KR100758153B1

KR100758153B1 - 희생양극용 아연 합금

Info

Publication number: KR100758153B1
Application number: KR1020060044188A
Authority: KR
Inventors: 김기태; 전중환
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2006-05-17
Filing date: 2006-05-17
Publication date: 2007-09-12

Abstract

본 발명은 유해물질인 카드뮴을 포함하지 않으면서 기존의 아연-카드뮴 희생전극과 동등한 수준의 전기화학적 특성을 가지는 희생양극용 아연 합금에 관한 것으로, Bi, 잔부 Zn 및 불순물로 조성되거나, Bi에 Al 및 Mg 중에서 선택된 적어도 하나, 잔부 Zn 및 불순물로 조성된다.

희생양극, 아연 합금, 카드뮴

Description

희생양극용 아연 합금{Zinc Alloy for Sacrificial Anode}

도 1은 본 발명에 따른 희생양극을 인공해수에서 1.0mA/cm²의 전류밀도 조건으로 168시간 동안 유지시키면서 측정한 아연 합금의 양극전위 변화를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 희생양극용 아연 합금에 관한 것으로, 특히 유해물질인 카드뮴을 포함하지 않으면서 기존의 아연-카드뮴 희생양극과 동등한 수준의 전기화학적 특성을 가지는 희생양극용 아연 합금에 관한 것이다.

일반적으로, 철은 강도가 강하고 매장량이 타 금속에 비해 매우 풍부하기 때문에 각종 산업 시설에서 가장 널리 사용되고 있지만, 철은 부식성이 크다는 단점도 있다.

철의 부식은 대기 또는 수중에 포함되어 있는 산소와의 화학반응과, 땅속에 서식하는 세균에 의해서도 일어난다. 즉, 땅속의 세균에 의한 대사작용, 특히 탄수화물의 산화과정, 단백질의 분해과정, 유황대사 등은 철의 부식작용을 수반한다.

상기와 같은 철의 부식은 철을 이용하여 구축되는 구조물 등의 기계적 강도를 저하시키는 문제점이 있다.

특히, 철재의 배관을 지중 또는 수중에 설치하는 경우에 광물질, 다른 금속원소, 기체 등의 다양한 원소들과 철이 화학반응하여 철 표면에서 철이 부식되는 부식현상이 일어나고, 부식에 따라 철 표면상에 침전물 또는 이 물질이 침적되어 배관 내에서의 용수의 흐름 또는 열전달을 방해하는 요인으로 작용한다.

상기와 같은 배관 내의 침적물을 제거하기 위해 종래에는 화학약품 처리방법 등을 이용하고 있다.

상기 화학약품을 이용한 처리법은 관리가 어렵고 유지비용이 많이 소요될 뿐만 아니라 화학약품의 과다 투여에 의한 2차 오염도가 문제가 되어 실제적인 효과를 얻을 수 없다.

이러한 문제점을 해소하기 위한 방법으로 전기방식법을 이용하여 철의 부식을 방지하는 방법이 있다.

상기 전기방식법은 철재 배관의 표면에 전류를 방류하여 양극반응을 억제시켜 철재 배관의 전기적 부식을 방지하는 것이다.

즉, 상기 전기방식법은 pH 농도 전역에서 철의 산화 면역 전위는 -0.75V ~ -1.50V이므로, 상기 범위 내의 전위를 외부에서 제공하는 것으로서, 그 종류는 희생양극법, 외부전원법, 배류법 등이 있다.

상기 희생양극을 이용한 전기방식법은 지중 또는 수중에 설치된 양극 금속과 철재 배관을 전선으로 연결하여 양극 금속과 배관 사이의 전지작용에 의하여 전기 적 부식을 방지하는 방법으로서, 가장 간단하면서 효율적인 전기방식법이다.

그런데, 전기방식법의 희생 양극으로 사용되는 아연 합금에는 발암성 유해물질인 카드뮴(Cd)이 함유되어 있다.

Cd은 각종 관련법에 의해 작업환경의 허용 농도와, 대기 중 배출 허용 기준을 규정하고 있다.

특히, 최근 EU를 중심으로 중금속(Pb, Cd, Cr, Hg) 및 유해물질 사용금지 등의 환경규제가 강화되면서, 2006년 7월부터는 이러한 중금속(Pb, Cd, Cr, Hg) 및 유해물질이 포함되어 있는 제품은 EU에서 수입이 금지될 예정이다(EU 환경규제법 : RoHS).

그리고, 현재 희생양극으로 사용되는 Cd이 함유된 희생양극용 아연 합금은 인체 유해성으로 인하여 생산 자체가 어려운 실정이며, Cd이 함유되지 않은 소재 개발과 관련한 실적은 아직까지 전무한 상황이다.

따라서, Cd과 같은 환경유해물질을 보다 경제적이고 환경친화적인 합금원소로 대체한 새로운 아연 합금의 개발이 시급하다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 기존의 희생양극용 아연 합금에 포함된 카드뮴(Cd)을 보다 경제적이고 환경친화적인 합금원소로 대체하면서 기존 Zn-Cd 합금과 동등 수준의 우수한 전기화학적 특성 및 내부식 특성을 가지는 희생양극용 아연 합금을 제공하는데 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위해, Bi, 잔부 Zn 및 불순물로 조성된 것을 특징으로 하는 희생양극용 아연 합금을 제공한다.

상기 Bi는 0.05~0.3중량%, Zn는 잔부로 조성된 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명은 Bi에 Al 및 Mg 중에서 선택된 적어도 하나, 잔부 Zn 및 불순물로 조성된 것을 특징으로 하는 희생양극용 아연 합금을 제공한다.

상기 Bi는 0.05~0.3중량%, 상기 Al은 0.05~0.2중량%, Zn는 잔부로 조성된 것을 특징으로 한다.

상기 Bi는 0.05~0.3중량%, 상기 Mg은 0.05~0.2중량%, Zn는 잔부로 조성된 것을 특징으로 한다.

상기 Bi는 0.05~0.3중량%, Al은 0.05~0.2중량%, Mg은 0.05~0.2중량%, Zn는 잔부로 조성된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 각 합금원소의 첨가 및 함량 한정 이유는 다음과 같다.

(1) 비스무스(Bi)

Bi는 아연(Zn)에 첨가시킬 경우 수소 과전압이 높아 내식성을 향상시키는 역할을 하는 합금원소이다. 함량이 0.05중량% 미만이면 내식성 향상효과를 얻을 수 없으며, 함량이 0.3%를 초과하면 추가에 따른 내식성의 향상은 크지 않다.

(2) 알루미늄(Al)

Al은 상기 Bi 첨가에 의해 발생할 수 있는 국부부식을 방지하며, 급격한 부 식감량의 변화를 일정하게 조절하는 역할을 한다. 함량이 0.05% 미만이면 효과를 얻을 수 없으며, 함량이 0.2%를 초과하면 추가에 따른 기여도의 향상은 크지 않다.

(3) 마그네슘(Mg)

Mg은 상기 Bi의 내식성 효과를 증진시키는 역할을 한다. 함량이 0.05% 미만이면 효과가 없으며, 함량이 0.2%를 초과하면 추가에 따른 기여도의 향상은 크지 않다.

(실시예)

본 발명에 따른 희생양극용 아연 합금에 대해 실시예를 통하여 설명한다.

첨부한 도면, 도 1은 본 발명에 따른 희생양극용 아연 합금을 인공해수에서 1.0mA/cm²의 전류밀도 조건으로 168시간 동안 유지시키면서 측정한 양극전위 변화를 나타낸 그래프이다.

본 발명에 따른 희생양극용 아연 합금을 제조하기 위해 표 1에 나타난 조성을 갖는 합금을 통상적인 용융교반식 아연 합금 제조 방법으로 빌렛을 제조하였다.

즉, 표 1의 각 조성물을 대기 중에서 전기저항로를 이용하여 용해한 후 500℃의 온도에서 금형에 주조하여 폭 80mm, 길이 120mm, 두께 25mm 크기의 빌렛을 제조하였다.

상기와 같이 제조된 아연 합금 빌렛을 직경 5mm, 길이 20mm의 원통형 시험편으로 가공한 후, 상기 시험편을 이용하여 전기화학적 특성평가를 실시하였다.

이때, 방식용 희생양극의 특성평가방법은 KS D 0235를 준수하였으며, 구체적 인 평가방법은 다음과 같다.

상기 시험편(시험양극)과 음극봉을 인공해수(조성은 KS D 0235 참조)에 담근 후, 각각 직류전원의 양극(+)과 음극(-)에 연결한 다음, 전위차 측정기(Potentiostat)를 이용하여 일정한 전류밀도(아연 합금의 경우 1.0mA/cm²)를 168시간 동안 유지한다.

이때, 통전 중 기준전극(포화칼로멜전극, SCE)으로 매일 1회 시험편의 양극전위(V_SCE)를 1mV 단위까지 측정한다.

그리고, 시험종료 후 시험양극의 표면에 생성된 부식산화물을 브러시로 제거하고, 다시 20% 무수크롬산 용액과 1% 초산은 용액이 1 : 1로 혼합된 용액에 1분간 담가 잔류 산화물을 완전히 제거한 다음 시험양극의 무게변화를 측정한다.

특성평가 항목은 양극전위, 유효전기량, 양극전류효율이며, 양극전위는 전위차 측정기(potentiostat)로 측정하고, 유효전기량과 양극효율은 각각 다음 식을 이용하여 계산한다.

유효전기량(A · hr/g) = (전기량/양극감량)

단, 양극감량(g) = 시험 전 시험양극 무게 - 시험 후 시험양극 무게

양극전류효율(%) = (유효전기량/이론전기량) × 100

단, 이론전기량 = (1/전기화학당량(g)) × 96,500A · sec/3,600sec/hr

상기 시험편을 이용하여 시험한 결과를 표 2에 나타내었다.

표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 아연합금은 95% 이상의 양극전류 효율, 0.779 이상의 유효전기량, 그리고 -850mV 이하의 최종양극전위를 나타낸다.

이와 같은 결과는 종래의 카드뮴을 함유한 희생양극용 아연 합금과 동등 수준의 매우 우수한 전기화학적 특성을 갖는다.

합금		조성(중량%)
합금		Bi	Al	Mg	Cd	Zn
실시예	1	0.05				잔부
	2	0.10				잔부
	3	0.28				잔부
	4	0.05	0.05			잔부
	5	0.19	0.09			잔부
	6	0.20	0.19			잔부
	7	0.29	0.15			잔부
	8	0.06		0.10		잔부
	9	0.13		0.08		잔부
	10	0.20		0.05		잔부
	11	0.19		0.10		잔부
	12	0.29		0.18		잔부
	13	0.05	0.05	0.06		잔부
	14	0.19	0.10	0.06		잔부
	15	0.19	0.05	0.10		잔부
	16	0.28	0.17	0.18		잔부
비교예	17		0.30		0.10	잔부
	18					99.9
	19					99.8
	20					99.5

합금		양극전류효율 (%)	유효전기량 (A·hr/g)	최종양극전위 (VSCE, mV)
실시예	1	97.6	0.8002	-1066
	2	96.7	0.7922	-1052
	3	97.8	0.8009	-1067
	4	98.3	0.8072	-1061
	5	98.7	0.8101	-1062
	6	99.2	0.8166	-1064
	7	99.2	0.8153	-1059
	8	98.1	0.8099	-1060
	9	98.5	0.8103	-1055
	10	99.0	0.8111	-1054
	11	98.7	0.8099	-1060
	12	98.8	0.8115	-1062
	13	98.9	0.8130	-1068
	14	99.5	0.8182	-1054
	15	99.4	0.8166	-1057
	16	99.5	0.8190	-1069
비교예	17	99.3	0.8142	-1051
	18	92.0	0.7539	-979
	19	86.1	0.7065	-545
	20	83.4	0.6864	-560

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 Zn-Bi 또는 Zn-Bi과 Al, Mg 중에서 선택된 적어도 하나로 이루어진 아연 합금을 희생양극으로 이용할 수 있는 효과를 제공한다.

그리고, 본 발명에 따른 희생양극은 양극전류효율, 유효전기량, 최종양극전위가 각각 95% 이상, 0.779 이상, -850mV 이하인 우수한 특성을 제공한다.

Claims

삭제
삭제
삭제
Bi는 0.05~0.3중량%, Al은 0.05~0.2중량%, Mg은 0.05~0.2중량%, Zn는 잔부로 조성된 것을 특징으로 하는 희생양극용 아연 합금.