부동태 (Passivation) 개요

 

물리 화학 및 공학에서 不動態 (Passivation)는 부식을 방지하기 위해 널리 사용되는 금속 마감 공정이다.

스테인리스강에서 부동태 공정은 질산 또는 구연산을 사용하여 표면에서 free iron을 제거하는 것으로, 화학적 처리는 공기와 화학적으로 반응하여 부식을 일으킬 가능성이 적은 보호 산화물 피막, 즉 부동태 피막(Passive layer)을 만드는 것이다.

 

 

부동태 (Passivation) 개요

Passive state (부동태 상태)란 일반적으로 용해 또는 부식되는 용매에 의해 손상받지 않는 물질의 상태를 말한다. 예를 들면, 강질산에 존재하는 철은 손상받지 않는 부동태 상태라 할 수 있다. 이 특별한 경우는 자성 산화물(magnetic oxide)의 코팅으로 인한 것으로 추정되고, 근본적인 부동태 상태라기보다 표면(superficial) 보호라는 관점에서 사용되는 용어로써 어떤 물질의 진정한 부동태 상태의 존재를 규정하기는 어렵다.

스테인리스강의 내식성은 강의 표면에 Cr이 결합된 매우 얇은(30-60Å) 크롬 산화 피막인 Cr2O3 층을 형성하여 금속 기지 내로 침입하는 산소를 차단시키는 부동태 층 또는 피막(Passive layer or film)이 형성되고 녹이 잘 슬지 않는 특성을 갖게 한다.

따라서 스테인리스강은 자연적으로 부식저항성을 가지므로, 언뜻 생각하면 부동태 처리가 필요 없다고 생각할 수 있으나, 이 산화피막 속에는 여러 가지 원인에 기인한 철의 산화물을 함유하고 있어, 습기를 받는 환경에 있으면 부식될 수 있어, 작은 결함이 생기면 부식이 시작되기고 한다. 따라서 스테인리스강 표면의 오염을 제거하고, 또한 추후 오염물질을 생성시킬 수 있는 원인을 제거하는 부동태화 처리를 해야 한다.

특히, 스테인리스강을 열처리하여 가공하거나 용접하였을 경우 표면에 산화 Scale이 생기고, 구조물이나 장치 등을 제작과 취급 또는 제작 후의 처리 시 여러 가지 문제가 일어날 수 있다. 즉, 스테인리스강의 내식성의 특성을 갖출수 있는 근본적인 원인인 Passive layer는 Maker로부터 공급받았을 때의 깨끗한 상태로 그 본래의 내식성을 보이지만 Plate, Pipe에 열을 가하거나 기계작업을 하게 되면 그 표면 상태가 부식 또는 침식 등으로 인해 스테인리스강의 특성까지 잃어 버리게된다. 이러한 경우 스테인리스강 본래의 미관을 잃어버릴 뿐만 아니라 내식성에도 영향이 있어 대형 사고의 원인이 되므로 강자체의 재생이 필수적이다. 재생과정은 스테인리스강 표면에 Passive layer를 갖출 수 있도록 화학적인 처리 작업이 필요한데 이러한 작업을 부동태 처리(Passivation Treatment)라고 한다. 

 

스테인리스강은 공장에서 생산될 때 기본적으로 녹 방지를 위해 얇은 산화피막이 씌어져 있다. 그러나 용접이나 그라인딩을 하게 되면 피막이 벗겨져 녹이 발생할 가능성이 있다. 금속의 부식(廣蝕) 생성물이 표면을 피복함으로써 부식을 억제하는 현상을 부동태화라고 한다. 스테인리스강이 녹이 안 스는 이유가 재질의 성질 때문이기도 하지만 피막의 도움도 크다. passivation은 산을 이용해 방청 피막을 형성시켜 배관 표면을 부동태화 시키는 것이다.

 

 

 

스테인리스강 부식 

스테인리스강의 부식이 일어나기 위해서는 다음 세 가지 조건이 충족되어야만 한다.

1. 산소(O2)가 없으면 산화 (즉, 부식)도 없다.
2. 산소가 철(Fe)과 직접 화학반응하여 결합하는 것이 아니라 용존 산소(물에 녹아 있는 산소)와 전기화학반응에 의해서 부식이 일어난다. 즉, 물과 물에 녹은 산소와 접촉이 되어야 부식이 일어나는 환경이 만들어진다. 다시 말하여 용존 산소가 제거된 물만 접촉될 경우엔 부식이 일어나지 않는다.
3. 부동태 피막(Passive layer)은 물/산소가 철과 만나는 것을 막는다. 또한 전하의 흐름도 막는다. 부동태 피막이 온전히 존재할 경우엔 스테인리스강에 부식이 일어나지 않게 된다.  

 

따라서 부식이 발생하려면 스테인리스강에 부동태 피막이 형성되지 않거나, 피막이 손상으로 훼손되어야 하고 훼손된 부분이 산소가 녹아 있는 물과 접촉되어 있어야 한다.
- 부동태 피막이 형성되지 않는 것은 높은 수준의 청정도를 통해서만 방지할 수 있다. 모든 처리된 표면은 모든 잔류물을 철저히 청소해야 한다. 이것은 특히 연마재가 남긴 잔여물에 적용되기 때문에 스테인리스강 가공에 적합한 모든 연마재에는 염화물, 철 및 황이 포함되어 있지 않다.

 

Passive layer(부동태 피막)

 

부동태 피막은 산소와 접촉할 때 비부식성 강철의 표면에 형성되는 얇은 산화막이다.

 

 

<그림 1> 부동태 피막 형성 과정

부동태 피막은 대기 중에서 자연적으로 형성되지만 좀더 치밀하고 부식에 강한 부동태 피막을 형성하기 위해서는 질산용액으로 화학 처리를 하고 물로 세척해야 한다.

 

▶ 不動態處理(Passivation Process)
           3Fe + 2HNO3 → 2NO(↑) + 3FeO + H2O
           2Cr + 2HNO3 → 2NO(↑) + Cr2O3 + H2O
           2Ni + 2HNO3 → 2NO2(↑) + 2NiO + H2O

 

또한 부동태 피막의 형성이 보다 용이하고 우수한 내식성을 갖기 위해서는 합금 원소 중에 Cr의 양을 증가시키고 Ni이나 Mo 등의 내식성이 큰 합금원소를 첨가하는 것이 필요하다.

강철의 크롬 원자는 이후에 산화가 진행되는 것을 방지하여 강철이 부식되는 것을 방지하는 얇고 비활성인 산화막을 형성한다. 부동태층의 특성과 내구성은 주로 강의 합금 조성에 따라 달라진다.

일반 강철에서 산소는 강철에 존재하는 철 원자와 반응하여 다공성 표면을 생성한다. 이 과정의 결과를 "rusting out(녹 생성)"이라 한다.

 

 

부동태 처리(Passivation Treatment)

 

특히, 스테인리스강을 열처리하여 가공하거나 용접하였을 경우 표면에 산화 Scale이 생기고, 구조물이나 장치 등을 제작과 취급 또는 제작 후의 처리시 여러 가지 문제가 일어날 수 있다.

스테인리스강을 용접하면 모재의 부식, 용접금속의 내식성 열화, 그리고 용접열영향부에 weld decay, knife line attack 등의 부식이 발생한다. 또한 이종재료 이음부의 경우 용접금속과 용접열영향부의 전위차에 의해 galvanic 부식이 발생한다. 오스테나이트계 스테인리스강 용접부의 입계 부식을 방지하기 위해서는 Ti, Nb과 같이 C과 친화력이 강하여 안정한 탄화물을 만드는 안정화 스테인리스강 모재와 용접재료를 사용하는 것이 필요하다.

즉, 스테인리스강의 내식성의 특성을 갖출수 있는 근본적인 원인인 Passive layer는 Maker로부터 공급받았을 때의 깨끗한 상태로 그 본래의 내식성을 보이지만 Plate, Pipe에 열을 가하거나 기계작업을 하게 되면 그 표면 상태가 부식 또는 침식 등으로 인해 스테인리스강의 특성까지 잃어 버리게된다. 이러한 경우 스테인리스강 본래의 미관을 잃어버릴 뿐만 아니라 내식성에도 영향이 있어 대형 사고의 원인이 되므로 강자체의 재생이 필수적이다. 재생과정은 스테인리스강 표면에 Passive layer를 갖출 수 있도록 화학적인 처리 작업이 필요한데 이러한 작업을 부동태 처리(Passivation Treatment)라고 한다. 

 

- 침탄 열처리한 스테인리스강은 탄소가 크롬과 결합하여 표면에 탄화 크롬을 만들기 때문에 부동태 처리를 할 수 없고 또한 질화 처리한 제품도 처리액에서 질화층을 부식시키기 때문에 부동태 처리를 할 수 없다. 만일 부동태 처리가 필요하다면 질화처리 전에 실시하여야 된다.

- 기계가공이나 그라인딩한 부품을 도금이나 전해연마할 경우에는 철 오염이 이들 처리공정에서 제거되기 때문에 부동태 처리할 필요가 없다.

- 납땜이나 브레이징 할 부품은 부품의 재질이 부동태 처리액에서 부식하기 때문에 이들 공정 전에 처리하여야 한다.

 

Reference : 1. Eoro inox, Pickling and Passivating Stainless Steel

               2. http://shinwoocnckor.com/bbs/board.php?bo_table=0501 

               3. (주)코텍 ㅣ 부동태처리