강도와 내식성을 동시에 추구할 때, 적합한 재료 중 가장 먼저 떠오르는 것이 스테인레스 재료입니다. 이번에는 스테인레스 재료 중에서도 특히 전통적인 SUS304에 대해, 그 특징과 설계 시 고려해야 할 점을 설명합니다. 또한 SUS304L 등 다른 스테인레스 재료와의 차이점도 설명합니다.
목차
SUS304의 개요
SUS304의 정의
스테인레스 재료는 크게 다음 세 가지로 나뉩니다.
- 마르텐사이트계：SUS410, SUS403, SUS630 등
- 오스테나이트계: SUS303, SUS304, SUS316 등
- 페라이트계：SUS430 등
SUS304는 「18-8 스테인레스」라고 불리는 오스테나이트계 스테인레스강으로, 탄소 함량이 0.08% 이하이며, 크롬은 18~20%, 니켈은 8~10.5% 함유된 재료입니다.
| 종류의 기호 | C | Si | Mn | P | S | Ni | Cr | Mo | Cu | N |
| SUS304 | 0.08 이하 | 1.00 이하 | 2.00 이하 | 0.045 이하 | 0.030 이하 | 8.00~10.50 | 18.00~20.00 | – | – | – |
| SUS304L | 0.030 이하 | 1.00 이하 | 2.00 이하 | 0.045 이하 | 0.030 이하 | 9.00～13.00 | 18.00~20.00 | – | – | – |
단위 %
스테인레스의 어원은 「stainless」이며, 녹이 잘 슬지 않는 이유는 철을 주성분으로 하고 크롬(Cr)을 10.5% 이상 함유하고 있기 때문입니다. 크롬이 철보다 먼저 산화되어 부동태 피막이라고 불리는 막을 표면에 형성합니다. 이 막이 표면을 보호해 높은 내식성을 구현합니다.
오스테나이트계 스테인레스의 특징
오스테나이트계 스테인레스강(SUS304, SUS316 등)은 내식성이 뛰어나고 기본적으로 비자성이며, 가공성·용접성이 우수한 것이 특징입니다. 니켈을 함유함으로써 조직이 안정되고, 저온부터 고온까지 인성을 유지하기 쉬우며, 극저온 환경에서도 취성 파괴가 일어나기 어려운 특성을 가지고 있습니다. 한편, 절삭이나 성형 가공에서는 가공 경화가 발생하기 쉬우므로 가공 조건과 공구 선택에 주의가 필요합니다.
페라이트계나 마르텐사이트계 스테인레스도 가공에 의해 경화가 일어나지만, 오스테나이트계만큼 뚜렷하지는 않습니다.
SUS304의 특징
SUS304의 특성
SUS304의 대표적인 물성치를 이하에 정리했습니다.
| 물성 | 단위 | |
| 비중 | – | 7.93 |
| 열팽창 계수 | ×10⁻⁶/K | 17.3 |
| 열전도율 | W/m·K | 16.7 |
| 전도도 | 10 6 S/m | 1.4 |
| 세로 탄성 계수(영률) | GPa | 193 |
| 경도(비커스 경도) | HV | 200 |
| 파괴 인성 | MPa·m1/2 | 350 |
| 자성 | – | 원칙 비자성 |
SUS304의 장점
우수한 내식성
크롬(Cr)의 작용으로 표면에 부동태 피막이 형성돼 잘 녹슬지 않으며, 일상 환경에서 내식성이 높은 재료입니다. 담수·식품·일반적인 약액 환경 등에서 폭넓게 사용할 수 있습니다.
광범위한 온도 범위에서 사용 가능
고온에서도 강도와 인성을 유지하기 쉬우며, 700℃부터 800℃까지의 고온에서도 사용할 수 있습니다. 동시에 오스테나이트계 특유의 높은 인성 덕분에 극저온에서도 취성 파괴가 잘 일어나지 않으며, -196℃ 전후의 크라이오 기술 분야에서도 사용 실적이 있습니다. 따라서 진공 용기부터 고온 장비까지 온도 조건에 구애받지 않고 다양한 용도에 적합합니다.
가공・용접이 하기 쉬운
연성·인성이 높아 절곡 가공이나 깊은 압출 가공 등 냉간 성형에 뛰어납니다. 또한 용접성도 매우 우수해 잔열이 필요 없으며, 일반적인 용접 방법으로 접합할 수 있습니다. 복잡한 형상의 부품이나 대형 구조물에도 적용하기 쉬운 재료입니다.
식품·주방 용도에 최적
내식성이 높고 위생적이며, 식품·주방 설비, 식품 가공 장치 등에서 오랜 실적을 보유하고 있습니다. 표면 마감에 따라 광택 있는 미관을 얻을 수 있고, 청소도 쉬워 식품 분야에서 안심하고 사용할 수 있는 표준 소재입니다.
이처럼 SUS304는 전반적으로 신뢰성이 높은 범용 스테인레스 재료라고 할 수 있습니다. 설계 시에는 그 특성을 정확히 이해하고, 사용 환경에 맞는 적절한 등급을 선정하는 것이 중요합니다.
SUS304 의 단점
일부 특성에 한정해서 생각하면 다른 스테인레스 재료가 장점이 있는 경우도 있습니다. 예를 들어, 해수와 같이 조건이 더 열악한 환경에는 같은 오스테나이트계 SUS316이 더 적합합니다. 이는 SUS316에 몰리브덴(Mo)이 첨가되어 있어 염화물 이온에 의한 홀 부식(점 부식)이나 틈새 부식에 대한 내성이 SUS304보다 높기 때문입니다. 연안부 설비, 야외 설치 부품, 세척 공정을 수반하는 장치, 반도체·전자 부품 제조 공정 등 부식 위험이 높은 용도에서는 SUS304보다 SUS316이 더 적합하다고 판단되는 경우가 많습니다.
또한 가격은 페라이트계 SUS430이 더 저렴합니다.
SUS304는 용도에 따라 대체 후보가 되는 재질이 있을 뿐만 아니라, 같은 304계열이라도 특성이 약간 다른 파생 재료가 존재합니다. 다음으로, 대표적인 변형인 SUS304L과의 차이를 살펴보겠습니다.
SUS304와 SUS304L의 차이
SUS304와 SUS304L의 차이는 탄소 함량입니다. SUS304의 탄소 함량은 0.08% 이하이지만, SUS304L은 0.03% 이하입니다. 참고로 SUS304L의 「L」은 저탄소라는 뜻입니다. 탄소 함량이 재료에 미치는 성질 차이로는 다음 두 가지가 있습니다.
- 사용 환경의 한계 온도
- 예민화
일반적으로 탄소 함량이 많을수록 고온 환경에서의 강도가 높아지고, 사용 한계 온도도 높아집니다. 예를 들어 SUS304는 525℃(탄소 함량이 0.04% 이상이면 800℃)까지 사용할 수 있지만, SUS304L는 약 425℃까지만 사용할 수 있다고 합니다.
또한, 예민화란 크롬 농도가 13% 이하로 떨어져 내식성이 급격히 감소하는 현상을 말합니다. 부적절한 열 이력 등으로 인해 결정립계(결정과 결정 사이의 경계)에 불순물인 탄소가 존재하면, 탄소가 크롬과 결합해 탄화물을 생성합니다. 예민화에는 탄소가 필요하기 때문에 SUS304에 비해 SUS304L이 더 예민해지기 어렵습니다.
SUS304의 가공법과 사용 예시
SUS304는 재료 특성의 높이가 특징입니다만, 각각의 가공에 대해서는 주의해야 할 포인트가 있습니다.
용접
SUS304는 철을 포함한 재료이므로 용접이 가능합니다. 다만, 용접 시 사용하는 재료(용접봉이나 용접 와이어)에 대해서는 주의가 필요합니다. SUS304 용접에서는 모재명과 동일한 「304」라는 용접재를 사용하지 않고, 규격상 「308계」 용접재가 일반적으로 사용됩니다.
구체적으로는, 아크 용접봉에는 NC-38, 용접 와이어에는 SW-308, TIG 봉에는 TG‑S308 등 38 또는 308이라는 숫자가 붙은 제품을 사용합니다(모두 고베제강소의 제품 모델 번호). 예를 들어 SUS316은 36 또는 316이라는 숫자가 붙은 제품을 사용하지만, SUS304는 34 또는 304와 같은 명칭의 용접 가공재가 없으며, 308계가 해당 재료가 됩니다.
용접된 SUS304는 각종 주방 설비, 가정용 싱크, 가스 용기(가스통) 등 내식성과 위생성이 요구되는 용도에 널리 사용됩니다.
이는 SUS304가 용접 후에도 비동적 피막에 의한 내식성을 유지하기 쉽고, 수분이나 식품에 노출되는 환경에서도 부식이 잘 일어나지 않을 뿐만 아니라, 표면을 매끄럽게 마감하기 쉬워 오염물이나 세균이 달라붙기 어려운 특성을 가지고 있기 때문입니다.
또한 용접성이 우수하고 이음새가 적은 구조를 구현하기 쉬워 액체 및 가스 누출 위험을 낮출 수 있다는 점도 이러한 용도에 채택되는 이유 중 하나입니다.
용접한 면은 원래 상태만큼 깨끗하지 않습니다. 그래서 일정 방향으로 헤어라인이라고 부르는 머리카락 같은 가는 선이 생기는 표면 처리를 합니다. 참고로 헤어라인 가공을 한 SUS304는 「SUS304-HL」(HL은 헤어라인을 의미)이라고 표기합니다.
절삭
절삭 가공에 관해서는 SUS304가 단단하고 탄성(인성)이 있어 절삭성이 그다지 좋지 않습니다. 하지만 밀링 머신이나 머시닝 센터를 이용한 가공은 가능합니다. 다만, 오스테나이트계 스테인리스의 특징인 가공 경화에 주의가 필요합니다.
절삭 가공된 SUS304는 생산 설비의 복잡한 형상의 부품이나 정밀 가공이 필요한 베이스 플레이트 등에 사용됩니다.
표면 처리
스테인레스 재료의 표면 처리에는 다양한 종류가 있지만, SUS304의 대표적인 예로 다음 세 가지가 있습니다.
SUS304-2B
표면이 가공되지 않은 상태이므로, 생산 설비의 스테이 등 디자인성이 필요 없는 부품에 사용합니다.
SUS304-HL
헤어라인 가공으로 약간의 광택이 있어 생산 설비의 외부 패널이나 주방 설비 등에 사용됩니다.
SUS304 #400
한 면을 버프 연마로 거울처럼 마감해 디자인성을 크게 높였기 때문에 건축 자재나 고급 싱크 등에 사용됩니다.
SUS304 설계 고려 사항
SUS304를 사용해 설계할 경우, 적절한 재료 선택과 비용 효율, 그리고 환경을 고려하는 데 주의해야 합니다.
재료 선정
SUS304는 특성의 균형이 좋은 재료이지만, SUS316에 비해 내식성이 떨어지고, 경도는 약 200HV 정도로, 열처리를 통해 600HV 이상까지 경화가 가능한 마르텐사이트계 스테인레스 재료에 비하면 낮은 편입니다. 따라서 설계에 스테인레스 재료를 사용할 경우, 사용 환경에서 무엇을 우선시할지 충분히 고민해야 합니다.
비용 효율
SUS304는 내구성이 높아 장기간 사용이 가능하고, 비용 효율성이 높은 편입니다. 다만, 사용 환경에 따라서는 도장을 한 SS400이라도 견딜 수 있는 경우가 있습니다. SUS304를 사용하면 비용 효율이 높아지지만, 비용을 절감해야 할 경우 SUS304 외의 재료도 사용할 수 있는지 검토해 보는 것이 좋을 수도 있습니다.
환경에 대한 배려
금속 재료는 일반적으로 재활용성이 뛰어나며, 스테인레스 재료도 예외는 아닙니다. SUS304는 장기 사용에 견디는 재료이지만, 설비 수명이나 생산 라인 사양 변경으로 폐기되는 경우도 있습니다. 이러한 경우에도 재활용성이 높은 SUS304를 사용하면 환경 부담을 줄이는 데 기여할 수 있습니다.
정리
SUS304는 스테인레스강 중 가장 널리 사용되는 오스테나이트계 재료로, 내식성·가공성·용접성의 균형이 뛰어난 범용 소재입니다. 크롬으로 만든 비활성 피막 덕분에 부식에 강하고, 일상 환경 및 식품·약액 용도에서 안정적인 내식성을 보여줍니다. 또한 넓은 온도 범위에서 강도와 인성을 유지할 수 있어 고온 장비부터 극저온 설비까지 폭넓게 사용할 수 있습니다. 대표적인 용도로는 식품 설비, 주방 기기, 진공 용기, 배관 부품, 플랜지, 브래킷, 지그류 등이 있으며, 설계 현장에서 가장 먼저 검토되는 표준 스테인레스 재료로 신뢰받고 있습니다.
하지만 내식성, 경도, 절삭성 등 국부적인 특성만을 고려하면 SUS304가 아닌 스테인레스 재료가 더 우수한 경우도 있습니다. 장치 설계에 요구되는 사항과 사용 환경에서 필요한 사항을 정리하고, 적절한 스테인레스 재료를 사용하도록 합니다.
