오늘은 스테인레스강의 Heat Tint 열변색에 대하여 포스팅하겠습니다.
스테인레스강은 Corrosion에 강하고 여러가지 장점이 많은 금속이기 때문에 산업계 어려곳에서 아주 사용이 많이 되고 있습니다. 다만 12Cr 이상만 Stainless의 특징인 내부식성이 발휘되는지라, 비싼 금속을 합금형식으로 만들어야 하는지라 비싸다는 단점이 있습니다.
또 가장 큰 장점인 Corrosion에 대한 저항성이 용접을 하면서 없어질 수도 있다는 단점이 존재하죠. 오늘은 내부식성에 영향을 미치는 Oxide Film의 존재유무 및 다시 복원할 수 있는 방법에 대하여 알아보겠습니다.
물론 복원전에 열변색 자체에 대하여 AWS에 의거하여 평가하는 방법도 알아봐야 되겠습니다.
1.열변색이 뭔가요?
산업현장에서 스테인레스강의 용접을 하다보면 발생하는 이색현상입니다. Stainless의 경우 보통은 Backing Gas를 주입해서 Back도 공기와의 노출을 최소화 하여야 하는데요. 이러한 Backing이 불충분할 경우에 이색현상이 생기게 됩니다. Stainless한 특성은 Cr에서 오는데요. 용접시에 높은 열에 노출되면서 Cr 석출물이 Carbon과 결합하여 Chromium Carbide를 만들고 그러한 결합물이 생긴 부분에
Chromium이 부족한(Depletion)Zone이 생기게 되어 Stainless 한 특성이 깨지게 됩니다. 이러한 곳에 부식이 생기게 되면 흔히 Weld decay라고 합니다. 이걸 막기위해 번외의 이야기긴 하지만 탄소햠량을 줄인 L Tale이 붙은 스테인레스를 사용하고 용체화 처리를 하기도 합니다.
앞서 이야기 했듯이 Protection Gas가 불충분할 경우 Cr과 Oxygen이 만나 Rich Chrome Scale을 만들게 되고 이 부분이 열때문에 변색이 되면 열변색(Heat Tint)이라고 부르게 됩니다.
바로 앞에서 말했듯이 Rich Scale 아래쪽은 오히려 뺏긴 Chromium때문에 Chromium Depletion Zone이 생성되게 되어 Weld Decay가 발생합니다.(여러가지 문제가 많네요..ㅋ)
그래서 이렇게 열변색이 된 부분을 원상태로 돌리려는 노력을 하게 되는데요. 그러한 노력은 글을 읽으시는 분들도 아시다시피, Grinding(당연히 Stainless Wire Brush), Blasting, Pickling 등의 여러가지 방법을 동원하게 됩니다. 저의 경우 Heat Tint가 생기면 Pickling으로 해결을 봤습니다만, ppm이 그리 높지 않은 상태에서 추가적인 작업을 하려니 마음이 편하진 않더군요.
2.열변색 어디까지가 합격?
어디까지가 합격이다라는 선은 없습니다. 다만 해당 Process Line이 위치하는 혹은 Service 하는 공정이 중요합니다. ppm으로 판단하고 참고할 수 있는 자료는 Paint와 마찬가지로 AWS D18.2에 해당하는 Sample이 있습니다. 이걸보고 색을 판단해서 프로젝트 Spec에 근거하여 합부 판정을 할 수 있습니다.
아래 파일의 컬러 원본을 출력하여 Template 화 하여 가지고 다니면서 합부 판정을 하시면 됩니다. 보통의 기준은 100ppm을 기준으로 하고 Sensitive한 공정으로 갈 수록 ppm 합부가 밑으로 가게 됩니다.
100ppm과 200ppm은 색 자체가 Blue가 나오는 등의 차이가 명확하여 헷갈리지는 않습니다.
열변색을 얼마나 허용할지보다 사실, 얼마나 Back Gas를 철저하게 관리를 할 것인가가 중요할 것으로 보입니다. 미리 Mock-up을 하는 것도 좋겠네요. Purge Paper를 결국에 잘쓰고 잘 회수하는 것이 현장 관리를 시작과 끝이니까요.
왜 Heat Tint를 제거해야 하는지는 아래 Graph를 보시면 좀더 이해가 갈 거 같습니다. 가지고 있는 Potential자체가 No Heat Tint 상태와 As-welded 상태와 Pickling 상태마다 틀려지는 것을 알수 있습니다.
다만 Pickling 을 한다고 해서 기본적으로 직하에 생긴 Chromium Depletion으로 생긴 Grain Boundary 민감화를 없애주지는 못합니다. 꽤나 민감하고 Stress cracking이 발생할 수 있는 부위라면 Heat Treatment + Quenching을 해주는 것이 좋겠습니다. 민감해지는 부분을 없애고 다시 생기지 않게 해당하는 열 부분을 지나가지 않게 하는 것이 중요합니다.
그에 대한 다양한 방법은 CWI 나 ASTM에서도 많이 다루고 있으니 궁금하신 분들은 해당하는 부분을 별도로 찾아보시면 좋겠습니다.
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