니켈 기반 재료
니켈 기반 재료는 니켈이 풍부한 매트릭스를 가진 다성분 합금입니다. 주요 합금 원소는 크롬과 몰리브덴이며, 종종 소량의 철, 텅스텐 또는 니오븀이 추가됩니다. 이러한 조합은 재료에 공격적인 공정 매체에 대한 매우 높은 내식성을 부여합니다. 이러한 재료 중 하나가 합금 59입니다. 이는 저탄소 니켈-크롬-몰리브덴 재료입니다. 전형적인 질량 비율은 니켈 59~63%, 크롬 22~24%, 몰리브덴 15~16.5%이며, 철과 탄소 함량은 매우 낮습니다. HC22 소재 역시 Ni-Cr-Mo 합금 그룹에 속합니다. 몰리브덴 함량은 다소 적지만 텅스텐 함량이 추가되어 있으며, 니켈 함량은 55% 이상이고 철 함량은 낮은 수준을 유지합니다.
니켈 기반 소재는 염화물이 포함된 매체에서 매우 높은 내성을 보이며, 광범위한 산화성 및 환원성 산에도 저항합니다. 낮은 탄소 함량은 입계에서의 탄화물 형성을 줄여 열적 응력 후 결정간 부식의 경향을 감소시킵니다. 유사한 니켈 기반 합금으로는 Alloy 625, Alloy 686 및 Alloy C-276이 있으며, Alloy 625에는 추가로 니오브가 포함됩니다. 이를 통해 석출 경화가 가능해지고 고온에서의 내열 및 크리프 강도가 향상됩니다. 합금 C-276은 매우 높은 몰리브덴 함량을 가지며 종종 텅스텐도 함유합니다. 이로 인해 강한 환원성 및 오염된 매체에서의 내성이 더욱 향상됩니다.
니켈 기반 합금은 높은 기계적 특성을 가집니다. 용체화 처리 상태에서 항복 강도는 일반적으로 300~500 N/mm2 사이입니다. 고온에서도 강도의 상당 부분이 유지되어 오스테나이트계 스테인리스강과 뚜렷한 차이를 보입니다.
용접 기술적으로 이 재료들은 까다롭습니다. 모재와 용접 재료의 화학 조성은 신중하게 조율되어야 합니다. 용접 재료는 합금 손실을 보상하고 용접부의 내식성을 보장하기 위해 종종 약간 과잉 합금됩니다. 낮은 열 입력, 제한된 층간 온도 및 제어된 다층 용접이 중요합니다.
페라이트계 스테인리스강은 별도의 재료군을 형성합니다. 이들의 모체는 페라이트이며, 니켈 함량은 낮거나 전혀 없으며, 크롬 함량은 대부분 12~30% 사이입니다. 오스테나이트계 강에 비해 열팽창 계수가 낮고 열전도율이 높습니다. 이로 인해 온도 변화 시 치수 안정성이 더 우수합니다. 그러나 부식 방지에 있어서는 페라이트계 스테인리스강의 성능은 제한적입니다. 염화물이 포함된 매질에서는 구멍 부식 및 틈새 부식이 비교적 조기에 발생하지만, 응력 부식은 훨씬 드물게 나타납니다. 현대적인 페라이트계 스테인리스강은 탄소와 질소 함량이 매우 낮습니다. 카바이드 및 질화물 침전물을 제어하기 위해 티타늄이나 니오븀으로 안정화되는 경우가 많습니다.
1.4509 또는 1.4521과 같은 페라이트계 재료는 중간 정도의 부식성 환경과 높은 온도에서 경제적인 대안으로 간주됩니다. 용접 기술 측면에서 페라이트계 스테인리스강은 열영향부에서 입자 성장과 취성화가 발생할 수 있어 민감합니다. 따라서 제어된 열 공급, 적절한 용접 순서 및 필요한 경우 열처리가 필요합니다. 고공격성 화학 매체의 경우, 우수한 내화학성과 기계적 안정성의 조합으로 인해 니켈 기반 재료가 선호됩니다.
열팽창 계수 α는 온도에 따라 달라지며, “오스테나이트계”와 “페라이트계”의 경우 구체적인 등급에 따라 크게 달라집니다. 아래 값은 20~100°C의 온도 범위에서 10−6/켈빈 단위로 표시된 실제 비교 값입니다.
- 오스테나이트계 스테인리스강(예: 316L / 1.4404): 약 16.0
- 페라이트계 스테인리스강 (예: 1.4509 / 441): 약 10.0~11.0
- 합금 59 (UNS N06059 / 2.4605): 약 11.9