고망간 고질소 스테인리스강의 부동태에 미치는 N 및 Ni의 영향

Abstract

오스테나이트 스테인리스강은 내식성, 성형성 및 용접성이 우수하여 구조용 내식 재료 로 다양한 부식 환경에서 폭넓게 사용되고 있다. 최근 세계적으로 Ni 가격이 급등하고 있어, 기존 오스테나이트 스테인리스강의 Ni (7~20 wt.%) 함량을 줄이고 이를 다른 원소로 대체하려는 연구가 주목받고 있다. Ni은 오스테나이트 안정화 원소로써 Ni 함량에 따라 스테인리스강을 페라이트 스테인리스강, 오스테나이트 스테인리스강 및 듀플렉스 스테인리스강으로 분류할 수 있다. Ni을 대체할 수 있는 원소에는 Mn, C, N, Co, N 등이 있으며[1] 그 중 값이 싼 Mn과 N이 Ni 대체 물질로 각광받고 있다. Ni은 스테인리스강의 저온취성 저항성을 향상시키는 반면 국부부식 저항성에는 영향을 주지 않고, Mn은 N 용해도를 증가시키고 저온에서 스테인리스강의 인성을 향상시키는 반면 스테인리스강의 내식성을 떨어뜨린다[2]. N은 스테인리스강의 국부부식 저항성을 증가시키고 강항 오스테나이트 형성 원소이지만, 합금 내에서 용해도가 매우 낮다[3]. 값비싼 Ni 함량을 줄이기 위해서는 N 용해도를 증가시키는 Mn이 N과 함께 합금 내에 첨가됨으로써 그 문제를 해결할 수 있다. 따라서 선진 특수강 회사들을 중심으로 값비싼 오스테나이트 안정화 원소인 Ni을 값싼 Mn과 N로 대체한 고망간-고질소 오스테나이트 스테인리스강의 개발이 활발히 이루어지고 있다(Table I-1). 그러나 N은 스테인리스강에서 N 용해도가 매우 낮기 때문에, N이 내식성에 미치는 영향에 관한 의견이 다양하다. Vanini A.S.[4]는 금속 표면에 음이온을 띄고 있는 $N^{-δ}$가 다량으로 존재하고 있어 부동태 피막을 파괴하는 $Cl^-$의 흡착을 막는다고 보고하였다. 또한 Osazawa K.[5]는 N이 용해되면서 암모니아 이온 $(NH_4^+)$을 형성하여 pH 증가로 인해 재부동태가 잘 일어나 내식성을 향상시킨다고 보고하였다. 따라서 고농도의 N을 함유한 고망간-고질소 스테인리스강을 이용하여 스테인리스강의 내식성에 미치는 N의 영향을 더욱 체계적으로 연구하는 것이 필요하다. 하지만 1 wt.% 이상의 N을 함유한 스테인리스강에서는 입계에서 $Cr_2N$의 비금속 게재물이 형성되어 국부부식 저항성을 저하시키는 원인이 되므로[6], 본 연구에서는 N 함량이 0~0.8 wt.%인 고망간 고질소 스테인리스강에서 N이 스테인리스강의 내식성에 미치는 영향을 체계적으로 관찰하고자 하였다. 그리고 Ni은 스테인리스강의 국부부식 저항성에는 영향을 미치지 않으나, Ni 함량이 8 wt.% 이상이 되면 응력부식 저항성을 향상시킨다[7]. 현재까지 Ni이 스테인리스강의 내식성에 미치는 영향에 관한 연구는 Ni 함량이 7~20 wt.%로 많은 Ni을 함유한 오스테나이트 스테인리스강 및 Ni 함량이 적은 페라이트 스테인리스강 또는 듀플렉스 스테인리스강에서 많은 연구가 수행되었다.