304 대 304L 스테인리스강: 용접 및 내식성에 저탄소가 중요한 경우

용접 탱크, 압력 용기 또는 화학 배관 시스템용으로 스테인리스 스틸을 주문한 적이 있다면 "304 또는 304L?"이라는 질문에 직면한 적이 있을 것입니다. 종이상으로는 가격 차이가 작아 보입니다. - $5,000 주문 시 $200 정도입니다. 영업사원은 "기본적으로 똑같습니다"라고 말할 수도 있습니다. 하지만 200달러의 결정에 따라 5년 후에도 용접이 여전히 구조적으로 건전할 것인지 - 입계 부식이 모든 용접 조인트의 열 영향 영역을 잠식하여 압력 용기를 시한폭탄으로 만들 것인지가 결정됩니다.

304와 304L의 전체적인 차이는 하나의 숫자로 귀결됩니다. 탄소 함량. 304은 최대 0.08%의 탄소를 허용합니다.. 304L - "L"은 "Low Carbon"을 의미합니다. - 탄소는 0.03%로 제한됩니다. 그 0.05%의 차이는 육안으로 볼 수 없고, 자석으로도 감지할 수 없으며, 인장강도와도 무관합니다. 그러나 용접 중에 - 강철이 1,500도에서 400도로 냉각되는 몇 분 동안 - 304의 0.05% 추가 탄소가 결정 경계에서 크롬 탄화물로 석출되어 주변 금속 크롬을 고갈시키고 부식이 발생하기 위한 미세한 경로를 생성합니다. 이 현상을 민감화라고 하며, 그 결과 발생하는 고장 모드 - 입계 부식 또는 "용접 부식"-은 다른 모든 부식 메커니즘을 합친 것보다 더 많은 스테인레스강 장비 고장을 일으켰습니다.

결정 규칙은 간단합니다. 용접하는 경우 304L을 선택하십시오. 304L의 3-8% 비용 프리미엄은 단일 용접 실패 비용에 비하면 사소한 것입니다. 예를 들어 - 용접을 하지 않는 경우 냉간 성형 판금 부품, 패스너 또는 어닐링된 바 스톡을 지정하여 - 304 가공하는 것은 기술적으로 충분하고 약간 저렴합니다. 그러나 현대 공급망에서는 이중{13}인증 304/304L 소재가 너무 일반화되어 대부분의 표준 제품 형태에서 가격 프리미엄이 사실상 사라졌습니다. 의심스러우면 이중-인증 304/304L을 지정하세요. - 추가 비용 없이 304L의 저탄소 보장을 받을 수 있습니다.

화학 성분 - 모든 것을 변화시키는 0.05%

304와 304L은 동일한 기본 화학물질인 - 18-20% 크롬과 8-10.5% 니켈-을 공유하며 최대 허용 탄소 함량만 다릅니다. 304는 최대 0.08%의 탄소를 허용하는 반면, 304L은 이를 0.03%로 제한합니다. 이러한 단일 요소 차이는 실온에서 기계적 특성에 측정 가능한 영향을 미치지 않지만 용접 부식 저항성을 결정하는 요소입니다.

304와 304L은 모두 300-시리즈 오스테나이트 스테인리스강 제품군에 속합니다. 이 제품은 어닐링된 상태에서 비자성이며 성형성과 용접성이 뛰어나고 대기, 수성 및 약산성 환경에서 우수한 일반 내식성을 제공합니다. "18-8" 별명은 대략 18% 크롬 + 8% 니켈 구성을 나타냅니다. 이는 304를 지구상에서 가장 널리 사용되는 스테인레스 스틸 등급으로 만들고 전 세계 스테인레스 스틸 생산량의 50% 이상을 차지하는 공식입니다.

0.05% 탄소가 왜 그렇게 중요한가요? - 민감화 메커니즘

언제304 스테인레스 스틸425-870도까지 가열됩니다. - 용접부에 인접한 열 영향부(HAZ)에 도달하는 온도 범위- 금속 매트릭스에 용해된 탄소 원자가 이동성이 있게 되어 결정립 경계로 이동하여 크롬과 반응하여 크롬 탄화물(Cr2₃C₆) 침전물을 형성합니다. 각 크롬 탄화물 입자는 탄소 원자 6개당 약 16개의 크롬 원자를 소비하여 수동 산화 피막을 유지하는 데 필요한 12% 임계값 미만으로 인접한 크롬 결정립 경계 영역을 고갈시킵니다. 결과: 모든 결정립 경계에 미세한 크롬-이 고갈되어 전해질에 노출될 때 우선적으로 부식됩니다. 이러한 실패 모드는 입계 부식(IGC) 또는 '용접 부식'으로 알려져 있습니다.

0.05% 탄소가 내식성과 부식 실패의 차이를 만드는 이유를 이해하려면 탄소 원자를 "크롬 도둑"으로 생각하십시오. 최대 0.08%의 탄소를 포함하는 304에는 탄화물이 형성될 때 전체 크롬 함량의 약 1.3%에서 크롬을 훔칠 만큼 강철에 충분한 탄소 원자가 있습니다. 이로 인해 결정립계 크롬 수준이 임계 부동태 피막 임계값인 12%- 아래로 떨어집니다. 탄소 함량이 0.03%에 불과한 304L에서 "도난"될 수 있는 크롬의 양은 총 크롬의 0.5% 미만입니다. - 결정립 경계를 12% 임계값 아래로 떨어뜨리기에 충분하지 않습니다. 용접된 304L의 결정립 경계는 용접 후 열처리 없이도 완전한 내식성을 유지합니다.{16}}

425-870도(800-1,600F)의 민감화 온도 범위는 냉각 중에 용접의 열 영향 영역이 통과하는 온도 범위-이기 때문에 매우 중요합니다. 3mm 두께의 304 시트에 대한 일반적인 GTAW(TIG) 용접은 HAZ를 약 30~60초 동안 민감화 범위로 유지합니다. 이는 304에서 탄화물 석출이 시작될 만큼 충분히 길지만 304L에서 측정 가능한 민감화를 유발할 만큼 길지는 않습니다. 더 두꺼운 섹션(10mm+)의 경우 냉각 속도가 느려지면 감작 범위의 시간이 몇 분으로 연장되므로 304L이 필수적입니다.

이중-인증 304/304L - 최신 표준

실제로 오늘날 생산되는 대부분의 스테인리스강은 - 특히 평판 압연 제품(시트, 판, 코일)과 관형 제품(파이프, 튜브) - 이중-으로 304 및 304L 화학을 모두 충족하는 인증을 받았습니다. 이는 재료의 탄소 함량이 0.03% 이하(304L 충족), 크롬 18.0-20.0%, 니켈 8.0-10.5%(둘 다 충족)임을 의미합니다. 이중-인증 재료를 사용하면 선택할 필요가 없습니다. 304 가격으로 자동으로 304L의 용접성을 얻을 수 있습니다. 재료가 이중 인증을 받았는지 항상 공급업체에 문의하세요. 그렇다면 304 대 304L 논쟁이 해결되었습니다.

전 세계 스테인리스강의 95% 이상을 생산하는 현대식 아르곤-산소 탈탄(AOD) 정련 공정에서 상당한 추가 비용 없이 자연스럽게 탄소 수준을 0.03% 미만으로 달성하기 때문에 이중 인증이 널리 보급되었습니다. AOD 공정은 아르곤과 산소의 혼합물을 용강에 주입하여 탄소-를 제거하는데 정확히 0.08%에서 멈추는 것보다 0.02-0.03%까지 탄소를 제거하는 것이 더 쉽고 저렴합니다. 이는 현대 철강 제조업체의 경우 304L 화학 물질을 생산하는 것이 실제로 기본값 -이며 탄소가 더 높은 304를 생산하려면 의도적으로 용융물에 탄소를 다시 추가해야 함을 의미합니다. 이것이 이중 인증 304/304L이 예외가 아닌 업계 표준이 된 이유입니다.

[출처] ASTM A240/A240M - 크롬 및 크롬-니켈 스테인리스 강판, 시트 및 스트립에 대한 표준 사양. ASTM A312/A312M - 이음매 없는 용접 및 냉간 가공된 오스테나이트계 스테인레스 스틸 파이프에 대한 표준 사양.

기계적 성질 - 304와 304L은 강도가 동일합니까?

어닐링된 상태의 실온에서 304와 304L은 본질적으로 동일한 인장 특성을 갖습니다. 두 등급 모두 동일한 ASTM A240 최소 요구 사항을 충족합니다. 인장 강도는 515MPa(75ksi) 이상, 항복 강도는 205MPa(30ksi) 이상, 연신율은 40% 이상입니다. 304와 304L의 두 조각 사이의 강도 차이는 탄소 함량 차이가 아니라 입자 크기, 냉간 가공 이력 및 어닐링 관행에 기인합니다.-

높은-온도 강도: 높은 온도에서의 미묘한 차이

약 425도(800F) 이상에서는 304가 304L보다 약간 더 높은 강도를 유지합니다. 그 이유는 더 높은 탄소 함량이 미세한 탄화물 분산으로 인한 작은 석출{4}}강화 효과를 제공하기 때문입니다. 그러나 이러한 이점에는 심각한 상충 관계가 있습니다.-이러한 온도에서 304는 이전에 용접된 경우 민감화에 취약합니다. 용접이 필요한 425도 이상의 고온 응용 분야의 경우 ASME 보일러 규정 요구 사항에 따라 더 높은 탄소의 고온 강도와 크리프 저항을 위한 제어된 입자 크기를 결합한 304H(0.04-0.10% C, UNS S30409)를 대신 고려하세요.

ASME 보일러 및 압력 용기 코드 섹션 II, 파트 D는 고온에서 두 등급 모두에 허용되는 응력 값을 제공합니다. 500도(932F)에서 304의 허용 응력은 약 102MPa이고 304L의 경우 94MPa입니다. - 약 8%의 차이가 있습니다. 600도(1,112도 F)에서는 차이가 약 5%로 좁아집니다. 대부분의 화학 처리, 식품 및 음료, 제약, 수처리 및 건축 응용 분야를 포함하는 400도 미만의 대부분의 산업 응용 분야에서 - 이러한 높은- 온도 강도 차이는 관련이 없으며 304L의 부식 이점은 304의 이론적인 강도 이점보다 큽니다.

[출처] ASME 보일러 및 압력 용기 코드, 섹션 II, 파트 D - 속성(미터법), 2023년판. ASTM A240/A240M 허용 응력 값.

용접 성능 - 304 대 304L 결정의 핵심

용접 부식(열-영향부의 입계 부식)은 4단계로 발생합니다. (1) 용접부에 인접한 모재는 425-870도까지 가열됩니다. (2) 탄소 원자는 입자 경계로 확산되어 크롬과 반응하여 크롬 탄화물을 형성합니다. (3) 탄화물에 인접한 결정립계 영역은 12% 미만의 크롬이 고갈되어 있습니다. (4) 부식성 환경에 노출되면 - 약한 산이나 습기- 크롬-이 고갈된 결정립계가 우선적으로 부식되고 금속은 문자 그대로 결정립계를 따라 분해됩니다. 304L에서는 결정립계 탄화물의 연속 네트워크를 형성할 만큼 탄소가 충분하지 않기 때문에 2단계에서는 결코 임계 임계값에 도달하지 않습니다.

이 과정을 시각화하려면 벽돌 벽을 상상해 보세요. 스테인레스 스틸 입자는 벽돌로서 -강하고 부식에 강하며-개별적으로 온전합니다. 입자 경계는 벽돌 사이의 모르타르입니다. 용접되지 않은 304 또는 용접된 304L에서 모르타르는 벽돌만큼 강합니다.- 그러나 용접 304에서는 감작으로 인해 모르타르에서 크롬이 용해되어 모래로 변합니다. 벽은 여전히 ​​벽처럼 보입니다. - 벽돌은 그대로 있고 기하학적 구조는 변경되지 않습니다. - 가볍게 밀면(부식성 환경) 벽돌을 서로 붙들고 있던 모르타르가 사라지기 때문에 벽돌이 부서집니다. 이것이 바로 용접 부식이 매우 위험한 이유입니다. 부품이 갑자기 파손되기 전까지는 부품이 정상적으로 보입니다.

용접 304 대 304L - 실제 규칙

모든 용접에 대한 규칙: 304~304, 304L~304L, 304~304L 용접 여부에 관계없이 308L 용가재(TIG의 경우 ER308L, 스틱의 경우 E308L)를 사용합니다. 저{10}탄소 필러는 용접 금속 자체가 감작에 대한 저항성을 갖도록 보장합니다. 모재가 표준 304이더라도 용착된 용접 금속은 다음과 같은 내식성을 갖습니다.304L 강철.

후-용접 열처리 - 304에서는 필요하고 304L에서는 필요하지 않은 경우

304와 304L의 근본적인 실제 차이점은 다음과 같습니다. 부식성이 있는 용접된 304 부품은 크롬 탄화물을 다시 용해하고 내식성을 복원하기 위해 용접 후에 용액-어닐링 처리되어야 합니다.- 용액 어닐링에는 전체 구성 요소를 1,040-1,150도(1,900-2,100F)로 가열한 다음 물로 빠르게 담금질하는 과정이 필요합니다. - 이 과정은 비용이 많이 들고 에너지 집약적이며 대형 제작 구조물(탱크, 압력 용기, 파이프 스풀)에서는 물리적으로 불가능한 경우가 많습니다. 용접된 304L 구성요소는 용접된 상태와 동일한 내식성을 달성합니다.--용접 후 열처리가 필요하지 않습니다.

이것은 한 문장으로 304L에 대한 경제적 주장입니다. 대규모 용접 구조물을 어닐링하는 용액 비용(로 사이클당 $2,000-10,000 + 왜곡 위험)은 304 대신 304L을 사용할 때의 프리미엄(일반 프로젝트의 경우 $200-500)의 10-50배입니다. PWHT가 불가능한 경우 - 설치된 배관의 현장 용접, 대형 저장 탱크, 기존 장비 수리의 경우 - 304L이 단순히 선호되는 것은 아닙니다. 그것은 필수입니다.

304 및 304L의 용접 매개변수

[출처] AWS A5.9/A5.9M - 스테인레스강 용접 전극 및 봉에 대한 사양. AWS D1.6/D1.6M - 구조용 용접 코드 - 스테인레스 스틸.

내식성 - 저탄소 이점이 가시화되는- 곳

Intergranular corrosion (IGC) is the primary corrosion mechanism that differentiates 304 from 304L. In the unwelded, annealed condition, both grades have identical general corrosion resistance to atmospheric exposure, fresh water, mild chemicals, and food products. But after welding, 304 becomes susceptible to IGC in even mildly corrosive environments - including tap water, rainwater, and humid air - because the chromium-depleted grain boundaries in the HAZ are anodic to the surrounding grains, creating microscopic galvanic cells. 304L after welding remains resistant to IGC because its grain boundaries retain >12% 크롬.

입계 부식은 육안 검사로 감지하기 어렵기 때문에 특히 위험합니다. 민감화된 304 용접은 표면에서 정상적으로 보입니다. - 표면이 연속적이기 때문에 염료 침투 테스트를 통과할 수도 있습니다. 그러나 전도성 액체 - 심지어 약산성 공정수 -에 노출되면 결정립 경계가 용해되고 금속은 단면 두께를 잃지 않고 강도를 잃습니다. 1일차에 1.5x 설계 압력으로 수압 테스트를 거친 민감한 304 파이프는 6개월 사용 후 0.3x 설계 압력에서 파손될 수 있습니다. 입계 부식으로 인해 연속 금속이 서로 결합 강도가 없는 느슨하게 연결된 입자로 바뀌기 때문입니다.

환경에 따른 내식성 - 304 대 용접 후 304L

입계 부식 민감성에 대한 표준 테스트

304L(또는 모든 저-탄소 스테인리스강)이 용접 후 입계 부식에 대한 저항성을 갖는지 확인하기 위해 세 가지 표준화된 테스트가 사용됩니다. ASTM A262 실습 A(옥살산 에칭 테스트 - 신속 스크리닝, 15분), 실습 C(질산/휴이 테스트 - 5번의 48-비등 기간에 걸친 정량적 중량 손실) 및 실습 E(구리-구리) 황산염-황산 / 스트라우스 테스트 - 15-시간 끓인 후 굽힘 테스트). 304용접 상태의-L은 세 가지 모두를 통과합니다. 용접된 상태의 304는-세 가지 모두 실패합니다. 이는 등급 간의 중요한 차이에 대한 정량적, 표준 기반 증거를 제공합니다.

Huey 테스트(ASTM A262 Practice C)는 세 가지 테스트 중 가장 엄격하고 정량적인 테스트입니다. 5번의 48-시간 동안 65% 질산에 끓인 용접된 304 시편은 일반적으로 HAZ에서 0.5-5.0 mm/년(연간 20-200밀) - 부식 속도가 주변 모재보다 10-100배 더 높습니다. 동일한 조건에서 테스트된 유사하게 용접된 304L 시편은 0.05mm/년(연간 2mils) 미만의 손실을 보이며 이는 테스트의 감지 한계에 근접합니다. 결정립계 부식률의 백만 배 차이는 "용접=L 등급 사용"이라는 간단한 규칙 뒤에 숨은 공학적 증거입니다.

애플리케이션 가이드 - 304와 304L을 선택하는 경우

304와 304L 중에서 선택하는 5가지 규칙

규칙 1부품이 용접됩니까? - '예'인 경우 304L 또는 이중-인증 304/304L을 사용하세요. 이 단일 질문으로 304와 304L 결정의 80% 이상이 해결됩니다. 모든 용접 - 심지어 단일 가용접, 명판 부착, 지지 브래킷 -은 표준 304에서 감작되기 쉬운 HAZ를 생성합니다.

규칙 2벽 두께가 3mm(1/8인치)보다 큽니까? - '예'인 경우 304L을 사용하세요. 두꺼운 부분은 용접 온도에서 더 천천히 냉각되어 민감화 범위(425-870도)에서 소요되는 시간이 늘어납니다. 25mm-두께의 판은 용접 후 5~10분 동안 민감화 범위에 남아 있을 수 있는데 비해 1.5mm 판의 경우 30~60초가 소요됩니다. 이는 탄화물 석출이 발생하는 데 10배 이상 더 긴 시간입니다.

규칙 3구성 요소가 부식성 환경을 보게 됩니까? - '예'이고 용접된 경우 304L을 사용하십시오. "부식성"에는 수돗물, 빗물, 습한 공기, 식품산(식초, 과일 주스), 세척용 화학 물질, 공정 응축수 등 온화해 보이는 환경이 포함됩니다. IGC에는 농축된 산이 필요하지 않습니다. - 크롬-이 고갈된 입자 경계(양극)와 주변 입자(음극) 사이에 갈바니 전지를 형성하기 위한 전해질만 필요합니다.

규칙 4용접 후{0}}용액 어닐링은 불가능하거나 비실용적인가요? - '예'인 경우 304L을 사용하세요. 용액 어닐링에는 1,040-1,150도까지 가열한 후 급속 물 담금질이 필요합니다. 이는 현장-용접 배관, 대형 탱크, 설치된 장비, 수리, 뒤틀릴 수 있는 얇은 벽 구성요소, 산화될 수 있는 기계 가공된 표면이 있는 구성요소에는 불가능합니다. 이러한 경우에는 304L이 유일한 옵션입니다.

규칙 5작동 온도가 425도(800F) 이상입니까? - 그렇다면 304H를 고려하세요.. 304 304L보다 고온 강도가 약간 더 좋습니다-. 하지만 부품이 용접되어 425도 이상에서 작동하는 경우 304H(UNS S30409, ASTM 7보다 크거나 같은 입자 크기가 제어된 0.04-0.10% C)는 크리프 강도와 ASME 코드 준수를 모두 제공합니다. 허용 응력을 확인하지 않고 425도 이상의 ASME 코드 압력 용기에 304 또는 304L을 사용하지 마십시오.

자주 묻는 질문

Q: 304L의 "L"은 무엇을 의미하나요?

A: "L"은 "저탄소(Low Carbon)"를 의미합니다. 304L 스테인리스강은 표준 304의 0.08%에 비해 최대 탄소 함량이 0.03%입니다. 이러한 낮은 탄소 함량은 용접 중 입자 경계에서 크롬 탄화물 석출을 방지하며, 이는 입계 부식(용접 부패)의 근본 원인입니다. "L" 지정은 1950년대 ASTM에서 특히 화학 처리 장비의 용접 부식 실패를 해결하기 위해 도입되었습니다.

Q: 304L이 304보다 약한가요?

A: 실온에서 -가 없습니다. 304와 304L은 본질적으로 동일한 인장 강도와 항복 강도를 갖습니다(둘 다 ASTM A240 최소 기준(인장 515MPa, 항복 205MPa)을 충족합니다). 425도(800F) 이상의 온도에서 304는 약간 더 높은 강도(ASME 코드당 500도에서 약 5-8% 더 높은 허용 응력)를 유지하지만 대부분의 산업 용도를 포함하는 400도 미만의 응용 분야에서는 두 등급이 강도 측면에서 상호 교환 가능합니다.

Q: 304를 304L에 용접할 수 있나요?

A: 예, - 304 및 304L은 용접에 완벽하게 호환됩니다. ER308L(TIG) 또는 E308L(스틱) 필러 금속을 사용합니다. 저-탄소 필러는 용접 금속이 모재 탄소 함량에 관계없이 감작에 대한 저항성을 갖도록 보장합니다. 유일한 고려 사항은 구성 요소가 부식성 서비스를 받는 경우 HAZ의 304 쪽이 여전히 민감화될 수 있다는 것입니다.

Q: 304L에는 -용접 후 열처리가 필요합니까?

A: 아닙니다. - 이것이 304L의 근본적인 장점입니다. -용접된 상태에서 304L은 어떠한 사후 -용접 열처리. 304 없이도 입계 부식에 저항합니다. 반면, 부품에 부식이 발생할 경우 부식 저항을 복원하기 위해 용접 후 1,040~1,150도의 용액 어닐링 + 물 담금질이 필요합니다.

Q: 이중-인증 304/304L이란 무엇인가요?

A: 이중-인증 304/304L은 두 등급의 화학 성분 요구 사항을 동시에 충족하는 재료입니다. 탄소 0.03% 이하(304L 충족), 크롬 18.0-20.0%, 니켈 8.0~10.5%(304 충족). 현대 AOD 정제 과정에서 자연스럽게 탄소 수준이 0.03% 미만이 되기 때문에 대부분의 스테인레스 스틸 공장에서 기본 제품이 되었습니다. 이중 인증 재료는 304 -의 가격으로 304L의 용접성을 제공하며 가능한 경우 항상 첫 번째 선택이 되어야 합니다.

Q: 304는 녹이 슬나요?

답변: 304 및 304L은 "스테인리스" -이며 "얼룩-방지"가 아닙니다. 두 등급 모두 대부분의 실내 및 온화한 실외 환경에서 녹이 슬지 않지만 염화물이 풍부한 환경-- 특히 염수 분무가 있는 해안 지역에서는 표면 녹(차 얼룩)이 발생할 수 있습니다. 이는 304 제품군의 일반적인 제한 사항이며 304와 304L의 차이는 아닙니다. 염화물-이 풍부한 환경(해수, 해안,-제빙염)의 경우 구멍 부식을 방지하기 위해 2~3% 몰리브덴을 추가하는 316L로 업그레이드하세요.

Q: 304 vs 304L vs 316L - 어떻게 선택하나요?

A: 염화물이 존재하지 않는 범용 용접 제작, 식품 가공, 건축 응용 분야 및 약한 화학 물질 서비스에는 304/304L(이중{2}}인증)을 선택하세요.- 환경에 염화물(해수, 해안, 제빙염, Cl⁻를 사용한 화학 공정)이 포함되어 있는 경우 316L을 선택하세요. - 316L에 공식 저항을 위해 2-3% 몰리브덴을 첨가합니다. 크리프 강도가 중요한 425도 이상에서 작동하는 ASME 압력 용기의 경우 304H를 선택하십시오. 부식성 환경이 발생할 수 있는 용접 부품에는 L 등급 304가 아닌 제품을 선택하지 마십시오.

Q: 내 재료가 실제로 304가 아닌 304L인지 어떻게 확인할 수 있나요?

A: 재료 테스트 보고서(MTR)를 확인하세요. - 탄소가 0.03% 이하로 표시되어야 합니다. 휴대용 XRF를 사용하는 PMI(Positive Material Identification)는 XRF가 탄소를 측정할 수 없기 때문에 304와 304L을 구별할 수 없습니다(탄소는 XRF 감지에 너무 가벼운 요소입니다). 신뢰할 수 있는 유일한 현장 검증 방법은 탄소 함량을 측정할 수 있는 광학 방출 분광법(OES)입니다. 탄소 함량 확인이 중요한 경우 실험실 화학 분석을 요청하거나 공장 MTR(EN 10204 유형 3.1)을 활용하십시오.