스테인리스(SUS)특징과 스테인리스(SUS) 가공

1. 스테인리스(SUS)특징과 스테인리스(SUS) 가공

스테인리스(SUS)의 가장 큰 대표적인 특징은 내식성이 높고 녹이 잘 슬지 않는다는 것이다.
건축, 토목 분야에서는 구조물이나 건축물의 기초나 골격을 지지하는 높은 내구성의 스테인리스 철근으로부터, 바람이나 눈, 바닷물에 견디는 외장·지붕재의 얇은 판까지, 내식성이 높은 스테인리스(SUS)가 자주 사용 되었다.

또한 스테인리스는 내식성이 높다고 하는 특징 이외에도 강도면, 가공면에서도 특징이 있다.

 

● 내식성이 우수하다.

주성분은 철(Fe)로, 크롬을 첨가하면 표면에 부동태 피막이 생기는 데 이 때문에 녹스는 것을 방지하고 있다. 따라서 스테인리스 스틸 제품은 수명이 길고 복구 및 교체 빈도를 줄일 수 있다.
영원히 녹슬지 않는다고 할 수 있는 것은 아니기 때문에, 녹슬기 쉬운 환경에서의 사용에서는 다른 금속만큼은 아니지만, 스테인리스강도 어느 정도의 유지보수가 필요하다.

 

● 철,강보다 강도가 높다.

철·강보다 강도가 높고 내구성이 요구되는 장소에서도 사용되며, 건축·토목 분야에서는 구조물이나 건축물의 기초나 골격에도 사용된다.

 

● 용접가공이 가능하다.

스테인리스·SUS는 용접 가공이 가능하다.
스테인리스·SUS는 종류가 많으며 각 종류마다 용접 특성이 크게 다르고 성분에 따라 한층 더 세분화되기 때문에 난이도는 다른 금속의 용접에 비해 높다.

 

● 자성이 없는 종류가 있다.

SUS303, SUS304 등 오스테나이트계 스테인리스·SUS는 자성을 띠지 않는다.
이런 성질을 이용해 겉모습만으로 잘 구분이 되지 않는 경우에도, 자석을 이용하면 스테인리스 종류의 대략적인 판별을 할 수 있다.

 

● 난삭재이다.

스테인리스·SUS는 열전도율이 낮기 때문에 절삭 가공시에 발생하는 열이 분산되기 어렵고 절삭시 공구의 마모가 심한 대표적인 난삭재로 알려진 금속이다.
또한 가공 경화성(대상물에 응력을 가하면 경도가 증가하는 성질)이 높은 것도 공구의 마모를 초래한다.
특히 오스테나이트계 스테인리스의 대표 주자인 SUS304는 가공 경화를 일으키기 쉬운 재료로, 원래의 조직으로부터 마르텐사이트화 되어 단단해진다. 공구와의 친화성도 높아, 절삭분말이 커터 날에에 용착하기 쉽고 치핑이 발생한다. 따라서 가공 정밀도를 유지하는 것이 다른 금속에 비해 어려워진다.

상기의 요인들이 바로 스테인리스·SUS가 난삭재라고 불리는 가장 큰 이유이다.

 

스테인리스 가공

2. 스테인리스(SUS)의 종류와 용도

스테인리스·SUS는, 함유물의 양과 열처리에 의한 온도에 따라 결정 구조가 변화한다.
결정 구조의 차이는 그대로 성질의 차이가 되어, 폭넓은 용도로 스테인리스·SUS를 사용할 수 있다.

 

1) 마르텐사이트계 스테인리스

마르텐사이트계 스테인리스·SUS에는 12% 크롬강과 17% 크롬강이 JIS로 제정되고 있다.
12% 크롬 강철에는 SUS403, SUS410, SUS420J1, SUS420J2, 17% 크롬 강철에는 SUS440A, SUS440B, SUS440C가 있다. 마르텐사이트계는, 가공할 때는 부드러운 상태로 부품으로 사용할 때는 최대한 강한 상태로 할 수 있다. 비교적 저렴한 크롬을 함유시키기 때문에 재료 비용도 싸고, 일반적인 스테인리스·SUS로서 다양한 용도에 사용되고 있다.
마모되기 어렵고, 인성(재질의 끈기 강도)도 부여할 수 있으므로, 기계 구조 부분(터빈 블레이드, 노즐, 펌프 등)이나 베어링 등에도 사용되고 있다.

 

2) 페라이트계 스테인리스

페라이트계 스테인리스·SUS에는 17% 크롬강보다 많은 크롬을 포함하는 것으로 내식성을 향상시킨 26~30% 크롬강이 있다. 17% 크롬강에는 SUS405, SUS430, SUS434 등이 26~30% 크롬강에는 SUS447, SUSXM27 등이 있다.
페라이트계 스테인리스는 실온이나 고온 상황에서도 페라이트(산화철을 주성분으로 하는 세라믹의 총칭)이 안정되고, 급냉시켜도 담금질로 굳어버리지 않는 크롬계 스테인리스이다.
비싼 니켈을 포함하지 않기 때문에 비교적 저렴하고 내식성이 뛰어난 특징이 있다. 그러나 크롬 함량이 많아지면 강도가 떨어지고 쉽게 부서지기 쉬운 성질을 가지고 있기 때문에 강도가 필요한 부품에는 사용하기 어려운 단점이 있다. 그래도 저렴하고 뛰어난 내식성을 가진 페라이트계 스테인리스는 그 장점을 살려 주방 용품, 자동차 부품, 건축 내장재, 등유 난방기, 반사판(BA판), 가스나 전기 기구의 부품 등에 박판(얄은 판)이나 선(Wire) 모양 소재로 사용되고 있다.

 

3) 오스테나이트계 스테인리스

오스테나이트계 스테인리스·SUS는 제조량이 전체 스테인리스 생산량의 약 60%를 넘는 가장 메이저급의 스테인리스이다. 결정 구조의 특성으로 가공하기 쉽고, 실온에서 프레스 성형이나 냉간 단조 등 생산성이 높은 부품 가공 방법을 채용할 수 있는 점이나 용접 시공성이 좋기 때문에 용접 조립 구조를 채용하기 쉬운 장점이 있다.
18%의 Cr, 8%의 Ni를 포함한 SUS304가 대표적이며, 그 외에 2% 몰리브덴을 포함한 SUS316, 티타늄과 니오븀이 첨가된 SUS321, SUS347 등 많은 종류가 있다.
사용 용도 범위는 아주 넓고, 주방용 가정용품, 식품·화학 공업, 자동차 부품, 원자력 발전, LNG 플랜트, 첨단 과학을 포함한 이화학 장치 등에 이용되고 있다.

 

4) 오스테나이트 페라이트계 스테인리스

이 계통의 스테인리스·SUS는, 오스테나이트계와 페라이트계의 중간적인 특성을 가지는 것이 많아, 강도가 강하고 내식성이 뛰어난 것이 특징이다. 이러한 특성에 의해 해수용 응축기, 열교환기 및 배기연소 탈황 장치 등의 공해 방지 기기나 각종 화학 플랜트용 장치에 이용되고 있다.
대표적인 것은 크롬 25%, 니켈 4.5%, 몰리브덴 2%를 포함한 SUS329J1 이다.

 

5) 석출경화계 스테인리스

내식성이 좋은 스테인리스·SUS에 석출 경화에 의해 고강도를 갖게 한 스테인리스·SUS를 말하는데 '석출'이란 액상의 물질로부터 결정 또는 고체상의 성분이 분리되어 나오는 것을 말한다.
JIS에서는 SUS630, SUS631, SUH660의 3종이 규정되어 있지만 해외에서는 매우 많은 강종이 개발되어 실용화되고 있다.
용도는 고강도를 가진다는 점에서 마르텐사이트계 스테인리스계와 중복되지만 보다 내식성과 용접성이 높기 때문에 엔진 부품, 항공기·로켓 등의 구조재, 스프링, 와셔 등에 이용되고 있다.
덧붙여서, 석출 경화계 스테인리스와 전술한 오스테나이트·페라이트계 스테인리스는, 원재료가 비싼 것, 제조하기 어려운 것, 공정이 복잡하다는 등의 이유에 의해 다른 스테인리스(SUS)에 비해 고가인 편이다.

 

핫 재료

열간 압연재라고도 한다. (압연은 회전하는 복수개의 롤러 사이에 금속을 통과시켜 판상 등의 형태로 가공하는 방법을 말한다) 열간 압연은 금속의 재결정 온도보다 높은 900~1200도로 가공한다.
가공 후 산화막이나 먼지로 덮여 있는 표면을 산으로 씻어내지만 표면이 거친 상태이다. 
1 번째의 가공 공정으로 완성되므로, No.1재라고도 불리고 있다. 핫 재료는 가공 공정에서 내부 응력을 거의 가지지 않기 때문에 가공을 가해도 재료가 변형되지 않는 안정된 재료이다. 하지만 표면을 깨끗하게 마무리하기 위해서는 추가적인 2차 가공이 필요하다.

 

콜드 재료

핫재를 냉간압연한 재료를 말한다. 냉간 압연은 금속의 재결정 온도보다 낮은 720℃ 이하에서 가공되며, 표면은 광택이 있고 윤기가 있게 마무리된다.
2번째의 가공 공정으로 완성되므로, No.2라고도 불리우며 광택을 의미하는 브라이트의 B와 함께 2B재라고도 불리고도 있다.
콜드재는 가공 공정에서의 내부 응력을 가지고 있기 때문에 가공했을 때에 변형이 발생하기 쉽다.

 

스테인리스의 표면처리

스테인리스·SUS에는 아래와 같이 여러가지 표면 마무리 처리가 있다.
마무리 방법에 의해 표면에 광택 유무나 특정한 모양이 들어가 있는 것 등이 있다.

명칭	외관	마무리 방법	용도
				No.1	은백색으로 광택이 없는	열간 압연 후, 산세로 마무리한 것	표면의 광택이 필요없는 부품 등에 사용됩니다.
2B재	조금 빛나는	냉간 압연 (제조상의 두 번째 공정에서 가능)	일반적인 공재(시판품의 대부분은 2B재입니다)
2D 재료	회색으로 무광 같은 마무리	냉간 압연 후 어닐링 → 산세로 마무리한 것	건축 자재 등의 일반적인 공재
No.3	광택 있음. 거친 눈 마무리	100~120번의 벨트로 연마 처리한 것	주방 등 주방용 재료
No.4	광택 있음. 부드러운 눈 마무리	150~180번의 벨트로 연마 처리한 것	의료기기・차량・주방용 재료
#240	미세한 연마 마무리	240번 정도의 벨트로 연마 처리한 것	의료기기・차량・주방용 재료
#320	#240보다 더 얇은 눈의 연마 마무리	320번 정도의 벨트로 연마 처리한 것	의료기기・차량・주방용 재료
#400	경면에 가까운 광택	400번 버프 연마로 마무리	표면의 광택이 요구되는 부품. 장식용 등

3. 스테인리스가공이 어려운 이유

 

1) 용접가공의 경우

스테인리스·SUS는 용접 가공을 할 수 있지만 용접작업시 세심한 주의가 필요하다. 특히 용접 후의 스케일(scale)이라고 불리는 용접시 금속물체의 표면에 샹성되는 두꺼운 금속산화물의 층으로 이 부분은 단순히 외관만 보기 좋지 않게 하는 것만이 아니다. 스테인리스·SUS의 성분 변화를 일으켜 부식으로부터 지키는 부동태 피막을 파괴하고 있다.

용접시 발생하는 이 부분에서는 크롬(Cr)의 확산 현상이 일어나 크롬의 함량을 저하시키고 있다. 이에 따라 스테인리스·SUS의 특징이 발휘할 수 있는 크롬 함유량의 라인(12%)을 밑돌아 내식성에 큰 악영향을 준다.
그대로 방치하게 되면 여기에서 부식이 진행되어 버리기 때문에 제거해야 하는데 이 스케일은 매우 단단하게 물어붙어 제거 작업이 쉽지 않다.
또한 제거 후에는 다시 파괴된 부동태 피막을 형성하는 처리도 필요하다. 그 후 공식이나 전면 부식이 되는 원인이 될 수 있는 부분이므로 가공자에게는 충분한 지식과 기술이 요구된다.

 

2) 절삭가공의 경우

스테인리스·SUS 가공 방법 중에서 가장 어려운 가공은 바로 절삭 가공이라고 하는데 그 이유 중 하나는 열전도성이 낮다는 것이다. 금속을 절삭 가공하게 되면 그 저항에 의해 가공열(대략 800~1200°)이 발생한다. 보통 그 열은 칩에 분산되고, 칩은 절삭유와 함께 떨어져나간다. 그러나, 스테인리스·SUS는 열전도율이 매우 낮기 때문에 열이 칩까지 전달되기 어렵고, 식어버린 저온상태의 칩이 가공물에 용착(녹아 눌러붙음)되서 가공의 난이도를 더 상승시켜버리는 원인이 되고 있다. 가공이 어려운 또 다른 이유로 경도를 들 수 있다.
스테인리스·SUS에는 가공 경화라고 하는 부하를 주게 되면 더욱 단단해지는 성질이 있다. 원래 단단한 금속이 더욱 단단해져 버리기 때문에 적절한 쿨런트(coolant, 절삭유)를 선택하여 온도가 너무 높아지지 않도록 조정해야 한다.

 

3) 스테인리스 가공이 어려운 주요 원인 4가지

① 스테인리스의 종류에 따라 가공방법이 다르기 때문에

② 강한 힘이 가해지면 더 단단해지기 때문에

③ 열전도율이 나쁘기 때문에 절삭 공구의 파손위험이 있음

④ 부서지거나 개질 위험이 있음

 

<원포인트 레슨>

스테인리스·SUS는 녹이 잘 슬지 않으며, 강도가 높은 금속이다.
스테인리스의 종류도 다양한 결정 구조에 따라 성질이 달라진다.
표면 처리에 의해 외관 형상의 조정을 할 수도 있다.
강도가 높은 반면에 가공 난이도도 높고 복잡한 형상의 경우 정밀도나 가공비 상승에도 주의가 필요하다.