1. 페라이트계 스테인리스강의 열처리: 페라이트계 스테인리스강은 일반적으로 안정적인 단일 페라이트 조직을 가지고 있습니다. 가열 또는 냉각 시 상변화가 발생하지 않으므로 열처리로 기계적 성질을 조절할 수 없습니다. 열처리의 주요 목적은 취성을 줄이고 입계부식 저항성을 향상시키는 것입니다.
①σ상 취성: 페라이트계 스테인리스강은 Cr이 풍부한 금속 화합물인 σ상을 생성하기 매우 쉽습니다. σ상은 단단하고 취성이 있으며, 특히 결정립 사이에 형성되기 쉬워 강을 취성으로 만들고 입계 부식에 대한 민감성을 증가시킵니다. σ상의 형성은 조성과 관련이 있습니다. 또한 Cr, Si, Mn, Mo 등은 모두 σ상 형성을 촉진합니다. 또한 가공 공정, 특히 가열 및 540~815℃ 범위 유지와도 관련이 있으며, 이는 σ상 형성을 더욱 촉진합니다. 그러나 σ상 형성은 가역적입니다. σ상 형성 온도보다 높은 온도로 재가열하면 고용체에 다시 용해됩니다.
②475℃ 취성: 페라이트계 스테인리스강은 400~500℃ 범위에서 장시간 가열하면 강도는 증가하고 인성은 감소하는 특성, 즉 취성이 증가하는 특징을 보이는데, 이는 475℃에서 가장 두드러지는데, 이를 475℃ 취성이라고 합니다. 이는 이 온도에서 페라이트의 Cr 원자가 재배열되어 모상과 결합하는 작은 Cr-rich 영역을 형성하여 격자 변형을 일으키고 내부 응력을 발생시켜 강의 경도를 증가시키고 취성을 증가시키기 때문입니다. Cr-rich 영역이 형성됨과 동시에 내식성에 악영향을 미치는 Cr-poor 영역도 형성됩니다. 강을 700℃ 이상의 온도로 재가열하면 변형과 내부 응력이 제거되어 475℃ 취성이 사라집니다.
③ 고온 취성: 925℃ 이상으로 가열 후 급냉하면 Cr, C, N 등이 결정립계 및 결정립계에 석출되는 화합물을 형성하여 취성 증가 및 입계부식 발생을 유발합니다. 이 화합물은 750~850℃로 가열 후 급냉하면 제거될 수 있습니다.
열처리 공정:
① 어닐링: σ상, 475℃ 취성, 고온 취성을 제거하기 위해 780~830℃로 가열하고 보온한 후 공랭 또는 노냉하는 어닐링 방법을 사용할 수 있습니다. 초고순도 페라이트계 스테인리스강(C≤0.01% 함유, Si, Mn, S, P 엄격 관리)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 공랭을 통해 일부 내부 응력을 제거하고 소성을 향상시킬 수 있습니다.
2. 오스테나이트계 스테인리스강의 열처리: 오스테나이트계 스테인리스강에 Cr, Ni 등의 합금 원소가 첨가되면 Ms점이 실온(-30~-70℃) 이하로 낮아집니다. 오스테나이트 조직의 안정성을 확보하기 위해 상온 이상에서는 가열 및 냉각 시 상변화가 발생하지 않습니다. 따라서 오스테나이트계 스테인리스강의 열처리 목적은 기계적 성질을 변화시키는 것이 아니라 내식성을 향상시키는 것입니다.
A. 오스테나이트계 스테인리스 강의 용액 처리
기능:
① 강에서 합금 탄화물의 석출 및 용해: 강에서 C는 합금 원소 중 하나입니다. 특정 강화 역할을 하는 것 외에도 내식성에 도움이 되지 않습니다. 특히 C가 Cr과 탄화물을 형성하면 그 효과가 더욱 악화되므로 C의 존재를 줄이기 위해 노력해야 합니다. 이러한 이유로 오스테나이트에서 C의 특성은 온도에 따라 변합니다. 즉, 고용도는 고온에서 크고 저온에서 작습니다. 데이터에 따르면 오스테나이트에서 C의 고용도는 1200℃에서 0.34%, 1000℃에서 0.18%, 600℃에서 0.02%이며 실온에서는 더욱 적습니다. 따라서 강을 고온으로 가열하여 C-Cr 화합물을 완전히 용해시킨 다음 석출될 시간이 없도록 빠르게 냉각하여 강의 내식성, 특히 내입계 부식성을 확보합니다.
②σ상: 오스테나이트계 강을 500~900℃ 범위에서 장시간 가열하거나 Ti, Nb, Mo 등의 원소를 첨가하면 σ상의 석출이 촉진되어 강이 취성을 띠게 되고 내식성이 저하됩니다. σ상을 제거하는 방법은 석출 가능 온도보다 높은 온도에서 용해시킨 후, 재석출을 방지하기 위해 급냉하는 것입니다.
프로세스:
GB1200 규격에서 권장하는 가열 온도 범위는 비교적 넓습니다. 1000~1150℃이며, 일반적으로 1020~1080℃입니다. 주조 또는 단조 등 특정 재종 조성을 고려하여 가열 온도는 허용 범위 내에서 적절히 조정해야 합니다. 가열 온도가 낮으면 C-Cr 탄화물이 완전히 용해되지 않습니다. 가열 온도가 너무 높으면 결정립 성장 및 내식성 저하 문제가 발생합니다.
냉각 방법: 탄화물의 재석출을 방지하기 위해 더 빠른 속도로 냉각해야 합니다. 우리나라를 비롯한 일부 국가의 기준에서는 용체화 처리 후 "급냉"을 권장합니다. 다양한 문헌과 실제 경험을 종합하여 "급냉"의 기준을 다음과 같이 정의할 수 있습니다.
C 함량 ≥ 0.08%; Cr 함량 > 22%, Ni 함량은 비교적 높음; C 함량 < 0.08%, 그러나 유효 크기 > 3mm, 수냉해야 함;
C 함량 < 0.08%, 크기 < 3mm, 공랭 가능
유효 크기 ≤ 0.5mm는 공랭이 가능합니다.
B. 오스테나이트계 스테인리스 강의 안정화 열처리
안정화 열처리는 1Cr18Ni9Ti, 0Cr18Ni11Nb 등과 같이 안정화 원소인 Ti 또는 Nb를 함유한 오스테나이트계 스테인리스강에 한합니다.
기능:
앞서 언급했듯이 Cr은 C와 결합하여 Cr23C6 형태의 화합물을 형성하고 결정립계에 석출되는데, 이것이 오스테나이트계 스테인리스 강의 내식성 저하의 원인입니다.Cr은 강력한 탄화물 형성 원소로, 기회가 되면 C와 결합하여 석출됩니다.따라서 Cr과 C보다 친화력이 강한 원소인 Ti와 Nb를 강에 첨가하고, C가 Ti와 Nb와 우선적으로 결합하도록 조건을 만들어 C와 Cr의 결합 가능성을 줄입니다.이를 통해 Cr이 오스테나이트에 안정적으로 유지되어 강의 내식성을 확보할 수 있습니다.안정화 열처리는 Ti, Nb와 C를 결합하여 오스테나이트에서 Cr을 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 하며, 안정화 가열 온도는 일반적으로 850-930℃에서 선택되는데, 이렇게 하면 Cr23C6가 완전히 용해되어 Ti 또는 Nb가 C와 결합하고 Cr은 오스테나이트에 계속 남게 됩니다.
냉각 방식: 일반적으로 공랭을 사용하지만, 수랭 또는 노냉을 사용할 수도 있는데, 이는 부품의 특정 조건에 따라 결정해야 합니다. 냉각 속도는 안정화 효과에 큰 영향을 미치지 않습니다. 실험 결과, 안정화 온도인 900℃에서 200℃까지 냉각할 때 냉각 속도는 각각 0.9℃/분과 15.6℃/분입니다. 비교했을 때, 금속 조직, 경도, 내입계부식성은 기본적으로 동일합니다.
C. 오스테나이트계 스테인리스 강의 응력 제거 처리
목적: 오스테나이트계 스테인리스강 부품은 냉간 가공 시 가공 응력이나 용접 응력과 같은 응력을 필연적으로 발생시킵니다. 이러한 응력의 존재는 치수 안정성에 영향을 미치는 등 부정적인 영향을 미칩니다. 응력이 있는 부품을 염소(Cl) 함유 매질, 황화수소(H₂S), 수산화나트륨(NaOH) 및 기타 매질에서 사용하면 응력 부식 균열이 발생합니다. 이는 전구체 없이 국소적으로 발생하는 갑작스러운 손상으로 매우 해롭습니다. 따라서 특정 작업 조건에서 사용되는 오스테나이트계 스테인리스강 부품은 응력을 최소화해야 하며, 이는 응력 제거 방법을 통해 달성할 수 있습니다.
공정: 조건이 허락하는 경우, 용체화 처리 및 안정화 처리가 응력을 더 효과적으로 제거할 수 있습니다(고용체 수냉도 일정 응력을 발생시킴). 하지만 회로 내 배관, 마진이 없는 완제품, 특히 변형되기 쉬운 복잡한 형상의 부품 등에서는 이러한 방법이 허용되지 않는 경우가 있습니다. 이 경우, 450°C 이하의 온도에서 가열하는 응력 제거 방법을 사용하여 일부 응력을 제거할 수 있습니다. 강응력 부식 환경에서 사용되어 응력을 완전히 제거해야 하는 경우, 안정화 원소가 포함된 강이나 초저탄소 오스테나이트계 스테인리스강과 같은 소재를 선택할 때 이러한 점을 고려해야 합니다.
D. 마르텐사이트계 스테인리스 강의 열처리
페라이트계 스테인리스강, 오스테나이트계 스테인리스강, 듀플렉스계 스테인리스강과 비교했을 때 마르텐사이트계 스테인리스강의 가장 큰 특징은 열처리 방법을 통해 기계적 성질을 광범위하게 조절하여 다양한 사용 조건의 요구를 충족할 수 있다는 것입니다. 열처리 방법에 따라 내식성에 미치는 영향도 다릅니다.
① 담금질 후 마르텐사이트계 스테인리스 강의 조직상태
화학성분에 따라
0Cr13, 1Cr13, 1Cr17Ni2는 마르텐사이트 + 소량의 페라이트입니다.
2Cr13, 3Cr13, 2Cr17Ni2는 기본적으로 마르텐사이트 조직입니다.
4Cr13 및 9Cr18은 마르텐사이트 기지의 합금 탄화물입니다.
0Cr13Ni4Mo 및 0Cr13Ni6Mo는 마르텐사이트 기지의 잔류 오스테나이트입니다.
② 마르텐사이트계 스테인리스 강의 내식성과 열처리
마르텐사이트계 스테인리스 강의 열처리는 기계적 성질을 변화시킬 뿐만 아니라 내식성에 다양한 영향을 미칩니다. 담금질 후 템퍼링을 예로 들어 보겠습니다. 마르텐사이트로 담금질한 후 저온 템퍼링을 하면 내식성이 향상되고, 400~550℃의 중온 템퍼링을 하면 내식성이 낮아지며, 600~750℃의 고온 템퍼링을 하면 내식성이 향상됩니다.
③ 마르텐사이트계 스테인리스 강의 열처리 공정 및 기능
어닐링: 달성하고자 하는 목적과 기능에 따라 다양한 어닐링 방법을 사용할 수 있습니다. 경도 감소, 가공 용이성 향상, 응력 제거에만 필요한 경우 저온 어닐링(일부는 불완전 어닐링이라고도 함)을 사용할 수 있습니다. 가열 온도는 740~780℃에서 선택할 수 있으며, 공랭 또는 노냉을 통해 180~230HB의 경도를 보장할 수 있습니다.
단조 또는 주조 구조 개선, 경도 저하, 직접 적용 시 낮은 성능 보장 등의 요구가 있는 경우, 완전 어닐링(완전 어닐링)을 적용할 수 있습니다. 일반적으로 870~900℃로 가열하고, 보온 후 노냉하거나, ≤40℃/h의 속도로 600℃ 이하로 냉각합니다. 경도는 150~180HB에 도달할 수 있습니다.
등온 어닐링은 완전 어닐링을 대체하여 완전 어닐링의 목적을 달성할 수 있습니다. 가열 온도는 870~900℃이며, 가열 및 보온 후 로를 700~740℃로 냉각하고(변태 곡선 참조), 이 온도를 장시간 유지한 후(변태 곡선 참조), 로를 550℃ 이하로 냉각하여 꺼냅니다. 이 과정에서 경도는 150~180HB에 도달할 수 있습니다. 이 등온 어닐링은 단조 후 조직 불량을 개선하고 담금질 및 템퍼링 후 기계적 성질, 특히 충격 인성을 향상시키는 효과적인 방법입니다.
담금질: 마르텐사이트계 스테인리스강의 담금질의 주요 목적은 강도를 강화하는 것입니다. 강을 임계점 온도 이상으로 가열하고 따뜻하게 유지하여 탄화물이 오스테나이트에 완전히 용해되도록 한 후, 적절한 냉각 속도로 냉각하여 담금질된 마르텐사이트 조직을 얻습니다.
가열 온도 선택: 기본 원리는 오스테나이트 형성을 보장하고 합금 탄화물이 오스테나이트에 완전히 용해되어 균질화되도록 하는 것입니다. 또한 담금질 후 오스테나이트 결정립을 조대화하거나 조직에 페라이트 또는 잔류 오스테나이트가 남지 않도록 해야 합니다. 따라서 담금질 가열 온도가 너무 낮거나 너무 높아서는 안 됩니다. 마르텐사이트계 스테인리스강의 담금질 가열 온도는 재료에 따라 약간씩 다르며 권장 범위도 넓습니다. 저희 경험에 따르면 일반적으로 980~1020℃ 범위에서 가열하면 충분합니다. 물론 특수 강종, 특수 부품 제어 또는 특수 요구 사항의 경우 가열 온도를 적절히 낮추거나 높여야 하지만, 가열 원리를 위반해서는 안 됩니다.
냉각 방법: 마르텐사이트계 스테인리스강의 조성 특성상 오스테나이트는 비교적 안정하고, C 곡선은 오른쪽으로 이동하며, 임계 냉각 속도가 비교적 느리므로, 오일 냉각과 공랭을 사용하여 마르텐사이트 담금질 효과를 얻을 수 있습니다. 그러나 큰 담금질 깊이가 필요하고 기계적 성질, 특히 높은 충격 인성이 요구되는 부품의 경우 오일 냉각을 사용해야 합니다.
템퍼링: 마르텐사이트계 스테인리스강은 담금질 후 높은 경도, 높은 취성, 높은 내부 응력을 갖는 마르텐사이트 조직을 가지므로 템퍼링이 필요합니다. 마르텐사이트계 스테인리스강은 기본적으로 두 가지 템퍼링 온도에서 사용됩니다.
180~320℃에서 템퍼링합니다. 템퍼링된 마르텐사이트 조직을 형성하여 높은 경도와 강도를 유지하면서도 가소성과 인성은 낮고 내식성이 우수합니다. 예를 들어, 저온 템퍼링은 공구, 베어링, 내마모성 부품 등에 사용될 수 있습니다.
600~750℃에서 템퍼링하여 템퍼링된 마르텐사이트 조직을 얻습니다. 템퍼링된 마르텐사이트 조직은 일정한 강도, 경도, 소성, 인성 등 우수한 기계적 성질을 갖습니다. 강도, 소성, 인성 등의 다양한 요구 조건에 따라 하한 또는 상한 온도에서 템퍼링할 수 있습니다. 이 조직은 또한 우수한 내식성을 갖습니다.
400~600℃에서 템퍼링하는 것은 일반적으로 사용되지 않습니다. 이 온도 범위에서 템퍼링하면 마르텐사이트에서 고분산 탄화물이 석출되어 템퍼링 취성이 발생하고 내식성이 저하되기 때문입니다. 그러나 3Cr13 및 4Cr13 강 스프링과 같은 스프링은 이 온도에서 템퍼링이 가능하며, HRC는 40~45에 도달하고 탄성률이 우수합니다.
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 수행해야 하며, 하절기에는 24시간 이내, 동절기에는 8시간 이내로 해야 합니다. 공정 온도에 따라 템퍼링을 적절한 시간 내에 수행할 수 없는 경우, 정적 균열 발생을 방지하기 위한 조치를 취해야 합니다.
E. 페라이트-오스테나이트 듀플렉스 스테인리스 강의 열처리
듀플렉스 스테인리스강은 스테인리스강 계열의 신생 강종으로, 비교적 늦게 개발되었지만 그 특성은 널리 인정받고 높이 평가받고 있습니다. 듀플렉스 스테인리스강은 조성 특성(높은 Cr, 낮은 Ni, Mo, N)과 조직 특성으로 인해 오스테나이트계 스테인리스강 및 페라이트계 스테인리스강보다 강도와 가소성이 우수합니다. 오스테나이트계 스테인리스강의 내식성과 동일하며, 염소계 및 해수에서 어떤 스테인리스강보다 공식, 틈새 부식 및 응력 부식 손상에 대한 저항성이 더 높습니다.
기능:
① 2차 오스테나이트 제거: 고온 조건(주조 또는 단조 등)에서는 페라이트의 양이 증가합니다. 1300℃ 이상에서는 단상 페라이트를 형성할 수 있습니다. 이 고온 페라이트는 불안정합니다. 이후 저온에서 시효하면 오스테나이트가 석출됩니다. 이 오스테나이트를 2차 오스테나이트라고 합니다. 이 오스테나이트의 Cr과 N 함량은 일반 오스테나이트보다 적어 부식의 원인이 될 수 있으므로 열처리를 통해 제거해야 합니다.
② Cr23C6계 탄화물 제거: 2상강은 950℃ 이하에서 Cr23C6를 석출시켜 취성을 증가시키고 내식성을 저하시키므로 제거해야 합니다.
③ 질화물 Cr2N, CrN 제거: 강에는 N 원소가 있어 Cr과 질화물을 생성할 수 있으며, 이는 기계적 성질과 내식성에 영향을 미치므로 제거해야 합니다.
④ 금속간상 제거: 복상강의 조성특성은 σ상, γ상 등의 일부 금속간상의 형성을 촉진하는데, 이는 내식성을 저하시키고 취성을 증가시키므로 제거해야 한다.
공정: 오스테나이트강과 유사하게 용액 처리를 채택하고, 가열 온도는 980~1100℃이며, 이후 급속 냉각하는데, 일반적으로 수냉합니다.
F. 석출경화 스테인리스 강의 열처리
석출 경화 스테인리스강은 비교적 늦게 개발되었습니다. 이는 인류의 실무에서 시험, 요약, 그리고 혁신을 거듭해 온 스테인리스강의 한 유형입니다. 앞서 등장한 스테인리스강 중 페라이트계 스테인리스강과 오스테나이트계 스테인리스강은 내식성이 우수하지만, 열처리 방법으로 기계적 성질을 조절할 수 없어 그 역할이 제한적입니다. 마르텐사이트계 스테인리스강은 열처리 방법을 사용하여 더 넓은 범위 내에서 기계적 성질을 조절할 수 있지만, 내식성이 낮습니다.
특징:
C 함량이 낮고(일반적으로 ≤0.09%), Cr 함량이 높고(일반적으로 ≥14%), Mo, Cu 등의 원소가 함유되어 있어 오스테나이트계 스테인리스강과 동등한 내식성을 가지고 있습니다.용체화 및 시효 처리를 통해 마르텐사이트 기지에 석출 경화상이 석출된 조직을 얻을 수 있어 강도가 더 높고, 시효 온도 조절에 따라 강도, 소성, 인성을 일정 범위 내에서 조절할 수 있습니다.또한, 고용 후 석출 강화의 열처리 방법은 고용 처리 후 저경도에서 기본 형상으로 가공한 후 시효 처리하여 강화할 수 있어 가공 비용이 절감되고 마르텐사이트계 강보다 우수합니다.
분류:
① 마르텐사이트 석출 경화 스테인리스강 및 열처리: 마르텐사이트 석출 경화 스테인리스강의 특징은 다음과 같습니다. 오스테나이트에서 마르텐사이트로 변태하는 시작 온도(Ms)가 상온 이상입니다. 오스테나이트화 후 빠른 속도로 가열 냉각하면 라스(lath) 형태의 마르텐사이트 기지가 형성됩니다. 시효 처리 후, 라스 형태의 마르텐사이트 기지에서 미세한 Cu 입자가 석출되어 강화됩니다.
②반오스테나이트계 스테인리스강의 열처리: 이 강의 Ms점은 일반적으로 상온보다 약간 낮으므로, 고용화 처리 후 상온으로 냉각하면 강도가 매우 낮은 오스테나이트 조직을 얻게 됩니다. 기지의 강도와 경도를 향상시키기 위해서는 750~950℃로 다시 가열하고 보온해야 합니다. 이 단계에서 오스테나이트에 탄화물이 석출되어 오스테나이트의 안정성이 감소하고 Ms점이 상온 이상으로 상승합니다. 다시 냉각하면 마르텐사이트 조직을 얻게 됩니다. 일부는 냉간 처리(서브제로 처리)를 추가한 후 시효 처리하여 마르텐사이트 기지에 석출물이 있는 강화된 강을 얻을 수도 있습니다.
석출 경화 마르텐사이트 스테인리스강은 적절한 처리를 거친 후, 기계적 성질이 마르텐사이트 스테인리스강의 성능에 완전히 도달하는 동시에 내식성은 오스테나이트 스테인리스강과 동등한 수준을 유지함을 알 수 있습니다. 마르텐사이트 스테인리스강과 석출 경화 스테인리스강은 열처리 방법으로 강화될 수 있지만, 강화 메커니즘이 다르다는 점을 지적해야 합니다. 석출 경화 스테인리스강은 이러한 특성으로 인해 높은 평가를 받고 널리 사용되어 왔습니다.
게시 시간: 2025년 2월 6일