용접 시 니오븀 첨가의 효과
1. 니오븀은 스테인리스 스틸의 용접 성능을 향상시키는 합금 원소 역할을 합니다.
--그 효과에 대해 알아봅시다.
347 스테인리스강과 같은 특정 오스테나이트계 스테인리스강에서는 니오븀을 합금 원소로 첨가하여 입계 부식에 대한 저항성을 향상시킵니다. 이는 용접 시 특히 중요합니다.
니오븀은 탄소와 상호 작용할 때 니오븀 카바이드(NbC)를 형성하여 탄소가 크롬을 격리하고 크롬 카바이드(Cr23C6)를 형성하는 것을 방지하기 때문입니다. 크롬 카바이드는 입자 간 부식을 일으키기 쉬우므로 재료의 무결성을 심각하게 손상시킬 수 있습니다.
니오븀 카바이드를 형성함으로써 니오븀은 이 과정을 효과적으로 방지하여 용접부 및 열 영향 구역(HAZ)의 내식성을 개선합니다.
따라서 니오븀 합금 스테인리스강은 열교환기, 압력 용기, 고온 및 유해한 화학 조건에 노출되는 부품 등 고성능 환경에서 사용하기에 이상적입니다.
--이러한 효과는 여러 실험을 통해 입증되었습니다.
여러 연구를 통해 용접 분야에서 니오븀의 유익한 효과가 확인되었습니다. 예를 들어, 용접 접합부의 입자 구조를 연구하기 위해 전자 후방 산란 회절(EBSD)을 사용하여 열 영향 영역(HAZ)에서 니오븀의 역할을 분석했습니다. 이 연구에 따르면 니오븀을 첨가하면 HAZ의 입자가 미세화되어 거친 입자 열 영향 영역(CGHAZ)의 범위가 줄어드는 것으로 나타났습니다. HAZ의 입자가 미세해지면 미세 구조와 인성이 개선되어 용접 재료가 응력 하에서 고장에 대한 저항력이 높아집니다.
그림 1 니오븀 첨가량이 다른 스테인리스강 용접 비교(위쪽의 니오븀 첨가량이 다른 쪽보다 낮습니다.)
출처:
"중국 장거리 가스 파이프라인의 최첨단 기술." 청지아 상 - IGRC - 리우 2017
또한 모스크바의 CBMM 협력과 같은 프로젝트의 연구 데이터에 따르면 니오븀 함량이 높은 강재는 용접 시 열 입력 증가에 대한 내성이 더 큰 것으로 나타났습니다. 이러한 유연성은 용접 열 사이클을 견디는 재료의 능력을 향상시키고 용접 조인트의 신뢰성을 보장합니다.
2. 니오브 합금과 스테인리스 스틸 이종 금속 용접 기술
--이종 금속 용접의 중요성과 과제
니오븀 합금과 스테인리스강은 두 가지 고성능 특성이 모두 요구되는 산업에서 종종 함께 용접됩니다. 니오븀의 탁월한 고온 성능, 내식성 및 초전도성과 스테인리스강의 강도 및 비용 효율성이 결합된 이 이종 금속 용접은 특히 매력적입니다. 하지만 이 두 재료를 용접할 때는 물리적, 화학적, 야금학적 특성의 차이로 인해 몇 가지 어려움이 있습니다.
- 열적 특성 차이: 니오븀 합금의 열팽창 계수(7.3×10-⁶/°C)는 스테인리스강(17.3×10-⁶/°C)과 크게 다르므로 잔류 응력이 발생합니다.
- 야금학적 비호환성: Fe₂Nb 및 Cr₂Nb와 같은 부서지기 쉬운 금속 간 화합물을 형성할 위험이 있습니다.
- 산화 민감성: 니오븀은 고온에서 산화에 매우 취약하므로 엄격한 보호 조치가 필요합니다.
- 용접 희석 제어: 용융 풀의 조성을 제어하는 것은 까다로운 작업입니다.
-용접 방법 비교 및 선택
--전통적 용접 방법
니오븀 합금을 스테인리스 스틸에 용접할 때는 적절한 용접 방법을 선택하는 것이 중요합니다. 다음은 전통적인 용접 방법의 목록입니다.
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용접 방법 |
장점 |
제한 사항 |
적용 가능한 시나리오 |
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GTAW(텅스텐 불활성 가스) |
간단한 장비, 유연한 작동 |
높은 열 입력, 심각한 왜곡 |
얇은 판재 맞대기 접합, 간단한 구조 |
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EBW(전자빔 용접) |
큰 깊이 대 폭 비율, 작은 HAZ |
진공 환경, 고가의 장비 필요 |
고정밀 부품, 항공우주 애플리케이션 |
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LBW(레이저 빔 용접) |
정밀한 열 입력, 높은 자동화 |
높은 조립 정밀도 필요 |
얇은 판, 정밀한 연결 |
--고급 용접 기술
마찰 용접(FW), 확산 용접(DFW), 폭발 용접(EXW)과 같은 고급 용접 기술을 사용하여 니오븀 합금을 스테인리스 스틸에 용접할 때의 고유한 문제를 해결할 수도 있습니다.
- 마찰 용접(FW)
- 솔리드 스테이트 접합은 용접 결함을 방지합니다.
- 특히 파이프 접합에 적합합니다.
- 매개변수(속도, 압력, 시간)를 엄격하게 제어해야 합니다.
- 확산 용접(DFW)
- 중간층(Ti, Cu, Ni)을 사용하여 결합력을 향상시킵니다.
- 온도(800~950°C)와 압력에 대한 엄격한 제어가 필요합니다.
- 접합 강도는 기본 재료 강도의 90%에 달할 수 있습니다.
- 폭발성 용접(EXW)
- 대면적 판재 복합재에 적합합니다.
- 접합 인터페이스는 물결 모양으로 기계적으로 맞물려 있습니다.
- 잔류 응력을 완화하기 위해 후속 열처리가 필요합니다.
--주요 공정 관리 포인트
1. 중간층 재료 선택
중간 재료의 선택은 용접 품질을 개선하고 니오븀 합금과 스테인리스강 간의 재료 불일치를 완화하는 데 중요한 역할을 합니다. 순수 니켈, 구리 기반 복합재, 바나듐/티타늄 전이층과 같은 중간층은 잔류 응력을 완화하고 취성 상 형성을 방지하는 데 도움이 됩니다.
예를 들어 순수 니켈 중간층은 Fe-Nb 취성상의 형성을 효과적으로 억제하고, 구리 기반 층은 열 응력을 완화하고 우수한 전기 전도성을 제공할 수 있습니다. 바나듐 또는 티타늄 전이층을 사용하면 니오븀 및 스테인리스강과의 호환성이 뛰어나지만 확산 온도를 신중하게 제어해야 합니다.
2. 보호 분위기 제어
고온에서 산화에 매우 민감한 니오븀 합금을 용접할 때는 용접 환경을 제어하는 것이 필수적입니다. 순도 99.999% 이상의 아르곤 또는 헬륨과 같은 불활성 가스를 사용하는 것이 좋습니다. 산소 함량은 10ppm 이하로 조심스럽게 제어해야 하며, 이중 가스 보호 시스템을 사용하여 용접의 무결성을 보장해야 합니다. 진공 용접의 경우 산화를 방지하기 위해 압력을 5×10-³Pa 이하로 유지해야 합니다.
결론
니오븀 합금과 스테인리스 스틸의 용접 기술은 상당한 발전을 이루었습니다. 스테인리스강에 니오븀을 첨가하면 내식성 향상, 입자 구조 개선 및 인성 증가로 용접 성능이 크게 향상됩니다. 용접에서 니오븀 첨가의 효과에 대해 더 잘 이해할 수 있기를 바랍니다. 자세한 내용은 Stanford Advanced Materials (SAM)에서 확인하시기 바랍니다.
참조:
[1] CHEN Guoqing, GAN Zhanhua, ZHANG Ge, LENG Xuesong (2023). 니오브 합금과 스테인리스 스틸 이종 금속 간의 용접 기술 연구 진행 상황. 항공 제조 기술. https://doi.org/http://www.amte.net.cn/CN/10.16080/j.issn1671-833x.2023.19.093
[2] Xingwen Zhou, Yuhua Chen, Yongde Huang, Yuqing Mao, Yangyang Yu, NiTiNb 및 Ti6Al4V 합금의 레이저 용접 접합부의 미세 구조 및 기계적 특성에 대한 니오브 첨가의 영향, Journal of Alloys and Compounds, Volume 735, 2018, Pages 2616-2624, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925838817340896
