강도와 내부식성의 양립을 요구할 때, 적절한 재료의 하나로서 가장 먼저 제안 하는 것이 스테인레스 재질입니다. 이번은 스테인레스 재질 중에서도 특히 정통적인 SUS304를 중심으로, 그 특징이나 다른 스테인레스 재질과의 차이, 그리고 설계상 고려하는 점에 대해 해설합니다.
목차
SUS304의 기본 개요
SUS304는 스테인레스 재질의 대표적인 종류입니다만, 다시 그 특징을 해설합니다. 또한 SUS304와 비슷한 스테인레스 소재 인 SUS304L과의 차이, 즉 “L”의 의미에 대해서도 언급합니다.
SUS304란?
스테인레스 재료는 크게 다음 세 가지로 나뉩니다.
- 마르텐사이트계：SUS410, SUS403, SUS630 등
- 오스테나이트계: SUS303, SUS304, SUS316 등
- 페라이트계：SUS430 등
SUS304는 오스테나이트계로 분류되어 탄소를 0.15% 이하, 크롬을 16~18%, 그리고 니켈을 8% 이상 포함하는 재료입니다.
스테인레스의 어원은 stainless이며, 녹슬기 어려운 이유는 철을 주성분으로 하여 크롬(Cr)을 10.5% 이상 포함하기 때문입니다. 크롬이 철보다 먼저 산화되어 부동태 피막이라고 불리는 막을 표면에 형성합니다. 이 막이 표면을 지키기 때문에 높은 내식성을 실현하고 있습니다.
SUS304와 SUS304L의 차이
SUS304와 SUS304L의 차이는 탄소 함량입니다. SUS304의 탄소 함유량은 0.08% 이하입니다만, SUS304L은 0.03% 이하가 되고 있습니다. 그렇기에 SUS304L의 “L”은 low carbon이라는 의미입니다.
탄소 함량이 재료에 미치는 성질의 차이로는 다음 두 가지가 있습니다.
- 사용 환경의 한계 온도
- 예민화
일반적으로 탄소 함량이 많을수록 고온 환경에서 강도가 높고 사용 한계 온도가 높아집니다. 예를 들어, SUS304에서는 525℃(탄소 함유량이 0.04% 이상인 경우 800℃)까지 사용할 수 있습니다만, SUS304L은 425℃ 정도까지 밖에 사용할 수 없습니다.
또한 예민화란 크롬 농도가 13% 미만으로 내식성이 급격히 저하되는 현상입니다. 부적절한 열 이력 등에 의해 결정 입계(결정과 결정의 경계)에 불순물인 탄소가 존재함으로써 탄소가 크롬과 결합하여 탄화물을 생성합니다. 예민화에는 탄소가 필요하기 때문에 SUS304에 비해 SUS304L 쪽이 예민화하기 어렵습니다.
SUS304의 특징
SUS304의 장점
SUS304의 장점은 균형의 좋은 점입니다. 내부식성이 높고, 수분이나 약액(황산이나 염산을 제외한다)에 강한 것이 특징입니다. 고온에서도 높은 강도를 나타내는 것이나, 유통량이 많아, 스테인레스 재질 중에서는 비교적 저렴하다는 장점도 있습니다.
SUS304의 단점
일부의 특성에 간추려서 생각하면 다른 스테인레스 재질에 장점이 있는 경우도 있습니다. 예를 들면, 해수 등보다 조건이 나쁜 환경에는 같은 오스테나이트계의 SUS316이 낫다고 보여집니다. 또한 가격은 페라이트 계열의 SUS430이 저렴합니다.
SUS304에 사용되는 가공법과 사용예
SUS304는 재료 특성의 높이가 특징입니다만, 각각의 가공에 대해서는 주의해야 할 포인트가 있습니다.
용접
SUS304는 철을 포함한 재료이므로 용접이 가능합니다. 단, 용접시 사용하는 재료(용접봉이나 용접 와이어)에 대해서 주의가 필요합니다.
아크 용접봉에는 NC-38, 용접 와이어에는 SW-308, TIG봉에는 TG-S308과 38 혹은 308과 숫자가 붙은 것을 사용합니다. 주의가 필요한 부분으로서 SUS316은 36 또는 316 숫자가있는 것을 사용하지만 SUS304에는 34 또는 304 숫자가 있는 재료가 없습니다.
용접을 실시한 SUS304는 각종 주방 설비나 가정용 싱크, 가스 용기(가스 봄베) 등에 사용됩니다.
용접된 표면은 원래 상태만큼 깨끗하지 않습니다. 그 때문에, 일정 방향으로 헤어 라인이라고 불리는 머리카락과 같은 가는 선이 붙은 표면 처리를 실시합니다. 덧붙여서 헤어 라인 가공을 한 SUS304를 「SUS304-HL」(HL이란 헤어 라인)이라고 표기합니다.
표면 처리
스테인레스 재질의 표면 처리에는 여러가지가 있습니다만, 대표적인 것으로서 다음의 3개를 들 수 있습니다.
- SUS304-2B ※표면 미처리
- SUS304-HL
- SUS304 #400
SUS304-2B는 표면이 처리되지 않은 상태이므로 생산 설비의 스테이 등 의장성이 필요 없는 부품에 사용합니다. 또한 SUS304-HL은 헤어 라인 가공되어 다소 광택이 있기 때문에 생산 설비의 아우터 패널이나 주방 설비 등에 사용됩니다. 그리고 SUS304 #400은 한면을 버프 연마로 하여 경면으로 완성하는 것으로 매우 의장성을 높게 하고 있기에 건축 재료나 고급 싱크 등에 사용됩니다.
이러한 표면 처리는 기본적으로 SUS304에 적용됩니다.
절삭
절삭 가공의 경우 SUS304는 단단하고 끈적거림(인성)이 있기 때문에 절삭성은 그다지 좋지 않습니다. 그러나 밀링 머신이나 머시닝 센터에 의한 가공은 가능합니다. 단, 오스테나이트계 스테인리스의 특징인 가공 경화에 주의가 필요합니다.
가공 경화란 가공시(절삭시)에는 경도나 강도가 점차 높아지므로 결과적으로 취약해집니다. 이는 가공 시 발생하는 표면의 열로 인해 오스테나이트 조직이 마르텐사이트 조직으로 변화함에 따라 발생합니다. 덧붙여서 페라이트계 스테인리스나 마르텐사이트계 스테인리스에서는 가공 경화는 일어나지 않습니다.
절삭 가공된 SUS304는 생산 설비의 복잡한 형상을 가진 부품이나 정밀한 가공이 필요한 베이스 플레이트 등에 사용됩니다.
SUS304를 사용한 설계 고려 사항
SUS304를 사용하여 설계하는 경우 적절한 재료 선택, 비용 효율성 및 환경 배려에 주의 해야 합니다.
재료 선정
SUS304는 특성의 밸런스가 좋은 재료이지만, SUS316에 비해 내식성이 뒤떨어지거나, 마르텐사이트계 스테인레스 재질에 비해 경도가 뒤떨어지거나, 다른 스테인레스 재질에 뒤떨어지는 부분이 있습니다. 따라서 설계에서 스테인레스 스틸을 사용하는 경우 사용 환경에서 무엇을 우선하는지 잘 생각해야 합니다.
비용 효율
SUS304는 내구성이 높기 때문에 장기간 사용할 수 있으며 비용 효율적인 경향이 있습니다. 단, 사용 환경에 따라서는 도장을 한 SS400에서도 견딜 수있는 경우도 있습니다. SUS304를 사용하면 비용 효율이 높아지지만, 추가로 밟는다면 SUS304 이외의 재료에서도 사용할 수 있는지 검토해도 좋을지도 모릅니다.
환경에 대한 배려
금속재료는 일반적으로 재활용성이 우수하며 스테인레스 재질도 예외는 아닙니다. SUS304는 장기 사용에 견딜 수 있는 재료이지만, 장치의 수명이나 생산 라인의 사양 변경에 의해 폐기되는 경우도 있습니다. 이러한 경우에도 재활용성이 높은 SUS304를 사용함으로써 환경 부하의 절감에 공헌할 수 있습니다.
정리
스테인레스 재질에는 다양한 종류가 있지만 SUS304는 그 중에서도 균형 잡힌 특성을 가지고 있습니다. 비교적 유통량이 많아 스테인레스 재질 중에서는 저렴한 경향이 있기 때문에 사용하기 쉬운 재료입니다.
그러나, 내부식성이나 경도, 절삭성 등 국소적인 특성만을 생각하면 SUS304 이외의 스테인레스 재질이 뛰어나는 경우도 있습니다.
장비 설계 및 사용 환경에서 요구되는 사항을 정리하고 적절한 스테인레스 재질을 사용하십시오.
