금속 부식은 금속의 기능적 강도를 저하시켜 균열, 부품 부분 파손, 그리고 극단적인 경우 전체 재료 파손 등 심각한 구조적 저하를 초래할 수 있습니다. 알루미늄과 그 합금은 높은 강도 대 중량비와 고유 부동태성으로 인해 다양한 산업 분야에서 널리 사용됩니다. 이 글에서는 알루미늄 부식의 5가지 주요 유형과 이를 예방하는 방법에 대해 살펴보겠습니다.
알루미늄 부식이란?
알루미늄 부식은 알루미늄 분자가 점진적으로 산화물로 분해되는 현상으로, 이로 인해 재료의 물리적, 화학적 특성이 저하됩니다. 알루미늄은 본질적으로 반응성이 높은 금속이지만, 동시에 비활성 금속이기도 합니다. 즉, 생성된 알루미늄은 환경 중의 산소 및 물과 반응하지만, 그 결과 생성되는 화합물은 표면에 보호막을 형성하여 아래쪽 재료를 추가적인 부식으로부터 보호합니다. 이 비반응성 산화물 층은 표면에 잘 부착되어 스테인리스강처럼 쉽게 벗겨지지 않습니다. 레이저 에칭이나 알루미늄 양극 산화 처리 와 같은 인위적인 처리와는 달리 , 부식은 수개월에서 수년에 걸쳐 진행되는 느린 과정입니다.
알루미늄 부식 유형
알루미늄 부식의 정도와 형태는 부식성 매질뿐만 아니라 알루미늄 합금의 조성 및 성질과도 밀접한 관련이 있습니다. 일반적인 사용 환경에서 알루미늄 및 그 합금의 주요 부식 형태로는 공식 부식, 입계 부식, 박리 부식, 응력 부식 균열(SCC), 그리고 갈바닉 부식이 있습니다.
부식 부식
점식 부식은 알루미늄 및 알루미늄 합금 에서 가장 흔하게 관찰되는 부식 형태입니다 . 일반적으로 대기 중에서 알루미늄 합금의 점식 부식은 심각하지 않지만, 물 속에서는 훨씬 더 공격적으로 진행되어 비교적 짧은 시간 내에 구멍이 뚫릴 수 있습니다. 점식 부식을 유발하는 조건에는 일반적인 부식을 억제하는 이온(예: SO₄²⁻, SiO₃²⁻, PO₄²⁻)과 국부적으로 부동태 피막을 파괴하는 이온(예: Cl⁻)의 존재 , 그리고 음극 반응 을 촉진 하는 산화제 ( 촉진제) 의 존재가 포함됩니다.
알루미늄 합금의 공식(pitting)을 방지하기 위해 환경 관리 조치에는 종종 염화물 이온과 같은 산화 이온을 매체에서 제거하는 것이 포함됩니다. 물 속의 구리 이온은 알루미늄 공식의 흔한 원인이므로, 물 속 구리 함량을 최소화하는 것이 필수적입니다.
고순도 알루미늄은 공식에 강합니다. 그러나 상업적으로 순수한 알루미늄의 불순물 함량과 분포는 공식 저항성에 큰 영향을 미칩니다. 구리 함유 알루미늄 합금은 공식 저항성이 가장 낮습니다. 알루미늄-망간 및 알루미늄-마그네슘 합금은 가공 품질이 유지된다면 더 나은 공식 저항성을 얻을 수 있습니다.
입계 부식
입계부식(IGC)은 특정 부식 환경에서 금속의 결정립계를 따라 또는 결정립계 바로 인접 부위에서 시작되고 진행되는 부식 손상을 말합니다. 결정립계의 물리화학적 상태는 결정립 내부와 다릅니다. 특정 부식 매체에서 이러한 차이는 미세 갈바닉 전지 작용으로 인해 국부적이고 선택적인 부식 손상을 초래합니다. 실제 응용 분야에서 순수 알루미늄은 입계부식을 겪지 않습니다. Al-Cu, Al-Cu-Mg 및 Al-Zn-Mg-Cu 계열 합금은 입계부식에 매우 취약합니다. 부적절한 열처리는 입계부식 발생 가능성을 크게 높일 수 있습니다. 특히, 구리가 풍부한 CuAl₂ 상이 결정립계를 따라 연속적으로 석출될 때 , 결정립계 인접 부위에 구리 결핍 영역이 동시에 형성됩니다. 이러한 부식 전지에서는 CuAl₂ 상이 음극 을, 구리 결핍 영역이 양극을 형성합니다. 구리 결핍 영역이 부식되면 입계부식이 발생합니다.
또한, 다른 합금계에서도 결정립계 석출이 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 고마그네슘 알루미늄 합금의 결정립계에 마그네슘 함량이 높은 상의 조대한 석출물이 나타날 수 있습니다. 이 상은 양극 역할을 하며 선택적으로 손상되어 IGC를 유발합니다. 이러한 조건은 합금의 가공 및 열처리에 민감하게 반응합니다. 적절한 가공은 민감한 합금의 내성을 저하시킬 수 있지만, 부적절한 가공은 원래 민감도가 높지 않았던 합금에서도 심각한 IGC를 유발할 수 있습니다.
결정립 경계를 따라 유해한 상이 지속적으로 침전되는 것을 제거하기 위한 적절한 열처리는 IGC 경향을 효과적으로 완화할 수 있습니다.
각질부식
박리 부식은 알루미늄 합금에 영향을 미치는 특정 형태의 부식입니다. 합금 프로파일 표면에 평행한 결정립계를 따라 측면으로 전파되는 것이 특징입니다. 이러한 손상은 분말화, 박리, 블리스터링, 심지어 박리로 나타납니다. 박리는 알루미늄 합금의 강도와 연성을 크게 감소시켜 구조물의 수명을 단축시킵니다. 박리 부식은 알루미늄 합금 재료가 어닐링되지 않았거나 불충분하게 어닐링되었을 때 자주 발생합니다. 안정화 처리를 거친 알루미늄 합금은 박리 부식에 더 취약한 경우가 많습니다. 온도와 같은 환경 조건이 충족되면 박리 부식이 시작되고 국부 부식이 가속화되며 합금은 층층이 벗겨지는 특징적인 형태를 띠는 심각한 손상을 입습니다.
알루미늄 합금의 박리 부식을 완화하거나 제거하기 위한 주요 조치는 다음과 같습니다.
- Cr, Mn과 같은 결정립 미세화 전이 원소를 첨가하여 결정립계를 따라 2차상의 석출을 억제하거나 늦추고, 결정립 내 및 경계면에서 2차상의 균일한 분포를 촉진합니다. 이는 부식 발생을 위한 양극 경로를 방해합니다.
- Al-Mg 합금에 Zn을 일정량 첨가하는 등 상 간의 전위차를 줄이는 원소를 통합합니다.
- 적절한 열처리 절차를 사용합니다.
- 희생 양극을 통한 음극 방식 보호 사용.
응력 부식 균열
응력 부식 균열(SCC)은 특정 매체에서 응력을 받은 알루미늄 합금 소재의 지연 균열 또는 파괴를 의미합니다. 이 현상은 부식성 매체와 기계적 응력이 함께 작용하여 상승적으로 발생합니다.
SCC는 주로 경질 알루미늄 및 초경질 알루미늄 합금에서 발생합니다. 순수 알루미늄과 저강도 알루미늄 합금은 일반적으로 SCC 발생 경향이 없습니다. 알루미늄 합금의 SCC는 항상 입계에 존재합니다. IGC에 취약한 알루미늄 합금은 SCC에도 민감합니다. SCC는 알루미늄 합금이 대기, 특히 해안가 대기와 해수에 노출될 때 자주 발생합니다. SCC에 대한 민감도는 온도와 습도가 높을수록, 염화물 이온 농도가 높을수록, 그리고 pH 값이 낮을수록 증가합니다.
알루미늄 합금의 SCC를 방지하거나 제거하기 위한 조치는 다음과 같습니다.
- 내부 응력을 완화하기 위한 열처리.
- 인장 SCC에 대한 저항성을 개선하기 위해 Mn, Cr, V, Zr, Mo와 같은 미량 원소를 합금화합니다.
- 비드 분사를 통해 표면 응력 상태를 수정하여 유익한 압축 잔류 응력을 생성합니다.
갈바닉 부식
갈바닉 부식은 알루미늄이 물리적 또는 전기분해적으로 더 귀한(반응성이 낮은) 금속과 결합될 때 알루미늄에 영향을 미칩니다. 귀금속은 알루미늄에 비해 반응성이 낮은 모든 금속을 말합니다. 금속의 반응성은 전기화학적 계열에서의 위치에 따라 결정됩니다. 갈바닉 계열에서 다른 금속이 알루미늄에서 멀리 떨어져 있을수록 부식이 더 심해집니다. 부식 강도는 두 금속이 만나는 계면에서 가장 높고, 이 계면에서 멀어질수록 약해집니다. 예를 들어, 알루미늄과 황동이 접촉하거나 가까이에 있고 해수에 담가져 있으면 갈바닉 셀이 형성됩니다. 그러면 알루미늄 부품은 양극 역할을 하기 때문에 부식됩니다. 이는 황동 피팅이 알루미늄 피팅 근처에 있고 둘 다 해수에 잠겨 있는 용기에서 심각한 문제가 될 수 있습니다. 전자는 해수(전해질)를 통해 알루미늄(양극)에서 황동(음극)으로 흐릅니다.
