스테인리스강 부식 이해: 유형, 원인 및 예방

많은 산업 분야에서 스테인리스강은 우수한 내식성을 제공하므로 녹이 슬지 않는 이유가 됩니다. 기계적 파손 외에 스테인리스강의 심각한 부식 형태는 국부 부식이며, 이로 인한 고장 사례가 전체의 거의 절반을 차지합니다. 사실 합리적인 소재 선택으로 많은 고장을 예방할 수 있습니다. 스테인리스강의 일반적인 부식 유형은 무엇일까요? 다양한 스테인리스강 등급의 내식성에 대해 알아보겠습니다.

스테인리스강 부식 유형

• 응력 부식 균열(SCC): 부식 환경에서 인장 응력(잔류 응력, 가해 응력, 또는 둘 다)과 특정 부식 매질이 존재할 때, 균열이 확장되어 합금이 파손되는 현상입니다. 취성 파단 양상을 보이지만 고인성 재료에서도 발생할 수 있습니다. 균열 형성과 확장은 인장 응력 방향과 대략 수직입니다. 부식 매질이 없을 때 재료 파단에 필요한 응력보다 훨씬 낮은 응력에서도 발생합니다. 미시적으로 입계를 통과하는 균열을 입간 균열, 입계를 따라 확장하는 균열을 입계 균열이라 합니다. 응력 부식 균열이 일정 깊이까지 진행하면 정상적인 균열(연성 재료에서는 미세 결함의 집합)에 의해 파단됩니다. 따라서 응력 부식 균열로 파손된 부품 단면에는 응력 부식 균열 특성 영역과 미세 결함 집합 영역이 공존합니다.
• 공식(Pitting Corrosion): 국부 부식의 한 형태로, 금속 표면에 작은 구멍(피트)이 생기는 현상입니다.
• 입계 부식(Intergranular Corrosion): 입계는 서로 다른 결정학적 방향을 가진 결정립 사이의 무질서한 전위 경계입니다. 따라서 다양한 용질 원소나 금속 화합물이 석출하기 유리한 영역이 됩니다. 특정 부식 매질에서 입계가 먼저 부식되는 현상을 입계 부식이라 하며, 대부분의 금속과 합금이 특정 매질에서 입계 부식을 나타낼 수 있습니다.
• 틈새 부식(Crevice Corrosion): 용액이 정체되거나 차폐된 표면의 틈새에서 발생하는 국부 부식 형태입니다. 금속-금속 또는 금속-비금속 접합부(리벳, 볼트, 가스켓, 밸브 시트, 표면 퇴적물, 해양 생물 부착부 등)에서 틈새가 형성될 수 있습니다.
• 전면 부식(General Corrosion): 합금 표면 전체에서 비교적 균일하게 발생하는 부식입니다. 전면 부식이 진행되면 재료가 점차 얇아지고 결국 부식 파손에 이릅니다. 스테인리스강은 강산 및 강알칼리에서 전면 부식을 보일 수 있습니다. 전면 부식으로 인한 고장은 비교적 예측 가능하므로(침지 시험이나 문헌 조회로 예측 가능) 크게 우려하지 않아도 됩니다.

스테인리스강 시리즈별 내식성

페라이트계 스테인리스강(크롬강, 예: 400 시리즈)

주로 페라이트 조직을 가지며 체심입방 구조, 크롬 질량 분율 11~30%입니다. 오스테나이트계와 달리 일반적으로 니켈(Ni)을 포함하지 않으며, 때로는 소량의 Mo, Ti, Nb 등을 함유합니다. AOD(아르곤 산소 탈탄) 및 VOD(진공 산소 탈탄) 공정으로 C, N 등 원소를 크게 낮출 수 있습니다. 니켈 절약, 저렴한 가격, 우수한 응력 부식 저항성, 좋은 산화 저항성이 장점입니다. 대기, 수증기, 산화성 산 부식 환경에 주로 사용되며, 상온에서 묽은 질산과 약한 유기산에 일정한 내식성을 가져 널리 쓰입니다. 하지만 환원성 산 등에는 내식성이 부족합니다. 일반적인 페라이트계 스테인리스강은 충격 인성 저하, 용접 후 가소성 및 내식성 저하, 입계 부식 민감성, 공식 저항성 부족 등의 단점이 있어 사용이 제한됩니다.

오스테나이트계 스테인리스강(크롬-니켈강, 예: 300 시리즈 및 200 시리즈)

비자성, 넓은 온도 범위에서 높은 강도·인성·연성, 압연·프레스 등 냉간 가공 용이, 산화성 매질 내식성 등의 장점으로 압력 용기 부품에 널리 쓰입니다. 면심입방 구조라 상변태가 없고 용접이 용이합니다. 일반적으로 저온 취성 전이 온도가 없어 극저온 강재로도 사용됩니다.

18-8 계열 고용체 스테인리스강은 산화성 산, 대기, 물, 수증기 등에서 내식성이 양호하며, 저탄소나 Ti, Nb 안정화 원소 첨가로 입계 부식 저항성을 높일 수 있고, Mo 첨가로 공식 저항성을 개선할 수 있습니다. Mo, Cu 등을 함유한 강종은 묽은 황산, 인산 등 비산화성 산과 개미산, 초산 등 유기산 부식에도 견딥니다. 그러나 공식 저항성이 낮고, 할라이드 용액에서 응력 부식 균열이 발생하기 쉽습니다. 500~600℃ 이상 장기 사용 시 크리프와 감작(sensitization)이 발생할 수 있습니다.