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기계설계

기계설계 재질 비중, 용융점, 물리적성질 정리 SUS

by 일론마스크 2022. 12. 10.
반응형

STAINLESS강의 성질

2.1 물리적 성질

일반적으로 사용되는 300계열의 Austenite Stainless Steel 을 기준으로 한 대략적인 탄소강과의 비교 하면 다음과 같다.

우선 Stainless Steel 은 높은 전기 비저항으로 용접시 발열이 심하고(탄소강의 약 3배), 저항이 큰 만큼 열전도율도 떨어지고 따라서 냉각속도가 느려진다. (탄소강의 1/3정도) 또한, 열팽창계수가 커서 변형이 심하게 된다. 변형을 최소화 하기 위해서는 가급적 낮은 전류를 사용하는 것이 좋다. 통상적으로 일반 연강 용접시 보다 10% 전류를 낮추어 용접하는 것을 추천한다.

 

강종 구분
물리적 성질
Type
UNS No.
비중
(mg/cm3)
열전도도
(W/m-K)
비열
(J/Kg-K)
at 0 ~ 100℃
전기비저항
(μΩ-㎝)
융점 (℃)
100℃
500℃
201
S20100
7.8
16.2
21.5
500
69
1400 ~ 1450
202
S20200
7.8
16.2
21.5
500
69
1400 ~ 1450
205
S20500
7.8
 
 
500
 
 
301
S30100
8
16.3
21.5
503
72
1400 ~ 1420
302
S30200
8
16.2
21.5
500
72
1400 ~ 1420
302B
S30215
8
15.9
21.6
500
72
1375 ~ 1400
303
S30300
8
16.2
21.5
500
72
1400 ~ 1420
304
S30400
8
16.3
21.5
502
72
1400 ~ 1450
304L
S30403
8
 
 
500
72
1400 ~ 1450
S30430
S30430
8
11.2
21.5
500
72
1400 ~ 1450
304N
S30451
8
 
 
500
72
1400 ~ 1450
305
S30500
8
16.2
21.5
503
72
1400 ~ 1450
308
S30800
8
15.2
21.6
500
72
1400 ~ 1420
309
S30900
8
15.6
18.7
500
78
1400 ~ 1450
310
S31000
8
14.2
18.7
500
78
1400 ~ 1450
314
S31400
7.8
17.5
20.9
500
77
 
316
S31600
8
16.2
21.6
502
74
1375 ~ 1400
316L
S31603
8
 
 
 
 
1375 ~ 1400
316N
S31651
8
 
 
500
74
1375 ~ 1400
317
S31700
8
16.2
21.5
500
74
1375 ~ 1400
317L
S31703
8
14.4
 
500
79
1375 ~ 1400
321
S32100
8
16.3
22.2
500
72
1400 ~ 1425
329
S32900
7.8
 
 
460
75
 
330
N08330
8
 
 
460
102
1400 ~ 1425
347
S34700
8
16.1
22.2
500
73
1400 ~ 1425
384
S38400
8
16.2
21.5
500
79
1400 ~ 1450
405
S40500
7.8
27
 
460
60
1480 ~ 1530
409
S40900
7.8
24.9
 
480
57
1480 ~ 1530
410
S41000
7.8
24.9
28.7
460
57
1480 ~ 1530
414
S41400
7.8
24.9
28.7
460
70
1425 ~ 1480
416
S41600
7.8
24.9
28.7
460
57
1480 ~ 1530
420
S42000
7.8
24.9
 
460
55
1450 ~ 1510
422
S42200
7.8
23.9
27.3
460
 
1470 ~ 1480
429
S42900
7.8
25.6
 
460
59
1450 ~ 1510
430
S43000
7.8
26.1
26.3
460
60
1425 ~ 1510
430F
S43020
7.8
26.1
26.3
460
60
1425 ~ 1510
431
S43100
7.8
20.2
 
460
72
 
434
S43400
7.8
 
26.3
460
60
1425 ~ 1510
436
S43600
7.8
23.9
26
460
60
1425 ~ 1510
440A
S44002
7.8
24.2
 
460
60
1370 ~ 1480
440C
S44004
7.8
24.2
 
460
60
1370 ~ 1480
444
S44400
7.8
26.8
 
420
62
 
446
S44600
7.5
20.9
24.4
500
67
1425 ~ 1510
PH13-8Mo
S13800
7.8
14
22
460
102
1400 ~ 1440
15-5 PH
S15500
7.8
17.8
23
460
77
1400 ~ 1440
17-4 PH
S17400
7.8
16.3
23
460
80
1400 ~ 1440
17-7 PH
S17700
7.8
16.4
21.8
460
83
1400 ~ 1440

 

기계적 성질

Stainless Steel의 기계적 성질은 각 강종별로 매우 다양한 특징을 보이고 있다. 아래의 표는 ASTM A240에 제시되어 있는 각종 Stainless Steel의 기계적 성질을 정리한 것이다. 그러나, 여기에 제시된 값은 Martensite계 Stainless Steel의 열처리 조건에 따른 기계적 성질의 다양한 변화는 고려하지 않았으며, 단지 ASTM에 제시된 기준 값만을 표기한다. ASTM A240에는 석출 경화형 Stainless Steel의 자료가 빠져 있는 것이 아쉽지만, 이에 관한 내용은 석출 경화형 Stainless Steel 항목에서 다시 다루기로 한다.

 

UNS No.
Type
기계적 시험 요구 사항
인장강도
항복강도
연신율(%)
경도
Cold Bend
ksi
Mpa
Ksi
Mpa
BHN
HRB
Austenitic (Chromium-Nickel) (Chromium-Manganese-Nickel)
N80367
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Sheet & Strip
 
104
715
46
315
30
 
100
N.R
Plate
 
95
655
45
310
30
241
 
N.R
N08904
 
71
490
31
220
35
 
90
N.R
S20100
201-1
95
655
38
260
40
 
95
 
S20100
201-2
95
655
45
310
40
217
100
 
S20103
201L
95
655
38
260
40
217
95
N.R
S20153
201LN
95
655
45
310
45
241
100
N.R
S20161
 
125
860
50
345
40
255
25A
N.R
S20200
202
90
620
38
260
40
241
 
 
S20400
 
95
655
48
330
35
241
100
N.R
S30100
301
75
515
30
205
40
217
95
N.R
S30200
302
75
515
30
201
40
201
92
N.R
S30400
304
75
515
30
205
40
201
92
N.R
S30403
304L
70
485
25
170
40
202
92
N.R
S30409
304H
75
515
30
205
40
201
92
N.R
S30415
 
87
600
42
290
40
217
95
N.R
S30451
304N
80
550
35
240
30
201
92
N.R
S30453
304LN
75
515
30
205
40
201
92
N.R
S30500
305
75
515
30
205
40
183
88
N.R
S30600
 
78
540
35
240
40
 
 
 
S30601
 
78
540
37
255
30
 
 
N.R
S30615
 
90
620
40
275
35
217
95
N.R
S30815
 
87
600
45
310
40
217
95
 
S30908
309S
75
515
30
205
40
217
95
N.R
S30909
309H
75
515
30
205
40
217
95
N.R
S30940
309Cb
75
515
30
205
40
217
95
N.R
S30941
309HCb
75
515
30
205
40
217
95
N.R
S31008
310S
75
515
30
205
40
217
95
N.R
S31009
310H
75
515
30
205
40
217
95
N.R
S31040
310Cb
75
515
30
205
40
217
95
N.R
S31041
310HCb
75
515
30
205
40
217
95
N.R
S31254
 
94
650
44
300
35
223
96
N.R
S31600
316
75
515
30
205
40
217
95
N.R
S31603
316L
70
485
25
170
40
217
95
N.R
S31653
316LN
75
515
30
205
40
217
95
N.R
S31609
316H
75
515
30
205
40
217
95
N.R
S31635
316Ti
75
515
30
205
40
217
95
N.R
S31640
316Cb
75
515
30
205
30
217
95
N.R
S31651
316N
80
550
35
240
35
217
95
N.R
S31700
317
75
515
30
205
35
217
95
N.R
S31725
 
75
515
30
205
40
217
95
N.R
S31726
 
80
550
35
240
40
223
96
N.R
S31703
317L
75
515
30
205
40
217
95
N.R
S31753
317LN
80
550
35
240
40
217
95
N.R
S31200
321
75
515
30
205
40
217
95
N.R
S32109
321H
75
515
30
205
40
217
95
N.R
S32615
 
80
550
32
220
25
 
 
N.R
S32654
 
109
750
62
430
40
250
 
N.R
S33228
 
73
500
27
185
30
217
95
N.R
S34565
 
115
795
60
415
35
241
100
N.R
S34700
347
75
515
30
205
40
201
92
N.R
S34709
347H
75
515
30
205
40
201
92
N.R
S34800
348
75
515
30
205
40
201
92
N.R
S34809
348H
75
515
30
205
40
201
92
N.R
S35315
 
94
650
39
270
40
217
95
N.R
S38100
XM-15
75
515
30
205
40
217
95
N.R
S30452
XM-21
 
 
 
 
 
 
 
 
Sheet & Strip
90
620
50
345
30
241
100
N.R
Plate
85
585
40
275
30
241
100
N.R
S31050
310MoLN
80
550
35
240
30
217
95
N.R
S21600
XM-17
 
 
 
 
 
 
 
 
Sheet & Strip
100
690
60
415
40
241
100
N.R
Plate
90
620
50
345
40
241
100
N.R
S21603
XM-18
 
 
 
 
 
 
 
 
Sheet & Strip
100
690
60
415
40
241
100
N.R
Plate
90
620
50
345
40
241
100
N.R
S20910
XM-19
 
 
 
 
 
 
 
 
Sheet & Strip
105
725
60
415
30
241
100
N.R
Plate
100
690
55
380
35
241
100
N.R
S24000
XM-29
 
 
 
 
 
 
 
 
Sheet & Strip
100
690
60
415
40
241
100
N.R
Plate
100
690
55
380
40
241
100
N.R
S21400
XM-31
 
 
 
 
 
 
 
 
Sheet & Strip
125
860
70
485
40
 
 
N.R
Plate
105
725
55
380
40
 
 
N.R
S21800
 
95
655
50
345
35
241
1)
N.R
Duplex (Austenite-Ferritic)
S31200
 
100
690
65
450
25
293
31A
N.R
S31260
 
100
690
70
485
20
290
 
 
S31803
2205
90
620
65
450
25
293
31A
N.R
S32205
2205
90
620
65
450
25
290
32A
 
S32304
2304
87
600
58
400
25
290
32A
N.R
S32550
255
110
760
80
550
15
302
32A
N.R
S32750
2507
116
795
80
550
15
310
32A
N.R
S32760
 
108
750
80
550
25
270
 
N.R
S32900
329
90
620
70
485
15
269
28A
N.R
S32950
 
100
690
70
485
15
293
32A
N.R
Ferritic or Martensitic (chromium)
S32803
 
87
600
72
500
16
241
100
N.R
S40500
405
60
415
25
170
20
179
88
180
S40900
409
55
380
25
205
20
179
88
180
S40945
 
55
380
30
205
22
 
80
180
S41000
410
65
450
30
205
20
217
96
180
S41008
410S
60
415
30
205
22
183
89
180
S41045
 
55
380
30
205
22
 
80
180
S41050
 
60
415
30
205
22
183
89
180
S41500
 
115
795
90
620
15
302
32A
N.R
S42900
429
65
450
30
205
22
183
89
180
S43000
430
65
450
30
205
22
183
89
180
S43035
439
60
415
30
205
22
183
89
180
S44400
 
60
415
40
275
20
217
96
180
S44500
 
62
427
30
205
22
 
83
180
S44626
XM-33
68
470
45
310
20
217
96
180
S44627
XM-27
65
450
40
275
22
187
90
180
S44635
 
90
620
75
515
20
269
28A
180
S44660
 
85
585
65
450
18
241
100
150
S44700
 
80
550
60
415
20
223
20A
180
S44735
 
80
550
60
415
18
255
25A
180
S44800
 
80
550
60
415
20
223
20A
180
S46800
 
60
415
30
205
22
 
90
180

 

고온 특성

(1) Martensite계

1) 가공성 용이

2) 일반 탄소강과 비슷한 양상의 기계적 특성을 나타내므로 고온 가공이 용이하다.

3) 소입 경화 : 급냉에 의해 경화될 수 있으므로 용접과 열처리시에 주의를 요한다.

 

(2) Ferrite 계

1) C, N, Ni의 양을 낮추고, Al, Ti 첨가하면, 약간의 Cr 양으로도 Ferrite계가 될 수 있음.

2) Martensite계보다 내식성 우수

3) 500~600℃ 이상에서 기계적 성질이 급격히 저하(σ상 석출 취하)

4) 900℃이상 장기간 가열하면 결정립 조대화로 인성, 연성이 떨어짐

5) 고 Cr Ferrite계 Stainless강은 고온으로 가열하면 475℃ 취화, σ상취화, 고온 취화등의 현상이 나타남.

 

(3) Austenite계

1) 600℃이상 고온에서 Stainless강중 가장 우수한 강도를 가진다.

2) 그러나, 고온에서 탄화물 형성에 의한 예민화 현상으로 사용에 주의를 요한다.

3) SUS 304L, SUS 316L등의 탄소 함량 0.03% 이하의 저 탄소강재는 고온에서 허용 강도의 저하로 인하여 420℃ 이상의 고온 사용이 제한된다. (ASME Sec. II Part D, ASME Sec. VIII Div. 1)

4) SUS 304에 Mo, Nb, Ti을 첨가시킨 SUS 316, SUS 321등은 SUS 304보다 고온 인장 강도를 가짐.

 

(4) Duplex 계

1) Austenite와 Ferrite의 특징을 모두 가지고 있다.

2) Austenite에 비해 두배 이상의 강도를 가지고 있다.

3) 300℃ 이상에서는 Ferrite조직의 분해가 일어나서 취성이 발생한다.

4) 통상적으로 200℃ 미만의 온도에서 사용한다.

저온 특성

(1) Martensite & Ferrite 계

Martensitic Stainless과 Ferritic Stainless Steel은 저온 취성을 일으키므로 저온 재료에 사용되지 않는다.

 

(2) Austenite 계

Austenite계는 저온 취성을 일으키지 않으며, 저온 인성이 좋아 저온용 용접 구조물용 재료로 널리 사용된다.

 

(3) Duplex 계

-60℃ 이하에서는 충격치가 급소하게 감소한다. 통상 사용온도는 –50 ~ 200℃ 정도로 제한된다.

야금학적 성질

(1) 475℃ 취화

Cr 16% 이상의 고 Cr강인 Ferrite계 Stainless Steel을 400~600℃ 범위에서 장기간 가열하던가 이 온도 구역 내에서 서냉할 경우 나타나는 현상이다. Cr 함량이 높을수록 이런 현상이 잘 발생한다.

475℃ 취화가 발생하면, 인장강도와 경도는 높아지고 연성과 인성은 낮아지며 내식성은 떨어진다. 한번 취화된 것을 600℃이상 단기간 재가열하여 공냉 시키면 일종의 소둔 처리로 인성이 회복된다. 단, Ti, Nb의 첨가는 475℃ 취화를 촉진시킨다.

 

강 종
AISI
475℃취화
(400~500℃)
입계 탄화물
석 출
(500~800℃)
σ상석출
(600~1,000℃)
결 정 립
조 대 화
(1,150℃이상)
Ferrite계
430
-
-
Austenite계
304
-
-
316
-
-
321
-
- *
-
347
-
- *
-

 

(2) 입계 탄화물 석출

Austenite계 Stainless강은 500~800℃로 장기간 가열하던가 이 온도 범위 내에서 서냉하면 결정입계에 Cr탄화물 (Cr23C6)이 석출하게 된다.

Cr 탄화물의 석출로 인해 입계 부근의 Cr의 농도가 낮아져 Stainless의 내식 특성을 잃게 되어 300계열의 강종에서 흔히 언급되는 입계 부식되기 쉽다. 이를 방지하기 위해 Cr 탄화물 형성에 필요한 C함량을 0.03이하로 낮추던가 Nb나 Ti을 첨가시켜 Cr 탄화물 대신 Nb 탄화물이나 Ti 탄화물을 석출시켜 C를 안정화시킨다. 이에 관한 자세한 사항은 Austenitic Stainless Steel 편에 다시 설명한다.

 

(3) σ상석출

고 Cr (20%이상) Ferrite계 Stainless강은 540~900℃, Austenite계 Stainless강은 600~800℃ 장기간 가열하면 σ상인 Fe-Cr 화합물이 석출하게 되는데 이 조직은 극히 단단하고 취성을 나타낸다.

Si, Al, Nb, Ti 혹은 Mo의 첨가로 σ상 석출을 촉진시킨다.

한번 형성된 σ상은 930~980℃로 가열한 후 급냉하면 소실된다.

 

(4) 고온 취성 (결정립 조대화)

고 Ferrite계 Stainless강을 1,150℃이상으로 가열시켜 급냉될 때 생기는 취성이다. 즉 고온에서 결정입의 조대화가 일어나기 때문에 상온에서 극히 취화하게 된다.

800℃ 전후에서 소둔(Annealing)하면 얼마간 회복된다.

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