스테인리스강은 산 및 알칼리 부식에 대한 내성이 우수합니다. 그러나 이것이 모든 매체에 대해 보편적으로 내성을 가진다는 것을 의미하지는 않습니다. 스테인리스강 부식에는 공식 부식, 틈새 부식, 입계 부식, 응력 부식 균열(SCC) 등이 있습니다.
침식 및 틈새 부식
공식(pitting)과 틈새 부식(crevice corrosion)은 금속 표면의 특정 지점에 발생하는 국부적인 부식입니다. 스테인리스강에서 이 두 가지 부식은 가장 흔한 부식 유형으로, 특정 영역의 보호 부동태 피막이 손상될 때 발생합니다. 공식은 개방적이고 비교적 깨끗한 표면에서 발생하는 경향이 있으며, 구멍 주변의 금속은 일반적으로 손상이 거의 또는 전혀 없습니다. 반면 틈새 부식은 용액이 쉽게 닿지 않는 좁은 틈새나 침전물 아래에 숨어 있습니다. 예를 들어 나사산 이음매, 겹침, O-링 씰, 개스킷, 패스너, 파이프 연결부, 또는 쌓인 먼지, 그리스, 마커펜, 테이프, 보호 필름, 스케일 또는 부식 생성물 등을 생각해 보세요.
틈새 안에서는 화학 반응이 주변 환경과 곧 분리됩니다. 금속과 갇힌 용액 사이의 반응은 틈새 안팎으로의 느린 확산과 결합되어 염화물 농도를 높이고 pH 값을 낮추며 작은 갈바닉 셀을 형성합니다. 그 결과 틈새 내부에서는 빠른 공격이 발생하지만, 외부 노출된 표면에는 거의 공격이 발생하지 않습니다.
고성능 오스테나이트계 스테인리스강의 공식 발생을 억제하는 주요 합금 원소는 크롬, 몰리브덴, 질소이며, 이들 원소의 함량이 높을수록 내식성이 우수합니다. 엔지니어들은 이러한 관계를 공식 저항 등가수(PREN)라는 경험적 지표로 표현합니다. 오스테나이트계 및 듀플렉스계 스테인리스강의 일반적인 공식은 다음과 같습니다.
PREN = %Cr + 3.3%Mo + 0.5%W) +16(%N)
PREN은 염화물 환경에 적합한 스테인리스강을 선택하는 데 유용합니다. 스테인리스강이 특정 사용 환경에서 공식이나 틈새 부식으로 인해 파손되는 경우, PREN 값이 더 높은 등급을 선택해야 합니다. 부식을 방지하기 위해 PREN 값을 얼마나 높여야 하는지는 현재로서는 알 수 없지만, PREN 값이 낮은 스테인리스강을 선택하면 반드시 파손될 것입니다. 특정 등급의 스테인리스강이 염화물 환경에 적합하지만 시중에서 구할 수 없는 경우, 동등하거나 더 높은 PREN 값을 가진 등급을 선택하는 것이 가장 경제적인 대안을 찾는 데 효과적인 전략입니다.
공식 개시제로는 환경 내 염화물 및 산화제 함량 증가, 온도 상승, 그리고 강한 산성도가 있지만, 균일한 부식을 유발하기에는 충분하지 않습니다. 설계 불량이나 열악한 작동 환경으로는 시스템 청결 불량으로 인한 내재적인 균열 및 침전물 잔류물이 있습니다. 가공 중 부주의는 국부 부식으로 이어질 수 있으며, 거칠게 연마된 표면은 부식되기 쉽습니다. 용접 결함과 열 변색은 공식 발생 가능성이 높은 부위입니다. 때로는 제련이나 용접 중 부적절한 작업으로 인해 유해한 비금속 개재물이나 금속간 상이 생성될 수 있으며, 이는 모두 국부 부식 저항성을 저해합니다.
응력 부식 균열
인장 응력, 특정 환경, 그리고 취약한 스테인리스강. 이 세 가지 요소가 동시에 존재하면 응력 부식 균열(SCC)이라는 부식 형태가 발생합니다. 오스테나이트계 스테인리스강의 경우, SCC 파괴는 염화물 함유 환경에서 가장 흔히 발생하므로 염화물 응력 부식 균열(CSCC)이라고도 합니다. CSCC가 가장 흔한 유형의 SCC이지만, 가성소다, 황화수소, 폴리황산과 같은 다른 물질도 오스테나이트계 스테인리스강에서 응력 부식 균열을 유발할 수 있습니다.
열처리된 오스테나이트계 스테인리스강이 CSCC를 겪으면 일반적으로 수지상 결정립계 균열로 나타나며, 그 형태는 응력 모드에 따라 결정됩니다. 예민화는 SCC 감수성을 증가시켜 입계 균열 형성을 촉진합니다. 높은 응력, 고온, 높은 염화물 함량, 낮은 pH는 응력 부식 균열 발생 가능성을 높입니다. 304/304L, 316/316L, 200계 스테인리스강을 포함한 표준 오스테나이트계 스테인리스강은 비교적 낮은 온도와 염화물 함유 조건에서도 이러한 부식에 매우 취약합니다. 고니켈 오스테나이트계 스테인리스강은 염화물 응력 부식 균열에 대한 우수한 내성을 가지고 있지만, 이를 완전히 방지할 수는 없습니다. 고온, 고염화물 환경에서는 여전히 발생할 수 있습니다.
304 및 316 스테인리스강의 니켈 함량은 8% ~ 12%입니다. 니켈 함량이 높은 오스테나이트계 스테인리스강은 염화물 응력 부식 균열에 대한 저항성이 더 우수합니다. 고성능 오스테나이트계 스테인리스강은 크롬, 몰리브덴, 니켈 함량이 더 높아 염화물 응력 부식 균열에 대한 저항성이 특히 우수합니다.
다른 환경에서의 응력 부식 균열
강알칼리 환경은 스테인리스강에 "가성 균열"이라는 일종의 응력 부식을 유발할 수 있습니다. 100°C 이상의 온도에서 304, 316 및 이와 유사한 표준 등급의 스테인리스강은 가성 균열이 발생하기 쉽습니다. 가성 균열은 본질적으로 입계 균열이며, CSCC와 구별하기 어렵습니다. 니켈 함량을 높이면 가성 균열에 대한 저항성을 향상시킬 수 있습니다.
입계 부식
입계 부식은 결정립계 또는 그 근처에서 빠르게 형성되며, 결정립 자체에는 거의 또는 전혀 영향을 미치지 않습니다. 표준 오스테나이트계 스테인리스강의 경우, 이러한 부식은 일반적으로 용접 또는 열처리 중 발생하는 예민화와 관련이 있습니다. 예민화의 정도와 환경 부식성의 차이는 다양한 형태의 부식으로 이어질 수 있습니다. 예민화가 중간 정도이면 점식(pitting)이 형성될 수 있습니다. 연속적인 크롬 탄화물 네트워크가 결정립계를 따라 형성되면 입계 부식이 발생하여 표면 결정립이 탈락합니다. 예민화된 미세구조, 부식 환경, 그리고 인장 응력이 복합적으로 작용하여 입계 응력 부식 균열을 발생시킵니다. 설계자와 제작자는 다음 세 가지 방법을 통해 예민화와 그에 따른 입계 부식을 줄일 수 있습니다.
201L, 304L, 316L 또는 317L 과 같은 저탄소강을 사용하십시오 . 고성능 오스테나이트 스테인리스강은 모두 저탄소강입니다. 탄소 함량이 낮으면 냉각 중 크롬 카바이드 석출(민감화)이 지연됩니다. 따라서 열간 성형 및 용접 시, 단면적이 큰 가공물에서도 재료가 민감화되지 않습니다. 그러나 민감화 임계 온도 범위에 장시간 노출되면 L 등급 스테인리스강도 민감화에 대한 저항력이 떨어집니다.
321 또는 347과 같은 안정화 오스테나이트 강종을 사용하십시오. 이 강종에는 탄소와 단단히 결합하는 안정화 합금 원소가 포함되어 있습니다. 일반적으로 티타늄(Ti)과 니오븀(Nb)이 사용됩니다. 이러한 강종은 티타늄 카바이드 또는 니오븀 카바이드를 우선적으로 형성하고 크롬 카바이드 형성을 방지하여 부식 방지를 위해 고용체에 크롬을 유지하기 위해 적절한 안정화 열처리가 필요합니다.
용액 어닐링은 예민화된 재료의 내식성을 회복합니다. 권장 용액 어닐링 온도 범위는 1040°C ~ 1175°C입니다. 용액 어닐링 후 급속 담금질은 부품의 최종 열처리 단계여야 합니다. 장시간 고온에 노출된 부품의 경우, 용액 어닐링은 예민화 위험을 완전히 제거할 수 없습니다.
용접 부식
스테인리스강 용접 시 용접 금속과 주변 금속은 액체 금속 온도 또는 그에 가까운 온도까지 가열됩니다. 가열 및 냉각 과정에서 용접 금속과 열영향부는 민감화 온도 범위에 일정 시간 동안 노출됩니다. 용접으로 인한 강철 민감화 발생 여부는 합금 종류, 단면 두께 및 열 입력량에 따라 달라집니다.
고성능 오스테나이트계 스테인리스강은 일반적으로 용접 중 크롬 탄화물 예민화를 겪지 않습니다. 그러나 용접 열 사이클은 금속간 화합물 형성을 촉진하여 공식 저항성을 감소시킵니다. 따라서 임계 온도에서 소요되는 시간을 최소화하고 가능하면 여러 번의 용접 패스를 피하도록 입열 및 층간 온도와 같은 용접 매개변수를 조정해야 합니다. 입열 및 층간 온도가 낮을수록 급속 냉각이 촉진되어 임계 온도에서 노출 시간이 단축됩니다.
칼날부식
나이프 라인 부식은 321 및 347과 같은 안정화된 강종에서만 발생하는 독특한 예민화 현상입니다. 용접 공정에서 티타늄 카바이드 또는 니오븀 카바이드가 용해되면 후속 열처리 과정에서 크롬 카바이드가 형성될 수 있습니다. 이 경우 용접부 주변에 좁은 예민화 영역이 나타나기 때문에 나이프 라인 부식이라는 이름이 붙었습니다. 대부분의 오스테나이트계 스테인리스강과 고성능 오스테나이트계 스테인리스강은 안정화되지 않았기 때문에 나이프 라인 부식이 발생하지 않습니다.
갈바닉 부식
금속이 부식성 환경에 침지되면 부식 전류가 발생하는데, 이는 해당 환경에서 금속의 부식 속도와 직접적인 관련이 있습니다. 부식 속도가 매우 낮은 금속은 양의 부식 전위 또는 불활성 부식 전위가 더 크고, 부식 속도가 높은 금속은 음의 부식 전위 또는 활성 부식 전위가 더 큽니다. 두 가지 이상의 서로 다른 금속이나 합금이 부식성 환경에 침지되거나, 서로 접촉하거나, 전기적으로 연결되어 있고, 환경에서 부식 전위가 크게 다를 경우, 갈바닉 부식이 발생할 가능성이 매우 높습니다.
갈바닉 부식이 발생하면 활성도가 높은 금속은 더 빠른 속도로 부식되는 반면, 비활성 금속은 보호되어 금속이 환경에 단독으로 존재할 때보다 부식 속도가 더 낮습니다. 예를 들어, 탄소강을 부동태화된 스테인리스강에 연결하면 탄소강이 빠르게 부식됩니다. 즉, 탄소강은 갈바닉 부식을 겪습니다. 탄소강의 활성도가 더 높고 두 금속 사이의 부식 전위차가 크기 때문입니다.
갈바닉 부식의 예상 강도를 평가하는 중요한 변수는 두 금속의 노출된 표면의 상대적인 크기입니다. 더 안정적인 금속의 상대적인 표면적이 증가함에 따라 음극 반응 영역이 증가하여 더 활동적인 금속 표면에서 금속 용해 또는 부식 속도가 더 빨라집니다. 이러한 표면적 효과로 인해 갈바닉 부식 속도는 활성 금속에 대한 불활성 금속의 면적비에 따라 증가합니다. 탄소강 리벳을 사용하여 스테인리스 강판을 연결하는 것은 잘못된 면적비의 일반적인 예입니다.
전기화학적 부식을 줄이기 위한 조치로는 이종 금속의 연결을 피하고, 절연 재료를 사용하여 이종 금속을 분리하고, 전기화학적 계열에서 이종 금속을 가깝게 선택하고, 이종 금속의 표면적을 조정하고, 부식될 가능성이 가장 높은 금속의 노출된 면적을 늘리는 것이 있습니다.
이종 금속 접합이 불가피한 경우, 접합부 근처의 더 안정적인 금속 표면에 코팅을 분사하면 갈바닉 부식을 방지할 수 있습니다. 활성도가 더 높은 금속 표면에는 갈바닉 부식 방지 코팅을 도포하지 않는 것이 좋습니다. 코팅 결함으로 인해 매우 불리한 불활성 금속/활성 금속 면적비가 형성되어 코팅 결함 부위에서 부식이 가속될 수 있기 때문입니다.
