스테인레스 스틸 볼트 및 알루미늄 갈바니 부식 설명

예, 알루미늄은 스테인리스강과 반응합니다. 하지만 관리가 가능합니다.

언제 스테인레스 스틸 볼트 알루미늄을 고정하는 데 사용되며 두 금속이 직접 전기적으로 접촉합니다. 갈바니 시리즈에 떨어져 있기 때문에 빗물, 습기 또는 염수 분무와 같은 전해질이 있는 경우 전기화학 반응이 일어나 알루미늄이 우선적으로 부식될 수 있습니다. 알루미늄이 부식됩니다. 스테인레스 스틸 볼트는 그렇지 않습니다.

좋은 소식은 갈바닉 부식으로 알려진 이 반응이 잘 알려져 있고, 관련된 표면적 비율로 정량화할 수 있으며, 올바른 절연 기술을 통해 예방할 수 있다는 것입니다. 전 세계적으로 수백만 개의 구조 어셈블리가 올바르게 설계되고 설치된 경우 알루미늄 부품에 스테인리스강 볼트를 성공적으로 사용합니다. 이 기사에서는 과학, 다양한 환경의 실제 위험 수준, 손상을 방지하기 위해 수행할 작업에 대해 정확하게 설명합니다.

스테인레스 스틸 볼트를 패스너로 선택하는 이유

호환성을 다루기 전에 먼저 스테인레스 스틸 볼트가 왜 그렇게 광범위하게 지정되는지 이해하는 것이 도움이 됩니다. 주로 등급 304, 316, 18-8 등급인 스테인리스강 패스너는 표면에 자연적으로 형성되고 긁힐 때 자가 치유되는 얇고 ​​안정적인 산화크롬 부동태층 덕분에 내식성이 있습니다.

일반적인 스테인레스 스틸 볼트 등급 및 특성

316등급 스테인레스 스틸 볼트는 다음과 같습니다. 알루미늄 조립품에 가장 적합한 패스너 염화물 유발 피팅에 대한 저항성을 향상시키는 몰리브덴 첨가로 인해 실외 또는 해양 환경에 노출됩니다. 이는 바닷물 환경에서 서로 다른 금속 간의 갈바닉 공격을 가속화하는 동일한 메커니즘입니다.

알루미늄과 스테인레스강 사이의 갈바니 반응 설명

갈바닉 부식에는 세 가지 동시 조건이 필요합니다. 즉, 전기화학적으로 서로 다른 두 금속, 두 금속 사이의 전기적 접촉, 양쪽 표면을 연결하는 전해질입니다. 이 세 가지 중 하나를 제거하면 반응이 완전히 중단됩니다. 이를 이해하는 것이 모든 예방 전략의 기초입니다.

갈바닉 시리즈에서 알루미늄과 스테인리스강이 차지하는 위치

갈바니 계열은 주어진 전해질(보통 해수)에서 전기화학적 전위에 따라 금속의 순위를 매깁니다. 이 규모에서 멀리 떨어져 있는 금속은 결합되면 더 빨리 부식됩니다. 서로 가까운 금속은 상대적으로 호환성이 있습니다. 알루미늄은 대략적으로 위치합니다. −0.76V 대 SCE , 스테인레스 스틸(수동)은 대략적으로 위치합니다. −0.05~0.20V 대 SCE - 등급 및 조건에 따라 0.5~1.0V의 전위차.

이 간격은 의미 있는 갈바니 전류를 유도할 만큼 충분히 큽니다. 더 양극성이 있는(덜 귀한) 알루미늄은 양극 역할을 하여 부식됩니다. 음극성이 더 높은(더 고귀한) 스테인리스 스틸 볼트는 보호되고 영향을 받지 않습니다. 실제적인 측면에서: 볼트 구멍 주변의 알루미늄이 부식됩니다. 스테인레스 스틸 볼트 자체는 열화되지 않습니다.

표면적 비율이 중요한 변수인 이유

갈바닉 부식의 심각도는 음극 표면적(스테인리스강)과 양극 표면적(알루미늄)의 비율에 크게 영향을 받습니다. 작은 양극을 구동하는 큰 음극은 부식 전류를 작은 영역에 집중시켜 빠르고 심각한 공격을 일으킵니다.

• 불리한 비율(위험함): 단일 알루미늄 리벳으로 고정된 대형 스테인리스 강판. 알루미늄 리벳은 매우 빠르게 부식되어 해양 환경에서 몇 달 내에 파손될 수 있습니다.
• 유리한 비율(덜 심각함): 대형 알루미늄 패널을 고정하는 스테인레스 스틸 볼트입니다. 넓은 알루미늄 영역은 갈바니 전류 밀도를 넓은 표면에 분산시켜 부식 속도를 크게 늦춥니다.
• 경험 법칙: 항상 귀금속(스테인레스강)을 더 작은 부품(예: 볼트)으로 사용하고 큰 시트로 사용하지 마십시오. 이것이 바로 알루미늄 구조물의 스테인리스강 볼트가 스테인리스강 구조물의 알루미늄 볼트보다 훨씬 더 적합한 이유입니다.

실제로 발생하는 부식의 양 - 실제 데이터

유럽 알루미늄 협회(European Aluminium Association)의 연구에 따르면 연속 염수 분무(ASTM B117 조건)에서 알루미늄 합금 6061-T6과 316 스테인레스강 사이의 갈바닉 부식으로 인해 대략 0.3~0.8mg/cm²/년 접촉 영역에서 - 얇은 시트 재료의 경우 중요하지만 두꺼운 구조 구성 요소의 경우 종종 무시됩니다. 가끔 습기가 있는 건조한 내륙 환경에서는 공격률이 거의 0으로 떨어집니다. 금속 페어링뿐만 아니라 환경이 실제 위험을 결정합니다.

위험 평가: 알루미늄에 스테인리스 스틸 볼트를 사용하는 경우 안전함과 문제가 있음

모든 애플리케이션이 동일한 위험을 수반하는 것은 아닙니다. 스테인레스 스틸 볼트와 알루미늄 사이의 갈바닉 부식의 실제 위험은 노출 조건, 전해액 가용성 및 필요한 설계 수명에 따라 크게 달라집니다. 아래 표는 실용적인 프레임워크를 제공합니다.

표의 주요 내용: 건조한 실내 환경 - 전자 인클로저, 가구 하드웨어, 내부 건축 설비 - 스테인레스 스틸 볼트s can be used in aluminum without any special precautions 정상적인 서비스 수명 동안 부식 문제를 일으키지 않습니다. 전도성 전해질이 지속적으로 존재하는 경우에만 위험이 실질적으로 중요해집니다.

스테인레스 스틸 볼트를 알루미늄과 함께 사용할 때 갈바니 부식을 방지하는 방법

예방은 항상 갈바니 부식에 필요한 세 가지 조건으로 돌아옵니다. 이종 금속, 전기 접촉 또는 전해질 중 하나를 제거하면 반응이 중지됩니다. 실제로 실외 환경에서 전해질만 제거하는 것은 장기적으로 거의 불가능하기 때문에 가장 신뢰할 수 있는 접근 방식은 절연과 실런트 도포를 결합하는 것입니다.

절연 와셔 및 슬리브

나일론, PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌) 또는 네오프렌으로 만든 비전도성 절연 부싱 또는 와셔는 스테인리스강 볼트 생크와 알루미늄 구멍 벽 사이, 그리고 볼트 헤드/너트와 알루미늄 표면 사이에 배치됩니다. 이는 직접적인 금속 간 전기 경로를 차단합니다. PTFE 절연 키트는 가장 내구성이 뛰어난 선택입니다. 고온 또는 화학적으로 공격적인 환경에 적합하며 최대 260°C까지 연속 사용이 가능합니다.

• 나일론 와셔: 저렴한 가격, 80°C 미만의 주변 온도 응용 분야에 적합
• PTFE 슬리브: 화학적으로 불활성이며 해양 및 화학 환경에 탁월
• 네오프렌 와셔: 유연하며 약간의 진동 감쇠가 필요한 구조적 접합부에 적합합니다.

부식 방지 화합물 및 조인트 실런트

조립 전 볼트 구멍과 접촉면에 비전도성 접합 화합물이나 실란트를 바르면 접합부에서 습기가 제거되어 전해액 상태가 직접적으로 해결됩니다. 일반적으로 사용되는 재료는 다음과 같습니다.

• 아연 크롬산염 또는 아연이 풍부한 프라이머: 항공우주 구조 및 방위 산업 분야의 볼트 구멍 주변의 알루미늄에 적용됩니다. 코팅이 긁힌 경우에도 희생적인 보호를 제공합니다.
• 다황화물 밀봉제: 항공우주 및 해양 알루미늄 구조물에 광범위하게 사용됩니다. 모든 빈 공간을 채우고 조인트 인터페이스에서 물을 영구적으로 제외합니다.
• 라놀린 기반의 고착 방지 화합물: 볼트를 주기적으로 제거하는 유지 관리 환경을 위한 실용적인 선택입니다. 또한 마손으로 인해 스테인리스 스틸 볼트가 알루미늄 나사산에 걸리는 것을 방지합니다.
• 실리콘 실런트: 일반 건설에 널리 사용되는 옵션입니다. 물 유입으로부터 조인트 주변을 밀봉하기 위해 조인 후 볼트 헤드 주변에 적용됩니다.

알루미늄 아노다이징

양극 산화 처리는 전기적으로 비전도성인 두껍고 단단한 산화알루미늄 층(일반적으로 유형 II의 경우 5~25μm, 유형 III 경질 양극 산화막의 경우 25~75μm)을 생성합니다. 스테인레스 스틸 볼트와 직접 접촉하는 양극 처리된 알루미늄 표면은 산화물 층이 전기 경로를 방해하기 때문에 갈바닉 부식에 훨씬 덜 민감합니다. 그러나, 양극 처리는 가공된 구멍 벽과 절단 가장자리에서 손상됩니다. 모재 금속이 노출된 곳이므로 습한 환경에서도 이 지점에 실런트를 도포하는 것이 좋습니다.

보다 적합한 패스너 재료 선택

격리가 비실용적이거나 장기간 유지 관리 접근이 제한된 응용 분야에서는 전기적으로 더 호환되는 패스너 재료로 전환하면 설계 단계에서 문제가 제거됩니다.

• 알루미늄 볼트: 갈바닉 전위차가 없습니다. 저부하, 비구조적 용도에 적합합니다. 제한된 강도(2024 알루미늄 합금 볼트의 경우 최대 300MPa 인장력, 스테인리스강의 경우 700MPa).
• 티타늄 볼트: 갈바닉 시리즈는 스테인리스 스틸에 가깝지만 알루미늄에 비해 스테인리스 스틸보다 갈바닉 구동력이 덜합니다. 중량 절감으로 비용 프리미엄(일반적으로 스테인리스강 볼트 가격의 5~10배)을 정당화하는 항공우주 및 고성능 해양 응용 분야에 사용됩니다.
• 용융 아연도금 강철 볼트: 아연 코팅은 강철과 알루미늄 모두에 양극 처리되어 일부 희생적인 보호 기능을 제공합니다. 완전 절연이 지정되지 않은 건설 현장에서 구조용 강철-알루미늄 연결을 위한 실용적인 선택입니다.

두 번째 문제: 스테인레스 스틸 볼트와 알루미늄 나사 사이의 마모

스테인레스 스틸 볼트를 알루미늄에 끼울 때 갈바닉 부식만이 유일한 문제는 아닙니다. 짜증나는 - 냉간 용접이라고도 함 - 조이는 동안 발생하는 압력과 열로 인해 스테인레스 스틸 볼트 나사산이 찢어지고 더 부드러운 알루미늄 나사산에 용접될 때 발생합니다. 결과적으로 나사산이나 주변 재료를 파괴하지 않고는 제거할 수 없는 패스너가 고착됩니다.

스테인레스 스틸은 마찰로 인해 수동 산화물 층이 분해되어 결합 표면에 냉간 용접되는 노출된 금속이 노출되기 때문에 특히 마모되기 쉽습니다. 알루미늄 탭 구멍에서 이런 일이 발생하면 일반적으로 더 부드러운 재료인 알루미늄 나사산이 파괴됩니다.

알루미늄 나사 연결부 마모 방지

• 고착 방지 윤활제를 바르십시오. 설치 전 볼트 스레드에 적용되는 니켈 기반, 구리 기반 또는 이황화 몰리브덴(MoS2) 고착 방지 화합물은 가장 효과적인 단일 예방 단계입니다. 건식 조립에 비해 마찰 계수가 40~60% 감소합니다.
• 스레드 인서트를 사용하십시오. 알루미늄에 설치된 스테인레스 스틸 Helicoil 또는 Keensert 스레드 인서트는 스테인레스-스테인레스 스레드 인터페이스를 제공하여 마손 위험과 알루미늄 스레드 손상을 모두 제거합니다. 이는 항공우주 및 자동차 알루미늄 조립품의 표준 관행입니다.
• 제어 설치 토크: 과도한 토크는 마모 위험을 극적으로 증가시킵니다. 항상 보정된 토크 렌치를 사용하고 제조업체의 토크 사양을 따르십시오. 이는 일반적으로 알루미늄 소재의 스테인리스강 볼트에 적용됩니다. 표준 스테인리스-강 토크 값보다 15~25% 낮음 알루미늄의 낮은 베어링 강도를 설명하기 위해.
• 적절한 스레드 결합을 보장합니다. 알루미늄의 경우 하중을 분산시키고 단위 나사산 응력을 줄이기 위해 최소 1.5× 볼트 직경의 나사산 맞물림이 권장됩니다. 중요한 구조적 연결의 경우 2× 직경이 선호됩니다.

알루미늄 스테인리스강 볼트의 실제 설치 지침

일관된 설치 프로세스를 따르면 갈바닉 위험과 기계적 위험이 모두 크게 줄어듭니다. 아래 단계는 가장 까다로운 일반적인 시나리오인 습기 노출이 예상되는 실외 구조 연결에 적용됩니다.

1. 선택 316 스테인레스 스틸 볼트 해양 또는 연안 응용 분야용; 304/18-8은 대부분의 기타 실외 환경에 적합합니다.
2. 볼트 헤드와 너트 아래에 PTFE 또는 나일론 절연 와셔를 설치하고, 전기 절연이 필요한 경우 볼트 구멍을 통해 PTFE 슬리브를 설치합니다.
3. 마모를 방지하려면 삽입하기 전에 볼트 나사산에 고착 방지제(MoS2 또는 니켈 기반)를 바르십시오.
4. 습기 유입을 방지하기 위해 조인 후 볼트 헤드와 너트 주변에 폴리설파이드 또는 실리콘 실런트 비드를 바르십시오.
5. 볼트 등급 및 직경에 대해 지정된 값으로 토크를 가하십시오. 임팩트 드라이버가 아닌 토크 렌치를 사용하십시오.
6. 노출이 많은 환경에서는 매년 조인트를 검사하십시오. 균열이나 수축이 관찰되면 실런트를 다시 도포하십시오.

이 순서에 따라 스테인리스강 볼트는 다음의 서비스 수명 동안 알루미늄 구조물에 안정적으로 사용될 수 있습니다. 20~30년 이상 전 세계적으로 알루미늄 프레임 태양광 설치 시스템과 해양 등급 건축 클래딩 시스템의 장기적인 성능을 통해 입증된 바와 같이 연안 환경에서도 마찬가지입니다.

스테인레스 스틸 볼트 및 알루미늄 호환성에 대해 자주 묻는 질문

스테인레스 스틸 볼트를 알루미늄에 사용하면 부식되나요?

아니요. 스테인리스강과 알루미늄 사이의 갈바닉 결합에서 스테인리스강은 더 귀한(음극) 금속이며 보호됩니다. 스테인리스 스틸 볼트 자체는 부식되지 않으며 주변 알루미늄만 영향을 받을 수 있습니다. 이것이 볼트 구멍 주변의 알루미늄이 백색 분말 부식(수산화알루미늄)의 징후를 보이는 조립품에서도 스테인레스 스틸 볼트가 구조적으로 손상되지 않은 이유입니다.

실외 알루미늄 연결에는 304 또는 316 스테인리스 스틸이 더 좋습니까?

해안에서 1km 이상 떨어진 일반 실외 사용의 경우 304 스테인리스 스틸 볼트가 적합하고 비용 효율적입니다. 바닷물로부터 1km 이내 또는 제빙염에 노출된 모든 용도(도로 염분, 보도 처리), 316 스테인레스 스틸이 올바른 선택입니다 . 316에 2% 몰리브덴을 첨가하면 염화물로 인한 틈새 부식을 방지할 수 있습니다. 이는 격리가 양호하더라도 볼트와 알루미늄 사이의 긴밀한 접촉 영역에서 발생할 수 있습니다.

스테인리스강 볼트를 모든 알루미늄 합금에 사용할 수 있나요?

예, 갈바닉 관계는 알루미늄 합금 전반에 걸쳐 일관됩니다. 모두 스테인레스 스틸과 비교하여 갈바닉 시리즈에서 동일한 일반 범위에 속합니다. 그러나 일부 알루미늄 합금은 본질적으로 다른 합금보다 내식성이 더 높습니다. 5000 시리즈(해양 등급) 및 6000 시리즈 합금은 2000 시리즈(구리 함유) 및 7000 시리즈(아연 함유) 합금보다 내식성이 훨씬 더 뛰어나며, 습한 환경에서 스테인리스강과 갈바닉 접촉할 때 더 활동적이고 더 빨리 부식됩니다.