균일 부식, 피팅 부식처럼 육안으로 쉽게 확인할 수 있는 부식 손상 유형이 있는 반면, 육안으로는 보이지 않으면서 구조물이나 장비의 무결성을 심각하게 해치는 부식 손상도 있습니다. 이 기사에서는 눈에 잘 띄지 않는 부식 손상 유형 중 하나인 입계부식(IGC)을 자세히 살펴보고, 입계부식이 어떻게 발생하는지, 어떤 재료가 영향을 받는지, 입계부식이 주로 발생하는 산업 분야, 그리고 탐지와 완화 방법에 대해 깊이 이해해 보겠습니다.
입계부식(IGC)은 입계부식 공격(IGA)이라고도 하며, 결정립(결정) 경계 또는 결정립 경계 바로 인접한 영역을 따라 우선적으로 또는 국부적으로 진행되는 부식입니다. 반면, 대부분의 결정립은 거의 영향을 받지 않습니다.
금속 손실량은 적지만, IGC는 장비의 파멸적인 고장을 초래할 수 있습니다. IGC는 부식성 매체 존재 하에서 합금에 발생하는 일반적인 공격 형태로, 강도와 연성의 손실을 초래합니다. IGC를 응력부식균열(SCC)과 혼동해서는 안 됩니다. SCC는 잔류 또는 가해진 응력이 부식 환경에서 지속적 또는 순환적으로 작용하여 입계 경로를 따라 균열을 생성하는 것을 필요로 합니다.
그림 1. 오스테나이트계 냉간 압연 스테인리스강 시트의 입계부식 공격. (출처: Antkyr, Creative Commons ShareAlike 3.0 Unported (CC BY-SA 3.0).)
결정립 경계에서의 IGC 국부 부식은 합금 원소, 제2상 석출, 또는 고립된 합금/불순물 원소 영역으로 약화된 구역의 양극 용해에 의해 발생합니다. 노출 표면의 나머지 부분은 일반적으로 음극 역할을 하며, 넓은 음극 영역이 양극 용해 과정을 지지합니다.
음극-양극 비율은 일반적으로 1보다 큽니다. 이는 전기화학적으로 활성인 상의 체적 분율과 분포, 유해한 합금 및 불순물 원소의 분포, 결정립 크기 등의 요인에 따라 달라집니다.
부식 속도는 지배적인 부식 메커니즘에 의존하며, 양극 전선으로의 물질 확산 속도 등이 용해 속도론을 지배할 수 있습니다. IGC의 중요한 특징은 비교적 균일하고 균등한 공격 깊이의 발달입니다. 결정립 경계의 용해로 인해 결정립이 탈락하는 현상이 발생하며, 이를 흔히 '결정립 탈락(grain dropping)'이라고 합니다. 결정립 탈락은 IGC 노출 후 관찰되는 중량 손실의 대부분을 차지하므로, 부식 속도가 일반 부식 시보다 몇 배 더 높을 수 있습니다.
그림 2. 용접부의 열영향부(HAZ) 근처에서 부식된 스테인리스강. (출처: NASA 부식 공학 연구소.)
입계부식 공격은 탄소강보다는 특정 유형의 스테인리스강에서 주로 발생합니다. (관련 읽기: 스테인리스강이 내식성을 갖는 이유.) 그러나 다음 재료들도 IGC 공격에서 자유롭지 않습니다.
오스테나이트계 스테인리스강에서 입계 공격은 일반적으로 결정립 경계에서 크롬 카바이드(Cr₂₃C₆) 석출로 인해 발생하며, 이는 결정립 경계에서 좁은 크롬 고갈 구역을 생성합니다. 이 상태를 민감화(sensitization)라고 합니다(그림 3). 민감화는 결정립 경계에서 크롬 카바이드 석출로 인해 결정립 경계에서 좁은 크롬 고갈 구역이 생기는 현상입니다.
그림 3.
크롬은 스테인리스강을 내식성 있게 만드는 주요 합금 원소이므로, 크롬 고갈 영역은 우선적 부식 공격에 취약해집니다. 카바이드 바로 인접한 영역의 크롬 함량이 스테인리스강 합금에 요구되는 수준 이하로 떨어지기 때문에 이러한 현상이 발생한다고 봅니다. 카바이드가 결정립 경계에 연속적인 네트워크를 형성하면, 부식으로 인해 결정립 경계에서 분리가 발생하고 결정립 탈락 또는 손실이 일어날 수 있습니다.
일반적으로 IGC는 결정립 경계를 따라 진행되므로 육안이나 기타 비파괴 검사 기법으로는 탐지하기 어렵습니다. 그러나 장비 제작 전에 특정 실험실 방법을 사용하여 재료의 IGC 저항성을 테스트할 수 있습니다. 예를 들어 휴 테스트(질산 용액 사용)나 슈트라우스 테스트로 스테인리스강의 입계부식 감수성을 식별할 수 있습니다. 슈라이허 테스트도 사용할 수 있는데, 이는 정량적 중량 손실 측정에 기반합니다. 또한, 고장 부위에서 채취한 시편을 금속조직학적으로 제주하여 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하면 IGC 균열을 확인할 수 있습니다.
제작소나 공장에서 적절한 어닐링과 퀜칭 처리를 수행하면 스테인리스강과 니켈 풍부 크롬 함유 합금의 IGC 감수성을 낮출 수 있습니다. 이러한 처리가 성공적으로 수행되면, 용해된 크롬 카바이드, 질화물, 몰리브덴 카바이드 및 그 전석출 형태가 퀜칭 동안 고용체 상태로 유지됩니다.
페라이트계 스테인리스강(AISI 430, 446형)에서 탄소의 확산 속도는 매우 빨라 고온 어닐링 후 급속 수냉으로도 크롬 카바이드 석출을 방지할 수 없습니다. 그러나 이들 합금에서 크롬의 확산 속도도 높습니다. 816°C(1,500°F) 근처의 열처리로 크롬 카바이드 석출 주변의 크롬 고갈 구역을 복원할 수 있습니다. 그 결과 다량의 카바이드 잔재를 포함하지만 IGC에 면역인 미세조직이 생성됩니다.
그림 4. 파이프라인 용접부 열처리로 입계부식 방지. (출처: Berkut34 | Dreamstime.com)
스테인리스 합금을 용접할 때 탄소와 질소 함량을 낮추면 많은 경우 크롬 카바이드와 질화물 형성을 방지할 수 있습니다. 아르곤-산소 탈탄 공정, 진공 용해, 소모성 아크 재용해의 도입은 AISI 304L, 316L, 합금 C-276, C-4, Fe-29%Cr-4%Mo 등에서 크롬 카바이드와 질화물 형성을 크게 억제했습니다.
스테인리스강의 크롬 카바이드 형성은 티타늄(Ti) 또는 니오븀(Nb) 원소 첨가로 방지할 수 있습니다. (관련 읽기: 입계부식에서 크롬의 역할.) 이 원소들은 탄소와 결합하여 농도를 낮춤으로써 용접 및 응력제거 중 민감화 온도 범위 노출 시, 심지어 운전 조건에서도 크롬 카바이드가 형성되지 않게 합니다. 이를 안정화 합금이라 하며, AISI 321(Ti), AISI 347(Nb), 합금 20Cb-3(Nb), 합금 625(Nb), 합금 825(Ti) 등이 있습니다.
용접물의 크기나 용접 기술(낮은 열 입력 등)을 달리하면 민감화 정도를 줄일 수 있습니다. 그러나 이 접근법을 일반적으로 적용하기 위해 확실한 통제를 유지하기는 쉽지 않습니다.
오스테나이트계 스테인리스강, 니켈-구리 합금, 니켈-몰리브덴 합금, 니켈-크롬 합금, 알루미늄 합금, 아연 합금으로 제작된 장비라면 적절한 조건만 갖춰지면 어떤 산업에서든 IGC가 발생할 수 있습니다. 즉, 재료가 적절한 열처리를 거치지 않았고 탄소 함량이 높을 경우(C > 0.03%) 감수성이 있습니다.
제작 단계에서 올바른 재료와 적절한 열처리가 사용되지 않았다면, 입계부식은 대부분의 공정 장비에서 파멸적인 고장을 초래할 수 있습니다. 단면 두께 손실과 균열 발생은 압력 용기 같은 용도에 심각한 결과를 초래할 수 있습니다.
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