STAINLESS STEEL(SUS)의 특징 및 가공성

[강가이버]

1. STAINLESS STEEL의 정의 :

스테인레스강(STAINLESS STEEL)이란 크롬(Cr)을 12%이상 첨가하여 녹슬기 어려운 강을 스테인레스강 이라고 부른다.스테인레스강은 1820년대 영국의 패러디(Faraday)등이 크롬을 첨가하여 내식성을 향상시키는 연구를 하던중 20세기초 독일의 마우러러(Maurer)와 스트라우스(Strauss)에 의해 크롬니켈(Fe-Cr-Ni)계,영국의 벨리(Bearly)에 의해 크롬(Fe-Cr)계 스테인레스강이 개발되었다.그후 10년동안 몰리브덴(Mo),구리(Cu),납(Nb),티타늄(Ti)등을 첨가한 안정화 스테인레스강이개발되어 상업화가 이루어졌다.
주요 혁신적인 제조기술로는 1960년대에 저품위 원료로 고탄소 훼로크롬(Fe-Cr)광석을 사용할수 있는 노외 정련인 VOD(Vacuum Oxygen Decarburization:진공탈탄)와 AOD (Argon Oxygen Decarburization:산소 아르곤탈탄)가 실용화 됨으로써 생산성 향상에 의한 제조 비용 절감을 가져다 주었다.

2. 스테인레스강(STAINLESS STEEL)의 성질

(1) 표면이 아름답다.
(2) 내식성이 우수하여 도장,도색등의 표면처리를 행하지 않고 고유의 표면을 살려서 다양한 용도에 사용할수 있다.
(3) 보통의 스테인레스강이라고 하면 대표적으로 13Cr강,18Cr강,18Cr-8Ni강 등의 고합금강을 의미한다.
(4) 주성분으로 크롬(Cr)이 함유되어 있기 때문에 강의 표면에 매우 얇은층의 산화크롬
(Cr₂O₃) 이 형성되고 이 얇은 피막은 금속기지내로 침입하는 산소를 차단시키는 부동태 피막(Passivity Layer)로 작용하여 녹이 잘슬지 않는 내식성을 갖게한다. 크롬 성분에 의해 매우 얇은 Cr₂O₃층이 형성되는 스테인레스 강의 고유한 내식성을 가지기 위해서는 약 12%이상의 크롬을 함유하여야 한다.

3. 스테인레스강(STAINLESS STEEL)의 분류 및 특성

(1) 스테인레스강의 일반적 특성 :
스테인레스강은 화학성분과 금속조직에 따라 대별할수 있는데 화학성분에 의해서는 Fe-Cr계로 분류되고 금속 조직상의 차이에 의해서는 오스테나이트계(Austenite Type) 페라이트계(Ferrite Type),마르텐사이트계(Martensite Type)로 분류된다.

구 분	기 본 조 직
	Austenite Type	Ferrite Type	Martensite Type
대표강종	STS304	STS430	STS410
대표성분	18%Cr-8%Ni	18%Cr	13%Cr
열처리	고용화열처리	풀림	풀림후 급냉

경 화 성		가공 경화성	비 Quenching 경화성	Quenching 경화성
주 용 도		- 건축물 내,외장재 - 주방용기 - 화학 Plant - 항공기용	- 건축재 부품 - 자동차 부품 - 가전용 주방기구 - 식기류	- 건축재 부품 - 자동차 부품 - 가전용 주방기구 - 식기류
품질특성	내 식 성	高	高	中
	강 도	高	中	高
	가 공	高	中	低
	자 성	비자성	상자성	상자성
	용 접 성	高	中	低

(2) 스테인레스강(STAINLESS STEEL)의 각 계열별 특성

1) 오스테나이트계 (Ostenite Type)
. 크롬과 니켈을 함유하여 염분이나 산에 대해 내식성이 우수
. 고내식성이 요구되는 분야에 사용:식품,화학,해양,건축
. SUS304(18%cr-8%Ni)가 대표적임
. 가공경화 현상이 커서 절삭가공이 어렵다.(인선치핑 발생 → 마모촉진)
. 열전도율이 나쁘다(탄소강의 1/3 수준 → 날끝 온도 상승)
. 연성이 크다(고온 변형량이 많다)

2) 페라이트계 (Ferrite Type)
. 비교적 다량의 크롬을 함유하고 마르텐사이트계보다 내식성이 우수하다.
. 니켈 함유량이 없기 때문에 가격이 저렴하며 최근 사용량이 증가하는추세임.
. 열처리에 의한 경도 향상이 불가능하다.(조직변화 無)

3) 마르텐사이트계 (Martensite Type)
. 크롬을 주성분으로 하고 열처리(Quenching)에 의해 경화가 가능하다.
. 열처리에 의해 얻어지는 경도는 탄소함유량에 따라 변화하며 이에 따라 규격화가 결정됨.
. 사무기계,가전제품 등의 부품재료로 주로 사용된다.
. SUS416은 황(S)을 첨가하여 피삭성을 개선한 쾌삭 스테인레스강임.

(2) 스테인레스강의 강종별 특성

강 종	조 성	특 성	주 용 도
430	18Cr	Cr계의 대표적 강종으로 Austenite계에 비해 가격이 저렴하며 가공성은 좋지만 자성을 가지고 있다.	자동차부품 , 초산제조설비, 연소실, 건축물, 세탁기, 버너등

1) 페라이트계 (Ferrite Type)
2) 오스테나이트계 (Ostenite Type)

강 종	조 성	특 성	주 용 도
304	18Cr-8Ni	가장 많이 사용되고 내열성이 좋고 저온강도를 가지고 있고 열처리로는 경화되지 않고 자성이 없다.	●가정용기구,보일러 ●실내배관,건축자재 ●자동차부품
304L	18Cr-9Ni-저C	304의 극저탄소강으로 내식성은비슷하나 용접후 혹은 열처리 제거후의 입계부에 대한 저항성이 좋아 열처리 없이도 내식성을 보유한다.	화학공업,석탄공업 ●석유공업. 약품저장 건축자재
316L	18Cr-12Ni-2.5Mo-저C	316의 극저탄소강으로 316의 성질에 내입계부식성 함유함.	●용접후 뜨임이 ●되지 않는부품에 사용
316	18Cr-12Ni-2.5Mo	해수를 기초로 각종 내부식성을향상시킨 강종으로 2.0-3.0%의 Mo 첨가와 동시에 Ni 함량을 크게 하였으며 가공 경화성은 대단히크며 자성은 없다	●제지,화학성분 ●합성수지,염료 ,초산의제조설비 ●사진공업,식품공업 ●해안의 건축물 의장재

3) 마르텐사이트계 (Martensite Type)

강 종	조 성	특 성 주	용 도
410	13Cr	MartensiterPdml 대표적인 강종으로 가격은 유리하나 일반 내식강으로 부식 환경에는 견디기 어렵다. 가공성은 우수하고 열처리에 의해 경화된다.	● 일반칼날 ● 기계부품 ● 석유 정제장치. ● 볼트,너트 ● 펌프,Shaft
420J	13Cr-0.2C	소입상태에서 경도가 높고 410보다내식성이 높은 재종	● 터빈 블레이드
420J2	13Cr-0.3C	420J보다 소입후 경도가 높은 재종	●칼날,노즐,밸브. ●막대자

4. 스테인레스 강판 표면 가공 규정

표면가공 기호	적 용
No.2D	냉강압연후 열처리 한것으로 Roll 가공을 최후로 가볍게 냉간 압연한것도 포함.
No.2B	냉간압연후 열처리 한것으로 적당한 광택을 얻을정도로 냉간 압연한것도 포함.
No.3	KS L6001(연마재입도)에 따라 100-120번으로 연마하여 가공한 것
No.4	KS L6001에 따라 150-180번으로 연마하여 가공한 것
#240	KS L6001에 따라 240번으로 연마하여 가공한 것
#320	KS L6001에 따라 320번으로 연마하여 가공한 것
#400	KS L6001에 따라 400번으로 연마하여 가공한 것
BA	냉간압연후 광휘 열처리를 한것이다.(Bright Annealing)
HL(Hair Line)	적당한 입도의 연마재로 연속 줄무늬가 생기도록 연마하여 가공한 것이다.

5. 스테인레스 강의 재료특성과 절삭현상

6. 스테인레스강의 피삭성 지수

재 료		피 삭 성 지 수(%)
페라이트계	SUS430	50
	SUS430F	70
마르텐사이트계	SUS410	50
	SUS416	65
	SUS420J1	40
	SUS420F	55
	SUS440	30
	SUS440F	40

재 료		피 삭 성 지 수(%)
오스테나이트계	SUS302	30
	SUS303	55
	SUS304	30
	SUS321	35
	SUS347	35
강	S10C	55
	S45C	55
	S55C	55
	SK7	48
	SKD11	48

7. 스테인레가강의 가공기술

스테엔레스강이 공업용 재료로서 처음 실용화 된 것은 금세기에 들어선 다음부터이다. 그이후 약 반세기 동안에 재료특성이 개량이나, 용도개발이 두드러지게 진전하여 오늘날과 같은 수요를 요구하게 되었다.
스테인레스강의 절삭가공에 간한 문헌은 그 수량에 있어서 다른 난삭재에 관한 것을 압도하고 있다. 그럼에도 불구하고, 항상 새로운 절삭 데이터가 요구되고 있는 것은 스테인레스강의 절삭가공이 매우 많다는 사실을 시사하고 있다.
스테인레스강은 Cr을 다량으로 함유하는 합금강이다. 스테인레스강의 절삭가공에 가장 기본적인 특성은 내식성이다. 이 내식성은 합금속의 Cr성분 때문이지만 그 내식성을 강화하고 또 기계적인 여러가지 특성을 향상시키기 위해서 Ni,Mo 그 밖의 합금성분이 가하여진다. 또한 C,Si,Mn,Ti,Nb,Cu 등의 각 성분을 적당량 가함으로써, 많은 강종이 실용화 되고 있다.
스테인레스강은 그 합금조성에서, Cr계 스테인레스강과 Cr-Ni 계 스테인레스강으로 크게 나누어진다.
또 금속조직에 따라서 오스테나이트계, 페라이트계, 마르텐사이트계의 기본강종과 여기에서 발전한 오스테나이트, 페라이트계(2상계)와 석출경하계의 강종으로 분류 할 수 있다.
Chipping 이나 결손은 어느정도까지 방지하는 것은 가능하지만 절입경계손상은 강인한 재질의 공구재종을 사용하지 않는한 방지하는 것은 불가능하다. 이 절입경계손상이 발생하면 피 가공물의 외주면과 절삭단면에서 형성되는 Edge 부에 Burr가 발생한다.
Burr는 가공경화에 의해서 두드러지게 경도가 증가하고 있으며, 이 Burr가 절삭날의 능(稜)을 찰과하면, 절삭에 관여하고 있지 않는 절입경계부 후방의 절삭날 능에까지 손상이 미친다.
또 절입경계손상이 발생한 후에 절입량이 증가하거나 이상손상 절삭날로 절삭하면 이와 같은 상태에 빠지고 절삭이 불가능해진다. 떠라서, 절입량이 끊임없이 변동하는 모방절삭에서는 특히 이상손상이 발생하기 어려운 강인재종을 선택할 필요가 있다.

8. SUS 가공시 선반가공의 트러블 해결

1) SUS304의 다듬질 절삭 :
오스테나이트계 스테인레스강의 대표적인 강종인 SUS304는 동시에 난삭재의 전형이라는 것에서 SUS304의 절삭가공에서는 트러블이 속출하게 된다.
(1) 먼저 공구수명이 짧다.
(2) 다음에 칩이 엉클어져서 가공면을 거칠게 하고 또 치수 정밀도를 얻기 어렵다는 것이다.

오스테나이트계 스테인레스강의 절삭 특성으로는
(1) 가공 경화성이 있다.
(2) 열전도율이 낮다.
(3) 끈적끈적하여 쪼개기 어렵다는 것을 들 수 있지만 이러한 특성에 의해서 SUS304의 절 삭가공에서는 탄소강과 같은 효율은 기대할 수 없다.

2) 트러블 해결방안 :
SUS304와 절삭공구(TA팁)의 관계에서 보면 가공 경화성을 극복하기 위해서 또 쪼개기 어려운 재료를 더욱 쉽게 쪼개기 위해서는 예리한 날끝을 가진 공구가 필요하다.
구체적으로는 경사각이 약간 큼직하게 설정될 것, 날 끝에 입힌 호닝의 폭이 작을 것, 칩이 막히지 않게 브레이커의 폭에 여유가 있을 것 등이 고려된 TA팁이 필요하다.

또 열전도도가 낮다는 것은 절삭날 선단에 절삭열이 모여서 TA팁의 경도를 저하시켜 절삭날의 마모를 촉진하게 된다. 이 때문에 SUS304의 절삭에서는 열전도도가 높은 공구 재료를 사용하게 된다.
SUS304를 절삭할때의 피삭재 내부의 경도분포를 살펴보면 절삭나르이 선에서 피삭재 내부에 향하여 경도가 변화하고 있지만 절삭날 선에서 0.1mm 이내에서 극히 큰 값을 나타내고 있다. 즉 이송량을 0.1mm 이하로 한 경우는 절삭력으로 경화시킨 부분을 절삭하게 되고 이것이 공구 수명을 저하시키는 주원인이 된다.

그리고 SUS304 의 다듬질 절삭에 있어서는 가공 경화한 범위가 피삭재의 외주부에도 미치고 있다는 것에 주목해야한다.
외주부에도 깊이 0.1mm 정도의 경화 부분이 존재하므로 절삭 깊이를 이 값 이하로 하면 전술한 이송량의 효과와 동일한 현상이 생기게 된다.
또 절삭깊이나 이송량이 작은 경우에는 칩도 얇아져서 부러지기 어려워지며 피삭재에 휘감기는 현상도 발생하기 쉬워진다.

결국, SUS304의 다듬질 절삭에서는 절삭날 호닝을 작게 할 수 있는 PVD 코팅을 한 TA팁(초경합금을 모재로 한 것) 으로 유효한 경사각이 10도 정도 설정된 것을 사용하여 절삭 속도는 100 ~ 120m/min 정도, 절삭 깊이는 편측에서 0.1mm 이상, 이송량도 0.1mm/rev 이상의 조건에서 절삭하는 것이 트러블에서 멀리 할 수 있는 방법이다.

9. 구멍뚫기 가공시의 트러블 해결

1. 절삭저항이 크고 더구나 가공경화가 두드러진 스테인레스에 통상의 드릴로 구멍을 뚫으려고 한다면 드릴이 절손되거나 날끝이 없어지는 일도 많다.
고망간등에 애용되는 난삭재용 드릴도 어쩔 도리가 없다.
열전도율이 낮고 열팽창률이 큰 스테인레스의 성질 때문에 구멍속에 열이 고이고 구멍지름이 줄어드는 현상이 생겨나 드릴을 조르는 현상도 생기기도 한다.

이와 같은 재료의 구멍뚫기에는 드릴의 강성과 절삭성이 중요하다. 또한 엔드밀의 날끝을 선단각으로 뽀죽하게 하고 치즐(chisel)부의 절삭성을 향상시켜 트러스트 저항을 감소시키시 위해서 크로스 씨닝(cros-thinning)을 시공하면 매우 뛰어난 절삭성능의 스테인레스용 고강성 드릴을 만들 수 있다.

또 스테인레스 가공시 가공경화성이 크고 용착성이 매우 크며 Chip은 강력하고 꼬인는 현상이 크므로 외주경사각을 강하게 하며 절삭유로 염화제(불활성형) 불수용성 절삭유, 황화염화제(불활성형) 불수용성 절삭유, 에멀전형 수용성 절삭유등을 사용하는 방법도 좋은 방법이라 할 수 있다.

10. 피삭재에 따른 가공 특성 ( SUS416 )

피삭재	명 칭		마르텐사이트계 스테인레스강
	경 도		HB159이상
	성 분 (%)		Cr:12.0-14.0, Ni:0.6, Mn:1.25, Mo:0.6,Si:1.0, C:0.15, S:0.15, P:0.06
	재 질 특 성		- 마르텐사이트계 스테인레스강. 피삭성은 스테인레스 강중에서 상당히 양호하다. 고S쾌삭강
	일 반 특 성		- 자동선반용
	피 삭 성		- 냉강가공된것은 절삭이 쉽지만 소입된 상태의 것은 연성이 크게되어 절삭이 어렵게 된다.
가공특성	구 분		V (m/min)	F (mm/rev)	재 종	칩 브레이크	Cutte
	선삭	사상	200	0.15	CN200	HF형
		중사상	170	0.20	NC320/NC315K	HC/GK형
		황삭	150	0.40	NC330	GR/B20형
	밀링	사상	180	0.15	CN30
		중삭	200	0.20	NCM330/PC130/PC240		CDH,DPH,EN형
		황삭	150	0.25	A30		EN,ANH형
	엔드밀 (습식,유성)	측면가공	50	0.05	1.5Dx 0.1D		SSE4000형
		홈가공	50	0.03	1.0D		SSE2000형
	드릴링	Æ3-20	20	0.15	2D		SSD형
		Æ10-30	30	0.20	3D		VSD,VZD형

피삭재에 따른 가공 특성 ( SUS630 )

피삭재	명 칭		마르텐사이트계 스테인레스강
	경 도		HB277이상
	성 분 (%)		Cr:15.5-17.5, Ni:3-5, Cu:3-5,Mn:1, Si:1, C:0.07, S:0.03, P:0.04
	재 질 특 성		- 석출경화계 스테인레스강. Cu의 첨가로 석출경화성을 가지게한 강종류임. - 내식성과 강도를 겸비한 강.
	일 반 특 성		샤프트류,터어빈부품 등에 사용한다.
	피 삭 성		- 고용화처리상태로써 마르텐자이트로 되지만 절삭가공은 충분히 가능하다.
가공특성	구 분		V (m/min)	F (mm/rev)	재 종	칩 브레이크	Cutte
	선삭	사상	150	0.15	CN200	HF/GF형
		중사상	130	0.20	NC320/NC315K	HC/GK형
		황삭	120	0.30	NC330	HR/GR/B25/HM형
	밀링	사상	120	0.15	CN30
		중삭	150	0.20	NCM330/PC130/PC240		CDH,DPH,EN형
		황삭	100	0.25	MA2		EN,ANH형
	엔드밀 (습식,유성)	측면가공	50	0.03	1.5Dx 0.1D		SSE4000형
		홈가공	50	0.02	0.5D		SSE2000형
	드릴링	Æ3-20	15	0.10	3D		SSD형
		Æ10-30	20	0.15	3D		VSD,VZD형

자료출처-한국야금(주) 홈페이지 기술정보

[출처] 스테인레스강의 가공|작성자 마루치