스텐레스 철강이란?

출처: 신흥금속사

 

● Stainless steel  ( STS 강이란? , 분류 , 스텐레스 발달 과정, 강종, 주원소 ) STS강이란? ■ 어원 Stain + less steel 녹을 의미하는 'Stain'에 부정을 의미하는 접미어 'less'를 붙인 것으로 녹이 잘 슬지 않는 강을 뜻 니다.( 한자 : 不銹鋼 ) ■ 녹이란 무엇인가? 일반적으로 철은 공기중의 산소와 수분에 의해 화학적인 반응을 보이는데 여기서 생기는 부산물이 바로 녹이다. 이 녹은 여러 환경에 따라 그 변화속도가 다른데 수분중에 소금기나 산(酸)등이 있으 면 좀더 빨리 진행된다. 화학적으로는 철산화물이라고 할 수 있다. ■ 그렇다면 이 녹의 방지책은 어떤 것이 있을까? 우리 주변에는 수많은 철 구조물, 기계, 자동차등이 있다. 이들 거의 대부분은 녹을 방지하기위해 표면에 페인트를 칠하든가 아니면 플라스틱류로 덧씌워놓는다. 이 경우 표면에 흠집이나 이상이 생 기기 전까지는 녹이 발생하지 않는다. 그러나 약간이라도 흠집이 생길 경우 시간이 지남에 따라 녹 의 발생부위는 점점 커져 마침내는 사용을 못하게도 될 수 있다.   이보다 좀 더 좋은 방법은 표면에 아연으로 얇게 도금을 하는 것이다. 즉 아연도 강판을 만드는 방 법이다. 전기화학적 반응을 통해 아연이 부식으로부터 철을 보호할 수 있도록 표면에 코팅을 하는 것이다. 하지만 이 역시도 표면의 코팅에 문제가 생길 경우에는 페인트와 마찬가지로 부식이 생길 수 있다. ■ 왜 스테인레스강을 사용해야 하나? 스테인레스 강은 철에 녹을 방지할 수 있는 소재, 즉 크롬을 11%이상 섞어서 만든 크롬 합금강이다 그러면 이 크롬이 공기중의 산소와 결합하여 얇은 피막을 형성하게 된다.이 눈에 보이는 피막이 기기 전까지는 녹이 발생하지 않는다. 그러나 약간이라도 흠집이 생길 경우 시간이 지남에 따라 녹 녹으로부터 철을 보호한다. 만약 이 피막이 손상을 입어도 새로운 크롬성분이 새로운 피막을 형성 하기에 역시 녹은 슬지 않는다. 이렇게 녹이 슬지 않는 성질은 크롬성분이 많아질수록 더욱 강력하게 나타난다. 한편 쓰이고자 하는 목적에 따라 니켈이나 몰리브덴, 티타늄등을 넣어 사용하는데 이런 금속들이 들어갈 경우 일반적으로 부식에 대한 저항성은 더욱 커진다. ■ 활용 범위 우리가 일반적으로 쓰는 스테인레스는 약 18%의 크롬과 9%의 니켈로 이루어져 있으며, 이를 특히 304타입이라고 말한다. 우리의 일상생활에서 쓰이 가장 적합한 성능을 가지고 있는 이 강종은 공기 중이나 맑은 물 등 일반적인 환경에서 부식에 견디는 성질이 좋다. 그러기에 흔히 볼 수 있는 칼, 주 전자, 냄비, 세탁기, 싱크대, 식기세척기 등 다양한 형태로 쓰여지고 있다. 그런데 이보다 더 스테인레스가 중요하게 쓰이는 곳은 공장 설비이다. 다양하고 고순도의 스테인레 스강은 여러 형태의 부식환경에 노출되어 있는 장비나 프랜트등에 사용된다.예를들어 화학공장이 나 석유화학 공단, 제지공장, 식품이나 음료공장등에 그 대상이라 할 수 있다. 혹은 구조물에 강한 힘을 받는 곳이나, 공업로와 같은 고온에서 작업해야 하는 곳에 사용하기 적합하도록 만들 수 있다. 한편 스테인레스 강은 일반강보다 가격이 비싸다는 것이 약점이다. 니켈, 몰리브덴등 고가의 첨부 금속을 함유하기에 상대적으로 가격이 오른 것이다. 그래서인지 도금이나 기타 페인트 작업으로 가 능한 단순한 부식을 막기 위해서 스테인레스를 사용하는 경우는 많지 않은 형편이다 ■ 스텐레스강의 내식성 발청이라는 현상은 복잡한 화학작용에 의해 금속의 표면이 침식되는 현상을 말하지만 절대적인 성 질을 말하는것이 아니고 어떤 환경에서 녹슬지 않는 것도 다른 환경에서는 녹스는 것도 있으므로 적재 적소에 활용하여 사용하는 것이 필요하다. 보통강을 공기중에 방치하여 두면 발청하는데 이것은 공기중의 수분과 산소에 의해 산화되기 때문 이다. 강에 크롬을 첨가하게 되면 12% 정도에서 발청되기 어려워진다. 실제 스테인리스강의 표면을 잘 조사해 보면 표면에 아주 얇은(두께 0.0000025mm이하) 산화물 피막이 입혀져 있다. 이 피막은 강 에 밀착되어 있어 그 이상의 산화가 진행되지 않도록 한다. 이 산화 피막을 "부동태'피막이라 부르고, 스테인리스강의 화학성분, 표면상태, 열처리, 가공조건, 부식의 종류에 따라 영향을 받는다. 녹이 발생하지 않도록 하기 위해서는 스테인리스강의 이 피막 이 표면에 균일하게 생성되도록 하는 것이 필요하지만, 실제로는 표면에 철분이나, 이물질이 부착 하여 피막이 파괴되어 녹을 발생시킬수도 있다. 이를 위해 스테인리스강의 표면을 아주 청정하게 유지할 필요가 있다. - 분류 주성분에 의한 분류 금속조직상 으로 본 분류 구분 명칭 대표적인 강종 구강종 주성분 크롬계 13Cr계 STS 410 51종 13%Cr 마르텐사이트계 18Cr계 STS 430 24종 18%Cr 훼라이트계 크롬-니켈계 18Cr-8Ni계 STS 304 27종 18%Cr-8%Ni 오스테나이트계 STS 316 32종 18%Cr-8%Ni-2.5%Mo 16Cr-7Ni-1A1계 STS 631   16%Cr-7%Ni1%A1 석출경화계 ■ 오스테나이트계 스테인레스강 결정구조는 면심입방격자로 열처리에 의해서는 경화되지 않고 가공에 의해 경화되며,대표강종은 304강종으로 18Cr-8Ni이 기본조성이다. 오스테나이트조직은 상온과 고온에서 안전하게 존재하기 때문에 압연중에 변태현상을 동반하지 않고 비자성이다. ■ 페라이트계 스테인레스강 페라이트계 스테인레스강은 체심입방구조로 오스테나이트계 스테인레스강 보다 내식성은 열위지 만 응력부식균열에는 우수하다. 또한 상온에서 강자성이며 열처리에 의해 경화되지 않고 냉간가공 성이 매우 우수하다. ■ 마르텐사이트계 스테인레스강 마르텐사이트계 스테인레스강은 상온에서 강자성을 보이며,일반적으로 내식성은 열위한 편이나 강도가 우수하여 고강도 구조용강으로 사용된다. 고온에서는 오스테나이트 조직을 보유하며 공냉 또는 유냉에 의해 마르텐사이트 변태를 상온에서 완전한 마르텐사이트 조직을 갖는다. ■ 이상계 스테인레스강 상온에서 오스테나이트상과 페라이트상의 혼합조직을로 강도가 우수하고 결정립이 미세화되며 응력부식 균열에 대한 저항성이 준다. ■ 석출경화계 스테인레스강 열처리후 시효에 의해 Cu,Al,Ti,Nb등의 금속간 화합물을 석출시켜 강도를 향상 시킨다. ● 대표적인 스텐레스강의 특성 강종 STS 410 (13Cr 계) STS 430 (18Cr 계)   STS 304.STS316  (18-8계)      STS 631 (16-7-1A1계)    특성 자성   있음      있음 없음(단, 냉간 가공후 다소 자성이 있음) 없음(단, 열처리경화 후 자성이 있음) 녹발생여부 발생하는 경우가 있음 옥내에서는 녹발생이거의 없으나 옥외사용 시 다소 문제가 있음 뛰어난 내식성을 가지고 있음 18-8계와 거의 동일 충격,신장 18-8계에 비해 떨어짐 18-8계에 비해 떨어짐 극히 양호하며 성형성이 풍부함 열처리경화 후 높은 경도와 강도를 갖음 열팽창 보통강과 거의 동일 보통강과 거의 동일 보통강의 약 1.5배 보통강과 거의 동일 열전도도 보통강의 1/2배 보통강의 1/2배 보통강의 1/2배 보통강의 1/2배 열처리 경화성 있음 없음 없음   ■ 스테인레스강에 첨가하는 주요원소와 그 역할 ◈ 크롬 (Cr) 스테인레스강을 만드는 기본 원소로서 Fe 에 첨가시 12%이상이 되면 결정구조가 페라이트 조직으 로 변한다. Cr의 함량이 증가하면 내식성이 향상됨으로 사용되는 분위기의 부식성 및 온도가 증가 할 수록 Cr 함량이 증가된 강종을 사용한다. ◈ 니켈(Ni) Cr과 함께 Ni은 오스테나이트계 스테인레스강을 만드는 기본 원소로서, 8%이상 첨가시 Fe-Cr-Ni 합금의 결정구조가 오스테나이트계로 변화된다. 오스테나이트 구조를 갖는 스테인레스강은 가공 성, 충격인성 및 용접성이 좋다. ◈ 탄소(C) C는 오스테나이트 안정화 원소로서 스테인레스강에 일반적으로 0.12%까지 첨가된다. 또한, C는 Cr및 Fe와 반응하여 탄화물을 만들기 때문에 강도 및 경도를 높힐 목적으로 사용되며, 특히 마텐사 이트계에서는 고경도를 얻기 위하여 0.15%의 높은 함량을 첨가하고 있다. C는 Cr과 쉽게 반응하. 여 Cr23C6와 같은 크롬탄화물을 만들어 석출하기 때문에 기지금속의 Cr을 고갈시켜 국부적으로 입계부식등을 유발하는 단점이 있어, 내식성이 요구되는 주요 부품에는 C의 함유량을 0.03% 이하 로 낮추는 데 이러한 강종을 "L-급" 강종이라고 한다. ◈ 질소(N) N도 기본적으로 오스테나이트 안정화 원소에 속하며, 고용도는 오스테나이트계에서 페라이트계에 비하여 상대적으로 더 높다. 그러므로 페라이트계에서 N이 Cr과 반응하여 Cr2N과 같은 크롬질화 물을 형성하여 석출하는 경향이 상대적으로 높으며, 이 경우 입계부식등을 유발한다. 스테인레스 강의 Cr함량이 23%이상 되는 강종에서는 N의 함량이 증가함에 따라 공식 및 입계부식이 저하되는 경향이 있으며, 슈퍼스테인레스강에는 0.25%까지 첨가된다. ◈ 몰리브데늄(Mo) Mo은 오스테나이트계 316강의 기본합금원소로 2~3% 첨가된다. Mo가 첨가된 316강계열의 스테 인레스강은 크롬계 산화물로 구성된 부동태 피막내에 MoO2와 같은 몰리브데늄계 산화물이 고용 되어 매우 치밀하고 소지금속과 밀착성이 좋은 부동태 피막을 형성하여 공식(pitting) 및 틈새부식 (crevice corrosion) 저항성이 우수하다. Mo이 첨가된 스테인레스강은 소금과 같은 염분이 함유 된 분위기에 노출되면 부동태피막에 CrCl3와 같은 염화물의 고용도를 저하하여 공식을 방지한다 고 알려져 있다. ◈ 타이타니움(Ti) Ti은 C와의 친화력이 Cr보다 더 높기 때문에 스테인레스강에 첨가되면 TiC와 같은 탄화물을 형성 하기 때문에 "탄소 안정화 원소"라고 한다. Ti 첨가에 의하여 안정화된 스테인레스강은 용접시 고 온에 노출될 때 Cr 탄화물 형성에 의한 입계부식 혹은 예민화 현상(sensitization)등이 일어나지 않 는다. ◈ 나이오븀(Nb) Nb도 Ti과 같이 탄소 안정화 원소로 스테인레스강에 첨가되어 안정한 Nb탄화물을 형성하여 고온 에 노출시 발생가능한 Cr탄화물 형성을 방지한다.