 |
산업이 고도화되면서 산업 기기의 사용 환경이 가혹해짐에 따라 극한의 부식 환경에서 사용될 수 있는 다양한 합금개발이 요구되고 있다.
타이타늄합금은 다른 금속소재에 비해 내식성이 뛰어나 석유화학·해양·발전용 소재로 활용되고 있으며 그 적용범위가 점차 확대되고 있다. 특히 고농도·고온의 환경조건에서 내식성이 우수하고, 기존의 합금보다 경제성이 뛰어난 타이타늄합금을 개발하기 위해 노력하고 있다.
 타이타늄의 부식 특성 및 연구 동향
금속재료의 부식은 고온환경에 기인한 고온산화부식, 응력작용에 의한 응력부식, 입계반응에 의한 입계부식, 화학적인 각종 산(acid)에 의한 산부식, 해수에 의한 해수부식 등이 있다.
이러한 각종 부식적인 요소를 제거해서 내식성을 향상시키기 위해서는 해당 재료의 양극 활성도를 감소시키고 부동태화 되어야 한다. 이와 같은 부식환경에 저항성이 높은 피막 형성 및 재질의 물성을 가지고 있는 대표적인 재료로 타이타늄합금, 니켈합금 및 스테인레스강 등을 들 수 있다.
타이타늄은 산소와의 친화력이 매우 크기 때문에 상온 대기중에서 표면에 수 nm의 견고한 산화피막이 형성된다. 이 산화피막은 손상되어도 쉽게 재생되기 때문에 여타 금속에 비해 대기 및 다양한 환경에서 우수한 내식성을 자랑한다. 타이타늄과 다른 금속재료들의 산화 및 환원성 용액에서의 부식
특성은 다음과 같다.
타이타늄은 산화성 분위기 및 염화물 환경에서 매우 우수한 내식성을 보인다. 이러한 특성으로 인해 타이타늄은 해양 구조물 및 석유·화학산업에 주로 이용되며 H2S와 CO2 분위기에서는 260℃까지도 우수한 내식성을 지닌다.
그러나 특정 환경 조건에서는 타이타늄도 심한 부식이 발생하여 공정장비의 경우 급격한 열화가 발생할 수 도 있다. 특히 고온·고농도의 염산, 질산과 같은 비산화성 산 분위기 및 낮은 pH를 갖는 염화물 옥살산, 인산 분위기에서는 부식이 발생되기 쉽고, 질산이나 과산화수소와 같은 강력한 탈산제와 플루오린화나트륨(sodium fluoride)과 같은 불소계 화합물 역시 타이타늄의 부식을 촉진시킨다. 실제로 타이타늄 부식은 정체된 고농도 부식매체로 인한 틈부식이 가장 큰 문제가 된다.
이와 같은 문제점을 해결하고 보다 가혹한 부식환경에 적용하기 위하여 합금화에 의한 내식 타이타늄합금 개발, 부식 억제제의 투입, 표면개질 등을 통한 다양한 방법들이 연구되고 있다.
- 합금원소
타이타늄의 틈부식을 개선하기 위한 방법의 하나로 Pd이나 Mo 등과 같은 원소를 첨가한 Ti-0.15Pd (ASTM Gr.7)과 Ti-0.8Ni-0.3Mo(ASTM Gr.12) 등의 합금들이 개발되어 석유화학 공장 등에 사용되고 있다.
타이타늄 틈부식의 경우 스테인레스강처럼 민감하지는 않으나 고온, 고농도 환경에서는 순 타이타늄보다 틈부식 저항성이 큰 Ti-0.15Pd합금 및 Ti-Ni-Pd-Ru-Cr합금(AKOT)과 같은 내식 타이타늄을 적용하는 것이 유리하다.
타이타늄 산화피막의 특성은 미량의 합금원소에 따라 크게 변화하지 않는다. 따라서 일반적으로 이용되는 합금성분(Fe, C, N, O, H)이 2~3% 미량 첨가되어도 일반적인 부동태 환경에서는 부식저항성에 미치는 영향은 미미하다. 즉 낮은 부식속도의 환경에서는 Fe 및 침입형원소(C, O, N)의 함량이 조금씩 다른 모든 순타이타늄의 경우(Gr.1~Gr.4) 비슷한 부식저항성을 나타내지만, 부식속도가 0.13mm/y 이상인 경우 Fe 및 S 가 증가할수록 부식속도는 증가한다. 따라서 고온·고농도 환경에서는 미세원소 함량을 고려하여야 한다.
- 표면 조건
표면성질은 가혹한 부식환경에서 타이타늄의 거동에 영향을 준다. 외부 침착물 특히 Fe 입자가 침착되어 있을 경우 염산 등의 용액에서 국부적인 부식이 발생할 수 있다. 수소가 다량 함유되어 있을 경우에도 부식속도가 증가하며 자기촉매형 부식을 촉진시킬 수도 있다. 일반적인 해수환경에서는 타이타늄 표면이 손상되어도 국부적인 부식이 진행되지 않는다. 그리고 이와 같은 결함 부는 염소와 기계적인 처리 방법으로 제어할 수 있다.
양극피막처리는 가혹한 환경에서 부식저항성을 향상 시킬 수 있는 방법으로 타이타늄 표면 산화피막의 성장과 안정성을 향상시킨다. 낮은 양극 전압을 인가하여 열교환기와 같은 복잡한 형상의 부품에도 피막을 형성시킬 수 있다.
열 산화 방법은 대기중의 특정 온도에서 특정 시간동안 처리하는 방법으로 표면을 강화시키는 양극피막처리와 유사한 효과가 있다. 그러나 이 방법으로 생성된 피막은 손상될 경우 자가 보수되지 않고, 특정 온도와 시간 이상으로 처리할 경우에는 표면취화가 발생할 수도 있다. 최근에는 내식성을 향상시키기 위한 표면처리 방법으로 Pd 등을 타이타늄 표면에 이온 주입하는 방법, 귀금속 코팅 방법 등이 수행되고 있다.
- 부식 억제제
실제 공정에서 사용하는 용액들은 타이타늄의 부식을 억제할 수 있는 화학적 성분들을 포함하고 있다. 그러나 불화물, 옥살산 이온, 환원 조건에서 높은 수소이온 농도 등은 부식을 촉진시킨다. 공정 중의 용존산소, 염소 및 다른 산화제 등은 타이타늄의 사용 영역을 넓혀주는 역할을 하여 고온, 고농도의 용액에서 사용하여도 부식이 큰 문제가 되지 않는다. 0.01~1.0 wt.%의 산화제 또는 Cr, Cu, Ni, Fe, Mo, V 등의 중금속 이온은 염산, 황산 등과 같은 산 용액에 의한 부식을 지연시킬 수 있다. 타이타늄에 미량의 Si이나 Cr을 첨가하였을 경우에도 고온의 질산에서 내식성이 향상된다. 소량의 수분도 수소, 염소가스에 대하여 매우 효과적인 억제제 역할을 한다. As, Se, Te 화합물도 부동태화를 증진시키는 것으로 알려져 있다.
내식환경에서의 타이타늄 응용 현황
일본의 경우 국가 전체 타이타늄 수요량의 50%이상이 내식성이 요구되는 석유화학·해양·발전용 소재 등 민수용으로 활발하게 적용하고 있다.
타이타늄은 1960년대에 산화성 염화물 환경의 공정을 제어하는 화학공업에 적용되기 시작하여 최근에는 아세트산, 질산, 브롬 및 아세톤 등의 보다 가혹한 환경 매체에 적용되고 있다.
또 내식환경에서 타이타늄은 주로 열교환기, 석유화학 반응기 정련소 등에 적용되고 있다.
원자력 및 화력 발전소에도 적용되고 있는데 주로 복수기용 콘덴서 튜브, 관판과 증기터빈용 블레이드 등을 들 수 있다.
해수염수화 장치 및 발전소 컨덴서 분야에서는 관형 열교환기를 냉각수·공조설비 분야에서는 판형 열교환기에 타이타늄이 활용된다. 열교환기 적용시에는 판상 및 관상으로 성형해야 하기 때문에 불순물 함량이 적은 순 타이타늄(Gr.1 및 Gr.2)이 주로 이용된다.
이 외에도 니켈정련 플랜트, 가성소다플랜트, 펄프제지 산업 및 화학 기자재 산업 등에도 타이타늄이 적용되고 있다.
내식 타이타늄 연구개발 현황
타이타늄은 일반적인 상온 대기환경, 수분이 있는 환경에서는 우수한 내식성을 나타내 내식성 향상 관련 연구는 특별한 경우를 제외하면 그리 많지 않은 편이다. 그러나 타이타늄은 고온 염화물 수용액과 같은 극한 환경에서 틈부식이 발생하기 쉬워 이와 같은 환경에서 적용하기 위해 백금족 원소인 Pd을 첨가한 Ti-Pd 계 합금이 개발되었다. 또 고가인 Pd을 대체하기 위하여 일본 Nippon Steel, Sumitomo 금속에서는 Pd 대신 Mo이나 Ni 등을 첨가한 내식성 타이타늄 합금 등을 개발하여 콘덴서 튜브, 열교환기 튜브, 파이프, 라이닝소재 등에 적용하고 있다.
국내의 경우 초내식 재료와 관련 주로 스테인레스강을 위주로 내식소재 개발 및 표면처리 등과 관련된 연구가 진행되어 왔으며, 타이타늄은 생체재료로서의 신합금 개발 및 표면처리에 대한 연구가 주로 진행되어 왔다.
재료연구소에서는 고온 고내식의 복합적인 환경에 적용을 위한 타이타늄합금 개발을 위해 타이타늄 표면 분석 및 내식합금 설계 등에 관한 연구를 수행하고 있다.
|
| |
출처 : 홍재근, 현용택, 박노광
‘내식환경에서의 타이타늄 응용 현황’[기계와재료] 제 21권 4호 |
|
 |
|
