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내 용	스텐인레스강의 부동태화 1. 부동태 개요 부동태 또는 부동태화는 금속 또는 합금의 부식 저항이 전기 화학 계열에서 가르키는 것 보다 훨씬 크게 나타나는 현상으로 부식 생성물의 보호층에서 금속의 부식 경향을 현저하게 감소하는 것을 말한다. 즉, 어떤 금속이 열역학적으로 급속히 부식되리라고 예상됨에도 불구하고 어떤 환경에서는 아주 낮은 부식 속도를 나타내는데 이 때 금속은 부동태화 되었다고 하며, 보통 주위 환경의 미소한 변화에 의해서 이 금속은 급속히 부식 될 수 있다. 2. 부동태 종류 부동태에는 화학적 부동태와 기계적 부동태의 2 종류가 있다. 보통 단순하게 부동태라 부르는 화학적 부동태는 소위 부동태 금속에서 일어나는데, 이들 금속은 대부분 천이 금속으로 내부 전자 궤도 중 d 전자가 완전히 채워져 있지 않은 특징을 가지고 있다. 부동태를 형성하는 천이 금속으로는 철족 금속과 크롬, 몰리브덴, 텡스텐, 티타늄, 지르코륨 등이 있다. 알루미늄은 비천이 원소이지만 화학적 부동태를 나타내는 특징이 있다. 이러한 종류의 부동태는 육안으로 식별이 안 될 정도의 반도체성 부동태를 산화 피막(ALO2)을 형성하여 화학적으로 안정된 피막으로 외부와의 접촉을 물리적으로 차단시켜 내부 조직을 보호하게 된다. 이러한 종류의 부동태가 되는 예로서 황산중의 납, 물 용액중의 마그네슘, 염화물 용액중의 은이 부동태막을 형성시켜 내부 산화를 방지한다. 또한, 금속 표면의 인산염 피막이나, 물속에서 형성되는 탄산칼슘, 염화칼슘, 황산칼슘, 마그네슘 스케일 등을 기계적 부동태의 예를 들 수 있다. 플랜트 배관의 내부 스케일이 부식 저항을 높을 수 있는 이유가 이러한 부동태 막을 형성하여 금속을 활성태(Active)로부터 부동태(Passivity)로 바꾸는 것인데 이러한 방법에는 외부에서 전류를 흘려 피 방식체의 전위를 높여 음극화시키는 방법(Cathodic Protection)과 표면막 자체를 전위가 높은 내 산화막을 형성시키는 방법이 있다. Cr, Ni, Mo, Si, Cu 등이 대표적인 부동태 원소로서 전위가 비교적 높은 원소들이다. 따라서, 이러한 원소가 첨가된 합금강이 전위가 높기 때문에 부식 저항이 높아 내식성 재료로 사용이 된다. 3. 부식의 원리 대부분의 금속은 주변의 물이나 공기와 같은 매체와 반응하여 부식되려는 경향을 가지고 있다. 그러한 금속은 주위의 매체와 함께 열역학적으로 불안정한 상태를 형성하여 이러한 상태는 산화물이나 수산화물과 같은 금속의 안정된 화합물로 변하여 에너지를 방출하고자하는 경향을 가지고 있다. 즉, 금이나 수은처럼 천연에서 금속을 채취하는 것도 있으나, 보통 실용화되는 많은 금속들은 광석을 정련하여 만들어지므로 열역학적으로 에너지 불평형 상태이며 이러한 에너지 평형은 본래의 자연 상태로 되볼아 갈려는 성질로 인하여 부식이 되는 것이다. 따라서, 부식 과정을 고찰하는데 가장 중요한 방법은 열역학적이며, 이것에 의해서 어떤 환경하에서 금속이 부식이 되는지 안되는지 하는 것이 결정된다. 대부분의 부식 연구는 금속이 부식 매질속에서 부식되어지는 형상을 부식 전류의 흐름에 따라 일어나는 전기 화학적 반응에 기초를 두고 설명하여 왔다. 전해질 용액 중에서의 금속의 부식은 금속의 종류와 부식 환경에 따라 꽤 복잡한 화학 반응이 있으나, 그 대부분은 전기 화학적 과정으로 진행이 된다. 따라서, 금속의 부식을 고찰하기 위해서는 금속 표면에 일어나는 전기 화학적 반응을 이해하는 것이 매우 중요하다 할 것이다. 1) 전기 화학적 반응 금속이 주위의 환경 특히, 전해질 용액이 존재하는 분위기에서 전자의 손실이나 획득 등에 의해서 금속 이온으로 변하여 산소나 수소등의 가스가 발생하는 반응을 전기 화학적 반응이라 한다. 즉, 전자의 흐름과 화학적 반응이 동시에 일어나는 반응을 전기화학적 반응(Electro-Chemical Reaction)이라하는데 도체인 금속에서 발생한다. 금속 중에서 가장 많이 사용되는 철은 염산과 반응하여 수소가 발생되면서 하전된 이온으로 녹아 나온다. Fe+2HCL-->FeCL2+H2Fe+2H+ + (산화) 2CL- --->Fe++ + 2CL- + H2 (환원) 즉, 산화는 원자가 전자를 잃고 이온이 되는 반응이며, 환원은 이온이 전자를 얻어 안정된 원자가 되는 반응을 말한다. 전기 화학 반응에서 전자의 생성이나, 소모가 일어나는 장소를 전극이라 하는데 전자를 잃고 산화 반응이 일어나는 전극을 양극(Anode)라 하고, 반면에 이온이 전자를 얻어 환원 반응이 일어나는 전극을 음극(Cathode)라고 한다. 철의 표면에는 무수한 양극과 음극이 생성되고 양극간의 전위 차이에 의해 전자의 흐름이 생기면서 산화와 환원 반응이 동시에 발생되게 된다. 우리가 철판의 표면에 불규칙하게 부식이 되는 현상을 육안으로 관찰이 되는데 이러한 부식은 표면의 전위차이로 인하여 부식이 진행된 것이라고 볼 수 있다. 3. 스텐인레스강의 부동태화 (Passivation of Stainless Steel) 스텐인레스 스틸은 Cr의 산소와의 반응으로 CrO2 형태로 부동태막을 형성하여 스스로 내부 조직을 보호하게 되는 플랜트 시공에서 스텐인레스강의 용접 후 또는 표면 그란인드 이후 표면 청결이 오염으로 인해 상태가 양호하지 않으면 이러한 부동태 막을 형성하기 어렵게 된다. 더욱이 국부적인 불순물은 표면 공식(Pitting)을 형성하여 공식 부식으로 진행되어 심각한 파손에 이르게 될 수도 있다. 플랜트 현장에서 스텐인레스 배관 주변에서 용접을 위한 그란이드 또는 표변 처리를 위한 쇼트 브라스트 작업으로 인하여 미세 카본 불순물이 스텐인레스 배관 표면에 닿게 되면 공식으로 진행되어 배관 누설의 원인이 되는데 이러한 현상은 순식간에 발생되는 것이 아니라 장기간의 플랜트 운전 중에 공식이 진행되어 누설의 원인을 제공하게 된다. 1) Passivation 방법 스텐인레스강은 Citranox 또는 Citrajet을 20%로 희석한 세척액에 침지시켜 부동태를 만들어 준다. 이때 침지로 사용되는 용액의 온도에 따라 침지 시간을 결정한다. * 50oC---20분간 * 60oC---10분간 * 70oC---5분간 2) Passivation 주의 사항 Passivation 침지 이후에는 즉시 청수로 세척하는 작업을 수행하는데 이때 증발 잔류물 즉 표면에 잔류하는 이물질 함유물 정도를 TS(Total Solids)가 200ppm 이하를 요구한다. Passivation은 표면 청결을 유지하여 CrO2 을 쉽게 형성할 수 있는 조건을 만들어 주는 것이라고 볼 수 있다. 특히, 페라이트계(S.S430, S.S410)계열은 황산, 질산에는 내식성을 띄지만, 염산에는 부식성을 띄게 된다. 반면에 오스텐나이트계열(S.S304, S.S316)은 염산에는 내식성을 황산, 질산에는 부식성을 띄게 되므로 부동태 용액 선정은 이러한 특성에 맞게 선정하여야 된다. 일반적으로 페라이트계열의 침지 용액은 염산 수용액을 사용하는데 5% 중크롬산나트륨(Sodium Dichromate)에 65oC 30분간 침지하여 청수로 세척하여 대기중에서 표면을 산화크롬을 형성시킨다. --끝-- 2013년12월20일 기술사 류창명/피이에스기술사사무소 대표 건설기계기술사/산업기계설비기술사 wine@pes21.com http://www.pes21.com
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