갈바닉 부식

갈바닉 부식 (Galvanic corrosion)은 두 종류 이상의 서로 다른 금속 또는 합금이 전해질(electrolyte)이 있는 환경에서 전기적으로 접촉할 때 발생하는 전기화학적 부식 현상이다. 이는 일종의 미세한 전지를 형성하여 한 금속이 다른 금속보다 우선적으로 부식되는 것을 특징으로 한다. 루이지 갈바니의 연구에서 파생된 전기화학 원리와 관련이 있어 '갈바닉'이라는 이름이 붙었다.

개요

갈바닉 부식은 서로 다른 표준 전극 전위(standard electrode potential)를 가진 두 금속이 전해질 용액에 잠기거나 전해질 필름에 의해 연결되었을 때 발생한다. 이때 전위가 낮은, 즉 전기화학적으로 더 활성적인 금속이 아노드(anode) 역할을 하여 산화(oxidation) 과정을 거치며 부식된다. 반면, 전위가 높은, 즉 더 귀한(noble) 금속은 캐소드(cathode) 역할을 하며, 이 곳에서는 전해질 내의 다른 물질(주로 용존 산소나 수소 이온)이 환원(reduction)된다. 전자는 아노드에서 캐소드로 금속 경로를 통해 이동하고, 이온은 전해질을 통해 이동하여 회로를 완성한다. 결과적으로 아노드 역할을 하는 금속만 집중적으로 부식된다.

부식에 영향을 미치는 요인

갈바닉 부식의 속도와 심각성은 여러 요인에 의해 결정된다.

• 금속 간의 전위차: 두 금속 간의 표준 전극 전위 차이가 클수록 갈바닉 부식의 구동력이 커져 부식 속도가 빨라진다. 갈바닉 계열(Galvanic series)은 실제 환경에서의 상대적인 전위 순서를 나타내며, 이를 통해 어떤 금속 조합이 위험한지 예측할 수 있다.
• 전해질의 전도성: 전해질의 전도성이 높을수록(예: 해수, 산업용수) 이온 이동이 용이해져 부식 속도가 증가한다.
• 아노드/캐소드 면적 비율: 캐소드 금속의 표면적이 아노드 금속의 표면적보다 훨씬 클 경우, 아노드 금속에서의 전류 밀도가 매우 높아져 아노드의 부식이 극적으로 가속될 수 있다.
• 온도: 일반적으로 온도가 높을수록 전기화학 반응 속도가 빨라져 부식이 증가한다.
• 용존 산소 농도: 중성 또는 알칼리성 전해질에서는 캐소드 반응에 산소가 중요하므로 용존 산소 농도가 높을수록 부식이 촉진될 수 있다.
• 전해질의 성분 및 pH: 전해질에 포함된 이온 종류나 pH에 따라 반응 속도와 메커니즘이 달라질 수 있다.

갈바닉 계열

갈바닉 계열은 특정 전해질 환경(예: 해수)에서 여러 금속 및 합금을 상대적인 전위 순서에 따라 나열한 것이다. 이 계열에서 위에 있는 금속일수록(활성적) 아노드가 되기 쉽고, 아래에 있는 금속일수록(귀한) 캐소드가 되기 쉽다. 예를 들어, 해수 환경에서 마그네슘, 아연, 알루미늄 합금은 철강보다 활성적이며, 철강은 구리, 스테인리스강, 티타늄보다 활성적이다. 따라서 마그네슘과 철강이 접촉하면 마그네슘이 부식되고, 철강과 구리가 접촉하면 철강이 부식될 가능성이 높다.

발생 사례

갈바닉 부식은 다양한 산업 및 일상 환경에서 흔히 관찰된다.

• 선박이나 해양 구조물에서 강철 선체와 청동 프로펠러가 만나는 부분.
• 아연 도금된 강판(함석)의 도금층이 손상되었을 때 아연이 철보다 먼저 부식되어 철을 보호하는 원리 (이는 의도적인 갈바닉 작용이다).
• 구리 배관과 철제 배관이 직접 연결된 경우 철제 배관이 부식되는 현상.
• 건축물에서 알루미늄 외장재와 강철 패스너가 사용된 경우.
• 자동차 부품에서 서로 다른 금속이 접촉하는 부분.

방지 및 제어

갈바닉 부식을 방지하거나 최소화하기 위한 여러 방법이 있다.

• 재료 선택: 가능한 한 갈바닉 계열에서 가까운 위치에 있는 금속 또는 합금을 함께 사용한다.
• 절연: 두 금속 사이에 전기적 절연체(고무, 플라스틱, 페인트, 가스켓 등)를 사용하여 전기적 접촉을 차단한다.
• 코팅: 금속 표면에 보호 코팅(페인트, 아연 도금, 크롬 도금 등)을 적용하여 금속과 전해질의 접촉을 막는다. 다만, 코팅이 손상될 경우 손상 부위에서 집중적인 부식이 발생할 수 있다.
• 음극 보호(Cathodic Protection):
  • 희생양 아노드법: 보호하려는 금속보다 더 활성적인 금속(희생양 아노드, 예: 아연, 마그네슘, 알루미늄 합금)을 전기적으로 연결하여 희생양 아노드만 부식되게 하고 보호하려는 금속은 캐소드가 되어 부식을 막는다.
  • 외부 전원법: 외부 직류 전원을 사용하여 보호하려는 금속에 전자를 공급하여 강제로 음극 상태로 만든다.
• 설계: 물이 고이지 않고 잘 배수되도록 설계하여 전해질 접촉 시간을 최소화한다. 오염물질이나 습기가 쌓이기 쉬운 틈새(crevice)를 피하는 설계를 적용한다.
• 환경 제어: 전해질의 성분이나 농도를 조절하거나, 부식 억제제(inhibitor)를 첨가하여 부식성을 낮춘다.

관련 개념

전기화학적 부식, 아노드, 캐소드, 전해질, 희생양 아노드, 음극 보호, 갈바닉 계열.