2010 Korea lron & Steel Association KOREA IRON & STEEL ASSOCIATION Korea lron & Steel Association Korea lron & Steel Association

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1 2010 Korea lron & Steel Association KOREA IRON & STEEL ASSOCIATION Korea lron & Steel Association Korea lron & Steel Association

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4 목차 스테인리스강전문가양성교육실무 1 장 스테인리스강의일반 제 1 절스테인리스강의개요 1. 스테인리스강의정의 3 2. 스테인리스강의역사 4 3. 스테인리스강의종류 5 4. 스테인리스강의관련규격 7 제 2 절스테인리스강의분류 1. 오스테나이트계스테인리스강 페라이트계스테인리스강 상계 (duplex) 스테인리스강 마르텐사이트계스테인리스강 석출경화계스테인리스강 17 제 3 절스테인리스강의특성 1. 스테인리스강의물리적특성 스테인리스강의내식성 스테인리스강의첨가원소 20 가. 탄소 (C) 20 나. 크롬 (Cr) 21 다. 니켈 (Ni) 21 라. 몰리브덴 (Mo) 21 마. 질소 (N) 21 바. 타이타늄 (Ti) 22 사. 니오븀 (Nb) 22

5 목차 스테인리스강전문가양성교육실무 제 4 절스테인리스강의취급 1. 스테인리스강의활용 22 가. 스테인리스강이사용되어야하는환경인가? 23 나. 제품에서스테인리스강에요구하는성질은무엇인가? 24 다. 가공은어떻게할것인가? 24 라. 강도와형태는어떻게구성할것인가 24 마. 유사적용사례는어떠한것이있는가? 24 바. 소재수급가능여부 24 사. 소재비수용가능여부 25 아. 기타 스테인리스강의취급요령 25 가. 스테인리스강보호비닐 26 나. 스테인리스강표면관리 26 다. 설계시고려사항 스테인리스강관련용어정의 스테인리스강 Q&A 32

6 2 장 스테인리스강제조공정 제 1 절용해 제 2 절정련 제 3 절주조 1. 원료 전기로 44 가. 조업개요 44 나. 설비구성 44 다. 조업방법 AOD 52 가. 조업개요 52 나. AOD설비구성 52 다. 조업방법 VOD 63 가. 조업개요 63 나. 설비구성 64 다. 조업방법 70 라. 버블링조업 연속주조공정 84 가. 조업개요 84 나. 설비구성 86 다. 조업방법 90

7 목차 스테인리스강전문가양성교육실무 2. 정정 93 가. 조업개요 93 나. 설비구성 93 다. 조업방법 96 제 4 절열간공정 1. 열간압연개요 압연이론 99 가. 재료의치입 99 나. 중립점과선진, 후진현상 압연에의한조직변화 압연기 102 가. 압연기의구조 102 나. 압연기의종류 102 다. 연속압연기 열간압연공정 105 가. 스테인리스열간압연 105 나. 압연제어기술 후판및선재압연 116 가. 후판압연 116 나. 선재압연 117 제 5 절냉간공정 1. 냉간압연공정 118 가. 산세 119 나. 냉간압연 119 다. 소둔 120 라. 조질압연 120 마. 정정 121

8 3 장 스테인리스강성형 제 1 절스테인리스판재의성형이론 1. 소성가공개요 기계적특성 126 가. 인장특성 126 나. 경도 128 다. 인성 (Toughness) 성형모드 129 가. 드로잉 (Drawing) 모드 129 나. 장출 (Stretching) 모드 130 다. 플랜지 (Flange) 모드 131 라. 벤딩모드 성형법분류 133 가. 전단가공 133 나. 스테인리스벤딩가공 135 다. 스테인리스프레스가공 138 제 2 절스테인리스판재의성형성평가법 1. 소성이방성 (Plastic anisotropy) 에릭슨시험 (Erichsen test) 한계드로잉비 (Limiting Drawing Ratio: LDR) 복합성형성 (Conical Cup Test) STS 가공시파단및형상불량 143

9 목차 스테인리스강전문가양성교육실무 제 3 절프레스공정상의주요인자 1. 마찰 윤활 148 가. 프레스가공유의첨가제작용및효과 150 제 4 절성형성예측방법 1. 항복함수 이방성소성이론 판재성형해석 154 가. 전처리과정 154 나. 성형해석 155 다. 후처리과정 156 제 5 절스테인리스강표면 1. 스테인리스강표면마무리 스테인리스강표면조도 160

10 4 장 스테인리스강부식 제 1 절금속부식과내식이론 1. 부식반응기초이론 165 가. 평형전극반응 166 나. 구동기전력및부식반응 166 다. 전위- ph 도표 166 라. 부식반응속도론 부동태이론 부식의형태 172 가. 균일부식 172 나. Galvanic 부식 172 다. 틈새부식 174 라. 공식 175 마. 입계부식 176 바. 선별용해부식 178 사. 응력부식 178 아. 마모부식 179 자. 대기부식 179 제 2 절스테인리스강의내식성 1. 스테인리스강의표면특성 부동태피막의형성과특징 180

11 목차 스테인리스강전문가양성교육실무 3. 내식성에미치는주요인자 182 가. Mn 개재물의영향 182 나. Ti 개재물의영향 186 다. δ-ferrite와 sigma 상의영향 187 라. 합금원소의영향 스테인리스강용접부부식 스테인리스강부식사례 190 가. 공식과틈새부식 190 나. 응력부식 191 다. 미생물부식 191 제 3 절내식성시험방법 1. 일반부식성평가 입계부식성평가 공식 / 틈새부식성평가 응력부식성평가 대기부식성평가 특수목적부식성평가 202

12 스테인리스강의용접 5 장 제 1 절용접부의특성 1. 용접부의영역분류및영역별특성 205 가. 완전혼합역 206 나. 미혼합역 207 다. 부분용해역 208 라. 용접열영향부 용접부의분류 209 가. 제살용접부 209 나. 동종금속용접부 209 다. 이종금속용접부 209 제 2 절페라이트계스테인리스강의용접 1. 페라이트계스테인리스강의성질 209 가. 기본특성 209 나. 기계적성질 212 다. 열처리 215 라. 내식성 용접성과용접시공 220 가. 용접성 220 나. 용접시공 용접결함과방지대책 222 가. 용접균열 222 나. 용접부인성 226 다. 부식성 229

13 목차 스테인리스강전문가양성교육실무 제 3 절오스테나이트계스테인리스강의용접성 1. 용접부의응고 용접부의페라이트양 233 가. 자기측정에의한방법 234 나. 현미경조직에의한방법 234 다. 조직도에의한방법 용접부응고양식 / 페라이트양 / 고온균열감수성의상관관계 용접부성능 용접부의결함 246 가. 용접결함의분류 246 나. 결함의발생원인및방지대책 용접시공 248 가. 용접재료의선정 248 나. 용접부시공조건및전 후처리 254 제 4 절 2 상스테인리스강의용접기술 1. 모재의품질특성 262 가. 화학조성에의한분류 262 나. 기계적성질 263 다. 부식성 264 라. 물리적성질 264 마. 가공 (Forming) 용접특성 265 가. 응고조직과오스테나이트생성 265 나. 페라이트와오스테나이트분율 266 다. 고온변태 268 라. Ageing 269 마. 질소와수소 269

14 3. 2상스테인리스강의용접부성능 270 가. 용접부강도및굽힘특성 270 나. 용접부충격특성 상스테인리스강의용접시공방법 272 가. 오스테나이트계스테인리스강과 2상스테인리스강과의차이점 272 나. 용접부 Cleaning 272 다. 용접이음부의설계 272 라. 예열 274 마. 용접입열량과층간온도 274 바. 후열처리 275 사. 용접부의상분율 ( 페라이트 / 오스테나이트 ) 관리 275 아. 아크스트라이크 276 자. 용접방법 276 차. 용접재료 276 카. 보호가스와 Backing 가스 277 타. 용접부후처리 278 제 5 절이종금속용접 1. 이종금속용접의문제점 페라이트계와오스테나이트계의이종금속용접 페라이트계의이종금속용접 상스테인리스강과이강종용접 283

15 표목차 스테인리스강전문가양성교육실무 [ 표 1-1] 스테인리스강관련규격 8 [ 표 1-2] 표면마무리에따른스테인리스강냉간압연판재생산가능규격 9 [ 표 1-3] 규격별표면마무리구분및호환 9 [ 표 1-4] 추가공에의한표면마무리구분 9 [ 표 1-5] 일반적인스테인리스강판제조공정 10 [ 표 1-6] 오스테나이트계스테인리스강의화학성분 (KS D 3698) 11 [ 표 1-7] 페라이트계화학성분 14 [ 표 1-8] 2상계화학성분 (KS D 3698) 15 [ 표 1-9] 마르텐사이트계화학성분 (KS D 3698) 16 [ 표 1-10] 석출경화계화학성분 17 [ 표 1-11] 스테인리스강의물리적특성 18 [ 표 1-12] 주요부식문제사례 19 [ 표 1-13] 부식원인및대책예 20 [ 표 1-14] 스테인리스강의무게기준표 33 [ 표 1-15] 성분허용치 36 [ 표 1-16] 대기중에서스케일발생온도요약 39 [ 표 1-17] 일반적인최고사용온도 39 [ 표 2-1] 원료별실수율 47 [ 표 2-2] Loading Schedule 1 47 [ 표 2-3] Slag 조성 (AISI 304) 51 [ 표 2-4] 취련단계별 O 2 및 Inert Gas 공급량 58 [ 표 2-5] 각성분의산화소요산소량및반응열 58 [ 표 2-6] 탈탄및 Si 산화에필요한산소량 58 [ 표 2-7] 각단계별탈탄속도 59 [ 표 2-8] 강종별온도상승율 60 [ 표 2-9] Mn, Cr, Ni의로내투입시실수율 61 [ 표 2-10] AISI 316Ti 강의이론응고온도계산예 62 [ 표 2-11] 취련작업계산표 ( 예 ) 62 [ 표 2-12] Ar Gas Bubbling에의한탈수소효과의예 80 [ 표 2-13] MLAC 제어범위 89 [ 표 2-14] 연연주작업의구분 90

16 [ 표 2-15] 스테인리스강과일반강의압연비교 118 [ 표 2-16] 스테인리스냉연의표면사상 121 [ 표 3-1] 성형법분류 125 [ 표 3-2] 스테인리스벤딩가공시스프링백에미치는영향 137 [ 표 3-3] 스테인리스강의인장특성이성형성에미치는영향 138 [ 표 3-4] 스테인리스강판용프레스가공유 149 [ 표 3-5] 표면처리일반제품 159 [ 표 3-6] 표면처리특수제품 160 [ 표 4-1] Galvanic series of some commercial metals and alloys in seawater 173 [ 표 4-2] Effects of alloying on pitting resistance of stainless steel alloys 176 [ 표 4-3] Classification of Structure tested by Axalic Acid Etch 196 [ 표 5-1] 페라이트계의화학성분 212 [ 표 5-2] 소둔후의기계적성질 213 [ 표 5-3] 각종오스테나이트스테인리스강용접부의델타페라이트양 236 [ 표 5-4] 델타페라이트함량에미치는냉각속도의영향 237 [ 표 5-5] 오스테나이트계스테인리스강의기계적특성 ( 상온 ) 241 [ 표 5-6] 오스테나이트계스테인리스강용피복용접봉 253 [ 표 5-7] 오스테나이트계스테인리스강 GTAW, GMAW용와이어 254 [ 표 5-8] 각종용접전류에대한아르곤가스유량 256 [ 표 5-9] 스테인리스강의산세 260 [ 표 5-10] 2상스테인리스강의화학조성 263 [ 표 5-11] 2상스테인리스강의기계적성질 263 [ 표 5-12] 2상스테인리스강의부식 Data 264 [ 표 5-13] 2상스테인리스강의물리적성질 265 [ 표 5-14] 22%Cr 계 2상스테인리스강의용접부인장및굽힘시험결과 270 [ 표 5-15] 전용착시험에의한 22Cr계 2상스테인리스강용용접재료의화학조성 (wt.%) 과기계적성질 277 [ 표 5-16] 용접방법별보호가스종류 277 [ 표 5-17] 2상스테인리스강과이종스테인리스강의용접재료종류 284

17 그림목차 스테인리스강전문가양성교육실무 [ 그림 1-1] 냉간가공에따른오스테나이트상과가공유기마르텐사이트상의관계 13 [ 그림 1-2] 표면마무리별스테인리스강사용예 23 [ 그림 1-3] 보호비닐옥외방치에따른부식사례 26 [ 그림 1-4] 스테인리스강의표면세척 27 [ 그림 2-1] 노체개략도 44 [ 그림 2-2] 전기로장입크레인 (CRAIN) 48 [ 그림 2-3] AOD 공정 Flow 53 [ 그림 2-4] 노체개략도 53 [ 그림 2-5] 워터링펌프 66 [ 그림 2-6] 연주공정 Flow 84 [ 그림 2-7] 종래의연속주조법과조괴법의비교 85 [ 그림 2-8] 연속주조기측면모식도 85 [ 그림 2-9] Mould 측면도 87 [ 그림 2-10] Mould 평면도 87 [ 그림 2-11] MLAC 제어모식도 88 [ 그림 2-12] ROLL E.M.S의구조 89 [ 그림 2-13] 주편표면결함 92 [ 그림 2-14] 작업중인그라인딩머신 95 [ 그림 2-15] 소성가공방법 99 [ 그림 2-16] 소성가공방법 100 [ 그림 2-17] 중립점과선진, 후진현상 101 [ 그림 2-18] 압연후재결정과정 102 [ 그림 2-19] 압연기의구조 102 [ 그림 2-20] 압연기종류 103 [ 그림 2-21] 연속압연기 103 [ 그림 2-22] 압연롤 104 [ 그림 2-23] 표면형상에따른압연롤분류 104 [ 그림 2-24] 스테인리스열간압연및소둔산세 105 [ 그림 2-25] 열간압연공정 106 [ 그림 2-26] 가열로 107 [ 그림 2-27] Walking Beam 가열로에서 Slab의이송 107

18 [ 그림 2-28] Edger 108 [ 그림 2-29] 조압연 108 [ 그림 2-30] 사상압연 109 [ 그림 2-31] 사상압연기본체및부대설비 109 [ 그림 2-32] Crop Shear 110 [ 그림 2-33] 냉각 (Laminar Flow) 110 [ 그림 2-34] 권취기 111 [ 그림 2-35] 스킨패스라인 112 [ 그림 2-36] Roll Banding 현상 113 [ 그림 2-37] 압하력이강판에미치는영향 113 [ 그림 2-38] 강판표면형상결함 113 [ 그림 2-39] Roll Crown 114 [ 그림 2-40] Roll Bender 114 [ 그림 2-41] Pair Cross Mill 115 [ 그림 2-42] AGC 작동원리 115 [ 그림 2-43] 후판공정 116 [ 그림 2-44] 스테인리스냉간압연공정 117 [ 그림 2-45] 냉간압연 118 [ 그림 2-46] 20단압연기 118 [ 그림 2-47] 산세압연공정 119 [ 그림 2-48] TCM 119 [ 그림 2-49] 상자소둔공정 120 [ 그림 2-50] 조질압연 120 [ 그림 3-1] 인장시험을통한응력 변형률곡선예 127 [ 그림 3-2] 판재가공의주요성형모드 129 [ 그림 3-3] 드로잉가공 129 [ 그림 3-4] 장출 (Stretching) 가공 130 [ 그림 3-5] 플랜지가공 131 [ 그림 3-6] 벤딩 (Bending) 가공 133 [ 그림 3-7] 절단면상세 134 [ 그림 3-8] 인장특성과탄성회복 137 [ 그림 3-9] 스테인리스강의벤딩특성비교예 137

19 그림목차 스테인리스강전문가양성교육실무 [ 그림 3-10] 성형법예 (1) 139 [ 그림 3-11] 성형법예 (2) 139 [ 그림 3-12] r값의측정방법및방향별시편채취 140 [ 그림 3-13] 에릭슨 (Erichsen) 시험법기구도 141 [ 그림 3-14] 한계드로잉비 (LDR) 시험기구도 142 [ 그림 3-15] 복합성형성 (Conical Cup Test) 시험기기구도 143 [ 그림 3-16] 스테인리스강을이용제작한싱크와자동차배기계시스템 144 [ 그림 3-17] 스테인리스강을이용한싱크성형해석후부위별변형양상 144 [ 그림 3-18] 성형한계곡선 (FLC) 를구하기위한금형형상도 145 [ 그림 3-19] 성형한계곡선 (Forming Limit Curve) 측정예 145 [ 그림 3-20] 성형한계곡선을이용한실물성형품의파단평가 146 [ 그림 3-21] 마찰계수의정의 146 [ 그림 3-22] 다양한마찰계수측정방법 147 [ 그림 3-23] Flat die 마찰계수측정방법 147 [ 그림 3-24] Draw bead 마찰계수측정방법 148 [ 그림 3-25] 마찰계수와드로잉응력 149 [ 그림 3-26] 파단한계및주름발생한계에미치는윤활효과 149 [ 그림 3-27] 가공성에미치는기유의영향 150 [ 그림 3-28] 윤활영역에따른마찰계수거동 150 [ 그림 3-29] LDR에미치는유성향상제의영향 151 [ 그림 3-30] 온도변화에따른윤활제의마찰거동 151 [ 그림 3-31] 가공법에미치는극압첨가제의영향 151 [ 그림 3-32] Hill(1948) 항복함수를이용한 400계스테인리스강항복곡면 153 [ 그림 3-33] 머플러쉘 CAD 데이터 154 [ 그림 3-34] 성형해석용금형과블랭크모델링 154 [ 그림 3-35] 성형한계도상에서성형해석결과를도시하여파단부위예측 156 [ 그림 3-36] 성형중주름발생예측 157 [ 그림 3-37] 표면조도측정길이 161 [ 그림 3-38] 표면조도 Definition 예 161 [ 그림 4-1] Simplified potential-ph diagram for Fe-H 2 O system 167 [ 그림 4-2] Electrode kinetic behavior of pure Zinc in acid solution, shown schematically 169

20 [ 그림 4-3] Relationship between corrosion rate and the electrode potential of a metal capable of being passivated 170 [ 그림 4-4] Effect of an oxidizing agent on the corrosion rate of a metal capable of being passivated 171 [ 그림 4-5] Crevice corrosion later stage 175 [ 그림 4-6] Autocatalytic process occurring in a corrosion pit 175 [ 그림 4-7] Diagrammatic representation of a grain boundary in a sensitized type 304 stainless steel 177 [ 그림 4-8] TTT diagrams of five 18Cr-9Ni stainless steels with different carbon contents 178 [ 그림 4-9] Actual composition profiles for Preparation of 21 to 72 h air exposure and in solution for 44h. Fashed line represents zero point of the passive film. 181 [ 그림 4-10] Schematic of metallurgical variables affecting the localized corrosion behavior of stainless steels 182 [ 그림 4-11] Pit nucleation and development at manganese sulfide inclusion in stainless steel 182 [ 그림 4-12] Potential-pH diagram for MnS-H 2 O-Cl - system calculated on basis of 0.1M for the ions SO 2-4, Cl - and Mn [ 그림 4-13] Effect of Mn content on pitting potential of various stainless steels in oxygenerated 5% NaCl solution. 184 [ 그림 4-14] Change of Mn and Cr content in the inclusion as a function of S/Mn ratio in steel 185 [ 그림 4-15] Initiation of pit and corresponding current variation in the anodic polarization curves. 186 [ 그림 4-16] Effect of element shown on resistance of austenitic stainless steels to pitting in chloride solutions. 188 [ 그림 4-17] Effect of nitrogen content on pitting potential of 22Cr-20Ni-4Mn-2.8Mo steel in an aerated aqueous solution containing 0.6M NaCl and 0.1M NaHCO [ 그림 4-18] 스테인리스배관및이음부의공식과틈새부식사례 190 [ 그림 4-19] 온수기용스테인리스용접부의응력부식발생사례 191

21 그림목차 스테인리스강전문가양성교육실무 [ 그림 4-20] 스테인리스매설배관의미생물부식발생사례 192 [ 그림 4-21] Schematic diagram anodic of a polarization cell 194 [ 그림 4-22] Schematic potentiostatic polarization wiring diagram 194 [ 그림 4-23] Standard potentiodynamic polarization plot 195 [ 그림 4-24] Typical etching structures after oxalic test. 196 [ 그림 4-25] Schematic diagram of a double-loop EPR test 199 [ 그림 5-1] 용접금속의분류 205 [ 그림 5-2] 용융역에존재하는 3가지결정립계 206 [ 그림 5-3] 오스테나이트계스테인리스강용접부의결정립계 207 [ 그림 5-4] 9%Ni강을 Ni기용접재료로용접한이종금속용접부에서관찰된미혼합역 208 [ 그림 5-5] 응고온도범위와부분용해역의상관관계 208 [ 그림 5-6] Fe-Cr계상태도 210 [ 그림 5-7] Fe-Cr 합금의 α/α+γ 경계에미치는 (C+N) 의영향 211 [ 그림 5-8] 분극곡선에미치는부동태 ( 모식도 ) 216 [ 그림 5-9] 가열에따른입계 Cr량의시간별농도변화 217 [ 그림 5-10] 오스테나이트및페라이트계스테인리스강 TTS 곡선 218 [ 그림 5-11] 18Cr-2Mo 강응력부식균열감수성에미치는 Ni, Cu의영향 220 [ 그림 5-12] STS444 용접금속의충격천이온도에미치는 N 및 O의영향 224 [ 그림 5-13] STS405 용접금속의 3점굽힘구속균열시험법에의한균열잠복기간과 H량의관계 225 [ 그림 5-14] 수소취화균열발생조건 225 [ 그림 5-15] 페라이트계스테인리스강의 DBTT에미치는 C+N 및안정화원소의영향 227 [ 그림 5-16] 26Cr-1Mo(E-Brite 26-1, 6mm) GTA 용접금속의충격특성 228 [ 그림 5-17] 30Cr-2Mo(STS447J1) 용접금속의인성에미치는 N, O의영향 229 [ 그림 5-18] 용접그대로의연성과입계부식특성에미치는 (C+N) 과 Cr의영향 230 [ 그림 5-19] 5가지형태의응고아결정립과아결정립형성에미치는조성적과냉의영향 232 [ 그림 5-20] 오스테나이트계스테인리스강용접부응고조직 233 [ 그림 5-21] 이원계상태도 233

22 [ 그림 5-22] 모재에페라이트함량이작은강종에서관찰되는 HAZ입자조대화 234 [ 그림 5-23] WRC 조직도 235 [ 그림 5-24] 드롱 (DeLong) 조직도 235 [ 그림 5-25] 용접부초정응고양식예측도 238 [ 그림 5-26] Cr-Ni-Fe 상태도 (Fe : 70%) 238 [ 그림 5-27] Cr/Ni 함량비에따른델타페라이트형상변화 239 [ 그림 5-28] 초정응고양식에따른응고균열감수성변화 240 [ 그림 5-29] 온도에따른오스테나이트계스테인리스강의고온강도 242 [ 그림 5-30] 오스테나이트계스테인리스강용접금속및모재의인장특성 242 [ 그림 5-31] 오스테나이트계스테인리스강의크리프파단강도 243 [ 그림 5-32] 오스테나이트계스테인리스강용접금속의노치충격특성에미치는장시간가열의영향 244 [ 그림 5-33] 각종스테인리스강의흡수에너지 244 [ 그림 5-34] 오스테나이트계스테인리스강용접부의충격특성 245 [ 그림 5-35] 저온충격특성에미치는페라이트양의영향 245 [ 그림 5-36] 용접결함의분류 246 [ 그림 5-37] 용접부에서발생한응고균열 248 [ 그림 5-38] MgCl 2 (154 ) 용액에서의페라이트량과파단시간과의관계 250 [ 그림 5-39] 용접금속의강도에미치는 N량의영향 251 [ 그림 5-40] 용접금속의인성에미치는페라이트양의영향 252 [ 그림 5-41] 2상스테인리스강의 Fe-Cr-Ni 3원계상태도 ( 단면 ) 266 [ 그림 5-42] 2상스테인리스강의 TIG 용접부미세조직 ( 저배율 ) 267 [ 그림 5-43] WRC 1992 상태도 267 [ 그림 5-44] 22% Cr 2상스테인리스강의모재 TTT 상태도 268 [ 그림 5-45] 용접금속의 TTT 상태도 269 [ 그림 5-46] 22Cr 2상스테인리스강의용접부경도분포 271 [ 그림 5-47] 22Cr 2상스테인리스강의용접부충격특성 271 [ 그림 5-48] 2상스테인리스강의용접부개선형상의예 273 [ 그림 5-49] 희석율의정의 280 [ 그림 5-50] 탄소강과스테인리스강의용접형태 281 [ 그림 5-51] WRC-92 diagram 282

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24 제 1 장 스테인리스강의일반 제1절스테인리스강의개요제2절스테인리스강의분류제3절스테인리스강의특성제4절스테인리스강의취급 KOREA IRON & STEEL ASSOCIATION

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26 1 장 _ 스테인리스강의일반 제 1 절 스테인리스강의개요 1. 스테인리스강의정의 1970, 80년대는스텐밥그릇이혼수 1순위였고, 전통의유기도스텐밥그릇에제사상을내어주어야했다. 물론수저도 27종 1) 스텐으로바뀌었고양은도시락이나유리보온병도스텐재질로만들어져이젠보온병에유리가사용되었다는것 2) 을아는이들이드물정도이다. 기존철강재와달리녹이슬지않는다는인식으로주사바늘, 샤프펜슬, 휴대용기기안테나, 자동차배기계등우리생활곳곳에스테인리스강이사용되지않는곳이없다. 스테인리스강이란영어로 Stainless Steel로서 녹이슬지않는다 또는 녹이없다 는것을의미한다. 이름이나타내듯스테인리스강은일반탄소강과비교할때아주뛰어난내식성을보유하고있어많은용도에광범위하게사용되고있다. 그러나스테인리스강은특정한환경, 사용조건에서는붉은색은발청등녹이스는경우가있으므로소재의선택과취급에대한올바른인식이중요하다. 특히, 스테인리스강정의의핵심인녹이슬지않는다는내식성은강판의표면에형성된치밀한크롬산화물피막 ( 일반적으로부동태피막이라불린다 ) 의작용에의하여유지되는것이므로이피막이정상적으로생성되지않거나손상되었을경우는스테인리스강으로서기능을할수없으며, 일반인과전문가간의스테인리스강에대한인식차가큰부분이다. 1) 1970 년대초반까지국내에는일본의 JIS 에서규정하는스테인리스강규정을따랐는데, STS304 는 27 종, STS430 은 24 종, STS304L 은 28 종으로강종을구분하였고, 이러한구분법이국내에도입되어 1990 년대까지식기, 주방기기의등급표기기본이되었다. 물론 1970 년대중반 JIS 가 SUS 코드를도입하면서 24 종, 27 종이라는표현은공식적으로사라졌다. 2) 보온병은중간에진공층을가지는이중구조로과거에는내부용기를열전도도가낮은유리로만들었지만작은충격에도쉽게깨졌기에심가공이가능한스테인리스강이개발되면서스테인리스강이유리대신에보온병의내피재를대체하게되었다. 제 1 장 _ 스테인리스강의일반 3

27 스테인리스강을과학적으로정의하기에는단순하진않지만다음몇가지로정의할수있다. 1 합금성분으로서크롬을함유하고있으며그함유량이스테인리스강의내식성을유지하는보호막역할을하는 부동태피막 (passive film) 을만들수있는 11% 이상의크롬성분을함유할것 ( 실제 409L은크롬이 10.5~11.0% 수준으로엄격한의미의스테인리스강이라고할수없음 ) 2 그합금을공업재료로서사용할수있기위해서는이것을저해하는범위이상의크롬을포함하지말것 ( 크롬 32% 의경우는크롬합금강으로분류 ) 3 스테인리스강은강으로서철계합금이므로철을제외한합금원소의총량이 50% 이하일것 ( 크롬을비롯한타합금량이 50% 를넘는경우는별도의합금으로구분됨 ) 2. 스테인리스강의역사스테인리스강은산업혁명과근대화를거치며제철 / 제강기술발전으로철강제품이대량생산되고건축물과선박등다양한구조물등에적용되었으나부식이문제되었기에탄생할수있었다. 부식을방지하기위해표면처리, 전기방식, 합금원소첨가등이연구되었고, 이를통해부식을억제하겠다는동기가스테인리스강탄생기반이되었다. 1820년경에영국의 M. Faraday 에의해크롬이들어간합금에대한연구가시작되었으며이후강중의탄소량제어기술의개발과적정합금과내식성과의관계규명작업이지속적으로이루어졌다. 이후 20세기초 (1904~1909) 에프랑스의 L. Guillet, A. Portevin과독일의 Giesen 등이 13%, 17% 크롬첨가스테인리스강을만들게되었으니지금의페라이트계가탄생된것이라하겠다. 이후 L. Guillet는스테인리스강의오스테나이트계, 페라이트계, 마르텐사이트계 3가지유형을발표하였고, 독일의 Maurer, Strauss 등에의해오스테나이트계의부식특성, 미국의 Danitzen, Becket 등에의해페라이트계의부식특성이연구되어스테인리스강의기반이정립되었다. 이후에도꾸준한합금원소의조정과불순물제어로여러종류의강종이개발되었고, 석출경화계와 2상계등고내식, 고강도등의고기능을만족하는스테인리스강이개발되어오늘에이르렀다. 성분계가 18Cr-8Ni 이며가장일반적인 304강의경우는 1909년독일 Krupp사에서최초로개발하여특허를획득함으로써세상에나오게되었고페라이트계의 17Cr계 (STS430) 와더불어상용스테인리스강의출발점이되었다. 일본, 중국, 한국등아시아업체의적극적인연구개발과공격적인설비투자, 생산량증대로스테인리스강역사가아시아권으로 4 스테인리스강전문가양성교육실무

28 이동하고있다. 국내는 1960년대삼미와동양석도강판, 일본의종합상사가설립한삼미특수강 ( 현비앤지스틸 ) 울산에중고냉간압연기를도입하여냉간압연판재를생산한것이스테인리스강역사의시작이라고할수있다 3). 초기에는 Nisshin, Kawasaki( 현 JFE), NSSC, Sumitomo 등에서열연재를도입하여냉간압연만하였고, 1980년대초창원에삼미특수강 ( 현포스코특수강 ) 이스테인리스강선재 / 봉재의제강 / 열연설비를갖추고이어 1990년부터는포스코포항공장에서제강 / 열연설비에서본격적인생산이시작되며스테인리스강산업이완전한모양을가지게되었다. 3. 스테인리스강의종류스테인리스강은합금성분계, 미세조직, 상 ( 相 phase), 용도등에따라구분하나일반적으로는상에따라구분하며, 이는합금계나일반화된세자리숫자의스테인리스강강종명으로대표된다. 또한강도를고려하여일반재 (annealed, 소둔재 ) 와고경도재등으로구분하고, 형태용도에따라판재, 선재, 용접재, 튜브재등으로구분하고, 주조재, 열간가공재, 냉간가공재등으로도구분한다. KS, JIS 경우는스테인리스강과별도로내열강을규정하지만 ASTM에서는스테인리스강으로내열강과동일한규격에서규정하는차이가있다. 내열강과스테인리스강을통틀어오스테나이트계, 페라이트계, 마르텐사이트계, 2상계등으로구분하기도하고 200계, 300계, 400계등으로통칭되기도한다. 스테인리스강은각계 ( 상, xxx) 별로합금성분, 용도, 특성에따라고유의강종명을가지고있고, 각규격별로나름대로의기준을가지고표기하며, KS, JIS는유사하다. JIS에서는강종, 형태를구별하기위하여강종기호와그말미에알파벳을붙인형태를가진다. 형태를나타내는대분류의기호는다음과같이규정되어있다. - 스테인리스강재 ( 봉 판 대 선재 선 관 형강 주강 ); SUS(Steel Special Use Stainless) - 스테인리스강주강품 ; SCS(Steel Casting Stainless) - 스테인리스강피복아크용접봉 ; D(Denkyoku) - 스테인리스강용접용봉및선재 ; Y(Yosetsu) - 스테인리스강아크용접플럭스선재 ; YF(Yosetsu Flux) - 내열강강재 ; SUH(Steel Use Heat Resisting) 및 SUS - 내열강주물 ; SCH(Steel Casting Heat Resisting) 3) 한국의스테인리스강생산을열었던중고압연설비는 2007 년에해체되어중동국가로옮겨새로운출발을하였다. 제 1 장 _ 스테인리스강의일반 5

29 강종기호는스테인리스강재의경우 SUS에이어 3항숫자가있다. 이숫자는국제적으로널리사용되고있는 AISI(American Iron and Steel Institute) 타입 3항의숫자에준하며, 1972년부터사용되었다. 3항의숫자중가장앞자리숫자는강종의대분류를나타내며, 다음과같이분류된다 번대 ; Cr Ni Mn계 - 300번대 ; Cr Ni계 - 400번대 ; Cr계 - 600번대 ; 고온고강도합금계 내열강의봉, 판에대하여 SUH 외에 SUS 표시로 AISI에준하는기호도채용되고있다. 또스테인리스강과다른밸브용강등 AISI에없는강종도비교적많기때문에오래된기호가그대로사용되고있으며다른기호도혼재되어있다. 한편주강은다른금속재료와마찬가지로판재 / 선재와다른독자의기호가사용되고있어정확한강종비교를위해서는성분계확인이필요하다. 또한강종을나타내는숫자앞뒤에알파벳이붙어있는것이있다. 대표적인것은다음과같다. - L : 저탄소 (Low Carbon) 의의미. 예 : SUS 304L, SUS 316L - J : 일본독자강종의의미. 예 : SUS 316J1, SUS 329J3L - XM : ASTM(American Society for Testing and materials) 규격에규정되어있는강종. 예 ) SUS XM7, SUS XM 15J1 - N : 질소첨가의의미. 예 : SUS 304N1, SUS 316N1 - S : 용접성, 가공성의개선을목표로 C함유량을낮추도록규정. 예 ) SUS 309S 게다가형태를표시할필요가있는경우는강종기호의말미에다음에나타내는알파벳을붙여구별한다 ( 상세한설명은 JIS 핸드북 철강의철강기호분류별일람표참조 ). - 봉 : B(Bar) - 열간압연강판 : HP(Hot Plate) - 열간압연강대 : HS(Hot Strip) - 냉간압연강판 : CP(Cold Plate) - 냉간압연강대 : CS(Cold Strip) 6 스테인리스강전문가양성교육실무

30 4. 스테인리스강의관련규격스테인리스강관련규격은열간재, 냉간재, 선재, 판재, 특수용도재등으로구분되며내열강과구분 (KS, JIS) 되거나통합규격을따르기도한다. 또한각규격별로규정된강종이다르고강종코드와표기도매우달라실수요가에게혼돈을야기하므로이에대한명확한기준이필요하다. 일반적으로는 KS, JIS는동일한규격을사용하며스테인리스강코드가 JIS의 SUS 4) (Stainless Use Specialty), KS의 STS(Stainless Steel) 로구분된다. 그리고 ASTM은내열강과스테인리스강을동일규격에서규정하는것과달리 KS, JIS는별도내열강규격과강종코드를가지고있으므로규격적용시주의가요구된다. 스테인리스강관련규격은 KS, JIS, DIN과같은국가표준, ISO의국제표준, EN의지역표준, ASTM과같은단체표준등에규정되어있으며형태, 용도, 가공공정별로구분되어있는것이일반적이다. 스테인리스강제조업체는공인규격외에독자규격을운영하는사례가있으니업체의제품사양이공인규격과호환가능한가를확인해야한다. 그리고냉간압연판재는표면마무리도사양에포함되어있으며제조설비와용도등에의존하므로표면마무리코드규격을비교확인하는것도필요하다. 또한업체별생산설비의사양에따라제품두께 / 폭, 표면에따라생산가능한규격차가있으니스테인리스강냉연업체에서보유하고있는설비사양을파악하여제조가능한규격을확인해야한다. 압연설비에의존하는두께와달리폭은슬리팅에의해폭방향으로분할하여나눌수있으므로최소폭의개념은슬리팅설비에의존한다. 스테인리스강은표면을그대로사용하므로각규격에서는표면마무리를규정하고있으며규격별제조업체별다소차이는있으나열처리공정, 연마조건등으로구분하고있다. 규격에서규정하는표면마무리외판재의 2차표면처리를통하여다양한의장효과를나타내는데이에대한표면마무리는 [ 표 1-4] 와같이구분한다. 4) 스테인리스강가공현장이나도면등에는아직도서스 (SUS) 가스테인리스강의약칭으로불리는데이는 JIS 의 SUS 에서따른것으로, STS 또는스테인리스강이라고하는것이정확한표현이다. 제 1 장 _ 스테인리스강의일반 7

31 [ 표 1-1] 스테인리스강관련규격 Standard Standard No. Title D 3705 열간압연스테인리스강판및강대 D 3698 냉간압연스테인리스강판및강대 KS D 3732 내열강판 D 3534 스프링용스테인리스강대 D 3695 스테인리스강판및내열강판의무게산출방법 G 4304 Hot Rolled stainless steel plates, sheets and strip G 4305 Cold Rolled stainless steel plates, sheets and strip JIS G 4312 Heat resisting steel plates and sheets G 4313 Cold rolled stainless steel strips for spring G 4310 Method of mass calculation for stainless steel plates and Sheet, and heat resisting steel plates and sheets Flat products made of steels for pressure purposes- Part 7: Stainless steels Hot rolled plates 3mm thick or above ; tolerance on dimensions, shape and mass Stainless steel strip for springs-technical delivery conditions Metallic products Types of inspection documents EN Cold rolled stainless steel narrow strip and cut lengths- Tolerance on dimensions and shape Cold rolled stainless steel wide strip and plate/sheet Tolerances on dimensions and shape (DIN) Stainless steels - Part 1: List of stainless steels ISO ASTM (DIN) Stainless steels - Part 2: Technical delivery conditions for sheet/plate and strip of corrosion resisting steels for general purposes Stainless steels - Part 3: Technical delivery conditions for semifinished (DIN) products, bars, rods, wire, sections and bright products of corrosion resisting steels for general purposes :1994 Stainless steels for springs - Part 1: Wire :2005 Stainless steels for springs - Part 2: Narrow strip :2009 Continuously cold rolled stainless steel Tolerances on dimensions and form - Part 1: Narrow strip and cut lengths :2009 Continuously cold rolled stainless steel Tolerances on dimensions and form - Part 2: Wide strip and plate/sheet A167 Standard specification for stainless and heat resisting chromium nickel steel plate, sheet, and strip A 176 Standard specification for stainless and heat resisting chromium steel plate, sheet, and strip A 240 / A 240M A 264 A 380 A 480 / A 480M Standard specification for chromium and chromium nickel stainless steel plate, sheet, and strip for pressure vessels and for General Applications Standard specification for stainless chromium nickel steel clad plate, sheet, and strip Standard practice for cleaning, descaling, and passivation of stainless steel parts, equipment, and systems Standard specification for general requirements for Flat rolled stainless and heat resisting steel plate, sheet, And strip 8 스테인리스강전문가양성교육실무

32 [ 표 1-2] 표면마무리에따른스테인리스강냉간압연판재생산가능규격 표면마무리 두께 (mm) 폭 (mm) - 0.3mm 미만생산설비없음 0.3~5.0 ~1260 2D, 2B - 2.0mm 초과는형상교정어려움 0.7~5.0 ~ 설비보유업체소수 POSCO - 2.0mm 초과생산설비없음 0.3~2.0 ~ mm 초과는형상교정어려움 BD, BA 0.1~0.29 ~ mm 미만은최대 1020mm 0.03~0.09 ~ mm 미만은광택제한있음 BNG No. 4, HL 0.4~5.0 ~ 습식연마설비 0.4mm 한계 고경도품 0.1~5.0 ~ 조질기호별최대두께제한 0.02~0.09 ~620 - 조질기호별두께제한없음 BNG EM 0.3~3.0 ~ 강종, 무늬별별도제한 BNG TCM 0.5~2.0 ~ 표면품질 2D로제한 POSCO 특징 업체 [ 표 1-3] 규격별표면마무리구분및호환 KS JIS ASTM EN D 3698 G 4305 A Finishing Processes No. 1 No. 1 1D 열간압연후열처리 / 산세한제품 No. 2D No. 2D No. 2D 2D 냉간압연후열처리 / 산세한제품 No. 2B No. 2B No. 2B 2B 냉간압연, 열처리 / 산세후조질압연한제품 BA BA Bright 냉간압연, 광휘열처리. 고도의조질압연으로고 2R Annealed 광택과높은반사율을가지는제품 No. 4 No. 4 No. 4 2J 150~180mesh의연마belt로연마한제품 No. 7 2P 800mesh 이상의연마제와회전 buff 로연마하여고광택을부여한제품 HL HL 2M No. 4 제품에연속연마무늬를부여한제품 TR 2H 가공경화성을이용한냉간압연제품 [ 표 1-4] 추가공에의한표면마무리구분 명칭 No. 8 (Mirror) 슈퍼미러 (super mirror) 브라스트 (shot blast) 바이브레이션 (vibration) 엠보싱 (embossing) 화학발색코팅 (coating) 에칭 (etching) 표면마무리의방법 순서에따라점점고운입도의연마제로서연마한후경면용 Buff 로연마한것 (AISI) BA 마무리또는순서에따라고운입도의연마제로연마한후거울면과동일하게미세연마한표면 경면재에스틸, 유리조각, 모래등을때려광택을낮추고은은한질감을부여 연마브러쉬또는스카치브라이트등으로바이브레이션, 슬립레스, 랜덤으로호칭되는무방향성연마표면 에칭또는기계적으로모양을부여한엠보싱 Roll 로압연한다 INCO법, 교반전해법에의한발색한것 Gold, Bronze, Black 외경면, HL등에전면또는부분을이온플레이팅, 스퍼터링에의해여러가지물질로판위에강한박막을생성함. 경면, HL등에정밀한정밀한피복문양을부여하여피복이되어있지않은부분을에칭액속에서용해침식시켜문양을만듦 제 1 장 _ 스테인리스강의일반 9

33 제 2 절 스테인리스강의분류 스테인리스강은대부분판재형태로제조되며 [ 표 1-5] 에나타난공정을거치면최종제품화된다. 성분과대표상으로오스테나이트계, 페라이트계, 마르텐사이트계, 석출경화계, 2상계등으로구분한다. 그리고가공공정에따라열간재, 냉간재, 인발재로구분하고, 용도에따라범용, 스프링용, 용접용, 강관용등으로구분되어규격에규정되어있다. 성분은제강과정련공정에서결정되고제품의형태는열간, 냉간공정, 절단및후가공등에의해결정되는데, 스테인리스강냉간압연판재의공정은 [ 표 1-5] 와같다. 일반사용자는대부분냉연재를사용하여가공하므로냉연재의치수공차, 물성, 표면등을더욱중요하게생각한다. 스테인리스강의분류는열간재, 냉연재, 선, 판등을다포함하는조직 ( 상 ) 으로구분하는것이일반적이다. [ 표 1-5] 일반적인스테인리스강판제조공정 공정 설명 특성 업체 제강 쇳물용해 화학성분결정 열간압연업체 정련 정련 ( 고순도화 ) 연주 쇳물응고 연속주조 열간압연 고온압연 열처리 / 산세 소둔열처리 표면산세 냉간압연 상온압연 두게공차 냉간압연업체 열처리 소둔열처리 고온연속열처리 교정 형상교정 조질압연등 표면연마 #4 표면마무리연마 고속 belt 방식 절단 / 포장 Side trimming, shearing 주문규격절단 전단 Slitting, shearing Coil center 주 ) 스프링특성을부여한고경도품은최종압연후열처리를하지않음. 1. 오스테나이트계스테인리스강오스테나이트계스테인리스강은 Fe Cr( 페라이트 ) 계에니켈 ( 니켈에준하는오스테나이트형성원소포함 ; Mn, Cu, N, C 등 ) 을 8% 이상첨가하면상온에서안정한면심입방격형오스테나이트결정구조를가지며이를명명한것이다. 면심입방형구조에서기인하는용이한가공성과비자성특성등다른스테인리스강과는다른물리적인성질을가지고상업적으로가장널리사용되고있다. 열처리에의해경화되지않고냉간가공경화를이용하여스프링특성으로활용하기도한다. 10 스테인리스강전문가양성교육실무

34 대부분의합금원소가설비, 조업기술에따라차이가있지만최근추세는나름대로의목표관리를하며고가의몰리브덴, 니켈, 크롬등은매우엄격하게관리한다. 구리는아시아권에서주로사용하는합금원소로타지역에비해 KS, JIS에서구리가첨가된종류가많다. 수십가지이상의강종이있지만오스테나이트계스테인리스강의성분유형은내식성, 가공성, 강도등과연관이있으며각각을유형별로다음과같이구분할수있다. [ 표 1-6] 오스테나이트계스테인리스강의화학성분 (KS D 3698) 강종 C Si Mn P S Ni Cr Mo 기타 STS N 이하 STS N 이하 STS STS301L N 이하 STS301J STS STS302B STS STS304J Cu 1.0~3.0 STS304J Cu 1.0~3.0 STS304L STS304N N 0.10~0.25 STS304N N 0.10~ Nb 0.15이하 STS304LN N 0.12~0.22 STS STS309S STS310S STS STS316L STS316N N 0.10~0.22 제 1 장 _ 스테인리스강의일반 11

35 강종 C Si Mn P S Ni Cr Mo 기타 STS316LN N 0.12~0.22 STS316Ti Ti 5X C% 이상 STS316J Cu 1.0~2.5 STS316J1L Cu 1.0~2.5 STS STS317L STS317LN N 0.10~0.22 STS317J STS317J N 0.25~0.40 STS317J3L N 0.18~0.30 STS836L N 0.25 이하 STS890L Cu 1.0~2.0 STS Ti 5XC% 이상 STS Nb XC% 이상 STSXM Cu ~4.00 STSXM15J STS Cu 0.40 이하 N 0.21~0.32 주 ) XM15J1 에대해서는필요에따라위표의원소이외의합금원소를첨가할수있다. - 입계부식과용접열영향부의예민화를억제 ; 저탄소계 (low carbon, 0.03% 이하 ) 또는타이타늄, 니오븀등을첨가 304L, 316L, 347, 오스테나이트계안정화 ; 저탄소계및니켈함량을증대하여가공경화를최소화하고비자성특성을활용 305, 304L - 공식및틈새부식저항성증대 ; 해수분위기, 화학플랜트등에사용하기위해몰리브덴첨가 316계, 317계 - 고온특성향상 ; 고온강도, 크립 (creep) 특성, 내산화성증대를위해니켈및크롬함량대폭증대 309S, 310S 높은규소함량으로고온의내산화성향상 302B 12 스테인리스강전문가양성교육실무

36 - 절삭가공성향상 ; 황 (S) 과세륨 (Se) 을함유하여절삭가공성을개선 303F, 303Se - 강도향상 ; 질소를첨가하여강도및가공경화도증대 301L, 304N 오스테나이트계는안정, 준안정등으로세부구분하는데이는상온에서의오스테나이트계상의안정성을나타내는것으로가공경화량, 자성등으로인지하게된다. 대표적인 STS304는 18Cr-8Ni-Fe 스테인리스강으로고온에서저온까지오스테나이트상이안정화되어있으며자성을띠지않는다. 그러나냉간가공에의하여변형되면일부준안정오스테나이트상 (meta stable austenite) 과가공유기마르텐사이트 5) (strain induced martensite) 로변태하여오스테나이트보다강도가높고자성을띠는마르텐사이트의생성에의해약한자성과높은가공경화특성을띠게된다. 실제사용자의입장에서는가공직후발생하는자성이이해하기어려운부분이므로예를들어설명하겠다. STS304의경우외부응력에의해변형될경우변형량에따라가공유기마르텐사이트양이증가한다 ([ 그림 1-1] 참조 ). Press 성형가공 (Stamping) 하면위치별압축, 인장등으로인해두께변화가나타나고위치별변형량에기인하는가공유기마르텐사이트상이생성되고자성정도를결정하게된다. 냉간가공에의해생성된가공유기마르텐사이트는소둔열처리를하면다시오스테나이트상으로변하고물성과자성도회복된다. [ 그림 1-1] 냉간가공에따른오스테나이트상과가공유기마르텐사이트상의관계 6) 5) STS304 의오스테나이트상이냉간가공에의해변태생성된마르텐사이트상은마르텐사이트계의마르텐사이트상과구분한다. 6) Handbook of Stainless Steels, Peckner and Bernstein, McGraw Hill 제 1 장 _ 스테인리스강의일반 13