[논문]해양환경용 알루미늄 합금 재료의 전기화학적 부식 손상 특성

김성진; 황은혜; 박일초; 김성종

doi:10.5695/jkise.2018.51.6.421

해양환경용 알루미늄 합금 재료의 전기화학적 부식 손상 특성
Electrochemical Corrosion Damage Characteristics of Aluminum Alloy Materials for Marine Environment 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.51 no.6, 2018년, pp.421 - 429

김성진 (순천대학교 신소재공학과) , 황은혜 (순천대학교 신소재공학과) , 박일초 (목포해양대학교 기관시스템공학부) , 김성종 (목포해양대학교 기관시스템공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, various electrochemical experiments were carried out to compare the corrosion characteristics of AA5052-O, AA5083-H321 and AA6061-T6 in seawater. The electrochemical impedance and potentiostatic polarization measurements showed that the corrosion resistance is decreased in the order of AA5052-O, AA5083-H321 and AA6061-T6, with AA5052-O being the highest resistant. This is closely associated with the property of passive film formed on three tested Al alloys. Based on the slope of Mott-Schottky plots of an n-type semiconductor, the density of oxygen vacancies in the passive film formed on the alloys was determined. This revealed that the defect density is increased in the order of AA5052-O, AA5083-H321 and AA6061-T6. Considering these facts, it is implied that the addition of Mg, Si, and Cu to the Al alloys can degrade the passivity, which is characterized by a passive film structure containing more defect sites, contributing to the decrease in corrosion resistance in seawater.

주제어

표/그림 (9)

표 Table 1. Chemical compositions of aluminum alloys (wt%)
그림 Fig. 1. Microstructures of Al alloys; (a) AA5052-O, (b) AA5083-H321, (c) AA6061-T6.
표 Table 2. Chemical compositions and properties of natural seawater
그림 Fig. 2. EIS Nyquist plots of (a) AA5052-O with immersion time in seawater, and (b) three tested Al alloys after 7 hrs immersion in seawater.
그림 Fig. 3. Mott-Schottky plots of passive films formed on three tested Al alloys in 0.5M H₂SO₄ solution.
표 Table 3. Donor density of passive film formed on three tested aluminum alloys
그림 Fig. 5. Surface morphologies of three Al alloys after the polarization test in seawater.
그림 Fig. 4. (a) Potentiostatic polarization curves of three tested Al alloys in seawater, and (b) surface view observation after the polarization test.
그림 Fig. 6. 3D analysis of three Al alloys after the polarization test in seawater.

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

그러나 알루미늄 내 합금성분 첨가에 따른 피막의 특성과 이에 기인한 부식거동 변화에 대해서는 여전히 많은 의문점이 존재하며, 본 연구에서는 우선 세 가지 알루미늄 합금 표면에 형성되는 부동태 피막의 특성을 이해하고자 Mott-Schottky 실험을 수행하였고, 다음 장에 그 분석결과에 대한 논의를 진행하였다.
최근까지 알루미늄 합금의 국부부식에 대한 연구는 대부분 알루미늄 합금 종류에 따른 국부부식 메커니즘 규명이 중점적으로 이루어져 왔다. 따라서 본 연구에서는 기존 연구와 달리 알루미늄 합금 종류에 따른 부식손상을 상호 비교하고자 하였다. 이를 위해 해양환경에서 구조용 재료로 널리 사용되 고 있는 AA5052-O, AA5083-H321 그리고 AA6061- T6에 대하여 다양한 전기화학적 실험방법을 적용하였으며, 실험 후 부식손상 부위의 표면관찰을 통해 손상 정도를 비교·분석하였다.
본 연구는 선체 구조용 재료 AA5052-O, AA5083- H321 그리고 AA6061-T6에 대하여 해수 환경 하에서 부식 특성을 상호 비교하기 위해 다양한 전기화학적 실험을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다. EIS 실험을 통해 해수 내 침지시간에 따라 알루미늄 합금의 R_p 값이 증가함을 확인하였고, 동일침지 시간 (7시간) 후 측정된 세 시편의 R_p 값을 비교한 결과, AA5052-O의 R_p 값이 가장 높게 측정되었으며, AA5083-H321과 AA6061-T6의 경우 상대적으로 낮은 수준으로, 서로 유사한 R_p 값을 나타내었다.

제안 방법

100,000 ~ 0.01 Hz의 주파수 (frequency) 범위에서 OCP(open circuit potential) 대비 ±10 mV의 교류 전위를 인가하였고, 시간에 따른 시편의 Rp 값의 변화를 확인하기 위해 AA5052-O 시편을 대상으로 해수에 노출시킨 직후, 3 시간, 그리고 7 시간 후에 각각 EIS 측정을 수행하였다.
이에 대해 Ralston 등 [13]은 알루미늄 합금에 내재되어 있는 잔류응력과 편석의 영향을 고려한 작업공정 효과와 알루미늄 합금의 내식성에 대한 결정립 미세화 효과를 연관 지어 논의된 문헌들이 비교적 적기 때문이라고 지적하였다. 결국 단순히 미세조직 관찰만을 통해 세 가지 알루미늄 합금에 대한 내식성을 예측하는 것은 바람직하지 않기 때문에 추가적인 전기화학적 실험방법으로서 EIS, Mott-Schottky(M-S) 그리고 정전위 분극실험을 통해 세 알루미늄 합금에 대하여 종합적으로 내식성을 비교 평가하였다.
25 µm 다이아몬드 버퍼연마를 단계적으로 실시하였다. 그리고 각 단계 마다 증류수 속에서 초음파 세척을 실시하였다. 미세조직 관찰을 위한 에칭작업의 경우, AA5052-O와 AA5083-H321은 Keller’s Reagent(95mL DI water + 2.
또한 세 가지 평가시편을 대상으로 동일시간 (7 시간) 침지 후 Rp 값의 차이를 비교·분석 하였다.
0 mL HF) 침적 후 증류수 세척하고 Weck’s Reagent(100 mL DI water + 4 g KMnO₄ + 1 g NaOH) 침적을 통한 2단계 공정으로, AA6061-T6는 1%HF 용액으로 실시하였다. 모든 에칭작업 시 모든 단계마다 증류수 세척을 실시하였다. 에칭 후 시편은 광학현미경을 통해 그 미세조직을 조사하였다.
세 가지 시편은 SiC 페이퍼 #2400까지 단계적으로 연마 후 3 µm와 0.25 µm 다이아몬드 버퍼연마를 단계적으로 실시하였다.
세 가지 평가시편 표면에 일정한 산화전위를 인가하여 측정되는 전류밀도 변화를 비교하고자 정전위 분극 실험을 수행하였다. 해수환경 내에서 OCP를 기준으로 대략 +0.
세 가지 평가시편 표면에 형성된 부동태 피막의 전기적 특성 및 결함밀도(defect density)를 비교하기 위해 Mott-Schottky 실험을 수행하였다. 실험에 앞서 우선, 0.
모든 에칭작업 시 모든 단계마다 증류수 세척을 실시하였다. 에칭 후 시편은 광학현미경을 통해 그 미세조직을 조사하였다.
이는 알루미늄 합금 표면에 형성되는 부동태 피막의 특성에 기인한 결과로 판단되며, Mott-Schottky 실험을 통해 각 세 가지 알루미늄 합금 표면에 형성된 산화피막의 ND 값을 비교·분석 하였다.
이를 위해 해양환경에서 구조용 재료로 널리 사용되 고 있는 AA5052-O, AA5083-H321 그리고 AA6061- T6에 대하여 다양한 전기화학적 실험방법을 적용하였으며, 실험 후 부식손상 부위의 표면관찰을 통해 손상 정도를 비교·분석하였다.
이후, 부동태 피막이 형성된 표면을 대상으로 OCP 대비 +0.883 ~ +1.915 V(부동태 피막 형성 전위)의 전위 구간에 1,000 Hz의 고정된 주파수 하에서 ±10 mV의 교류 전위를 인가하여 0.005 V/s의 속도로 M-S 실험을 진행하였다.
정전위 실험 후 주사전자현미경과 3D 현미경 통해 표면손상 정도를 상호 비교·분석하였다.
세 가지 평가시편 표면에 일정한 산화전위를 인가하여 측정되는 전류밀도 변화를 비교하고자 정전위 분극 실험을 수행하였다. 해수환경 내에서 OCP를 기준으로 대략 +0.5 V의 산화전위를 시편 표면에 1시간 동안 인가하면서 시편 별 전류밀도 변화를 관찰하였다. 이때 OCP 대비 +0.

대상 데이터

본 실험에서 Al-Mg계열 합금인 AA5052-O와 AA5083-H321, 그리고 Al-Mg-Si계열 합금인 AA6061-T6을 실험재료로 선정하였으며, 이들의 성분조성은 표 1에 제시하였다. 시편의 크기는 20 mm × 20 mm × 5 mm(가로 × 세로 × 두께)로 절단 제작하였다.
시편의 크기는 20 mm × 20 mm × 5 mm(가로 × 세로 × 두께)로 절단 제작하였다.
시편의 크기는 20 mm × 20 mm × 5 mm(가로 × 세로 × 두께)로 절단 제작하였다. 전기화학 실험용 시편의 경우, SiC 페이퍼 #1200까지 연마 후 증류수 속에서 초음파 세척하고 열풍 건조하였고, 실험 시 시편은 모두 1 cm²의 면적만 노출시켜 실시하였다.

이론/모형

해수환경 내 침지시간에 따른 각 시편들의 분극 저항(R_p) 값을 비교하기 위해 전기화학적 임피던스 분광법을 활용하였다. 100,000 ~ 0.

성능/효과

이는 AA5052-O 시편이 AA5083-H321 및 AA6061-T6 시편과 비교하여 시편 표면에 형성되는 부동태 피막의 표면 장벽(surface barrier) 효과가 커, 상대적으로 높은 R_p 값을 가지는 현상과 같은 맥락으로 이해할 수 있다. EIS 실험결과, AA5083- H321 시편과 AA6061-T6 시편은 서로 유사한 R_p 값을 보였지만 EIS 실험조건 대비 보다 가혹한 조건(OCP 대비 +0.5 V의 일정한 산화전위 인가조건) 하에서는 AA6061-T6 시편의 내식성이 다소 열위하였다. 이는 AA6061-T6 시편 표면의 부동태 피막이 초기에 안정적으로 형성되지 못하여 양극용해 반응의 증가 결과로 판단된다.
본 연구는 선체 구조용 재료 AA5052-O, AA5083- H321 그리고 AA6061-T6에 대하여 해수 환경 하에서 부식 특성을 상호 비교하기 위해 다양한 전기화학적 실험을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다. EIS 실험을 통해 해수 내 침지시간에 따라 알루미늄 합금의 R_p 값이 증가함을 확인하였고, 동일침지 시간 (7시간) 후 측정된 세 시편의 R_p 값을 비교한 결과, AA5052-O의 R_p 값이 가장 높게 측정되었으며, AA5083-H321과 AA6061-T6의 경우 상대적으로 낮은 수준으로, 서로 유사한 R_p 값을 나타내었다. 이는 알루미늄 합금 표면에 형성되는 부동태 피막의 특성에 기인한 결과로 판단되며, Mott-Schottky 실험을 통해 각 세 가지 알루미늄 합금 표면에 형성된 산화피막의 N_D 값을 비교·분석 하였다.
세 가지 모두 결정립계(grain boundary)와 함께 표면 전반에 걸쳐 점(dot)의 형상을 가지는 다수의 금속간 화합물들이 관찰되었다. 각 알루미늄 합금의 결정립 크기를 비교해보면 AA5052-O가 AA5083-H321 과 AA6061-T6에 비해 상대적으로 크게 생성되었다. 일반적으로 결정립 크기가 감소하게 되면 내식성은 증가하는 경향을 나타낸다 [12-14].
본 실험결과를 토대로, 알루미늄 합금을 해수환경 내 침지할 경우 표면에 Al2O3 또는 Al2O3·3H2O 형태의 부동태 피막이 형성되어 일정시간 동안 표면의 Rp 값이 증가하고[18], 양극용해 반응(4Al → 4Al3+ + 12e-)은 억제되는 것으로 이해할 수 있다.
세 가지 알루미늄 합금 표면에 형성된 부동태 피막의 특성을 확인하기 위해 0.5M H₂SO₄ 용액에서 부동태 피막을 형성시킨 후 M-S 실험을 수행하여 M-S plot의 기울기를 확인한 결과(그림 3), 양의 기울기를 바탕으로 세 시편 표면에 형성된 피막의 경우 n-type 반도체의 특성을 가짐을 확인하였다. 일반적으로 M-S plots의 기울기와 도너 밀도(donor density, N_D)의 관계는 아래의 식 (6)으로 표현할 수 있다[24].
그림 6은 세 가지 알루미늄 합금에 대하여 해수환경 내에서 정전위 실험 후 손상된 표면을 3D 광학 현미경으로 촬영하여 분석한 것이다. 알루미늄 합금의 최대 손상깊이 R_max와 거칠기 R_a는 AA5052-O가 AA5083-H321과 AA6061-T6에 비해 상대적으로 모두 작게 나타나 표면손상이 가장 작은 것으로 확인되었다. 이는 표 1에서와 같이 AA5052-O가 AA5083-H321에 비해 활성의 Mg 함량이 절반 가량으로 적을 뿐만 아니라 음극의 금속간 화합물을 형성하는 Fe와 Mn 함량 역시 상대적으로 작기 때문인 것으로 여겨진다.

후속연구

그림 2(a)는 AA5052-O 시편을 대상으로 해수환경 내 침지 직후, 3 시간, 7 시간 후에 측정한 EIS 평가결과로서 Nyquist 도표를 나타낸 것이다. 침지 시간이 증가함에 따라 R_p 값이 상승하는 거동을 확인할 수 있으나, 이를 7 시간 이후, 보다 장시간 침지 후의 일반적 부식 거동으로 확대하기는 힘들며 이를 위해서는 추가 연구가 필요할 것이다. 그림 2(b)는 세 가지 알루미늄 합금 시편을 해수환경 내 동일 침지시간(7시간) 침지 후 측정한 R_p 값을 비교한 것으로, AA5052-O의 R_p 값이 가장 높게 측정되었으며, AA5083-H321과 AA6061-T6는 유사한 R_p값을 나타내었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	AA5052-O와 AA5083-H321(Al-Mg계 합금) 그리고 AA6061-T6(Al-Mg-Si계 합금)의 강화기구는 어떤 것에서 기인한 것인가?	AA5052-O와 AA5083-H321(Al-Mg계 합금) 그리고 AA6061-T6(Al-Mg-Si계 합금)는 적당한 강도를 유지하면서 동시에 내식성과 성형 가공성이 우수하여 알루미늄 선박의 선체 재료로서 주로 활용되고 있다. 이 알루미늄 합금들의 강화기구는 알루미늄 기지조직 상에 형성된 금속간 화합물(intermetallic precipitate)에 기인한 것으로 Al-Mg계 합금은 고용 강화 그리고 Al-Mg-Si계 합금은 석출경화가 크게 영향을 미친 것으로 알려져 있다 [1]. 한편 이 금속 간 화합물은 그 전기화학적인 특성 때문에 알루미늄 합금의 국부부식에 대한 예민성을 증가시키는 요인이기도 하다 [2-5].
	AA5083에서 ironrich와 magnesium-rich 금속간 화합물의 용해반응이 진행되는 동안 공식손상 전파를 방지하는 장벽역할을 하는 것은?	반면 magnesium-rich 금속간 화합물(Mg2Si 또는 Al3Mg2(β-phase) 등)은 활성 Mg에 의해 양극으로 작용하여 빠른 국부 용해가 발생하였다. 그러나 금속간 화합물의 용해반응이 진행되는 동안 수산화 부식생성물(Mg(OH)2)과 Si 금속간 화합물(SiO2·nH2O)이 손상부에 축적되어 깊은 공식손상 전파를 방지하는 장벽역할을 하는 것으로 보고하였다. 이와 같은 이유로 Aballe 등 [2]과 Bethencourt 등 [8]의 연구결과가 3.
	해양환경에서 알루미늄 합금에 대한 국부부식은 Cl- 이온에 의해 예민해지는데 그 이유는?	게다가 해양환경에서 알루미늄 합금에 대한 국부부식은 천연해수 속에 포함된 Cl- 이온에 의해 더욱 예민해진다. Cl- 이온은 알루미늄 합금 표면에 형성된 산화피막의 결함영역(imperfection site)에 흡착, 관통, 축적되어 해당 영역이 국부부식의 초기단계인 공식의 핵(nucleation of pitting)으로 성장하도록 촉진시키기 때문이다 [6,7]. 따라서 많은 연구자들이 Cl- 이온이 포함된 환경에서 알루미늄 합금의 금속 간 화합물이 국부부식에 미치는 영향에 대해 지속적으로 연구해왔다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증