알루미늄과 스테인리스강의 반응: 갈바니 부식을 방지하는 방법

태양열 발전소의 유지 관리 기록에는 익숙한 이야기가 담겨 있습니다. 흰색의 백악질 침전물이 알루미늄 장착 레일의 스테인레스 스틸 볼트 주위로 퍼지고 있었고, 각 볼트 머리 아래에 구멍이 나기 시작했습니다. 이는 실제로 알루미늄과 스테인리스강의 반응이며, 혼합 금속 조립품에서 조기 파손의 가장 일반적인 원인 중 하나입니다. 이 반응은 두 금속이 결코 함께 사용될 수 없다는 것을 의미하지 않습니다. 이는 접합부가 갈바닉 부식에 대한 명확한 이해를 바탕으로 설계되어야 함을 의미하며, 이는 바로 이 기사에서 제공하는 내용입니다.

알루미늄과 스테인레스강의 반응은 실제로 무엇인가요?

알루미늄과 스테인리스강의 반응은 바이메탈 부식이라고도 불리는 갈바닉 부식의 한 형태입니다. 두 금속이 전기적으로 접촉하고 둘 다 해수 물보라, 빗물, 응결 또는 단순히 지속적인 습도 등 전해질에 노출되면 갈바니 쌍을 형성합니다. 덜 귀한 금속인 알루미늄이 양극이 되어 금속 이온을 방출하기 시작합니다. 귀금속인 스테인리스강이 음극이 됩니다. 전자는 금속 연결을 통해 양극에서 음극으로 이동하고 전해질은 전기 회로를 완성합니다. 결과적으로 알루미늄은 자체적으로 부식되는 것보다 훨씬 빠르게 부식됩니다.

이것은 알루미늄에 대한 스테인리스 스틸의 화학적 공격이 아닙니다. 스테인레스 스틸은 알루미늄의 자연적인 부식을 가속화하는 크고 효율적인 음극 역할을 합니다. 눈에 보이는 징후는 뚜렷합니다. 알루미늄 표면의 흰색 또는 회색 부식 생성물, 패스너 헤드 또는 와셔 주변의 패임, 심한 경우 알루미늄의 두께가 얇아짐에 따라 조임력이 점진적으로 상실됩니다.

반드시 갖춰야 할 세 가지 조건

갈바닉 부식은 자동으로 발생하지 않습니다. 세 가지 동시 조건이 필요하며 그 중 하나를 제거하면 반응이 중지됩니다.

• 전기적 접촉. 두 금속은 전도성 경로를 통해 연결되어야 합니다. 알루미늄 레일에 박힌 스테인리스 스틸 볼트 또는 스테인리스 스틸 너트로 고정된 알루미늄 브래킷이 바로 그 경로를 제공합니다.
• 전해질. 전도성 유체는 두 표면을 연결해야 합니다. 바닷물은 가장 공격적인 전해질이지만 빗물, 응축수, 심지어 코팅 아래에 흡수된 습기도 의미 있는 속도로 반응을 촉진할 수 있습니다.
• 전기화학적 전위의 차이입니다. 금속은 부식 경향이 달라야 합니다. 알루미늄과 스테인리스강은 바닷물에서 약 0.5V 정도 차이가 나며 이는 심각한 부식을 견디기에 충분합니다.

실질적인 결과는 간단합니다. 금속을 건조한 상태로 유지하거나, 전기적으로 분리된 상태로 유지하거나, 알루미늄이 부식된다는 점을 인정하는 것입니다. 모든 효과적인 예방 방법은 이 세 가지 상태 중 하나를 공격합니다.

알루미늄이 항상 희생 금속인 이유

모든 금속은 주어진 환경에서 부식 가능성에 따라 재료의 순위를 매기는 갈바니 시리즈에 위치합니다. 바닷물에서는 스테인리스강이 알루미늄보다 훨씬 위에 위치합니다. 이는 두 개가 습식 조립체로 연결될 때마다 스테인리스 스틸이 음극이고 알루미늄이 양극임을 의미합니다.

한 가지 뉘앙스는 알아 둘 가치가 있습니다. 스테인레스 스틸은 수동 산화물 층이 손상되지 않은 동안에만 고귀한 것입니다. 볼트 머리 아래 틈이나 단단히 고정된 표면 사이와 같이 산소가 부족한 틈새 내부에서 스테인리스강은 수동층을 잃어 활성층이 될 수 있습니다. 이것이 바로 알루미늄이 없어도 스테인레스 패스너에 틈새 부식이 나타나는 이유입니다. 그러나 날씨에 노출된 알루미늄-강철 조합의 실제 결과는 일관됩니다. 알루미늄은 재료를 잃는 금속입니다.

알루미늄과 스테인레스 스틸을 안전하게 함께 사용할 수 있는 경우

알루미늄과 스테인레스 스틸의 반응은 불가피하지 않습니다. 갈바닉 부식 조건이 충족되지 않았기 때문에 수많은 혼합 금속 조립품이 긴 사용 수명을 제공했습니다.

• 실내, 건조한 환경. 가열되고 환기되는 내부는 갈바니 부식을 견딜 만큼 충분한 전해질을 거의 제공하지 않으므로 부부는 수십 년 동안 활동하지 않을 수 있습니다.
• 밀봉된 조인트. 인터페이스가 호환 가능한 실런트로 코팅되거나 습기 차단 장벽으로 분리된 경우 전해질이 접합부에 도달할 수 없으며 회로는 열린 상태로 유지됩니다.
• 유리한 면적 비율. 알루미늄 부품이 크고 스테인리스 부품이 작은 경우 갈바닉 전류가 넓은 알루미늄 표면으로 퍼지므로 국부적인 부식률은 의도한 설계 수명 동안 허용될 수 있습니다. 위험한 경우는 그 반대입니다. 대형 스테인리스 스틸 구조물에 부착된 작은 알루미늄 부품이 모든 부식을 작은 양극에 집중시켜 빠르게 파손됩니다.

실외 또는 해양 서비스의 경우 보수적으로 가정하면 결국 습기가 존재할 것입니다. 날씨에 노출되는 태양열 랙, 건축 클래딩, 보트 하드웨어 및 산업용 장비에서 방지는 선택 사항이 아닌 설계 요구 사항입니다.

혼합 금속 조립품의 갈바니 부식을 방지하는 방법

갈바닉 부식을 막는 가장 확실한 방법은 두 금속 사이의 전기 회로를 차단하거나 전해질을 접합부에서 멀리 두는 것입니다. 여러 가지 조치를 조합하면 효과가 좋습니다.

1. 비전도성 장벽으로 절연하십시오. 스테인레스 스틸 패스너 헤드 아래의 나일론 또는 섬유 와셔는 볼트 생크 위의 절연 슬리브와 결합되어 금속과 금속의 직접적인 접촉을 방지합니다. 이것이 가장 효과적인 단일 방법입니다.
2. 조인트를 밀봉합니다. 패스너 헤드 주위와 연결부 가장자리를 따라 도포된 폴리황화물, 폴리우레탄 또는 부틸 실런트는 습기를 제거하고 표면을 물리적으로 분리합니다.
3. 코팅은 주의하여 사용하십시오. 조립하기 전에 알루미늄을 분말 코팅하거나 페인팅하면 장벽이 추가되지만 긁힘이나 칩이 있으면 국부적 양극이 생성될 수 있습니다. 코팅이 유일한 방어선이 되어서는 안 됩니다.
4. 배수를 위한 디자인. 패스너 주변에 물이 고이는 대신 패스너에서 물이 배수되도록 조인트를 배치합니다.

스테인리스강 평와셔는 이 시스템에서 두 가지 역할을 합니다. 이는 연질 알루미늄에 중요한 클램핑 하중을 더 넓은 영역으로 분산시키고 너트 또는 볼트 헤드에 부드러운 베어링 표면을 제공합니다. 절연층에 의해 알루미늄과 분리되지 않는 한 이 자체로는 갈바닉 부식을 막지 못합니다. 나일론 와셔 또는 실란트 비드와 함께 사용할 경우 304 스테인리스강 평와셔는 긴 사용 수명과 일관된 클램핑 성능을 제공합니다.

M10 볼트용 SS304 평와셔, DIN125/GB97 이 304 스테인리스강 평와셔는 연질 알루미늄에 클램핑 하중을 분산시키고 매끄러운 베어링 표면을 제공하지만 갈바닉 절연에는 여전히 분리층이 필요합니다. 제품보기 →

올바른 스테인레스강 패스너 등급 선택

설계에 알루미늄과 접촉하는 스테인리스강 패스너가 필요한 경우 두 가지 표준 선택은 304(A2) 및 316(A4) 스테인리스강입니다. 둘 다 탄소강보다 내식성이 훨씬 뛰어난 오스테나이트 등급이며 둘 다 갈바니 계열에서 비슷한 위치에 있습니다. 선택은 부부의 전기적 행동을 바꾸지 않습니다. 두 등급 모두 알루미늄 보호 측면에서 다른 등급보다 유의미하게 우수하지 않으므로 실제로 결정은 패스너 자체가 사용 환경에서 얼마나 잘 유지되는지에 달려 있습니다.

304 스테인레스 스틸은 대부분의 산업 및 건축 작업의 기본값입니다. 대기 부식, 담수 및 광범위한 화학 물질에 저항합니다. 내륙 태양전지 어레이 또는 건물 외관의 경우 304등급의 스테인레스 스틸 패스너가 입증되고 비용 효율적인 선택입니다. 304와 316은 모두 DIN 933, GB5783 및 ISO 4017 표준에 따라 생산됩니다. 304 대 316 스테인리스강 육각 볼트 두 등급을 더 자세히 비교합니다.

SS304 M10 육각 머리 볼트, DIN933 표준 내륙 또는 일반 환경을 위한 입증되고 비용 효율적인 304 스테인리스강 볼트로 구조적 연결을 위한 대기 부식 방지 및 안정적인 하중 지지 성능을 제공합니다. 제품보기 →

316 스테인리스강에는 몰리브덴이 첨가되어 염화물에 대한 내성이 향상됩니다. 해안 설치물, 보트 하드웨어 및 도로 염분에 노출된 환경에서는 패스너가 가장 까다로운 조건에서 어셈블리보다 오래 지속되어야 하므로 패스너로 316을 사용해야 합니다. 일반적으로, 스테인레스 스틸 패스너 제품군 혼합 금속 프로젝트의 경우 다른 등급이 어떻게든 알루미늄을 보호할 것이라는 가정이 아니라 염화물 노출을 기준으로 선택해야 합니다.

해안 설치의 경우 316 육각 너트와 316 볼트를 결합하는 것이 가장 신뢰할 수 있는 옵션이며, 특히 시간이 지남에 따라 검사할 나사산 연결의 경우 더욱 그렇습니다. 해양 대기에서 304와 316의 내식성 차이는 316의 더 높은 가격을 정당화할 만큼 충분히 큽니다.

SS316 M10 육각 너트, DIN934 표준 해양 및 염화물이 풍부한 환경을 위해 설계된 A4-80 등급의 316 스테인리스강 육각 너트는 316 볼트와 함께 사용 시 안전한 클램핑 및 장기간 부식 방지 기능을 제공합니다. 제품보기 →

실제 조립 지침

기본 사항을 건너뛰면 혼합 금속 조립품이 실패합니다. 다음 순서는 태양광 장착, 해양 데크 하드웨어, 산업용 프레임 및 건축용 알루미늄 구조물에 효과적인 것으로 입증되었습니다.

1. 조립하기 전에 양쪽 표면을 청소하십시오. 그리스, 모래 또는 전도성 오염은 설계가 올바른 경우에도 부식 셀을 생성할 수 있습니다.
2. 먼저 절연층을 설치하세요. 나일론 와셔나 실란트 비드를 스테인리스 스틸 패스너 헤드 아래와 너트의 베어링 면에 놓습니다.
3. 정격 토크로 조이십시오. 과도한 토크를 가하면 절연층이 부서지고 알루미늄이 변형되며 조인트가 갈바닉 부식과 응력 완화에 취약해집니다.
4. 첫 번째 노출 시즌 이후에 검사하십시오. 초기 부식은 흰색 분말이나 희미한 구멍으로 나타납니다. 그런 다음 잡히면 구조적 수리가 아니라 교체 와셔와 실런트를 살짝 바르는 것이 해결책입니다.

이 중 어느 것도 엔지니어와 제작자가 알루미늄과 스테인리스강을 함께 사용하는 것을 방해해서는 안 됩니다. 위의 규칙을 따를 때 두 재료는 시스템으로 잘 작동합니다. 알루미늄은 갈바니 회로가 완전한 상태로 유지되어야만 부식되며 해당 회로는 쉽게 중단될 수 있습니다.