스테인리스의 자성과 비자성

스테인리스의 자성과 비자성
 
 
안녕하세요. 스칸디대디 엔지니어 입니다.
 
비자성체라고 구입한 스테인리스 철판이 협력사를 다녀온 후 자성체가 되어 당황한 경험이 있으실 겁니다.
예전에 개발업무를 진행하다 비자성체가 필요해서 스테인리스 철판을 구입한 적이 있었습니다.
철판을 수령한 후 자석에 붙지 않는 것을 확인하고 필요한 형상으로 만들기 위해서 협력사로 가공을 보냈는데, 절곡과 용접 등의 공정을 거쳐 제품이 완성되어 평가를 진행하는데 만들어진 제품이 자석에 붙어서 진땀 뺀 경험이 있습니다.
그 경험을 토대로 스테인리스의 어떤 경우에는 자성이 되는지, 어떤 경우에 비자성이 되는지 알아보고자 합니다.
 

 
철(Fe)은 강자성체입니다. 기능에 따라 철의 함유량 차이는 있으나 철강을 구성하는 원소 중 가장 많은 부분을 차지합니다. 스테인리스의 경우도 최소 70%이상이 철로 이루어져 있습니다. 그러나 70%가 넘는 철의 함유량에도 자성을 띄지 않는 것은 바로 스테인리스의 결정구조가 다르기 때문입니다.
 
스테인리스는 'Stain(녹, 얼룩) + Less(~을 뺀, 없는)'의 합성어로 녹이 쓸지 않는 철을 의미합니다. 스테인리스가 녹 발청이 잘 생기지 않는 이유는 철 다음으로 많은 크롬(Cr)이 공기 중의 산소와 결합하여 얇은 피막을 형성하여 철이 산소와 만나지 못하여 산화를 방지해주기 때문입니다.
 
스테인리스는 다음과 같은 결정구조로 분류되는데, 이 결정구조에 의해 자성체 또는 비자성체로 나누어 집니다.

결정 구조	오스테나이트계(Austenite)	페라이트계(Ferrite)	마르텐사이트계(Martensite)
주요 성분(비중)	철, Fe(약 70%) 크롬, Cr(16~26%) 니켈, Ni(6~12%)	철, Fe(약 70%) 크롬, Cr(10.5~26%)
자기적 성질	비자성	자성
열전도율	낮음	높음
강종	304, 316, 310	405, 410L, 430, 444	403, 410, 431, 440
비고	300계	400계

 
겉으로 보기에는 똑같아 보이지만 스테인리스를 구성하고 있는 성분과 결정구조에 따라 자성체가 되느냐 비자성체가 되느냐로 나누어 집니다. 
 
페라이트계와 마르텐사이트계는 자기장의 영향에 쉽게 반응하는 강자성체이지만, 오스테나이트계는 자기장이 사라지면 자성도 사라지는 상자성체입니다. 조금 더 전문적인 표현으로는 자기 투자율이 1 이상입니다.
 
그러나 우리가 현업에서 사용하는 스테인리스는 원소재를 사용하기 보다는 가공과정을 거쳐 필요한 형상으로 만들어 사용합니다. 오스테나이트 결정구조는 가공 과정에서 그 결정구조가 변하기도 하는데 가장 큰 원인이 온도입니다. 가공 과정 중 높은 온도에 노출되면 자기의 성질이 변하는데 이를 변태(Transformation)라고 합니다. 이때의 온도를 변태점이라고 하며, 768℃에서 급격하게 결정 조직이 변합니다.
그러므로 높은 온도에 노출되는 가공, 특히 용접은 피하는 것이 좋으나 반드시 필요한 경우에는 저온 용접을 거쳐 결정구조가 변하지 않도록 하여야 오스테나이트계로 비자성을 유지할 수 있습니다.
 
우리가 많이 사용하는 SUS304, SUS316 등에 포함되어 있는 원소 중 니켈의 함량이 높아질수록 더욱 안정적인 오스테나이트 결정구조를 이루어 자성이 없어지게 됩니다.
SUS304 < SUS316 < SUS310 순으로 니켈 함량이 높습니다. 역시 같은 순서로 철판 단가도 높습니다.
 
니켈은 기계적 성질과 내부식성을 개선하는 역할을 하기에 사용자가 의도에 맞게 소재를 선택해서 사용해야 합니다. 자칫 잘못된 선택하게 되면 엉뚱한 결과를 얻게 될수도 있습니다. 그러면 시간과 돈, 에너지가 모두 Loss... ㅠㅠ
 
일반적으로 우리가 주방에서 사용하는 칼이나 가위, 인덕션용 냄비나 후라이팬 등은 니켈이 함유된 SUS400계로 만듭니다.
 

자석에 붙은 주방칼