스테인리스강은 녹슬지 않는다는 인식이 있지만 가혹한 사용 환경에 노출될 경우 파괴적인 부식현상을 나타낼 수 있습니다. 강종 또는 환경에 따라서 공식, 입계부식, 응력부식균열, 갈바닉부식 등 다양한 부식현상이 나타날 수 있기 때문에 강종의 선택은 매우 중요한 요소라고 할 수 있습니다.

이번 챕터는 내열강에 관한 내용이므로 온도에 관한 내용으로 기술하겠습니다.

300계 오스테나이트 강의 대표격인 304 강종은(18Cr-8Ni) 일반적인 사용 환경에서는 만능에 가까운 성능을 보여주기 때문에 일상생활 곳곳에서 접할 수 있습니다. 그러나, 특정 온도구간에서는 특별히 예민하게 반응하여 부식이 진행되는데, 이를 예민화 온도 구간에서 발생하는 입계부식(Intergranular Corrosion : IGC)이라고 합니다.

예민화 온도는 자료마다 다르지만 대체로 425℃~815℃ 구간을 말하며, 이 온도 구간을 길게 통과할 경우 크롬탄화물(Cr₂₃C₆)이 금속의 미세조직인 결정립계에 석출되어 크롬 결핍층이 발생합니다. 다시 말해서, 스테인리스는 10.5% 이상의 크롬이 첨가되어 표면에 부동태피막(Passsive Film : Cr₂O₃)을 형성시켜 내식성을 향상시킨 합금철인데, 크롬이 결핍된다면 내식성을 잃고 결정립계를 따라서 부식이 발생한다는 뜻입니다.

이를 개선할 목적으로 내열강을 사용합니다. 극강의 내식성을 자랑하는 니켈을 많이 합금하는 방법이 있습니다만, 니켈은 비싼 원자재이기 때문에 사용 온도 범위에 따라서 금속원소를 빼고 더하는 방법으로 크롬 결핍을 막는 방법도 있습니다.

간단히 말씀드리면 크롬탄화물(Cr₂₃C₆)을 발생하지 않도록 관리하는 것이 중요합니다. 예민화 온도구간을 빠르게 지나가는 방법, 애초에 탄소 함량이 낮은 강종 사용 또는 용접 후 급랭을 시킨다면 크롬탄화물 발생이 억제되겠지만, 지속적인 온도 구간에서 사용하는 것이라면 합금원소를 첨가하는 방법을 사용할 수 밖에 없습니다.

크롬탄화물 형성은 애초에 크롬이 탄소와 너무 친하기 때문에 발생합니다. 따라서, 탄소와 더 친한 합금원소를 첨가할 수 있는데 이때 티타늄(Ti) 또는 니오븀(Nb)을 첨가하게 됩니다. 표에서 보시듯 티타늄(Ti)이 첨가되면 321강종이, 니오븀(Nb)이 첨가되면 347강종이 됩니다. 347강종이 321강종보다 질산(Nitric Acid)환경에 더 나은 선택지가 될 수 있으며, 그 외 물성은 거의 유사합니다.

사용온도 범위에 따라서 적절한 강종을 선택하는 것이 유지보수, 비용측면에서 중요한 요소입니다만 특수강종은 낮은 가격에 따라가는 제품이 아닙니다. 사용환경이 가혹하기 때문에 소모품으로 취급해야 하며 따라서 최대한 사용기간을 길게 선택하는 것도 중요합니다. 정비, 교체의 시간도 결국 비용으로 전가되기 때문입니다.

통상 사용온도가 1100℃ 이상이라면 310S강종을 추천합니다. 제철/제강설비, 열처리설비 등 고온의 가혹하고 반복적 환경에서 사용하는데, 그래서 그 비싼 니켈(Ni)이 중량 대비 20%나 들어가는 것입니다. 가격도 304강종 대비 3~4배까지 비싸기 때문에 사용기간이 길고 검증된 제품을 선호하는 경향이 있습니다.