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 금속 표면처리 기초이론

■ 금속표면처리 기초이론

     금속은 단시간에 소모된다. 따라서 부식을 방지하기 위해서 도금 기술을 발전 시키고, 금속 표면의 색조와 광택을 좋게 할 목적으로 여러 가지로 금속의 표면을 처리하고 있다. 이것을 금속 표면처리라고 한다.

◆ 금속 표면처리의 종류

1. 도금(Plating) : 금속의 표면이나 비금속 표면에 다른 금속을 사용하여 피막을 입히는 처리이며 처리방법으로는 전기도금, 화학도금, 용융도금, 진공도금, 침투도금, 이온도금 등이 있다.
2. 화성처리(인산염피막등, Chemical Coatings) : 금속의 표면에 일종의 화학 피막을 만들어 주는 화학적인 처리를 말하며 처리방법으로는 인산염 피막처리, 크로메이트처리, 착색 등이 있다.
3. 양극성화피막 : 금속물체를 양극으로 하여 전기화학적으로 산화 피막을 만드는 방법이며 주로 알루미늄의 산화 피막에 널리 사용되고 있다.
4. Painting : 부식을 방지하는 동시에 미관을 주기 위한 목적으로 금속의 표면에 도료를 칠하는 방법을 말한다.
5. 라이닝(Lining) : 금속으로 만든 탱크 등의 내면에 고무, 합성수지 등을 피복시 키는 것을 말한다.
6. 표면경화(Case Hardening) : 탄소나 질소 등을 침투 시켜 표면을 경화 또는 기타의 방법으로 물리적 성질을 향상 시키는 방법을 말한다.그러나 이 처리방법은 주로 금속 열처리 분야에서 취급하고 있다.

표 1. 금속표면처리의 종류와 분류

◆ 중화, 염의 가수분해 등

1. 중화 : 산의 수용액과 염기의 수용액을 적당한 비율로 혼합하면 산성도 알칼리성도 나타내지 않는 데 이것을 중화라 한다. 중화 반응에 의해서 물과 염이 생긴다.

   예) HCI(산) + NaOH(염기) -> NaCl(염) + H0

2. 염의 가수분해 : 염의 수용액은 중성을 나타내는 것과 분해해서 산성을 나타내는 것, 염기성을 나타내는 것 등이 있다.
3. 결장수 : 황산구리를 시험관에 넣고 가열하면 수분이 없어지면서 백색 분말이 된다. 이 것에 소량의 물을 가하면 백색은 녹아서 청색이 되며 다시 방치해 두면 처음의 황산구리 색인 청색이 된다. 이와 같이 결정이 될 때 흡수되는 물을 결장수라고 한다.
4. 풍해와 조해 : 풍해(결정이 공기 중에서 자연적으로 결정수의 일부 또는 전부를 잃고 붕괴되는 현상), 조해(고체가 공기중의 수분을 흡수해 녹는 현상)

● 물리

◆ 용액 및 용해도

용액 : 액체에 다른 물질을 균일하게 즉 분자의 상태로 서로 혼합되어있는 것을 용액이라 한다. 또한 그 액체에 녹아있는 물질을 용질이라 하며 그 액체를 용매라고 한다.

용해도 : 용질이 어느 온도에서 용매에 논는 약에는 한도가 있으며 이 한도를 옹해도라고한다. 또한 용질 이 용매에 최대 한도로 용해한 용액을 그 온도에서의 전화용액이라고 한다.

용액의 농도 : 용액의 농도의 표시 방법

。 백분율(%농도) : 용액 100g중에 용해되어있는 용질의 g수로 나타낸다. 알코올 수용액과 같이 액체를 용질로 할 경우에는 혼합체의 체적의 비율로 나타낸다.

。 몰농도(M농도, mol) : 용액 1l중에 들어있는 용질의 몰수를 몰농도라고 한다.

。 친정액(N용액, normal) : 용액 1l중에 들어있는 용질의 g당 중수를 친정액이라 한다

◆ 열량과 비열

열량 : 물체의 온도가 높았다 낮아졌다 하는 것은 열을 얻었다 잃었기 때문이며 이 열의 양을 열량이라 한다. 단위로는 cal를 사용하며 1cal은 물 1g(1ml)의 온도를 1도 높이는데 필요한 열량을 말한다.

물의 열량 = 물의 g(ml)수 × 높이려는 온도  

비열 : 어떤 물질 1g의 온도를 1도 올리는데 필요한 열량을 그 물질의 비열이라고 하며 이는 물질에 따라 다르다. 예를 들어 구리의 비열이 0.092라는 것은 구리 1g을 가열해서 1도 올리는데 0.092cal의 열량이 필요하다는 의미이다.

◆ 용체의 표면장력

표면장력 : 물은 크기는 있으나 형태가 없으므로 용기에 따라서 어떠한 모양으로도 변할 수가 있다., 액체의 표면은 그 면적을 제일 작게 하려는 경향이 있으며 같은 크기에서는 구가 가장 작은 표면적을 가지고 있으므로 구체가 되려고 한다. 이 성질을 표면 장력이라고 한다.

표면 장력의 크기는 액체의 종류에 따라 다르나 수은 > 물 >석유 등의 순서이다.

단위는 dyne/cm 이다.

표면장력이 큰 것은 공기 중에서 구슬같이 둥글게 오므라들지만 작은 것은 넓어지려는 성질이 있으며 액체 내에서는 표면장력이 작은 액이 가스의 방출도 쉽고 기포의 크기도 작아 진다.

액의 표면장력을 저하 시켜 주는 약품을 표면활성제, 계면활성제라고 한다.

표면장력의 측정법 :

지름이 5인치의 황동선 또는 스테이네스선으로 만든 고리를 액에 담갔다가 수직으로 빨리 꺼내서 액이 고리 내에 막을 만들고 있으면 표면장력이 작은 것이고, 막이 파괴되면 표면장력이 큰 것이다.

스탈라그모미터법 : 지름이 작은 관을 통해서 일정량의 액체를 방울방울 낙하 시켜 이 방울 수와 증류수의 방울 수를 비교해서 표면장력을 계산한다.

◆ 계면 활성제

1. 계면활성제 : 물에 전해질이 약품을 넣으면 일반적으로 표면장력이 증가하고 따라서 제품과 액체의 접촉이 원활하게 이루어 지지 않으므로 그 약품의 작용이 충분히 이루어 지지 않게 된다. 이 때 계면활성제를 넣게 되면 액의 표면장력이 감소하여 제품과 약품의 접촉이 좋아져서 약품의 사용목적을 쉽게 달성할 수 있다.
2. 계면활성제의 구조 : 한 개의 분자가 친수성과 친 유성이라는 두부 분으로 이루어져 있어 도금액에 넣으면 표면장력이 저하되는 동시에 기름과 물, 물과 물체의 접촉을 좋게 한다.

   

   그림 1. 계면활성제의 구조

    

3. 계면활성제의 종류

1. 음이온 활성제 : 분자중의 친유기가 음이온이 되고 친수기가 양이온이 되는 활성제
2. 양이온 활성제 : 친수기가 음이온이 되는 활성제 주로 아민계가 이에 속한다.
3. 비이온 활성제 : 수용액 속에서 이온화하지 않는 활성제를 뜻하며 알킬, 페놀 등이 이에 속한다.
4. 양성 활성제 : 한개의 분자 중에 두 가지의 이온을 가진 것을 말하며 알킬술폰벤질디메팅암모늄계등이 있다.

◆ 단위

1. 두께의 단위

   micron (미크론) : 기호 u, 1mm 을 1000등분한 눈금
   mil (밀) : 미국 영국에서 주로 사용한다. 1인치를 1000등분한 눈금을 1mil이라 한다.

2. 도금할 물체의 표면적

   1dm² = 10cm X 10cm = 100cm²

3. 회전수

   rpm or RPM : 버프, 배럴 연마기, 배럴도금기등의 1분간의 회전수
   즉 2500 rpm의 경우 1분당 2500번 회전한다는 의미 이다.

4. 도금액의 중량

   l, ml, gal, fl.oz : 1 = 1000ml, 1ml = 1cc = 1cm²
   

         (1gallon = 3.7853ℓ 1 fl.oz = 29.573mℓ)

● 전기및 전위

◆ 도금의 전기회로

1. 전기회로 : 도금을 할 경우 전원에서 나온 전류는 다시 전원으로 되돌아 온다. 전류가 한바퀴 도는것을 진기회로라고 함
2. 부스바아 : 전원에서 나온 선로와 도금조의 +, - 극을 부스바아라고 하며, 이것은 전원으로 부터 전압강하와 발열을 방지하기위해 충분한 굵기와 접촉 면적을 갖도록 해야 한다.
3. 전원의 저항 :

   전압강하 = V₄- Vx = I(R=r)

   전력손실(W’) = (V₄- Vx) → W’만큰의 전력 낭비를 갖게 된다.

4. 길이와 굵기 : 같은 전류에도 굵기와 길이를 알맞게 해야 한다.

◆ 직류와 교류

1. 직류 및 교류 :
   1. 직류 -> 전지에서 전류가 흐르는 것과 같이 전류의 방향이 항상 동일한 것 (DC)
   2. 교류 -> +, -의 구별이 없고 +와 -가 교대로 규칙 적으로 변한다.(AC) 1초동안에 +와 -가 서로 교대되는 횟수를 사이클 또는 헤르쯔(Hz)라고 한다.

● 전기 화학

◆ 전기분해의 법칙

1. 전해및 전리 :
   1. 전기분해 : 소금물이나 산이 있는 물에 전류를 흘리면 전기가 통하여 소금이나 산이 분리되며 +극과 -극에 각각 생성물이 석출되는 것
   2. 전해질 : 전기분해가 이루어지는 물질 (NaCl, H₂SO₄, AgNO₃등)
   3. 비전해질 : 전기분해가 이루어지지않는 물질 (설탕, 알코올 등)
   4. 산은 전리되어 H⁺(수소이온)을 가지며 알칼리는 OH^-(수산이온)을 갖는다.

1. 패러데이법칙
   1. 전해질 수용액 중에서 전극에 석출하는 물질의 양은 통과한 전기량에 비례한다.
   2. 일정한 전기량에서는 전해질 수용액에서 전극에 석출하는 물질의 양은 이 물질의 화학당량에 비례한다.
   3. 화학당량 : 임의의 물질이 1C또는 1Ah의 전기량에 의해서 방전 또는 석출되는 이론적인 양. mg/C, G/Ah, g/F의 단위를 쓴다.

◆ 전류 편차, 전류 효과

1. 전류 편차 : 단위면적에 흐르는 전류의 세기 : 1A/dm² 전류편차가 크면 같은 시간에도 두꺼운 도금이 된다.
2. 전류 효과 : 도금에 사용된 전류의 몇%가 실대로 도금에 사용되었는가를 나타내는 것
   1. 음극 전류 효과 : 음극에 석출된 도금량이 통과한 전기량

      Effc(%) = (도금량/이론석출량) X 100

   2. 양극 전류 효과 : 양극으로 부터 양극판에 용해되는 금속량이 통과한 전기량에 대한 이론 석출량의 %

      Effa(%) = (양극 석출량/이론 석출량) X 100

   3. Effc = Effa : 액의 금속분에 변화가 없다.

      Effc > Effa : 액의 금속분이 점점 희박해 진다. (니켈 도금)

      Effc < Effa : 액의 금속분이 점점 많아진다. (알칼리 아연도금)

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Last Updated:  2002-07-07 오후 02:15:34