내식강(스테인리스강)

1) 스테인리스강(不銹鋼, atainless steel)의 분류

(1) 성분에 의한 분류：Cr계, Cr-Ni계

(2) 조직학상에 의한 분류：Ferrite계, Austenite계, Martensite계

(3) 특수 스테인리스강：석출경화강, 저Ni의 Cr-Mn강

2) Ferrite계 스테인리스강

(1) 11~13%Cr과 0.12% 이하의 탄소를 함유한 강으로 조직은 Ferrite이다.

(2) 표면이 잘 연마된 것은 공기나 물 중에서 부식되지 않는다.

(3) 유기산, 질산에는 침식되지 않으나 염산, 황산 등에는 침식된다.

(4) Austenite계 스테인리스강에 비하여 내산성이 낮다.

3) Austenite계 스테인리스강

(1) 고Cr-Ni계 스테인리스강은 0.2%C-17~20%Cr-7~10%Ni 등을 함유한다.

(2) 표준조성：18%(Cr)-8%(Ni)로서 18-8형 스테인리스강이라고 한다.

(3) Austenite조직으로 비자성체이며 상온가공하면 경화되어 다소 자성을 갖는다.

(4) 약 400℃에서 탄화물이 결정입계에 석출하기 쉬우므로 입계부식이 생기기 쉽다.

(5) 냉간가공이나 용접한 후 염화물을 함유한 고온수용액 중에서 사용하면 부식균열을 일으키는 경우가 많으므로 응력제거풀림을 한다.

(6) 인장강도는 55~70kgf/mm2, 담금질온도는 1000~1100℃이다.

(7) 스테인리스강 중 내식성이 가장 높으며 내산성, 내충격성, 기계가공성, 용접성 등이 우수하고 산과 알칼리에 강하고 염산, 황산염, 염소가스에 대한 저항력이 작다.

(8) 내산성, 내식성이 13%Cr강 스테인리스강보다 우수하고 인성이 양호하다.

(9) 560℃ 부근에서 탄화물이 결정립계에 석출되기 때문에 뜨임취성의 원인이 된다.

(10) Austenite계 스테인리스강의 부식과 대책

① 입계부식(粒界腐蝕, interganular corrosion)

㉮ 결정립계 부근에 Cr량의 감소로 내식성이 감소되어 부식된 현상을 말한다.

㉯ 입계부식의 방지법

㉠ 1000~1150℃로 가열 후 Cr탄화물을 Austenite조직 중에 용체화하여 급냉한다.

㉡ 탄소량(<0.03%)을 감소시켜 Cr4C탄화물의 발생을 저지시킨다.

㉢ 탄소와 친화력이 Cr보다 큰 Ti, V, Nb, Ta 등을 첨가해 Cr4C 대신에 TiC, NbC, V4C3 등의 탄화물을 발생시켜 Cr의 탄화물을 감소시킨다.

② 공식(孔蝕, pitting)

㉮ 스테인리스강, Al 등 표면에 부동태(passivity)피막을 생성하는 재료에 잘 일어난다.

㉯ 공식발생의 주원인은 Cl-이다.

㉰ 공식방지법

㉠ 할로겐 이온의 고농도를 피하고 액을 유동시켜 균일한 산화성용액으로 하고 산소 농담전지의 형상을 피하거나 부식생성물을 제거한다.

㉡ 액의 산화성을 증가하거나 공기를 차단하여 산소를 없앤다.

㉢ 질산염, 크롬산염 등 부동태화제를 가하거나 재료 중의 탄소를 적게 한다.

㉣ Ni, Cr, Mo, Si, N 등을 많게 한다.

③ 응력부식균열(stress corrosion cracking)

㉮ 내외적 응력이 작용하고 있는 강을 염화물 또는 알칼리용액 중에서 사용하면 국부적인 균열을 일으켜서 파괴되는 현상이다.

㉯ 응력부식균열을 일으키는 환경

㉠ 고온의 염화물용액(MgCl2, CaCl2, NaCl 등)

㉡ Cl-을 함유한 염수나 수증기 및 고온 알칼리 수용액

㉰ 응력부식균열의 감수성

㉠ 7~8%Ni이 가장 높고 Ni이 많아지거나 적어지면 균열을 일으키지 않는다.

㉡ Si는 효과적이나 C, N, P, As, Sb 등은 균열감소성을 높인다.

㉢ 진공용해로 C, N을 낮추면 균열을 일으키지 않는다.

㉱ 응력부식균열의 방지책

㉠ 고Ni의 재료를 사용하며 압축응력은 효과적이므로 shot peening을 한다.

㉡ 외적 응력이 없도록 하고 내부응력은 840~900℃로 가열하여 급냉해 제거한다.

㉢ 사용환경 중의 염화물 또는 알칼리를 제거한다.

4) Martensite계 스테인리스강

(1) 12~17%Cr과 1.5~0.3%의 Co를 함유한 스테인리스강이다.

(2) 13%Cr강이 대표이며 담금질은 950~1020℃에서 하여 Martensite조직으로 하고 인성을 요할 때는 550~650℃에서 뜨임하여 Sorbite조직으로 한다.

(3) 상온에서 강자성이며 500℃ 이상에서는 강도, 경도가 급감하고 연성이 급증한다.

(4) 내식성은 Ferrite계 스테인리스강과 Austenite계 스테인리스강에 비해 나쁘다.

5) 석출경화계 스테인리스강(PH강)

(1) 일반적으로 사용하는 것은 STS630 및 631이 있으며 기계적 성질, 화학성분 및 열처리는 KS D 3705에 규정되어 있다.

(2) 가공하기 쉽고 강도가 높으며 비교적 연성이 양호하고 내식성이 우수하다.

(3) 온도 상승에 따라 강도는 저하되지 않으며 내식성을 가진다.

6) 스테인리스강의 열처리

(1) Ferrite계 스테인리스강의 열처리

① 풀림온도 및 유지시간：700~900℃(25mm/1~2hr)로 가열 후 공냉한다.

② 가공경화 및 강인성을 위하여 실시하며 담금질이나 뜨임은 하지 않는다.

(2) Martensite계 스테인리스강의 열처리

① 완전풀림은 변태점 이상 50~100℃에서 1~3시간 유지 후 30℃/hr 이하의 속도로 냉각한다.

② 중간풀림은 변태점 이하(13%Cr강은 750℃)에서 풀림한다.

③ 항온풀림은 650~700℃, 가열은 1~2시간 도안 유지한다.

④ 담금질은 변태점 이상에서 25mm/hr로 유지한다.

(3) Austenite계 스테인리스강의 열처리

① 용체화처리(고용화열처리, 18-8계 스테인리스강의 기본열처리)

㉮ 고용체까지 가열한 후 급냉시켜 고용체상태로 상온까지 유지하는 처리이다.

㉯ 가열온도는 1050℃가 적당하며 두께 25mm/hr의 유지시간을 준다.

㉰ 비교적 얇은 재료는 공냉으로 충분하나 두꺼운 것은 수냉이 좋다.

㉱ 냉간가공성 또는 용접에 의해 생긴 내부응력을 제거한다.

② 안정화(stabilization)처리

㉮ Ti, V, Nb 등을 첨가하여 입계부식을 저지시키는 것을 안정화라고 한다.

㉯ 내식성의 회복은 850~900℃에서 2~4시간 유지 후 공냉한다.

㉰ 용접부의 안정화처리는 내부응력제거에도 유효하다.

㉱ 입계부식 방지제：Ti이나 Nb를 첨가한 스테인리스강

③ 응력제거 열처리

㉮ 800~900℃에서 2~4시간 유지 후 공냉(또는 노냉)한다.

㉯ 가열온도가 적당하지 않으면 크롬탄화물 등의 석출로 취약하며 내식성이 나쁘다.

㉰ 잔류응력이 남아 있는 경우에는 염화물을 함유한 고온수용액에서 사용하면 부식에 의한 균열을 일으키는데 이것을 방지할 목적으로 사용한다.