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admin

2017-01-12 09:58:36

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스테인리스강[stainless steel]

크롬(Cr)을 10.5% 이상 첨가하여 내식성을 높인 철기합금, 즉 강(鋼)이다. 스테인리스는녹지 않는이란 의미의 형용사이다. 올바르게는 스테인리스강이라고 불리우는 것으로, 우리들 신변에 있는 내식성 재료의 대표격이다.

우선 그 개발의 역사를 기술한 후 내식성 발현의 기구를 설명하고, 마지막으로 종류 및 특징, 용도 등에 대해서 설명한다.

[개발의 경위] 강의 내식성을 개선하여 스테인리스강 개발에 결실을 맺는 연구의 루츠는 인도 고대강 우츠(Wootz)로부터 흥미가 시작되고 있다(☞우츠강). 이것은 철이 당연히 녹스는 것으로 생각되는 것에 대해, 고온다습인 인도에 있어서 1500년 이상이나 비를 맞아도 녹슬지 않는 사원의 철기둥(☞델리의 큰철기둥)이 발견되어녹슬지 않는 철의 탐색이 19세기 초두에 영국에서 시작되고 있기 때문이다. 우선 Fe에 각종의 원소를 첨가하여 내식성을 평가하는 연구가 개발되었다. 그러나 Cr 첨가의 유효성은 그와 같이 쉽게 발견되지 않았다. 그것은 당시 Cr 첨가에는 고탄소 페로크롬이 사용되기 때문에, 동시에 탄소량이 증가하여 크롬 본래의 기능을 받아들일 수 없기 때문이다. 그러나 서서히 저탄소의 페로크롬 등 원료제조나 용제기술이 진보되어, 약100년이란 세월은 필요하였으나, Cr 첨가의 참의 영향을 볼 수 있게 되었다. 동시에 많은 연구자에 의해 Fe-Cr 및 Fe-Cr-Ni계 합금의 조직학적 연구가 진행되고, 또 강의 내식성을 기본으로 하는 부동태현상도 발견되어 개발의 기반은 착실히 구축되어 왔다. 그리고 1910년 전후에 영국, 독일, 미국에서는 거의 동시에 마르텐사이트계, 오스테나이트계, 페라이트계 3계통의 강종이 개발되고 있다. 또 스테인리스강이란 명칭은 영국에서 개발된 마르텐사이트계강을 상품명으로 하여Stainless Steel으로 명명된 것이 시작인데 그 후 일반명칭으로 퍼져 나갔다.

[내식성발현의 기구와 그 대응] 스테인리스강의 내식성은 Cr 첨가에 의해 Fe 자체가 본질적으로 녹기 어렵기 때문인 것이 아니라 표면에 소지와는 다른 물질을 형성시켜 그 보호작용에 의존하는 성격인 것이다. 그 표면물질은 두께 수nm의 크롬산화물이다. 이 크롬산화물을 표면에 형성시키기 위해서는 Fe 속에 고용되고 있는 Cr 원소를 표면에 농축시키는 재료측 요인과 산화작용을 미치는 환경측 요인이 필요하다. 이 양자의 작용으로 표층에 소지와는 조성과 구조가 다른 산화물이 형성되는데, 그 산화물이 보호작용을 갖는지 아닌지는 그 치밀함에 따라 정해진다. 따라서 스테인리스성의 발현을 한마디로 표현하면 표면에 어떻게 치밀한 피막을 형성시켜 유지하는 가하는 문제이다. 여기서 다음으로 보호피막의 형성과 유지의 내용을 약간 구체적으로 설명하고자 한다. 그림1에 강의 부식속도에 미치는 Cr량의 영향을 나타내었다. Cr량이 많아지면 부식속도는 감소하고 10.5% 이상에서는 부식되어 없어진다. 이 스테인리스강을 정의하고 있는 최저 10.5%의 Cr량은 내식성이 우수한 산화물피막을 형성시킬 뿐만 아니라, 그 산화물이 파괴되어도 대기 중에서 빠르게 회복되는 능력을 가지는 양이다. 따라서 환경측 산화작용의 정도에 따라 Cr의 필요량은 변화하는데, 대기가 주로 쓰이는 환경이므로 대기를 기준으로 하여 최저Cr량이 정의되고 있다. 상기의 설명으로 추찰되는 것처럼, 강에 스테인리스성을 부여할 수 있는 합금원소는 Cr만이 아니라 Al 및 Si도 같은 기능을 가지고 있다. 그 중에서 Cr이 주로 사용되는 것은 단순히 내식성뿐만이 아닌 Fe와 Cr은 유사한 성질을 가지고 Fe의 우수한 가공성과 기계적성질을 해치지 않고 내식성을 부여할 수 있는 이점을 겸해 갖추기 때문이다. 금속이 부식액에 녹는다는 것은 녹기 쉬운 곳과 녹기 어려운 곳에서 전지를 구성하여 금속이온으로 용출하는 전기화학적인 현상이다. 여기서 전기화학의 입장에서 내식성을 설명하고자 한다. 그림2는 Fe-Cr합금에 대해 전류밀도(부식속도)와 전위의 관계를 모식적으로 나타내었다. 전위가 높아지면 활성태→부동태→과부동태로 이행한다. 산화물피막이 형성되어 내식성이 향상된다고 하는 것은 부동태역에 부식조건을 가지고 오는 경우이다. 그렇기 위해서는 내식전위를 높이고 부동태역을 넓혀 부동태화를 쉽게 하는 합금원소를 첨가한다. 그 원소가 상기한 Cr, Al, Si이다. 한편 비산화성이나 환원성환경, 예를들면 염산 속에서 산화피막의 형성은 곤란하므로 부동태에 의한 내식성의 향상은 기대할 수 없다. 이 경우는 활성태역에서 내식을 억제함으로써 내식성의 개선을 꾀한다. 그 작용을 하는 원소가 Ni, Mo, Cu이다. 따라서 산화성과 환원성 양자의 환경에서 내식성을 발휘하는데는 양(兩)그룹의 원소를 동시에 첨가할 필요가 있다. 그 때문에 후술하는 것처럼 각종의 강종이 존재하고 광범위한 환경에 대응하고 있다.