열교환기의 정상 작동 온도가 1000°F(약 283°C)에 달할 때 스테인리스 스틸로 만든 볼트는 녹이 슬었다! 왜 그런 걸까요? 원래, 더 높은 온도일 때, 열 순환은 일부 스테인레스스틸을 스테인레스스틸이 아닌 것으로 변하게 할 수 있다. 그러므로 의외의 사고가 발생하지 않도록 조임쇠 재료 선택에 있어서 반드시 신중해야 한다.

스테인리스 스틸 배경:
정의에 따르면 스테인리스 스틸의 크롬 함유량은 10.5퍼센트 이상이어야 하지만, 저자는 그 함유량이 여전히 낮다고 생각한다. 스테인리스강이 상온에서 녹슬지 않도록 하기 위해서는 스테인리스강 기체의 크롬 함유량이 12퍼센트 정도여야 한다.
일반적인 견해와는 달리 스테인리스강은 영원히 스테인리스강일 수 없다. 열 순환은 일부 스테인리스 스틸의 크롬 함유량을 녹슬게 하는 수준까지 떨어뜨린다. 그러나 스테인리스강은 종류가 매우 많기 때문에 보통 특별한 용도에 맞는 스테인리스강 중 하나를 선택할 수 있다.
300 시리즈 스테인리스 스틸
300 시리즈 스테인리스 스틸은 우리가 18-8강으로 알고 있는 것으로, 조임쇠, 이음매, 파이프, 파이프에 가장 많이 사용되는 재료이다. 304형 스테인리스강은 스테인리스강 조임쇠의 가장 일반적인 재료이다. 18-8강은 300 시리즈 스테인리스 스틸 크롬과 니켈의 명목함량이다. 이 재료들은 겉보기에는 부식 저항성이 뛰어나지만 304 스테인리스 스틸을 850°F(약 199°C) 이상으로 가열하면 탄소의 증착작용으로 인해 크롬의 함량이 떨어진다. 높은 온도에서 크롬은 탄소와 결합하여 탄화크롬을 형성하는데, 탄화크롬은 녹을 방지하지 않는다. 304L 스테인리스강을 사용하면 이 문제를 완화시킬 수 있다. 304L 스테인리스강은 304L 스테인리스강의 1/3의 탄소를 함유하고 있다. 321 스테인리스 스틸이나 347 스테인리스 스틸을 사용하면 탄화 크롬의 형성을 제거할 수 있다. 321 스테인리스강과 347 스테인리스강은 각각 티타늄과 나이오븀을 함유하고 있으며, 그 성질은 매우 안정적이다. 티타늄과 니오븀은 탄소에 대한 친화력이 크롬보다 크기 때문에, 이들과 탄소는 고온에서 각각 탄화티타늄과 탄화니오븀을 형성하므로, 크롬은 보존된다. ASTMAl93 중 300 시리즈 스테인리스 스틸 볼트용으로는 304,321과 347 스테인리스 스틸이 있다.
300 시리즈 스테인리스 스틸의 강도는 차가운 성형 시에만 강화되기 때문에, 온도가 1000°F(약 283°C)에 도달하면 열 순환이 조임쇠의 강도를 소화 상태로 떨어뜨린다. 강도 저하가 용납되지 않는다면 321이나 347의 안정적인 재료도 만족스럽지 않다. 그러므로 다른 자료를 고려해야 한다.
스테인리스 스틸 400 시리즈
400 시리즈 스테인리스 스틸은 300 시리즈 스테인리스 스틸보다 크롬 함유량이 낮지만 300 시리즈와 같은 탄소 증착 문제가 없으며, 열처리가 가능하여 최대 1200°F(약 393℃)의 작업 환경에서도 사용할 수 있다. 그러나 크롬은 12~14%밖에 함유되어 있지 않기 때문에 화학적인 분위기가 심한 환경에서는 부식되지만 300 시리즈에는 16~20%의 크롬이 함유되어 있어 부식되지 않는다. 300 시리즈의 스테인리스 스틸은 400 시리즈의 스테인리스 스틸과 강도가 같다. 300 계열 스테인리스 스틸은 자성이 없는 반면 400 계열 스테인리스 스틸은 자성이 있다. ASTMF593 규정에 따르면, 스테인리스 스틸 400 시리즈 중 410,416과 430 시리즈는 조임쇠에 사용된다.
니켈 소재는 랜코넬 계열(랜코넬 인터내셔널에서 제공)이나 하인즈 계열(하인즈 인터내셔널에서 제공)과 같이 고온에 응용하기에 매우 좋은 소재이다. 이 합금강의 대부분은 부식 방지에 사용되는 크롬을 16퍼센트 이상 함유하고 있다. 그들은 열처리도 할 수 있다. 고온에서 강도가 높다. 물론 718합금강은 조임쇠에 가장 많이 쓰일 수 있으며, 우주선의 표준 가느다란 조임쇠이다. Monel(니켈 약 65%, 구리 33%)도 조임쇠에 사용되지만 강도는 매우 낮다. 하인즈 인터내셔널은 그들의 재료의 이름을 하슬렐로이 또는 하인즈XX라고 지었다. 인코넬과 하인즈 모두 718과 X-750과 같은 동일한 조임쇠 재료를 제공한다.
A-286 스테인리스 스틸
이것은 우주 산업에 가장 널리 쓰이는 스테인리스강이다. 철제 스테인리스강으로 크롬이 15% 함유되어 있으며, 열처리되고 냉각으로 경화시킬 수 있다. 무냉각경화시 인장강도는 140-180ksi, 열처리와 냉각경화시 인장강도는 220ksi에 달하지만 이때의 연신율은 상대적으로 피로부하에 비해 너무 낮다. A-286은 -423°C-1200°C로 작동하며, 거의 모든 우주 산업용 조임쇠 공급업체가 A 1 286 조임쇠를 공급할 수 있다.
MP35N 및 MPl59
SPS Technology에서 제공하는 MP35N과 MPl59 소재는 높은 온도와 부식성 환경에서 사용할 수 있는 매우 좋은 소재이며, 크롬이 19% 함유되어 있다. 이런 물질들은 우주 산업에서도 비싼 편이다. Waspalloy는 매우 높은 온도에 사용되는 이 세트의 또 다른 재료이다. 가격도 비싸고 구하기도 쉽지 않은 이런 재료들은 선택의 여지가 없는 경우에만 사용한다.
요약
1000 °F (283℃) 작업 환경에서 304 스테인리스 스틸을 사용하는 것은 현명하지 못하다. 예를 들어 재료의 강도가 떨어져서 거의 소화 상태가 되는 것을 받아들일 수 있다. 예를 들어 321 또는 347 스테인리스 스틸과 같은 안정적인 재료를 선택할 수 있다. 예를 들어 강도 요구가 높고 환경 부식이 심각하지 않다면 400 시리즈 스테인리스 스틸을 사용할 수 있다. 예를 들어 300 시리즈와 400 시리즈는 A-286으로 문제를 해결할 수 없다. Inconel, Haynes, MP35N, MPl59는 좋은 재료이지만 비용이 많이 들고 구하기가 쉽지 않다. 일반적인 설계 규칙은 만족스러운 설계 성능을 얻기 위해 필요한 경우에만 비싼 재료를 사용하는 것이다.