하스텔로이란? 특성·용도·가공 포인트를 해설

하스텔로이는 탁월한 내식성과 내열성으로 인해 화학 플랜트와 항공 우주와 같은 가혹한 환경에서 사용되는 부품에 필수적인 재료입니다. 그러나 비싸고 가공이 어려운 「난삭재」의 대표이기도 하기에 재료 선정이나 가공에 불안을 느끼시는 분들도 있을 것입니다.

이번 내용에서는 하스텔로이의 기본 특성부터 장점·단점, 용도·가공의 포인트까지 해설합니다. 설계·개발 담당자는 참조 해주세요.

하스텔로이의 정의 

하스텔로이의 기본 정보 

하스텔로이는 니켈을 주성분으로 하여 크롬과 몰리브덴 등을 첨가하여 내식성과 내열성을 높인 니켈 기초 합금 상표명입니다. 화학 성분을 다음과 같습니다.

단위 % 

※ NW0276의 V는 최대 0.35% 이하를 함유해도 된다.

원래는 미국의 헤인즈사가 개발했지만, 현재는 일반 명칭으로서 널리 인지되어 국내외의 메이커가 같은 등급의 재질을 제조하고 있습니다. 뛰어난 내식·내열성을 가지며 성분 조성에 따라 「C-276」이나 「C-22」 등 많은 종류의 재료입니다.

환경규제( RoHS )와 무연 대응 

하스텔로이는 제조 공정에서 의도적으로 납을 첨가하지 않기 때문에 납 함유량을 엄격하게 제한하고 있는 EU의 환경 규제(RoHS)에 적합한 무연 재료입니다. 「납 함유 재료는 사용할 수 없지만, 엄격한 부식 조건도 클리어하고 싶다」라고 하는 상황에서, 하스텔로이는 성능과 환경 적합을 양립하는 유효한 선택사항이 됩니다.

단, 무연 대신 가공이 어려워진다는 트레이드오프도 존재하기 때문에 설계·개발 시 주의가 필요합니다. 

하스텔로이의 특성 

기계적 특성 

하스텔로이는 니켈을 주성분으로 하는 오스테나이트계 합금으로 매우 높은 인성과 연성을 가집니다. 주요 기계적 특성은 다음과 같습니다.

상온에서는 비교적 부드럽고 인장 강도는 스테인레스강(SUS304)보다 높지만, 인코넬 718과 같은 시효 경화형 니켈기 초합금과 비교하면 돌출되어 높은 것은 아닙니다.

구조용 재료에는 적합하지 않으며 부식이나 열로부터 보호하기 위한 용기나 보호재로 사용되는 것이 기본입니다.

물리 및 화학적 특성 

높은 내식성은 하스텔로이 최대의 특징입니다. 니켈에 크롬이나 몰리브덴을 첨가하여 염산이나 황산 등의 강산, 또한 산화성, 환원성 모두의 환경에 매우 강한 내성을 가집니다. 스테인레스강을 싫어하는 염화물 이온에 의한 공식이나 응력 부식 균열에 강합니다. 표면 처리 없이 부식성 약품 용기 등에 사용할 수 있습니다.

녹는점이 1270~1390℃로 내열성도 높은 것이 특징입니다. 물리적으로는 철이나 스테인레스보다 무거워 열을 전달하기 어려운(열전도율이 낮음) 성질이 있으므로 절삭 가공 시 공구에 열이 머무르기 쉬운 점에 주의해야 합니다.

하스텔로이의 장점 

• 뛰어난 내식성
  하스텔로이의 가장 큰 장점은 남다른 내식성에 있습니다. 산, 염기, 염소 이온 등 스테인레스강으로는 대응할 수 없는 폭넓은 부식 환경에서 장기간 안정적으로 사용할 수 있기 때문에 화학 플랜트 등에서 유지보수 간격을 대폭 연장할 수 있습니다.
   
• 고온 환경에서의 사용
  종류에 따라 다르지만 600℃ 이상의 고온에서도 강도와 내식성을 유지하고 일부 합금은 1100℃급 내열성을 갖습니다. 제트 엔진이나 가스 터빈 등, 고온과 부식성이 강한 환경에서 성능을 발휘합니다. 
• 표면 처리 불필요와 가공성
  내식성이 매우 높기에 도금이나 도장 등의 방청 처리가 필요 없습니다. 비용 삭감이나 납기 단축으로 이어집니다. 난삭재이기는 하지만 용접이나 절곡 가공도 가능하기에 다양한 형상으로 이용 가능합니다. 
• 높은 신뢰성과 환경 규제 적합
  저온에서 고온까지 잘 깨지지 않는 성질을 가지며 압력 용기 등 높은 신뢰성이 요구되는 부품에 매우 적합합니다. 유해한 납을 포함하지 않기 때문에 RoHS 지령 등 국제적인 환경 규제에도 적합합니다. 

하스텔로이의 단점 

다음으로 하스텔로이의 단점에 대해 알아보겠습니다. 

• 고액의 재료 비용
  니켈이나 몰리브덴과 같은 레어 메탈을 다량으로 포함하고 있기 때문에 원재료 가격이 스테인레스강의 몇 배 이상으로 비쌉니다. 용해, 주조에도 특수한 공정이 필요하고 제조 비용도 높아지기 때문에 부품 단가는 일반 재질보다 한 자릿수 이상 높아집니다.
• 가공의 어려움과 높은 가공비
  「난삭재」의 대표격으로 절삭 및 연삭이 매우 어렵습니다. 공구의 마모가 심하고 가공에 고도의 노하우와 긴 시간을 필요로 하기 때문에 가공 비용도 스테인레스의 몇 배 이상이 될 수 있습니다. 
• 평범한 물리적 강도
  뛰어난 내식성이나 내열성에 비해 강도 자체는 중간 정도입니다. 반복 하중을 견디는 피로 강도나 고온에서 장시간 하중을 견디는 크리프 강도는 높지 않기 때문에 프레임이나 볼트와 같은 구조 부재에는 적합하지 않습니다. 
• 입수성과 중량의 문제
  특수한 재료이기 때문에 범용재만큼 유통량이 많지 않아 필요할 때 바로 구할 수 없는 경우가 있습니다. 철보다 비중이 크고 무거워지기 때문에 경량화가 요구되는 설계에는 불리합니다. 

하스텔로이와 스테인레스 강, 인코넬의 차이 

하스텔로이와 스테인레스강(SUS316), 인코넬과의 차이에 관해 아래 표로 정리합니다.

하스텔로이의 주요 용도·적용 사례 

하스텔로이는 뛰어난 내식성과 내열성으로 인해 다른 재료에서는 내구성이 부족한 가혹한 환경에서 사용됩니다. 주요 업계별 용도는 다음과 같습니다.

하스텔로이의 가공 종류와 포인트 

절삭 가공(기계 가공)의 포인트 

하스텔로이는 「난삭재의 왕자」라고도 불리며 절삭 가공에는 많은 어려움이 따릅니다. 주된 이유는 이하의 4가지입니다.

• 고온에서도 강도가 잘 떨어지지 않아 절삭 저항이 크고 공구에 부하가 크다

• 가공 경화가 쉽고, 한번 절삭한 면이 경화되어 다음 가공이 어렵다

• 열전도율이 낮아 절삭열이 공구의 날 끝에 집중되어 공구의 마모나 결손이 빠르다

• 칩이 공구에 용착되기 쉽고, 가공 정밀도 및 마감면의 품질이 저하된다

위의 기재된 과제를 극복하기 위해서는 충분한 냉각, 강성이 높은 가공 설비, 그리고 절삭 속도나 공구 재질과 같은 가공 조건의 최적화 등 고도의 기술과 노하우가 요구됩니다.

용접 포인트 

절삭 가공의 어려움과는 대조적으로 하스텔로이의 용접성은 양호합니다. 개발 단계에서 용접 깨짐의 원인이 되는 탄소나 규소의 함유량을 극한까지 감소하고 있기 때문입니다. TIG 용접이나 MIG 용접과 같은 일반적인 방법으로 접합할 수 있으며, 전용 용가재도 시판되고 있습니다.

최고의 내식성능을 이끌어내기 위해서는 용접 후에 「용체화 열처리」를 실시하여 용접으로 생긴 내부응력이나 유해한 석출물을 제거하는 것이 권장됩니다. 작업상의 요령은 예열을 하지 않고 저입열로 빠르게 용접하는 것입니다. 난삭재의 이미지와는 달리 용접으로 곤란한 것은 비교적 적은 재료라고 할 수 있습니다.

소성가공(단조·성형)의 포인트 

하스텔로이의 소성 가공(단조, 프레스, 절곡 등)은 열간 및 냉간 모두 엄격한 관리가 요구됩니다. 열간 가공에서는 적정한 가공 온도 범위가 다른 합금에 비해 좁아 온도가 너무 낮든 너무 높든 깨지거나 조직의 열화로 이어지기 때문에 정밀한 온도 관리가 필수입니다. 가공 후에는 반드시 용체화 열처리를 실시하여 내식성과 연성을 회복시켜야 합니다.

냉간 가공에서는 가공 경화가 현저하기 때문에 큰 변형을 가하는 경우 중간에 「중간 열처리」을 여러 번 끼우는 것이 필수적입니다. 적절한 온도 관리와 단계적인 가공, 요소에서의 열처리가 하스텔로이의 소성 가공을 성공시키는 열쇠가 됩니다.

정리 

하스텔로이는 니켈기의 내식·내열 합금으로서 반세기 이상에 걸쳐 실적을 쌓아 온 신뢰성이 높은 재료입니다. 본 기사에서는 하스텔로이에 대해 특성이나 장점, 단점, 용도나 가공시의 주의점을 해설했습니다. 극한 환경에서 힘을 발휘하는 재료이기 때문에, 특징을 알아 두는 것은 불가결합니다.

이번 내용에서 소개한 내용을 참고하여 하스텔로이의 특성을 올바르게 이해하고 적재적소에서 활용하세요.