알루미늄 합금: 뛰어난 내식성과 성능

금속 주조소에서 알루미늄과 그 합금은 타 금속 대비 탁월한 장점 덕분에 최상위 주조 소재에 속합니다. 알루미늄 합금은 연성, 높은 주조성, 고강도, 특히 다양한 환경과 화학제에서 뛰어난 내식성을 지닙니다.

알루미늄의 내식성은 금속 표면에 형성되는 불활성 산화막이 보호층이 되어 알루미늄 표면이 주변 환경에 노출되지 않게 차단하기 때문입니다.

표면 산화막은 알루미늄 표면이 산소, 물과 화학 반응해 생성됩니다. 사실 이는 금속 부식의 첫 단계입니다. 산화막 두께가 5~10nm에 불과하지만, 물 같은 산화 환경에 노출되는 즉시 금속 녹을 방지합니다.

대부분 환경에서 알루미늄 합금의 부식률은 시간이 지날수록 감소하는데, 이는 산화막의 안정성이 내식성을 결정하며 이는 환경의 pH 값에 의존하기 때문입니다.

일반적으로 산화막은 pH 4~8 범위에서 안정적입니다. pH 4 미만이면 산에 용해되고, pH 8 초과면 알칼리에 용해되어 결정질 고체(녹)를 생성합니다.

주조 업계에서 알루미늄 주조성을 높이고 주조 결함을 줄이기 위해 알루미늄 합금에 높은 Si 함량을 첨가하는 경우가 많은데, 이는 국부 부식 가능성을 높이고 양극산화를 저해해 주조 알루미늄의 내식성을 떨어뜨립니다.

주조 알루미늄 합금의 내식성을 최적화하려면 알루미늄 합금 제조 공정과 미세조직의 관계를 이해해야 합니다. 따라서 금속 부식 전반과 알루미늄 합금 부식에 대한 종합적 연구 평가를 사형 주조, 저압 다이캐스팅 등 여러 주조 공법별로 수행했습니다.

이 글은 알루미늄 합금 부식에 대해 가장 상세하고 포괄적이며 이해하기 쉽게 정리한 기사로, 높은 반응성과 다양한 우수 특성을 다룹니다.

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알루미늄 합금의 부식 메커니즘

실질적 환경에서 알루미늄 합금 부식은 금속 표면에서 음극 반응과 양극 반응이 동일한 속도로 동시에 일어나기 때문입니다.

음극 반응은 금속의 산화 과정이고, 양극 반응은 환경 내 물질의 환원입니다. 산화와 환원이 동시에 일어나며 전자가 두 반응물 사이를 오갑니다. 따라서 금속은 전기를 띱니다.

산화 반응: Al → Al³⁺ + 3e^-

수소 환원 반응: H⁺ + e^- → ½ H₂

또는 산소 환원 반응: O₂ + 2H₂O + 4e^- → 4OH^-

본질적으로 이 반응들은 합금의 미세조직에서 일어납니다. 알루미늄 합금 미세조직은 합금 원소와 열기계적 처리에 의해 결정됩니다.

합금 원소가 첨가되지 않은 순수 알루미늄 합금은 미세조직 내에 금속 간 입자가 없어 음극 반응이 일어나기 어렵고, 따라서 부식 가능성이 최소화됩니다.

합금 원소가 첨가된 비균질 알루미늄 합금에서는 금속간 입자가 형성되어 1~300nm 직경의 석출물이 생깁니다. 이 석출물들은 서로 다른 전기화학적 특성을 가져 부식 공격의 표적이 됩니다.

알루미늄 합금의 내식 한계

알루미늄의 내식성은 순도가 높을수록 향상됩니다. 하지만 알루미늄의 높은 연성 탓에 순도가 높을수록 용도가 제한됩니다.

일반적으로 금속 원소를 첨가해 알루미늄의 경도와 주조성을 높이는 대가로 내식성이 저하됩니다.

아래는 알루미늄 합금 계열별 내식성 분석입니다.

1. 1xx.x 계열: 상업용 순수 알루미늄

1xx.x 계열은 약 99.93% 순수 알루미늄으로 가장 순도가 높으며, 측정된 부식률이 매우 낮아 1cm²당 0.8µA~2.3cm²당 2.3µA 수준입니다.

우수한 내식성에도 불구하고 경도가 낮아 일상 용도로 널리 쓰이지는 않습니다.

용도로는 100계열 합금이 포일 포장재, 조리기구 소재로 쓰이며, 2차 합금 생산 원료나 타 계열 코팅재로도 사용됩니다.

2. 2xx.x 계열: 알루미늄-구리

2xx.x 계열은 Cu 4~10% 고함유로 기계적 특성이 우수해 구조용, 특히 항공우주 건설에 쓰입니다.

하지만 Cu 첨가는 내구성에 악영향을 줍니다. 경도는 크게 향상(약 500MPa)되나 습한 산업 환경에서 부식에 취약합니다.

200계열은 주조 결함 경향이 있어 단순 형상 주조 생산에 한정되는 경우가 많습니다.

0.5M H₂SO₄ 용액에서 전기화학 테스트 시 부식률 약 0.45µA/cm²로, 3% NaCl 용액 측정치와 비교되었습니다. Cu 5%, 10%, 15% 세 Al-Cu 합금으로 실험한 결과 세 합금의 부식률은 동일했습니다.

또 다른 실험에서는 방향성 응고법으로 냉각 속도와 Al-4.5%Cu 합금의 Cu 함량 영향을 연구했습니다. 금형 냉각면에서 세 위치에서 시편 채취, 미시 관찰 결과 냉각 속도가 높을수록 부식률이 개선됨을 확인했습니다.

3. 3xx.x 계열: 알루미늄-망간

3xx.x 계열은 주로 박판 형태로 공급됩니다. 고체 용액에서 내식성 향상을 위해 실리콘과 약 1% 망간을 첨가한 알루미늄 합금입니다. 강도는 평균적(약 110MPa)입니다.

냉간 가공과 어닐링을 수행하면 3xxx 계열은 우수한 기계적 특성을 얻습니다. 주조성이 높아 전 세계 주조 알루미늄의 90%가 300계열에 속합니다. 따라서 주조 알루미늄 합금 부식 연구는 주로 300계열 대상으로 수행됩니다.

3xx.x 계열 부식 실험은 주로 중력 주조와 압력 다이캐스팅으로 수행되었습니다.

중력 주조 기술로 알루미늄 합금 주조

연구에 따르면 Al-8%Cu-3%Si는 Al-6%Cu-1%Si보다 부식 전류 밀도와 임피던스 파라미터가 더 우수해 내식성이 높습니다.

부식 테스트는 주조 단면에서 냉각면으로부터 0, 10, 20mm 위치에서 수행되었습니다.

이 실험은 Si와 이차 덴드라이트 암 간격(SDAS) 함량이 상호 의존하며 Al-6%Cu-1%Si의 내식성에 영향을 줌을 보였습니다.

α 알루미늄 기지에서 주조 알루미늄 합금은 쉽게 금속간 화합물을 형성합니다. 300계열의 망간은 금속간 화합물 내 Fe의 음극 효과를 보상해 부식성을 낮춥니다.

연구자들은 Sr(스트론튬)이 알루미늄 합금 부식에 미치는 영향도 실험했습니다.

미시 관찰 결과 실리콘 공융조직이 조립하고 가는 형태에서 연결된 섬유 형태로 변화함을 보였습니다.

a. Sr 무첨가

b. Sr 120 ppm

c. Sr 170 ppm

d. Sr 250 ppm

결론: 공융 실리콘의 결합 섬유 형태가 알루미늄 합금 내식성을 향상시킵니다. 상세 내식성 수치는 아래 표와 같습니다.

Sr 첨가량	첨가 전	첨가 후
120 ppm	13.8 µA/cm2	0.42 µA/cm2
150 ppm	10.2 µA/cm2	1.47 µA/cm2

HPDC 기술(고압 다이캐스팅)로 알루미늄 합금 주조

기록 문헌에 따르면 이 실험은 금속을 579°C, 643°C, 709°C 세 온도에서 분사했고, 두 사출 압력 35MPa, 70MPa를 적용했습니다. 미세조직 관찰 결과 저온에서 알루미늄 덴드라이트가 파편화되고 고온에서 더 세련됨을 보였습니다.

이 실험은 기공률이 높을수록 알루미늄 합금 내식성이 낮아짐을 결론지었습니다. 기공률은 다음 실험 결과에 따라 점진적으로 증가합니다.

a: 579°C / 35 MPa (3.15% 기공률)

b: 579°C / 70 MPa

c: 643°C / 35 MPa

d: 643°C / 70 MPa

e: 709°C / 35 MPa

f: 709°C / 70 MPa (4.91% 기공률)

HPDC 기술에서는 고속 사출로 기포가 발생해 고기공률 주조가 되고 가스 기공 결함을 유발합니다.

4. 5xx.x 계열: 알루미늄-마그네슘

5xx.x 계열은 6% 미만 Mg 함유. 마그네슘은 알루미늄 내 고용해 합금의 내식성과 경도를 높입니다. 500계열 경도는 380MPa 초과.

500계열은 해수 환경 내식성을 가져 해양 산업에 적용됩니다.

Al-3%Mg-1%Si 합금의 중력 주조와 연속 주조법으로 내식성 연구 결과 석출물 자유 구역에서 심한 부식이 나타났습니다.

위 그림은 실험 결과로, 중력 주조 시 Al-3Mg-1Si 합금 부식률이 연속 주조보다 높았습니다. 사실 연속 주조는 더 빠른 냉각 속도로 더 높은 고용체 비율을 이끕니다.

500계열은 고밀도 무질서로 인한 β-상 Mg₂Al₃ 석출 문제도 있습니다. Mg 3% 초과 합금에서 장시간 고온 노출 시 발생합니다.

5. 6xx.x 계열: 알루미늄-마그네슘-실리콘

실리콘 기반 6xx.x 계열은 유동성 증대와 융점 저감을 가져옵니다.

경도 강도 300MPa 초과, 주로 압출재와 판재 형태입니다.

Si와 Mg 합계 1.4% 초과 시 시효 처리로 강도 증가.

600계열은 양호한 내식성으로 해양 환경과 열차 엔진 제조에 널리 쓰입니다.

6. 7xx.x 계열: 알루미늄-아연-마그네슘

7xx.x 계열은 η-상(MgZn₂) 석출로 580MPa까지 고강도 달성, 항공우주 산업에 널리 쓰입니다.

700계열 단점은 내식성 저하로 환경 침식과 응력 부식 균열에 취약합니다.

내식성 재균형을 위해 2차 열처리 등 복합 열처리를 수행합니다.

7. 8xx.x 계열: 알루미늄-리튬

8xx.x 계열은 Li 원소 첨가, 알루미늄 내 고용도 최대 16%.

800계열은 초경량에 고강성을 가져 항공우주 용도 잠재력이 높습니다.

과거 Li 함유 알루미늄 합금은 전 알루미늄 합금 중 최고 부식률을 보였으나, 오늘날 Cu 첨가 Al-Li 합금으로 이 한계를 극복했습니다.

8. 9xx.x 계열: 알루미늄-니켈

9xx.x 계열은 Ni 첨가로 경도 향상하지만 연성과 내식성 저하.

Al-5%Ni 합금 연구: 금형 가장자리 10mm 위치 P1(냉각 속도 약 8°C/s)과 60mm 위치 P2(냉각 0.6°C/s)에서 시편 채취.

결과: P2 부식률 1.5µA/cm², P1 부식률 3.5µA/cm².

알루미늄 종류 더 알아보기: https://vietnamcastiron.com/types-aluminum/

합금 원소의 알루미늄 합금 부식 영향

1. Mg의 영향

Mg는 알루미늄 합금 기계적 특성 향상을 위해 첨가됩니다. 고체 용액 내 Mg은 음극 반응 속도를 낮춰(Mg의 낮은 교환 전류 밀도 덕) 내식성을 높입니다.

2. Si의 영향

Si는 Mg과 결합해 Mg₂Si 석출물을 만들어 알루미늄 합금 경도를 높이지만 국부 부식을 유발합니다. 과도한 Si 첨가는 결정계계에 Si가 나타나 음극 반응을 가속화해 응력 부식 균열을 일으킵니다.

3. Cu의 영향

Mg와 유사하게 Cu 존재 시 알루미늄 합금에 국부 음극 반응이 생겨 부식을 유발합니다. 하지만 600/700계열 합금의 주된 Cu 첨가 목적은 경화 강화이며 내식 목적은 아닙니다.

4. Zn의 영향

알루미늄 합금에 Zn 첨가 시 β-상 Al₃Mg₂ 대신 τ-상 Al-Mg-Zn이 형성돼 응력 부식 균열을 유발할 수 있습니다. 항공우주용 합금은 여전히 경화 강화 석출물 형성을 위해 Zn을 사용합니다.

5. Fe의 영향

제조 공정 중 알루미늄 합금에 Fe가 혼입되기 쉽습니다. Fe 제거 공정은 비용이 많이 듭니다. Fe는 합금에 잘 녹지 않고 음극 반응을 유지해 내식성 저하를 초래합니다. 합금 내 Fe가 Mn 또는 Cu와 결합해도 내식성 저해 요인이 됩니다.

6. Mn의 영향

알루미늄 합금에 망간 첨가 시 Fe 농도 저감으로 내식성 향상. 하지만 Mn량이 고용 한계(중량비 1.25%) 초과 시 Al₆Mn 형성으로 음극 반응 증가해 부식 문제 유발.

7. Li의 영향

리튬은 알루미늄 합금 경도 증가 역할을 해 Al-Li 합금이 항공 분야에 널리 쓰입니다. 하지만 Li가 결정계계에 출현해 부식률 급증과 국부 부식 확산을 초래합니다.

알루미늄 합금 부식 유형

균일 부식(Uniform corrosion)

pH가 너무 높거나 낮을 때 발생하는 일반적인 부식 유형. 전 합금 표면이 같은 속도로 침식됩니다. 알루미늄 산화막이 금속을 보호 못 해 점차 침식됩니다.

균일 부식은 쉽게 식별 가능하며 허용 부식 수준에서 도장이나 코팅으로 처리 가능합니다.

알루미늄 합금에는 크롬산 같은 억제제나 음극 보호법 사용 가능.

전위차 부식(Galvanic corrosion)

알루미늄 합금이 도전성 소재와 연결되어 전도성 환경에서 더 강하게 반응할 때 발생. 잔여 알루미늄과 금속 접촉점에서 부식 공격 형성. 예: 금속 용접부에서 덜 귀한 금속 쪽에 부식 집중.

금속간 화합물을 포함한 비균질 알루미늄 합금에서도 발생. 예: 구리 함유 알루미늄 합금이 물이나 가혹 환경에 담기면 부식 대폭 증가.

알루미늄과 스테인리스강이 건조 환경에서 접촉하면 부식 증가 미미하나, 습한 환경이면 현저히 증가.

전위차 부식 방지하려면 두 금속을 절연 소재(네오프렌 고무 등)로 분리하거나 재설계해 접촉하지 않게 해야 합니다.

틈새 부식(Crevice Corrosion)

틈새나 이음매에서 시작해 습한 환경에서 표면 영역으로 확산.

전형적 예: 볼트와 체결된 금속 사이 습기나 물 유입으로 녹 발생.

점식 부식(Pitting corrosion)

금속 표면이 습윤 환경에 잠길 때 발생하는 국부 부식 형태.

보통 합금 표면이 얇은 산화막(제조 중 또는 환경 반응으로 형성)으로 덮여 있을 때 발생.

알루미늄 합금의 경우 알루미늄 산화막이 빠르게 형성돼 금속 표면과 장벽을 만들지만, 습기와 금속 표면 구멍 사이 접촉을 막진 못합니다.

국부 전지 영향으로 표면 공극 생길 때, 자가 치유 못 하면 부식 생성물로 채워져 결절 모양으로 보입니다.

입계 부식(Intergranular Corrosion)

금속의 결정계계 또는 그 인접부를 따라 국부적으로 공격해 부식 경로를 만드는 현상.

결정계계는 이물질 농도 지역으로, 편차로 인해 내부보다 활성이 높아 부식 속도가 빠릅니다.

부식 정도는 미세조직에 따라 달라지며, 이는 열처리에 의존합니다. 열처리로 석출물 생성돼 결정계계 활성화 가속화, 재료 급속 파괴 유발.

박리 부식(Exfoliation Corrosion)

금속 표면과 평행하게 주행하는 결정계계를 따라 나타나는 부식. 기저 금속 대비 부식 생성물 부피가 커 금속 층을 분리시켜 팽창시킴.

주로 Al-Mg-Cu, Al-Zn-Cu 합금에서 발생.

부식 정도는 석출물의 결정계계 내 조성과 분포에 주로 좌우.

응력 부식 균열(Stress Corrosion Cracking)

응력 부식 균열(SCC)은 응력과 부식 환경 하에서 합금 기계적 특성이 열화되는 현상. 초기 기계적 응력으로 미세 균열 발생, 부식 환경에서 균열 급속 전파로 재료 급속 파괴.

8개 알루미늄 합금 중 2xx.x, 5xx.x, 7xx.x 계열이 SCC에 가장 취약.

두 요인: 정적 인장 응력과 특정 환경이 입계 또는 관입 균열 유도. SCC는 예기치 않게 발생해 급속 진행.

특정 환경은 SCC 유발의 필수 요소. 극소량의 고활성 화학물질도 균열 생성 후 파멸적 파괴로 이어질 수 있음.

부식 피로(Corrosion Fatigue)

부식 피로는 응력과 순환 부식 효과 하에서 재료 기계적 열화 현상.

알루미늄 표면은 자연 산화막으로 보호되나, 순환 부식 효과로 파괴될 수 있음.

재료 피로 강도는 각 사이클마다 감소하며 야금적 상태에 의존하지 않음.

NaCl 중 알루미늄 합금 내식성 실험 시 피로 강도 10⁸ 사이클, 공기 중 대비 내식성 25~35% 범위.

필리폼 부식(Filiform Corrosion)

틈새 부식의 특수 케이스로, 가는 섬유가 무작위 방향으로 분지 없이 미세 터널처럼 나타나며 부식 생성물 포함.

비보호 금속 표면이나 약 0.1mm 얇은 보호막(코팅 또는 부식 방지막) 아래에서 발생 가능.

소재가 물과 산소 접촉 시 부식 생성물이 코팅과 금속 표면 사이 공간으로 특히 스크래치를 통해 침투, 점차 부식 클러스터로 확대.

알루미늄 내식 대책

알루미늄 합금 내식성을 효과적으로 확보하려면 금속 표면을 환경에서 완전히 차단해야 합니다. 이를 위해 유기 코팅(도장 등) 사용이 필요합니다.

하지만 알루미늄 표면 도장은 쉽지 않습니다. 알루미늄 표면에 기공이 없기 때문. 따라서 양극산화(아노다이징) 또는 전환 피막 처리로 표면 산화막을 촉진해 도료 밀착력을 높여야 합니다.

1. 알루미늄 표면 피막 형성

1.1. 양극산화(아노다이징) 기법

알루미늄 및 합금 내식성의 가장 일반적인 방법은 아노다이징입니다. 알루미늄 표면 외부에 비교적 두꺼운 산화막을 전기화학적으로 생성해 내식성을 부여하는 공정.

억제제는 아노다이징 층 형성 중 외층에 첨가하거나 형성 후 첨가해 금속 보호 수준 높일 수 있습니다.

아노다이징 유형:

• 크롬산 아노다이징: 보호 산화막을 위한 전기화학 개발의 오랜 대중적 공정. 알루미늄 표면 산화를 급속 제어해 산화막 형성. 막 두께 0.5~18µm, 비전도성.
• 황산 아노다이징: 크롬산 아노다이징보다 친환경. 직류와 황산 전해액으로 알루미늄 표면 산화. 전류 통과로 산소 방출, 1.8~25µm 산화층 형성. 표면에 조밀한 기공층 생성, 실링으로 기공 폐쇄 필요.
• 하드 아노다이징(황산 경질): 알루미늄 합금 양극으로 수중 황산 전해액에서 전해, 몰리브데이트/텅스텐산/바나듐산/망가나이트 중 최소 한 화합물 선택. 최대 산화층 두께 50µm.
• 두꺼운 막 아노다이징: 황산 아노다이징과 유사하나 더 두꺼운 산화층으로 내식성 향상. 산화층 두께 20~100µm, 열변형 방지 위해 엄격 제어.

1.2. 화학적 전환 피막(케미컬 컨버전 코팅)

화학적 전환 피막은 화학 피막 또는 크로메이트 피막으로도 불립니다. 크로메이트를 금속 기재에 도포해 내식성, 내구성 우수하고 안정된 전기 전도성을 갖춘 표면 생성 공정.

이 전환 피막은 부식 억제제이자 상도 도장 밀착을 위한 프라이머 역할도 합니다.

공정: 크롬 화합물 함유 약액에 금속 부품을 수분간 침적해 적정 두께 피막 형성. 화학적 전환 피막은 건조 경화된 피막입니다.

반응 과정:

크롬과 알루미늄 산화환원 반응:

Cr⁶⁺ + Al⁰ → Cr³⁺ + Al³⁺

물 중 수산화물과 반응해 알칼리 용액 생성:

Cr³⁺ + 3OH^- → Cr(OH)₃

Al³⁺ + 3OH^- → Al(OH)₃

알칼리 용액 건조 경화로 건조 피막 형성, 주성분 Cr₂O₃, 두께 약 0.2~0.3µm.

하지만 이 크롬 피막은 독성이 강해 요즘은 자기조립 단분자막, 졸-겔 화학, 희토류, 코발트 등 대체 공법 사용. 이는 IM 입자 사전 제거 표면의 금속 부식 방지 목적.

2. 유기 코팅

알루미늄 부품이 아노다이징 또는 화학적 전환 처리되면 표면은 유기 코팅 준비 완료. 유기 코팅 시스템은 프라이머와 탑코트로 구성.

프라이머는 주 보호층으로 물이나 금속 접촉 시 부식 억제. 탑코트는 보호 수준 강화 및 심미적 목적.

알루미늄 합금 도장법: https://vietnamcastiron.com/painting-cast-aluminum-process/

결론

화학 성분, 미세조직, 환경 기준 알루미늄 합금 연구를 통해 합금 선택과 개발의 핵심 요소를 파악할 수 있습니다.

미세조직이 합금의 기계적 강도와 부식 성능을 결정. 부식 유형 정보 수집과 알루미늄 합금 내식성 분석이 표면 처리 연구를 심화시킵니다.

더 높은 합금 강도를 유지하면서 내식성 향상하려면 더 집중적인 연구와 테스트 필요. 단순히 결정질 기지 석출로 경화하는 기존 방식은 더 이상 통하지 않습니다.

가장 인기 있는 알루미늄 주조 결함 더 보기: https://vietnamcastiron.com/aluminum-casting-shrinkage/

본 문서는 VIC의 Mr. Dinh Tien Vu가 다음 출처 기반으로 작성:

• UK Aluminum Industry Fact Sheet 2: Aluminum and Corrosion (Alfed)
• Review Corrosion of Cast Aluminum Alloys (MDPI)
• Durability and Corrosion of Aluminium and Its Alloys: Overview, Property Space, Techniques and Developments (N. L. Sukiman 등)

본 문서 정보 인용 시 출처 표기 바랍니다.

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