스테인리스 스틸 내식성: 종합 가이드

스테인리스 스틸의 한 종류는 많은 매체에서 우수한 내식성을 보일 수 있지만, 다른 특정 매체에서는 화학적 안정성이 낮아 부식될 수 있습니다. 즉, 스테인리스 스틸의 한 종류가 모든 매체에 대해 내식성을 가질 수는 없습니다.

금속의 부식은 물리적 부식, 화학적 부식, 전기화학적 부식의 세 가지 메커니즘으로 분류할 수 있습니다. 물리적 용해는 금속 는 물리적 부식에 속합니다. 화학적 부식은 매질에서 발생하는 직접적인 화학 반응을 말하며, 금속 이온이 매질과 직접 전하를 교환합니다.

이전에는 고온으로 인한 금속 산화가 순수한 화학적 부식에 속한다고 믿었지만 실제로는 대부분의 고온 산화가 전기 화학적 부식에 속합니다. 패시베이션 보호 필름이 금속의 추가 부식을 방지할 수 있는 이유는 이온 교환 및 전하 교환 속도를 억제하는 중요한 측면 때문입니다.

전기화학적 부식은 전해질에서 전극 반응으로 인해 금속이 부식되는 것을 말합니다. 많은 전기화학적 부식 공정에서 한 금속이 다른 금속과 반응하거나 금속 내의 다른 상이 반응하여 갈바닉 부식으로 알려진 부식을 형성합니다.

이 시나리오에서 한 금속은 양극으로 작용하여 부식되고 다른 금속은 음극으로 작용하여 환원 반응을 일으키는데, 이는 전기화학적 부식의 특징입니다. 실생활과 엔지니어링 실무에서 대부분의 금속 부식은 전기화학적 부식에 속합니다.

스테인리스강의 주요 부식 형태에는 균일 부식(표면 부식), 피팅 부식, 틈새 부식, 입계 부식, 응력 부식 등이 있습니다.

균일한 부식

균일 부식은 부식성 매질과 접촉하는 금속 표면의 포괄적인 부식을 의미합니다. 균일 부식은 금속 단면을 지속적으로 감소시킵니다. 부식된 부품이 받는 실제 응력이 증가하여 결국 재료의 파단 강도에 도달하고 고장을 일으킵니다.

균일한 부식을 평가하는 방법은 시험 조건에서 일정 시간 부식 후 단위 면적당 중량 감소를 측정하는 것입니다(g/m).²-년), 즉 부식 속도입니다.

부식 깊이(mm/년)로 계산하면 장비의 내식성 수명을 결정할 때 더 편리합니다. 다양한 부식 속도에 따라 금속 재료의 내식성은 표 1-13과 같이 10단계로 나눌 수 있습니다.

다양한 사용 시나리오에 따라 내식성은 일반적으로 크게 두 가지 수준으로 나뉘는데, 부식 속도가 연간 0.01mm 미만인 경우 "완전 내식성"으로 간주하고 부식 속도가 연간 0.1mm 미만인 경우 "내식성"으로 간주합니다.

여기서 0.1mm/년을 초과하는 부식 속도는 부식에 대한 저항성이 없거나 저항성이 매우 낮은 것으로 간주됩니다. 다른 분류 방법도 있지만 여기서는 한 가지 방법만 언급합니다.

강철은 우수한 내식성에 따라 스테인리스 스틸과 내식성 강철로 다시 나뉩니다.

1. 스테인리스 스틸 는 대기 및 약한 부식성 매질에서 부식에 강한 강철을 의미합니다.

2. 부식 방지 강철 다양한 강한 부식성 매체에서 부식에 견딜 수 있는 강철을 말합니다.

표 1-13: 내식성 분류

스테인리스 스틸은 특정 환경에서 균일한 부식을 넘어서는 형태의 부식이 발생할 수 있습니다. 과도한 형태의 부식은 해당 환경에서 강철이 내식성이 없는 것으로 간주됩니다.

엔지니어링 실무에서 재료 선택 및 내식성 평가는 장비의 설계 수명, 화학 재료의 잠재적 오염 또는 부식 생성물로 인한 완제품 등급 저하도 고려해야 합니다.

국부적 부식

피팅 부식은 금속 표면의 대부분이 부식되지 않거나 약간 부식되는 현상을 말하며, 매우 국부적인 부식이 산발적으로 발생합니다. 일반적인 피팅의 크기는 1.0mm 미만이며 깊이가 표면 개구부를 초과하는 경우가 많습니다. 경미한 경우에는 비교적 깊은 구멍이 생기며, 심한 경우에는 천공이 발생할 수 있습니다.

피팅 부식은 금속 표면의 국부적인 패시베이션 필름이 파괴되어 발생합니다. 부식 구덩이가 형성되는 것으로 시작하여 외부에서 안쪽으로 진행되어 국부 부식을 구성합니다.

피팅 부식은 스테인리스강에서 흔히 발생하는 부식 손상 유형 중 하나입니다. 염화물 이온(Cl-)이 포함된 환경에서는 스테인리스 스틸에 피팅 부식이 발생할 가능성이 가장 높습니다. 현재 스테인리스 스틸의 피팅 부식 손상을 방지하기 위한 몇 가지 접근 방식이 있습니다:

1. 환경의 염화 이온 및 산소 함량을 줄이고, 부식 억제제(예: CN-, NO-, SO- 등)를 도입하고, 환경의 온도를 낮추는 등의 조치를 취합니다.

2. 몰리브덴, 망간, 실리콘, 바나듐 또는 희토류 원소를 스테인리스 스틸에 통합하여 합금을 강화하여 피트 부식에 대한 내성을 효과적으로 높입니다.

3. 냉간 가공을 최대한 최소화하여 탈구 부위에서 부식이 발생할 가능성을 줄입니다.

4. 강철의 탄소 함량을 줄이고 크롬과 니켈 함량을 높여 피팅 부식에 대한 내성을 향상시킬 수 있습니다. 기존의 초저탄소, 고크롬-니켈-몰리브덴 오스테나이트 스테인리스 강판과 초고순도, 저탄소, 저질소, 몰리브덴 함유 고크롬 페라이트계 스테인리스 강판은 피팅 부식에 대한 저항성이 높습니다.

틈새 부식

틈새 부식은 금속 부품의 틈새에 얼룩이나 궤양이 있는 거시적 구덩이가 형성되는 것을 말하며, 국부 부식의 한 형태를 나타냅니다. 일반적으로 와셔, 리벳 및 볼트 연결부, 겹쳐진 용접 조인트, 밸브 시트 및 축적된 금속 시트의 접합부에서 발생합니다.

부식 생성물의 범위와 틈새에서 매체의 제한된 확산으로 인해 이러한 위치에서 매체의 구성과 농도가 전체 환경과 크게 달라져 "폐쇄된 셀 부식"이 형성됩니다. 피팅 부식과 비교한 틈새 부식 형성 메커니즘의 주요 차이점은 매체의 전기화학적 불균일성에 있습니다.

오스테나이트, 페라이트계, 마르텐사이트계 스테인리스 강판은 모두 바닷물에서 틈새 부식에 대한 취약성이 다양합니다. 강재의 크롬과 몰리브덴 함량을 적절히 증가시키면 틈새 부식에 대한 저항성을 향상시킬 수 있습니다.

실제로 바닷물에서 사용되는 장치의 경우 티타늄, 고몰리브덴 니켈 기반 합금, 구리 합금과 같은 소재만이 틈새 부식을 효과적으로 방지할 수 있습니다. 작동 조건 개선, 매체 구성 변경, 구조적 형태 변경은 모두 틈새 부식을 방지하기 위한 중요한 조치입니다.

입계 부식

입계 부식은 선택적 부식 손상의 한 형태입니다. 일반적인 선택적 부식과 구별되는 점은 국소 부식이 미세한 규모로 발생하며 반드시 거시적으로 국소화되지 않을 수 있다는 점입니다.

이러한 유형의 부식은 주로 금속 미세 구조의 입자 경계에서 발생하며 금속 내부로 침투하므로 입계 부식이라고 합니다. 이러한 유형의 부식이 발생한 후에는 외부에서 쉽게 눈에 띄지 않을 수 있습니다. 그러나 부식으로 인한 입자 경계 손상으로 인해 입자 사이의 결합 강도가 거의 완전히 손실됩니다.

부식 깊이가 심한 구성품은 구조적 무결성을 잃고 과부하로 인해 치명적인 고장을 일으킬 수 있습니다. 심하게 부식된 금속은 가루로 분해되어 부품에서 분리될 수도 있습니다. 이는 매우 해로운 형태의 부식 손상을 나타냅니다.

응력 부식

응력 부식은 특정 환경에서 응력과 특정 수준의 응력이 복합적으로 작용하여 발생하는 금속의 부식 관련 파손을 말합니다. 응력 부식은 응력이 없거나 특정 환경의 응력 수준이 너무 낮을 때는 발생하지 않습니다. 마찬가지로 특정 환경 없이 상당한 응력이 존재한다고 해서 응력 부식이 발생하지는 않습니다.

'특정 환경'이란 매체의 구성과 농도가 적절할 때만 특정 금속에 응력 부식이 발생할 수 있는 조건을 말합니다.

1960년대 이후 용접된 스테인리스강 부품에서 응력 부식으로 인한 파단 사고가 다수 발생하여 완전히 부서지기 쉬운 파단 패턴이 형성되었습니다. 균열이 서서히 확장되는 동안에는 다른 거시적 증상이 나타나지 않으며, 순간 파단면에 도달하면 급격한 파단이 발생하여 종종 심각한 위험을 수반하는 치명적인 사고를 유발합니다. 따라서 이에 대한 중요성이 강조되고 있습니다.

용접된 스테인리스강 조인트의 입계 부식 및 응력 부식과 관련된 메커니즘과 예방 조치는 3장에서 자세히 설명합니다.