스테인리스강의 뜻
Cr을 약 11% 이상 함유하고, 표면의 부동태 피막으로 녹이 잘 슬지 않게 한 합금강. 조직에 따라 오스테나이트계, 페라이트계, 마르텐사이트계 등으로 나뉜다.
일본어 명칭: ステンレス鋼
‘스테인리스강’ 관련 연습 문제는 5개 분야에 7문제가 있습니다(금속 재료와 합금, 부식과 표면 처리, 재료의 가공과 접합 등).
이 용어의 분야: 금속 재료와 합금
녹이 잘 슬지 않는 이유
스테인리스강이 잘 녹슬지 않는 것은 표면에 Cr 산화물을 주성분으로 하는 두께 수 nm 정도의 부동태 피막이 생겨 금속이 녹아 나오는 것을 막기 때문입니다. Cr이 약 11%를 넘으면 피막이 안정적으로 생기며, Cr을 늘릴수록 내식성이 높아집니다. 피막은 산소가 있는 환경에서는 흠집이 나도 저절로 재생되지만, 염화물 이온이 많은 환경에서는 그 약한 부분이 파괴되어 공식 부식이나 틈 부식이 일어납니다. 해수 환경에서는 Mo를 첨가한 SUS316 등이 선택됩니다. 녹이 잘 슬지 않을 뿐 어떤 환경에서도 녹슬지 않는 것은 아니라는 점에 주의해야 합니다.
조직에 따른 분류
대표적인 SUS304(18%Cr-8%Ni)는 Ni가 오스테나이트를 안정화하므로 실온에서도 FCC 조직을 갖는 오스테나이트계로, 연성과 용접성이 좋고 풀림 상태에서는 거의 비자성입니다. Ni를 거의 포함하지 않는 SUS430 등은 BCC인 페라이트계로, 자성을 띠며 비교적 저렴합니다. Cr 약 13%에 탄소가 많은 SUS420J2 등은 마르텐사이트계로, 담금질로 경화하므로 칼 등의 날붙이에 쓰입니다. 그 밖에 오스테나이트와 페라이트가 절반씩인 2상계(듀플렉스)는 강도와 응력 부식 균열에 대한 저항성이 우수합니다.
예민화와 응력 부식 균열
오스테나이트계 스테인리스강을 500~800℃ 정도로 가열하면 결정립계에 Cr 탄화물이 석출되고, 그 주위의 Cr이 줄어 부동태가 약해집니다. 이를 예민화라고 하며, 용접 열영향부에서 입계 부식의 원인이 됩니다. 대책으로 탄소를 줄인 SUS304L이나, 탄소를 Ti나 Nb의 탄화물로 고정한 강종이 쓰입니다. 또한 오스테나이트계는 고온의 염화물 환경에서 응력 부식 균열을 일으키기 쉬우며, 잔류 응력 제거나 2상계로의 변경이 대책이 됩니다.
스테인리스강 연습 문제에 도전
18%Cr-8%Ni 오스테나이트계 스테인리스강(SUS304)의 성질로 옳은 것은 무엇인가?
- ACr을 많이 함유하므로 마르텐사이트계 스테인리스강이 되며, 기름이나 물에 담금질하면 크게 경화한다
- BNi을 함유하더라도 BCC인 페라이트계이며, 풀림 상태에서도 자석에 강하게 끌린다
- CFCC인 오스테나이트 조직으로, 담금질로 경화하지 않으며 풀림 상태에서는 거의 비자성이다
정답과 해설 보기
정답: C. FCC인 오스테나이트 조직으로, 담금질로 경화하지 않으며 풀림 상태에서는 거의 비자성이다
SUS304는 오스테나이트를 안정화하는 Ni을 약 8% 함유하므로 실온에서도 FCC인 오스테나이트 조직을 유지합니다. 냉각해도 변태하지 않으므로 담금질로는 경화하지 않으며, 강화는 냉간 가공으로 합니다. 풀림 상태에서는 거의 비자성이지만, 강하게 냉간 가공하면 일부가 가공 유기 마르텐사이트로 바뀌어 자석에 붙게 됩니다. FCC이므로 저온에서도 연성-취성 천이를 보이지 않아 저온 용기에도 쓸 수 있습니다. 담금질로 경화하는 것은 Cr을 약 13% 함유하고 탄소가 많은 SUS420J2 등의 마르텐사이트계입니다. Ni을 거의 함유하지 않고 BCC이며 강한 자성을 가지는 것은 SUS430 등의 페라이트계입니다.
스테인리스강이 대기나 물속에서 잘 녹슬지 않는 주된 이유는 무엇인가?
- ANi의 첨가로 합금의 표준 전극 전위가 금이나 백금과 비슷할 정도로 귀해져 잘 녹지 않게 되기 때문
- B표면에 두께 수 mm의 치밀한 산화 스케일이 성장하여 물이나 산소를 외부로부터 완전히 차단하기 때문
- CCr을 약 11% 이상 포함하여 표면에 두께 수 nm의 부동태 피막이 생기고 자연적으로 재생되기 때문
정답과 해설 보기
정답: C. Cr을 약 11% 이상 포함하여 표면에 두께 수 nm의 부동태 피막이 생기고 자연적으로 재생되기 때문
스테인리스강은 Cr을 약 11%(규격의 정의로는 10.5%) 이상 포함함으로써 표면에 Cr 산화물을 주체로 하는 두께 불과 수 nm 정도의 부동태 피막이 생겨, 금속이 더 이상 녹아 나오는 것을 막습니다. 피막은 산소가 있는 환경에서는 흠집이 나도 자연적으로 재생된다는 점이 중요합니다. 따라서 부동태는 질산과 같은 산화성 환경에서는 유지되기 쉽고, 산소가 부족한 환경이나 염화물 이온이 많은 환경, 환원성 산(염산 등)에서는 파괴되기 쉬워집니다. 합금 전체의 전위가 금이나 백금 수준으로 귀해지는 것은 아니며, Ni의 주된 역할은 오스테나이트 조직의 안정화입니다. 수 mm나 되는 두꺼운 산화 스케일은 고온 산화로 생기는 것으로, 균열이나 박리를 일으키기 쉬우며 부동태 피막과는 전혀 다른 것입니다.
자주 묻는 질문
스테인리스강이 자석에 붙는 경우가 있습니까?
페라이트계와 마르텐사이트계는 자석에 붙습니다. 비자성인 오스테나이트계 SUS304도 강하게 냉간 가공하면 일부가 가공 유기 마르텐사이트로 변해 자석에 붙게 됩니다.
SUS304와 SUS316의 차이는 무엇입니까?
SUS316은 Mo를 약 2~3% 포함하여, 염화물 이온에 의한 공식 부식이나 틈 부식에 강합니다. 해수나 염분이 많은 환경에서는 SUS316 등이 선택됩니다.
스테인리스강은 담금질로 단단해집니까?
마르텐사이트계는 담금질로 경화하지만, 오스테나이트계와 페라이트계는 냉각해도 변태하지 않으므로 담금질로는 경화하지 않습니다. 오스테나이트계는 냉간 가공으로 강화합니다.
해설 속의 ‘스테인리스강’
스테인리스강은 Cr을 약 11%(규격의 정의로는 10.5%) 이상 포함함으로써 표면에 Cr 산화물을 주체로 하는 두께 불과 수 nm 정도의 부동태 피막이 생겨, 금속이 더 이상 녹아 나오는 것을 막습니다.
스테인리스강이 대기나 물속에서 잘 녹슬지 않는 주된 이유는 무엇인가?오스테나이트계 스테인리스강은 담금질로 마르텐사이트가 되지 않으며, Cr의 증발도 주된 원인이 아닙니다.
SUS304 등의 오스테나이트계 스테인리스강을 용접하면, 용접선에서 조금 떨어진 열영향부에서 입계 부식이 …FCC인 오스테나이트계 스테인리스강이나 알루미늄 합금은 슬립계가 많아 저온에서도 전위가 움직이기 쉬우므로 뚜렷한 천이를 보이지 않으며, 액화 가스 탱크 등 저온 용도에 사용됩니다.
저온에서 연성에서 취성으로의 천이(연성-취성 천이)가 뚜렷하게 나타나는 재료는 무엇인가?FCC인 구리나 오스테나이트계 스테인리스강은 n이 큰 대표적인 예입니다.
풀림한 구리의 소성 영역에서 진응력 σ와 진변형률 ε의 관계가 σ = Kεⁿ으로 표시되고, K = 530 …대표적인 예는 고온 염화물 환경에서의 오스테나이트계 스테인리스강, 암모니아를 포함한 환경에서의 황동(시기 균열, season cracking)입니다.
응력 부식 균열에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
‘스테인리스강’ 관련 문제(7문제)
- 18%Cr-8%Ni 오스테나이트계 스테인리스강(SUS304)의 성질로 옳은 것은 무엇인가?
- 스테인리스강이 대기나 물속에서 잘 녹슬지 않는 주된 이유는 무엇인가?
- SUS304 등의 오스테나이트계 스테인리스강을 용접하면, 용접선에서 조금 떨어진 열영향부에서 입계 부식이 일어나는 경우가 있다(웰드 디케이). 그 원인과 대책의 조합으로 옳은 것은 무엇인가?
- 저온에서 연성에서 취성으로의 천이(연성-취성 천이)가 뚜렷하게 나타나는 재료는 무엇인가?
- 풀림한 구리의 소성 영역에서 진응력 σ와 진변형률 ε의 관계가 σ = Kεⁿ으로 표시되고, K = 530 MPa, n = 0.44라고 한다. 진변형률 0.10일 때의 진응력에 가장 가까운 것은 무엇인가?
- 응력 부식 균열에 대한 설명으로 옳은 것은 무엇인가?
- 어떤 온도에서 순수한 Cr과 Cr₂O₃가 공존하는 평형 산소 분압을 p₀라고 한다. 같은 온도에서 Cr의 활동도가 0.10인 합금과 순수한 Cr₂O₃가 공존하는 평형 산소 분압은 p₀의 약 몇 배인가? 반응은 4/3 Cr + O₂ → 2/3 Cr₂O₃로 한다.