입계부식

왜 배우는가: 입계부식은 용접 열영향부와 고온 노출 부위에서 스테인리스강 설비가 조용히 파손되는 대표 원인이므로 실무에서 재료 선정과 용접 후 열처리 판단에 직접 쓰인다. 기술사 시험에서는 STS304의 예민화 원리와 방지대책을 묻는 문항이 반복해서 출제되므로 원리와 대책을 함께 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제138회 1교시 12번, 제127회 2교시 5번, 제114회 2교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의 문장은 다음과 같다.

입계부식은 결정입계를 따라 진행하는 국부부식으로, 입계에 석출된 크롬탄화물 주변의 크롬 고갈층이 우선 부식되는 현상이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 입계부식(Intergranular Corrosion)
• 예민화(Sensitization)
• 크롬탄화물(Cr23C6)
• 크롬 고갈층(Chromium-depleted zone)
• 오스테나이트계 스테인리스강(Austenitic Stainless Steel)
• 저탄소강(Low Carbon Grade, 304L)
• 안정화 원소(Ti, Nb, V)
• 고용화 열처리(Solution Treatment)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 결정입자의 경계선이 먼저 녹스는 현상이다. 스테인리스강은 크롬이 표면에 얇은 부동태 피막을 만들어 녹을 막는다. 그런데 용접이나 가열 중에 탄소가 크롬과 결합하여 결정입계에 탄화물을 만들면, 그 주변의 크롬이 빠져 나가 보호 기능이 떨어진다.

정식 정의는 다음과 같다. 금속 또는 합금의 결정입계를 따라 일어나는 선택적 부식이며, 입간부식이라고도 한다. 대표 예는 오스테나이트계 스테인리스강의 입계부식이다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다.

예민화(Sensitization)는 입계에 크롬탄화물이 석출되어 입계 부근이 입계부식에 민감해진 상태를 말한다. 예민화된 강은 부식 환경에서 입계를 따라 깊게 파고들며, 결정립이 탈락하는 탈립으로 이어질 수 있다.

크롬 고갈층(Chromium-depleted zone)은 탄화물이 석출된 입계 근방에 크롬 농도가 부동태 유지 한계 아래로 떨어진 얇은 영역이다. 입계 근방 수 옹스트롬 수준의 좁은 층으로 설명된다.

크롬탄화물(Cr23C6)은 탄소와 크롬이 결합해 입계에 석출하는 화합물이다. 탄소와 크롬의 친화력이 커서 탄화물 형성에 필요한 탄소 함량이 낮아도 쉽게 석출한다.

3. 등장 배경과 필요성

18-8 계열 오스테나이트 스테인리스강은 내식성과 가공성이 우수해 화학 플랜트, 식품 설비, 압력 용기 등에 널리 쓰인다. 그러나 이 강을 용접하거나 장시간 고온에 노출시키면 입계부식이라는 숨은 문제가 나타난다.

초기에는 용접 직후 입계를 따라 균열이 생기는 사고가 보고되어 현상이 주목받았다. 이 현상을 용접부 인근에서 나타나는 부식이라는 뜻에서 용접 부식(weld decay)이라고도 부른다. 입계부식은 겉보기에 멀쩡하다가 내부로 진행하므로 육안 검사로 잡기 어렵다.

따라서 설계와 시공 단계에서 탄소 함량 관리, 안정화 원소 첨가, 열처리 조건 선택이 필요해졌다. 이 세 가지 대책의 근거가 되는 원리가 바로 예민화 메커니즘이다. 시험에서는 이 원리를 먼저 설명한 뒤 대책을 연결하는 답안이 높은 점수를 받는다.