듀플렉스 스테인리스 스틸 및 그 종류

설명

듀플렉스 강

이 강을 이중상(두 상)이라고 부르는 것은 오스테나이트상과 페라이트상을 모두 포함하고 있기 때문이다.

듀플렉스 스테인리스강은 수요가 상당히 높다. 최근 들어 더욱 인기를 얻고 있다. 많은 제조업체가 이를 생산하고 있다. 그 배경에는 몇 가지 이유가 있다:

• 제조된 제품의 중량을 줄일 수 있게 하는 높은 강도;
• 특히 균열(부식균열)에 대한 내식성.

대략 2~3년마다 듀플렉스를 주제로 한 학회나 콘퍼런스가 열린다. 그 자리에서는 기술적으로 심도 있는 흥미로운 논문들이 발표된다. 오늘날 듀플렉스 강은 상품·서비스 시장에서 적극적으로 홍보되고 있다. 정기적으로 이 제품을 생산하는 새로운 브랜드들이 등장하고 있다.

높은 기대에도 불구하고 통계에 따르면 시장에서 이 제품의 비중은 약 1~3퍼센트에 불과하다.

일반 개요

이 제품을 만들겠다는 아이디어는 지난 세기 초에 처음 등장했다. 1930년대에 최초의 주조가 이루어졌다. 최근 몇 년 사이에 이 재료의 사용 비중이 눈에 띄게 증가했다. 이는 제조 공정의 개선 덕분이다. 과거에는 제품 내 질소 함량이 규정되어 왔다.

오스테나이트계(AISI 304), 페라이트계(AISI 430) 스테인리스는 제조가 쉽고 가공성이 좋다. 이들은 오스테나이트 또는 페라이트의 단일 상으로 구성되어 있다. 다양한 분야에서 폭넓게 사용된다. 각 유형은 고유한 기술적 단점을 가지고 있다:

1. 오스테나이트계. 강도 특성이 낮다. 대략적인 항복강도(0.2% offset)는 오스테나이징 직후 약 200 MPa이다. 이 제품은 부식균열에 대한 저항성이 낮다.
2. 페라이트계. 다음과 같은 단점이 있다: 전형적으로 매우 낮은 강도이지만 이전 유형보다 약간 높다. 대략적인 항복강도(0.2% offset)는 약 250 MPa이다. 두께가 클 경우 용접성이 떨어진다. 온도가 내려가면 취성(깨지기 쉬운 성질)을 보인다.

오스테나이트계 스테인리스는 니켈 함량이 높기 때문에 비용이 비싸다. 이는 수요를 줄이는 요인이다.

해당 제품을 개발하려는 아이디어는 오스테나이트와 페라이트가 유사한 비율로 형성되도록 적절한 화학 조성을 선택하는 것이다. 상 구성은 다음과 같은 장점을 제공한다:

1. 강도 특성. 대략적인 항복강도(0.2% offset): 제조업체가 오스테나이징 후 제시하는 값은 약 400–450 MPa이다. 이는 요소의 단면을 최소화할 수 있게 하며, 제품 무게를 줄인다. 다음과 같은 분야에서 유용하다:

• 압력용기, 강 탱크;
• 교량.

2. 큰 두께의 용접 가능성.
3. 높은 충격 인성. 페라이트계보다 높다. 특히 저온 조건에서 뚜렷하게 드러난다: 섭씨 −50°C에서 잘 견디며 섭씨 −80°C까지 견딜 수 있다.
4. 부식균열에 대한 저항성. 오스테나이트계는 이 현상에 취약한 반면, 현대 재료는 이를 방지할 수 있게 한다. 이점은 다음과 같은 구조물 제작에서 중요하다:

• 온수를 가열하는 탱크;
• 양조용 탱크;
• 선광 설비;
• 수영장 구조물(골격).

듀플렉스 스테인리스강의 평형은 무엇으로 달성되는가?

이러한 제품이 어떻게 만들어지는지 이해하려면 오스테나이트계(AISI 304)와 페라이트계(AISI 430) 스테인리스의 조성을 비교하면 된다.

주요 구성 요소는 페라이트화(ferritizing) 요소와 오스테나이트화(austenitizing) 요소로 나눌 수 있다. 각 요소는 특정한 조직 형성을 돕는다.

페라이트화 원소는 Cr(크롬), Si(규소), Mo(몰리브덴), W(텅스텐), Ti(티타늄), Nb(니오브륨)이다.

오스테나이트화 성분: C(탄소), Ni(니켈), Mn(망간), N(질소), Cu(구리).

AISI 430 등급은 페라이트화 원소를 포함하며 그 조직은 페라이트이다. AISI 304 등급은 니켈이 약 8% 포함되어 있어 오스테나이트 조직을 가진다. 각 상이 약 50%씩 존재하는 듀플렉스를 얻기 위해서는 오스테나이트화 요소와 페라이트화 요소의 균형이 필요하다. 이 때문에 이러한 스테인리스에서는 니켈 농도가 오스테나이트계보다 훨씬 낮다.

최근 현대 시장에 등장한 일부 등급은 니켈 함량을 크게 줄이기 위해 망간과 질소의 결합을 활용합니다. 이는 제품 원가 형성에 긍정적인 영향을 미칩니다.

현재까지 이러한 스테인리스강의 제조기술은 점진적으로 확산되고 있습니다. 각 제조사는 자체 등급을 제안하고 있으며, 듀플렉스 강을 생산·판매하는 브랜드는 매우 많습니다. 추후 시장에서 선도 제조사들이 등장하는 것을 볼 수 있을 것입니다.

듀플렉스의 부식 저항성

재료의 다양성이 크기 때문에 부식 저항성을 판단할 때 오스테나이트계, 페라이트계 등과 함께 비교합니다. 동일한 수준의 부식 저항성은 존재하지 않습니다. 제조사 분류에는 피팅 부식 저항성 등가치(PREN)를 사용할 수 있습니다.

강종을 선택할 때는 해당 강이 특정 부식 환경에서 얼마나 적합한지에 주의해야 합니다.

균열성 부식

SCC — 여러 외적 요인의 결합으로 발생하는 부식 유형입니다:

• 부식성 환경;
• 인장 응력;
• 최대 약 +50°C에 이르는 고온 환경.

듀플렉스 스틸과 같은 어떤 오스테나이트계 스틸(예: AISI 304 및 AISI 316)은 균열성 부식에 민감합니다. 다음 재료들은 균열에 대한 저항성이 더 뛰어납니다:

• 페라이트계;
• 듀플렉스 강;
• 니켈 함량이 높은 오스테나이트계 강.

균열성 부식에 대한 저항성 덕분에 듀플렉스는 고온 조건에서 수행되는 여러 공정에 사용될 수 있습니다:

• 온수 가열 장치 제조에 사용;
• 맥주 양조용 탱크 제조에 사용;
• 담수화 설비 제작에 사용.

수영장 프레임 구조물도 균열성 부식에 취약한 것으로 알려져 있습니다. 단순 오스테나이트계 스테인리스의 용접은 엄격히 금지됩니다. 이 작업에는 니켈 함량이 높은 오스테나이트계가 적합합니다. 이 재료의 훌륭한 대안은 슈퍼 듀플렉스 스틸입니다.

듀플렉스 강의 보급이 더디게 진행되는 이유

높은 강도, 넓은 범위의 부식 저항성 값, 중간 수준의 용접성 — 이 모두가 이 재료의 생산을 촉진해야 합니다. 그러나 이러한 강에는 분명한 단점도 있어 듀플렉스가 시장을 완전히 장악하지 못하게 합니다.

가공성 측면에서 높은 강도는 단점으로 간주됩니다. 이는 오스테나이트계보다 성형 가공(압연·압출 등)에 대한 변형 능력이 낮음을 의미합니다. 따라서 높은 연성이 필요한 제품에는 부적합합니다. 원하는 수준의 변형 능력이 있을 때에도, 예를 들어 파이프 굽힘 등으로 적절한 형상을 얻기 위해서는 상당한 힘이 필요합니다. 절삭 가공성에 대한 예외는 하나 있는데, 바로 Outokumpu의 LDX 2101 등급입니다.

듀플렉스 스틸의 용해 공정은 비교적 복잡하고 노동집약적입니다. 제조 공정이 잘 지켜지지 않으면 바람직하지 않은 상(相)의 생성이 증가할 수 있습니다.

시그마(σ)상 형성은 제조나 용접 중 냉각 속도가 부족할 때 관찰됩니다. 강에 합금원소가 많이 포함되어 있을수록 이 상이 형성될 확률이 높아집니다. 특히 슈퍼 듀플렉스 강이 가장 취약합니다.

통상적으로 475°C 취성은 α′(알파 프라임)상 형성 시 나타납니다. 이 온도대는 위험합니다. 취성은 섭씨 300°C에서도 발생할 수 있음을 주목해야 합니다. 이는 이 재료의 사용 최대 온도에 대한 제한을 초래합니다. 이 제한은 사용 가능한 적용 분야를 더욱 좁히는 경우가 많습니다.

또한 최소 허용 사용 온도에서도 일정한 제약이 존재합니다. 충격 시험에서 듀플렉스 강은 취성-연성 전이가 나타납니다. 해양 석유·가스 셸프 구조물 제작에 사용되는 제품의 허용 시험 온도는 약 −46°C입니다.

듀플렉스의 주요 특성 개요

다음과 같습니다:

1. 다른 유형보다 수배에 이르는 높은 강도.
2. 광범위한 부식 저항성 값을 가짐. 용도에 따라 적합한 등급을 선택할 수 있음.
3. 충격 인성은 최대 약 −80°C까지 우수함. 이는 극저온(크리오겐) 환경에서의 사용을 상당히 제한함.
4. 균열성 부식에 대한 높은 저항성.
5. 대단면의 우수한 용접성.
6. 기계 가공, 프레스 성형 시 일부 어려움 발생.
7. 사용 가능 최대 온도는 약 300°C로 제한됨.

이 재료의 가격은 비교적 저렴하여 우리나라에서도 합리적인 가격에 구매할 수 있습니다. 여러 장점이 있습니다. 예를 들어, 이중상 재료의 가격은 다른 스테인리스보다 상당히 낮습니다. 또한 강도 특성은 AISI 300 계열 제품보다 훨씬 높아 동일한 장비를 만들 때 필요한 재료 양을 크게 줄일 수 있습니다.

듀플렉스 강은 자동차 산업에서 활발히 사용됩니다. 많은 기업이 이 재료를 채택하고 있으며, 이는 차량의 주요 안전 요구를 충족하면서 제품 중량을 증가시키지 않는 설계를 가능하게 합니다. 최신 기술과 재료를 사용할 경우 보통 차체 중량이 약 1/3 정도 증가합니다. 따라서 차량 중량을 크게 줄이기 위해 이중상 강을 사용하는 것이 바람직합니다. 동시에 안전성 문제도 해결됩니다. 듀플렉스 사용으로 최종 제품의 원가가 크게 상승하지 않습니다.