부품이 사양에 맞게 제조되었음을 확인하셨습니다. 이제 고객이 기대하는 환경에서 이러한 부품을 보호하기 위한 조치를 취하십시오. #base
부동태 처리는 스테인리스강으로 가공된 부품 및 조립품의 내식성을 극대화하는 데 중요한 단계입니다. 이는 만족스러운 성능과 조기 고장 사이의 차이를 결정짓는 요소가 될 수 있습니다. 잘못된 부동태 처리는 부식을 유발할 수 있습니다.
부동태화 처리는 가공 후 스테인리스강 합금의 고유한 내식성을 극대화하는 기술입니다. 이는 스케일 제거나 도장과는 다릅니다.
부동태화 작용의 정확한 메커니즘에 대해서는 아직 합의된 바가 없습니다. 하지만 부동태화된 스테인리스강 표면에는 보호 산화막이 형성된다는 것은 확실한 사실입니다. 이 눈에 보이지 않는 막은 두께가 0.0000001인치(약 1.5mm) 미만으로 매우 얇으며, 이는 사람 머리카락 굵기의 약 1/100,000에 불과합니다!
깨끗하게 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 공장 먼지나 절삭 공구에서 발생하는 철 입자와 같은 오염 물질이 스테인리스강 부품 표면에 묻을 수 있습니다. 이러한 이물질을 제거하지 않으면 원래의 보호막 효과가 저하될 수 있습니다.
가공 과정에서 공구에 남아 있던 미량의 유리철이 스테인리스강 가공물 표면으로 옮겨갈 수 있습니다. 경우에 따라 부품 표면에 얇은 녹층이 생길 수도 있습니다. 이는 사실 공구강의 부식이지 모재의 부식이 아닙니다. 때로는 절삭 공구의 잔해나 부식 생성물에 박힌 철 입자로 인해 균열이 발생하여 부품 자체가 침식될 수도 있습니다.
마찬가지로, 미세한 철 야금 입자가 부품 표면에 달라붙을 수 있습니다. 금속이 최종 상태에서는 광택이 나더라도 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 첨가하여 생성됩니다. 황화물은 가공 중 합금의 칩 형성 능력을 증가시키며, 이 칩은 절삭 공구에서 완전히 제거될 수 있습니다. 부품이 적절하게 부동태화 처리되지 않으면 황화물은 산업 제품의 표면 부식의 시작점이 될 수 있습니다.
두 경우 모두 스테인리스강의 자연적인 부식 저항성을 극대화하기 위해서는 부동태 처리가 필요합니다. 부동태 처리는 녹을 형성하거나 부식의 시작점이 될 수 있는 철 입자 및 절삭 공구의 철 입자와 같은 표면 오염 물질을 제거합니다. 또한, 개방형 절삭 스테인리스강 합금 표면에서 발견되는 황화물도 제거합니다.
두 단계 절차를 통해 최상의 부식 방지 효과를 얻을 수 있습니다. 1. 세척: 가장 중요한 절차이지만 때때로 소홀히 여겨지기도 합니다. 2. 산성 용액 처리 또는 부동태화 처리.
세척은 항상 최우선 순위여야 합니다. 최적의 내식성을 확보하려면 표면에서 그리스, 냉각수 또는 기타 이물질을 철저히 제거해야 합니다. 가공 잔여물이나 공장에서 발생하는 먼지는 부드럽게 닦아낼 수 있습니다. 공정 오일이나 냉각수는 시중에서 판매하는 탈지제나 세척제를 사용하여 제거할 수 있습니다. 열산화물과 같은 이물질은 연삭이나 산세척과 같은 방법을 통해 제거해야 할 수도 있습니다.
때때로 기계 조작자는 기본적인 세척을 건너뛰고, 기름칠한 부품을 산성 용액에 담그기만 하면 세척과 부동태화가 동시에 이루어질 것이라고 잘못 생각하는 경우가 있습니다. 하지만 이는 사실이 아닙니다. 오히려 오염된 그리스는 산과 반응하여 기포를 생성합니다. 이 기포는 공작물 표면에 쌓여 부동태화를 방해합니다.
더욱 심각한 문제는 염화물 농도가 높은 경우가 있는 부동태화 용액의 오염으로 인해 "플래시 에칭"이 발생할 수 있다는 것입니다. 플래시 에칭은 광택이 나고 깨끗하며 부식에 강한 표면을 가진 바람직한 산화막을 생성하는 것과는 정반대로, 표면의 심각한 부식이나 흑변을 초래할 수 있습니다. 이는 부동태화 처리의 목적과 상반되는 표면 손상입니다.
마르텐사이트계 스테인리스강 부품[자성, 적당한 내식성, 최대 약 28만 psi(1930 MPa)의 항복 강도]은 고온에서 담금질한 후 템퍼링하여 원하는 경도와 기계적 특성을 얻습니다. 석출 경화 합금(마르텐사이트계보다 강도와 내식성이 우수함)은 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 냉각수로 인해 과도한 산화가 발생할 수 있습니다. 이러한 현상은 산이나 연마제를 이용한 스케일 제거 후 작은 부품에 흠집이 생기는 원인이 될 수 있습니다. 진공로나 보호 분위기와 같이 광택이 나는 경화 부품에 냉각수가 남아 있으면 표면 탄화가 발생하여 내식성이 저하될 수 있습니다.
철저한 세척 후, 스테인리스강 부품은 산성 용액에 담가 부동태화 처리를 할 수 있습니다. 이 방법에는 질산 부동태화, 질산과 중크롬산나트륨을 혼합한 부동태화, 구연산 부동태화의 세 가지가 있습니다. 어떤 방법을 사용할지는 스테인리스강의 등급과 요구되는 품질 기준에 따라 결정됩니다.
내식성이 우수한 니켈 크롬강은 20%(v/v) 질산 용액에서 부동태화 처리할 수 있습니다(그림 1). 표에서 볼 수 있듯이, 내식성이 낮은 스테인리스강은 질산 용액에 중크롬산나트륨을 첨가하여 산화력을 높이고 금속 표면에 부동태 피막을 형성함으로써 부동태화 처리할 수 있습니다. 질산 대신 중크롬산나트륨을 사용하는 또 다른 방법은 질산의 농도를 50%(부피 기준)로 높이는 것입니다. 중크롬산나트륨을 첨가하거나 질산의 농도를 높이면 원치 않는 섬광 발생 가능성을 줄일 수 있습니다.
가공 가능한 스테인리스강(그림 1 참조)의 부동태화 처리 과정은 가공 불가능한 스테인리스강의 부동태화 처리 과정과 약간 다릅니다. 이는 질산조에서 부동태화 처리를 하는 동안 가공 가능한 황 함유 황화물이 일부 또는 전부 제거되어 가공물 표면에 미세한 불균일성이 발생하기 때문입니다.
일반적으로 효과적인 물 세척조차도 부동태화 처리 후 이러한 불연속면에 잔류 산을 남길 수 있습니다. 이 산은 중화되거나 제거되지 않으면 부품 표면을 부식시킵니다.
가공이 용이한 스테인리스강의 효율적인 부동태화를 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 부품을 물로 깨끗이 헹굽니다. 이어서 49~60°C(120~140°F)의 온도에서 22g/l의 중크롬산나트륨이 함유된 20%(v/v) 질산 용액에 부품을 30분 동안 담급니다. 부품을 용액에서 꺼낸 후 물로 헹구고, 다시 수산화나트륨 용액에 30분 동안 담급니다. 부품을 다시 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 사용과 관련된 안전 문제에 대한 우려가 크기 때문입니다. 구연산은 모든 면에서 환경 친화적인 것으로 여겨집니다.
구연산 부동태화 처리는 환경적인 이점이 매력적이지만, 무기산 부동태화 처리로 좋은 결과를 얻었고 안전상의 문제가 없는 업체라면 기존 방식을 유지하는 것이 좋을 수 있습니다. 작업장이 깨끗하고 장비가 양호한 상태이며, 냉각수에 공장에서 발생하는 철 침전물이 없고, 기존 방식이 좋은 결과를 내고 있다면 굳이 변경할 필요는 없을 것입니다.
구연산 용액을 이용한 부동태화 처리는 그림 2에서 보여주는 바와 같이 여러 종류의 스테인리스강을 포함한 광범위한 스테인리스강에 유용한 것으로 밝혀졌습니다. 편의상 그림 2.1에는 질산을 이용한 기존의 부동태화 처리 방법도 함께 나타냈습니다. 기존의 질산 용액 조성은 부피 백분율로 표시되는 반면, 새로운 구연산 용액의 농도는 질량 백분율로 표시됩니다. 이러한 처리를 수행할 때는 앞서 설명한 "플래싱(flashing)" 현상을 방지하기 위해 침지 시간, 용액 온도 및 농도를 신중하게 조절하는 것이 중요합니다.
부동태화 처리는 크롬 함량과 각 품종의 가공 특성에 따라 달라집니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이, 공정 1과 공정 2에 해당하는 열을 확인하십시오. 공정 1은 공정 2보다 단계가 적습니다.
실험실 테스트 결과, 구연산 부동태화 공정은 질산 공정보다 "급격한 부식"에 더 취약한 것으로 나타났습니다. 이러한 부식을 유발하는 요인으로는 과도한 용액 온도, 너무 긴 유지 시간, 그리고 용액 오염 등이 있습니다. 부식 억제제와 습윤제 등의 첨가제가 함유된 구연산 기반 제품은 시중에서 판매되고 있으며, "급격한 부식" 발생 가능성을 줄여주는 것으로 알려져 있습니다.
최종적인 부동태화 처리 방법의 선택은 고객이 설정한 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 해결해야 할 질문은 "부동태 처리가 자유 철을 제거하고 자동 절단용 합금의 내식성을 최적화하는가?"입니다.
테스트 방법이 평가 대상에 적합해야 한다는 점이 중요합니다. 지나치게 엄격한 테스트는 완벽한 자료조차 통과하지 못할 수 있고, 지나치게 허술한 테스트는 불만족스러운 부분만 통과시킬 수 있습니다.
pH가 낮고 가공성이 좋은 400 시리즈 스테인리스강은 95°F(35°C)에서 24시간 동안 100% 습도(시료가 젖은 상태)를 유지할 수 있는 챔버에서 평가하는 것이 가장 좋습니다. 특히 절삭성이 좋은 스테인리스강의 경우 단면이 가장 중요한 표면인 경우가 많습니다. 그 이유는 황화물이 이 표면을 따라 가공 방향으로 끌려가기 때문입니다.
중요한 표면은 위쪽을 향하도록 배치하되, 수분 손실을 위해 수직에서 15~20도 각도로 기울여야 합니다. 적절하게 부동태 처리된 재료는 녹이 거의 슬지 않지만, 작은 반점이 생길 수는 있습니다.
오스테나이트계 스테인리스강은 수분 함량 테스트를 통해서도 평가할 수 있습니다. 이 테스트에서 시편 표면에 물방울이 맺혀야 하며, 녹이 있다면 유리철이 존재한다는 것을 의미합니다.
일반적으로 사용되는 자동 및 수동 스테인리스강의 시트르산 또는 질산 용액에서의 부동태화 처리에는 서로 다른 공정이 필요합니다. 아래 그림 3은 공정 선택에 대한 자세한 내용을 제공합니다.
(a) 수산화나트륨으로 pH를 조절합니다. (b) 그림 3(c)를 참조하십시오. Na2Cr2O7은 20% 질산에 3온스/갤런(22g/L)의 이크롬산나트륨이 녹아 있는 용액입니다. 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 절차를 사용하는 것입니다. 이 시험은 부품을 황산구리/황산 용액으로 닦고 6분 동안 적신 후 구리 도금 여부를 관찰하는 방식으로 진행됩니다. 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, 오탐지가 발생할 수 있기 때문입니다.
역사적으로 35°C(95°F)에서 5% 염수 분무 시험을 사용하여 부동태 처리된 시료를 평가해 왔습니다. 그러나 이 시험은 일부 품종에는 너무 가혹하며, 일반적으로 부동태 처리의 효과를 확인하는 데 필수적인 것은 아닙니다.
염화물을 과다하게 사용하면 위험한 발화 현상이 발생할 수 있으므로 주의해야 합니다. 가능하면 염화물 농도가 50ppm 미만인 깨끗한 물만 사용하십시오. 수돗물은 일반적으로 충분하며, 경우에 따라 수백ppm의 염화물 농도까지 견딜 수 있습니다.
부식 방지막이 손실되지 않도록 정기적으로 전해액을 교체하는 것이 중요합니다. 부식 방지막이 손실되면 낙뢰로 인한 부품 손상이 발생할 수 있습니다. 또한 전해액은 적절한 온도로 유지해야 하며, 온도가 제어되지 않으면 국부 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 손상된 경우 용액을 교체해야 합니다.
일부 기계는 스테인리스강만 가공할 수 있으므로, 스테인리스강 절단에 적합한 절삭유를 사용하고 다른 금속에는 사용하지 마십시오.
DO 랙 부품은 금속 간 접촉을 방지하기 위해 별도로 가공됩니다. 이는 특히 스테인리스강의 자유 가공에 중요한데, 황화물 부식 생성물을 확산시키고 산성 포켓 형성을 방지하기 위해 유동성이 좋은 부동태화 및 세척 용액이 필요하기 때문입니다.
침탄 또는 질화 처리된 스테인리스강 부품은 부동태 처리하지 마십시오. 이러한 방식으로 처리된 부품은 내식성이 크게 저하되어 부동태 처리 용액에서 손상될 수 있습니다.
작업장 환경이 청결하지 않은 경우 철제 공구를 사용하지 마십시오. 초경 또는 세라믹 공구를 사용하면 강철 칩 발생을 방지할 수 있습니다.
부품이 적절하게 열처리되지 않은 경우 부동태화 용액에서 부식이 발생할 수 있다는 점에 유의하십시오. 탄소와 크롬 함량이 높은 마르텐사이트계 합금은 내식성을 위해 경화 처리가 필수적입니다.
부동태화 처리는 일반적으로 부식 저항성을 유지하는 온도에서 후속적인 템퍼링 처리 후에 수행됩니다.
부동태화 용액 내 질산 농도를 소홀히 하지 마십시오. Carpenter가 제안한 간단한 적정법을 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 사의 봉강 야금 전문가입니다.(펜실베이니아주 레딩)
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