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갈바닉 부식

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목차

1. 개요

갈바닉 부식은 전해액 내에서 두 종류의 금속이 접촉하여 전지가 형성되고, 이로 인해 한쪽 금속의 부식이 가속화되는 현상이다. 이는 이종 금속 접촉 부식 또는 갈바니 부식이라고도 불리며, 주로 접촉 부위에서 발생한다. 부식 전위의 차이가 클수록 부식이 심화되며, 금속 종류, 표면적 비율, 전해질의 종류와 환경 등이 부식 정도에 영향을 미친다. 방지 대책으로는 재료 선정, 절연, 코팅, 음극 보호 등이 있으며, 자유의 여신상과 같은 주요 사례를 통해 그 심각성을 확인할 수 있다.

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갈바닉 부식
개요
알루미늄 합금에서 발생한 갈바닉 부식
알루미늄 합금에서 발생한 갈바닉 부식
정의다른 종류의 금속이 전해액 내에서 전기적으로 연결될 때 발생하는 전기화학적 부식 과정
발생 조건서로 다른 종류의 금속이 전기적으로 연결되어 있어야 함
금속들이 전해액 (예: 물, 산, 염기)에 잠겨 있어야 함
다른 이름이종 금속 접촉 부식
전지 부식
작동 원리
기본 원리전기화학적 전위차에 의해 발생하는 자발적인 전기화학적 반응
양극 금속전자를 잃고 부식되는 금속 (더 활성적인 금속)
음극 금속전자를 얻어 부식으로부터 보호되는 금속 (덜 활성적인 금속)
전해액이온의 이동을 가능하게 하는 전도성 용액
갈바닉 계열
설명특정 환경에서의 금속 및 합금의 상대적인 활동 순위를 나타내는 척도
활용갈바닉 부식 가능성을 예측하고, 호환 가능한 재료를 선택하는 데 도움을 줌
영향 요인
금속 간 전위차전위차가 클수록 부식 속도가 빨라짐
전해액의 종류전해액의 조성과 농도가 부식 속도에 영향
온도온도가 높을수록 부식 속도가 증가하는 경향이 있음
면적비양극 금속의 면적이 음극 금속의 면적보다 작을수록 부식 속도가 가속화됨
예방 방법
재료 선택갈바닉 계열에서 서로 가까운 금속 사용
절연서로 다른 금속 간의 전기적 접촉 차단
코팅부식 방지 코팅 (예: 페인트, 아노다이징) 적용
희생 양극아연, 마그네슘과 같이 더 활성적인 금속을 사용하여 우선적으로 부식되도록 함
부식 억제제전해액에 부식 속도를 늦추는 화학 물질 첨가
일반적인 예시
강철과 알루미늄강철과 알루미늄이 접촉하면 강철이 부식될 수 있음
구리와 강철구리 배관과 강철 파이프가 연결되면 강철이 부식될 수 있음
해수 환경해수 환경에서는 다양한 금속 구조물에서 갈바닉 부식이 발생하기 쉬움
중요성
산업적 중요성석유화학, 해양, 건설 등 다양한 산업 분야에서 설비의 안전성과 수명에 큰 영향
경제적 영향부식으로 인한 손실은 막대하며, 예방 및 관리 비용이 중요
추가 정보
관련 표준다양한 국제 표준 (예: ISO, ASTM)에서 갈바닉 부식 시험 방법 및 예방 지침 제공
연구 동향새로운 부식 방지 재료 및 기술 개발 연구 활발

2. 발생 원리

갈바닉 부식은 서로 다른 두 금속이 전해액 내에서 접촉할 때 발생한다. 이때, 전극 전위가 더 높은(더 반응성이 큰) 금속은 양극이 되어 부식이 가속화되고, 전극 전위가 낮은(더 반응성이 작은) 금속은 음극이 되어 부식이 억제된다.[1][2][3][4] 이러한 현상은 전지가 형성되어 전류가 흐르는 것과 유사하며, 이때 형성되는 전지를 부식 전지라고 부른다.[4]

이종 금속 접촉 부식의 개략도. 부동태 금속(M)과 귀금속을 수용액 중에서 접촉시키면 거시적인 부식 회로가 형성되어, 부동태 금속의 부식(M+ 이온의 유출)이 진행된다.


예를 들어, 수용액에서 철과 구리를 접촉시키면 "구리 → 철 → 수용액 → 구리" 순서로 전류가 흐르면서 철의 부식이 촉진된다.[2] 이처럼 전해액 환경에서 서로 다른 금속이 접촉하면 한쪽 금속의 부식이 가속화되는 현상을 이종 금속 접촉 부식, 또는 갈바닉 부식이라고 한다.[2][20]

이종 금속 접촉 부식이 일어날 때, 귀금속과 부동태 금속의 부식 전위와 부식 전류의 움직임 개략도.


갈바닉 부식의 원리는 표준 전극 전위(이온화 경향) 차이가 아닌, 해당 환경에서 금속이 단독으로 부식될 때 나타내는 자연 전위(부식 전위)의 차이에 의해 결정된다.[31] 자연 전위가 상대적으로 높은 금속은 '귀'하다고 하고, 낮은 금속은 '부동태'하다고 한다.[28][20] 이때, 부동태 금속의 부식이 가속화된다.[29]

열교환기에 설치된 아연의 희생 양극


분극 곡선을 통해 살펴보면, 자연 전위가 다른 두 금속이 접촉하면 두 금속의 전위는 동일해지고, 그 값은 원래 두 자연 전위 사이에서 안정된다.[31][26][4] 이로 인해 부동태 금속의 전위는 원래보다 높아져 부식 전류가 커지고, 부식이 가속화된다.[26][29] 반면, 귀금속은 전위가 낮아져 부식이 억제된다.[26][29] 이러한 원리를 활용하여 희생 양극법(유전 양극법)과 같은 방식의 부식 방지 기술이 사용된다.

2. 1. 전극 전위와 갈바니 계열

서로 다른 금속과 합금은 서로 다른 전극 전위를 가지며, 두 개 이상의 금속이 전해액 내에서 접촉하면 하나(더 반응성이 큰)는 양극 역할을 하고 다른 하나(더 반응성이 작은)는 음극 역할을 한다. 두 전극 반응 간의 전위차는 양극 금속에 대한 가속된 공격의 원동력이 되며, 이는 전해액으로 용해된다. 이로 인해 양극의 금속은 그렇지 않은 경우보다 더 빠르게 부식되고 음극의 부식이 억제된다. 갈바닉 부식이 발생하려면 금속 사이에 전해액과 전기 전도 경로가 존재해야 한다. 전해액은 이온 전기 이동을 제공하여 이온이 이동하여 그렇지 않으면 반응을 멈추게 할 전하 축적을 방지한다. 전해액에 쉽게 환원되지 않는 금속 이온(예: Na+, Ca2+, K+, Mg2+ 또는 Zn2+)만 포함되어 있는 경우, 음극 반응은 용존 H+를 H2로 또는 O2를 OH−로 환원하는 것이다.[1][2][3][4]

이러한 유형의 반응은 의도적으로 장려되기도 한다. 예를 들어, 저렴한 가정용 배터리에는 일반적으로 탄소-아연 전지가 포함되어 있다. 폐쇄 회로의 일부(전자 경로)로, 전지 내 아연은 전기를 생성하는 배터리의 필수적인 부분으로 우선적으로 부식된다(이온 경로). 또 다른 예는 매설 또는 수중 구조물 및 온수 저장 탱크의 음극 보호이다. 이 경우 희생 양극은 갈바닉 커플의 일부로 작용하여 양극의 부식을 촉진하는 동시에 음극 금속을 보호한다.

반면, 파이핑(예: 구리, 주철 및 기타 주조 금속)에 혼합 금속이 사용될 경우 갈바닉 부식이 시스템 부품의 가속된 부식을 초래할 수 있다. 부식 방지제인 아질산 나트륨 또는 몰리브덴산 나트륨과 같은 물질을 이러한 시스템에 주입하여 갈바닉 전위를 줄일 수 있다. 그러나 이러한 부식 방지제의 적용은 면밀히 모니터링해야 한다. 부식 방지제의 적용으로 시스템 내 물의 전도도가 증가하면 갈바닉 부식 전위가 크게 증가할 수 있다.

산성도 또는 알칼리도(pH) 또한 폐쇄 루프 이중 금속 순환 시스템과 관련하여 중요한 고려 사항이다. pH 및 부식 억제 용량이 잘못되면 갈바닉 부식이 가속화된다. 대부분의 HVAC 시스템에서는 희생 양극 및 음극의 사용이 선택 사항이 아니다. 시스템 배관 내에 적용해야 하며, 시간이 지남에 따라 부식되어 순환 펌프, 열 교환기 등에 잠재적인 기계적 손상을 일으킬 수 있는 입자를 방출하기 때문이다.[5]

스테인리스강 볼트 주변에 부식이 발생한 아연 도금 연강 케이블 사다리


희생 양극으로 보트 보호


모든 금속은 표준 기준 전극에 대한 특정 전해질에서 나타내는 전기적 전위를 나타내는 갈바니 계열로 분류할 수 있다. 이러한 계열에서 두 금속의 상대적 위치는 어떤 금속이 더 빠르게 부식될 가능성이 높은지 잘 나타낸다. 그러나, 물 통기 및 유속과 같은 다른 요인들도 이 과정의 속도에 큰 영향을 미칠 수 있다.

두 가지 다른 금속의 호환성은 양극 지수를 고려하여 예측할 수 있다. 이 매개변수는 금속과 금 사이에서 발생할 전기 화학적 전압의 척도이다. 금속 쌍의 상대적인 전압을 구하려면 해당 양극 지수를 빼기만 하면 된다.[18]

일반적인 환경(창고 보관 또는 온도 및 습도 조절이 되지 않는 환경)에 보관된 금속의 갈바닉 부식을 줄이려면 접촉하는 두 금속의 양극 지수 차이가 0.25V를 넘지 않아야 한다. 온도와 습도가 조절되는 제어된 환경의 경우 0.50V까지 허용될 수 있다. 실외, 높은 습도 및 염분이 있는 가혹한 환경의 경우 양극 지수 차이가 0.15V를 넘지 않아야 한다. 예를 들어, 금과 은은 0.15V의 차이를 가지므로 두 금속은 가혹한 환경에서도 심각한 부식을 경험하지 않는다.[19]

설계상 서로 다른 금속이 접촉해야 하는 경우 양극 지수의 차이는 종종 마감재와 도금으로 관리된다. 선택된 마감재와 도금은 더 낮은 재료가 더 귀한 재료에 의한 부식으로부터 보호되면서 서로 다른 재료가 접촉할 수 있도록 해준다.[19] 갈바닉 비호환성이 작용할 때 궁극적으로 부식을 겪게 되는 것은 항상 가장 음의 양극 지수를 가진 금속이다. 이러한 이유로 스털링 실버와 스테인리스 스틸 식기는 식기 세척기에 동시에 넣어서는 안 된다. 사이클이 끝날 때 강철 품목이 부식을 경험할 가능성이 높기 때문이다(비누와 물이 화학적 전해질 역할을 하고 열이 과정을 가속화했기 때문).

양극 지수[19]
금속지수 (V)
가장 음극성
금, 고체 및 도금; 금-백금 합금−0.00
은도금 구리 위의 로듐 도금−0.05
은, 고체 또는 도금; 모넬 금속; 고 니켈-구리 합금−0.15
니켈, 고체 또는 도금; 티타늄 및 그 합금; 모넬−0.30
구리, 고체 또는 도금; 저 황동 또는 청동; 은땜납; 저먼 실버 고 구리-니켈 합금; 니켈-크롬 합금−0.35
황동 및 청동−0.40
고 황동 및 청동−0.45
18% 크롬형 내식강−0.50
크롬 도금; 주석 도금; 12% 크롬형 내식 강−0.60
주석 판; 주석-납 땜납−0.65
납, 고체 또는 도금; 고 납 합금−0.70
2000 시리즈 가공 알루미늄−0.75
철, 단조, 회색 또는 가단성; 저 합금 및 일반 탄소 강−0.85
알루미늄, 2000 시리즈 알루미늄 이외의 단조 합금, 실리콘형 주조 합금−0.90
알루미늄, 주조 합금 (실리콘형 제외); 카드뮴, 도금 및 크로메이트−0.95
핫 딥 아연 판; 아연 도금 강−1.20
아연, 단조; 아연 기반 다이캐스팅 합금; 아연 도금−1.25
마그네슘 및 마그네슘 기반 합금; 주조 또는 단조−1.75
베릴륨−1.85
가장 양극성



전해액 중에서 두 종류의 금속을 접촉시키면, 두 금속과 전해액 사이에서 전지가 형성되어 전류가 흐른다. 수용액 중에서 철과 구리를 접촉한 경우, "구리 → 철 → 수용액 → 구리" 순서로 전류가 흐른다. 이때 흐르는 전류는 부식의 진행을 의미하며, 부식 시에 형성되는 전지를 부식 전지 등으로 부른다. 철과 구리의 예에서는 철의 부식이 촉진된다. 즉, 해당 수용액에서 철이 단독으로 부식되는 것에 더해 구리와의 접촉에 의한 부식이 추가되는 것이다. 이처럼 전해액 하에서 이종 금속이 접촉하면 한쪽 금속의 부식이 더욱 가속화되는 현상을 '''이종 금속 접촉 부식'''이라고 한다. 이종 금속 접촉 부식은 주로 접촉부 부근에서 일어나며, 국부 부식의 일종으로 간주된다.

이종 금속 접촉 부식에서 흐르는 전류는 갈바닉 전류, 이종 금속 접촉 부식을 구성하는 두 종류의 금속은 갈바닉 쌍이라고도 불린다. 이종 금속 접촉 부식을 '''갈바닉 부식''' 또는 '''갈바니 부식'''이라고 부르기도 한다. 이종 금속 접촉 부식이라는 명칭이지만, 유사한 원리에 의해 탄소 섬유 강화 플라스틱과 같은 재료도 갈바닉 부식(이종 금속 접촉 부식)을 일으킬 수 있다. 탄소 섬유 강화 플라스틱에 포함된 탄소 섬유는 전기를 통하며, 갈바닉 부식의 원인이 된다. 이종 금속 접촉 부식을 '''전식'''이라고 부르기도 하지만, 부식 공학의 전문 용어로는 전식은 미주 전류 부식만을 지칭하며, 전식이라는 말로 이종 금속 접촉 부식을 지칭하는 것은 오류이다.

이종 금속 접촉 부식에서 어느 금속의 부식이 진행되는지는, 기본적으로 해당 환경에서 금속이 단독으로 부식될 때의 전극 전위에 의해 결정된다. 이와 같이 어떤 환경에서 금속이 자연적으로 부식될 때의 전극 전위를 자연 전위 또는 부식 전위라고 한다. 상대보다 자연 전위가 높은 금속을 '''귀'''하다고 하며, 상대보다 자연 전위가 낮은 금속을 '''부동태'''하다고 한다. 이종 금속 접촉 부식이 일어나 부식이 촉진되는 것은 상대보다 부동태인 금속이다.

이종 금속 접촉 부식이 일어나는 원리가 표준 전극 전위(이온화 경향)의 차이로 설명되는 경우가 종종 있지만, 이는 부적절하다. 이종 금속 접촉 부식에서 문제가 되는 것은 자연 전위(부식 전위)의 차이이다. 분극 곡선에서 두 종류의 금속의 전위와 전류의 움직임을 생각한다. 환경 측의 저항을 무시할 수 있다면, 자연 전위가 다른 금속이 접촉했을 때 양쪽의 전위는 동일하게 되고, 그 전위 값은 원래의 두 자연 전위 사이에서 안정된다. 따라서 부동태 금속의 전위는 원래의 자연 전위보다 커지고(귀하게), 부동태 금속에 흐르는 부식 전류는 커진다. 이 커진 전류만큼 부동태 금속의 부식은 가속화된다.

한편 귀금속에서는 이종 금속 접촉 부식이 일어나지 않고, 귀금속이 해당 환경에서 원래 일어나는 부식이 오히려 억제된다. 분극 곡선상에서는 귀금속의 전위는 접촉에 의해 작아지고(부동태하게), 부식 전류는 저하되어 부식이 경감된다. 반대로 이 메커니즘을 이용하면 귀금속 측의 부식을 방지할 수 있다. 예를 들어 철강재를 방청하고 싶을 때, 그보다 부동태인 아연재를 부가함으로써 철강재의 부식을 경감할 수 있다. 이와 같이 이종 금속 접촉 부식의 메커니즘을 방청에 이용한 것이 희생 양극법(유전 양극법)이다.

이종 금속 접촉 부식의 표면적 비 ''A''a/''A''c 개념도 (아래 그림의 상태가 더 좋지만, 위 그림의 상태는 좋지 않다.)


이종 금속 접촉 부식의 감소에는 귀금속의 표면적을 비금속의 표면적보다 상대적으로 작게 하는 것이 유효하다. 즉, ''A''a/''A''c를 크게 하는 것이다. 반면 ''A''a/''A''c를 작게 하면 비금속의 이종 금속 접촉 부식은 매우 격렬해지므로 주의해야 한다. 예를 들어 해수 중에서 연강은 비금속이고 스테인리스강(316)은 귀금속이지만, 이들에 대해 자연 해수 중・유속 1 m/s의 환경에서 실시한 이종 금속 접촉 부식 실험 결과에 따르면, 연강의 표면적(''A''a)과 스테인리스강의 표면적(''A''c)의 비에 따라 다음과 같이 연강의 부식 속도가 변한다.

  • ''A''a/''A''c = 10일 때: 연강의 부식 속도는 연강 단독 상태와 거의 같다.
  • ''A''a/''A''c = 1일 때: 연강의 부식 속도는 연강 단독 상태의 약 3배이다.
  • ''A''a/''A''c = 0.1일 때: 연강의 부식 속도는 연강 단독 상태의 약 7배이다.


''A''c의 감소에는 귀금속 측에 도장 등의 피복 처리를 해도 좋다. 도장을 할 때 주의해야 할 점은 비금속 측에만 도장을 하지 않는 것이다. 도장을 해도 환경과 완전히 절연하는 것은 어렵고, 실사용 중에 도장 피막이 손상되는 경우도 있다. 비금속 측의 도장에 손상이 생기면 ''A''a/''A''c가 매우 작은 상태가 되어, 그 손상된 부분에서 이종 금속 접촉 부식이 급격히 진행될 우려가 있다. 비금속에 도장하는 경우에는 귀금속도 함께 도장하는 것이 바람직하다.

2. 2. 부식 전지와 전류

서로 다른 금속과 합금은 서로 다른 전극 전위를 가지며, 두 개 이상의 금속이 전해액 내에서 접촉하면 하나는 양극(더 반응성이 큰), 다른 하나는 음극(더 반응성이 작은) 역할을 한다. 두 전극 간 전위차는 양극 금속의 가속된 공격의 원동력이 되어 전해액으로 용해된다. 이로 인해 양극의 금속은 더 빠르게 부식되고 음극의 부식이 억제된다. 갈바닉 부식이 발생하려면 금속 사이에 전해액과 전기 전도 경로가 존재해야 한다.[1][2][3][4] 전해액은 이온 전기 이동을 제공하여 이온이 이동하여 전하 축적을 방지한다. 전해액에 쉽게 환원되지 않는 금속 이온(예: Na+, Ca2+, K+, Mg2+ 또는 Zn2+)만 포함되어 있는 경우, 음극 반응은 용존 H+를 H2로 또는 O2를 OH−로 환원하는 것이다.[1][2][3][4]

전해액 중에서 2종의 금속을 접촉시켰을 때, 2종의 금속과 전해액 사이에서 전지가 형성되어 전류가 흐른다. 수용액 중에서 철과 구리를 접촉한 경우, "구리 → 철 → 수용액 → 구리" 순서로 전류가 흐른다. 이때 흐르는 전류는 부식의 진전을 의미하며, 부식 시에 형성되는 전지를 부식 전지 등으로 부른다. 철과 구리의 예에서는 철의 부식이 촉진된다. 즉, 해당 수용액에 대해 철 단독으로 일어나는 부식에, 구리와의 접촉에 의한 부식이 더해지게 된다. 이와 같이 전해액 하에서 이종 금속이 접촉하면 한쪽 금속의 부식이 더욱 가속화되는 현상을 '''이종 금속 접촉 부식'''이라고 한다. 이종 금속 접촉 부식은 주로 접촉부 부근에서 일어나며, 국부 부식의 일종으로 간주된다.

이종 금속 접촉 부식에서 흐르는 전류는 갈바닉 전류, 이종 금속 접촉 부식을 구성하는 2종의 금속은 갈바닉 쌍[20]이라고도 불린다. 이종 금속 접촉 부식을 '''갈바닉 부식''' 또는 '''갈바니 부식'''이라고 부르기도 한다. 탄소 섬유 강화 플라스틱과 같은 재료도 갈바닉 부식(이종 금속 접촉 부식)을 일으킬 수 있다.[21][22] 탄소 섬유 강화 플라스틱에 포함된 탄소 섬유는 전기를 통하며, 갈바닉 부식의 원인이 된다.[21][22] 이종 금속 접촉 부식을 '''전식'''이라고 부르기도 하지만, 부식 공학의 전문 용어로는 전식이라는 말은 미주 전류 부식만을 지칭하며, 전식이라는 말로 이종 금속 접촉 부식을 지칭하는 것은 오류이다.[24]

이종 금속 접촉 부식에서 어느 금속의 부식이 진행되는지는, 기본적으로 해당 환경에서 금속이 단독으로 부식될 때의 전극 전위에 의해 결정된다. 이와 같이 어떤 환경에서 금속이 자연적으로 부식될 때의 전극 전위를 자연 전위 또는 부식 전위라고 한다. 상대보다 자연 전위가 높은 금속을 '''귀'''라고 하며, 상대보다 자연 전위가 낮은 금속을 '''부동태'''라고 한다. 이종 금속 접촉 부식이 일어나 부식이 촉진되는 것은, 상대보다 부동태인 금속이다.

이종 금속 접촉 부식이 일어나는 원리가 표준 전극 전위(이온화 경향)의 차이로 설명되는 경우가 종종 있지만, 이는 부적절하다. 이종 금속 접촉 부식에서 문제가 되는 것은 어디까지나 자연 전위(부식 전위)의 차이이다. 분극 곡선에서 2종의 금속의 전위와 전류의 움직임을 생각한다. 환경 측의 저항을 무시할 수 있다면, 자연 전위가 다른 금속이 접촉하면 쌍방의 전위는 동일하게 되고, 그 전위의 값은 원래의 2개의 자연 전위 사이에서 안정된다. 따라서 부동태 금속의 전위는 원래의 자연 전위보다 커지고(귀하게), 부동태 금속에 흐르는 부식 전류는 커진다. 이 커진 전류만큼 부동태 금속의 부식은 가속화된다.

한편 귀금속에서는 이종 금속 접촉 부식이 일어나지 않고, 귀금속이 해당 환경에서 원래 일어나는 부식이 오히려 억제된다. 분극 곡선상에서는 귀금속의 전위는 접촉에 의해 작아지고(부동태하게), 부식 전류는 저하되어 부식은 경감된다. 반대로 이 메커니즘을 이용하면 귀금속 측의 부식을 방지할 수 있게 된다. 예를 들어 철강재를 방청하고 싶을 때, 그보다 부동태인 아연재를 부가함으로써 철강재의 부식을 경감할 수 있다. 이와 같이 이종 금속 접촉 부식의 메커니즘을 방청에 이용한 것이 희생 양극법(유전 양극법)이라는 방청 방법이다.

이종 금속 접촉 부식의 감소에는 귀금속의 표면적을 비금속의 표면적보다 상대적으로 작게 하는 것이 유효하다. 예를 들어 해수 중에서 연강은 비금속이고 스테인리스강(316)은 귀금속이지만, 이들에 대해 자연 해수 중, 유속 1 m/s의 환경에서 실시한 이종 금속 접촉 부식 실험 결과에 따르면, 연강의 표면적(''A''a)과 스테인리스강의 표면적(''A''c)의 비에 따라 다음과 같이 연강의 부식 속도가 변한다.

Aa/Ac연강 부식 속도 변화
10연강 단독 상태와 거의 같다
1연강 단독 상태의 약 3배
0.1연강 단독 상태의 약 7배


2. 3. 분극과 부식 속도

전해액 중에서 두 종류의 금속을 접촉시키면, 두 금속과 전해액 사이에 전지가 형성되어 전류가 흐른다. 이때 흐르는 전류는 부식의 진행을 의미하며, 부식 시에 형성되는 전지를 부식 전지라고 부른다.[4] 수용액에서 철과 구리를 접촉시키면, 철의 부식이 촉진된다. 이처럼 전해액 속에서 이종 금속이 접촉하면 한쪽 금속의 부식이 더욱 가속화되는 현상을 '''이종 금속 접촉 부식'''이라고 한다.[2] 이종 금속 접촉 부식은 주로 접촉부 부근에서 일어나며, 국부 부식의 일종으로 간주된다.[2][19]

이종 금속 접촉 부식에서 흐르는 전류는 갈바닉 전류,[20] 이종 금속 접촉 부식을 구성하는 두 종류의 금속은 갈바닉 쌍[20]이라고도 불린다. 이종 금속 접촉 부식을 '''갈바닉 부식'''[20] 또는 '''갈바니 부식'''[25]이라고 부르기도 한다. 탄소 섬유 강화 플라스틱과 같은 재료도 갈바닉 부식(이종 금속 접촉 부식)을 일으킬 수 있다.[21][22] 탄소 섬유는 전기를 통하며, 갈바닉 부식의 원인이 된다.[21][22] 이종 금속 접촉 부식을 '''전식'''이라고 부르기도 하지만,[23] 부식 공학의 전문 용어로는 전식이라는 말은 미주 전류 부식만을 지칭하며, 전식이라는 말로 이종 금속 접촉 부식을 지칭하는 것은 오류이다.[24][20]

이종 금속 접촉 부식에서 어느 금속의 부식이 진행되는지는, 기본적으로 해당 환경에서 금속이 단독으로 부식될 때의 전극 전위에 의해 결정된다.[2] 어떤 환경에서 금속이 자연적으로 부식될 때의 전극 전위를 자연 전위 또는 부식 전위라고 한다.[27][4] 상대보다 자연 전위가 높은 금속을 '''귀'''라고 하며, 상대보다 자연 전위가 낮은 금속을 '''부동태'''라고 한다.[28][20] 이종 금속 접촉 부식이 일어나 부식이 촉진되는 것은, 상대보다 부동태인 금속이다.[29]

이종 금속 접촉 부식이 일어나는 원리가 표준 전극 전위(이온화 경향)의 차이로 설명되는 경우가 종종 있지만, 이는 부적절하다.[30][31] 이종 금속 접촉 부식에서 문제가 되는 것은 자연 전위(부식 전위)의 차이이다.[31] 분극 곡선에서 두 종류의 금속의 전위와 전류의 움직임을 생각한다. 환경 측의 저항을 무시할 수 있다면, 자연 전위가 다른 금속이 접촉했을 때 쌍방의 전위는 동일하게 되고, 그 전위의 값은 원래의 두 개의 자연 전위 사이에서 안정된다.[31][26][4] 따라서 부동태 금속의 전위는 원래의 자연 전위보다 커지고(귀하게), 부동태 금속에 흐르는 부식 전류는 커진다.[26][29] 이 커진 전류만큼, 부동태 금속의 부식은 가속화된다.[29]

한편 귀금속에서는 이종 금속 접촉 부식이 일어나지 않고, 귀금속이 해당 환경에서 원래 일어나는 부식이 오히려 억제된다.[29] 분극 곡선상에서는 귀금속의 전위는 접촉에 의해 작아지고(부동태하게), 부식 전류는 저하되어 부식이 경감된다.[26][29] 반대로 이 메커니즘을 이용하면 귀금속 측의 부식을 방지할 수 있다.[29] 예를 들어 철강재를 방청하고 싶을 때, 그보다 부동태인 아연재를 부가함으로써 철강재의 부식을 경감할 수 있다. 이와 같이 이종 금속 접촉 부식의 메커니즘을 방청에 이용한 것이 희생 양극법(유전 양극법)이라는 방청 방법이다.

3. 영향 요인

갈바닉 부식에 영향을 미치는 요인에는 여러 가지가 있다.

두 종류의 금속이 전해액 내에서 접촉할 때, 금속의 종류, 전위차, 면적비, 전해질의 특성, 그리고 주변 환경 등이 갈바닉 부식의 발생 여부와 정도에 영향을 미친다.[1]

갈바닉 부식으로 흐르는 전류를 예측하는 식은 다음과 같다.[2]

:I_g = \frac{ A_a (E_{c}^{\ *} - E_{a}^{\ *}) }{ \rho L + \frac{A_a}{A_c} h_c + h_a }


  • ''Ig''：고전위 금속에서 저전위 금속으로 흐르는 전류
  • ''E''c*：해당 전해액에 대한 고전위 금속의 자연 전위(''E''c* > ''E''a*)
  • ''E''a*：해당 전해액에 대한 저전위 금속의 자연 전위(''E''c* > ''E''a*)
  • ''A''c：고전위 금속의 표면적
  • ''A''a：저전위 금속의 표면적
  • ''h''c：고전위 금속의 분극 저항값
  • ''h''a：저전위 금속의 분극 저항값
  • ''ρ''：전해액의 저항률
  • ''L''：접촉하는 두 금속의 거리


위 식에서 ''h''c, ''h''a, ''L''을 정확히 평가하기는 어렵지만,[3] 이 식을 통해 갈바닉 부식에 영향을 미치는 요인과 전류(''Ig'')를 줄이는 방법을 알 수 있다.[4]

전기 전도율이 낮은 환경과 전기 전도율이 높은 환경에서의 이종 금속 접촉 부식의 영향 범위 모식도


전해액의 전기 전도율이 높을수록 갈바닉 부식이 촉진된다. 예를 들어, 전기 전도율이 높은 해수는 갈바닉 부식의 영향 범위가 넓다. 반면, 담수는 해수보다 전기 저항이 크고, 대기 중의 빗물이나 습기는 전기 저항이 더 크다. 따라서 이러한 환경에서는 갈바닉 부식이 접촉부 근처에서만 제한적으로 발생한다. 그러나 담수에서는 접촉부에서 100mm 정도, 대기 환경에서는 10mm 정도까지 갈바닉 부식의 영향을 고려해야 한다.

전해액의 용존 산소 농도가 높을수록 음극에서의 산소 환원 반응 속도가 높아져 갈바닉 부식이 촉진된다. 따라서 용존 산소 농도를 낮추면 갈바닉 부식을 억제할 수 있다. 예를 들어, 수돗물을 탈기하여 용존 산소 농도를 낮추면 강관과 구리 합금제 이음새를 절연 없이 연결해도 갈바닉 부식을 억제할 수 있다.

아질산 나트륨이나 몰리브덴산 나트륨과 같은 부식 방지제를 사용하여 갈바닉 전위를 줄일 수 있다. 그러나 부식 방지제를 사용하면 물의 전도도가 증가하여 갈바닉 부식 전위가 높아질 수 있으므로 주의해야 한다.

산성도 또는 알칼리도(pH) 또한 중요한 고려 사항이다. pH 및 부식 억제 용량이 부적절하면 갈바닉 부식이 가속화될 수 있다. 대부분의 HVAC 시스템에서는 희생 양극 및 음극을 사용할 수 없다. 시스템 배관 내에 적용해야 하며, 시간이 지남에 따라 부식되어 순환 펌프, 열 교환기 등에 잠재적인 기계적 손상을 일으킬 수 있는 입자를 방출하기 때문이다.[5]

3. 1. 금속 종류 및 전위차

서로 다른 금속과 합금은 서로 다른 전극 전위를 가지며, 두 개 이상의 금속이 전해액 내에서 접촉하면 하나(더 반응성이 큰)는 양극 역할을 하고 다른 하나(더 반응성이 작은)는 음극 역할을 한다. 두 전극에서의 반응 간의 전위차는 양극 금속에 대한 가속된 공격의 원동력이 되며, 이는 전해액으로 용해된다. 이로 인해 양극의 금속은 그렇지 않은 경우보다 더 빠르게 부식되고 음극의 부식이 억제된다. 갈바닉 부식이 발생하려면 금속 사이에 전해액과 전기 전도 경로가 존재해야 한다.[1][2][3][4]

모든 금속은 표준 기준 전극에 대한 특정 전해질에서 나타내는 전기적 전위를 나타내는 갈바니 계열로 분류할 수 있다. 이러한 계열에서 두 금속의 상대적 위치는 어떤 금속이 더 빠르게 부식될 가능성이 높은지 잘 나타낸다. 그러나, 물 통기 및 유속과 같은 다른 요인들도 이 과정의 속도에 큰 영향을 미칠 수 있다.

두 가지 다른 금속의 호환성은 양극 지수를 고려하여 예측할 수 있다. 이 매개변수는 금속과 금 사이에서 발생할 전기 화학적 전압의 척도이다. 금속 쌍의 상대적인 전압을 구하려면 해당 양극 지수를 빼기만 하면 된다.[18]

창고 보관 또는 온도 및 습도 조절이 되지 않는 환경과 같은 일반적인 환경에 보관된 금속의 갈바닉 부식을 줄이려면 접촉하는 두 금속의 양극 지수 차이가 0.25V를 넘지 않아야 한다. 온도와 습도가 조절되는 제어된 환경의 경우 0.50V까지 허용될 수 있다. 실외, 높은 습도 및 염분이 있는 환경과 같은 가혹한 환경의 경우 양극 지수 차이가 0.15V를 넘지 않아야 한다. 예를 들어, 금과 은은 0.15V의 차이를 가지므로 두 금속은 가혹한 환경에서도 심각한 부식을 경험하지 않는다.[19]

설계 고려 사항에 따라 서로 다른 금속이 접촉해야 하는 경우 양극 지수의 차이는 종종 마감재와 도금으로 관리된다. 선택된 마감재와 도금은 더 낮은 재료가 더 귀한 재료에 의한 부식으로부터 보호되면서 서로 다른 재료가 접촉할 수 있도록 해준다.[19] 갈바닉 비호환성이 작용할 때 궁극적으로 부식을 겪게 되는 것은 항상 가장 음의 양극 지수를 가진 금속이다.

양극 지수[19]
금속지수 (V)
가장 음극성
금, 고체 및 도금; 금-백금 합금−0.00
은도금 구리 위의 로듐 도금−0.05
은, 고체 또는 도금; 모넬 금속; 고 니켈-구리 합금−0.15
니켈, 고체 또는 도금; 티타늄 및 그 합금; 모넬−0.30
구리, 고체 또는 도금; 저 황동 또는 청동; 은땜납; 저먼 실버 고 구리-니켈 합금; 니켈-크롬 합금−0.35
황동 및 청동−0.40
고 황동 및 청동−0.45
18% 크롬형 내식강−0.50
크롬 도금; 주석 도금; 12% 크롬형 내식 강−0.60
주석 판; 주석-납 땜납−0.65
납, 고체 또는 도금; 고 납 합금−0.70
2000 시리즈 가공 알루미늄−0.75
철, 단조, 회색 또는 가단성; 저 합금 및 일반 탄소 강−0.85
알루미늄, 2000 시리즈 알루미늄 이외의 단조 합금, 실리콘형 주조 합금−0.90
알루미늄, 주조 합금 (실리콘형 제외); 카드뮴, 도금 및 크로메이트−0.95
핫 딥 아연 판; 아연 도금 강−1.20
아연, 단조; 아연 기반 다이캐스팅 합금; 아연 도금−1.25
마그네슘 및 마그네슘 기반 합금; 주조 또는 단조−1.75
베릴륨−1.85
가장 양극성



전해액 중에서 두 종류의 금속을 접촉시켰을 때, 두 종류의 금속과 전해액 사이에서 전지가 형성되어 전류가 흐른다. 수용액 중에서 철과 구리를 접촉한 경우, "구리 → 철 → 수용액 → 구리"의 순서로 전류가 흐른다. 이때 흐르는 전류는 부식의 진전을 의미하며, 부식 시에 형성되는 전지를 부식 전지 등으로 부른다. 철과 구리의 예에서는 철의 부식이 촉진된다. 즉, 해당 수용액에 대해 철 단독으로 일어나는 부식에 구리와의 접촉에 의한 부식이 더해진다. 이와 같이 전해액 하에서 이종 금속이 접촉하면 한쪽 금속의 부식이 더욱 가속화되는 현상을 '''이종 금속 접촉 부식'''이라고 한다. 이종 금속 접촉 부식은 주로 접촉부 부근에서 일어난다.

자연 전위 차이를 판단하는 데 '''부식 전위열''' 또는 '''갈바니 계열'''이라고 불리는 그림이 지표로 도움이 된다. 부식 전위열이란 하나의 환경에 대한 다양한 금속의 자연 전위를 전위 순으로 나열한 것이다. 몇 가지 주의사항이 있지만, 부식 전위열을 지표로 전위 차이가 작은 금속을 선택하면 이종 금속 접촉 부식을 줄일 수 있다. 단, 자연 전위 차이를 판단할 때 다음과 같은 주의사항이 있다.

첫째, 환경이 바뀌면 부식 전위열이 바뀐다는 점이다. 알루미늄의 변화는 특히 커서, 해수 중에서는 탄소강보다 비금속이지만, 대기 중에서는 탄소강과 동등한 정도가 된다. 그리고 해수 이외의 환경에서 확립된 부식 전위열은 현재로서는 존재하지 않는다.

둘째, 부동태화나 착화가 관련되면 반응 메커니즘이 복잡해져 전위 관계가 바뀐다는 점이다. 예를 들어 해수 중의 스테인리스강의 자연 전위는, 스테인리스강이 부동태 상태에 있는지 국부 부식 발생(활성태) 상태에 있는지에 따라 다르다.

3. 2. 면적비

두 종류의 금속이 접촉했을 때 이종 금속 접촉 부식이 발생하는지, 혹은 이종 금속 접촉 부식의 정도가 어느 정도인지는 몇 가지 요인이 영향을 미친다[1]。 저항이 0인 상태에서 두 종류의 금속이 접촉하고 있다고 가정하고, 이종 금속 접촉 부식으로 흐르는 전류를 예측하는 식은 다음과 같다[2]。

:I_g = \frac{ A_a (E_{c}^{\ *} - E_{a}^{\ *}) }{ \rho L + \frac{A_a}{A_c} h_c + h_a }

여기서, 식 중의 각 기호는 다음과 같다.

  • ''Ig''：접촉에 의해 고전위 측으로 분극되는 재료(귀금속)에서 저전위 측으로 분극되는 재료(비금속)로 흐르는 전류
  • ''E''c*：해당 전해액에 대한 귀금속의 자연 전위(''E''c* > ''E''a*)
  • ''E''a*：해당 전해액에 대한 비금속의 자연 전위(''E''c* > ''E''a*)
  • ''A''c：귀금속의 표면적
  • ''A''a：비금속의 표면적
  • ''h''c：귀금속의 분극 특성을 대표하는 저항값
  • ''h''a：비금속의 분극 특성을 대표하는 저항값
  • ''ρ''：전해액의 저항률
  • ''L''：접촉하는 귀금속과 비금속의 대표 거리


현실의 계에서 ''h''c, ''h''a, ''L''을 구체적으로 어떻게 평가할 것인가 하는 과제가 있지만[3]， 이 식을 통해 ''Ig''에 미치는 영향 요인과 ''Ig''를 저감시키는 방법을 파악할 수 있다[4]。

3. 3. 전해질

서로 다른 금속과 합금은 서로 다른 전극 전위를 가지며, 둘 이상의 금속이 전해액 내에서 접촉하면 하나(더 반응성이 큰)는 양극이 되고 다른 하나(더 반응성이 작은)는 음극이 된다. 두 전극 반응 간의 전위차는 양극 금속이 전해액으로 용해되도록 하는 가속된 공격의 원동력이 된다. 이로 인해 양극의 금속은 그렇지 않은 경우보다 더 빠르게 부식되고 음극의 부식은 억제된다. 금속 사이에 전해액과 전기 전도 경로가 존재해야 갈바닉 부식이 발생한다. 전해액은 이온의 전기 이동을 가능하게 하여 이온이 이동하고, 그렇지 않으면 반응을 멈추게 할 전하 축적을 방지한다. 전해액에 쉽게 환원되지 않는 금속 이온(예: Na+, Ca2+, K+, Mg2+ 또는 Zn2+)만 포함된 경우, 음극 반응은 용존 H+를 H2로, 또는 O2를 OH−로 환원시키는 것이다.[1][2][3][4]

어떤 경우에는 이러한 유형의 반응을 의도적으로 장려하기도 한다. 예를 들어, 저렴한 가정용 배터리는 일반적으로 탄소-아연 전지를 포함한다. 폐쇄 회로의 일부(전자 경로)로서 전지 내 아연은 전기를 생성하는 배터리의 필수적인 부분으로 우선적으로 부식된다(이온 경로). 또 다른 예는 매설 또는 수중 구조물 및 온수 저장 탱크의 음극 보호이다. 이 경우 희생 양극은 갈바닉 커플의 일부로 작용하여 양극의 부식을 촉진하는 동시에 음극 금속을 보호한다.

다른 경우에는 파이핑(예: 구리, 주철 및 기타 주조 금속)에 혼합 금속이 사용될 경우 갈바닉 부식이 시스템 부품의 가속된 부식을 초래할 수 있다. 부식 방지제인 아질산 나트륨 또는 몰리브덴산 나트륨과 같은 물질을 이러한 시스템에 주입하여 갈바닉 전위를 줄일 수 있다. 그러나 이러한 부식 방지제의 적용은 면밀히 모니터링해야 한다. 부식 방지제를 적용하면 시스템 내 물의 전도도가 증가하여 갈바닉 부식 전위가 크게 증가할 수 있기 때문이다.

산성도 또는 알칼리도(pH) 또한 폐쇄 루프 이중 금속 순환 시스템과 관련하여 중요한 고려 사항이다. pH 및 부식 억제 용량이 잘못되면 갈바닉 부식이 가속화된다. 대부분의 HVAC 시스템에서는 희생 양극 및 음극을 사용할 수 없다. 시스템 배관 내에 적용해야 하며, 시간이 지남에 따라 부식되어 순환 펌프, 열 교환기 등에 잠재적인 기계적 손상을 일으킬 수 있는 입자를 방출하기 때문이다.[5]

전해액의 전기 전도율이 높을수록 이종 금속 접촉 부식이 촉진된다. 예를 들어, 해수는 전기 전도율이 높고 전기 저항이 작기 때문에 이종 금속 접촉 부식의 영향 범위가 넓다. 반면, 담수 중의 전기 저항은 해수보다 크고, 대기 환경에서의 강우나 습기에 의한 수막의 전기 저항은 더욱 크다. 따라서, 이러한 환경에서는 이종 금속 접촉 부식이 진행되는 것은 접촉부 근처에 한정된다. 다만, 담수 중에서는 접촉부로부터 100mm 정도, 대기 환경의 수막에서는 접촉부로부터 10mm 정도는 이종 금속 접촉 부식의 영향을 생각할 수 있다.

전기 전도율 외에도, 전해액의 용존 산소 농도도 영향을 미친다. 전해액의 용존 산소 농도가 높을수록, 음극 측에서 일어나는 산소 환원 반응의 속도가 높아져 이종 금속 접촉 부식이 촉진된다. 이종 금속 접촉 부식을 억제하려면 용존 산소 농도를 낮추는 것이 유효하며, 예를 들어, 수돗물을 탈기하여 용존 산소 농도를 낮추면 이종 금속 접촉 부식을 억제할 수 있다. 이 때문에, 냉온수의 밀폐계 배관에서는, 강관과 구리 합금제 이음새를 절연 없이 접속할 수 있다.

3. 4. 환경

서로 다른 금속과 합금은 서로 다른 전극 전위를 가지며, 두 개 이상의 금속이 전해액 내에서 접촉하면 하나(더 반응성이 큰)는 양극 역할을 하고 다른 하나(더 반응성이 작은)는 음극 역할을 한다. 두 전극 반응 간의 전위차는 양극 금속에 대한 가속된 공격의 원동력이 되며, 이는 전해액으로 용해된다. 이로 인해 양극의 금속은 그렇지 않은 경우보다 더 빠르게 부식되고 음극의 부식이 억제된다. 갈바닉 부식이 발생하려면 금속 사이에 전해액과 전기 전도 경로가 존재해야 한다. 전해액은 이온 전기 이동을 제공하여 이온이 이동하여 그렇지 않으면 반응을 멈추게 할 전하 축적을 방지한다. 전해액에 쉽게 환원되지 않는 금속 이온(예: Na+, Ca2+, K+, Mg2+ 또는 Zn2+)만 포함되어 있는 경우, 음극 반응은 용존 H+를 H2로 또는 O2를 OH−로 환원하는 것이다.[1][2][3][4]

이러한 유형의 반응을 의도적으로 장려하기도 한다. 예를 들어, 저렴한 가정용 배터리에는 일반적으로 탄소-아연 전지가 포함되어 있다. 폐쇄 회로의 일부(전자 경로)로, 전지 내 아연은 전기를 생성하는 배터리의 필수적인 부분으로 우선적으로 부식된다(이온 경로). 또 다른 예는 매설 또는 수중 구조물 및 온수 저장 탱크의 음극 보호이다. 이 경우 희생 양극은 갈바닉 커플의 일부로 작용하여 양극의 부식을 촉진하는 동시에 음극 금속을 보호한다.

파이핑(예: 구리, 주철 및 기타 주조 금속)에 혼합 금속이 사용될 경우 갈바닉 부식이 시스템 부품의 가속된 부식을 초래할 수 있다. 부식 방지제인 아질산 나트륨 또는 몰리브덴산 나트륨과 같은 물질을 이러한 시스템에 주입하여 갈바닉 전위를 줄일 수 있다. 그러나 이러한 부식 방지제의 적용은 면밀히 모니터링해야 한다. 부식 방지제의 적용으로 시스템 내 물의 전도도가 증가하면 갈바닉 부식 전위가 크게 증가할 수 있다.

산성도 또는 알칼리도(pH) 또한 폐쇄 루프 이중 금속 순환 시스템과 관련하여 중요한 고려 사항이다. pH 및 부식 억제 용량이 잘못되면 갈바닉 부식이 가속화된다. 대부분의 HVAC 시스템에서는 희생 양극 및 음극의 사용이 선택 사항이 아니다. 시스템 배관 내에 적용해야 하며, 시간이 지남에 따라 부식되어 순환 펌프, 열 교환기 등에 잠재적인 기계적 손상을 일으킬 수 있는 입자를 방출하기 때문이다.[5]

두 종류의 금속이 접촉했을 때 이종 금속 접촉 부식이 발생하는지, 혹은 이종 금속 접촉 부식의 정도가 어느 정도인지는 몇 가지 요인이 영향을 미친다. 저항이 0인 상태에서 두 종류의 금속이 접촉하고 있다고 가정하고, 이종 금속 접촉 부식으로 흐르는 전류를 예측하는 식은 다음과 같다.

:I_g = \frac{ A_a (E_{c}^{\ *} - E_{a}^{\ *}) }{ \rho L + \frac{A_a}{A_c} h_c + h_a }

여기서, 식 중의 각 기호는 다음과 같다.

  • ''Ig''：접촉에 의해 고전위 측으로 분극되는 재료(귀금속)에서 저전위 측으로 분극되는 재료(비금속)로 흐르는 전류
  • ''E''c*：해당 전해액에 대한 귀금속의 자연 전위(''E''c* > ''E''a*)
  • ''E''a*：해당 전해액에 대한 비금속의 자연 전위(''E''c* > ''E''a*)
  • ''A''c：귀금속의 표면적
  • ''A''a：비금속의 표면적
  • ''h''c：귀금속의 분극 특성을 대표하는 저항값
  • ''h''a：비금속의 분극 특성을 대표하는 저항값
  • ''ρ''：전해액의 저항률
  • ''L''：접촉하는 귀금속과 비금속의 대표 거리


현실에서 ''h''c, ''h''a, ''L''을 구체적으로 어떻게 평가할 것인가 하는 과제가 있지만, 이 식을 통해 ''Ig''에 미치는 영향 요인과 ''Ig''를 저감시키는 방법을 파악할 수 있다.

환경(전해액) 측의 영향 인자로서 전해액의 전기 전도율이 있다. 전해액의 전기 전도율이 높을수록 이종 금속 접촉 부식이 촉진된다. 예를 들어, 해수의 전기 전도율은 높고, 전기 저항이 작기 때문에 이종 금속 접촉 부식의 영향 범위가 넓다. 반면, 담수 중의 전기 저항은 해수보다 크고, 대기 환경에서의 강우나 습기에 의한 수막의 전기 저항은 더욱 크다. 따라서, 이러한 환경에서는 이종 금속 접촉 부식이 진행되는 것은 접촉부 근처에 한정된다. 다만, 전혀 문제 없는 수준으로 영향이 작은 것은 아니며, 담수 중에서는 접촉부로부터 100mm 정도, 대기 환경의 수막에서는 접촉부로부터 10mm 정도는 이종 금속 접촉 부식의 영향을 생각할 수 있다.

전기 전도율 외에도, 전해액의 용존 산소 농도도 영향을 미친다. 전해액의 용존 산소 농도가 높을수록, 음극 측에서 일어나는 산소 환원 반응의 속도가 높아져, 이종 금속 접촉 부식이 촉진된다. 이종 금속 접촉 부식을 억제하려면 용존 산소 농도를 낮추는 것이 유효하며, 예를 들어, 수돗물을 탈기하여 용존 산소 농도를 낮추면 이종 금속 접촉 부식을 억제할 수 있다. 이 때문에, 냉온수의 밀폐계 배관에서는, 강관과 구리 합금제 이음새를 절연 없이 접속할 수 있다.

4. 주요 사례

아연 도금 철은 갈바닉 부식의 일반적인 예이다. 보호 아연 코팅이 손상되어도 강철은 바로 부식되지 않고, 덜 "귀한" 금속인 아연이 먼저 부식된다. 아연이 모두 소모된 후에야 강철에 녹이 발생한다. 반대로 주석 통조림에서는 주석이 강철보다 더 "귀하기" 때문에, 주석 코팅이 손상되면 강철이 먼저 부식된다.

정기적인 유지 보수 점검에서 자유의 여신상에 갈바닉 부식이 발생했음이 밝혀졌다.


1980년대 자유의 여신상 유지 보수 과정에서 구리 외피와 단철 지지 구조 사이에서 갈바닉 부식이 발견되었다. 귀스타브 에펠은 1880년대 여신상 건설 당시 두 금속 사이에 셸락 절연층을 두었으나, 시간이 지나면서 절연층이 손상되어 철 지지대가 녹슬게 되었다. 이후 PTFE로 절연재를 교체하는 대규모 개조 공사가 이루어졌다.[6]

1681년 해군성 서기관 새뮤얼 페피스는 영국 왕립 해군 선박에서 닻과 볼트 머리 부식을 막기 위해 납 외장을 제거하는 데 동의했지만, 납이 부식을 유발하는 이유는 알지 못했다.[7][8]

1761년 왕립 해군은 HMS ''Alarm'' 호 선체에 340g 구리판을 부착했다. 서인도 제도 항해 후 구리는 훌륭했고 선충도 막았지만, 설치에 사용된 철못은 "녹슨 페이스트"처럼 용해되어 떨어져 나갔다. 그러나 일부 철못은 거의 손상되지 않았는데, 이는 못 머리 아래 방수 갈색 종이가 보호했기 때문이었다. 구리 외장은 종이로 싸여 조선소에 배달되었는데, 종이가 제거되지 않아 발생한 문제였다. 1763년 해군성은 철이 해수에서 구리와 직접 접촉해서는 안 된다는 결론을 내렸다.[9][10][11]

미국 해군 연안 전투함 USS ''인디펜던스''에서는 알루미늄 선체에 부착된 강철 워터 제트 추진 시스템 때문에 심각한 갈바닉 부식이 보고되었다. 강철과 알루미늄 사이에 전기적 절연이 없어 알루미늄 선체가 스테인리스강에 대한 양극 역할을 했다.[12]

2011년 보스턴 빅 디그 터널 천장에서 조명 기구가 떨어지는 사고가 발생했다. 스테인리스강과 알루미늄의 부적절한 사용이 염수 환경에서 빠른 부식을 유발한 것으로 밝혀졌다. 스테인리스강과 알루미늄 사이 전위차는 합금에 따라 0.5~1.0V이며, 불리한 조건에서 수개월 내 상당한 부식을 일으킬 수 있다. 고장난 조명 교체에 5400만달러이 소요되었다.[13][14]

라자냐 전지는 소금기 있는 라자냐를 강철 팬에 보관하고 알루미늄 호일로 덮을 때 발생한다. 몇 시간 후 호일에 작은 구멍이 생기고 음식 표면은 부식된 알루미늄으로 덮인다. 음식은 전해질, 알루미늄 호일은 양극, 강철 팬은 음극 역할을 한다. 알루미늄 호일이 전해질에 닿는 영역이 작으면 부식이 집중된다. 고농도 소금, 식초 등 산성 화합물은 호일을 분해하고, 알루미늄 염은 음식에 해롭지 않지만 원치 않는 맛과 색을 낼 수 있다.[15][16]

실버 제품이나 스털링 실버(또는 은도금 제품) 세척 시, 뜨거운 전해조(물과 탄산수소나트륨)에 알루미늄 조각(주로 포일)과 함께 담근다. 은은 공기 중 황 분자와 만나 검게 변하고 부식되는데, 알루미늄이 있으면 황화은의 황 원자를 알루미늄으로 옮겨 부식을 제거하고 은을 남긴다.[17]

이종 금속 접촉 부식을 줄이려면 귀금속(음극) 표면적을 비금속(양극) 표면적보다 작게 하는 것이 효과적이다. (''A''a/''A''c를 크게) 예를 들어, 해수 중 연강(비금속)과 스테인리스강(316)(귀금속) 접촉 실험에서, 연강 표면적(''A''a)과 스테인리스강 표면적(''A''c) 비에 따라 연강 부식 속도가 변했다.

Aa/Ac연강 부식 속도
10연강 단독 상태와 거의 같음
1연강 단독 상태의 약 3배
0.1연강 단독 상태의 약 7배



귀금속 측에 도장하여 ''A''c를 줄일 수 있다. 비금속 측에만 도장하면 손상 부위에서 부식이 급격히 진행될 수 있으므로, 함께 도장하는 것이 좋다.

전해액 전기 전도율이 높을수록 이종 금속 접촉 부식이 촉진된다. 해수는 전기 전도율이 높아 영향 범위가 넓고, 담수는 해수보다 전기 저항이 커 접촉부 근처에서만 부식이 진행된다. 대기 중 수막은 전기 저항이 더 크지만, 접촉부로부터 10mm 정도까지 영향을 줄 수 있다.

전해액 용존 산소 농도가 높을수록 음극의 산소 환원 반응 속도가 높아져 부식이 촉진된다. 용존 산소 농도를 낮추면 부식을 억제할 수 있어, 냉온수 밀폐계 배관에서는 강관과 구리 합금제 이음새를 절연 없이 접속하기도 한다.

수도 배관은 이종 금속 접촉 부식의 흔한 예이다. 건축 설비 급수 배관의 녹, 적수, 천공 등은 이종 금속 접촉 부식이 주요 원인이다. 구리 합금제 기기나 이음새와 강관 접촉 부분에서 주로 발생하며, 아연 도금 강관은 아연 도금이 조기에 소실되어 탄소강에서 부식이 일어난다. 라이닝 강관은 관 단부 노출면에서 부식이 발생하므로, 특수 이음새를 사용한다.

나사나 못과 같은 체결부도 문제가 될 수 있다. 물 수송용 파이프라인의 덕타일 주철관을 강제 볼트·너트로 체결하면 볼트·너트가 부식되므로, 스테인리스강 볼트·너트가 권장된다. 자동차에서는 마그네슘이나 알루미늄 부품을 강제 볼트로 체결할 때 부식이 발생할 수 있다. 구리판 지붕을 구리 이외의 못으로 고정하면 문제가 되므로, 스테인리스강 못을 사용하는 것이 대책이다.

4. 1. 자유의 여신상



갈바닉 부식의 대표적인 사례는 1980년대에 정기적인 유지 보수 점검을 통해 밝혀진 자유의 여신상의 구리 외피와 단철 지지 구조 사이의 부식이다.[6] 1880년대에 귀스타브 에펠이 프레데리크 오귀스트 바르톨디의 설계에 따라 구조물을 건설할 때, 두 금속 사이에 있던 셸락 절연층이 시간이 지남에 따라 손상되어 철 지지대가 녹스는 문제가 예상되었지만, 적절한 대처를 하지 못했다. 이후 광범위한 개조 공사가 수행되었으며, 원래의 절연재는 PTFE로 교체되었다. 구조물은 영향을 받지 않은 연결부 수가 많아 안전하지 않은 상태와는 거리가 멀었지만, 미국의 국립 상징을 보존하기 위한 예방 조치로 간주되었다.[6]

이종 금속 접촉 부식이 발생한, 자유의 여신상의 구리제 외판과 주철제 골격의 구조 모식도.


1886년에 건조된 자유의 여신상은 구리제 외판을 주철제 골격으로 지탱하는 구조로 만들어졌으며, 구리에 비해 낮은 전위를 가지는 주철제 골격에서 심각한 부식이 일어났다.[29] 구리와 주철의 조합은 이종 금속 접촉 부식의 가능성이 있었기에, 상을 설계한 귀스타브 에펠은 천연 수지인 셸락을 스며들게 한 석면을 구리와 주철 사이에 끼워 이 문제를 해결하려고 했다.[30] 그러나 시간이 지나면서 셸락은 말라 버렸고, 석면은 수분을 흡수하여 이종 금속 접촉 부식을 오히려 가속화시켰다.[31] 게다가 발생한 녹이 골격 부착부를 왜곡시키고, 골격에 외판을 고정하고 있던 리벳의 대부분이 풀리거나 떨어져 나가, 상은 매우 위험한 상태가 되었다.[31][30] 1984년부터의 대대적인 개수 공사에서, 자유의 여신상의 골격은 구리와 자연 전위 차이가 작은 스테인리스강으로 교체되었다.[31][29]

4. 2. 영국 해군 HMS Alarm 호

1761년, 왕립 해군은 실험으로 HMS ''Alarm'' 호의 선체에 340g 구리판을 부착했다.[9] 서인도 제도 항해 후, 구리는 훌륭한 상태를 유지하며 선충을 막았지만, 설치에 사용된 철못이 "녹슨 페이스트 형태로 용해"되어 많은 부분에서 나무 선체에서 떨어져 나갔다.[9] 그러나 일부 철못은 거의 손상되지 않았는데, 자세히 검사한 결과 못 머리 아래에 갇힌 방수 갈색 종이가 실수로 일부 못을 보호한 것으로 밝혀졌다.[10] "이 덮개가 완벽한 곳에서는 철이 손상되지 않았다"는 것이다.[10] 구리 외장은 판을 선체에 못 박기 전에 종이로 싸서 조선소에 배달되었는데, 이 종이가 항상 제거되지 않았던 것이다.[10] 따라서 1763년 해군성에 보고된 결론은 철이 해수에서 구리와 직접 접촉하도록 허용해서는 안 된다는 것이었다.[11]

4. 3. 대한민국 해군 함정

대한민국 해군 함정에서 갈바닉 부식이 발생한 구체적인 사례는 제시된 자료에 나타나 있지 않다. 그러나 자료에서는 일반적인 이종 금속 접촉 부식 사례와 해결책을 다루고 있으며, 이는 대한민국 해군 함정에도 적용될 수 있다.

자료에 따르면, 이종 금속 접촉 부식의 대표적인 예로 미국 자유의 여신상의 부식을 들 수 있다[29]。 자유의 여신상은 구리 외판과 주철 골격으로 구성되어, 상대적으로 낮은 전위를 가진 주철 골격에서 심각한 부식이 발생했다[29]。 건조 당시 셸락을 스며들게 한 석면을 사용하여 부식을 방지하려 했으나, 시간이 지나면서 셸락이 마르고 석면이 수분을 흡수하여 부식이 가속화되었다[30]。 1984년 대규모 개보수 공사에서 자유의 여신상의 골격은 구리와 전위차가 작은 스테인리스강으로 교체되었다[31]。

이 사례는 대한민국 해군 함정에도 시사하는 바가 크다. 함정 건조 시 이종 금속 간 접촉을 피할 수 없다면, 자유의 여신상 사례처럼 전위차가 적은 금속을 사용하거나 절연 처리를 통해 부식을 최소화해야 함을 알 수 있다.

4. 4. 기타 사례



이종 금속 접촉 부식을 줄이려면 귀금속의 표면적을 비금속의 표면적보다 상대적으로 작게 하는 것이 효과적이다. 식으로 표현하면, 분모인 ''A''a/''A''c를 크게 만드는 것이다. 반대로 ''A''a/''A''c를 작게 하면 비금속의 이종 금속 접촉 부식이 매우 심해지므로 주의해야 한다. 예를 들어, 해수 중에서 연강은 비금속이고 스테인리스강(316)은 귀금속이다. 이들을 자연 해수(유속 1m/s) 환경에서 이종 금속 접촉 부식 실험을 한 결과, 연강의 표면적(''A''a)과 스테인리스강의 표면적(''A''c) 비에 따라 연강의 부식 속도가 다음과 같이 변했다.

  • ''A''a/''A''c = 10: 연강의 부식 속도는 연강 단독 상태와 거의 같다.
  • ''A''a/''A''c = 1: 연강의 부식 속도는 연강 단독 상태의 약 3배이다.
  • ''A''a/''A''c = 0.1: 연강의 부식 속도는 연강 단독 상태의 약 7배이다.


귀금속 측에 도장 등의 피복 처리를 하여 ''A''c를 줄일 수도 있다. 도장 시 주의할 점은 비금속 측에만 도장하지 않는 것이다. 도장을 해도 환경과 완전히 절연되기는 어렵고, 사용 중 도막이 손상될 수도 있다. 비금속 측 도막에 손상이 생기면 ''A''a/''A''c가 매우 작아져 손상된 부분에서 이종 금속 접촉 부식이 급격히 진행될 수 있다. 따라서 비금속에 도장할 때는 귀금속도 함께 도장하는 것이 좋다.

전해액의 전기 전도율은 환경(전해액) 측의 영향 인자이다. 전해액의 전기 전도율이 높을수록 이종 금속 접촉 부식이 촉진된다. 예를 들어 해수는 전기 전도율이 높아 전기 저항이 작기 때문에 이종 금속 접촉 부식의 영향 범위가 넓다. 반면 담수는 해수보다 전기 저항이 크고, 대기 중 강우나 습기에 의한 수막은 전기 저항이 더 크다. 따라서 이러한 환경에서는 이종 금속 접촉 부식이 접촉부 근처에서만 진행된다. 그러나 영향이 전혀 없는 것은 아니며, 담수에서는 접촉부로부터 100mm 정도, 대기 환경의 수막에서는 접촉부로부터 10mm 정도까지 이종 금속 접촉 부식의 영향을 고려해야 한다.

전해액의 용존 산소 농도도 영향을 미친다. 용존 산소 농도가 높을수록 음극에서 일어나는 산소 환원 반응 속도가 높아져 이종 금속 접촉 부식이 촉진된다. 이종 금속 접촉 부식을 억제하려면 용존 산소 농도를 낮추는 것이 효과적이다. 예를 들어 수돗물을 탈기하여 용존 산소 농도를 낮추면 이종 금속 접촉 부식을 억제할 수 있다. 따라서 냉온수 밀폐계 배관에서는 강관과 구리 합금제 이음새를 절연 없이 접속할 수 있다.

미국 자유의 여신상 부식은 이종 금속 접촉 부식의 유명한 사례이다.[29] 1886년에 건조된 자유의 여신상은 구리제 외판을 주철제 골격으로 지지하는 구조였는데, 구리보다 낮은 전위를 가진 주철제 골격에서 심각한 부식이 발생했다.[29] 구리와 주철 조합에서 이종 금속 접촉 부식 가능성은 건조 당시에도 알려져 있었다. 설계를 맡은 귀스타브 에펠은 천연 수지인 셸락을 스며들게 한 석면을 구리와 주철 사이에 넣어 문제를 해결하려 했다.[30] 그러나 시간이 지나면서 셸락은 말라 버렸고, 석면은 수분을 흡수하여 오히려 이종 금속 접촉 부식을 가속화시켰다.[31] 발생한 녹은 골격 부착부를 뒤틀리게 했고, 골격에 외판을 고정하던 리벳 대부분이 풀리거나 떨어져 나가 상은 매우 위험한 상태가 되었다.[31][30] 1984년부터 대대적인 개수 공사가 진행되었고, 자유의 여신상 골격은 구리와 자연 전위 차이가 작은 스테인리스강으로 교체되었다.[31][29]

수도 등 배관은 이종 금속 접촉 부식의 흔한 예이다. 배관 계통은 이음새, 펌프, 부속 기구 등 다양한 금속 재료가 사용되어 이종 금속 접촉 부식이 발생하기 쉽다. 건축 설비 급수 배관의 녹 찌꺼기, 적수, 천공 등 부식 문제도 이종 금속 접촉 부식이 주요 원인 중 하나이다. 급수 배관은 담수 환경이고 배관 내부가 좁아 흐르는 부식 전류는 작지만, 장기적으로 보면 접촉부에서 발생하는 이종 금속 접촉 부식의 정도는 작지 않다. 건축 설비 급수 배관에서는 구리 합금제 기기나 이음새와 강관 접촉 부분에서 이종 금속 접촉 부식이 많이 발생한다. 강관을 사용할 때는 아연 도금을 하거나 유기재 라이닝으로 내면을 덮은 것을 사용한다. 그러나 구리 합금과 접촉하면 아연 도금은 조기에 소실되어 밑바탕의 탄소강에서 이종 금속 접촉 부식이 일어난다. 라이닝 강관은 관 단부에서 라이닝으로 덮이지 않은 면이 노출되어 이 부분을 기점으로 이종 금속 접촉 부식이 발생하는 경우가 많다. 따라서 라이닝 강관에 삽입하는 이음새에는 이음새 내에 수지재를 넣어 강관 소재 노출을 방지하는 특수 이음새가 사용된다.

나사나 못과 같은 체결부도 이종 금속 접촉 부식 문제가 발생할 수 있다. 부재를 이종 금속 체결 부품으로 고정하면 이종 금속 접촉 부식이 문제가 되는 경우가 있다. 예를 들어, 물 수송용 매설 파이프라인의 덕타일 주철제 관을 강제 볼트·너트로 체결하면 볼트·너트가 부식된다. 이 경우 볼트·너트를 스테인리스강제로 하는 것이 권장된다. 자동차에서는 마그네슘 부품이나 알루미늄 부품을 강제 볼트로 체결했을 때 볼트 좌면에서 이종 금속 접촉 부식이 발생할 수 있어 방청 품질상 중요한 부위이다. 구리판 지붕을 강도상의 이유로 구리 이외의 못으로 고정하면 이종 금속 접촉 부식이 문제가 된다. 이 경우에도 못을 스테인리스강제로 하는 것이 한 가지 대책이다. 오래된 사례로, 1761년 영국 해군이 건조한 프리깃함이 있다. 나무 선체를 해충 침식이나 해양 생물 부착으로부터 보호하기 위해 얇은 구리판으로 선체를 덮고 철못으로 구리판을 고정했는데, 건조 2년 후 대부분의 철못이 녹아 구리판이 떨어져 나갔다.

5. 방지 대책

갈바닉 부식을 방지하기 위한 다양한 방법이 존재한다.


  • 환경 제어:
  • 전해액의 전기 전도율은 갈바닉 부식에 큰 영향을 미친다. 해수와 같이 전기 전도율이 높은 환경에서는 갈바닉 부식의 영향 범위가 넓어진다. 반면 담수나 대기 중의 얇은 수막은 전기 저항이 커서 부식이 주로 접촉부 근처에서만 발생한다. 하지만 담수 환경에서도 100mm 정도, 대기 환경에서는 10mm 정도까지는 영향을 고려해야 한다.
  • 용존 산소 농도 또한 중요한 요인이다. 농도가 높을수록 음극에서의 산소 환원 반응이 활발해져 부식이 촉진된다. 따라서 용존 산소 농도를 낮추면 부식을 억제할 수 있다. 예를 들어, 수돗물을 탈기하여 산소 농도를 낮추면 부식을 줄일 수 있다.
  • 기타 방법:
  • 아질산 나트륨이나 몰리브덴산 나트륨과 같은 부식 방지제를 시스템에 주입하여 갈바닉 전위를 줄일 수 있다. 그러나 부식 방지제 사용은 시스템 내 물의 전도도를 높여 갈바닉 부식 전위를 크게 증가시킬 수 있으므로 신중하게 적용해야 한다.
  • 산성도 또는 알칼리도(pH) 또한 중요한 고려 사항이다. pH 및 부식 억제 용량이 부적절하면 갈바닉 부식이 가속화될 수 있다. 대부분의 HVAC 시스템에서는 희생 양극 및 음극 사용이 적합하지 않다. 시간이 지남에 따라 부식되어 순환 펌프, 열 교환기 등에 손상을 줄 수 있는 입자를 방출할 수 있기 때문이다.[5]

5. 1. 재료 선정

이러한 형태의 부식을 줄이거나 예방하는 여러 방법은 다음과 같다.

  • 두 금속을 서로 전기적으로 절연한다. 전기적 접촉이 없으면 갈바닉 결합이 일어나지 않는다. 이는 서로 다른 전위를 가진 금속 사이에 비전도성 물질을 사용하여 달성할 수 있다. 배관은 플라스틱 재질로 만들어진 스풀이나 내부에 코팅 또는 라이닝된 금속 재질로 절연할 수 있다. 이때 스풀은 충분한 길이를 가져야 한다. 안전상의 이유로, 전기 접지 시스템이 파이프 작업을 접지에 사용하거나 등전위 본딩이 있는 경우에는 시도해서는 안 된다.[20]
  • 해안 전력 공급선에 연결된 금속 보트는 일반적으로 안전상의 이유로 선체를 접지에 연결해야 한다. 그러나 해당 접지 연결의 끝은 부두 내에 매설된 구리 막대일 가능성이 높으며, 이로 인해 약 0.5 V의 강철-구리 "배터리"가 발생한다. 또한 각 보트의 선체는 다른 모든 보트의 선체에 연결되어 프로펠러(청동으로 만들어질 수 있음)와 강철 선체 사이에 추가 "배터리"가 발생하여 고가의 프로펠러가 부식될 수 있다. 이러한 경우 갈바닉 절연기의 사용이 필수적이며, 일반적으로 두 개의 반도체 다이오드가 직렬로 연결되고, 반대 방향으로 전도되는 두 개의 다이오드가 병렬로 연결된다(안티패럴). 이 장치는 선체와 해안 보호 도체 사이의 보호 접지 연결에 삽입된다. 이는 가해진 전압이 1.4 V ''미만''일 때(예: 다이오드당 0.7 V) 보호 도체의 전류를 차단하지만, 전기적 결함이 발생한 경우 전체 전류를 허용한다. 다이오드를 통해 여전히 매우 작은 전류 누설이 발생하여 정상보다 약간 더 빠른 부식이 발생할 수 있다.[20]
  • 전해질과의 접촉을 막는다. 이는 그리스와 같은 발수성 화합물을 사용하거나 적절한 페인트, 바니시 또는 플라스틱과 같은 불침투성 보호층으로 금속을 코팅하여 수행할 수 있다. 둘 다 코팅할 수 없는 경우, 더 귀한 재료, 즉 전위가 더 높은 재료에 코팅을 적용해야 한다. 코팅이 더 활성인 재료에만 적용될 경우, 코팅 손상 시 큰 음극 영역과 매우 작은 양극 영역이 발생하고 노출된 양극 영역의 부식률이 그에 따라 높아지기 때문에 이 방법이 권장된다.[20]
  • 산화 방지 페이스트를 사용하면 구리와 알루미늄 전기 연결부 사이의 부식을 방지하는 데 도움이 된다. 페이스트는 알루미늄 또는 구리보다 덜 귀한 금속으로 구성된다.[20]
  • 유사한 전위를 가진 금속을 선택한다. 개별 전위가 더 가깝게 일치할수록 전위차가 작아지고 그에 따라 갈바닉 전류도 작아진다. 모든 구조에 동일한 금속을 사용하는 것이 전위를 일치시키는 가장 쉬운 방법이다.[20]
  • 전기 도금 또는 기타 도금도 도움이 될 수 있다. 이는 부식에 더 잘 견디는 더 귀금속을 사용하는 경향이 있다. 크롬, 니켈, 은 및 금을 모두 사용할 수 있다. 아연 도금은 희생적인 양극 작용을 통해 강철 기저 금속을 보호한다.[20]
  • 음극 방지는 보호된 금속보다 더 활성인 금속으로 만들어진 하나 이상의 희생 양극을 사용한다. 희생 양극에 일반적으로 사용되는 금속 합금에는 아연, 마그네슘 및 알루미늄이 있다. 이 방법은 온수기 및 많은 매설 또는 침수 금속 구조에서 흔히 사용된다.[20]
  • 음극 방지는 부식성 갈바닉 전류에 반대하도록 직류 (DC) 전기 전원 공급 장치를 연결하여 적용할 수도 있다.[20]


전해액 중에서 2종의 금속을 접촉시켰을 때, 2종의 금속과 전해액 사이에서 전지가 형성되어 전류가 흐른다. 수용액 중에서 철과 구리를 접촉한 경우, "구리 → 철 → 수용액 → 구리"의 순서로 전류가 흐른다. 이 때, 흐르는 전류는 부식의 진전을 의미하며, 부식 시에 형성되는 전지를 부식 전지 등으로 부른다. 철과 구리의 예에서는, 철의 부식이 촉진된다. 즉, 해당 수용액에 대해 철 단독으로 일어나는 부식에, 구리와의 접촉에 의한 부식이 더해지게 된다. 이와 같이, 전해액 하에서 이종 금속이 접촉하면 한쪽 금속의 부식이 더욱 가속화되는 현상을 '''이종 금속 접촉 부식'''이라고 한다. 이종 금속 접촉 부식은 주로 접촉부 부근에서 일어나며, 국부 부식의 일종으로 간주된다.

이종 금속 접촉 부식에서 어느 금속의 부식이 진행되는지는, 기본적으로, 해당 환경에서 금속이 단독으로 부식될 때의 전극 전위에 의해 결정된다. 이와 같이, 어떤 환경에서 금속이 자연적으로 부식될 때의 전극 전위를 자연 전위 또는 부식 전위라고 한다. 상대보다 자연 전위가 높은 금속을 '''귀'''금속이라고 하며, 상대보다 자연 전위가 낮은 금속을 '''부동태'''금속이라고 한다. 이종 금속 접촉 부식이 일어나 부식이 촉진되는 것은, 상대보다 부동태인 금속이다.

한편 귀금속에서는, 이종 금속 접촉 부식은 일어나지 않고, 귀금속이 해당 환경에서 원래 일어나는 부식이 오히려 억제된다. 분극 곡선상에서는, 귀금속의 전위는 접촉에 의해 작아지고(부동태하게), 부식 전류는 저하되어, 부식은 경감된다. 반대로, 이 메커니즘을 이용하면 귀금속 측의 부식을 방지할 수 있게 된다. 예를 들어 철강재를 방청하고 싶을 때, 그보다 부동태인 아연재를 부가함으로써 철강재의 부식을 경감할 수 있다. 이와 같이 이종 금속 접촉 부식의 메커니즘을 방청에 이용한 것이, 희생 양극법(유전 양극법)이라는 방청 방법이다.

이종 금속 접촉 부식은 2종의 금속의 자연 전위 차이로 인해 발생하므로, 이 차이를 최대한 작게 하는 것이 바람직하다. 이종 금속 접촉 부식을 무시할 수 있는 부식 전위 차이로는, 50 mV 이하 또는 100 mV 미만과 같은 기준값이 있다. 다만, 허용 값에 대한 통일된 견해는 없다. 비금속과 귀금속의 표면적 비율이 영향을 미치므로, 비금속의 표면적이 크고 귀금속의 표면적이 작을 때는 허용 값을 10 mV 정도로 한다는 견해도 있다.

Francis L. LaQue 의 해수 중 부식 전위열. 조건은 유속 2.4–4.0 m/s, 온도 11–27℃. 왼쪽에 위치할수록 귀금속 재료이며, 오른쪽에 위치할수록 비금속 재료.


자연 전위의 차이를 판단하는 데 '''부식 전위열''' 또는 '''갈바니 계열'''이라고 불리는 그림이 지표로 도움이 된다. 부식 전위열이란 하나의 환경에 대한 다양한 금속의 자연 전위를 전위 순으로 나열한 것이다. 몇 가지 주의사항이 있지만, 부식 전위열을 지표로 전위 차이가 작은 금속을 선택하면 이종 금속 접촉 부식을 줄일 수 있다. 단, 자연 전위의 차이를 판단할 때 다음과 같은 주의사항이 있다.

첫째로, 환경이 바뀌면 부식 전위열이 바뀐다는 점이다. 알루미늄의 변화는 특히 커서, 해수 중에서는 탄소강보다 비금속이지만, 대기 중에서는 탄소강과 동등한 정도가 된다. 그리고 해수 이외의 환경에서 확립된 부식 전위열은 현재로서는 존재하지 않는다. 해수 환경의 부식 전위열로 Francis L. LaQue의 부식 전위열이 자주 인용되지만, 다양한 영향 인자에 의해 변동될 수 있다는 점에 유의할 필요가 있다.[25] LaQue가 게재한 304계 스테인리스강의 자연 전위는 마이너스 쪽의 값이나, +0.4 V까지 상승할 수 있는 경우도 보고되고 있다.[25]

둘째로, 부동태화나 착화가 관련되면 반응 메커니즘이 복잡해져 전위 관계가 바뀐다는 점이다. 예를 들어 해수 중의 스테인리스강의 자연 전위는, 스테인리스강이 부동태 상태에 있는지 국부 부식 발생(활성태) 상태에 있는지에 따라 다르다. 국부 부식을 방지하려면, 후자의 상태의 자연 전위를 참조할 필요가 있다. 또한 예를 들어 통조림의 주석 도금강에서는, 착화에 의해 본래의 자연 전위 관계가 역전되어 있다. 보통은 주석이 철보다 귀금속이지만, 식품 중의 유기산에 의해 철 이온과 주석 이온이 착화하여, 철이 주석보다 귀금속이 된다. 이로 인해 통조림 내부에서 철의 부식을 억제하고 있다.

5. 2. 절연

두 금속을 서로 전기적으로 절연시키면 갈바닉 결합이 발생하지 않는다. 이는 서로 다른 전위를 가진 금속 사이에 비전도성 물질을 사용하여 달성할 수 있다. 배관은 플라스틱 재질로 만들어진 스풀이나 내부에 코팅 또는 라이닝된 금속 재질로 절연할 수 있다. 이때 스풀은 충분한 길이를 가져야 한다. 안전상의 이유로, 전기 접지 시스템이 파이프 작업을 접지에 사용하거나 등전위 본딩이 있는 경우에는 시도해서는 안 된다.[1][2][3][4]

해안 전력 공급선에 연결된 금속 보트는 일반적으로 안전상의 이유로 선체를 접지에 연결해야 한다. 그러나 해당 접지 연결의 끝은 부두 내에 매설된 구리 막대일 가능성이 높으며, 이로 인해 약 0.5 V의 강철-구리 "배터리"가 발생한다. 또한 각 보트의 선체는 다른 모든 보트의 선체에 연결되어 프로펠러(청동으로 만들어질 수 있음)와 강철 선체 사이에 추가 "배터리"가 발생하여 고가의 프로펠러가 부식될 수 있다. 이러한 경우 갈바닉 절연기의 사용이 필수적이며, 일반적으로 두 개의 반도체 다이오드가 직렬로 연결되고, 반대 방향으로 전도되는 두 개의 다이오드가 병렬로 연결된다(안티패럴). 이 장치는 선체와 해안 보호 도체 사이의 보호 접지 연결에 삽입된다. 이는 가해진 전압이 1.4 V ''미만''일 때(예: 다이오드당 0.7 V) 보호 도체의 전류를 차단하지만, 전기적 결함이 발생한 경우 전체 전류를 허용한다. 다이오드를 통해 여전히 매우 작은 전류 누설이 발생하여 정상보다 약간 더 빠른 부식이 발생할 수 있다.[1][2][3][4]

강재와 황동 사이를 절연하는 배관 이음매


이종 금속 접촉 부식은 두 종류의 금속이 통전함으로써 발생하므로, 이종 금속 접촉 부식 방지상 가장 이상적인 것은 이종 금속을 접촉시키지 않는 것이다.[23][24] 그러나 실용상 어쩔 수 없이 접촉이 필요한 경우도 많다.[24] 대신 두 종류의 금속을 전기적으로 절연시키면 이종 금속 접촉 부식을 방지할 수 있다.[20][23] 실용되고 있는 것은 고무나 수지 등의 절연 재료를 두 종류의 금속 사이에 끼우는 방법으로, 배관의 이음매나 플랜지 접합에 사용된다.[20] 담수를 통과시키는 배관용으로는 사용 상태와 사용 금속의 조합에 따라 절연의 필요 유무를 나타낸 판정표가 활용되고 있다.[20]

5. 3. 코팅 및 도금



전기 도금이나 기타 도금도 갈바닉 부식을 방지하는 데 도움이 될 수 있다. 이는 부식에 더 잘 견디는 귀금속을 사용하는 경향이 있다. 크롬 도금, 니켈, 은, 금 도금을 모두 사용할 수 있다. 아연 도금은 희생적인 양극 작용을 통해 강철 기저 금속을 보호한다.[20]

금속을 페인트, 도금, 라이닝 등의 피막으로 덮어 주변 환경으로부터 차단하는 것은 가장 기본적인 부식 방지 방법 중 하나이다. 그 중에서도 도장에 의한 부식 방지는 가장 간편하고 많이 사용되는 방법이다. 다만 실제 도장 피막에서는 산소나 물을 차단할 수 없으며, 자세한 내용은 불분명한 점도 있지만, 피막과 소재의 밀착 효과나 피막의 전기 저항의 크기에 의해 부식 방지가 이루어진다고 생각된다.

도장으로 이종 금속 접촉 부식에 대한 대책을 할 때, 부동태 금속만 도장하는 것은 피해야 한다. 도장 피막이 손상되었을 때, 부동태 피도장재가 작은 표면적으로 노출되는 형태가 되어, 현저한 이종 금속 접촉 부식이 일어난다. 이종 금속 접촉 부식에 대한 대책으로는, 부동태 금속과 귀금속 모두를 도장하는 것이 이상적이다. 항공 분야에서도 이종 금속의 접촉을 피할 수 없을 때는 결합부를 양쪽 재료 모두 도장이나 실링재로 보호하도록 하고 있다. 귀금속 측이 되는 금속은 그 자체로는 부식되지 않는 고급 재료인 경우가 많다. 따라서, 그러한 고급 재료를 도장하는 것은 과잉 부식 방지라고 생각할 수 있으므로 주의해야 한다.

도금을 하는 경우에는 강재에 대한 니켈 도금과 같이, 부동태 금속을 귀금속 피막으로 덮는 도금에는 주의가 필요하다. 도금을 하여도 핀홀이라고 불리는 미세한 결함이나 상처 등을 통해 환경과 피도금재가 접촉하는 경우가 있다. 이때, 귀금속 피막이 부동태 피도금재의 이종 금속 접촉 부식의 상대가 되어, 피도금재의 급속한 부식을 일으킨다. 따라서 강재를 니켈 도금하는 경우와 같이 도금의 결함 부분에서는 부식이 촉진된다. 대책으로는 전해 니켈 도금의 경우, 황 농도를 바꾸어 2층 또는 3층으로 도금하는 방법이 있다. 이러한 이유로 귀금속에 의한 도금은 내식성 향상 이외의 필요성이 있을 때에 한해 채용하는 경우가 많다.

5. 4. 희생 양극

어떤 경우에는 이러한 유형의 반응을 의도적으로 장려하기도 한다. 예를 들어, 저렴한 가정용 배터리에는 일반적으로 탄소-아연 전지가 포함되어 있다. 폐쇄 회로의 일부(전자 경로)로, 전지 내 아연은 전기를 생성하는 배터리의 필수적인 부분으로 우선적으로 부식된다(이온 경로). 또 다른 예는 매설 또는 수중 구조물 및 온수 저장 탱크의 음극 보호이다. 이 경우 희생 양극은 갈바닉 커플의 일부로 작용하여 양극의 부식을 촉진하는 동시에 음극 금속을 보호한다.[1]

강철 재킷 구조에 장착된 알루미늄 양극


음극 방지 시스템용 전기 패널


음극 방지는 보호된 금속보다 더 활성인 금속으로 만들어진 하나 이상의 희생 양극을 사용한다. 희생 양극에 일반적으로 사용되는 금속 합금에는 아연, 마그네슘 및 알루미늄이 있다. 이 방법은 온수기 및 많은 매설 또는 침수 금속 구조에서 흔히 사용된다.[1]

한편 귀금속에서는, 이종 금속 접촉 부식이 일어나지 않고, 귀금속이 해당 환경에서 원래 일어나는 부식이 오히려 억제된다. 분극 곡선상에서는, 귀금속의 전위는 접촉에 의해 작아지고(부동태하게), 부식 전류는 저하되어, 부식은 경감된다. 반대로, 이 메커니즘을 이용하면 귀금속 측의 부식을 방지할 수 있게 된다. 예를 들어 철강재를 방청하고 싶을 때, 그보다 부동태인 아연재를 부가함으로써 철강재의 부식을 경감할 수 있다. 이와 같이 이종 금속 접촉 부식의 메커니즘을 방청에 이용한 것이, 희생 양극법(유전 양극법)이라는 방청 방법이다.

5. 5. 음극 보호

서로 다른 금속이 전해액 내에서 접촉할 때, 더 반응성이 큰 금속은 양극이 되어 빠르게 부식되고, 반응성이 작은 금속은 음극이 되어 부식이 억제된다. 이러한 원리를 이용한 것이 음극 보호이다. 희생 양극은 갈바닉 커플의 일부로 작용하여 양극의 부식을 촉진하고 음극 금속을 보호한다.[1][2][3][4] 예를 들어, 온수 저장 탱크나 매설 또는 수중 구조물에 사용된다.

음극 보호 방법 중 하나는 희생 양극법(유전 양극법)이다.[20] 보호하려는 금속보다 더 부동태인 금속(예: 아연)을 연결하면, 보호 대상 금속(예: 철강재)의 부식을 줄일 수 있다.[20] 희생 양극에 사용되는 금속 합금에는 아연, 마그네슘, 알루미늄 등이 있다.

또 다른 방법은 외부 직류 전원을 연결하여 갈바닉 전류를 상쇄시키는 것이다.

5. 6. 환경 제어

전해액의 전기 전도율은 환경적 요인 중 하나로, 이종 금속 접촉 부식에 큰 영향을 미친다.[23] 전기 전도율이 높을수록 이종 금속 접촉 부식은 더욱 촉진된다.[23] 예를 들어, 해수는 전기 전도율이 높아 전기 저항이 작기 때문에 이종 금속 접촉 부식의 영향 범위가 넓다.[24] 반면, 담수는 해수보다 전기 저항이 크고, 대기 환경에서 강우나 습기에 의한 수막은 전기 저항이 더 크다.[24] 따라서 이러한 환경에서는 이종 금속 접촉 부식이 주로 접촉부 근처에서만 발생한다.[24]

그러나 담수 환경에서도 접촉부로부터 100mm 정도, 대기 환경의 수막에서는 접촉부로부터 10mm 정도는 이종 금속 접촉 부식의 영향을 고려해야 한다.[24]

전해액의 용존 산소 농도 역시 중요한 요인이다.[25] 용존 산소 농도가 높을수록 음극에서 발생하는 산소 환원 반응 속도가 증가하여 이종 금속 접촉 부식이 촉진된다.[25] 따라서 용존 산소 농도를 낮추면 이종 금속 접촉 부식을 억제할 수 있다.[25] 예를 들어, 수돗물을 탈기하여 용존 산소 농도를 낮추면 이종 금속 접촉 부식을 억제할 수 있다.[25] 이러한 이유로 냉온수의 밀폐계 배관에서는 강관과 구리 합금제 이음새를 절연 없이 연결할 수 있다.[26]

참조

[1] encyclopedia Volta and the 'Pile' http://electrochem.c[...] Case Western Reserve University 2005-01
[2] 서적 Elements of chemistry: including the actual state and prevalent doctrines of the science https://books.google[...] Taylor and Walton
[3] 간행물 Observations on Lemon Cells http://surface.syr.e[...]
[4] 서적 The Geek Atlas: 128 Places Where Science and Technology Come Alive O'Reilly Media
[5] 문서 Corrosion Control Services, Inc., introduction handbook
[6] 웹사이트 Reclothing the First Lady of Metals - Repair Details http://www.copper.or[...] Copper Development Association 2019-08-16
[7] 서적 Samuel Pepys: The Years of Peril Macmillan
[8] 웹사이트 Electrochemical corrosion protection https://corrosion-do[...] 2023-05-25
[9] 간행물 Galvanic corrosion... What it is and how to fight it https://books.google[...] Hearst Magazines Inc. 1948-07
[10] 웹사이트 CLI Houston http://www.clihousto[...] 2011-01-15
[11] 웹사이트 Historic Corrosion Lessons http://corrosion-doc[...] Corrosion Doctors 2014-02-27
[12] 간행물 Builder Blames Navy as Brand-New Warship Disintegrates https://www.wired.co[...]
[13] 웹사이트 Tunnel Safety Ceiling Light Fixture Update http://www.massdot.s[...] MassDOT 2012-04-09
[14] 뉴스 Big Dig needs $54m light fix http://articles.bost[...] The Boston Globe 2012-04-09
[15] 서적 Water https://books.google[...] Urotext
[16] 웹사이트 Food Safety Education | for Consumers | FAQ http://www.foodsafet[...] 2024-01-20
[17] 웹사이트 Galvanic Cleaning of Silver Coins - Tutorial http://www.metaldete[...]
[18] 문서 The design of electronic equipment: a manual for production and manufacturing Prentice-Hall
[19] 웹사이트 Handbook of Corrosion Engineering http://www.corrosion[...]
[20] 문서
[21] 간행물 NaCl溶液中における純アルミニウム1050とCFRPとのガルバニック腐食挙動 腐食防食学会
[22] 웹사이트 CFRP(炭素繊維強化プラスチック）の耐電蝕性評価 https://www.jfe-tec.[...] JFEテクノリサーチ 2020-11-26
[23] 간행물 異種金属接触腐食 腐食防食協会
[24] 서적 電食防止・電気防食ハンドブック オーム社
[25] 간행물 ガルバニ腐食に影響する因子 日本海水学会
[26] 간행물 航空機の腐食と防食 腐食防食協会
[27] 웹사이트 Design for Corrosion http://www.boeing.co[...] The Boeing Company 2020-11-29
[28] 간행물 腐食科学, 防食技術, そしてそれから? 腐食防食協会
[29] 웹사이트 Galvanic Corrosion https://www.ssina.co[...] Specialty Steel Industry of North America 2020-11-21
[30] 서적 錆と人間 : ビール缶から戦艦まで 築地書館
[31] 웹사이트 Reclothing the First Lady of Metals - Repair Details https://www.copper.o[...] Copper Development Association 2020-11-21


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