스테인리스(스텐레스) 강의 부식과 부식성(1)
3. 부식과 부식성
스테인리스(스텐레스) 강의 가장 중요한 단일 특성과 그 존재 및 널리 사용되는 이유는 내식성입니다. 다양한 스테인리스(스텐레스) 강재의 특성을 살펴보기 전에, 부식 현상에 대한 설명이 필요합니다. 스테인리스(스텐레스)의 특성에도 불구하고, 스테인리스(스텐레스) 강은 잘못 사용할 경우 “녹”과 부식을 겪을 수 있습니다.
1) 부동태
스테인리스(스텐레스) 강의 내식성이 좋은 이유는 산화 환경에서 매우 얇고 보이지 않는 보호 피막을 형성 하기 때문입니다. 이 보호 피막은 강철을 공격적인 환경에서 보호하는 산화물입니다. 강철에 크롬이 첨가 됨에 따라 부식 속도의 급격한 감소가 이 보호피막 또는 부동태 피막의 형성으로 인해 약 10%까지 관찰됩 니다. 작고 연속적인 부동태 피막을 얻기 위해서는 적어도 11%의 크롬 함량이 요구됩니다. 최대 17% 크롬까지 크롬 함량이 증가함에 따라 부동태가 상당히 빠르게 진행됩니다. 이것이 많은 스테인리스(스텐레스) 강이 17~18% 크롬을 함유하고 있는 이유입니다.
[부동태에 대한 크롬 함량의 영향(2)]
따라서 가장 중요한 합금 원소는 크롬이지만, 몰리브덴, 니켈 및 질소와 같은 다수의 다른 원소 또한 스테인리스(스텐레스) 강의 내식성에 기여합니다. 다른 합금 요소는 특정 환경에서 내 부식성에 기여할 수 있습니다. 예를 들어, 황산 또는 실리콘, 구리, 일부 가스에서의 고온 부식의 세륨 및 알루미늄. 스테인리스(스텐레스) 강은 부동 피막을 형성하기 위해 산화되어야합니다. 보다 공격적인 환경일수록 더 많은 산화제가 필요합니다. 부동태성의 유지는 금속 표면에서 산화종을 소모하므로, 표면에 산화제를 지속 적으로 공급해야합니다. 스테인리스(스텐레스) 강은 부동태화가 강한 경향이 있어 매우 작은 양의 산화성 화학종만이 부동태화에 필요합니다. 공기와 물과 같은 약하게 산화하는 환경에서도 스테인리스(스텐레스) 강을 부동태화하기에 충분합니다.
부동태화 피막은 페인트 층과 비교하여 자기 치유력이 있다는 장점이 있습니다. 부동태 피막의 화학적 또는 기계적 손상은 산화 환경에서 치유되거나 재 부동태화할 수 있습니다. 스테인리스(스텐레스) 강은 중성 또는 약한 환원성 환경에서 산화에 사용하기에 가장 적합하다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 그러나 염산과 같은 환경을 강력하게 줄이기에는 적합하지 않습니다.
부식은 대략 수성 부식과 고온 부식으로 나눌 수 있습니다.
① 수성 부식: 일반적으로 수계 환경에서 300℃까지의 온도에서 액체 또는 습한 환경에서 부식을 말합니다.
② 고온 부식: 최대 1300℃의 고온 가스에서 부식을 의미합니다.
다음에서는 다양한 형태의 수성 및 고온 부식, 공격 위험에 영향을 미치는 요소 및 내식성에 미치는 강재 조성의 영향에 대해 간략하게 설명합니다.
2) 수성 부식
수성 부식이라는 용어는 300℃ 미만의 비교적 낮은 온도에서 액체 또는 습기가 있는 가스에 의한 부식을 의미합니다. 부식 과정은 전기 화학적이며, 액체 또는 습기 피막의 형태로 전해질이 있어야합니다. 가장 일반적인 액체는 물과 같은 용액입니다.
(1) 일반 부식
이러한 유형의 부식은 전체 표면 또는 상대적으로 큰 부분에서 재료가 다소간 손실되는 것을 특징으로 합니다. 이것은 탄소강의 부식과 비슷합니다.
일반 부식은 강재가 부동태 피막을 안정화 시키는 요소가 충분히 높지 않은 경우 발생합니다. 주변 환경은 철강에 대해 너무 공격적입니다. 부동태 피막은 전체 표면에서 파괴되어 강 표면을 노출시켜 환경으로부터 공격을 받습니다.
스테인리스(스텐레스) 강의 일반적인 부식은 보통 산 및 고온의 부식성 용액에서만 발생하지만, 내식성은 일반적으로 크롬, 니켈 및 몰리브덴이 증가함에 따라 좋아집니다. 그러나 이 일반화에는 몇 가지 예외가 있습니다. 고농축 질산 또는 크롬산과 같이 강하게 산화하는 환경에서, 몰리브덴은 바람직하지 않은 합금 첨가물입니다.
환경의 공격성은 일반적으로 온도가 증가하면 증가하지만, 농도의 영향은 다양합니다. 농축된 산은 같은 산의 묽은 용액보다 덜 공격적일 수 있습니다. 일반적으로 부식 속도가 0.1mm/년 미만 이면, 특정 환경에서 일반적으로 부식에 견질 수 있는 것으로 간주됩니다. 특정 환경에서 부식에 미치는 온도 및 농도의 영향은 일반적으로 아래 그림과 같은 등부식도(isocorrosion diagrams)로 표시됩니다. 그러나 이러한 맥락에서, 불순물은 환경의 공격성에 현저한 영향을 미칠 수 있다는 점에 유의해야합니다.
[순수 황산의 등부식도-0.1mm/년]
상기 그림의 등부식 도표로부터 황산의 침습성은 온도가 올라감에 따라 증가한다는 것이 명백하며, 또한 공격성은 40~70% 범위의 농도에서 가장 높습니다. 따라서 농축된 황산은 묽은 용액보다 덜 공격적입니다. 20Cr-25Ni-4.5Mo-1.5Cu의 조성을 가진 ‘904L’ 등급은 중간 농도 범위에서도 우수한 내식성을 나타 냅니다. 이 스테인리스(스텐레스)는 황산 환경에서 사용하기 위해 특별히 개발되었습니다.
합금 원소의 효과는 다른 방식으로 더 명확하게 증명할 수 있습니다. 아래의 그림에서 황산의 제한적인 농도, 즉 특정 스테인리스(스텐레스) 등급이 부동태화 성을 잃지 않고 견딜 수 있는 최고 농도가 각종 스테인리스(스텐레스) 강에 대해 표시되어 있습니다. 높은 수준의 크롬, 니켈 및 몰리브덴의 유익한 효과는 이 환경에서 구리의 효과와 마찬가지로 명백합니다.
[각종 스테인리스(스텐레스) 강에 대한 황산의 부동태화 농도 제한]
모든 환경의 공격성은 불순물의 존재로 인해 크게 변화될 수 있습니다. 불순물은 존재하는 불순물 또는 오염 물질의 유형에 따라 환경을 보다 적극적으로 또는 호의적인 조건으로 변화시킬 수 있습니다.
이것은 황산에서 316L(hMo)의 부식도에 두 가지 다른 오염 물질, 염화물 및 철의 영향이 아래 그림에 나타나 있습니다.
[황산에서 316L(2.5% Mo min)의 내식성에 대한 불순물의 영향]
실제로 대부분의 산업 환경에는 항상 불순물이나 미량의 화합물이 있습니다. 부식 도표에 나와 있는 많은 데이터는 순수한 테스트를 기반으로, 오염되지 않은 화학물질 및 용액의 경우, 특정 장비의 구성 재료를 고려할 때 불순물을 적절하게 고려해야합니다.