인코넬®(Inconel®)은 Special Metals사가 상표를 보유한 니켈기 내열 합금으로 항공·원자력·화학 플랜트 등의 고온·부식 환경에서 널리 사용되고 있습니다. 이번 내용에서는, 이 뛰어난 특성을 가지는 재료인 인코넬®(및 그 상당재)의 특성, 가공성, 설계시의 유의점에 대해서, 알기 쉽게 해설합니다.
목차
인코넬의 정의
인코넬은 니켈을 기반으로 크롬 등을 첨가한 오스테나이트계 니켈 기 초합금으로, 고온에서 높은 강도와 높은 내산화성, 높은 크리프성을 가지고 있습니다.
주성분인 니켈(50% 이상)에 크롬, 철, 몰리브덴 등을 첨가해 뛰어난 내열·내식성을 발휘하는 합금입니다. 또한 니켈과 크롬 함량이 높아 부식성 환경에서도 특성이 안정적입니다.
대표적인 인코넬 합금의 종류
대표적인 인코넬 합금은 크게 600/625/718/X-750 네 가지 계통으로 나뉩니다.
- 인코넬 600은 약 1090℃에서도 높은 강도를 유지하고, 크리프 변형이나 염소 가스·강 알칼리 환경에서도 뛰어난 내식성을 보여줍니다.
- 인코넬 625는 몰리브덴 함량이 높아 해수나 화학 플랜트 등 염화물이 풍부한 환경에서도 더욱 높은 내식성을 발휘합니다.
- 인코넬 718은 석출 경화형으로, 시효 처리 후 인장 강도가 1240 N/mm²를 초과합니다. 고온 영역은 물론 극저온에서도 인성을 유지할 수 있다는 점이 특징입니다.
- 인코넬 X-750은 석출 경화로 높은 탄성 및 내산화성을 동시에 갖추고, 고온 크리프 강도에도 뛰어납니다.
【주된 인코넬 대비표】
| 인코넬® 합금 |
기호 | 주요 표준 | 주요 특징 |
| 인코넬® 600 |
NCF600 | JIS G 4902(판·띠) JIS G 4901(막) |
고온 산화·응력 부식 균열에 강함 범용성이 높음 |
| 인코넬® 625 |
NCF625 | 염화물 환경에 강함 Mo 첨가로 내공식성이 뛰어남 |
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| 인코넬® 718 |
NCF718 | 석출 경화형 고강도・내피로성이 뛰어난 항공용도에 최적 |
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| 인코넬® X – 750 |
NCF750 | 고온 크리프 강도·내산화성이 뛰어 스프링재나 원자로 구조재에 사용 |
인코넬의 장점과 단점
장점
| 품목 | 설명 |
| 내열성 | 1000℃를 초과해도 강도와 산화 저항성을 유지하고, 터빈 및 배기 시스템에서 연속 사용에 대응 |
| 높은 내식성 | 산·알칼리·염화물 환경에서도 부식에 강하고, 화학 플랜트·해양 용도에서 높은 신뢰성을 갖 |
| 고강도・내 크리프성 | 상온~고온 영역에서 고강도를 유지하고, 크리프 변형에도 강 |
| 저온 특성 | 극저온 환경(액체 질소 온도 등)에서도 인성을 유지해 저온 용도로 사용할 수 있음 |
| 비자성 | 기본적으로 비자성이라 자기장 환경에서도 자화가 잘 일어나지 않는다 |
단점
| 품목 | 설명 |
| 난삭성 | 열전도가 낮고 고온 강도가 높으며 가공 경화가 쉬워 공구 마모가 심하고 가공성이 떨어진다 |
| 높은 비용 | 니켈 등 희귀 금속을 많이 함유하고 있어 재료 가격이 높으며, 상표 등록된 특수 합금이라 유통량 제한으로 조달 비용이 높 |
| 비중의 크기 | 동체적 부피에서의 무게는 티타늄의 약 2배, 알루미늄 합금의 약 3배에 달해 경량화 용도에는 부적합 |
| 설비의 제약·고도 기술 | 고정밀 설비와 고도의 기술이 필요하고, 이를 수행할 수 있는 가공 업체가 제한된다 |
인코넬의 용도와 활용 사례
인코넬은 뛰어난 내열성과 내식성을 갖추고 있어 다양한 산업 분야에서 활용되고 있습니다. 아래에 대표적인 용도와 제품 예시를 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, 폐액 설비 | 625 : 원자력 폐액 처리 장치나 초임 계수 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 |
이처럼 인코넬은 「고온·고압·부식」 등 가혹한 환경에서도 뛰어난 성능을 보여, 항공기와 화학 플랜트 등 안보상 중요한 분야에서 폭넓게 사용되고 있습니다.
인코넬의 가공 종류와 주의점
인코넬은 대표적인 가공이 어려운 재료로, 가공 시 열이 쉽게 축적되고 경화도 잘 되는 등 여러 과제가 발생합니다. 여기서는 절삭·용접·3D 프린트의 세 가지 가공 방법에 대해 주요 과제와 대책을 설명합니다.
절삭가공(기계가공)
인코넬을 절삭할 때 가장 큰 장애물은 열전도율이 낮고 가공 경화가 쉽게 발생한다는 점입니다. 절삭열이 공구 끝에 집중되기 쉬워 절삭 속도를 30~50 m/min 정도로 제한하고, 한 날당 약 0.1 mm 정도의 다소 큰 이송을 가하면 안정됩니다.
공구는 TiAlN이나 AlCrN계 코팅 초경 공구가 효과적이며, 양 경사각이나 고 나선각을 가진 날카로운 형태를 선택하면 절삭력이 향상됩니다. 날 수는 4날 이상인 다중날·고강성 타입이 바람직하며, 진동을 억제하기 위해 기계 본체와 지그의 강성도 확보해 주세요.
또한 고압 냉각수와 내부 급유로 발생한 열과 절삭 찌꺼기를 배출하고, 극압 첨가제가 함유된 절삭유로 윤활성을 높이면 공구 수명을 연장할 수 있습니다. 절삭은 얕게 설정하고 무리한 절삭을 피함으로써 표면 거칠음과 경화를 방지할 수 있습니다. 최근에는 세라믹 공구와 PCD 공구를 이용한 고속 가공도 시도되고 있지만, 고도의 가공 노하우가 필수적입니다. 형상에 따라 방전 가공(EDM)이나 연삭 가공으로 공법을 변경하는 방안도 검토해 보는 것이 좋습니다.
용접 가공
인코넬은 뛰어난 내열·내식 성능을 갖추고 있지만, 용접 균열이나 조직 변화가 발생하기 쉬운 난용접재입니다. 석출경화형 718이나 X-750을 용접할 때는 용접열로 조직이 취약해지기 쉬우므로, 용접 후에 시효 처리와 고용화 처리를 실시해 강도와 인성을 회복시켜야 합니다.
열영향 부위의 조직 변화를 억제하려면 전자빔이나 레이저와 같은 저열처리 공정이 효과적입니다. 필러 재료는 모재와 같은 계열의 합금을 선택하고, 이종 재료를 사용해 부식이나 강도 저하가 발생하지 않도록 주의합니다. 저항 용접의 경우, 인코넬은 전기 저항이 높아 두꺼운 판에서는 큰 전류와 높은 가압이 필요합니다. 조건 설정과 사전 검증을 충분히 수행해 균열 및 결함을 방지해 주세요.
3D 프린트 가공
금속 3D 프린터, 특히 레이저 기반 분말 바닥 용융 결합법(PBF)의 발전으로 인코넬 718에서도 고정밀 제작이 가능해졌습니다. 다만 유의할 점은, 성형 직후 경도가 HRC30 정도로 낮기 때문에 반드시 시효 경화와 같은 열처리를 통해 정해진 경도까지 끌어올려야 합니다. 진공 열처리로를 보유하지 않은 가공 업체도 있기 때문에, 사전에 후처리 체계를 확인해 두는 것이 중요합니다.
또한, 적층 방향에 따라 기계적 이방성이 발생하기 쉬우므로, 형상 자세와 서포트 배치를 최적화하고 필요에 따라 전체 열처리로 특성을 균일하게 합니다. 또한, 나사 구멍 가공이나 표면 마감 등 추가 기계 가공이 전제 조건이므로, 설계 단계부터 공차와 표면 거칠기를 적절히 설정하고 비용과 납기를 미리 추정해 두면 원활합니다.
다른 재료와의 비교
고온 용도에서 인코넬과 비교 검토되는 경우가 많은 재료로는 내열 스테인레스강(내열강)이나 티타늄 합금 등이 있습니다. 각각의 특성이 크게 다르기 때문에 설계 단계에서 적재적소를 판단하는 것이 중요합니다. 아래에 주요 차이점을 제시합니다.
인코넬과 스테인레스 비교
인코넬은 내열성·내산화성·내식성이 뛰어난 고기능 합금으로, 스테인레스강과는 특성 및 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~중온 영역 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 | 높은 가격 | 낮은 가격 |
| 가공성 | 난삭재 | 양호 |
인코넬과 티타늄 비교
인코넬과 티타늄 합금은 모두 고성능 금속 재료이지만, 비중·내열성·가공성·내식성의 특성이 달라 용도에 따라 적재적소의 선택이 필요합니다.
| 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·중온 역에서의 용도 |
인코넬과 무연 쾌삭재의 비교
무연 쾌삭재(환경 규제에 맞춰 납을 포함하지 않으면서 높은 절삭성(쾌삭성)을 구현한 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 | 납이 첨가되지 않은 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 대응 |
주요 재료 비교 및 설계 시 주의점
재료 특성 비교(인코넬 600/SUS404/Ti-6Al-4V)
인코넬 600과 다른 대표적인 재료(SUS404, Ti-6Al-4V)의 물성·특성 비교표입니다.
인코넬은 뛰어난 내열성·내식성을 가진 니켈 기반 합금입니다. 설계 시에는 스테인레스강이나 티타늄 합금 등 다른 재료와 비교하여 성능·비용·가공성의 균형을 고려한 재료 선택이 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 | ℃ | 1093년 | 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조금 어려움 |
| 용접성 | ― | △난용접재( 후처리 필요한 경우 있음) | ◎ 양호 | 〇조금 어려움(전문성 있음) |
| 재료 비용 | ― | × 고가 (니켈 주체) |
〇 범용 스테인레스보다 약간 높음 | △경량 고강도이지만 고가 |
※ 위 수치는 대표값입니다. 합금 종류와 처리 조건에 따라 수치는 변동합니다.
인코넬 채용시 설계상의 유의점
인코넬을 도입할 때는 아래 설계상의 유의점을 사전에 파악해 두는 것이 중요합니다.
- 필요성 검토
인코넬의 성능이 정말 필요한지 충분히 검토하겠습니다. 다른 저렴한 재료로 대체 가능하다면 억지로 사용하지 않는 것을 선택합니다. (비용 증가와 납기 지연의 원인이 되기 때문에)
- 부품 형상의 단순화
인코넬은 가공비가 비싸기 때문에 설계 단계에서 형태를 가능한 한 단순하게 합니다. 복잡한 형상을 피할 수 없는 경우에는 3D 프린트나 단조 재료 활용도 검토합니다.
- 가공방법의 최적화
절삭이 어려운 경우에는 방전 가공·연삭·적층 제조 등 다른 가공 방법을 검토합니다. 또한, 공차와 표면 마감 요구를 적정화하고 가공 부하를 줄이는 방안이 중요합니다.
- 용접·조립 방법의 재검토
인코넬끼리의 용접은 피하고, 기계적 접합(예: 볼트 체결)을 검토합니다. 불가피하게 용접이 필요할 경우, 용접 후 열처리 및 이종재료 접합 가능 여부를 사전에 전문가와 조율합니다.
- 조달성 및 실적
인코넬의 구입 용이성(규격 사이즈 유무, 로트 요건)과 가공업체의 실적을 확인합니다. 국내에서는 히타치 금속과 일본 야금 공업이 인코넬에 해당하는 재료를 생산하고 있지만, 특정 규격 외 사이즈의 경우 해외에서 조달해야 할 때도 있습니다. 재료와 가공을 미리 준비하고, 납기에 유의해야 합니다.
- 가공 도면에의 재료 지시
재료 지시 오해 등을 방지하기 위해 「재료명+규격+처리 조건+설계 의도 보충」을 한 세트로 기재하는 등의 조치를 취한다.
예를 들어, 재질: Inconel 718 (UNS N07718), 규격: ASTM B637 / AMS 5662, 열처리: 시효 처리 완료(H900 수준), 형태: 단조재 φ50mm, 주석: 고온 강도·내산화성 중시. 대체 재료는 사용 불가. - 재료종의 확인
인코넬은 상표이기 때문에, 인코넬 상당품을 선정할 때에는, 메이커의 재료 정보를 입수해 확인 후, 선정하는 것이 품질 확보상에서 중요합니다. 상당품의 경우에는 메이커에 따라 조성, 특성 등 미묘하게 다릅니다.
정리
인코넬은 니켈을 주성분으로 하는 내열·내식 합금으로, 크롬이나 몰리브덴 등을 첨가하면 고온·고압·부식 등 가혹한 환경에서도 안정적인 성능을 발휘합니다. 특성으로는 1000℃를 초과하는 환경에서도 강도를 유지할 수 있는 내열성, 산 및 염화물에 강한 내식성, 고온·고압에서도 변형이나 파손이 일어나기 어려운 높은 내크리프성, 비자성 등이 있습니다. 한편, 가공 경화가 쉬워 가공이 어려운 재료로 알려져 있습니다. 사용되는 산업 분야는 다양하며, 항공우주 분야에서는 제트 엔진의 디스크와 블레이드, 원자력 분야에서는 증기 발생기관과 배관, 화학 플랜트 분야에서는 반응 용기와 열교환기, 자동차 분야에서는 터보차저와 배기 매니폴드 등에 활용되고 있습니다.
