황동 내식성: 주요 인사이트 및 고려 사항

황동의 일반적인 부식 특성

아연을 주원소로 하는 Cu-Zn 합금인 황동은 노란색에서 그 이름을 따왔습니다.

추가된 합금 원소의 종류와 함량에 따라 황동은 단상 황동, 듀플렉스 황동, 특수 황동의 세 가지 주요 유형으로 분류할 수 있습니다.

아연 함량이 36% 미만인 경우 단상 α 고용체를 형성하므로 α 황동으로 알려져 있습니다. 아연 함량이 36%에서 45% 사이인 경우 α+β 듀플렉스 황동이 됩니다.

아연 함량이 45%를 초과하는 황동은 β 상이 너무 많아 취성이 과도해 실용적이지 않습니다. 특수 황동은 Cu-Zn 베이스에 Sn, Mn, Al, Fe, Ni, Si, Pb 등의 원소를 추가하여 제조합니다.

황동은 대기 중에서 천천히 부식되며 순수한 담수(0.0025-0.025mm/년)에서도 부식 속도가 느립니다. 그러나 바닷물에서는 부식 속도가 다소 빠릅니다(0.0075~0.1mm/년).

불소는 황동 부식에 미치는 영향이 미미하고 염화물은 더 큰 영향을 미치며 요오드화물은 심각한 부식을 유발합니다. O2, CO2, H2S, SO2, NH3 등과 같은 가스가 포함된 물에서는 황동의 부식 속도가 급격히 증가합니다.

황동은 미네랄 워터, 특히 Fe2(SO4)3이 포함된 물에서 쉽게 부식됩니다. 황동은 질산과 염산에서 심하게 부식되고 황산에서는 더 천천히 부식되며 NaOH 용액에 내성이 있습니다. 황동은 순수 구리보다 충격 내식성이 우수합니다.

특수 황동은 일반 황동보다 내식성이 우수합니다. 황동에 약 1% Sn을 첨가하면 탈아연화 부식이 크게 감소하고 해수에 대한 저항성이 향상됩니다. 황동에 약 2% Pb를 첨가하면 내마모성이 향상되어 흐르는 바닷물에서의 부식 속도가 크게 감소합니다.

탈아연화를 방지하기 위해 소량의 As, Sb 또는 P(0.02%-0.05%)를 첨가할 수 있습니다. 0.5%-1.0% Mn이 함유된 해군 황동은 강도가 증가하고 내식성이 우수합니다. 65% Cu 및 55% Cu를 함유한 황동에서 Zn의 일부를 12%-18% Ni로 대체하면 색이 은백색으로 변하므로 니켈은 또는 독일은이라고 합니다.

이 합금은 염분, 알칼리 및 비산화성 산에서 우수한 내식성을 나타냅니다. Ni가 Zn을 광범위하게 대체하여 탈아연화를 방지합니다. 이러한 부식 특성 외에도 황동은 탈아연화 및 응력 부식 균열이라는 두 가지 중요한 형태의 부식을 경험합니다.

황동의 응력 부식 균열

황동의 응력 부식 균열에 영향을 미치는 요인으로는 부식성 매체, 응력, 합금 조성 및 미세 구조가 있습니다. 특정 합금은 특정 매체와 특정 응력 조건에서만 부식 균열이 발생합니다.

(1) 부식성 매체

인장 응력을 받는 황동은 대기, 해수, 담수, 고온 및 고압의 물, 증기뿐만 아니라 암모니아(또는 NH4+)가 포함된 모든 환경에서 응력 부식을 경험할 수 있습니다. 예를 들어, 여름 장마철에 황동 탄피가 갈라지는 현상("시즌 크랙"이라고도 함)은 황동에서 응력 부식 균열의 대표적인 예입니다.

또한 황동 응력 부식 균열의 형태는 과립 간 또는 과립 간 균열일 수 있습니다. 필름 형성 용액에서는 주로 입계 균열이 발생하지만, 필름이 형성되지 않는 용액에서는 초입계 균열이 더 흔합니다.

황동 응력 부식 균열의 메커니즘은 일반적으로 필름 형성 용액에서 황동 표면에 취성 산화 구리 막이 형성되는 것으로 알려져 있습니다. 이 막은 응력과 변형에 의해 파손되어 모재 금속으로 균열이 전파된 후 미끄러짐으로 인해 균열이 멈추고 균열 끝이 부식성 용액에 노출됩니다.

입계 침투, 막 형성, 취성 파단 및 균열 전파 과정이 반복되어 궁극적으로 계단식 파단 표면이 생성됩니다. 비막 형성 용액에서는 응력이 황동 표면 전위를 우선적으로 용해시켜 전위 밀도가 가장 높은 경로를 따라 균열이 전파되어 파단을 일으킵니다.

아연 함량이 낮은 황동에서는 전위가 주로 세포 단위로 발생하고 입자 경계는 전위 밀도가 가장 높아 입계 골절로 이어집니다.

고아연 황동에서 전위는 주로 평면적이며, 스태킹 결함은 전위 밀도가 가장 높은 영역으로 입계 골절로 이어집니다.

또한, 스트레스를 받는 전위 부위에 아연 원자가 모이면 해당 부위의 반응성이 증가하여 아연 함량이 높을수록 균열 전파 속도가 증가합니다.

실험 연구에 따르면 대기 조건에서 산업 대기가 황동에 응력 부식 균열을 가장 쉽게 일으키며 파단 수명이 가장 짧고, 그 다음이 농촌 대기이며 해양 대기는 가장 적은 영향을 미칩니다.

이러한 대기 환경의 차이는 SO2 함량의 차이(산업 대기에서 가장 높고, 시골 대기에서는 낮으며, 해양 대기에서는 거의 존재하지 않음)에 기인합니다.

요약하면, 황동에서 응력 부식 균열을 주로 일으키는 물질은 암모니아와 그 유도체 또는 황화물입니다. 암모니아의 영향은 잘 알려져 있지만 황화물의 역할은 명확하지 않습니다. 또한 증기, 산소, SO2, CO2, CN-는 응력 부식을 가속화하는 효과가 있습니다.

(2) 스트레스

인장 응력은 황동에서 응력 부식 균열이 발생하기 위한 필수 조건입니다. 인장 응력이 클수록 응력 부식 균열에 대한 민감도가 높아집니다.

저온 템퍼링을 통해 잔류 인장 응력을 제거하면 황동의 응력 부식 균열을 방지할 수 있습니다.

(3) 합금 구성 및 미세 구조

황동의 아연 함량이 높을수록 응력 부식 균열에 대한 민감도가 높아집니다. 응력 부식이 발생하지 않는 특정 아연 함량은 매체의 특성에 따라 다릅니다.

예를 들어, 아연 함량이 20% 미만인 황동은 일반적으로 자연 환경에서 응력 부식이 발생하지 않지만 저아연 황동은 암모니아 수에서 응력 부식 균열이 발생할 수 있습니다.

응력 부식에 대한 다른 합금 원소의 영향은 다음과 같습니다:

실리콘은 α 황동의 응력 부식 균열을 효과적으로 방지합니다. Si와 Mn은 α+β 및 β 황동의 응력 부식에 대한 저항성을 향상시킵니다. 암모니아 분위기에서 Si, As, Ce, Mg와 같은 원소는 α 황동의 응력 부식 저항성을 향상시킵니다.

대기 조건에서 Si, Ce, Mg 등은 응력 부식 저항성을 향상시킵니다. 산업 환경에서의 노출 테스트에 따르면 Cu-Zn 합금에 Al, Ni, Sn을 첨가하면 응력 부식 균열이 발생하는 경향이 감소합니다.