304 스테인리스강 정밀강관의 내식성은 주로 강재에 일정 농도의 크롬을 첨가한 데 기인합니다. 철 기지 내 크롬 함량이 일정 수준에 도달하면 철의 전극 전위가 급격히 상승하고, 크롬은 표면에 치밀한 산화막을 형성하여 환경으로부터 부식을 방지합니다. 침탄 처리는 304 스테인리스강 정밀강관의 효과적인 표면 강화 방법이지만, 기존의 침탄 공정은 내식성을 저하시킬 수 있습니다.
일반적인 침탄 처리가 오스테나이트 스테인리스강 파이프의 내식성을 저하시키는 이유는 무엇일까요? 고온에서 강관 내의 크롬 원자가 탄소 원자와 쉽게 결합하여 크롬 카바이드(Cr₂O₃)를 형성하기 때문입니다. 이 크롬 카바이드는 침탄층의 오스테나이트 결정립계에 먼저 석출되어 망상 구조를 이룹니다. 크롬 원자의 큰 반경 때문에 내부의 크롬이 표면의 크롬 결핍층으로 확산되기 어려워 표면에 국부적인 크롬 결핍이 발생하고, 스테인리스강의 치밀한 Cr₂O₃ 산화막 보호층 또한 손상됩니다.
따라서 304 스테인리스강 정밀강관이 침탄에 의해 부식되지 않도록 하려면 탄화물이 석출되지 않도록 해야 합니다. 크롬 탄화물은 고온 범위의 특정 온도 범위에서 형성되므로, 탄화물의 생성 및 석출을 방지하기 위해서는 적절한 저온 범위에서 침탄을 수행해야 합니다.
이 온도에서 탄소 원자는 작은 원자 반경과 격자간 확산 메커니즘으로 인해 오스테나이트 스테인리스강의 격자 내로 확산되어 침탄 후 고용체를 형성할 수 있습니다. 반면 철과 크롬 원자는 원자 반경이 더 크기 때문에 교환 메커니즘을 통해서만 확산될 수 있습니다. 충분한 확산 활성화 에너지가 없으면 철과 크롬 원자는 이동할 수 없으므로 크롬 카바이드가 형성되지 않습니다. 크롬 카바이드는 550°C에서 형성되므로 304 스테인리스강 정밀강관의 저온 침탄 처리는 강관의 원래 내식성을 손상시키지 않으면서 표면 강도 및 기타 특성을 향상시키기 위해 550°C 이하의 온도에서 수행됩니다.
주요 공정 단계는 다음과 같습니다. 정밀 스테인리스강 파이프의 표면은 처리 전에 전처리 과정을 거치는데, 이를 합금 표면 활성화라고 합니다. 활성화 공정은 순수 HCl과 N2의 혼합 가스를 사용하여 250°C에서 2시간 동안 진행됩니다. HCl은 오스테나이트 스테인리스강 표면의 크롬 산화물 부동태 피막 구조를 효과적으로 제거합니다. N2를 첨가하는 목적은 대기압 하에서 비산화 환경을 조성하여 기지 내 크롬 원자가 더 이상 산화되지 않도록 하고 부동태 피막의 재생을 방지하기 위함입니다.
이후 470℃에서 20시간 동안 침탄 처리하면 약 70미크론 깊이의 경화층을 얻을 수 있습니다. 미처리 재료와 비교했을 때, LTCSS로 처리된 316 스테인리스강 파이프의 성능은 크게 향상되었습니다. 표면 경도는 기존 400hv에서 1000hv로 증가했고, 피로 한계는 200MPa에서 325MPa로 증가했습니다. 또한, 내식성 측면에서 0.6mol/l NaCl 용액에서의 양극 공식 전위는 +140mV에서 +990mV로 증가했습니다.
요약하자면, 일반적인 침탄 처리는 304 스테인리스강 정밀강관의 내식성을 저하시키지만, 저온 침탄 처리 후에는 원래의 내식성이 유지될 뿐만 아니라 표면 경도와 내마모성이 크게 향상되어 304 스테인리스강 정밀강관의 신뢰성과 수명이 효과적으로 향상됩니다.
게시 시간: 2024년 6월 18일