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문제 정의
- 본 연구는 해수용 열교환기의 해수 부식현상을 이해하고 부식과정을 지연시킬 수 있는 기초연구의 일환으로 수행되었다. 코팅 재질로 테플론, 전착, 세라믹+실리콘 3종을 선정하여 알루미늄에 도포하여 시간에 따른 부식변화를 조사하였다.
제안 방법
- SEM은 시편의 표면 정보를 얻을 수 있는 장비로, 장기간 고온의 해수에 침지된 시편의 표면변화를 관찰하기 위해 침지 전의 시편과 1, 4, 9주 침지된 시편을 SEM 촬영하였다. SEM은 FEI사의 Sirion 모델을 이용하였으며 촬영 시 발생되는 흡수 전자에 의해 시료 내부 및 표면에 전자가 모이는 charge-up 현상과 그로 인한 2차 전자 발생의 불안정 현상을 억제하기 위해 시편 표면에 15nm의 백금을 진공 증착하였다.
- SEM은 시편의 표면 정보를 얻을 수 있는 장비로, 장기간 고온의 해수에 침지된 시편의 표면변화를 관찰하기 위해 침지 전의 시편과 1, 4, 9주 침지된 시편을 SEM 촬영하였다. SEM은 FEI사의 Sirion 모델을 이용하였으며 촬영 시 발생되는 흡수 전자에 의해 시료 내부 및 표면에 전자가 모이는 charge-up 현상과 그로 인한 2차 전자 발생의 불안정 현상을 억제하기 위해 시편 표면에 15nm의 백금을 진공 증착하였다.
- 해수용 열교환기의 해수 부식현상을 연구하기 위해 테플론, 전착, 세라믹+실리콘 3종을 선정하여 시간에 따른 부식변화를 조사하였다. 고온 인공해수에서 장기간 침지 시켰을 때, 침지기간에 따른 코팅부식 변화를 관찰하기 위하여 임피던스 분광법과 SEM을 이용하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 5%일 때 부식속도가 가장 빠르며, 온도가 10℃ 상승할 때 부식속도는 약 30% 증가하며 80℃까지 부식속도가 증가한다고 보고되고 있다[6,7]. 따라서 본 실험에서는 금속과 코팅의 부식속도를 높이기 위해 순수제조장치와 NaCl을 이용하여 농도 3.5%의 인공해수를 제조하고 오븐으로 70℃까지 가열한 후 홀더를 침지시켜 9주 동안 침지실험을 진행하였다. 데이터의 재현성 및 반복성을 확인하기 위하여 6개의 시편 데이터를 이용하였다.
- 테플론, 전착, 세라믹코팅 두께는 15μm, 실리콘은 5μm이다. 또한 장기간 고온의 침지에 따른 홀더내부의 용액침투를 막기 위해 홀더의 뒷면에 내열성 실리콘으로 처리하였다. NaCl 농도가 약 3.
- Table 1은 정전위기를 이용하여 시편에 인가한 교류파형 실험조건을 나타낸다. 실험은 주파수 10-1Hz ~ 105Hz 범위에서 임피던스 변화를 측정하였다. 저 주파수 영역에서는 측정된 임피던스가 분극저항(Rp)을 나타내므로, 본 실험에서는 10-1 Hz에서 얻은 임피던스 값을 분극저항(Rp) 값으로 사용하였다.
- 1은 미소 진폭의 교류전압(실선)을 시편에 인가하였을 때, 저항과 코팅/용액 계면에서 발생하는 커패시턴스에 의한 응답전류(파선)의 변화를 보여준다. 응답전류와 위상차의 변화를 이용해 임피던스를 분석한다[5]. Fig.
- 교류전압 주파수를 변화하면서 전극에 인가하면 전극 및 전극계면에서의 변화가 임피던스로 측정된다. 이 때 변화하는 임피던스를 이용하여 금속과 코팅 전극반응에 관계되는 정보들을 획득한다. Fig.
- 임피던스를 측정하기 이전 30분간 자연전위를 이용하여 작동전극에 ±10mV를 인가하여 10-1 Hz에서 105 Hz 범위의 주파수에서 임피던스 실험을 진행하였다.
- 실험은 주파수 10-1Hz ~ 105Hz 범위에서 임피던스 변화를 측정하였다. 저 주파수 영역에서는 측정된 임피던스가 분극저항(Rp)을 나타내므로, 본 실험에서는 10-1 Hz에서 얻은 임피던스 값을 분극저항(Rp) 값으로 사용하였다.
- 부식저항이 107Ω 이상이면 내부식성이 우수하며, 106Ω 이하가 되면 노화가 시작되어 104Ω 이하가 되면 부식저항에 대한 실질적인 능력을 상실한다고 알려져 있다[8]. 침지 후 시편의 분극저항 변화를 관찰하기 위해 침지 전의 분극저항과 비교하였다. 부식진행이 없는 0주차 시편들의 부식저항은 모두 107Ω 이상이었다.
- 본 연구는 해수용 열교환기의 해수 부식현상을 이해하고 부식과정을 지연시킬 수 있는 기초연구의 일환으로 수행되었다. 코팅 재질로 테플론, 전착, 세라믹+실리콘 3종을 선정하여 알루미늄에 도포하여 시간에 따른 부식변화를 조사하였다. 3종류의 시편을 고온의 인공해수에서 장기간 침지부식을 시켰을 때, 침지기간에 따른 코팅의 부식특성 변화를 관찰하기 위하여 임피던스 분광법과 SEM을 이용하였다.
- 분극장치의 작동전극과 노출면적은 1cm2로 동일하게 제작하였다. 코팅에 의한 부식영향을 평가하기 위하여 코팅처리 안된 시편, 단일코팅(테플론, 전착), 이중코팅(세라믹+실리콘) 3종을 선정하여 알루미늄에 도포하여 시간에 따른 부식변화를 조사하였다. 테플론, 전착, 세라믹코팅 두께는 15μm, 실리콘은 5μm이다.
- 해수용 열교환기의 해수 부식현상을 연구하기 위해 테플론, 전착, 세라믹+실리콘 3종을 선정하여 시간에 따른 부식변화를 조사하였다. 고온 인공해수에서 장기간 침지 시켰을 때, 침지기간에 따른 코팅부식 변화를 관찰하기 위하여 임피던스 분광법과 SEM을 이용하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 5%의 인공해수를 제조하고 오븐으로 70℃까지 가열한 후 홀더를 침지시켜 9주 동안 침지실험을 진행하였다. 데이터의 재현성 및 반복성을 확인하기 위하여 6개의 시편 데이터를 이용하였다.
- 알루미늄 시편은 침지 1주 만에 부식저항이 7.7x107Ω에서 1.5x105Ω 까지 낮아져 감소율이 99% 정도이다.
이론/모형
- 코팅 재질로 테플론, 전착, 세라믹+실리콘 3종을 선정하여 알루미늄에 도포하여 시간에 따른 부식변화를 조사하였다. 3종류의 시편을 고온의 인공해수에서 장기간 침지부식을 시켰을 때, 침지기간에 따른 코팅의 부식특성 변화를 관찰하기 위하여 임피던스 분광법과 SEM을 이용하였다.
성능/효과
- 1) 0주차 실험 시편의 분극저항은 전착코팅, 세라믹+실리콘, 테플론 순으로 우수하였으며, 침지 후의 분극저항은 코팅재질에 따라 감소율이 다르게 관찰되었다. 단일코팅은 1주차까지, 이중코팅은 4주차까지도 내부식성을 유지하였다.
- 2) SEM 결과는 침지기간 동안 해수부식에 의해 균열 및 미세 기공들이 코팅 표면에서 성장하는 것을 보여주었다. 고온 장기 부식환경에서 이들 균열 및 미세 기공들을 통해 해수가 코팅층을 파고들게 되면 금속모재와 점착 코팅면 사이에 블리스터가 발생할 수 있음을 확인하였다.
- 2) SEM 결과는 침지기간 동안 해수부식에 의해 균열 및 미세 기공들이 코팅 표면에서 성장하는 것을 보여주었다. 고온 장기 부식환경에서 이들 균열 및 미세 기공들을 통해 해수가 코팅층을 파고들게 되면 금속모재와 점착 코팅면 사이에 블리스터가 발생할 수 있음을 확인하였다. 이는 해수부식에 대한 코팅의 내식성이 크게 감소시키게 된다.
- 본 실험연구에서 해수용 열교환기의 해수부식 현상을 지연시키기 위한 방법으로 테플론, 전착, 세라믹+실리콘으로 코팅하였지만, 고온 장기부식에 의해 코팅재질은 오랜 시간 후에 금속모재와 점착코팅면 사이에 블리스터가 발생할 수 있음을 확인하였다.
- 세라믹+실리콘 코팅 시편의 분극저항은 침지 1주차 부식저항이 8.6x107Ω 에서 2.9x107Ω 으로 부식저항 감소율은 66% 정도이었지만, 테플론코팅보다 2배 이상 우수한 내부식성을 유지하였다.
- 실험결과로부터 고온의 해수부식에서 코팅처리된 시편은 1주까지는 우수한 내부식성을 유지하나, 코팅종류와 방식에 따라 그 이후는 코팅재질의 내부식성을 보장하기 어렵다는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 이중코팅의 경우는 4주 이전까지는 코팅의 내부식성을 유지할 수 있음을 확인하였다.
- 전착코팅 시편의 분극저항은 침지 1주차 부식저항이 2.9x108Ω 에서 5.1x107Ω 으로 부식저항 감소율은 82% 정도이었지만, 테플론코팅보다 4배 이상 우수한 내부식성을 유지하였고, 침지 4주차 부식저항은 5.0x105Ω 로 부식저항 감소율은 99%로 낮아졌다.
- 이는 임피던스 방법의 부식저항 결과와 일치하는 것으로 고온 해수에 의해 부식이 빠르게 진행되고 있음을 의미한다. 침지 4주차 표면은 부식에 의해 표면이 파이거나 융기가 그리고 침지 9주차 표면은 뻘과 유사한 피막이 형성되어 있음을 확인하였다.
- 이는 세라믹 코팅 위에 실리콘으로 이중코팅을 함으로 실리콘의 특성인 내열성 및 화학적 안정성이 고온 해수에서도 코팅부식을 지연시켰다고 판단된다. 침지 9주차에 이중코팅의 표면에 테플론코팅과 전착코팅처럼 코팅표면이 부풀어 오르는 블리스터를 확인할 수 있었다.
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