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문제 정의
- 이러한 점을 극복하기 위하여 환경영향이 적은 미세원소 첨가함으로써, 전기화학적으로 낮은 부식전위를 가지는 고효율 희생양극의 개발이 요구되어지고 있다. 따라서 본 논문에서는 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 세슘(Ce) 및 주석(Sn) 등과 같은 미세원소 첨가에 따른 알루미늄(Al) 및 아연(Zn) 함정용 희생양극의 효율 특성 변화를 분석하고 고찰하였다.
- 본 연구에서는 중력주조로 알루미늄 및 아연 양극 합금을 제조하였고, 상온의 천연해수분위기에서 분극 거동 및 양극 성능을 연구한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 출탕온도는 700℃로 하였으며, 금형 예열온도는 100℃로 하여 출탕하였다. 또한 아연 합금 주조는 420℃에서 순수 아연(Zn, 99.99%) 주괴의 용융을 확인한 후 고순도 주석(Sn, 99.9%)을 장입하여 목표 조성의 용탕을 제조하였다.
- 본 연구에서는 순수 알루미늄(Al) 및 아연(Zn) 에 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 세슘(Ce) 및 주석(Sn) 등과 같은 미세원소 첨가함으로써 함정용 희생양극의 성능 변화를 분석하였다. 실험 결과, Al-3Zn-0.
- 5mm 인 스테인레스강(SUS304) 판제로 만든 직경 90mm, 높이 130mm 원통으로 제작하였다. 실험수조에 음극(스테인레스강 원통)을 설치하여 음극 내부면의 중앙부에 시험편을 고정하고, 천연해수를 주입하였다.
- 실험수조 내 음극을 직렬로 연결하였고, 음극 내부에 시험편을 고정하였다. 정전류 실험장치의 회로배선은 실험수조내의 음극, 시험편, 직류전원장치, 직류전류계, 회로저항기 및 동전량계를 직렬 연결하였다. 회중에 사용된 동전량계는 50x50x2mm의 탈산동판(99.
- 한편 기포결함 및 편석과 같은 주조결함을 제거한 건전한 주물을 확보하기 위해 흑연(Graphite) 봉을 사용하여 용탕교반을 실시하고, 고순도 아르곤(Ar) 가스를 용탕내부에 2회 취입하여 탈산·탈가스 처리한 후 10분 동안 진정시켰다.
- 정전류 실험장치의 회로배선은 실험수조내의 음극, 시험편, 직류전원장치, 직류전류계, 회로저항기 및 동전량계를 직렬 연결하였다. 회중에 사용된 동전량계는 50x50x2mm의 탈산동판(99.9%)을 알코올로 탈지시킨 후 100℃로 1시간 건조하여 공학용 전자저울(0.1mg)로 중량을 계측하였다. 양극은 그대로 사용하고 음극에 대하여는 음극면적300mm2만 남기고 나머지는 피복 절연시켜서 1000㎖의 비커 내에 설치하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 알루미늄 및 아연 합금의 조성은 Table 1 및 Table 2에 나타내었다. 알루미늄 합금 주조는 약 700℃에서 순수 알루미늄(99.
- 실험수조는 용량 1ℓ의 유리 비커를 사용하고, 음극은 두께 0.5mm 인 스테인레스강(SUS304) 판제로 만든 직경 90mm, 높이 130mm 원통으로 제작하였다. 실험수조에 음극(스테인레스강 원통)을 설치하여 음극 내부면의 중앙부에 시험편을 고정하고, 천연해수를 주입하였다.
- 본 연구에서 사용된 알루미늄 및 아연 합금의 조성은 Table 1 및 Table 2에 나타내었다. 알루미늄 합금 주조는 약 700℃에서 순수 알루미늄(99.9%) 주괴(Ingot)의 용융을 확인한 후 고순도 아연(Zn, 99.99%), 마그네슘(Mg, 99.9%), 칼슘(Ca, 99.9%), 세슘(Ce, 99.9%) 및 주석(Sn, 99.9%)을 장입하여 목표조성의 용탕을 제조하였다. 한편 기포결함 및 편석과 같은 주조결함을 제거한 건전한 주물을 확보하기 위해 흑연(Graphite) 봉을 사용하여 용탕교반을 실시하고, 고순도 아르곤(Ar) 가스를 용탕내부에 2회 취입하여 탈산·탈가스 처리한 후 10분 동안 진정시켰다.
- 이때, 기준전극(Reference Electrode)은 Ag/AgCl 전극을, 상대전극(Counter Electrode)은 백금 전극(25 mm × 25mm, 60 mesh)을, 작동전극(Working Electrode)은 알루미늄 및 아연 합금을 사용하였으며 실험의 전해액은 천연해수를 사용하였다.
이론/모형
- 동전위 분극 실험은 전기화학 분석 장치인 Electrochemical Interface Solartron 1287을 이용하여 측정하였다. 이때, 기준전극(Reference Electrode)은 Ag/AgCl 전극을, 상대전극(Counter Electrode)은 백금 전극(25 mm × 25mm, 60 mesh)을, 작동전극(Working Electrode)은 알루미늄 및 아연 합금을 사용하였으며 실험의 전해액은 천연해수를 사용하였다.
- 음극 방식을 위한 알루니늄(Al) 및 아연(Zn) 양극의 정전류 실험 및 동전위 분극 실험은 일본 부방식협회에서 제정한 JSCE S-9301의 평가방법에 준하여 실시하였다.
성능/효과
- % Sn가 합금화되었을 때 양극 성능이 Pure Zn에 비해 약 10%이상 증가하였으며, 3wt.% Sn 첨가에 의해 기존에 상용되는 카드뮴(Cd)이 포함된 아연양극보다 조금 더 우수한 양극 효율을 나타내었다.
- 6wt.% Sn 첨가에 의해 매우 우수한 양극 효율을 나타내었다.
- 2) 알루미늄 합금의 양극 성능실험 결과, 3wt.% Zn가 합금화됨으로써 양극 성능이 Pure Al에 비해 약 10%이상 증가하였으며, 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 주석(Sn) 미량 첨가에 의해 양극의 효율이 조금 더 향상되었다. 특히 0.
- 6wt.%Sn의 미량 첨가는 매우 우수한 양극 효율을 나타내었다. 반면 세슘(Ce)이 미량 첨가된 합금에서는 Al-3Zn-0.
- 알루미늄(Al)에 3wt.%Zn가 합금화됨으로 인해 약 10%이상의 효율이 향상되었으며, 마그네슘(Mg)과 칼슘(Ca) 미량 첨가에 의해 1~2%의 양극 효율이 향상되었다. 특히 0.
- 5 ~ 3wt.%까지 증가함에 따라, 아연 양극 합금의 효율은 지속적으로 증가하는 경향을 나타내었다.
- 1) Al 합금의 미세조직을 광학현미경, 주사전자현미경 및 X-선 회절로 분석한 결과, Al-3Zn, Al-3Zn-0.6Mg, Al-3Zn-0.6Mg-0.4Ce, Al-3Zn-0.6Sn 합금에서는 기지재료인 Al 외에는 다른 이차상은 관찰되지 않았지만, 세슘(Ce)이 첨가된 Al-3Zn-0.6Mg-0.4Ce 합금에서는 최종응고부에 Al11Ce3상이 새롭게 형성되었음이 확인하였다.
- 2) 알루미늄 합금의 양극 성능실험 결과, 3wt.% Zn가 합금화됨으로써 양극 성능이 Pure Al에 비해 약 10%이상 증가하였으며, 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 주석(Sn) 미량 첨가에 의해 양극의 효율이 조금 더 향상되었다.
- 3) 아연 합금의 양극 성능실험 결과, 주석(Sn)이 합금화됨으로써 양극 효율은 지속적으로 증가하였고, 3wt.% Sn가 합금화되었을 때 양극 성능이 Pure Zn에 비해 약 10%이상 증가하였으며, 3wt.
- 통전 초기의 가장 귀한 전위는 Pure Zn 가 -918mV을 나타내었으며, 초기의 가장 활성적인 전위는 Zn-3Sn 합금이 -1,005mV를 나타내었다. 5개의 시험편 모두 2일(48시간)이 경과하면서 전위값이 거의 일정하여 유지 되었으며, 7일(168시간)까지 미세한 전위 변동은 있었으나 최종적으로 측정한 결과 가장 높은 전위(Pure Zn: 975mV)와 가장 낮은 전위(Zn-3Sn: -1,108mV)로 측정되었다.
- 통전 초기에 양극의 전위 변화가 크게 나타난 것은, 통전으로 인하여 양극의 용해가 시작되면서 이미 형성되어있던 산화피막이 제거되면서 발생한 것으로 판단된다. 6개의 시험편 모두 2일(48시간)이 경과하면서 전위값이 거의 일정하여 유지 되었으며, 7일(168시간)까지 미세한 전위 변동은 있었으나 최종적으로 측정한 결과 가장 귀한 전위(Al-3Zn-0.6Mg-0.4Ce : -1,075mV)와 가장 활성적인 전위(Al-3Zn-0.6Sn : -1,185mV)로 측정되었다. 가장 귀한 전위와 가장 활성적인 전위차는 통전 초기에는 185mV 였지만, 최종적으로 측정했을 때는 110mV로 이는 시간이 경과하면서 양극표면이 전기화학적으로 안정화 되어가는 것으로 사료된다.
- 10과 11는 본 연구에서 개발한 희생양극용 알루미늄 및 아연 합금과 상용으로 사용되는 희생양극용 합금의 유효전기량을 비교한 그래프이다. Fig. 10에서, Al-3Zn-0.6Mg-0.4Ca 합금은 상용으로 사용되는 Al-Zn-In계 합금과 거의 유사한 유효전기량을 보였으며, Al-3Zn-0.6Sn 합금은 Al-Zn-In계 합금보다 좀 더 우수한 유효전기량을 나타내었다. 또한 Fig.
- Pure Zn 의 유효전기량이 720 A.h/Kg로 가장 낮게 측정되었으며, Zn-3Sn 합금의 유효전기량이 801 A.h/Kg로 가장 높게 측정되었으며, 이때 효율은 약 97.6%로 아주 높은 양극 효율을 나타내었다.
- 알루미늄 합금의 주조조직은 전형적인 수지상 구조를 나타내었으며, 세슘(Ce)이 첨가되었을 때 최종응고부에 이차상이 정출됨을 확인하였다. XRD를 통한 정출된 이차상의 상분석을 실시한 결과, Fig. 2에 나타난 바와 같이 세슘(Ce)이 첨가된 Al-3Zn-0.6Mg-0.4Ce 합금에서는 Al11Ce3 상이 새롭게 형성되었음을 확인할 수 있었다.
- 본 연구에서는 순수 알루미늄(Al) 및 아연(Zn) 에 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 세슘(Ce) 및 주석(Sn) 등과 같은 미세원소 첨가함으로써 함정용 희생양극의 성능 변화를 분석하였다. 실험 결과, Al-3Zn-0.6Sn 및 Zn-3Sn 합금의 양극 성능이 가장 우수하였으며, 아연(Zn) 및 주석(Sn)은 합금화되었을 때 양극의 효율을 증가시키는 것으로 확인되었다. 이는 아연(Zn) 및 주석(Sn) 등과 같은 수소과전압이 높은 원소가 첨가원소로 사용될 시, 합금의 균일 부식 조장 및 부식속도를 감소시키는 역할을 하며, 이로 인해 양극의 유효전기량 및 효율을 향상시킨것으로 판단된다.
- 1는 주사전자현미경으로 알루미늄 합금의 미세조직을 관찰한 사진이다. 알루미늄 합금의 주조조직은 전형적인 수지상 구조를 나타내었으며, 세슘(Ce)이 첨가되었을 때 최종응고부에 이차상이 정출됨을 확인하였다. XRD를 통한 정출된 이차상의 상분석을 실시한 결과, Fig.
- Table 3은 알루미늄 희생양극의 전류 효율 평가 결과를 나타낸 표이다. 양극 효율 평가 결과, Pure Al 의 유효전기량이 2,298 A.h/Kg로 가장 낮게 측정되었으며, Al-3Zn-0.6Sn 합금의 유효전기량이 2,712 A.h/Kg로 가장 높게 측정되었다. 이때 효율은 약 92.
- 3㎂/cm2로 가장 높았다. 정전류 실험 및 동전위 분극 실험 결과, 전기화학적 특성은 Al-3Zn-0.6Sn 합금이 음극 방식용 희생양극으로 가장 적합하다고 판단되어 진다.
- 교환전류밀도는 Zn-3Sn 합금이 가장 낮았으며, Pure Zn가 가장 높다. 정전류 실험 및 동전위 분극 실험 결과, 전기화학적 특성은 Zn-3Sn 합금이 음극 방식용 희생양극으로 가장 적합하다고 판단되어 진다.
후속연구
- 본 연구결과는 함정용 Al 및 Zn 희생양극의 효율에 미치는 첨가원소의 영향을 체계적으로 분석함으로서 많은 시사점을 던져줄 것으로 판단된다. 하지만 실험실 규모(Lab Scale)의 테스트라는 한계가 있으므로, 향후 본 연구결과를 바탕으로 하여 함정 적용 시 부식개선 효과 및 이에 따른 유지보수 비용절감 등의 연구가 추가적으로 필요한 것으로 판단된다.
- 본 연구결과는 함정용 Al 및 Zn 희생양극의 효율에 미치는 첨가원소의 영향을 체계적으로 분석함으로서 많은 시사점을 던져줄 것으로 판단된다. 하지만 실험실 규모(Lab Scale)의 테스트라는 한계가 있으므로, 향후 본 연구결과를 바탕으로 하여 함정 적용 시 부식개선 효과 및 이에 따른 유지보수 비용절감 등의 연구가 추가적으로 필요한 것으로 판단된다.
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