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내식성

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금속부식반응(금속부식 정의/부식형태)
금속 부식 정의
금속 재료가 주위 환경과 화학적 또는 전기화학적 반응을 일으켜 재료 물성의 훼손 및 유효 수명의 단축을 초래하는 현상

부식의 분류 도표
부식의 분류
온도 고온부식, 저온부식
환경 대기부식, 해수부식, 토양부식, 미생물부식
형태 1. Uniform Corrosion (General Corrosion)
2. Galvanic Corrosion (Two-metal corrosion)
3. Intergranular Corrosion
4. Crevice Corrosion
5. Pitting
6. Erosion Corrosion
7. Stress Corrosion
8. Selective Leaching
9. Hydrogen Damage

부식 형태의 모식도

부식 형태의 모식도
Uniform Galvanic Intergranular Crevice Pitting
Uniform 형태 모식도 Galvanic 형태 모식도 Intergranular 형태 모식도 Crevice 형태 모식도 Pitting 형태 모식도

스테인리스강의 부식
스테인리스강은 표면에 식별할 수 없을 만큼 얇은 보호피막이 형성되어 있다. 보호피막은 주로 산소와 크롬이 결합한 산화물 형태로 스테인리스강에 내식성을 부여하며 부동태 피막이라고 한다. 그래서 스테인리스강의 내식성은 사용환경이 이 부동태 피막이 유지하는 조건인가에 따라 차이 난다. 일반적으로 산화성이 강한 분위기에서는 매우 우수한 내식성을 나타내며 표면의 부동태피막이 훼손 되더라도 바로 재부동태화되어 내식성이 유지되는 특성을 가지고 있다.

스테인리스강에서 주로 발생하는 부식 형태
스테인리스강의 부식 형태에는 Galvanic, Intergranular, Pitting 등 세가지로 구분할 수 있습니다.

스테인리스강에서 주로 발생하는 부식 형태 도표
구분 발생원인 방지책
Galvanic
Corrosion		 접하고 있는 두 금속사이의 전위차이에 의해서 발생 · Galvanic series에서 가까운 두 금속 사용 : 전위차 감소
· 부식이 되는 금속을 크고 두껍게 제조
· Coating(절연）
· 두 금속보다 더 부식이 잘되는 금속을 설치(희생 양극）
Intergranular
Corrosion		 오스테나이트계는 450-850℃ 예민화 온도 구간에서 열처리하는 경우 입계에 Cr23C6 탄화물이 석출하며, 이로 인해서 입계 주위 Cr이 부족하게 되어 부동태 피막이 침식되어 부식이 발생 · 고용화 열처리 : 고온에서 석출 탄화물 완전 고용
· 탄소 함량 저하 : 0.03%이하(304L)
· 안정화 원소 첨가 : Ti , Nb(347 , 321)
Pitting · CI 이온의 영향 : Cl의 작용으로 부동태 피막이 국부적으로 파괴되어 그 부위에서 우선적으로 용해 발생
· 온도의 영향 : 온도가 높을수록 Cl 과의 반응이 가속화
· 부착물의 영향 : 제품 표면의 부착물이 Cl 농도 상승		 · Cl 이온과 부착방지
· 표면처리(연마가공)
· 용접부 열처리
· Cl 에 강한 강종 선택 : Mo 첨가(316 , 316L)

부식형태 스테인리스강의 부식은 표면의 부동태피막이 훼손되는 시점에서 서서히 진행됩니다.

공식(孔蝕 , Pitting corrosion) - 공식은 금속표면에 형성된 부동태 피막의 미소한 파괴로 생성되어 금속에 작은 구멍을 형성시키는 아주 국부적인 부식 형태이다. 스테인리스강의 공식은 주로 염소이온(Cl)에 의해 형성되지만 정확한 발생기구(mechanism)는 확립되지 않았다. 공식에 의한 부식이 많은 경우 구멍의 크기가 작아 눈에 잘 띄지 않지만 매우 치명적인 결과로 이어질 수 있어 구조재에 있어서 공식저항성은 매우 중요하다. 철(Fe)표면에서 공식이 발생하는 모식도

입계 부식(Intergranular corrosion) - 일반환경의 금속 입계에서는 부식이 거의 일어나지 않는다. 그러나 특정 조건에서는 입계가 대단히 큰 반응성을 가지게 되어 입계에 반응성 불순물들이 석출할 수 있으며 크롬(Cr)과 같은 부동태 원소가 고갈될 수 있다. 그 결과 입계 또는 인접영역의 내식성이 저하되어 입계를 따라 우선적으로 부식이 심하게 발생하는 경우가 있으며 이를 입계부식이라고 한다. 가장 널리 알려진 입계부식은 austenite계 스테인리스강이 가열에 의해 입계에서 크롬이 탄소와 반응하여 입계 주위의 인접영역에서 크롬이 고갈되어 내식성이 떨어지는 경우이다. 입계에서 크롬탄화물이 석출되면서 진행되는 예민화

용접시 STS304 스테인리스강 용접부의 표면온도 스테인리스강이 450 - 800℃ 범위의 온도로 가열되면 크롬 탄화물이 Cr23C6의 형태로 입계에 석출하는데 탄화물 중의 크롬의 양은 탄소의 약 4배에 달하며 크롬의 확산속도가 탄소보다 느리기 때문에 입계와 그 주위 영역에서는 크롬이 고갈될 수 밖에 없다. 그 결과 입계 근처에서 크롬 양이 12%이하로 감소하면 내식성이 급격히 떨어지고 이러한 경우를 예민화(sensitization)라고 한다. 예민화의 영향을 줄이기 위해서 합금의 탄소(C)의 양을 낮추거나 크롬보다 우선적으로 탄소와 반응하는Ti, Nb 등의 원소를 미량 첨가한다. 스테인리스강을 용접할 경우 용접부에서 조금 떨어진 열영향부(HAZ:Heat Affected Zone)가 예민화되어 입계부식이 주로 발생한다. 이는 열영향부의 온도가 400-700℃이고 다른부분보다 열을 가지는시간이 많기 때문이다. 따라서 용접부와 모재보다 열영향부의 내식성이 훨씬 취약하다. 실제 용접부 주변이나 뒤쪽에 변색이 되어 적색 또는 검푸른 빛깔을 띠는데 온도가 400°C 이상에서 나타나는 고온산화에 의한 변색으로 이 지점은 열영향부이며 고온의 부식 환경에 노출되면 모재나 용접부 보다 부식이 먼저 발생하기도 한다.

틈새부식(Crevice Corrsion) 틈새부식의 진행과정 개략도금속표면의 도장막 훼손에 따른 화학적인 전지형성 개략도 전해액에 노출된 금속표면상에 어떤 틈이나 가려진 부분에서 국부적으로 심한 부식이 발생하는 것을 틈새부식이라고 하며 진행 과정은 공식과 유사하다. 틈새부식은 금속표면상의 침전물 아래, 금속과 비금속 사이의 틈 등 구석에서 주로 발생하므로 관찰이 어려운 경우가 많다. 틈새부식은 부동태금속에서 흔히 발생하며 해수환경에서의 스테인리스강의 틈새부식은 대표적이다. 스테인리스강의 주성분인 철, 크롬, 니켈 등의 부식생성물이 틈내부에 축적되어 산성의 염화물용액을 형성하고 부식이 진행된다.

응력부식균열(SCC;Stress Corrosion Cracking) 응력부식균열 모식도 응력부식균열이란 환경과 기계적 인장 응력의 영향을 동시에 받아 균열이 생성되고 전파되어 발생하는 부식의 한 형태이다. 스테인리스강의 응력부식은 공식(pitting)이나 틈부식(crevice corrosion)처럼 염화물을 포함하는 용액에서 자주 일어나는데 주로 50℃ 이상의 온도에서 일어나며 염화물의 농도가 낮아 공식이나 틈부식이 일어나지 않는 환경에서도 일어날 수 있다. 위의 그림은 austenite계 스테인리스강에서 일어나는 응력 부식균열의 생성 전파과정을 응력 부식균열에 영향을 미치는 여러 요소들과 함께 나타낸 것이다. 염소이온이나 slip step의 형성에 의해 피막이 파괴되어 공식이 형성되고 공식내부에 수소이온의 양이 증가하면서 공식이 균열로 성장하며 계속된 수소이온의 증가와 그에 따른 수소이온환원 반응의 발생에 따라 균열이 성장한다. 응력부식균열은 부동태피막을 형성하여 비교적 내식성이 우수한 재료에서 설계응력보다 낮은 응력에서 일어나기 때문에 큰 문제가 된다. 외부에서 구조적으로 가해지는 인장응력이 없더라도 성형과 용접과 같은 재료 제조 및 가공공정 중에 발생한 잔류응력만으로도 응력부식을 일으킬 수 있다. 응력 부식 균열을 일으키는 염화물은 일반 자연환경의 물에서 다양한 농도로 존재하며 염소를 포함하는 가스켓과 단열재료로부터 발생할 수 있다. 수도관의 경우 특히 용접에서 발생하는 잔류응력과 용접열영향부의 예민화로 입계부식에 민감하게 되어 입계응력부식균열이 많이 발생한다. 이를 방지하기 위해서는 적당한 온도에서 열처리하여 잔류응력을 제거하고, 탄소 함량을 낮춘 STS304L 혹은 STS316L을 선택하는 것이 좋다.

대기 및 미생물 부식 대기 부식 대기부식이란 금속이 대기의 환경과 만나서 일어나는 부식 현상으로 부식억제와 장비 또는 장치에 소요되는 비용의 50% 이상이 대기부식과 관련된 것이다. 대기중에는 금속, 산소, 수분 및 오염가스나 분진입자가 존재하여 부동태피막의 안정성을 방해하여 대기 부식을 지속적으로 발생시키게 된다. 미생물 무식 : MIC(Microbiologically Influenced Corrosion) 자연계의 물이나 토양에는 단세포의 하등생물부터 포유류에 이르기까지 많은 생명체가 존재하고 있고 이들의 생명활동은 직간접적으로 금속의 부식에 영향을 주고 있다. 미생물 부식은 환경이나 반응에 관련된 생명체의 종류에 따라 단독이나 복합적인 형태로 작용한다. 미생물은 대사활동에 산소를 필요로 하는 Aerobic-microorganisms(호기성)와 산소를 필요로 하지 않는 Anaerobic-microorganisms(혐기성)로 구분한다. 이들은 온도, 압력, 유속, 산소의 유무 등 환경적 요인으로 존재가 결정된다. 방식법 MIC를 효과적으로 억제하기 위해서는 부식과 관련 있는 미생물을 확인하고 규명하는 것이 우선이다. 그리고 부식을 일으키는 미생물의 작용을 화공약품을 이용하거나 금속 표면의 이물질을 제거하는 방법 등을 이용하여 방지할 수 있고 토양과 관련된 경우는 주변 토양을 교체하는 방법으로 방지할 수 있다.