화성처리

화성처리(chemical conversion treatment, Conversion Treatment, 化成處理)는 화학적 처리에 의해 금속표면에 산화막이나 무기염의 얇은 피막을 만들어 금속의 방청이나 도장 하지로 만드는 처리를 말한다. 화학적 처리로 금속 표면에 안정된 화합물을 생성케 하는 것으로 인산염(燐酸鹽) 처리, 흑염(黑染) 처리, 크로메이트 처리 등이 있다.

개요

화성처리는 방청 등의 금속표면 보호 및 도장 바탕 피막을 만들기 위해 용액 속에서 금속표면에 산화막이나 얇은 무기염 피막을 화학적으로 형성시키는 것을 말한다. 금속을 어느 종의 처리액에 담그거나 잠겨서 직류의 전원을 흐르게 하고 금속표면에 무기질의 내식피막 또는 도장하지로서 우수한 특성을 가진 피막을 생성시키는 처리를 말하고 그러한 피막을 화성처리피막이라고 부른다. 인산염처리는 강, 아연도금강, 알루미늄 등을 대상으로 하고 도장는 것이 주요 목적이다. 대상물은 광범위하여 볼트, 너트, 가전제품의 캐비넷, 자동차의 차체, 소재로서의 표면처리 강판 등이 그 예이다. 처리액에는 아연, 철, 망간 등의 인산염 및 질산염, 아질산염, 과염소산염 등의 산화제를 포함하는 수용액을 사용한다. 침지(浸漬)함으로써 인산아연, 인산철 또는 인산망간의 피막을 형성시킨다. 크로메이트처리는 아연도금강판 및 주석도금강판에 쓰인다. 전자는 고습(高濕)의 대기 중에서 생기는 백청 생성의 방지 및 도료의 접착성 향상, 후자는 어육통조림의 흑변(黑變) 및 탄산 음료캔의 도막 부식의 방지가 목적이다. 처리액에는 크롬산염 또는 중크롬산염 용액을 사용하고, 아연도금강판에서는 침지 또는 전기분해, 주석도금강판에서는 보통 전기분해에 의해 처리된다. 알루미늄의 양극산화처리(아노다이징)도 화성처리의 일종이지만 보통 화성처리라고는 하지 않는다.

인산염 피막처리

인산염 처리

금속 표면에 화학변화를 일으켜서 인산염 또는 산화피막 등을 만들어 주는 방법으로 방식 및 도장하지용 피막, 금속착색 등에 사용된다. 본데라이트는 금속 표면에 부식액(인산염)에 의해 화학적 또는 전기화학적 반응에 의하여 금속표면에 부식생성물층(인산염피막)을 만드는 것이다. 이것은 소성가공(신선, 인발, 냉간단조, Header 가공, 프레스 등)에 있어서 윤활성을 향상시킨다. 방청, 도장하지처리, 절연, 용사 전처리, 마모 윤활, 금속 냉간 소성변형가공용, 전기 절연용 등 다양한 목적을 가지고 있다.

형식

인산염은 처리제의 구성성분의 종류에 따라 생성되는 피막이 다르다.

• 인산망간염계 피막 : 내마모성 향상을 필요로 하는 물체.
• 인산아연계 피막 : 도장하지용, 소성가공용, 내식용.
• 인산철계 피막 : 도장하지용.

방법

• 처리 탱크 내에 침지하는 침지법(sipping type).
• 처리액을 분사하는 Spray법(spray type).
• 솔로 바르는 브러싱 법(brushing type).
• 롤러로 바르는 방법.

인산염 피막시 관리항목

• 인산염피막 : 온도, 시간, 농도, 슬러지
• 탈지, 산세, 중화, 후처리 : 시간, 온도, 농도.
• 수세 : 온도, 수질.
• 기타 : 피처리물의 표면상태, 보관, 취급.

인산염처리온도는 상온에서부터 99℃까지이며, 시간은 1∼70분까지 있고, 피막의 중량은 0.5∼25 g/㎡까지 있다.

종류

소성가공에 사용되는 인산염은 일반적으로 인산아연피막이라 하지만 이것만으로의 조성으로 존재하는 일은 거의 없다. 용액중에는 필히 반응계면에 철이 존재함으로 이것을 함유한 인산아연철피막이 공존하는 것이 보통이다.

• 인산망간염계 본데라이트 : 인산망간계피막처리액은 제인인산망간, 인산 산화제로 되었으며 처리액의 온도, 성분의 농도 등으로서 가역반응이 일어나 평형이 이루어진다.

이렇게 해서 생긴 제이, 제삼인산염은 유리인산의 존재 하에서 약간의 용해성이 있으므로 윗식의 분해 반응이 증가하나 온도와 농도가 높아질 때에는 슬러지로서 침전한다. 위의 반응을 좌측으로 진행시키어 침전을 방지시키기 위해서는 유리인산이 처리액 중에 있어야 한다. 처리액 중에 철을 침지하면 유리인산에서 공급되는 수소이온은 금속표면을 침식해서 에칭이 된다. 철은 용해되어 수소이온을 방전한다. 이것은 국부전지작용으로 이루어지는 것이다. 금속의 계면층 중에 수소이온이 감소하면 반응식은 우측으로 진행된다. 이 반응진행에 의해서 생성된 제이, 제삼 인산망간은 과포화가 되어 금속에 결정이 되어서 생성되며 피막이 형성되는 것이다. 이 반응이 되고 있는 동안 화학반응의 평형에서 인삼만 약간 생성될 것이다.

• 인산아연계 본데라이트 : 본데라이트 처리중의 인산아연계는 가장 널리 이용되고 있다. 인산아연계 피막처리액은 제일인산아연과 산화제와 촉진제를 기본으로 배합된 성분이며 침지, 분사 등의 방법으로 사용된다. 따라서, 촉진제로서는 금속이온을 원료로 쓰는 것과 아질산염을 사용하는 등 여러 종류가 있다. 일반적으로 아질산을 써서 건용해에서 생성되게 한 피막의 화학반응을 기본으로 해서 설명하면 제일인산아연은 다음과 같은 식으로 해리가 된다.

이것은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

이 식을 평형으로 유지를 시키려면 제삼인산아연에 침전이 생기지 못하게 충분한 유리인산을 필요로 한다. 유리인산의 존재하에 처리액 중에 처리철강제를 침지하면 수소이온 때문에 금속표면이 침속되어 에칭이 된다. 이때에 발생하는 원자상 수소는 결국 분자상의 수소로 변화되며 또 처리액중에 산화제의 작용으로 물이 된다. 용해된 철은 제일인산철이 되며 위식의 제삼인산아연(Zn3(PO4)2)과 같이 피막이 되어서 침착한다.

• 인산아연 칼슘계 본데라이트 : 인산아연 칼슘계는 주로 소성가공분야에서 사용되고 인산아연이라 불리는 Hopeit 와 Phosphophtllite 및 Scholzite 의 혼합물로서 이루어지며 처리액중의 Ca 이온량의 다소에 의해 피막중의 Scholzite 비율을 조절할 수 있다. 이는 내열성이 좋기 때문에 소성가공에 많이 쓰지만 윤활성이 떨어지고 금속비누가 잘 형성되지 않는다. 강의 소성변형 가공에서 가공도가 커지고 변형이 복잡하게 될수록 피가공제의 온도가 상승하여 가혹한 가공에서는 200∼300℃가 될때도 드물지 않다. 이러한 경우 종래의 인산아연 피막으로는 내열성이 모자라 고온이 가해지면 결정이 파괴되어 소부 발생이 일어나고 이에따라 공구의 수명이 단축되게 된다. 여기에 인산아연칼슘 피막을 적용시켜 이러한 여러 문제에 대처할 수 있도록 하였다. 인산아연칼슘 피막의 결정은 대단히 미세하여 윤활제의 보유력이 종례의 안산아연 피막과 비교하여 떨어지는 경향이 있어 인산아연칼슘 피막은 인산아연 결정과 인산아연칼슘 결정을 적절한 비율로 형성시켜 내열성의 향상과 함께 윤활제 보유력을 향상시켰다.

인산아연칼슘계 피막의 비교

흑색 산화 (Black Oxide) 피막 처리

흑염렌치볼트

흑염 처리, 흑색 산화 (Black Oxide) 피막 처리는 철금속, 스테인레스 강, 구리, 구리 합금, 아연, 금속 분말 등에 사용하는 화성피막(conversion coating)이다. 내식성을 추가하거나 외관을 멋지게 하거나 빛 반사를 줄이기 위해 사용된다. 피막 처리 전후로 치수 변화가 거의 없어 움직이는 부품이나 공차가 중요한 볼트, 너트, 와셔 등 부품에도 사용할 수 있다. 페인트나 락카를 사용하기위한 예비처리로는 사용하지 않는다. 이 피막처리를 하면 표면에 마그네타이트(Fe3O4)라는 흑색 산화물이 생긴다. 이 산화물은 철이 녹슬 때 발생하는 빨간 산화물인 녹(Fe2O3)보다 기계적으로 안정적이며 내식성이 좋다. 피막처리를 하는 방법은 고온, 중온 등 다양하게 있으며 독성물질 없이 적은 도구로도 할 수 있어 집에서도 취미로 할 수 있다.

특징

밀착성이 좋고, 내식성, 내마모성이 양호하고 피막의 두께가 통상 0.2~5.0㎛로 치수변화가 극히 적다. 내열성이 좋아 400℃까지의 온도에 견딘다. 피막은 안정되어 있으나 크랙이 많다.

크로메이트 처리

크로메이트 처리 알루미늄

크로메이트처리(chromate treatment)는 아연이나 카드뮴을 씌운 철의 얇은 피막 표면에 육가 크롬, 삼가 크롬 및 물을 포함한 매우 얇은 막을 만드는 조작이다. 아연이나 카드뮴 도금의 부식에 견디는 성질을 향상시키기 위한 것이다. 원래 아연도금의 내식성 향상을 위해 적용되어 아연도금 및 카드뮴 도금 후의 후처리 방식으로 사용된다. 실제로 아연도금 후 크로메이트 처리는 다른 지시사항이 없는 한 필수적으로 적용된다고 보면 된다. 이는 내식성 향상의 기능과 함께 외관에 무지개 빛의 광택을 부여하여, 미려한 느낌을 주게된다. 아연도금은 주로 철재 제품에 적용되므로 쉽게 접할 수 있는 후처리 방식이다. 그러나 알루미늄 제품의 크로메이트 처리란 단독으로 처리되는 후처리 방식으로, 아연도금 후 크로메이트 처리보다는 광택이 덜나며 알루미늄 표면의 내식성 향상 기능을 가지게 된다. 색상은 엷은 금색에서 진한 올리브색을 띄게 되며 무광이라기 보다는 반광택에 가깝다. 알루미늄 제품의 표면 후처리 피막의 종류로 가장 흔히 사용하는 것이 양극산화피막(아노다이징) 과 크로메이트 피막 이다.

알루미늄 크로메이트 특징

• 전해에 의한 산화피막은 강한 부도체 이지만, 화성피막은 전도성이 우수한 전도체이다.
• 내마모성은 약한 반면 내식성은 양호하다.
• 외관이 미려하다. 백색, 연녹색, 무지개색, 금색, 올리브색 등이 있다.
• 화성피막 처리 후 표면상에 엣칭 면이 형성되어 도장 하지용으로 적합하다.
• 화학적인 처리방법을 선택하므로 형상이 복잡한 구조에도 처리가 용이하다.
• 전해에 의한 피막처리와 비교해 대량생산이 가능하고 비용이 저렴하다.

모재 (substrates)

• 알루미늄 : 항공우주 분야에서 알루미늄 합금에 많이 적용되며 MIL-DTL-5541 이 대표적이다.
• 강 : 강이나 철은 바로 크로메이트 코팅이 되지 않고 아연이 있는 강판이 크로메이트 코팅이 된다.
• 아연 : 아연 도금된 부품에 내구성을 높이기 위해서 사용된다. 아연의 부식을 막기 때문에 좀 더 오래가게 한다.

참고자료

• 〈화성처리〉, 《네이버 지식백과》
• 〈크로메이트 처리 뜻〉, 《국어사전》
• 기술지식, 〈화성처리(chemical conversion coating)〉, 《메카피아》, 2016-12-29
• rokmc9378, 〈인산염 피막 처리(화성처리)와 착색법〉, 《네이버 블로그》, 2014-06-03
• 공학나라, 〈흑색 산화 (Black Oxide) 피막 처리〉, 《티스토리》, 2020-06-30
• 산업 기술, 〈알루미늄의 표면처리 방법(크로메이트 피막)〉, 《티스토리》, 2019-06-04
• 공학나라, 〈크로메이트 코팅〉, 《티스토리》, 2017-02-14

같이 보기

• 금속
• 직류
• 전원
• 강
• 알루미늄
• 볼트
• 너트
• 자동차
• 차체
• 아연
• 철
• 망간
• 스테인레스
• 구리
• 부품

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