고온부식에 대하여 설명하시오.

고온부식에 대하여 설명하시오.

고온부식이란?

고온에서의 부식은 상온보다도 심하게 빠르게 진행한다. 또 장시간 고온으로 가열하면 재료의 조직 그 자체에 변화를 가져올 경우가 있으며 이럴 경우 재료의 강도는 현저하게 열화한다. 고온에서 사용하는 재료는 고온부식에 대한 내식성과 열안전성을 가져야한다.
고온부식에는 산화, 황화, 침탄 및 카아보닐화, 질화, 수소취화, 바나듐어택 등이 있다.

(1) 산화 : 고온에서 금속의 부식은 심한 산화 피막을 형성한 후 박리하고 또 산화하는 현상을 반복하며 부식이 진행된다. 고온의 강에 내산화성을 증대시키는 원소로서 유효한 것은 Ni, Si, Al, Cr 등이 있는데 이들 원소 단독으로 또는 복합 첨가되어 내산화성을 증대시킨다. 이들 원소는 강의 산화피막에 Cr2O3(또는FeO·Cr2O3), Al2O3, SiO2등 보호층을 만들어 산화의 진행을 방지한다.
Cr은 30%까지는 내산화성을 증가시키지만 40%이상에서는 감소하며, Si는 취성을 띠고 있으므로 소량 통상 0.5∼3.5%정도 가하며 Al은 Cr의 보조로서 10%이하 첨가한다. Ni는 Cr과 같이 첨가되며 고온강도, 열안정성, 가공성을 양호하게 한다.
즉 Ni을 다량 함유한 합금은 안정된 오스테나이드 조직으로써 고온에서 변태점이 없고 내구도가 높다. 그 외 표면처리에 의한 방법으로는 강관에 Al분말을 노중에서 가열하여 표면에 침투시켜 내식성을 부여하는 방법도 있다.

(2) 황화 : 황을 함유한 고온가스 특히 H2S는 철, 니켈을 극심하게 부식시킨다. 가스가 금속 표면에 황화물을 만들고 이 물질이 결정입계에 침투하기 때문이다. 이를 방지하기 위하여 Cr, Al, Si 등을 첨가한다. 예를 Cr 23%에 Al, Si를 3%첨가시키면 저항성은 매우 크게 된다. 또한 수증기의 노점이하 온도에서는 SO2가 수증기와 반응하여 강한 부식성의 황산이 되므로 주의를 요한다.

(3) 침탄 및 카르보닐화 : CO를 함유한 고온의 가스 중에서는 강에 침탄이 일어나고 심하면 취화한다. 특히 Cr 및 Ni를 함유한 강에서는 더욱 심하다. 이를 방지하기 위하여는 Si, Al, Ti, V 등이 효과적이다. 또 CO를 함유한 가스는 고온, 고압에서 Fe, Ni와 작용하고 휘발성의 카아보닐화합물을 생성한다. 일반적으로 압력, 수증기가 이 작용을 촉진시키는데 이것을 피하기 위해 Cu또는 Cu-Mn합금으로 라이닝한다.

(4) 질화 : Al, Cr, Mo, Ti 등은 질소와 친화력이 크고 이들을 함유한 강은 질화되기 쉽다. 내 산화성이 큰 강에는 첨가되므로 이와 같은 강은 질화에 대하여 주의를 요한다. 내 질화성을 높이는 원소로는 Ni가 유효하다.

(5) 수소취성 및 탈탄 :  탄소강이 고압의 수소와 만나면 수소에 의한 탈탄작용으로 침식된다. 탈탄작용은 A1변태점 이하에서는 다음과 같은 반응이 일어난다.
  Fe3C + 2H2  --> CH4 + 3Fe
강에 침입한 수소와 탄화물과의 반응으로 생성된 CH4가 결정입계에 축적하여 대단히 높은 응력이 생기며 결국 입자 사이를 분리시켜 신장, 충격치를 감소시킨다. 탈탄 취화현상의 정도는 온도, 압력과 강의 조성, 조직에 의해서도 달라진다. 즉 온도가 높고 압력이 클수록 현저하게 진행된다. 그러나 600℃이상의 온도에서는 온도상승과 더불어 취화가 개시되기까지의 시간(잠복시간)이 급격히 길어진다. 이것은 온도가 상당히 높아지면 위의 식에서 좌측으로 반응이 진행되고 메탄이 생성되기가 어려워진다. 또 강의 탈탄작용은 탄소량이 많을수록 현저하게 일어난다.
또 탈탄까지는 이르지 않고 단순히 강이 수소를 흡수하여 취화하는 경우가 있다. 즉 강의 결정격자간에 수소 원자가 침입하고 격자에 변형을 주어 그 결과 강이 경화하여 취화한다. 그러나 이 정도이면 대기압 하에서 100∼200℃로 재가열하여 대부분의 수소를 방출시켜 그 강도를 회복시킬 수 있다. 수소 취성을 방지하려면 Cr, Mo, W, Ti, V, Nb 등의 원소가 철보다도 오히려 안정된 탄화물을 만들기 때문에 적당량 첨가하면 된다.

(6) 바나듐어택 : 중유나 연료유의 회분 중에는 산화바나듐(V2O5)이 상당히 함 유되어 있다. 이 회분이 고온에서 금속재료에 접하면 금속면에 부착하여 급격한 고온부식을 일으킬 경우가 있는데 이런 현상을 바나듐어택이라 한다. 주로 회분 중에 산화바나듐(V2O5)의 용융에 의해 금속의 산화가 촉진되기 때문이다. 또한 회분 중의 Na2SO4도 이 현상에 영향을 준다. 내 바나듐어택 재료로는 Sicromal 12 (Al,Si를 첨가한 Cr23%강)나 25% Si-Fe(주조품)가 있으며 또 이해를 억제하는 방법으로는 산화바나듐(V2O5)의 융점을 올리는데 도움이 되는 MgO 및 CaO의 연료(또는 연료가스)에의 첨가 방법이 유효하다.