[논문]5083-H321 알루미늄 합금의 해수 내 전류밀도의 변화에 따른 전식 특성 연구

김영복; 김성종

doi:10.5695/jkise.2019.52.1.23

5083-H321 알루미늄 합금의 해수 내 전류밀도의 변화에 따른 전식 특성 연구
Investigation on Electrolytic Corrosion Characteristics with the Variation of Current Density of 5083-H321 Aluminum Alloy in Seawater 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.52 no.1, 2019년, pp.23 - 29

김영복 (목포해양대학교 기관시스템공학부) , 김성종 (목포해양대학교 기관시스템공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Electrolytic corrosion of the ship's hull can be occurred due to stray current during welding work using shore power and electrical leakage using shore power supply. The electrolytic corrosion characteristics were investigated for Al5083-H321 through potentiodynamic polarization and galvanostatic corrosion test in natural seawater. Experiments of electrolytic corrosion were tested at various current densities ranging from $0.01mA/cm^2$ to $10mA/cm^2$ for 30 minutes, and at various applied time ranging from 60 to 240 minutes. Evaluation of electrolytic corrosion was carried out by Tafel extrapolation, weight loss, surface analysis after the experiment. In the electrolytic corrosion characteristics of Al5083-H321 as the current density increased, the surface damage tended to proportionally increase. In the current density of $0.01mA/cm^2$ for a applied long time, the damage tended to grow on the surface. In the case of $10mA/cm^2$ current density for a applied long time, the damage progressed to the depth direction of the surface, and the amount of weight loss per hour increased to 4 mg/hr.

주제어

표/그림 (11)

표 Table 1. Chemical compositions of Al5083-H321 (wt%)
표 Table 2. Chemical compositions and properties of seawater
그림 Fig. 1. Polarization curve for Tafel analysis.
그림 Fig. 2. Potential variation of Al5083-H321 during galvanostatic experiment at various current densities in seawater.
그림 Fig. 3. Weight loss and surface morphologies of Al5083-H321 after galvanostatic experiment at various current densities for 30 min in seawater.
그림 Fig. 4. SEM images of surface morphologies for Al5083-H321 after galvanostatic experiment at various current densities in seawater.
그림 Fig. 5. 3D microscopic image analysis of Al5083-H321 after galvanostatic experiment at various current densities in seawater.
그림 Fig. 6. Surface morphologies after galvanostatic experiment at the current densities of 0.01 mA/cm² and 10 mA/cm² with various applied time in seawater.
그림 Fig. 7. Weight loss after galvanostatic experiment at current density of 10 mA/cm² with various applied time in seawater.
그림 Fig. 8. Surface morphologies after galvanostatic experiment at the current densities of 0.01 mA/cm² and 10 mA/cm² with various applied time in seawater.
그림 Fig. 9. 3D microscopic image analysis after galvanostatic experiment at the current densities of 0.01 mA/cm² and 10 mA/cm² with various applied time in seawater.

AI 본문요약
AI-Helper

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제안 방법

Al5083-H321 시험편에 대해서 해수에서 전기화학적인 방법으로 전식 특성을 평가하였다. 0.
전기화학 셀 구성은 작동전극으로 시험편을 자체 제작한 홀더로 1 cm²만 전해액에 노출되도록 하였으며, 기준전극과 대응전극은 각각 은/염화은(Ag/AgCl) 전극, 백금(Pt) 전극을 사용하였다. 그리고 분극실험은 전위차계(GAMRY instrument, US/PCI4/750)를 사용하여 시험편을 600초간 안정화시킨 뒤 2 mV/s의 주사속도로 분극시켜 각 시점의 전류밀도 값과 전위 값을 계측하였다. 실험에 사용된 전해액으로는 천연해수을 사용하였으며, 온도는 25^oC로 유지하였다.
본 연구에 사용된 천연해수의 주요 성분 및 특성은 표 2에 나타내었다. 그리고 실험의 재현성 확보를 위해 동일 조건에서 각각 3회 이상 반복 실험을 시행하였다.
정전류 부식가속 실험장비는 전위차계(Wonatech, WMPG 1000)를 사용하였다. 그리고 추가로 0.01 mA/cm², 10 mA/cm² 전류밀도 조건에서 전위차계(GAMRY instrument, US/PCI4/750)를 사용하여 각각 60분, 120분, 180분, 240분간 인가한 후 시험편의 손상정도를 관찰하였으며, 실험의 재현성 확보를 위해 동일조건에서 각각 3회 이상 반복 실험을 실시하였다.
g까지 측정 가능한 고정밀 저울로 측정하였다. 그리고 표면 손상 정도는 주사전자현미경(HITACHI, S-2150)을 통해 미시적으로 관찰하였으며, 3D 광학 현미경(Motic, PSM-100, I-solution)을 통해 표면의 최대 손상깊이를 측정하였다.
g까지 측정 가능한 고정밀 저울로 측정하였다. 그리고 표면 손상 정도는 주사전자현미경(HITACHI, S-2150)을 통해 미시적으로 관찰하였으며, 3D 광학 현미경(Motic, PSM-100, I-solution)을 통해 표면의 최대 손상깊이를 측정하였다.
무게 측정은 실험 전·후 시험편을 건조기에서 24시간 이상 건조 후 10-4 g까지 측정 가능한 고정밀 저울로 측정하였다.
본 연구는 선체 재료로 사용되는 5083-H321 알루미늄 합금에 대하여 동전위 분극실험(Potentiodynamic polarization test)과 해양환경에서의 전식을 인위적으로 모사할 수 있는 정전류 부식실험(Galvanostatic corrosion test)으로 전식 특성을 분석하였다.
정전류 부식실험(Galvanostatic corrosion test)은 전기화학적 실험으로 다양한 전류밀도를 시험편에 인가하여 전식 손상을 인위적으로 모사하여 재료의 전식 특성을 평가할 수 있는 방법이다. 전기화학 셀구성과 전해액은 앞선 실험과 동일하며, 전류밀도조건은 각각 0.01 mA/cm², 0.1 mA/cm², 1 mA/cm², 5 mA/cm², 10 mA/cm²로 30분간 인가한 후 시험편 표면 손상 정도를 관찰하였다. 정전류 부식가속 실험장비는 전위차계(Wonatech, WMPG 1000)를 사용하였다.

대상 데이터

그리고 연마된 시험편을 아세톤과 증류수 순으로 세척 후 건조기에서 24시간 이상 건조하였다. 본 연구에서 사용된 Al5083-H321에 대한 화학적 성분을 표 1에 나타내 었으며, 도장을 하지 않은 시편에 대하여 본 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 해양구조물, 자동차, 건설업계에 널리 쓰이는 5000계열 알루미늄 합금인 Al5083-H321을 선정하였다. 5083-H321 알루미늄 합금은 알루미늄에 마그네슘이 4.
그리고 분극실험은 전위차계(GAMRY instrument, US/PCI4/750)를 사용하여 시험편을 600초간 안정화시킨 뒤 2 mV/s의 주사속도로 분극시켜 각 시점의 전류밀도 값과 전위 값을 계측하였다. 실험에 사용된 전해액으로는 천연해수을 사용하였으며, 온도는 25^oC로 유지하였다. 본 연구에 사용된 천연해수의 주요 성분 및 특성은 표 2에 나타내었다.
동전위 분극실험(Potentiodynamic polarization test)은 재료의 부식 특성을 전기화학적 실험으로 평가할 수 있는 방법이다. 전기화학 셀 구성은 작동전극으로 시험편을 자체 제작한 홀더로 1 cm²만 전해액에 노출되도록 하였으며, 기준전극과 대응전극은 각각 은/염화은(Ag/AgCl) 전극, 백금(Pt) 전극을 사용하였다. 그리고 분극실험은 전위차계(GAMRY instrument, US/PCI4/750)를 사용하여 시험편을 600초간 안정화시킨 뒤 2 mV/s의 주사속도로 분극시켜 각 시점의 전류밀도 값과 전위 값을 계측하였다.

이론/모형

한편 타펠 외삽법(Tafel’s extrapolation)을 적용하여 부식전위와 부식전류밀도를 산출하였으며, 그 값은 각각 -0.64 V, 2.00 × 10-7 A/cm2 으로 나타났다.

성능/효과

01 mA/cm²과 10 mA/cm²의 전류밀도에 대하여 다양한 적용시간 변화에 따른 표면을 육안으로 관찰한 사진이다. 0.01 mA/cm2 전류밀도를 인가할 경우 표면에 국부적 손상이 발생 후 인가 시간 경과에 따라 표면의 넓이 방향으로 크게 성장하는 경향이 나타났다. 10 mA/cm²의 전류밀도로 정전류 전식 실험 후 표면은 60분에서 표면 전반에 손상이 나타났으며, 시험편 상부 및 하부에 부식이 발생하지 않는 건전한 부위가 관찰되었는데 이는 양극용해 반응 시 생성된 기포의 시험편 표면 체류로 인해 전해액인 해수와 알루미늄 합금 표면의 접촉을 방해하였기 때문으로 판단된다.
4 μm로 측정되었다. 0.01 mA/cm²부터 10 mA/cm²까지 전류밀도 인가 시 시험 전 대비 약 2.3배, 3.7배, 6.4배, 9.8배, 17.1배로 손상깊이가 나타났으며, 전류밀도 크기에 따른 표면 손상깊이가 비례적으로 증가하는 경향이 나타났다. 이는 해수에서 알루미늄 합금의 공식(Pitting)은 해수 내 포함된 Cl^- 이온으로 인한 산화피막의 국부적인 파괴 후 소면적의 양극이 대면적의 음극에 둘러싸여 갈바닉 부식에 의한 양극 용해반응으로 공식이 성장한다.
Al5083-H321 시험편에 대해서 해수에서 전기화학적인 방법으로 전식 특성을 평가하였다. 0.01 mA/cm²에서 10 mA/cm²까지 다양한 전류밀도에서 30분간 인가할 시 전류밀도가 증가하면서 표면 손상도 비례적으로 증가하는 경향이 나타났다. 한편 0.
무게감소량은 동일조건에서 3회 실험한 시험편의 평균값이다. 0.01 mA/cm²에서는 무게 감소량이 0.1 mg로 측정되었으며, 이후 10 mA/cm²까지 무게 감소량은 각각 0.25 mg, 0.5 mg, 1.25 mg, 2.1 mg로 전류밀도 크기에 따라 비례적으로 증가하는 경향이 나타났다. 이는 실험에 사용된 전류밀도로 유발되는 전식 손상은 자연 부식 상태에서의 손상보다 현저히 큰 것으로, 자연 상태 대비 경시적으로 가속되는 전식 시간은 패러데이 법칙 (Faraday’s law)에 의해 계산될 수 있다.
의 전류밀도로 시간별 인가 후 무게감소량을 비교한 그래프이다. 10 mA/cm²의 전류밀도를 인가한 경우 시간당 약 4 mg/hr으로 무게 감소량이 균일하게 증가하는 경향이 나타났다. 이는 부식전류밀도보다 매우 높은 적용전류밀도가 일정하게 인가되면서 합금 내 원소의 갈바닉 부식의 영향보다 [12] 알루미늄 기지의 용해반응(Al → Al³⁺+ 3e)이 지배적으로 진행되었기 때문으로 판단된다.
이는 타 연구자에 따르면 해수와 같은 염소이온이 포함된 용액에서 공식전위(E_pit)까지 전위를 상승시키면 특정 결정면을 따라 공식이 생성되고 성장하는 것으로 알려져있다 [10,11]. 결정면의 형상은 전류밀도가 상승할수록 상대적으로 뚜렷하게 나타났으며, 10 mA/cm²에서 그 형상이 가장 크게 관찰되었다.
01 mA/cm²의 전류밀도로 장시간 인가 시 표면의 넓이방향으로 손상이 진행되는 결과가 나타났다. 그리고 10 mA/cm²의 전류밀도로 장시간 인가 시 표면의 깊이방향으로 손상이 진행되었으며, 시간당 무게감소량이 4 mg/hr로 거의 유사하게 증가는 경향을 나타냈다.
공식전위(E_pit) 이후 전류밀도가 급격히 증가하는 이유는 산화피막의 파괴로 인한 공식(Ptting corrosion)이 개시되면서 국부적인 양극용해가 발생하여 공식이 성장하기 때문으로 판단된다 [8]. 그리고 공식전위 이후 전류밀도는 공식으로 인한 산화피막 파괴로 급격히 상승하는 경향이 나타났다. 한편 타펠 외삽법(Tafel’s extrapolation)을 적용하여 부식전위와 부식전류밀도를 산출하였으며, 그 값은 각각 -0.
이는 부동태 피막의 파괴와 재형성으로 인해 전위가 헌팅하는 것으로 판단된다. 그리고 비교적 높은 전류밀도인 5 mA/cm²에서 10 mA/cm²까지 전류밀도에서는 전위의 상승과 하락이 일정하게 반복되는 부분이 나타났다. 이는 양극용해 반응 시 생성된 기포의 시험편 표면 체류로 인해 전해액인 해수와 알루미늄 표면의 접촉을 방해하였기 때문으로 판단된다.
01 mA/cm² 의 전류밀도를 해수 내에서 30분 동안 인가시킬 경우 이론적으로 약 1일 동안 자연 상태에서 부식이 진행되는 것과 동일하게 나타났다. 실험에 적용된 0.01~10 mA/cm² 의 전류밀도와 부식전류 밀도와의 비교 결과 약 최소 1일에서 최대 1058일까지 자연 부식이 진행되는 것으로 산출되었으며, 이는 매우 짧은 시간에 전식이 발생되면 자연 부식 대비 급격한 부식이 발생할 것으로 판단된다.
05 이다. 즉, Al5083-H321에 0.01 mA/cm² 의 전류밀도를 해수 내에서 30분 동안 인가시킬 경우 이론적으로 약 1일 동안 자연 상태에서 부식이 진행되는 것과 동일하게 나타났다. 실험에 적용된 0.
표면 관찰 결과, 0.01 mA/cm²의 경우 육안 상 확인 가능한 미세한 공식이 관찰되었다. 공식 발생 원인은 전류가 인가되면서 산화피막 중 약한 부위에 먼저 국부적인 손상(Pitting)이 발생한 후 양극화 된 공식이 대면적의 음극에 둘러싸여 갈바닉 부식에 의한 양극 용해반응이 발생하기 때문으로 판단된다 [9].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선박의 선체 재료로 FRP 사용 시 장단점은?	현재 우리나라 선체 재질별 어선 척수로는 2018년 해양수산부 통계에 따르면 총 어선 중 약 96%가 섬유강화수지(Fiber Reinforced Plastics, FRP)선이다. 선박의 선체 재료로 FRP 사용 시 제작이 쉽고 건조 단가가 저렴한 장점이 있으나, 화재와 충격에 취약하며 폐선 시 재활용이 어려운 단점이 있다 [1-4]. 이러한 FRP의 단점을 보완하기 위해 선체 재료로 알루미늄 합금 사용 시 FRP 선박 대비 강도가 우수할 뿐만 아니라 외부 충격과 화재에 강하며, 경량화에 기인한 연료소모량 감소로 경제적이며 폐선 시 재활용이 가능하여 친환경적인 선체 재료로 주목받고 있다 [5].
	동전위 분극실험이란?	동전위 분극실험(Potentiodynamic polarization test)은 재료의 부식 특성을 전기화학적 실험으로 평가할 수 있는 방법이다. 전기화학 셀 구성은 작동전극으로 시험편을 자체 제작한 홀더로 1 cm2만 전해액에 노출되도록 하였으며, 기준전극과 대응전극은 각각 은/염화은(Ag/AgCl) 전극, 백금(Pt) 전극을 사용하였다.
	알루미늄 합금제 선박이 FRP 선박 대비 우수한 점은?	선박의 선체 재료로 FRP 사용 시 제작이 쉽고 건조 단가가 저렴한 장점이 있으나, 화재와 충격에 취약하며 폐선 시 재활용이 어려운 단점이 있다 [1-4]. 이러한 FRP의 단점을 보완하기 위해 선체 재료로 알루미늄 합금 사용 시 FRP 선박 대비 강도가 우수할 뿐만 아니라 외부 충격과 화재에 강하며, 경량화에 기인한 연료소모량 감소로 경제적이며 폐선 시 재활용이 가능하여 친환경적인 선체 재료로 주목받고 있다 [5].

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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].

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