내식성및부식종류

4. 스테인리스강의 내식성 및 부식종류

가.내식성

스테인리스강 표면에는 육안으로 식별할 수 없는 얇은 보호피막(부동태)이 형성되어 부식을 방지해 준다.스테인리스강은 크게 마르텐사이트계,오스테나이트계,페라이트계로 대별되며 내식성 재료로써 중요한 조직은 오스테나이트계와 페라이트계이다.

페라이트 스테인리스강은 염화물 환경에서 오스테나이트 스테인리스강보다 응력부식균열 감수성이 없기 때문에 석유정제장치로 일부 사용되나 공식,극간부식,입간부식을 받기 쉽다.그러나 이같은 결점은 티타늄,몰리브덴 등을 첨가하여 상당히 개선될 수 있다.

또한 페라이트강은 오스테나이트강에 비해 저온적열취성,시그마 취성,용접취성 등이 생기기 쉽다.오스테나이트 스테인리스강은 보통 산화성인 부식환경에서는 STS 304를 사용하고 환원성에서는 몰리브덴 또는 몰리브덴-동이 함유된 STS 316,317,316J1L등을 사용한다.용접등 열영향이 문제가 되는 경우에는 산화성 환경하에서는 STS316L,317,316J1L등의 사용이 바람직하다.이 밖에 니켈을 망간으로 대치한 Cr-Mn-Ni계(AISI 200계열)와 석출경화계,오스테나이트와 페라이트의 2상계 스테인리스강이 있다.

STS329J1등 2상계 스테인리스강은 부동태화 하기 쉽고 몰리브덴을 포함한 오스테나이트 스테인리스강인 STS 316보다 우수한 내식성을 나타내고 있으나 전면부식성은 니켈함량이 적기 때문에 황산농도 10%이상이 되면 STS 316보다 못하다.

나.부식종류

◆스테인리스강 부식의 종류

1)전면부식

스테인리스강의 일반적인 부식성을 판정하는 기준으로 양면부가 균일하게 부식되는 것이다.크롬함량이 12% 이하이거나 금속중에 개재물,재질의 불균일,표면결함,결정립의 방향,국부응력환경의 부분적 차이로 인해 발생된다.

2)국부부식

산소농도 전지에 의한 부식,용액중 금속이온농도 전지에 의한 부식,이종금속 접촉에 의한 갈바닉부식 등 여러가지 부식형태가 있다.

가)극간부식

극간부식은 용액이 정체되어 있는 곳에서 발생하는 부식으로 산소농도전지 또는 금속이온농도전지 등으로 인해 발생된다.

나)공식(또는 점식)

일반적으로 피팅(Pitting)이라고 불리우며 보통 해수처럼 할로겐이온을 함유한 약한 부식성용액에 침적할 경우 특히 침전물 혹은 이 물질이 부착된 상태에서 부식이 진행되기 쉽다.

공식은 수용액의 pH가 중성부근에서 산화제와 힐로겐이온,특히 C¹-이 존재하게 되면 부동태피막이 국부적으로 파괴되어 국부전지의 양극이 되고 부동태피막이 음극이 되어 그 사이에 큰 전위차가 발생,단시간에 깊이 침식되는 현상이다.

스테인리스강의 내공식성은 일반적으로 페라이트계보다 오스테나이트계 스테인리스강이 양호하며 내공식성을 개선하는데는 크롬 증가와 몰리브덴의 첨가가 필요하고 강종으로는 STS 316,316L 등이 공식에 대해 양호한 성질을 갖는다.

다)입계부식

입계부식은 금속의 결정입계에서 부식되는 것을 말한다.크롬원자와 결합하여 CR23C6이라는 탄화물이 석출되면 입계의 크롬농도가 낮게 되고 이 부분의 산화피막의 내식성이 떨어지게 된다.따라서 크롬보다는 탄소에 대한 친화력이 큰 티타늄이나 니오븀 등을 첨가하여 크롬탄화물 발생을 억제하고 0.03% 이하의 극저탄소의 STS 304L , 316L, 316J1L 및 안정화 스테인리스강인 STS 321, 347을 사용한다.또한 페라이트계 스테인리스강은 650~800℃에서 열처리하며 오스테나이트 스테인리스강은 고용화열처리 온도에서 급랭시켜 입계부식을 방지한다.

라)응력부식 균열

다른 금속과 마찬가지로 인장응력에 의해 결정립이 미끄럼 현상이 일어나면서 이곳에 부식이 발생하는 것으로 용접,냉간가공에 의한 잔류용력,냉각가열의 반복에 따른 열응력 등으로 발생한다.

응력부식균열은 인장응력에 대해 주로 직각방향으로 발생되며 응력부식균열을 일으키지 않는 최소인장응력은 항복점보다 훨씬 낮다.전면부식을 일으키는 강한 부식성 환경에서는 발생하지 않으며 사용온도가 높을수록 심하게 나타나고 염화물을 함유한 환경에서 더욱 심하게 발생한다.

따라서 전기적 부식방지,부식억제재 첨가,도장,pH의 제어 등이 유효하며 용접 후 응력제거,열응력의 발생제거,조립가공법 등으로 응력부식을 방지한다.

마)피로부식

반복응력을 주게 되면 피로현상으로 인해 파괴가 일어나게 되는데 부식용액중에서는 보통수명보다 더 짧은 시간에 피로파괴가 온다.이는 부식생성물을 형성과 공식이 피로균열의 개시점으로 적용한다.

3)건식(고온부식)

고온의 대기중에 방치할 경우 고온산화 또는 고온가스중에 방치할 경우의 가스반응에 의한 부식이 있다.

가)산화

고온의 대기중에 장기간 방치해 두면 표면에 산화스케일이 생성된다.스테인리스강 중크롬양은 일정한 온도조건에서의 산화저항의 정도를 결정하지만 온도가 상승 또는 하락하는 경우에는 스케일이 떨어져 나오는 것을 최소량으로 하기 위해 니켈양을 증가시키는 것이 필요하다.

나)증기

오스테나이트 스테인리스강은 일반적으로 320℃까지의 증기에 대해서 뛰어난 내식성이 있다.그러나 부식률은 공기중보다 증기중에서 다소 높으며 장시간 경과하면 스케일보호막이 형성되어 부식량이 거의 동일하게 된다.

다)황화물

유황은 소량으로도 여러 환경부식을 유발시키는데 이황산가스,황화수소,유황증기는 가장 두드러진 부식환경이다.대개의 경우 산화의 경우와 같이 크롬양이 내식성 결정에 중요한 요인으로 작용한다.

4)환경부식

가)대기에 의한 부식

대기중에서 습기가 많을 경우 적색의 녹이 발생되는데 이는 대기중에서도 이 물질의 부착,오염공기,또는 해풍에 의해 공식이 생기게 되며 특히 심한 오염대기중에서는 STS 316강종을 사용하는 것이 바람직하다.

나)물에 의한 부식

증류수,수도물,하천물 등에서는 거의 부식이 발생하지 않으며 염소이온을 함유한 경우에는 공식이 생기는 경우가 있다.특히 끓인 물일 경우 염소이온이 농축되어 공식 또는 응력부식균열을 일으키는 요인이 되며 공업용수를 사용할 경우 열교환기 등과 같은 밀폐된 용기에서는 부식을 방지하기 위해 사전에 수질을 검사하는 것이 좋다.

다)해수에 의한 부식

바다물은 중성이지만 강한 전해질 용액으로부터의 전기화학적 부식속도와 이물질 부착으로 인해 공식으로 나타나며 항만지역에 해양에서 발생하는 부식보다 더 크다.일반적으로 해수에서는 STS 304보다 STS 316을 사용하는 것이 바람직하다.

라)염용액에 의한 부식

(1)중성염 및 알카리염(할로겐염 제외)

초산암모늄,황산암모늄,시안화동,황산마그네슘,중크룸산칼륨,탄산소다,안산소다,황화소다 등 중성 및 알카리염은 강력한 산화제로 되어 있기 때문에 오스테나이트 스테인리스강에서는 잘 부식되지 않는다.

(2)산염(할로겐염 제외)

황산알루미늄,황산동,황산철,황산망간,황산니켈,과황산칼륨,황산아연 등 산염용액은 산도가 낮아 부식성은 적으며 가수분해로 인해 산농도가 적어지기 때문에 스테인리스강은 광범위한 농도 및 온도에서 내식성을 갖고 있다.

특히 몰리브덴을 함유한 STS 316에서는 산농도가 강하고 온도가 높을 경우에도 양호한 내식성을 갖는다.

(3)할로겐염

할로겐이온은 스테인리스강의 부동태피막을 파괴하여 공식이 생기게 하기 때문에 주의해야 한다.특히 산염의 용액이 산성으로 되어 있는 경우 공식이 생기고 환원성으로 되어 있는 경우에는 심한 전면부식이 발생한다.

마)무기산에 의한 부식

(1)염산(HCI)

염산의 전농도에 대해서 부동태피막이 빠른 시간내에 파괴되어 침식된다.따뜻한 강염산에서는 수소가 발생하여 급속히 침식되고 차가운 용액속에서도 부식된다.소량 염산을 혼합한 용액에서는 공식이 발생할 수 있다.

(2)황산(H2SO4)

STS 316강은 상온에서 농도 20% 이하 또는 85%의 이상의 황산에서 부식이 크게 문제되지 않는다.황산철,황산동,초산,크롬산,산소 등을 첨가하여 부식을 줄일 수 있고 황산에 대해서 몰리브덴(Mo),동(Cu),실리콘(Si)등을 첨가한 강종이 효과적이다.

(3)질산(HNO3)

전농도 및 각온도에서 질산에 대한 스테인리스강은 양호한 내식성을 갖는다.따라서 스테인리스강은 질산 및 질산을 함유한 화학약품의 처리에 광범위하게 사용된다.

(4)아황산(H2So3)

아황산은 STS 304강에 부분적으로 공식을 발생시키며 몰리브덴을 함유한 STS 316은 아황산가스를 함유한 연소가스 처리용 집진실 및 연도에 사용된다.아황산가스에 습기가 있을 경우 황산이 발생하기 때문에 STS 316J과 같이 동(Cu)을 첨가하는 것이 효과적이다.

바)염기에 의한 부식

18-8스테인리스강은 수산화암모늄,탈지산등의 유기화합물에 대해 뛰어난 내식성을 갖는다.STS 304의 경우 암모니아 증유장치에 사용되지만 NaOH농도 50%의 끓는 점에서는 극히 미세한 침식을 받게 되며 고농도,고온이 될수록 부식률은 크게 된다.

사)유기화합물에 의한 부식

유기화합물은 무기산 및 무기할로겐화물의 특수한 경우를 제외하고 스테인리스강 부식에 문제가 없다.유기화합물중 할로겐 무기화합물만 존재하는 경우에는 스테인리스강이 부식되지 않지만 용액에 물이 존재하게 되면 할로겐화물은 가수분해되어 할로겐산과 마찬가지로 공식,응력부식,전면부식이 발생한다.

(1)초산(CH3COOH)

초산을 취급하는 설비에는 STS 304강 및 STS 316강이 보통 사용된다.순수한 초산의 경우전 농도 및 끓는 점까지의 온도에 대해 문제되는 일이 적으나 입간부식을 일으키는 용접구조물은 저탄소강 또는 안전화강을 사용한다.

(2)황산

황산에는 일반적으로 STS 304강이 사용되지만 열농축황산용액에서는 STS 304강이 심한 공식현상이 생기므로 황산의 농축설비 등에는 몰리브덴을 함유한 STS 316(Mo 2~3%), STS 317(Mo 3~4%)강을 사용한다.

(3)기타 유기산

통산 유기산에 대해 상온에서 사용하는 경우에는 STS 304강으로써 충분하나 고온에서 사용하는 경우에는 몰리브덴이 함유된 STS 316, STS 317강을 사용한다.

(4)식품에 의한 부식

초산,크롬산,황산 등을 함유한 식품제조장치에는 STS 304 및 STS 316강 등이 사용되며 식염을 첨가하는 경우에는 STS 316강이 좋다.

5)용융금속에 의한 부식

용용금속에 의한 부식은 일반적으로 균일한 부식형이며 고체금속과 용용금속과의 고용반응이 주체가 된다.용용금속이 고체금속중으로 이동한다든지 반대로 고체금속이 용용금속으로 이동한다든지 하는 질량이동 등으로 인해 발생된다.