스테인리스(스텐레스)의 입계부식

 

(4) 입계부식

이러한 종류의 부식은 결정 입계 공격이라고도 하며, 결정 입계를 따라 좁은 범위의 물질을 공격하는 것을 특징으로 합니다.

[황산의 산 세척조에서 사용되는 AISI 316 호크의 용접부에 인접한 입계부식]

입계부식은 입계에서 크롬 탄화물의 석출로 인해 발생합니다.

​이전에 이러한 유형의 부식은 오스테나이트계 스테인리스(스텐레스) 강의 용접과 관련하여 큰 문제를 일으켰습니다. 오스테나이트 또는 페라이트–오스테나이트 강이 550~800℃의 온도 범위에서 유지되면 크롬, 철 및 탄소를 포함하는 탄화물이 결정립계에 형성됩니다. 탄화물의 크롬 함량은 최대 70%일 수 있지만, 스테인리스(스텐레스)강 내 크롬 함량은 약 18%입니다.

크롬은 확산율이 낮은 큰 원자이기 때문에, 탄화물 주위의 좁은 띠의 물질은 크롬이 고갈되어 내식성이 감소합니다. 스테인리스(스텐레스) 강이 공격적인 환경에 노출되면 크롬이 고갈된 지역이 공격 받고, 입계부식 경계를 따르는 물질이 부식됩니다. 그 결과 입자가 강철 표면에 떨어지거나 심한 경우에는 입자가 실톱처럼 기계적으로 고정되어 있지만, 재료의 강성과 강도는 거의 없습니다.

​페라이트계 스테인리스(스텐레스) 강은 오스테나이트 및 듀플렉스 강과 동일하게 입자간 부식에 민감 하며,​위험한 온도는 일반적으로 900~950℃ 이상으로 높습니다.

민감성을 유발할 수 있는 온도, 즉 입계부식에 대한 민감성은 용접 금속으로부터 3~5mm의 영역에서 용접 중에 발생합니다. 또한 열 성형 작업이나 응력 제거 열처리 중에 발생할 수 있습니다.

입계부식의 위험은 철강의 탄소함유량을 줄이면 낮추면 줄일 수 있습니다. 이 작업은 다음 두 가지 방법 중 하나로 수행할 수 있습니다.

① 탄소함유량을 줄임

② 크롬보다 안정한 탄화물을 형성하는 원소(티타늄 또는 니오븀)로 합금화

탄소 함유량의 감소 효과는 TTS-다이어그램(시간–온도 감응도)에 의해 가장 쉽게 설명되며, 그 예가 아래에 그림에 나와있습니다.

[탄소 함량이 다른 18Cr-9Ni 유형의 강철에 대한 ​TTS(시간–온도–감도)]

 

다이어그램의 곡선은 18Cr-8Ni 유형의 오스테나이트 강이 주어진 온도에서 유지되어 부식의 위험이 있을수 있는 가장 긴 시간을 보여줍니다. 이것은 표준 저 탄소 오스테나이트계 강(L-등급)의 경우, 입계 부식 균열의 위험이 실제적인 관점에서 제거됨을 의미합니다. 수용성 부식에 사용을 위한 모든 고 합금 오스테나이트 및 듀플렉스는 탄소 함유량이 0.03% 미만이어서 결과적으로 “L-등급”입니다.

입계부식의 위험이 제거되어야 한다면 페라이트의 탄소 용해도가 낮아야하기 때문에, 탄소함유량은 페라이트계 스테인리스(스텐레스) 강에서 극히 낮아야 합니다. 잠재적으로 민감하게 반응하거나 용접 후 입자간 균열의 위험을 제거하기 위해 페라이트계 스테인리스(스텐레스) 강은 안정화 및 저탄소 함량이 종종 사용됩니다.

스테인리스(스텐레스) 강에 티타늄 및 니오븀을 첨가하는 것, 즉 안정화는 탄소가 티타늄 또는 탄화 니오븀으로 결합하는 것을 의미합니다. 티타늄 및 니오븀은 크롬보다 탄소와 결합하는 경향이 더 크기 때문에, 이는 탄소가 크롬 탄화물을 형성할 수 없음을 의미합니다. 따라서 입계부식의 위험은 상당히 감소합니다.

그러나 안정화와 관련된 단점이 있습니다. 용접에 가장 가까운 영역에서, 용접 중 온도는 매우 높아서 티타늄 또는 니오븀 탄화물이 용해될 수 있습니다. 입계부식에서 크롬 탄화물의 형성을 허용할 만큼 재료 가 충분히 냉각되기 전에 재 침전할 시간이 없다는 위험이 있습니다. 이것은 용접부에 매우 가까운 재료의 좁은 영역이 입자간 부식을 겪는 이른바 나이프 라인 공격(knife line attack)을 초래합니다.

​안정화된 스테인리스(스텐레스) 강의 탄소 수준이 종종 매우 높기 때문에(0.05~0.08%), 이것은 심각한 공격을 줄 수 있습니다.

민감한 미세 구조는 적절한 열처리를 통해 완전히 회복할 수 있습니다.

​오스테나이트계 및 페라이트–​오스테나이트 듀플렉스 스테인리스(스텐레스) 강의 경우 전체 냉각을 위한 어닐링 열처리가 필요합니다. 페라이트계 스테인리스(스텐레스) 강의 경우 일반적으로 어닐링 처리가 사용됩니다.

수성 환경에서 사용되거나 공격적인 응축수에 노출되는 경우 강도를 높이기 위해, 탄소 함량이 높은 많은 고온 강이 입계부식에 민감하다는 점도 언급해야합니다.