부식은 왜 일어나는가.

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1 부식은 왜 일어나는가

2 목차 1. 부식이란 (1) ‘녹슬다’의 의미 (2) 부식의 종류 2. 부식의 메카니즘 (1) 부식의 메카니즘
(2) 물과 산소의 작용 (3) 산의 작용 3. 금속의 분류(내식성 기준) 4. 스테인레스강의 부식 (1) 스테일레스강이란 (2) 예민화 (3) 염화물이온의 영향

3 (1) ‘녹슬다’의 의미 * 외관적인 문제 ; 반짝이던 철이 수분과 만나서 녹이 슨다거나 도금한 철판 표면에 녹이 스는 것
1. 부식이란 (1) ‘녹슬다’의 의미 * 외관적인 문제 ; 반짝이던 철이 수분과 만나서 녹이 슨다거나 도금한 철판 표면에 녹이 스는 것 * 부식에 의해 두께가 감소하거나 구멍이 생겨 금속이 손상되는 것 - 부식이란, 금속이 그 금속을 둘러싸고 있는 환경과 화학적으로 반응하여 용해되고 녹으로 변화하고, 그 일부가 손실되는 현상

4 (2) 부식의 종류 -1 습식 부식 건식 전면부식 (전면이 거의 균일하게 침식된다)
1. 부식이란 (2) 부식의 종류 -1 부식 습식 전면부식 (전면이 거의 균일하게 침식된다) 국부 입계부식 (오스테나이트강의 입계 탄화물이 석출될 때) 공식 (할로겐 이온이 존재하든가 표면에 이물이 부착하였을 때) 응용부식깨짐 (인장응력이 걸려있으며 특정의 부식환경에 놓일 때) 극간부식 (박킹의 이음매, 이물이 부착했을 때의 극간이 존재할 때) 이물금속과의 접촉부식 (다른 금속과 접촉하여 사용할 때) 부식피로 (부식환경에 있으며 반복하여 응용을 받을 때) 에로-존 (유동하는 액체에 접할 때) 건식 고온산화 (고온의 대기에 닿았을 경우) 고온가스 (고온의 가스에 닿았을 경우)

5 (2) 부식의 종류 -2 1. 부식이란 균일부식 수소취성 입계부식 갈바닉부식 틈부식 Pitting 응력부식 부식피로 수소균열
Blister 수소취성 Surface cracks Internal voids 입계부식 갈바닉부식 Active Noble 틈부식 Pitting 응력부식 부식피로 수소균열 Layer Plug 탈합금부식 Fretting Erosion Cavitation

6 (1) 부식의 메카니즘 -1 + - 전류 탄소 전류 아연 아연의 부식 전해질 그림 1.1 건전지 ( 부식전지의 모델 )
2. 부식의 메카니즘 (1) 부식의 메카니즘 -1 전류 + - 탄소 전류 아연 아연의 부식 전해질 그림 1.1 건전지 ( 부식전지의 모델 )

7 (1) 부식의 메카니즘 -2 양극(Anode) 음극(Cathode) 양극,음극의 전기적 연결 전해질(Electrolyte)
2. 부식의 메카니즘 (1) 부식의 메카니즘 -2 ( 부식 발생의 필요조건 ) 액체분위기 (전해질) 전류의 흐름 양극(Anode) 음극(Cathode) 양극,음극의 전기적 연결 전해질(Electrolyte) 산화과정 환원과정 양극반응 음극반응 전자의 흐름 금속 부식과정의 전기화학적 모형

8 Electrolyte (Seawater)
2. 부식의 메카니즘 (1) 부식의 메카니즘 -3 Electrolyte (Seawater) 2H2O e- e- 4e- Fe Pt 4OH- O2 Fe2+ Fe Cathode O2 Anode - O2 + 2H2O + 4e- → 4OH- Cathodic Reaction - Fe → Fe2+ + 2e- Anodic Reaction e Electron Fe2+ Iron Ion *산화반응(Oxidation Reaction) M --> M+n + ne- *환원반응(Reduction Reaction) 2H e- --> H2 (산용액) O H e- --> 2H2O (용존산소, 산용액) O2 + 2H2O + 4e- --> 4(OH)- (일반 중성용액) Dissolved Oxygen O2

9 (2) 물과 산소의 작용 (3) 산의 작용 * 중성 용액의 용존산소 농도 : 8ppm, 몰농도 : 2.5X10-4 mol/ℓ
2. 부식의 메카니즘 (2) 물과 산소의 작용 * 전자는 금속 내부에서만 이동이 가능. * 전해액(물) 내에서 전자의 이동은 불가능 하므로 이온의 이동을 통해 전류는 흐름 * 상온의 담수 중, 8~10ppm의 용존산소 존재 * 1/2O2 + H2O + 2e- → 2OH-    (e-는 전자) (3) 산의 작용 * 산성 용액에서의 부식은 수소이온이 OH-이온과 같은 역할을 함 * 2H+ + 2e- → H2 * 중성 용액의 용존산소 농도 : 8ppm, 몰농도 : 2.5X10-4 mol/ℓ 중성 용액의 pH : 몰농도 : 10-7 mol/ℓ - 용존산소의 영향이 지배적 * pH 4 이하에서는 수소이온의 몰농도가 10-4 mol/ℓ 이상이 되므로 H+의 영향 大

10 3. 금속의 분류 ( 내식성 기준 ) ⓐ 제 1그룹 : 금이나 백금 등의 귀금속
ⓑ 제 2그룹 : 부동태피막을 가지는 내식성이 우수한 금속 ( 예. 스테인리스강) ⓒ 제 3그룹 : 보호피막을 가지는 금속 ( 예. 동이나 아연 ) ⓓ 제 4그룹 : 내식성이 떨어지는 금속 ( 예. 철이나 강 ) pH 2 4 6 8 10 12 14 동 부식(산) 부식(산소) 부동태 스테인레스강 부식(산) 부동태 아연 부식(산) 보호피막 부식 알루미늄 부식(산) 부동태 부식 그림 1.4 금속ᆞ합금의 부식이 증대하는 pH의 한계

11 (1) 스테인레스강이란 * 철에 크롬과 니켈을 첨가하여 내식성을 향상시킨 합금
4. 스테인레스강의 부식 (1) 스테인레스강이란 * 철에 크롬과 니켈을 첨가하여 내식성을 향상시킨 합금 * 부동태피막을 형성하는 크롬을 12%이상 함유하여야 우수한 특성을 가질 수 있음 ( 예. STS Cr-8Ni )  크롬 (Cr) 스테인레스강을 만드는 기본 원소로서 Fe에 첨가시 12%이상이 되면 결정구조가 페라이트 조직으로 변한다. Cr의 함량이 증가하면 내식성이 향상됨으로 사용되는 분위기의 부식성 및 온도가 증가할수록 Cr 함량이 증가된 강종을 사용한다.  니텔(Ni) Cr과 함께 Ni은 오스테나이트계 스테인레스강을 만드는 기본 원소로서, 8%이상 첨가시 Fe-Cr-Ni 합금의 결정구조가 오스테나이트계로 변화된다. 오스테나이트 구조를 갖는 스테인레스강은 가공성, 충격인성 및 용접성이 좋다.  탄소(C) C는 오스테나이트 안정화 원소로서 스테인레스강에 일반적으로 0.12%까지 첨가된다. 또한, C는 Cr및 Fe와 반응하여 탄화물을 만들기 때문에 강도 및 경도를 높힐 목적으로 사용되며, 특히 마텐사이트계에서는 고경도를 얻기 위하여 0.15%의 높은 함량을 첨가하고 있다. C는 Cr과 쉽게 반응하여 Cr23C6와 같은 크롬탄화물을 만들어 석출하기 때문에 기지금속의 Cr을 고갈시켜 국부적으로 입계부식등을 유발하는 단점이 있어, 내식성이 요구되는 주요 부품에는 C의 함유량을 0.03% 이하로 낮추는 데 이러한 강종을 "L-급" 강종이라고 한다.  질소(N) N도 기본적으로 오스테나이트 안정화 원소에 속하며, 고용도는 오스테나이트계에서 페라이트계에 비하여 상대적으로 더 높다. 그러므로 페라이트계에서 N이 Cr과 반응하여 Cr2N과 같은 크롬질화물을 형성하여 석출하는 경향이 상대적으로 높으며, 이 경우 입계부식등을 유발한다. 스테인레스강의 Cr함량이 23%이상 되는 강종에서는 N의 함량이 증가함에 따라 공식 및 입계부식이 저하되는 경향이 있으며, 슈퍼스테인레스강에는 0.25%까지 첨가된다.  몰리브데늄(Mo) Mo은 오스테나이트계 316강의 기본합금원소로 2~3% 첨가된다. Mo가 첨가된 316강계열의 스테인레스강은 크롬계 산화물로 구성된 부동태 피막내에 MoO2와 같은 몰리브데늄계 산화물이 고용되어 매우 치밀하고 소지금속과 밀착성이 좋은 부동태 피막을 형성하여 공식(pitting) 및 틈새부식(crevice corrosion) 저항성이 우수하다. Mo이 첨가된 스테인레스강은 소금과 같은 염분이 함유된 분위기에 노출되면 부동태피막에 CrCl3와 같은 염화물의 고용도를 저하하여 공식을 방지한다고 알려져 있다.  타이타니움(Ti) Ti은 C와의 친화력이 Cr보다 더 높기 때문에 스테인레스강에 첨가되면 TiC와 같은 탄화물을 형성하기 때문에 "탄소 안정화 원소"라고 한다. Ti 첨가에 의하여 안정화된 스테인레스강은 용접시 고온에 노출될 때 Cr 탄화물 형성에 의한 입계부식 혹은 예민화 현상(sensitization)등이 일어나지 않는다  나이오븀(Nb) Nb도 Ti과 같이 탄소 안정화 원소로 스테인레스강에 첨가되어 안정한 Nb탄화물을 형성하여 고온에 노출시 발생가능한 Cr탄화물 형성을 방지한다

12 (2) 예민화 -1 * 스테인레스강 중 크롬은 화합물로 존재하면 효과가 없음
4. 스테인레스강의 부식 (2) 예민화 -1 * 스테인레스강 중 크롬은 화합물로 존재하면 효과가 없음 * 스테인레스강이 500~900℃ 정도의 온도로 가열되면 크롬탄화물(Cr23C6) 형성 - ‘예민화되었다’라고 함 입계부식의 원인

13 4. 스테인레스강의 부식 (2) 예민화 -2 (입계부식)

14 4. 스테인레스강의 부식 (2) 예민화 -3

15 (3) 염화물이온의 영향 -극 +극 예)STS 304 H2O O2 Cl- Cl- O2 O2 O2 H2O Cl- O2 Cl-
4. 스테인레스강의 부식 (3) 염화물이온의 영향 H2O Na+ O2 Cl- Cl- O2 O2 Na+ O2 H2O Na+ Cl- Cl- O2 Na+ H2O Cl- H2O Na+ H2O O2 + 2H2O + 4e- → 4OH- -극 Fe → Fe2+ + 2e- 부동태피막 +극 예)STS 304

16 부식의 실제 모습 < 동관 부식 > < 강 파이프 부식 > < 철판의 부식 >
< 배수 파이프의 부식 > < 산성비에 의한 동상의 부식 >