1. 페라이트 스테인리스강의 열처리: 페라이트 스테인리스강은 일반적으로 안정적인 단일 페라이트 구조를 가지고 있습니다. 가열 또는 냉각 시 상변화가 없으므로 열처리를 통해 기계적 특성을 조절할 수 없습니다. 열처리의 주된 목적은 취성을 감소시키고 입계 부식 저항성을 향상시키는 것입니다.
①σ상 취성: 페라이트계 스테인리스강은 크롬(Cr)이 풍부한 금속 화합물인 σ상을 쉽게 생성합니다. σ상은 단단하고 취성이 강하며, 특히 결정립 사이에 쉽게 형성되어 강을 취성으로 만들고 입계 부식에 대한 민감도를 증가시킵니다. σ상의 형성은 조성과 관련이 있습니다. 또한, Cr, Si, Mn, Mo 등은 모두 σ상 형성을 촉진하며, 가공 공정, 특히 540~815℃ 범위에서 가열 및 유지하는 과정도 σ상 형성을 더욱 촉진합니다. 그러나 σ상의 형성은 가역적입니다. σ상 형성 온도보다 높은 온도로 재가열하면 고용체로 재용해됩니다.
② 475℃ 취성: 페라이트계 스테인리스강을 400~500℃ 범위에서 장시간 가열하면 강도는 증가하고 인성은 감소하는, 즉 취성이 증가하는 특성을 나타내는데, 이는 475℃에서 가장 두드러지게 나타나므로 475℃ 취성이라고 합니다. 이는 이 온도에서 페라이트 내의 크롬(Cr) 원자가 재배열되어 모상과 정합성을 갖는 작은 크롬 과다 영역을 형성하고, 이로 인해 격자 왜곡이 발생하여 내부 응력이 생성되고, 강재의 경도가 증가하며 취성이 증가하기 때문입니다. 크롬 과다 영역이 형성되는 동시에 크롬 결핍 영역도 함께 존재하게 되는데, 이는 내식성에 악영향을 미칩니다. 강재를 700℃ 이상의 온도로 재가열하면 격자 왜곡과 내부 응력이 제거되어 475℃ 취성이 사라집니다.
③ 고온 취성: 925℃ 이상으로 가열한 후 급속 냉각하면 Cr, C, N 등이 화합물을 형성하여 결정립 및 결정립계에 석출되어 취성이 증가하고 입계 부식이 발생합니다. 이 화합물은 750~850℃로 가열한 후 급속 냉각하면 제거할 수 있습니다.
열처리 공정:
① 어닐링: σ상, 475℃ 취성 및 고온 취성을 제거하기 위해 어닐링 처리를 할 수 있습니다. 어닐링은 780~830℃로 가열하여 보온한 후 공랭 또는 노냉하는 방식으로 진행합니다. 초고순도 페라이트 스테인리스강(탄소 함량 ≤ 0.01%, 규소, 망간, 황, 인 함량 엄격 제어)의 경우 어닐링 가열 온도를 높일 수 있습니다.
② 응력 제거 처리: 용접 및 냉간 가공 후 부품에 응력이 발생할 수 있습니다. 특정 상황에서 어닐링이 적합하지 않은 경우, 230~370℃ 범위에서 가열, 보온 및 공랭 처리를 통해 내부 응력을 일부 제거하고 소성을 향상시킬 수 있습니다.
2. 오스테나이트 스테인리스강의 열처리: 오스테나이트 스테인리스강에 함유된 크롬(Cr)과 니켈(Ni) 등의 합금 원소는 Ms점을 상온 이하(-30~-70℃)로 낮춥니다. 오스테나이트 구조의 안정성을 유지하기 위해 가열 및 냉각 과정에서 상온 이상의 온도에서는 상변화가 일어나지 않습니다. 따라서 오스테나이트 스테인리스강의 열처리 주된 목적은 기계적 특성을 변화시키는 것이 아니라 내식성을 향상시키는 것입니다.
A. 오스테나이트계 스테인리스강의 용체화 처리
기능:
① 강재 내 합금 탄화물의 석출 및 용해: 강재의 탄소(C)는 합금 원소 중 하나입니다. 탄소는 강도를 높이는 역할을 하지만, 특히 크롬(Cr)과 탄화물을 형성할 경우 내식성이 저하되므로 그 존재량을 줄이기 위한 노력이 필요합니다. 이러한 이유로, 온도에 따라 오스테나이트 내 탄소의 용해도가 변하는 특성, 즉 고온에서는 용해도가 높고 저온에서는 용해도가 낮다는 점을 고려해야 합니다. 자료에 따르면, 오스테나이트 내 탄소의 용해도는 1200℃에서 0.34%, 1000℃에서 0.18%, 600℃에서 0.02%이며, 상온에서는 그보다 훨씬 낮습니다. 따라서 강재를 고온으로 가열하여 C-Cr 화합물을 완전히 용해시킨 후 급속 냉각하여 석출될 시간을 주지 않음으로써 강재의 내식성, 특히 입계 부식 저항성을 확보해야 합니다.
②σ상: 오스테나이트강을 500~900℃ 범위에서 장시간 가열하거나 Ti, Nb, Mo 등의 원소를 첨가하면 σ상의 석출이 촉진되어 강이 취성이 증가하고 내식성이 저하됩니다. σ상을 제거하는 방법은 석출 가능 온도보다 높은 온도에서 용해시킨 후 재석출을 방지하기 위해 급속 냉각하는 것입니다.
프로세스:
GB1200 표준에서 권장하는 가열 온도 범위는 1000~1150℃로 비교적 넓으며, 일반적으로 1020~1080℃입니다. 주조품인지 단조품인지 등 특정 재질의 구성을 고려하여 허용 범위 내에서 가열 온도를 적절히 조절해야 합니다. 가열 온도가 너무 낮으면 C-Cr 탄화물이 완전히 용해되지 않고, 너무 높으면 결정립 성장 및 내식성 저하 문제가 발생할 수 있습니다.
냉각 방법: 탄화물의 재석출을 방지하기 위해 빠른 속도로 냉각해야 합니다. 우리나라를 비롯한 일부 국가의 기준에서는 용체화 처리 후 "급속 냉각"을 권장하고 있습니다. 다양한 문헌과 실제 경험을 종합하여 "급속"의 기준은 다음과 같이 정할 수 있습니다.
C 함량 ≥ 0.08%, Cr 함량 > 22%, Ni 함량이 비교적 높음; C 함량 < 0.08%이지만 유효 크기가 3mm 이상인 경우 수냉식이어야 함;
탄소 함량 < 0.08%, 크기 < 3mm, 공랭식 가능;
유효 크기가 0.5mm 이하인 경우 공랭식으로 냉각할 수 있습니다.
B. 오스테나이트 스테인리스강의 안정화 열처리
안정화 열처리는 1Cr18Ni9Ti, 0Cr18Ni11Nb 등과 같이 안정화 원소로 Ti 또는 Nb를 함유하는 오스테나이트계 스테인리스강에만 적용됩니다.
기능:
앞서 언급했듯이, 크롬(Cr)은 탄소(C)와 결합하여 Cr23C6 유형의 화합물을 형성하고 결정립계에 석출되는데, 이것이 오스테나이트 스테인리스강의 내식성 저하의 원인입니다. 크롬은 강력한 탄화물 형성 원소이므로, 기회가 있는 한 탄소와 결합하여 석출물을 생성합니다. 따라서 크롬과 탄소보다 친화력이 강한 티타늄(Ti)과 니오븀(Nb)을 강에 첨가하여 탄소가 Ti 및 Nb와 우선적으로 결합하도록 조건을 조성하고, 탄소와 크롬의 결합 가능성을 줄여 크롬이 오스테나이트 내에 안정적으로 유지되도록 함으로써 강재의 내식성을 확보합니다. 안정화 열처리는 Ti, Nb를 탄소와 결합시키고 크롬을 오스테나이트 내에 안정화하는 역할을 합니다.
프로세스:
가열 온도: 이 온도는 Cr23C6의 용해 온도(400~825℃)보다 높아야 하고, TiC 또는 NbC의 초기 용해 온도(예: TiC의 용해 온도 범위는 750~1120℃)보다 낮거나 약간 높아야 합니다. 안정화 가열 온도는 일반적으로 850~930℃로 선택하는데, 이 온도에서 Cr23C6가 완전히 용해되어 Ti 또는 Nb가 C와 결합하고 Cr은 오스테나이트에 남아 있게 됩니다.
냉각 방법: 일반적으로 공랭식이 사용되며, 수냉식이나 노냉식도 사용할 수 있는데, 이는 부품의 구체적인 조건에 따라 결정해야 합니다. 냉각 속도는 안정화 효과에 큰 영향을 미치지 않습니다. 실험 연구 결과에 따르면, 안정화 온도 900℃에서 200℃까지 냉각할 때 냉각 속도는 0.9℃/min과 15.6℃/min이었으며, 두 경우 모두 금속 조직, 경도 및 입계 부식 저항성은 거의 동일했습니다.
C. 오스테나이트 스테인리스강의 응력 완화 처리
목적: 오스테나이트 스테인리스강으로 제작된 부품은 가공 응력, 냉간 가공 시 용접 응력 등 필연적으로 응력을 받게 됩니다. 이러한 응력은 치수 안정성 저하와 같은 악영향을 초래하며, 특히 응력이 있는 부품이 염소(Cl) 함유 매체, 황화수소(H2S), 수산화나트륨(NaOH) 등의 용액에 노출될 경우 응력 부식 균열이 발생할 수 있습니다. 응력 부식 균열은 전조 현상 없이 국부적으로 갑자기 발생하는 손상으로 매우 위험합니다. 따라서 특정 작업 환경에서 사용되는 오스테나이트 스테인리스강 부품은 응력을 최소화해야 하며, 이는 응력 완화 방법을 통해 달성할 수 있습니다.
공정: 조건이 허용하는 경우, 용체화 처리 및 안정화 처리를 통해 응력을 효과적으로 제거할 수 있습니다(고용체 수냉 또한 일정량의 응력을 발생시킵니다). 그러나 회로 내 배관, 여유 공간이 없는 완제품, 변형이 용이한 복잡한 형상의 부품 등에서는 이러한 처리가 허용되지 않는 경우가 있습니다. 이러한 경우에는 450°C 이하의 온도에서 가열하는 응력 완화법을 사용하여 일부 응력을 제거할 수 있습니다. 만약 가공물이 강응력 부식 환경에 사용되고 응력을 완전히 제거해야 하는 경우에는 안정화 원소를 함유한 강이나 초저탄소 오스테나이트 스테인리스강과 같은 재료를 선택할 때 이를 고려해야 합니다.
D. 마르텐사이트계 스테인리스강의 열처리
마르텐사이트계 스테인리스강은 페라이트계 스테인리스강, 오스테나이트계 스테인리스강, 듀플렉스계 스테인리스강과 비교했을 때, 열처리 방법을 통해 다양한 사용 조건에 맞춰 기계적 특성을 폭넓게 조절할 수 있다는 점이 가장 두드러진 특징입니다. 또한, 열처리 방법에 따라 내식성에도 각기 다른 영향을 미칩니다.
① 담금질 후 마르텐사이트 스테인리스강의 조직 상태
화학적 조성에 따라
0Cr13, 1Cr13, 1Cr17Ni2는 마르텐사이트에 소량의 페라이트가 혼합된 광물입니다.
2Cr13, 3Cr13, 2Cr17Ni2는 기본적으로 마르텐사이트 조직입니다.
4Cr13 및 9Cr18은 마르텐사이트 기지에 존재하는 합금 탄화물입니다.
0Cr13Ni4Mo와 0Cr13Ni6Mo는 마르텐사이트 기지에 남아 있는 잔류 오스테나이트입니다.
② 마르텐사이트계 스테인리스강의 내식성 및 열처리
마르텐사이트계 스테인리스강의 열처리는 기계적 특성뿐만 아니라 내식성에도 다양한 영향을 미칩니다. 담금질 후 템퍼링을 예로 들면, 마르텐사이트로 담금질한 후 저온 템퍼링을 하면 내식성이 향상되고, 400~550℃의 중온 템퍼링을 하면 내식성이 떨어지며, 600~750℃의 고온 템퍼링을 하면 내식성이 향상됩니다.
③ 마르텐사이트계 스테인리스강의 열처리 공정 및 기능
어닐링: 어닐링 방법은 목적과 기능에 따라 다양하게 적용될 수 있습니다. 경도 감소, 가공 용이성 향상, 응력 제거 등의 목적만 필요한 경우에는 저온 어닐링(불완전 어닐링이라고도 함)을 사용할 수 있습니다. 가열 온도는 740~780℃ 중에서 선택 가능하며, 공랭 또는 노냉을 통해 180~230HB의 경도를 확보할 수 있습니다.
단조 또는 주조 구조 개선, 경도 저하 및 직접 적용을 위한 저성능 확보 요구 사항은 완전 어닐링을 사용할 수 있으며, 일반적으로 870~900℃로 가열한 후 보냉 후 노냉하거나 40℃/h 이하의 속도로 600℃ 이하로 냉각합니다. 이 경우 경도는 150~180HB에 도달할 수 있습니다.
등온 어닐링은 완전 어닐링과 동일한 효과를 얻기 위해 완전 어닐링을 대체할 수 있습니다. 가열 온도는 870~900℃이며, 가열 및 보온 후(변태 곡선 참조) 700~740℃까지 냉각하고, 해당 온도를 장시간 유지합니다(변태 곡선 참조). 그런 다음 550℃ 이하로 냉각하여 꺼냅니다. 경도는 150~180HB에 도달할 수 있습니다. 이 등온 어닐링은 단조 후 불량한 조직을 개선하고 담금질 및 템퍼링 후 기계적 특성, 특히 충격 인성을 향상시키는 데에도 효과적입니다.
담금질: 마르텐사이트계 스테인리스강을 담금질하는 주된 목적은 강도를 높이는 것입니다. 강재를 임계점 온도 이상으로 가열하고, 그 온도를 유지하여 탄화물이 오스테나이트에 완전히 용해되도록 한 다음, 적절한 냉각 속도로 냉각시켜 담금질 마르텐사이트 구조를 얻습니다.
가열 온도 선택: 기본 원칙은 오스테나이트 형성을 보장하고, 합금 탄화물이 오스테나이트에 완전히 용해되어 균질화되도록 하는 것입니다. 또한 담금질 후 오스테나이트 결정립이 조대화되거나 페라이트 또는 잔류 오스테나이트가 구조 내에 남아서는 안 됩니다. 따라서 담금질 가열 온도가 너무 낮거나 너무 높아서는 안 됩니다. 마르텐사이트계 스테인리스강의 담금질 가열 온도는 재질에 따라 약간씩 다르며 권장 범위는 넓습니다. 경험적으로 일반적으로 980~1020℃ 범위에서 가열하는 것이 적절합니다. 물론 특수 강종, 특수 부품 제어 또는 특수 요구 사항에 따라 가열 온도를 적절히 낮추거나 높일 수 있지만, 가열 원칙을 위반해서는 안 됩니다.
냉각 방법: 마르텐사이트계 스테인리스강은 조성 특성상 오스테나이트가 비교적 안정하고, C 곡선이 오른쪽으로 이동하며, 임계 냉각 속도가 비교적 낮기 때문에 유냉 및 공냉을 사용하여 마르텐사이트 담금질 효과를 얻을 수 있습니다. 그러나 담금질 깊이가 깊어야 하거나 기계적 특성, 특히 높은 충격 인성이 요구되는 부품의 경우 유냉을 사용해야 합니다.
템퍼링: 담금질 후 마르텐사이트계 스테인리스강은 높은 경도, 높은 취성 및 높은 내부 응력을 갖는 마르텐사이트 구조를 얻게 되므로 반드시 템퍼링 처리를 해야 합니다. 마르텐사이트계 스테인리스강은 기본적으로 두 가지 템퍼링 온도에서 사용됩니다.
180~320℃ 사이의 온도에서 템퍼링을 하면 높은 경도와 강도를 유지하면서도 낮은 소성 및 인성을 갖고 우수한 내식성을 나타내는 템퍼링된 마르텐사이트 구조를 얻을 수 있습니다. 저온 템퍼링은 공구, 베어링, 내마모성 부품 등에 적용할 수 있습니다.
600~750℃ 사이의 온도에서 열처리하여 템퍼링 마르텐사이트 구조를 얻습니다. 이 구조는 일정 강도, 경도, 소성 및 인성과 같은 우수한 종합적인 기계적 특성을 지닙니다. 강도, 소성 및 인성에 대한 요구 조건에 따라 하한 또는 상한 온도에서 열처리할 수 있습니다. 또한, 이 구조는 우수한 내식성을 갖습니다.
일반적으로 400~600℃ 사이의 온도에서 템퍼링하는 것은 사용하지 않습니다. 이 온도 범위에서 템퍼링하면 마르텐사이트에서 고도로 분산된 탄화물이 석출되어 템퍼링 취성이 발생하고 내식성이 저하되기 때문입니다. 그러나 3Cr13 및 4Cr13 강 스프링과 같은 스프링은 이 온도에서 템퍼링할 수 있으며, HRC 값이 40~45에 도달하여 우수한 탄성을 얻을 수 있습니다.
템퍼링 후 냉각 방법은 일반적으로 공랭이 가능하지만, 1Cr17Ni2, 2Cr13, 0Cr13Ni4Mo 등과 같이 템퍼링 취성 경향이 있는 강종의 경우 템퍼링 후 유냉을 사용하는 것이 가장 좋습니다. 또한, 템퍼링은 담금질 후 적절한 시간 내에 실시해야 하며, 여름에는 24시간 이내, 겨울에는 8시간 이내에 실시해야 합니다. 공정 온도에 맞춰 템퍼링을 적시에 실시할 수 없는 경우에는 정적 균열 발생을 방지하기 위한 조치를 취해야 합니다.
E. 페라이트-오스테나이트 이중상 스테인리스강의 열처리
듀플렉스 스테인리스강은 스테인리스강 계열에서 비교적 최근에 개발되었지만, 그 특성이 널리 인정받고 높이 평가받고 있습니다. 듀플렉스 스테인리스강은 조성 특성(높은 크롬 함량, 낮은 니켈, 몰리브덴, 질소 함량)과 조직 특성으로 인해 오스테나이트 스테인리스강이나 페라이트 스테인리스강보다 높은 강도와 가소성을 가지며, 오스테나이트 스테인리스강과 동등한 내식성을 보이고, 염수 및 해수 환경에서는 어떤 스테인리스강보다도 공식, 틈새 부식, 응력 부식에 대한 저항성이 뛰어납니다.
기능:
① 이차 오스테나이트 제거: 고온 조건(주조 또는 단조 등)에서는 페라이트의 양이 증가합니다. 1300℃ 이상에서는 단상 페라이트가 형성될 수 있습니다. 이 고온 페라이트는 불안정하여 나중에 저온에서 시효 처리하면 오스테나이트가 석출됩니다. 이 오스테나이트를 이차 오스테나이트라고 합니다. 이 오스테나이트의 크롬(Cr)과 질소(N) 함량은 정상 오스테나이트보다 적기 때문에 부식의 원인이 될 수 있으므로 열처리를 통해 제거해야 합니다.
② Cr23C6형 탄화물 제거: 이중상강은 950℃ 이하에서 Cr23C6이 석출되는데, 이는 취성을 증가시키고 내식성을 저하시키므로 제거해야 합니다.
③ Cr2N 및 CrN 질화물 제거: 강철에는 N 원소가 포함되어 있어 Cr과 질화물을 생성할 수 있으며, 이는 기계적 강도 및 내식성에 영향을 미치므로 제거해야 합니다.
④ 금속간 화합물 제거: 듀플렉스강의 조성 특성상 σ상 및 γ상과 같은 일부 금속간 화합물이 형성되어 내식성이 저하되고 취성이 증가하므로 이를 제거해야 합니다.
공정: 오스테나이트강과 유사하게 용체화 처리를 하며, 980~1100℃의 가열 온도에서 급속 냉각(일반적으로 수냉)을 진행합니다.
F. 석출경화 스테인리스강의 열처리
석출경화 스테인리스강은 비교적 최근에 개발된 스테인리스강의 한 종류로, 인류의 실용 연구에서 시험, 정리 및 혁신을 거쳐 발전해 왔습니다. 초기에 등장한 스테인리스강 중 페라이트계 스테인리스강과 오스테나이트계 스테인리스강은 내식성이 우수하지만 열처리로 기계적 특성을 조절할 수 없어 활용 범위가 제한적입니다. 마르텐사이트계 스테인리스강은 열처리를 통해 기계적 특성을 더 넓은 범위에서 조절할 수 있지만 내식성이 떨어집니다.
특징:
마르텐사이트강은 탄소 함량이 낮고(일반적으로 ≤0.09%), 크롬 함량이 높으며(일반적으로 ≥14%), 몰리브덴, 구리 등의 원소를 함유하고 있어 오스테나이트 스테인리스강에 필적하는 높은 내식성을 지닌다. 용체화 및 시효 처리를 통해 마르텐사이트 기지에 석출 경화상이 석출된 구조를 얻을 수 있으므로 강도가 높고, 시효 온도 조절을 통해 강도, 소성, 인성을 일정 범위 내에서 조절할 수 있다. 또한, 용체화 처리 후 석출 강화 열처리 방법을 사용하면 용체화 처리 후 낮은 경도로 기본 형상을 가공한 다음 시효 강화를 통해 가공 비용을 절감할 수 있으며, 마르텐사이트강보다 우수한 성능을 보인다.
분류:
① 마르텐사이트 석출 경화 스테인리스강 및 그 열처리: 마르텐사이트 석출 경화 스테인리스강의 특징은 오스테나이트에서 마르텐사이트로의 변태 시작 온도(Ms)가 상온 이상이라는 점입니다. 가열을 통해 오스테나이트화시킨 후 빠른 속도로 냉각하면 판상 마르텐사이트 기지가 얻어집니다. 시효 처리 후, 이 판상 마르텐사이트 기지에서 미세한 구리 입자가 석출되어 강도를 향상시킵니다.
②반오스테나이트 스테인리스강의 열처리: 이 강은 일반적으로 Ms점이 상온보다 약간 낮기 때문에 고용체 처리 후 상온으로 냉각하면 강도가 매우 낮은 오스테나이트 구조가 얻어집니다. 기지의 강도와 경도를 향상시키기 위해서는 750~950℃로 다시 가열하여 온도를 유지해야 합니다. 이 단계에서 오스테나이트 내에 탄화물이 석출되고 오스테나이트의 안정성이 감소하며 Ms점이 상온 이상으로 상승합니다. 다시 냉각하면 마르텐사이트 구조가 얻어집니다. 경우에 따라서는 냉간 처리(극저온 처리)를 추가하고 시효 처리를 하여 마르텐사이트 기지에 석출물이 있는 강화강을 최종적으로 얻을 수도 있습니다.
적절한 열처리를 거치면 석출경화 마르텐사이트계 스테인리스강의 기계적 특성은 마르텐사이트계 스테인리스강의 성능에 완전히 도달하는 반면, 내식성은 오스테나이트계 스테인리스강과 동등하다는 것을 알 수 있습니다. 여기서 마르텐사이트계 스테인리스강과 석출경화 스테인리스강은 열처리 방법을 통해 강화될 수 있지만, 강화 메커니즘은 서로 다르다는 점을 지적해야 합니다. 석출경화 스테인리스강은 이러한 특성 때문에 높이 평가받으며 널리 사용되고 있습니다.
게시 시간: 2025년 2월 6일