부식(Corrosion)

 

한국산업기술대학교 메카트로닉스학과

홍승현 교수(美 전기기술사)

 

부식의 정의

 

금이나 수은과 같이 처음부터 금속자체로 채광하는 금속도 있지만, 대부분의 금속은 자연상태에서는 산화물이나 유화물(硫化物)의 광석으로 존재하므로 여기에 에너지를 가하여 환원시킴으로써 정련하여 금속으로 취하는 것이 보통이다. 따라서 이러한 금속 은 자연상태에서는 산화하여 원래상태인 산화물이나 유화물로 되돌아 가려는 성질을 가지게 된다.

 

이와같이 금속이 주위환경과 화학적 또는 전기화학적 반응에 의해 표면이 산화하여 소모되는 현상을 부식이라 한다. 이때 물의 존재하에서 발생되는 부식을 습식(wet corrosion),물이 접하지 않는 상태에서의 부식을 건식(dry corrosion)이라 부른다.

 

습식은 수중,땅속,대기중에서의 부식을 말하며,비교적 저온에서 발생되는 부식현상이고, 건식은 고온의 공기나 가스중에서의 부식을 말한다. 대체로 부식이라 하면 습식을 가리키는 경우가 많다. 금속이 부식하는 원리는 금속이온의 용출에 의해 결정되며 금속용출의 용이함 정도는 그 금속이 수용액속에서 이온이 되기 쉬우냐 아니냐에 달려 있다. 이온화경향은 [표준전극전위]라는 철도로 나타낼 수 있다.

 

 K Ca Na Mg Al Zn Fe Ni Sn Pb H Cu Hg Ag At Au

← 이온화 경향이 크다/ 전위가 낮다/ 이온이 되기 쉽다/ 녹아 내리기 쉽다/ 양극이 되기 쉽다,/부식이 되기 쉽다

 

알루미늄과 같이 이온화경향이 큰 금속은 동시에 전자를 많이 방출하므로 표준전극 전위는 수소이온(H+)의 경우를 기준으로 해서 마이너스값으로 낮아져 표준전극전위 는 낮은 [-]로 분류된다. 또한 백금과 같이 이온화경향이 적은 금속은 전자의 방출도 적어지므로 표준전극전위는 높은 플러스 값을 나타내서 귀금속으로 분류된다. 금속을 용액속에 담그면 그 금속 고유전위를 나타낸다. 상대적으로 표준전극전위가 낮은금속과 높은금속을 전해질 용액속에 담그고 외부에서 전기적으로 접속하면 두 금속의 전위가 다르므로 두 금속간의 전위차에 의해 전자의 흐름(전류)이 일어난다.

 

이때 전위가 낮은쪽에서는 금속이온의 용출(M→M++e)현상이 일어나고 다른쪽에서 는 방출된 전자를 받는 반응이 동시에 일어나 결국 전위가 낮은 금속쪽에서만 용해가 되게 된다. 이러한 현상은 동일금속 면에서도 존재한다. 동일금속 면에서도 원자의 배열, 입자의 크기, 불순물의 존재, 결함존재 등에 의해 국부적으로 전위차 발생이 가능하므로 국부 전지가 형성되면 부식반응이 일어나게 되는 것이다.

 

부식의 Machanism

금속표면은, 결정조직, 원소의 불균일, 표면의 거친정도, 내부잔유응력 등에 의해 물이 접촉하고 있는 곳의 전위는 국부적으로 달라져 상호간에 전지를 형성하고 있다. 이를 국부전지라 부르고 전위가 높은부분 즉 양극부의 철이 이온화되어 물속에 유출함 으로써 부식이 진행된다.(부식조건:극성존재,극성이 전기적접촉,전해질이 있을 것) 따라서 자연환경에서 물이 금속표면에 접촉하는 것은 금속이 부식하는 첫번째 조건 이다. 이러한 습부식의 발생기구는 물과 금속의 전기화학적 반응에 기인한다. 우선 철은 양극부에서 Fe 이온과 전자로 나누어진다. 즉

 

다음은 철이온이 수산이온과 결합하여 산화제1철을 만든다.

 

그 다음 산화제1철이 산소와 작용하여 산화제2철을 만든다.

 

부식의 종류

 

종   류	세부내용.
이종금속에 의한 부식(Galvanic corrosion)	조합된 금속재료가 각각의 전위차에 의해 국부전지를 형성하고 양극부의 금속이 국부적으로 부식되는 전식의 일종이다.
전식(Cathodic corrosion)	외부전원에서 누설된 전류에 의해서 일어나는 부식을 말한다. 직류 전차선로 부근에서 많이 발생한다.
간극부식(Concentration cell corrosion	금속체가 상호간에 근소한 틈을 두고 접촉되어 있을 때, 그 틈새에 전해질 수용액이 침투되어 전위차가 생겨서 양극부의 역할을 하는 금속이 부식되는 현상이다.
입계부식(Inter-granular corrosion)	합금금속의 결정입자간의 경계에서 부식이 발생하여 입계를 따라 내부로 진입하는 현상을 말한다. 알루미늄 합금, 황동 등에서 일어나기 쉽다.
선택부식(Selective corrosion	합금성분 중에서 한쪽 합금에만 일어나는 부식을 말한다. 예를들면 황동의 합금성분은 동과 아연인데 탈아연 현상에 의해서 아연만이 부식되는 경우 등이다.
응력부식(Stress corrosion)	잔유응력이나 외부응력이 재료에 가해지면 부식이 가속된다.

 

부식에 영향을 주는 인자들

 

구 분	세부내용.
내적 요인	ⓐ 금속 조직의 영향 : 결정상태에 따라 부식정도가 다르다. ⓑ 가공의 영향 : 냉간압연은 잔유 응력을 남긴다. ⓒ 열처리의 영향 : 열처리는 잔유 응력을 제거하여 내식성을 증가시킨다.
외적 요인	ⓐ PH 의 영향 : 금속은 산과 강알칼리에 부식된다. ⓑ 용해성분의 영향 : 가수 분해하여 산성이 되는 물질은 부식성이다. ⓒ 온도의 영향 : 약 80℃까지는 온도상승에 따라 부식성이 증대하나 그 이상     이 되면 용존산소가 제거되어 부식성은 현저히 저하한다. ⓓ 유속 : 일반적으로 유속이 빠를수록 부식이 생기기 쉽다.

 

③기타

ⓐ 아연에 의한 철 부식 : 아연은 50~95℃에서 급격히 용해하여 수도물 중에 포함되어 있는 염소이온 등과 반응하여 백수를 만든다.

ⓑ 동 부식 : 동은 70℃ 전후에서 250ppm정도가 용출하여 이온화 현상에 의한 부식이 발생한다.

ⓒ 이종금속에 의한 부식   ⓓ 용존산소에 의한 부식

ⓔ 탈아연현상에 의한 부식 : 일반으로 15% 이상의 아연을 함유한 황동재의 기기를 온수 중에서 사용할 때 일어나기 쉬우며 용존산소, 탄산가스, 염소이온 등이 탈아연 현상을 활성화시킨다.

ⓕ 응력에 의한 부식

ⓖ 온도차에 의한 부식 : 국부적으로 온도차가 생기면 온도차 전기를 형성하여 부식 하며, 알루미늄 동, 아연 등은 고온부가 부식된다.

ⓗ 유리탄산에 의한 부식 : 지하수에 유리탄산이 포함된 경우 철이 수산화철을 형성하며 부식된다.

 

부식의 방지대책

 

방지대책	세부내용.
배관재의 선정	사용액체의 종류에 상응하는 내식성을 가진 배관재료를 선정해야 함은 물론이고, 이종금속에 의한 부식 등을 방지하기 위해서 동일관로에는 동일재질관을 사용하는 것이 원칙이다.
라이닝(Lining) 및 코팅(Coating)	관내부 또는 외부를 글라스, 합성수지 등으로 라이닝 또는 코우팅 피복하여 부식을 방지한다. 이때 주의할 점은 배관재료와 피복재료의 열팽창계수가 서로 다르므로 온도의 상승 및 하강에 따라 라이닝이 배관에서 떨어져 버리는 일이 없도록 해야 한다. 또한 Coating holiday등이 있으면 전식의 경우 그곳으로 전류가 집중해 흘러서 오히려 Coating을 안한 것만도 못한 결과를 초래하는 경우가 자주 있다.
유속억제	유속이 너무 빠르면 배관내의 라이닝이나 방식제에 의한 보호피막이 파괴될 수 있으므로 유속은 가급적 작게 하는 것이 좋다.
구조상의 적정설계	이종금속의 조합을 피하고,불필요한 요철을 제거하며, 응력이 가해지지 않는 구조로 설계한다
부식환경의 제거	습기제거,  조정, 용존산소의 제거 등으로 부식환경을 개선한다.
부식 억제제의 사용	Na2CO3 등과 같이 가수분해하여 알칼리성이 되는 염기류는 부식억제력이 있으며 NaNO3, 등은 부식억제제로 사용된다.

 

- 본 칼럼은 국가화재안전저널 제 3호에 기고된 글입니다.