스테인리스는 기본적으로 크롬(Cr)이 10.5% 이상 포함된 철 기반 합금으로, 내식성이 뛰어난 금속입니다. 하지만 기계적 성질을 향상시키거나 가공 후 잔류응력을 제거하기 위해 열처리를 실시하는 경우가 많습니다. 이때 열처리 방식과 조건에 따라 스테인리스의 내식성이 떨어질 수 있으므로 주의가 필요합니다.
스테인리스 열처리의 목적
응력 제거와 결정 구조 안정화
스테인리스 열처리는 다음과 같은 목적을 가지고 있습니다.
- 냉간 가공 후 잔류 응력 제거
- 기계적 성질 개선(연성, 인성 확보)
- 결정립 크기 조절 및 균일화
- 용접 후 생기는 결정간 부식 방지
그러나 열처리 온도와 분위기에 따라 오히려 부식 저항성이 낮아질 수 있어 철저한 조건 관리가 필요합니다.
스테인리스 열처리 시 주의할 점
1. 감열온도 범위 피하기 (450~850℃)
이 온도 범위에서 스테인리스는 크롬 탄화물이 석출되며, 이는 결정입계에서 크롬 고갈을 일으켜 부식 저항성을 떨어뜨립니다. 특히 304, 316 등의 오스테나이트계 스테인리스는 감열에 민감하므로 용접 및 열처리 시 빠른 냉각이 필요합니다.
2. 산화 방지 분위기 확보
스테인리스를 공기 중에서 고온으로 가열하면 표면에 두꺼운 산화막(스케일)이 생깁니다. 이를 방지하기 위해 진공 열처리 또는 불활성가스 분위기(예: 아르곤, 질소)를 사용하는 것이 좋습니다.
3. 과열 및 과냉 방지
지나치게 높은 온도에서 오랜 시간 유지하거나, 냉각 속도가 너무 빠르면 금속 내부에 균열이나 잔류응력이 발생할 수 있습니다. 적절한 열처리 사이클 설계가 중요합니다.
4. 저탄소계 스테인리스 사용 고려
크롬 탄화물 석출을 줄이기 위해 304L, 316L처럼 L(Low Carbon) 등급을 선택하면 감열취화 현상을 줄일 수 있습니다. 용접 구조물에는 이러한 저탄소 스테인리스가 유리합니다.
5. 열처리 후 산세정(Pickling) 실시
열처리 후 표면에 생긴 산화피막은 내식성을 저하시키므로, 산세정이나 전해 연마 등을 통해 제거하는 후처리 공정이 반드시 필요합니다.
6. 표면 오염 주의
스테인리스 표면에 탄소강 입자나 기름, 수분 등이 묻은 채로 열처리할 경우, 부식의 원인이 될 수 있습니다. 열처리 전 세정 및 연마 작업을 철저히 해야 합니다.
7. 각 스테인리스 계열에 맞는 열처리 온도 선택
스테인리스는 계열(오스테나이트, 페라이트, 마르텐사이트 등)에 따라 적절한 열처리 온도가 다릅니다. 예를 들어, 마르텐사이트계는 담금질 및 뜨임이 필요하지만, 오스테나이트계는 용체화처리(Solution treatment)가 중심입니다.
스테인리스 계열별 열처리 특성
| 스테인리스 종류 | 주요 열처리 | 온도 범위 |
|---|---|---|
| 오스테나이트계 (304, 316) | 용체화 처리 | 1000~1100℃ |
| 페라이트계 (430, 446) | 어닐링 | 750~800℃ |
| 마르텐사이트계 (410, 420) | 담금질 + 뜨임 | 950℃ + 150~400℃ |
| 듀플렉스계 (2205 등) | 용체화 처리 | 1020~1080℃ |
열처리 전·후 검사 항목
품질 확보를 위한 필수 절차
- 경도 검사 (HV 또는 HRC)
- 내식성 평가 (SST 테스트, 페라이트 측정)
- 금속조직 분석 (현미경 관찰)
- 표면 청정도 및 산화물 잔류 확인
특히 용접 후 열처리를 한 경우, 감열 여부를 확인하기 위한 결정간 부식 시험이 권장됩니다.
정리하며: 철저한 조건 관리가 핵심입니다
스테인리스 열처리는 단순한 가열·냉각 이상의 섬세한 공정입니다. 부적절한 조건에서 열처리를 진행하면 오히려 내식성이 저하되고, 제품 수명이 줄어들 수 있습니다. 소재에 맞는 조건과 후처리 공정을 정확히 적용하는 것이 품질 확보의 첫걸음입니다.
자주 묻는 질문(FAQ)
1. 스테인리스는 열처리를 하지 않아도 되지 않나요?
기본적으로 내식성이 높지만, 용접 후 감열 영역 발생이나 가공 응력 해소를 위해 열처리가 필요한 경우가 많습니다.
2. 감열 영역은 어떻게 피할 수 있나요?
저탄소 스테인리스(L 등급) 사용, 용접 시 빠른 냉각, 또는 용접 후 용체화 처리 등을 통해 방지할 수 있습니다.
3. 산세정은 꼭 해야 하나요?
열처리 후 표면에 생긴 산화피막은 반드시 제거해야 내식성을 유지할 수 있으므로, 산세정이나 전해연마는 필수입니다.