스테인리스와 도금/코팅 탄소강 비교 분석 부식 및 조임쇠 재료 선택

본 문서의 목적은 모든 형태의 부식 또는 특정 합금의 장점과 약점에 대한 상세 분석과 관련하여 포괄적 참조 정보를 제공하려는 것이 아니라 전반적인 부식의 개념을 소개하려는 것입니다. 스테인리스강과 탄소강은 매우 상이한 부식 양상을 보입니다. 이 문서에서는 조임쇠 재료를 선택할 때 주요하게 고려되는 사항인 전반적 부식 조건 또는 표면 부식에 관한 정보를 제공합니다.

탄소강과 스테인리스강은 조임쇠 제작에 이용되는 가장 일반적인 재료이며 각각 광범위한 속성을 가진 수백 가지 합금 또는 등급으로 제공됩니다. 일반적으로 탄소강보다 스테인리스강 구성품의 초기 비용이 더 높지만 항상 그런 것은 아닙니다. 예를 들어, 같은 직경과 길이의 솔리드 핀보다 저하중 코일 핀에서 재료가 비용에서 차지하는 부분이 더 적습니다. 그 결과 스테인리스강 코일 핀이 탄소강 솔리드 핀과 비교하여 비용이 같거나 더 적을 수 있습니다. 또한 열처리나 도금과 같은 2차 공정으로 인해 탄소강 부품의 비용이 증가하는 경우가 많지만 스테인리스강의 경우에는 2차 공정이 발생하지 않을 수 있습니다. 가치를 따지지 않은 비용은 무의미합니다. 예를 들어 고급 야외 바베큐 그릴을 제조하는 업체는 제품의 예상 기대 수명보다 훨씬 오래 내식성을 유지할 수 있는 스테인리스강 조임쇠를 선택할 수 있습니다. 이렇게 선택하는 이유는 제품의 무결성, 외관 및 긴 수명을 고려했기 때문입니다. 최대의 품질을 제공하는 조임쇠라면 관련 비용 증가를 상쇄할 수 있는 '가치'가 있을 수 있습니다. 예상 소비자가 품질보다는 비용에 더 민감하다면 이 제조업체는 저가 브랜드로 판매하는 모델에 저렴한 도금 강철 조임쇠를 선택할 수 있습니다. 두 가지 선택 모두 특정 재료를 선택하는 정당한 이유이며 스테인리스강을 선택하려면 고객이 비용만큼 가치를 높게 평가해야 합니다. 설계자는 적합한 조임쇠 재료를 선택할 때 비용, 이점 및 위험성을 모두 고려해야 합니다. 

SPIROL은 전 세계 다양한 산업에 맞는 코일 핀, 슬롯 핀, 솔리드 핀, 인서트, 관형 제품, 가공 너트, 컴프레션 리미터,심 및 디스크 스프링을 제조합니다. SPIROL은 철 및  비철을 비롯하여 많은 재료로 부품을 제조하지만 본 문서의 범위는 철 금속 제품, 더  구체적으로 스테인리스강과 탄소강으로 제한됩니다. SPIROL의 철 제품은 크게 4가지 표준 재료 그룹으로 제조됩니다.

• 저탄소강
• 고탄소강 및 합금
• 마텐자이트 크롬 스테인리스강(AISI 410 및 420,  EN/DIN 1.4516 및 1.4021)
• 오스테나이트 니켈 스테인리스강(AISI 302, 304, 305 또는 EN/DIN 1.4319, 1.4301, 1.4303)

탄소강과 스테인리스강은 모두 철 금속으로 철을 포함하고 있지만 부식 조건에 대한 반응은 크게 다릅니다. 정의에 따라 스테인리스강은 10.5% 이상의 크롬을 포함해야 합니다. 산소에 노출되었을 때 이 합금 원소는 표면에 크롬 산화물 레이어를 만들어 더 이상의 산화를 신속히 방지하고 '부동태화' 단계로 이어집니다. 이 부동태화 레이어는 연속적이고 두께가 균일하며 용해되지 않고 치밀합니다. 부동태화 레이어는 환경에 존재하는 산소와 기질 금속의 접촉을 방지하고, 산소가 존재하기만 하면 긁히거나 벗겨지는 경우 자체적으로 레이어를 다시 만들어냅니다. 이 부동태화 레이어는 두께가 10 ~ 100 원자 정도에 불과해, 부품 치수에 영향을 미치지 않습니다. 스테인리스강은 특정한 조건에서 일부 화학 물질에 노출되었을 때 부식될 수 있지만 탄소강과 같이 균일한 또는 전반적인 부식 조건에 의해 녹이 슬지는 않습니다. 합금 원소로서 크롬은 균질 혼합물의 일부이며 합금으로부터 쉽게 이탈되지 않기 때문에 안전한 것으로 취급됩니다. 스테인리스강과 관련된 마지막 특징은 재활용이 상대적으로 용이하다는 점입니다. 스테인리스강은 100% 재활용 가능하며 업계 분석가에 따르면 폐기된 스테인리스강의 80~90%가 재활용을 위해 수거되는 것으로 추정됩니다.

탄소강 조임쇠는 일반적으로 스테인리스강보다 가격이 저렴하며 뛰어난 내식성을 제공하는 마감 처리를 거칠 수  있습니다. 이러한 마감 처리는 치수를 증가시키므로 설계에서  이 부분을 고려해야 합니다. 탄소강은 도장, 도금 또는 코팅을  이용하여 부식으로부터 보호할 수 있습니다. 도장은 벌크  프로세스가 아니라 랙이 되는 경향이 있기 때문에 비용이  비싸므로 조임쇠에는 일반적으로 적합하지 않습니다. 도금과 코팅은 탄소강을 보존하는 주된 방법이지만 이러한  공정 중 일부는 환경에 미치는 영향 때문에 권장되지 않고  있습니다. 위험한 것으로 간주되는 마감 처리의 예로 카드뮴과  6가 크롬산염이 있습니다. 지난 10년 동안 현재의 환경 규정을  충족시키면서 저렴한 비용으로 뛰어난 내식성을 제공할 수  있는 벌크 코팅과 도금 기술이 성숙한 단계에 이르렀습니다. 이러한 기술 발전에도 불구하고 기질 금속이 녹에 민감하다는  점은 취약점으로 남아 있습니다. 도금과 코팅의 대부분은 벗겨질 때까지만 보호된다는 점에서 희생적이라고 할 수  있습니다. 기질 금속이 노출되면 녹이 슬게 됩니다. 이용  가능한 마감 처리와 코팅의 일부 예를 들면 다음과 같습니다.

• 인산아연 변환 코팅 — 일반적으로 후속으로 오일이나 기타 녹 방지제를 적용합니다. 2차적으로 적용하는 녹 방지제가 내식성을 결정하며, 그 효과는 매우 미소한 정도에서 도금 및 기타 코팅과 경쟁할 수 있는 수준까지 폭넓습니다.
• 기계적 아연 처리 — 수소 취성 위험이 최소화된다는 점이 이 마감 처리의 주된 이점입니다. 마감 처리가 전기도금보다 두꺼울 수 있으며 매끄럽지 못합니다. 성능을 개선하기 위해 크롬산염 및/또는 실러가 2차 적용되는 경우가 많습니다.
• 아연 전기도금 — 3가 크롬산염, 그리고 때로 최종 실러로 보완하는 방법이 일반적입니다. 이러한 마감 처리는 고강도 강철에 대한 수소 취성의 위험을 제기하지만 이러한 잠재적 문제를 해소하기 위한 노력으로 부품을 베이킹 처리하는 방법이 일반적으로 이용됩니다.
• 아연 니켈 전기도금 — 기존 아연 전기도금보다 내식성이 높습니다. 표준 아연 전기도금과 마찬가지로 이  공정에도 고강도 강철을 베이킹 처리하는 단계를 포함시켜 수소 취성의 위험을 줄여야 합니다.
• 알루미늄 아연 박층 코팅 — 수소 취성의 위험 없이 매우 높은 내식성을 부여할 수 있는 딥 스핀 공정입니다.

염수분무 시험 요구 사항은 일반적으로 두 가지 간단한 기준으로 구성됩니다. 즉, 흰색 부식이 형성되는 시간을 측정하고, 이후 빨간색 녹(또는 기질 금속)이 생기기 시작하는  시간을 측정하면 됩니다. 염분 농도, 온도 및 시간이 주의 깊게 제어됩니다. 대부분의 코팅과 도금에는 기질 금속에 비철  금속 레이어를 형성시킨 다음 여기에 크롬산염을 디핑하고 성능 요구 사항에 따라 유기 또는 무기 실러를 적용합니다. 이러한 마감 처리가 효과가 없는 경우에는 코팅과 도금에 적용된 순서와 반대로 다시 진행됩니다. 부식 환경이 최외층  실러와 크롬산염 레이어를 침범하면 그 아래의 비철 금속을  공격하기 시작합니다. 이 단계에서는 흰색 부식이 시작됩니다.  아연, 니켈, 알루미늄 및 마그네슘 등의 비철 금속은 철을 함유하지 않으며 '적색 녹'이 슬지 않습니다. 적색 녹은 마감 처리용 보조 금속이 벗겨진 후부터 나타나기 시작합니다 (그림 2 참조).

SPIROL이 제공하는 두 가지 스테인리스강 중에서 오스테나이트(또는 니켈) 스테인리스강은 최고 수준의 내식성을 제공하는 반면 마텐자이트(또는 크롬) 스테인리스강은 이보다 쉽게 부식됩니다. 니켈 스테인리스강은 두 가지 이점이 있습니다. 1) 크롬 함량이 12%에서 18%로 증가합니다. 2) 산성 미네랄의 내식성을 높이기 위해 8% 니켈이 첨가됩니다. 크롬과 니켈을 적절한 비율로 혼합하면 오스테나이트 조직이 형성될 수 있습니다. 마텐자이트 크롬 스테인리스강은 내식성이 약할 수 있지만 열처리를 통해 강도를 높일 수 있고, 이후 낮은 수준의 가공 경화를 통해 탁월한 내피로성이 부여됩니다.

스테인리스강과 코팅한 탄소강의 차이를 보여주기 위해 각 재료로 동일한 형상의 두 가지 솔리드 핀을 제조했습니다. 스테인리스강 핀은 부동태화시켰으며 저탄소강 핀은 아연 박층 제품으로 코팅했습니다(그림 5 참조). 720시간 후 흰색 부식이 확연하게 나타났지만 코팅한 부품의 성능은 여전히 우수했습니다. 아연이 벗겨지면 녹이 슬기 시작합니다. 이와 대조적으로 오스테나이트 스테인리스강 핀은 거의 변화가 없습니다(그림 6 참조). 적절하게 부동태화시킨 300 시리즈 SST 핀은 염수분무 환경에서 최대 2,500시간 동안 보호를 제공할 수 있습니다.

앞서 언급했듯이 마텐자이트 스테인리스강은 오스테나이트보다 내식성이 낮으며, 이 때문에 일반적으로 염수분무로 테스트하지 않습니다. 410 및 420 스테인리스강 모두 일반적 대기, 담수, 체액, 및 주방, 그리고 크롬산 및 질산 등의 약한 산화성 산에서 훌륭한 내식성을 제공합니다. 다음 마텐자이트 스테인리스강 핀을 염수분무 환경에 놓고 300시간 동안 관찰했습니다. 48시간 이후 얼룩이 분명하게 나타났으며 약간의 피팅이 형성되기 시작했습니다. 300시간 후에는 피팅이 심각해졌고 다음 사진에서 쉽게 확인할 수 있습니다(그림 7, 8, 9 및 10 참조).