입계 부식:정의 및 방지 방법

부식 손상에는 육안으로 쉽게 볼 수 있는 균일 부식 및 공식 부식과 같은 여러 유형이 있습니다. 그러나 일부 부식 손상은 눈에 보이지 않지만 구조 또는 장비의 무결성에 여전히 해를 끼칩니다. 이 기사에서는 입계 부식(IGC)이라고 하는 덜 눈에 잘 띄는 부식 손상 유형 중 하나를 자세히 살펴보고, 입계 부식이 어떻게 발생하는지, 어떤 재료가 영향을 받는지, 입계 부식이 일반적으로 발생하는 산업 유형에 대한 심층적인 이해를 개발하는 데 중점을 둘 것입니다. 발생하고 피해를 감지하고 완화하는 방법.

입계 부식(IGC)이란 무엇입니까?

입계 부식(IGC)은 때때로 입계 공격(IGA)이라고도 하며, 입계(결정) 경계만 단독으로 또는 입계에 바로 인접하여 진행되는 우선적 또는 국부적인 부식입니다. 대조적으로, 대부분의 곡물은 대부분 영향을 받지 않은 상태로 남아 있습니다.

금속 손실은 최소화되지만 IGC는 장비의 치명적인 고장을 일으킬 수 있습니다. IGC는 강도와 연성의 손실을 초래하는 부식성 매체가 있는 경우 합금에 대한 일반적인 공격 형태입니다. IGC를 응력 부식 균열(SCC)과 혼동해서는 안 됩니다. SCC는 입계 경로를 따라 균열을 생성하는 부식 환경에서 지속적으로 또는 주기적으로 작용하는 응력(잔여 또는 적용)이 필요합니다.

그림 1. 오스테나이트 냉간 압연 스테인리스 강판의 입계 부식 공격 (출처:Antkyr, Creative Commons ShareAlike 3.0 Unported(CC BY-SA 3.0).)

입계 부식(IGC)이 형성되는 방식

입계에서 ICG 국부 부식은 합금 원소에 의해 약화되는 영역의 양극 용해, 2차 상 석출 또는 격리된 합금 또는 불순물 원소가 있는 영역에 의해 발생합니다. 노출된 표면의 나머지 부분은 일반적으로 음극으로 기능하고 큰 음극 영역은 양극 용해 과정을 지원합니다.

캐소드 대 애노드 비율은 일반적으로 1보다 큽니다. 이는 전기화학적 활성 상의 부피 분율 및 분포, 유해한 합금 및 불순물 원소의 분포, 입자 크기와 같은 요인에 따라 달라집니다.

부식 속도는 지배적인 부식 메커니즘에 따라 달라지며 양극 전면으로 또는 양극 전선으로부터 종의 확산과 같은 요인이 용해 동역학을 제어할 수 있습니다. IGC의 중요한 특징은 상대적으로 균질하고 균일한 공격 깊이의 개발입니다. 결정립계의 용해는 종종 결정립 낙하라고 하는 결정립의 이탈을 유발합니다. 입자 낙하는 IGC 노출 후 관찰되는 대부분의 중량 손실의 원인이 되며, 따라서 부식 속도는 일반 부식 동안보다 수십 배 더 높을 수 있습니다.

그림 2. 용접의 열영향부(HAZ) 근처에서 부식된 스테인리스강 (출처:NASA 부식 공학 연구소.)

입계 부식에 의해 일반적으로 영향을 받는 재료

입계 부식 공격은 탄소강보다는 특정 유형의 스테인리스강에서 주로 만연합니다. (관련 자료:스테인리스 스틸이 부식에 강한 이유.) 그러나 다음 재료는 IGC 공격에서 제외되지 않습니다.

• 화학 공장에서 사용되는 불안정한 오스테나이트계 스테인리스강 등급 304 및 316은 민감 단계에서 사용하면 IGC 공격을 받기 쉽습니다. 과민성은 온도가 500 - 800°C(932 - 1472°F)인 용접부에 인접한 구역의 결정립계에서 크롬 카바이드의 침전으로 인해 발생합니다. (이 주제에 대한 자세한 내용은 Hot Shortness 및 Welding이 금속의 부식에 미치는 영향을 참조하십시오.)
• 니켈-구리 합금(Alloy 400, UNS N04400)은 특정 유형의 불화수소산 및 크롬산 용액에 노출되면 IGC 공격을 받기 쉽습니다.
• IGC 공격은 몰리브덴이 풍부한 성분의 침전으로 인해 뜨거운 염산 및 황산에 노출된 니켈-몰리브덴 합금(합금 B, UNS N10001)에서 발생할 수 있습니다.
• Alloy 600과 같은 니켈-크롬 합금은 IGC 공격을 받기 쉽습니다. 따라서 부식성 환경에서 사용하기 위한 것이 아닙니다.
• 알루미늄 등급 2024 및 7075는 CuAl₂ 음극으로 작용하는 결정립계에서 석출되어 결정립계에 인접한 공핍 영역을 가속화합니다. 또한 알루미늄 등급 5083 및 7030도 IGC 공격에 취약합니다.
• 고순도의 아연(Zn)은 IGC가 발생하지 않습니다. 그러나 합금 원소인 알루미늄이나 아연 합금의 불순물은 IGC 공격을 일으킬 수 있습니다.

오스테나이트 스테인리스강의 입계 공격

오스테나이트계 스테인리스 강의 입계 공격은 일반적으로 탄화크롬 침전(Cr₂₃ C₆ ) 결정립계에서 크롬 결핍의 좁은 영역을 생성하는 결정립계. 이러한 상태를 민감화라고 합니다(그림 3). 감도는 결정립계에서 크롬 탄화물의 침전을 포함하며, 이는 결정립계에서 크롬 고갈의 좁은 영역을 초래합니다.

그림 3.

크롬은 스테인리스강을 부식 방지하는 주요 합금 원소이기 때문에 크롬이 고갈된 영역은 우선 부식 공격을 받기 쉽습니다. 이것은 탄화물에 바로 인접한 크롬 함량이 스테인리스 스틸 합금에 필요한 것보다 낮을 수 있기 때문에 발생하는 것으로 믿어집니다. 탄화물이 입자 경계에서 연속적인 네트워크를 형성하면 부식으로 인해 경계에서 분리 또는 틈이 생기고 입자가 떨어지거나 손실될 수 있습니다.

입계 부식 감지 방법

일반적으로 IGC는 입자 경계를 따라 진행되며 육안이나 다른 비파괴 검사 기술로 감지하기 어렵습니다. 그러나 재료는 Huey 테스트(질소 용액 사용) 또는 Strauss 테스트와 같은 특정 실험실 방법으로 장비를 제작하기 전에 IGC에 대한 내성을 테스트하여 입계 부식에 대한 스테인리스강의 민감성을 식별할 수 있습니다. 정량적 체중 감소 측정을 기반으로 하는 Streicher 테스트도 사용할 수 있습니다. 또한 IGC 균열은 결함 영역의 샘플을 금속 조직학적으로 준비하고 주사 전자 현미경(SEM)으로 검사할 때 볼 수 있습니다.

오스테나이트의 IGC 공격을 방지하기 위한 완화 방법 니켈-크롬 스테인리스강

제조 공장 또는 공장에서 적절한 어닐링 및 담금질 처리를 수행하면 IGC에 대한 스테인리스 스틸 및 니켈이 풍부한 크롬 함유 합금의 민감도가 감소합니다. 이러한 처리가 성공적으로 수행되면 용해된 탄화크롬, 질화물 및 탄화몰리브덴과 이들의 침전 형태가 담금질 중에 용액에 유지됩니다.

페라이트계 스테인리스강(AISI Type 430, Type 446)은 고온 소둔 처리로 급수 급냉해도 탄소의 확산 속도가 빨라 탄화크롬의 석출을 방지할 수 없습니다. 그러나 이러한 합금의 크롬 확산 속도도 높습니다. 816°C(1,500°F) 근처의 열처리를 통해 탄화 크롬 침전물을 둘러싼 크롬 고갈 영역을 복원할 수 있습니다. 그 결과 IGC에 면역성이 있는 다량의 탄화물 잔류물을 포함하는 미세구조가 생성됩니다.

그림 4. 입계 부식을 방지하기 위한 파이프라인 용접의 열처리 (출처:Berkut34 | Dreamstime.com)

스테인리스 합금을 용접할 때 탄소 및 질소 함량을 줄임으로써 많은 경우 크롬 탄화물 및 질화물의 형성을 방지할 수 있습니다. 아르곤-산소 탈탄 공정, 진공 용융 및 소모성 아크 재용해의 도입은 합금 AISI Type 304L, Type 316L, Alloys C-276 및 C-4, Fe-29에서 크롬 탄화물 및 질화물 형성 방지에 큰 영향을 미쳤습니다. %Cr-4%Mo.

티타늄(Ti) 또는 니오븀(Nb) 원소를 첨가하여 스테인리스강에서 크롬 탄화물의 형성을 방지할 수 있습니다. (관련 자료:입계 부식에서 크롬의 역할.) 이러한 원소는 탄소와 결합하고 그 농도를 낮추어 용접 및 응력 제거 중 및 작동 조건에서도 민감한 온도 범위에 노출되는 동안 크롬 탄화물이 형성되지 않습니다. 이를 안정화 합금이라고 하며 AISI Type 321(Ti), AISI Type 347(Nb), Alloy 20Cb-3(Nb), Alloy 625(Nb) 및 Alloy 825(Ti)입니다.

다양한 크기의 용접물 및 기타 용접 기술(낮은 열 입력과 같은)은 민감도를 감소시킬 수 있습니다. 그러나 이러한 접근 방식을 일반적으로 적용할 수 있도록 명확한 통제력을 유지하는 것은 쉽지 않습니다.

입계 부식의 영향을 자주 받는 산업

IGC는 올바른 조건이 존재하는 모든 산업에서 오스테나이트계 스테인리스강, 니켈-구리 합금, 니켈-몰리브덴 합금, 니켈-크롬 합금, 알루미늄 합금 및 아연 합금으로 제작된 모든 장비에서 발생할 수 있습니다. 적절한 열처리 및 더 높은 탄소 함량(C> 0.03%)을 포함하는 경우 취약합니다.

제조 단계에서 올바른 재료와 적절한 열처리가 사용되지 않으면 입계 부식으로 인해 대부분의 공정 장비에서 치명적인 고장이 발생할 수 있습니다. 단면 두께의 손실과 균열의 도입은 압력 억제와 같은 응용 분야에 심각한 결과를 초래할 수 있습니다.