수소취성(Hydrogen Embrittlement)의 원인과 감소대책

오늘은 금속재료, 특히 용접이나 고온가스 관련 설비에서

자주 언급되는 개념인 수소취성(Hydrogen Embrittlement)에 대해 알아보겠습니다. 

 

 

 

수소취성이란?

수소취성(Hydrogen Embrittlement)은

금속 내부에 수소가 침투하면서 재료가 갑자기 깨지거나 부서지는 현상을 말합니다.

 

특히 강철이나 고강도 합금재료에서 잘 나타나며,

겉보기에는 멀쩡한데 어느 순간 툭 하고 파단되는 특징이 있습니다.

외부 하중이 크지 않아도 내부 응력과 수소의 결합이

재료를 '취성(깨지기 쉬움)' 상태로 만들어버리는 겁니다.

 

조금 쉽게 비유하자면,

잘 구운 바게트빵을 손으로 쪼개보면 바삭하고 부드럽게 찢어지죠.

그런데 그 안에 알코올이나 수분 같은 걸 스며들게 한 다음 냉동시키면,

딱딱하게 굳은 채 조금만 힘을 줘도 뚝 부러져버립니다.

 

수소취성이 딱 그 느낌입니다. 겉은 멀쩡한데 속에서 망가져 있는 거죠.

 

 

 

 

수소취성의 원인

주요 원인은 다음과 같습니다.

 

① 수소의 침투

제일 큰 원인은 수소 원자(H)가 금속 내부로 침투하는 것입니다.
수소는 분자(H₂) 상태일 땐 크지만, 원자(H) 상태로 바뀌면

금속 결정격자 안으로 스며들 수 있을 정도로 작아집니다.

 

② 용접·산처리·도금 과정

특히 용접 시 수분이 포함된 플럭스, 아연도금, 염산 세정 같은 공정에서
수소가 쉽게 발생하고 금속 표면에 흡착됩니다.

이때 수소가 내부로 침투할 수 있습니다.

 

③ 응력 집중 + 고강도 재료

항복강도가 높은 고강도강일수록 수소취성에 취약합니다.
응력 집중부(용접부, 절곡부, 노치 부위)에서는 수소가 더 쉽게 균열을 일으킵니다.

 

④ 부식 환경

특히 해수, 산성 환경 등 부식성 매질이 있는 조건에서 수소 발생량이 증가하면서
취성이 더 잘 발생할 수 있습니다.

 

 

 

 

 

수소취성 감소 대책

실제로 산업현장에서는 아래와 같은 방법으로 수소취성을 방지하거나 줄입니다.

 

① 수소제거 열처리 (베이킹)

용접 후 200~300℃에서 일정 시간 열처리를 해주면,
내부에 들어간 수소가 외부로 확산되어 빠져나갈 수 있습니다.
이를 베이킹(baking)이라 부르며, 고강도 볼트나 용접부에는 거의 필수로 적용됩니다.

 

② 저수소계 용접재 사용

저수소계 플럭스, 용접봉 등을 사용해 수소 발생을 최소화합니다.
특히 강구조물, 교량, 압력용기에서는 이 기준이 매우 중요하게 다뤄집니다.

 

③ 표면처리 공정 개선

염산계 산세 대신 중성세정 또는 적절한 전처리 및 후세정을 통해 수소 잔류를 줄입니다.
도금 후에는 베이킹 공정을 반드시 추가하는 것이 일반적입니다.

 

④ 재료 선정

고강도강 대신 중·저강도강을 사용하는 것도 하나의 대안입니다.
항복강도가 높을수록 수소취성에 취약하기 때문에, 설계단계에서 이를 고려합니다.

 

⑤ 응력 집중 완화

노치 제거, 라운딩 처리, 균일한 응력 분포 설계 등을 통해 균열의 시발점을 줄이는 것도 매우 중요합니다.

 

 

 

마무리

수소취성은 단순한 재료문제가 아니라,

공정관리, 재료선정, 열처리, 설계 전반에 걸쳐 영향을 미치는 종합적인 현상입니다.

현장에서 용접부 균열, 볼트 파손, 고압설비 사고 같은 현상이 일어날 때,

그 원인으로 보이지 않는 수소를 의심해보는 안목이 중요합니다.

 

 

 

 

 

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