시그마상 (Sigma Phase)
쉽게 풀면
스테인리스강이나 내열합금을 600~900도 부근에서 오래 두면, 크로뮴과 철이 결합한 딱딱하고 잘 깨지는 상이 결정립계를 따라 생겨납니다. 이것이 시그마상입니다. 자체가 매우 단단하고 취약해서 조금만 생겨도 충격 인성이 크게 떨어지고, 주변 기지에서 크로뮴을 빼앗아 가므로 내식성까지 함께 나빠집니다. 고온 배관이나 용접부에서 장시간 사용 후 나타나는 대표적인 열화 현상입니다.
왜 중요한가
화력·석유화학 설비처럼 고온에서 수만 시간을 견뎌야 하는 설비의 수명을 좌우하는 요인이어서, 내열강과 이상계 스테인리스강 연구에서 반드시 다뤄집니다. 신규 합금을 개발할 때도 이 상이 얼마나 빨리 생기는지가 사용 가능 온도 범위를 정하는 기준이 됩니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
장시간 고온 노출이 취성상 석출을 통해 인성을 떨어뜨린다는 전형적인 열화 평가 결과입니다.
조금 더 깊게 보면
시그마상은 정방정 구조를 갖는 토폴로지 조밀상의 하나로, 크로뮴·몰리브데넘처럼 원자 반지름이 큰 원소가 많을수록 형성이 촉진됩니다. 그래서 합금 설계 단계에서 이들 원소의 총량을 제한하거나, 질소·니켈처럼 오스테나이트를 안정화하는 원소를 넣어 형성을 늦춥니다. 이상계 스테인리스강에서는 페라이트가 시그마상의 주된 발생처가 되므로, 용접 후 냉각 속도를 관리해 위험 온도 구간의 체류 시간을 줄이는 것이 실무 대책입니다. 일단 생성된 시그마상은 고온 용체화 처리로 다시 녹여 없앨 수 있습니다.
주의할 점
같은 취성 금속간상이라도 라베스상은 결정 구조와 형성 조건이 달라 별개로 다뤄집니다. 또한 시그마상 취화는 예민화와 온도대가 다르고, 예민화가 탄화물 석출로 인한 입계 크로뮴 결핍 문제라는 점에서 원인도 구별됩니다.