듀플렉스 스테인리스 스틸은 고강도, 우수한 내식성 및 경제성을 갖춘 엔지니어링 소재입니다. 석유화학, 해양 공학, 원자력, 식품 가공 및 기타 분야에서 널리 사용됩니다. 이 블로그에서는 듀플렉스 스테인리스강의 정의, 특성, 분류, 용도 및 재료 선택 방법을 소개하여 적절한 스테인리스강 등급을 더 잘 선택할 수 있도록 도와드립니다.
듀플렉스 스테인리스 스틸의 기본 특성
듀플렉스 스테인리스강의 주목할 만한 특징은 미세 구조에 페라이트(α-Fe)와 오스테나이트(γ-Fe)의 두 가지 결정 구조가 공존한다는 점이며, 이 두 가지가 일반적으로 1:1에 가까운 부피 비율로 공존합니다. 이 이중 구조는 크롬(Cr), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo)과 같은 원소의 비율을 정밀하게 제어함으로써 달성되는데, 크롬은 페라이트 형성 원소이고 니켈은 오스테나이트 안정화제입니다. 이 두 가지의 균형으로 인해 두 단계의 비율이 50:50에 가까워집니다. 질소를 첨가하면 오스테나이트 상이 더욱 안정화되고 강도와 내식성이 향상됩니다.
성능 측면에서 페라이트 상은 소재에 높은 강도와 염화물 응력 부식 균열에 대한 저항성을 부여하고 오스테나이트 상은 인성 및 내산성을 제공합니다. 이러한 시너지 효과 덕분에 듀플렉스 스테인리스 스틸은 강도, 내식성, 인성 사이에서 최상의 균형을 이룰 수 있습니다. 예를 들어, 일반 오스테나이트계 스테인리스강(304 등)은 염화물 이온 환경에서 응력 부식 균열이 발생하기 쉬운 반면, 고크롬 페라이트계 스테인리스강은 더 부서지기 쉽습니다. 듀플렉스 스테인리스 스틸은 두 가지 유형의 재료의 단점을 극복합니다. 테스트 데이터에 따르면 듀플렉스 스테인리스강의 항복 강도는 304 스테인리스강(약 205MPa)의 2배 이상인 400-550MPa에 달하며, 연신율은 25%-40%로 고강도 저합금강보다 훨씬 높은 것으로 나타났습니다.
내식성 측면에서 듀플렉스 스테인리스 스틸의 내공극 저항 등가물(PREN)은 공식으로 계산할 수 있습니다:
PREN= %Cr + 3.3 ×%Mo + 16 ×%N
2205 등급을 예로 들어 Cr 22%, Mo 3%, N 0.15%의 경우 PREN 값은 33-34에 이르며 304 스테인리스 스틸(PREN≈18) 및 316 스테인리스 스틸(PREN≈24)보다 훨씬 높습니다. 더 중요한 것은 듀플렉스 스테인리스 스틸이 염화물 응력 부식 균열(SCC)에 강한 내성을 보인다는 점입니다. 염화물 이온이 포함된 해수 환경에서 일반 오스테나이트 스테인리스 스틸은 몇 달 안에 균열이 발생할 수 있지만 듀플렉스 스테인리스 스틸은 수십 년 동안 안전하게 사용할 수 있습니다.
듀플렉스 스테인리스강의 분류 및 일반적인 등급
현재 듀플렉스 스테인리스 스틸은 주로 4세대로 나뉩니다. 각 세대의 특징과 대표적인 등급은 다음과 같습니다:
1세대 대표 등급인 2205(S31803)는 Cr 22%, Ni 5%, Mo 3% 및 N 0.15%를 포함합니다. 내식성과 강도가 균형을 이루는 고전적인 공식으로 화학 장비 및 해수 파이프 라인에 널리 사용됩니다. 2세대 슈퍼 듀플렉스 스틸 2507(S32750)은 Cr 25%, Ni 6%, Mo 3.5% 및 N 0.25%를 포함합니다. PREN 값은 ≥40이며 내식성이 더 강합니다. 해양 플랫폼 및 LNG 장비에 적합합니다. 3세대 2507Cu는 2507에 Cu 원소를 추가하여 틈새 내식성을 향상시켰습니다. 고농도 염산 및 제지 산업에 적합합니다. 4세대 경제 등급 LDX 2101은 저니켈(1.5%), 고망간(5.5%), Cr 21%, Mo 0.3%, PREN 값 26-28을 함유하고 있습니다. 건설 및 환경 보호 장비에 사용됩니다.
핵심은 1세대와 2세대가 주류 애플리케이션 등급이라는 점입니다. 2세대는 크롬, 몰리브덴, 질소 함량을 높여 내식성을 크게 향상시켰고, 3세대는 특정 부식 환경(고농도 염산 등)에 최적화되었으며, 4세대는 니켈 함량을 줄여 비용 절감을 달성했습니다.
듀플렉스 스테인리스 스틸의 적용 및 재료 선택
석유 및 가스 산업은 듀플렉스 스테인리스강의 주요 응용 분야입니다. 심해 원유 생산 플랫폼 매니폴드 시스템은 해수 부식(PREN≥40)과 고압(≥600MPa)을 견디기 위해 듀플렉스 스테인리스강(예: 2507)을 사용하고, LNG 저장 탱크의 라이닝은 저온 인성(-50℃)과 황화수소 응력 부식에 대한 저항성을 고려하여 2205 또는 2507을 사용합니다. 화학 및 에너지 분야에서는 습식 탈황 장치와 원자력 냉각수 파이프 라인에 2205 또는 2507을 사용하여 황산, 인산 매체 부식 및 고온 황화물 응력 부식에 저항합니다. 건설 및 환경 보호 분야에서는 교량 가드레일 및 하수 처리 장비에 LDX 2101을 사용하여 니켈 비용(1.5%)이 낮고 대기/하수 부식에 대한 저항성이 우수하여 유지보수 비용을 절감합니다.
소재 선택은 부식성 환경(해수, 산, 염화물 이온 농도 등), 기계적 특성(내압, 내충격성), 비용(니켈 함량 및 소재 사용량), 가공 및 용접 요구 사항에 초점을 맞춰야 합니다. 예를 들어 해수 환경에서는 PREN이 40 이상인 2507이 선호되고, 화학 장비는 중간 농도에 따라 2205 또는 2507을 선택해야 하며, 가드레일 구축에는 경제적인 LDX 2101을 사용할 수 있습니다. 일반적인 문제 해결 방법으로는 취화를 방지하기 위한 용접 시 열 입력 제어(정합 용접 와이어 및 다층 멀티패스 용접 공정 사용), 표면 처리(Ra ≤ 0.8μm) 및 구조 설계(틈새 방지)를 통해 피팅을 방지하는 방법이 있습니다.
생산 공정 및 품질 포인트
듀플렉스 스테인리스 스틸의 생산은 제련에서 시작됩니다. 원료를 전기 아크로(EAF)에서 녹인 후 아르곤 산소 탈탄(AOD) 용광로로 옮겨 탈탄하고, 탄소 함량을 ≤0.03%(슈퍼 듀플렉스 스틸은 ≤0.02%)로 제어합니다(슈퍼 듀플렉스 스틸은 ≤0.02% 필요). 진공 산소 탈탄(VOD)으로 불순물을 더욱 줄이고 슬래브로 연속 주조한 후 열간 압연(1050-1150℃)과 냉간 압연을 거쳐 마지막으로 어닐링(1020-1100℃ 물 담금질)을 수행하여 듀플렉스 균형을 회복합니다.
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