자세히 보면 스테인리스 스틸은 "스테인리스"가 아니라 부식됩니다. 금속의 부식은 황화물 불순물 근처에서 발생하는 것으로 알려져 있지만 이것은 우리가 한때 생각했던 것 같지 않습니다.
오늘날 우리는 새로운 또는 "고급" 재료에 대해 너무 많이 듣고 성숙한 금속 기술의 이점에 대해 거의 생각하지 않습니다. 좋은 예는 스테인레스 스틸입니다. 일반 스틸보다 녹에 강하기 때문에 "스테인리스"입니다. 오늘날 대부분의 스테인리스 스틸은 20세기 초 독일 회사인 Krupp에서 시작한 철, 크롬 및 니켈을 함유한 연성 합금입니다. 동시에, Sheffield의 Harry Brearley는 수저용 고체 철 - 크롬 - 탄소 등급을 도입했습니다. 이 모든 재료는 내식성이 매우 우수합니다. 그러나 자세히 살펴보면 스테인리스 스틸은 부식이 일어나며 일반적으로 금속에 불순물이 있는 곳에서 시작됩니다. 이와 관련하여(Nature 415), 770–774; 2002) Mary Ryan과 동료들은 황화물의 존재가 어떻게 부식을 일으킬 수 있는지에 대한 새로운 설명을 제공합니다.
스테인리스 스틸은 크롬 함량(보통 13-25%)이 표면 산화 과정을 습한 환경으로 전환하기에 충분하기 때문에 부식을 견딥니다. 스테인리스 스틸 조각을 깨서 물에 담그면 몇 초 만에 표면에 크롬이 풍부한 보호 산화막이 형성됩니다. 전기화학적 실험에 따르면 몇 주 후에 스테인리스강의 부식 속도는 연간 약 10나노미터로 일반 탄소강보다 10,000배 더 느립니다. 이 속도에서 1cm 두께의 스테인리스 강판은 수백만 년 동안 남아 있어야 합니다(실제로 그보다 훨씬 더 길 것입니다. 핵폐기물 격납에 대한 연구에 따르면 부식 속도는 1/t 규칙에 따라 시간이 지남에 따라 끝없이 떨어지는 것으로 나타났습니다).스테인리스 스틸은 수백만 년 전에 등장하지 않았지만, 이 소재는 80년 이상 동안 습한 환경에서 사용되어 왔습니다. 칼붙이와 주방 싱크대뿐만 아니라 말이죠. 1929년, 뉴욕에 있는 7층짜리 크라이슬러 빌딩의 꼭대기는 스테인리스 스틸과 접촉했습니다(그림 1). 그 이후로 강철은 두세 번만 청소되었으며 도시 환경에도 불구하고 약간의 부식 징후를 보입니다. 그러나 금속 표면을 현미경으로 검사하면 심한 국부 부식으로 인한 작은 구멍을 찾을 수 있습니다. 더 면밀한 연구를 통해 이러한 공동 중 많은 곳에서 잔류 황을 밝혀낼 수 있습니다.
뉴욕 크라이슬러 빌딩의 고층은 스테인리스 스틸로 덮여 있습니다. 70년이 넘는 세월 동안 원소에 노출되었음에도 불구하고 눈에 띄는 부식은 없습니다. 그러나 770, Ryan et al. 황화물 불순물로 인한 크롬의 감소가 "스테인리스" 강철도 부식 방지를 만드는 방법을 보여줍니다.
요점은 환경에서 염화수 이온과 황화망간 입자의 조합입니다. 황화물은 제강 공정에서 피할 수 없는 오염 물질이며 때로는 경화되는 액강으로 축적됩니다. 이는 대기 노출뿐만 아니라 껍질이 몇 주 또는 몇 달 만에 수 밀리미터의 강철을 관통할 수 있는 염분 환경에서의 침수에 대한 주요 부식 요인으로 알려져 있습니다. 강철은 염분 환경(예: 인체의 의료용 임플란트)에서 부식에 대한 충분한 저항을 제공하기 위해 몰리브덴과 같은 합금 원소를 추가할 수 있지만 비용이 많이 듭니다.
파이프를 형성하는 과정에서 황화망간은 용해되어 황화수소와 같은 부식성 물질을 형성합니다. 적어도 Ryan과 동료의 기사를 읽으면서 그렇게 생각했습니다. 그들의 작업은 지금까지 대부분의 마이크로일렉트로닉스 응용 분야에서 발견된 기술(2차 이온 분광법)을 기반으로 한 인상적인 분석 성과입니다. 이들 저자에 따르면, 함입으로 인한 화학적 부식으로 인해 피트가 시작되지 않습니다. 오히려 내포물에 인접한 좁은 크롬 고갈 영역에서 시작됩니다. 충분히 높은 함유 함량을 포함하도록 "정련된" 강철을 사용하여 Ryan et al. 망간 황화물의 혼입 주변의 수백 나노미터에서 17-18%의 가장 높은 크롬 수준은 단지 12-14%인 것으로 밝혀졌습니다. 내포물은 적절한 양의 크롬으로 풍부합니다. 개재물 주변의 크롬 함량이 감소하면 합금의 보호 산화물층이 약해지고스테인리스 스틸에서 황화물 불순물을 제거할 수 있다면 염분 환경에서 부식 문제가 줄어들 것입니다. 스테인리스 스틸의 황 함량을 줄이기 위해 수년에 걸쳐 많은 작업이 수행되었습니다. 크라이슬러 건물을 지을 당시 스테인리스는 전통적인 고급 주철로 크롬과 니켈을 제련하여 만들어졌기 때문에 스테인리스 스틸의 황 함량은 아마도 0.05% 이상이었을 것입니다. 그러나 산소를 사용하여 스테인리스 용탕에서 탄소를 제거하는 현대 기술은 대부분의 유황도 제거하는 이점이 있습니다. 대부분의 탄소가 산화되면 산화된 크롬은 금속 상태로 환원시켜 회수해야 합니다. 이것은 규소와 알루미늄의 반응성 원소를 포함하는 석회질 슬래그의 사용을 통해 달성되며, 이는 또한 액체 강철에서 황을 정화합니다.
요즘에는 탄소강 스크랩이 스테인리스강 생산에 사용되는 황 함량을 사용하기 때문에 탈황 작업이 더 쉬워졌습니다. 일반적으로 0,001-0.003%의 황 수준에 도달합니다. 의료용 보철물과 같은 최고 품질의 제품의 경우 2차 재용융 및 정제를 통해 불순물 수준을 더욱 낮출 수 있습니다. 그들은 경사(응력 하에서 점진적인 신장)에 맞서 싸워야 하는 가스 터빈 블레이드를 생산하도록 설계된 기술을 사용합니다.
그러나 황 함량이 매우 낮으면 놀라운 단점이 있습니다. 강철은 광범위한 가공이 필요한 부품에 적합하지 않습니다. 여기에서는 황화망간의 윤활 효과가 필요하므로 0.3% 황에서 증기 정화가 일반적입니다. 그러나 그러한 재료는 내식성이 좋지 않을 수 있으므로 합리적인 취급을 허용하는 제어된 황 수준(약 0.02 ~ 0.03%)으로 절충하는 것이 바람직할 수 있습니다. 황 함량으로 용접도 더 쉽습니다.
Ryan et al.의 연구 결과 중 하나입니다. 크롬을 고갈된 영역으로 다시 분산시키도록 설계된 비전통적인 열처리 방법으로 스테인리스강의 내식성을 개선할 수 있다는 것입니다. 합금 수정도 가능하지만 비용이 많이 들거나 기계적 특성이나 용접성에 영향을 줄 수 있습니다. 이와 관련하여 Fe-Cr-Ni의 가단성은 덜 유연한 Fe-Cr 등급보다 더 심각한 문제이며, 여기에 티타늄을 추가하여 황을 "결합"하여 황화망간이 혼입되는 것을 방지할 수 있습니다.
또한 스테인리스 스틸 표면 처리 기술을 재평가해야 합니다. 현재 많은 제품이 산으로 처리된 다음 단단한 폴리머 브러시 또는 퍼그로 분쇄됩니다(많은 독자는 강철과 브러시를 모두 사용합니다). 일부 제품은 수소와 질소의 혼합물에서 가열하는 '밝게 경화'됩니다. 냉간 압연은 이 유출수 전후에 표면을 개선하거나 패턴을 도입하는 데 사용할 수 있습니다.
미시적 수준에서 이 처리 전반에 걸친 망간 황화물의 표면 근처 거동에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다. 그러나 Ryan et al. 고해상도 현미경 및 분석 방법은 부식 모니터링에 대한 새로운 전기화학적 접근 방식으로 보완되어 작업 및 부식을 제어하는 데 사용할 수 있습니다. 불순물의 영향을 이해하고 통제하면 제한된 금속 자
원을 보존하는 데 도움이 되는 스테인리스강 기본 등급이 더 광범위하게 적용되지 않아야 할 이유가 없습니다.