3.2.1.1 스테인레스강

스테인레스강은 진공 기술의 챔버 또는 구성품을 구성할 때 선호하는 재료입니다. 스테인레스강은 플랜지 연결 시 심지 어 베이크-아웃 과정에서 충분한 강도를 가집니다. 스테인레 스강은 진공 밀폐 상태가 되도록, 표면에 보호막이 충분히 잘 씌워지도록 그래서 많은 어플리케이션에 충분한 보호를 제 공하도록 용접할 수 있습니다. 다음 표에는 진공 기술에서 일 반적으로 사용하는 스테인레스강의 화학적 구성 및 속성이 나와 있습니다.

유럽 철강 번호는 미국철강협회(AISI)의 비교 가능한 재료 지 정과 자주 교대로 사용됩니다. 예를 들어 유럽 철강 번호 1.4301은 미국의 304와, 1.4307과 1.4306은 304 L과, 1.4404 및 1.4435는 316 L과, 1.4429는 316LN과 교체 가능합니다. 하지만 재료는 오직 대략적으로만 비교가 가능합니다. 진공 어플리케이션의 차이는 그다지 중요하지 않습니다. 하지만 특별한 요구조건이 있을 경우엔 각각의 개별 경우에 따라 상 호 교체 가능성을 평가해야 합니다. 예: 재료 1.4301이 어떤 구성품에 필요할 경우 일반적으로 그와 연관된 재료 증명서 가 있어야 합니다. 증명서에 재료 304만 나와 있으면 요구조 건은 충족되지 않습니다. 여기서는 증명서의 지정이 중요합 니다. 각각의 재료 사양이 충족되면 제조업체에서도 반제품 을 여러 가지 지정과 함께 인증할 수 있습니다. 어떤 재료가 1.4301, 1.4307, 304 및 304L이 되는 것으로 인증될 경우엔 훨씬 다양한 사용이 가능합니다.

예를 들어, 시스템을 수용할 때 문제를 피하려면 반제품이나 구성품을 요청할 때 재료와 재료의 인증에 대한 요구를 우선 정의해야 합니다. 이후의 증명서는 특별한 요구조건이 있을 때, 예를 들어 특별한 기계적 속성, 화학적 구성의 제한 또는 AD 2000 W2(Working Group for Pressure Vessels 2000 date sheet W2, “압력 용기용 재료”)나 미국기계학회(ASME) 의 인증 문제 때문에, 종종 인정되지 않습니다.

스테인레스강 1.4301: 가장 빈번하게 사용되는 크롬-니켈강. 뛰어난 저온 형성, 용접 및 광택내기 속성. 많은 어플리케이 션에 대한 충분한 내부식성. 진공 어플리케이션에 적합. 플랜 지, 파이프 구성품 및 챔버에 사용.

스테인레스강 1.4305: 황 함유로 절삭성(강철 가공)을 향상 시킨 1.4301의 변형. 1.4301보다 더 낮은 내부식성. 용접 불 가. 진공 어플리케이션에 충분히 적합. 센터링 링과 같은 회 전 및 밀링 부품에서 부분적으로 사용.

스테인레스강 1.4307, 1.4306: 1.4301의 저탄소 변형. 저탄 소 함량으로 용접 가능하지만 입간 부식성의 영향을 받지 않 음. 1.4301보다 강도가 조금 낮음. 진공 어플리케이션에 매우 적합. 무척 낮은 탄소 함량을 요구하는 사용에 적합(예: CF 플랜지). 더 높은 크롬 및 니켈 함량과 관련된 이점이 종종 더 높은 구입 비용을 정당화하기에 충분치 않기 때문에 1.4307 이 점점 1.4306을 대체하는 중입니다.

스테인레스강 1.4401: 뛰어난 저온 형성 속성. 양호한 용점성 과 연마성. 몰리브덴 첨가물 때문에 비산화성 산과 염화물 이 온 함유 매질에 대한 저항력이 1.4301보다 더 큽니다. 진공 어플리케이션에 적합. 예를 들어 부식성에 대해 더 큰 보호를 요구하는 영역에서 또는 옥내 음용수 시스템에서 밸브 하우 징에 사용.

스테인레스강 1.4404: 1.4401의 저탄소 변형. 저탄소 함량으 로 용접 가능하지만 입간 부식성의 영향을 받지 않음. 진공 어플리케이션에 매우 적합. 예를 들어 반도체 산업에서 파이 프 및 플랜지 구성품을 위해 무척 낮은 탄소 함량이나 더 큰 내부식성이 요구될 때 사용됩니다.

스테인레스강 1.4435: 1.4404보다 더 큰 니켈 함량이 오스테 나이트 구조를 안정시키고, 델타 아철산염의 형성을 감소시 키고, 그래서 용접된 이음매 영역에서도 자기화 현상이 거의 일어나지 않습니다. 몰리브덴 첨가물의 증가로 비산화성 산 과 염화물 이온 함유 매질에 대한 저항력이 1.4404보다 더 큽니다. 진공 어플리케이션에 매우 적합. Basel Standard 2(BN2)에 따르면, 더 높은 분석적 제한을 설정하여 허용 가 능한 아철산염 함유량을 규정하고 있는 제약 산업에서 종종 사용됩니다.

스테인레스강 1.4429: 1.4435와 유사한 특징을 갖지만 높은 질소 함량 때문에 강도가 더 셈. 오스테나이트 구조를 안정시 킴으로써 델타 아철산염과 자기화의 형성을 최소화합니다. 진공 어플리케이션에 매우 적합. 특히 높은 온도에서 청소 또 는 자기 소거를 위한 진공 담금질이 발생할 때, CF flanges에 사용됩니다. 1.4429에서 튜브 및 판금 가용성은 낮습니다. 따 라서 챔버 또는 1.4429의 구성품 플랜지는 종종 1.4404 또는 1.4307로 만들어진 반제품과 결합합니다.

스테인레스강 1.4429 ESR: 1.4429와 속성이 동일하지만 일 렉트로 슬래그 재용해법(ESR) 처리로 인해 미세 구조가 향 상되었고 순도가 더 높아짐. 진공 어플리케이션에 특히 적합. 높은 화학적 순도 및 구조적 균질성과 결합하여 커다란 강도 및 최소 자기화성을 보여주는 최고급 품질의 CF 플랜지에 사 용됩니다.

스테인레스강 1.4571: 높은 가용성을 가진 클래식한 “V4A” 강철. 티타늄으로 안정되었으므로 입간 부식성의 영향 없이 용접 가능. 티타늄 탄화물 구조이므로 1.4401과 속성이 유사 하지만 적정한 연마만 가능하고 전자 연마에 적합하지 않습 니다. 진공 어플리케이션에 적합. 예를 들어 더 큰 내부식성 이 요구되는 배관 및 장치 구성에 사용.

그림 3.1: 오스테나이트 스테인레스강 탄성 모듈의 온도 의존성

그림 3.2: 오스테나이트 스테인레스강의 0.2% 항복점의 온도 의존성

ESR (일렉트로 슬래그 재용해법): 높은 화학적 구조적 순도 를 가진 밀도 높고 분리성 낮은 스테인레스강이 ESR 공정을 통해 제어되고 재생 가능한 조건에서 생산됩니다. 1차 용융 블록이 ESR 용광로 속에서 전기적으로 재용융됩니다. 한 개 의 전주는 1차 블록 위에 있고, 다른 한 개의 전주는 수냉 도 가니의 바닥에 있습니다. 슬래그는 전주 사이에 있으며 스테 인레스강의 용융 온도 이상의 저항 가열에 의하여 가열됩니 다. 액체 슬래그와 접촉 시 비금속 불순물에서 씻겨 나오는 금속 방울들이 1차 블록의 바닥에서 계속 배출됩니다. 거친 함유물들이 슬래그를 통과하면서 거의 완전히 사라집니다. 남아 있는 함유물들은 작고, 2차 블록 위에 거의 균일하게 분 포되어 있습니다. ESR 공정에서 깨끗해진 스테인레스강은 밀도와 균질성이 극히 높은 것이 특징입니다.

오스테나이트강은 용접성이 양호하고 완전 오스테나이트로 써 비자성입니다. 담금질된 상태에서는 극저온에서도 매우 높은 인성 값을 유지하는 것이 특징입니다. 특히 탄소 함량이 더 높을 때는 작업 경화 능력이 높은 경향이 있습니다. 미세 구조의 부품들은 변형 마르텐사이트로 바뀔 수 있습니다. 완 전 오스테나이트강은 용접 시 고온 균열 형성의 영향을 받을 수 있습니다. 많은 오스테나이트 재료에서는 10% 이상의 델 타 아철산염 함량이 용접 금속 내에서 생성되는 방식으로 화 학적 구성이 조정되는데, 그 결과 고온 균열의 영향이 감소합 니다. 그러므로 오스테나이트로 설명되는 많은 강철은 기계 적 또는 열적 처리에 따라 구조 내에 아철산염 또는 마르텐사 이트 함량을 포함할 수 있습니다.

자기화성: 완전 오스테나이트 미세 구조는 자성이 아닙니다. 미세 구조의 구성품들이 변형 마르텐사이트 또는 델타 아철 산염의 형성으로 전환되었다고 앞에서 설명했지만, 오스테 나이트로 지정된 강철들조차도 가벼운 자성을 띨 수 있습니 다. 왜냐하면 마르텐사이트와 아철산염은 둘 다 자기화할 수 있기 때문입니다. 용체화 처리를 통하여 저온 작업 경화 그리 고 마르텐사이트가 줄어들거나 심지어 역전될 수 있습니다. 미세 구조의 델타 아철산염 구성품은 반드시 오스테나이트 형성자 니켈, 탄소, 질소, 망간에 대한 아철산염 형성자 크롬, 몰리브덴, 실리콘, 니오븀의 비율에 의존합니다. 아철산염 함 량은 열처리를 통하여 부분적으로 줄어들 수 있고 따라서 자 기화성을 줄일 수 있습니다. 동일한 재료 지정을 가진 스테인 레스강은 설명된 제한 내에서 서로 다른 화학적 구성을 가질 수 있기 때문에 자기화성은 고정된 것이 아닙니다. DeLong 의 다이어그램에 아철산염 형성자의 크롬 등가물에 대한 오 스테나이트 형성자의 니켈 당량을 표시하면 오스테나이트 및 아철산염 함량을 알 수 있습니다. 그림 3.3에 일부 스테인 레스강에 대한 크롬 및 니켈 당량의 영역(색칠해진 사각형) 이 나와 있고 그 평균 당량이 아이콘으로 표시되었습니다.

그림 3.3: De Long 다이어그램

안정화 스테인레스강에는 용접 시 배출되는 탄소를 경화시 켜 크롬 탄화물의 형성을 방지하는 티타늄과 니오븀이 포함 되어 있습니다. 크롬 탄화물의 형성은 입계에서 크롬의 소모 를 이끌고 재료가 입간 부식성의 영향을 받게 할 수 있습니 다. 용접된 구조일 경우, 최소한의 강판 두께가 약 6mm 이상 인 저탄소(C ≤ 0.03 %) 또는 안정화 스테인레스강을 사용해 야 합니다. 티타늄 탄화물은 연마성을 심히 제한합니다.

열 처리: 오스테나이트 스테인레스강의 용체화 처리 온도는 약 1,050°C입니다. 처음에 600°C에서 800°C 사이의 온도 범 위에서 발생하여 입간 부식성과 비교되는 손상에 이르는 크 롬 탄화물 형성의 위험 때문에 900°C에서 500°C 사이의 온 도 범위를 빠르게 통과해야 합니다. 최종 진공 구성품은 950°C~1,100°C 온도 범위의 진공 상태에서 담금질할 수 있 습니다. 특히 표면에서는 잔류 탄화수소가 제거되지만(정제 담금질), 부피에 결합된 수소는 탈기체화하고(낮은 수소 담금 질), 자기화성은 감소합니다(탈자기화 담금질). 또한 기존의 모든 크롬 탄화물은 용해되고(용체화 처리) 처리 결과 재료 의 응력은 줄어듭니다(무응력 담금질). 하지만 열 처리 역시 기계적으로 이점이 있는 경화를 줄입니다. 금속 밀봉 플랜지 를 이용한 담금질은 절삭 면적에서 재료 경화의 원치 않는 감 소를 이끌 수 있습니다. 금속 실을 사용하면 칼날이 문드러져 서 그 기능을 잃을 수 있습니다. 따라서 담금질 처리에는 플 랜지 재료 1.4429 ESR을 권장합니다. 예외적인 경화는 충분 히 단단한 칼날을 보장합니다.

부식성: 부식은 다양한 원인에 의존합니다. 따라서 저항에 대 한 정보는 오직 지시값만 있으며 일반 정보에 불과합니다. 부 식은 스테인레스강의 선택을 쉽게 해주지만 실제 작동 조건 에 적용 가능한 것이 아니기 때문에 품질 보증을 구성하지는 않습니다. 예를 들어 표면에 가해진 기계적 응력과 손상 뿐만 아니라 높아진 온도와 농도는 모두 부식을 가속하는 효과가 있습니다. 게다가 산소 부족은 보호막을 씌우는 크롬 산화물 층의 재형성을 막아 방식을 부족하게 만듭니다. 또 불순물이 부식을 촉진할 수 있습니다. 실제로 점식, 틈, 응력 균열 부식 을 일으키는 것은 일반적으로 염화물 이온과 다른 할로겐화 물입니다. 수동적인 층은 그 결과로써 국부적으로 파열되고 부식이 국부적으로 계속됩니다. 특히 벨로우즈처럼 벽이 얇 은 구성품은 이런 식의 부식에 취약합니다. 필요할 경우 테스 트 시 사용 수명을 결정해야 합니다. 또한 냉각수는 구성품에 과소평가해서는 안 될 위험을 제공합니다. 물로 둘러싸인 표 면은 충분한 보호막을 가져야 하고, 냉각수는 제조업체가 지 정한 특징을 갖고 있어야 합니다.