| 부식의 정의와 종류 |
1 부식의 정의
✓ 외부 환경과의 상호작용에 의한 금속의 퇴화 현상이다. 상호작용은 전자(금속)와 이온(수용액) 이동에 의한 전기 화학적 반응이다.
✓ Cell이 형성되면서 분극이 발생되어 부식이 발생될 수도 있다.
예시)
Zn + HCl→ ZnCl+H
Zn→ Zn + 2e : 양극반응(부식반응), Anodic Reaction
2H + 2e → H : 음극반응, Cathodic Reaction
2 부식 반응 특성
✓ Cell 형성에 의한 분극(Polarization) 형성 시 부식이 발생한다.
✓ 금속 표면에서 양극 음극 반응이 동시에 같은 속도로 발생한다.
✓ 부식은 양극 반응에서 발생한다.
✓ 전자 소모를 발생시키는 음극 반응이 있다.
✓ 음극 반응
| 종류: 수소 발생, 산소 환원, 금속 이온의 환원 | 수소 발생 2H+ + 2e- → H2 (pH가 5 이하 산성 분위기) 2H2O+ 2e- → H2 + 2OH (pH가 6 이상 알칼리 분위기) |
| 산소 환원 | O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (pH가 5 이하 산성 분위기) O2 + 2H2O+ 4e- → 4(OH)- (pH가 6 이상 알칼리 분위기) |
| 금속 이온의 환원 | M(n)+e- → M(n-1) 한가지 이상의 음극 반응이 발생되며, 음극 반응수가 증가할수록 부식속도도 증가한다. |
3 부식의 5요소
✓ 양극 반응
✓ 음극 반응
✓ 전자 전도체(Electronic Conductor): 전자의 흐름이 가능한 전도체
✓ 이온 전도체: 이온전달이 가능한 매체
✓ 폐쇄 회로(Close Loop): 연속적 전자 흐름이 가능한 회로 부식 Mechanism 금속의 용출(금속의 이온화 전자 전도체인 금속 자체로 전자 이동 → 용출된 금속의 전지가 이은 전도체를 통해 주소/산소이온과 결합 수소 발생 혹은 산소 환원(음극 반응) → 방식의 기본 원리: 상기 5 요소 중 하나만 방지한다.
예) Cathodic Protection, Coating, 절연등
4 부식의 종류
✅ Uniform Corrosion(균일부식)
① 금속 표면 전체에 걸친 균일한 부식 발생
② 공정운전에 문제없을 경우 추가적인 부식관리가 불필요할 수도 있다.
✅ Galvanic Corrosion(이성금속 부식)
① 전위차가 다른 두 금속이 접촉시 두 금속간 전위차에 의해 부식이 발생한다.
② 전위가 낮은 금속 표면에는 양극(부식반응), 전위가 높은 금속 표면에는 음극반응이 발생한다.
③ 전위차에 비례하여 부식이 발생되고, 전위차가 약 60mV 이하이면 부식이 발생되지 않는다.
④ 대비책
• 이중 금속이 불가피할 경우는 양극, 음극으로 설계하여 전자밀도 감소를 통해 부식 저감을 검토 한다.
• 용접봉 선택 시 용접봉 전위가 모재보다는 높은 것을 사용한다.
* 주요 Pure Metal의 고유 전위 예시
| 금속 금속이온 평형 (단위 활동도) | 수소전극에 대한 전극전위(25 C, Volts) | |
| ↑ | Au-Au+3 | +1.492 |
| 귀 방향 (음극적) |
Pt-P2 | +12 |
| Pd - Pd* | +0.987 | |
| Ag-Ag+ | +0 799 | |
| Hg - Hg+2 | +0.788 | |
| Cu-Cut | +0.337 | |
| H - HT | 0.000 | |
| Pd - Pd2 | -0.126 | |
| Sn-Sn*2 | -0.136 | |
| NiNi*2 | -0.250 | |
| Co-Cot | -0.277 | |
| Cd - Cd | -0.403 | |
| Fe - Fet2 | -0.440 | |
| CiCrt3 ) | -0.744 | |
| Zn - Zn2 | -0.763 | |
| A - AIF | 1.662 | |
| Mg - Mg"? | -2.363 | |
| 활성 방향 (양극적) |
Na - Na | -2.714 |
| ↓ | K - K | -2925 |
✅ Localized Corrosion(국부부식)
① 유형: 국부적으로 집중 발생한다.
② 부식 사고의 대부분을 차지한다.
③ 내식성 분위기에서는 주로 금속표면에 부동태 피막 (Passivation Film)을 형성해 내식을 하나 만약 특정 부위의 부동태 피막이 파괴될시 집중적 국부 부식이 발생할 수 있다.
✅ Crevice Corrosion(틈새부식)
① 금속 표면의 작은 틈(Crevice)에서 발생한다.
② 작은 틈에 음극반응 매개체인 용존 산소 이온 고갈에 따른 산화 반응인 금속이온 용출이 많아짐에 따라 OH 이온보다 상대적 확산속도가 빠른 CL. 이온 등의 음이온 유입&농축으로 pH 감소에 의한 부동태 피막 파괴로 집중적인 부식이 발생한다.
③ M+CL- + H2O = MOH + H+CL- : 'M'은 Na, K 등 알칼리 금속은 제외한다.
④ 방지책
• 이 작은 틈새 생성을 방지한다.
• 리벳용접 보다는 용접을 실시한다.
• Flange에 Teflon과 같은 비흡수성 Gasket을 사용 한다.
✅ Pitting Corrosion (공식)
① 주로 7족 할로겐이온에 의한 부동태 피막 파괴로 집중적으로 부식이 발생한다.
② 피막 파괴는 표면 결함, 금속 성분의 불균일 등의 특수한 부위에서 선택적으로 진행되고 일단 부식이 시작되면 산화 피막이 있는 모재의 넓이 방향보다 깊이 방향으로 부식이 진행돼 결국 구멍을 내는 형태이다.
③ 공식 발생을 위해서는 최소 음이온 농도 및 온도가 요구된다.
• 최소 음이온농도 온도가 높은 재료일수록 우수한 재료이다.
• SUS 304 경우 CL- 이온 농도가 0.0001Mole 이상이면 공식이 발생한다.
※ 전형적인 Pitting Mechanism
✅ Grain Boundary Corrosion(입계부식)
① 금속의 각 입자 경계면을 입계(Grain Boundary)라 하며 입계부위가 선택적으로 부식된다.
② 부동태막 형성에 의한 내식성 재료가 예민화될 경우 발생한다.
③ Austanite Steel 304/316에서 주로 발생한다.
④ 예민화 현상
• 450 ~ 650℃ 사이 장시간 노출 시 발생
• Cr 고갈(Cr23C6 형태로 입계에 석출)
⑤ 대비책
• 열처리: 800℃ 이상에서 가열하여 급냉한다.
• 탄소함량이 적은 재료를 사용한다. (S.S 304L/316L, 탄소함량 0.03%이하)
• 탄소와 친화력이 큰 원소인 Co, Ti이 첨가된 S.S 321/347을 이용한다.
✅ Stress Corrosion Cracking(응력균열부식)
① 다양한 부식 유형 중 가장 위험한 부식 형태이다. (Catastrophic Effect)
② 기계적 특성이 우수한 재료(고장력강, 고장력 AL 합금, 동합금)등에서 자주 발생한다.
③ 응력 부식의 부식 분위기에서 가능하다. CL-, NO³, CO₃, NH₃, Caustic, 아민용액 등
④ 기계적 응력, 음이온 농도, 온도 등에 따라 발생한다.
⑤ 대비책: 정확한 반응 Mechanism 규명이 어려움에 따라 발생 환경 제거, 재질 향상, 후열 처리 등이 요구
된다.
✅ 수소 관련 부식
① 부식을 유발하는 음극반응, 금속의 용출 등의 직접적 손상을 초래하지는 않으나 반응 생성물인 수소로 인해 파손 문제로 발전할 수 있다.
② 수소는 가장 작은 원소로 금속 내부에 침투하여 확산할 수 있다.
③ 침입한 수소는 침입형 고용체를 형성하기도 하지만 고용도를 상회하는 수소는 서로 결합해 분자가 될 수 있다.
④ Hydrogen Blistering: 금속 내부 수소 분압에 의해 표면 혹은 내부가 부풀어 파괴되는 현상이다.
⑤ Hydrogen Embrittlement: 수소에 의해 재료가 취화 돼 부서지는 현상이다.
✅ 고온 부식
① 고온의 질소화합물, 유황성분, 탄산화물, 염화물 등이 존재 시 발생한다.
② 고온부식의 특징은 금속의 용출이 일어나는 일반 부식과 달리 부식 발생 결과 무게가 증가한다. (Scale 형성에 따름)
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