.2 부식에 미치는 환경의 영향
일상 생활에서 경험하는 부식 현상은 철의 붉은 녹, 동 합금의 푸른 녹, 아연의 흰 녹 등이 있는데, 생산 공장이나 화학 플랜트 등 여러 가지 화학 약품을 다루는 환경에서는 여러 가지 금속 재료가 약품에 접촉함으로써 부식 반응을 급속히 일으키는 경우가 있다.
또한, 이 반응은 온도, 농도 및 여러 조건에 따라 가속화되기도 하고 극한 용액 상태에서는 안정 상태와 비교해 다른 부식 현상도 보이기 때문에 세심한 주의가 필요하다.
① 용액의 pH
용액의 Ph는 부식에 대하여 어떤 영향이 있을까? 금속이 용액 속에서 나타내는 전위와 그때의 pH에서 그 금속의 안정상태를 알 수 있다.
일반적으로 철의 경우는 전 pH 영역에서 부식을 일으키나 크롬의 경우는 강산 영역에서 주로 부식 특성을 나타내고 있다.
스테인레스강의 pH에 다른 부식도를 단적으로 도식화하면 4%의 90℃ 용액에서 실험결과 강산 역에서 심한 부식도를 나타내고 있으며 알칼리 역에서도 상대적으로 낮기는 하지만 부식이 일어날 수 있음을 알 수 있 다.
② 용존 산소의 영향
물속에 녹아 있는 산소는 금속에 대해 산화제로 작용하고 화학반응에 의해 수산화이온(CH-)을 생성하는데 이것이 철원자와 반응하여 녹의 원인이 되는 수산화제일철을 생성하므로 부식이 진행하게 된다.
O2 + 2H2O +4e 4O-
Fe2+ + 2OH Fe(OH)2
보통강의 부식에 대한 용존산소 농도의 영향을 보면 처음에는 산소 농도에 비례해서 부식 속도가 증가되지만 일정농도를 넘으면 부식이 잘 진행되지 않게 된다. 이 현상은 금속 표면에 피막이 생겨서 표면을 단단히 덮으므로 액과 금속 사이가 차단되어서 일어나는 현상이며 이런 현상을 [부동태]라 칭하고 스테인레스 강은 이런 현상이 잘 반영된 강종이다.
③ 유속의 현상
물이 흐르고 있는 환경에서는 금속 표면에 도달하는 산소의 양이 증가하고 부식속도는 유속에 따라 비례해서 증대되어 간다. 그러나, 유속이 충분이 커지면 금속표면에 도달하는 산소가 과잉이 되어 금속을 부동태화 시키는 데 충분해지기 때문에 이번에는 반대로 부식진행이 저하된다.
2.3 스테인레스 강의 부동태
2.3.1 합금성분으로서의 Cr의 역할
일반강을 질산속에 넣어두고 질산의 농도를 증가시키면 부식이 진행되게 되는데 약 65%의 질산 농도에서는 갑자기 부식속도가 떨어지고 녹지 않게 되는 것을 발견하게 된다. 이것은 질산이 철의 표면에 불활성 피막을 형성하므로 일어나는 현상으로 이 불활성 피막을 [부동태 피막]이라고 한다.
일반 철에 크롬을 조금씩 첨가하며 같은 현상을 관찰해 보면 크롬량이 약12% 이상이 되면 현저하게 부식 속도가 떨어지는 것을 발견하게 되는데 바로 이것이 크롬에 의해 형성된 부동태 피막의 효과에 의한 것으로서 이 현상을 이용한 제품이 바로 [스테인레스강]이다.
2.3.2 스테인레스강의 부동태 피막
스테인레스강의 표면은 왜 미려하고 내식성을 유지하고 있는 것일까? 스테인레스강 표면에는 눈에는 보이지 않지만 치밀한 보호막이 형성되어 있으며 이 피막을 부동태 피막이라고 한다. 이 피막은 수십A 정도의 아주 얇은 피막이며 크롬산화물로 구성되어 있다.
이 피막은 유리와 같이 아주 치밀하며 밀착성이 좋은 유연한 구조를 취하므로 모재부에 잘 부착되어 안정한 피막을 유지하고 있다. 또한 이 피막은 금속 모재와의 반응 생성물이기 때문에 긁힌 흠 등으로 일부 파괴되더라도 금방 재생되는 성질을 갖고 있다.
2.3.3. 염소 이온에 의한 부동태 피막의 파괴
스테인레스강은 중성의 물에서는 거의 부식이 되지 않지만 용액속에 염화물이온(Cl-)이 존재하면 부동태 피막이 국부적으로 파괴되어 이 부분에 구멍이 뚫리거나(Pitting), 인장 응력이 가해지는 환경 하에서는 터짐(stress corrosion crack)이 발생되는 원인이 되기도 한다.
Cl-는부동태 피막중의 피막의 구조나 두께가 다소 불안정한 부분에서 산소나 수산기와 치환 되므로서 금속 염화물의 착염을 형성하므로 이런 국부적으로 피막이 용해된 부분을 기점으로 해서 부식이 진행된다.
2.4 스테인레스강의 부식 유형
스테인레스강은 표면의 부동태 피막에 의해 많은 환경 하에서 우수한 내식성을 나타낸다.
그러나 놓여진 환경에 따라서는 부동태 피막의 보호성이 떨어지게 되고 여러 가지 부식을 일으키게 되므로 주의가 필요하다.
2.4.1 스테인레스강의 부식 형태
스테인레스강의 부식형태는 황화,산화,질화 같은 고온에서 주로 발생되는 건식과 일반 환경하에서의 습식으로 크게 구분이 되며 습식에는 전면 부식과 국부부식으로 구분하고 일반적으로 우리가 말하는 입계 부식, 공식, 틈새 부식등은 이에 속한다.
○ 사고발생 유형 분석(일본의 예)
습식 : 72.5% - 건식 : 7.9% - 기타 : 19.5%
응력부식균열(SCC) 40.8% PITTING 29.0%
전면부식 8.5% 입계부식 7.0%
변색 7.0% 틈새부식 8.3%
기타 1.6%
2.4.2 전면부식
전면부식은 스테인레스강 표면이 부동태화 할 수 없는 이상 환경에 놓였을 때 일어나며 염산, 황산등의 용액하에서 발생된다. 이 경우 표면이 고르게 부식 또는 침식이 일어나므로 시간에 따른 감량으로 측정할 수 있다. 일반적으로 국부부식에 비해 예측이 쉽고 다루기 쉬우므로 사전에 정확환 사용환경을 알고 이에 맞는 재질이나 두께를 선정하면 충분히 사전에 문제를 예방 할 수 있다.