Electrochemical Corrosion Damage Characteristics of Aluminum Alloy Materials for Marine Environment

(1)

한국표면공학회지 J. Korean Inst. Surf. Eng.

Vol. 51, No. 6, 2018.

https://doi.org/10.5695/JKISE.2018.51.6.421

<연구논문>

ISSN 1225-8024(Print) ISSN 2288-8403(Online)

해양환경용 알루미늄 합금 재료의 전기화학적 부식 손상 특성

김성진^a, 황은혜^a, 박일초^b, 김성종^b,*

a순천대학교 신소재공학과

b목포해양대학교 기관시스템공학부

(Received 17 October, 2018 ; revised 20 December, 2018 ; accepted 21 December, 2018)

Electrochemical Corrosion Damage Characteristics of Aluminum Alloy Materials for Marine Environment

Sung Jin Kim^a, Eun Hye Hwang^a, Il-Cho Park^b and Seong-Jong Kim^b,*

a

Department of Materials Science and Engineering, Sunchon National University, Suncheon 57922, Republic of Korea

b

Division of Marine Engineering, Mokpo National Maritime University, Mokpo, 58628, Republic of Korea

Abstract

In this study, various electrochemical experiments were carried out to compare the corrosion characteristics of AA5052-O, AA5083-H321 and AA6061-T6 in seawater. The electrochemical impedance and potentiostatic polar- ization measurements showed that the corrosion resistance is decreased in the order of AA5052-O, AA5083-H321 and AA6061-T6, with AA5052-O being the highest resistant. This is closely associated with the property of passive film formed on three tested Al alloys. Based on the slope of Mott-Schottky plots of an n-type semiconductor, the density of oxygen vacancies in the passive film formed on the alloys was determined. This revealed that the defect density is increased in the order of AA5052-O, AA5083-H321 and AA6061-T6. Considering these facts, it is implied that the addition of Mg, Si, and Cu to the Al alloys can degrade the passivity, which is characterized by a passive film structure containing more defect sites, contributing to the decrease in corrosion resistance in seawater.

Keywords : Electrochemical experiment, Al alloy, Corrosion, Seawater

1. 서 론

AA5052-O와 AA5083-H321(Al-Mg계 합금) 그리 고 AA6061-T6(Al-Mg-Si계 합금)는 적당한 강도를 유지하면서 동시에 내식성과 성형 가공성이 우수하 여 알루미늄 선박의 선체 재료로서 주로 활용되고 있다. 이 알루미늄 합금들의 강화기구는 알루미늄 기지조직 상에 형성된 금속간 화합물(intermetallic precipitate)에 기인한 것으로 Al-Mg계 합금은 고용

강화 그리고 Al-Mg-Si계 합금은 석출경화가 크게 영향을 미친 것으로 알려져 있다 [1]. 한편 이 금속 간 화합물은 그 전기화학적인 특성 때문에 알루미 늄 합금의 국부부식에 대한 예민성을 증가시키는 요인이기도 하다 [2-5]. 만약 금속간 화합물이 알루 미늄 기지조직에 비해 상대적으로 귀한(noble) 전위 를 형성할 경우 음극으로 작용하게 된다. 따라서 알 루미늄 기지조직과 금속간 화합물 사이에 갈바닉 부식 셀(galvanic corrosion cell)이 형성되어 금속간 화합물 주변의 알루미늄 기지조직에서 양극용해가 발생된다. 반대로 금속간 화합물이 알루미늄 기지 조직에 비해 상대적으로 비한(negative) 전위를 형 성할 경우에는 금속간 화합물이 양극으로 작용하기 때문에 금속간 화합물의 부분 용해가 발생한다. 게

*

Corresponding Author: Seong-Jong Kim

Division of Marine Engineering, Mokpo National Maritime University

Tel: +82-61-240-7226 ; Fax: +82-61-240-7201

E-mail: [email protected]

(2)

다가 해양환경에서 알루미늄 합금에 대한 국부부식 은 천연해수 속에 포함된 Cl^- 이온에 의해 더욱 예 민해진다. Cl^- 이온은 알루미늄 합금 표면에 형성된 산화피막의 결함영역(imperfection site)에 흡착, 관 통, 축적되어 해당 영역이 국부부식의 초기단계인 공식의 핵(nucleation of pitting)으로 성장하도록 촉 진시키기 때문이다 [6,7]. 따라서 많은 연구자들이 Cl^- 이온이 포함된 환경에서 알루미늄 합금의 금속 간 화합물이 국부부식에 미치는 영향에 대해 지속 적으로 연구해왔다. Yasakau 등 [2]에 따르면, 0.5 와 0.005M NaCl 용액에 침지된 AA5083은 iron- rich와 magnesium-rich 금속간 화합물이 국부부식에 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다. iron-rich 금 속간 화합물은 음극으로 작용하여 알루미늄 기지조 직과 갈바닉 부식 셀이 형성하기 때문에 iron-rich 금속간 화합물 주변의 알루미늄 기지조직에서 국부 적인 양극용해가 발생된다. 반면 magnesium-rich 금 속간 화합물(Mg2Si 또는 Al3Mg₂(β-phase) 등)은 활 성 Mg에 의해 양극으로 작용하여 빠른 국부 용해 가 발생하였다. 그러나 금속간 화합물의 용해반응 이 진행되는 동안 수산화 부식생성물(Mg(OH)2)과 Si 금속간 화합물(SiO2·nH₂O)이 손상부에 축적되어 깊은 공식손상 전파를 방지하는 장벽역할을 하는 것으로 보고하였다. 이와 같은 이유로 Aballe 등 [2]

과 Bethencourt 등 [8]의 연구결과가 3.5% NaCl 용 액 내 AA5083의 금속간 화합물 Al(Mn,Fe), Al(Mn,Fe,Cr), Al(Si,Mg) 그리고 Al-Mg 중에서 음 극으로 작용하는 Al(Mn,Fe)와 Al(Mn,Fe,Cr)가 국부 부식에 미치는 영향이 가장 크게 나타난 것으로 판 단된다. 그리고 Zaid 등 [9]의 연구결과에서 AA6061 도 역시 NaCl 용액 속에서 금속간 화합물을 기점 으로 국부부식의 발생 및 성장이 확인되었다.

최근까지 알루미늄 합금의 국부부식에 대한 연구 는 대부분 알루미늄 합금 종류에 따른 국부부식 메 커니즘 규명이 중점적으로 이루어져 왔다. 따라서 본 연구에서는 기존 연구와 달리 알루미늄 합금 종 류에 따른 부식손상을 상호 비교하고자 하였다. 이 를 위해 해양환경에서 구조용 재료로 널리 사용되 고 있는 AA5052-O, AA5083-H321 그리고 AA6061- T6에 대하여 다양한 전기화학적 실험방법을 적용 하였으며, 실험 후 부식손상 부위의 표면관찰을 통

해 손상 정도를 비교·분석하였다.

2. 실험방법

2.1 시편 준비

본 실험에서 Al-Mg계열 합금인 AA5052-O와 AA5083-H321, 그리고 Al-Mg-Si계열 합금인 AA6061-T6을 실험재료로 선정하였으며, 이들의 성 분조성은 표 1에 제시하였다. 시편의 크기는 20 mm

× 20 mm × 5 mm(가로 × 세로 × 두께)로 절단 제 작하였다. 전기화학 실험용 시편의 경우, SiC 페이 퍼 #1200까지 연마 후 증류수 속에서 초음파 세척 하고 열풍 건조하였고, 실험 시 시편은 모두 1 cm² 의 면적만 노출시켜 실시하였다.

2.2 미세조직 관찰

세 가지 시편은 SiC 페이퍼 #2400까지 단계적으 로 연마 후 3 µm와 0.25 µm 다이아몬드 버퍼연마 를 단계적으로 실시하였다. 그리고 각 단계 마다 증 류수 속에서 초음파 세척을 실시하였다. 미세조직 관찰을 위한 에칭작업의 경우, AA5052-O와 AA5083-H321은 Keller’s Reagent(95mL DI water + 2.5 mL HNO₃ + 1.5 mL HCl + 1.0 mL HF) 침 적 후 증류수 세척하고 Weck’s Reagent(100 mL DI water + 4 g KMnO₄ + 1 g NaOH) 침적을 통한 2 단계 공정으로, AA6061-T6는 1%HF 용액으로 실 시하였다. 모든 에칭작업 시 모든 단계마다 증류수 세척을 실시하였다. 에칭 후 시편은 광학현미경을 통해 그 미세조직을 조사하였다.

2.3 전기화학적 임피던스 분광법(Electrochemical impedance spectroscopy (EIS))

해수환경 내 침지시간에 따른 각 시편들의 분극 저항(Rp) 값을 비교하기 위해 전기화학적 임피던스 분광법을 활용하였다. 100,000 ~ 0.01 Hz의 주파수 (frequency) 범위에서 OCP(open circuit potential) 대비 ±10 mV의 교류 전위를 인가하였고, 시간에 따른 시편의 Rp 값의 변화를 확인하기 위해 AA5052-O 시편을 대상으로 해수에 노출시킨 직후, 3 시간, 그리고 7 시간 후에 각각 EIS 측정을 수행 하였다. 또한 세 가지 평가시편을 대상으로 동일시

Table 1. Chemical compositions of aluminum alloys (wt%)

Mg Si Fe Mn Cr Cu

AA5052-O 2.31 0.0005 0.284 0.197 0.177 0.0005

AA5083-H321 4.48 0.0005 0.358 0.542 0.0652 0.0133

AA6061-T6 0.8252 0.3104 0.441 0.0069 0.1809 0.2086

(3)

간 (7 시간) 침지 후 Rp 값의 차이를 비교·분석 하 였다. 실험용액으로 사용된 천연해수의 주요 성분 및 그 특성을 표 2에 나타내었다.

2.4 Mott-Schottky 실험

세 가지 평가시편 표면에 형성된 부동태 피막의 전기적 특성 및 결함밀도(defect density)를 비교하 기 위해 Mott-Schottky 실험을 수행하였다. 실험에 앞서 우선, 0.5M H2SO₄ 용액에 시편을 노출시킨 후 2시간 동안 +0.5 VSCE의 산화전위를 일정하게 인가 하여 시편 표면에 부동태 피막을 형성시켰다. 본 실 험조건은 H2SO₄ 용액 내에서 표면에 안정적인 부 동태 피막 형성과 관련한 정전위 실험의 선행연구 를 토대로 설정되었다 [10,11]. 이후, 부동태 피막이 형성된 표면을 대상으로 OCP 대비 +0.883 ~ +1.915 V(부동태 피막 형성 전위)의 전위 구간에 1,000 Hz의 고정된 주파수 하에서 ±10 mV의 교류 전위를 인가하여 0.005 V/s의 속도로 M-S 실험을 진행하였다.

2.5 정전위 분극 실험 (Potentiostatic polarization test) 세 가지 평가시편 표면에 일정한 산화전위를 인 가하여 측정되는 전류밀도 변화를 비교하고자 정전 위 분극 실험을 수행하였다. 해수환경 내에서 OCP 를 기준으로 대략 +0.5 V의 산화전위를 시편 표면 에 1시간 동안 인가하면서 시편 별 전류밀도 변화 를 관찰하였다. 이때 OCP 대비 +0.5 V 인가 조건 의 경우, 정전위 실험 이후 시편 별 표면 부식손상 정도의 차이를 효과적으로 확인할 수 있는 최적 조 건으로 설정되었다. 정전위 실험 후 주사전자현미

경과 3D 현미경 통해 표면손상 정도를 상호 비교·

분석하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 미세조직

그림 1은 세 가지 알루미늄 합금에 대하여 에칭 후 표면의 미세조직을 광학현미경으로 촬영한 것이 다. 세 가지 모두 결정립계(grain boundary)와 함께 표 면 전반에 걸쳐 점(dot)의 형상을 가지는 다수의 금 속간 화합물들이 관찰되었다. 각 알루미늄 합금의 결 정립 크기를 비교해보면 AA5052-O가 AA5083-H321 과 AA6061-T6에 비해 상대적으로 크게 생성되었다.

일반적으로 결정립 크기가 감소하게 되면 내식성은 증가하는 경향을 나타낸다 [12-14]. 이는 고밀도의 결정립계 표면이 더 쉽게 부동태화 될 수 있고, 결 정립 크기의 물리적 미세화 작업과정 중 금속간 화 합물 역시 그 크기가 작아져 상대적으로 음극 영역 이 감소하기 때문이다. 그러나 일부 문헌에 따르면 정반대로 알루미늄 합금의 결정립 크기가 감소함에 따라 내식성이 저하하는 경우도 보고된 바 있다 [15,16]. 이에 대해 Ralston 등 [13]은 알루미늄 합 금에 내재되어 있는 잔류응력과 편석의 영향을 고 려한 작업공정 효과와 알루미늄 합금의 내식성에 대한 결정립 미세화 효과를 연관 지어 논의된 문헌 들이 비교적 적기 때문이라고 지적하였다. 결국 단 순히 미세조직 관찰만을 통해 세 가지 알루미늄 합 금에 대한 내식성을 예측하는 것은 바람직하지 않 기 때문에 추가적인 전기화학적 실험방법으로서 EIS, Mott-Schottky(M-S) 그리고 정전위 분극실험을

Fig. 1. Microstructures of Al alloys; (a) AA5052-O, (b) AA5083-H321, (c) AA6061-T6.

Table 2. Chemical compositions and properties of natural seawater

Main component (mg/L) Property

SO

₄^2-

Cl

^-

Na

⁺

K

⁺

Mg

²⁺

Ca

²⁺

pH Dissolved oxygen

(mg/L)

Electric conductivity (mS/cm)

2,605 17,388 10,414 361 1,215 402 7.9 10.2 49.7

(4)

통해 세 알루미늄 합금에 대하여 종합적으로 내식 성을 비교 평가하였다.

3.2 EIS 평가

그림 2(a)는 AA5052-O 시편을 대상으로 해수환 경 내 침지 직후, 3 시간, 7 시간 후에 측정한 EIS 평가결과로서 Nyquist 도표를 나타낸 것이다. 침지 시간이 증가함에 따라 Rp 값이 상승하는 거동을 확 인할 수 있으나, 이를 7 시간 이후, 보다 장시간 침지 후의 일반적 부식 거동으로 확대하기는 힘들 며 이를 위해서는 추가 연구가 필요할 것이다. 그 림 2(b)는 세 가지 알루미늄 합금 시편을 해수환경 내 동일 침지시간(7시간) 침지 후 측정한 Rp값을 비 교한 것으로, AA5052-O의 Rp 값이 가장 높게 측정 되었으며, AA5083-H321과 AA6061-T6는 유사한 Rp

값을 나타내었다. 이는 동일한 세 시편을 대상으로 수행된 선행연구 결과의 경향(동전위 분극실험 결과 AA5052-O의 부식 전류밀도가 가장 낮은 것으로 확 인됨)과 유사한 것으로 확인된다 [17]. 본 실험결과 를 토대로, 알루미늄 합금을 해수환경 내 침지할 경 우 표면에 Al2O₃또는 Al2O₃·3H₂O 형태의 부동태 피 막이 형성되어 일정시간 동안 표면의 Rp 값이 증가 하고[18], 양극용해 반응(4Al → 4Al³⁺ + 12e^-)은 억 제되는 것으로 이해할 수 있다. 일반적으로 알루미 늄이 산화되어 표면에 치밀한 형태의 Al2O₃ 또는 Al₂O₃·3H₂O 피막이 형성되는 반응구조에 대해 많은 연구가 이루어져 왔다[19,20]. 우선 해수에 노출된 알 루미늄 표면의 Al2O₃ 형성은 아래의 식 (1)로 나타 낼 수 있다 [21].

2Al + 3H₂O → Al2O₃ + 6H⁺ + 6e^- (1)

그리고 Al2O₃·3H₂O의 형성과 관련하여 아래의 식 들을 통해 그 형성과정을 이해할 수 있다 [22,23].

Step 1: 4Al → 4Al³⁺ + 12e^- (anodic dissolution

of Al) (2)

Step 2: 3O₂ + 6H₂O + 12e^- → 12OH^- (cathodic reduction of dissolved oxygen) (3) Step 3: 4Al³⁺ + 12OH^- → 4Al(OH)3 (formation

of Al hydroxide) (4)

Step 4: 2Al(OH)₃ → (Al2O₃)·3H₂O (formation of

Al oxide) (5)

그러나 알루미늄 내 합금성분 첨가에 따른 피막 의 특성과 이에 기인한 부식거동 변화에 대해서는 여전히 많은 의문점이 존재하며, 본 연구에서는 우 선 세 가지 알루미늄 합금 표면에 형성되는 부동태 피막의 특성을 이해하고자 Mott-Schottky 실험을 수 행하였고, 다음 장에 그 분석결과에 대한 논의를 진 행하였다.

3.3 Mott-Schottky (M-S) 분석

세 가지 알루미늄 합금 표면에 형성된 부동태 피 막의 특성을 확인하기 위해 0.5M H2SO₄ 용액에서 부동태 피막을 형성시킨 후 M-S 실험을 수행하여 M-S plot의 기울기를 확인한 결과(그림 3), 양의 기 울기를 바탕으로 세 시편 표면에 형성된 피막의 경 우 n-type 반도체의 특성을 가짐을 확인하였다. 일 반적으로 M-S plots의 기울기와 도너 밀도(donor density, ND)의 관계는 아래의 식 (6)으로 표현할 수 있다[24].

Fig. 2. EIS Nyquist plots of (a) AA5052-O with immersion time in seawater, and (b) three tested Al alloys after 7 hrs

immersion in seawater.

(5)

(6) 여기서 ε0는 진공 유전율(vacuum permittivity, 8.854

× 10^-12 F/m), εr은 Al2O₃의 유전상수(dielectric constant, 9), e는 전하(electron charge, 1.6 × 10^-19 C)를 의미한다. 본 연구에서 사용된 알루미늄 합금 들의 도너영역(donor sites)은 산소결핍(oxygen vacancy)영역이며, 이는 피막 내부의 결함(defect)을 의미하기 때문에 ND는 부동태 피막의 결함밀도 (defect density)를 대신할 수 있다 [25,26]. 위 식을 통해 각 시편 표면에 형성된 부동태 피막의 ND를 계산하였고, 이를 표 3에 나타내었다. 즉, 그림 3에 나타낸 Mott-Schottky plots의 기울기 크기와 반비 례 관계에 있는 부동태 피막의 ND 값은 AA6061- T6 > AA5083-H321 > AA5052-O의 순서로 확인되 었다. 부동태 피막의 ND 값 크기와 전기전도성은 비례관계에 있음을 고려할 때 [27], 앞서 EIS 평가 결과, Rp 값이 상대적으로 낮게 측정된 AA5083- H321과 AA6061-T6의 경우, 부동태 피막의 높은 ND

값과 전기전도성에 기인하여 부식과정 중 표면의 부동태 피막이 일부 환원되어 소지금속의 양극용해 반응이 AA5052-O 대비 보다 용이하게 진행되었을 것으로 판단된다. AA5052-O 대비 AA5083-H321 시 편의 경우, 첨가된 Mg 함량이 다소 높은 것으로, 선 행연구에서는 알루미늄 소재에 첨가된 Mg 함량이 3% 이상일 경우, 석출물이 주로 결정립계에 석출 될 가능성이 있으며, 이로 인해 소재의 국부부식 및

SCC(stress corrosion cracking) 저항성이 감소되는 것으로 보고한 바 있다 [28]. 즉, 석출물의 입계편 석에 기인하여 부동태 피막의 안정적 형성이 제한 되며, 부식전위가 감소하는 것으로 이해될 수 있다 [29]. 알루미늄 소재 내 Si과 Cu가 첨가된 AA6061- T6 시편의 경우에도 Mg2Si 등의 석출물 형성이 부 동태 피막의 치밀도 및 안정도와 밀접한 관련이 있 을 것으로 추측된다.

3.4 정전위 분극 실험

그림 4는 해수환경 내에서 수행된 정전위 분극실 험의 결과를 나타낸 것으로, 일정한 산화전위를 인 가하였을 경우, AA6061-T6 > AA5083-H321 >

AA5052-O의 순서로 전류밀도 값이 높게 측정되었 다. 이는 AA5052-O 시편이 AA5083-H321 및 AA6061-T6 시편과 비교하여 시편 표면에 형성되 는 부동태 피막의 표면 장벽(surface barrier) 효과가 커, 상대적으로 높은 Rp 값을 가지는 현상과 같은 맥락으로 이해할 수 있다. EIS 실험결과, AA5083- H321 시편과 AA6061-T6 시편은 서로 유사한 Rp

값을 보였지만 EIS 실험조건 대비 보다 가혹한 조 건(OCP 대비 +0.5 V의 일정한 산화전위 인가조건) 하에서는 AA6061-T6 시편의 내식성이 다소 열위 하였다. 이는 AA6061-T6 시편 표면의 부동태 피막 이 초기에 안정적으로 형성되지 못하여 양극용해 반응의 증가 결과로 판단된다.

그림 4의 정전위 분극실험 자료를 통해, 전류밀 도 값이 짧은 시간 내에 스파이크(spike)의 형태로 증가와 감소를 반복해서 변화하는 거동을 확인할 수 있다. 이는 침지 시간이 증가함에 따라 해수 내 에서 시편 표면에 형성되는 부동태 피막이 Cl^-에 의 한 파괴와 재형성을 반복하며 나타난 결과로 추측 된다. 이때 AA5083-H321과 AA6061-T6 시편의 경 우, 약 1,800초까지 전류밀도의 변화 폭이 크고 불 균일하였으나, 그 이후로는 변화 폭이 감소하여 일 정해지는 경향을 나타냈다. 반면, AA5052-O 시편 은 전류밀도의 변화 폭이 가장 작고, 실험 초기부 터 종료 시까지 그 폭이 일정한 것으로 판단해볼 때, 이 시편은 타 시편 대비 표면에 형성된 부동태 피막의 안정성 및 치밀도가 우수하여 피막이 일부 파괴되더라도 양극 용해 반응이 크게 증가되지 않 는 것으로 이해할 수 있다. 정전위 분극실험 종료 후 각 시편의 표면을 육안으로 관찰하였고, 이를 그 K_{M S}_– 2

ε₀ε_reN_D ---

=

Fig. 3. Mott-Schottky plots of passive films formed on three tested Al alloys in 0.5M H

₂

SO

₄

solution.

Table 3. Donor density of passive film formed on three tested aluminum alloys

AA5052-O AA5083-H321 AA6061-T6

Donor density of passive film (nm

^-3

) 0.280 0.459 0.603

(6)

림 4(b)에 나타내었다. AA5052-O 시편 표면의 경 우, 하얀색의 산화물이 균일하게 형성되어 있는 반 면, AA5083-H321 및 AA6061-T6 시편 표면에 형 성된 산화물의 경우 국부적으로 불균일한 표면형상 을 나타냈다. 이를 보다 명확히 이해하기 위해서는 각 시편 표면의 형상을 세부적으로 관찰하여 이를 부식거동 측면에서 해석해 볼 필요가 있다.

3.5 표면 부식 형상

그림 5는 세 가지 알루미늄 합금에 대하여 해수 환경 내에서 정전위 실험 후 손상된 표면을 주사전 자현미경으로 관찰한 것이다. 그림 5(a)-(c)에서 모 든 알루미늄 합금 표면이 국부부식에 의해 평탄하 지 않은 표면형상이 관찰되었다. 시편 표면에서 상 대적으로 돌출된 부분(그림 5 (a)-1, (b)-1, (c)-1)의 경우 실험 전 시편 준비 시 표면 연마에 의한 스크 래치 흔적이 확인되었다. 이는 세 가지 알루미늄 합 금 모두 정전위 실험 전반 동안 균일부식보다는 국 부부식이 지속적으로 진행되었음을 알 수 있다. 반 면 시편 표면에서 상대적으로 움푹한 부분(그림 5

Fig. 4. (a) Potentiostatic polarization curves of three

tested Al alloys in seawater, and (b) surface view observation after the polarization test.

Fig. 5. Surface morphologies of three Al alloys after the polarization test in seawater.

(7)

(a)-2, (b)-2, (c)-2)의 경우에는 용해반응에 의해 결 정학적 공식(crystallographic pitting)이 형성되었다.

이와 같이 세 가지 알루미늄 합금의 결정학적 형상 의 부식 거동은 알루미늄 합금 내에 존재하는 금속 간 화합물에는 영향을 받지 않으며 [3,4], (100) 결 정면에 평행하고 <100> 결정방향으로 더 활성적인 부식경로를 가지는 결정립 층의 배열과 정렬에 크 게 의존하기 때문에 나타나는 현상이다 [4,30]. 또 한 결정학적 형상을 얻기 위해서는 공식전위 이상 으로 분극이 이루어져야 하며, 동시에 일정량 이상 의 전류밀도가 반드시 필요하다 [3]. 반면 단순히 해수 속에 장시간 알루미늄 합금을 침적할 경우에 는 금속간 화합물의 영향으로 알루미늄 합금 표면 에는 반구형의 공식 손상이 발생할 것이다 [3].

그림 6은 세 가지 알루미늄 합금에 대하여 해수환 경 내에서 정전위 실험 후 손상된 표면을 3D 광학 현미경으로 촬영하여 분석한 것이다. 알루미늄 합금 의 최대 손상깊이 Rmax와 거칠기 Ra는 AA5052-O가 AA5083-H321과 AA6061-T6에 비해 상대적으로 모

두 작게 나타나 표면손상이 가장 작은 것으로 확 인되었다. 이는 표 1에서와 같이 AA5052-O가 AA5083-H321에 비해 활성의 Mg 함량이 절반 가 량으로 적을 뿐만 아니라 음극의 금속간 화합물을 형성하는 Fe와 Mn 함량 역시 상대적으로 작기 때 문인 것으로 여겨진다. 그리고 AA6061-T6은 AA5052-O에 비해 양극의 금속간 화합물(Al2CuMg, Al₃Mg₂, Mg₂Si)을 형성하는 Si와 Cu 함량이 상대 적으로 많고, 음극의 금속간 화합물을 형성하는 Fe 와 Cr 함량 역시 더 크기 때문인 것으로 여겨진다.

4. 결론

본 연구는 선체 구조용 재료 AA5052-O, AA5083- H321 그리고 AA6061-T6에 대하여 해수 환경 하에 서 부식 특성을 상호 비교하기 위해 다양한 전기화 학적 실험을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

EIS 실험을 통해 해수 내 침지시간에 따라 알루미 늄 합금의 Rp 값이 증가함을 확인하였고, 동일침지

Fig. 6. 3D analysis of three Al alloys after the polarization test in seawater.

(8)

시간 (7시간) 후 측정된 세 시편의 Rp 값을 비교한 결과, AA5052-O의 Rp 값이 가장 높게 측정되었으 며, AA5083-H321과 AA6061-T6의 경우 상대적으 로 낮은 수준으로, 서로 유사한 Rp 값을 나타내었 다. 이는 알루미늄 합금 표면에 형성되는 부동태 피 막의 특성에 기인한 결과로 판단되며, Mott-Schottky 실험을 통해 각 세 가지 알루미늄 합금 표면에 형 성된 산화피막의 ND 값을 비교·분석 하였다. ND 값 의 크기는 AA6061-T6 > AA5083-H321 >

AA5052-O의 순서로 확인되어, 합금 별 산화피막의 치밀도와 안정도가 상이하며, 이는 합금 내 첨가된 합금성분에 따른 석출물 형성과 밀접한 관련이 있 을 것으로 사료된다. 정전위 분극실험 결과 측정된 전류밀도 값은 AA6061-T6 > AA5083-H321 >

AA5052-O의 순서로 확인되어 각 합금 표면의 산 화피막의 특성 분석결과와 유사한 관점으로 이해할 수 있다. 그에 따라 정전위 분극실험 후 표면손상 깊이 Rmax와 거칠기 Ra는 AA5052-O가 가장 작게 계측되었다. 한편 손상된 표면 형상은 세 알루미늄 합금 모두 결정학적인(crystallographic) 형상의 부식 거동이 확인되었다.

Acknowledgments

이 논문은 2016년 해양수산부 재원으로 한국해양 과학기술진흥원의 지원을 받아 수행된 연구임(무도 장, 유지보수 프리 친환경 알루미늄 선박 건조).

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