[재료공학실험]갈바닉 부식(Galvanic Corrosion)

실험 이론 및 원리

1. 실험 요약

갈바닉 부식 실험은 NaCl용액에 철 시편만 넣은것과 철과 아연을 연결하여 넣은 것 그리고 철과 구리시편을 연결하여 3개의 경우의 부식 정도를 보는 실험으로서 우리 일상생활에서 많이 볼 수 있는 금속으로 된 구조물이나 파이프 선박 등에 활용하여 부식을 방지하는데 많이 활용 될 것 이다.

 

2. 실험 소개

부식은 금속을 구조물이나 파이프 등으로 사용할 때 제품의 수명에 미치는 중요한 요인을 작용한다. 이러한 부식에는 여러 종류가 있는데 그중 이종 금속간의 전기적 접촉으로 인해 전자의 이동이 발생, 음극으로 작용하는 금속에서는 부식이 감소하는 현상이 나타나고, 양극으로 작용하는 금속에서는 부식이 촉진되는 현상이 일어난다. 갈바닉 부식의 기본원리를 이해하고 부식에 영향을 미치는 인자들의 영향을 알아보기 위해 본 실험에서는 철의 부식에 대한 부식속도를 계산하여 실험조건에 따른 부식속도의 변화를 살펴보고자 한다.

 

3. 전극전위

1개의 전극이 전해질용액에 담겨졌을 때 전극과 용액은 각각 일정한 전위가 있으며 전극상과 용액상의 2상간에는 전위차가 존재하는데, 이 용액 상에 대한 전극상의 전위. 2개의 산전위를 독립적으로 구하여 전극전위를 계산한다는 것은 불가능하지만, 기준전극과 조합하여 전지를 구성시키면 전지의 기전력에서 목적하는 전극전위를 측정할 수 있다.

4. 갈바닉 부식(galvanic corrosion)

1) 특징 : 두 이종금속(dissimilar metal)이 용액 속에 담구어 지게 되면 전위차가 존재하게 되고 따라서 이두 금속 사이에 전자의 이동이 일어난다. 그리하여 전위를 가진 금속의 부식속도는 감소되고 활성전위를 가진 금속의 부식속도는 촉진된다. 즉 전자는 음극이 되고 후자는 양극이 된다. 이러한 형태의 부식을 갈바닉 부식 또는 이종금속접촉부식이라 한다.

 

2) 면적의 영향

갈바닉 부식에 영향을 미치는 하나의 중요한 인자는 양극과 음극의 면적비이다. 갈바닉 부식에 있어서 가장 위험한 조건은 소양극-대음극이다. 양극 면적에서의 전류밀도가 높을수록 부식속도는 커지게 된다. 반대로 소음극-대양극은 갈바닉 부식을 줄일 수 있는 좋은 조건이 된다. 예를 들어, 구리판에 박힌 철못과 철판에 박힌 구리못을 생각해보면, 구리판에 철못은 소양극-대음극이고 철판에 구리못는 소음극-대양극이다. 따라서 구리못 보다 철못이 갈바닉 부식이 훨씬 심하게 되고 철못은 큰 손상을 입게 된다.

 

3) 갈바닉 부식의 이용

① 음극방식(cathodic protection) : 음극방식은 갈바닉 부식의 원리를 이용한 것으로, 부식되고 있는 금속을 갈바닉 전지에서 음극이 되게 함으로써 부식을 방지하는 것이다. 갈바나이징한 강은 음극방식의 대표적인 예이다. 강에 피복된 아연이 선택적으로 부식됨으로써 강을 보호하게 된다. 즉 아연이 희생양극(sacrificial anode)으로서 작용하게 된다. 

반대로, 주석의 경우에는 아연보다 내식성이 크지만 강에 피복시킬 경우 바람직하지 못한 결과를 초래한다. 피복된 주석이 약간 부식되거나 손상되어 강이 노출될 경우 소양극-대음극의 위험한 현상이 초래되어 강의 부식이 크게 촉진되기 때문이다. 땅 밑에 묻혀있는 강 파이프를 보호하기 위해서 Mg가 희생양극으로 사용되기도 한다.

 

  

5. 금속의 반응성

 

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

1) Multimeter, Ag/AgCl 기준 전극, 염다리, emery paper, 집게전선, drill

2) 아연 구리판, 전선, bolt & nuts , plastic 비커, NaCl (1%,3%)

실험 방법

1. 실험 과정

1)탄소강 시편 6개를 50mm*63mm 정도의 크기로 절단하여 윗부분에 드릴구멍을 낸후 부식될면 적이 50mm*50mm가 되도록 나머지 부분을 절연 tape로 masking한다.

2)수세 → 세척(아세톤 or 알코올) → 건조 후 무게와 표면적 측정

3) NaCl 농도를 다르게 하여 2종류의 부식용액(1%,3% NaCl)을 제조

4)시편중 2개는 구리와 전기가 통할 수있도록 연결하고 2개는 아연시편과 나머지 2개는 철만으로 매달아 준비한 부식용액에 나누어 담근다.

5) Ag/AgCl 전극을 기준으로 부식용액에 담근지 1시간 경과후 Multimeter를 이용하여 6개의 철 시편의 전극전위를 측정하고, 일주일 후 또다시 전극전위를 측정, 기록 하여 그 차이를 기록한다.

6) 또한 시험편을 일주일 정도 담근 후 부식된 시편의 중량감소를 측정하고 부식속도를 나타낸다.

 

실험 결과

1. 무게 측정

1) 수용액에 담그기 전Fe 시편의 무게

	1% NaCl				3% NaCl
	1회	2회	3회	평균	1회	2회	3회	평균
Fe	10.0233	10.0233	10.0221	10.02	9.8018	9.8002	9.8005	9.80
Fe-Cu	9.8474	9.8467	9.8469	9.85	9.8540	9.8551	9.8556	9.85
Fe-Zn	9.9633	9.9637	9.9637	9.96	9.8140	9.8131	9.8132	9.81

 

2) 일주일 후 Fe 시편의 무게

	1% NaCl				3% NaCl
	1회	2회	3회	평균	1회	2회	3회	평균
Fe	9.9836	9.9815	9.9803	9.98	9.7629	9.7594	9.7571	9.76
Fe-Cu	9.7241	9.7225	9.7205	9.72	9.8281	9.8189	9.8165	9.82
Fe-Zn	9.9604	9.9575	9.9867	9.97	9.8213	9.8190	9.8164	9.82

 

2. 전위 측정

1) 담근 후 1시간 (mV)

	1% NaCl				3% NaCl
	1회	2회	3회	평균	1회	2회	3회	평균
Fe	0.582	0.567	0.570	0.57	0.567	0.587	0.568	0.57
Fe-Cu	0.424	0.428	0.427	0.43	0.479	0.470	0.462	0.47
Fe-Zn	0.485	0.472	0.466	0.47	0.593	0.594	0.503	0.56

2) 일주일 후 (mV)

	1% NaCl				3% NaCl
	1회	2회	3회	평균	1회	2회	3회	평균
Fe	0.652	0.645	0.653	0.65	0.653	0.643	0.648	0.65
Fe-Cu	0.619	0.618	0.644	0.63	0.599	0.613	0.614	0.61
Fe-Zn	0.540	0.541	0.532	0.54	0.551	0.555	0.559	0.56

 

3. 철의 수명을 길게 하려면 구리, 아연 중 어느 것과 연결하는 것이 좋겠는가?

철의 아연을 연결하면 철의 부식을 방지하여 수명을 길게 할 수 있다. 금속의 반응성에서 보면 아연이 철보다 반응성이 높아 아연이 철보다 산화 되기가 쉽다. 결론적으로 철 대신에 아연이 반응성이 커 아연이 철을 보호하는 역할인 것이다. 그래서 선박의 하단 부분에 아연 금속을 부착하는 것도 이와 같은 원리 인 것이다.