1) 내식재료의 기본
내식성 합금은 내식성, 경도, 고온, 저온에 대한 강도를 확보하기 위해 만든다.
1. 합금강의 성질
1)Cr 합금강
Cr을 포함하는 Cr 합금강에는 약 12% ~28%의 Cr을 포함한 강이 제일 좋다.
18%까지 Cr을 포함한 강은 탄소강이나 합금공구강과 같이 열처리에 의해서 경도가 증가한다.
18% 이상을 포함한 강은 열처리를 실시해도 경도는 그 정도 이상 증가하지 않는다.
2)Cr-Ni 합금강
내식용 재료로서 주로 사용되는 Cr-Ni강(Austenite 계 Stainless강)은 16%~25%의 Cr과 8%~30%
의 Ni 합금강으로 되어 있다.
이 합금은 냉간 가공에 의해서 경화한다.
또 적절한 강도와 강성, 기계 가공성을 갖고 용접에 용이하고 화학결합에 따라 여러 종류의 부식
에 대해서 양호한 내식성을 갖고 있다.
3)Ni 합금
Ni은 그 자체가 내식성을 가지고 있다. 그 이용방법은 합금강에 첨가되는 중요한 원소로서 Cr-Mo강과
Monel, Inconel, Hastelloy 등이 화학공장, 정제 공장에 널리 사용되고 있다.
4)Hastelloy
Ni을 주성분으로 다른 재료로서는 견디지 못하는 화학적 부식상태에 견딜 수 있는 고도의 기계적 강도와 가공성을 갖고 있다.
2. 내식 재료
1)Monel Metal
Monel Metal은 Ni-Cu 합금으로서 기계적 성질, 내식성이 우수하다.
내식성에 대해서는 염수, 회유산, 가성소다 등의 수용액에 대해서 Ni와 같이 내식성이 있다.
Nickel 및 Nickel 합금의 조성 및 기계적 성질
Monel Metal의 내식성
- 황산
Monel이 Ni보다 내식성이 우수함, 상온에서 공기를 포함하지 않은 상태에서 80% 이하의 농도에서 부식성은 없다. 약 20%까지의 농도의 비등유산에 대해서는 완전히 사용된다.
- 염산(HCL)
상염에 대해서 공기를 포함한 것은 농도 10%까지 사용된다.
공기를 포함하지 않은 것은 20%까지 사용된다.
5%의 농도에서 75도까지 사용할 수 있다.
공기를 포함한 용액에서 2%의 농도의 것은 480도까지 사용된다.
1% 농도의 것은 820도 까지 사용된다.
염화물의 가수분해나 염소화 용제로부터 생성된 염산에 대해서는 205도 정도의 고온에 대해서도 충분하다.
- 불화수소(HF)
일반적으로 백금, 은을 제외하고 최고로 불화수소에 대해서 내식성이 높은 재료이다.
무수불산의 경우를 포함하여 농도와 온도가 어떤 상태의 곳에서도 광범위하게 사용된다. 120도 까지의
온도에는 완전하다.
소량의 환원성 유화물이나 유산이 혼합되어 있을 때는 나쁜 영향을 주는 것은 없지만 용액중에 다량의 공기를 포함할 때는 부식이 진행하기 때문에 주의를 요한다.
- 유기산 : 양호하다.
- 가성소다 : 양호하다.
- 할로겐
염소, 불소, 질소에는 내식은 양호하지만, 요소에는 그다지 견딜수가 없다.
염화수소에는 425도, 염소에는 450도 까지 견딘다
Monel이 불소에 양호한 것은 표면에 치밀한 불화물의 보호 피막을 만들기 때문이다.
- 염수 : 염수에는 대단히 양호하다.
2)Titanium
비중이 4.5로 동의 절반밖에 되지 않는다.
500도 까지는 강도가 저하하지 않는다.
보통 강과 같은 정도의 강도를 갖고 있다.
내식성은 SUS강과 비슷하고 점식, Erosion, 응력부식 등에 대해서도 대단히 저항성이 있다.
이용가치가 큰 합금이지만 진공 주조법 등의 어려운 점이 있기 때문에 지금까지 다량 생산되지 않고 있다. 기계적 성질은 적당한 강도와 인성을 갖고 있고, 절삭 가곡법도 SUS 강과 비슷하다.
Titanium의 내식성
-염산
약 10% 이하의 농도의 상온에 대해서는 완전한 내식성을 갖고 있지만 농도와 온도가 높은 곳에는 침투한다. 단, 액중에 극소량의 초산, 철, 동, Cr, Mn 등의 금속이온을 취하면 부식성은 억제된다.
-염화물
염화물에 대해서는 완전한 내식성을 갖고 있다. 유일한 예외로서 100도 이상에서 25% 염화알루미늄 용액에는 침투된다.
-해수
완전한 내식성을 갖고 있다.
-염소
습한 염소가스 및 수증기로 포화된 염소 가스에 대해서는 완전한 내식성을 갖고 있지만 건조한 염소가스에는 상온에도 극심한 반응이 있으므로 주의해야 한다.
2)수소 손상(Hydrogen Damage)
고온, 고압에서 수소와의 반응 또는 수소의 존재에 의하여 강의 기계적 성질이 문제가 될 수 있다.
주로 수소의 침식에 의한 현상으로서 수소가 강중에 침입하여 탄화물을 분해하여 탈탄과 입체 균열을 발생하기 때문이다.
수소 손상의 종류
1)Hydrogen Blistiering
부식/음극 방식에 의해 발생된 수소가 금속내부로 침투되어 발생한다.
발생한 수소중 기체 분자로 되지 못한 일부가 금속 내부로 확산하여 입자사이의 틈에서
분자상태의 수소가 된다.
분자상태의 수소는 입자 사이의 틈에서 확산하지 못하여 압력이 수십만 기압이 되어 파괴된다.
방지법으로는,
-Rimmed 강 대신에 Killed강등의 Clean강을 사용한다.
-Austenite Stainless Steel 이나 Ni 등으로 Cladding 처리를 한다.
-폐쇄 순환계에서는 부식억제재를 사용한다.
-수소원자가 분자로 결합하는 것을 방해하는 독성 원소를 제거한다.
2)Hydrogen Embrittlement(Delayed Cracking)
수소가 금속 내부로 침입하여 연성과 인장강도가 감소하는 현상으로서 티타늄과 같이 수소 화합물을 형성하는 성질이 큰 금속에서 용해된 수소나 전위가 Microvoid 주위에 모여서 Slip을 방해하기 때문이다. 방지법으로는 소재 대체(Ni, Mo 합금)나 저수소 용접봉을 쓰고, 용접봉을 건조한 분위기에 유지한다. Hydrogen Blistering과 같이 금속 내부로 침투하여 일어났지만, VOID가 큰 역할을 하지 않아 Clean강을 써도 방지되지 않는특성이 있다.
3)Decarburization & Hydrogen Attack
고온에서 수소는 여러가지 방법으로 재료의 기계적 특성에 영향을 미친다.
고온에서 대부분의 Gas류는 혼합체로서 다른 Gas와 함께 수소 Gas에 영향을 고려해야 한다.
고온에서 수소의 주된 활동은 Alloy로부터 탄소를 제거하는 Decarburization이다.
고온에서 탄소가 빠져나감으로 인해서 장시간후 재료는 강도를 잃게 된다.
반대로 수소-탄화 Gas에 의해 Carburization이 일어날 수 있다. Carburization은 Decarburization 보다는 덜 영향을 미치지만 합금에 탄소가 더해짐으로 인해 연성이 감소하고 Carbide 석출에 의하여 Solid Solution 처리가 어렵다.
4)Hydrogen Sulfide And Sulfur-Containing Gas
H2S Gas는 고온의 H2S에서 흔한 성분이다. H2S는 고온에서 Sulfide scale을 금속 표면에서 만드는 산화제로서 역할한다.
일반적으로 Nickel이나 Nickel Alloy는 H2S나 S를 가진 Gas에 입간부식으로 심하게 손상된다.
주로 Iron Base 합금이 H2S 분위기에 종종 쓰여지는데, 그 이유는 값이 싸고 좋은 화학 내식성을 띠기 때문이다.
3)고온의 정의
고온이라는 것은 약 350도 이상이고 고온의 강도가 특히 문제가 되는 경우이다.
탄소강의 사용온도는 약 350도 사용이 일반적이고 ANSI B31.3에 의하면 427도 까지도 사용이 가능하다.
고온용 합금원소
탄소강은 450도 정도가 되면 흑연화 현상을 일으켜 강도가 저하하기 때문에 이것을 방지하기 위하여서는 합금원소를 첨가한다.
합금원소는 Mo와 Cr이 있으며 다음과 같은 성질을 개선할 수가 있다.
Mo : Fe 중에 고용되어 안정된 탄화물에 석출에 의해 Creep 강도를 높일 수 있다.
Cr : Fe보다 우선적으로 산화되어 표면에 치밀한 산화물층을 형성하여 산소가 내부에 확산하는 것을 늦추어 산화의 진행을 방해한다.
Cr의 사용
-고가이므로 고온강도를 얻기 위해 주로 적용하고 Cr을 되도록 적게 사용하여 같은 강도를 얻을 수 있도록 하고 있음.
고온용 SUS 강에서 주의해야 할 것은 고온 사용중에 일어나는 취화의 문제이다.
1)475도 취성
이 취성은 475도에서 금속 성분중에 Cr양이 많고 가열시간이 긴 경우에 발생한다.
Ferrite 생성원소 Mo, Si는 취성을 촉진하고, Austenite 안정원소 C,N,Ni는 이것을 억제한다.
따라서 Austenite계 Stainless강은 475도 취성이 생기지 않는다.
취성화한 재료는 600도 이상에서 2~5시간 가열한 후 급냉하여 재열처리를 행하면 인성을 회복한다.
2)시그마상의 생성
시그마상의 생성에 따른 취성은 20~70%의 Ferrite계 Stainless 강과 Fe-Cr-Ni계 Stainless강을
600~1000도 에서 장시간 가열한 경우에 생긴다. Ferrite 생성원소의 Mo, Si는 이 현상을 촉진시키며, Austenite계 안정원소의 C,N,Ni는 이 현상을 억제한다.
내열강의 경우에는 상의 석출을 방지하기 때문에 고탄소강으로 하지 않으면 안된다.
그러나 탄소에 의한 탄화물의 석출이 있어 입계부식이 문제가 되는 경우에는 저 Cr계 Stainless 강이면 소둔을 하고, Cr-Ni계 Stainless강이면 고용화 열처리를 행하여, 시그마상을 재고용 시키면
취성을 없앨 수 있다.
http://blog.daum.net/slurrypump/17835519