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제 8 장 화학피막처리(化學皮膜處理)
8. 1. 개 요
알루미늄은 공기 중에서 표면에 천연의 산화 피막을 형성해 알루미늄 자신을 보호하는 것은 잘 알려져 있다.
그러나, 대기중에서 생성되는 방식에 의한 내식성의 산화 피막은 특별한 경우를 제외하고는 그렇게 두껍게 되지는 않는다.
이 이상의 내식성을 요구하는 경우나 도료의 밀착성을 향상시키기 위해서는 인공적으로 양극산화 처리나 화학 피막 처리를 하지 않으면 안된다.
화학 피막 처리는 전기적인 방법에 의하지 않고 처리액과 알루미늄과의 화학 반응을 이용해 화성(化成)하는 방법으로
1) 비교적 낮은 비용으로 간단한 처리가 가능하다.
2) 내식성이 좋다.
3) 외관이 균일하고 아름답다.
4) 코일 등의 연속처리가 가능하다.
5) 도장하지로써 양호하다. 등의 많은 특징이 있다.
따라서, 주로 내마모성을 필요로 하지 않는 지붕 재료나 벽재로 사용되고 있는 외에 도장의 하지처리로 이용되고 있다.
예를 들면 알루미늄을 열탕(熱湯)중 또는 수증기 중에 넣으면
의 반응으로 무공성(無孔性)의 베마이트 피막이 화성(化成)된다. 피막의 생성은 처리 온도에 의해 좌우되며 100℃ 이상에는 그 생성이 특히 활발하게 된다. 반응 기구는 알루미늄이 국부적 양극에서 알루미 이온을 생성하고, 음극에서는 수소를 발생해 수산화 이온을 생성한다. 이 수산화 이온이 알루미늄과 반응해 수산화 알루미늄 또는 산화 알루미늄을 생성한다.
한편, 크롬산염과 탄산나트륨을 사용하는 MBV법에 대해서 Helling Neunzing 의 반응 이론에 의하면
알루미산나트륨의 일부가 가수분해 해서 알루미늄이 산화된다.
탄산나트륨은 (3)(4)로부터,
되어 재생이 진행된다.
용액중의 크롬산염은 (3)식의 수소에 의해 산화크롬으로 환원된다.
또, 도장하지 처리에 잘 이용되는 알로딘법에 대해서는 2종의 반응에 의해 피막이 형성된다.
이 (7)식의 가 녹색의 피막이다.
8. 2. Alodine & Alocrom 법 (Chromate Phosphate process)
이 방법은 America Point co.에서 Alodine법으로 개발되어, 영국의 I,C,I 社에서는 Alocrom으로 부르고 있다.
피막 중에 알루미늄과 함께 크롬산염, 인산염이 포함되어 있기 때문에 화학적 산화와 " Phosphating " 법의 중간에 속한다고 생각된다.
처리액의 조성은
전산도(全酸度)가 3N을 넘으면 피막의 밀착성이 나쁘게 되고 분(粉) 현상이 생기기 때문에 PH는 1.7 ~ 1.9가 좋다고 되어 있다.
조성 범위에 대해서는 그림 8-1, 표 8-1에 나타낸다.
이 방법의 특징으로는 처리시간이 짧고, 예를 들면 18 ℃ 에서 5분간 침지, 50℃ 에서는 1.5분 침지, 혹은 스프레이로는 20초간이 처리로 생성된다.
피막의 두께는 2.5 ㎛ ~ 10 ㎛ 이며, 피막은 다음의 것을 포함해 아름다운 녹색을 나타내고 있다. Cr : 18 ~ 20%, Al 45%, P : 15~17%, F : 0.2 %
알크롬 피막의 두께와 처리 시간 및 온도의 관계를 그림 8-2에 표시한다.
표 8-1. Alodine 용액의 조성
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용 액
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1
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2
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3
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4
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5
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6
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g / ℓ
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g / ℓ
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g / ℓ
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g / ℓ
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g / ℓ
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g / ℓ
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인산(70%)(H 2 PO 4 )
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64
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12
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24
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-
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-
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-
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인산2수소나트륨(NaH 2 PO 4 H 2 O)
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-
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-
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-
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31.8
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66.5
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31.8
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불화나트륨(NaF)
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5
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3.1
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5.0
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5.0
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-
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-
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불화알루미늄(ALF 3 )
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-
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-
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-
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-
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-
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5.0
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산성불화나트륨(NaHF 2 )
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-
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-
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-
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-
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4.2
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-
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크롬산(CrO 3 )
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10
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3.6
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6.8
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-
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-
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중크롬산카리(K 2 Cr 2 O 7 )
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-
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-
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-
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10.6
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14.7
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10.6
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황산(H 2 SO 4 )
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-
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-
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-
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-
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4.8
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-
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염산(HCl)
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-
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-
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4.8
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-
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4.6
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또, 다른 특징은 도료의 밀착성이 좋고 또 6가 이온을 흡수하지 않기 때문에 식품용기로도 사용이 가능하다. 현재에는 크리어 도장하지에도 적용하며, 피막의 색을 변화 시킬수도 있다. 또, 고온에 의해서 박리하는 성질이 있기 때문에 고온 건조는 나쁘고 60 ~ 70℃ 이 적당하다.
8. 3. Chromate 법
이 방법은 Chromate-Phosphate법과 아주 유사한 처리법으로 표준용액에는
30 ℃, 3분 처리를 한다.
피막은 부정형으로 대단히 치밀하다. 피막 두께는 0.5 ㎛ 정도이며, 피막의 색조는 합금 조성에 의해 약간 다르나, 보통은 황금색을 나타낸다. 생성한 피막이 건조할 때까지는 연약하며, 탈수 건조하면 내마모성, 내식성이 향상된다. 건조는 60 ~ 70 ℃ 이 적당하다.
8. 4. 팁
우리 회사에서 가장 많이 다루는 것은 천연색 CHROMATE(크로메이트) 이다. 여기에 기술하는 것은 그것을 중심으로 설명한다. 크로메이트 작업 후의 특성은 도금후에 전도체가 된다. 아노다이징 한 제품은 표면이 부도체가 되는 현상이라 센서등과 같이 고기능을 요구하는 제품에는 작업에 제약을 많이 받았으나 크로메이트를 처리한 후에, 내식성, 내광도, 내후성 등을 실험해보면 아주 양호한 상태로 판명되었다. 공정을 살펴보면 먼저 제품을 Racking한 후에 산전해 탈지 과정을 거쳐 에칭하고 중화시킨다.
여기서 중화는 그 어는 공정보다도 중요하다. 스머트가 제대로 제거되지 않으면 모든 공정을 다시 시작해야 할 만큼 중요하다. 표면에 때와 찌꺼기가 완전히 제거되면 수세수에서 막힌 구멍에 약물이 완전히 제거될 수 있도록 씻어준다. 막힌 구멍에 약물이 완전히 제거되지 않으면 건조 및 포장 과정에서 약물이 밖으로 유출되어 피막이 벗겨지는 현상이 나타난다.
수세를 완전히 실시한 제품은 본 크로메이트 탱크에서 착색을 실시하는데, 여기에서 온도, 시간, 농도를 잘 맞추어서 작업을 실시해야 만이 좋은 칼라로 제품을 생산 할 수 있다. 재질에 따라 착색 시간이 변경 될 수 있기 때문에 수시로 관찰, 확인해야 한다. 착색이 끝난 제품은 포장에서 일정한 색상을 유지하면서 건조 포장해야 한다.
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