끝까지 인내하는 사람이 원하는 결과를 얻는다
ReSEAT 전문연구위원
유호천
기 중에 존재하는 흔하고 값싼 질소를 스테인리스강 성분 에 첨가하면 제조원가를 상승시키지 않고 강도를 오히려 상승시키고 내식성을 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 그래서 수요가 계속적으로 증가하고 있으며, 향후 차세대 철강 신소재로 서 각광을 받을 수 있을 것으로 기대된다. 철강재료와 질소의 관 계는 오래전부터 비교적 많은 연구가 추진되어 왔다. 특히 페라이 트 구조용강 중에 포함된 질소는 페라이트계 구조용강의 용접성을 해치는 단점이 있어 철강재료에서 질소를 제거하기 위한 연구가 적극적으로 추진되어 왔다. 고질소강을 구조용강으로 응용하려면
용접 혹은 접합을 하게 된다. 그러나 이 경우 이음부의 열화가 문 제되기 때문에 이에 대한 해결 방법이 절대적으로 필요하다. 그 러나 스테인리스강에 다량의 질소를 첨가하면 내식성이 향상되면 서 내점부식성과 틈새부식성이 뛰어나다는 특징이 있다. 질소량의 증가와 동시에 강도가 증가하지만 어느 정도의 질소량까지는 인성 이 거의 손상되지 않는다.
최근 철강소재에 질소를 다량 첨가하는 주조기술의 경쟁적인 연구 개발로 인하여, 1wt.% 이상의 질소를 함유한 초고질소강도 제조되고 있다. 하지만 용접성의 보증이 항상 해결해야 할 과제로 대두되었다.
그래서 본인은 고질소 스테인리스강의 용접성을 보증하고, 용접성이 더욱 향상된 강을 개발하는 일을 필수 과제로 생각했다. 따라서 0.5wt.%의 질소를 함유한 STS 304, 316강의 내부식성 보증과 용접성 향상을 연구목표로 설정하였다. 그리고 단기간의 부식성 보증시험과 용접성 향상기술을 통해 품질이 보증된 값싼 고질소 스테인리스강을 개발하여 수요자들이 안심하고 사용할 수 있는 기술서비스를 제공하고 싶었다. 값비싼 니켈 등의 금속원소를 줄여도 우수한 효과를 낼 수 있는 고질소 오스테나이트계 스테인리스강을 제조하는 과정에 동반하게 되었다는 사실에 자긍심을 가지고 있었다.
고질소함유 스테인리스강을 개발하기 위해서는 2가지를 반드시 기억 해야 한다. 하나는 압연용 강괴의 제조기술이고, 다른 하나는 용접부 부식성평가 기술이다.
고질소 스테인리스강을 제조하기 위하여 진공유도용해로에 의해서
첫째로 강괴 중의 질소 함유량 측정이 어려웠다. 최신 분석기기도 고질소에 대한 표준 샘플이 없어서 측정이 곤란한 상황이었다. 할 수 없이 2차에 걸친 진공용해작업에 의해 시행착오로 질소함량을 맞추는 방법밖에 없었다. 그러나 이 방법 역시 질소 적중률에 대한 편차를 막을 수 없었다.
둘째로 30kg의 강괴를 2차 진공용해작업에 투입하려면, 아주 잘게 파쇄하는 과정이 필요하다. 고민 끝에 다시 가열 후에 열간압연 후 절단기를 작은 크기로 절단하여 소편으로 제작하였다. 하지만 이 방법 역시 좋은 선택이 아니었다. 그리 고생했건만! 허탈한 심정이 들었다.
그러나 내 주위엔 보는 눈이 많았다. 나를 평가하고 보는 사람들이 있어서 아무런 불평도 못하고 좋은 표정을 지으며 고질소 소편조각을 다음 2차 진공용해 작업에 이용했다.
2차 진공용해 작업에서도 1차 작업과 마찬가지로 문제점이 속속 모습을 드러냈다. 특히 용강 중에서 예상 적중량에 대한 오차가 매우 심하게 나타났다. 질소함량과 다른 첨가원소들의 함량이 정확하게 나오지 않았다. 그래서 강괴의 무게를 30kg으로 정했지만 첨가원소에 대한 편차가 심하여 시험편 확보가 어려웠다. 그래서 강괴의 무게를 100kg으로 증가시켰다. 특히 잉곳의 하부와 상부에 대한 질소함유량 차이가 심하게 벌여져 난감했던 적이 한 두 번이 아니다. 우여곡절 끝에 14번째 작업에서 0.5wt.%N 함유강이 나타나 굉장히 반가운 마음이 들었다. 지옥에서 부처님 만난 기분이라면 너무 심한 표면인지
모르지만 그때는 그랬다. 만약의 경우, 이것마저 실패했더라면 예산부족 으로 연구를 중단하거나, 나중의 시험물량을 최소한으로 축소해야 하는 입장에 설 수 있었기 때문이었다. 즐거운 마음으로 실험을 계속 진행 했다.
고질소강의 내식성보증 시험을 위하여 내후성 촉진시험을 진행했다.
또한 고질소강의 용접성 시험을 위해 고질소강에 스폿용접, 티그(TIG) 용접, 용접재료 선정시험을 실시하였다. 0.5wt.% 질소가 함유된 STS 304, STS 316강에 대하여 티그용접을 실시해 용접부를 관찰했다. 그 결과, 질소의 감소, 블로우홀(blowhole) 생성 및 Cr질화물의 석출의 영향은 미미하게 나타났다. 또한 높은 질소함량으로 인해 취성파괴의 원인이 되는 불규칙한 크기의 입자도 발견되지 않았다. 다행스러운 일이었다.
JIS Z 3136에 의해서 인장전단 시험편을 제작해 점용접과 티그 용접을 실시했다. 그리고 720시간 동안 염수분무시험을 행한 후 녹이 발생하는 현황을 조사했다. 그런데 720시간이 지나도 모든 시험편에서 녹이 거의 발생하지 않아 난감했다. 시험장치가 지하에 있었는데 지상 3층 연구실에서 지하까지 내려가는 것이 귀찮고, 할 일도 많아서 어떻게 할까 망설이다가 포기한 채 그대로 놔뒀다. 며칠 뒤 다시 들여다 보니 용접부에 녹이 생겨 마치 동상에서 눈물이 흐른 것처럼 밑으로 흘러내린 상태였다. 이루 말할 수 없이 기쁜 순간이었다. 몇 달간 얼마나 고생해서 만든 시험편이던가! 실패하면 어떡하나 마음 졸이며 규정시간인 720시간을 훨씬 넘긴 약 1,400시간 후에 부식현황을
파악해 정리하는 즐거움을 맛볼 수 있었다. 너무 조급한 마음보다는 최적의 결과가 나올 때까지 인내하며 기다리는 자세가 필요하다는 교훈을 얻을 수 있었다. 그야말로 인고의 시간 끝에 맛 본 성공의 달콤한 맛이었다. 염수분무시험은 정량적으로 부식정도를 파악하기 위한 장시간의 싸움이었다. 그 싸움에서 승자가 되었기 때문에, 성공 사례로 아직까지도 기억 속에 생생하게 남아있다. 더불어 고질소 STS 304, STS 316강의 용접조건을 파악하여 용접부 내부식성 향상을 위한 최적의 용접조건을 도출해내는데 성공했다. 그 덕에 생산제조기술의 관리방안을 확립할 수 있었기 때문에 연구성과에 상당한 만족감을 느낄 수 있었다.
필자는 고질소 스테인리스강재에 대한 내식성 및 용접성 보증에 대한 평가기술을 확립한 장본인이다 그래서 수도배관, 아파트베란다와 같은 고내식성, 고내후성 내외장 건축구조용 강재, 발전기용 모터 회전자를 지탱하는 링 소재 등에 고질소 스테인리스강재를 사용한다는 소식을 들을 때마다 뿌듯한 마음을 감출 길이 없다. 이렇게 고질소 스테인리스 강은 대단히 우수한 특성을 가진 재료인 것이 밝혀졌다. 향후 많은 스테인리스강재에 대해서도 내부식성과 최적의 용접기술만 확실히 보증 된다면 더욱 광범위한 분야에 적용될 수 있을 것으로 예상된다. 그러나 고질소 스테인리스강을 화학장치, 케미칼탱크 등과 같은 산성 환경에서 사용할 경우, 내부식성과 완벽한 용접시공을 위해 해결해야 할 과제는 아직 남아있다고 생각한다.
최근 고질소 스테인리스강을 제조할 수 있는 담당자와 연구원에게
국내 제철소의 생산량을 문의해 본 적이 있다. 듀플렉스 스테인리스강에 질소를 0.3 wt.%까지 첨가한 생산실적은 조금 있으나, 다른 강종은 거의 생산이 되지 않는다는 답을 들을 수 있었다. 수요자가 안심할 수 있고 내부식성과 용접성이 보증되는 합금절약형의 값싼 스테인리스강을 제조할 수 있는 기반은 아직 완전하게 만들어지지 않았다는 생각에 씁쓸한 기분이 들었다. 온갖 고생을 하면서 고질소강의 연구에 매달 렸건만, 아직 큰 빛을 못 보고 있다니 아쉬운 마음뿐이다.
향후 가까운 미래에 고질소강의 접합방법으로 마찰교반접합법, 마찰 압접법과 같은 유망한 프로세스를 확보할 수 있을 것으로 기대해본다.
질소함유량이 약 1 wt.% 정도까지 함유된 고질소강에서 마찰교반접합 기술이 완전히 확보되어 실제 활용이 가능하게 되길 꿈꾼다. 특히 값비싼 니켈, 구리와 같은 값비싼 원소의 첨가량을 대폭 줄이고, 그 자리를 품질 높은 고질소강이 채우게 된다면 철강제조 역사상 최대의 찬사를 받을 수 있지 않을까?