극저온 적용을 위한 스테인리스강 선정: -196°C에서 내식성보다 인성이 더 중요한 이유

극저온 적용을 위한 스테인리스강 선정: -196°C에서 내식성보다 인성이 더 중요한 이유

액체 질소(-196°C), LNG 저장, 또는 항공우주 시스템과 같은 극저온 응용 분야에 적합한 스테인리스강을 선택하는 것은 근본적인 관점 전환이 필요합니다. 내식성은 일반적으로 재료 선정 논의에서 중시되지만, 내구성 극저온에서 필수적으로 우선시되어야 합니다. 이에 대한 이유와 치명적인 고장을 방지하기 위해 적절한 등급을 선택하는 방법을 설명합니다.

❄️ 1. 극저온의 과제: 왜 인성이 내식성보다 중요한가

극저온에서는 물질들이 극적인 변화를 겪게 됩니다:

• 연성의 상실 : 많은 금속들이 취성 상태가 되어 응력 하에서 갑작스러운 파단 위험이 증가합니다.

• 열 수축 : 스테인리스강은 -196°C에서 약 3% 수축하여 기계적 응력을 유발합니다.

• 부식 저항은 제2순위 : 여전히 중요하지만, 극저온에서는 부식 반응이 현저히 느려집니다. 산화 및 전기화학 반응은 극저온 환경에서 거의 발생하지 않습니다.

현장에서의 결과 : 부식에 강하지만 인성이 낮은 스테인리스강(예: 430)으로 제작된 저장 탱크는 충격이나 열순환 시 파열되어 유해한 누출을 일으킬 수 있습니다.

? 2. 극저온 성능을 위한 주요 재료 특성

a. 인성(충격 저항성)

인성은 재료가 파손되지 않고 에너지를 흡수할 수 있는 능력을 측정합니다. 샤르피 V-노치(CVN) 시험 은 극저온 인성 평가를 위한 표준 시험 방법입니다.

• 허용 기준치 : ASME BPVC Section VIII 기준 -196°C에서 최소 27J 이상.

• 훌륭 한 성과 : 304L 및 316L 계열은 일반적으로 -196°C에서 100~200J의 인성을 나타냅니다.

b. 오스테나이트 안정성

오스테나이트계 스테인리스강(예: 300계열)은 면심입방(FCC) 구조로 인해 저온에서도 인성을 유지하며, 취성화 현상과는 반대되는 특성을 가집니다. 페라이트계 및 마르텐사이트계 강재(예: 410, 430)는 취성 파괴가 발생하기 쉽습니다.

c. 탄소 함량

저탄소 등급(예: 304L 대비 304)은 용접 시 탄화물 침전을 최소화하여 취성 구역이 생기는 것을 방지합니다.

⚙️ 3. -196°C용 권장 스테인리스강 등급

등급 304L

• 특성 : -196°C에서 CVN 충격 에너지 약 150J.

• 응용 분야 : 액체 질소 듀어, 극저온 배관.

• 제한사항 : 질소 강화 등급에 비해 강도가 낮습니다.

등급 316L

• 특성 : 304L과 유사한 인성과 더불어 부식 저항성을 향상시키는 몰리브덴이 추가되었습니다.

• 응용 분야 : LNG 부품, 의료용 초저온 저장장치.

질소 강화 등급(예: 304LN, 316LN)

• 특성 : 질소 합금화로 인해 높은 항복강도 및 인성이 우수함.

• 응용 분야 : 고압 초저온 용기, 항공우주 분야.

특수 오스테나이트계(예: 21-6-9, 310S)

• 특성 : -270°C까지 우수한 인성을 유지함.

• 응용 분야 : 우주 발사체, 초전도 자석.

⚠️ 4. 초저온 상태에서 사용하지 말아야 할 등급

• 페라이트계/마르텐사이트계 강철(예: 430, 410) : -50°C 이하에서 취성 파단 위험 있음.

• 이중상 스테인리스강 (예: 2205) : -80°C 이하에서 인성이 크게 저하됨.

• 고탄소 등급 (예: 304H) : 입계 균열에 취약함.

? 5. 적합성 확인 방법: 시험 및 인증

• 샤르피 V노치 시험 : 목표 온도(-196°C)에서 각 배치별 인증된 시험 성적서를 요구함.

• 화학 분석 : 탄소량이 낮은 것(<0.03%)과 질소 함량이 조절된 것을 확인함.

• 미세조직 검사 : 델타 페라이트나 시그마 상이 없어 소재를 취성화시키지 않는다는 것을 확인함.

? 6. 설계 및 제작 시 유의사항

• 용접 : 낮은 열입력 방식(예: TIG)과 매칭되는 극저온 등급의 충전재 금속(예: ER308L)을 사용하십시오.

• 스트레스 해소 : 필요하지 않은 한 용접 후 열처리를 피하십시오. 이는 인성 저하를 초래할 수 있습니다.

• 이음부 설계 : 응력 집중을 피하기 위해 매끄러운 전이를 사용하십시오.

✅ 결론: 인성을 우선시하되, 부식 저항성능을 완전히 간과해서는 안 됩니다

극저온 용도의 경우:

1. 오스테나이트계 등급을 선택하십시오. -196°C에서 입증된 인성(304L, 316L 또는 질소 강화 변종)을 갖춘 제품을 선택하십시오.

2. 재료 특성 확인 샤르피 시험 및 제조사 인증서를 통해 확인하십시오.

3. 가공 공정 최적화 미세구조의 완전성을 유지하기 위해.

극저온에서는 내식성이 그다지 중요하지 않지만, 상온에서의 저장, 운송 또는 청소 과정에서는 여전히 중요합니다. 부품의 전체 수명 주기를 항상 고려해야 합니다.

전문가 팁 : 핵심 응용 분야의 경우, 자재 주문 시 '극저온 서비스용'으로 명시하고, 완전한 추적성과 시험 인증서를 제공하는 업체와 협력하십시오.