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기원전 2500년경에 구리나 청동기를 대신해서 철기 문명이 발달하였다고 포브스는 말하고 있다. 철의 출현이라는 문제는 많은 사람들이 연구하고 있었는데 고대의 철은 모두 고체철 (해면철)이나 반용철로 이것을 단련하여 이용한 것이다.
18세기가 되자 영국에서 목탄 대신에 석탄을 연료로 한 제철 기술이 개발되어 19세기 전반에 걸쳐 비약적인 발전을 이루었다. 대량 저가로 제조되게 된 주철과 연철은 구조재로서 모든 분야에서 목재나 석재를 대신해서 많은 새로운 용도를 개척하였다. 다리,철도,건축물,공작기계,배,차량이나 무기를 대량으로 공급한 것이다.
19세기 후반부터 20세기 전반에 걸쳐서는 근대적인 선강 일관 제조법이 전개되어 철의 대량사용시대가 되었다. |
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이렇게 해서 철은 근대 산업에 있어서 가장 경제적이며 보편적인 기본 구조재료로서 공급되어 당분간 바뀌지는 않은 것이다. 그러나 철의 특징 중 하나인'녹스는' 현상은 산업 혁명 이후, 생산 도구로 널리 사용되고 나서 부터 문제가 되어 현재는 인간의 사회 활동에 결정적인 영향을 주고 있다.
'녹'이라는 것은 금속의 표면에 생기는 부식생성물(腐蝕生成物)의 총칭으로 일반적으로 금속은 공기 중에 있는 산소 ·수분 ·이산화탄소 등의 작용에 의해서 그 금속의 산화물 ·수산화물 ·탄산염 등을 생성하여 피막(被膜)을 만들어 금속의 표면이 광택을 잃는데이들이 녹의 주성분이 되는 수가 많다. 그러나 가장 일반적인 것은 산화물인데, 이를테면 철의 녹은 산화철(III)수화물 Fe2O3 ·nH2O가 주성분이다. 이것은 공기중의 이산화탄소와 수분에 의해서 먼저 탄산철 FeCO3가 생기고, 이것이 수분과 산소에 의해 분해되어적갈색의 산화철(III)수화물과 이산화탄소가 되는 반응을 반복하는 데서 생긴다. 또, 철을 고온에서 산화시켰을 때 표면에 검은색의 단단한 산화피막이 생기는데, 이것도 녹의 일종이다.
구리는 공기 중에서 산화하여 먼저 검은색이 되지만, 습기와 이산화탄소에 의해서 염기성 탄산구리 CuCO3 ·Cu(OH)2를 생성하여 녹색이나 청색이 되는데, 이것을 동록(銅綠) 동청(銅靑) 또는 녹청이라 한다. 또, 구리를 식초나 아세트산의 증기와 접촉시키면 마찬가지로 염기성 아세트산구리가 생기는데, 이것도 동록 또는 녹청이라 한다.
녹은 보통 시간이 경과함에 따라 그 금속의 내부로 진행하는 경우가 많은데, 알루미늄 · 마그네슘 · 아연 등과 같이 이온화경향이 강한 금속은 표면에 산화물의 피막이 생겨 내부를 보호하기 때문에 속까지 부식되지는 않는다. 그러나 어떤 방법으로 녹을 제거하면 즉시 공기 중의 수분에 침식당하고 만다. 예를 들면, 알루미늄판의 표면에 수은을 문지르면 알루미늄은 아말감이 되어 산화피막이 제거되므로 급속히 침식된다.
이 밖에도 녹이 발생하는 원인은 여러 가지가 있다. 예를 들면, 공기 중에 존재하는 먼지 ·염분(鹽分) 및 산성 증기(아황산가스 ·황화수소 등) 등 여러 가지가 금속의 표면에 작용하여 부식물을 만드는 경우가 많다. 화학에서는 이들도 모두 녹에 포함시키고 있다.
이런 '녹스는'현상(부식)은 철의 이용이 많은 만큼 모든 생산 및 소비 분야에서 일어나서 옥외 구조물, 선체, 지중 매설물, 화학 플랜트, 내연 기관, 보일러, 항공기, 기타 모든 공업에서 부식과 관계가 없는 것은 없었다. 부식에 의한 철의 손실은 많은 시산예가 있어서 철의 생산량의 약 10~20%라든지, 철강 누적 보유량의 2%라고 한다. 이런 부식에 의한 경제적 손실 외에도 자원의 낭비, 사회 활동의 효율저하, 부식에 의한 재해 등 많은 손실이 있었다. 따라서 이 '녹'을 어떻게 막느냐가 자장 중요한 과제 중 하나로서 제철 기술은 어떤 면에서 '방청 기술' 이기도 한 것이다.
이 '녹을 막는 방법으로는 크게 나눠서 3가지가 있다.
첫째, 표면 처리에 의한 방법 : 도장, 도금, 피복 둘째, 전기 방식에 의한 방법 : 희생 양극, 양극 방식 셋째, 재질 개선에 의한 방법 : 합금 원소의 첨가 등 이 합금 원소의 첨가에 의해 '녹슬지 않는' 재료를 만드는 것이 스테인레스의 탄생이었다.
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아주 초기에는 1820년경 영국의 패러데이(M.Faraday)에 의한 크롬이 들어간 합금의 연구가 있으며 19세기말경까지 계속되는데 스테인레스의 탄생에까지 이르지는 못한 것은 다음과 같은 이유를 들수 있다. |
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a. 현재의 18% 크롬스테인레스나 18% 크롬 8% 니켈스테인레스와 같은 0.06% 이하의 저탄소를 만들 수 없었다. |
b. 적당한 크롬량의 합금을 만들 수 없었다. |
c. 연구가 주로 내식성보다 기계적 성질이나 조직에 대해 이루어졌다. |
d. 내식성을 조사하기에는 부동태화 현상을 알지 못했다. |
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그러나 이러한 기초 연구가 20세기 초에 열매를 맺어 스테인레스가 탄생한 것입니다. 그 중에서 대표적인 것은 크롬을 포함한 스테인레스(현재의 18% 나켈, 18-8이라고도 한다)나 영국의 브레어리(H.Brearly)의 철에 크롬을 포함하는 스테인레스이다. 그 이후 현재에 이르기까지 내식성, 가공성, 용접성 등의 각 성질을 여러 가지 개량해서 스테인레스는 실용 합금으로서의 지위를 구축한 것이다. 그러나 현재의 스테인레스 대량 소비 시대를 연 것은 재질의 개선 외에 생산 설비의 양산 합리화나 가공법 및 용접법의 진보에 의한 바 크다. 생산 설비에서 최근의 약 20여년의 대표적인 기술적 발전을 들어 보면 다음과 같다.
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a. 산소제강의 응용에서 진공 탈탄법이나 아르곤 산소탈탄법 등 노외 정련법의 발달 |
b. 연속 주조법의 적용 |
c. 이것에 따르는 각종 연속 처리 설비나 용접기, 연마기계의 발달현재는 2상 스테인레스나 고순도 페라이트계 스테인레스 등도 많이 사용되고 있다. |
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스테인레스(이하STS로 稱함)은 물리적 특성과 사용용도에 따라 여러 가지 강종이 개발되어 있으며, 그중 주요 건자재용 STS강의 특성은 아래의 '표'와 같다. 18% Cr과 8% Ni을 함유하여 18-8 STS강으로 불려지는 STS304강은 건자재용으로 가장 널리 사용되고 있으며, 사용환경에 따라 STS316, STS304N1, STS304N2 그리고 STS430 강종등이 선택적으로 사용되고 있다.
STS316강은 해안지방이나 공업지대와 같이 염분, 철분, 그리고 유독가스 등 부식요인이 많은 환경에서 사용되고 있고, 경제성을 감안한 내후성 구조용강은 STS304N1강이나 STS304N2강이 STS304강 대신 현재 일부 대체 사용중이며, STS430강은 내장재와 같이 사용환경이 양호한 곳에 사용중이다.
'표' 건자재로 사용되는 주요 스테인레스강의 특성
강종
특성 |
STS304
(18Cr_8Ni) |
STS304N1,N2
(18Cr-8Ni-N) |
STS316
18Cr-10Ni-2.5Mo |
STS430
(18Cr) |
조 직 |
AUSTENNITE |
AUSTENNITE |
AUSTENNITE |
FERRITE |
내식 ·내후성 |
내 ·외장용으로 사용기능 |
STS304 대비 내식성을 개선 |
STS304 대비 우수 |
내장용으로 가능하며 옥외사용시는 발청이 가능하므로 유의 |
용 접 성 |
매우 양호 |
약간 열위 |
열 팽 창 |
보통강 대비 약 1.5배 수준 |
보통강과 동일 |
열 전 도 |
보통강 대비 약 1/3수준 |
보통강의 1/2 |
가 공 경 화 |
매우 큼 |
냉간가공시 다소 경화가능 |
충격과 연신율 |
내충격성이 대단히 양호하며 성형성도 양호 |
AUSTENITE에 비해 열위 |
방 향 성 |
낮은 수준 |
있음 |
자 성 |
자성은 없으나 심한 가공을 받으면 약간의 자성보유 |
있음 |
용 도 |
건축물 내외장재 |
외장재, 배관재, 구조재 |
해안, 공장지대의
외장재 |
장식용 등 일반적인
내장재 |
※ 강종별 성질과 특성 및 주요 용도
|
|
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강 종 |
조 성 |
성 질 과 특 성 |
주 요 용 도 |
301 |
17Cr-7Ni |
Cr,Ni이 표준형 304보다 낮아 가공유기 Martensite가 쉽게 생기는, 안정도가 낮은 AUS'계로 냉간가공에 의해 인장강도와 경도가 높아짐. 소둔 상태에서는 비자성이나 냉간 가공후 자성을 가짐. |
차량부품
Belt Conveyor, Bolt, Nut
태엽, Spring |
301L |
17Cr-7Ni
-0.1N. -저C |
고강도 301강의 용접부 내입계부식성을 개선한 강종으로 C 감소에 의한 강도저하를 N 첨가로 강도를 확보한 강종 |
철도차량용 Frame 및
외장 |
302 |
18Cr-8Ni
-0.1C |
304보다 고탄소를 함유한 강종으로 프레스 가공용, 박판 성형용 재료로 사용되며, C 함유량이 높아 고온 가열시 304대비 내식성이 열세이고, 가공성은 301과 304의 중간정도임. |
건축물 내외장 |
304 |
18Cr-8Ni |
가장 널리 사용되는 강종으로 Ni이 함유되어 내식성,내열성이 뛰어나며, 저온강도도 가지고 있는 기계적 성질이 양호한 강종으로 열처리로서는 경화되지 않고 비자성임. |
식기 및 주방기구류,배관,온수기,버일러,욕조,머플러,건축내외장
|
304L |
18Cr-9Ni
-저C |
304 대비 저C 함유로 내식성은 비슷하나 용접 후 또는 응력제거 열처리후의 입계부식에 대한 저항성이 뛰어나서 열처리 없이 내식성을 보유함. |
304가 입계부식에 견디지 못하는 부위 또는 화학공업,석탄공업,석유공업 등 열처리가 곤란한 부품 |
316 |
18Cr-12Ni
-2.5Mo |
해수 및 염분에 대한 내공식성 향상을 위해 2~3% Mo를 첨가한 강종으로, Ni 함량을 증가시켜 가공경화성이 우수하고 비자성을 띰. |
제지,화학,합성수지,비료,사진공업,식품공업 등 해안부근 건축외장 |
316L |
18Cr-12Ni
-2.5Mo . -저C |
304강에서 C함량을 감소시켜 316의 성질에 내입계부식성을 부여한 강종 |
용접 후 열처리가 곤란한 부품 |
321 |
18Cr-8Ni
-Ti |
304강에 Ti을 첨가하여 입계부식을 방지한 것으로 450~900℃의 입계부식 예민화 구간의 사용에 적합함. |
항공기 배관
보일러 Cover |
347 |
18Cr-8Ni
-Nb |
Nb를 사용 탄화물의 결정입계 석출을 억제하여 용접후 입계부식에 대한 저항성이 크며 내열성도 높음. |
321과 용도 동일 |
☞Austenite계는 비자성이나,가공시에는 가공에 의한 '유기 Martensite 변태현상'에 의해 자성을 띠는 경향이 있음.
강 종 |
조 성 |
성 질 과 특 성 |
주 요 용 도 |
409L |
11Cr-Ti,Nb
-저(C,N) |
TI,Nb첨가에 의한 내입계부식성 향상 및 저C,N으로 고온,상온에서 Fully Ferntic STS강이다. 용접성,저온인성이 우수하며,430대비 성형능이 우수함. |
자동차 배기관 |
410L |
13Cr-저C |
C를 저감시켜 용접성,굴곡성,가공성,내고온성 산화성을 우수하게 한 강종임. |
자동차 배기관
보일러 연소실 |
430 |
18Cr |
Cr계의 대표강종. 가장 일반적인 강종으로,Aus'계에 비하여 가격이 저렴하며 양호한 가공성,내식성을 가지고 있지만 심한 굴곡,Drawing용에는 난점이 있다. 열처리에 의해 경화되며 자성을 가짐. |
자동차부품, 세탁기,
건축내장, 전기기구,
각종탱크 |
430LX |
18Cr-Ti &
Nb-저C |
430에 Ti와 Nb를 첨가하고,C를 저하시켜 가공성,용접성을 개량한 것임. |
해수Tank,급탕용,위생기구,자전거Rim |
434 |
18Cr-1Mo |
430의 개량용으로 Mo를 첨가, 430보다 염분에 대해 강함. |
자동차 외장용 |
436L |
18Cr-1Mo
Ti,Nb,Zr,
극저(C,N) |
434에 C와 N을 저하시키고 Ti,Nb또는 Zr을 단독 또는 복합 첨가한 강종으로 가공성,용접성이 우수함. |
건축외장,차량부품,주방용기,급탕,급수설비
|
444 |
19Cr-2Mo .Ti . Nb,Zr .극저(C,N) |
436L보다 Mo을 증가시켜 특히 내식성을 개선한 강종임. |
저탕조,저수조,태양열 온수기,응력부식 억제용도 |
|
|
|
강 종 |
조 성 |
성 질 과 특 성 |
주 요 용 도 |
410 |
13Cr |
Mar'계의 대표강종으로 가격면에는 유리하나 부식환경에는 적합하지 않음. 가공성은 우수하고 열처리에의해 경화됨 |
저가 칼날,기계부품, 석유정제장치,
볼트,너트, 펌프,Shaft |
420J1 |
13Cr-0.2C |
소입상태에서 경도가 높고 13Cr보다 내식성이 높은 강종 |
터빈 브레이드 |
420J2 |
13Cr-0.3C |
420J1보다 소입후 경도가 높은 강종 |
칼날,Nozzle,Valve 막대자 |
440A |
18Cr-0.7C |
소입경화성이 좋고 인성이 큰 강종. |
칼,Gauge,Bearing | | | |
▶ 스테인리스강의 특성
가. 일반특성 |
스테인레스강의 특성으론은[표1]과 같이 품질특성과 물리적 성질을 크게 분류할 수 있는데. 품질특성으로는 내식성, 용접성, Creep 강도, 성형가공성 등이 중요하며 이중에 가장 중요한 품질특성인 내식성은 일반 탄소강과는 달리 스테인리스강 표면에 부동태 산하피막이 형성되어 우수한 내식성을 보유하게 된다.
[표2]는 Fe-Cr계의 대기중에서 Cr함량에 따라 부식도를 나타낸 것으로 Cr함유량이 10% 이상되면 내식성이 우수함을 알 수 있다. 강종에 따른 내식성은 부식환경과 부식형태에 따라 다소 차이가 있지만. 일반적으로 오스테나이트계 강종의 내식성이 가장 우수하며, 페라이트계, 마르텐사이트계 순으로 내식성이 감소하게 된다.
화학발전 설비용은 고온에서 사용되는 경우 Creep강도가 중요한 품질특성 항목으로 오스테나이트계 스테인리스강은 결정구조가 면심입방격자(FCC) 이기 때문에 체심입방격자(BCC)를 갖는 페라이트계 또는 마르텐사이트계 스테인리스강보다 600℃ 이상의 고온에서 Creep 강도가 매우 우수하다. 그러나 상온에서부터 600℃까지는 마르텐사이트 강종의 강도가 오히려 우수하다. 이것은 마르텐사이트 강종이 소입에 의해 경화되기 때문이며 페라이트강종과 오스테나이트강종은 변태점이 없어 소입에 의해 경화되지 않는다.
[표1] 스테인리스강의 강종별 특성 |
구분 |
기 본 조 직 |
오스테나이트계 |
페라이트계 |
마르텐사이트계 |
개표강종 |
스테인리스304 |
스테인리스430 |
스테인리스410 |
대표강종 |
18Cr-8Ni |
18Cr |
13Cr |
품 질 특 성 |
내식성 |
● |
○ |
△ |
강도 |
○ |
△ |
● |
크립강도 |
● |
○ |
△ |
저온충격치 |
● |
△ |
× |
가공성 |
○ |
○ |
△ |
자성 |
× |
● |
● |
경화성 |
가공경화성 |
비소입경화성 |
소입경화성 |
용접성 |
○ |
△ |
× |
물 리 적 성 질 |
결정격자구조 |
면심입방(FCC) |
체심입방(BCC) |
체심입방(BCC) |
열전도도 |
△ |
○ |
○ |
475℃ 취성 |
× |
● |
● |
δ 취성 |
● |
△ |
× |
고온취성 |
× |
● |
○ |
*우선순위 : ● 〉 ○ 〉△ 〉× |
[표2] Fe-Cr강의 대기중 내식성(0.1% C강, 공업지대, 10년간) |
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용접성에 있어서는 페라이트 강종고 마르텐사이트계 강종이 오스테나이트 강종에 비래 매우 불량하다. 이것은 단시간내에 Cr계 스테인리스강을 950℃ 이상의 온도로 급속 가열하면 결정립이 현저하계 조대화되어 고온 취화의 원인으로 작용하기 때문이다.
성형가공성은 오스테나이트강이 우수하나 오스테나이트강은 페라이즈강보다 가공경화성이 높기 때문에 심한 냉간 가공시 Strain누적과 마르텐사이트 변태 발생으로 강도가 증가하는 현상이 일어난다.
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