국민대 대학원_논문지도

1998/10/12(12:33) from gumnuri.kookmin.ac.kr
작성자 : 이대원 (yidaewon@chollian.net)	조회수 : 2942 , 줄수 : 117

스테인 리스의 사용과 재료분석

.. 스테인리스 스틸 .  조형재료 측면  이 연구 논문의 주된 재료로서 스테인리스 스틸을 사용하였다.  스테인리스 스틸은 철의 부식성질을 보안하기 위해 여러 가지 특수 원소를 합금한 강으로서 <누가> <몇 년도에> 발견하여 기계의 부속 등으로 조금씩 쓰이다가 오늘날에는 산업 전반에 없어서는 안될 중요한 재료가 되었다.  철에 비하여 가격이 비싼 편이나 내식성이 우수하고 기계 가공성이 좋아 차차 사용량이 증가하고 있으며 선진국 등급 지표에 스테인리스 사용량이 척도가 될 만큼 앞으로 조형금속 재료로서의 비중도 높아질 것이다.  현대적이고 차가운 금속느낌을 잘 표현 할 수 있기 때문에 조각, 특히 환경 조각에 많이 사용되어져 왔지만 판금 성형, 정밀한 용접 등의 수 작업이 어려워 금속공예 분야에서는 아직 많이 사용되어지지 않고 있다.  그러나 기계와 기술의 보급이 보편화된 오늘날, 새로운 재료의 발견과 표현 확대, 그리고 진정한 생활속의 실용성을 위하여 금속 공예가가 수용해야 할 조형재료이다.     --스테인리스 스틸을 사용한 작가, 조형물 소개, 설명.---                        중략.                     다음은 스테인리스 스틸의 종류와 그 특성을 간단히 조사하였다. .  금속 재료학 측면  종류 ............                  페라이트계 스테인리스강                    마르텐사이트계 스테인리스강                  오스테나이트계 스테인리스강                  강력 스테인리스강                      페라이트계 스테인리스강........  페라이트계 스테인리스강으로서 0.12이하의 C에 Cr을 13％ 또는 18％ 합금한 강이 주로 사용되며 고온, 실온에서 모두 가공성이 풍부하여 판, 관, 봉, 선 또는 단조품으로 가정용 기구, 화학 공업 등에 사용되고 있다.  이들 스테인리스강은 열처리하여도 경화하는 일은 없지만 미량의 탄화물이 존재하면 내식성이 저하되므로 경우에 따라서는 950도-1050도로 가열하여 탄화물을 고용시킨 후 유냉하여 이것을 800에서 템퍼링하여 사용하거나 C+N 의 양을 극히 미량으로 억제한 내식성이 우수한 스테인리스강을 사용하기도 한다.  조직은 어느 것이나 페라이트 조직으로 인장강도는 55kg/㎟ 정도이며 Cr이 많은 것은 다소 취성이 증가하지만 내식성은 양호하다.  또한 이외에 Pb, Se등을 첨가한 쾌삭성 스테인리스강의 수요가 증가하고 있다.  마르텐사이트계 스테인리스강.........  페라이트계의 저C의 0.13％-0.18％ Cr스테인리스강에 비해 C를 0.20-0.50％     용도에 따라서 1.2％까지 증가시킨 고 Cr강을 소입하면 마르텐사이트 조직으로 되며 이것을 적당히 템퍼링한 것이 마르텐사이트계 스테인리스강이다.  이 강은 칼, 의료용 기구, 증기터빈날개, 다이스, 게이지, 내식성 베어링, 내마 모성을 요하는 화학공업용 기계부품 등에 사용된다.       C량이 많을수록 경도가 증가하여 내마모성은 좋아지지만 Cr이 C와 결합하여 탄화물을 만들어 내식성이 감소하게 된다. 소입온도는 Cr량이 많을수록 높으며 950-1050에서 급냉한다. 템퍼링 온도는 용도에 따라 100-400또는 650-750이며 그 중간온도에서는 템터링하지 않는다.  이는 400-600도에서 템퍼링하면 Cr을 고용한 미세탄화물이 석출하여 그 부근의 고용 Cr 농도를 국부적으로 현저히 감소시켜 내식성이 현저히 감소할 뿐 아니라 475 취성의 영향도 있어 점성가도가 저하하기 때문이다.  또한 고급 마르텐사이트계 스테인리스강에는 Mo, Co, V등을 소량 하급하여 재질을 향상하고 있다.  오스테나이트계 스테인리스강.......  내식성 및 고온강도가 요구되는 경우에는 고Cr강에 다량의 Ni을 합금한 오스테나이트계 스테인리스강을 사용한다.  대표적인 것으로 저C에 18％Cr, 8％Ni을 합금한 18-8스테인리스강이 있는데 이는 페라이트계 스테인리스강에 비해 내식성이 현저히 우수하다.  오스테니이트계 스테인리스강은 화학 공업, 석유 공업 뿐 만 아니라 가정기구, 건축, 전기기계, 항공기, 차량, 선박, 저온용, 원자로관계 등 그 응용범위가  매우 넓으며 요구되는 조건도 다양하다.  단, S가 함유된 가스 또는 수용액 및 염산 산성용액이 작용하는 부분에는 적합하지 않아 내염산 합금으로는 하스테로이 계통의 Ni합금이 사용된다.  최근에는 내식성이 우수한 스테인리스강이 요구되어 소량의 Si을 합금한 강,Cr 및 Ni의 양을 함께 증가시킨 20-10 또는 25-20형의 오스테나이트계 스테인 리스강 등도 사용되고 있다.  오스테나이트계 스테인리스강은 변태점이 없으므로 열처리에 의해 기계적 성질을 개선한다든지 결정립을 조절하는 것은 불가능하다.  또한 오스테나이트 조직이므로 연하고 가공성이 풍부하여 판재, 봉재, 선재 등으로 쉽게 가공할 수 있으며 강도는 고온에서 급냉한 경우, 인장강도 50-60kg/㎟ 정도이다.          그러나 가공경화성이 크고 가공에 의해 거의 점성강도가 저하하는 일이 없이 강도를 현저히 증가시킬 수 있다.  오스테니아트계 스테인리스강의 결점으로 입계부식 및 용접성 문제 외에 응력부식균열이 일어난다는 점, 열팽창계수가 일반 강의 약 1.5배이며 열 및 전기 전도도는 작아 일반 강의 약 1/4 정도이다.  최근에는 이상의 페라이트계와 오스테나이트계 양쪽의 장점을 취한 2상 스테인리스 강(페라이트+오스테나이트)이 실용화되고 있고 강도가 높으며 응력부식균열 저항성도 우수하다.         비교.........   페라이트>마르텐사이트>오스테나이트  페라이트계 및 마르텐사이트계 스테인리스강은 오스테나이트계 스테인리스 강에 비해 내식성과 고온에서의 내열성, 가공성 등 대부분의 성질이 떨어지지만 다음의 3가지에서 우수하다.              1. 응력부식균열(SCC)이 일어나지 않는다.         2. Sr가 함유된 가스 또는 수용액에서는 오스테나이트계 스테인리스강 보다도 내식성이 우수하다.            이는 S과 친화력이 강한 Ni을 함유하지 않기 때문이다.         3. 팽창계수가 오스테나이트계 스테인리스강보다도 작으므로 가열냉각의 반복이 요구되는 부분에 있어서는 더욱 안전하다.  강력 스테인리스강............  이제까지 기술한 스테인리스강의 인장강도는 마르텐사이트계를 제외하고 50-60kg/㎟ 정도이다.  오스테나이트계 스테인리스강은 가공에 의해 현저히 강화하지만 제품의 형태가 박판 또는 환봉과 같은 극히 단순한 것에 국한되며 용접구조물 및 복잡한 기계부품에는 응용할 수 없는 제조상의 한계가 있다.  이에 부응하여 최근 내식성을 저하시키지 않고 강도가 높은 스테인리스강이 강하게 요망되어 석출경화형의 강력 스테인리스강이 개발되었다.  이것은 초고장력 강의 일종이기도 하다.  이러한 형태의 강력 스테인리스강으로서는 5종류가 있다.    ......마르텐사이트 형 (17-4PH강)    ......반오스테나이트 형 (17-7PH강)    ......오스테나이트 형 (17-10PH강)    ......오스테나이트+페라이트 (V-2B강)    ......냉간가공형 (테네론강) 으로 구분되며 ( )내는 대표적인 강종을 나타낸다.  냉간 가공형을 제외한 4가지는 시효처리에 의해 인장강도를 130kg/cm로 강화한 것이다.  강력 스테인리스강은 강도향상을 위해 내식성을 다소 희생하면서 경화한 것이므로 내식성은 18-8스테인리스강과 거의 같은 정도이거나 이것보다 약간 떨어지지만 고Cr 페라이트계 스테인리스강에 비하면 우수하다.  ..475취성, 입계부식 및 응력부식 균열         페라이트계 스테인리스강의 결점으로 2가지의 취성문제가 있다.  첫째로 페라이트계 스테인리스강과 같은 고Cr 강을 450-550에서 장기간 가열 후 냉각하면 현저히 취화하고 내식성도 떨어지는 현상으로 475취성이 있다.  페라이트계 Cr강을 600도 이상으로 가열한 채 냉각하는 일없이 사용하는 경우는 이러한 문제가 일어나지 않지만 앞의 온도 범위에서 가열냉각을 반복하는 장치재료로서 사용할 때는 주의를 요한다.  또 하나의 취성은 700-800도의 온도에서 장기간 가열하면 탄화물의 석출에 의한 취화 외에 고Cr강에서는 취성을 나타내는 감마상의 석출에 의한 취화가 일어나 감마상이 미세하게 분산하여 석출하면 강도와 경도는 증가하나 연신률,단면수축률, 충격치(점성강도) 등은 저하한다.  Mo, Si또는 Mn을 합금하면 감마상의 석출범위가 넓어지나 감마상이 생성하여 기계적 성질이 감소한 것은 950도 이상으로 단시간 가열 후 급냉하면 점성강도를 회복한다.  감마상의 석출에 의한 취화는 오스테나이트계 스테인리스강에서도 일어난다.  Cr스테인리스강의 공통된 결정으로 입계부식이 있다.  스테인리스강은 C를 소량 함유하지만 그 소량의 C가 기지에 고용되어 있는 Cr과 쉽게 결합하여 Cr탄화물(Cr23C6)을 만들어 결정입계에 석출한다.  그 결과 그림 4.40에 나타나듯이 Cr탄화물 근방의 Cr고용량은 수％정도의 저Cr으로 되어 내식성이 현저히 저하된다.  따라서 입계부식을 방지하기 위해서는 여러 가지 방법이 있지만 현재 널리 이용되는 것은 C와의 친화력이 Cr보다 훨씬 큰 Ti또는 Nb을 미리 합금하여 C를 전부 이들과 안정한 화합물로 만들어 두는 방법이다.         이들 화합물은  Cr을 함유하지 않으므로 기지에 고용하고 있는 C양을 감소시키는 일은 없다.  단, 이 경우 고온에서 급냉한 상태의 것은 600도 정도로 가열하면 확산속도가 큰 Cr이 먼저 탄화물을 만들어 입계부식의 원인이 되므로 850-900도에서 2-4시간 가열하여 미리 Ti또는 Nb탄화물로 바꾸어 둘 필요가 있다.  고 Cr강의 용접부취화도 이러한 입계부식과 같은 원인에 의한 것이다.  오스트나이트계 스테인리스강만에 나타나는 취성으로 응력부식균열(SCC) 현상이 있는데 이는 마르텐사이트계 스테인리스강에서도 유사한 현상이 나타나지만 본질적으로 다르다.  응력부식균열은 대부분 결정입내를 통과하는 균열로서 황동에서 나타나는 season균열 및 연강의 알카리 취성에 의한 입계균열과는 다르다.  응력부식균열을 방지하기 위해서는 오스테나이트 안정도를 증가시키는 것이 효과적이어서 1％정도의 Cu를 합금하든지 Ni를 다량 합금하는 방법이 있으며 쇼트피닝(shot peening)과 같은 표면가공처리도 유효하다.      .. 시중에 판매되고 있는 스테인리스/ 또 다른 명칭  지금 시중에는 316, 301 등의 고유번호로써 성질이 다른 스테인리스를 생산 하고 있으며 그 종류와 성질은 다음과 같다.       ......308..... 용접용 봉                   융점을 낮게 합금한 것이다.       ......301..... 강판이라고도 불린다.                   탄력이 강하고 결에 관계없이 접을 수 있다.       ......303..... 봉으로 많이 쓰인다.                   절삭성이 좋고 연마가 잘된다.       ......304..... 일반적으로 많이 쓰인다.                   녹이 잘 나지 않으며  파이프, 판 등 생산이 많다.       ......316..... 내산성, 화공약품 등에 강하다.                   주문생산하며 가장 값이 비싸다.       ......430..... Fe가 첨가되어 있으며 광택이 잘나지만 녹이 잘 슨다.                   값이 가장 싸며 부식용, 인쇄 등에 쓰인다.