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1. 부식 이론
1.1. 부식의 정의와 종류
부식은 금속이 외부로부터의 화학적 작용에 의해 소모되어 가는 현상으로, 액체상과 접촉하고 있을 때 일어나는 습식과 기체상만으로도 비교적 고온일 경우에 일어나는 건식으로 크게 구별된다. 부식은 계속적으로 일어나는 성질이 있으며, 도금·도장, 표면 산화피막의 형성, 전기방식 등의 부식 방지법이 있다.
부식의 종류에는 전면부식(Uniform of General Corrosion), 극간부식(Crevice Corrosion), 전해부식(Galvanic Corrosion), 공식(Pitting Corrosion), 입계부식(Intergranular Corroison), 침식(Erosion Corrosion), 응력부식(Stress Corrosion), 선택적 침출(Selective Leaching) 등이 있다. 대기, 염수, 해수 등 주위 환경에 의해서도 부식이 발생할 수 있다.
1.2. 부식의 원인
부식의 원인은 매우 다양하며, 크게 전기화학적 요인과 화학적 요인으로 나눌 수 있다.
전기화학적 요인의 경우, 금속과 전해질(부식 환경)이 접촉하면 금속 표면에서 산화-환원 반응이 일어나 전자의 이동이 발생하게 된다. 이때 전자를 잃어 양이온이 되는 부분이 양극(anodic area)이 되고, 전자를 받아 부동태화되는 부분이 음극(cathodic area)이 된다. 이러한 국부전전지의 형성에 따른 전위차로 인해 부식이 진행되는 것이다. 전해질의 농도, 온도, pH 등 환경 요인이 전위차에 영향을 미치므로 중요한 요인이 된다.
화학적 요인으로는 산, 염기, 산화제 등의 화학물질과 금속의 반응에 의한 부식을 들 수 있다. 이러한 화학적 작용은 금속 표면의 보호피막을 파괴하여 부식을 가속화시키게 된다. 특히 할로겐 이온(Cl-, Br- 등)은 부동태 피막을 국부적으로 파괴하여 공식 부식을 일으키는 주요 원인이 된다.
이 외에도 응력, 온도, 습도, 생물학적 요인 등 다양한 요인들이 부식을 유발하거나 가속화시키는 원인이 될 수 있다. 이처럼 부식의 원인은 매우 복잡하고 다양하며, 이를 종합적으로 파악하고 분석하는 것이 중요하다.
1.3. 스크래치에 의한 부식
스크래치에 의한 부식은 금속의 표면에 생기는 작은 상처나 흠집으로 인해 부식이 빠르게 진행되는 현상이다. 금속 표면에 생긴 스크래치는 부식을 일으킬 수 있는 부식 전지를 형성하게 된다.
스크래치가 생긴 부분은 표면에서 전류가 집중되어 산화가 일어나게 되며, 그 주변 부분은 상대적으로 환원이 일어나 부식이 가속화된다. 스크래치는 원자배열의 불균일성을 야기하여 국부적으로 표면 에너지가 높아지게 되고, 그에 따라 부식이 선택적으로 일어나게 된다.
또한 스크래치는 금속 표면의 부동태 피막을 파괴하여 부식 용액이 직접 금속 표면에 접촉할 수 있는 통로를 제공하게 된다. 스크래치로 인해 부식 용액이 금속 내부로 침투할 수 있으며, 이로 인해 공식(pitting corrosion)이 발생할 수 있다. 공식은 국부적으로 빠른 부식 속도를 보이는 형태의 부식으로, 깊고 좁은 구멍이 생기게 된다.
따라서 스크래치가 있는 금속 표면은 부식에 매우 취약하게 되며, 스크래치가 없는 표면에 비해 부식 속도가 현저히 빨라진다. 이러한 스크래치에 의한 부식을 방지하기 위해서는 표면의 스크래치를 최소화하거나, 부식 방지 코팅 등의 추가적인 조치가 필요하다.
1.4. 스테인리스강의 부식
스테인리스강의 부식은 일반 철강에 비해 상대적으로 우수한 내식성을 가지고 있지만, 특정 환경에서는 부식이 일어날 수 있다.
스테인리스강의 내식성은 주로 표면에 형성되는 크롬 산화막(Cr2O3)에 기인한다. 이 산화막은 매우 안정하고 불용성이며 피복 면적이 크기 때문에 외부 환경과의 접촉을 차단하여 부식을 억제한다. 하지만 이러한 산화막은 특정 환경에서 파괴되어 부식이 발생할 수 있다.
특히, 스테인리스강에서 주로 문제가 되는 부식 형태는 공식(Pitting Corrosion)과 틈새부식(Crevice Corrosion)이다. 공식 부식은 국부적인 피팅(Pitting)으로 인해 발생하며, 주로 염화물 이온이 존재하는 환경에서 일어난다. 틈새부식은 금속과 다른 물질 사이의 틈새에서 발생하는데, 이 틈새 내부 용액의 조성 변화로 인해 부식이 촉진된다.
스테인리스강의 부식 저항성은 합금 성분, 특히 크롬(Cr)과 니켈(Ni)의 함량에 크게 의존한다. 일반적으로 Cr 함량이 높을수록, Ni 함량이 높을수록 내식성이 향상된다. 이는 Cr이 부동태 피막 형성에 기여하고, Ni이 부식 환경에서 내식성을 높이기 때문이다.
그 외에도 Mo, Cu, ...
