페라이트계 스테인레스 강의 기초 지식 정리

페라이트계 스테인레스 강의 기초 지식 정리

페라이트계 스테인리스는 주요 화학 성분이 철과 크롬이며,

 크롬계 스테인리스의 일종입니다.

 

내식성이나 내열성, 가공성이 뛰어난 합금으로

항상 자성을 갖는다는 특징이 있습니다.

 

2022.03.03 - 마르텐사이트계 스테인레스 강 기초 지식 정리

마르텐사이트계 스테인레스 강 기초 지식 정리

오스테 나이트계 스테인리스와 비교하면 

내식성이나 가공성, 강도가 낮은 재료지만 

니켈을 포함하지 않는 것으로부터 

염가로 오스테 나이트계 스테인리스의 대체 재료로 이용되는 경우가 있습니다.

 

다만 마르텐사이트계 스테인리스보다는 

내식성이나 내열성, 가공성이 뛰어납니다.

다양한 강철 종이 존재하고 특성을 갖습니다.

그래서 옥내 용도의 가정용품이나 주방 기기에서 

야외 용도 건축 부재, 엄격한 부식 환경 하에서 이용되는

고 내 부식성 부품까지 다양한 용도로 사용되고 있습니다.

 

2020.12.24 - SUS (스테인레스) 종류와 구분법과 특징을 전문가가 철저 해설

SUS (스테인레스) 종류와 구분법과 특징을 전문가가 철저 해설

 

 

페라이트계 스테인리스 조성·성분

페라이트계 스테인리스는 금속 조직이 "페라이트상"인 스테인리스 강입니다.

 

페라이트상은 탄소를 거의 탈 수 없기 때문에,

부드럽고 변형하기 쉽다는 특징이 있습니다.

 

마르텐사이트계 스테인레스처럼,

크롬이 주요 성분인 "크롬계 스테인리스"으로 분류되어

니켈을 거의 함유하지 않습니다.

 

대표적인 강판 종류의 SUS430에서는 크롬 함유율이

약 18%로 마르텐사이트계의 대표 강 종 SUS410의

약 13%와 비교하면 크롬 함유율이 높습니다.

 

다만 강판 종류마다 다르며 크롬 함유율이 약 11%로 낮은 강철,

약 32%로 높은 강철이 있습니다.

강철 종명	C(%)	Si(％)	Mn(％)	P(%)	S(%)	Cr(％)
SUS430	0.12 이하	0.75 이하	1.00 이하	0.040 이하	0.030 이하	16.00〜 18.00

페라이트계의 대표 강 종 SUS430의 화학 성분은

JIS규격(JIS G 4303:2012)에 의해서 위 처럼 정하고 있습니다.

 

페라이트계에는 이 SUS430을 기준으로

크롬·탄소 함유율을 바꾼 강철 종이나

다양한 합금 원소를 첨가한 강철종이 다수 존재합니다.

 

밑그림은 주요 페라이트계를 나온 것으로

각 강판 종류의 화학 성분과 SUS430에 부가한 성질이 제시되고 있습니다.

 

예를 들어 SUS430LX는 가공성과 용접성을 향상시키기 위해서, 

탄소(C)의 함유량을 줄이고, 티타늄(Ti)와 나이오븀(Nb)을 첨가한 것입니다.

 

탄소 감소로 풀어지면 함께 연성이 향상되기 때문에, 

가공성이 개선됩니다.

 

또 탄소 감소 및 티타늄과 니오브의 첨가로 가열 후

냉각시에 생기는 입계 부식이 일어나기 어렵기 때문에 용접성이 향상됩니다.

 

페라이트계 스테인리스 물리적 성질과 자성

강철 종명	밀도 g/cｍ3	비열 J(kg·K)	열 팽창 계수 (0～100℃) 10-6/K	열 전도율 W/(m·K)	대비 전기 저항 (실온) μΩ·cm	영률 MPa
SUS430 (페라이트계)	7.70	46	10.4	26.4	60	200,000
SUS304 (오스테 나이트계)	7.93	50	17.3	16.3	72	193,000
SUS410 (마르텐사이트계)	7.75	46	9.9	24.9	57	200,000

페라이트계 스테인리스(SUS430)의 물리적 성질은 위와 같습니다.

 

비교로 오스테 나이트계(SUS304)와

마르텐사이트계(SUS410)의 물리적 성질도 아울러 기재하고 있습니다.

 

페라이트계는 오스테 나이트계보다 열 전도율이 높은 열 팽창 계수가 낮아집니다.

 

그래서 상온에서 고온에 걸친 치수 변화가 적고

부분적으로 팽창하는 것도 적게 되기 때문에, 열 피로 특성에 뛰어납니다.

 

또, 오스테 나이트계와 달리 항상 자성을 나타냅니다.

 

이는 결정 구조에 기인했으며"체심 입방 구조"의 페라이트계와

마르텐사이트계는 상자성,"면심 입방 구조"의 오스테 나이트계는 비자성입니다.

 

 

페라이트계 스테인리스 기계적 성질

강철 종명	내력 MPa	인장 강도 MPa	성장 %	짜다 %	경도
					HBW	HRBS 또는 HRBW	HV
SUS430 (페라이트계)	205 이상	450 이상	22 이상	50 이상	183 이하	90 이하	200 이하
SUS304 (오스테 나이트계)	205 이상	520 이상	40 이상	60 이상	187 이하	90 이하	200 이하
SUS410 (마르텐사이트계) 야키 나마시 상태	−	−	−	−	200 이하	93 이하	210 이하
SUS410 (마르텐사이트계) 담금질 담금질 상태	345 이상	540 이상	25 이상	55 이상	159 이상	84 이상	166 이상

페라이트계 스테인리스(SUS430)의 기계적 성질은

JIS규격(JIS G 4303:2012)에 의해서 위처럼 정해집니다.

 

비교로 오스테 나이트계(SUS304)와

마르텐사이트계(SUS410)의 기계적 성질도 올렸습니다.

 

페라이트계는 오스테 나이트계와 비교해서,

내력과 경도에 큰 차이는 없습니다만, 인장 강도로 증가율이 떨어지고 있습니다.

 

그것은 변형되기 쉽고, 파괴까지 변형량이 작다는 것을 의미합니다.

 

그러나 페라이트계는 가공 경화하기 어렵기 때문에

반드시 오스테 나이트계보다 연성이 떨어지는 것은 아닙니다.

 

또 페라이트계는 열 처리에 의해서 경화하는 것이 거의 없습니다.

 

그래서 기계적 성질이 가공 후에도 거의 유지됩니다.

 

한편 오스테 나이트계나 마르텐사이트계는 가공 및 열 처리에 의해서 강도를 높일 수 있습니다.

즉, 페라이트계는 강도가 필요하거나 부하가 크거나 하는 용도에는 향하지 않습니다.

 

 

페라이트계 스테인리스 내식성

페라이트계 스테인리스 내식성은 강판 종류에 따릅니다만,

오스테 나이트계보다 약간 뒤지마르텐사이트보다 뛰어납니다.

 

스테인리스의 높은 내식성은 크롬에 의해서 실현되고 있는데,

크롬 함유율이 동등한 페라이트계와 오스테 나이트계를 비교하면

오스테 나이트계가 더 높은 내식성을 나타냅니다.

 

그러나 크롬은 페라이트상을 안정화시키며

페라이트계에는 크롬 함유율이 크게 비싼 내식성을 가진 강종이 풍부합니다.

 

그 중에는 SUS447J1과 같은 크롬 함유율이 약 30%에 달하는 페라이트계가 존재합니다.

또 크롬에는 내 산화성(고온의 산화에 견디는 성질)을 향상시키는 효과도 있습니다.

 

페라이트계 속에는 몰리브덴을 첨가함으로써 

내식성을 향상시킨 강판 종류가 있습니다.

 

몰리브덴은 표면 부식과 틈새 부식 외에 

구멍식(표면의 구멍을 기점으로 침식하는 국부 부식)에 대한 

내식성을 높이는 효과가 있습니다.

 

특히, 몰리브덴을 약 2%첨가한 SUS444는 

윗 그림과 같이 SUS316을 넘는 PRE( 좋은 식성 지수:내공식성의 척도)을 나타냅니다.

 

또 PRE는 염화물 환경의 내식성의 지표로 넘기 때문에 

SUS444등은 바닷물에 대해서도 강한 내성이 있습니다.

 

이 밖에 페라이트계에는 다음과 같이 합금 원소를 가하거나 

화학 성분을 조정하기에 내식성을 개선한 것이 있습니다.

·티타늄(Ti)첨가하기로 내 입계 부식성이 향상

·니오브(Nb)첨가하기로 내 입계 부식성이 향상

·알루미늄(Al)첨가하기로 내 산화성이 향상

·동(Cu)첨가하기로 대기 중이나 해수 중의 내식성이 향상

·탄소(C)감소시키는 것으로 내 입계 부식성이 향상

또 페라이트계는 니켈을 함유하지 않는 것으로부터, 

오스테 나이트계의 결점인 응력 부식 균열이 거의 발생하지 않는다는 특징이 있습니다.

 

응력 부식 균열은 부식성 환경의 재료가 응력이 작용해서

 생기는 세대적 손상입니다.

 

오스테 나이트계에서는 주로 염화물 환경 하에서 

응력 부식 균열이 발생합니다.

 

밑그림은 응력 부식 균열의 예입니다.

 

페라이트계 스테인리스 메짐성·저온 취성

페라이트계 스테인리스는 고온 및 저온 환경에서

취성이 일어날 수 있습니다.

475℃ 취성
페라이트계는 몇시간에서 수십시간 동안 400℃, 540℃ 정도의 

고온으로 노출되면 부서짐성이 일어납니다.

 

이 현상은 철이 많은 조직과 크롬이 많은 조직으로 분리하기에 일어나며,

 475℃에서 급격히 진행하기에서 "475℃ 취약"으로 불립니다.

 

475℃ 메짐성이 일면 경도가 상승합니다만, 

연성, 인성은 저하되기 때문에 망가지기 쉬워지고 내식성도 저하합니다.

 

이 취약은 600℃ 이상의 온도에서 일정 시간 유지하고 

크롬을 다시 고용하는 것으로 해소할 수 있습니다.

σ상 취약
또 페라이트계는 550℃, 800℃ 정도의 온도 영역에서 

수백시간 이상 유지되는 것에서도 취약이 일어납니다.

 

이 취약은 철과 크롬의 금속 간 화합물로 구성되는 

"σ 상"이 분석하는 것에서 벌어지는 일로서

"σ상 취약"으로 불립니다.

 

σ 장관은 딱딱한 것의 취약하기 때문에 

균열 및 균열의 원인이 될 수 있습니다.

 

σ상 메짐성 해소에는 800℃ 이상의 온도에서 

일정 시간 유지하는 것이 필요합니다.

 

또한 σ상 취약은 페라이트계뿐 아니라 오스테 나이트계에서도 일어납니다.

저온 취성
페라이트계에는 한 온도 이하로 충격 저항이 급격히 낮아져

"연성-취성 전이 온도"이 존재하므로 

저온에서 사용하면 취성 파괴가 일어날 위험성이 있습니다.

 

이 성질은,"저온 취성"로 불리는 마르텐사이트계 등 

체심 입방 구조를 가진 금속에 공통의 것입니다.

 

페라이트계에서의 저온 메짐성 개선에는 탄소와 질소의 함유율을 줄이거나, 

티타늄과 니오브를 첨가하면 유효합니다.

 

또한 탄소와 질소의 함유율을 기존보다 저하시킨

페라이트계 스테인레스 강을 " 고순도 페라이트계 스테인레스 강"이라고 부릅니다.

 

 

페라이트계 스테인리스 가공성

페라이트계 스테인리스는 오스테 나이트계 정도는 아닙니다만, 

통상의 철강과 동등한 정도에는 가공하기 쉬운 소재입니다.

 

또 마르텐사이트계보다 가공성이 뛰어납니다.

다만, 조리개 가공성에 대해서는 페라이트계가 오스테 나이트계보다 낫습니다.

 

이어 페라이트계는 오스테 나이트계와 달리 가공 경화하기 어렵고, 

가공 변태(오스테 나이트가 마르텐사이트에 변화하는 것)도 되지 않았기 때문에 

가공 난도는 낮습니다.

또한 페라이트계의 가공성을 향상시키려면 

탄소·질소 함유량의 저감과 티탄·니오브의 첨가가 유효합니다.

절삭성에 대해서는 SUS430F처럼 유황을 첨가함으로써 향상됩니다.

 

용접성에 대해서는 가열함으로써 475℃ 취약의 발생, 

열 영향부에 있어서의 결정 입자의 대형화에 주의할 필요가 있습니다.

 

475℃ 취약은 연성, 인성·내식성 저하로 이어집니다만, 

용접 후 냉각 속도를 올리기로 회피할 수 있습니다.

 

한편 결정 입자의 대형화는 열 영향부의 연성, 인성을 현저히 저하시킵니다.

연성의 저하는 700℃~750℃의 열 처리에 의해서 풀립니다만, 

인성에 대해서는 회복하지 않습니다.

 

결정 입자의 대형화에는 티타늄과 지르코늄의 첨가가 유효합니다.

또 페라이트계에서는, 오스테 나이트계 용접 때 일어나

입계 부식은 일어나기 어려워집니다.

 

페라이트계의 내 입계 부식성은 탄소 함유량의

저감, 티타늄과 니오브의 첨가로 더욱 향상시킬 수 있습니다.

 

페라이트계 스테인리스 주 용도

페라이트계 스테인리스는 강판 종류로 큰 특성이 다르기 때문에, 

강철 종에 따라서 용도도 달라집니다.

 

그래서 페라이트계를 다음과 같이 5개 그룹으로 분류하여 용도를 들 수 있습니다.

 

크롬 함유량이 10%14%

SUS405·SUS409·SUS410L등을 포함한 그룹에서

 크롬 함유율이 적고 가장 저렴한 것입니다.

 

이 그룹은 내식성이 낮기 때문에 다소의 녹은 허용되는 용도에 이용되고 있습니다.

컨테이너나 버스, 승용차의 부식하기 어려운 부품 등에 사용되고 있습니다.

 

크롬 함유량이 14%, 18%

SUS430에 대응하는 그룹에서 페라이트계에서 가장 널리 사용되고 있습니다.

SUS304보다 염가로 있는 것부터 일부 SUS304의 대체 재료로 이용되는 경우가 많아지고 있습니다.

옥내 패널이나 가정용품, 세탁기 드럼, 부엌 세간류 등 옥내 용도로 주로 사용되고 있습니다.

 

크롬 함유량이 14%, 18%로 Ti, Nb의 안정화 원소를 포함

SUS430LX, SUS430F등이 포함된 그룹에서 

안정화 원소를 첨가함으로써 가공성과 용접성을 향상시키고 있습니다.

많은 강철 종으로 SUS304에 가까운 특성을 나타내는 

싱크대와 배기 가스 장치, 세탁기의 용접 부위 등에 이용되고 있습니다.

 

크롬 함유량이 18%이상으로 Mo를 포함

SUS434·SUS436·SUS444등을 포함한 그룹에서, 

몰리브덴을 포함하는 것부터 비싼 내식성을 나타냅니다.

주요 용도에는 옥외 패널이나 각종 탱크, 전자 레인지 부품 등을 들 수 있습니다.

 

 

크롬 함유량이 18%30%

SUS445·SUSXM27·SUS447등이 포함된 그룹에서 

크롬 함유량을 늘리는 몰리브덴 등을 첨가한 것입니다.

 

페라이트계 가운데 가장 내식성이 높은 그룹이 되고 있습니다.

해수 중 등 어려운 부식 환경 하에서 주로 사용되고 있으며, 

약품에 닿는 화학 플랜트 등 용도가 들 수 있습니다.

 

 

 

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