1.듀플렉스 스테인리스강 Sigma Phase 석출과 용접부 공식부식 원인

듀플렉스 스테인리스강 용접부에서 Sigma Phase가 생성되는 원인과 Cr·Mo 고갈에 따른 공식부식 저항성 저하, HAZ 미세조직 변화 및 ASTM A923 기반 검사방법을 실무적으로 분석합니다. 저와 함께 분석 검사해 보겠습니다.

같은 듀플렉스강인데 왜 용접부에서 먼저 Pit가 생겼을까?

해수나 염화물 공정에 사용되는 듀플렉스 스테인리스 배관을 개방했는데 모재는 깨끗하고 용접부 주변에만 작은 Pit가 집중되어 있다고 생각해 보겠습니다.

재질성적서를 확인해도 화학성분에는 문제가 없습니다.

그렇다면 무엇을 의심해야 할까요? 이럴때는 한번씩 고민이 됩니다.

이때 반드시 살펴봐야 하는 것이 용접 열이력에 따른 미세조직 변화입니다.

듀플렉스 스테인리스강은 이름 그대로 Ferrite(α)와 Austenite(γ)의 두 상을 적절하게 유지함으로써 높은 강도와 우수한 내식성을 얻는 재료입니다.

그런데 제조·용접·열처리 과정에서 부적절한 열이력이 가해지면 이 균형 사이에 원하지 않는 금속간화합물이 만들어질 수 있습니다.

대표적인 것이 듀플렉스 Sigma Phase(σ상)입니다.

ASTM A923-25는 듀플렉스 스테인리스강이 대략 320~955°C의 열노출 범위에서 유해한 금속간상을 형성할 수 있으며, 이러한 상이 인성과 내식성을 저하시킬 수 있다고 설명합니다.

1. 듀플렉스강의 강점은 ‘두 개의 상’에서 시작된다

일반적인 Austenitic Stainless Steel과 달리 듀플렉스강의 미세조직에는 Ferrite와 Austenite가 공존합니다.

이 두 상의 균형은 단순히 현미경 사진을 보기 좋게 만드는 것이 아닙니다.

강도, 인성, 용접성 그리고 염화물 환경에서의 국부부식 저항성과 직접적인 관계가 있습니다.

특히 Cr, Mo, N 같은 합금원소는 공식부식 저항성을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.

그래서 듀플렉스강은 재질명 하나만 확인해서는 부족합니다.

화학조성 + Ferrite/Austenite 균형 + 유해 석출상 + 용접 열이력

을 함께 봐야 실제 재료상태를 이해할 수 있습니다.

2. 듀플렉스 Sigma Phase는 어디에서 만들어질까?

Sigma Phase는 Cr과 Mo 등이 농축된 취성 금속간상입니다.

문제는 용접 과정에서 금속이 가열됐다가 냉각되면서 특정 영역이 Sigma Phase가 석출되기 좋은 온도-시간 조건을 경험할 수 있다는 것입니다.

ASTM A923 역시 유해 금속간상의 생성속도가 합금 조성과 각각의 재료가 경험한 열적·열기계적 이력에 좌우된다고 명시합니다. 특히 열처리품에서는 가장 천천히 냉각된 영역을 검사할 필요가 있다고 설명합니다.

즉,

“최고온도가 얼마였는가?”

만 볼 것이 아니라

“문제가 되는 온도범위에 얼마나 머물렀으며 얼마나 빠르게 빠져나왔는가?”

가 중요합니다.

이것이 듀플렉스 용접에서 Heat Input, Interpass Temperature와 냉각조건 관리가 중요한 이유 중 하나입니다.

3. Sigma Phase가 생기면 왜 주변이 약해질까?

여기가 이번 글의 핵심입니다.

듀플렉스 Sigma Phase 자체에는 Cr과 Mo 같은 원소가 농축될 수 있습니다.

그러면 Sigma Phase가 형성되는 주변 미세영역에서는 상대적으로 이러한 합금원소가 고갈된 영역이 만들어질 수 있습니다.

문제는 Cr과 Mo가 스테인리스강의 수동피막과 공식부식 저항성에 매우 중요한 원소라는 점입니다.

따라서 미세조직 내부에서

σ상 석출 → Cr·Mo 재분배/주변 고갈 → 국부적인 수동피막 안정성 저하 → 염화물 환경에서 Pit 개시

라는 연결고리가 만들어질 수 있습니다.

2026년 2507 Super Duplex 연구에서도 Sigma Phase와 관련된 상경계에서 Cr 고갈과 갈바닉 효과가 국부부식 개시에 영향을 주는 것으로 분석됐습니다.

즉, 재질 전체의 평균 Cr 함량이 규격에 들어온다고 해서 모든 미세영역이 동일한 내식성을 갖는 것은 아닙니다.

4. PREN 값이 높으면 Sigma Phase가 있어도 괜찮을까?

듀플렉스 스테인리스강을 선정할 때 흔히 사용하는 지표가 PREN(Pitting Resistance Equivalent Number)입니다.

대표적으로 다음 형태의 식이 널리 사용됩니다.

PREN = %Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N

합금의 Cr, Mo, N이 증가하면 일반적으로 염화물 공식 저항성이 높아지는 방향을 보여주는 지표입니다.

하지만 여기서 중요한 함정이 있습니다.

PREN은 기본적으로 화학조성을 이용한 재료선정 지표입니다.

용접 열이력으로 미세조직이 변하고 Sigma Phase 같은 유해상이 생성됐는데 단순히 Mill Certificate의 평균 조성으로 PREN을 계산해서

“PREN이 높으니 문제없다.”

라고 판단하면 실제 용접부의 국부적인 내식성 저하를 놓칠 수 있습니다.

2021년 열시효 듀플렉스강 연구에서도 Sigma Phase 존재가 공식부식 저항성에 큰 영향을 주는 것이 확인됐습니다.

5. 실제로 공식부식 저항성이 얼마나 달라질까?

Sigma Phase와 공식부식의 관계는 실험에서도 확인됩니다.

2205 듀플렉스강을 인공해수에서 평가한 연구에서는 열처리로 Sigma Phase를 석출시킨 후 시험온도를 25°C, 50°C, 80°C로 변화시키자 온도와 부적절한 열처리 조건에 따라 공식 개시에 필요한 전위가 낮아지는 경향이 관찰됐습니다.

또 다른 연구에서는 800°C에서 시효 처리된 UNS S31803에서 Sigma Phase가 증가하면서 내식성이 크게 저하되는 결과가 보고됐습니다.

이 결과가 의미하는 것은 단순합니다.

듀플렉스 Sigma Phase 문제는 현미경에서 이상한 조직이 보이는 것에 그치지 않고 실제 국부부식 성능 변화로 연결될 수 있다는 것입니다.

6. 실제 열교환기에서는 어떤 모습으로 파손될까?

최근에는 실제 산업설비 Failure Analysis에서도 이 연결고리가 확인됐습니다.

2026년 발표된 2205 듀플렉스 스테인리스 열교환기 튜브 파손 연구에서는 약 2년 사용 후 종방향 용접부를 따라 공식부식이 집중됐습니다.

SEM-EDS에서는 Weld/HAZ의 Cr, Mo, Ni 편석이 확인됐고 XRD 분석에서는 약 3.6 wt%의 Sigma Phase가 확인됐습니다. 또한 NaCl 환경의 전기화학시험에서 용접부가 모재보다 높은 준안정 공식 거동을 나타냈습니다.

이런 사례가 애드센스용 전문글에서 중요한 이유는 단순히

“Sigma Phase는 나쁘다.”

라고 설명하는 것을 넘어

미세조직 변화 → 원소 재분배 → 국부 내식성 저하 → 실제 용접선 주변 Pitting

이라는 현장 Failure Chain을 보여주기 때문입니다.

7. 현장에서는 Sigma Phase를 어떻게 찾아낼까?

외관만 보고 Sigma Phase를 판단할 수는 없습니다.

용접부에 Pit가 발생했다고 해서 무조건 Sigma Phase 때문이라고 단정해서도 안 됩니다.

실무에서는 다음과 같은 흐름으로 접근하는 것이 좋습니다.

① 용접 WPS/PQR 및 Heat Input 확인
↓
② Interpass Temperature·용접 이력 검토
↓
③ 손상 위치와 Weld/HAZ 관계 Mapping
↓
④ 용접부 단면 시료 채취
↓
⑤ 금속조직 검사
↓
⑥ 유해 금속간상 평가
↓
⑦ 필요 시 SEM/EDS·XRD·EBSD 분석
↓
⑧ 부식시험 및 기계적 성능과 교차검증

ASTM A923-25는 바로 이 문제를 위해 세 가지 시험방법을 제공합니다.

ASTM A923 시험	주요 목적
Method A	Sodium Hydroxide Etch를 이용한 조직 분류
Method B	Charpy Impact를 이용한 인성 영향 평가
Method C	Ferric Chloride Corrosion Test를 이용한 내식성 영향 평가

중요한 점은 ASTM A923 시험이 정확히 “이것은 Sigma Phase 몇 %다”라고 정량 분석하는 시험만을 의미하는 것이 아니라, 금속간상이 인성과 내식성을 유해한 수준으로 떨어뜨렸는지 탐지하는 목적이라는 것입니다.

8. 화학성분과 인장시험이 정상인데도 불합격할 수 있을까?

가능합니다.

이 부분은 품질검사에서 상당히 중요합니다.

ASTM A923-25는 해당 제품 규격의 화학적·기계적 요구사항을 만족한다고 해서 유해 금속간상이 존재하지 않는다는 의미는 아니라고 명시하고 있습니다.

예를 들어 Mill Certificate에서 Cr, Ni, Mo가 정상이고 인장강도와 항복강도도 합격했다고 하더라도 특정 열이력 때문에 국부적으로 유해상이 석출됐을 가능성까지 그 결과만으로 배제할 수는 없습니다.

그래서 고부식성 환경에 들어가는 중요 듀플렉스 설비에서는 재질 성적서 확인과 미세조직 건전성 확인을 서로 다른 문제로 봐야 합니다.

💭 현장에서 놓치기 쉬운 부분

용접부에서 반복적으로 Pit가 발생하면 가장 먼저 “용접 비드가 거칠어서 그런가?” 또는 “염화물 농도가 높았나?”를 의심하기 쉽습니다.

물론 둘 다 확인해야 합니다.

하지만 모재는 멀쩡하고 특정 Weld/HAZ에 손상이 반복적으로 집중된다면, 표면상태만 볼 것이 아니라 용접부 내부의 미세조직까지 내려가 보는 것이 원인분석의 중요한 전환점이 될 수 있습니다.

용접부 주변의 국부부식은 재료 미세조직뿐 아니라 실제 공정환경과도 함께 분석해야 합니다. 스테인리스강에서 용접·응력·염화물 환경이 균열로 연결되는 다른 사례는 기존 글 **「화학 플랜트 배관의 304 스테인리스강 SCC 원인 분석 및 현장 대책」**에서 비교해 볼 수 있습니다.

9. Sigma Phase를 방지하려면 재질보다 용접을 먼저 봐야 한다

이미 적절한 듀플렉스강을 선정했다면 무조건 더 높은 등급의 합금으로 바꾸는 것이 첫 번째 해결책은 아닙니다.

먼저 제작 과정에서 원래 재료의 성능을 유지했는지를 확인해야 합니다.

핵심 관리항목은 다음과 같습니다.

Heat Input 관리, Interpass Temperature 관리, 적절한 용접절차 적용, 불필요한 고온 체류 방지, 필요한 경우 적절한 Solution Heat Treatment 및 빠른 냉각 등입니다.

ASTM A923 역시 올바른 열처리가 유해상을 제거할 수 있으며, 제품을 빠르게 냉각하는 것이 이후 유해상 형성에 대한 저항성을 높이는 데 중요하다고 설명합니다.

따라서 문제 해결의 방향은

“듀플렉스강이 나쁜 재료였다.”

가 아니라

“좋은 듀플렉스 스테인리스강의 미세조직을 제작 후에도 유지했는가?”

에서 시작해야 합니다.

👨‍🔬 전문가의 시각

듀플렉스 스테인리스강 Sigma Phase 문제에서 가장 흥미로운 부분은 재질성적서만 보면 모든 것이 정상으로 보일 수 있다는 것입니다.

평균 화학성분도 정상이고 기계적 강도도 규격에 들어올 수 있습니다.

그러나 실제 내식성은 수십 μm 수준의 국부적인 미세조직 변화에서 무너지기 시작할 수 있습니다.

그래서 듀플렉스 용접부 Failure Analysis에서는

재질명 → 화학성분 → 용접 열이력 → 미세조직 → Cr/Mo 분포 → 공식 발생 위치

를 하나의 흐름으로 연결해야 합니다.

이것이 일반적인 “스테인리스도 염화물에서 부식된다”는 설명과 이번 듀플렉스 Sigma Phase 분석의 가장 큰 차이입니다.

FAQ

Q1. 듀플렉스 스테인리스강 Sigma Phase가 조금이라도 있으면 무조건 사용할 수 없나요?

단순히 존재 여부만으로 모든 설비의 사용 가능성을 결정할 수는 없습니다. 적용 규격과 서비스 조건, 유해상이 인성·내식성에 미치는 영향을 기준으로 평가해야 합니다. ASTM A923 역시 유해한 수준의 금속간상을 탐지하는 시험체계를 제공합니다.

Q2. 듀플렉스 스테인리스강 Sigma Phase는 용접금속에만 생기나요?

아닙니다. 열이력을 경험하는 용접금속과 HAZ뿐 아니라 부적절한 열처리나 장시간 열노출을 받은 듀플렉스강에서도 문제가 될 수 있습니다.

Q3. Ferrite 함량만 측정하면 Sigma Phase 문제를 알 수 있나요?

Ferrite 측정은 중요한 품질관리 수단이지만 유해 금속간상의 종류와 영향을 그것 하나로 모두 판단하기는 어렵습니다. 필요하면 금속조직 및 ASTM A923 등의 추가 평가가 필요합니다.

Q4. Sigma Phase는 기계적 성질에도 영향을 주나요?

그렇습니다. ASTM A923은 이러한 금속간상이 인성과 내식성 모두에 유해할 수 있음을 전제로 Etch, Charpy Impact, Ferric Chloride Corrosion 시험을 규정하고 있습니다.

오늘의 핵심 정리

듀플렉스 Sigma Phase는 단순한 조직상의 결함이 아닙니다.

용접이나 부적절한 열이력으로 σ상이 석출되면 Cr·Mo의 국부적인 재분배와 고갈영역이 만들어지고, 염화물 환경에서 수동피막의 안정성이 떨어지면서 공식부식 민감도가 증가할 수 있습니다.

실무에서는

용접부 Pitting 발견 → 손상 위치 Mapping → WPS·열이력 확인 → 금속조직 검사 → ASTM A923 평가 → 필요 시 SEM/EDS·XRD 분석 → 부식성능 검증 → 용접절차 개선

순으로 접근하는 것이 좋습니다.

결국 중요한 것은 “듀플렉스강을 사용했는가?”가 아니라 “용접이 끝난 뒤에도 우리가 기대했던 듀플렉스 미세조직과 내식성이 남아 있는가?”입니다.

참고자료

• ASTM A923-25 – Detrimental Intermetallic Phase in Duplex Stainless Steels — 최신 활성판. Sodium Hydroxide Etch, Charpy Impact, Ferric Chloride Corrosion 시험을 규정합니다.
• Corrosion Science – Sigma Phase와 2507 Duplex의 국부부식 연구 — σ상 주변 Cr/Mo 분포와 국부부식 관계를 분석한 2026년 연구입니다.
• Materials Chemistry and Physics – Sigma Phase와 Pitting Corrosion — 열시효에 따른 Sigma Phase 증가와 공식부식 저항성 변화를 분석했습니다.
• Desalination – Sigma Phase Precipitation과 Seawater Pitting — 2205 듀플렉스강의 Sigma Phase와 해수 공식부식 관계를 다룬 연구입니다.
• International Journal of Pressure Vessels and Piping – 2205 열교환기 튜브 파손사례 — 실제 용접부 Pitting과 Sigma Phase를 연결한 2026년 Failure Analysis입니다.