강도 등급은 저온에서 버틴다는 보증이 아닙니다

성질은 어디에서 측정되었는가

ISO 898-1은 기계적 성질을 10~35 °C에서 측정하며, 규격에 맞는 체결 부품이라도 더 높거나 낮은 온도에서는 그 성질을 유지하지 못할 수 있다고 분명히 적습니다. 따라서 “진짜 10.9입니다”라는 말은 상온 시험에 관한 진술입니다.

그 조항에 붙은 세 가지 조건

충격 요구는 실제로 있지만 조건이 까다롭고, 바로 그 조건 때문에 일반 구매에서는 거의 보이지 않습니다.

1. 조건부입니다. 해당 제품 표준이 요구하거나 제조자와 구매자가 합의한 경우에만 시험합니다.
2. 치수 하한이 있습니다. 시편은 완제품에서 가공하며, 체결 부품은 d ≥ 16 mm이고 전체 길이가 55 mm 이상이어야 합니다. M16 미만에서는 표준 시편을 만들 재료가 부족한 경우가 많습니다 — 따라서 대부분의 작은 나사는 원하더라도 이 조항을 적용할 수 없습니다.
3. 12.9에는 값이 없습니다. 표 3에서 12.9의 수치는 검토 중으로 표시되어 있습니다. 흔히 쓰는 등급 가운데 가장 높은 등급에 표준은 숫자를 매기지 않습니다.

강재가 취성을 띠는 이유, 신중하게

페라이트계 강은 연성-취성 천이를 보입니다. 온도가 내려가면 전위의 이동이 어려워지고, 더 낮은 응력에서 벽개 파괴가 우세해질 수 있습니다. 면심입방 구조인 오스테나이트계 스테인리스강은 일반적으로 그에 견줄 만한 급격한 천이를 보이지 않습니다.

흔한 약식 설명에 대한 두 가지 수정입니다. 첫째, 담금질한 볼트는 단순히 “체심입방 강”이 아닙니다. 8.8, 10.9, 12.9는 보통 템퍼드 마르텐사이트이며, 엄밀히 말하면 체심정방 구조이고, 펄라이트와 베이나이트는 다상 조직입니다. 둘째, 천이 온도는 재료 상수가 아닙니다. 어떻게 정의하느냐에 따라 달라지며 — 에너지 기준, 연성 파면율 50%, 횡팽창량이 각각 다른 숫자를 냅니다 — 성분, 결정립과 패킷 크기, 노치 날카로움, 시편 두께, 하중 속도, 채취 방향, 이전 냉간 가공에 따라 움직입니다.

12.9는 저온에서 8.8보다 나쁜가?

대개 경향은 그쪽으로 가며, 표준 자체의 연신율 수치에서도 보입니다 — 대략 8.8은 12%, 10.9는 9%, 12.9는 8%입니다. 소성 여유가 적다는 것은 균열, 노치, 수소 문제, 열처리 이상에 대한 허용도가 낮다는 뜻이며, 등급 숫자가 실제로 보장하는 것의 배경에 있는 상충 관계와 같습니다.

그러나 이는 경향이지 순위 규칙이 아닙니다. 체결 부품을 강도 등급순으로 줄 세운다고 천이 온도순으로 줄 세워지지는 않습니다. 성분, 강의 청정도, 결정립 크기, 템퍼링 상태가 순서를 뒤집을 수 있으며, 저온용으로 설계한 합금강은 상업 품질의 8.8보다 인성이 높을 수 있습니다.

오스테나이트계 스테인리스가 흔한 답이지만 실제 예외가 있습니다

ISO 3506-1은 오스테나이트계 스테인리스 볼트, 나사, 스터드를 −196 °C까지 사용할 수 있다고 적습니다. 이는 재료 수준의 안내이지, 특정 로트가 저온에서 검증되었다는 증거가 아닙니다 — 위의 강도 등급과 같은 구분이므로 유지할 가치가 있습니다.

그리고 “오스테나이트계는 취성을 띠지 않는다”는 말은 지나칩니다. 인성은 여전히 냉간 가공으로 떨어질 수 있고, 304와 일부 316 같은 준안정 강종은 냉간 가공이나 변형으로 α′ 마르텐사이트를 형성할 수 있으며, 수소 환경은 오스테나이트계 강도 취화시키고, 용접부에서는 산화물 개재물과 δ 페라이트가 극저온 파괴 인성을 크게 떨어뜨릴 수 있습니다. 시그마상, 열시효, 예민화도 같은 결과를 냅니다.

강도 문제는 또 별개입니다 — 오스테나이트계 강종은 10.9를 그대로 대체하지 못하며, 그래서 A2/A4 표시에는 강도 수치도 들어갑니다.

저온을 실제로 다루는 사양

저온이 정말 중요한 곳에서는 강도 등급이 아니라 볼트 체결 사양이 답입니다.

이 표에는 함정이 두 가지 있습니다. L7M은 경도 제한 강종이지 “더 차가운 L7”이 아닙니다 — 주로 사워 서비스(산성 환경)를 위해 존재하며, 시험 온도는 오히려 더 높습니다. 그리고 B8만으로는 완전한 지정이 아닙니다. 클래스 1, 1A, 또는 변형 경화한 2를 함께 적어야 합니다. 또한 A320은 보충 요구 사항을 지정하지 않는 한 d ≤ 12.5 mm 볼트류의 충격 시험을 면제합니다.

몇 도부터 걱정해야 하는가?

모든 체결 부품에 적용되는 단일 기준 온도는 없으며, 그런 숫자를 지어내는 것이 이 페이지가 할 수 있는 가장 위험한 일일 것입니다. 기준은 특정 장비에 대한 특정 표준 안에 있습니다. 가장 분명한 예는 EN 1515-4에 따른 압력 장비 플랜지 볼트입니다. 최저 금속 온도가 −10 °C 이상이면 상온에서 40 J, −10 °C 미만이면 시험 온도를 금속 온도 이하로 하여 40 J, −160 °C 미만이면 −196 °C에서 시험합니다. 이는 압력 장비 지침(PED) 대상 플랜지 볼트의 규칙이지 볼트 일반의 규칙이 아닙니다.

대만 콜드체인에서 실제로 다루는 온도를 참고로 들면, 냉장 식품은 7 °C 이하, 냉동 식품은 −18 °C 이하로 보관하며, 급속 냉동 설비는 −40 °C 이하에 이를 수 있습니다. 이는 식품 온도이지 체결 부품의 최저 설계 금속 온도가 아닙니다 — 증발기 인접 금속, 제상 주기, 외부 부재는 모두 다른 온도에 있습니다.

이 글은 1단계: 모재를 다룹니다. 전체 순서는 모재, 나사산, 머리, 구동부, 표면 처리, 문서이며, 순서를 바꾸면 재작업이 되는 이유는 영어 글 Specifying a screw에 설명되어 있습니다.

자주 묻는 질문

ISO 898-1은 저온 인성에 대해 무엇이라도 말합니까?

네, 다만 조건부이며 이 점은 양쪽 방향으로 잘못 전달됩니다. 표 3은 5.6, 8.8, 9.8, 10.9 등급에 대해 −20 °C에서 샤르피 V 노치 최소 27 J를 정합니다. 그러나 시험은 제품 표준이 요구하거나 제조자와 구매자가 합의한 경우에만 하며, 시편은 지름 16 mm 이상, 길이 55 mm 이상의 완제품 체결 부품에서 가공해야 하고, 12.9 등급의 값은 표에 검토 중으로 표시되어 있습니다. 따라서 등급이 로트의 저온 시험을 증명하지는 않지만, 표준이 침묵하는 것도 아닙니다.

12.9 볼트가 8.8보다 저온에서 파손될 가능성이 높습니까?

대개 경향은 그쪽이며 표준의 연신율 수치에서도 보입니다 — 8.8은 약 12%, 10.9는 9%, 12.9는 8% — 따라서 높은 등급일수록 소성 여유가 적고 균열, 노치, 수소, 열처리 이상에 대한 허용도가 낮습니다. 그러나 이는 순위 규칙이 아니라 경향입니다. 천이 온도는 성분, 강의 청정도, 결정립과 패킷 크기, 템퍼링 상태에 좌우되므로, 저온용으로 설계한 합금강이 상업 품질의 8.8보다 나을 수 있습니다.

저온 용도에 A2나 A4 스테인리스를 그냥 써도 됩니까?

대개는 가능하며, ISO 3506-1은 오스테나이트계 스테인리스 체결 부품을 −196 °C까지 사용할 수 있다고 적지만 두 가지 주의가 필요합니다. 이는 재료 수준의 안내이지 특정 로트가 그 온도에서 검증되었다는 증거가 아니며, 오스테나이트계 스테인리스도 면역은 아닙니다. 냉간 가공은 인성을 낮추고, 304와 일부 316 같은 준안정 강종은 변형 시 알파 프라임 마르텐사이트를 형성할 수 있으며, 수소 환경은 이를 취화시키고, 용접부의 산화물 개재물이나 델타 페라이트는 극저온 파괴 인성을 크게 떨어뜨릴 수 있습니다. 강도는 별개 문제로, 오스테나이트계 강종은 10.9를 그대로 대체하지 못합니다.

몇 도 아래부터 걱정해야 합니까?

모든 체결 부품에 적용되는 단일 기준은 없으며, 보편적이라고 제시되는 숫자는 지어낸 것으로 보아야 합니다. 기준은 특정 장비에 대한 특정 표준 안에 있습니다 — 압력 장비 플랜지 볼트에 관한 EN 1515-4는 최저 금속 온도 −10 °C까지는 상온에서 40 J, 그 아래에서는 시험 온도를 금속 온도 이하로 하여 40 J, −160 °C 미만에서는 −196 °C 시험을 요구합니다. 쓸모 있는 질문은 체결부의 최저 설계 금속 온도가 몇 도인지, 그리고 구매 기준 사양이 그 온도를 조금이라도 다루는지입니다.

참고 자료

• ISO 898-1:2013 — 성질 측정 온도 10–35 °C, 9.14절 충격 시험 조건, 표 3 KV 값
• ISO 3506-1:2020 — 부속서 A.3, 오스테나이트계 스테인리스 체결 부품의 저온 사용
• ASTM A320/A320M — 저온용 합금강 및 스테인리스강 볼트류
• EN 10269 — 고온 및/또는 저온 성질이 규정된 체결 부품용 강재와 니켈 합금

ASTM A320 조항의 세부 내용은 2022년판으로 확인했습니다. 현재 구매용 판은 A320/A320M-26이므로 계약 시에는 그 본문으로 확인해야 합니다. EN 1515-4의 기준은 압력 장비 플랜지 볼트에만 적용되며 체결 부품 일반의 규칙이 아닙니다. 대만 콜드체인 수치는 관련 위생 및 도축장 규정에 나오는 식품 온도이며 최저 설계 금속 온도가 아닙니다.