갈바닉 부식 – 원인, 메커니즘 및 예방

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갈바닉 부식( 접촉 부식, 이종 금속 부식 이라고도 함 )은 서로 다른 두 금속 또는 합금이 전기적으로 접촉한 상태에서 동시에 전도성 환경, 즉 전해질에 담겨 있을 때 발생하는 전기화학적 부식의 한 형태입니다.

그러한 조건에서 그것이 생성됩니다. 갈바니 전지한쪽 재료는 양극이 되어 부식이 가속화되고, 다른 쪽 재료는 음극이 되어 보호됩니다. 갈바닉 부식은 다양한 재료로 만들어진 구조물, 특히 물, 화학, 해양, 에너지 및 건설 설비뿐만 아니라 스테인리스강과 탄소강, 알루미늄, 구리 또는 기타 금속 사이의 접합부에서 중요한 문제입니다.

갈바닉 부식이란 무엇인가요?

갈바닉 부식은 서로 다른 두 금속 재료 사이의 전기화학적 전위차로 인해 발생합니다.
재료가 다음과 같을 경우:

• 전기적으로 연결된,
• 그리고 동시에 전해질과 접촉하게 될 것입니다.

그 사이로 전류가 흐르기 시작할 수 있습니다.
더 활성적인 전위를 가진 금속은 다음과 같습니다. 양극 그리고 급속한 용해 과정을 거칩니다.
금속이 더욱 귀금속화됩니다. 음극 또한 부식이 제한적입니다.

갈바닉 부식 발생 조건

일반적인 갈바닉 부식이 발생하려면 세 가지 기본 조건이 충족되어야 합니다.

이러한 조건 중 하나라도 충족되지 않으면 갈바닉 전지의 작동이 중단됩니다.

갈바닉 전지는 어떻게 작동하나요?

서로 다른 두 금속으로 이루어진 시스템에서 한 물질은 양극이 되고 다른 물질은 음극이 됩니다.
금속 산화 과정은 양극에서 일어납니다.
엠 → 엠ⁿ⁺ + 네^-
금속 원자는 이온 형태로 전해질 속으로 이동합니다. 이는 실질적인 물질 손실을 의미합니다.
전자들은 금속 접합부를 통해 음극으로 흐르고, 그곳에서 환원 반응이 일어납니다.

사실상:

• 양극이 더 빨리 부식됩니다.
• 음극은 보호됩니다.

전해질은 무엇일까요?

전해질은 반드시 강산이거나 강한 화학 용액일 필요는 없습니다.

실제로는 다음 사항이면 충분할 수 있습니다.

• 바닷물,
• 수도물,
• 기술용수,
• 빗물,
• 대기 습도,
• 응축수,
• 소금 용액,
• 습한 흙,
• 화학적 환경.

특히 효과적인 전해질은 염분이 용해된 물입니다.
따라서 갈바닉 부식 문제는 해양 환경 및 염화물이 존재하는 환경에서 특히 중요합니다.

금속의 갈바닉 계열

갈바닉 부식에 대한 민감도는 대략적으로 다음을 기준으로 평가할 수 있습니다. 갈바닉 시리즈 특정 환경에 특화된.
해당 계열에서 활성도가 더 높은 쪽에 있는 금속일수록 양극으로 작용하는 경향이 더 큽니다.
귀금속일수록 음극으로 작용하는 경향이 더 강합니다.
해양 환경에서 물질의 단순화된 배열을 예로 들면 다음과 같습니다.

이 목록은 예시일 뿐입니다. 재료의 전기전도도 순서에서의 위치는 주변 환경과 표면 상태에 따라 달라집니다.
따라서 갈바닉 계열은 모든 조건에 유효한 하나의 보편적인 표로 취급해서는 안 됩니다.

스테인리스강 및 탄소강

스테인리스강과 일반 탄소강 사이에는 매우 흔한 연관성이 있습니다.
많은 환경에서 부동태 처리된 스테인리스강은 탄소강보다 더 우수한 특성을 지닙니다.
전해질 존재 하에 두 물질을 결합한 후:

• 스테인리스강은 음극 역할을 할 수 있습니다.
• 탄소강은 양극이 되어 부식이 더 빨리 진행될 수 있습니다.

이는 스테인리스강과 탄소강의 모든 조합이 반드시 심각한 부식을 초래한다는 의미는 아닙니다.
다음 사항들도 중요합니다:

• 환경의 유형,
• 전해질 전도도,
• 두 물질의 표면적 비율,
• 습윤 시간,
• 온도,
• 구조물의 기하학적 형태.

스테인리스강 및 알루미늄

알루미늄과 스테인리스강의 조합은 특별한 주의가 필요합니다.
많은 환경에서, 부동태 상태의 스테인리스강은 알루미늄보다 훨씬 더 우수한 특성을 지닙니다.
알루미늄이 스테인리스강과 전기적으로 연결되어 전해질이 형성되면 알루미늄이 양극이 될 수 있습니다.
특히 다음과 같은 경우 위험도가 높습니다.

• 해양 환경,
• 도로 제설용 소금의 존재,
• 일정한 습도 조건,
• 표면적이 넓고 스테인리스강으로 된 부분이 적으며 알루미늄으로 된 부분이 작은 구조물.

이러한 연결에는 전기 절연 재료가 자주 사용됩니다.

스테인리스강과 구리

스테인리스강과 구리는 동일한 설비에 사용할 수 있지만, 특정 환경에 따라 갈바닉 부식 가능성을 평가해야 합니다.
전기 전도성이 있는 물에서는 물질 간의 전위차로 인해 갈바니 전지가 형성될 수 있습니다.
가장 중요한 것은 바로 이것입니다:

• 물의 성분,
• 온도,
• 전기 전도도,
• 재료의 표면적 비율,
• 유동 조건.

양극 대 음극 표면적 비율

갈바닉 부식 속도를 결정하는 가장 중요한 요소 중 하나는 다음과 같습니다. 음극 표면적 대 양극 표면적 비율.
상황이 특히 위험합니다.
작은 양극 + 큰 음극
넓은 음극 표면적은 상당한 음극 반응을 유지할 수 있는 반면, 양극 용해 과정은 좁은 영역에 집중됩니다.
이로 인해 양극 전류 밀도가 매우 높아지고, 덜 귀한 금속이 국부적으로 빠르게 파괴될 수 있습니다.

작은 양극과 큰 음극 - 예시

작은 탄소강 조각이 커다란 스테인리스강 표면에 연결되어 있다고 상상해 보세요.
구조물이 전해질로 젖어 있는 경우:

• 탄소강은 양극이 될 수 있습니다.
• 스테인리스강은 대형 음극 역할을 할 수 있습니다.

그러면 전체 양극 공정이 탄소강의 작은 영역에 집중됩니다.
부식은 탄소강으로만 만들어진 부품보다 훨씬 빠르게 진행될 수 있습니다.

큰 양극과 작은 음극

다음과 같은 방식이 훨씬 더 유리합니다.
큰 양극 + 작은 음극
그러면 양극 전류가 넓은 표면에 분산됩니다.
양극의 단위 면적당 부식 전류 밀도가 낮기 때문에 국부 부식 속도가 훨씬 낮아질 수 있습니다.

예시 – 철골 구조물에 사용되는 스테인리스강 나사

일반적으로 큰 탄소강 부품에 장착된 작은 스테인리스강 나사는 더 유리한 표면적 비율을 만들어냅니다.

• 소형 음극 - 스테인리스 스틸 나사,
• 대형 양극 - 탄소강 구조.

반대의 상황이 훨씬 더 위험할 수 있습니다.
넓은 스테인리스강 표면에 연결된 작은 탄소강 부품은 매우 심한 갈바닉 부식에 노출될 수 있습니다.

보호 코팅 손상 및 갈바닉 부식

특히 위험한 상황은 품질이 떨어지는 재료에 보호 코팅을 입혔는데, 그 코팅이 부분적으로 손상되었을 때 발생할 수 있습니다.
만약 노출된 작은 조각이 큰 음극 표면에 대해 양극 역할을 하게 되면, 부식은 손상 부위에 집중될 수 있습니다.
따라서 서로 다른 금속으로 이루어진 시스템에서 보호 코팅을 적용하는 방법은 신중하게 고려해야 합니다.

강철 아연 도금 – 갈바닉 현상을 이용

갈바닉 현상이 항상 불리한 것은 아닙니다.
금속을 보호하는 데 사용할 수 있습니다.
대표적인 예는 다음과 같습니다. 아연 도금 강철.
아연은 강철보다 전기화학적으로 더 활성이 높습니다.
아연 도금층이 부분적으로 손상되면 아연이 양극처럼 작용하여 노출된 강철 대신 부식될 수 있습니다.
이것이 바로 소위 말하는 것입니다. 희생적 보호.

희생양극

갈바닉 현상은 음극 보호에도 사용됩니다.
전기화학적으로 더 활성이 높은 금속을 보호 대상 구조물에 부착하고 의도적으로 부식시킨다.
다음은 그 외 여러 종류의 양극이 사용되는 예입니다.

• 아연,
• 마그네슘,
• 알류미늄.

이러한 양극을 다음과 같이 부릅니다. 희생양극 또는 갈바닉 양극.
이러한 장치들은 주로 다음과 같은 용도로 사용됩니다:

• 선체,
• 파이프라인,
• 탱크,
• 해양 구조물,
• 지하 철골 구조물.

서로 다른 등급의 스테인리스강은 갈바닉 부식을 일으킬 수 있습니까?

서로 다른 등급의 스테인리스강을 결합한다고 해서 반드시 심각한 갈바닉 부식이 발생하는 것은 아닙니다.
두 물질 모두 비활성 상태이고 주어진 환경에서 유사한 전위를 가질 경우, 전위차는 작을 수 있습니다.
따라서 다음과 같은 연결이 필요합니다.

• 304L와 316L,
• 316L와 904L,
• 316L, 듀플렉스 2205 포함

다양한 환경에서 심각한 전기적 문제 없이 작동할 수 있습니다.
하지만 상황은 항상 실제 운영 환경을 고려하여 평가해야 합니다.

스테인리스강의 활성 상태와 비활성 상태

스테인리스강의 경우 표면 상태가 특히 중요합니다.
부동태 상태의 스테인리스강은 부동태층으로 덮여 있으며 비교적 높은 전기화학적 전위를 나타냅니다.
보호막이 파괴되어 재료가 국부적으로 활성화되면 전기화학적 특성이 크게 변할 수 있습니다.
따라서 갈바닉 부식 위험을 평가할 때는 강종의 이름이나 번호만으로는 충분하지 않습니다.

전위차만으로 부식 속도를 예측할 수 있을까요?

니.
재료 간의 큰 전위차는 갈바닉 부식의 가능성을 나타내지만, 그 자체로 실제 부식 속도를 결정짓는 것은 아닙니다.
다음 사항들도 중요합니다:

• 음극 반응 속도론,
• 물질의 분극,
• 전해질 전도도,
• 온도,
• 산소 공급,
• 음극과 양극의 표면적 비율
• 요소 간 거리,
• 구조물의 기하학적 형태.

따라서 단순한 잠재력 표만이 재료 선택의 유일한 기준이 되어서는 안 됩니다.

전해질 전도도의 영향

주변 환경의 전기 전도성이 높을수록 갈바니 전지에서 전류가 흐르기가 더 쉬워집니다.
그러므로 이는 특히 위험하다. 바닷물용해된 염분 함량이 높아 좋은 전해질이기 때문입니다.
전기전도도가 매우 낮은 물에서는 갈바닉 상호작용이 훨씬 약해지고 공간적으로 제한될 수 있습니다.

해수에서의 갈바닉 부식

해양 환경은 갈바니 전지가 형성되기에 매우 좋은 조건을 제공합니다.
그곳에서는 다음과 같은 일들이 동시에 발생합니다.

• 높은 전해질 전도도,
• 염화물,
• 물과의 지속적 또는 주기적 접촉
• 매우 다양한 건축 자재.

따라서 해양 구조물에서는 접촉 가능성을 특히 신중하게 분석합니다.

• 스테인리스강과 탄소강
• 스테인리스 스틸과 알루미늄
• 구리 및 그 합금을 함유한 강철
• 다양한 알루미늄 합금,
• 다양한 등급의 스테인리스강.

갈바닉 부식을 방지하는 방법은 무엇일까요?

갈바닉 부식을 줄이는 가장 중요한 방법은 다음과 같습니다.

• 서로 다른 금속의 바람직하지 않은 조합을 피하는 것,
• 주어진 환경에서 가장 유사한 갈바닉 전위를 가진 재료를 선택하는 것,
• 다양한 금속의 전기적 절연,
• 와셔, 부싱 및 절연 스페이서의 사용
• 구조물과 전해질의 접촉을 제한함으로써,
• 적절한 보호 코팅의 사용,
• 작은 양극-큰 음극 구성을 피하는 것,
• 연결부의 적절한 설계
• 음극 보호의 사용,
• 희생양극의 사용.

다양한 금속의 전기 절연

갈바닉 부식을 방지하는 가장 효과적인 방법 중 하나는 서로 다른 재료 사이의 전기적 접촉을 차단하는 것입니다.
다음은 그중에서 사용할 수 있는 방법입니다.

• 절연 패드,
• 플라스틱 부싱,
• 절연 개스킷,
• 비전도성 코팅,
• 절연 재질로 만들어진 스페이서.

금속 사이에 전자가 흐르지 못하면 일반적인 갈바닉 전지는 제대로 작동할 수 없습니다.

갈바닉 부식 및 틈새 부식

갈바닉 부식과 틈새 부식은 서로 다른 메커니즘이지만, 동일한 조건에서 동시에 발생할 수 있습니다.

갈바닉 부식 및 공식 부식

갈바닉 부식은 공식 부식과는 다른 현상입니다.
점식 부식은 특히 염화물이 존재할 경우, 보호막의 국부적인 손상으로 인해 한 재료에서 발생할 수 있습니다.
갈바닉 부식은 전해질이 존재하는 환경에서 전기적으로 연결된 다양한 물질들의 전기화학적 상호작용으로 인해 발생합니다.
하지만 실제 설계에서는 두 메커니즘이 동시에 발생할 수 있습니다.

가장 흔한 설계 오류

사소해 보이는 설계 오류가 종종 갈바닉 부식 문제로 이어집니다.
그들에게 속해있습니다:

• 해양 환경에서 알루미늄과 스테인리스강을 직접 접합하는 방법
• 표면적이 넓은 스테인리스강 소재의 소형 탄소강 부품 사용
• 서로 다른 금속 사이에 전기적 절연이 없음,
• 물 저장 구역 설계,
• 보호 코팅 손상
• 부적절한 고정 장치의 사용
• 실제 운영 조건을 고려하지 않은 것.

갈바닉 부식 – 가장 중요한 결론

갈바닉 부식은 다음과 같은 경우에 발생합니다. 서로 다른 두 금속 물질이 전기적으로 접촉되어 있고 동시에 전해질이 존재하는 상태입니다..
활성이 더 높은 물질은 양극이 되어 가속 부식을 겪고, 활성이 더 높은 물질은 음극이 됩니다.
이 시스템은 특히 위험합니다. 작은 양극 – 큰 음극그 이유는 부식 과정이 양극 재료의 작은 영역에 집중되기 때문입니다.
스테인리스강 연결부를 설계할 때는 알루미늄, 탄소강, 구리 및 기타 금속과의 접촉에 특별히 주의를 기울여야 합니다.
위험성은 연결되는 재료의 종류뿐만 아니라 다른 요소에도 달려 있습니다. 표면적 비율, 전해질 종류, 온도, 환경 전도도 및 구조적 형상.
갈바닉 부식을 제한하는 가장 효과적인 방법은 적절한 재료 선택, 전기 접촉 차단, 전해액 접근 제한, 그리고 양극과 음극의 표면적 비율을 적절하게 설계하는 것입니다.

부식은 재료, 환경 및 작동 조건에 따라 다양한 메커니즘을 통해 발생할 수 있습니다. 다른 유형의 부식에 대해서도 알아보세요.

강철 및 금속의 부식 유형

강철 및 금속의 균일 부식
스테인리스강의 점식 부식
스테인리스강의 틈새 부식
스테인리스강의 입자간 부식
응력 부식 균열(SCC)
갈바닉 부식
침식 부식
캐비테이션 부식
부식 피로
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환경에 따른 부식 분류

해양 부식 – 해수에서 강철 및 금속이 부식되는 현상
Korozja atmosferyczna
지반 부식
담수 및 산업용수에서의 부식
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가스 및 배기가스 내 부식
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화학 및 석유화학 환경에서의 부식

관련 주제

CPT – 스테인리스강 및 니켈 합금의 임계 공식 부식 온도
PREN – 스테인리스강의 공식 부식 저항성 지수
CCT – 스테인리스강 및 니켈 합금의 임계 틈새 부식 온도