고성능 오스테나이트계 스테인리스강 -- 야금학적 개요 안내

1. 스테인리스강의 종류

스테인리스강은 크롬 함량이 10.5% 이상인 철 기반 합금입니다. 우수한 내식성과 고온 성능으로 인해 널리 사용됩니다. 크롬 함량이 10.5%에 도달하면 강철 표면에 크롬이 풍부한 산화물 층이 형성되며 이를 부동태화 층 또는 부동태 피막이라고 합니다. 이 필름은 스테인레스 스틸이 일반 강철처럼 부식되는 것을 방지합니다. 스테인리스강에는 여러 종류가 있지만 모든 스테인리스강은 최소 크롬 함량 요건을 충족해야 합니다.

스테인리스강은 오스테나이트계 스테인리스강, 페라이트계 스테인리스강, 듀플렉스 스테인리스강(페라이트와 오스테나이트의 혼합 조직), 마르텐사이트계 스테인리스강 및 석출경화 스테인리스강의 5가지 범주로 나뉩니다. 이러한 범주의 분류는 스테인리스강의 결정 구조(원자 배열) 및 열처리와 관련됩니다. 금속에서 동일한 결정 구조를 갖는 결정 그룹을 상(phase)이라고 합니다. 스테인리스강에는 오스테나이트, 페라이트 및 마텐자이트의 세 가지 주요 단계가 있습니다. 스테인리스강의 금속 조직의 유형과 양은 표준 금속 조직 검사 프로세스와 광학 금속 조직 현미경으로 결정할 수 있습니다.

오스테나이트계 스테인리스 강의 특징은 금속 조직이 주로 오스테나이트계라는 것입니다. 오스테나이트 상의 결정 구조는 fcc(face-centered cubic) 구조, 즉 입방체의 각 면의 각 모서리와 중심에 원자가 있습니다. 대조적으로, 페라이트 상의 결정 구조는 입방체의 각 모서리와 중심에 원자가 하나씩 있는 체심 입방체(bcc) 구조입니다. 마텐자이트 상의 결정 구조는 고 변형체 중심 정방정계 구조이다.

오스테나이트 상의 결정 구조는 면심 입방(fcc) 격자, 페라이트 상은 체심 입방(bcc) 격자, 마텐자이트 상은 체심 정방정(bct) 격자입니다.

 

1.1 오스테나이트계 스테인리스강:

오스테나이트계 스테인리스강은 자성이 없고 중간 항복 강도, 높은 가공 경화 속도, 높은 인장 강도, 우수한 가소성 및 우수한 저온 인성을 가지고 있습니다. 다른 스테인리스강과 달리 오스테나이트계 스테인리스강의 인성은 온도가 낮아짐에 따라 천천히 감소합니다. 오스테나이트계 스테인리스강은 명확한 연성-취성 전이 온도(DBTT)가 없으므로 저온 응용 분야에 이상적인 소재입니다.

오스테나이트, 페라이트 및 듀플렉스(오스테나이트-페라이트) 스테인리스 강의 연성-취성 전이 온도(DBTT) 다이어그램. 실제 DBTT는 단면 두께, 화학 조성 및 입자 크기에 따라 다릅니다. 페라이트계 스테인리스강의 DBTT는 일반적으로 섭씨 20~- 30도(화씨 70~- 22도)입니다.

 

오스테나이트계 스테인리스강은 용접성이 좋고 다양한 복잡한 형상으로 만들 수 있습니다. 이 시리즈의 스테인리스강은 열처리로 경화하거나 강화할 수 없지만 냉간 성형 또는 가공 경화로 강화할 수 있습니다(ASTM A666 참조). 오스테나이트계 스테인리스강, 특히 표준 오스테나이트계 스테인리스강은 잠재적인 단점이 있습니다. 즉, 페라이트계 스테인리스강 및 듀플렉스 스테인리스강에 비해 염화물 응력 부식 균열이 발생하기 쉽습니다.

300 시리즈 또는 표준 오스테나이트계 스테인리스강은 일반적으로 8~11%의 니켈과 16~20%의 크롬을 포함합니다. 표준 오스테나이트 스테인리스 강의 금속 조직은 주로 오스테나이트 결정립으로 구성되며 소량(일반적으로 1~5%)의 δ 페라이트 상을 포함합니다(그림 3). 페라이트 상이 존재하기 때문에 이러한 오스테나이트계 스테인리스강은 자성이 적습니다.

단조 스테인리스강 304L의 전형적인 금속 조직은 오스테나이트 결정립과 개별 스트립 페라이트로 구성됩니다 © TMR 스테인리스.

 

300 시리즈 스테인리스강과 비교하여 200 시리즈 오스테나이트계 스테인리스강은 Ni 함량이 낮지만 Mn 및 N 함량이 높습니다. 200 시리즈 스테인리스강의 강도 및 변형 경화 계수는 300 시리즈 스테인리스강보다 높습니다. 니켈 함량이 낮기 때문에 200계열 스테인리스강은 때때로 300계열 스테인리스강의 값싼 대체품으로 사용됩니다.

고성능 오스테나이트 스테인리스 강의 미세 구조는 강자성이 없는 모두 오스테나이트 상입니다(그림 4). 표준 오스테나이트계 스테인리스강과 비교하여 고성능 오스테나이트계 스테인리스강은 더 많은 니켈, 크롬 및 몰리브덴 원소를 포함하고 일반적으로 질소를 포함합니다. 이 스테인리스 강은 기수, 해수 및 염수를 포함하여 강산, 강알칼리 및 높은 염화물 매질과 같은 부식성 환경에서 강한 내식성을 가지고 있습니다. 표준 오스테나이트계 스테인리스강과 비교하여 고성능 오스테나이트계 스테인리스강은 강도 등급이 더 높고 응력 부식 균열에 대한 내성이 더 우수합니다.

모두 오스테나이트 입자로 구성된 6% Mo 고성능 오스테나이트 스테인리스강의 금속 조직 © TMR Stainless.

 

1.2 페라이트계 스테인리스강:

페라이트계 스테인리스 강의 미세 조직은 페라이트 상입니다. 페라이트계 스테인리스강은 니켈 함량이 낮거나 전혀 없으며 강자성입니다. 열처리로 경화시킬 수 없습니다. 이러한 유형의 스테인리스강의 강자성 특성은 탄소강과 유사합니다. 페라이트계 스테인리스강은 강도가 우수하고 염화물 응력 부식 균열에 대한 저항성이 표준 300 시리즈 오스테나이트계 스테인리스강보다 훨씬 우수합니다. 그러나 성형성과 용접성이 좋지 않다. 인성은 오스테나이트계 스테인리스강만큼 좋지 않으며 단면 두께가 증가함에 따라 감소합니다. 온도가 낮아지면 페라이트계 스테인리스강은 명백한 연성-취성 전이를 나타냅니다. 이러한 요인으로 인해 페라이트계 스테인리스강의 사용은 일반적으로 박판, 스트립 및 벽이 얇은 튜브와 같이 벽 두께가 얇은 제품으로 제한됩니다.

 

1.3 듀플렉스 스테인리스 스틸:

듀플렉스 스테인리스강은 페라이트상과 오스테나이트상으로 구성되며 각각 절반 정도를 차지합니다. 듀플렉스 스테인리스강은 오스테나이트계 및 페라이트계 스테인리스강의 많은 특성을 가지고 있습니다. 열처리로 이러한 강을 경화시킬 수는 없지만 항복 강도는 일반적으로 표준 오스테나이트 스테인리스강의 두 배이며 자기 인력은 페라이트 상의 부피 분율에 비례합니다. 듀플렉스 스테인리스강의 금속 조직 구조의 이중 특성은 표준 오스테나이트계 스테인리스강보다 응력 부식 균열에 대한 저항성이 우수합니다.

 

1.4 마르텐사이트계 스테인리스강:

마르텐사이트 스테인리스강의 미세 조직은 주로 마르텐사이트이며, 페라이트, 오스테나이트 및 카바이드와 같은 소량의 2차 상을 함유할 수 있습니다. 마르텐사이트 스테인리스강은 강자성이며 탄소강과 유사합니다. 최종 경도는 특정 열처리에 따라 다릅니다. 마르텐사이트계 스테인리스강은 강도가 높고 내마모성이 우수하며 인성이 낮고 연성-취성 전이 온도가 높습니다. 그들은 용접하기 어렵고 일반적으로 용접 후 열처리가 필요합니다. 따라서 마르텐사이트 스테인리스강은 일반적으로 비용접 용도로 제한됩니다. 마르텐사이트 스테인리스강의 크롬 함량은 너무 높지 않습니다. 일부 크롬 원소는 탄화물 형태로 석출되어 내부식성이 낮아 일반적으로 표준 304/304L 오스테나이트계 스테인리스강보다 낮습니다. 인성과 내식성이 좋지 않기 때문에 마르텐사이트 스테인리스강은 일반적으로 공구, 패스너 및 샤프트와 같이 높은 강도와 ​​경도가 필요한 용도에 사용됩니다.

 

1.5 석출 경화 스테인리스강:

석출 경화(PH) 스테인리스강은 열처리를 통해 강화할 수도 있습니다. 이 유형의 스테인리스 강의 기본 특징은 석출 메커니즘에 의해 부분적으로 강화된다는 것입니다. 강도를 향상시키기 위해 시효 경화 열처리를 통해 미세한 금속간 석출물을 생성합니다. 석출 경화형 스테인리스강은 크롬 함량이 높기 때문에 마르텐사이트계 스테인리스강보다 내식성이 우수하여 내식성이 요구되는 고강도 용도에 적합합니다. 석출 경화 스테인리스강은 주로 스프링, 패스너, 항공기 부품, 샤프트, 기어, 벨로우즈 및 제트 엔진 부품에 사용됩니다.

 

2. 상 구성:

합금 원소는 상평형 관계에 영향을 미치고 오스테나이트, 페라이트 및 마텐자이트 상의 안정성에 큰 영향을 미칩니다. 스테인리스강에 첨가되는 원소는 페라이트상 형성 원소와 오스테나이트 상 형성 원소로 나눌 수 있습니다. 상평형은 강철의 화학적 조성, 어닐링 온도 및 냉각 속도에 따라 달라집니다. 내식성, 강도, 인성, 용접성 및 성형성은 모두 상평형의 영향을 받습니다.

페라이트 형성 요소는 페라이트 상의 형성에 기여하는 반면, 오스테나이트 형성 요소는 오스테나이트 상의 형성을 촉진합니다. 표 3은 일반적인 페라이트 및 오스테나이트 상 형성 요소를 나열합니다. 스테인리스강의 등급과 용도에 따라 필요한 위상 균형이 결정됩니다. 대부분의 표준 오스테나이트계 스테인리스강은 용액 어닐링 중에 소량의 페라이트 상을 갖습니다. 용액 어닐링은 고온에서 용접성과 인성을 향상시킬 수 있습니다. 그러나 페라이트 상의 함량이 너무 높으면 내식성 및 인성과 같은 다른 특성이 감소합니다. 고성능 오스테나이트계 스테인리스강은 용액 어닐링 조건에서 모든 오스테나이트상에 따라 설계되었습니다.

 

강철의 상 조성과 강철의 특성을 제어하려면 합금 원소를 평형 상태로 유지해야 합니다. Schaeffler 구조 다이어그램(그림 5)은 스테인리스강의 화학 조성과 응고 상태에서 예상되는 상 구조 사이의 관계를 용접 미세 구조에 의해 밝혀진 것으로 반영합니다. 이러한 방식으로 사용자는 주어진 화학 조성을 기반으로 상평형을 예측할 수 있습니다. 화학조성에서 "니켈당량"과 "크롬당량"을 계산하여 그림으로 그려보세요. Schaeffler 조직도의 공통 매개변수 공식은 다음과 같습니다.

니켈 당량{{0}}% Ni + 30% C + 0.5% Mn + 30% N

크롬 당량{{0}}퍼센트 Cr + 퍼센트 Mo + 1.5% Si + 0.5% Nb

일반적인 고성능 오스테나이트계 스테인리스강은 약 20% Cr, 6% Mo, 20% Ni 및 0.2% N을 포함하며 그림에서 "페라이트계" 근처의 단상 오스테나이트상 영역에 위치합니다. " 니켈 당량이 약 24이고 크롬 당량이 약 26인 선입니다. 대조적으로, 표준 스테인리스강(예: 304)의 화학 조성은 소량의 페라이트가 있는 오스테나이트 더하기 페라이트(A + F)의 듀플렉스 영역에 해당합니다. 단계. 그림에서 페라이트계 스테인리스강은 페라이트 상 영역에 있고 듀플렉스 스테인리스강은 오스테나이트 + 페라이트(A + F) 듀플렉스 영역에 있습니다.