[논문]알루미늄 6061-T6 합금에 대한 양극산화층이 해수 내 부식 및 응력부식균열에 미치는 영향

신동호; 황현규; 정광후; 김성종

doi:10.5695/jkise.2020.53.5.219

알루미늄 6061-T6 합금에 대한 양극산화층이 해수 내 부식 및 응력부식균열에 미치는 영향
Effect on Anodizing Oxide Film for Aluminum 6061-T6 Alloy on Corrosion and Stress Corrosion Cracking in Seawater 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.53 no.5, 2020년, pp.219 - 226

신동호 (목포해양대학교 기관시스템공학과 대학원) , 황현규 (목포해양대학교 기관시스템공학과 대학원) , 정광후 (한국해양수산연수원 해사안전교육팀) , 김성종 (목포해양대학교 기관시스템공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper investigated the characteristics of anodized aluminum 6061-T6 alloy for corrosion and stress corrosion cracking(SCC) under natural seawater. The hard anodizing oxide film formed on the 6061-T6 was a uniform thickness of about 25 ㎛. The corrosion characteristics were performed with a potentiodynamic polarization test. SCC was characterized by a slow strain rate tensile test under 0.005mm/min rate. As a result, the anodizing film showed no significant effect on SCC in the slow strain rate test. However, the corrosion current density of base metal was measured to be approximately 13 times higher than that of the anodized specimen. Therefore, the anodizing film significantly improved the corrosion resistance of 6061-T6 alloy in natural seawater.

주제어

표/그림 (12)

표 Table 1. Chemical compositions and properties of natural seawater (wt. %)
그림 Fig. 1. Schematic shape of specimen for SSRT.
그림 Fig. 2. BSE image and EDS elemental mapping for a cross-section of 6061A specimens: (a) SEM image, (b-d) EDS elemental maps.
그림 Fig. 3. SEM images and EDS elemental mapping analysis results for the surface of 6061 and 6061A specimens.
그림 Fig. 4. Polarization curves and Tafel's extrapolation results of 6061 and 6061A specimens in natural seawater solution.
그림 Fig. 5. Potentiodynamic anodic polarization curves of 6061 and 6061A specimens in natural seawater solution.
그림 Fig. 6. Macro-observation for the 6061 and 6061A surface after potentiodynamic anodic polarization test in natural seawater.
그림 Fig. 7. SEM images and EDS elemental map analysis results for the surface of 6061 and 6061A specimens after potentiodynamic anodic polarization test under natural seawater.
그림 Fig. 8. Stress vs. strain curves for 6061 and 6061A specimens in SSRT　with strain rate under natural seawater.
그림 Fig. 9. Fractographies of cross-section after slow strain rate test in natural seawater: (a) 6061_2mm/min, (b) 6061_0.005mm/min, © 6061A_2mm/min, (d) 6061A_0.005mm/min.
그림 Fig. 10. Fractographies of surface after slow strain rate tes in natural seawater: (a) 6061_2mm/min, (b) 6061_0.005mm/min, (c) 6061A_2mm/min, (d) 6061A_0.005mm/min.
표 Table 2. Detailed mechanical properties values fo 6061 and 6061A specimens derived from stress vs. strain curves of SSRT test with strain rate

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 알루미늄 합금 6061-T6 합금에 상용화된 양극산화 공정을 수행하고, 해수 내부식특성과 저변형률 인장시험을 통한 응력균열부식에 대한 특성을 평가하였다.

제안 방법

분극시험 전, 개로전위(open circuit potential, 이하 OCP)는 천연 해수에 작업전극을 1시간 침지한 후 계측하였다. 동전위 양극분극 시험은 작업 전극의 전위를 OCP 기준 -0.25 V에서 2.0 V까지 0.5 mV/s의 주사속도로 수행하였다. 부식전위와 부식전류밀도는 동전위 분극 곡선의 OCP 기준 ±0.
Tafel 시험은 균일부식 특성을 나타내는 소재에 대한 정량적 부식속도를 산출하는데 적합한 기법으로 볼수 있으며, 알루미늄과 같이 부동태 특성을 나타내는 금속 소재에서는 다소 한계가 존재할 수 있다. 따라서, 각 시료의 명확한 부식 민감성을 평가하기 위해 동전위 분극 시험을 수행하였다.
전기화학 실험용 부식 셀은 3 전극 부식 셀(three electrode system)이며, 상온의 천연 해수를 전해질로 사용하였다. 본 연구에서 사용된 천연 해수에 대한 조성은 표 1에 제시하였다, 작업 전극은 전용 홀더를 사용하여 일정 면적 1 cm²가 전해질에 노출되도록 하였다. 대극은 2 cm × 2 cm 크기의 백금망(Pt mesh)을, 기준전극은 Ag/AgCl(sat.
by KCl) 전극을 사용하였다. 분극시험 전, 개로전위(open circuit potential, 이하 OCP)는 천연 해수에 작업전극을 1시간 침지한 후 계측하였다. 동전위 양극분극 시험은 작업 전극의 전위를 OCP 기준 -0.
실험 종료 후 시험편은 증류수와 아세톤으로 세척하였으며, 열풍 건조 후 진공 건조기에 보관하였다. 실험 후 파단면은 SEM을 통해 관찰하였다.
인장 시험편의 상세한 형상과 치수는 그림 1에 제시하였다. 저변형률 인장시험은 천연 해수 환경에서 인장 변형률 2mm/min과 0.005mm/min 의 변위 제어를 통해 시험편이 파단될 때까지 수행하였다. 저변형율 인장시험은 결과값에 대한 신뢰도 확보를 위해, 각 조건에 대하여 2회씩 수행하였다.
005mm/min 의 변위 제어를 통해 시험편이 파단될 때까지 수행하였다. 저변형율 인장시험은 결과값에 대한 신뢰도 확보를 위해, 각 조건에 대하여 2회씩 수행하였다. 시험편에 대한 물성치는 응력-변형률 곡선을 통해 산출하였으며, 그 평균값을 산출하였다.

대상 데이터

대극은 2 cm × 2 cm 크기의 백금망(Pt mesh)을, 기준전극은 Ag/AgCl(sat. by KCl) 전극을 사용하였다.
본 연구에서 사용된 소재는 주로 선박건조 및 해양산업 구조물로 사용되는 5 mm 두께의 알루미늄 6061-T6 합금이다. 합금의 화학조성은 Mg 0.
저변형률 인장시험에 사용된 시험편의 표점거리는 25mm이며, 평행부 길이는 55mm이다. 인장시험편의 치수는 ASTM E8/E8M-09(Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials)[8]을 준용하여 제작하였다.
전기화학용 시험편은 2 cm × 2 cm의 크기로 가공된 6061과 6061A 시편이다, 시험면은 SiC 연마지#600까지 연마하였으며, 연마된 시편은 아세톤과 증류수로 세척 후 열풍에서 건조하였다. 전기화학 실험용 부식 셀은 3 전극 부식 셀(three electrode system)이며, 상온의 천연 해수를 전해질로 사용하였다. 본 연구에서 사용된 천연 해수에 대한 조성은 표 1에 제시하였다, 작업 전극은 전용 홀더를 사용하여 일정 면적 1 cm²가 전해질에 노출되도록 하였다.
전기화학용 시험편은 2 cm × 2 cm의 크기로 가공된 6061과 6061A 시편이다, 시험면은 SiC 연마지#600까지 연마하였으며, 연마된 시편은 아세톤과 증류수로 세척 후 열풍에서 건조하였다.

데이터처리

저변형율 인장시험은 결과값에 대한 신뢰도 확보를 위해, 각 조건에 대하여 2회씩 수행하였다. 시험편에 대한 물성치는 응력-변형률 곡선을 통해 산출하였으며, 그 평균값을 산출하였다. 항복강도는 0.

이론/모형

부식전위와 부식전류밀도는 동전위 분극 곡선의 OCP 기준 ±0.25 V 범위에서 Tafel 외삽법을 통해 산출하였다.
저변형률 인장시험에 사용된 시험편의 표점거리는 25mm이며, 평행부 길이는 55mm이다. 인장시험편의 치수는 ASTM E8/E8M-09(Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials)[8]을 준용하여 제작하였다. 인장 시험편의 상세한 형상과 치수는 그림 1에 제시하였다.
각 시편에 대한 식별이 쉽도록, 모재와 양극산화 공정을 거친 시편은 각각 6061과 6061A로 표기하였다. 표면 양극산화 피막에 대한 분석은 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM)과 에너지 분산 X선 분광법(energy dispersive X-ray spectroscopy, 이하 EDS)을 통해 수행하였다.
시험편에 대한 물성치는 응력-변형률 곡선을 통해 산출하였으며, 그 평균값을 산출하였다. 항복강도는 0.2% off-set법을 통해 산출하였다. 실험 종료 후 시험편은 증류수와 아세톤으로 세척하였으며, 열풍 건조 후 진공 건조기에 보관하였다.

성능/효과

0.005mm/min의 저변형률 인장시험에서 양극산화 적용에 따른 6061-T6 알루미늄 합금의 응력부식균열 특성은 유의한 차이를 나타내지 않았다. 시편과 시험조건에 따른 인장강도와 항복강도는 큰 차이를 나타내지 않았으며, 연신율은 6061A 시편에서 6061시편 대비 다소 감소하는 경향을 나타냈다.
단면 관찰을 통한 6061A의 경질 알루미늄 산화층은 매우 균일하였으며, 그 두께는 25 μm로 확인되었다.
반면, 6061A는 전위상승에 따라 1×10^-5mA/cm²부근에서 전류밀도가 정체되는 부동태 거동을 나타냈다. 따라서, 6061A 시편은 양극산화 피막에 기인하여, 낮은 전류밀도를 나타냄에 따라 해수 내 내식 성이 현저히 개선된 것으로 판단된다.
그림 9는 6061과 6061A 시편에 대하여 저변형률 인장시험 종료 후 변형률에 따른 인장 시험편 파단부 단면을 관찰한 것이다. 먼저, 6061과 6061A 시편에서 인장 변형률에 따른 단면 파단 특성은 명확히 관찰되지 않았다. 일반적으로 부식환경에서 응력부식균열에 영향을 받은 시편의 파단부 주변에는 미세 균열이 성장한다.
먼저, 6061과 6061A의 부식전위는 –0.745V와 –0.7로 나타났으며, 양극산화가 적용됨에 따라 부식전위는 다소 귀방향(novel direction)으로 상승하는 경향을 나타냈다.
천연 해수 환경하에서 양극산화 적용에 따른 부식전류밀도는 매우 큰 차이를 나타냈다. 모재는 양극산화 시편 대비 약 13배의 높은 부식전류밀도를 나타냈으며, 동전위 양극분극 시험에서 전위상승에 따른 자연 산화피막 손상으로, 급격한 전류밀도 증가를 나타냈다.
본 연구에서 적용된 저변형률 0.005mm/min에서 6061-T6에 대한 양극산화 적용에 따른 응력부식균열 특성에 대한 유의한 효과는 나타나지 않았으나, 양극산화 시편에서 내식성이 크게 향상되었다.
그림 2(a)의 BSE 사진과 그림 2(b-d)의 EDS 원소 분석을 통해 양극산화 공정에서 형성된 표면 양극 알루미늄 산화층과 기지금속은 명확히 구별할 수 있었다. 산화층 내 미세기공이 다소 존재하였으나, 전체적으로 균일한 알루미늄 산화층이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 양극산화 피막은 특성에 따라 연질과 경질로 구분 된다[9].
005mm/min의 저변형률 인장시험에서 양극산화 적용에 따른 6061-T6 알루미늄 합금의 응력부식균열 특성은 유의한 차이를 나타내지 않았다. 시편과 시험조건에 따른 인장강도와 항복강도는 큰 차이를 나타내지 않았으며, 연신율은 6061A 시편에서 6061시편 대비 다소 감소하는 경향을 나타냈다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FRP 선박의 단점은?	2017년 기준으로, 전체 중소형 선박 중 FRP 선박이 차지하는 비율은 약 90% 이상이다. 그러나 FRP 선박은 외부 충격과 화재에 취약할 뿐만 아니라, 재활용할 수 없으므로 폐선 시 환경오염이 우려되는 단점이 있다. FRP 선박의 단점을 보완하기 위해, 최근에는 기존 FRP 소재 중소형 선박이 알루미늄 재질로 교체되고 있다.
	양극산화란?	해수 내 알루미늄 합금의 내식성을 향상하기 위한 기법으로 다양한 표면처리 기법이 적용되고 있다. 양극산화는 전기화학적 방법을 통해 대상 금속의 표면 산화피막을 인위적으로 성장시키는 기법으로, 내식성, 내마모성, 그리고 인장강도와 관련된 알루미늄 합금의 성능을 향상하는 매우 효과적인 대안으로 널리 알려져 있다. Bouchama[5] 등은 2단계 양극산화 공정을 통해 3% NaCl 용액 내 알루미늄 합금의 내식성을 상당히 개선하였다.
	알루미늄 합금의 경우 해수와 같이 다량의 Cl- 이온을 포함한 부식환경에서 재료에 미치는 영향은?	따라서, 다양한 산업 분야에서 내식성을 요구하는 구조물에 대한 소재로 주로 적용되고 있다. 그러나 해수와 같이 다량의 Cl- 이온을 포함한 부식환경에서 자연 산화피막은 매우 빠르게 손상되며, 충분한 내식성을 나타내지 못하는 경우가 있다. 해수 내 알루미늄 부식에 관한 일부 연구가 진행되었으나, 이에 대한 인식은 현재까지 많이 부족한 실정이다.

참고문헌 (16)

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X. Ji, S. Emura, X. Min, and K. Tsuchiya, Strain-rate effect on work-hardening behavior in ${\beta}$ -type Ti-10Mo-1Fe alloy with TWIP effect, Mater. Sci. Eng. : A, 707, (2017), 701-707.

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].

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