특수 스테인리스강의 적정 용접조건 설정과 용접후열처리 기
준 등의 용접시공 기술을 종합적으로 개발해야 한다.
[출처 : www.reseat.re.kr]
