스테인리스(스텐레스) 고온 부식에서 황화물, 침탄 및 질화

 

(2) 유황 공격(황화물)

고온에서 황 화합물은 스테인리스(스텐레스) 강과 반응하여 복합 황화물 및/ 또는 산화물을 형성합니다. ​유황은 또한 니켈과 반응하여 니켈과 함께 저 융점 공융(합금·용액이 최저 온도에서 융해하는)점을 형성 하는 황화 니켈을 형성합니다. 이것은 크롬 함량이 매우 높지 않으면 심각한 공격을 일으킵니다. ​니켈 함량이 낮은 스테인리스(스텐레스) 강은 황 또는 황 화합물이 함유된 환경에서 사용해야합니다. ​이러한 이유로 크롬은 황 화합물에 대한 우수한 내성을 나타냅니다.

황화수소 또는 황화수소/수소 혼합물과 같은 환원성 환경에서, 스테인리스(스텐레스) 강은 대기보다는 상대적으로 낮은 온도에서 공격을 받습니다. 아래의 표는 고온에서 황화수소에서의 일부 스테인리스 ​(스텐레스) 강의 부식 속도의 예를 보여줍니다.

[대기압과 두 가지 온도에서 100% H2S에서 다른 강종의 부식속도]

 

 

또한 아래 표는 황화수소와 수소 혼합물에서 일부 오스테나이트 스텐인리스(스텐레스) 강의 해당 데이터 를 보여줍니다. 높은 크롬 함량의 효과는 표에서 분명하게 나타납니다.

[대기압 및 다른 온도에서 50%-H2,50%-H2S에서 일부
​오스테나이트 스테인리스(스텐레스) 강의 부식속도]

이산화황(SO2)과 같은 산화–황화 환경에서 스테인리스(스텐레스) 강의 상대 성능은 공기와 비슷하지만 공격은 더 빠르며 더 심각합니다. 스케일링 온도는 일반적으로 공기와 비교하여 70~125℃ 감소합니다. ​감소는 크롬강에서 가장 작습니다.

 

(3) 침탄(Carburization)

재료가 탄소를 함유한 가스에 노출되는 경우(예를 들면, CO, CO2 또는 CH4의 형태), 그것은 탄소를 흡수할 수 있습니다. 침탄의 정도는 가스 내의 탄소와 산소 수준 또한 온도와 강철 구성에 의해 결정됩니다. 강철에 의해 얻어지는 탄소는 주로 탄화물, 주로 크롬 탄화물을 형성합니다.

침탄은 카바이드 또는 탄화물 네트워크가 결정입계뿐만 아니라 결정립 경계에서 형성되기 때문에 스테인리스(스텐레스) 강의 취화를 일으킵니다. 다량의 크롬 카바이드의 형성은 크롬의 고갈을 초래하여 산화 및 황화합물에 대한 내성을 감소시킵니다. 열 순환에 대한 내성이 감소되고 침탄으로 인해 부피가 증가하기 때문에 재료에 균열이 발생할 위험이 있습니다.

순수한 환원 분위기에서 상대적으로 낮은 온도(400~800℃)에서도 탄소 회수가 가능하며, 격렬한 침탄 이나 금속 분진이 발생합니다. 공격은 엄격하고 보호 산화물 층이 파손 및 입자 경계 탄화물을 형성하는 탄소의 내부 확산으로 인한 강철 표면의 “분말화”를 특징으로 합니다. 탄화물 형성에 대한 부피의 증가는 입자가 스테인리스(스텐레스) 강 표면에서 빠르게 분리되며, 이는 신속하고 심각한 공격을 의미합니다.

크롬, 니켈 및 실리콘은 침탄에 대한 내성을 가장 많이 향상시키는 합금 원소입니다. ​아래 표는 침탄환경에서 일부 스테인리스(스텐레스) 강의 침탄을 보여줍니다. 304와 302B의 비교에서 실리콘의 명백하고 유익한 효과를 알 수 있습니다. 316에서는 높은 수준의 침탄에 주의해야 합니다. ​그러나 재료 선택시 기계적 특성에 미치는 탄소 함량의 영향과 침탄을 모두 고려해야합니다. 일반적으로 오스테나이트 스테인리스(스텐레스) 강은 다른 유형의 스테인리스(스텐레스) 강보다 향상된 탄소 함량을 견딜 수 있습니다.

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[34% H2, 14% CO, 12.4% CH4, 39.6% N2의 대기에서 910℃, 7340시간 후 침탄]

(4) 질화

스테인리스(스텐레스) 강 및 다른 고온 재료는 질소, 질소 혼합물 및 암모니아 분해와 같은 질소 함유 대기에 노출될 경우 질소를 흡입할 수 있습니다. 질화동안 질화물 및 크롬과 같은 취성이 있는 기타 혼합 물, 몰리브덴, 티타늄, 바나듐 및 알루미늄이 형성됩니다. 대기에 산소는 비교적 낮은 수준에서도 질화 위험을 줄입니다. 400~600℃의 저온에서 스테인리스(스텐레스) 강 표면에 질화 층이 형성됩니다. ​고온에서 질소 흡수 및 질화물 형성이 물질 전체에 걸쳐서 일어납니다.

질화물, 즉 질화물 형성은 침탄과 동일한 방식으로 크롬 고갈 및 감소된 내 산화성을 유발합니다. ​이것은 내부에서 질화 환경에 있는 장비의 외부 표면에서 대폭적으로 높은 산화율을 초래할 수 있습니다. ​질화는 또한 표면 또는 내부 질화물 형성으로 인해 취성을 일으킬 수 있습니다.

니켈은 니켈이 안정한 질화물을 형성하지 않기 때문에 질화에 대한 가장 큰 보호를 제공하는 합금 원소입 니다. 아래의 그림은 825℃에서 산소의 흔적이 있고, 질소에 노출된 후 일부 오스테나이트 고온 합금에 대한 질화 깊이를 보여줍니다. 산소가 존재한다면, 즉 산화 조건에서, 크롬 및 실리콘과 같은 강한 산화물 형성제가 유리합니다.

[825℃에서 약 200ppm 산소를 400시간동안 함유한 질소 가스에
노출된 후 일부 스테인리스 강에 대한 질화된 깊이]

니켈의 영향을 고려하면 약 500℃ 이상 온도의 질화 환경에서 마르텐사이트, 페라이트–오스테나이트 또는 페라이트 스테인리스(스텐레스) 강을 사용하는 것은 권장하지 않습니다. 보다 적합한 재질은 오스테나이트 스테인리스(스텐레스) 강 또는 니켈계 합금입니다.