스테인리스강은 여러 산업에 활용되고 있는 강재이다. 각종 기계부품, 가정용품, 심지어 예술분야까지 폭 넓게 이용되어 우리들의 삶에 밀접하게 연관된 금속으로 분류된다.
이러한 스테인리스강의 활용도와 함께 반드시 알아야 할 사항이 부식에 대한 메카니즘이다. 이 부식 메카니즘을 이해할려면 스테인리스강의 부식저항성, 합금의 구성도, 조직의 생성과 분해를 이해해야 하며, 특히 스테인리스강의 부식 저항성은 'passive layer' 또는 '부동태 피막'이라 불리우는 현상을 잘 규명할 필요가 있다.
스테인리스강은 페라이트계, 오스테나이트계, 마르텐사이트계, 석출경화계, 2상(相) 조직계로 구분된다. 이중에서 마르텐사이트계 스테인리스강은 열처리를 통하여 경화가 가능한데 열처리 방법이나 조건에 따라 강도 및 부식성에 큰 차이를 나타나게 된다. 마르텐사이트계 스테인리스 강재를 오스테나이타이징(Austenitizing)후 급냉에 의해 항복강도가 1,000 MPa넘어갈 정도로 높지만 연성과 인성이 너무 떨어지기 때문에 대부분 급냉 후 뜨임처리를 행하여 사용한다.
STS410은 마르텐사이트계 스테인리스강으로서 열처리조건이 QT(Quenching & Tempering)550 ℃에서 최소 항복강도가 400 MPa, 인장강도가 550~750 MPa, 연신율15mm정도로 나타난다고 조사되어 있다.
특히 STS 410 마르텐사이트 강은 Quenching 후에는 HRC30 미만으로 되어 경도가 낮게 나오는데, 이는 탄소량이 작아 경도에 미치는 영향이 크지 않으므로 경도는 낮으나, 대신 기계 부품에 사용 할 경우 내식성이 양호하여 적당한 강도와 마모성이 요구되는 부품에 적용되어 사용된다.
본 연구에서는 STS 410강재를 사용하여 QT열처리 이후에 각 조건별로 조직과 경도, 기계적 성질과 내식성의 상호관계를 규명한 것이다. 이를 통하여 STS410을 기계부품에 사용할 때의 최적의 열처리 조건과 조직, 내식성을 알아내고자 하였다.
실험 조건은 STS410 강재를 960 ℃에서 3시간 Austentizing(일명 고용화 열처리) 후, 스테인리스강의 템퍼취성 구간으로 알려진 300 ℃, 350 ℃, 450 ℃, 500 ℃, 550 ℃, 600 ℃, 650 ℃, 700 ℃에서 2시간 템퍼링을 실시하여 조직의 변화, 각종 기계적성질의 변화와 내식성의 상호관계를 조사하였다.
이번 연구를 통하여 다음과 같은 결과들을 얻었다.
열처리 온도가 낮아 조직이 충분히 오스테나이타이징이 되지 못한 경우에 퀜칭 후 조직내에 미고용 탄화물 및 상온에 잔존하던 페라이트(α)가 잔류한 조직이 관찰되었다. 이는 기계부품으로 사용할 때 부품간의 접촉마모 및 부식환경에서 부식의 촉발과 함께 피로강도를 저하시켜 파손을 야기할 수 있는 것으로 조사되었다.
또한, STS 410 강종은 유냉에 의한 담금질 경도가 HRC23~25정도이므로 템퍼링하여 기계적 특성을 향상시킨 후 사용하는데, 대부분이 400~550 ℃의 취성온도구간을 피하여 뜨임 열처리 할 것을 권장하고 있다. 본 연구의 실험결과에 의하면, 템퍼링의 가열온도가 500 ℃ 이상에서는 경도값이 급격히 낮아지므로 내마모성을 필요로 하는 기계부품에는 사용에 부적합한 것으로 나타났다.
또한, 템퍼링 온도 구간(350~600 ℃)에서는 템퍼링 시간이 2시간보다 더 길더라도 경도 및 강도저하는 큰 차이가 나타나지 않았음이 조사되어 본 시험에서는 템퍼링시간을 2시간으로 설정하였다.
내식성은 퀜칭한 상태나 300 ℃ 정도의 저온템퍼링에서 양호하게 나타나지만 템퍼링온도가 상승할수록 내식성은 점차 저하되며, 이는 템퍼링시에 Matrix내에서 Cr 탄화물의 지속적인 석출로 인한 기지(matrix)의 Cr 결핍현상이 주요 원인인 것으로 조사되었다.
일반적으로 강재는 열처리 온도가 상승하면 결정립이 성장하여 취성이 야기 되므로 열처리 온도 상승을 선호하지 않으나, 스테인리스강의 열처리 온도는 일반적으로 1000~1020 ℃정도에서 실시한다. 본 실험에서는 열처리 현장에서 정상온도보다 낮은 960℃에서 고용화 열처리를 하였을 때의 조직판독 및 부식성을 파악하여 실제 산업현장에서 야기되는 문제점을 검토하였다.
960 ℃의 설정조건은 열처리 현장에서 열처리로의 내구성이나 로(爐)의 보호차원에서 1000 ℃이상의 고온에서 열처리를 실시하지 않고, 약간 낮은 온도에서 열처리하는 경향이 있으므로 이 온도에서의 조직과 내식성을 알아 보기 위함이다.
이번 실험결과에 의해 STS 410 강재는 압연 판재의 가공상태, 소재 내부의 크롬 탄화물 분포와 크기형상, 오스테나이타이징 온도에 따른 고용화 정도, 템퍼링에 의한 템퍼취성 구간의 변화, 내식성의 차이등을 알아낼 수 있었다.