이 글의 목적은 스테인리스강의 대표 조직인 오스테나이트, 마르텐사이트, 페라이트를 중심으로 듀플렉스와 석출경화형까지 포함하여 조성, 미세조직, 기계적 성질, 내식성, 용접성, 열처리, 대표 강종 및 적용 분야를 체계적으로 정리하고 현장에서 즉시 활용 가능한 선택·설계·제조·검사 기준을 제시하는 것이다.
1. 스테인리스강의 정의와 분류 개요
스테인리스강은 일반적으로 크롬 10.5% 이상을 포함하여 표면에 Cr2O3 수동피막을 형성함으로써 부식 저항을 확보한 철 기반 합금이다. 니켈, 몰리브덴, 질소, 망간, 구리, 탄탈럼 등의 합금원소 조합에 따라 상분율과 조직이 달라지며, 그에 따라 기계적 성질과 내식 성능, 용접성, 가공성이 결정된다.
주요 조직 분류이다.
- 오스테나이트계(γ): FCC 구조, 비자성, 우수한 인성 및 용접성이다.
- 페라이트계(α): BCC 구조, 자성, 응력부식균열 저항 우수이다.
- 마르텐사이트계(α'): 체심정방 구조, 고경도 열처리 가능이다.
- 듀플렉스계(α+γ): α/γ 이중상, 강도와 내식성의 균형이 우수하다.
- 석출경화계(PH): 석출경화 열처리로 고강도 확보가 가능하다.
2. 합금설계의 핵심 개념: 크롬, 니켈, 몰리브덴, 질소
크롬은 수동피막을 형성하여 전면부식 저항을 확보한다. 몰리브덴은 염화물 환경에서 피팅부식과 틈새부식 저항을 크게 높인다. 니켈은 오스테나이트 안정화 원소로 용접성과 인성을 향상한다. 질소는 강도와 피팅 저항을 동시에 높이는 강력한 오스테나이트 안정화 원소이다.
피팅 저항 지수(PREN) 근사식이다.
PREN = %Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N이다. 값이 높을수록 염화물 피팅 저항이 크다.
3. 오스테나이트계 스테인리스강
대표 강종은 304, 304L, 316, 316L, 321, 347, 904L, 고합금 N(질소 강화) 등이다. 상온에서 비자성이며 냉간가공으로 약한 자성을 보일 수 있다. 저온 취성에 강하고 용접성 및 성형성이 뛰어나다. 염화물 환경에서는 피팅과 틈새부식, 응력부식균열에 유의해야 한다.
| 강종 | 주요 조성(개략) | 특성 | 전형 용도 |
|---|---|---|---|
| 304/304L | Cr 18%, Ni 8% | 범용, 용접성·성형성 우수 | 식품, 배관, 장비 외장 |
| 316/316L | Cr 17%, Ni 10%, Mo 2~2.5% | 염화물 피팅 저항 향상 | 해양, 화학설비, 펌프 |
| 321 | Ti 안정화 | 고온에서 입계부식 억제 | 배기계, 열교환기 |
| 347 | Nb 안정화 | 용접부 입계부식 저항 | 압력용기, 보일러 |
| 904L | 고Ni·고Mo | 강한 환원/산성 내식 | 인산, 황산 공정 |
가공·용접 포인트이다.
- 저탄소(L) 등급은 용접 열영향부의 Cr 탄화물 석출을 억제하여 입계부식 위험을 낮춘다.
- 안정화 강종(321, 347)은 Ti, Nb가 탄소를 고정하여 감열에 대한 내성을 높인다.
- 클로라이드 환경에서는 틈새구조 최소화, 표면 청정 유지, 적정 도막 및 패시베이션 처리가 필요하다.
4. 페라이트계 스테인리스강
대표 강종은 409, 430, 444 등이다. 자성을 가지며 열전도율이 상대적으로 높고 열팽창계수가 낮아 열변형에 유리하다. 염화물 응력부식균열에 강하지만 용접금속의 인성 확보에 주의해야 한다.
| 강종 | 주요 조성 | 특성 | 전형 용도 |
|---|---|---|---|
| 409 | Cr 11% | 내열·내식 기본, 비용 효율 | 배기계, 머플러 |
| 430 | Cr 16~17% | 일반 내식, 좋은 성형성 | 가전, 내장재 |
| 444 | Cr 18%, Mo 2% | 피팅 저항, 내공식 강화 | 온수탱크, 열교환기 |
제작 유의점이다.
- 입계 취성 방지를 위해 용접 후 과도한 냉각과 400~550°C 대기 시간 증가를 피한다.
- 질화·탄화 방지를 위해 표면 청정과 보호가스 관리를 강화한다.
5. 마르텐사이트계 스테인리스강
대표 강종은 410, 420, 440A/B/C이다. 열처리를 통해 고경도와 고강도를 확보할 수 있으나 내식성은 오스테나이트계보다 낮다. 자성이 있으며 절삭성과 내마모성이 요구되는 부품에 사용한다.
| 강종 | 특징 | 열처리 | 전형 용도 |
|---|---|---|---|
| 410 | 기본 내식+중간 강도 | 소둔→담금질→뜨임 | 터빈 블레이드, 밸브 |
| 420 | 고경도, 절삭성 | 담금질 후 고온 뜨임 | 의료기, 칼날 |
| 440C | 최고 경도 범주 | 담금질 후 저온 뜨임 | 베어링, 금형 |
용접 시 수소취성, 균열 위험이 크므로 예열, 저수소 용접재, 후열 처리를 계획한다.
6. 듀플렉스 스테인리스강
페라이트와 오스테나이트가 대략 50:50의 이중상을 이루는 합금군이다. 대표 강종은 2205(UNS S32205/S31803), 초듀플렉스 2507 등이다. 동일 두께 기준 항복강도가 오스테나이트계의 약 두 배 수준이며, 염화물 피팅·틈새·응력부식균열 저항이 우수하다. 용접 시 상분율 관리와 질소 손실 방지가 핵심이다.
| 강종 | 개략 PREN | 특성 | 전형 용도 |
|---|---|---|---|
| 2205 | ≈ 35 | 강도·내식 균형 | 해수 배관, 압력용기 |
| 2507 | ≥ 40 | 고염화물 환경 대응 | 오프쇼어, 탈염 설비 |
열영향부에서 σ상 등 취성상 석출을 피하기 위해 열입력과 인터패스 온도를 관리한다.
7. 석출경화형(PH) 스테인리스강
대표 강종은 17-4PH(UNS S17400), 15-5PH 등이다. 솔루션 처리 후 시효(예: H900, H1025 조건)로 침전물을 석출시켜 고강도를 확보한다. 내식성은 304와 316 사이 수준이며 높은 강도 대비 가공성과 치수 안정성이 요구되는 기계 부품에 적합하다.
| 강종 | 강화 메커니즘 | 전형 시효 조건 | 전형 용도 |
|---|---|---|---|
| 17-4PH | Cu 석출 | H900~H1150 | 펌프 샤프트, 항공 부품 |
| 15-5PH | Cu 석출, 청정 조직 | H925~H1025 | 밸브, 터빈 케이싱 |
8. 조직별 물성 비교 한눈에 보기
| 구분 | 강도 | 인성/충격 | 용접성 | 자성 | 염화물 환경 |
|---|---|---|---|---|---|
| 오스테나이트 | 중 | 매우 우수 | 우수 | 거의 없음 | 피팅·SCC 주의 |
| 페라이트 | 중 | 중 | 보통 | 있음 | SCC 강함 |
| 마르텐사이트 | 높음(열처리) | 낮음 | 주의 필요 | 있음 | 일반 내식, 피팅 취약 |
| 듀플렉스 | 높음 | 우수 | 보통~우수 | 있음 | 피팅·SCC 강함 |
| 석출경화 | 매우 높음 | 보통 | 주의 필요 | 있음/약함 | 중~우수 |
9. 선택 가이드: 환경·기능·제작 관점의 의사결정
- 염화물이 낮은 일반 수성 환경과 높은 성형성이 필요할 때 304/304L을 우선 검토한다.
- 해수, 염화물 농축, 틈새 구조가 불가피할 때 316/316L 또는 Mo, N 강화 오스테나이트 혹은 듀플렉스를 고려한다.
- 고강도와 내마모성이 중요하고 부식 환경이 온건할 때 마르텐사이트계가 유리하다.
- 동일 두께 대비 높은 설계 허용응력이 필요하면서 해수 접촉이 있을 때 2205 등 듀플렉스를 채택한다.
- 치수 안정성과 고강도, 중간 수준의 내식이 동시에 필요할 때 17-4PH를 고려한다.
10. 설계·가공·용접 실무 체크리스트
- 설계이다: 데드레그 최소화, 배수성 확보, 틈새 구조 회피, 이종금속 접촉 시 전기적 절연을 고려한다.
- 표면 처리이다: 절단·연마 후 오염 제거와 패시베이션 처리를 통해 피막 품질을 확보한다.
- 용접이다: 저열입력·적정 인터패스, 보호가스 품질 관리, 오스테나이트계는 저탄소 또는 안정화 강종을 사용한다.
- 열처리이다: 마르텐사이트계는 담금질·뜨임 조건을 공정별로 표준화한다. PH계는 솔루션·시효 조건을 엄격히 준수한다.
- 청정관리이다: 염화물 잔존물, 철분 오염, 연마 입자 등을 제거한다.
11. 고온·저온·염화물 환경 성능
오스테나이트계는 저온 충격 인성이 우수하여 극저온 탱크 라이너, 배관에 적합하다. 고온에서는 321, 347 같은 안정화 강종이 카바이드 석출에 따른 입계부식을 억제한다. 페라이트계는 열팽창이 낮아 열피로에 유리하나 475°C 취성 등 상변화에 유의한다. 듀플렉스는 고온 장시간 노출 시 σ상 석출로 인성 저하가 가능하므로 취급 온도와 시간을 제한한다.
12. 부식 모드별 민감도와 대응
| 부식 모드 | 오스테나이트 | 페라이트 | 마르텐사이트 | 듀플렉스 | 대응 전략 |
|---|---|---|---|---|---|
| 전면부식 | 낮음 | 낮음 | 중 | 낮음 | 표면 청정, pH 관리 |
| 피팅 | 중~높음(Cl) | 중 | 높음 | 낮음~중 | Mo↑, 틈새 회피, 세정 |
| 틈새부식 | 중~높음 | 중 | 높음 | 중 | 설계 개선, 패시베이션 |
| SCC | 높음(Cl+응력) | 낮음 | 중 | 낮음 | 응력 저감, 합금 상향 |
| MIC | 중 | 중 | 중 | 중 | 세척, 바이오사이드 |
13. 대표 물성 범위(참고)
| 계열 | 항복강도(MPa) | 인장강도(MPa) | 연신율(%) | 브리넬/로크웰 |
|---|---|---|---|---|
| 304/316 | 170~300 | 485~620 | 40~60 | HB 140~200 |
| 페라이트(430) | 200~280 | 430~520 | 20~30 | HB 150~190 |
| 마르텐사이트(420) | ≥ 450(열처리) | 700~1000 | 10~20 | HRC 45~55 |
| 듀플렉스(2205) | ≥ 450 | 620~880 | 20~30 | HB 180~270 |
| 17-4PH(H900) | ≥ 1000 | ≥ 1200 | 10~15 | HRC 38~44 |
14. 등급 표기와 재료규격 이해
국제적으로 AISI/SAE, ASTM/ASME, EN, JIS, ISO 체계가 병행 사용된다. 예를 들어 304는 UNS S30400, 316L은 S31603, 2205는 S32205/S31803으로 표기한다. 프로젝트 명세서에는 화학 조성 범위, 기계적 성질, 열처리 상태, 표면 등급, NDT 요구사항을 함께 명기한다.
15. 표면 상태와 마감
표면 거칠기와 산화피막 상태는 부식 성능과 세정 용이성을 좌우한다. 식품·제약 용도는 전해연마와 패시베이션을 적용하고, 해양 설비는 표면 오염원 제거와 코팅 시스템을 병행한다. 연마 입자와 철분 오염은 국부부식 개시점이 되므로 제조 전 과정에서 이종금속 접촉과 연마재 혼입을 통제한다.
16. 품질검사와 문서화
- 화학 성분 검사이다: PMI, 스펙트럼 분석으로 합금 오투입을 방지한다.
- 기계적 시험이다: 인장, 경도, 충격 시험을 규격에 따라 수행한다.
- 비파괴검사이다: 용접부는 PT, RT/UT, 표면은 VT로 결함을 확인한다.
- 부식 시험이다: 페라이트 함량 측정, CPT/CRE 시험, 페라이트 스코프를 적용한다.
- 문서화이다: 밀시트, 열처리 레코드, 용접 절차서(WPS/PQR), 검사 성적서를 패키지로 관리한다.
17. 사례 기반 적용 시나리오
사례 1: 해수 냉각 열교환기 튜브 선정이다.
요구 조건은 염화물 고농도와 틈새 가능성이다. 316L은 피팅 위험이 존재하므로 듀플렉스 2205 또는 고합금 오스테나이트를 검토한다. 설계에서는 팽창 연결부 틈새 최소화와 세정 주기 설정을 포함한다.
사례 2: 고강도 샤프트와 중간 내식 요구이다.
17-4PH H1025 조건을 적용하여 강도와 내식 균형을 확보한다. 용접을 최소화하고 가공 후 시효로 치수 안정성을 맞춘다.
사례 3: 배기계 부품 대량 생산이다.
열팽창과 비용을 고려하여 409/430 페라이트계를 선택한다. 용접부 인성 확보를 위해 열입력 저감과 후처리를 표준화한다.
18. 비용·수명 최적화 전략
- 총소유비용(TCO) 관점이다: 초기 소재비, 가공·용접 비용, 코팅·세정, 교체 주기, 정지 손실을 합산한다.
- 등가 설계이다: 듀플렉스의 높은 항복강도를 활용하여 두께를 줄여 동일 강도를 확보한다.
- 부식 여유 설계이다: 환경 계수와 유지보수 전략에 따라 추가 두께 또는 합금 상향을 선택한다.
- 치수·공정 통합이다: PH계는 열처리 시효 단계에서 조립 공차를 함께 맞춘다.
19. 흔한 오해와 위험 포인트
- "스테인리스는 녹슬지 않는다"라는 오해이다: 염화물 농축, 틈새, 고온·저산소 환경에서는 피팅과 틈새부식이 발생한다.
- 오스테나이트는 항상 비자성이라는 오해이다: 강한 냉간가공이나 δ-페라이트 잔존으로 약한 자성을 띨 수 있다.
- 듀플렉스 용접은 어렵지 않다는 오해이다: 질소 손실과 상분율 붕괴가 성능을 급격히 저하시킨다.
20. 빠른 선택표
| 요구 조건 | 우선 후보 | 대안 | 주의 사항 |
|---|---|---|---|
| 범용+좋은 성형성 | 304/304L | 430(비용↓) | 염화물 피팅 주의 |
| 해수·염화물 | 316/316L, 2205 | 초듀플렉스 | 틈새 최소화 |
| 고강도·내마모 | 420, 440C | 17-4PH | 용접 최소화 |
| 고온 안정 | 321, 347 | 페라이트계 일부 | 감열 관리 |
| 열변형 최소 | 페라이트계 | 듀플렉스 | 용접 인성 |
FAQ
오스테나이트와 듀플렉스 중 해수 배관에 무엇이 유리한가?
염화물 농도가 높고 틈새가 존재하는 환경에서는 듀플렉스가 피팅과 응력부식균열에 강하므로 유리하다. 단, 용접 품질과 상분율 관리를 충족해야 한다.
마르텐사이트계의 내식성을 높이려면 어떻게 하나?
적절한 열처리로 잔류 응력을 낮추고 표면 거칠기를 개선한다. 필요 시 코팅 또는 양극보호를 병행하며 틈새 구조를 피한다.
페라이트계 용접 시 가장 중요한 관리 포인트는 무엇인가?
열입력과 냉각 속도를 관리하여 입계 취성을 억제하는 것이다. 저수소 용접재와 보호가스 품질을 유지한다.
PREN 값이 높으면 항상 더 좋은가?
피팅 저항 관점에서는 유리하지만 비용, 용접성, 가공성, 재고 조달성까지 함께 고려해야 최적의 선택이 된다.
PH계는 왜 항공·펌프 샤프트에 많이 쓰이나?
시효 처리로 높은 강도와 치수 안정성을 확보하면서 중간 수준의 내식도 충족하기 때문이다.