수소취성(Hydrogen embrittlement), 수소지연파괴, 수소균열, 수소의 영향

수소취성이란?

<기출 - 금속재료>

18-2-2	2. 수소취성에 대하여 쓰고, 방지방법에 대해서 설명하시오.
17-4-5	5. 수소취성(수소균열)에대하여설명하시오.
22-4-5	5.강의수소지연파괴에대하여설명하고발생원인과특징,방지대책에대하여설명하시오.

 

1. 개요

 

1) 수소취성(Hydrogen embrittlement)의 정의

여러 가지 이유로 수소가 금속에 흡수되면 금속의 격자에 변화가 생기면서 결정이 약해진다. 강철 등의 금속 재료에 수소약화가 일어나면 큰 기계나 구조물이 파괴되는 등 심각한 안전사고의 원인이 되기도 한다.
금속부식과 함께 진행되기도 하는데 부식을 일으키는 전기화학적인 반응이 수소약화의 원인이 되기도 하며, 또한 
수소취성은 부식 특히 응력부식(stress corrosion)을 촉진하는 하나의 원인 기구이다.

수소취성은 수소가 물질에 흡수하여 연성이 감소하고, 균열에 대한 감수성이 증가해 파괴 인성이 감소하는 현상을 뜻함
최근 수소의 사용이 증대하면서 (수소전기자동차 등) 이를 생산, 운송, 저장 및 소비를 하는 장비가 늘어나고 있고 이는 모두 수소취성이 생길 가능성을 염두해두고 설계가 필요하다 

고압의 수소는 강재에 수소 취화 파괴를 유발하기 때문에 수소 배관은 수소 취화에 대한 높은 저항성이 요구된다. K1H(Minimum threshold stress intensity factor)는 수소 취화 저항성을 판단하는 대표적인 지표로 수소 배관의 품질 평가에 기본적으로 요구되는 물성 중 하나 (철강금속신문)

최근 초고강도 소재를 많이 이용하고 있는데, 초고강도강에서는 부품 성형 후 일정시간 이후 균열이 발생하고 파면을 관찰할때 입계파괴(Intergranular fracture)이 관찰되며, 이때 파면에 미세균열(Hairline crack)이나 미세기공이 있을때 수소취성이라 생각을 한다. 초고강도강의 경우, 표층에서 몇 마이크로깊이의 균열만 생겨도 이곳으로 응력 집중이 발생할 수 있고, 이후 용접에 의한 잔류응력이나 비드 형성부분도 파단 개시 인자로 작용할 수 있어 특히 주의가 필요하다. 

수소취성으로 인한 금속 파단은 그 즉시 발생하는 것이 아니라, 몇시간에서 몇 주 후에 발생하므로 제조 공정 혹은 품질 검사 중에 수소 취성을 파악하는것은 불가능에 가까우며 이를 보고 수소지연파괴라 하기도 함.

수소취성 개략도

수소취성의 판단, 파면에 미세균열이나 미세 기공을 확인. "A STUDY ON HYDROGEN EMBRITTLEMENT RESEARCH ON AUTOMOTIVE STEEL SHEETS"

금속의 취성; 저온취성, 뜨임취성, 수소취성, 청열취성, 적열취성, 상온취성, 취성-연성 천이 온

열간 프레스 성형, 핫 프레스 포밍 (Hot Press Forming), 핫스탬핑(hot stamping)

 

2) 구리(Cu)의 수소취성

타프피치동을 예시로 들면 타프피치동은 산소 함량이 약 0.02~0.04%정도 존재한다
Cu-Cu2O계 평형상태도를 보면, 약 3.4%의 공정이 되어 Cu2O가 주괴 속에 망상으로 존재하다, 이를 가공하면 Cu2O상은 미립화되어 분산한다. 해당 상이 많을수록 구리의 가공성은 나빠지고 표면의 광택 또한 줄어든다. 
이때 Cu2O를 품은 구리합금을 환원성의 가스(수소가스를 함유하고 있는 가스) 중에서 가열하면 H가 Cu중에 확산 침입하여 Cu2O를 환원시켜 수증기를 발생시킬 수 있는데 (Cu2O + H2  → 2Cu + H2O) 해당 수증기는 고압으로 기포를 형성하거나, 혹은 작은 균열(hair crack)을 많이 발생시킨다. 

해당 현상을 구리의 수소 취성  (hydrogen embrittlement)라 한다
이 균열은 추후 구리를 가공시(압연 등) 더욱 심한 crack을 발생시키기 때문에 가공이 곤란하며, 수소 분위기에서 사용할때는 산소 함유량이 적은 무산소 등을 사용할 필요가 있다. 

구리(Cu), 구리합금, 황동(brass), 청동(bronze)

구리, 구리합금의 용접성, 용접 대책

 

3) 용접부 및 기타 수소취성

용접을 실시할때, 주변 환경의 영향을 받아 용접부에 수소가 침입할 수 있고 이는 수소취성을 발생시킬 수 있다. 
용접부에 용해한 수소는 기공, 비드 밑 균열, 은점, 선상 조직 등 여러 결함의 원인이 되기 때문에 용접 금속 중 용해되는 수소량의 측정은 중요한 시험법에 해당함
수소취성은 도금 전처리 공정, 혹은 재료의 부식환경에서도 발생할 수 있음 

수소저장용기를 만들때 용접을 많이 사용하는데, 아래와 같은 사항을 유의하여 설계가 필요하다 

- 저장용기 및 배관의 재질은 킬드강(Killed carbon steel) 이상 재질을 사용
- 용접 후 초음파탐상시험, 방사선투과시험 등 비파괴시험 실시
- 고장력강 사용시 국제규격(혹은 KS규격)에 따른 금속재료 충격시험을 실시
- 용접 에열, 후열처리, 비파괴검사 등은 국제규격을 따를 것 

판의 두께가 두껍고 구속이 크거나, 노치인성이 요구되는 경우, 탄소량이 증가한 경우(중탄소강 등) 저수소계 계통의 용접봉을 사용해야하고 100-200도에서 예열하거나 후열처리 또한 고려해야함 

주조 / 용접 비파괴 검사 정리 / 라멜라균열 (라멜라조직, 로드조직)

반응형

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

<저수소계 용접봉 : E4316>

피복제를 탄산칼슘(CaCO3), 불화칼슘(CaF2)등을 주성분으로 사용한 것. 용착금속 중 수소 함유량이 다른 용접봉에 비해 1/10정도로 현저하게 적고 강력한 탈산 작용으로 산소량도 적어 용착 금속의 강인성이 풍부하고 기계적 성질, 내균열성이 우수함
피복제는 습기를 흡습하기 쉽기 때문에 사용하기 전에 300~350℃ 정도로 1~2시간정도 건조시켜 사용해야 함

 

4) 수소 취성의 확인 

일반적으로, 강재에 항복강도의 80-100%정도를 인가한 상태에서 수소가 강재에 혼입되도록 HCl 수용액 등에 침지해둔 뒤 일정시간 내 지연파괴가 발생하지 않으면 해당 부품은 수소지연파괴가 발생하지 않는 부품이라 판단하는 식이다. 
(혹은 응력이 인가될 수 있도록 assembly 상태로 만든 뒤 산에 침지하여 일정시간동안 관찰하여 지연파괴가 발생하는지 관찰한다)

 

2. 수소취성의 원인과 대책

 

1) 수소취성 주요 원인

수소는 원자 크기가 굉장히 작아 (1옴스트롱 이하) 금속 원자 사이로 침투가 용이하며, 수소 취성은 재료의 강도가 클 수록 극미량의 수소에 의해서도 발생할 확률이 높아짐
침입한 수소 원자는 강내부에 용해되어 존재하거나, 결정립계, 미세공극 등에 침투하여 존재하며, 이 상태에서 외부적 응력을 받게 될 경우 취약한 부분부터 수소에 의한 응력이 더 커지게 되고, 이는 micro-crack을 유발하여 결국 재료의 파괴를 발생시킴
(내부 공공, 결자결함, 결정립 등에 모두 침투를 하기 때문에 입내, 입계 모두 파괴될 수 있음)

수소가스환경, 도금, 열처리, 부식환경 

강재의 수소취성은 표면 도금의 종류, 두께 및 균열의 유무에 영향을 받음 
(도금이 있으면 혼입되는 수소량이 줄어들기 때문에 도장라인에서 수소가 거의 혼입되지 않으나, 도금이 존재하지 않으면 전착반응이나 인산염피막처리반응에서 일정량의 수소가 혼입됨)
아연도금의 경우, 아연층이 부식되며 전위를 변화시켜 강재내로 수소를 혼입시킬 수 있음 

• 수분이 많은 환경 : 수분이 많은 환경에서 사용시 수소와 재료가 부식을 일으켜 수소가 침투 (수소 환경) 
• 도금 전처리 과정(산세, 전해탈지 등) : 도금액 중 수소가 금속석출과 함께 석출
  (음극에 걸려있는 제품 - 음극 전해 탈지 등 에서는 수소원자가 발생하여 표면에 침투할 수 있음
• 부식 반응에서 발생기 수소 생성, 확산 및 음극 반응(산화과정 중 재료에 수소가 침투)
• 제강 공정 중 수소 유입
• 미흡한 열처리 과정 : 열처리 부족으로 강재 내 수소가 완전히 배출되지 않음

수소의 침입, "A STUDY ON HYDROGEN EMBRITTLEMENT RESEARCH ON AUTOMOTIVE STEEL SHEETS"

 

아연도금(zinc plating, galvanizing) , 크로메이트(chromate), 크로뮴산염처리

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

 

2) 수소취성 방지 대책

도장공정을 예로 들면, 전착도장을 경화하는 건조 공정(약 150-200도)에서는 이전 공정에서 수소량이나 잔류응력 관리만 잘 되어진다면 수소취성발생 가능성은 낮다. 

하지만 소비자 사용 환경 (특히 부식환경)에서 수소가 혼입될 수 있고, 부품에 가해지는 응력 또한 주행 환경에 따라 증가될 수 있기때문에 수소 취성 발생에 주의해야한다. 

• 도장 : 수분의 접촉 회피
  수소 유입에 장벽 역할을 하는 코팅, 혹은 표면처리 적용
• 베이킹처리 : 수소가 침투된 경우, 약 200도에서 2~4시간 베이킹처리시 탈수소가 가능함
• 음극 방식 : 전해를 이용한 도금 및 탈지시 음극 대신 재료에 양극을 주어 수소이온(H+)의 침투를 방지
• 산처리를 할때는 되도록 짧은 시간만 산세 실시 (되도록 산처리 대신 다른 방식 이용 - 기계적 녹 제거 등)
• 용접시 저수소계 용접봉을 사용
• 용접 전 예열처리로 수분 제거
• 용접 후 탈수소 처리

3. 참고자료

2024.11.19 - [Mechanical Engineering Study/열처리 | 금속재료] - 침입형 고용체, 치환형 고용체, 규칙격자형 고용체, 흄-로더리 법칙, 금속간화합물

오스테나이트계 스테인리스의 용접 대책, 슈퍼오스테나이트계 스테인리스

금속의 강화기구, 금속조직(결정립) 미세화 방안, 석출강화, 고용체강화, 가공경화

압연가공(rolling), 압연 결함, 압연기 구분, 압하율, 압연 조건, 압연영향요소