부식의 종류, 부식의 원리, 스테인리스강부식, 틈부식, 알루미늄 부식, 주철 부식, 주철의 내식성

 

1. 개요

 

1) 부식의 정의

 금속부식이란, 1) 수중, 대기 혹은 가스 중에서 금속의 표면이 비금속성 화합물로 변하거나 2) 화학약품에 의해 3) 혹은 기계적 작용에 의한 금속의 소모를 금속부식이라 한다 (일반적으로 화학작용은 Corrosion, 기계적 작용은 Errosion) 

이러한 부식현상은 금속재료의 성능과 수명을 크게 저하시킬 수 있기 때문에, 금속재료를 사용하는 모든 분야는 항상 부식방지에 대한 대책을 강구해야 함

부식이란?

 

2) 부식의 원리, 부식의 원인 

금속 조성, 조직, 표면상태, 내부응력 등이 영향을 줄 수 있음 

(1) 외적 요인

① 금속조직 : 일반적으로 단종 합금이 다종 합금보다 내식성이 좋음 (단일상 오스테나이트 조직은 내식성이 좋음)

② 가공의 영향 : 냉간가공은 결정 구조를 변형, 결정 입계에 뒤틀림을 야기하여 뷕 속도에 영향. 표면 조도 또한 부식과 연관 (대기 중과 같이 약한 부식 환경에서는 표면을 매끄럽게 하는 것이 효과적임)

③ 열처리 영향 : 풀림열처리는 내부 잔류응력을 제거하여 내식성을 향상시킴

(2) 내적 요인

① pH의 영향 

pH4~7의 물 환경에서는 철 표면이 수산화물의 피막으로 덮여 산소의 산화작용에 의해 결정되지만, 그 이하의 산성환경에서는 산성물에 피막이 용해해버리므로 수소 발생형의 부식이 발생함

 

② 용해 성분의 영향 

AlCl3, FeCl3, MrCl2와 같은 염화물은 가수분해하여 산성이 되고, 일반적으로 부식성이고 동일 pH값을 갖는 산류의 부식성과 유사 
NoCO3, Na3PO4등과 같이 가수분해하면 알칼리성이 되는 염기류는 부식 제어력이 있음 
산화염(KMnO4, Na2CrO4등)은 부동상태에 도움이 되 부식억제제로 사용됨

 

③ 온도의 영향

개방용기에서는 온도가 증가할수록 부식이 촉진됨 (반응속도가 증대)

(3) 기타 요인 

① 아연에 의한 철의 부식 (아연이 급격히 용해하며 전위차에 의한 부식 발생)

② 동이온에 의한 부식 

③ 이종금속 접촉에 의한 부식

④ 용존산소에 의한 부식

⑤ 탈아연현상에 의한 부식

⑥ 응력에 의한 부식

⑦ 온도차에 의한 부식

⑧ 유속에 의한 부식

⑨ 염소 이온, 유산이온, 유리탄산에 의한 부식

⑩ 액의 농축에 의한 부식 

 

3) 부식의 영향 

금속재료의 강도를 약화시킴
직접적인 강성에 영향을 줌 (단면적이 작아짐) 

 

 

2. 부식의 구분

 

1) 부식의 종류 

• 전면부식
• 국부부식
• 갈바닉부식 (이종금속접촉에 의한 부식)
• 전식
• 극간부식(틈새부식, 틈부식)
• 입계부식 (Intergranular Corrosion)
• 선택부식
• 응력부식
• 찰과부식
• 침식부식
• 캐비테이션부식

 

2) 부식의 구분

(1) 전면부식

동일 환경 조건에 접해 있는 금속 표면에 시간이 경과함에 따라 겨의 균등하게 소모 되어 가는 경우. 
금속재료의 두께를 사용 기간에 따른 예상 부식 두께를 고려하여 선정하여 부식에 대처할 수 있음 
( ex. 기체가 함유된 물속의 철, 바다 속 철근 구조물 등)

전면부식은 전체적인 강도와 강성에 영향을 줘 큰 사고로 연결될 수 있음 (보일러 등). 
또한 균일하게 발생하는 전면부식(2번째 사진 등)은 육안으로 발견하기 어렵기 때문에 특히 주의가 필요함 

전면부식의 형태

전면부식의 형태

 

(2) 국부부식(Localized Corrosion), 공식 (Pitting Corrosion) 

금속 자체의 재질, 조직, 잔류응력 등의 차이로 인해 금속 표면의 부식이 전체적으로 나타나는 것이 아닌, 일부분에 공상 혹은 구상으로 진행되는 경우. 특히 구멍 형태로 나타나는 것을 공식(Pitting Corrosion)이라 함 
(ex. 해수 속 스테인리스 스틸) 

공식의 원리

• 보통 페인트(도장)나 부동태 처리 등이 되어있으면 부식이 발생하지 않으나, 해당 처리 일부분에 스크레치나 기타 기계적 충격으로 벗겨지면 벗겨진 부분에 집중적으로 부식이 발생하기 시작함 
• 이렇게 되면 Anode구역은 매우 작지만, Cathode구역은 물(전해질)이 있는 모든 부분이 되기 때문에 부식의 속도가 훨씬 빨라짐 
• 이는 전면부식보다 더 심각한 결과를 초래함 (전자를 가져올 수 있는 부분이 도장이 벗겨진 국부적인 부위밖에 없기 때문에) 

파에프에 생긴 공식, 정상적인 파이프의 역할을 할 수 없음, 네이버 블로그

 

 

(3) 갈바닉부식 (이종금속접촉에 의한 부식)

이종 금속이 서로 접촉해서 전해질 환경 (ex. 수분, 소금물 등)에 존재할 때 발생하는 현상, 전지작용과 흡사 
이반적으로 이종의 금속이 붙은 기계 구조물 (흔히 플랜지 등에 볼트 - 너트 체결)에서 쉽게 볼 수 있음 

갈바닉 부식 (Galvanic Corrosion), 이종재료 부식

 

(4) 전식

외부전원에서 누설된 전류에 의한 부식 
직류의 단선 가공식 전철 레일에서 누설한 전류에 의해 지중 매설관이나 철말뚝이 국부적으로 부식될 수 있음

 

(5) 극간부식(Crevice Corrosion, 틈새부식, 틈부식)

금속체끼리, 혹은 금속체와 비금속체가 근소한 틈새를 두고 접촉하고 있을때 해당 부위에 전해질 수용액이 침투되어 농염 전지 또는 전위차를 구성하여 그 양극부에 역할을 하는 틈새 속에서 급속하게 발생하는 부식 현상 
해당 틈이 30미크론 이내면 틈부식이 발생하지 않음 

틈부식의 원인
: 틈에서의 산소 부족, 틈에서의 산성도 변화, 틈에 부식성이 강한 이온이 축적, 틈에서 부식억제제가 결핍 

틈부식 방지 방법 
① 맞대기 용접
② 용액이 정체되는 부분이 없게 설계
③ 장치의 수시 점검, 부유물 퇴적 제거
④ 고체 부유물들을 공정 시작단계에서 제거
⑤ 공장이 장기간 가동을 멈출때는 습윤충진물질을 제거
⑥ 가능한 균일한 환경 유지 
⑦ 비흡수형 고체 가스켓 사용 
⑧ 배관부분에 관을 끼우는것이 아닌 용접 실시 (틈 제거) 

틈부식 예시, 네이버 블로그

구조물의 미세한 틈에 전해질이 고여있을때 발생한다

강판 접합부에서 생길 수 있는 틈부식, 네이버 블로그

• 자동차 강판을 접합한 부분은 아주 미세한 틈이 생기게 되고, 이는 도장이 제대로 안될 수 있음
• 해당 부위에 도장이 제대로 안되었을때 외부 물기 등이 쌓이게 되면 전해질에 계속 노출되어있어,급속하게 부식이 발생하고 이는 결국 관통부식으로 이르게 됨  

 

(6) 입계부식 (Intergranular Corrosion)

금속의 결정이자 간 경계에서 선택적 부식이 발생하여 이 부식이 입자 간(결정립)을 따라 내부로 진입하는 부식현상 
물체에 입자부식이 일어나면 기계적 강도가 현저하게 저하함 

스테인리스의 경우 예민화 온도 구간에서 유지하게되면, 크롬 탄화물이 형성되어 크롬 성분이 부족해져 입계부식을 유발한다

스테인리스의 용접성, 용접 대책

스테인리스강의 열처리, 스테인리스강 소성가공 (가공경화), 스테인리스강 용접, 오스테나이트

 

(7) 선택부식

어떤 재료의 합금 성분 중 일부 성분만이 용해하고 부식하기 힘든 금속성분이 남아서 강도가 약한 다공상의 재질을 형성하는 부식 
예를 들어, 황동(구리 + 아연 합금)에서 탈아연 현상에 의해 구리만 빼고 아연이 부식되어 없어지고, 이로 인해 약해진 강성/강도로 인해 급격한 수압 변동에 의해 터져버릴 수 있음 

 

(8) 응력부식, 응력부식균열(SCC; Stress Corrosion Cracking)

재질 내부에 응력이 공존하게 되면 급격하게 부식되거나 갈라질 수 있음 

응력부식균열 (SCC; Stress Corrosion Cracking)

 

(9) 찰과부식

재료의 입자가 접촉해 있는 경계면에서 극소, 근소한 상대적 슬립에 의한 손상을 의미 

 

(10) 침식부식

유동에 의한 침식과 관련된 부식 (도장의 박리 등)
난류가 발생하는 부분, 혹은 유속이 빠른 부분에서 집중적으로 발생 
유체 진행방향에 따른 홈이 나타남

 

(11) 캐비테이션부식

빠른 유속의 액체에서 압력은 감소하게 되고, 이때 압력이 해당 액체의 포화증기압 이하가 되면 기포가 발생하게 됨. 그러면 다시 압력이 상승하게 되며 기포가 붕괴하게 되는데, 기포가 붕괴하면서 충격파가 발생하게 되는데 이를 케비테이션 현상이라고 함 
해당 기포는 금속의 부식을 방지하는 산화물을 제거시켜 부식을 촉진한다 

 

3. 부식에 대한 고찰

 

1) 부식 방지 대책 

크게 아래 세가지로 나뉜다
① 방식피막 형성 : 재료를 부식제(전해액)로부터 차단(환경차단)
② 전기화학적 부식, 국부 전지의 형성을 방지 
③ 인공적 방법에 의해 전기화학적으로 부식 방지 

방식, 방청, 부식 방지, 부식 대책

철저한 부식 방지 대책의 고민은 설계자로서의 기본 덕목이다

 

산화피막, 흑색산화피막 (black oxide coating)

인산염 피막처리 (Phosphating)

https://romanticdeer.tistory.com/entry/아연도금-크로메이트-처리

금속침투법 (metallic cementation), 세라다이징, 칼로라이징, 크로마이징, 규소침투법, 보로나이징

 

 

2) 스테인리스스틸의 부식 

스테인리스는 기본적으로 함유하고 있는 Cr로 인해, 외부 표면에 얇은 산화크롬피막이 형성되고, 이는 부동태의 성질을 가지고 있어 스테인리스의 부식을 방지헤줌

다만, 해당 피막이 물리적, 화학적 충격에 의해 벗겨진 뒤 해당 부위에 국부적으로 부식이 생긴다면 공식 (pitting corrosion)이라던지, 틈부식(crevice corrosion)등이 생길 수 있음

또한, 자연 상태에서 생기는 산화피막의 경우, 면에 유지나 오염물이 있을경우 산화크롬피막이 균일하게 생기지 않아 부식이 발생할 수 있음. 

부동태화(Passivation)은 스테인리스강이 공기 또는 기타 산소가 있는 환경에 노출될 때 화학적으로 비활성인 피막을 자발적으로 형성하는 과정임. 결국 자발적으로 생기게 하기 위해서 외부 스케일이나 유지, 불순물들을 제거해주는 것임

스테인리스 부동태처리 (Passivation treatment)

스테인리스의 용접성, 용접 대책

스테인리스강의 열처리, 스테인리스강 소성가공 (가공경화), 스테인리스강 용접, 오스테나이트

강재 분류; 탄소강, 합금강, 특수강, 비조질강, 조질강, 듀얼페이스강, 스테인리스 강(듀플렉스강

 

3) 알루미늄의 부식

알루미늄은 기본적으로 표면에 산화피막이 만들어져있어 (Al2O3, 알루미나), 부동태 역할을 해주기 때문에 부식에서 보호가 될 수 있음. 

일반적으로, 자연적으로 생기는 알루미나는 그 두께가 제각각이고 표면에 이물질 등이 있으면 균일하게 형성이 되기 어렵기 때문에, 아노다이징 처리 등을 통해 균일한 알루메이트를 형성시키는 작업을 통해 내식성을 확보함 

또한, 순수 알루미늄보다 Cu, Mg 계열을 첨가한 알루미늄 합금을 사용하는것이 내식성 측면에서 유리 

알루미늄의 부식은 전면부식보다는, 국부적으로 부동태피막이 벗겨지면서 생기는 부분 부식으로 발생할 수 있으며, 산성이나 알칼리성 환경에서 주로 부식이 발생함 

또한, 갈바닉 부식 등이 대표적일 수 있는데, 알루미늄 모재에 그대로 탭을 내서 스테인리스 볼트로 체결을 하면 그 틈으로 소금물 등이 들어가서 고여있으면 틈부식, 갈바닉 부식이 생길 수 있음 (이온화 경향 알루미늄 > 철) 

공기 중 축축한 환경에 알루미늄을 그대로 방치하면, 알루미나 피막 위에 수화 산화물이 생길 수 있는데, 이 수화 산화물은 색상이 흰색으로 보통 백녹이라고 부름 
알루미늄에 부식이 생기면 거의 수화 산화물 (백녹)을 떠올릴 수 있음 

백녹으로 추정되는 현상, 모카포트, 네이버

알루미늄 부식, 백화현상, 네이버 블로그

양극산화피막, 양극산화처리, 아노다이징 (Anodizing), 알루메이트, 알루미늄 표면처리

주조용 알루미늄 합금, 다이캐스팅 알루미늄 합금, 중력주조, AC4C, A356, ADC12

알루미늄 합금 구분, 알루미늄 합금 열처리 종류 구분, 열처리 기호

알루미늄 합금(Al-Cu, Al-Si), 알루미늄 합금 열처리, 시효경화 열처리, 시효(aging)

 

 

4) 주철의 부식

<주철의 내식성>

주철은 일반적으로 강보다 내식성이 높은 것으로 알려져 있습니다. 이는 주철의 고유한 미세구조와 합금 성분 때문입니다.
- 고탄소 함량: 주철은 탄소 함량이 2-4%로 높아, 탄소와 철이 결합한 흑연이 형성됩니다. 이 흑연은 부식 과정에서 보호막 역할을 하여 부식의 확산을 줄여줍니다​
- 미세구조: 주철은 주로 펄라이트와 페라이트로 구성되며, 흑연 플레이크가 포함되어 있어 부식이 국부적으로 발생합니다. 이는 부식이 전체적으로 확산되는 것을 막아줍니다​
- 합금 성분: 주철에는 종종 실리콘, 망간, 크롬 등의 합금 원소가 포함되어 있어 내식성을 더욱 향상시킵니다​

 주철이 직접적으로 동일 합금성분의 주강보다 내식성이 좋다는 자료는 직접적으로 찾기 어려움 
 하지만, 주철에 특정 합금 원소를 첨가하면 스테인리스와 필적하는 내식성을 가질 수 있다는 논문은 여럿 있음 (W, Ti 등) 

주철의 부식이란?

Improvements in Wear and Corrosion Resistance of Ti-W-Alloyed Gray Cast Iron by Tailoring Its Microstructural Properties
https://www.mdpi.com/1996-1944/17/10/2468#B4-materials-17-02468

회주철(GCI)의 향상된 기계적 특성과 더불어 내마모성과 내식성 개선은 다양한 산업 응용 분야에서 주철의 수명을 연장시키는 중요한 요소입니다. 이 기사에서는 티타늄(Ti)과 텅스텐(W) 첨가물을 합금하여 회주철의 미세구조를 조정한 결과, 기계적 특성, 내마모성 및 내식성이 개선되었습니다. 결과에 따르면, 합금된 GCI 미세구조에서 A형 흑연 플레이크 외에 B형, D형, E형 흑연 플레이크의 핵생성이 관찰되었습니다. 또한, 펄라이트와 페라이트의 비율이 67/33에서 87/13으로 개선되었고, 최대 흑연 길이와 평균 입자 크기가 각각 356 ± 31 µm에서 297 ± 16 µm, 378 ± 18 µm에서 349 ± 19 µm로 감소하였습니다.
이로 인해 합금된 GCI의 기계적 특성 및 내마모성, 내식성이 향상되었습니다. 브리넬 경도(BHN)가 213 ± 7에서 272 ± 8로, 항복 강도(MPa)가 260 ± 3에서 310 ± 2로, 인장 강도(MPa)가 346 ± 12에서 375 ± 7로 각각 크게 향상되었습니다. 합금된 GCI의 마모율이 8.49 × 10−3 mm^3/N.m에서 1.59 × 10−3 mm^3/N.m으로 크게 감소하면서 표면 거칠기 품질이 297.625 nm에서 192.553 nm로 개선되었습니다. 부식 전위가 −0.5832 V에서 −0.4813 V로 증가함에 따라 합금된 GCI의 임피던스가 1545 Ohm·cm^2에서 2290 Ohm·cm^2로 증가했습니다.
실험 결과를 바탕으로, 합금된 GCI의 신뢰성이 실험적으로 검증된 미세구조 조성을 기반으로 엄격한 마모 및 부식 환경에서 플랜트 및 부품 운영 중 보장될 수 있음을 제안합니다. 따라서 제안된 합금 GCI 부품이 마모 및 부식 환경에 취약한 첨단 부품의 조기 고장을 방지할 수 있을 것으로 예상됩니다.

Corrosion of Cast Irons

이 글은 주철의 다섯 가지 기본 매트릭스 구조인 페라이트, 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트, 오스테나이트에 대해 설명합니다. 주철의 내식성을 향상시키기 위해 사용되는 합금 원소로는 실리콘, 니켈, 크롬, 구리, 몰리브덴, 바나듐, 티타늄이 검토됩니다. 또한 내식성을 기준으로 주철의 분류에 대한 정보도 제공합니다.
주철에서 발생하는 다양한 형태의 부식에는 흑연 부식, 마찰 부식, 핏팅 및 크레비스 부식, 입계 부식, 침식 부식, 미생물 유발 부식, 응력 부식 균열이 포함됩니다. 일반적인 부식 환경에 적합한 주철도 논의됩니다.
이 글은 주철의 내식성을 높이기 위해 사용되는 코팅 종류(금속, 유기, 변환, 에나멜 코팅)를 검토하며, 부식 방지 서비스를 위해 주철을 선택하기 전에 고려해야 할 기본 매개변수에 대해 설명합니다.

주철은 철(Fe) 재료의 큰 합금 군을 지칭하는 표준 용어입니다. 주철은 주로 철(Fe) 합금으로, 2% 이상의 탄소(C)와 1% 이상의 실리콘(Si)을 포함합니다. 원자재의 저렴한 비용과 상대적으로 쉬운 생산 공정 덕분에 주철은 비용 효율적인 공학 재료로 사용됩니다. 주철은 우수한 유동성과 비교적 낮은 용융점 덕분에 복잡한 형상으로 주조될 수 있습니다. 또한, 내식성과 강도를 향상시키기 위해 합금화될 수 있습니다.
적절한 합금화가 이루어지면 주철의 내식성은 스테인리스강이나 니켈(Ni) 기반 합금의 내식성에 필적하거나 이를 초과할 수 있습니다. 이러한 저비용 공학 재료에서 우수한 특성이 얻어지므로, 주철은 내식성이 필요한 환경에서 광범위하게 사용됩니다. 주철이 사용될 수 있는 내식성이 필요한 서비스 환경에는 물, 토양, 산, 알칼리, 염수 용액, 유기 화합물, 황 화합물, 액체 금속 등이 포함됩니다. 일부 경우에서는 합금화된 주철이 장비 제조를 위한 유일한 경제적 선택이 될 수 있습니다.

 

합금강, 철강, 강 합금 원소별 성분에 따른 성질과 특징 (철강 5대원소; C, P, S, Si, Mn), 합금원소(Mg,

주철의 종류, 주철 명칭 KC규격, 합금성분의 성질, 주철형성과정, 주철의 성장, 주철의 수축

 

주철의 3원소, 합금주철의 합금성분별 역할