현대 기계·구조물에서는 안전성을 높이거나 자체 중량을 줄이기 위해, 또는 원가절감을 위해 점차 각 기능부품들에서 고성능을 요구하고 있다. 이에 내부식성 재료로만 사용돼 오던 스텐레스(Stainless Steel) 볼트도 가공기술의 발달과 더불어 그 성능을 점차 높여 가면서 사용영역을 확대해 특수금속(모넬, 인코넬, 티타늄, 하스텔로이 등)에만 의존해 오던 고성능의 영역을 잠식하고 있다.

원재료의 Chemical Composition을 고급화하고 특수 가공경화방법으로 강도를 크게 강화한 볼트류들이 생산되고 있다. 이 과정에서 동 제품들은 내부식성과 내열성이 함께 강화돼 기계적 속성의 여러 영역에서 크게 강화·고급화 되고 있다. 또한 볼트, 스크류라는 나사형태의 제품 특성상 특수금속 재질보다 유리한 부분이 있으며, 일부상황에서는 오히려 기계적 속성이 더욱 양호한 것으로 나타나 있다. 이를 잘 활용하면 불필요하게 특수금속을 사용하고 있는 기계요소들을 고강도 스텐레스 볼트로 대체함으로서 큰 금액의 원가절감도 가능하다.

가공방법의 문제로 가장 크게 심각한것은 절삭가공·전조가공의 문제이다. 나사의 경우 전조형태의 가공이 매우 중요하다. 대부분의 특수금속 재질의 볼트들은 가공상의 편의 때문에 쉽사리 절삭가공되고 있는데, 이것은 때로는 매우 위험한 상황을 초래할 수도 있음을 알아야 한다. 절삭가공은 한마디로 잘나내는 것으로 볼트내부에 섬유상의 조직이 연속되지 못하고 잘리기 때문에 강도가 매우 약해질 수 있다. 일반적으로 20~30%정도나 강도가 약화되는 것으로 확인된다. 특수금속제품이라고 안심하고 사용하다 왕왕 안전사고를 유발하게 된다. 또한 전조가공에 비해 표면이 거칠게 되는 것은 물론 절삭의 틈새로 부식이 발생하기도 한다. 이런 상황은 오히려 고가의 특수금속 볼트가 고강도 스텐레스 볼트보다도 못한 상황을 창출한다.    

일부 선진 외국제품 고강도 스텐레스 볼트류는 스틸볼트 10.9, 12.9 등급에 필적하는 강도를 나타내기도 해 내부식성과 강도를 함께 해결해야 하는 상황에 많이 사용되고 있다. 이들 고강도 스텐레스 볼트류들은 특히 스텐레스와 티타늄, 인코넬 등 특수금속 재질의 중간쯤을 필요로 하는 어플리케이션에 사용돼 고가의 특수제품 수요를 대체하며 기계설비 등의 제작비용을 크게 절감하기도 한다.

이들 고강도 스텐레스 볼트류와 특수금속 볼트류들의 기계적 속성을 비교하면서 살펴보기로 하겠다. 고강도 스텐볼트 자료는 동 분야의 세계적 명성이 있는 스웨덴의 Bumax제품을 활용했으며, 특수금속재질들의 대표 강종은 아래내용과 같다.

스텐레스 제품은 Bumax제품 A4-80/A4-100, 일반 SUS304 제품 A2-70/SUS316제품 A4-80, Duplex SAF 2205 등이며, Nickel-based 제품은 Inconnel 625, Hastelly C-276, Monel 400 등이며, Titanium 제품은 Titanium Grade 2 등이다.

<표-1>을 보면 알 수 있지만 특수금속이라고 무조건 강한 것은 아니다. Duplex SA 2205, Inconnel 625, Hastelloy 276 등의 특수금속볼트들은 A4-80 정도의 강도밖에 갖지 못하고, Monel 400, Titanium Grade 2는 그보다도 훨씬 못 미치는 강도를 나타낸다.

<표-2>를 보면 Bumax A4-100 고강도 스텐레스볼트는 600℃ 에서도 85% 이상의 기계적 성질을 유지하는 것으로 확인되고 있고, 특히 저온에서 강해 -200°C까지 견딘다. Bumax는 수년전 우리나라가 자랑하는 K-Star 프로젝트(핵융합발전설비)에서 사용됐고 진가를 발휘했다. Inconnel 625는 1000°C 가까운 내열성 기능을 보이고 있는바 현격한 차이를 알 수 있으나, 그 외의 특수금속은 오히려 Bumax A4-100에도 못 미치는 것으로 나타난다.

<표-3>의 PRE 그래프는 10년간 해수에 노출됐을 때 발생하는 틈새 부식을 표현한 것으로 해수에 대한 저항성을 정량적으로 나타내기 위해 수치화 한 것이다. CR은 틈새부식 발생지수를 뜻하며 PRE는 화학적 조성에 의한 부식저항성을 말해주는 것이다. Bumax를 제외한 모든 오스테나이트 계열의 강종이 모두 CR3를 초과하고 있으며, PRE값 또한 현저히 낮아 모두 해수에 내부식 저항성이 현저히 낮으나, Bumax는 특수금속과 거의 차이가 없음을 보여주고 있다.

<표-4>는 황산 20% 희석 용액에 실험 모재를 담그고 +50℃에서 1년 동안 가열했을 때 시편의 형상을 시험한 것으로 일반 STS 304와 STS 316, 316L의 경우 1년 동안 1.3mm의 표면 용해가 일어났으나 Bumax의 경우 0.44mm의 용해가 발생됐음을 보여 주는 것으로 즉, 일반  STS 316L에 비해 약 3배 이상의 황산에 대한 저항성을 발휘할 수 있으며 극도의 열악한 환경에서도 뛰어난 내 부식성을 발휘 할 수 있음을 입증한다.

일반적으로 비자성을 나타내는 수치를 Km=1.000이라고 한다. Bumax는 SUS 304, SUS316 등 일반적 오스테나이트 계열의 스텐레스 볼트류 보다 훨씬 우수한 Km=1.006을 나타내고 있으며, 특수금속에 비하여도 큰 차이가 없는 것으로 나타난다<표-5>.
<제공 = 한국화스너(주)>