이중상 2205 파이프 기계적 특성 향상에 있어 열처리의 역할

이중상 2205 파이프 기계적 특성 향상에 있어 열처리의 역할

이중상 2205(UNS S32205/S31803)는 오스테나이트와 페라이트 상이 거의 균등하게 혼합되어 있기 때문에 우수한 강도와 내식성을 지닌 것으로 잘 알려져 있습니다. 그러나 이러한 뛰어난 특성은 주조 직후 또는 가공 상태에서는 본래 갖춰지지 않습니다 ; 이 특성은 용해 어닐링 및 급냉이라는 정밀하게 제어된 핵심 제조 공정을 통해 의도적으로 부여됩니다. 용해 어닐링 및 급냉이라는 정밀하게 제어된 핵심 제조 공정을 통해 의도적으로 부여됩니다.

이 공정은 단순한 권고 사항이 아니라 ASTM A790 및 ASME SA790과 같은 표준에서 규정한 기계적 특성과 내식성을 확보하기 위한 근본적인 필수 조건입니다.

1. "가공 후 상태"의 문제점: 열처리가 필요한 이유

이중상 스테인리스강 2205 파이는 일반적으로 고온 압출 또는 필거링 공정을 통해 제조됩니다. 이러한 공정은 높은 온도에서 상당한 소성 변형을 수반하며, 이로 인해 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다:

• 금속간 화합물 상의 석출: 약 600°C에서 1000°C(1112°F에서 1832°F) 의 온도 범위에서 페라이트 결정립 경계에 유해한 2차 상들이 석출될 수 있습니다. 가장 흔하고 해로운 상들은 다음과 같습니다:

  • 시그마 상(σ): 크롬을 많이 포함하는 취성 상으로, 인성을 완전히 저하시키며 내식성을 극도로 감소시킵니다.

  • 카이 상(χ): 유사한 부정적 영향을 미치는 또 다른 취성 금속간 상입니다.

  • 질화물 및 탄화물: 크롬 질화물(Cr₂N) 또는 탄화물(M₂₃C₆)이 석출되어 주변 기지의 크롬이 고갈되고 피팅 부식이 발생할 수 있는 부위가 형성될 수 있습니다.

• 높은 잔류 응력: 기계 가공 공정으로 인해 재료 내부에 상당한 내부(잔류) 응력이 남게 됩니다.

• 불균형된 상 비율: 변형으로 인해 오스테나이트-페라이트의 이상적인 50/50 균형이 깨져 한쪽 상이 과도하게 증가할 수 있으며, 이로 인해 최적의 물성이 저하됩니다.

이러한 상태에서는 파이프의 내식성이 낮고, 충격 인성과 기계적 특성도 불균일하게 나타납니다.

2. 해결책: 용해 어닐링 및 급냉

이중상 스테인리스강의 열처리 공정은 위에 언급된 모든 문제를 해결하기 위한 두 단계의 공정입니다.

1단계: 용해 어닐링(소킹)

파이프는 모든 합금 원소를 고용체로 만들고 유해한 석출물을 용해시킬 만큼 충분히 높은 온도까지 가열됩니다. 이중상 스테인리스강 2205의 경우 일반적으로 이 범위는 1020°C에서 1100°C (1868°F에서 2012°F) .

• 이 온도에서:

  • 시그마상, 카이상 및 기타 상들이 미세조직으로 다시 용해됩니다.

  • 합금 원소들(Cr, Mo, N, Ni)이 균일하게 분포됩니다.

  • 페라이트 상이 이러한 온도에서 매우 우세합니다.

단계 2: 급속 냉각(Quenching)

이 과정은 전체 공정에서 가장 중요한 부분입니다. 파이프는 일반적으로 물 냉각("물 분사" 또는 냉각 탱크)을 통해 급속히 냉각되며, 유해한 상이 석출되는 600-1000°C의 임계 온도 범위를 신속히 통과하게 됩니다.

• 급속 냉각은:

  • 균일하고 침전물이 없는 구조를 고정시킵니다.

  • 냉각 중 페라이트로부터 옥스테나이트가 정확한 양만큼 다시 형성되도록 하여 원하는 ~50% 오스테나이트 / ~50% 페라이트 상 균형 .

  • 시그마상 및 크롬 나이트라이드의 재침전을 방지합니다.

3. 기계적 특성 향상 원리

용해 열처리는 이중상 스테인리스강(Duplex 2205) 파이프를 특히 가치 있게 만드는 기계적 특성을 직접적으로 만들어냅니다.

4. 내식성과의 연관성

기계적 특성에 초점이 맞춰져 있지만, 이를 부식 성능과 분리할 수는 없습니다. 인성 저하를 일으키는 동일한 석출물들이 내식성 또한 저하시킵니다.

• 시그마 상(Sigma Phase): 크롬과 몰리브덴이 풍부한 상으로, 이들의 생성은 주변 기지 금속 내 이러한 중요한 내식성 원소들을 고갈시켜 피팅 및 틈새 부식에 매우 취약한 양극 부위를 형성합니다.

• 크롬 나이트라이드(Cr₂N): 마찬가지로 주변 영역의 크롬을 고갈시켜 해당 구역을 부식에 취약하게 만듭니다.

적절히 열처리된 배관은 단지 더 강하고 인성이 뛰어난 것뿐만 아니라, 우수한 내식성을 갖춥니다. 열처리가 부적절한 배관은 설계상 대응하도록 되어 있는 환경에서조차 조기에 파손될 것입니다.

5. 검사자의 역할: 적절한 열처리 확인

시각적으로 적절한 열처리를 확인할 수 없습니다. 검증은 다음을 통해 수행됩니다:

1. 제조 시험 성적서(MTC): 성적서(가급적이면 EN 10204 3.1)는 열처리 공정이 수행되었음을 확인해야 합니다. 이것이 첫 번째 방어선입니다.

2. 미세조직 분석: 결정적인 검사 방법입니다. 에칭 처리된 시편을 현미경으로 관찰하여 다음을 점검합니다:

   • 상의 균형: 오스테나이트와 페라이트 비율이 대략 50/50 정도여야 합니다.

   • 침전물의 부재: 입계에 시그마상이나 크롬 나이트라이드가 존재하지 않아야 합니다.

3. 경도 시험: 간단한 현장 테스트. 지정된 범위(일반적으로 HRC 30-32 최대)를 벗어난 값은 열처리 불량 또는 오염을 나타낼 수 있습니다.

4. 충격 시험: シャル피 V-notch 시험은 인성 측정이 중요한 응용 분야에서 자주 요구됩니다.

결론: 필수적인 단계

열처리는 이중상 스테인리스강(Duplex 2205) 파이프의 선택 사항이 아닌 핵심 제조 공정 으로, 가공된 금속 부품을 고효율 엔지니어링 소재로 전환시킵니다.

• 제조사에게는: 이는 정확한 시간, 온도 및 냉각 속도 제어가 필요하며, 기준에서 벗어나면 파이프 한 로트 전체를 폐기해야 할 수 있습니다.

• 구매자 및 엔지니어를 위한 안내: 인증된 MTR(Mill Test Report)과 필요한 경우 제3자 검사를 통해 적절한 열처리를 명시하고 검증하는 것은 설치하는 배관 시스템이 약속된 기계적 성능과 내구성을 확보할 수 있도록 보장하는 데 매우 중요합니다.

이러한 공정을 철저히 관리하는 신뢰할 수 있는 제철소의 제품을 구매하는 것만이 Duplex 2205의 진정한 가치를 확보하는 유일한 방법입니다.