마르텐사이트 및 듀플렉스 스테인리스 스틸의 완벽한 용접

1. 마르텐사이트 스테인리스강이란 무엇인가요?

마르텐사이트계 스테인리스강은 상온에서 마르텐사이트 결정 구조가 특징인 독특한 종류의 철 합금입니다. 이 미세 구조는 오스테나이트 상에서 급속 냉각(담금질)을 통해 단단하고 전이 가능한 구조를 만들어냅니다. 마르텐사이트계 스테인리스강의 특징은 열처리 공정을 통해 기계적 특성에 큰 변화를 일으킬 수 있다는 점입니다.

이러한 합금은 오스테나이트화, 담금질, 템퍼링의 세심하게 제어된 열처리 주기를 통해 달성되는 경화성으로 유명합니다. 이 공정을 통해 경도, 강도, 인성 등의 특성을 특정 애플리케이션 요구 사항에 맞게 조정할 수 있습니다.

마르텐사이트계 스테인리스강에는 일반적으로 내식성을 제공하는 11.5-18% 크롬과 마르텐사이트 형성을 가능하게 하고 경화성에 기여하는 0-1.2% 탄소가 함유되어 있습니다. 일부 등급에는 특정 특성을 향상시키기 위해 소량의 니켈, 몰리브덴 또는 바나듐이 포함될 수도 있습니다.

마르텐사이트 스테인리스 스틸의 일반적인 등급은 다음과 같습니다:

• 1Cr13, 2Cr13, 3Cr13, 4Cr13: 이 등급에는 ~13% 크롬과 함께 탄소(0.1~0.4%)의 양이 증가하여 다양한 경도와 내식성을 제공합니다.
• 3Cr13Mo: 3Cr13과 유사하지만 몰리브덴이 추가되어 내식성이 향상되었습니다.
• 1Cr17Ni2, 2Cr13Ni2: 니켈을 함유하여 인성과 내식성을 강화했습니다.
• 9Cr18: 내식성이 우수하고 경화성이 중간 정도인 고크롬 등급입니다.
• 9Cr18MoV: 몰리브덴과 바나듐이 첨가된 고급 등급으로 고온에서 뛰어난 강도와 내마모성을 제공합니다.

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2. 일반적인 용접 방법

마르텐사이트 스테인리스 스틸은 다양한 전기 아크 용접 기술을 사용하여 용접할 수 있으며, 각 기술은 적용 분야와 원하는 결과에 따라 특정 이점을 제공합니다.

스틱 용접이라고도 하는 차폐 금속 아크 용접(SMAW)은 다용도성과 비용 효율성으로 인해 여전히 주요 방법으로 사용되고 있습니다. 그러나 최근에는 이산화탄소 차폐 가스를 사용하는 가스 금속 아크 용접(GMAW) 또는 아르곤-이산화탄소 혼합 차폐 가스를 사용하는 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)과 같은 고급 공정이 각광받고 있습니다. 이러한 방법은 용접 풀의 수소 함량을 크게 줄여 열 영향 구역(HAZ)에서 수소로 인한 냉간 균열의 위험을 최소화합니다.

최적의 결과를 위해 마르텐사이트계 스테인리스강을 용접할 때는 예열 및 용접 후 열처리가 필요한 경우가 많습니다. 200-300°C(392-572°F)로 예열하면 냉각 속도와 열 응력을 줄이는 데 도움이 되며, 650-750°C(1202-1382°F)에서 용접 후 열처리를 하면 잔류 응력을 완화하고 마르텐사이트 구조를 강화하여 용접의 기계적 특성과 내식성을 향상시킬 수 있습니다.

필러 금속을 선택할 때는 모재와 거의 일치하거나 약간 오버매칭 강도를 제공하는 구성을 선택하는 것이 중요합니다. 저수소 전극(E410 또는 E410NiMo)은 SMAW에 선호되는 반면, ER410 또는 ER410NiMo 와이어는 GMAW 및 GTAW 공정에 적합합니다.

레이저 빔 용접(LBW) 및 전자 빔 용접(EBW)과 같은 새로운 기술도 마르텐사이트 스테인리스강 접합에 가능성을 보이고 있으며, 높은 정밀도와 최소한의 열 입력으로 얇은 섹션이나 열에 민감한 부품에 유리할 수 있습니다.

3. 일반적인 용접 재료

(1) Cr13 마르텐사이트 스테인리스 스틸 전극 및 와이어

일반적으로 용접에 더 높은 강도가 필요한 경우, Cr13 마르텐사이트계 스테인리스 스틸 용접 봉과 와이어는 용접 금속의 화학 성분을 모재와 유사하게 만들기 위해 사용되지만, 이는 냉간 균열의 가능성을 높입니다.

고려 사항:

a. 용접 전 예열이 필요하며 475°C에서 취성을 방지하기 위해 온도가 450°C를 넘지 않아야 합니다.

용접 후 열처리를 수행해야 합니다.

온도가 150-200°C로 냉각되면 용접 후 열처리를 2시간 동안 수행하여 모든 부품이 변형될 수 있도록 해야 합니다. 오스테나이트 를 마르텐사이트로 만든 다음, 온도를 730~790°C로 올리는 고온 템퍼링 과정을 거칩니다.

유지 시간은 판 두께 1mm당 10분이지만 2시간 이상이어야 하며, 마지막으로 공랭식 냉각을 해야 합니다.

b. 균열을 방지하기 위해 용접봉과 와이어의 S 및 P 함량은 0.015% 미만이어야 하며, Si 함량은 0.3%를 초과하지 않아야 합니다.

Si 함량이 증가하면 조인트의 가소성을 감소시키는 거친 1차 페라이트가 형성될 수 있습니다.

그리고 탄소 함량 는 일반적으로 모재보다 낮아야 하며, 이는 경화성을 감소시킬 수 있습니다.

(2) Cr Ni 오스테나이트 스테인리스 스틸 전극 및 와이어

Cr Ni 오스테나이트강의 용접 금속은 높은 수준의 가소성을 가지고 있어 열 영향 영역에서 마르텐사이트 변환 중에 발생하는 응력을 완화할 수 있습니다.

또한 Cr Ni 오스테 나이트 계 스테인리스 강 유형 용접은 수소에 대한 용해도가 높기 때문에 용접 금속에서 열 영향 영역으로의 수소 확산을 줄이고 효과적으로 다음을 방지 할 수 있습니다. 차가운 균열이므로 예열이 필요하지 않습니다.

그러나 용접의 강도는 상대적으로 낮고 용접 후 열처리를 통해 향상시킬 수 없습니다.

4. 공통 용접 문제

(1) 용접 냉간 균열

마르텐사이트 계 스테인리스 스틸은 크롬 함량이 높아 경화 능력이 크게 향상됩니다.

용접 전 초기 상태에 관계없이 용접은 항상 다음과 같은 결과를 초래합니다. 마텐사이트 솔기 근처.

경화 경향이 증가함에 따라 조인트는 특히 수소가 존재할 때 냉간 균열이 발생하기 쉽습니다. 이러한 조건에서 마르텐사이트계 스테인리스강은 또한 위험한 수소로 인한 지연 균열이 발생하기 쉽습니다.

M용이합니다:

• 와이어 에너지가 높은 용접 전류는 냉각 속도를 저하시킬 수 있습니다.
• 강종에 따라 인터패스 온도가 다르며, 이는 예열 온도.
• 용접 후 150-200°C로 천천히 냉각한 다음 용접 후 열처리를 통해 용접을 제거해야 합니다. 잔류 스트레스를 사용하여 관절의 확산 가능한 수소를 제거하고 관절의 구조와 특성을 개선합니다.

(2) 열 영향 영역의 취성화

마르텐사이트계 스테인리스강, 특히 페라이트 형성 원소 함량이 높은 스테인리스강은 입자 성장 경향이 더 높습니다.

냉각 속도가 느리면 용접 열 영향 구역(HAZ)에 거친 페라이트와 카바이드가 형성될 수 있고, 냉각 속도가 빠르면 HAZ에 경화 및 거친 마르텐사이트가 형성될 수 있습니다.

이러한 거친 구조는 마르텐사이트 스테인리스 스틸의 가소성과 인성을 감소시켜 부서지기 쉽습니다.

대응책:

• 적절한 냉각 속도를 유지합니다;
• 적절한 예열 온도 선택. 이 임계값 이상의 고온에 장시간 노출되면 475°C에서 취성이 발생할 수 있으므로 예열 온도는 450°C를 초과하지 않아야 합니다.
• 용접 재료를 현명하게 선택하여 용접의 구성을 조정하고 용접 시 거친 페라이트의 존재를 최소화합니다.

5. 용접 프로세스

1) 용접 전 예열

용접 전 예열은 냉간 균열을 방지하고 용접물의 구조적 무결성을 보장하기 위한 중요한 기술입니다. 이 프로세스는 열 영향 구역(HAZ)의 냉각 속도를 줄이고 잔류 응력을 최소화하여 수소로 인한 균열의 위험을 완화합니다.

탄소 함량이 0.1%~0.2%인 강철의 경우, 권장 예열 온도는 일반적으로 200°C~260°C(392°F~500°F) 범위입니다. 이 온도 범위는 수분을 제거하고 용접부와 모재 사이의 열 구배를 줄이기에 충분합니다.

고강도 강재, 특히 항복 강도가 690MPa(100ksi)를 초과하는 고강도 강재는 더 높은 예열 온도가 필요한 경우가 많습니다. 이러한 소재의 경우 400°C ~ 450°C(752°F ~ 842°F) 사이의 온도로 예열하는 것이 일반적입니다. 이 높은 온도 범위는 냉각 속도를 더욱 낮추고 HAZ에서 딱딱하고 부서지기 쉬운 미세 구조의 형성을 관리하는 데 도움이 됩니다.

최적의 예열 온도는 탄소 함량뿐만 아니라 다른 합금 원소, 단면 두께, 주변 온도 및 사용 중인 특정 용접 공정에 따라 달라진다는 점에 유의해야 합니다. 용접 엔지니어는 관련 표준(예: AWS D1.1 또는 ISO 13916)을 참조하고 필요한 계산(예: 탄소 환산)을 수행하여 각 애플리케이션에 가장 적합한 예열 체제를 결정해야 합니다.

2) 용접 후 냉각

용접 후 냉각은 용접 공정에서 특히 고강도 강재와 두꺼운 섹션의 경우 매우 중요한 단계입니다. 용접 중에 형성된 오스테나이트가 완전히 변형되지 않았을 수 있으므로 용접 온도에서 템퍼링 온도까지 용접물을 직접 가열해서는 안 됩니다.

용접 후 즉시 가열 및 템퍼링하면 몇 가지 해로운 결과를 초래할 수 있습니다:

1. 오스테나이트 결정립 경계를 따라 카바이드 침전
2. 오스테나이트에서 펄라이트로의 전환
3. 거친 입자 구조의 형성

이러한 미세 구조적 변화는 용접물의 인성과 전반적인 기계적 특성을 크게 감소시킵니다.

이러한 문제를 완화하려면 제어된 냉각 프로세스가 필수적입니다:

1. 저강도 용접의 경우:

• 실온으로 식히기
• 템퍼링 처리 진행

2. 고강도 및 두꺼운 용접에 적합합니다:

• 100-150°C(212-302°F)로 식히기
• 이 온도에서 0.5~1시간(담금 기간) 동안 유지합니다.
• 적절한 템퍼링 온도로 가열

이 제어된 냉각 프로세스는 이를 보장합니다:

• 용접 및 열 영향 구역(HAZ)의 오스테나이트는 크게 분해됩니다.
• 잔여 스트레스가 부분적으로 완화됩니다.
• 수소 확산을 촉진하여 수소로 인한 균열의 위험을 줄입니다.

특정 냉각 속도와 중간 유지 온도는 재료 구성, 단면 두께, 원하는 기계적 특성에 따라 달라질 수 있습니다. 최적의 결과를 얻으려면 용접 절차 사양(WPS)을 따르거나 야금 전문가와 상담하는 것이 중요합니다.

경우에 따라 강제 공기 냉각이나 담금질과 같은 고급 냉각 기술을 사용할 수도 있지만, 왜곡이나 균열과 같은 새로운 문제가 발생하지 않도록 주의 깊게 제어해야 합니다.

3) 용접 후 열처리

용접 후 열처리(PWHT)는 용접 부품의 기계적 특성과 구조적 무결성을 최적화하기 위해 설계된 중요한 공정입니다. 주요 목표는 용접 및 열 영향 영역(HAZ)의 경도를 낮추고, 연성과 인성을 향상시키며, 용접 잔류 응력을 완화하는 것입니다.

PWHT에는 일반적으로 템퍼링과 완전 어닐링이라는 두 가지 주요 공정이 포함됩니다. 템퍼링의 경우 권장 온도 범위는 650-750°C(1202-1382°F)입니다. 이 온도에서 약 1시간 동안 부품을 유지한 다음 공기 냉각을 제어해야 합니다. 이 과정을 통해 강도와 연성 사이의 균형을 유지하면서 내부 응력을 효과적으로 완화할 수 있습니다.

용접 후 가공이 필요한 경우, 최소 경도와 최대 가공성을 달성하기 위해 완전 어닐링을 사용할 수 있습니다. 어닐링 공정에는 용접물을 830~880°C(1526~1616°F)의 온도 범위로 가열하고 이 온도를 2시간 동안 유지하는 과정이 포함됩니다. 그 후 부품은 595°C(1103°F)까지 천천히 용광로 냉각을 거친 다음 실온으로 공기 냉각을 거칩니다. 이렇게 제어된 냉각 속도는 원하는 미세 구조와 특성을 달성하는 데 매우 중요합니다.

특정 PWHT 매개변수는 재료 구성, 단면 두께, 서비스 요구사항 등의 요인에 따라 달라질 수 있다는 점에 유의하세요. 중요한 애플리케이션의 경우 관련 산업 표준(예: ASME BPVC 섹션 IX)을 참조하고 기계적 테스트를 수행하여 열처리 공정의 효과를 검증하는 것이 좋습니다.

4) 용접봉 선택

마르텐사이트 계 스테인리스강용 용접 전극의 선택은 매우 중요하며 크롬 스테인리스강 전극과 크롬-니켈 오스테나이트 계 스테인리스강 전극의 두 가지 주요 범주에 속합니다. 이러한 선택은 용접의 기계적 특성, 내식성 및 전반적인 무결성에 큰 영향을 미칩니다.

E410-15(AWS A5.4) 또는 E410-16과 같은 크롬 스테인리스 스틸 전극이 일반적으로 사용됩니다. 중국 표준 E1-13-15(G207) 및 E1-13-16(G202)에 각각 해당하는 이 전극은 강도가 우수하고 내식성이 중간 정도입니다. 특히 모재 금속 구성이 일치해야 할 때 적합합니다.

향상된 연성 및 내식성이 필요한 애플리케이션의 경우 크롬-니켈 오스테나이트 스테인리스 스틸 전극이 선호됩니다. 인기 있는 선택지는 다음과 같습니다:

1. E308-16/E308L-16(AWS A5.4), E0-19-10-16(A102)과 동급
2. E308-15/E308L-15(AWS A5.4), E0-19-10-15(A107)와 동급
3. E316-16/E316L-16(AWS A5.4), E0-18-12Mo2-16(A202)과 동급
4. E316-15/E316L-15(AWS A5.4), E0-18-12Mo2-15(A207)와 동급

"L" 등급 전극(예: 308L, 316L)은 탄소 함량이 낮아 감작의 위험을 줄이고 고온 서비스에서 입계 부식에 대한 내성을 향상시킵니다.

이러한 전극 중 선택은 다음과 같은 요인에 따라 달라집니다:

• 서비스 환경(예: 부식성 매체, 온도)
• 기계적 특성 요구 사항
• 용접 후 열처리 고려 사항
• 응력 부식 균열 가능성

6. 듀플렉스 스테인리스 스틸 용접

1. 듀플렉스 스테인리스 스틸의 용접성

듀플렉스 스테인리스 스틸은 오스테나이트 스틸과 페라이트 스틸의 장점과 단점을 모두 가지고 있으며 각각의 약점을 줄였습니다.

(1) 고온 균열의 위험이 오스테나이트강에 비해 훨씬 낮습니다.

(2) 일반 저합금에 비해 냉간 균열의 위험이 현저히 낮습니다. 고강도 강철.

(3) 열 영향 구역에서 냉각한 후에는 더 많은 양의 페라이트가 유지되어 부식 및 수소로 인한 균열(취성)의 위험이 증가합니다.

(4) 용접 조인트 의 듀플렉스 스테인리스강은 Cr과 Fe의 금속 간 화합물인 δ상이 침전되기 쉽습니다.

형성 온도는 600°C~1000°C이며 특정 강종에 따라 달라질 수 있습니다.

표 1 용액 처리 온도 범위, 상 δ 및 475 ℃ 취성 이중 스테인리스 스틸의 취성

2. 용접 방법 선택

그리고 용접 프로세스 듀플렉스 스테인리스강의 경우 먼저 TIG 용접을 한 다음 전극 아크 용접을 합니다.

서브머지드 아크 용접을 사용할 때는 열 입력 및 인터패스 온도를 면밀히 모니터링하고 과도한 희석을 피해야 합니다.

참고:

TIG 용접을 사용하는 경우 1-2% 질소를 추가해야 합니다. 차폐 가스 (2% 이상의 질소를 첨가하면 다공성이 증가하여 아크가 불안정해질 수 있음). 질소를 첨가하면 용접 금속에서 질소를 흡수하여 용접 표면 영역의 확산을 통한 질소 손실을 방지하고, 오스테나이트 상을 안정화하는 데 기여합니다. 용접 조인트.

3. 용접 재료 선택

오스테나이트 형성 원소(예: Ni, N)가 높은 용접 재료는 용접부의 페라이트가 오스테나이트로 변환되는 것을 촉진하기 위해 선택됩니다.

22.8.3L 전극 또는 용접 와이어는 일반적으로 2205 강철 용접에 사용되며, 25.10.4L 전극 또는 25.10.4R 전극은 2507 강철 용접에 자주 사용됩니다.

표 2 일반적인 듀플렉스 스테인리스 스틸의 용접 재료 및 FN

4. 용접 포인트

(1) 용접 공정 중에 용접 에너지, 인터패스 온도, 예열 및 재료 두께의 제어는 냉각 속도에 영향을 미치고 결과적으로 용접 및 열 영향 영역의 구조와 특성에 영향을 미칩니다.

최적의 용접 금속 특성을 얻으려면 최대 인터패스 온도를 100°C로 제어하는 것이 좋습니다. 용접 후 열처리가 필요한 경우 인터패스 온도 제한을 해제할 수 있습니다.

(2) 듀플렉스 스테인리스 스틸의 경우 용접 후 열처리를 피하는 것이 좋습니다.

용접 후 열처리가 필요한 경우, 물 담금질 가 사용되는 방법입니다. 열처리 중에는 가열 속도가 빨라야 하며, 열처리 온도에서 유지 시간은 상 균형을 회복하기에 충분한 5-30분 사이여야 합니다.

열처리 중에는 금속의 산화가 우려되므로 보호를 위해 불활성 가스를 사용하는 것을 고려해야 합니다.