스테인리스강

1.스테인리스강 일반

가.스테인리스강 개요

스테인리스강(Stainless Steel)은 철(Fe)에 보통 12% 이상의 크롬(Cr)을 넣어서 녹이 잘 슬지 않도록 만들어진 강으로 탄소(C),니켈(Ni),실리콘(Si),망간(Mn),몰리브덴(Mo)등을 소량 포함하고 있는 합금강이다.
스테인리스강은 철이 주성분이면서도 보통강이 갖고 있지 않은 여러 특성을 갖고 있는데 표면이 미려하고 녹이 잘 발생하지 않으며 고내열성 및 내충격성이 강하며 크롬 및 니켈성분에 따라 기계적 특성 및 열처리 특성이 매우 달리 나타날 뿐만 아니라 녹이 스는 정도도 큰 차이를 보인다.
또한 함유된 성분 또는 성질을 기준으로 스테인리스강은 몇가지 계통으로 분류되며 같은 계통에 속하는 스테인리스강들은 서로 유사한 특징을 보이지만 다른 계통의 스테인리스강들은 차이가 큰 다른 특성을 보인다.
스테인리스강은 자체가 녹이 슬지 않는 것이 아니라 그 표면에 생기는 산화피막이 안정되어 산화(녹)현상을 방지하는 작용을하게 되는데 산화피막이 철과 크롬의 복합물인 FeO.Cr2O3혹은 (Fe,Ni)CrO4의 형태로 나타나며 이 피막은 소지금속과 밀착력이 강하고 또한 두께가 얇아(통상10~30A)육안으로 식별이 불가능하며 이로 인해 표면이 우수한 내식성을 갖게 되는 것이다.
최근 정련기술의 발전으로 극저탄소 페라이트강,질소 첨가강 등 신강종이 개발되고 있으며 현제까지 규격상으로는 오스테나이트계 31종,페라이트계 13종,마르텐사이트계 14종,이상계 2종,석출경화계 3종 등 총 63여종이 양산되고 있는데 일본의 경우 약 2천여종이 등록되어 있다.

나.스테인리스강 분류

스테인리스강은 주성분에 따라 크롬계와 크롬-니켈계로 대별되며 금속조직상으로는 마르텐사이트(Martensite)계, 오스테나이트(Austenite)계, 페라이트(Ferrite)계, 이상(Duplex)계, 석출경화계 등으로 나누어지며 이밖에 수퍼 스테인리스강이 있다.
1)주성분에 의한 분류 및 특성
가)크롬스테인리스강
크롬스테인스강은 18크롬과 13크롬 등이 있으며 결정구조가 18크롬 스테인리스강은 체심입방격자(Body Centered Cubic)로 페라이트 조직을 갖고 있으며 13크롬 스테인리스강은 체심입방격자이나 마르텐사이트조직을 갖고 있다.
두 가지 모두 자성을 갖고 있으며 특히 마르텐사이트가 자성이 강하다.
크롬스테인리강은 온도범위와 시간에 따라 재질의 연성이 떨어져 부스러지듯이 파괴되는 여러 취성현상이 일어난다.따라서 크롬스테인리스강의 사용은 상온에서 350℃까지가 적당하다.

주성분에 의한 스테인리스강의 분류

대표적인 스테인리스강의 특성

(1)475℃ 취성(885℉ 취성)

크롬함량이 15% 이상인 크롬스테인리스강은 400~500℃에서 장시간 가열하면 취성이 나타나는데 특히 475℃에서 유지시킨 경우 이러한 취성현상이 가장 심하게 나타나며 강도 및 경도는 증가하고 연실율과 충격치가 감소하게 되고 내식성이 저하된다.그러나 이것을 700~800℃로 재가열하여 급랭시키면 회복된다.475℃ 취성은 비교적 얇은 판재에는 문제가 없으나 대형물에는 냉각속도가 느리기 때문에 이러한 영향을 받기 쉽다.

(2)시그마상 취성(σ Phase 취성)

시그마상은 Fe-Cr의 화합물로써 크롬스테인리스강을 600℃ 전후에서 장시간 가열하면 이 화합물이 금속조직의 입계에 나타나게 되며 상온에서 쉽게 부스러지게 된다.이 화합물이 나타나는 속도는 475℃ 취성에 비해 대단히 느리기 때문에 실용강종에는 별문제가 되지 않으며 취화된 것은 800℃ 전후에서 재가열한 후 급랭시키면 회복된다.

(3)고온취성

950℃ 이상의 고온으로 가열시키면 결정립이 커져 상온에서 부서지기 쉽게 된다.그러나 800℃ 전후에서 급랭시키면 그 영향을 대부분 제거되지만 완전히 제거하기 위해서는 상당한 냉간가공을 한 후 800℃ 전후에서 열처리 해야 한다.이 취성의 가장 문제가 되는 것은 스테인리스강주물이며 주물제품은 고온취성이 필연적이기 때문에 가급적 고온에서 급랭할 필요가 있다.

(4)저온취성

일반강과 마찬가지로 상온에서 연신율이 감소하는 현상으로 크롬함량이 많을수록 연성-취성 천이온도가 고온쪽으로 이동하게 되며 표면에 긁힌 흠(Scratch)에서 균열이 발생하기 쉽다.크롬스테인리스강을 가공할 경우 천이온도 이상에서 가공하는것이 필요하며 18크롬강의 경우 가공 전에 약간 가열한 후 가공하는 것이 좋다.

나) 크롬-니켈 스테인리스강

크롬-니켈 스테인리스강은 18-8스테인리스강이 대표적이며 오스테나이트조직으로 결정격자가 면심입방(Face Centered Cubic)이고 자성이 없다.18-8스테인리스강은 오스테나이트강이라고도 부른다.크롬-니켈스테인리스강은 기계적 성질과 내식성 저하를 방지하기 위해 950~1,100℃까지 가열한 후 급랭시키는 고용화열처리(Solution Heat Treatment)를 통해 안정한 오스테나이트조직을 유지시킨다.그러나 가공상 또는 사용상 문제를 일으킬 수 있는 여지가 있다.

(1)페라이트 생성

18-8스테인리스강은 8% 정도의 니켈량으로 완전한 오스테나이트조직이 되지 않으며 약간만 가공해도 자성이 나타나는 준안정화 오스테나이트로 된다.준안정화 오스테나이트조직을 가진 STS301,STS302,STS304등은 1,100℃이상의 온도에서 페라이트조직이 나타나며 페라이트조직이 발생되면 열간 및 냉간가공시 균열이 발생하기 쉽다.오스테나이트중에 소량 페라이트가 존재하면 가공성은 저해되지만 내식성에는 거의 영향을 받지 않게 된다.그러나 페라이트가 450~870℃범위로 가열되면 시그마상이나 석출물이 나타나 내식성과 기계적 성질을 저해한다.

(2) 시그마상 생성

18-8스테인리스강은 오스테나이트와 페라이트 이외에 제 3의 상이 나타난다.이러한 상을 시그마(б)라고 하며 대단히 경하고 취약한 비자성의 성질을 가지고 있고 Fe-Cr 화합물로써 크롬을 약 45% 갖고 있다.시그마상이 형성되는 온도는 600~840℃이며 페라이트가 많으면 석출되기 쉽고 강도가 증가하고 인성이 감소하며 내식성에 악영향을 준다.

(3)크롬-카바이드 석출

450~870℃ 온도로 장시간 유지하면 성분중에 탄소와 크롬이 결합하여 크롬-카바이드(크롬탄화물)가 석출된다.특히 입계부근의 내식성이 감소하는데 크롬탄화물 생성을 방지하기 위해서는 탄소량을 극소로 하는 것과 티타늄(Ti),니오븀(Nb)등을 첨가하는 방법이 있으며 이러한 강종으로는 STS340L,STS321,STS 347등이 있다.

(4) 냉간가공경화성

18-8스테인리스강은 18크롬 스테인리스강에 비해 상온에서 가공할 경우 가공경화도가 높아 쉽게 경화된다.가공경화도를 낮추기 위해서는 탄소의 함량을 적게 하고 오스테나이트조직을 안정화 시키기 위해 니켈이나 합금성분을 첨가시키며 냉간가공경화를 받은 스테인리스강은 내부응력을 제거하고 부분적으로 발생한 마르텐사이트조직을 오스테나이트조직으로 변태시키기 위해 950~1,100℃에서 가열시켜 급랭하는 것이 바람직하다.

2)금속조직상의 분류 및 특성

가) 오스테나이트계

결정구조가 면심입방이며 열처리에 의해 경화되지 않고 가공에 의해 경화되며 대표강종으로는 304강종으로 18Cr-8Ni이 기본조성이다.상온과 고온에서 안정한 금속조직이기 때문에 열간압연중에 변태현상을 일으키지 않으며 비자성이다.

그러나 304강종은 용강으로부터 고상으로 응고할때 δ-페라이트가 우선 석출되며 온도에 따라 오스테나이트상이 안정한 상으로 되기 때문에 상온에서 완전한 오스테나이트조직이 존재해야하나 화학성분에 따라 주편내에 δ-페라이트가 5~12% 정도 잔류하게 되어 열간가공성을 해칠수 있으며 가공 후 약간의 자성을 가질 수 있다.

오스테나이트상을 안정하게 유지하기 위해서는 17% 크롬의 경우 7%의 니켈이 필요하고 26% 크롬의 경우 20%의 니켈이 필요하다.침입형 오스테나이트 안정화원소인 탄소함량을 낮춘 강종을 L등급 오스테나이트 스텐인리스강이라고 한다.

나)페라이트계

체심입방구조로 오스테나이트계 스테인리스강보다 내식성이 떨어지지만 내응력부식균열성이 우수하다.또한 상온에서 강자성이며 열처리에 의해 경화되지 않고 냉간가공성이 우수하다.

크롬함량은 14.5~27% 범위이고 탄소함량은 마르텐사이트계보다 적다.용접성이 나쁘기 때문에 용도에 제한이 있으며 일반적으로 건축소재,싱크대,가정용 기구 및 건축 테두리에 사용되며 후물형태로 Liner,Decking Plate,Spillways,Chain Conveyors,Dust Frame Extractor등에 쓰인다.박물 형태로 널리 사용되며 쉬트나 코일형태로 제조되며 후판이나 용접형태로는 거의 제조되지 않는다.

다)마르텐사이트계

상온에서 강자성을 보이며 일반적으로 내식성이 떨어지나 강도가 우수하고 고강도 구조용강으로 사용된다.

고온에서는 안정한 오스테나이트 조직을 보유하며 공랭 또는 유냉에 의해 마르텐사이트변태를 일으켜 상온에서 완전한 마르텐사이트조직을 갖는다.

비교적 높은 탄소량과 12~18%의 크롬을 함유하고 중간 정도의 내부식성을 갖고 있으며 열처리에 의해 경화됨으로 상당수준의 고강도를 얻을 수 있으나 고탄소를 함유하고 있어 용접성이 나쁘다.

강도와 경도가 동시에 요구되는 칼날,수술용 기구,파스너(Fastener),스핀들(Spindle),노즐,샤프트 및 스피링 등에 사용되며 일반적으로 봉재나 판재로도 사용이 가능하다.

라)이상계

상온에서 오스테나이트상과 페라이트상의 혼합조직으로 강도가 우수하고 결정립이 미세화되며 응력부식 균열에 대한 저항성이 줄어든다.

통상 20~25%의 크롬과 4~7%의 니켈을 함유하고 있다.

마)석출경화계

대표적인 조성으로 17% Cr-4% Ni-4% Cu, 17% Cr-7% Ni-1.2% Al등이 있으며 열처리시효에 의해 니켈(Ni)과 동(Cu), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 니오븀(Nb) 등의 금속간화합물을 석출시켜 강도를 향상시킨다.

바) 수퍼 스테인리스강

(1)수퍼 페라이트 스테인리스강

19% Cr-2% Mo-Ti, Nb Zi-ULC, N (STS 444) 26% Cr-1% Mo-ULC, N (Xn 27)

◆마르텐사이트계

◆페라이트계

◆오스테나이트계

(2) 수퍼 오스테나이트 스테인리스강

20% Cr-18% Ni-6.1% Mo-0.25% N-0.015% (254 SMO)

24% Cr-22% Ni-7.3% Mo-0.5% N-0.01% C (654 SMO)

(3)수퍼 듀프렉스 스테인리스강

22% Cr-5% Ni-3% Mo-0.16% N (SAF 2205)

25% Cr-7% Ni-3.8% Mo-0.27% N (SAF 2507)

다.특징

1)표면이 미려하여 표면가공이 다양하다.

표면이 아름다우며 청결하여 안정된 분위기를 느끼게 하며 표면처리가공은 거울면 상태로부터 무광택, 헤어라인(Hair Line), 에칭(Edching), 엠보싱(Embossing), 화학착색 등 다양한 표면가공이 가능하다.

2)내식성이 우수하다.

일반강의 최대 결점인 부식되기 쉬운 점을 해결한 것으로 일반강에 비해 수천배 이상 내식성이 있어 내식성을 필요로 하는 용도에 적합하다.

3)내마모성이 뛰어나다.

스테인리스강은 장시간 사용해도 마모가 매우 적은 기계적 성질을 갖고 있기 때문에 마모되기 쉬운 건물의 외장,문 손잡이, 창호등에 적합한 재료이다.

4)강도가 크다.

다른 금속에 비해 항장력이 매우 크며 박판으로 가공할 수 있어 경제적이다.

일례로 18-8계스테인리스의 인장강도는 55~65 kg/㎟로 일반강의 35~45 kg/㎟,황동의 28~35kg/㎟,알루미늄합금의 15~25kg/㎟등보다 크다.

5)내화성 및 내열성이 크다.

 

가)용융온도

스테인리스강의 용융온도는 18크롬강의 경우 1,427~1,510℃, 18-8계의 경우 1,400~1,454℃이므로 고온에서 견딜 수 있다.따라서 화재가 발생해도 내화성을 충분히 발휘할 수 있다.

나)내산화성

스테인레스강은 800~850℃까지는 거의 산화되지 않기 때문에 화재가 발생하거나 오염물질이 묻은 경우에도 재연마하는 정도로 본연의 광택을 찾을 수 있다.

다)고온강도

고온에서도 강도가 높아 일반강과는 달리 500℃를 넘어서도 휘어지는 일이 없다.

6)가공성이 뛰어나다.

절단,구부림,프레스 등 가공이 용이하고 각종 접합도 용이하게 할 수 있다.

7)경제적이다.

스테인레스강은 내식성과 광택있는 미관을 유지함으로 도장이 필요없다.또한 내식성이 우수하므로 다른 금속에 비해 수명이 길다.

따라서 스테인레스강은 설치할 당시 비용이 비싸지만 장기적으로는 보수비용이 거의 발생하지 않기 때문에 경제적이다.

8)유지비가 적다.

스테인레스강은 유리청소와 마찬가지로 매우 간단히 청소할 수 있기 때문에 건축구조물의 청소비가 적게 들어간다.

라. 용도

스테인레스강은 우수한 특성으로 인해 광범위한 용도로 사용되는데 크게 대별해 보면 화확공업, 식품공업 등의 플랜트설비에서 내식을 필요로 하는 장치와 건축,차량 등의 내후성을 필요로 하는 곳에 사용된다.