입계 부식 (Intergranular Corrosion) 의 개념과 원리

입계 부식(Intergranular Corrosion)

입계 부식은 금속이나 합금의 결정립계에 따라서 발생하는 국부적인 부식이다. 금속은 대부분의 환경에서 입계의 영향을 크게 받지 않는다. 따라서 결정립계가 결정립에 비해 반응성이 별로 크지 않기 때문에 부식이 균일하게 발생한다.

 

하지만 어떤 조건에서는 결정립계가 큰 반응성을 가지게 되고, 입계가 선택적으로 부식이 된다. 이런 현상을 입계 부식(Intergranular Corrosion)이라고 한다. 입계 부식은 주로 열처리 조건, 성분 원소에 따라 발생한다.

 

입계 부식의 특징

입계 부식은 주로 입계 내의 불순물 또는 입계 영역에서 한 성분이 과다하거나 부족한 경우 발생하는 것으로 알려져 있다. 입계 부식으로 인해 주로 Stainless Steel, Ni합금, Al합금 등 금속 재료의 강도나 연성이 현저하게 저하되는 특징을 갖는다.

 

입계부식 진행 예시

 

특히 오세트나이트 스테인리스강(18-8 Stainless Steel)의 경우 400~800℃ 정도로 가열되면 입계 부식에 민감해지게 되며, 크롬(Cr)의 결핍에 의해 입계 부식이 진행된다. 일반탄소강에 내식성을 향상하기 위해 크롬을 첨가하며, 일반적으로 Stainless Steel을 만드는데 12~13%의 크롬이 필요하다.

 

따라서 크롬의 함량이 12% 미만으로 줄면 상대적으로 내식성도 감소하게 되는데, 400~800℃에서 Cr23C6가 불용성이 되고 C 함량이 0.02% 이상이 되면 크롬 탄화물이 석출 되며, 이로 인해 해당 입계에는 크롬 함량이 낮아지게 된다.

 

결정입계에서 탄화물이 석출 되면 예민화(Sensitization)가 발생하게 되며 그 결과 큰 면적을 가진 결정립이 음극이 되고, 면적이 작은 크롬 결핍 부위의 입계는 양극이 되어 활성-부동태 전지를 형성하게 되고, 상대적으로 내식성이 낮아진 부위에 입계 부식이 일어나게 된다.

 

또한 오세트나이트 스테인리스강(18-8 Stainless Steel)의 경우 용접열화에 의해 입계 부식이 발생하게 된다. 불안전한 열처리에 에 의해 용접 열화(Weld Decay)가 발생하며, 용접 열화란 용접 열 영향부가 예민화(Sensitization)된 되어 일어나는 입계 부식의 일종이다. 오세트나이트 스테인리스강의 예민화 부분은 용접부위에서 수 mm 떨어진 곳에서 발생하게 된다.

 

용접열화에 따른 입계부식 예시

입계 부식 예방

이를 예방하기 위해 티타늄(Ti), 나이오븀(Nb)을 첨가하는데, 이 원소는 탄소와의 친화력이 크롬보다 강하고, 탄소화 결합한 탄화물은 입내에 석출 된다. 그 결과 Cr23C6이 형성되지 않아 크롬의 결핍층이 생기지 않게 되어 내식성이 낮아지지 않는다.

 

오세트나이트 스테인리스강의 입계 부식을 방지하기 위해서는 크롬 탄화물이 분해ㆍ고용 온도 이상에서 급랭시키는 방법이 있다. 그리고 850℃이상에서 장시간 가열하면 크롬이 입자 내에서 입계 근처에 확산되기 때문에 결핍 부분이 사라지도록 하는 방법이 있다.

 

또한 탄소 농도에 따라 크롬 탄화물이 석출 되기 때문에 탄소 농도를 0.03% 이하로 유지시키거나 티타늄(Ti), 나이오븀(Nb)을 첨가하여 내식성이 낮아지지 않도록 하는 방법을 사용한다. 따라서 크롬 탄화물 석출을 최소한으로 줄이기 위해 0.03% 이하의 낮은 탄소 농도를 가진 SUS 304 L, SUS316L이 등장하게 된다.

 

알루미늄 합금의 경우도 입계 부식이 발생한다. Al-Cu합금의 경우 열처리를 잘못할 경우 입계에 CuAl2가 석출 되며, 그 결과 Cu가 결핍된 부분이 양극, 결정 입이 음극으로 되어 Cu결핍 부위가 집중적으로 부식되게 된다.

 

입계의 경우 결정 입자 사이의 경계면으로 결정 입에 비하면 상대적으로 불순물이 모이게 되어 부식이 발생할 확률이 높아진다. 알루미늄 합금의 입계 부식을 방지하기 위해서는 장시간 가열하여 결정립과 입계를 균일한 조성으로 만든다.