본 학위논문은 스테인리스강의 국부부식과 재부동태 특성에 미치는 Mo의 영향 및 용융탄산염 연료전지 환경에서 스테인리스강의 부식거동에 관련한 연구입니다..
[염화물 환경에서 Fe-20Cr-xMo (x=0, 2, 4 wt. %) 스테인리스강의 국부부식과 재부동태 특성에 미치는 Mo의 영향]
공식생성, 재부동태 그리고 공식전파의 단계에 미치는 Mo의 영향을 조사하여 Fe-20Cr-xMo (x=0, 2, 4 wt. %) 스테인리스강의 국부부식과 재부동태 특성에 미치는 Mo의 영향을 규명하였다. 탈기된 0.2 M NaCl 용액에서 전기화학 노이즈 분석법을 이용하여 Fe-20Cr-xMo (x=0, 2, 4 wt. %) 스테인리스강의 준안정공식 거동에 미치는 Mo의 영향을 조사하여 Fe-20Cr-xMo (x=0, 2, 4 wt. %) 스테인리스강의 공식생성에 미치는 영향을 규명하였다. Mo의 함량이 증가함에 따라 부동태 피막이 파괴되는 빈도가 감소하였고 이로서 Mo는 스테인리스강의 공식생성을 감소시킨다. 탈기된 0.2 M NaCl 용액에서 고속 긋기 전극 시험을 통해 Fe-20Cr-xMo (x=0, 2, 4 wt. %) 스테인리스강의 재부동태 속도에 미치는 Mo의 영향을 규명하였다. 부동태 피막을 회복하는 과정에서 발생하는 전류와 전하량의 관계에서 재부동태 속도를 비교할 수 있다. 전류에 상용로그를 취한 값과 전하량의 역수는 선형적인 관계를 만족하고 이 때의 기울기가 낮은 금속이 빠른 재부동태 속도를 가진다. 이 관계에 따르면, Mo의 함량이 증가함에 따라 Fe-20Cr-xMo (x=0, 2, 4 wt. %) 스테인리스강의 재부동태 속도가 빨라진다. 공식이 전파되는 환경을 모사한 폐쇄부식 전지 시험을 통해 Fe-20Cr-xMo (x=0, 2, 4 wt. %) 스테인리스강의 공식 전파 속도에 미치는 Mo의 영향을 규명하였다. Fe-20Cr 스테인리스강에 Mo이 첨가되면 공식의 바닥 부분을 모사한 전극의 부식속도가 급격하게 감소한다. 즉 Mo의 함량이 증가함에 따라 Fe-20Cr-xMo (x=0, 2, 4 wt. %) 스테인리스강의 공식전파 속도가 감소한다. 전기화학적으로 형성된 공식의 표면 및 단면 형상을 관찰하고 공식의 폐쇄도에 미치는 Mo의 영향을 규명하였다. Mo의 함량이 증가함에 따라 Fe-20Cr-xMo (x=0, 4 wt. %) 스테인리스강의 폐쇄도가 감소하여 상대적으로 위험도가 낮은 공식이 형성된다.
[pH 8.5 완충용액에서 Fe-20Cr-xMo (x=0, 4 wt. %) 스테인리스강 표면에 형성된 부동태 피막의 특성에 미치는 Mo의 영향]
고분해능 투과전자현미경과 수차보정 주사투과전자현미경을 이용하여 pH 8.5 완충용액에서 Fe-20Cr-xMo (x=0, 4 wt. %) 스테인리스강 표면에 형성된 부동태 피막의 특성에 미치는 Mo의 영향을 규명하였다. 탈기된 pH 8.5 완충용액에서 Fe-20Cr-xMo (x=0, 4 wt. %) 스테인리스강에 100 초간 -1.0 V를 인가하여 음극환원으로 공기중에서 형성된 부동태 피막을 제거하고 12 시간 동안 0.4 V를 인가하여 부동태 피막을 형성하고 성장시켰다. 투과전자현미경 분석을 통해 부동태 피막은 비정질 구조로 형성되었으며 그 두께는 Fe-20Cr 스테인리스강이 4.0~4.5 nm, Fe-20Cr-4Mo 스테인리스강이 5.5~6.0 nm로 관찰되어 Mo의 첨가에 따라 부동태 피막이 두꺼워졌다. EELS와 XPS 분석을 통해 Fe의 선택적인 부식으로 인해 Fe-20Cr-xMo (x=0, 4 wt. %) 스테인리스강의 부동태 피막은 Cr이 농축되어있는 (Fe, Cr) 산화물로 확인되었다. 그리고 Mo의 함량이 증가함에 따라 Cr의 농축도가 증가하였다. 반면 Mo이 첨가된 스테인리스강의 부동태 피막 내에 Mo은 존재하지 않았다. 또한 인해 Fe-20Cr-xMo (x=0, 2, 4 wt. %) 스테인리스강 부동태 피막의 정전 용량을 측정하여 결함밀도를 비교해본 결과, Mo의 함량이 증가함에 따라 결함밀도가 감소하여 부동태 피막을 보호성을 강화하였다.
[650 ˚C 용융탄산염에서 스테인리스강 표면 산화물의 성장거동에 대한 전기화학적 해석]
용융탄산염 연료전지에서 양극 집전체 재료로 사용되는 상용 스테인리스강 310S와 316L의 표면 산화물 성장거동을 규명하기 위해 650 ˚C, 62 mol% Li2CO3-38 mol% K2CO3 전해질에서 전기화학시험과 침지시험을 수행하였다. 316L의 부식전위는 12 시간의 침지 동안 활성상태에 머물러 있었으나, 310S의 부식전위는 6 시간의 침지 이후 급격하게 성장하여 부동태 영역으로 진입하였다. 두 강종의 부식속도는 침지 시간에 따라 감소하였고 310S의 부식속도가 316L의 부식속도에 비해 모든 침지 동안 낮은 값을 나타내었다. 두 강종 모두 표면에 Fe가 농축된 외부 산화층, Cr이 농축된 내부 산화층으로 구성된 이중층의 표면산화물을 생성하였다. 하지만 310S의 Cr함량이 316L에 비해 1.5배 가량 높기 때문에 형성된 이중층 표면 산화물 구분이 더 선명하고 뚜렷하였다. 전기화학적 임피던스 분광법을 통해 두 강종이 가지는 산화물의 저항을 비교한 결과 Cr이 농축된 내부 산화층이 다른 산화층의 저항에 비해 매우 큰 값으로 나타났다. 즉, 310S가 보이는6 시간 침지 이후 급격한 부식전위의 성장은 이중층 표면 산화물중 Cr이 농축된 내부 산화층의 형성과 성장에 기인한다. 두 강종의 내부 산화층의 저항 값은 침지시간이 증가함에 따라 증가하였고 모든 침지 동안310S가 316L에 비해 큰 값을 나타내어 더 우수한 내식성을 보유하였다. 그리고 이것의 이유는 310S가 가지는 높은 Cr함량이 기인한다.
