모션컨트롤(기술잡지) 2024년 2월호 기술원고 기고 내용
뷔르트인더스트리코리아 기술팀에서 월간 모션컨트롤(국내 제조산업 현장에서의 제조설비 및 시스템 구축과 운영을 위한 핵심기술인 모션 컨트롤 및 엔지니어링을 위한 전문 기술정보지) 2024년 2월호 기술정보 부문에 "내식성, 내화학성, 내열성 등으로 가확한 환경에 견디는 화스너"라는 제목의 기술원고를 기고하였습니다. 제조업의 기술/설계/품질팀에 근무하시는 분들에게 도움이 될 만한 기술 자료여서 공유하여 드립니다. 현업에 도움 되시길 바랍니다!
내식성·내화학성·내열성 등으로 가혹한 환경 견디는 ‘화스너(Fastener)’
기계 산업의 고도화에 따른 가혹한 작동환경(해 수, 염산, 고열 등)으로 인해 각종 기계체결요소(이하 화스너)에 있어 강도는 기본이고 내식성, 내화 학성 및 내열성이 요구되는 경우가 많아지고 있다.
화스너에서 가장 중요한 기계적 특성은 인장 강도인데 일반적인 작동환경에서는 탄소합금강 (Carbon Alloy Steel) 소재로 원하는 수준의 인장 강도를 지닌 화스너를 제작하여 적용하여도 전혀 문제가 없다. 그러나 작동환경이 해수 등의 부식, 염산/황산 등의 화학 및 고온 환경일 경우, 탄소합 금강 화스너는 부식, 산화, 열화 등으로 재질의 특성상 기계적 특성 특히 인장강도가 급격히 줄어들기 때문에 사용할 수가 없다. 물론 탄소합금강 화스너에 적절한 도금/코팅을 하면 어느 정도는 가능하나 작동환경이 가혹해지면 사용이 어렵다. 그 이유는 탄소함금강의 근본적인 금속결정구조가 부식, 화학 및 고온 환경에서 불안한 구조이기 때문에 화스너 표면에 이러한 환경에서 안정적인 금속들을 도금/코팅한다고 하더 라도 근본적인 결정구조가 바뀌는 것이 아니기 때문이다.
이렇듯 탄소함금강으로 대응이 힘든 경우는 스테인리스강(304/316 SST, Duplex 등), 니켈합금 강(Hastelloy, Inconel 등으로 Ni함량 50% 이상) 화스너를 적용해야 한다. 그 이유는 주 원소가 철인 탄소합금강과 니켈인 니켈합금강은 금속결정 구조 자체가 다르기 때문이다. 금속은 결정구조가 달라지면 상(Phase) 이 달라지고 그러면 기계적/물리적 특성이 달라지는데, 금속은 고상 내에서도 다양한 상을 지니기 때문에 부식, 화학 및 고온영역에서 안정적인 상이 존재하는데 스테인리스강과 니켈합금강의 상이 그렇다.
철의 경우 상온에서 BCC(Body Centered Cubic) 상이 안정적이나 고온에서는 FCC(Face Centered Cubic)상으로 상을 바꾸는데 이를 상변 태(Phase Transformation)라며 이렇게 상을 바꾸는 것이 그 환경에서 가장 안정적이기 때문이다.
만약 금속이 상온에서도 FCC상으로 존재하며 고온에서 그 상을 그대로 유지한다면 가혹한 환경에서도 본연의 기계적/물리적 특성을 유지할 수있는 합금이 될 것이며 스테인리스강과 니켈합금강이 그러한 관점에 부합한다. BCC상인 탄소강(Carbon Steel)에 Ni를 8%이상 첨가하면 상온 에서도 FCC상으로 존재하게 되는데 이것이 바로 18-8(Cr18%-Ni8%) 스테인리스강이며 니켈합금강은 Ni 함량이 50%이상으로 훨씬 더 안정적인 FCC상으로 존재한다. 이러한 이유로 Ni을 FCC안정화 원소 또는 오스테나이트(Austenite, FCC상의 조직학적 명칭) 안정화 원소라고 부르는 것이다.
가혹한 환경에서 FCC상이 BCC상보다 안정적인 이유는 원자충진율(Atomic Density Factor)이 높아 가혹한 환경에서 원자간 결합을 잘 유지하기 때문이다. (그림1 참조) 결론적으로 사용자 측면에서는 가혹한 환경에 노출되는 기계제작품의 경우 Ni 함량이 높은 합금으로 만들어진 화스너를 적용하는 것이 안정적인 설계 기준이라는 것을 의미한다.
<그림1> BCC와 FCC 결정구조
이제부터는 기계 산업의 가혹한 환경에 해당하는 부식, 화학, 고온 환경 각각에 대해 상세히 살펴 보도록 하자. 부식에 견디는 정도를 나타내는 내식 성을 평가하는 지수로는 PRE(Pitting Resistance Equivalent)가 대표적인데 이는 재질의 화학성분 비로 부식에 대한 저항도를 나타낸 것이며 다음과 같이 계산된다.
Cr과 Mo이 중요한 합금원소인 것을 알 수 있는데 탄소강에 Cr이 18%이상 첨가되면 Cr2O3라는 부동 태피막(Passive Layer)을 표면에 형성해 탄소강의 표면을 화학적으로 불활성화하여 부식으로부터 보호한다. 이는 일종의 산화막으로 Cr이 산소보다 철과 산화반응을 잘 일으키기 때문에 형성되는 것인데 스텐인리스강의 표면에서 볼 수 있는 것이다.
그리고 Mo은 이러한 부동태피막을 훨씬 견고 하게 만드는 역할을 한다. FCC상을 지닌 합금들의 PRE값을 <표1>에 나타내었으며 부식 환경에 노출 되는 기계제작품에 적용되는 내식성이 필요한 화스너의 경우 이 표를 참조로 선정하면 된다. 때로는 고객이 PRE값을 지정하기도 하는데 이 경우도 <표1>을 참조하면 된다. 표를 참조하면서 화스너 제조사의 원소재성적서를 통해 정확한 성분 함량을 확인하여 PRE값을 계산하고 이를 기준으로 설계하면 된다.
<표1> FCC상 합금들의 PRE 값
*A2, A4는 ISO에서 규정하는 오스테나이트계 스테인리스강 화스너의 명칭임 *Premium A4는 일반 A4보다 Mo함량이 높아 내식성이 우수함
다음은 화학적 환경에서 견디는 정도를 나타내는 내화학성에 대해 알아보자. 이 또한 내식성의 척도인 부동태피막의 견고한 정도로 평가될수 있다. 즉 PRE값이 높을수록 내화학성도 우수하다고 볼 수 있으며, 정확한 것은 대표적인 화학 분위기인 염산, 황산용액(특정 농도 및 온도)에 화스너를 담궈 일정기간 후 표면의 부식정도를 확인하는 것이다. <표2> 는 A2, A4 및 Premium A4 화스너를 농도20%, 50℃의 황산 용액에 1년간 담궈 표면부식 정도를 확인한 결과이다.
<표2> 농도20%, 50℃의 황산 용액에 1년간 담근 후의 표면부식 정도
마지막으로 고온 환경에서 견디는 정도를 의미하는 내열성에 대해 알아보자. 고온에서 안정적인 금속결정구조가 FCC상이라는 것은 앞에서 설명했다. 그러므로 FCC상 안정화 원소인 Ni함량이 높을수록 내열성이 우수하다고 볼 수 있는데 <표3>은 위에서 언급한 합금으로 제조된 화스 너의 사용 가능 온도를 나타낸 것이다.
<표3> 화스너 재질별 사용가능 온도
지금까지 가혹한 환경에도 적용 가능한 화스너가 필요로 하는 내식성, 내화학성 및 내열성에 대해 재료학적인 관점에서 간략히 살펴보았다. 아래의 < 표4>는 위에서 언급한 재질들의 화학성분을 비교해 볼 수 있게 나타낸 것이다. 각재질들의 내식성, 내화학성 및내열성에 대해 종합적으로 이해 하는데 도움이 될 것이다.
<표4> 스테인리스강 및 내열강 합금 조성 비교
자료제공: 뷔르트 인더스트리 코리아(www.wuerth-product.co.kr)
