합금 원소가 스테인리스강에 미치는 영향

스테인리스 스틸의 분류

1. 화학 성분에 따라로 나눌 수 있습니다: 크롬 스테인리스 스틸크롬 니켈 스테인리스강, 크롬 망간 스테인리스강, 크롬 니켈 몰리브덴 스테인리스강, 초저탄소 스테인리스강, 고몰리브덴 스테인리스강, 고순도 스테인리스강 등입니다.

2. 금속학적 구조에 따라로 나눌 수 있습니다: 마르텐사이트 스테인리스 스틸페라이트 계 스테인리스 강, 오스테 나이트 계 스테인리스 강, 오스테 나이트 계 페라이트 계 스테인리스 강 등

3. 강철의 성능 특성 및 용도에 따라질산 내성(질산 등급) 스테인리스 스틸, 황산 내성 스테인리스 스틸, 내식성 스테인리스 스틸, 내응력 스테인리스 스틸, 고강도 스테인리스 스틸 등.

4. 기능에 따라 강철의 특성: 저온 스테인리스 스틸, 비자성 스테인리스 스틸, 자유 절단 스테인리스 스틸, 초플라스틱 스테인리스 스틸 등과 같은 다양한 소재가 있습니다.

스테인리스 스틸 등급의 개발 과정은 아래 그림에 나와 있습니다:

합금 원소가 스테인리스강의 미세 구조 및 특성에 미치는 영향

참고: 口 - 강한 효과, ⚪-- 보통 효과, ▲ - 약한 효과

내식성을 개선하는 방법 스테인리스 스틸

(1) 특정 매체에 대한 패시베이션 영역의 안정적인 양극 편광 곡선을 얻으려면 스테인리스강이 적절하게 준비되었는지 확인합니다.

(2) 부식성 갈바닉 전지의 기전력을 줄이면서 스테인리스 스틸 기판의 전극 전위를 높이면 내식성을 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다.

(3) 강철의 단상 구조를 개선하고 마이크로 배터리의 수를 줄이면 내식성을 향상시킬 수 있습니다.

(4) 강철 표면에 안정적인 보호막을 형성하기 위해 실리콘, 알루미늄 및 크롬과 같은 원소를 추가하면 많은 부식 및 산화 상황에서 조밀 한 보호막을 생성하여 강철의 내식성을 향상시키는 데 도움이 될 수 있습니다.

(5) 강철의 다양한 불균일 현상을 제거하거나 줄이는 것도 내식성을 향상시키는 데 중요한 단계입니다.

강철에 합금 원소를 첨가하는 것은 강철의 내식성을 향상시키는 데 주로 사용되는 방법입니다.

다양한 합금 원소를 추가하면 강철의 내식성을 개선하기 위해 한 가지 또는 여러 가지 방식으로 동시에 작용할 수 있습니다.

합금 원소의 효과 철의 분극과 전극 전위에 관한 연구

합금 원소의 종류와 함량은 스테인리스 스틸의 내식성에 직접적인 영향을 미칩니다. 합금 원소의 주요 기능은 철의 분극 성능과 전극 전위에 영향을 미치는 것입니다.

1. 합금 원소가 철의 편광 특성에 미치는 영향

Fe, Cr, Ni, Ti와 같이 일반적으로 사용되는 금속의 양극 편광 공정은 고유한 편광 패턴을 따릅니다.

양극을 통과하면 양극 전위가 증가하고 그에 따라 양극 전류(부식 속도)가 거의 동일한 패턴으로 변화합니다.

편광 곡선의 일반적인 형태는 아래 그림에 나와 있습니다.

양극 분극 전위가 증가함에 따라 부식 전류는 균일하게 감소하지 않습니다. 대신 먼저 증가하다가 최소로 감소한 다음 다시 증가하기 전에 특정 전위 증가 단계를 통해 이 전류를 유지합니다.

이 편광 곡선을 활성화 및 부동태화 전환이 있는 양극 편광 곡선이라고 합니다. 활성화 영역(A), 패시베이션 영역(B), 과부동태화 영역(T)의 세 영역으로 나뉩니다.

활성화 및 부동태 전이 금속의 양극 편광 곡선 그림

양극화는 다음을 개선하는 데 중요한 역할을 합니다. 금속의 내식성. 양극 또는 음극 분극을 강화하는 요인은 내식성을 높일 수 있는 반면, 탈분극 요인은 내식성을 감소시킬 수 있습니다.

합금 원소마다 철의 분극 특성에 다양한 영향을 미칩니다. 부동태화 영역을 확장하여 ECP 및 P 영역의 전위를 감소시키고 Er 포인트의 전위를 증가시키는 원소는 강철의 내식성을 향상시킬 수 있습니다. 반면, 부동태화 성능을 향상시켜 ICP 및 I1 포인트를 왼쪽으로 이동시키는 모든 요소는 부식 전류를 줄이고 내식성을 향상시킬 수 있습니다.

과부동태 전위 근처에서 전위가 변동하고 Er 포인트 전위가 낮으면 패시베이션 필름의 국부적 파괴로 이어져 피팅 부식이 발생할 수 있으므로 Er 포인트 전위를 높이는 요소는 피팅 부식을 줄이는 경향이 있습니다.

강철에 일반적으로 사용되는 합금 원소 중 Cr은 순수 철의 패시베이션 성능을 크게 향상시키고 Ecp, Ep 및 Er 포인트의 전위를 높이며 Icp 및 I1 포인트의 위치를 왼쪽으로 이동시킬 수 있습니다. 따라서 철의 내식성을 향상시키는 데 가장 효과적인 원소입니다.

Cr 외에도 Ni, Si, Mo 등과 같은 합금 원소도 부동태화 성능을 향상시키고 부동태화 영역을 다양한 정도로 확장할 수 있습니다.

예를 들어, Mo는 철의 부동태화 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 Er 포인트의 전위를 증가시켜 철의 내공 내식성을 향상시킵니다.

2. 철의 전극 전위에 미치는 영향

일반적으로 금속 고용체의 전극 전위는 다른 화합물의 전극 전위보다 낮습니다. 따라서 부식 과정에서 금속 고용체는 양극으로 부식될 가능성이 더 높습니다.

철의 내식성을 향상시키는 한 가지 방법은 전극 전위를 높이는 것입니다. 연구에 따르면 철에 Cr을 첨가하여 고용체를 형성하면 아래 그림과 같이 결과 물질의 전극 전위를 크게 높일 수 있는 것으로 나타났습니다.

재료의 전극 전위를 높이면 내식성을 현저하게 향상시킬 수 있습니다.

그림: 크롬이 Fe Cr 합금의 전극 전위에 미치는 영향

크롬이 철 부동태화 및 전극 전위에 미치는 좋은 효과로 인해 크롬은 다양한 스테인리스강의 주요 합금 원소가 되었습니다.

합금 원소가 스테인리스강의 내식성 및 매트릭스 구조에 미치는 영향

스테인리스 스틸의 매트릭스 구조는 원하는 기계적 및 공정 특성을 달성하고 우수한 내식성을 보장하는 데 매우 중요합니다.

단상 페라이트강과 단상 오스테나이트강 두 종류의 스테인리스강은 우수한 내식성을 자랑합니다.

합금 원소가 매트릭스 구조에 미치는 영향은 주로 페라이트(α) 안정제 역할을 하는지 여부에 따라 달라집니다. 오스테나이트 (γ) 안정제.

안정화 원소가 우세한 경우 단상 α 스테인리스강을 얻을 수 있으며, 그렇지 않은 경우 단상 γ 스테인리스강을 얻을 수 있습니다.

1. 합금 원소가 스테인리스 스틸의 내식성에 미치는 영향

1. 크롬

크롬은 스테인리스 스틸의 내식성을 결정하는 주요 원소입니다. 크롬 함량(원자 비율)이 1/8에서 2/8 사이가 되면 철의 전극 전위가 상승하여 강철의 내식성이 향상됩니다. 크롬은 또한 소재의 전반적인 내구성을 향상시키는 데 도움이 되는 안정화 원소입니다.

그 이유 중 하나는 산화크롬이 상대적으로 밀도가 높고 부식에 강한 보호막을 형성할 수 있기 때문입니다.

2. 탄소 및 질소

탄소는 스테인리스강 생산에 필수적인 역할을 하며, 강력하게 안정화시키기 때문입니다. 오스테나이트니켈보다 약 30배 더 안정화 능력이 뛰어납니다. 또한 탄소는 스테인리스강을 강화하는 데 사용되는 주요 원소입니다. 그러나 탄소는 크롬과 함께 일련의 탄화물을 형성하여 스테인리스강의 내식성에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 또한 탄소는 스테인리스 스틸의 가공 및 용접 특성을 악화시키고 페라이트계 스테인리스 스틸을 부서지기 쉽게 만들 수 있습니다.

따라서 스테인리스 스틸의 생산 및 개발 과정에서 탄소를 신중하게 제어하고 적용하는 것이 중요합니다. 아래 그림에서 볼 수 있듯이 탄소와 크롬의 조합은 스테인리스 스틸 구조의 형성에 중요한 영향을 미칩니다.

그림은 탄소 함량 가 낮고 크롬 함량이 높으면 페라이트 구조가 얻어지고, 탄소 함량이 높고 크롬 함량이 낮으면 마르텐사이트 구조가 얻어집니다.

크롬 스테인리스 스틸에서 탄소 함량이 증가하면 다음과 같은 형성이 발생합니다. 마텐사이트 크롬 함량이 17% 미만인 경우. 반면, 탄소 함량이 낮고 크롬 함량이 13%인 경우 다음과 같은 결과가 나타납니다. 페라이트계 스테인리스 스틸.

크롬 함량이 13%에서 27%로 증가함에 따라 페라이트 안정화 능력이 증가하여 탄소 함량이 증가합니다(0.05%에서 0.2%로). 탄소 함량의 증가에도 불구하고 페라이트 매트릭스는 여전히 유지될 수 있습니다.

탄소와 크롬이 스테인리스 스틸의 미세 구조에 미치는 영향 그림

3. 니켈

니켈은 스테인리스 스틸의 세 가지 중요한 원소 중 하나로, 소재의 내식성을 향상시킬 수 있습니다. γ 상 안정화 원소인 니켈은 단상 오스테나이트를 얻고 스테인리스강에서 그 형성을 촉진하는 데 필요한 주요 성분입니다.

니켈의 주요 이점 중 하나는 니켈이 효과적으로 Ms 포인트오스테나이트는 마르텐사이트 변성을 거치지 않고 매우 낮은 온도(-50℃)에서도 안정적으로 유지됩니다. 그러나 니켈 함량을 높이면 오스테나이트강에서 탄소와 질소의 용해도가 감소하여 이러한 화합물이 용해되고 침전되는 경향이 증가합니다.

니켈 함량이 증가함에 따라 다음과 같은 임계 탄소 함량이 증가합니다. 입계 부식 이 감소하여 강철이 이러한 유형의 부식에 더 취약해집니다. 그러나 오스테나이트 스테인리스강의 내공 내식성 및 틈새 내식성에 대한 니켈의 영향은 크지 않습니다.

니켈은 내식성 이점 외에도 오스테나이트 스테인리스 스틸의 고온 산화 저항성을 향상시킬 수 있습니다. 이는 주로 니켈이 산화 크롬 필름의 구성, 구조 및 특성을 개선하는 능력 때문입니다. 그러나 니켈의 존재는 강철의 고온 가황 저항성을 감소시킬 수 있다는 점에 유의할 필요가 있습니다.

4. 망간

망간은 상대적으로 약한 오스테나이트 형성 원소이지만 오스테나이트 구조를 안정화시키는 데 중요한 역할을 합니다.

오스테나이트계 스테인리스강에서 망간은 니켈을 부분적으로 대체하며, 2% Mn은 1% Ni와 동일합니다.

망간은 또한 아세트산, 포름산, 글리콜산과 같은 유기산에서 크롬 스테인리스강의 내식성을 향상시킬 수 있으며 니켈보다 더 효과적입니다.

그러나 강철의 크롬 함량이 14%를 초과하는 경우 망간만 추가하면 단일 오스테나이트 구조가 생성되지 않습니다.

오스테나이트 스테인리스강은 크롬 함량이 17% 이상일 때 내식성이 우수하기 때문에 업계에서는 주로 니켈 함유 합금의 대체재로 12Cr18Mn9Ni5N과 같은 Fe-Cr-Mn-Ni-N 강을 사용하고 있습니다. 니켈이 없는 Fe-Cr-Mn-N 오스테나이트 스테인리스강의 사용량은 상대적으로 적습니다.

5. 질소

초기 단계에서는 질소가 주로 Cr-Mn-N 및 Cr-Mn-Ni-N 오스테나이트 스테인리스강에 사용되어 Ni를 절약했습니다. 그러나 최근에는 질소가 Cr Ni 오스테나이트 스테인리스강의 필수 합금 원소가 되었습니다.

오스테 나이트 계 스테인리스 강에 질소를 첨가하면 오스테 나이트 구조를 안정화하고 강도를 향상 시키며 특히 입계 부식, 피팅 부식 및 틈새 부식과 같은 국부 부식에 대한 내식성을 향상시킬 수 있습니다.

일반 저탄소 및 초저탄소 오스테나이트 스테인리스강에서는 입계 내식성을 향상시킬 수 있습니다. 질소는 감광 처리 중 크롬 카바이드의 침전 과정에 영향을 미쳐 입자 경계에서 크롬 농도를 증가시킵니다.

크롬 카바이드가 침전되지 않는 고순도 오스테나이트 스테인리스강에서 질소는 패시브 필름의 안정성을 높이고 평균 부식 속도를 감소시킵니다. 질소 함량이 높은 강철에서는 질화크롬이 침전되지만 질화크롬의 침전 속도는 느립니다. 따라서 민감화 처리는 입계 크롬 결핍을 일으키지 않으며 입계 부식에 거의 영향을 미치지 않습니다.

질소는 또한 입자 경계에서 인의 분리를 억제하고 강철의 입계 내식성을 향상시킬 수 있습니다.

현재 질소 함유 오스테나이트 스테인리스강은 주로 강도와 내식성이 높습니다. 질소 제어형, 중간 질소형, 고질소형의 세 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.

질소 제어 유형은 초저탄소(C ≤ 0.02%~0.03%) Cr Ni 오스테나이트 스테인리스강에 0.05%~0.10%N을 첨가하여 강도를 개선하고 입계 내식성을 최적화하며 응력 내식성을 강화하는 방식입니다.

중간 질소 유형은 0.10%~0.50%N을 함유하고 있으며 정상 대기압에서 제련 및 부어집니다. 반면 고질소 타입의 질소 함량은 0.40% 이상입니다.

일반적으로 압력이 증가하는 조건에서 제련 및 부어집니다. 이 강철 유형 는 높은 강도와 내식성을 가지고 있어 주로 고용체 상태 또는 반냉각 작업 상태에서 사용됩니다.

현재 질소 함량이 0.8%에서 1.0%에 이르는 고질소 오스테나이트강은 실제 적용에 성공하여 산업 생산을 시작했습니다.

6. 티타늄, 니오븀, 몰리브덴 및 희토류 원소

티타늄과 니오븀은 크롬보다 탄소와 우선적으로 반응하여 입계 부식을 방지하고 강철의 내식성을 향상시킬 수 있는 탄화물을 강하게 형성할 수 있는 원소입니다.

강철에 티타늄과 니오븀을 첨가할 때는 탄소 함량과 일정한 비율을 유지하는 것이 중요합니다.

반면 몰리브덴은 스테인리스 스틸의 패시베이션 능력을 향상시키고 패시베이션 매체의 범위를 넓힐 수 있습니다. 즉, 뜨거운 황산, 묽은 염산, 인산 및 유기산에 견딜 수 있습니다. 몰리브덴으로 만든 패시베이션 필름은 다양한 매체에서 매우 안정적이며 용해될 가능성이 적습니다.

몰리브덴을 함유한 스테인리스 스틸은 Cl-에 의한 패시브 필름 손상으로부터 보호할 수 있기 때문에 피팅 부식에 강합니다.

Ce, La, Y와 같은 희토류 원소를 스테인리스 스틸에 첨가하면 매트릭스에 약간 용해될 수 있습니다. 이 프로세스는 입자 경계를 정화하고, 내포물을 수정하고, 구조를 균질화하며, 입자 경계에서 침전물의 침전 및 분리를 줄이는 데 도움이 됩니다. 이를 통해 강철의 내식성과 기계적 특성이 향상됩니다.

2. 합금 원소가 스테인리스 스틸의 미세 구조에 미치는 영향

합금 원소가 스테인리스 스틸의 매트릭스 구조에 미치는 영향은 크게 두 가지로 분류할 수 있습니다:

1. 크롬, 백금, 실리콘, 티타늄, 니오븀 등과 같은 페라이트 형성 원소.
2. 탄소, 질소, 니켈, 망간, 구리 등과 같은 오스테나이트 형성 원소.

서로 다른 기능을 가진 이러한 원소들이 강철에 동시에 첨가되면 스테인리스강의 미세 구조는 이들의 종합적인 효과에 따라 달라집니다.

처리를 단순화하기 위해 페라이트 형성 원소의 효과는 크롬 등가물[Cr]로 알려진 크롬의 효과로 변환하고, 오스테나이트 형성 원소의 효과는 니켈 등가물[Ni]로 변환합니다.

다음 그림과 같이 크롬 등가물[Cr] 및 니켈 등가물[Ni]을 기반으로 강철의 실제 구성과 그에 따른 구조 상태를 나타내는 다이어그램이 만들어집니다.

스테인리스 스틸 구조 다이어그램

그림은 12Cr18Ni9 강철이 오스테나이트 스테인리스강 계열에 속하며 상 a 영역에 위치한다는 것을 보여줍니다.

반면에 Cr28 스테인리스강은 페라이트계 스테인리스강으로 분류되며 페라이트 상 영역에서 찾을 수 있습니다.

한편, 30Cr13 스테인리스강은 마르텐사이트계 스테인리스강 범주에 속하며 마르텐사이트 상 영역에 위치합니다.

단상 오스테나이트 구조를 얻으려면 합금 원소의 특정 균형이 필요합니다. 그렇지 않으면 강철에 일정량의 페라이트 구조가 나타나서 다상 구조가 됩니다.

합금 구성 및 미세 구조가 다음 사항에 미치는 영향 스테인리스 스틸의 기계적 특성

1. 스테인리스 스틸의 강화 메커니즘

스테인리스강의 강화는 고용체 강화, 상변환 강화, 2상 강화, 입자 미세화 강화, 침전 강화, 하부 구조 강화 등 다양한 메커니즘을 통해 이루어집니다.

아래 그림은 이러한 메커니즘의 기여도를 보여줍니다. 항복 강도 8%~10%Ni 오스테나이트 스테인리스 스틸로 제작되었습니다.

그림에 표시된 것처럼 크롬, 실리콘, 탄소는 매트릭스에 고용체 강화를 제공하여 오스테나이트 매트릭스의 항복 응력을 몇 배 증가시킵니다.

또 다른 강화 메커니즘은 입자 크기의 미세화 및 침전물의 침전과 함께 두 번째 단계로 α 페라이트가 존재하여 오스테나이트의 강도를 크게 향상시키는 것입니다.

이 그림은 오스테나이트 스테인리스강에서 고용체 강화가 중요한 메커니즘이며, 입자 정제가 전체 강도에 가장 크게 기여한다는 것을 강조합니다.

그림 오스테나이트 계 스테인리스강의 강도에 영향을 미치는 요인

2. 다양한 스테인리스강의 강도와 가소성

다양한 스테인리스강의 특성은 구성과 구조에 따라 다릅니다.

다양한 스테인리스 스틸의 강도와 가소성을 비교하려면 아래 그림을 참조하세요.

다양한 스테인리스강과 순철의 강도 및 가소성 비교 그림

모든 스테인리스강 중에서 오스테나이트 스테인리스강은 연성이 가장 뛰어나며, 강수 경화 스테인리스강은 강도가 가장 높습니다.

마르텐사이트계 스테인리스강은 전반적으로 우수한 기계적 특성을 나타내며, 높은 강도와 어느 정도의 연성이 특징입니다.

페라이트계 스테인리스강과 오스테나이트계 스테인리스강의 조합인 듀플렉스 스테인리스강은 강도가 높고 연성이 우수합니다.

페라이트 계 스테인리스 스틸과 오스테 나이트 계 스테인리스 스틸은 비슷한 강도 특성을 가지고 있지만 후자의 연성은 다른 유형의 스테인리스 스틸보다 훨씬 높습니다. (비교를 위해 순수 철의 곡선도 그림에 포함되어 있습니다).

부식성 매질이 스테인리스강의 내식성에 미치는 영향

금속의 내식성은 재료뿐만 아니라 부식성 매체의 종류, 농도, 온도, 압력 및 기타 환경 조건에 의해서도 결정됩니다.

실제 적용에서는 부식성 매체의 산화 능력이 금속 부식에 가장 큰 영향을 미칩니다. 따라서 특정 작업 환경에 맞는 스테인리스 강종을 선택할 때는 부식성 매체의 특성을 고려하는 것이 중요합니다.

대기, 물, 증기와 같은 약한 부식성 매질에서 스테인리스 스틸 매트릭스에 포함된 고용체의 Cr 함량이 13%보다 크면 스테인리스 스틸의 내식성을 보장할 수 있습니다. 따라서 물 압축기 밸브, 증기 발생기 터빈 블레이드, 증기 파이프와 같은 부품에 사용하기에 적합합니다.

그러나 질산과 같은 산화 매체에서 NO3- 이온은 강한 산화력을 가지고 있습니다. 이로 인해 스테인리스 스틸 표면에 짧은 패시베이션 시간으로 산화막이 형성되어 내식성이 저하됩니다.

산의 H+는 음극 탈분극제 역할을 합니다. H+의 농도가 증가함에 따라 음극의 탈분극이 강화되고 패시베이션에 필요한 크롬 함량도 증가합니다. 따라서 크롬 함량이 높은 산화막만이 질산에서 우수한 안정성을 나타냅니다.

끓는 질산에서 12Cr13 스테인리스 스틸은 부식에 강하지 않습니다. 그러나 크롬 함량이 17% - 30%인 Cr17 및 Cr30 강철은 0% - 65% 농도의 질산에서 내식성을 갖습니다.

묽은 황산, 염산, 유기산과 같은 비산화 매질에서는 이러한 부식성 매질의 산소 함량이 낮기 때문에 패시베이션 시간을 연장해야 합니다. 매체의 산소 함량이 어느 정도 낮으면 스테인리스 스틸을 패시베이션할 수 없습니다. 예를 들어, 묽은 황산에서 매질의 SO42-는 산화제가 아니며 매질에 용해 된 산소 함량이 상대적으로 낮아 강철을 부동 태화 할 수 없습니다. 결과적으로 크롬 스테인리스 스틸의 부식 속도는 탄소강보다 훨씬 빠릅니다.

따라서 일반적인 Cr 스테인리스 스틸 또는 Cr Ni 스테인리스 스틸은 부동태화 상태를 달성하기 어렵고 이러한 종류의 매체에서 작업할 때 부식에 강하지 않습니다. 강철의 패시베이션 능력을 향상시키려면 몰리브덴, 구리 등의 원소를 추가해야 합니다.

염산은 스테인리스 스틸의 부식을 유발하는 것으로 알려진 비산화성 산입니다. 부식을 방지하기 위해 합금 표면에 안정적인 보호막을 형성하기 위해 Ni-Mo 합금이 필요합니다.

강유기산에서는 매질의 산소 함량이 낮고 H+가 존재하기 때문에 크롬 및 크롬-니켈 스테인리스강의 패시베이션이 어렵습니다. 강철에 Mo, Cu, Mn 및 기타 원소를 첨가하면 패시베이션 능력을 향상시킬 수 있습니다. 따라서 Cr-Mn 스테인리스 스틸이 더 나은 옵션으로 간주됩니다.

강철의 부식을 방지하고 부동태화를 쉽게 하기 위해 강철에 일정량의 Mo와 Cu를 첨가합니다.

염화칼륨(Cl-)이 포함된 매체에서는 스테인리스 스틸 표면의 산화막이 쉽게 파괴되어 강철에 구멍이 뚫리는 부식이 발생합니다. 결과적으로 바닷물은 스테인리스 스틸에 대한 부식성이 매우 높습니다.

모든 유형의 매체의 부식에 저항할 수 있는 스테인리스 스틸은 없다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 따라서 스테인리스 스틸의 선택은 특정 부식 환경과 다양한 유형의 스테인리스 스틸의 특성에 따라 결정해야 합니다.