High Mn-N stainless steels (SSs) are being developed to replace the expensive austenitic stainless steels (γ-SSs), containing high Ni content (7-20 wt.% Ni). These steels contain 6-11 wt. % Mn (γ-stabilizer) which is 6 times cheaper than Ni at an equivalent weight. But Mn is not as effective γ-stabilizer as Ni, and also decreases the corrosion resistance significantly. These problems can be solved by combining Mn with N in these stainless steels. Nitrogen, in addition of functioning as an austenite stabilizer, improves the resistance to localized corrosion. However, effects of N on corrosion properties of SSs have been still in controversy, and effects of Ni of stainless steels containing low Ni content have not been studied. Because N content in stainless steels is 0.1~0.2 wt.% due to the difficulty of making an alloy with high concentration N. And the effects of Ni on the corrosion properties of the austenitic stainless steels containing high Ni content have been studied well.
In the present study, the effects of N and Ni on the passivity such as the resistance to localized corrosion, the metastable pitting behaviour, the repassivation kinetics of Fe-18Cr-10Mn-xNi(x=1~3)-yN(y=0~0.8) were examined. Also, we examined the effects of N on the crevice corrosion and the relationship between the repassivation potential $(E_rp)$ and the critical crevice potential $(E^c_{cre})$ such as the compartmentalized cell test of Fe-18Cr-10Mn-1Ni-xN(x=0, 0.8).
Potentiodynamic polarization tests were performed at a scan rate of 1 mV/s, and metastable pitting events density was determined in terms of electrochemical noise analysis (ENA) at 25℃ in 0.2M NaCl solution under potentiostatic condition $(-100 mV_{SCE})$. Repassivation rate was measured by rapid scratching electrode test at 25℃ in 0.1M NaCl solution at -100 $mV_{SCE}$. Compartmentalized cell test was performed at a scan rate of 0.002 mV/s and scan increase of 20 mV at a 80 ℃ in 0.5M NaCl solution. Repassivation potential was measured by cyclic polarization test at 80 ℃ in 0.5M NaCl solution.
The addition of Ni to Fe-18Cr-10Mn-0.3N have no significant effect on the resistance to localized corrosion and repassivation rate. But, the increase in Ni content of the alloys increases the resistance to metastable pitting.
The addition of N to Fe-18Cr-10Mn-1Ni enhances the resistance to localized corrosion as well as the resistance to metastable pitting. Further, the increase in N content of the alloys increases the repassivation rate and the resistance to crevice corrosion.
The repassivation potential measured from the cyclic polarization test is effective as a measure of critical crevice potential. Repassivation potential can be used as a parameter associated with the resistance to crevice corrosion. Above the repassivation potential, crevice corrosion occurs. But, blow the repassivation potential, crevice corrosion did not occur.
오스테나이트 스테인리스강은 내식성, 성형성 및 용접성이 우수하여 구조용 내식 재료 로 다양한 부식 환경에서 폭넓게 사용되고 있다. 최근 세계적으로 Ni 가격이 급등하고 있어, 기존 오스테나이트 스테인리스강의 Ni (7~20 wt.%) 함량을 줄이고 이를 다른 원소로 대체하려는 연구가 주목받고 있다.
Ni은 오스테나이트 안정화 원소로써 Ni 함량에 따라 스테인리스강을 페라이트 스테인리스강, 오스테나이트 스테인리스강 및 듀플렉스 스테인리스강으로 분류할 수 있다. Ni을 대체할 수 있는 원소에는 Mn, C, N, Co, N 등이 있으며[1] 그 중 값이 싼 Mn과 N이 Ni 대체 물질로 각광받고 있다.
Ni은 스테인리스강의 저온취성 저항성을 향상시키는 반면 국부부식 저항성에는 영향을 주지 않고, Mn은 N 용해도를 증가시키고 저온에서 스테인리스강의 인성을 향상시키는 반면 스테인리스강의 내식성을 떨어뜨린다[2]. N은 스테인리스강의 국부부식 저항성을 증가시키고 강항 오스테나이트 형성 원소이지만, 합금 내에서 용해도가 매우 낮다[3]. 값비싼 Ni 함량을 줄이기 위해서는 N 용해도를 증가시키는 Mn이 N과 함께 합금 내에 첨가됨으로써 그 문제를 해결할 수 있다. 따라서 선진 특수강 회사들을 중심으로 값비싼 오스테나이트 안정화 원소인 Ni을 값싼 Mn과 N로 대체한 고망간-고질소 오스테나이트 스테인리스강의 개발이 활발히 이루어지고 있다(Table I-1). 그러나 N은 스테인리스강에서 N 용해도가 매우 낮기 때문에, N이 내식성에 미치는 영향에 관한 의견이 다양하다. Vanini A.S.[4]는 금속 표면에 음이온을 띄고 있는 $N^{-δ}$가 다량으로 존재하고 있어 부동태 피막을 파괴하는 $Cl^-$의 흡착을 막는다고 보고하였다. 또한 Osazawa K.[5]는 N이 용해되면서 암모니아 이온 $(NH_4^+)$을 형성하여 pH 증가로 인해 재부동태가 잘 일어나 내식성을 향상시킨다고 보고하였다. 따라서 고농도의 N을 함유한 고망간-고질소 스테인리스강을 이용하여 스테인리스강의 내식성에 미치는 N의 영향을 더욱 체계적으로 연구하는 것이 필요하다. 하지만 1 wt.% 이상의 N을 함유한 스테인리스강에서는 입계에서 $Cr_2N$의 비금속 게재물이 형성되어 국부부식 저항성을 저하시키는 원인이 되므로[6], 본 연구에서는 N 함량이 0~0.8 wt.%인 고망간 고질소 스테인리스강에서 N이 스테인리스강의 내식성에 미치는 영향을 체계적으로 관찰하고자 하였다. 그리고 Ni은 스테인리스강의 국부부식 저항성에는 영향을 미치지 않으나, Ni 함량이 8 wt.% 이상이 되면 응력부식 저항성을 향상시킨다[7]. 현재까지 Ni이 스테인리스강의 내식성에 미치는 영향에 관한 연구는 Ni 함량이 7~20 wt.%로 많은 Ni을 함유한 오스테나이트 스테인리스강 및 Ni 함량이 적은 페라이트 스테인리스강 또는 듀플렉스 스테인리스강에서 많은 연구가 수행되었다.
