펌프이론 1.6 – 재질

이 장에선 펌프의 제작에 사용되는 다양한 금속 재질에 대하여 설명하였다.
이장의 주된 목적은 각 금속 및 합금의 특성에 대해 알아보는 것이다. 먼저 각 재질의 특성에 대하여 알아보기 전에 부식에 대하여 알아야 한다.
부식의 정의와 다양한 부식 현상에 대하여 알아보고, 부식을 방지하기 위한 대책도 함께 기술했다.

1.6.1 부식이란 ?

부식이란 일반적으로 금속이 주위 환경에 대하여 화학적 또는 전기화학적으로 반응하여 소손되는 현상이다. (Fig. 1.6.1 참조) 넓게 생각해보면, 부식은 금속이 산화되어 자연 상태로 복귀하는 현상이라고 할 수 있지만, 금이나 플래티늄과 같이 자연 상태에서도 금속의 형태로 존재하는 것들도 있다.

어떤 금속들은 그 표면에 조밀한 산화 피막을 생성하여 부식의 진행을 방지한다. 만약 이러한 피막이 손상되게 되면 부식에 대한 내부식성을 상실하게 된다. 대기중에서 부식되는 아연이나 알루미늄도 이렇게 조밀한 피막을 생성하여 부식이 발생하지 않는다. 이와 마찬가지로, 스테인레스 스틸 표면에도 조밀한 철과 크롬의 산화피막을 생성하며, 티타늄에는 티타늄 산화피막이 생성되어 있다. 이러한 금속의 우수한 내부식성은 생성된 보호 피막으로 설명 가능하다. 한편, 녹은 철과 같이 내부식성이 없는 재질에서 부식으로 생성된 물질이다. 이러한 녹은 조직이 치밀하지 않고 원래 금속과 단단하게 붙어있지 않기 때문에 부식을 방지하지 못한다.
Fig. 1.6.2 참조

1.6.2 부식의 종류

일반적으로 금속 부식은 금속의 표면에 국부적으로 발생하는 재질의 손실과 관계가 있다. 부식은 전체적인 표면에 걸쳐 발생하는 전면 부식에서 국부적으로 발생하는 부식까지 다양한 형태로 발생한다.
화학적, 물리적 환경은 부식의 정도 및 부식의 종류를 결정짓는 요소가 된다. 이런 환경은 또한 부식으로 생성되는 물질을 결정하며, 생성된 물질은 필요할 경우 부식과 관련된 현상을 분석하는데 사용되기도 한다.
대부분의 경우 비록 많은 비용을 투입하더라도 부식의 진행을 완벽하게 막을 수는 없지만, 적정 수준까지 부식을 방지하는 것은 가능하다.

다음은 다양한 부식과 그 특성에 대하여 알아보고자 한다.

전면 부식
전면 부식 또는 일반 부식은 전체적으로 균일하게 부식이 발생하거나 또는 전체 표면 중에 광범위한 부분에 발생하는 특성이 있다. 일반적으로 두께 방향으로 점차 얇아지다가 최종적으로는 금속이 부러지게 된다.
전면부식은 가장 많은 양의 금속폐기물이 발생하는 원인이다.

전면 부식 발생이 쉽게 일어나는 금속 :

• 기체가 함유된 물 속의 철
• 산성 액체 속의 스테인레스 스틸 (황산 용액 속의 EN 1.4301 / AISI304)

공식
공식은 국부적으로 발생하는 부식이다. 공식이 발생하게 되면 금속의 표면에 구멍이나 홈이 발생한다. 공식은 금속의 부분에 구멍을 내게 되므로 금속 질량의 감소량을 측정하게 되면 전체 부식량이 가장 작을 수도 있다. 하지만 그 부식의 집중도를 다른 부식과 비교해 보면, 단순히
부식성 액체에 의한 부식보다 10배 내지 100배 정도까지 클 수도 있다.
공식은 오염된 환경에서 쉽게 발생한다.

공식이 쉽게 일어나는 금속 :

• 해수 속의 스테인레스 스틸

틈새 부식
틈새 부식은 공식처럼 국부적으로 발생하는 부식이다. 하지만 틈새부식은 공식보다 더욱 쉽게 발생한다. 틈새 부식은 금속과 금속 또는 금속과 비금속 표면사이의 좁은 공간 또는 틈새에서 발생하며, 주위 환경 오염정도와 관계가 있다. 플랜지 연결부위 또는 나사의 연결부위와 같은
틈새에서 쉽게 발생된다.

틈새 부식이 쉽게 일어나는 금속 :

• 해수 속의 스테인레스 스틸

입계 부식
명칭으로도 알 수 있듯 입계 부식은 금속 조직의 경계에서 발생하는 부식현상이다. 입계 부식은 다른 말로 내결정간 부식이라고도 한다.
입계부식은 전형적으로 금속 조직 경계 부위의 크롬이 용접 작업 또는 부적절한 열처리 작업 등이 원인이며 탄화로 인해 부식이 촉진되는 것으로 알려져 있다. 금속 조직으로 경계 외부의 미세한 공간에 부식을 방지하는 크롬 성분이 없어지면서 다른 부위보다 내부식성이 떨어지게
되는데, 이것은 금속의 크롬 성분이 재질의 내부식성에 큰 영향을 미치기 때문에 발생하는 현상이다.

입계 부식이 쉽게 일어나는 금속 :

• 부적절한 용접이나 열처리 된 스테인레스 스틸
• 질산 농축액 속의 스테인레스 스틸 EN 1.4401 (AISI 316)

선택 부식
선택 부식은 합금 중에 있는 특정한 원소가 용해되거나 또는 특정원소만이 선택적으로 침해되는 현상으로 해당 원소의 결핍으로 인하여 금속의 구조는 약화된다.

선택 부식이 쉽게 일어나는 금속 :

• 불안정한 황동의 탈아연 현상, 이로 인한 동(구리) 구조의 약화 및 다공화
• 주철의 흑연화, 철 성분이 용해되어 깨지기 쉬운 흑연 골격만 남게됨.

침식 부식
침식 부식은 말 그대로 침식 현상과 결부된 부식 현상으로 이러한 부식현상은 금속의 표면과 부식성 액체의 유동간의 관계에 따라 부식의 정도가 달라지게 된다. 이 부식 현상은 난류가 발생하는 부분 또는 유속이 빠른 부분에서 집중적으로 발생한다. 특히 이 부식은 유체 진행 방향에
따른 일정한 홈이 특징으로 나타난다.

침식 부식이 쉽게 일어나는 금속 :

• 해수 속의 청동
• 물속의 동(구리)

캐비테이션 부식
빠른 유속으로 펌핑되는 액체에서 압력은 감소되고 이 때, 압력이 그 액체의 포화증기압 이하가 되면 기포가 발생하게 되고 다시 압력이 상승하게 되면서 발생된 기포가 붕괴하게 되는데, 기포가 붕괴하면서 집중적인 충격파가 발생하게 된다. 결론적으로 이런 기포가 붕괴하면서 금속 또는 부식을 방지하는 산화물이 제거 된다.

캐비테이션 부식이 쉽게 일어나는 금속 :

• 높은 온도의 물 속 주철
• 해수 속의 청동

응력 부식 균열 (SCC)
응력 부식 균열은 부식이 발생하는 환경에서 외부에서 가해지는 인장 응력 또는 내부적인 인장 응력이 복합적으로 작용하여 발생하게 된다.
금속의 현저한 변형 또는 명백한 손상이 없이도 금속에 균열이 발생하기도 하며, 종종 공식 부식이 이러한 응력 부식 균열 현상에 관여되기도 한다.

응력 부식 균열이 쉽게 일어나는 금속 :

• 염화물 속의 스테인레스 스틸 EN 1.4401 (AISI 316)
• 암모니아 속의 황동

부식 피로
순수한 기계적인 피로 현상은 재질에 항복 인장 강도 이하의 인장 응력이 주기적이고 반복적으로 작용하여 발생하게 된다. 만약 재질이 갑자기 부식 환경에 노출 되면 더 짧은 시간에 더 작은 하중으로도 이러한 피로 현상이 발생하게 된다. 순수한 기계적인 피로현상과 달리 부식과 관계된 피로현상에는 피로한계가 없는 것으로 알려져 있다.

부식피로가 쉽게 일어나는 금속 :

• 부식환경 속의 알루미늄 구조

갈바닉 부식
부식 전해액 속에서 두 종류의 금속재질이 접촉하고 있다면 (갈바닉 셀), 부식이 용이한 재질에서는 부식 현상이 증가하고(아노드 영역), 부식이 덜 용이한 재질에서는 부식 현상이 감소하게 된다. 이러한 갈바닉 셀에서 각각의 금속 및 합금 재질의 부식 정도는 갈바닉 시리즈라고 하는 이온화 경향에 따라 결정되게 된다. 이러한 갈바닉 시리즈는 주어진 환경에서 각기 다른 금속 및 합금의 이온화 경향을 나타낸다.
(예. 해수, Fig. 1.6.12 참조)
이러한 갈바닉 시리즈에서 멀리 떨어져 위치하는 재질들일수록 갈바닉 부식 효과가 크다. 이 시리즈에서 위쪽에 있는 금속 또는 합금이 부식이 잘 되지 않는 재질들이며, 아래쪽으로 갈수록 부식이 잘되는 재질로 구성되어 있다.

갈바닉 부식이 쉽게 일어나는 금속 :

• 스테인레스 스틸 (1.4401)과 접촉하고 있는 철
• 동(구리)과 접촉하고 있는 알루미늄

음극 방식법(cathodic protection)이라고 하는 부식 방지 기술은 이러한 갈바닉 부식 원리를 이용하는 것이다. 음극 방식법이란 아연 또는 알루미늄과 같은 희생 아노드를 사용하거나 또는 적절한 전류를 흘려 부식을 방지하는 방법이다.

주철
주철은 철과 실리콘, 탄소의 합금이라고 할 수 있다. 일반적으로 탄소의 함유량은 중량으로 3~4% 정도이며, 이 중 대부분의 탄소는 용해되지 않은 상태로 존재 한다. (예, 작은 구상의 흑연 또는 작은 흑연 조각) 주철의 종류에는 크게 회주철과 구상흑연주철이 있다. 주철의 내부식성은 강 내부식성과 거의 비슷하며 경우에 따라 강보다 우수한 경우도 있다.
내부식성을 향상시키기 위하여 주철에 실리콘을 13~16% 함유 시키거나 니켈을 15~35% 함유시켜 합금을 제작하기도 한다. 특히 자동차 및 밸브, 펌프, 파이프 등의 산업에서 다양한 각종 주철 제품들이 폭 넓게 사용된다.
주철 재질은 중성 또는 알칼리 액체에 대한 내부식성이 우수하지만, 산성 액체에는 매우 취약한 편이다.

회주철

회주철에는 흑연 조각들이 작은 박편으로 페라이트 또는 펄라이트 조직속에 흩어져 있다. 이런 이유로 회주철의 파단면은 회색을 띄게 된다.
(그래서 이름이 회주철임.) 인장하중이 가해지면 흑연의 박편에 응력이 집중되므로 인장 하중에 대하여 매우 약하며 잘 깨지는 성질을 가지게 되지만, 압축 하중에 대한 강도 및 연성은 우수하다. 회주철은 진동에 대한 감쇠 성능이 우수하기 때문에 자동차의 엔진블록 제작에 사용된다. 회주철은 저렴한 가격의 재질이며, 수축에 의한 위험이 적기 때문에 주조하기 용이하므로, 적정 강도가 요구되는 펌프의 부품을 제작하는데 종종 사용된다.

염화 물질이 포함된 환경에서는 스테인레스 강에 공식이나 틈새 부식과 같은 국부적인 부식 현상이 발생하기도 한다. 이러한 부식에 대한 스테인레스 강의 내식 성능은 재질의 화학적 성분과 밀접한 관련이 있다.
스테인레스 강의 공식에 대한 내식 성능을 알아보기 위하여 일반적으로는 공식 저항 계수(PRE)를 사용한다. 공식 저항 계수 값은 크롬 몰리브덴 및 질소와 같이 합금을 구성하는 원소들이 가지고 있는 공식에 대한 내부식성을 상대적으로 고려한 공식으로 계산된다.

페라이트 (자성)
페라이트 스테인레스 강의 특징은 내부식성이 우수하고, 응력 부식 균열에 대한 내부식성은 매우 우수하며 적정 강도를 가지고 있다. 페라이트 스테인레스 강은 주로 티스푼, 주방 싱크, 세탁기 드럼 등과 같이 유지보수가 필요 없고 녹이 발생되지 않아야 하는 부품에 사용된다.

마르텐사이트 (자성)
마르텐사이트 스테인레스 강의 특성은 높은 강도를 가지고 있으며 제한적인 내부식성을 가지고 있다. 마르텐사이트 스테인레스 강은 스프링이나 샤프트, 수술용 기구 또는 칼이나 가위 같은 날카로운 기구를 제작하는데 사용된다.

오스테나이트 (비자성)
오스테나이트 스테인레스 강은 가장 일반적인 스테인레스 강으로써, 내부식성이 매우 우수하고 성형성, 용접성 및 강도가 매우 우수하다. 특히 EN 1.4301 또는 EN 1.4401 과 같은 오스테나이트 스테인레스 강은 산업 분야에 적용되는 펌프 대부분의 부품을 제작하는데 사용되고, 이 재질은 주조 및 단조에도 사용 가능하다.

EN 1.4305 스테인레스 강은 모든 스테인레스 강 중에서 가공성이 가장 우수하다. 이 재질의 황 함유량(0.15~0.35%)이 가공성을 향상시키지만 이렇게 높은 황의 함량은 용접성 및 부식에 대한 내부식성을 저하시키기도 한다. 그러나, 최근에는 낮은 황의 함유량을 가지고도 가공성이 훨씬 향상된 재질이 개발되어 왔고, 이로인해 내부식성 또한 높아졌다.

스테인레스 강을 용접시 장시간 500℃에서 800℃ 정도로 가열하게 되면 크롬 성분이 스테인레스 강 속의 탄소와 반응하여 탄화 크롬이 된다.
이렇게 크롬이 감소하게 되면 피막을 유지하는 크롬의 성능이 저하되고, 이로인해 입계 부식이 발생하는 경우도 있다. (1.6.2. 내용 참조)

니켈 합금

니켈 합금은 다른 원소 보다 니켈이 상대적으로 많이 포함된 합금이다.
가장 중요한 합금 원소들은 철, 크롬, 동(구리)와 몰리브덴이고, 이러한 합금 원소들 때문에 다양한 종류의 합금을 제작할 수 있다. 니켈 및 니켈 합금들은 부식 환경, 고온, 높은 응력 등과 같은 가혹한 환경 속에서도 견딜 수 있는 특징이 있다.

하스텔로이 합금이란 철이나 니켈 합금에 니켈, 몰리브덴, 크롬 등을 첨가한 합금을 일컫는 말이며, 종류로는 Inconel™Alloy 625, Hastelloys™ C-276, C-22 등이 있다. 재질들은 높은 내부식성을 가지는데 느린 유속의 해수에서도 공식 및 틈새 부식이 발생하지 않고, 빠른 유속에도 침식이 발생하지 않는다.

니켈 합금의 가격은 그 용도에 따라 결정된다. 니켈 합금은 단조 또는 주조로 제작이 가능하지만, 일반 탄소강 또는 스테인레스 강보다 주조하기가 까다로운 합금으로 알려져 있다. 니켈 합금은 특히 화학 산업의 프로세스용 펌프의 부품에 사용된다.

알루미늄

순수한 알루미늄은 가볍고 부드러운 금속으로서 비중이 강에 비하여 약 3분 1이다. 순수한 알루미늄은 높은 전기 및 열 전도율을 가지고 있고, 가장 일반적인 합금 원소들로는 실리콘(실루민), 마그네슘, 철, 동 등이 있다. 실리콘은 재질의 주조성을 향상시키고, 동은 가공성을, 마그네슘은 강도 및 부식에 내부식성을 향상시키는 작용을 한다.

가장 두드러진 알루미늄의 장점은 일반 대기중에 노출 되었을 때, 자연적으로 산화 보호 피막을 생성하며 우수한 내부식성을 가진다는 것이다.
양극화 처리를 하게 되면, 이런 특징을 향상시킬 수 있다.
알루미늄 합금은 차량 산업과 같이 중량에 비하여 우수한 강도가 필요한 구조물에 폭 넓게 사용된다. 예를 들면, 차량이나 항공기에 적용되는 알루미늄은 중량을 줄여, 에너지 소비량을 줄인다.

알루미늄의 단점은 아주 높거나 낮은 pH 또는 염화물질이 포함된 환경에서 안정적이지 못하다는 것이다. 이러한 성향 때문에 특히 알루미늄은 유속이 빠른 수용액에 노출된 환경에서는 부적합하다. 알루미늄은 갈바닉시리즈에서 낮은 위치를 차지하고 있는 반응정도를 가진 금속이다. 따라서 알루미늄은 자신보다 높은 등급의 금속 또는 합금과 같이 사용하게 되면 갈바닉 부식을 잘 일으킨다.

1.6.4 세라믹

세라믹 재질은 무기물, 비금속 재질로서 자연상태에서 결정 상태로 존재하는 재질이다. 이들은 금속 및 비금속 원소들로 이루어지며, 일반적인 공업용 세라믹 재질로는 산화 알루미늄(alumina-Al2O3), 실리콘 카바이드(SiC), 텅스텐 카바이드(WC), 실리콘 니트라이드(Si3N4) 등이 있다.

세라믹 재질은 부식에 대한 우수한 내식 성능 및 높은 내마모성, 우수한 강도, 열에 대한 우수한 안정성이 필요한 곳에 적합한 재질이지만, 단점은 연성이 낮고 깨지기 쉽다는 것이다. 세라믹 재질은 샤프트 씰의 1차 씰 및 베어링용으로 주로 이용된다.

1.6.5 플라스틱

몇몇 플라스틱 재질은 식물과 같은 자연으로부터 얻을 수 있지만, 대부분의 플라스틱 재질은 인간이 만든 재질이다. 이들은 대부분 합성 플라스틱으로 알려져 있고, 대부분의 합성 플라스틱 재질은 원유로부터 생산되며, 경우에 따라 석탄 및 가스로부터 생산되기도 한다.
플라스틱은 크게 열가소성 플라스틱과 열경화성 플라스틱인 두 종류가 있는데, 열가소성 플라스틱이 세계적으로 가장 일반적인 플라스틱 형태이다.
플라스틱에 몇 가지 성질을 추가하기 위하여 다른 원소를 첨가하기도 하는데, 섬유 유리나 다른 섬유를 첨가하여 플라스틱을 강화하기도 하며, 이렇게 생산된 플라스틱들은 첨가된 섬유 또는 기타첨가 물질에 따라서 그 특성이 달라진다.

첨가 물질 및 그 특성 변화

• 무기물 충전재 : 기계적인 성능 강화
• 산화방지제와 같은 화학적 안정제
• 가소제
• 연소 지연제

1.6.6 고무

고무는 천연 고무와 합성 고무 두 가지 모두 포함한다. 고무(혹은 elastomer) 유연성이 있는 긴 고리 모양의 폴리머로서 쉽게 늘어날 수 있는 성질을 가지고 있다. 이렇게 늘어난 길이는 몇 번이고 반복하더라도 그 응력을 제거하게 되면 원래 상태의 길이로 즉시 복귀한다. 고무는 크로스
-링크되어 있지만 (vulcanized), 그 밀도는 낮다. Fig. 1.6.22. 참조. 이러한 크로스-링크는 이 재질이 탄성을 가지게 되는 주요한 원인이다.
이러한 탄성과 복원력을 사용하여 밀봉 장치에 사용된다. 가스켓이나 O-링과 같이 여러 가지 펌프의 부품이 고무를 사용하여 제작된다.
(1.3 샤프트 씰 참조) 다음 절에는 다양한 고무의 특성 (특히 온도 및 여러가지 액체에 견디는 성능)에 대하여 기술하였다.

니트릴 고무
니트릴 고무는 약 100℃ 정도까지의 오일과 연료에 잘 견디는 저렴한 재질이다. 다양한 등급이 존재하며, 아크릴로니트릴(ACN)을 많이 함유할수록 오일에 대한 저항성이 향상된다. 그러나, 저온에서의 유연성이 떨어지게 된다. 니트릴 고무는 높은 탄성과 높은 내마모성을 가지지만 강도는 중간 정도이다. 더욱이 니트릴 고무는 풍화 및 솔벤트에 대해 제한된 저항치를 가진다. 니트릴 고무는 일반적으로 섭씨 영하 30도까지만 사용이 가능하며, 몇몇 등급의 니트릴 고무만이 그 이하에서 사용 가능하다.

1.6.7 코팅

보호 코팅 (금속, 비금속, 유기물)은 부식을 방지하기 위한 일반적인 방법이다. 코팅의 주요 기능은 부식 환경과 금속을 분리하는데 있다 (아연 도금과 같은 갈바닉 코팅은 제외). 가격이 비싼 재질 대신 일반 강이나 알루미늄을 사용하기도 한다. 다음 절에는 금속 및 비금속 코팅, 유기물 코팅과 같은 다양한 방식으로 부식을 방지하는 방법에 대하여 기술하였다.

금속 코팅

모재 보다 내부식성이 낮은 금속 코팅
아연 도금은 부식 환경으로부터 강의 구조를 보호하는 가장 일반적인 방법이다. 아연의 역할은 크게 두가지인데, 보호막 역할과 갈바닉 부식에 대한 보호작용을 하게 된다. 만약 강의 일부가 노출 되면 아연 표면이 우선적으로 서서히 부식을 일으켜 강의 표면을 보호하게 된다. 이와 같은 우선 보호는 음극 방식(cathodic protection)으로 불린다. 부식에 대한 피해가 적다면, 아연의 보호작용으로 부식된 생성물이 노출된 표면을 채우고 더 이상의 부식은 진행되지 않는다.

모재 보다 내부식성이 높은 금속 코팅
니켈 또는 크롬의 전기 도금 방법이 그 예로, 갈바닉 코팅과는 달리 코팅된 모재의 일부가 노출되면 코팅재의 내부식성이 높은 관계로 모재에 즉시 부식이 진행된다.

비금속 코팅 (무기 물질 코팅)

치환 코팅 방식은 비금속 코팅의 주요한 방법 중의 하나이다.

치환 코팅
치환 코팅이란 산화 용액 중의 모재를 부식으로부터 보호하기 위한 방법이다. 잘 알려진 치환 코팅 방법으로는 양극 처리 또는 알루미늄의 크롬처리 강의 인산염 피막 처리 등이 있다. 크롬 처리와 인산염 피막 처리는 일반적으로 도장 처리와 함께 전처리로 사용되는데 비하여 양극 처리 방법은 주로 알루미늄의 표면을 보호하기 위하여 사용된다. 게다가 페인트의 접착력을 향상시키게 되면, 페인트의 안쪽으로 녹이 번지는 현상이 감소하게 된다.

유기물질 코팅

유기물질 코팅은 유기 합성물질을 포함하고 있으며, 다양한 방법이 있다.
유기물질 코팅은 스프레이 방식, 침식방식, 솔로 문지르기, 줄긋기 또는 전기적 코팅 (전류를 사용한 페인팅)으로 금속에 적용된다. 그리고, 경우에 따라 열처리를 필요로 한다. 열가소성 코팅(예를 들어 폴리아미드, 폴리프로필린, 폴리에틸린, PVDF, PTFE)과 천연 합성고무 코팅들이 금속 모재에 적용되면 금속의 기계적 특성과 플라스틱의 화학적 저항력이 조합되는 장점이 있다. 그러나 현재까지는 페인트가 가장 넓게 사용되는 유기물질 코팅이다.