스테인레스강 SUS440C는 열처리 후 HRC 58~60의 탁월한 경도와 내마모성을 발휘하여 베어링 구, 베어링, 날붙이, 측정기 등 가혹한 마모 환경의 용도에 필수적인 재료입니다. 그러나 고경도의 대가로서 가공성이 낮고 충격에 대해 취약하기 때문에 설계 단계부터 후가공이나 마무리 공정까지 내다본 제조 계획을 세우지 않으면 트러블의 원인이 될 수 있습니다.
본 내용에서는 SUS440C의 기본적인 특성부터 장점·단점, 다른 재료와 비교한 선정의 포인트까지를 해설합니다. 소개하는 내용을 참고하여 적재적소에서 사용하여 제품의 성능을 최대한 끌어냅니다.
목차
열처리 재료 SUS440C의 정의
SUS440C는 마르텐사이트계 스테인레스강의 일종입니다. 열처리를 통해 공구강에 버금가는 경도를 실현할 수 있기 때문에 「열처리재」라고도 불립니다. SUS440C의 화학성분은 다음과 같습니다.
단위 %
| C | Si | Mn | P | S | Ni | Cr | Mo | Pb |
| 0.95~1.20 | 1.00 이하 | 1.00 이하 | 0.040 이하 | 0.030 이하 | a) | 16.00~18.00 | b) | – |
a) Ni는 0.60%를 초과해서는 안 된다.
b) Mo는 0.75%를 초과해서는 안 된다.
SUS440C가 스테인레스강 중 가장 높은 경도를 실현할 수 있는 것은 강재의 경도를 결정짓는 탄소 함유량이 약 0.95~1.20%로 매우 높기 때문입니다. 단, 열처리 전의 「어닐링」 상태에서는 가공성이 우수한 반면 성능은 평범합니다. 적절한 열처리를 통해 비로소 그 진가를 발휘합니다.
SUS440C의 특성
SUS440C의 성능을 이해하기 위해 다각도로 특성을 파악합시다. 여기에서는 이하의 3가지 시점에서 SUS440C의 특성에 대해 해설합니다.
- 기계적 특성
- 물리적 특성
- 내식성
각 특성에 대해서 자세히 살펴보도록 하겠습니다.
SUS440C의 기계적 특성
SUS440C의 가장 큰 특징은 열처리 후 얻을 수 있는 매우 높은 기계적 강도입니다. 적절하게 열처리 및 열처리하여 비커스 경도로 약 HV653 이상(HRC58 이상)에 이릅니다. 이 경도는 일반적인 스테인레스강 SUS304의 값을 크게 상회하여 스테인레스강 중에서 가장 높은 수치입니다. 또한 인장강도와 0.2% 내력도 높은 수치를 나타내고 있으며, 높은 부하에서도 변형이 잘 일어나지 않는 것도 특징입니다.
높은 강도와 경도에 의해 접촉 하중이 큰 부품이나 마모되기 쉬운 부위에서 압도적인 성능을 발휘합니다. 단, 높은 경도와 맞바꾸어 연성이나 인성이 낮은 경향이 있어 충격에 대해 취약한 성질을 가지기 때문에 설계 시에는 주의가 필요합니다.
SUS440C의 물리적 특성
SUS440C의 주요 물리적 특성은 다음과 같습니다.
| 비중 | 열팽창 계수 | 세로 탄성계수(영률) | |
| 7.78 | 10.2×10⁻⁶/℃ | 199920 N/mm² | 20400 Kgf/mm² |
SUS440C의 비중은 7.75이며, 일반적인 철강 재료와 거의 같은 값입니다. 열팽창계수는 오스테나이트계 스테인레스 SUS304(17.3×10 ⁻⁶/℃)와 비교하면 작은 값으로 나타나 온도변화에 따른 치수변화가 적은 것을 이해할 수 있습니다.
또한 마르텐사이트계 스테인레스강인 SUS440C는 전기적으로 강한 자성을 나타내기에 자성이 필요하지 않는 용도에는 적합하지 않습니다. 열전도율은 SUS304와 비교하면 높지만, 탄소강보다는 낮고, 가공 시 절삭열이 쌓이기 쉬운 한 요인이 되므로 주의가 필요합니다.
SUS440C의 내식성
크롬을 약 16~18% 함유하는 SUS440C는 표면에 부동태 피막을 형성하기 때문에 스테인레스강으로서 녹이 잘 슬지 않는 성질을 가집니다. 일반적인 탄소강이나 공구강과 비교하여 우수한 내식성을 나타내어 물이나 대기 중에서는 쉽게 녹슬지 않습니다.
다만 SUS440C는 탄소 함유량도 많기 때문에 전체 스테인레스강 중에서 볼 때 내식성은 높은 편은 아닙니다. 열처리 시 크롬 탄화물이 생성되어 크롬 농도가 저하되기 때문입니다. 특히 SUS304나 SUS316 같은 오스테나이트 계열과 비교하면 내식성이 떨어집니다.
또, 염화물 이온을 포함한 환경(해수 등)이나 산성 환경에서는 부식이 진행되기 쉽기 때문에, 사용 환경은 신중하게 선택하지 않으면 안됩니다.
SUS440C의 장점
높은 경도·내마모성
SUS440C를 채택하는 가장 큰 장점은 스테인레스강 중 최고 수준을 자랑하는 높은 경도입니다. HRC 58 이상에 달하는 경도가 가져오는 우수한 내마모성은 부품의 수명 연장으로 이어집니다. 구체적으로는 이하의 장면에서 편리합니다.
- 베어링의 볼이나 레이스(궤도 바퀴)
접촉면의 마모나 압흔을 방지하고, 고하중에서도 부드러운 회전을 장기간 유지할 수 있다.
- 날붙이
날카로운 절삭력이 마모되지 않고 오래 지속됩니다
- 게이지 블록과 같은 측정 공구
표면에 흠집이 잘 나지 않기 때문에 형상 정밀도를 유지할 수 있다.
이처럼 마찰이나 마모가 문제되는 가혹한 환경에서 SUS440C는 다른 스테인레스강으로는 실현 불가능한 내구성을 발휘합니다.
고강도・고하중 내성
SUS440C의 장점은 경도뿐이 아닙니다. 높은 인장 강도와 0.2% 내력을 겸비하므로 큰 하중이 가해지는 부품에도 안심하고 적용 가능합니다. 부품이 하중을 받아도 쉽게 변형되지 않으며 높은 강성을 확보할 수 있어 동일한 강도를 유지하면서 부품의 단면적을 작게, 즉 소형화·경량화 설계가 가능한 큰 이점으로 이어집니다.
구체적으로는 강한 힘이 드는 샤프트나 높은 조임 토크가 필요하고 방청성도 요구되는 볼트 등에 매우 적합합니다. 지금까지 공구강에 의존할 수밖에 없었던 높은 부하 부품을 보다 녹이 잘 슬지 않는 스테인레스로 실현할 수 있다는 점이 SUS440C의 강점입니다.
고온에서도 강도 저하가 발생하기 어렵다.
SUS440C는 어느 정도의 고온 환경에서도 경도를 유지할 수 있는 뛰어난 내열성도 갖추고 있습니다. 이는 소환처리에 의해 조직이 안정화되어 있기 때문으로, 모터축과 같이 발열을 수반하는 기계의 슬라이딩 부품이나, 플라스틱 성형용 금형의 일부 등, 운전중에 온도가 상승하는 용도로 특히 유리하게 작용합니다.
또한 경면 마감과 예리한 가공이 가능한 것도 장점입니다. 연마 마감이 가능하며 방청유로 표면을 보호할 필요도 없습니다. 청정한 상태에서 내열성과 내마모성을 양립할 수 있는 점은 SUS440C만의 설계상 큰 장점이라 할 수 있을 것입니다.
SUS440C의 단점
인성의 낮음
SUS440C를 선정하는데 있어서 가장 큰 주의점은 그 인성의 낮음입니다. HRC60 가까운 고경도를 달성한 대신 재료의 끈기는 상실되고 충격에 대한 저항력이 현저히 낮아지기 때문입니다. 인장 시험에서의 파단 신장은 미미하며, 강한 충격이나 급격한 굽힘 응력이 가해지면 갑자기 깨질 위험이 있습니다.
설계 시에는 응력이 집중되는 샤프한 모서리 부분을 피하고 반드시 R을 설치하는 배려가 필요합니다. 「딱딱하지만 여리다」는 특성을 이해하지 않고 충격적인 하중이 가해지는 곳에 사용하면 중대한 파손사고로 이어질 우려가 있으므로 주의합시다.
가공의 어려움
경도가 높은 SUS440C는 가공이 어려운 재료로 알려져 있습니다. 열처리 전의 어닐링 상태에서는 일반적인 탄소강과 같은 정도의 절삭성을 가지지만 열처리로 경화된 후의 가공은 어렵습니다. 열처리 및 열처리로 인해 HRC60 전후에 도달한 SUS440C는 밀링 머신용 초경 공구로는 거의 치아가 서지 않습니다.
경화 후에 추가공이 필요한 경우는, 숫돌로 깎는 연삭 가공이나, 전기 에너지로 녹여 가공하는 방전 가공이라고 하는, 딱딱한 재료 전용의 특수한 가공법에 의존하지 않을 수 없게 됩니다. 가공 비용과 시간의 대폭적인 증가로 직결되기 때문에 설계 단계부터 주의해야 합니다.
용접 및 열가공의 어려움
SUS440C는 용접에 매우 적합하지 않은 재료입니다. 탄소 함유량이 높기 때문에 용접에 의한 급격한 가열과 이후 냉각 과정에서 극단적으로 단단하고 부서지기 때문입니다. 용접부에는 높은 확률로 용접 깨짐이 발생하므로 접합부의 신뢰성을 전혀 확보할 수 없습니다.
따라서 설계자는 SUS440C는 용접하지 않는 것을 전제로 하며 부품의 접합이 필요한 경우 볼트 조임이나 압입, 소성 변형과 같은 기계적인 방법을 선택해야 합니다. 또한 열처리 시 치수 변화나 왜곡도 발생하기 쉽기 때문에 열을 동반하는 가공 전반에 주의가 필요합니다.
SUS440C의 주요 용도
SUS440C는 스테인리레강에서 가장 단단한 특성을 살려 다른 재료로는 대체할 수 없는 전문 분야에서 활약하고 있습니다. 높은 내마모성과 일정한 내식성을 양립할 수 있는 대표적인 용도를 이하에 제시합니다.
| 산업 | 주요 용도 |
| 기계·제조업 | 고부하에서의 마모를 막는 볼 베어링, 샤프트, 금형 부품 |
| 의료기기・정밀기기 | 예리함의 지속성이 중요한 수술용 메스나, 장기간에 걸쳐 치수 정밀도를 유지하는 측정기 |
| 식품·화학 플랜트 | 일반 스테인레스에서는 마모되어 버리는 분쇄기 커터와 고압 펌프 부품 |
| 자동차·운송기기 | 고온·고부하가 되는 엔진 주변의 베어링이나, 연료 분사 시스템의 정밀 부품 |
SUS440C의 가공 종류와 설계 포인트
SUS440C의 성능은 가공 방법에 크게 좌우되므로 설계 단계에서 부터 각 공정의 주의점을 이해해 둡시다. 주요 주의사항은 다음과 같습니다.
| 가공 종류 | 포인트 |
| 절삭 가공 | 열처리 전의 부드러운 상태에서 가공을 완료하는 것이 철칙 경화 후에는 연삭이 필요 |
| 열처리 | 성능을 결정하는 가장 중요한 공정으로 적절한 온도 관리가 필수 치수 변화(팽창)도 고려 |
| 용접 | 균열 위험이 매우 높아 원칙적으로 실시하지 않음 볼트 등 기계적 접합 권장 |
| 표면 처리 | 통상은 불필요 질화 처리로 더욱 경화할 수 있지만 내식성은 저하 |
| 마감 가공 | 경화 후의 연삭이나 랩 연마가 주체 「연마 그을림」으로 인한 경도 저하를 방지하기 위해 냉각 필수 |
SUS440C를 선정할 때의 포인트
SUS440C는 매우 뾰족한 특성을 가지기 때문에 채용 판단은 신중하게 해야 합니다. 여기에서는, 이하의 4개의 시점에서 선정할 때의 포인트를 해설합니다.
- 사용 환경(부식・온도)
- 요구 성능(경도・강도・인성)
- 가공·제조 공정
- 비용 및 공급성
사용 환경(부식・온도)
우선 부품이 사용되는 환경을 최우선으로 검토합시다. SUS440C의 내식성은 만능이 아니며, 수분이나 염분에 자주 닿는 환경, 혹은 산·알칼리성 약품이 걸리는 환경에서는 녹이 발생할 위험이 높아집니다.
이하의 표는 JIS H 8502에서 정하는 사이클 시험방법에 준거한 형식으로 실시한 스테인리스강의 내식성 결과입니다.
상기 표의 결과로부터 SUS440C의 내식성은 오스테나이트계 스테인레스강인 SUS304나 SUS316에 뒤떨어짐을 알 수 있습니다.
또한 사용 온도도 중요한 판단 기준입니다. SUS440C의 뛰어난 경도는 고온 환경에서 장시간 사용하면 경도가 저하되어 버립니다. 고온에서의 강도가 요구되는 경우에는 석출 경화계 스테인레스인 SUS630이나 보다 전문적인 내열합금의 채택을 염두에 두도록 합시다.
요구 성능(경도・강도・인성)
부품에 요구되는 기계적 성능도 중요합니다. 표면의 경도나 내마모성이 가장 중요한 요구 성능이라면 HRC 58 이상에 달하는 SUS440C는 유례가 없는 매우 유력한 선택지입니다. 그러나 충격적인 하중이 가해지는 혹은 어느 정도의 「끈기」가 필요한 용도일 경우 SUS440C의 낮은 인성은 치명적인 약점이 될 것입니다.
취성 파괴 위험을 허용할 수 없는 경우에는 보다 인성이 높은 마르텐사이트계 스테인레스(예: SUS420J2)나 강도와 인성의 균형이 뛰어난 석출경화계 스테인레스(SUS630)로의 변경이 현명합니다.
가공·제조 공정
설계한 부품이 실제로 제조 가능한지 여부에 대한 시점도 재료 선정에 필수적입니다. SUS440C는 열처리 후 가공이 매우 어렵기 때문에 부품 형상이 복잡하고 경화 후 추가 절삭 가공이 불가피한 설계의 경우 제조상 리스크와 비용이 매우 높아집니다. 추가 절삭 가공이 필요한 경우는 용체화 처리 상태에서 쉽게 기계 가공을 할 수 있으며 저온 시효 처리로 경화시키는 석출 경화계 스테인레스(SUS630)가 유효한 대안입니다.
또한 용접이 필수적인 구조라면 SUS440C는 적합하지 않기 때문에 용접성이 뛰어난 SUS304 등의 재료로 변경하거나 볼트 조임 구조로 설계 변경하는 판단이 요구됩니다.
비용 및 공급성
마지막으로 비용과 공급성도 고려합시다. SUS440C의 재료 단가 자체는 일반적인 SUS304와 크게 다르지 않지만, 전체 비용은 높아지는 경향이 있습니다. 열처리 후 가공에 필요한 고가의 연삭 가공이나 방전 가공, 또한 성능을 최대한 끌어내기 위한 진공 열처리에 비용이 들기 때문입니다. 최종적인 부품 단가는 통상재보다 비싸지는 경우도 드물지 않습니다.
또, 공급면에서는, SUS440C는 주로 환봉으로 유통하고 있기 때문에, 판재는 입수하기 어려운 경우도 있습니다. 채용을 결정하기 전에 반드시 공급업체에 원하는 모양과 크기의 재료가 안정적으로 공급 가능한지 확인합시다.
정리
SUS440C는 스테인레스강 중 최고의 경도와 뛰어난 내마모성을 가진 특수한 재료입니다. 이 특성은 베어링과 날붙이 등 많은 기계 부품의 성능 향상과 수명 연장에 크게 기여합니다. 한편, 인성의 낮음(부스러움)이나 가공의 어려움, 한정적인 내식성과 같은 명확한 단점도 존재합니다. 설계자는 본 내용에서 소개한 특성과 선정 포인트를 참고하여 SUS440C의 진가를 이끌어 내십시오. 적재적소에서 활용하여 고성능의 신뢰성 높은 제품 설계를 실현합시다.
