Galvanic Corrosion(이종금속부식)
두 이종금속(異種金屬; dissimilarmetal)이 용액 속에 담구어지게 되면 전위차(電位差)가 존재하게 되고 따라서 이들 사이에 전자의 이동이 일어난다. 그리하여 귀전위(貴電位: noble potential)를 가진 금속의 부식속도는 감소되고 활성전위(活性電位', active potential)를 가진 금속의 부식속도는 촉진된다. 즉 전자는 음극이 되고 후자는 양극이 된다. 이러한 형태의 부식을 갈바닉부식 또는 이종금속접촉부식(異種金屬接觸腐蝕)이라 한다.
이와 같이, 두 이종금속(異種金屬) 사이의 가역전위 차이(可逆電位差異: reversible potential difference)는 갈바닉부식의 기전력(起電力)이 되며 부식 경향을 예측하는 기준이 된다. 각 금속 이온 농도가 단위 활동도인 용액에서의 그 금속의 가역전위가 측정되었고 그 값을 아래표에 나타내었으며 이를 기전력계열(EMF series)이라 한다.
기전력계열(EMF series)은 모든 금속에 대한 표준산화-환원전위를 순서대로 배열한 것이다(아래 표 참조).
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금속-금속이온 평형 |
수소전극에 |
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Au-Au+3 |
+1.498 |
둘 혹은 그 이산의 원소(元素)를 포함하는 합금에 대해서는 가역전위를 측정하는 것이 불가능하며 따라서 기전력계열에는 합금을 나타낼 수 없다. 또한 실제 부식 문제에서 금속들이 그들의 이온과 평형을 유지하면서 갈바닉 쌍을 이루기는 대단히 힘들다.
대부분의 갈바닉부식 효과는 부식되고 있는 두 금속의 전기적인 접촉에서부터 생겨난다. 또한 대부분의 재료는 합금(合金)이기 때문에 갈바닉 쌍도 합금을 포함하는 일이 많다. 따라서 실제 전해액에서 실험적으로 결정된 갈바닉계열이 휠씬 더 유용하며 해수(海水)에서의 갈바닉계열이 아래표에 나타나 있다. 갈바닉계열에서는 금속 및 합금들의 전위가 표시되지 않고 그들의 상대적인 위치만 나타나있다.
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Platinum |
| Gold | |
| Graphite | |
| Tatnium | |
| Silver | |
| Chlorimet 3(62Ni, 18Cr, 18Mo) Hastelloy C(62Ni, 17Cr, 15Mo) | |
| 18-8 Mo stainless steel(passive) Chromium stainless steel 11-30% | |
| Cr(passive) Inconel(passive) (80Ni, 13Cr, 7Fe) Nickel(passive) | |
| Silver solder | |
| Monel(70Ni, 30Cu) Cupronickels(60-90Cu, 40-10Ni) Bronzes(Cu-Sn) Copper Brasses(Cu-Zn) | |
| Chlorimet 2(66Ni, 32Mo, 1Fe) Hastelloy B(60Ni, 30Mo, 6Fe, 1Mn) | |
| Inconel(active) Nickel(active) | |
| Tin | |
| Lead | |
| Lead-tin solders | |
| 18-8 Mo stainless steel(active) 18-8 stainless steel(active) | |
| Ni-Resist(high Ni cast iron) | |
| Chromium stainless steel 13%Cr(active) | |
| Cast iron Steel or iron | |
| 2024 aluminum(4.5Cu, 1.5Mg, 0.6Mn) | |
| Cadmium | |
| Commercially pure aluminum(1100) | |
| Zinc | |
| Magnesium and magnesium alloys |
일반적으로 갈바닉계열에서의 금속 및 합금의 위치는 그 금속원소의 기전력계열에서의 위치와 대체로 일치한다는 사실과 부동태가 갈바닉부식 거동에 영향을 미친다. 묶음표 ( ) 내의 금속 및 합금은 조성이 서로 비슷하기 때문에 갈바닉부식의 위험도가 적다. 결국 갈바닉계열에서 두 금속이 멀리 떨어져 있을수록 갈바닉부식의 위험도는 크다고 할 수 있다.
따라서 어떤 주어진 환경에서 실제로 부식 시험을 해보지 않고서도 어떠한 갈바닉효과가 나타날 것인지를 갈바닉계열에 의해서 알 수 있다. 예를 들어, 선체(船體)가 Monel로 되어 있는 요트에 철(鐵)못을 사용할 경우 철못이 심하게 부식될 것이라고 예측할 수 있다. 강(鋼)으로 만들어진 더운물 탱크에 구리선이 감겨져 있을 경우에도 그 부분이 심하게 손상될 것이다.
갈바닉부식은 전혀 예기치 않은 곳에서 발생하는 경우가 많다. 따라서 어떤 장비(裝備)를 설계할 경우에는 이러한 갈바닉부식 발생의 가능성을 항상 염두에 두고 재료선택(材料選擇)에 특히 유의해야 한다.
또한 갈바닉부식을 방지하기 위해서 이종금속(異種金囑) 사이애 절연물질을 사용하거나 전해액과 금속이 접촉되지 않도록 도장(塗裝)을 하는 등의 방법도 사용되고 있다. 그러나 갈바닉부식은 여전히 중대한 문제로 남아 있다. 실제로 많은 경우애에 효과적인 설계를 위해서는 이종금속(異種金屬)의 사용이 요구되어지고 있다. 그 이유는 설계과정에서 강도(强度), 가공성(加工性), 가격, 유용성 등 여러 다른 인자가 부식 문제보다 더 중요성을 가지는 경우가 많기 때문이다.
또한 입계부식(粒界腐蝕), 공식(孔蝕), 응력부식균열(應力腐蝕龜裂), 틈부식(crevice corrosion)과 같은 국부부식도 갈바닉부식에 관계된다고 할 수 있다. 따라서 갈바닉부식은 가장 일반적이며 가장 심한 형태의 부식이라 할 수 있다.
이러한 갈바닉부식의 위험도를 예측하는데 있어서 갈바닉계열에서의 상대적인 위치에만 의존하는 것은 옳지 못하다.
즉 갈바닉계열에서 두 이종금속이 서로 멀리 떨어져 있다고 해서 갈바닉부식의 위험도가 크다고 확신하는 것은 커다란 오류를 범할 우려가 있다는 것이다. 따라서 갈바닉계열은 갈바닉부식에 대한 일반적인 경향의 지침(指針)으로서 유용하기는 하지만, 이종금속이 실제로 쌍을 이루었을 때의 갈바닉부식에 대한 속도(정도)를 정확하게 알려주지는 못한다. 갈바닉부식의 크기는 이종금속의 전위차이 뿐만 아니라 각 금속의 교환전류밀도 및 타펠기울기(Tafel slope) 같은 속도론적인 인자, 양극과 음극의 면적비(面積比) 등에도 의존하기 때문이다.
이처럼 갈바닉 쌍(雙)에서 환원 및 산화반응이 더욱 복잡한 상호작용을 하기 때문에 여러 인자 중의 하나만에 의해서 갈바닉부식의 속도(정도)를 예측하는 것보다는 갈바닉부식전류를 직접 측정하는 것이 훨씬 중요하다.
(1) Distance Effect (거리효과)
(2) Area Effect (면적효과)
A. Riveting의 경우
a. 바람직하지 못한 경우
→ Steel부에서 국부적으로 심한 부식이 발생
→ 양극면적 ≪ 음극면적 ⇒ 바람직하지 못함
b. 바람직한 경우
→ 양극면적 ≫ 음극면적 ⇒ 바람직함
즉, 양극면적(Steel)을 크게, 음극면적(Stainless Steel)을 작게하는 “Area Effect"를 고려하는것이 바람직함.
B. 저장탱크
Galvanic Corrosion(이종금속부식 - 갈바닉부식)
부식발생의 원인 - 갈바닉계열(galvanic series)
부식발생의 원인-양극(Anode)과 음극(Cathode)의 정의
부식발생의 원인-전극전위의 물리적 의미와 전기화학적 이중층
