ASTM A249 TP310S 열처리 오스테나이트계 스테인리스강 - 고온 내식/내산화 강관용
개요
ASTM A249 TP310S는 고온 열교환기, 보일러, 과열기 튜브용 오스테나이트계 스테인리스강 이음매없는/용접 강관 규격에 명시된 25Cr-20Ni 초고합금 강종입니다. 탄소 함량을 0.08% 이하로 낮춘 L-그레이드(310S)로, 용접 후 입계 부식 감수성을 최소화하면서 1000°C 이상의 고온 산화 분위기에서 뛰어난 내산화성을 발휘합니다.
화학 조성
| 원소 | 함량 (%) |
| 탄소 (C) | 0.08 최대 |
| 크롬 (Cr) | 24.0~26.0 |
| 니켈 (Ni) | 19.0~22.0 |
| 망간 (Mn) | 2.0 최대 |
| 실리콘 (Si) | 1.0 최대 |
| 인 (P) | 0.05 최대 |
| 황 (S) | 0.03 최대 |
기계적 특성 (상온, 23°C, 용체화 처리 후)
| 특성 | 값 | 비고 |
| 인장 강도 | 515 MPa 이상 | 최소값 |
| 항복 강도 | 205 MPa 이상 | 최소값 |
| 신율 (A50) | 35% 이상 | 우수한 연성 |
| 로크웰 B 경도 | 90 HRB 이하 | 최대값 |
| 비커스 경도 | 200 HV | 일반값 |
| 탄성 계수 | 195 GPa | |
| 전단 계수 | 77 GPa | |
| 푸아송 비 | 0.3 | |
물리적 특성
| 특성 | 값 (23°C 기준) |
| 밀도 | 7.9~8.2 g/cm³ |
| 열전도율 | 11~21 W/(m·K) |
| 비열 용량 | 440 J/(kg·K) |
| 열팽창 계수 | 1.7~1.9 × 10⁻⁵ 1/K |
| 용융점 | 1230~1480 °C |
| 전기 저항률 | 8.5 × 10⁻⁷ Ω·m |
열처리: 용체화 처리 (Solution Annealing)
- 온도: 1040~1120°C (통상 1065~1100°C)
- 유지 시간: 두께 1mm당 약 1~2분
- 냉각: 수냉(Water Quench) 또는 강제 공랭 (두께 ≤ 3mm 시 공랭 가능)
- 목적: 탄화물 완전 용해, 가공 경화 제거, 오스테나이트 단일상 조직 확보, 내식성 극대화
고온 특성 (TP310S 핵심 경쟁력)
| 온도 (°C) | 인장 강도 (MPa) | 항복 강도 (MPa) | 비고 |
| 20 | 515 | 205 | 상온 최소값 |
| 400 | ~380 | ~160 | |
| 600 | ~310 | ~130 | |
| 800 | ~220 | ~100 | 크리프 강도 고려 필요 |
| 1000 | ~120 | ~60 | 단기 강도 |
내산화 성능 (산화 분위기, 연속 사용)
- 최대 사용 온도: 1100~1150°C (연속), ~1035°C (순환 열응력 조건)
- 산화 피막: 치밀한 Cr₂O₃ + NiO 복합 산화막 형성으로 스케일링 방지
- 탄소 침투 저항: 고탄소 분위기(카버라이징 분위기)에서 내부식성 우수
- 질화 저항: 고온 암모니아/질소 분위기에서 양호
주요 용도
- 석유화학/정유: 리포머 튜브, 피로리시스 코일, 크래킹 퍼니스 튜브 (900~1050°C)
- 열처리 설비: 담금질로, 어닐링로, 브라징로 머플, 컨베이어 벨트, 바스켓
- 발전소: 과열기/재열기 튜브 (초초임계압 보일러), 배가열기
- 유리/세라믹 산업: 유리 용해로 부품, 가열로 롤러, 푸셔 플레이트
- 환경/에너지: 소각로 튜브, 열분해 가스화로, 태양열 집열관
- 화학 플랜트: 고온 부식 환경 배관, 반응기 내부 부품
TP310S vs TP310H vs TP304H 비교
| 특성 | TP310S (25Cr-20Ni-L) | TP310H (25Cr-20Ni-H) | TP304H (18Cr-8Ni-H) |
| 탄소 | ≤0.08% | 0.04~0.10% | 0.04~0.10% |
| 최대 사용 온도 | 1150°C | 1150°C | 870°C |
| 크리프 파단 강도 | 보통 | 우수 (고C) | 낮음 |
| 용접 후 입계부식 | 저항 우수 | 감수성 있음 | 감수성 있음 |
| 열피로 저항 | 우수 | 양호 | 보통 |
| 주 용도 | 용접 구조물, 열교환기 | 고하중 크리프 부품 | 중온 배관 |
용접성 및 가공성
- 용접: TIG, MIG, SAW 모두 가능. 저탄소로 용접 후 입계 부식 위험 낮음. 필러: ER310 (과매칭) 또는 ER309L. 예열 불필요, 층간 온도 150°C 이하 유지.
- 가공: 가공 경화율 높음 (가공 경화 지수 n ≈ 0.45). 저속, 깊은 절삭, 날카로운 공구, 충분한 절삭유 필요.
- 성형: 우수한 연성으로 냉간 벤딩, 익스팬딩, 플레어링 가능.
적용 규격 및 검사
ASTM A249/A249M, ASME SA-249. 필수 시험: 화학 분석, 인장 시험, 평탄/플레어링/확관 시험, 수압 시험(또는 비파괴 ET/UT), 경도 시험(≤90 HRB), 미시 조직(오스테나이트 단일상, 탄화물 없음), 입계 부식 시험(A262 Practice E, 선택).