인산염 처리 설명: 기본 원리, 용액, 공정

인산염 처리란 무엇인가요?

인산염 처리는 표면 처리 인산염 처리 용액과 접촉하는 재료의 표면에 화학적 및 전기화학적 반응을 통해 인산염 전환 코팅이 형성되는 공정입니다. 이 인산염 코팅은 크기가 다양한 여러 개의 불용성 결정으로 구성됩니다. 이러한 결정 사이의 접합부에는 미세한 다공성 구조가 형성됩니다. 이러한 다공성 결정 구조는 표면 흡착 능력, 내식성, 마찰 감소 성능, 내마모성 및 가공물의 내마모성을 향상시킵니다.

인산염 처리는 강철, 주철, 알루미늄, 아연, 마그네슘 및 이들의 합금과 같은 재료에 적용할 수 있습니다.

금속 표면의 인산염 처리는 주로 두 가지 목적을 수행합니다.

• 첫 번째는 페인트나 코팅의 바탕층 역할을 하여 코팅 접착력과 표면 마감 품질을 향상시키는 것입니다.
• 두 번째 목적은 금속 표면의 기능적 특성을 개선하고 향상시키는 것입니다. 예를 들어 전기 절연성, 윤활성, 마찰 감소, 내식성 및 내마모성을 향상시키는 것입니다. 많은 기계 부품과 체결 부품의 경우, 인산염 처리의 목적은 표면 기능, 특히 내식성과 고착 방지 성능을 개선하는 것입니다.

인산염 처리 유형

대부분의 경우 표면 처리 공정은 한 가지 특징적인 외관이나 색상만을 나타냅니다. 그러나 인산염 처리는 사용되는 특정 인산염 화학 물질과 용도에 따라 다양한 색상을 생성할 수 있습니다. 따라서 인산염 처리된 표면은 일반적으로 회색, 무지개빛 또는 검은색으로 나타납니다.

철 인산염 처리

철 기반 인산염 처리 후, 무지개처럼 영롱하거나 푸른빛을 띠는 색상이 나타나는데, 이 때문에 흔히 컬러 인산염 처리라고 불립니다.

인산염 처리 용액은 주로 몰리브덴산염 화합물을 기반으로 하며, 강철 표면에 무지갯빛 인산염 코팅을 형성합니다. 이러한 유형의 인산염 처리는 주로 도장 또는 코팅 적용 전 전처리층으로 사용되어 부식 저항성을 향상시키고 기판과 후속 코팅 사이의 접착 강도를 높입니다.

아연 인산염 처리

아연 인산염 처리는 일반적으로 회색 코팅을 생성하므로 회색 인산염 처리 또는 회색 필름 인산염 처리라고 흔히 불립니다.

인산염 처리 용액은 주로 인산, 불화나트륨, 유화제 및 관련 첨가제로 구성됩니다. 가공물 표면에는 회색 인산염 코팅이 형성되며, 이는 주로 분체 도장, 스프레이 도장 등의 후속 마감 공정을 위한 하층 코팅으로 사용됩니다. 전기 영동 코팅.

회색 인산염 코팅 자체는 일정 수준의 내식성을 제공합니다. 따라서 부품 표면에 부식 방지 코팅으로 단독으로 사용될 수도 있습니다. 아연 인산염 처리는 아연 도금 강판, 냉간 압연 강판 및 알루미늄 판재에 일반적으로 적용됩니다.

망간 인산염 처리

망간 인산염 처리는 검은색 또는 짙은 회색 표면 마감을 만들어내기 때문에 흑색 인산염 처리라고도 합니다.

이 공정은 망간 이온을 함유한 인산염 용액을 사용하여 가공물 표면에 검은색 인산염 코팅을 형성합니다. 모든 인산염 처리 중에서 망간 인산염 처리는 최고의 녹 방지 성능을 제공합니다. 기계 부품에 대한 장기적인 부식 방지 처리로 사용될 수 있으며 가장 널리 사용되는 보호 인산염 처리 공정 중 하나입니다.

다른 인산염 코팅과 비교했을 때, 망간 인산염 코팅은 마찰 계수가 낮습니다. 따라서 흑색 인산염 코팅은 마모와 마찰을 효과적으로 줄여주기 때문에 잦은 마찰이나 슬라이딩 접촉에 노출되는 부품에 특히 적합합니다. 일반적인 적용 분야로는 자동차 부품, 패스너, 다양한 움직이는 기계 부품 등이 있습니다.

인산염 처리 용액

재료의 종류와 인산염 처리 목적에 따라 다양한 인산염 처리 용액 조성을 선택할 수 있습니다. 일반적인 인산염 처리 시스템으로는 아연계, 아연-망간계, 망간계 조성이 있습니다. 작동 온도에 따라 상온용, 저온(40~50°C), 중온(60~80°C), 고온(85~100°C)용 인산염 처리 용액으로 분류할 수 있습니다.

기계 부품 및 체결 부품의 경우, 인산염 처리는 주로 표면 기능 향상을 목적으로 합니다. 따라서 중온 또는 고온 아연-망간 및 망간 인산염 처리 시스템이 일반적으로 사용됩니다. 현재 대부분의 인산염 처리제 제조업체는 산업 요구 사항을 충족하는 아연-망간 인산염 용액을 사용하고 있습니다.

표 1 아연 인산염 처리 제형

원자력 등급 제품의 경우, 망간 인산염 처리가 필수적입니다. 권장되는 망간 인산염 처리 조성물은 아래와 같습니다.

표 2 망간 인산염 처리 조성물

인산염 처리 용액의 주요 구성 요소

(1) 인산이수소아연 [Zn(H₂PO₄)₂·2H₂O]

인산이수소아연은 아연-망간 인산염 처리 시스템에 매우 적합한 염기성 염입니다. 주요 장점은 빠른 피막 형성 능력이지만, 농도를 적절히 조절해야 합니다. 함량을 높이면 인산염 처리 용액의 산성도 또한 증가합니다.

(2) 파커라이징염[xFe(H2PO₄)·yMn(H2PO₄)₂]

철-망간 인산염이라고도 하는 파커라이징염은 빠른 인산염 처리, 강력한 내식성, 균일한 결정 형성 및 우수한 코팅 외관을 촉진합니다. 그러나 장기간 사용 시 용액 노화가 발생하여 Mn²⁺ 이온이 Mn⁷⁺로 산화되어 인산염 처리 품질이 저하될 수 있습니다.

(3) 질산망간 [Mn(NO₃)₂·6H₂O]

질산망간은 주로 인산염 처리조에 Mn²⁺ 이온을 공급합니다. 이는 인산염 반응 속도를 높이고 처리 온도를 낮추며 코팅 안정성을 향상시키기 위해 파커라이징 염과 함께 사용되는 경우가 많습니다.

(4) 질산니켈[Ni(NO₃)₂·6H2O]

니켈은 강철 표면에 니켈 인산염 결정핵 형성을 촉진하여 인산염 피막 형성을 가속화합니다. 또한 코팅 구조를 미세화하고 균일화하여 내식성과 표면 외관을 개선합니다.

(5) 질산아연 [Zn(NO₃)₂·6H₂O]

질산아연은 주로 Zn²⁺ 및 NO₃⁻ 이온을 공급하여 인산염 처리 촉진제 역할을 합니다. 이는 인산염 처리 속도를 높이고, 결정 구조를 미세화하며, 내식성을 향상시키고, 인산염 용액을 안정화시킵니다. 그러나 질산아연의 농도는 엄격하게 제어해야 합니다.

인산염 처리 공정

강철 소재의 기능성 인산염 처리 공정은 일반적으로 다음과 같은 단계를 포함합니다.

화학적 탈지 → 물 헹굼 → (산세척) → 물 헹굼 → 표면 처리 → 인산염 처리 → 물 헹굼 → (부동태화 처리) → (비누 세척) → 물 헹굼 → (탈이온수 헹굼) → 건조 → (탈수소 처리) → 오일 밀봉

(*괄호 안의 과정은 선택 사항입니다.)

1. 화학적 탈지

인산염 처리 전, 가공물 표면에는 필연적으로 그리스와 오일 오염 물질이 존재합니다. 오일 오염은 표면 장력을 증가시키고, 인산염 피막 형성을 저해하며, 코팅 접착 강도를 감소시키고, 인산염 처리의 불균일성을 유발합니다. 따라서 코팅 품질을 확보하기 위해서는 인산염 처리 전에 표면의 오일을 제거해야 합니다.

탈지 방법은 표면 상태, 비용 및 폐수 처리 요구 사항에 따라 선택됩니다. 유기 용제, 산성 탈지제 및 약알칼리성 탈지제가 사용될 수 있으며, 그중 약알칼리성 탈지제가 가장 일반적입니다.

2. 물로 헹구기

이 단계는 탈지 공정에서 남은 잔류 오염 물질을 제거하고 공작물 표면을 깨끗하게 합니다.

3. 산세

산세척은 주로 가공물 표면에서 산화막과 녹을 제거하는 데 사용됩니다. 산화막과 녹이 없는 가공 표면의 경우 이 단계를 생략할 수 있습니다. 고품질 가공을 위해서는 산세척 후 중화 처리가 필요할 수도 있습니다.

4. 물로 헹구기

이 단계는 산세척 후 남은 잔류물을 제거하고 공작물 표면을 세척합니다.

5. 표면 컨디셔닝

표면 컨디셔닝이란 인산염 처리 전에 컨디셔닝제를 함유한 용액에서 가공물의 표면을 활성화시키는 것을 말합니다. 이 과정을 통해 표면이 더욱 깨끗해지고, 표면 활성이 향상되며, 수많은 초미세 결정핵이 형성되어 인산염 결정 형성이 더욱 정교해지고 코팅의 균일성, 밀도 및 품질이 개선됩니다.

제형에 따라 표면처리제는 알칼리성, 산성 또는 망간 인산염 시스템용으로 특별히 설계된 것일 수 있습니다. 원자력 등급 제품에는 표면처리가 필수적입니다.

6. 인산염 처리

인산염 처리는 가장 기본적이고 중요한 공정 단계이므로 가장 엄격한 품질 관리가 필요합니다.

인산염 처리 용액의 조성은 공정 요구 사항에 맞춰 엄격하게 관리해야 합니다. 장기간 사용 후에는 노화 및 슬러지 생성으로 인해 용액 조성이 변할 수 있습니다. 이 경우 화학 분석 및 용액 조정이 필요합니다.

욕조 조성의 변화는 총산도(TA)와 유리산도(FA)의 변화에도 반영됩니다. 따라서 TA와 FA를 모니터링하는 것은 욕조 관리에 효과적인 방법입니다.

욕조 온도는 인산염 처리 품질에 영향을 미치는 또 다른 핵심 요소입니다. 온도는 코팅 형성 속도와 피막 두께에 영향을 미칩니다.

• 지나치게 높은 온도는 반응 속도를 가속화하고, 결정 구조를 거칠게 만들며, 다공성을 증가시키고, 내식성을 저하시킵니다.
• 온도가 지나치게 낮으면 코팅 형성이 느려지고 코팅 두께가 줄어들어 공정 요구 사항을 충족하기 어려워집니다.

7. 물로 헹구기

이 단계는 인산염 처리된 표면에서 잔류물을 제거합니다. 고품질의 인산염 처리 부품을 얻으려면 인산염 코팅에 미네랄 침전물이 형성되는 것을 방지하기 위해 탈이온수를 사용해야 합니다.

8. 패시베이션

부동태화 처리는 인산염 코팅의 돌출된 부분을 용해시켜 코팅의 형태와 성능을 더욱 균일하게 만듭니다. 또한 코팅의 다공성을 감소시켜 내식성 및 내마모성을 향상시킵니다.

일반적인 부동태화 조성:

수식 1

• Na₂CO₃: 4–6 g/L
• 온도: 80~85°C
• 담그는 시간: 5~10분

수식 2 :

• CrO₃: 1–3 g/L
• 온도: 75~85°C
• 담그는 시간: 8~12분

수식 3 :

• K₂Cr₂O₇: 50–80 g/L
• pH: 2–4
• 온도: 60~80°C
• 담그는 시간: 8~12분

9. 비누 세척

비누 처리란 인산염 처리된 공작물을 스테아르산나트륨(비누) 용액에 담그는 과정을 말합니다. 인산염 코팅과 스테아르산나트륨 사이에서 비누화 반응이 일어나 비누막이 형성되고, 이 막은 다공성을 감소시키고 내식성을 향상시킵니다.

일반적인 인산염 처리 부품의 경우, 비누 처리가 부동태화 처리를 대체할 수 있습니다.

일반적인 비누 제조법

수식 1 :

• 비누: 80~100g/L
• 온도: 40~50°C
• 담그는 시간: 10~20분

수식 2 :

• 비누: 6~8g/L
• 온도: 80~90°C
• 담그는 시간: 3~5분

물에 담근 후에는 사용하기 전에 표면을 깨끗이 닦아 건조시켜야 합니다.

10. 건조

건조의 목적은 인산염 처리된 공작물 표면에서 수분을 제거하는 것입니다. 특히 구멍이나 홈처럼 잔류 수분이 부식을 유발할 수 있는 부분에 주의를 기울여야 합니다.

건조 방법에는 코팅 유형 및 가공물의 형상에 따라 자연 건조 또는 오븐 건조가 포함될 수 있습니다.

11. 탈수소 처리

인산염 처리 과정에서 수소가 생성됩니다. 일부 수소 원자는 불가피하게 인산염 코팅 내에 잔류하게 됩니다. 이러한 잔류 수소 원자는 내식성을 저하시키고 수소 취성을 유발할 가능성이 있습니다.

잔류 수소의 양은 비교적 적지만, 특히 고강도 소재의 경우 소재의 인성을 저하시킬 수 있습니다.

따라서 중요 부품에 사용되는 고강도 소재는 인산염 처리 후 탈수소 처리를 거쳐야 합니다. 예를 들어 원자력 발전 제품의 경우, 인장 강도가 1450 MPa를 초과하는 소재는 인산염 처리 후 100°C ±5°C에서 8시간 이상 열처리를 해야 합니다.

12. 오일 밀봉

오일 밀봉은 인산염 처리된 공작물을 오일, 바람직하게는 80~100°C의 뜨거운 오일에 3~4분 동안 담그는 공정입니다. 이렇게 하면 표면 전체에 오일 막이 형성되고 오일이 인산염 코팅의 기공으로 침투하여 부식 저항성과 장기 내구성을 크게 향상시킵니다.

원자력 발전 부품의 경우, (1차 회로 유체와 접촉하는 부품을 제외하고) 이황화몰리브덴 또는 흑연을 함유한 윤활 그리스를 사용하여 밀봉 보호를 제공할 수도 있습니다.

인산염 처리의 품질 관리

인산염 코팅 품질 검사는 일반적으로 외관, 코팅 두께, 부식 저항성 및 마모 저항성 테스트를 포함합니다.

외관 검사

외관 검사는 코팅의 색상, 연속성 및 무결성을 평가합니다.

약 500lx의 조도(100W 전구에서 30cm 떨어진 부품 표면의 조도와 거의 동일) 하에서 육안 검사를 통해 인산염 코팅이 균일하고 연속적이며 불연속부나 얼룩이 없는지 확인해야 합니다.

사용하는 재료와 인산염 처리 방법에 따라 코팅 색상이 달라질 수 있습니다. 특정 색상이 필요한 경우, 인산염 처리 배합을 사전에 적절하게 선택해야 합니다.

코팅 두께 검사

중요 부품의 경우, 인산염 코팅 두께는 처리 후 측정해야 합니다.

• 자석식 두께 측정기는 철 재료에 사용할 수 있습니다.
• 금속 조직학적 단면 분석 방법도 사용될 수 있습니다.

인산염 코팅은 얇고 부서지기 쉽기 때문에 시료 준비 과정에서 모서리가 둥글게 되거나 코팅이 박리되는 것을 방지하기 위해 주의를 기울여야 합니다.

코팅 중량 검사

이 시험은 단위 표면적당 코팅 질량(g/m²)을 측정합니다.

계산 공식은 다음과 같습니다: W = [P1 – P2)/S]*10

어디에:

• (W) — 단위 면적당 코팅 질량, g/m²
• (P1) — 인산염 처리 후 시료 질량(mg)
• (P2) — 코팅 제거 후 시편 질량, mg
• (S) — 시편의 총 표면적, cm²

코팅 두께는 코팅 무게를 통해 대략적으로 추정할 수도 있습니다.

표 3 코팅 두께와 코팅 중량 간의 대략적인 관계

내식성 테스트

내식성은 주로 부식성 매체를 사용하여 평가됩니다.

염화나트륨 부식 시험

인산염 처리된 시편을 건조실에서 48시간 동안 보관한 후, 15~25°C의 3% NaCl 용액에 1시간 동안 담급니다. 헹구고 건조시킨 후에는 육안으로 부식된 흔적이 보이지 않아야 합니다.

황산구리 스팟 테스트

GB/T 5936에 따르면, 황산구리 용액을 인산염 코팅 표면에 떨어뜨립니다. 지정된 시간 내에 붉은색 구리 침전물이 나타나서는 안 됩니다.

일반적인 시약 구성:

• CuSO₄: 5–8%
• 균형: 물

염수 분무 시험

GB/T 10125에 ​​따르면, 인산염 처리된 시편을 부식 챔버에서 염수 분무에 노출시킵니다. 지정된 시험 기간 내에 부식이 발생해서는 안 됩니다.

내마모성 테스트

내마모성 시험은 GB/T 5932에 따라 습식 또는 건식 마찰 방법을 사용하여 수행할 수 있습니다.

구체적인 검사 방법과 합격 기준은 가공물의 적용 요구사항에 따라 선택해야 합니다.

인산염 처리 공정 계획

인산염 처리는 일반적으로 최종 제조 공정이므로 처리 전에 다음 조건을 충족해야 합니다.

1. 용접 및 열처리 등 모든 제조 공정이 완료되어야 합니다.
2. 모든 필수 검사 및 테스트가 완료되어야 하며 기술 사양을 충족해야 합니다.
3. 인산염 처리 전 최종 가공 공정에서 치수, 공차, 형상 및 표면 거칠기가 도면 요구 사항을 충족하는지 확인해야 합니다. 고정밀 부품의 경우 코팅 두께 증가에 대한 여유를 고려해야 합니다.
4. 표면 거칠기 인산염 처리 전의 상태는 코팅 품질에 상당한 영향을 미칩니다.

동일한 인산염 처리 조건 하에서:

• 표면이 매끄러울수록 인산염 처리조에서 부식에 대한 저항성이 높아져 코팅 형성 속도가 느려지고, 코팅 두께가 얇아지며, 색상이 밝아지고, 구조가 더 조밀해집니다.
• 표면이 거칠수록 더 두껍고 어두운 코팅이 형성되는 경향이 있지만, 코팅의 균일성이 떨어지고 구조가 더 다공성이 됩니다.

따라서 적용 분야의 요구 사항에 따라 적절한 표면 거칠기 사양을 신중하게 선택해야 합니다.