재료 과학 및 공학 영역에서 부식, 산화 및 녹 용어는 종종 상호 교환 적으로 사용됩니다. 그러나 이러한 프로세스는 관련이 있지만 뚜렷한 특성과 영향을 미칩니다. 이러한 현상이 재료와 구조물의 수명과 안전에 크게 영향을 줄 수 있기 때문에 건축에서 항공 우주에 이르는 산업의 차이를 이해하는 것은 건축에서 항공 우주에 이르기까지 중요합니다.
부식이란 무엇입니까?
부식은 화학적 또는 전기 화학 반응으로 인한 재료, 일반적으로 금속의 점진적인 분해입니다. 재료를 약화시키고 구조적 무결성에 영향을 미칩니다. 체크되지 않은 상태로두면 부식이 실패로 이어질 수 있습니다.
재료 특성의 저하
부식이 발생하면 재료의 물리적 특성을 변경합니다. 여기에는 강도, 외관 및 전도도가 포함됩니다. 금속과 환경 사이의 전기 화학 반응은 이러한 분해를 유발합니다.
부식의 유형
모든 시나리오에서 부식이 동일하지는 않습니다. 다른 환경과 재료는 다른 형태의 부식으로 이어집니다. 다음은 몇 가지 일반적인 유형입니다
.
ecell = 세포 전위, e0 = 표준 전극 전위, r = 가스 상수, t = 온도, n = 전자의 수, f는 패러데이 상수입니다.
부식 속도 ion [CL-] E (-∆G/RT)
이 방정식에서, ΔG는 깁스 자유 에너지의 변화, r은 가스 상수, t는 온도입니다.
구덩이 : 이것은 국소화 된 형태의 부식으로, 금속 표면에 작은 구멍이나 구덩이를 초래합니다. 감지하기가 어려울 수 있으며 빠른 실패로 이어질 수 있습니다.
변형 내 부식 :이 유형의 부식은 금속의 입자 경계를 따라 발생하며, 종종 불순물의 강수 또는 다른 상의 형성으로 인해 발생합니다.
침식 부식 : 부식성 유체가 고속으로 금속 표면 위로 이동하여 기계식 마모와 화학적 분해를 유발할 때 발생합니다.
응력 부식 균열 : 금속이 인장 응력과 부식성 환경 모두에 노출되어 균열의 형성 및 전파로 이어질 때 발생합니다.
선택적 침출 :이 유형의 부식은 합금에서 하나의 요소를 선택적으로 제거하는 것을 포함하여 약화 된 다공성 구조를 남깁니다.
부식의 영향을받는 재료
부식은 금속에만 영향을 미치지 않습니다. 다른 재료도 저하 될 수 있습니다.
금속 : 철, 알루미늄, 구리 및 합금은 부식의 영향을 가장합니다.
세라믹 : 덜 일반적이지만 세라믹은 환경과의 화학 반응을 통해 저하 될 수 있습니다.
중합체 : 부식 대신 폴리머가 분해됩니다. 이 약화는 균열, 뒤틀림 또는 변색으로 이어질 수 있습니다.
산화 란 무엇입니까?
산화는 물질이 전자를 잃고 일반적으로 산소와 반응하는 화학 공정입니다. 그것은 일상적인 화학의 일부이며, 종종 색이나 질감과 같은 가시적 인 변화를 초래합니다.
전자 손실과 관련된 화학 공정
산화에서 물질은 전자를 다른 전자에 포기합니다. 산소는 일반적으로 그들을 받아들이는 물질입니다. 이 반응은 유기 및 무기 물질 모두에서 발생하여 특성을 변화시킬 수 있습니다. 일반적인 산화 반응은
다음과 같이 표현 될 수 있습니다.
여기서 'm '는 전자를 잃는 재료 (종종 금속)를 나타내며, 양으로 하전 된 이온 (m ⁺)이됩니다.
일상 생활에서 산화의 예
산화는 매일 사용하는 재료에 영향을 미칩니다. 다음은 몇 가지 일반적인 예입니다.
이 적갈색 층은 금속을 약화시킵니다.
유기 물질의 산화
산화는 살아있는 유기체에서도 발생합니다. 그러나 금속과 달리 그 효과는 유익 할 수 있습니다.
Rust는 무엇입니까?
녹은 철과 강철과 같은 합금에 영향을 미치는 특정 유형의 부식입니다. 그것은 적갈색의 색상과 벗겨진 질감으로 특징 지어집니다.
이러한 형태의 부식은 철이 수분과 산소에 노출 될 때 발생합니다. 녹 형성 과정에는 몇 가지 단계가 포함됩니다.
산화 반응 : 철은 전자를 잃고 물이 존재하는 경우 산소와 반응하여 철 (II) 이온을 형성합니다.
Fe → fe ;2; ⁺ + 2e⁻
수산화철의 형성 : Fe⊃2; ⁺ 이온은 물 및 산소와 반응하여 철 (II) 수산화물을 형성합니다.
fe⊃2; ⁺ + 2h₂o + o₂ → fe (OH) ₂
수산화철의 산화 : 철 (II) 수산화철은 추가 산화되어 철 (III) 수산화물을 형성합니다.
4fe (OH)) + o₂ + 2H₂O → 4FE (OH) ₃
녹의 형성 : 철 (III) 수산화물 탈수 물은 철 (III) 산화물-하이드 록 사이드를 형성하며, 일반적으로 녹으로 알려져있다. 이 녹은 산화철과 수산화물의 복잡한 혼합물입니다.
4fe (OH) → Fe₂O₃ · 3H₂O
몇 가지 조건은 녹 형성을 촉진 할 수 있습니다.
수분의 존재 : 물은 전해질로서 작용하여 녹슬에 필요한 산화 감소 반응을 가능하게한다. 높은 습도 또는 비에 직접 노출되면 과정이 가속화 될 수 있습니다.
산소 및 전해질에 대한 노출 : 산소는 녹 형성에 필수적입니다. 폭기가 좋거나 산소 농도가 높은 지역은 녹슬기 쉽습니다. 염과 산은 또한 금속의 전기 화학 활동을 증가시켜 녹슬 공정의 속도를 높일 수 있습니다.
환경 적 요인 : 온도는 녹 형성에 중요한 역할을합니다. 온도가 높을수록 화학 반응 속도가 높아져 녹슬 으면 더 빨라질 수 있습니다. 먼지 나 기름과 같은 표면 오염 물질은 금속 표면에 수분을 포획하여 녹에 취약한 국소화 된 지역을 만듭니다.
부식, 산화 및 녹
| 측면 | 부식 | 산화 | 녹의 차이 |
| 정의 | 환경과의 화학적 또는 전기 화학 반응으로 인한 물질의 저하 | 물질이 전자를 잃고 종종 산소를 포함하는 화학 공정 | 철 및 철 합금에 영향을 미치는 특정 형태의 부식 |
| 범위 | 다양한 형태의 재료 저하를 포함하는 가장 광범위한 용어 | 특정 유형의 화학 반응 | 철 산화의 특정 생성물 |
| 영향을받는 자료 | 금속, 세라믹 및 폴리머를 포함한 다양한 재료 | 유기 및 무기 물질 | 특히 철과 합금 |
| 환경 적 요인 | 전해질이 필요합니다 | 산소 또는 다른 산화제가 필요합니다 | 산소와 수분이 모두 필요합니다 |
| 제품 | 다양한 화합물을 초래할 수 있습니다 | 산화물을 생성합니다 | 산화철 및 수산화물을 형성합니다 |
| 화학 공정 | 종종 재료와 환경 사이의 전자 전달이 포함됩니다 | 전자 손실, 종종 산소에 | 철은 산소와 물과 반응합니다 |
| 모습 | 다양한 형태 (예 : 피팅, 스케일링) | 재료에 따라 눈에 보이지 않거나 보이지 않을 수 있습니다 | 독특한 적갈색 |
| 영향 | 일반적으로 재료 특성에 해를 끼칩니다 | 유익하거나 (예 : 보호 층) 또는 유해 할 수 있습니다 | 철기 기반 재료에 항상 유해합니다 |
| 경제적 영향 | 다양한 산업에서 중요합니다 | 컨텍스트에 따라 다릅니다 | 철분을 사용하는 산업에서 상당합니다 |
부식, 산화 및 녹의 영향
부식, 산화 및 녹이 재료의 분해를 넘어 확장되는 광범위한 결과를 초래합니다. 그들은 중대한 경제적 손실을 초래하고 안전 위험을 초래하며 심지어 환경에 해를 끼칠 수 있습니다.
경제적 결과
부식, 산화 및 녹과 관련된 비용은 엄청납니다. NACE International의 연구에 따르면, 전 세계 부식 비용은 매년 2.5 조 달러로 추정되며, 이는 세계 GDP의 3.4%에 해당합니다.
이러한 비용은 다음과 같습니다.
부식 된 재료 및 구조물 교체 또는 수리의 직접 비용
생산 손실, 환경 피해 및 소송과 같은 간접 비용
부식 방지 및 통제 조치에 대한 유지 보수 비용
부식에 가장 큰 영향을받는 산업에는 다음이 포함됩니다.
석유 및 가스
교통 (자동차, 항공 우주, 철도 및 해양)
인프라 (교량, 파이프 라인 및 건물)
제조 및 가공 공장
안전 문제
부식, 산화 및 녹이 건물, 차량 및 인프라의 구조적 무결성을 손상시킬 수 있습니다. 이러한 악화는 치명적인 실패로 이어지고 생명을 위험에 빠뜨릴 수 있습니다.
부식으로 인한 안전 위험의 일부 예는 다음과 같습니다.
강철 강화 약화로 인한 다리 또는 건물의 붕괴
파이프 라인 실패, 기름 유출 또는 가스 누출로 이어지는
항공기 또는 차량의 중요한 구성 요소의 오작동
부식 된 파이프에서 식수 오염
환경 적 의미
부식, 산화 및 녹도 심각한 환경 적 결과를 초래할 수 있습니다. 부식 된 구조가 실패하면 유해 물질을 환경으로 방출 할 수 있습니다.
예를 들어:
부식 된 저장 탱크는 화학 물질 또는 석유 제품, 오염 토양 및 지하수를 누출 할 수 있습니다.
녹슬 낸 금속 폐기물은 중금속을 생태계로 침출 할 수 있습니다.
인프라의 저하는 비 효율성으로 이어질 수 있으며 온실 가스 배출량 증가
예방 및 완화 전략
부식, 산화 및 녹을 예방하고 완화하려면 다각적 인 접근 방식이 필요합니다. 여기에는 신중한 재료 선택, 설계 고려 사항, 보호 처리, 환경 관리 및 정기적 인 모니터링이 포함됩니다.
재료 선택 및 디자인
부식을 방지하는 가장 효과적인 방법 중 하나는 본질적으로 저항력이있는 재료를 사용하는 것입니다. 부식 방지 합금의 일부 예는 다음과 같습니다.
이 물질은 표면에 보호 산화 층을 형성하여 추가 부식을 방지합니다.
디자인은 또한 부식을 최소화하는 데 중요한 역할을합니다. 엔지니어는 :
부식성 물질이 축적 될 수있는 날카로운 모서리와 틈새를 피하십시오
물을 방지하기 위해 적절한 배수를 보장하십시오
가능한 경우 볼트 또는 리벳이 연결된 연결 대신 용접 조인트를 사용하십시오.
보호 코팅 및 처리
재료 표면에 보호 코팅 및 처리를 적용하면 부식을 방지 할 수 있습니다. 몇 가지 일반적인 방법은 다음과 같습니다.
페인트와 오일 : 이들은 금속과 환경 사이의 장벽을 만들어 부식제에 대한 노출을 방지합니다.
아연 도금 : 여기에는 철 또는 강철을 아연 층으로 코팅하는 것이 포함되며, 이는 기본 금속을 보호하기 위해 희생적으로 부식됩니다.
전기 도금 : 크롬 또는 니켈과 같은 더 부식성 금속의 얇은 층을 다른 금속의 표면에 증착합니다.
양극화 :이 과정은 알루미늄과 같은 금속 표면에 두껍고 보호적인 산화물 층을 만듭니다.
패시베이션 : 보호 산화물 층의 형성을 향상시키기 위해 화학 용액으로 금속 표면을 처리하는 것이 포함됩니다.
환경 통제
환경 제어는 부식제에 대한 노출을 최소화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 일부 전략에는 다음이 포함됩니다.
공기 중 수분을 줄이기 위해 낮은 습도 수준 유지
부식을 가속화 할 수있는 극심한 변동을 피하기 위해 온도 조절
환경을 제어하기 위해 제습기, 에어컨 또는 히터를 사용
부식성 물질에서 멀리 떨어진 건조하고 환기가 많은 지역에 재료를 저장
부식 모니터링 및 검사
정기적 인 모니터링 및 검사를 통해 부식을 조기에 감지하여 적시에 개입 할 수 있습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.
변색, 구덩이 또는 벗겨짐과 같은 부식의 징후에 대한 표면을 시각적으로 검사
재료를 손상시키지 않고 부식 정도를 평가하기 위해 초음파 두께 측정 또는 방사선 촬영과 같은 비파괴 테스트 방법 사용
시간이 지남에 따라 부식의 진행을 추적하기 위해 검사 결과에 대한 자세한 기록을 유지
부식 방지 및 기술의 발전
부식과의 싸움이 계속됨에 따라 연구원과 엔지니어들은 그 효과를 방지하고 완화하기위한 혁신적인 솔루션을 개발하고 있습니다. 이러한 발전은 고성능 코팅에서부터 실시간 모니터링 시스템 및 새로운 재료에 이르기까지 다양합니다.
고성능 코팅의 개발
상당한 진전의 한 영역은 고급 보호 코팅의 개발입니다. 이 코팅은 부식, 마모 및 화학 공격에 대한 우수한 저항성을 제공합니다. 주목할만한 예는 다음과 같습니다.
에폭시 및 폴리 우레탄 코팅 : 이들은 우수한 접착력, 내구성 및 수분 및 화학 물질에 대한 내성을 제공합니다. 그들은 산업 및 해양 응용 분야에서 널리 사용됩니다.
플루오 폴리머 코팅 : 탁월한 화학 저항성 및 낮은 마찰 특성으로 알려진 PTFE (Teflon)와 같은 플루오 폴리머 코팅은 가혹한 환경에 이상적입니다.
바이오에서 영감을 얻은자가 치유 코팅 :이 혁신적인 코팅은 살아있는 유기체의자가 치유 특성을 모방합니다. 여기에는 코팅이 손상 될 때 방출되는 치유제로 채워진 미세한 캡슐이 포함되어있어 스스로 수리 할 수 있습니다.
음극 보호 및 부식 억제제 기술
음극 보호는 금속 구조의 부식을 방지하기위한 잘 확립 된 방법입니다. 여기에는 금속에 작은 전류를 적용하여 전기 화학 셀의 음극이됩니다. 이것은 금속이 부식을 방지합니다.
부식 억제제는 부식성 환경에 첨가 될 때 부식 속도를 감소시키는 물질입니다. 그들은 금속 표면에 보호 필름을 형성하거나 환경의 화학을 수정하여 작동합니다.
이러한 기술의 최근 발전에는 다음이 포함됩니다.
태양 광 발전 또는 기타 재생 가능 에너지 원을 사용하는 현재의 음극 보호 시스템
식물 추출물 및 기타 친환경 공급원에서 파생 된 유기 부식 억제제
부식 억제제를 포함하고 필요할 때 방출하는 스마트 코팅
실시간 부식 모니터링 및 조기 경고 시스템
부식을 조기에 감지하는 것은 치명적인 실패를 방지하는 데 중요합니다. 실시간 모니터링 시스템은 센서를 사용하여 부식과 관련된 다양한 매개 변수를 지속적으로 측정합니다.
전기 화학적 잠재력
부식 전류
환경 적 요인 (온도, 습도, pH)
이러한 시스템은 부식 속도가 허용 가능한 수준을 초과 할 때 운영자에게 경고 할 수있어 적시에 개입 할 수 있습니다. 일부 고급 시스템은 기계 학습 알고리즘을 사용하여 과거 데이터를 기반으로 부식 속도를 예측합니다.
해양 환경에서의 부식 방지를위한 새로운 재료 및 기술
해양 환경은 부식 예방과 관련하여 특히 어려운 일입니다. 바닷물, 생물학적 오염 및 기계적 스트레스의 조합은 가장 강력한 재료조차도 빠르게 저하 될 수 있습니다.
연구원들은 다음과 같은 이러한 과제를 해결하기위한 새로운 재료와 기술을 개발하고 있습니다.
높은 수준의 크롬, 니켈 및 몰리브덴을 함유하는 부식 방지 합금
금속의 강도를 폴리머의 부식성과 결합하는 복합 재료
초 정화 표면을 생성하는 나노 구조화 된 코팅, 물 및 기타 부식성 물질이 금속에 부착되는 것을 방지합니다.
감동적인 현재 음극 보호 및 희생 양극과 같은 전기 화학적 부식 제어 방법
결론
부식, 산화 및 녹은 재료와 구조에 크게 영향을 줄 수있는 뚜렷한 공정입니다. 산화는 넓은 화학 반응이지만 부식은 특히 재료를 분해하며 녹이 철과 합금에만 영향을 미칩니다.
이러한 차이를 이해하는 것은 다양한 자산의 안전과 수명을 유지하는 데 중요합니다. 부식 과학에 대한 지속적인 연구는 이러한 지속적인 도전에 맞서기위한 새로운 예방 전략과 기술을 개발하는 것을 목표로합니다.
