스테인리스강은 강의 한 종류입니다. 강은 탄소(C)를 2% 미만 함유한 재료를 의미하며, 2%를 초과하면 주철입니다. 제련 과정에서 크롬(Cr), 니켈(Ni), 망간(Mn), 실리콘(Si), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo) 등의 합금 원소를 첨가하여 강의 성능을 향상시키고 내식성(즉, 녹이 슬지 않는 성질)을 부여합니다. 스테인리스강은 대기 또는 화학적 부식 환경에서 부식에 견딜 수 있는 고합금강입니다. 강의 정상 상태에서의 조직에 따라 페라이트계 스테인리스강, 오스테나이트계 스테인리스강, 마르텐사이트계 스테인리스강으로 나눌 수 있습니다.
01 페라이트계 스테인리스강
크롬 함량이 13%에 도달하면 철-크롬 합금에는 γ상 변태가 일어나지 않으며, 크롬 함량이 12%에 도달하면 내식성을 가지므로 Cr13 페라이트강은 페라이트계 스테인리스강이 됩니다.
특징: 페라이트계 스테인리스강은 내식성과 내산화성이 우수하며, 특히 응력 부식 저항성이 뛰어납니다. 그러나 기계적 성질(항복강도는 오스테나이트계 스테인리스강보다 높지만 충격 인성이 낮고 취성임)과 가공성이 좋지 않습니다. 주로 응력이 낮은 내산 구조물과 내산화강으로 사용됩니다.
1. 페라이트계 스테인리스강의 종류 및 유형
⑴ Cr13형: 0Cr13, 0Cr13Al(Al: F를 확대하고 내산화성을 향상) 등이 있으며, 주로 내열강 및 내산화강으로 사용됩니다.
⑵ Cr16-19형: Cr17, Cr17Ti, Cr17Mo1Nb 등이 있으며, 대기, 담수 및 묽은 질산 환경에서 부식에 견딜 수 있습니다.
⑶ Cr25-28형: Cr25Ti, Cr26Mo1, Cr28 등이 있으며, 강한 부식 환경에 견디는 내산강입니다.
2. 페라이트계 스테인리스강의 취성
고크롬 페라이트강의 단점은 취성이 크다는 것이며, 주요 원인은 다음과 같습니다.
⑴ 조대한 초기 결정립:
① 주조 상태에서 조직이 조대하고, 가열 및 냉각 중 상변태로 미세화할 수 없으며 변형 재결정으로만 미세화할 수 있습니다.
② 페라이트는 원자 확산이 빠르기 때문에 결정립 조대화 온도가 낮고 결정립 조대화 속도가 빠릅니다(F와 원리가 같으며 입계 부식이 발생하지 않고 Cr이 빠르게 확산함). 해결 방법: 생산 과정에서 최종 단조 온도 또는 최종 압연 온도를 750℃ 이하로 제어하고, 결정립 성장을 억제하기 위해 강에 소량의 티타늄을 첨가하며 Ti(C, N)를 형성합니다. 또한 페라이트계 스테인리스강에서 고온 오스테나이트의 양을 늘려 결정립 조대화를 제어합니다.
⑵ σ상: σ상은 경도가 높고(HRC68 이상) 결정립계를 따라 분포하는 경우가 많으므로 취성을 크게 증가시키며 입계 부식을 촉진할 수 있습니다. (빠르게 냉각하여 석출을 줄임)
⑶ 475℃ 취성: (400-500℃의 온도 범위에서 장시간 가열하거나 이 온도 범위에서 서냉하면 강이 상온에서 매우 취성화됩니다.)
원인: 475℃에서 가열하면 페라이트 내의 크롬 원자가 규칙화되어 크롬이 풍부한 페라이트를 다수 형성하려는 경향이 나타납니다. 이들은 모상과 정합 관계를 유지하여 격자 왜곡과 내부 응력을 유발합니다. 이때 강의 강도는 증가하고 충격 인성은 감소하며 취성은 증가합니다.
⑷ 강에 C, N, O 등의 불순물과 개재물이 포함되어 있습니다.
3. 페라이트계 스테인리스강의 열처리
⑴ 페라이트계 스테인리스강의 평형 조직은 페라이트 + 크롬 탄화물입니다.
⑵ 목적: 조성이 균일한 페라이트 조직을 얻고, 탄화물 석출을 줄이며, 입계 부식 경향을 제거하고, σ상 석출과 475℃ 취성을 없애기 위해 페라이트계 스테인리스강은 열간 압연 후 담금질, 뜨임 또는 풀림 열처리를 실시하는 경우가 많습니다. (탄화물이 석출되면 공식과 입계 부식이 발생하기 쉽습니다.)
02 오스테나이트계 스테인리스강
오스테나이트계 스테인리스강은 18% Cr-8% Ni를 대표 조성으로 개발되었습니다. (18-8형 오스테나이트계 스테인리스강) 특징: 높은 내식성(M 스테인리스강보다 높고 F 스테인리스강보다 낮음), 높은 소성, 인성 및 저온 인성, 다양한 형상의 강으로 가공하기 쉬움, 우수한 용접성, 비자성 등을 가지며, 즉 종합적인 기계적 성질이 우수하고 스테인리스강 중 가장 큰 비중을 차지하는 유형입니다.
1、대표 강종, 특성 및 용도
⑴ Cr-Ni 스테인리스강: 0Cr18Ni9, 1Cr18Ni9, 1Cr18Ni9Ti, 1Cr18Ni11Nb, 00Cr18Ni10, 00Cr17Ni7Cu2 (입계 부식을 줄이기 위해 Ti와 Nb를 첨가하고, 응력 부식을 줄이며 A 원소의 범위를 확대하기 위해 Cu를 첨가)
⑵ Cr-Mn-N, Cr-Mn-Ni-N 스테인리스강(Mn과 N을 첨가하여 Ni를 대체할 수 있음) 대표 강종: 1Cr17Mn13N, 1Cr18Mn8Ni5N (분석: WCr﹪>12﹪인 강은 스테인리스강이며, Mn, Ni, N을 함유하면 오스테나이트계 스테인리스강입니다. 예를 들어 Cr과 Al을 함유하면 F 스테인리스강입니다.) N의 고용 강화로 강은 더 높은 항복강도, 소성 및 인성을 갖게 됩니다.
⑶ 준안정 오스테나이트계 스테인리스강: 냉간 변형 중 일부 마르텐사이트 변태가 일어나므로 냉간 가공 경화를 바탕으로 마르텐사이트에 의해 강이 강화됩니다. 보충: Ms와 Md 사이의 변형은 M상 변태를 유도하고, Md보다 큰 변형은 A를 기계적으로 안정화합니다.
2、오스테나이트계 스테인리스강의 평형 조직 및 열처리
18-8형 오스테나이트계 스테인리스강의 평형 조직은 오스테나이트 + 페라이트 + 탄화물의 복합상 조직이며, 용체화 처리로 실제 단상 오스테나이트를 얻습니다. 목적은 페라이트와 탄화물을 모두 A에 고용시켜 단상 A를 얻는 것입니다.
03 마르텐사이트계 스테인리스강
1、마르텐사이트계 스테인리스강은 12--18%의 Cr을 함유합니다. 페라이트계 스테인리스강과 비교한 조성상의 특징은 다음과 같습니다.
⑴ 크롬 함량의 상한이 더 낮습니다(너무 많으면 F가 됨).
⑵ 일정량의 탄소와 니켈 등 γ상 안정화 원소도 함유합니다. (니켈은 너무 많아서는 안 됨)
⑶ 이 강종은 오스테나이트계 및 페라이트계 스테인리스강보다 내식성과 용접성이 떨어지고, A 스테인리스강보다 소성이 낮습니다. 그러나 기계적 성질과 내식성의 조합이 우수하기 때문에(일정한 내식성을 가지며 일정한 하중을 견딜 수 있음) 사용됩니다.
2、기계 부품, 의료용 수술 기구, 측정 공구, 스테인리스 베어링, 스프링 등을 제조하는 데 사용됩니다.
3、A(오스테나이트계), F(페라이트계), M 스테인리스강의 내식성과 기계적 성질을 종합적으로 비교하면 다음과 같습니다. M 스테인리스강은 내식성이 낮지만 일정한 하중을 견딜 수 있고, A 스테인리스강은 내식성이 보통이며 강도는 평균적이지만 소성과 인성이 우수합니다. F 스테인리스강은 내식성과 내산화성이 우수하지만 취성입니다.
4、대표 강종, 조성 및 용도
⑴① 저탄소 13% Cr강: 1Cr13, 2Cr13 등이 있습니다.
② 저탄소 17% Cr-2% Ni(Ni: A를 안정화): Cr은 대부분 고용 강화됩니다. ①과 ②는 내식성 뜨임강에 해당합니다. 열처리는 담금질 + 고온 뜨임입니다. (합금 첨가로 S점이 왼쪽으로 이동하므로 뜨임강과 유사한 효과가 나타남)
⑵ 중탄소 13% Cr강: 3Cr13, 4Cr13은 내식성 공구강에 해당하며, 담금질 + 저온 뜨임을 실시합니다.
⑶ 고탄소 18% Cr강: 9Cr18 등은 내식성 공구강에 해당하며, 담금질 + 저온 뜨임을 실시합니다.
2、마르텐사이트계 스테인리스강의 열처리
3、⑴ 연화 처리: 예비 열처리에 해당합니다. 단조 및 압연 후 강은 공기 냉각으로 인해 마르텐사이트 변태를 일으켜 단조품이 경화되고 표면에 균열이 발생하며 절삭도 어려워집니다.
① 고온 뜨임
② 완전 풀림
⑵ 담금질 및 뜨임 처리
⑶ 담금질 및 저온 뜨임
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