스테인레스 강의 입계 부식: 원인 & 수정

스테인레스 스틸 내식성을 위해 선택되었습니다. 그러나 특정 조건에서는, 숨겨진 위험한 형태의 국지적 공격을 받을 수 있습니다.: 곡물 간 부식 (IGC).

표면이 여전히 밝고 깨끗해 보일 수 있습니다.. 곡물 자체는 대부분 손상되지 않을 수 있습니다.. 그러나 결정립 사이의 좁은 영역인 결정립계는 선택적으로 용해되었습니다..

강도와 연성이 급격히 떨어집니다., 부품이 부서지기 쉬운 방식으로 갑자기 고장날 수 있습니다..

나는 육안 검사를 통과한 후 사용 중에 갈라진 용접 파이프에서 이것을 보았습니다.. 압력 테스트를 통해 결정립계 네트워크를 따라 누출 경로가 열릴 때까지 괜찮아 보이는 열교환기에서 이를 본 적이 있습니다..

IGC는 표면 외관 문제가 아니라 미세한 규모에서 구조적 무결성이 손실되기 때문에 재료 엔지니어의 문제입니다..

1. 스테인레스 강의 입계 부식이란 무엇입니까??

곡물 간 부식 (IGC) 부식은 결정립 경계나 결정립에 바로 인접한 좁은 영역을 우선적으로 공격하는 국부적인 부식 현상입니다., 반면 곡물의 내부는 상대적으로 영향을 받지 않습니다..

이 현상을 이해하려면, 스테인레스 스틸은 입자라고 불리는 수많은 미세한 결정으로 구성되어 있음을 인식하는 것이 중요합니다..

각 입자에는 고유한 결정학적 방향이 있습니다., 인접한 입자 사이의 경계면을 입자 경계라고 합니다..

정상적인 조건에서, 결정립 경계와 결정립 내부는 스테인레스강이 보호 수동적 동작을 유지할 수 있을 만큼 충분히 유사한 내식성을 가지고 있습니다..

하지만, 특정 열처리 또는 서비스 조건으로 인해 이러한 경계를 따라 화학적 또는 미세구조적 차이가 발생할 수 있습니다..

결정립계가 주변 매트릭스보다 전기화학적으로 저항성이 낮아지는 경우, 부식은 이러한 좁은 영역을 따라 우선적으로 진행됩니다..

입계 부식의 주요 특성

입계 부식은 다른 형태의 스테인리스강 부식과 구별되는 몇 가지 특성을 가지고 있습니다.:

• 선택적 그레인 경계 공격: 부식은 금속 표면 전체에 걸쳐 균일하게 진행되기보다는 주로 결정립 경계를 따라 진행됩니다..
• 제한된 가시적 표면 손상: 초기 부식에서는 뚜렷한 녹이 발생하지 않을 수 있습니다., 변색, 또는 표면 거칠기.
• 기계적 무결성 손실: 결정립계가 악화됨에 따라, 인접한 곡물은 결합력을 잃습니다., 연성 감소, 강인함, 및로드 베어링 용량.
• 급속한 전파 가능성: 취약한 입자 경계의 연속적인 네트워크가 개발되면, 부식은 재료 깊숙이 침투할 수 있습니다..
• 조기 발견이 어렵다: 일반적인 육안 검사로는 손상 여부를 확인할 수 없습니다., 특히 초기 단계에서는.

IGC의 가장 우려되는 측면 중 하나는 스테인리스강 부품이 외관상 허용 가능한 외부 외관을 유지할 수 있지만 내부 미세 구조는 이미 상당한 손상을 입었다는 것입니다..

이것이 입계 부식이 종종 숨겨진 재료 파손 메커니즘으로 간주되는 이유입니다..

2. 주요 메커니즘: 크롬 고갈 이론

스테인레스 강의 내식성은 주로 크롬에 달려 있습니다.. 산소 함유 환경에 노출되었을 때, 크롬은 산소와 반응하여 매우 얇은 금속을 형성합니다., 안정적인, 금속 표면에 부착된 크롬이 풍부한 부동태 피막.

기존 스테인레스강의 경우, 대략 크롬 함량 12 적절한 조건에서 스테인리스 거동을 확립하고 유지하려면 일반적으로 중량% 이상이 필요합니다..

입계 부식은 결정립 경계 근처의 크롬 농도가 안정적인 부동태 피막을 유지하는 데 필요한 수준 아래로 떨어지면 발생할 수 있습니다..

감작: 결정립 경계에 크롬 탄화물이 침전됨

오스테나이트계 스테인리스강은 일반적으로 적절한 용체화 어닐링을 거친 경우 우수한 내식성을 나타냅니다..

일반적인 용액 처리에는 재료를 약 1050~1100°C로 가열하는 과정이 포함됩니다., 빠른 냉각, 일반적으로 물 담금질 또는 다른 자격을 갖춘 냉각 방법.

이 과정에서:

• 크롬 탄화물은 오스테나이트 매트릭스에 용해됩니다..
• 탄소는 과포화 고용체에 유지됩니다..
• 크롬이 재료 전체에 더욱 균일하게 분포됩니다..
• 강철은 보호 부동태 피막을 형성하는 능력을 유지합니다..

하지만, 이후 재료가 약 450~850°C 사이의 온도에 노출될 때, 감작이라는 현상이 발생할 수 있습니다..

이 온도 범위를 일반적으로 민감화 온도 범위라고 합니다..

야금 공정은 다음과 같이 발전합니다:

단계 1: 결정립계를 향한 탄소 확산

탄소 원자는 오스테나이트계 스테인리스강에서 상대적으로 높은 확산도를 가집니다..

재료가 감작 온도 범위에 들어갈 때, 탄소 원자는 결정립 경계를 향해 이동합니다., 강수량이 에너지적으로 유리한 곳.

단계 2: 크롬 탄화물 침전

탄소는 크롬과 반응하여 크롬이 풍부한 탄화물을 형성합니다., 가장 일반적으로 Cr²₃C₆.

이러한 탄화물은 유리한 핵 생성 지점을 제공하기 때문에 결정립 경계를 따라 우선적으로 석출됩니다..

단계 3: 지역 크롬 소비

크롬 탄화물의 형성은 주변 금속 매트릭스에서 크롬을 소비합니다..

크롬은 단단한 강철에서 탄소보다 훨씬 느리게 확산되기 때문에, 결정립계 근처의 크롬 농도는 탄화물 석출을 보상할 만큼 신속하게 보충될 수 없습니다..

따라서, 좁은 크롬 고갈 영역이 결정립 경계에 인접하여 발달함.

크롬 고갈 구역의 형성

크롬이 고갈된 영역은 기존의 감작 관련 입계 부식을 담당하는 중요한 미세 구조적 특징입니다..

크롬 탄화물이 결정립 경계를 따라 침전됨에 따라, 인접한 매트릭스는 크롬을 잃습니다..

고갈된 지역의 크롬 농도가 대략 아래로 떨어질 때 12 wt.%, 안정적인 부동태 피막을 유지하는 능력이 크게 손상됩니다..

곡물 인테리어, 충분한 크롬을 보유하고 있는, 상대적으로 우수한 내식성을 계속 나타냄.

이는 다음으로 구성된 이질적인 미세 구조를 생성합니다.:

• 상대적으로 강한 수동성을 지닌 크롬이 풍부한 입자 내부.
• 크롬 탄화물은 결정립 경계를 따라 침전됩니다..
• 침전물에 인접한 좁은 크롬 고갈 영역.

이들 영역 사이의 내식성의 차이는 선택적 입자 경계 공격을 위한 조건을 만듭니다..

주목할 가치가 있는 것은 12 중량%는 모든 환경에 적용할 수 있는 절대 임계값이 아니라 실용적인 야금학적 기준입니다..

실제 패시베이션은 전체 합금 구성에 따라 달라집니다., 용액화학, 온도, 전기화학적 조건.

전기화학 메커니즘: 마이크로 갈바니 전지의 형성

부식성 매체에서, 크롬이 고갈된 영역과 입자 매트릭스는 서로 다른 전기화학적 전위를 갖습니다.:

• 크롬 고갈 구역: 양극의, 낮은 잠재력, 용해되기 쉽다.
• 그레인 매트릭스: 음극의, 크롬이 풍부한, 여전히 수동적이다.

중요한 요소는 면적 비율. 고갈된 영역은 매우 작습니다.; 그레인 매트릭스가 매우 크다. 이것은 큰 음극-작은 양극 상태.

고갈된 영역의 양극 전류 밀도는 매우 높아집니다., 부식은 결정립계를 따라 빠르게 침투합니다..

경계 네트워크가 공격을 받으면, 패시브 필름으로는 손상을 복구할 수 없습니다.. 산화막은 용해된 입자 경계를 연결할 수 없습니다..

3. 입계 부식의 다른 메커니즘

크롬 고갈 이론은 오스테나이트계 스테인리스강의 입계 부식의 대부분을 설명하지만, 모든 상황을 설명하지는 않습니다.

특정 재료 구성 및 서비스 조건에서, 두 가지 추가 메커니즘이 입자 경계 공격에 기여할 수 있습니다..

양극상 이론

특정 금속간 화합물, 특히 시그마 (에이) 그리고 치 (엑스) 단계, 열 노출 중에 결정립 경계를 따라 침전될 수 있음.

이러한 상은 주변 금속 매트릭스와 다른 전기화학적 거동을 나타낼 수 있으며 우선적인 양극 부위로 작용할 수 있습니다., 국부적인 용해를 초래함.

기존의 크롬 고갈과 달리, 이 메커니즘은 반드시 크롬 고갈 구역의 형성을 요구하지 않습니다..

대신에, 금속간 상 자체는 우선적인 전기화학적 공격을 받을 수 있습니다..

이 메커니즘은 다음과 더 일반적으로 연관됩니다.:

• 고크롬, 고 몰리브덴 페라이트계 스테인리스강.
• 장기간 고온 서비스를 받는 오스테나이트계 스테인리스강.

입자 경계 분리 이론

불순물을 추적하면 입자 경계 분리가 발생합니다., 유황과 같은 (에스), 인 (피), 그리고 실리콘 (그리고), 열처리 중 또는 고온에 장기간 노출되는 동안 결정립 경계에 축적됨.

이러한 원소의 농축은 결정립 경계의 국지적 화학 조성 및 전기화학적 특성을 변경할 수 있습니다., 부동태화 능력을 감소시키고 선택적 부식에 대한 민감성을 증가시킵니다..

이 메커니즘은 특정 저탄소 및 초저탄소 스테인리스강이 특정 조건에서 입계 부식을 경험할 수 있는 이유를 설명하는 데 도움이 됩니다..

그러므로, 탄소 함량을 줄이는 것만으로는 입계 부식의 모든 위험을 제거할 수 없습니다.. 스테인리스 강의 내식성을 평가할 때는 불순물 제어 및 입자 경계 화학도 고려해야 합니다..

4. 산업 응용 분야에서 입계 부식의 일반적인 원인

실제 제조 및 산업 서비스 분야에서, 입계 부식은 단일 요인으로 인해 발생하는 경우가 거의 없습니다..

재료 구성, 열 이력, 제조 과정, 운영 환경은 상호 작용하여 민감성을 높일 수 있습니다..

다음 시나리오는 고려해야 할 가장 중요한 원인 중 하나입니다..

용접 열 영향부 (위험요소)

용접은 오스테나이트계 스테인리스강의 민감화를 일으키는 가장 일반적인 원인 중 하나입니다..

용접 중, 용접부에 인접한 모재는 열주기를 경험합니다.. 융합선과의 거리에 따라, 지역마다 최고 온도와 냉각 속도가 다릅니다..

열 영향부의 일부 부분은 450~850°C의 민감화 범위에 들어갈 수 있습니다..

재료가 이 범위 내에 충분히 오랫동안 남아 있는 경우, 크롬 탄화물은 결정립 경계를 따라 침전될 수 있습니다..

이로 인해 용접 양쪽의 내식성이 감소된 좁은 영역이 생성될 수 있습니다..

특정 안정화된 스테인레스강에서, 칼날 공격으로 알려진 보다 국지적인 현상이 융합 경계 근처에서 발생할 수 있습니다..

이는 특히 다음과 같은 안정화된 등급과 관련이 있습니다. 321 그리고 347 특정 열 이력 하에서.

위험은 다음의 영향을 받습니다.:

• 모재의 탄소 함량.
• 용접열 입력.
• 층간 온도.
• 냉각 속도.
• 용접 패스 수.
• 필러 금속 조성.
• 후속 열 노출.

방지:

• 부식에 민감한 용접 부품에는 304L 또는 316L과 같은 저탄소 등급을 사용하세요..
• 불필요한 열 노출을 방지하기 위해 용접 열 입력 최적화.
• 적절한 다중 패스 용접 절차를 사용하십시오..
• 층간 온도 제어.
• 호환되는 용접 소모품 선택.
• 부품 형상 및 서비스 요구 사항이 정당화되면 용접 후 용액 어닐링을 고려하십시오..

중요하게, 단순히 용접 입열량을 줄이는 것만으로는 감작의 제거가 보장되지 않습니다.. 완전한 열주기, 후속 패스에 의한 재가열 포함, 평가되어야 한다.

부적절한 열처리

용액 어닐링은 내식성을 회복하기 위해 널리 사용됩니다. 오스테 나이트 스테인레스 스틸.

하지만, 잘못 제어된 열처리 공정은 반대 결과를 초래할 수 있습니다..

예를 들어, 오스테나이트계 스테인리스강을 약 1050~1100°C로 가열했지만 너무 천천히 냉각하는 경우, 탄화크롬 석출이 발생하기 위해서는 민감화 온도 범위 내에서 충분한 시간을 보낼 수 있습니다..

비슷하게, 장기간 동안 450~850°C 사이에서 재료를 유지하면 감작이 촉진될 수 있습니다..

일반적인 열처리 문제는 다음과 같습니다.:

• 불충분한 용액 어닐링 온도.
• 부적절한 보유 시간.
• 느리거나 제어되지 않는 냉각.
• 불균일한 퍼니스 온도 분포.
• 잘못된 로딩 배열.
• 검증되지 않은 반복 열 사이클.

방지:

합금 등급에 따라 적격한 용체화 어닐링 절차를 사용하십시오., 섹션 두께, 및 구성 요소 기하학.

적절한 난방을 보장합니다, 온도 균일성, 민감화 범위를 통해 충분히 빠른 냉각.

높은 온도에 장기간 노출

열교환기에 사용되는 스테인레스 스틸 부품, 보일러, 용광로, 화학 반응기, 발전 장비는 장기간 열 노출을 경험할 수 있습니다..

작동 온도가 최대 민감도 범위보다 낮은 경우에도, 장기간 노출되면 여전히 침전 반응이 촉진될 수 있습니다., 합금 구성 및 열 이력에 따라 다름.

예를 들어, 약 400~600°C에서 장기간 작동하면 점진적인 미세 구조 변화에 기여할 수 있습니다..

정확한 반응은 온도에 따라 다릅니다., 노출 기간, 탄소 함량, 합금 요소, 및 이전 처리 내역.

이는 반복적인 가열 및 냉각 주기를 겪는 구성 요소에 특히 중요합니다..

방지:

• 적절한 열 안정성을 갖춘 스테인리스강 등급을 선택하세요..
• 전체 서비스 온도 기록을 평가합니다..
• 제작 및 작동 중 불필요한 열 노출을 피하세요..
• 적절한 경우 안정화 등급 또는 저탄소 등급을 고려하세요..
• 중요 부품에 대한 정기 검사 및 금속학적 평가 수행.

부식성 서비스 환경

민감화로 인해 스테인리스강이 입계 공격에 더 취약해집니다., 그러나 주변 환경에 따라 심각한 부식이 발생하는지 여부가 결정됩니다..

특정 화학적 환경은 크롬이 고갈된 지역의 용해를 가속화할 수 있습니다..

예를 포함합니다:

• 강한 황산 용액.
• 특정 조건에서의 질산 환경.
• 염화물 함유 공정 스트림.
• 산성 화학 용액.
• 고온 수성 환경.

하지만, 각 매체의 효과는 농도에 따라 크게 달라집니다., 온도, 통기, 전기화학적 전위.

클로라이드 이온, 예를 들어, 특히 구멍 및 틈새 부식과 관련이 있습니다.. 이들의 존재가 입계 부식을 자동으로 나타내지는 않습니다..

실제로, 민감화 및 기타 국부적인 부식 메커니즘이 동시에 발생할 수 있습니다., 실패 분석을 더욱 복잡하게 만듭니다..

방지:

스테인레스 스틸 등급을 선택하기 전에 서비스 매체의 실제 화학 성분 및 작동 조건을 평가하십시오..

중요한 응용 프로그램의 경우, 재료 검증에는 의도된 서비스 환경을 대표하는 부식 테스트가 포함되어야 합니다..

5. 입계 부식을 수정하고 방지하는 방법

"수정"이라는 용어에 대한 설명이 필요합니다.. 일단 입계부식 (IGC) 심각한 결정립계 용해를 일으켰습니다., 피해는 되돌릴 수 없다.

따라서 효과적인 제어는 민감화를 방지하고 부식이 발생하기 전에 재료의 야금학적 상태를 복원하는 데 중점을 둡니다..

저탄소 스테인리스강 사용

304L, 316L 등 저탄소 등급을 선택하세요., 탄소 함량이 0.03 중량% 이하.

탄소 함량이 낮을수록 결정립 경계에서 탄화크롬 석출이 감소합니다., 크롬 고갈 위험 최소화.

이 등급은 고온과 관련된 용접 부품 및 응용 분야에 널리 사용됩니다..

안정화된 스테인레스 스틸 등급 사용

티탄 (의) 그리고 Niobium (NB) 우선적으로 탄소와 결합하여 안정적인 탄화물을 형성합니다., 크롬 탄화물의 형성을 줄이고 주변 매트릭스에서 크롬을 유지하는 데 도움을 줍니다..

일반적인 안정화 등급에는 다음이 포함됩니다.:

• 321: 티타늄 안정화 스테인리스 스틸.
• 347: 니오브 안정화 스테인리스강.

이 등급은 용접 후 용액 어닐링이 실용적이지 않은 고온 응용 분야 및 용접 부품에 적합합니다..

용액 어닐링 적용

용액 어닐링에는 일반적으로 스테인리스강을 약 1050~1100°C로 가열하는 과정이 포함됩니다., 빠른 냉각.

이 처리는 크롬 탄화물을 용해시키고 크롬을 고용체로 되돌립니다., 내식성 회복에 도움.

심각한 결정립계 부식이 발생하지 않은 경우 감작을 역전시킬 수 있습니다.. 하지만, 기존의 부식 손상을 복구할 수 없으며 대형 용접 구조물에는 실용적이지 않을 수 있습니다..

용접 절차 최적화

450~850°C 민감화 범위에 대한 노출을 최소화하도록 용접 매개변수를 제어해야 합니다.. 권장 사례에는 다음이 포함됩니다.:

• 통제된 사용, 상대적으로 낮은 열 입력.
• 적절한 패스간 온도 제어로 다중 패스 용접 적용.
• 저탄소 또는 안정화된 모재 및 호환 가능한 용가재를 선택하세요..
• 과도한 예열과 불필요하게 느린 냉각을 피하십시오..
• 가능한 경우 용접 후 용액 어닐링을 적용합니다..

제어 설계 및 서비스 조건

민감성에 민감한 스테인레스강용, 가능하면 400~600°C 범위의 온도에 장기간 노출을 피하십시오..

작동 온도 및 부식 환경에 따라 저탄소 등급 또는 안정화 등급을 선택하세요..

서비스 조건도 고려해야합니다. 클로라이드, 황산, 질산은 특정 조건에서 부식에 기여할 수 있습니다..

적절한 배수와 정체 구역 방지는 부식성 매체의 축적과 집중을 줄이는 데 도움이 됩니다..

입계 부식 검사 및 테스트

중요한 구성 요소의 경우, 적절한 테스트 및 금속학적 검사를 통해 IGC에 대한 내성을 검증합니다.. 일반적인 방법은 다음과 같습니다:

• ASTM A262: 오스테나이트계 스테인리스 강의 입계 공격에 대한 민감성을 평가하기 위한 표준 관행.
• 스트라우스 테스트와 휴이 테스트: 입계 부식 저항성을 평가하는 데 사용되는 특정 부식 테스트.
• DL-EPR: 감작 평가를 위한 이중 루프 전기화학적 전위차 재활성화 테스트.
• 금속계 검사: 입자 경계 탄화물 석출 및 관련 미세 구조 변화를 식별하는 데 사용됩니다..

한 가지 중요한 점은 패시베이션만으로는 감작을 제거할 수 없다는 것입니다.. 적절하게 준비된 표면에 부동태 피막을 복원할 수 있습니다., 그러나 고갈된 입자 경계 영역에서는 크롬을 보충할 수 없습니다..

6. 입계 부식을 최소화하기 위해 올바른 스테인레스강 등급을 선택하는 방법

올바른 스테인리스강 등급을 선택하려면 재료의 화학적 조성을 평가해야 합니다., 제조 경로, 제조 공정, 서비스 환경.

다음 권장 사항은 일반적인 산업 응용 분야에 대한 실용적인 출발점을 제공합니다..

몇 가지 중요한 고려 사항을 최종 선택의 기준으로 삼아야 합니다.:

• 작동 온도: 정상 작동 온도와 일시적인 열 노출을 모두 평가합니다..
• 용접 요구 사항: 부품이 광범위한 용접이나 수리를 받을지 여부를 고려하십시오..
• 부식 매체: 염화물 농도 확인, 신맛, 온도, 산화 조건.
• 구성요소 기하학: 단면 두께 및 열처리 접근성 고려.
• 검사 요구사항: 금속 조직 검사 또는 표준화된 부식 테스트가 필요한지 여부를 설정합니다..
• 서비스 수명: 열 노화 및 부식 노출의 장기적인 영향을 평가합니다..

압력을 함유하고 안전이 중요한 부품용, 재료 선택은 해당 설계 코드를 기반으로 해야 합니다., 재료 사양, 및 서비스별 부식 평가.

7. 결론

입계 부식은 스테인리스강 부품의 신뢰성을 심각하게 손상시킬 수 있는 야금학적 결함 메커니즘입니다..

기존의 오스테나이트계 스테인리스강에서, 가장 흔한 원인은 과민성입니다.: 열 노출로 인해 크롬 탄화물이 결정립 경계를 따라 석출됩니다., 인접한 지역의 크롬을 소비하고 크롬 고갈 구역을 생성합니다..

이러한 영역이 안정적인 수동막을 유지하는 능력을 상실한 경우, 부식은 결정립계를 따라 우선적으로 진행됩니다..

하지만, 크롬 고갈이 유일한 메커니즘은 아닙니다. 금속간 상 침전, 입자 경계 분리, 부식 실패를 평가할 때는 특정 사용 환경의 영향도 고려해야 합니다..

스테인레스강 투자 주조 제조업체용, 내부식성은 생산 초기부터 설계되어야 합니다..

화학 성분, 녹는, 응고, 열처리, 수리 용접은 모두 최종 야금학적 상태에 기여합니다..

그리고 Langhe, 스테인리스강 매몰 주조에 대한 당사의 접근 방식은 재료 선택을 강조합니다., 제어된 주조 공정, 적절한 열처리, 까다로운 산업 환경을 위한 신뢰할 수 있는 부품 생산을 지원하는 검사.

맞춤형 스테인레스 스틸 밸브 본체 제조 여부, 펌프 구성 요소, 사기꾼, 또는 기타 정밀 주조, 장기적인 재료 성능과 제품 신뢰성을 달성하려면 입계 부식을 이해하고 제어하는 ​​것이 필수적입니다..

 

FAQ

용접부패란 무엇인가?

용접 부식은 용접의 열 영향을 받는 부분의 입계 부식입니다., 용접 열사이클 중 민감화로 인해 발생.

304L 및 316L 스테인리스강은 IGC를 방지합니까??

탄소가 유지되기 때문에 위험이 크게 줄어듭니다. 0.03% 또는 아래, 하지만 모든 상황에서 완전히 면역이 되는 것은 아닙니다..

무엇입니까? 321 그리고 347 스테인레스 스틸에 사용되는?

안정화 등급이에요. 티타늄 321 그리고 니오브 347 탄소와 우선적으로 결합, 크롬 고갈 감소.

용액 어닐링으로 감작을 고칠 수 있습니까??

부식 손상이 너무 진행되지 않은 경우 금속학적 상태를 복원할 수 있습니다.. 이미 용해된 결정립계는 복구할 수 없습니다..

패시베이션은 입계 부식을 수정합니까??

아니요. 패시베이션은 표면 패시브 필름을 복원하지만 크롬을 고갈된 입자 경계 영역으로 복원할 수는 없습니다..