수소취성화

3. 재료별 민감성

강철^[17][18], 알루미늄(고온에서만^[19]), 티타늄^[20]을 포함한 다양한 금속이 수소 취화 현상을 겪는다.^[43] 오스템퍼링된 철도 취약하지만, 오스템퍼링된 강철(및 기타 오스템퍼링된 금속)은 수소 취성에 대한 저항성이 증가하는 것으로 나타났다.^[21] 미국 항공우주국(NASA)은 니켈 합금, 오스테나이트계 스테인리스강, 알루미늄 및 합금, 구리(베릴륨 구리와 같은 합금 포함)를 포함하여 어떤 금속이 취성에 취약하고 어떤 금속이 고온 수소 공격에만 취약한지 검토했다.^[26] 샌디아 국립 연구소도 포괄적인 가이드를 제작했다.^[32]

4. 피로

수소는 금속의 피로 특성에 영향을 미친다는 실험적 증거가 있다. 이는 급속 파괴에 대해 제안된 취성 메커니즘의 특성을 고려할 때 예상할 수 있는 결과이다.^[25][14] 일반적으로 수소 취성은 높은 응력의 저 사이클 피로에 큰 영향을 주지만, 높은 사이클 피로에는 영향이 적다.^[26][32]

5. 환경 취성

환경 취성^[26]은 시험 중인 재료를 둘러싼 대기 중의 분자들이 새로운 균열 표면에 흡착되어 발생하는 표면 효과이다. 수소 환경에서는 공기 중에서보다 균열 성장률^[32]이 최대 한 자릿수까지 더 높을 수 있는데, 이는 피로 측정에서 가장 명확하게 나타난다. 이러한 현상은 수소 압력에 대한 효과의 약한 의존성을 통해, 균열 표면이 완전히 덮이면 포화되는 흡착 때문이라는 것을 알 수 있다.^[32]

환경 취성은 급속 파괴 시험에서 파괴 인성을 감소시키는 것으로도 관찰되지만, 그 심각성은 피로에서의 동일한 효과에 비해 크게 감소한다.^[32]

수소 취성과 환경 취성의 차이점은, 수소 취성은 이전에 취화된 재료가 어떤 대기에서 시험하든 낮은 파괴 인성을 갖는 효과를 말하며, 환경 취성은 낮은 파괴 인성이 해당 대기에서 시험이 수행될 때만 관찰되는 효과라는 것이다.

6. 수소 발생원

인산염 처리, 산 세척, 전기 도금, 주조, 탄소 침투, 표면 세척, 전기화학적 가공, 용접, 열간 압연 성형, 열처리 등의 제조 과정에서 수소가 부품에 용해될 수 있다.^[26]

사용 중에는 습한 부식이나 음극 보호의 잘못된 적용으로 수소가 금속에 용해될 수 있다.^[26] 아연 도금된 강철이 젖은 상태로 방치되면 아연과 물의 반응으로 수소가 강철에 유입될 수 있다.^[27][28][40]

아크 용접 불량 시 용접 전극 코팅이나 젖은 용접봉에서 수분이 방출되어 수소가 발생할 수 있다.^[20][29] 이를 방지하기 위해 용접봉을 건조하고, 고강도강 용접에는 저수소 전극을 사용한다.

황화 수소가 관여하는 황화물 응력 부식과 같이 화학적 또는 전기화학적 공정에서도 수소 원자가 생성되어 금속에 용해될 수 있다.^[30]

7. 방지 대책

수소 취성을 예방하는 여러 방법은 모두 금속과 수소의 접촉을 최소화하는 데 중점을 두며, 특히 제조 및 물의 전기분해 과정에서 중요하다. 산 세척과 같은 취성 과정은 피해야 하며, 황 및 인산염과 같은 원소와의 접촉도 증가하지 않도록 해야 한다.^[31]

금속에 아직 균열이 시작되지 않았다면, 수소 공급원을 제거하고 금속 내부의 수소가 열처리를 통해 확산되도록 함으로써 수소 취성을 되돌릴 수 있다. 저수소 어닐링 또는 "베이킹"으로 알려진 이 탈취성 과정은 금속에 수소를 도입하는 전기 도금과 같은 방법의 약점을 극복하는 데 사용되지만, 충분한 시간과 온도가 달성되어야 하기 때문에 항상 완전히 효과적인 것은 아니다.^[31]

용접의 경우, 수소가 손상을 일으키기 전에 확산되도록 금속을 예열하고 후열하는 경우가 많다. 이는 고강도 강철 및 저합금강과 크롬/몰리브덴/바나듐 합금과 같은 금속에 특히 적용된다. 수소 원자가 수소 분자로 재결합하는 데 필요한 시간 때문에, 용접으로 인한 수소 균열은 용접 작업 완료 후 24시간 이상 발생할 수 있다.

이 문제를 예방하는 또 다른 방법은 재료를 선택하는 것이다. 특정 금속 또는 합금은 이 문제에 매우 취약하므로, 원하는 특성을 유지하면서 최소한의 영향을 받는 재료를 선택하는 것이 최적의 솔루션을 제공한다. ASTM F1624와 같은 테스트를 사용하여 재료 선택 과정에서 합금 및 코팅의 순위를 매길 수 있다.^[32]

코팅은 금속 기판과 주변 환경 사이의 장벽 역할을 하여 수소 원자의 침투를 방해한다. 이러한 코팅은 전기 도금, 화학 변환 코팅 또는 유기 코팅과 같은 다양한 기술을 통해 적용할 수 있다.

• 전기 도금: 금속 표면에 보호층을 증착하는 데 일반적으로 사용되는 방법이다. 금속 기판을 금속 이온을 포함하는 전해질 용액에 담그고 전류를 가함으로써 금속 이온이 환원되어 기판에 금속 코팅을 형성한다.
• 화학 변환 코팅: 금속 기판과 화학 용액 간의 화학 반응을 통해 형성된다. 금속 표면과 화학적으로 반응하여 얇고 밀착된 보호층을 생성한다. 크로메이트, 인산염 및 산화물 코팅 등이 있다.
• 유기 코팅: 페인트 또는 폴리머 코팅과 같은 유기 코팅은 금속 표면과 환경 사이에 물리적 장벽을 형성한다. 스프레이 코팅, 침지 코팅 또는 분체 코팅을 포함한 다양한 방법을 통해 적용할 수 있다.
• 열 분사 코팅: 세라믹 또는 서멧 합금과 같이 수소 확산에 대한 저항성이 뛰어난 재료로 구성되는 경우가 많다. 수소 투과성이 낮아 금속 기판으로의 수소 침투에 대한 강력한 장벽을 생성한다.^[33]

8. 시험 방법

수소 취성 시험과 관련된 여러 ASTM 표준이 있다.

9. 수소 취성으로 인한 주요 실패 사례

• 2013년, 개통 6개월 전, 오클랜드 베이 브리지 동부 구간이 시험 중 파손되었다. 불과 2주간의 사용 후 교량의 전단 볼트에서 치명적인 파손이 발생했으며, 파손 원인은 취성으로 밝혀졌다.^[40][27]
• 런던 시티의 122 리든홀 스트리트(일반적으로 '치즈 강판'으로 알려짐)에서 강철 볼트의 수소 취성으로 인해 2014년과 2015년에 세 개의 볼트가 파손되었다. 3,000개에 달하는 볼트 대부분이 600만파운드의 비용을 들여 교체되었다.^[41][42]

10. 활용

일부 수소 저장 합금에서는 흡수 및 방출 사이클에 의해 미분화되는 현상이 나타난다. 또한, 희토류 자석 제조 공정에서 이 현상을 이용하여 원료를 분쇄하는 방법도 사용되고 있다.^[44] 팔라듐 내에 흡장된 중수소 원자에 의한 상온 핵융합에 관여할 가능성도 일부에서 논의되고 있다.

히타치 GE 뉴클리어 에너지에서는 노심 용융(멜트다운)을 일으킨 원자로의 노심 용융물(데브리) 제거 시 노심 용융물을 분쇄하기 위해 수소 취성을 이용하는 것이 검토되고 있다^[50]。

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