응력 부식 균열 (S.C.C Stress Corrosion Cracking) 의 개념 및 원리

응력 부식 균열(S.C.C Stress Corrosion Cracking)

응력 부식 균열(S.C.C Stress Corrosion Cracking)이란 금속이 부식 분위기(전해액 등)에서 인장 응력을 받으면 본체에 분할이 생기는 현상을 말한다. 입계 부식과는 관계없이 결정립을 관통하는 미세한 균열이 발생하는 형태로 주로 오스테나이트계에서 주로 발생하며, 탄소강, Cu합금, Al합금, Ni합금 등에서도 발생한다.

 

부식이라는 화학작용과, 응력이라는 역학적 작용이 중첩되어 Mechano-chemical 한 반응으로 볼 수 있다.

응력부식균열(S.C.C) 발생 예시

응력부식균열은 금속 표면이 응력을 받고 있는 상태에서 전해액 등 할로겐 이온을 포함하고 있는 부식 분위기에 있을 때 육안으로는 부식을 확인하기 어려우나 일정 시간이 지나면 표면에 미세한 조직이 생긴다. 황동의 계절 균열(Season Cracking), 구리의 가성 취화 균열(Caustic Embrittlement) 등이 응력부식균열의 종류 중 하나이다.

 

이 부식은 합금이나 불순물이 포함된 금속에 생기기 쉽고, 순수한 금속에서는 생기지 않는 특징을 가진다. 응력부식은 반복되는 응력에 의해 금속이 파괴되는데 일반적으로 피로에 의한 파괴는 항복점보다 낮은 응력에서 발생하며, 응력이 클수록 파괴시간은 짧아지게 된다.

 

오스테나이트계 스테인리스강의 경우 응력부식균열에 큰 영향을 받는다. 응력에 의한 균열이 전파되는 속도가 빠르기도 하며, 특히 중량물 등을 오스테나이트계 스테인리스강 Wire로 연결된 상태에 염소 등 할로겐 이온에 접하게 될 수 있는 환경에서는 파단에 의한 낙하 사고가 발생할 수 있으므로 주의해야 한다.

 

응력 부식 균열(S.C.C Stress Corrosion Cracking)의 예방

응력부식균열은 온도(약 60℃ ~ 70℃)와 염화물 이온(Cl-)(Cl-) 농도에 영향을 받는다. 따라서 이를 보완하기 위해 염화물 등 할로겐화물을 제거하는 등 충분한 환경적인 개선이 필요하다.

 

또한 응력부식균열은 염소이온의 영향이 크므로 배관 보온재 등 재질 선정이 중요하다. 탄소 마그네시아의 염소 함유량과 온수 중 침전한 우레탄폼에서 발생한 염소이온에 영향을 받을 수 있으므로 고온의 기기 배관에는 염소이온이 적은 규산칼슘, 펄라이트, 글라스울 등을 사용한다.

 

적절한 예방을 할 수 없는 경우 분할에 견디는 재료로 니켈 함유율을 높여 내 SCC성을 높인 SUS310S나 Carpenter20, 또는 규소를 4% 정도 첨가한 재료를 사용하기도 한다.

 

용접 등에 의해 발생하는 잔류 응력과 열응력은 응력부식균열에 큰 영향을 끼치게 된다. 응력은 열응력과 외부에서 가해지는 인장 응력뿐 아니라 고유 응력과 용접 열 사이클에 의한 잔류 응력에서도 발생한다. 따라서 이런 영향을 최소화하기 위해 가공 또는 용접에 의해 발생하는 잔류 응력을 제거용 열처리를 하는 등 조치가 필요하다.

 

SUS 304, SUS316의 경우 예민화(Sensitization) 방지를 위한 고용화 열처리를 통해 함께 할 수 있으며, SUS 304L이나 SUS316 L 등 저탄소강의 경우 850~900℃로 가열하여 서냉 하는 열처리를 하기도 한다.

 

응력부식균열을 예방하기 위해 전기방식 법이 쓰이기도 한다. 이 방법을 쓰면 응력부식균열을 예방하는 효과를 얻을 수 있으며, 공식과 같은 문제도 해결할 수 있는 좋은 방법으로 사용할 수 있다. 그리고 Inhibitor를 첨가하거나, 음극 방식을 적용시켜 부식이 최소화되도록 한다.

 

수소 균열은 이런 응력부식균열과 유사한 형태를 취하고 있으며, 수소에 의해 취화 된 금속이 어떤 임계치 이상 응력이 발생할 때 균열이 발생한다. 수소나 그 자신에 의해 인장 응력이 생겨서 균열이 발생하기도 한다.

 

합금 중 질소가 포함되어 있으면 내 SCC성이 악화되며 TIG용접과 MIG 용접에서 공기와 차폐시키는 것도 표면 산화를 방지하는 것뿐만 아니라 용융 금속이 공기 중 질소를 흡수하지 않도록 하는 것을 목적으로 해야 한다.

 

일반적으로 결정 입면에 비해 입계는 부식하기 쉬운 특성을 가지고 있어 어떤 특정한 환경 상황에 따라 입계만 선택적으로 부식되는 경우가 있다. 결국 이 입계는 손으로 만져도 부스러질 정도로 부식이 진행되기도 하는데 이런 입계 부식은 부식하기 쉬운 금속조직의 다른 상이 입계에 나왔기 때문에 발생하게 되며, 부적절한 열처리가 이 원인이 된다.