자성의 정의부터 비자성과 차이, 스테인레스가 자석에 붙는 이유까지 해

자성은 제품의 기능성, 센서 오작동, 그리고 부품 간 흡착 문제 등 설계 실무에서 중요한 요소입니다. 특히 스테인레스강은 「비자성이라고 생각했던 SUS304가 가공 후 자석에 붙어버렸다」는 현장에서 예상치 못한 문제가 발생하기 쉬운 소재이기도 합니다.
이번 내용에서는 자성의 기초 지식부터 SUS304와 SUS430의 자성 차이, 그리고 가공 공정(성형 가공·절삭·용접)에 따라 자성이 변하는 메커니즘을 설명합니다. 또한 설계자가 직면하기 쉬운 「비자성 요구」에 대한 구체적인 도면 기재 규칙도 다루니, 꼭 끝까지 확인해 주세요.

자성의 정의

설계 실무에서 말하는 「자성」이란, 「자석에 끌리는가」 「자기의 영향을 어느 정도 받는가」라는 현상으로 파악하는 것이 중요합니다. 주요 검토 대상은 부품 간의 예기치 않은 흡착으로 인한 작동 불량 방지와 정밀 센서·전자 기기에 대한 자기 간섭 회피 등입니다.
재료 선정이나 도면 지시 단계에서는 그 재료가 자기장에 어떻게 반응하고, 최종적으로 제품의 기능과 품질에 어떤 영향을 미치는지를 「설계 현장에서의 실용적인 관점」에 초점을 맞춰 판단해야 합니다.

자성의 종류

자성에는 여러 종류가 존재합니다. 여기서는 실무에서 특히 주의해야 할 세 가지 특성을 중심으로 설명합니다.

강자성

강자성은 자석에 강하게 끌려가며, 자기장을 제거한 뒤에도 자성이 남기 쉬운 특성을 가지고 있습니다. 대표적인 재료로는 철, 니켈, 코발트 등이 있습니다.
설계 실무에서는 자성이 남는 특성이 문제를 일으킬 수 있습니다. 예를 들어, 의도치 않게 자성화된 부품에 금속 마모 입자가 달라붙어 작동 불량을 일으키거나, 정밀한 자기 센서의 측정 결과를 왜곡시키는 경우가 있습니다.
부품끼리 붙는 현상도 발생할 수 있기 때문에, 가동 부분이나 정밀 기기의 설계에서는 주의가 필요한 재료라고 할 수 있습니다.

상자성

상자성은 외부의 자기장에 약하게 반응하며, 자기장을 제거하면 자성은 거의 남지 않는 특성입니다. 대표적인 예로 알루미늄과 플래티넘이 있습니다. 실무에서는 「자석에 붙지 않는 재료」로 다루어지는 경우가 많지만, 물리적으로 「완전한 비자성」이 아니라는 점에 유의해야 합니다.
매우 미세하지만 자기장의 영향을 받습니다. 따라서 매우 높은 측정 정밀도를 요구하는 센서 주변이나 초고진공 환경에서의 실험 장비 설계에서는 이 미세한 반응이 오차의 원인이 될 수 있습니다. 일반적인 비자성 요구와 엄격한 비자성 요구를 구분해서 생각해 보세요.

반자성

반자성은 외부에서 오는 자기장을 약하게 상쇄하는 방향으로 작용하는 특성입니다. 금, 은, 구리, 물 등이 이 성질을 가지고 있습니다. 모든 물질이 원래 가지고 있는 성질이지만, 강자성이나 상자성에 비해 반응이 매우 작아 일상에서는 크게 의식되지 않습니다.
설계 실무에서는 자기장의 영향을 극한까지 배제하고자 하는 정밀 기기나, 자기장에 의한 간섭을 꺼리는 전자 기기의 재료 선정 시 고려되는 경우가 있습니다. 상자성체와는 달리, 자석으로부터 약간 멀어지려는 힘이 작용하기 때문에, 특정 특수한 조건에서 자기 균형을 유지하거나 자기 차폐성을 고려해야 할 경우에 선택되는 재료입니다.

자성의 분류 비교표

설계 현장에서 주로 다루는 것은 위의 세 종류이지만, 물리학적 정의에서는 「페리자성」과 「반강자성」을 포함한 다섯 가지로 구분됩니다. 아래 표에서 각각의 특징과 대표 예시를 정리했습니다.

표 1 자성의 분류와 특징

자성 재료・자성 금속 일람표

재료 선정은 「비용」, 「강도」, 「내식성」에 더해 「자성 여부」가 중요한 판단 기준이 됩니다. 특히 스테인레스강은 종류에 따라 자성 차이가 크게 나므로 주의가 필요합니다.
주요 금속 재료의 자기 특성과 설계자가 반드시 짚어야 할 포인트를 표로 정리했습니다.

표 2 주요 금속 재료의 자성 조견표

가장 흔히 틀리는 생각은 「스테인레스 = 자석에 붙지 않는다」는 착각입니다. 위와 같이 스테인레스 중에서도 SUS430, SUS630, SUS440C 등은 자석에 강하게 반응합니다.
또한, 비자성 재료인 일반적인 SUS304라도 아래에서 설명하듯이 절곡이나 절삭 등 가공 스트레스에 의해 자성을 띠는 특성이 있습니다. 「가공 후에 자성이 남아 있으면 안 된다」는 설계 조건이 있는 경우에는 재료 선정과 후공정(열처리) 검토가 필수적입니다.

자성의 원리와 특징

금속이 자석에 붙는지는 재료를 구성하는 「조직(결정구조)」에 따라 결정됩니다. 특히 설계에 많이 사용되는 스테인레스강에서는, 자성을 가진 「페라이트 조직」과 기본적으로 자성이 없는 「오스테나이트 조직」의 차이를 이해하는 것이 필수적입니다.
같은 스테인레스라는 명칭이라도 내부 조직이 다르면 자석에 대한 반응이 180도 달라집니다. 또한, 처음에는 비자성이지만 가공 스트레스로 인해 조직이 변형되어 자성을 띠는 경우도 있습니다. 다음 장에서는 스테인레스가 자성을 갖는 구체적인 이유와 가공에 따른 성질 변화에 대해 자세히 살펴보겠습니다.

스테인레스가 자석에 붙는 이유

스테인레스는 일반적으로 「자석에 붙지 않는 금속」이라고 생각되지만, 실제로는 자석에 붙는 경우와 붙지 않는 경우가 있습니다. 그 이유에 대해 설명하겠습니다.

스테인레스 스틸 자성

스테인레스강의 자성을 결정하는 것은 재료가 가진 결정 구조(조직)입니다. 설계 현장에서 자주 비교되는 「SUS304」와 「SUS430」을 예로 들면, 그 차이는 한눈에 명확합니다.

SUS430(페라이트계)

「페라이트」라고 불리는 결정 구조를 가지고 있으며, 탄소강 등과 마찬가지로 강한 자성을 나타냅니다. 그래서 자석에 단단히 붙습니다.

SUS304(오스테나이트계)

「오스테나이트」라는 결정 구조를 가지고 있어, 이 상태에서는 자석에 반응하지 않습니다. 비자성을 요구하는 설계에서는 첫 번째 후보가 됩니다.
이처럼 스테인레스는 강종에 따라 자성 특성이 180도 차이 나기 때문에, 도면 지시 시 「스테인레스」라고 일괄적으로 묶지 말고 구체적인 강종 지정이 필수적입니다.

자성을 띠는 이유

원래 비자성인 SUS304라도 실제 부품이 된 상태에서 자석을 가까이 대면 약간 흡착될 수 있습니다. 이는 재료가 가공 과정에서 받는 스트레스로 인해 내부 조직이 변형되기 때문입니다.

상을 「가공 유도 마르텐사이트 변태」라고 부릅니다. 강한 힘이 가해지는 것으로, 비자성의 「오스테나이트 조직」이, 자성을 가지는 「마르텐사이트 조직」으로 변화해 버리는 것입니다.

이 현상을 「가공 유도 마르텐사이트 변태」라고 부릅니다. 강한 힘이 가해지면 비자성인 「오스테나이트 조직」이 자성을 가진 「마르텐사이트 조직」으로 변하게 됩니다.
「재료 증명서에는 비자성이라고 적혀 있는데, 도착한 가공품이 자석에 붙는」 현상은 재료 결함이 아니라 이 조직 변화가 원인입니다. 특히 엄격한 비자성이 요구되는 설계에서는 가공 공정이 자성에 미치는 영향을 미리 고려해야 합니다.

자성이 바뀌는 가공과 이유

비자성 재료라도 제조 과정에서 물리적 스트레스와 열의 영향을 받아 그 특성이 변합니다. 실무에서 자주 수행되는 네 가지 가공 공정이 자성에 어떤 영향을 미치는지 살펴보겠습니다.

소성 가공(자성 변화:강)

소성 가공은 재료에 큰 하중을 가해 변형시키기 때문에 자성 변화가 뚜렷하게 나타나는 공정입니다. 특히 SUS304와 같은 오스테나이트계 스테인레스에서는 절곡 가공, 압출 가공, 프레스 가공 등으로 강한 응력이 가해지면 내부 조직이 자성을 가진 마르텐사이트 조직으로 변합니다.
가공 정도가 심할수록 자성이 강해져, 프레스 제품의 모서리나 깊은 수축부에서는 자석에 확실히 붙는 변화가 나타날 수 있습니다. 설계 시에는 형태 변화가 큰 부위일수록 자성을 띨 위험이 높다는 점을 인식해 두어야 합니다.

절삭 등의 기계 가공(자성 변화:약~중)

절삭 가공에서도 공구에 의한 절삭이나 마찰 과정에서 재료 표면에 응력이 가해져 자성이 발생할 가능성이 있습니다. 특히 얇은 제품의 선반 가공이나 프라이스 가공에서는, 날끝에서 발생하는 국부적인 소성 변형이 원인이 되어 가공면 주변이 미세한 자성을 띠는 경우가 있습니다.
절삭에 의한 자화 정도는 플라스틱 가공에 비하면 「약~중」 수준이지만, 정밀한 자기 센서 근처에서 사용하는 부품 등에서는 이 미세한 자성이 노이즈로 문제시되는 경우도 있습니다.

용접(자성 변화:중)

용접 공정에서는 재료가 한 번 용융되어 응고할 때 급냉 과정을 거쳐 자성이 변합니다. 오스테나이트계 스테인레스를 용접할 때는, 균열 방지를 위해 소량의 「델타페라이트」라 불리는 자성 조직이 포함되도록 조정된 용접 재료를 사용하는 것이 일반적입니다.
따라서 모재가 비자성이라도 용접 비드 부위는 중간 정도의 자성을 띠는 경향이 있습니다. 또한 용접 시 열 영향으로 인한 변형이나 수축도 조직 변화를 촉진하는 요인이 됩니다. 용접 구조물에서 완전한 비자성을 유지하는 것은 어렵고, 접합부 주변이 자석에 반응하는 것은 실무상의 상식으로 받아들여야 합니다.

열처리(자성 변화: 저감)

열처리는 가공 과정에서 발생한 자성을 낮추어 비자성에 가까운 상태로 만드는 데 사용되는 공정입니다. 일반적으로는 「고용화 열처리(용체화 처리)」가 수행됩니다. 이는 재료를 약 1,000℃ 이상의 고온으로 가열한 뒤 급냉함으로써, 가공 과정에서 발생한 마르텐사이트 조직을 다시 오스테나이트 조직으로 변태시키는 방법입니다.
이 처리를 통해 절곡이나 절삭 등 가공 과정에서 발생하는 자성을 감소시킬 수 있습니다. 가공으로 인한 자화가 허용되지 않는 고정밀 부품에서는 최종 공정에 고용화 열처리를 포함하고, 필요에 따라 비투자자율(μr) 등을 이용해 합격·불합격 기준과 측정 조건을 정하는 것이 효과적입니다.

가공 현장·검사 현장에서 실제로 일어나는 트러블

여기서는 가공·검사 현장에서 실제로 발생하는 트러블 사례와 그 대책을 설명합니다.

자주 일어나는 문제

현장에서는 「비자성 재료인데도 자석에 붙는다」는 현상이 문제로 이어집니다. SUS304의 절곡 가공 부위가 자석에 붙어 「재질 위조가 아닐까」 하는 의심을 받는 경우와, 절삭 후 미세한 자성이 원인이 되어 도면 요구 사항이 누락된 채 반환되는 경우가 대표적인 예입니다. 용접부만 강하게 자화되어 주변 센서를 왜곡시키는 경우도 있습니다.
이러한 현상은 조직 변화라는 물리적 현상이지만, 설계자와 현장의 인식 차이가 불만을 초래합니다. 이를 방지하려면 가공에 의한 자성 발생을 사전에 표시해 허용하거나, 탈자 및 열처리를 공정에 포함시키는 등의 대책이 필요합니다.

재료 판정 기준

자성의 유무를 「자석이 붙는가」라는 감각으로 판단하면 주관이나 자석의 강도에 따라 결과가 달라져 검수 시 문제를 일으킬 수 있습니다. 확실한 품질 관리를 위해서는 전용 투자율계 등을 이용한 정량적 측정이 필수적입니다. 확인 방법으로는 스팟형 센서를 대어 투자율 수치를 읽어내는 방법이 일반적입니다.

비자성을 요구하는 경우의 설계·도면의 사고방식

여기서는 설계 의도를 정확히 제조 현장에 전달하기 위한 구체적인 도면 지시 방법을 설명합니다.

「비자성」이라고만 적어서는 안 되는 이유

도면에 「비자성」이라고만 적으면 발주 측과 가공 측 사이에 인식 차이가 생겨 문제가 발생할 수 있습니다. 실무에서 말하는 「비자성」은 용도·허용 범위·측정 조건에 따라 「요구하는 수준」이 달라지기 때문에, 말만으로는 합격 여부를 판단하기 어렵습니다.
예를 들어, 재료 제조업체는 「원재료의 상태」로 비자성을 판단하지만, 가공업체는 「자석에 붙지 않으면 된다」고 해석하고, 설계자는 「센서에 영향을 주지 않는 수준」을 기대하는 식으로 차이가 발생합니다. 이러한 정성적 표현은 검수 시 합격·불합격 판정을 어렵게 만들기 때문에, 반드시 수치에 기반한 객관적인 지표가 필요합니다.

비자성 요구의 구체적인 작성 방법(규칙·수치화)

모호함을 없애려면 수치에 기반한 명확한 기준을 마련해야 합니다. 일반적으로는 「비투자율(공기의 투자율을 1로 했을 때의 비율)」 또는 「흡착력」으로 지정합니다. 예를 들어, 고정밀 비자성이 요구되는 경우에는 「비투자율 1.02 이하」와 같이 상한값을 명시합니다.
또한, 「흡착력 ● mN 이하」와 같이 구체적인 수치를 기재하는 것도 효과적입니다. 이를 통해 재료 선정, 가공 공정, 최종 검사에서 일관된 품질 기준을 유지할 수 있습니다.

측정 방법과 조건을 함께 지시하는 중요성

수치 기준과 함께 「어떤 계기로, 어디를, 어떻게 측정할지」라는 측정 조건을 지정하는 것도 필수적입니다. 자성은 측정기의 종류와 센서의 감도, 그리고 측정 부위에 따라 얻어지는 값이 크게 달라지기 때문입니다.
특히 프레스 제품의 모서리나 용접 부위는 평탄한 부위에 비해 수치가 높게 나타나기 쉬우므로, 「가공 부위를 포함한 전체 부위에서 ～ 이하」로 할지, 「특정 기능 부위만」을 대상으로 할지를 명확히 해야 합니다.

도면 기재 예

구체적인 도면 주석 예시를 들어 보겠습니다. 단순히 「비자성」이라고만 보지 않고, 「재질: SUS304, 가공 후 고용화 열처리를 실시하고 비투자자율 1.02 이하로 유지(측정기: ●●사 제조 △△ 사용)」와 같이 공정, 기준값, 계측기를 함께 기재합니다.
또한 비용을 절감하면서 일정한 비자성을 원한다면 「가공부의 미약한 잔자성은 허용하되, 마그넷에 명확하게 붙는 것은 불가로 한다」와 같이 현장의 판단 기준을 보완하는 표현도 유효합니다. 이처럼 지시를 텍스트화해 도면에 남기면 설계 의도를 가공 현장에 정확히 전달하고, 품질 편차나 인식 차이로 인한 반송을 방지할 수 있습니다.

정리

자성은 설계 실무에서 부품의 기능과 센서 정밀도, 현장에서의 흡착 문제로 이어지는 중요한 요소입니다. 이번 내용에서는 강자성·상자성과 같은 기본 지식부터, SUS304가 가공 스트레스에 의해 자성을 띠게 되는 「가공 유도 마르텐사이트 변태」 메커니즘, 그리고 플라스틱 가공 및 용접에 미치는 영향을 체계적으로 설명했습니다.
현장 트러블을 방지하는 핵심은, 모호한 「비자성」이라는 표현을 피하고, 도면에 비투자율(μr)이나 흡착력(mN)과 같은 객관적인 수치를 지정하는 데 있습니다. 또한 측정기와 측정 부위의 조건을 함께 지정함으로써 제조 현장과의 인식 차이를 해소하고 품질 안정을 도모할 수 있습니다.
이번 내용을 참고하여 재료 조직의 원리부터 도면 기재 규칙까지를 통합적으로 이해하고, 예상치 못한 자성 문제 없이 실무에 맞는 고정밀 설계와 부품 조달을 실현합시다.