인코넬은 Special Metals사가 상표를 보유한 니켈기 내열 합금으로, 항공·원자력·화학 플랜트등의 고온·부식 환경에서 널리 사용되고 있습니다.
이번 내용에서는, 이 뛰어난 특성을 가지는 재료인 인코넬 재질의 특성, 가공성, 설계시의 유의점에 대해서, 알기 쉽게 해설합니다.
목차
인코넬의 정의
인코넬은 니켈을 기본으로 크롬 등을 첨가한 오스테나이트계 니켈기 초합금으로 고온에서의 고강도, 고내산화성, 내클리프성을 보유합니다.
주성분인 니켈(50% 이상)에 크롬이나 철, 몰리브덴 등을 첨가함으로써 뛰어난 내열성, 내식성을 발휘하는 합금입니다. 또한 니켈과 크롬의 함유율이 높기 때문에 부식성 환경에서도 특성이 안정적입니다.
대표적인 인코넬 합금의 종류
대표적인 인코넬 합금은 크게 600/625/718/X-750의 4계통으로 나뉩니다.
- 인코넬 600은 약 1090℃에서도 높은 강도를 유지하며, 크리프 변형이나 염소 가스, 강알칼리 환경에서도 우수한 내식성을 나타냅니다.
- 인코넬 625는 몰리브덴 함유량이 많고, 해수나 화학 플랜트 등 염화물이 풍부한 환경에서도 더욱 높은 내식성을 발휘합니다.
- 인코넬 718은 석출경화형으로 시효처리 후 인장강도가 1240N/mm²를 초과합니다. 고온 영역은 물론 극저온에서도 인성을 유지할 수 있는 점이 특징입니다.
- 인코넬 X-750은 석출 경화에 의해 높은 스프링성과 내산화성을 양립하고 고온 크리프 강도에도 뛰어납니다.
인코넬의 장점과 단점
장점
| 품목 | 설명 |
| 내열성 | 1000℃ 초과에서도 강도와 산화 내성을 유지해, 터빈이나 배기관련에서 연속 사용에 대응 |
| 높은 내식성 | 산·알칼리·염화물 환경에서도 부식에 강하고, 화학 플랜트·해양 용도로 높은 신뢰성 있음 |
| 고강도・내 크리프성 | 상온 ~ 고온 영역에서 고강도를 유지하고 크리프 변형에도 강하다 |
| 저온 특성 | 극저온 환경(액체 질소 온도 등)에서도 인성을 유지하여 저온 용도로의 사용이 가능 |
| 비 자성 | 기본적으로 비 자성이며, 자기장 환경에서도 자성화하기 어렵다. |
단점
| 품목 | 설명 |
| 난삭성 | 열전도가 낮고 고온 강도가 높은 데다 가공 경화하기 쉽기 때문에 공구 마모가 격렬하고 가공성이 떨어진다 |
| 높은 비용 | 니켈 등의 희소 금속을 많이 포함해 재료 가격은 높고, 상표 등록된 특수 합금 때문에 유통량의 제약으로부터 조달 코스트가 높다 |
| 비중의 크기 | 같은 부피에서의 중량은, 티타늄의 약 2배, 알루미늄 합금의 약 3배가 되어, 경량화의 용도에 적합하지 않다 |
| 설비의 제약·고도 기술 | 고정밀 설비·고도의 기술이 필요하고, 대응 가능한 가공업자가 한정된다 |
인코넬의 용도와 활용 사례
인코넬은, 뛰어난 내열성과 내식성을 갖추고 있어, 폭넓은 산업 분야에서 활용되고 있습니다. 이하에, 대표적인 용도나 제품 예를 소개합니다.
| 분야 | 용도 예 | 적용 재료 및 제품 예 |
| 항공우주 | 제트 로켓 엔진 부품 | 718 : 제트 엔진 디스크 블레이드 |
| 발전·에너지 | 원자로 증기 발생 기관, 가스 터빈, 보일러 과열기 | 600 : PWR 원자로 배관, 열교환기관 |
| 화학 플랜트 | 화학 처리 설비의 열 교환기, 반응 용기, 폐액설비 | 625 : 원자력 폐액 처리 장치나 초 임계수 처리 장치 |
| 자동차 | 배기 매니폴드나 터보차저 부품, 내열 너트·볼트류 | 718 : 고강도 휠 너트, 배기 밸브 |
| 해양·플랜트 | 해수,담수화 장치의 배관·밸브 | 625 : 해수 펌프 샤프트, 해양 구조물 |
| 전자·측정 | 고온 계측 기기의 센서 부품, 발전 터빈 내부 스프링 | X750 : 내열 스프링 |
이와 같이 인코넬은, 「고온·고압·부식」등의 가혹한 환경하에서 뛰어난 성능을 나타내, 항공기나 화학 플랜트라고 하는 안전상 중요한 분야에서 폭넓게 사용되고 있습니다.
인코넬의 가공 종류와 주의점
인코넬은 대표적인 난삭재로 가공 시 열이 차지하기 쉽고 가공 경화도 쉬워 몇 가지 과제가 발생합니다. 여기에서는 절삭·용접·3D 프린트의 3가지 가공 방법에 대해 주요 과제와 대책을 해설합니다.
절삭가공
인코넬을 절삭할 때 가장 큰 장애가 되는 것은 낮은 열전도율과 가공 경화의 발생 용이성입니다. 절삭열이 공구 선단에 집중되기 쉽기 때문에 절삭 속도는 30~50m/min 정도로 억제하고, 1날(절삭하는 동안 워크가 이동하는 거리)당 0.1mm 전후의 약간 큰 이송을 주면 안정됩니다.
공구는 TiAlN 및 AlCrN 계열의 코팅 초경 공구가 효과적이며, 방적각이나 강한 비틀림각을 가진 예리한 형상을 선택하면 절삭력이 향상됩니다. 날수는 4날 이상이며, 고강성 타입이 바람직하며, 떨림을 억제하기 위해 기계 본체 및 지그의 강성도 확보해 주십시오.
또한 고압 쿨런트나 내부 급유로 발생 열과 칩을 배출하고, 극압 첨가제가 들어간 절삭유로 윤활성을 높이면 공구 수명을 늘릴 수 있습니다. 절삭 깊이는 얕게 설정하여 무리한 절삭을 피함으로써 표면 거칠기와 경화를 방지할 수 있습니다. 최근에는 세라믹 공구나 PCD 공구에 의한 고속 가공도 시도되고 있습니다만, 고도의 가공 노하우가 불가결합니다. 형상에 따라서는 방전 가공(EDM)이나 연삭 가공으로 공법 변경도 검토하면 좋을 것입니다.
용접 가공
인코넬은 뛰어난 내열 및 내식 성능을 가진 한편 용접 균열 및 조직 변화가 발생하기 쉬운 난 용접재입니다. 석출 경화형의 718이나 X-750을 용접할 때는 용접열로 조직이 취화되기 쉽기 때문에 용접 후 시효처리나 고용화 처리를 실시해 강도와 인성을 회복시킬 필요가 있습니다.
열 영향부의 조직 변화를 억제하려면 전자 빔이나 레이저 등 저입열 프로세스가 효과적입니다. 필러재는 모재와 같은 계열의 합금을 선택하고, 이재를 사용하여 부식이나 강도 저하를 초래하지 않도록 주의합니다. 저항 용접의 경우 인코넬은 전기 저항이 높기 때문에 후판에서는 대전류, 높은 가압이 필요합니다. 조건부 제출과 사전 검증을 충분히 실시하여 깨짐이나 결함을 방지해 주십시오.
3D 프린트 가공
금속 3D 프린터, 특히 레이저 기반 분말 바닥 용융 결합법(PBF)의 발전으로 인코넬 718에서도 고정밀 조형이 가능해졌습니다. 다만 유의점으로서 조형 직후의 경도는 HRC 30 정도로 낮기 때문에 반드시 시효 경화 등의 열처리로 소정 경도까지 끌어올립니다. 진공 열처리로를 보유하지 않는 가공회사도 있기 때문에 후처리 체제를 사전에 확인해 두는 것이 중요합니다.
또한 적층 방향에 따른 기계적 이방성이 생기기 쉽기 때문에 조형 자세 및 서포트 배치를 최적화하고 필요에 따라 전체 열처리로 특성을 균일화합니다. 또한 나사 구멍 가공이나 표면 마감 등의 추가 기계 가공이 전제되기 때문에 설계 단계부터 공차, 면 거칠기를 적절히 설정하고 비용과 납기를 견적해 두면 원활합니다.
다른 재료와의 비교(스테인레스·티탄·무연재와의 차이)
고온 용도로 인코넬과 비교 검토되는 재료로서 내열 스테인레스강(내열강)이나 티타늄 합금 등이 있습니다. 각각 성질이 크게 다르기 때문에 설계 단계에서의 적재적소 판단이 중요합니다. 이하에 주된 차이점을 나타냅니다.
인코넬 과 스테인레스 강
인코넬은 내열성, 내산화성, 내식성이 뛰어난 고기능 합금으로, 스테인레스강과는 성질이나 적용 분야가 크게 다릅니다.
| 비교 항목 | 인코넬 | 스테인레스강(SUS304/316) |
| 내열성 | 우수(800~1000℃, 인코넬 600은 약 1090℃) | 실용 상한은 약 650℃, 그 이상은 산화 피막 열화·강도 저하 |
| 고온 크리프 내성 | 매우 높음 | 고온에서 강도 저하 |
| 내산화성 | 고온에서도 안정 | 고온 하에서 산화 피막이 열화 |
| 상온~중온역 강도 | 인코넬 600:
약 550MPa(SUS304와 같은 정도) |
SUS304:
약 520MPa(인코넬과 같은 정도) |
| 내식성 | · 염화물 응력 부식 균열 ( SCC)에 강함
・할로겐 가스 ・고온 수증기 중에서도 내구성 있음 |
부동태 피막으로 양호하지만, 염화물 SCC·강산에 약하다 |
| 비용 | 비싼 | 저렴한 |
| 가공성 | 난삭재 | 양호 |
인코넬 vs 티타늄 합금
인코넬과 티타늄 합금은 모두 고성능 금속 재료이지만 비중, 내열성, 가공성, 내식성의 성질이 다르기 때문에 용도에 따라 적재적소의 선정이 요구됩니다.
| 비교 항목 | 인코넬 | 티타늄 합금
(Ti-6Al-4V 등) |
| 비중·경량성 | 약 8.4, 구조 안정성이 우수 | 약 4.5, 비강도가 높음 |
| 내열성 | 800~1000°C 근처에서 사용 가능 | 약 600℃(그 이상으로 산화·강도 저하가 진행) |
| 내식성 | 염산이나 고온농황산 등의 환경에 강하다(인코넬 625 등) | 해수나 많은 산에 강하지만 불산·고온농황산에 약하다 |
| 가공성 | 난삭재 | 열전도가 낮고 여드름 진동이 일어나기 쉽지만, 절삭 속도를 올리기 쉬운 경향이 있다 |
| 용도 | 최고 온도·내가스 부식을 중시하는 용도 | 경량화 최우선·중온역에서의 용도 |
인코넬과 무연 쾌삭재의 차이
무연 쾌삭재(환경 규제 대응으로 납을 포함하지 않고 높은 절삭성(쾌삭성)을 실현한 금속 재료)와 인코넬은 모두 「납을 포함하지 않는 금속 재료」이지만 사용 목적, 기능, 가공성이 전혀 다릅니다.
| 품목 | 인코넬 | 무연 쾌삭재 (쾌삭강·쾌삭 황동 등) |
| 분류 | 니켈 합금 | 무연 첨가 철계 또는 구리계 쾌삭재 |
| 납 함유 유무 | 무연 (원래 포함하지 않음) | 납을 제거하여 환경규제 대응 |
| 용도 목적 | 고온·고부식 환경하에서의 사용 | 가공성 중시의 일반 부품 |
| 가공성 | 난삭재 | 납 제거로 다소 가공성 저하 있음 |
| 환경 규제 대응 | RoHS 적합 재료 | RoHS 규제 대응을 위해 |
주요 재료 비교 및 설계 시 주의점
재료 특성 비교(인코넬 600/SUS404/Ti-6Al-4V)
인코넬600과 다른 대표적인 재료(SUS404, Ti-6Al-4V)의 물성 및 특성 비교표입니다.
인코넬은, 뛰어난 내열성, 내식성을 가지는 니켈기 합금입니다. 설계 시에는 스테인레스강이나 티타늄 합금 등의 다른 재료와 비교하여 성능·비용·가공성의 밸런스를 고려한 재료의 선정이 중요합니다.
| 품목 | 단위 | 인코넬 600 | 스테인레스강 ( SUS404 ) |
티타늄 합금 ( Ti-6Al-4V ) |
| 밀도 | g/cm³ | 8.47 | 7.75 | 4.43 |
| 융점 | ℃ | 1354 ~ 1413 | 약 1450 | 약 1600~ 1660 |
| 내열 온도 | ℃ | 1093 | 800 | 600 |
| 인장 강도 (상온) | MPa | 550 ~ 760 | 약 600 | 약 1010 |
| 인장 강도 (650℃) | MPa | 약 500(추정) ※인코넬 718의 경우 약 800–900 (추정) |
약 250~ 300 (추정) |
약 500 (추정) |
| 비강도 | MPa/g/cm³ | 약 83 (700MPa ÷ 8.47) |
약 77 (600MPa ÷ 7.75) |
약 228 (1010MPa ÷ 4.43) |
| 내산화성(고온) | ― | ◎산화 분위기 하에서 우수한 안정성 | △800℃ 이상에서 산화 피막이 열화 | 〇600℃ 정도까지 안정 |
| 내식성(일반) | ― | ◎산·알칼리·염화물에 강하다 | △염화물 환경에 약함 | 〇해수·산에 비교적 강하다 |
| 가공성(절삭) | ― | △난삭재 | 〇 일반 가공 | 〇어려움(필요 가공 대책) |
| 용접성 | ― | △난용접재(후처리 필요한 경우 있음) | ◎ 양호 | 〇약간 어려움(전문성 있음) |
| 재료 비용 | ― | × 고가 (니켈 주체) |
〇 범용 스테인레스보다 약간 높음 | △경량 고강도이지만 고가 |
※위의 기재된 내용은 대표값입니다. 합금 종별 및 처리 조건에서 수치는 변동합니다.
인코넬 채용시 설계상의 유의점
인코넬의 채용에 있어서는, 이하의 설계상의 유의점을 사전에 파악해 두는 것이 중요합니다.
- 필요성의 검토
인코넬의 성능이 정말 필요한지 충분히 검토합니다. 다른 저렴한 재료로 대체 가능하다면 무리하게 사용하지 않는 것을 선택합니다. (비용 증가 및 납기 지연 요인이 되기 때문에)
- 부품 형상 간소화
인코넬은 가공비가 비싸기 때문에 설계 단계에서 형상을 최대한 심플하게 합니다. 복잡 형상이 불가피한 경우는, 3 D 프린트나 단조재의 활용도 검토합니다.
- 가공 방법 최적화
절삭이 어려운 경우에는 방전 가공, 연삭, 적층 조형 등의 가공 방법을 검토합니다. 또한 공차나 표면 마감의 요구를 적정화하고 가공 부하를 경감하는 연구가 중요합니다.
- 용접·조립 방법의 재검토
인코넬끼리의 용접은 피하고 기계적 접합(예: 볼트 체결)을 검토합니다. 부득이하게 용접이 필요한 경우는 용접 후 열처리나 이재접합 여부에 대해 사전에 전문가와 조정합니다.
- 조달성과실적
인코넬의 입수성(규격 사이즈의 유무, 로트 요건)이나 가공업자의 실적을 확인합니다. 일본에서는 히타치 금속이나 일본 야금 공업이 인코넬 상당재를 제조하고 있습니다만, 특정의 규격외 사이즈에서는 해외 조달이 되는 경우도 있습니다. 빨리 재료 및 가공 준비를 진행하고 납기에 주의할 필요가 있습니다.
- 가공 도면에 대한 재료 지시
재료지시의 오해 등을 방지하기 위해 「재료명+규격+처리조건+설계의도의 보충」을 세트로 기재하는 등을 실시한다.
예를 들면, 재질:Inconel 718(UNSN07718), 규격:ASTM B637/AMS 5662, 열처리:시효처리완료(H900상당), 형상:단조재 φ50mm, 주기:고온강도, 내산화성중시. 대체재 불가. - 재료종의 확인
인코넬은 상표이기 때문에 인코넬 상당품을 선정할 때는 제조업체의 재료정보를 입수하여 확인한 후 선정하는 것이 품질 확보에 중요합니다. 상당품의 경우 제조업체에 따라 조성, 특성 등 미묘하게 다릅니다.
정리
인코넬은, 「극한 환경에 대응하는 고성능 합금」입니다. 잘 사용하기 위해서는 재료 특성에 대한 깊은 이해와 가공 및 설계의 궁리가 필수적입니다. 이번 내용에 있는 재료 선정이나 설계에 참고가 되어 인코넬의 힘을 최대한 활용한 제품 개발로 이어지면 좋겠습니다.
