부품이 사양에 맞게 가공되었는지 확인하셨습니다. 이제 고객이 기대하는 환경에서 이러한 부품을 보호하기 위한 조치를 취했는지 확인하십시오. #기본
부동태화 처리는 스테인리스 가공 부품 및 조립품의 기본적인 부식 저항성을 극대화하는 데 있어 매우 중요한 단계입니다. 이는 만족스러운 성능과 조기 고장 사이의 차이를 결정짓는 요소가 될 수 있습니다. 부동태화 처리가 제대로 이루어지지 않으면 오히려 부식을 유발할 수 있습니다.
부동태화 처리는 가공 후 스테인리스강 합금의 고유한 내식성을 극대화하는 방법입니다. 이는 스케일 제거 처리나 페인트 코팅과는 다릅니다.
부동태화 작용의 정확한 메커니즘에 대해서는 아직 일반적인 합의가 이루어지지 않았습니다. 하지만 부동태화된 스테인리스강 표면에는 보호 산화막이 형성된다는 것은 확실합니다. 이 눈에 보이지 않는 막은 두께가 0.0000001인치(약 1.5mm) 미만으로 매우 얇으며, 사람 머리카락 굵기의 약 1/100,000에 불과한 것으로 알려져 있습니다.
깨끗하게 새로 가공, 연마 또는 산세 처리된 스테인리스강 부품은 대기 중 산소에 노출되면 자동으로 산화막이 형성됩니다. 이상적인 조건에서는 이 보호 산화층이 부품의 모든 표면을 완전히 덮습니다.
하지만 실제로는 가공 과정에서 작업장 먼지나 절삭 공구에서 발생하는 철 입자와 같은 오염 물질이 스테인리스강 부품 표면으로 옮겨갈 수 있습니다. 이러한 이물질을 제거하지 않으면 기존 보호막의 효과가 저하될 수 있습니다.
가공 과정에서 미량의 유리철이 공구에서 마모되어 스테인리스강 가공물 표면으로 옮겨갈 수 있습니다. 경우에 따라 부품에 얇은 녹층이 나타날 수 있는데, 이는 실제로 공구에 의한 강철의 부식이지 모재의 부식이 아닙니다. 간혹 절삭 공구 또는 그 부식 생성물에서 나온 강철 입자가 박혀 있는 틈새가 부품 자체의 침식을 유발할 수도 있습니다.
마찬가지로, 미세한 철 입자가 부품 표면에 달라붙을 수 있습니다. 금속은 가공된 상태에서는 광택이 나 보일 수 있지만, 공기에 노출되면 눈에 보이지 않는 유리 철 입자가 표면에 녹을 발생시킬 수 있습니다.
노출된 황화물 또한 문제가 될 수 있습니다. 황화물은 스테인리스강의 가공성을 향상시키기 위해 황을 첨가하면서 생성됩니다. 황화물은 가공 중 칩 형성 능력을 증가시켜 절삭 공구에서 완전히 떨어져 나갈 수 있습니다. 부품이 적절하게 부동태화 처리되지 않으면 황화물은 제조 제품 표면 부식의 시작점이 될 수 있습니다.
두 경우 모두 스테인리스강의 자연적인 부식 저항성을 극대화하기 위해서는 부동태 처리가 필요합니다. 부동태 처리는 작업장 먼지 입자나 절삭 공구의 철 입자와 같이 녹을 형성하거나 부식의 시작점이 될 수 있는 표면 오염 물질을 제거합니다. 또한 부동태 처리는 쾌삭 스테인리스강 합금 표면에 노출된 황화물을 제거합니다.
두 단계 절차를 통해 최상의 부식 방지 효과를 얻을 수 있습니다. 1. 세척: 기본적이지만 때때로 간과되는 절차입니다. 2. 산성 용액 처리 또는 부동태화 처리.
세척은 항상 최우선 순위여야 합니다. 최적의 내식성을 위해서는 표면에서 그리스, 냉각수 또는 기타 작업 잔해물을 철저히 제거해야 합니다. 가공 잔해물이나 기타 작업장 먼지는 부품에서 조심스럽게 닦아낼 수 있습니다. 공정 오일이나 냉각수는 시중에서 판매하는 탈지제나 세척제를 사용하여 제거할 수 있습니다. 열 산화물과 같은 이물질은 연삭이나 산세척과 같은 방법을 통해 제거해야 할 수도 있습니다.
때때로 기계 조작자는 기본적인 세척 과정을 건너뛰고, 기름때가 묻은 부품을 산성 용액에 담그기만 하면 세척과 부동태화가 동시에 이루어질 것이라고 잘못 생각하는 경우가 있습니다. 하지만 이는 사실이 아닙니다. 오히려 오염된 기름은 산과 반응하여 기포를 생성합니다. 이 기포들은 가공물 표면에 쌓여 부동태화를 방해합니다.
설상가상으로, 염화물 농도가 높은 경우가 있는 부동태화 용액의 오염은 "플래싱(flashing)" 현상을 일으킬 수 있습니다. 광택이 나고 깨끗하며 부식에 강한 표면을 가진 원하는 산화막을 얻는 것과는 달리, 플래시 에칭은 표면이 심하게 부식되거나 어두워지는 결과를 초래할 수 있습니다. 이는 부동태화 처리가 최적화하고자 하는 표면 손상입니다.
마르텐사이트계 스테인리스강[자성, 적당한 내식성, 최대 약 280ksi(1930MPa)의 항복 강도]으로 제작된 부품은 원하는 경도와 기계적 특성을 확보하기 위해 고온에서 경화시킨 후 템퍼링합니다. 마르텐사이트계 합금보다 강도와 내식성이 우수한 석출 경화형 합금은 용체화 처리, 부분 가공, 저온 시효 처리 후 최종 마감 처리를 할 수 있습니다.
이 경우, 열처리 전에 절삭유의 흔적을 완전히 제거하기 위해 탈지제나 세척제로 부품을 철저히 세척해야 합니다. 그렇지 않으면 부품에 남아 있는 절삭유로 인해 과도한 산화가 발생할 수 있습니다. 이러한 현상은 산이나 연마재로 스케일을 제거한 후에도 크기가 작은 부품이 찌그러지는 원인이 될 수 있습니다. 진공로나 보호 분위기와 같이 밝게 경화된 부품에 절삭유가 남아 있으면 표면 침탄이 발생하여 내식성이 저하될 수 있습니다.
철저한 세척 후, 스테인리스강 부품은 산성 용액에 담가 부동태화 처리를 할 수 있습니다. 질산 부동태화, 질산과 중크롬산나트륨을 혼합한 부동태화, 구연산 부동태화의 세 가지 방법 중 하나를 사용할 수 있습니다. 어떤 방법을 사용할지는 스테인리스강의 등급과 지정된 합격 기준에 따라 결정됩니다.
내식성이 우수한 크롬-니켈 합금은 20%(v/v) 질산 용액에서 부동태화 처리할 수 있습니다(그림 1). 표에서 볼 수 있듯이, 내식성이 낮은 스테인리스강은 질산 용액에 중크롬산나트륨을 첨가하여 용액의 산화력을 높이고 금속 표면에 부동태 피막을 형성함으로써 부동태화 처리할 수 있습니다. 질산을 중크롬산나트륨으로 대체하는 또 다른 방법은 질산의 농도를 50%(부피 기준)로 높이는 것입니다. 중크롬산나트륨 첨가와 질산 농도 증가는 모두 원치 않는 플래시 발생 가능성을 줄여줍니다.
(그림 1에도 나와 있는) 쾌삭 스테인리스강의 부동태화 처리 절차는 비쾌삭 스테인리스강 등급의 부동태화 처리 절차와 다소 차이가 있습니다. 이는 일반적인 질산조에서 부동태화 처리하는 동안 가공성 등급의 황 함유 황화물이 일부 또는 전부 제거되어 가공된 부품 표면에 미세한 불연속성이 발생하기 때문입니다.
일반적으로 효과적인 물 헹굼조차도 부동태 처리 후 이러한 불연속면에 잔류 산을 남길 수 있습니다. 이 산은 중화되거나 제거되지 않으면 부품 표면을 부식시킵니다.
가공성이 뛰어난 스테인리스강을 효과적으로 부동태화하기 위해 Carpenter는 잔류 산을 중화하는 AAA(알칼리-산-알칼리) 공정을 개발했습니다. 이 부동태화 방법은 2시간 이내에 완료할 수 있습니다. 단계별 공정은 다음과 같습니다.
탈지 후, 부품을 71~82°C(160~180°F)의 5% 수산화나트륨 용액에 30분 동안 담급니다. 그런 다음 물로 부품을 깨끗이 헹굽니다. 다음으로, 49~60°C(120~140°F)의 20%(v/v) 질산 용액(22g/l의 중크롬산나트륨 함유)에 부품을 30분 동안 담급니다. 용액에서 부품을 꺼낸 후 물로 헹구고 다시 수산화나트륨 용액에 30분 동안 담급니다. 마지막으로 물로 헹구고 건조시키면 AAA 방법이 완료됩니다.
구연산을 이용한 표면처리(패시베이션)는 광산이나 중크롬산나트륨 용액의 사용을 피하고 싶어하는 제조업체들 사이에서 점점 더 인기를 얻고 있습니다. 이러한 물질들은 폐기 문제 및 안전상의 우려를 야기하기도 합니다. 구연산은 모든 면에서 환경 친화적인 물질로 여겨집니다.
구연산 부동태화 처리는 매력적인 환경적 이점을 제공하지만, 무기산 부동태화 처리로 좋은 결과를 얻었고 안전상의 문제가 없는 업체라면 기존 방식을 유지하는 것이 좋을 수 있습니다. 작업장이 깨끗하고, 장비가 잘 관리되고 청결하며, 냉각수에 철 오염물질이 없고, 좋은 결과를 내는 공정을 사용하고 있다면 굳이 변경할 필요가 없을 수도 있습니다.
그림 2에서 볼 수 있듯이, 구연산 용액을 이용한 부동태화 처리는 여러 종류의 스테인리스강을 포함한 다양한 스테인리스강에 효과적인 것으로 나타났습니다. 편의상 그림 1에는 기존의 질산 부동태화 처리 방법도 함께 제시했습니다. 기존의 질산 용액은 부피 백분율로 표시되는 반면, 최근의 구연산 용액은 중량 백분율로 표시된다는 점에 유의하십시오. 이러한 처리 방법을 적용할 때는 앞서 설명한 "플래싱(flashing)" 현상을 방지하기 위해 침지 시간, 용액 온도 및 농도를 신중하게 조절하는 것이 중요합니다.
부동태화 처리는 각 등급의 크롬 함량 및 가공 특성에 따라 다릅니다. 공정 1 또는 공정 2를 참조하는 열을 확인하십시오. 그림 3에서 볼 수 있듯이 공정 1은 공정 2보다 단계가 적습니다.
실험실 테스트 결과, 구연산 부동태화 공정은 질산 공정보다 "플래싱 부식"에 더 취약한 것으로 나타났습니다. 이러한 부식을 유발하는 요인으로는 과도한 용액 온도, 너무 긴 유지 시간, 용액 오염 등이 있습니다. 부식 억제제 및 습윤제와 같은 첨가제가 함유된 구연산 제품은 시중에서 판매되고 있으며, "플래시 부식"에 대한 민감도를 줄여주는 것으로 알려져 있습니다.
최종 부동태화 처리 방법의 선택은 고객이 요구하는 승인 기준에 따라 달라집니다. 자세한 내용은 ASTM A967을 참조하십시오. 해당 규격은 www.astm.org에서 확인할 수 있습니다.
부동태 처리된 부품의 표면을 평가하기 위해 종종 테스트가 수행됩니다. 여기서 답해야 할 질문은 "부동태 처리가 유리철을 제거하고 쾌삭강의 내식성을 최적화하는가?"입니다.
시험 방법은 평가 대상 등급에 적합해야 합니다. 지나치게 엄격한 시험은 멀쩡한 재료를 불합격시키고, 지나치게 느슨한 시험은 불량 부품을 합격시킬 수 있습니다.
400 시리즈 석출 경화형 및 쾌삭형 스테인리스강은 95°F(35°C)에서 24시간 동안 100% 습도(시료가 젖은 상태)를 유지할 수 있는 환경에서 평가하는 것이 가장 좋습니다. 특히 쾌삭형 스테인리스강의 경우 단면이 가장 중요한 표면인 경우가 많습니다. 그 이유는 황화물이 기계 가공 방향으로 길게 뻗어 이 단면과 교차하기 때문입니다.
중요한 표면은 위쪽을 향하도록 배치하되, 수분 손실을 고려하여 수직에서 15~20도 각도로 기울여야 합니다. 적절하게 부동태 처리된 재료는 거의 녹슬지 않지만, 약간의 얼룩이 생길 수는 있습니다.
오스테나이트계 스테인리스강은 습도 테스트를 통해서도 평가할 수 있습니다. 이 테스트에서 시료 표면에 물방울이 맺혀야 하며, 이는 녹이 슬었다면 유리철이 존재함을 나타냅니다.
일반적으로 사용되는 쾌삭 스테인리스강과 비쾌삭 스테인리스강을 구연산 또는 질산 용액에서 부동태화 처리하는 절차는 서로 다른 공정을 필요로 합니다. 아래 그림 3은 공정 선택에 대한 자세한 내용을 제공합니다.
(a) 수산화나트륨으로 pH를 조절합니다. (b) 그림 3을 참조하십시오. (c) Na2Cr2O7은 20% 질산에 3온스/갤런(22g/리터)의 이크롬산나트륨이 녹아 있는 용액을 나타냅니다. 이 혼합물 대신 이크롬산나트륨이 없는 50% 질산을 사용할 수도 있습니다.
더 빠른 방법은 ASTM A380, "스테인리스강 부품, 장비 및 시스템의 세척, 스케일 제거 및 부동태화에 대한 표준 절차"에 제시된 용액을 사용하는 것입니다. 이 시험은 부품을 황산구리/황산 용액으로 닦고 6분 동안 적신 후 구리 도금 여부를 관찰하는 것으로 구성됩니다. 또는 부품을 용액에 6분 동안 담글 수도 있습니다. 철이 용해되면 구리 도금이 발생한 것입니다. 이 시험은 식품 가공 부품의 표면에는 적용할 수 없습니다. 또한, 400 시리즈 마르텐사이트강이나 저크롬 페라이트강에는 사용하지 않아야 하는데, 위양성 결과가 발생할 수 있기 때문입니다.
역사적으로 35°C(95°F)에서 5% 염수 분무 시험을 사용하여 부동태 처리된 시료를 평가해 왔습니다. 그러나 이 시험은 일부 등급에는 너무 가혹하며, 일반적으로 부동태 처리가 효과적임을 확인하는 데 필수적인 것은 아닙니다.
염화물을 과다하게 사용하면 유해한 급작스러운 손상을 초래할 수 있으므로 염화물 사용을 피하십시오. 가능하면 염화물 농도가 50ppm 미만인 고품질의 물만 사용하십시오. 수돗물은 일반적으로 충분하며 경우에 따라 수백ppm의 염화물 농도까지 견딜 수 있습니다.
부동태화 전위 손실을 방지하고 낙뢰 및 부품 손상을 막기 위해서는 전해액을 정기적으로 교체하는 것이 중요합니다. 또한 전해액은 적정 온도로 유지해야 하며, 온도가 지나치게 높아지면 국부적인 부식이 발생할 수 있습니다.
대량 생산 시에는 오염 가능성을 최소화하기 위해 매우 구체적인 용액 교체 일정을 준수하는 것이 중요합니다. 대조 샘플을 사용하여 용액의 효과를 테스트했습니다. 샘플이 오염된 경우 용액을 교체해야 합니다.
특정 기계는 스테인리스강만 가공하도록 지정해 주십시오. 스테인리스강 절삭에 사용하는 것과 동일한 냉각제를 사용하고, 다른 모든 금속은 제외해 주십시오.
DO 랙 부품은 금속 간 접촉을 방지하기 위해 별도로 처리됩니다. 이는 특히 자유 가공성 스테인리스강의 경우 황화물 부식 생성물을 확산시키고 산성 포켓 형성을 방지하기 위해 유동성이 좋은 부동태화 및 세척 용액이 필요하므로 매우 중요합니다.
침탄 또는 질화 처리된 스테인리스강 부품은 부동태화 처리하지 마십시오. 이러한 처리를 받은 부품은 내식성이 저하되어 부동태화 용액에 의해 부식될 수 있습니다.
청결하지 않은 작업 환경에서는 철제 공구를 사용하지 마십시오. 초경 또는 세라믹 공구를 사용하면 강철 입자 발생을 방지할 수 있습니다.
부품이 제대로 열처리되지 않으면 부동태화조에서 부식이 발생할 수 있다는 점을 잊지 마십시오. 고탄소, 고크롬 마르텐사이트강은 내식성을 위해 경화 처리가 필수적입니다.
부동태화 처리는 일반적으로 부식 저항성을 유지하는 온도를 사용하여 후속 열처리 후에 수행됩니다.
부동태화 용액의 질산 농도를 무시하지 마십시오. Carpenter에서 제공하는 간단한 적정 절차를 사용하여 주기적으로 점검해야 합니다. 한 번에 두 개 이상의 스테인리스강을 부동태화하지 마십시오. 이는 비용이 많이 드는 혼란을 방지하고 갈바닉 반응을 예방합니다.
저자 소개: 테리 A. 드볼드는 스테인리스강 합금 연구 개발 전문가이며, 제임스 W. 마틴은 카펜터 테크놀로지 사(펜실베이니아주 레딩 소재)의 봉강 야금 전문가입니다.
표면 마감 규격이 점점 더 엄격해지는 시대에도 간단한 "표면 거칠기" 측정은 여전히 ​​유용합니다. 표면 측정의 중요성과 정교한 휴대용 측정기를 사용하여 작업 현장에서 표면을 점검하는 방법을 살펴보겠습니다.
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