스테인리스 스틸

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배경

스테인리스강은 두 가지 이상의 화학 원소로 구성된 물질인 철 함유 합금으로 다양한 용도로 사용됩니다. 크롬 함량(보통 합금의 12~20%)으로 인해 얼룩이나 녹에 대한 저항성이 뛰어납니다. 표준 합금으로 인정되는 57개 이상의 스테인리스강이 있으며, 다양한 스테인리스강 생산업체에서 생산하는 많은 독점 합금이 있습니다. 이러한 많은 유형의 강철은 거의 무한한 수의 응용 분야 및 산업에서 사용됩니다. 벌크 자재 취급 장비, 건물 외장 및 지붕, 자동차 부품(배기, 트림/장식, 엔진, 섀시, 패스너, 연료 라인용 튜브), 화학 처리 공장(스크러버 및 열교환기), 펄프 및 제지 제조, 석유 정제, 상수도 배관, 소비재, 해양 및 조선, 오염 제어, 스포츠 용품(스노우 스키) 및 운송(철도 차량)이 있습니다.

북미의 식품 가공 산업에서 매년 약 200,000톤의 니켈 함유 스테인리스강이 사용됩니다. 그것은 음식 수집 과정의 시작부터 끝까지 다양한 음식 취급, 저장, 요리 및 서빙 장비에 사용됩니다. 우유, 와인, 등의 음료 맥주, 청량 음료 및 과일 주스는 스테인리스 스틸 장비에서 처리됩니다. 스테인리스 스틸은 상업용 밥솥, 저온 살균기, 이송 용기 및 기타 특수 장비에도 사용됩니다. 장점으로는 손쉬운 세척, 우수한 내식성, 내구성, 경제성, 식품 풍미 보호 및 위생 설계가 있습니다. 미국 상무부에 따르면 1992년 전체 스테인리스강 선적량은 총 1,514,222톤이었습니다.

스테인레스 스틸은 미세 구조에 따라 여러 유형이 있습니다. 오스테나이트계 스테인리스강은 최소 6%의 니켈과 오스테나이트(면심 입방 구조를 갖는 탄소 함유 철)를 함유하고 우수한 내식성과 높은 연성(파단 없이 구부러지는 재료의 능력)을 가지고 있습니다. 페라이트계 스테인리스강(페라이트는 체심 입방 구조를 가짐)은 오스테나이트계보다 응력 부식에 대한 저항성이 우수하지만 용접이 어렵습니다. 마르텐사이트계 스테인리스강은 바늘과 같은 구조의 철을 함유하고 있습니다.

일반적으로 동일한 양의 페라이트와 오스테나이트를 포함하는 이중 스테인리스강은 대부분의 환경에서 피팅 및 틈새 부식에 대한 내성이 더 우수합니다. 또한 염화물 응력 부식으로 인한 균열에 대한 저항성이 우수하고 일반 오스테나이트계보다 약 2배 강합니다. 따라서 이중 스테인리스 강은 정유 공장, 가스 처리 공장, 펄프 및 제지 공장, 해수 배관 설비의 화학 산업에서 널리 사용됩니다.

원자재

스테인리스강은 철광석, 크롬, 규소, 니켈, 탄소, 질소, 망간 등 지구에서 발견되는 몇 가지 기본 원소로 만들어집니다. 최종 합금의 특성은 이러한 원소의 양을 변화시켜 조정됩니다. 예를 들어 질소는 연성과 같은 인장 특성을 향상시킵니다. 또한 내식성을 향상시켜 듀플렉스 스테인리스강에 사용하기에 유용합니다.

제조
프로세스

스테인리스 스틸의 제조에는 일련의 공정이 포함됩니다. 먼저 강철을 녹이고, 스테인리스강을 만들기 위해 철광석, 크롬, 실리콘, 니켈 등의 원료를 녹입니다. 함께 전기로. 이 단계에는 일반적으로 8~12시간의 강렬한 열이 포함됩니다. 다음으로 혼합물은 블룸, 빌렛 및 슬래브를 포함한 여러 모양 중 하나로 주조됩니다. 그런 다음 단단한 형태로 주조됩니다. 다양한 성형 단계 후에 강철은 열처리된 다음 원하는 마감을 제공하기 위해 세척 및 광택 처리됩니다. 그런 다음 포장되어 원하는 모양을 만들기 위해 강철을 용접하고 접합하는 제조업체로 보내집니다.

용융 및 주조

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1 원료를 먼저 전기로에서 함께 녹입니다. 이 단계는 일반적으로 8~12시간의 강렬한 열이 필요합니다. 용융이 완료되면 용강을 반제품 형태로 주조합니다. 여기에는 블룸(직사각형 모양), 빌렛(1.5인치 또는 3.8센티미터 두께의 원형 또는 정사각형 모양), 슬래브, 막대 및 튜브 원형이 포함됩니다.

형성

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2 다음으로 철강 반제품은 열간 압연을 시작으로 성형 작업을 거칩니다. 블룸과 빌렛은 막대와 와이어로 형성되고 슬래브는 플레이트, 스트립 및 시트로 형성됩니다. 막대는 모든 등급으로 제공되며 크기가 0.25인치(0.63센티미터)인 원형, 정사각형, 팔각형 또는 육각형으로 제공됩니다. 와이어는 일반적으로 직경 또는 크기가 최대 0.5인치(1.27센티미터)까지 제공됩니다. 플레이트의 두께는 0.1875인치(0.47센티미터) 이상이고 너비는 10인치(25.4센티미터) 이상입니다. 스트립의 두께는 0.185인치(0.47센티미터) 미만이고 너비는 24인치(61센티미터) 미만입니다. 시트는 두께가 0.1875(.47센티미터) 미만이고 너비가 24(61센티미터)를 초과합니다.

열처리

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3 스테인리스강이 성형된 후 대부분의 유형은 소둔 단계를 거쳐야 합니다. 어닐링은 내부 응력을 완화하고 금속을 연화시키기 위해 제어된 조건에서 강철을 가열 및 냉각하는 열처리입니다. 일부 강철은 더 높은 강도를 위해 열처리됩니다. 그러나 이러한 열처리( 시효 경화 라고도 함)는 - 권장 온도, 시간 또는 냉각 속도에서 약간의 변화라도 속성에 심각한 영향을 미칠 수 있으므로 주의 깊은 제어가 필요합니다. 낮은 노화 온도는 낮은 파괴 인성과 함께 높은 강도를 생성하는 반면, 높은 온도 노화는 더 낮은 강도의 더 단단한 재료를 생성합니다.

노화 온도(화씨 900~1000도 또는 섭씨 482~537도)에 도달하기 위한 가열 속도는 특성에 영향을 미치지 않지만 냉각 속도는 영향을 미칩니다. 노화 후 담금질(급냉각) 처리는 강도의 상당한 손실 없이 인성을 증가시킬 수 있습니다. 그러한 공정 중 하나는 최소 2시간 동안 화씨 35도(섭씨 1.6도)의 얼음물 수조에서 재료를 담금질하는 것입니다.

열처리 유형은 강철 유형에 따라 다릅니다. 즉, 오스테나이트, 페라이트 또는 마르텐사이트인지 여부입니다. 오스테나이트 강은 두께에 따라 일정 시간 동안 화씨 1900도(섭씨 1037도) 이상으로 가열됩니다. 물 담금질은 두꺼운 부분에 사용되는 반면 공기 냉각 또는 공기 분사는 얇은 부분에 사용됩니다. 너무 천천히 냉각하면 탄화물 침전이 발생할 수 있습니다. 이러한 축적은 열 안정화를 통해 제거할 수 있습니다. 이 방법에서 강철은 화씨 1500~1600도(섭씨 815~871도)에서 몇 시간 동안 유지됩니다. 열처리 전에 오염 물질의 부품 표면을 청소하는 것도 적절한 열처리를 달성하기 위해 필요할 때가 있습니다.

석회질 제거

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4 어닐링은 강철에 스케일 또는 축적물을 형성합니다. 스케일은 여러 프로세스를 사용하여 제거할 수 있습니다. 가장 일반적인 방법 중 하나인 산세척은 질산-불화수소산 수조를 사용하여 강철의 석회질을 제거합니다. 또 다른 방법인 전기세정(electrocleaning)은 음극과 인산을 사용하여 표면에 전류를 인가하고 스케일을 제거하는 방법이다. 어닐링 및 스케일 제거 단계는 가공되는 강철의 유형에 따라 다른 단계에서 발생합니다. 예를 들어, 봉재 및 와이어는 초기 열간 압연 후 풀림 및 스케일 제거 전에 추가 성형 단계(더 많은 열간 압연, 단조 또는 압출)를 거칩니다. 반면 Sheet와 Strip은 열간압연 직후에 초기 풀림 및 스케일 제거 단계를 거칩니다. 냉간 압연(상대적으로 낮은 온도에서 롤 통과) 후 두께가 추가로 감소한 후 시트와 스트립은 다시 열처리되고 스케일이 제거됩니다. 그런 다음 최종 냉간 압연 단계에서 최종 처리를 위해 강을 준비합니다.

자르기

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5 절단 작업은 일반적으로 부품을 최종 크기로 자르기 위해 원하는 블랭크 모양이나 크기를 얻는 데 필요합니다. 기계 절단은 단두대 칼을 사용한 직선 절단, 가로 및 세로 배치 원형 칼을 사용한 원형 절단, 고속 강철 블레이드를 사용한 톱질, 블랭킹 및 니블링 등 다양한 방법으로 수행됩니다. 블랭킹은 금속 펀치와 다이를 사용하여 전단으로 모양을 펀칭합니다. 니블링은 일련의 겹치는 구멍을 블랭킹하여 절단하는 과정이며 불규칙한 모양에 이상적입니다.

스테인레스 스틸은 철 분말과 함께 산소와 프로판을 사용하는 화염 토치를 포함하는 화염 절단을 사용하여 절단할 수도 있습니다. 이 방법은 깨끗하고 빠릅니다. 또 다른 절단 방법은 플라즈마 제트 절단, 작은 구멍을 통해 전기 아크와 함께 이온화된 가스 기둥이 절단을 만드는 것입니다. 가스는 금속을 녹이기 위해 극도로 높은 온도를 생성합니다.

마무리

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6 표면 마감은 스테인리스 스틸 제품의 중요한 사양이며 외관도 중요한 응용 분야에서 매우 중요합니다. 특정 표면 마감은 또한 스테인리스 스틸을 더 쉽게 청소할 수 있도록 하며, 이는 위생 용도에 분명히 중요합니다. 연마로 얻은 매끄러운 표면은 또한 더 나은 내식성을 제공합니다. 다른 한편으로, 추가 제조 단계를 용이하게 하기 위해 뿐만 아니라 윤활 응용을 위해 종종 거친 마감이 필요합니다.

표면 마감은 다양한 형태를 제작하는 데 사용되는 공정의 결과이거나 추가 가공의 결과입니다. 마무리에는 다양한 방법이 사용됩니다. 열간 압연, 풀림 및 스케일 제거를 통해 무딘 마무리가 생성됩니다. 먼저 열간 압연한 다음 광택 롤에서 냉간 압연하여 밝은 마무리를 얻습니다. 반사율이 높은 마감재는 냉간 압연과 제어된 분위기의 용광로에서의 어닐링, 연마제로 연삭 또는 미세 연삭 표면을 버핑하여 생성됩니다. 경면 마감은 점진적으로 더 미세한 연마제로 연마한 후 광범위한 버핑으로 생성됩니다. 연삭 또는 연마용 연삭 휠 또는 연마 벨트가 일반적으로 사용됩니다. 버핑은 막대 또는 막대 형태의 매우 미세한 연마 입자를 포함하는 절단 화합물과 함께 천 휠을 사용합니다. 다른 마무리 방법에는 텀블링이 포함됩니다. 초기 강철 모양(블룸, 빌렛, 슬래브 등)은 바, 와이어, 시트로 열간 압연됩니다. , 스트립 및 플레이트. 형태에 따라 강은 추가 압연 단계(열간 압연 및 냉간 압연 모두), 열처리(어닐링), 축적 제거를 위한 스케일 제거 및 연마를 거쳐 완성된 스테인리스 강을 생산합니다. 그런 다음 강철은 최종 사용자에게 보내집니다. 부품 표면에 대한 텀블링 재료의 이동, 건식 에칭(샌드블라스팅), 산성 용액을 사용한 습식 에칭 및 표면 둔탁. 후자는 샌드 블라스팅, 와이어 브러싱 또는 산세척 기술을 사용합니다.

제작자 또는
최종 사용자의 제조

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7 다양한 형태의 스테인리스 스틸을 포장하여 제작자 또는 최종 사용자에게 배송한 후에는 다양한 기타 공정이 필요합니다. 추가 성형은 롤 성형, 프레스 성형, 단조, 프레스 드로잉 및 압출과 같은 다양한 방법을 사용하여 수행됩니다. 추가 열처리(어닐링), 기계가공 및 세척 공정도 종종 필요합니다.

스테인리스강을 접합하는 방법에는 여러 가지가 있으며 용접이 가장 일반적입니다. 융해 및 저항 용접은 일반적으로 둘 다에 대해 많은 변형과 함께 사용되는 두 가지 기본 방법입니다. 용융 용접에서 열은 전극과 용접할 금속 사이에 치는 전기 아크에 의해 제공됩니다. 저항 용접에서 접합은 열과 압력의 결과입니다. 용접할 부품을 통과하는 전류 흐름에 대한 저항으로 열이 발생하고 전극에 압력이 가해집니다. 부품을 함께 용접한 후에는 결합된 영역 주변을 청소해야 합니다.

품질 관리

스테인리스강은 제조 및 제조 중 공정 내 제어 외에도 인성 및 내식성과 같은 기계적 특성과 관련하여 미국재료시험협회(ASTM)에서 개발한 사양을 충족해야 합니다. 금속 조직은 때때로 품질을 모니터링하는 데 도움이 되는 부식 테스트와 연관될 수 있습니다.

미래

스테인리스강과 슈퍼스테인리스강의 사용은 다양한 시장에서 확대되고 있습니다. 새로운 Clean Air Act의 요구 사항을 충족하기 위해 석탄 화력 발전소는 스테인리스 스틸 스택 라이너를 설치하고 있습니다. 기타 새로운 산업 응용 분야로는 고효율 가정용 로용 2차 열교환기, 원자력 발전소의 급수 배관, 해양 시추 플랫폼용 밸러스트 탱크 및 화재 진압 시스템, 석유 및 가스 분배 시스템용 플렉시블 파이프, 태양열 발전용 헬리오스타트 등이 있습니다. 에너지 플랜트.

환경 법규는 또한 석유화학 및 정유 산업이 폐쇄된 시스템에서 2차 냉각수를 단순히 배출하는 것이 아니라 재활용하도록 강제하고 있습니다. 재사용하면 높은 수준의 염화물과 함께 냉각수가 생성되어 구멍 부식 문제가 발생합니다. 이중 스테인리스 스틸 튜브는 다른 재료보다 비용이 저렴하기 때문에 이러한 산업 부식 문제를 해결하는 데 점점 더 중요한 역할을 할 것입니다. 제조업체는 이러한 요구에 부응하여 내식성이 뛰어난 강재를 개발하고 있습니다.

자동차 산업에서 한 철강 제조업체는 차량당 스테인리스강 사용량이 세기가 바뀔 때까지 55~66파운드(25~30kg)에서 100파운드(45kg) 이상으로 증가할 것으로 추정했습니다. 새로운 응용 분야에는 촉매 변환기, 에어백 용 금속 기질이 포함됩니다. 부품, 복합 범퍼, 연료 라인 및 대체 연료, 브레이크 라인 및 긴 수명의 배기 시스템과 호환되는 기타 연료 시스템 부품.

공정 기술의 향상으로 초오소나이트 스테인리스강(질소 함량이 최대 0.5%)이 개발되고 있습니다. 이 강철은 펄프 공장 표백 공장, 해수 및 인산 처리 시스템, 스크러버, 해양 플랫폼 및 기타 부식성이 높은 응용 분야에 사용됩니다. 많은 제조업체들이 시트, 플레이트 및 기타 형태로 이러한 재료를 마케팅하기 시작했습니다. 다른 새로운 조성이 개발되고 있습니다. 자기 응용 분야를 위해 8% 및 12% Cr을 함유하는 페라이트계 철계 합금과 반도체 및 의약품 제조에 사용되는 부품용으로 황 함량이 매우 낮은 오스테나이트계 스테인리스강입니다.

연구는 개선되고 독특한 재료를 계속 개발할 것입니다. 예를 들어, 일본 연구자들은 최근 몇 가지를 개발했습니다. 하나는 형상 기억 효과를 나타내는 내식성 스테인리스강입니다. 이 유형의 재료는 소성 변형 후 가열하면 원래 모양으로 돌아갑니다. 잠재적인 응용 프로그램에는 어셈블리 구성 요소(파이프 피팅, 클립, 패스너, 클램프), 온도 감지(회로 차단기 및 화재 경보기) 및 스프링이 포함됩니다. 개선된 마르텐사이트 스테인리스강은 정밀 미니어처 및 기기 구름 접촉 베어링용으로 개발되어 기존 재료에 비해 진동 수준이 감소하고 기대 수명이 향상되었으며 표면 조도가 향상되었습니다.