스테인리스 스틸과 알루미늄 사이의 갈바닉 부식

갈바닉 부식은 전도성 환경에서 알루미늄이 스테인리스 스틸에 전기적으로 연결될 때 우선적으로 부식을 일으키며, 전해질에 염화물이 포함되어 있거나 알루미늄 면적이 스테인리스 스틸 면적에 비해 작거나 틈새 및 코팅이 불량할 경우 이러한 위험이 커집니다. 적절한 재료 선택, 전기 절연, 보호 코팅, 신중한 조인트 설계, 공인된 테스트 표준 준수를 통해 발생 가능성과 서비스 비용을 크게 줄일 수 있습니다.

갈바닉 부식의 근본적인 전기화학 원리

갈바닉 부식은 서로 다른 두 금속이 전해질을 통해 전기 회로를 형성할 때 발생합니다. 이 회로에서 한 금속은 양극이 되어 금속 이온을 잃고, 다른 금속은 음극이 되어 보호 상태를 유지합니다. 공격 방향은 해당 환경에서 각 금속의 상대적인 전기화학적 전위에 따라 달라집니다. 알루미늄이 스테인리스 스틸과 접촉하면 일반적으로 알루미늄은 더 음의 전위에 놓이게 되므로 양극이 되어 부식됩니다. 부식 전류와 그에 따른 질량 손실은 전위차, 전해질의 전도도, 음극과 양극의 노출된 표면적 비율에 따라 달라집니다.

스테인리스 스틸 + 알루미늄 조합이 산업에서 나타나는 경우

일반적인 페어링은 다음과 같습니다:

• 해양 하드웨어: 스테인리스 스틸 리깅 또는 패스너가 있는 알루미늄 선체 피팅.

• 운송: 차체 패널(알루미늄) 및 스테인리스 브래킷 또는 볼트.

• 건축 파사드: 알루미늄 커튼월 구성 요소를 스테인리스 요소 프레임에 결합합니다.

• 전자 인클로저: 스테인리스 커넥터가 있는 알루미늄 하우징.

• 해양 플랫폼 및 재생 에너지 지원.
  바닷물, 결로 또는 제빙 염분으로 젖으면 각각의 경우에 위험이 높아집니다. 따라서 실무 지침에서는 환경, 듀티 사이클 및 갈바닉 전위를 고려해야 합니다.

위험 프로필을 변화시키는 환경적 요인

주요 환경 동인

• 전해질 화학: 염화물이 풍부한 용액(바닷물, 제빙 소금)은 전도도를 높이고 더 높은 부식 전류를 유도합니다.

• 온도: 온도가 높아지면 부식 반응 속도가 빨라지고 상대 전위가 변할 수 있습니다.

• 통기 및 흐름: 산소 농도와 유속은 알루미늄의 보호 산화막 형성 및 분해에 영향을 미치며, 저산소 틈새는 강력한 국소적 공격을 일으킬 수 있습니다.

• pH 및 오염 물질: 산성 또는 알칼리성 조건은 전위를 변화시키고 어떤 합금 상이 안정적인지 변화시킵니다.

• 젖은 시간: 전해질이 있는 상태가 오래 지속될수록 누적 손상이 더 많이 발생합니다.
  디자인을 평가할 때는 휴리스틱에 의존하지 말고 이러한 매개변수를 정량화하세요.

갈바닉 계열과 면적 효과

갈바닉 계열은 주어진 환경(일반적으로 바닷물)에서의 전기화학적 전위에 따라 금속의 순위를 매깁니다. 알루미늄 합금은 일반적인 스테인리스강보다 훨씬 더 활동적이며(덜 귀족적), 이 차이로 인해 갈바닉 전류에 대한 구동 전압이 발생합니다. 면적 비율 효과는 손상을 배가시킵니다. 큰 스테인리스 스틸 음극에 결합된 작은 알루미늄 양극은 작은 스테인리스 영역에 결합된 큰 알루미늄 영역보다 훨씬 더 높은 전류 밀도와 빠른 부식을 겪게 됩니다. 엔지니어는 수명을 예측할 때 전위차와 노출 면적 비율을 모두 평가해야 합니다.

실용적인 장애 모드 및 실제 사례

일반적인 증상:

• 스테인리스 패스너와의 접촉 지점 근처에서 알루미늄을 균일하게 얇게 만듭니다.

• 갇힌 습기가 산화물 층을 분해하는 조인트의 틈새 부식.

• 해양 환경의 고응력 패널에 생긴 구멍과 각질 제거.

• 부식 생성물이 쌓이거나 단면의 손실로 인해 패스너가 느슨해집니다.
  해상 유지보수 기록과 공개된 부식 절차에 대한 사례 연구에 따르면 알루미늄 선체 피팅이 일반적인 해수 튀김 구역에서 스테인리스 피팅에 부적절하게 결합된 경우 수개월 내에 고장이 발생하는 것으로 나타났습니다.

표준, 테스트 방법 및 결과 해석 방법

강력한 부식 관리 프로그램은 공인된 표준을 사용하여 재료와 코팅을 선별하고, 서비스 조건을 시뮬레이션하고, 취약성을 정량화합니다.

주요 표준 및 관행

• ASTM G71 - 통제된 실험실 조건에서 갈바닉 부식 테스트; 결합된 금속 간의 갈바닉 전류 및 전위를 측정하는 프로토콜을 제공합니다.

• ASTM G1, G31, G46 - 시편 준비, 침수 테스트, 피팅 및 틈새 부식 평가를 수행합니다.

• ISO 8057(2024) - 보호 코팅이 있는 어셈블리의 갈바닉 부식 속도를 측정하는 전기 화학적 절차로, 코팅된 알루미늄/스테인리스 조합과 관련이 있습니다.

• 갈바닉 시리즈 개발 - ASTM 및 업계 기관에서는 일반적인 차트에만 의존하지 말고 애플리케이션의 특정 환경 조건에서 갈바닉 계열을 도출할 것을 권장합니다.

해석 규칙:

• 대표적인 전해질(염분 농도, 온도, 유량)에서 테스트를 실행합니다.

• 전위차와 갈바닉 전류 밀도를 모두 보고합니다.

• 어셈블리 가능성을 반영하는 면적 비율 시나리오를 포함하세요.

• 신속 검사보다는 장기 노출 검사를 고려하세요.

갈바닉 공격을 방지하는 설계 원칙

좋은 설계는 전기 접촉을 줄이고 전해질 접근을 줄이며 작은 양극/큰 음극 페어링을 방지합니다.

실용적인 규칙:

1. 가능하면 금속과 같이 보관하세요.

2. 혼합 금속을 사용해야 하는 경우 전해액 노출이 제한되는 곳에 더 귀금속을 배치하거나 양극 면적을 늘려 전류 밀도를 낮추세요.

3. 부하 전달이 허용되는 경우 비전도성 장벽(개스킷, 나일론 와셔, 폴리머 슬리브)을 사용하여 인터페이스를 전기적으로 분리합니다.

4. 습기를 가두는 틈새를 피하고 배수와 통풍이 잘 되도록 하세요.

5. 양극 산화 알루미늄 표면에 내구성 있는 보호막을 제공하는 코팅을 사용하여 패스너 아래 코팅의 연속성을 보장합니다.

6. 대상 환경에서 특정 알루미늄 합금과 야금 및 표면 마감이 호환성이 입증된 패스너를 사용하세요.
   이러한 원칙은 해양 및 건축 분야에서 이종 금속 접촉을 최소화하기 위해 업계에서 발표한 권장 사항과 일치합니다.

완화 기술

이 섹션에는 완화 옵션, 혜택, 제한 사항 및 구현 참고 사항이 나열되어 있습니다.

표면 처리 및 코팅

• 전환 코팅(예: 크롬산염, 비크롬산염 대체제)페인트 접착력을 개선하고 알루미늄을 일부 희생적으로 보호합니다. 크롬산염 제한에 대한 환경 규정을 준수합니다.

• 유기농 프라이머 및 탑코트고성능 에폭시 또는 폴리우레탄 시스템은 습기 침투를 줄여줍니다. 패스너 주변의 코팅 연속성은 매우 중요합니다.

• 아노다이징(알루미늄용)두꺼운 양극 산화막은 장벽 특성을 증가시키지만 밀봉이 필요할 수 있으며, 스테인리스 접촉점 근처에서 기계적으로 마모된 양극 산화 알루미늄은 여전히 부식될 수 있습니다.
  코팅 선택은 ASTM/ISO 침수 및 주기적 부식 테스트를 통해 검증되어야 합니다.

전기 절연

• 나일론 또는 PTFE 와셔, 폴리머 슬리브, 레진 충진 조인트간단하고 저렴한 비용의 격리로 정적 연결 문제를 해결하는 경우가 많습니다.

• 설계 시 주의 사항단열재가 적절히 세밀하지 않으면 습기를 가둘 수 있으므로 배수가 가능한 디자인을 선호합니다.

패스너 선택

• 호환 가능한 패스너/합금 페어링 사용일부 스테인리스 등급(예: 듀플렉스 또는 하이몰리 스테인리스)은 성능이 다를 수 있으며, 대부분의 경우 알루미늄 합금 패스너 또는 코팅된 스테인리스 패스너를 사용하면 위험을 줄일 수 있습니다.

• 희생 아연 또는 알루미늄 와셔/음극 사용 격리가 비현실적인 해양 설비에서 사용할 수 있습니다.

음극 보호 및 희생 양극

• 희생 양극(아연, 알루미늄, 마그네슘)선체 및 해양 구조물에서 대형 어셈블리를 보호하기 위해 일반적으로 사용됩니다. 적절한 크기와 유지 관리가 이루어지면 효과적입니다.

• 임프레션 전류 시스템대형 매립 또는 수몰 구조물에 적합하지만 모니터링 및 유지 관리가 필요합니다.

디자인 위생 및 유지 관리

• 염분 가두기 방지 를 수평면에 표시합니다.

• 검사 예약하기 패스너 필드와 조인트에 중점을 둡니다.

• 터치업 코팅 손상 후 즉시

모든 완화 옵션에 대해 경험 법칙에 의존하기보다는 실험실 또는 현장 시험을 통해 예상되는 수명 기간 동안의 이득을 정량화하세요.

검사, 유지보수, 수리 및 수명 주기 계획

수명 주기 계획에는 다음이 포함되어야 합니다:

• 설치 시 기준 상태 기록.

• 고위험 접합부에 초점을 맞춘 정기 검사를 예약하고 가능하면 부식률을 기록하세요.

• 패스너 및 얇은 패널에 대한 비파괴 평가(초음파 두께, 와전류).

• 수리 프로토콜: 부식 생성물 제거, 기판 무결성 확인, 호환 가능한 수리 재료 선택, 검증된 시스템을 사용한 재코팅.

• 교체 기준: 단면적 손실로 인해 구조 용량이 안전 마진 이하로 감소하는 경우.

조사 결과를 문서화하고 향후 프로젝트를 위한 설계 표준을 업데이트하세요. 과거 데이터에 따르면 스테인리스/알루미늄 접합부 근처의 초기 시각적 징후는 나중에 급격한 성능 저하를 예측하는 경우가 많습니다.

비교 표

표 1 - 해수의 일반적인 갈바닉 전위 범위(선택됨)

표 2 - 완화 방법 매트릭스

표 3 - 패스너 선택 체크리스트

자주 묻는 질문

Q1: 실외에서 스테인리스 스틸과 알루미늄을 함께 사용할 수 있나요?
예. 지정된 절연, 코팅 또는 희생 보호가 적용되고 소형 알루미늄/대형 스테인리스 면적 비율과 갇힌 습기를 피하도록 어셈블리를 설계한 경우 함께 사용할 수 있습니다.

Q2: 알루미늄과 함께 사용하면 가장 안전한 스테인리스 등급은 무엇인가요?
어떤 스테인리스 등급도 안전하다고 보장할 수 없으며, 환경과 합금에 따라 선택이 달라집니다. 핵심은 스테인리스 화학에만 의존하지 않고 전기 접촉과 전해질 접근을 제어하는 것입니다. 시뮬레이션된 서비스 조건에서 실제 커플을 테스트합니다.

Q3: 도금된 스테인리스 패스너로 문제를 해결할 수 있나요?
도금은 내구성 있는 절연 장벽을 제공하는 경우 도움이 될 수 있지만, 얇거나 손상된 도금은 실패하고 부식 부위가 집중될 수 있습니다. 검증된 두꺼운 코팅을 사용하고 주기적인 테스트를 통해 확인합니다.

Q4: 두 금속을 모두 페인팅하면 갈바닉 부식을 막을 수 있나요?
두 금속을 연속적으로 온전하게 코팅하면 위험을 크게 줄일 수 있습니다. 구멍이 나거나 가장자리가 손상되거나 패스너 주변에 코팅이 불완전하면 보호 기능이 저하되고 공격이 집중될 수 있습니다.

Q5: 면적 비율은 얼마나 중요하나요?
매우 중요합니다. 큰 스테인리스 음극에 노출된 작은 알루미늄 양극은 높은 전류 밀도와 빠른 손실을 경험할 수 있습니다. 높은 음극/양극 노출이 불가피한 경우 보수적인 면적 비율과 테스트 설계를 유지하세요.

Q6: 양극산화 처리된 알루미늄은 스테인리스 스틸과 함께 사용해도 안전한가요?
아노다이징은 장벽 저항을 개선합니다. 그러나 스테인리스 접촉점 근처의 기계적 손상이나 마모된 부위는 여전히 갈바닉 작용을 일으킬 수 있습니다. 중요한 접합부에는 밀봉 및 절연을 사용하세요.

Q7: 폴리머 워셔는 장기적인 솔루션인가요?
예측 가능한 하중에 노출되고 풍화가 제한적인 경우에 효과적입니다. 의도한 환경에서 폴리머의 자외선, 크리프 및 내화학성을 확인합니다. 배수를 고려한 디자인.

Q8: 건축용 알루미늄에 희생 양극을 사용해야 하나요?
희생 양극은 일반적으로 노출된 건축 요소보다는 해양/수중 애플리케이션에 사용됩니다. 건물의 경우 일반적으로 코팅과 격리가 선호됩니다.

Q9: 어셈블리를 테스트하려면 어떻게 해야 하나요?
갈바닉 결합 및 침수 테스트에 대한 ASTM 테스트 방법을 따르고, 예상 서비스 조건에 맞는 주기적인 염수 분무 및 습식/건식 사이클을 실행하고, 갈바닉 전류 및 질량 손실을 측정합니다.

Q10: 복잡한 시스템은 누구에게 문의해야 하나요?
부식 엔지니어, 코팅 전문가 및 해양 부식 연구에 경험이 있는 기관(독립 연구소, 선급 협회)은 표준 기반 테스트를 사용하여 설계를 검증해야 합니다.

엔지니어를 위한 구현 체크리스트

• 모든 이종 금속 접점을 매핑하세요.

• 환경 노출(전해질 화학, 습윤 시간, 온도)을 결정합니다.

• 최악의 조립 상태에 대한 음극/양극 면적 비율을 계산합니다.

• 현지 서비스 조건에서 견딜 수 있는 코팅 및 절연 재료를 선택하세요.

• 서비스 전해질 및 열 사이클을 모델링하는 ASTM/ISO 테스트를 실행합니다.

• 예상 부식률을 기반으로 검사 주기를 생성합니다.

• 현장 데이터를 기록한 다음 다음 디자인 반복을 위해 소재 선택을 구체화합니다.

마무리 요약

알루미늄은 일반적으로 전도성 조건에서 스테인리스 스틸과 접촉할 때 희생되는 요소가 됩니다. 이러한 기본적인 사실을 바탕으로 재료 선택, 접합부 디테일링, 유지보수 계획을 수립해야 합니다. 엔지니어는 기성 차트에만 의존해서는 안 되며, 실제 노출을 재현하는 테스트 조건을 선택하고, 절연 또는 코팅을 설계하고, 환경에 적합한 검사 프로그램을 예약해야 합니다. 이러한 조치를 올바르게 구현하면 본질적으로 위험한 페어링을 안정적이고 수명이 긴 어셈블리로 전환할 수 있습니다.

권위 있는 참조 자료

• 수중 스테인리스강: 갈바닉 부식과 그 예방 - 니켈 연구소(기술 문서)
• ASTM 부식 테스트 및 표준 - ASTM International
• 온도의 함수로서 바닷물의 갈바닉 계열 - NACE/AMPP 논문집
• ISO 8057(2024) - 갈바닉 부식률 결정(범위 및 절차) - ISO