SUS630은 고강도와 내식성을 겸비한 석출 경화계 스테인레스강(17-4PH)입니다. 설계·개발 담당자가 SUS630을 능숙하게 사용하기 위해서는 특성이나 가공상의 주의점을 이해해 두어야 합니다. 특히, 최대의 특징인 「열처리」로, 강도와 인성을 어떻게 제어할 수 있는지도 포인트입니다.
본 내용에서는 SUS630이란 무엇인가, 기계적·물리적 특성, 장점·단점, 구체적인 용도 예, 게다가 가공 방법의 포인트까지, 알기 쉽게 해설합니다. 재료 선정을 담당하는 설계·개발 담당자는 꼭 끝까지 봐 주세요.
목차
SUS630의 정의
SUS630은 석출 경화계 스테인레스강의 일종입니다. 열처리에 의해 특성을 크게 향상시킬 수 있는 특징을 가지고 있습니다. SUS630의 화학성분은 다음과 같으며, 크롬과 니켈 외에 구리와 니오브를 함유하는 특수한 합금입니다.
단위 %
| C | Si | Mn | P | S | Ni | Cr | Cu | 기타 |
| 0.07 이하 | 1.00 이하 | 1.00 이하 | 0.040 이하 | 0.030 이하 | 3.00~5.00 | 15.00～17.50 | 3.00~5.00 | Nb 0.15~0.45 |
고온에서의 고용화 열처리 후 비교적 저온의 석출 경화처리를 함으로써 구리의 미세입자가 석출하여 조직을 경화시켜 매우 높은 강도를 발현합니다.
영어 이름인 「17-4PH」는 이 화학성분과 Precipitation Hardening(석출경화)에서 유래했습니다. 마르텐사이트 계열의 조직을 가지기 때문에 자성이 있어, 고강도와 SUS304에 버금가는 뛰어난 내식성을 양립할 수 있는 것으로부터, 항공 우주 분야로부터 정밀 기기까지 널리 이용되고 있습니다.
SUS630과 SUS304의 비교
대표적인 스테인레스강 SUS304의 화학성분은 다음과 같습니다.
단위 %
| C | Si | Mn | P | S | Ni | Cr | 모 | Cu | N |
| 0.08 이하 | 1.00 이하 | 2.00 이하 | 0.045 이하 | 0.030 이하 | 8.00~10.50 | 18.00~20.00 | – | – | – |
SUS630과 SUS304의 주요 특성 차이는 다음과 같습니다.
| 강도 | SUS630＞SUS304
SUS630은 석출경화처리에 의해 인장강도 1,300N/mm2 이상에 달한다. |
| 내식성 | SUS630＜SUS304
일반적인 환경에서는 동등한 수준이지만 응력 부식 균열의 위험은 SUS304 쪽이 낮고 안정적이다. |
| 가공성과 용접성 | SUS630＜SUS304
연성이 풍부한 SUS304가 우위. |
| 자성 | SUS630＞SUS304
SUS630이 자성을 가지는 반면, SUS304는 원칙 비자성
|
| 비용 | SUS630＞SUS304
SUS630은 원재료에 특수원소를 포함해 제조도 어렵기 때문에 SUS304보다 가격은 비싸다. |
SUS630의 특성
SUS630은 열처리 조건에 따라 특성이 다릅니다. 조건별로 아래와 같이 기호가 할당되어 있습니다.
| 종류 | 기호 | 조건 |
| 고용화 열처리 | S | 1020~1060℃에서 급냉 |
| 석출 경화 처리 | H900 | 470~490℃에서 급냉 |
| H1025 | 540~560℃에서 급냉 | |
| H1075 | 570~590℃에서 급냉 | |
| H1150 | 610~630℃에서 급냉 |
※고용화 열처리 및 석출 경화처리 이외의 열처리가 수도당사자간에 협정될 수 있다.
이러한 조건을 근거로 하여 이하의 3가지 특성을 살펴봅시다.
- 기계적 특성
- 물리적 특성
- 내식성
SUS630의 기계적 특성
SUS630의 가장 큰 특징은 열처리를 통해 기계적 특성을 폭넓게 조정할 수 있다는 점입니다. SUS630의 기계적 특성은 다음과 같이 제시되어 있습니다.
| 열처리 기호 | 내력 N/mm² | 인장 강도 N/mm² | 신장 % | 조리개 % | 경도 HBW | 경도 HRC | 경도 HV |
| S | – | – | – | – | 363 이하 | 38 이하 | 383 이하 |
| H900 | 1175 이상 | 1310 이상 | 10이상 | 40이상 | 375 이상 | 40이상 | 396 이상 |
| H1025 | 1000 이상 | 1070 이상 | 12이상 | 45 이상 | 331 이상 | 35 이상 | 350 이상 |
| H1075 | 860 이상 | 1000 이상 | 13이상 | 45 이상 | 302 이상 | 31 이상 | 320 이상 |
| H1150 | 725 이상 | 930 이상 | 16이상 | 50이상 | 277 이상 | 28이상 | 292 이상 |
SUS630은 고용화 처리만 된 상태에서도 경도가 HRC38 이하로 비교적 경질입니다. 석출 경화 처리를 실시하면 더욱 경화하는 한편, 신장이나 조리개와 같은 인성은 H900에서 10% 이상, H1150에서는 16% 이상 확보되었습니다. 이 클래스의 강도를 가진 재료로서는 인성도 양호합니다.
SUS630의 물리적 특성
SUS630의 주요 물리적 성질은 다음과 같습니다.
| 물성 | 단위 | |
| 비중 | – | 7.78 |
| 열팽창 계수 | ×10⁻⁶/K | 10.8 |
| 열전도율 | W/m·K | 16.3 |
| 비열 | J/g・K | 0.46 |
| 전기 비저항 | μΩ·cm | 98 |
| 세로 탄성 계수
(영률) |
N/mm² | 192,000 |
| 자성 | – | 있음 |
SUS630의 비중은 SUS304 등과 같은 정도이며, 열전도성은 순철이나 탄소강에 비해 낮습니다. 또한 온도 변화에 따른 치수 변화도 일반적인 스테인레스강의 범위 내입니다.
SUS630은 석출경화처리온도가 비교적 저온에서 이루어지기 때문에 처리 중 조직응력에 의한 왜곡이 작고 대형부품이나 길쭉한 샤프트에서도 열처리 후 치수변화나 변형이 생기기 어렵다는 이점도 있습니다.
SUS630의 내식성
SUS630은 스테인레스강이기 때문에 기본적으로 내식성이 뛰어나고 녹이 잘 슬지 않는 재료입니다. 오스테나이트계의 SUS304만큼 부식 환경 내성은 높지 않지만 순수한 마르텐사이트계 강보다는 훨씬 녹에 강하고 일반적인 습도 환경이나 경도의 약품 환경 하에서 충분한 내식성을 나타냅니다.
바닷물과 같은 고염분 환경에서는 주의가 필요하지만, 그래도 고강도를 요하는 용도로 부식에 신경 쓰지 않고 사용할 수 있는 점은 큰 장점입니다. 니오브의 첨가는 내식성 향상에도 기여하고 있으며, 석출 경화계이면서 내식성과 고강도를 양립하고 있습니다.
SUS630의 장점
SUS630을 부재로 사용하는 주요 장점은 다음과 같습니다.
- 열처리에 의한 특성 조정이 가능
- 고강도와 인성의 양립
- 내식성이 뛰어남
열처리에 의한 특성 조정이 가능
SUS630이 가지는 가장 큰 장점은 열처리 조건에 따라 기계적 특성을 조정할 수 있다는 점에 있습니다. 석출 경화 처리의 온도와 시간을 변경함으로써 하나의 재료에서 다양한 성능을 끌어낼 수 있습니다. 예를 들어 강도와 경도를 요구하는 경우에는 저온에서의 석출경화처리(H900)를 실시하여 인성이나 내응력 부식균열성을 우선한다면 고온에서의 석출경화처리(H1150)를 이용하는 조정이 가능합니다.
강도와 인성의 트레이드오프 관계를 컨트롤할 수 있다는 점은 부품의 요구 성능에 최적의 상태를 만들 수 있음을 의미합니다. 또, 열처리 온도가 비교적 저온이기 때문에, 정밀 가공 후의 최종 공정으로서 열처리를 실시해도 치수 변화가 작고, 고정밀인 부품 제조에도 적합합니다
고강도와 인성의 양립
SUS630은 단지 딱딱할 뿐만 아니라, 끈기인 인성을 높은 레벨로 양립시키고 있는 재료입니다. 일반적으로 금속재료는 강도를 높이면 취약해지는 경향이 있는데, SUS630은 H900처리로 인장강도 1310N/mm² 이상이라는 높은 강도를 나타내면서 파단에 이르기까지의 변형의 용이성을 나타내는 신장을 10% 이상 확보하고 있습니다.
이것에 의해 고하중이 걸리는 부품에 있어서도, 갑작스런 취성 파괴를 일으킬 위험이 저감됩니다. 한층 더 인성이 요구되는 용도에서는, H1150 처리를 선택하면 신장을 16%이상으로 향상시키는 것도 가능합니다. 뛰어난 강도와 인성의 균형이 항공기 부품과 금형 등 극한의 신뢰성이 요구되는 분야에서 채택되는 이유입니다.
내식성이 뛰어난
합금 공구강이나 담금질한 탄소강의 대부분은 고강도이지만 녹슬기 쉬운 약점을 안고 있습니다. 그러나 SUS630은 스테인레스강의 일종이기 때문에 소재 자체가 뛰어난 내식성을 가지고 있습니다. 방청을 목적으로 한 도금 및 도장 처리를 생략할 수 있으므로 비용 절감 및 제조 공정의 간략화가 가능합니다.
내식성 레벨은 대표적인 SUS304와 거의 동등하며, 일반적인 옥외 환경이나 화학약품을 접하는 환경에서도 충분한 성능을 발휘합니다. 녹에 강한 고강도 강철이라는 특성은 특히 식품기계나 화학플랜트, 해양 관련 기기 등 깨끗함과 유지보수성이 중시되는 분야에서 매우 가치가 있습니다.
SUS630의 단점
용접성에 대한 주의
SUS630의 성능을 유지하면서 용접을 하려면 엄격한 공정관리가 필수적입니다. 기본 원칙은 「고용화 열처리 상태의 부드러운 재료끼리 용접하고, 그 후, 부품 전체를 소정의 조건으로 석출 경화 처리한다」는 것입니다.
석출 경화 처리로 경화된 상태의 부품을 용접하면 용접열에 의해 열 영향부분이 연화되어 그 부분만큼 강도가 저하되는 원인이 됩니다. 또한 냉각 과정에서 조직이 변화하여 균열이 발생할 위험도 높아집니다.
따라서 설계 단계부터 가급적 용접이 필요 없는 구조를 검토합시다. 부득이 용접할 경우 용접 후 전체 열처리를 제조 공정에 반드시 포함시켜야 합니다.
가공성이 다른 스테인레스강에 비해 떨어진다
SUS630은 고강도, 고경도이기에 기계 가공의 용이성(피삭성)이 떨어지는 것이 단점입니다. 열처리 전 고용화 열처리 상태에서조차 HRC 38 정도의 경도를 가지기 때문에 절삭 시의 저항이 크고 공구의 마모가 빨라집니다.
따라서 가공의 정석으로서 석출 경화 처리 전에 황가공에서 중마감까지를 먼저 실시하고, 열처리 후에 연삭이나 방전 가공 등으로 최종적인 치수로 마무리하는 순서를 취할 수 있습니다. 석출경화 처리 후에는 HRC 40이상에 이르러 절삭가공은 매우 곤란해지기 때문에 가공순서의 계획이 매우 중요합니다. 이 가공의 어려움이 다른 재료로부터의 교체를 검토할 때 장벽이 되는 경우도 있습니다.
응력 부식 균열의 위험
고강도 SUS630은 특정 조건 하에서 「응력 부식 균열(SCC)」을 일으킬 위험을 안고 있습니다. SCC는 높은 인장응력이 걸린 상태에서 부식환경(특히 해수나 염소계 약품 등 염화물 이온이 존재하는 환경)에 노출됨으로써 발생하여 재료가 취성적으로 파괴에 이르는 현상입니다.
특히 강도를 최대화한 H900 처리 상태는 이 리스크가 가장 높아지기 때문에 보다 인성이 높은 H1150 등의 고온 석출경화 처리를 실시하거나 설계상의 응력을 낮게 억제하여 대책을 마련합니다. 해양 구조물이나 화학 플랜트 등 엄격한 부식 환경에서 사용하는 경우는, 이 SCC 리스크에 주의합시다.
SUS630의 용도
SUS630은 뛰어난 기계적 특성과 내식성 때문에 높은 신뢰성이 요구되는 다양한 산업 분야의 중요 부품에 채용되고 있습니다. 아래에 대표적인 용도를 산업별로 나타냅니다.
| 산업 | 용도 |
| 항공기·우주산업 | 고강도와 내식성으로 착륙 장치 및 엔진 부품, 구조체에 이용. 경량화와 높은 신뢰성을 양립해, 안전한 항행을 지지한다. |
| 석유·화학 플랜트 | 부식성 유체나 고압에 견디는 밸브나 펌프 샤프트· 굴착 장치 부품 등에 채택. 내식성으로 설비의 수명 연장에 공헌. |
| 정밀기기・치공구 | 고경도와 치수 안정성으로 수지 성형 금형이나 정밀 샤프트, 치공구에 채용. 내마모성이 우수하여 제품의 품질과 수명을 향상시킨다. |
| 자동차부품(고하중부위) | 레이스 차량등의 터보 차저의 샤프트나 고압 연료 펌프 부품에 사용. 소형 경량화와 가혹한 환경에서의 내구성 실현. |
SUS630의 가공 종류와 설계 포인트
SUS630의 뛰어난 성능을 최대한 발휘하기 위해서는 그 가공방법을 올바르게 이해하고 적절하게 관리하는 것이 필수적입니다. 주요 가공 종류별 포인트를 이하에 정리합니다.
| 가공 종류 | 포인트 |
| 절삭 가공 | SUS630은 단단하고 질기기에 난삭재로 분류된다. 열처리 후의 가공은 지극히 곤란하므로, 가공은 반드시 열처리 전(고용화 열처리 상태)에 실시하고, 열처리 후에 연마 등으로 최종 마감하는 것이 기본. |
| 용접 가공 | 용접은 고용화 열처리 상태의 용접 모재에 실시하고, 용접 후에 부품 전체를 석출 경화 처리하는 것이 원칙. 경화된 상태에서의 용접은 강도 저하나 깨짐의 원인이 되기에 피한다. 적절한 용가재와 공정 관리가 불가결. |
| 열처리 및 석출 경화 | 고용화 열처리 후 H900 등의 석출 경화 처리로 경화시킨다. 온도가 낮은 H900일수록 강도·경도가 최대가 되고 인성이나 연성은 저하된다. 석출 경화 처리로 수축하기에 정밀 가공에서는 수축대를 미리 예상하여 가공할 필요가 있다. |
정리
SUS630은 고강도, 뛰어난 내식성, 열처리에 의한 특성 조정 능력이라고 하는, 설계자에게 있어서 매력적인 3개의 특성을 높은 레벨로 양립시킨 고기능 스테인레스강입니다. H900 처리로 얻을 수 있는 압도적인 강도부터 H1150 처리로 얻을 수 있는 뛰어난 인성까지 요구 성능에 따라 최적의 상태를 선택할 수 있습니다.
한편, SUS630의 잠재력을 최대한으로 끌어내기 위해서는 가공·용접의 어려움이나 응력부식 균열의 위험과 같은 주의점을 올바르게 이해해야 합니다. 본 내용에서 설명한 특성과 포인트를 바탕으로 SUS630의 성능을 이끌어내 제품 설계에 활용해 주십시오.
