부식의 관점에서 금속 재료

 

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부식의 관점에서 금속 재료

 

부식이란? 그 대상이 금속이기 때문에 금속재료에 대한 기본 지식은 부식 문제를 다루는데 필수적이라 할 수 있다.

따라서 금속재료의 기본 개념과 특정 부식환경에 사용되는 내식성 재질이 무엇인지에 대해 알아보자.

 

 

1. 철강 재료의 분류

공업용 철강재료는 화학적으로 순수한 Fe 가 아니고, Fe 를 주성분으로 하여 각종의 성분 즉 C, Si, Mn, P, S 등을 품고 있으며 이러한 성분 중 C, Mn 은 철강의 성질에  중요한 영향을 준다.

  

  일반적으로 C 의 함유량에 따라 다음과 같이 대별 할 수 있다.

 

금속 조직학상으로는 C 2.0 % 이하를 강,  C 2.0 % 이상을 주철로 규정하고 있으나 C 1.3-2.5% 의 범위는 실용성이 적으므로 공업적인 생산을 많이 하지 않는다.

또한 위에서 언급한 철강중의 5성분 외에 특수한 성질을 얻기 위하여 특수원소 즉Ni, Cr, W, Mo 등을 철강 중에 부가하거나  또는 위의 5원소에 속하는 것이라도 특수한 성질의 부여를 목적으로 함유량을 많게 한 것, 예를 들면 Si를 많이

품은 규소강, Mn을 많이 품은 내 마모 강등을 특수강 또는 합금강 (Alloy Steel)이라 하고 이에 대하여 보통의 강을 탄소강 이라 한다.

선철과 주철은 실질적으로 동일하나 주조재료로 쓰일 때 이것을 주철(Cast Iron)이라 하고 철광석 제련의 산물, 제강 그 밖의 원료로 쓰일 때를 선철(銑鐵)이라  한다.

 

  또한 Ni, Cr, Va, Tu 등과 같은 성분이 총 5 % 이내 포함되면 Low Alloy Steel 이라하고, 12 % 또는 그 이상의 Cr 이 포함되면 Stainless Steel 이 된다.

이들 Alloy 성분이 50 % 이상 포함되어 Fe 의 함량이 50%이하가 되는 경우는 이 재질을 강 (Steel ) 이라 하지 않는다.

 

 

2. 강의 표기법

강을 표기하는 방법에는 여러 가지가 있으나 가장 많이 쓰이는 ASTM에 의한 표기법에 대해서만 알아보기로 한다.

 

ASTM (American Society For Testing &Material) 책자에 의한 표기법의 실례를보면

Designation : A 516 / A 516M- 86    Stand Specification For  Pressure Vessel Plate, Carbon Steel, For Moderate-and Low-Temperature Service

      이라고 명시되어 있는데 그 의미를 살펴보면

A      :  Ferrous 의 약어이다 {비철금속 (Nonferrous)은B(예 : B111 ) 로 표시함}

516   :  Moderate-and Low-Temperature에 사용되는 Carbon Steel Plate로서 압력용기의 제작에 사용될 수 있도록 지              정한 고유의 No.이다.

M     :  Spec.에 나타난 단위가 Metric 단위로 표시 되었다는 의미임.

86    : 가장 최근에 개정(Revision) 된 년도를 표시한다.

   

   우리가 흔히 A516-70 이라 할 때의 70은 A516 재질의 Grade를 나타내는 것으로 인장강도가 최소70 Ksi (70,000 Psi) 이상인 (70∼90 Ksi 로 규정됨)것을 나타낸다.

   우리 주변에서 가장 흔히 사용하는 Stainless Pipe 304를 ASTM 재질로 나타내면 A 213 Grade TP 304 (또는 A213-TP304) 로 표기 되어진다.  

   재질 표기에 대한 이해를 돕기 위해 예를 몇 가지 들어보기로 한다.

 

   예1)  A213 -TP304

Specification For Seamless Ferritic And Austenitic Alloy Steel Boiler, Superheater,And  Heat Exchanger tubes 로서 Grade 가 TP 304 ( Cr: 18-20 %, Ni 8-11% )

 

   예2)  A312 -TP304

Specification For Seamless And Welded Austenitic Steel Steel Pipe 로서 Grade 가 TP 304 ( Cr: 18-20 %, Ni 8-11% )

    이와 같이 동일한 Grade 인 TP304라 할지라도 Pipe 인지 Tube 인지에 따라 재질의 표시방법이 달라진다는 것을 알 수 있다.

 

 

 

3. 탄소강에서 주요원소의 기계적 성질

  3.1 일반적 성질

   탄소강의 탄성계수,탄성한계,항목점등은 온도가 상승함에 따라 감소한다. 인장력은 200∼ 300。C 까지는 상승하지만 그 이후는 점차 감소한다.

   신도 (伸度) 는 온도의 상승에 따라서 감소하여 인장력이 최대가 되는 점에서 최소치를 나타내고 점차 다시 커진다.

   충격치는  200∼ 300。C 에서 가장 적다. 그러므로 철강은 200∼ 300。C 에서 가장 취약하다. 이것을 청열취성 (靑熱脆性 - Blue Shortness) 부른다.

   따라서 이 온도에서 가공하는것은 좋지 않다. 청열취성의 원인은 시효경화 현상에 의한 것이라고 말 할수 있다.

 

  3.2 탄소 (Carbon)

   탄소는 탄소강의 주요성분으로서 강에 강도를 부여한다.

   일반적으로 탄소의 함량은 0.15∼0.8% 까지 이나  용접성을 향상시키는 것과 같은 여러 가지 이유로 인하여 0.15 ∼ 0.35% 의 탄소강이 주로 사용된다.

   탄소강의 비중,팽창계수,열전도도는 탄소량의 증가에 따라서 감소되며, 비열, 전기적 저항은 증가한다.

 

  3.3 망간 (Mn)

   Mn은 0.25∼1.65 % 까지 탄소강에 포함되며 이 이상 포함되면 합금이 된다.

   탄소와 같이 강도를 부여하나 그 정도는 탄소보다 못하다.

   망간은 황(Sulfur) 와 화합하여(MnS) 적열취성(Hot Shortness) 과 열간 작업시 Intergranular Cracking 현상을 감소시킨다.

 

   3.4  인 (Phosphorous)

   강 중의 P 는 Fe 의 일부와 결합하여 Fe3P 라는 화합물을 만들며, 입자의 조대화 (粗大化) 를 촉진시킨다. 상온에서는 충격치를 저하시켜서 소위 상온취성 (Cold  Shortness) 의 원인이 된다.

   대체로 P는 탄소량이 많을수록 그 해는 커진다.

 

  3.5 황 (Sulfur) 

   강 중에 들어있는  S 는 Mn 과 결합하여 MnS 가 되고 (제거 가능하다) 나머지 S는 강 중에 FeS  를 만든다.

   이 FeS 는 융점이 낮으므로 (M.P 가 1193。C) 고온에서 약하고  가공 할때 파괴의 원인이 된다. 이것을 고온취성 (Hot Shortness) 이라 한다.

   보통 강에서는 0.03 % 이하가 요구된다.

 

  3.6  Si (Silicon)

  Si 는 탈산제로서 강에 첨가되며 그 함량은 0.1∼ 0.3 % 이다

 

   

4. Stainless Steel

   일반적 강에 비해 잘 녹슬지 않는 합금강으로 잘 알려져 있으며, 다종의 Stainless Steel의 이용도는 오늘날 크게 신장되고 있고, 현재 고 합금강 중에서 가장 대량으로 생산, 이용되고 있는 강 종(種)이 Stainless Steel 이다

   또한 Stainless Steel 은 내식성 이외에도 내산성,내열성 및 기계적 성질이 우수하므로 공업적으로 여러 방면에 널리 이용되고 있다.

   Stainless Steel 이란 일반적으로 Fe-Cr-C 를 기본 합금 원소로 하고 Ni 이나 Mo 등을 추가 합금원소로 사용하여 대기중, 수중, 산 (예외 염산)등에 잘 견디는 성질인 내식성이 좋은 합금강을 말한다

 

4.1 기계적 성질

 Stainless Steel 고유 특성을 탄소강과 비교해 보면 아래와 같다.

 

  1)  "Stainless Steel 의 열 전도도가 탄소강 보다 낮다" 따라서 Stainless Steel 용접 시 국부적 가열 등으로 변형에 민감하게 된다.

  2)  "Stainless Steel 의 열팽창 계수가 탄소강보다 크다"이 때문에 용접에 의한 변형이 커지고 용접 후 냉각 중 용접부에 응력이 크게 발생하게 된다.

  3)  탄소강에 비해 내식성이 크며 고온에서의 내 산화성도 커진다. 또 염산에는 쉽게 부식되지만 기타의 산에 대해서는 영향을 받지 않는다.

  4)  대기중에서는 융점에 가까운 온도에까지 가열하여도 산화에 대한 저항성이 커진다. 이러한 성질 때문에 (즉 산화 크롬이 형성되어) 산소 절단이 어렵다.

  5)  마르텐사이트 계의 Stainless Steel 은 경화능 (Hardenability) 이 크다.

  6) 오스테나이트 계의Stainless Steel 에서는 자성이 없다. (비 자성체 이다.)

 

 4.2  Stainless Steel 의 내식성

  Stainless Steel 의 내식성에 관한 일반적 성질은 다음과 같다.

    1) Stainless Steel 의 내식성은 주로 부동태 (Passivity) 에 의존 한다.

    2)  Cr이 부동태의 성질을 갖게 하는 주요한 합금 원소이다.

    3)  일반적으로 Cr량이 증가함에 따라 내식성이 증가한다.

    4)  환원성 분위기에서, 즉 산화분위기가 없는 경우에 부식 되기가 쉽다.

    5)  강한 산화 분위기에서 내식성이 월등히 크다  

    6)  염소이온 (Cl￣ ) 분위기에서는 Stainless Steel 이 쉽게 부식된다.

    7)   Ni 는 기계적 성질을 개선시킬 뿐만 아니라 중성의 염화 용액과 산화력

       이 적은 산성 분위기에서 내식성이 커진다.

    8)   Mo (몰리브덴) 은 부동태 영역을 확장하며 해수를 포함한 중성의 염화물뿐만 아니라 고온의 황산에서의 내식성도 커진다.

    9)   Austenite 형태에서 주로 발생하는 입계 부식을 방지하기 위해서는 탄소량을 줄이거나 적절히 열처리하거나, Nb, Ti, Ta 등을 함금 원소를 첨가한다.    

 

 4.3 합금원소의 특성

  Stainless Steel 은 최저 12 %의 Cr 과 Ni, Mo, Si, Ti과 Columbium 등이 포함된 합금으로 각 성분의 특성은 아래와 같다.

 

     Cr : 강도를 증가시키며 표면에 얇은 산화피막을 형성하여 금속을 보호한다. Cr 의 함량이 증가할수록 내식성이 증가한다.

     Ni : Stainless Steel 에 포함되어 Austenitic 구조를 형성하고 고온강도,인성,내식성을 향상시킨다.

     Mo : Pitting 에 대한 저항성을 향상시키며 Sulfur 와 Halogen Acid 에 대한 내식성을 증가 시킨다.

     Si  : 고온에서 산화방지를 위하여 첨가된다.

     Ti, Columbium  : 예민화 현상 ( Sensitization) 을 방지한다.

 

 

5.  구리 합금 (Copper Alloy)

  Copper Alloy 는  Water 와 H/C 에 대한 뛰어난 내식성 때문에 정유,화학공장에 많이 사용되며 이들의 장단점은 다음과 같다.

 

    - 장점 : 비 산화성 산 ( Nonoxidizing Acid) 과 Ammonium  Hydroxide 를 제외한 알카리성에 강하다.

    - 단점 : 산화성 염의 용액 (Oxidizing Salt Solution) , 특히 용액이 공기와 접촉하였거나 구리보다 이온화 경향이 작은 금속의 염이 용액에 포함된 경우 심한 부식을 일으킨다.

            또한 Copper Alloy 는 Deposit 이 있는 경우 심한 Pitting Corrosiond을 발생하며, 비교적 재질이 무르기 때문에 유속과 와류에 Erosion 되기 쉽다.

 

    5.1 탈 아연화 현상

      발생 : Copper Alloy 중 15 % 이상의 Zn 가 포함된 Alloy 에서 주로 발생함.

     대책 : Admiralty 또는 Al- Brass 에서와 같이 Sb, As, Pb 등과 같은 Inhibitor 원소를 소량 첨가하여 억제한다.

     현상 : 부식성 물질에 의하여 Cu 와 Zn 가 선택적으로 용해되고 Cu 만 다시 그 자리에 침전되어 부식이 진전되는 현상으로서 Layer Type (전반적으로 발생)과 Plug Type (부분적으로 발생) 이 있으며 용존산소와 이산화 탄소가 다량 포함된 물에서 주로 발생하고 고온과 저속 또는 정체 된 흐름에서 더욱 잘 발생한다.

 

    5.2  Stress Corrosion Cracking

     발생 :  Copper Alloy 는 암모니아나 수은에 의하여 입간 (Intergranular) 의 형태로 S.C.C가 발생한다.

 그 원인은 부식성 환경과 외부 또는 내부응력이 함께 작용하여 발생하며 습기나 산소가 있으면 S.C.C 은 가속화 된다.

    대책 : Copper Alloy가 15 % 이하의 Zn 을 포함하는 경우 S.C.C 에 대한 저항성이 강하며 Anneling 또는 Coating 에 의하여 S.C.C 현상을 감소시킬 수 있다.

 

   5.3 Admiralty Brass ( 71% Cu - 28 %Zn - 1% Sn)

  일반용수나 해수에 의한 부식에 저항성이 매우 강하며 열교환기 Tube 등으로 자주 사용된다.

    약간의 비소 (As) 또는 안티몬을 첨가하여 Dezincification 현상을 방지하기도  하나( Inhibited Admiralty Brass)  S.C.C. 현상이 일어나기 쉽다.

 

   5.4  Aluminium Brass ( 76% Cu - 22 %Zn - 2% Al )

 Al-Brass 는 Al 을 첨가하여 표면에 강한 산화 Al 피막을 형성 하므로서 일반용수나 해수 사용 시 빠른 유속에 의한 Erosion 을 방지한다.

    As 또는 Antimony 를 첨가하여 Dezincification 현상을 방지하기도 하나 S.C.C현상이 일어나기 쉽다.

 

   5.5 Naval Brass (69% Cu - 30 %Zn - 1% Sn )

 Naval Brass 는 내식성이 Admiralty Brass와 비슷하며 Plate 형태로만 공급되어 Tube Sheet 나 Baffle 등에 사용된다.

    Dezincification 현상을 입기 쉬우며 이의 방지를 위해 As 또는 Antimony 를 첨가하여 사용하기도 한다.

    

   5.6  Cupro-Ni  ( 70% Cu - 30 % Ni)

    Cupro-Ni 은 S.C.C 에 강하고 Al-Brass  보다 빠른 유속에 대한 Erosion 에 강하여 나쁜 부식환경의 열 교환기에 사용한다.

    또한 Cupro-Ni 은 80-20 또는 90-10 의 조성으로 생산되기도 한다.

 

 

  6. Nickel 합금

   6.1특 성

    Ni 합금은 내열성과 내부식성이 우수하며 강력한 산화피막을 형성하여  부식을 방지한다. 일반적으로 Ni 합금은 가격이 비싸 일반재질의 사용이 적합하지 않은 특수한 곳에만 사용한다.

 

-        장점 : 중성,알카리성,비산화성 산의 염용액 (Nonoxidizing Acid Salt Solution)에 내식성이 매우 강하다. 따라서                     고온의 Caustic Service 에 주로 사용한다. 또한 Dry Gas 에 의해서는 부식되지 않는다.

 

-        단점 : 산화성 산의 염 (Oxidizing Acid Salt ) 에 의하여 심하게 부식되며 대부분의 산에 의하여 부식이 진전된                       다. 특히 이들 산이 강력한 산화성이거나 용존산소를 포함하는 경우에 부식이 심하다.

                 Dry Gas 에 의해서는 부식이 되지 않으나 Water  또는 Water Vapor가 존재하면 부식이 진전된다.

                온도 232。C 이상의 황화물 환경 (Sulfiding Environment) 에서는 부식이 진전되므로 사용에 주의해야 한다.

 

-       사용처 : 보호되지 않은 경우 부식이 발생될 저렴한 Alloy 를 보호하는 Cladding 재질로서 사용하거나 Ni 자체로                       서 사용한다.

 

    6.2  Monel

    Monel 은 Ni 을 모재로 하여 30 % 의 Cu 와 약간의 Al, Si 등을 첨가하여 만들며 순수 Ni 보다 강하고 내식성이 우수      하다. 주로 사용되는 곳은 Ni 보다 높은 강도와 내식성이 요구되는 곳에 사용한다.

    Monel 400 은 67 % Ni - 30% Cu 의 조성으로 되어있으며 Sulfur 와 염산(Hydrochoric Acid ) 에 대한 내식성이 강하      며 PH 7.5 이하되는 상압증류탑의 상부와 O/H Condenser 에 주로 사용되고 Demister ,Valve Trim, Thermowell 과

    같은 계기부품과 Expansion Joint 등 거의 모든 환경하에 사용된다.

    Sulfiding 환경하에서 Monel 의 사용온도는 260。C  이하이다.

 

    6.3  Inconel  ( 72 % Ni - 15% Cr - 8 % Fe)     

    Cr 의 사용은 내 산화성을 증진시키기 위함이다. Inconel 은 Ni 보다 Oxidizing Acid 나 Oxidizing  Salt  Solution에 대한 내식성이 매우 크다.

    그러나 염산이나 Oxidizing Halogen Salt 에는 부식이 된다. Inconel 은 Sulfidation 에 대한 내식성이 Ni 이나 Monel 보다 우수하며 약 370℃  까지 사용이 가능하다.

 

     6.4 Hastelloy

     Hastelloy 는 Ni - Mo 의 합금으로서 주로 산에 대한 부식을 방지하기 위하여 사용하며 종류는 다음과 같다.    

구분	Hastelloy B	Hastelloy C
성분	Ni  + 30 % Mo	Ni + 16% Mo + 16% Cr + 4 % Tungston
장점	진한 염산,황산에 강함	산화성 염의 용액에 강함
단점	산화성 염의 용액에 약함	진한 염산,황산에비교적 약함

      Hastelloy 는 단독으로 쓰이거나 Cladding 재질로서 사용된다.