스테인리스 스틸 완벽 핸드북: 조성, 종류, 관리법

스테인리스 스틸 등급, 조성, 분자 구조, 생산, 특성

이 가이드에서 다루는 내용:

• 스테인리스 스틸은 어떻게 만들어지는가?
• 스테인리스 스틸은 무엇으로 만들어지는가?
• 스테인리스 스틸의 종류
• 스테인리스 스틸 등급
• 스테인리스 스틸은 자석에 붙는가?
• 스테인리스 스틸의 기계적 특성
• 기술적 관점: 스테인리스 스틸의 분자 미세구조
• 관리 및 유지보수

스테인리스 스틸은 녹에 강한 페라이트 합금의 큰 그룹을 통칭하는 이름입니다. 다른 철 합금과 달리 스테인리스 스틸은 공기와 습기로부터 보호하는 안정한 패시베이션 층을 가집니다. 이 내식성 덕분에 옥외, 수중, 식품 서비스, 고온 용도 등 다양한 애플리케이션에 좋은 선택이 됩니다.

스테인리스 스틸은 어떻게 만들어지는가?

스테인리스 스틸은 주조 또는 단조될 수 있습니다. 주요 차이는 최종 제품으로 성형되는 방식에 있습니다. 주조 스테인리스 스틸은 액체 금속을 특정 형상의 금형 용기에 부어 만듭니다. 단조 스테인리스 스틸은 제강소에서 연속 주조기로 잉곳, 블룸, 빌렛, 슬라브 형태로 만듭니다. 이 원재료들은 추가 가공을 통해 성형되어야 합니다. 재가열 후 압연이나 단조 기법으로 재가공합니다.

단조 스테인리스 스틸 제품이 주조 제품보다 더 흔합니다.

주조 스테인리스 스틸 객체는 보통 주물공장에서 제작·마무리되거나 주물공장 감독 하에 만들어집니다. 더 큰 제품의 작은 부품이라면 주물이 다른 공장으로 가서 조립될 수 있습니다. 단조 스테인리스 스틸은 제강소에서 시작하지만 최종 제품은 다른 공장에서 만듭니다.

스테인리스 스틸은 무엇으로 만들어지는가?

모든 강철과 마찬가지로 스테인리스 스틸도 철과 탄소의 혼합물로 시작합니다. 이 합금군을 구별하는 것은 최소 10.5%의 크롬을 포함한다는 점입니다. 이 원소가 스테인리스 스틸에 특징적인 산화 저항성을 부여합니다. 스테인리스 스틸이 대기에 노출되면 크롬이 산소와 결합해 얇고 안정한 패시베이션 층인 삼산화 이크롬(Cr₂O₃)을 형성합니다. 이 패시베이션 층은 내부 강철을 산화로부터 보호하며, 표면이 긁히면 빠르게 재형성됩니다.

이 패시베이션 층은 도금과 다릅니다. 일부 금속은 표면 보호를 위해 아연, 크롬, 니켈로 도금합니다. 그런 경우 코팅이 긁혀 뚫리면 보호 효과가 사라집니다. 스테인리스 스틸 내부의 크롬은 이보다 더한 표면 보호를 제공합니다. 공기에 노출될 때마다 패시브 필름을 생성하므로, 스테인리스가 깊게 긁혀도 패시베이션 층이 자가 치유됩니다.

철 + 탄소 = 강철

+ 크롬 = 스테인리스 스틸
(최소 10.5% 크롬)

페라이트 계열

크롬
(10.5~18%)
탄소
(0.08~0.15%)

페라이트 계열

크롬 (10.5~18%)
탄소 (0.08~0.15%)

마르텐사이트 계열

탄소
(0.10~1.2%)
+ 크롬
(12~18%)

생산 과정에 퀜칭이나 공기 경화가 포함될 수 있음.

마르텐사이트 계열

탄소 (0.10~1.2%)
+ 크롬 (12~18%)

생산 과정에 퀜칭이나 공기 경화가 포함될 수 있음.

오스테나이트 계열

+ 크롬
(16%)
+ 니켈
(8+%)

몰리브덴, 티타늄, 구리가 포함될 수 있음.

오스테나이트 계열

+ 크롬 (16%)
+ 니켈 (8+%

)몰리브덴, 티타늄, 구리가 포함될 수 있음.

듀플렉스 계열

+ 크롬 (19+% )
+ 몰리브덴
+ 소량의 니켈

일반적으로 몰리브덴, 구리 또는 기타 합금 원소 포함.

듀플렉스 계열

+ 크롬 (19+% )
+ 몰리브덴
+ 소량의 니켈

일반적으로 몰리브덴, 구리 또는 기타 합금 원소 포함.

석출 경화 계열

+ 크롬
+ 니켈
+ 구리 및/기타 원소

생산 과정에 열처리 기법이 필수.

석출 경화 계열

+ 크롬
+ 니켈
+ 구리 및/기타 원소

생산 과정에 열처리 기법이 필수.

스테인리스 스틸의 종류

스테인리스 스틸에는 여러 '계열(families)'이 있습니다. 각 계열은 철, 크롬, 탄소의 비율이 다릅니다. 니켈, 몰리브덴, 망간, 구리 같은 다른 원소가 포함되기도 합니다. 이 강철들의 특성은 함량에 따라 달라져 다용도 합금 그룹을 이룹니다.

스테인리스 스틸 등급

등급은 특정 스테인리스 스틸의 계열을 암시합니다. 가장 흔한 등급들은:

• 페라이트 스테인리스: 430, 444, 409
• 오스테나이트 스테인리스: 304, 302, 303, 310, 316, 317, 321, 347
• 마르텐사이트 스테인리스: 420, 431, 440, 416
• 듀플렉스 스테인리스: 2304, 2205

때로는 엔지니어들이 같은 계열 내 합금 사이에서 선택하기도 합니다. 인기 있는 오스테나이트 스테인리스 상업 등급인 304 vs 316이 대표적입니다. 하지만 항상 그런 건 아닙니다. 자동차 배기 시스템은 304와 409 사이에서 선택하기도 합니다. 바비큐 그릴은 304나 430으로 만든 것을 볼 수 있습니다.

스테인리스 스틸은 자석에 붙는가?

자석으로 앞에 있는 금속이 스테인리스인지 판별해도 확실한 답을 얻진 못합니다. 일부 등급과 종류는 자석에 붙고 일부는 안 붙습니다. 합금에 든 원소들이 다르기 때문입니다.

오스테나이트 스테인리스 등급(3xx 계열)은 자석에 붙지 않습니다. 자석이나 장식이 하나도 안 붙는 스테인리스 냉장고? 결정 미세구조 때문에 오스테나이트 스테인리스입니다(아래 기술 섹션 참조).

마르텐사이트와 더 흔한 페라이트 스테인리스 등급(430 등)은 자석에 붙습니다. 오스테나이트와 페라이트의 혼합인 듀플렉스 강은 보통 약하게 자석에 붙습니다. 페라이트 강에는 자석이 단단히 붙지만, 듀플렉스에는 더 쉽게 떨어지거나 미끄러집니다.

스테인리스 스틸의 기계적 특성

스테인리스 스틸은 보통 내식성 때문에 선택되지만, 강철이란 이유로도 선택됩니다. 강도, 항복, 인성, 경도, 가공 경화 반응, 용접성, 내열성 같은 특성들이 강철을 엔지니어링, 건설, 제조에 매우 유용한 금속으로 만듭니다. 특히 비용 대비 성능이 좋습니다. 엔지니어는 스테인리스 스틸의 작업 하중과 대기 조건을 고려해 등급을 결정합니다.

인장 특성

금속의 인장 특성은 당겨서 측정합니다. 대표적인 인장 시험편에 인장 하중을 가합니다. 파단 시 인장 강도, 항복 강도, 신율, 단면 수축률을 측정합니다.

경도

경도는 강철이 눌림과 마모에 저항하는 능력입니다. 가장 흔한 경도 시험은 브리넬과 로크웰입니다. 브리넬 시험에서는 작은 경화 강구를 표준 하중으로 강철에 눌러 생긴 자국의 직경을 측정합니다. 로크웰 시험은 눌린 깊이로 측정합니다. 경도는 일부 금속에서 냉간 가공(가공 경화)으로 높일 수 있고, 열처리로 높일 수도 있습니다.

인성

인성은 강철이 국부적 응력 하에서 소성 변형하는 능력입니다. 인성이 강한 강철은 균열에 강해 엔지니어링 애플리케이션에서 매우 바람직한 특성입니다. 인성 수준은 동적 시험으로 결정합니다. 시편에 노치를 내 응력을 국부화한 뒤, 진자(펜들럼)로 칩니다. 시편을 깨는 데 흡수된 에너지를 진자가 잃은 에너지로 측정합니다. 인성 금속은 더 많은 에너지를 흡수하고, 취성 금속은 덜 흡수합니다.

페라이트

페라이트 스테인리스 강은 철, 탄소, 10.5~18% 크롬을 함유합니다. 몰리브덴이나 알루미늄 같은 다른 합금 원소가 극소량 포함될 수 있습니다. 실온에서 순수 철과 같은 체심 입방(BCC) 결정 구조를 가집니다.

결정 구조 때문에 페라이트 스테인리스 강은 자석에 붙습니다. 상대적으로 낮은 탄소 함량은 상응하는 낮은 강도를 낳습니다. 페라이트 계열의 다른 약점으로는 열악한 용접성과 낮은 내식성이 있습니다. 하지만 우수한 인성 덕분에 엔지니어링 애플리케이션에 바람직합니다. 페라이트 스테인리스 강은 차량 배기관, 연료 라인, 건축 장식재에 자주 쓰입니다.

오스테나이트

오스테나이트 스테인리스 강은 면심 입방(FCC) 결정 구조를 가지며 철, 탄소, 크롬, 최소 8% 니켈로 구성됩니다. 높은 크롬과 니켈 함량 덕분에 내식성이 매우 뛰어나고 비자성입니다. 페라이트 스테인리스 강처럼 오스테나이트 스테인리스 강도 열처리로 경화할 수 없습니다. 하지만 냉간 가공으로 경화할 수 있습니다. 높은 니켈 함량 덕분에 오스테나이트 스테인리스 강은 저온 애플리케이션에서도 잘 작동합니다.

가장 흔한 두 스테인리스 강인 304와 316 모두 오스테나이트 등급입니다. 오스테나이트 스테인리스 강의 인기 비결은 성형과 용접이 쉽다는 점으로, 고효율 제조에 이상적입니다. 탄소 함량이 다양하게 변하는 많은 오스테나이트 하위 그룹이 있으며, 몰리브덴, 티타늄, 구리 같은 합금 원소 첨가로 특성이 더 세밀하게 조정됩니다. 오스테나이트 스테인리스 강은 주방 싱크, 창틀, 식품 가공 장비, 화학 탱크 생산에 자주 쓰입니다. 벤치, 스테인리스 볼라드, 자전거 거치대 같은 옥외 현장 비품에도 흔히 쓰입니다.

마르텐사이트

마르텐사이트 스테인리스 강은 체심 사방정계(BCT) 구조를 가집니다. 12~18% 크롬을 함유하며, 오스테나이트나 페라이트 스테인리스 강보다 높은 탄소 함량(0.1~1.2%)을 가집니다. 페라이트의 BCC 구조처럼 BCT는 자석에 붙습니다. 마르텐사이트 스테인리스 강은 용접성이나 내식성보다 강철의 강도가 더 중요한 상황에서 매우 유용합니다. 주요 차이점은 높은 탄소 함량 덕분에 열처리로 경화할 수 있다는 점입니다. 이로 인해 항공우주 부품, 식기, 칼날 등 다양한 용도에 쓰입니다.

듀플렉스

듀플렉스 스테인리스 강은 가장 새로운 스테인리스 강 종류입니다. 오스테나이트 스테인리스 강보다 더 많은 크롬(19~32%)과 몰리브덴(최대 5%)을 함유하지만, 니켈은 훨씬 적습니다. 듀플렉스 스테인리스 강은 페라이트와 오스테나이트의 혼합 결정 구조를 가져 '오스테나이트-페라이트'라고도 불립니다. 듀플렉스 스테인리스 강의 대략 반반 혼합된 오스테나이트와 페라이트 상은 독특한 이점을 줍니다. 오스테나이트 등급보다 응력 부식 균열 저항성이 더 높고, 페라이트 등급보다 인성이 강하며, 순수 형태의 약 2배 강도입니다. 듀플렉스 스테인리스 강의 핵심 장점은 염화물 노출 시 오스테나이트 등급과 같거나 더 뛰어난 내식성입니다.

듀플렉스 스테인리스 강은 비용 효율성도 매우 높습니다. 듀플렉스 스테인리스 강의 강도와 내식성은 동등한 오스테나이트 등급보다 낮은 합금 함량으로 달성됩니다. 듀플렉스 스테인리스 강은 해수 담수화 및 석유화학 산업의 염화물 노출 부품, 교량, 압력 용기, 타이 바 등 건축 및 건설 산업에도 정기적으로 쓰입니다.

석출 경화

석출 경화 스테인리스 강은 다양한 결정 구조를 가질 수 있지만, 모두 크롬과 니켈을 함유합니다. 공통 특성은 내식성, 쉬운 가공성, 저온 열처리로 매우 높은 인장 강도입니다.

오스테나이트 석출 경화 합금은 더 높은 강도의 초합금으로 대체되었습니다. 하지만 준오스테나이트 석출 경화 스테인리스 강은 항공우주 용도에 계속 쓰이며 새로운 형태로도 적용됩니다. 마르텐사이트 석출 경화 스테인리스 강은 일반 마르텐사이트 등급보다 강하며 봉, 막대, 와이어 생산에 자주 쓰입니다.

기술적 관점: 스테인리스 스틸의 분자 미세구조

금속이 용융 상태에서 얼어 결정화하면 입자(grain)가 형성됩니다. 이 결정 구조가 금속의 많은 기계적 특성을 결정합니다. 많은 요인이 이 미세구조에 영향을 줍니다.

합금의 원자 종류가 분자 형성을 바꿔 구조를 변화시킵니다. 각 원소의 비율도 원자들이 형성하는 배열을 결정합니다.

온도는 금속 결정 격자 모양에 심대한 영향을 줍니다. 특정 온도에서 다른 구조들이 형성되기 시작합니다. 합금에는 중요한 원소들의 비율과 온도에 따라 어떤 입자 유형이 흔한지 보여주는 상 평형도가 있습니다.

우리의 철-탄소 상 평형도는 온도와 탄소가 강철에서 입자 형성에 미치는 영향을 보여줍니다. 철 형성의 세 단계를 보여줍니다:

• 페라이트, 또는 알파 철(α)은 912°C 이하에서 형성되는 표준 입자입니다.
• 오스테나이트, 또는 감마 철(γ)은 더 조밀하게 쌓인 입자 결정을 가지며 912~1394°C 사이에서 나타납니다.
• 델타 철(δ)은 1395°C 이상에서 형성되며, 철이 1538°C에서 액체가 되기 전 단계입니다. 델타 철상은 α-철(페라이트)과 더 유사합니다.

탄소 추가는 강철의 기본 입자가 결정화, 안정화, 상호작용하는 방식에 영향을 줍니다. 온도는 탄소 흡수 방식에 영향을 줍니다. 고온 오스테나이트 상은 탄소로 포화되어 금속 분자가 조밀하게 쌓입니다. 다른 온도에서는 모든 탄소가 흡수되지 않아 다른 분자 구조를 만듭니다. 예를 들어, 철-탄소 합금에 Fe₃C 시멘타이트 분자가 포함되는 게 흔합니다. 순수 형태로 시멘타이트는 세라믹으로 분류됩니다: 단단하고 부서지기 쉬우며, 이 속성을 최종 금속에 부여합니다. 분자 수준에서 흑연도 형성될 수 있습니다. 이 흑연의 모양이 금속이 충격 받았을 때 거동에 영향을 줍니다. 둥근 흑연 입자는 맞부딪힐 때 서로 미끄러지며 변형되지만 부러지지 않습니다. 반면 플레이크 형태 흑연이 많은 금속은 충격 시 플레이크 경계면을 따라 전단 파단될 수 있습니다. 금속이 얼마나 빨리 식는지, 열처리나 가공을 거치는지도 입자 크기와 모양에 영향을 줍니다.

오스테나이트 강은 γ-철을 가진 오스테나이트 격자를 가진 강입니다. 철-탄소 상 평형도에서 이 격자는 보통 고온에서 발견됩니다. 하지만 니켈과/또는 망간을 첨가하면 강철이 식으면서 오스테나이트가 유지됩니다. 오스테나이트 미세구조는 '면심 입방(FCC)'으로 알려져 있습니다. 면심 입방 분자는 금속에 특유한 특성을 부여합니다.

체심 입방 vs 면심 입방 미세구조

금속은 분자 격자로 된 결정입니다. 격자의 각 셀은 원자들로 구성됩니다. 각 격자 셀의 원자 수와 서로 연결되는 방식이 이 격자가 응력 하에서 어떻게 거동할지 바꿉니다. 기본 격자는 원시, 체심, 면심입니다.

기본 셀 모양

원시
입방

• 이 원시 입방체에서 각 원자는 셀의 모서리에 위치합니다. 각 원자는 격자에서 연결점입니다.
• 각 모서리 원자는 주변 셀들과 균등하게 공유됩니다. 따라서 각 원자는 인접한 8개 입방체의 일부입니다.
• 단위 셀은 총 1개 원자를 포함합니다. 각 모서리 원자가 8개 인접 입방체와 공유되므로, 각 원자의 1/8만 원시 셀 내부에 있습니다. 8 × 1/8 = 1개 원자 총합.

체심
입방 (BCC)

• 원시 입방처럼 각 모서리에 원자가 있습니다.
• 추가로 셀 중앙에 원자가 있습니다. 이 원자는 다른 셀과 공유되지 않습니다: 격자에 합쳐진 8개 셀과 오직 이 원자만 연결됩니다.
• 단위 셀은 총 2개 원자 포함: 원시 입방 구조처럼 원자 8개 × 1/8 공유, 중앙 원자 1개.
• 알파 철(페라이트)과 델타 철은 모두 BCC 금속입니다.

면심
입방 (FCC)

• 면심 입방 구조는 셀 각 모서리에 원자가 있고, 추가로 입방체 각 면의 중앙에 원자가 있습니다.
• '면' 중심 원자는 두 셀과만 공유돼 각각 1/2 원자만큼 기여합니다.
• 단위 셀은 총 4개 원자 포함: 모서리 원자 8개 × 1/8 공유, 면심 원자 6개 × 1/2 공유.
• 감마 철(오스테나이트)은 FCC 금속입니다.

니켈이나 망간 없는 강철은 1,674~2,541°F 사이에서 안정한 면심 입방(FCC) 구조를 이룹니다. 이 온도에서 강철의 탄소가 각 셀을 투과합니다.

하지만 이 강철을 일반(비퀜칭) 방식으로 식히면 페라이트가 되어 체심 입방(BCC)이 됩니다. FCC 구조를 유지하지 못합니다.

BCC 격자는 더 조밀하게 쌓인 FCC 구조보다 일부 기계적 변형에 더 취약합니다. 각 셀을 지탱하는 원자 수가 같지 않기 때문입니다. 실온에서도 FCC 구조를 유지하면 추가 강도를 유지하는 데 도움이 됩니다. 이는 보통 합금에 추가 원소를 넣어 달성합니다.

페라이트, 오스테나이트, 마르텐사이트, 듀플렉스 강의 미세구조

페라이트 강은 흔한 BCC 강입니다. 극저온에서 취해지고, 고온에서 강도가 급격히 떨어지며, 자석에 붙습니다. 이 특성들은 체심 입방(BCC) 형태 때문입니다.

각 '느슨하게' 쌓인 BCC 셀 내에서 모든 전자가 반대 스핀의 전자와 짝을 찾아 결합할 수는 없습니다. 이 결합되지 않은 전자들이 페라이트 강의 자성을 만듭니다. 셀당 강도를 더해주는 원자가 2개뿐이니, 페라이트 강은 특히 뜨겁거나 찬 환경에서 더 쉽게 부러집니다.

오스테나이트 강은 합금에 니켈이 첨가되어 실온에서 FCC입니다. 오스테나이트 강은 극저온에서도 FCC보다 더 연성이 좋습니다. 고온 강도도 더 좋습니다. 비자성이기도 합니다. 이 특성들은 면심(FCC) 형태 때문입니다.

모든 격자는 '슬립 시스템(slip systems)', 즉 격자가 셀을 찢지 않고 미끄러질 수 있는 전단선을 가집니다. 입방 격자는 대칭성이 많아 슬립 면이 많습니다. 역설적으로, 더 조밀하게 쌓인 FCC 결정이 느슨하게 쌓인 BCC 결정보다 더 많은 전단선을 가집니다. 조밀한 결정이 더 쉽게 서로 미끄러집니다. 각 셀이 더 많은 원자량과 강도를 가져 더 잘 버팁니다.

미시적 수준의 소성 변형은 거시적 수준의 연성을 뒷받침합니다. 이 때문에 면심 입방 구조에서 더 넓은 회복력 범위가 나타납니다. 페라이트 구조는 충격 시 산산조각 나거나, 특히 열악한 환경에서 잡아당길 때 파단되기 쉽습니다.

오스테나이트 스테인리스 강은 극저온 애플리케이션에서 취해지고 쉽게 파단되지 않는 유일한 스테인리스 종류입니다. 오스테나이트 강은 -292°F 이하에서도 대부분의 인성과 신율을 유지합니다. 저온 취성은 페라이트와 듀플렉스 강의 특징입니다. 전이 온도 이후에는 응력 하에서 산산조각 나기 쉬워집니다.

마르텐사이트 강은 표면에서 매우 다른 유형의 입자를 가진 또 다른 강 종류입니다. 이 강들은 단순한 입방 미세구조를 가지지 않습니다. 마르텐사이트는 퀜칭(급속 표면 냉각)으로 형성됩니다. 환경적 충격으로 격자가 얼며 뒤틀립니다. 마르텐사이트 미세구조는 체심 사방정계 형태로 변형되어 있으며 고르게 정렬되지 않습니다. 이 덕분에 마르텐사이트 표면이 더 단단하지만, 실온에서도 더 부서지기 쉽습니다.

듀플렉스 강은 스테인리스 강 종류에 비교적 새로 추가된 것입니다. 이 강들은 미세구조의 혼합을 가집니다. 페라이트와 오스테나이트의 교차 층이 최종 소재에 두 상의 특성을 모두 부여합니다. 듀플렉스 스테인리스에 필요한 니켈과/또는 망간 비율이 낮아 오스테나이트 스테인리스보다 비용이 낮습니다.

스테인리스 스틸 관리 및 유지보수

스테인리스 스틸은 내식성이 있지만 무적은 아닙니다. 내식성은 패시베이션 층에 기반하며, 이는 화학적으로 교란될 수 있습니다. 염분, 산성, 습기를 머금은 스크래치, 철분 침착물은 스테인리스 스틸을 녹에 취약하게 만듭니다.

스테인리스 설치 시 주의가 필요합니다. 강철 도구는 표면에 철분 침착물을 남겨 표면 화학을 변화시켜 취약하게 만들 수 있습니다. 강철과 접촉한 모든 부위는 세척해야 합니다. 습기를 머금을 수 있는 깊은 스크래치는 피해야 합니다.

스테인리스 표면 유지보수는 어렵지 않지만, 강철이 충격, 스크래치, 염분, 철, 기타 화학물질에 노출된다면 정기적으로 해야 합니다. 옥외 현장 비품은 연 2회 관리해야 합니다.

스테인리스 세척 방법은 당면한 문제 유형에 따라 다릅니다. 변색, 녹, 기름, 지문, 시멘트, 석회질 등 다양한 얼룩 유형에 다른 전략이 필요합니다. 당사의 심층 세척 포스팅에서 각 단계들을 설명합니다. 부식은 일찍 발견해 빨리 대처하는 게 좋습니다. 초기엔 WD-40 같은 윤활제만으로도 녹 제거가 가능할 수 있습니다.

적절한 유지보수와 관리로, 스테인리스 스틸을 매력적으로 만드는 특성들—강철의 인성과 크롬의 내식성 및 광택—이 수년간 스트레스 없는 자산으로 남을 수 있습니다.

스테인리스 스틸에 대한 더 많은 정보나 맞춤 프로젝트 견적 요청은 당사로 연락 주십시오.