도금용 강재의 재질

일반적으로 사용되고 있는 일반구조용 압연강재(SS계), 용접 구조용 강재(SM계)로 시작하여 주강, 주철 등 많은 철강재료에 도금이 실시되고 있다. 건축분야에서는 도금에 의한 기계적 강도의 변화가 없는 SS41, SM41, SM50 등의 강재가 널리 이용되고 있다. 강재류중 일반구조용 강재, 용접구조용 강재 등이 인장강도 50kgf/㎟ 이 하 인 경우 양호한 도금을 얻을 수 있으나, 그 강재의 화학적 성분이나 제강법에 의해 철-아연의 반응속도가 크게 다르고 도금층의 두께, 외관이 달라지고 경우에 따라서는 밀착성에 이상을 초래하는 경우도 있다.

강재 성분에 따른 도금 특성

1) 화학성분

철강중의 합금성분이 철-아연합금 반응에 미치는 영향은 각 성분의 상호작용이나 도금 조건에 의해서도 변화하지만 일반적인 경향은 다음과 같다.

• 탄소
  

  일반의 도금을 실시하는 탄소함유량은 0.04~0.3%이지만 0.2%까지는 통상 도금에 영향은 없다.

• 규소
  

  도금 부착량에 대하여 가장 영향이 큰 원소이며 일반적으로 함유량이 0.05%이하 또 0.15%~0.3% 사이 이외의 것은 반응이 심하고 이상의 두꺼운 도금층으로 되거나 버닝이 발생하는 것으로 알려져 있다. 단, 규소에 의한 영향은 다른 원소와의 관계에서 변화하기 쉽고 위에 서술한 경향의 것이 이 함유량 범위에서도 좋은 도금층을 제한할 수 없는 주의를 요하는 원소이다.

• 망간
  

  함유량이 1.35% 이하에서는 영향이 적지만 함유율이 높아지면 합금화 반응이 심하게 되어 밀착성이 저하된다.

• 인
  

  함유량이 0.05% 이하에서는 영향이 적지만 0.15%이상 함유하는 것에서는 합금층이 대단히 두껍게 된다.

• 크롬
  

  0.065이상 함유하는 것은 합금층의 두께가 약 2배로 된다. 일반적으로 사용되고 있는 강재류의 일반구조용 강재(SS재), 용접구조용 강재 (SS재)등에서 인장강도 50kgf/㎟ 이하인 것 또 배관용 탄소강 강관(JIS G 3452)등과 동등의 강재는 양호한 도금을 얻을 수 있는 것이 보통이다. 그러나 강재의 화학 분석치 만으로 버닝이나 이상부착의 발생에 대하여 판단하면 때때로 예상에 반하는 결과가 나타날 경우도 있다. 이것은 도금 반응에 관여하는 것이 강재 표층의 약 10㎛ 정도이고 이 표층과 강재 전체와의 성분차 때문이다.

2) 도금소재 및 표면상태

소재의 상태에 의해서 도금제품에 이상이 발생하는 것이 있다. 도금면에서는 무도금, 버닝, 밀착성의 열화 등이 있고 강재에서는 휨 등이 일어나기 쉽다. 전처리 공정에서 제거불가능한 이물질이 부착한 소재는 도금에 부적당하다. 예를들면 강 재의 압연시에 생기는 심하 손상, 주단조품에 나타나는 모래자국, 절단잔재, 산화물함침, 유지류함침 등이다. 통상의 탈지작업을 제거되지 않는 도료, 타르, 피치 등이 부착된 것은 용제처리, 소각, 블라스트 등의 특별한 처리가 필요하다. 심하게 부식되어 표면의 녹이 조밀한 소재는 도금면도 조잡하고 부착량도 많아진다.

도금에 의한 강재의 변화

1) 강도의 변화

용융아연도금 온도는 통상 450~470。C 이므로 철강의 변태점(723。C, 온도를 올리거나 내릴때 변태가 일어나는 온도)보다 훨씬 낮으므로 도금시 가열 및 급냉에 서 경화 및 취하는 발생하지 않으며 강재의 기계적 강도는 용융아연도금에 의하여 변화하지 않는다. 그러나 열처리를 하여 강도 90kg/㎟ 정도로 높게 할 경우 강도가 약간 떨어지는 경우도 있다.

2) 이종금속 부품의 취부

철강제품에 동, 납 등 비철금속 부품이 취부되어 있는 경우 용융아연도금 중에 용출시 재질변화를 야기할 수 있다.

3) 밀봉된 부분

피도금물에는 밀봉된 부분이 있어서는 안된다. 450。C 전후의 고온으로 도금을 실시하면 밀봉상태인 것은 내압이 높아지고, 용접부가 불안전하면 밀폐부에 수분이 들어가서 급격한 온도 변화로 기화되어 압력이 높아지므로 심한 경우는 도금제품이 폭발할 위험성이 있다.

4) 용접 및 용접슬래그

용접슬래그는 무도금과 외관 결함의 원인이 된다. 이러한 용접슬래그가 남아 있는 경우에는 숏블라스트로 제거해야 한다.

5) 아연도금 취성

도금취성의 원인은 수소취성이라고 알려져 있다. 즉 도금전의 산세 및 도금욕중에 생성되는 수소취성이다. 강중에 발생기의 산소가 많이 침입할수록 수소취성은 심하게 발생하고 자연파괴를 일의킨다. 일반적으로 경도가 높을 수록 그 경향이 크다. 도금공정 중에서 수소취성은 제청작업에 이용되는 산류와의 반응으로 일어나 지만 철과 산이 반응하여 생성되는 수소의 일부는 분자상태의 H2로 그대로 공중에 방출되기도 하고 일부는 원자상태로 강의 표면에서 확산하여 흡수된다. 흡수량은 일반적으로 황산이 염산보다 많고 산세시간이 길어지면 많아지게 된다. 황산은 농도를 증가시키면 수소흡수량이 많아지지만 염산은 거의 변하지 않는다. 이때 주요 화학 반응식은 다음과 같다.

산세되는 제품에 대하여는 탄산, 규소, 망간 등이 고장력강, 굴곡가공 등의 기계 공작이 실시된 제품, 열처리가 실시된 제품 등은 일반적으로 수소흡수량이 많고 취하를 일으키기 쉬운 경향이 있다.
일반의 도금취성을 방지하는 방법으로는

• 도금전에 스트레스를 제거하여 둘 것
• 열처리 제품의 경우는 도금전의 산세를 슈트크리닝, 그리트블라스팅, 샌드블라스팅으로 바꿀 것
• 열처리품의 경도는 가능한 한 HRC 〈48로 할 것
• 도금후는 패킹을 실시할 것
• 도금품은 가열하지 말 것

도금의 품질

용융아연도금의 주요한 품질은 외관, 부착량, 균일성, 밀착성이다. JIS H 8641(에서는 도금의 품질항목을 JIS H 0401(KS D 0201)에서는 시험방법을 각각 규정하고 있다. 최근 도금의 수요증가에 수반하여 발주자의 품질에 대한 요망이 높아지고 있다. 실제적 가치는 물론 상품가치의 면에서 외관에 중점을 두는 경향이 있다. 본래 용융아연도금은 방식을 목적으로 실시되는 것이지만 도금 그대로 오랫동안 설치되어 있는 것이기 때문에 미관적 요소도 충분히 배려할 필요가 있다.

1) 외관

JIS H 8641에 규정되어 있는 외관기준은“도금면은 실용적이고 거침이 없고 무도금, 기타 유해한 장애가 없을 것”으로 하고 있다. 일반적으로 도금면에 나타나는 현상은 무도금, 버닝, 아연맺힘, 심􀓋브리스터, 아연재부착, 손상, 백청 등이다.

• 무도금
  국부적으로 도금층이 없고 철소지가 노출된 상태를 말하지만 이것은 적은 경우에는 내식성에는 영향이 없다. JIS H 8641에서는 이러한 범위를 2mm이내로 하고 있지만 폭로 시험에서는 5mm정도 까지는 녹이 확대되는 것은 확인되지 않았으므로 특별한 문제는 없는 것 같다.
• 버닝
  금속아연의 광택이 없고 표면에 윤기가 없으며 회색을 나타내거나 심한 경우는 암회색을 나타낸다. 이것은 일반용도의 내식성에는 거의 영향을 주지 않는다. 버닝은 밀착성이 충분하면 실용상으로 결함이 되지 않는 것이다. 단 미관에 관하여는 당사자 간에 합의하여 두는 것이 좋다.
• 아연맺힘
  부분적으로 아연이 많이 부착하고 있는 것으로 피도금체의 형상에 의해 불가피한 것이 많다. 실용상 지장을 주지 않는 한 그대로 두어도 유해하지는 않지만 취급중에 박리가 우려되는 심한 아연맺힘은 제거할 필요가 있다.
• 심·브리스터
  심은 특징 있는 선상에 이 발생한 이상도금을 말하며 브리스터라고 하는 것은 모든 국부적 팽만을 말한다. 이러한 것은 강재표면부의 성상에 기인한다. 심·브리스터 공히 도금피막은 형성되어 있기 때문에 그대로 사용하여도 지장은 없다.
• 아연부착제
  도금조로부터 인양될 때에 표면의 아연산화물 또는 플럭스 잔사가 부착한 것으로 내식성에 영향은 없다. 부착물은 줄 등으로 제거하는 것이 좋다.
• 드로스 부착
  미립상의 이 있고 그 정도에 따라서는 드로스 도금이라고도 불리워진다. 내식성에는 전혀 영향이 없지만 심한 경우는 상품가치를 저해하는 경우가 있다.
• 손상
  용융아연도금에서는 도금작업 중 도금용구와의 접촉에 의해 도금면에 치구의 흔적이 발생하기도 한다. 손상된 표면에는 합금층이 잔존하고 있기 때문에 방식상 특별한 문제는 없지만 손상된 부분이 큰 경우는 징크리츠페인트로 보수하여 두는 것이 좋다.
• 백화현상
  도금제품이 비, 이슬 등과 접촉하여 생성된 백색상의 아연산화물이 도금포면에 형성된 것으로 내식성에는 영향이 없다. 일시적으로 상품가치를 저하시키지만 발생환경으로부터 해방되면 저절로 소멸된다.

2) 부착량

용융아연도금의 내식성을 결정하는 제1의 요인은 부착량이다. 도금피막의 수명은 대체로 그 두께에 정비례한다. 즉 부착량이 많을 수록 내용년수는 길어진다. JIS H8641(KS D 8308)에서는 부착량을 350~550(610)g/㎡ 의 범위를 50g/㎡ 의 간격으로 규정하고 있다. 부착량의 사양결정은 사용조건이나 사용환경에 의해 다른 내식성이 나타나기 때문에 당사자간에 충분히 협의할 필요가 있다.

3) 균일성

도금피막이 균일하게 부착되어 있는 것은 바람직한 것이지만 용융아연도금의 경우에는 그 두께편차가 크게 발생하기 쉽고 균일하게 나타나지 않는 것이 많다. 세계적인 추세에서는 도금품질을 판정하는데 있어서 도금피막의 균일성보다는 단지 부착량으로 판단하는 경우가 많다.

4) 밀착성

밀착성은 JIS H 8641에서 도금은 소지와 잘 밀착하여 사용에 있어서 충분히 견디는 것이 가능한 것이어야 한다로 되어 있다. 즉 정상적인 수송, 가공, 취금 등의 사용조건에서는 박리가 일어나지 않아야 한다. 용융아연도금은 소지와 견고히 밀착하고 있기 때문에 쉽게 박리되지는 않지만 가혹한 충격은 피하는 것이 필요하다.

도금제품의 취급

1) 보관

도금제품이나 비나 이슬에 젖어 건조가 지연될 때에는 백화가 발생하는 경우가 있다.
백화의 예방에는 제품을 중첩하지 않고 통풍이 양호한 장소에 보관하여야 한다.

2) 수송

아연은 유연한 금속으로 기계적강도도 철강보다 약하지만 용융아연도금피막은 철위에 고착하고 있기 때문에 쉽게 박리하지 않는다. 그러나 가혹한 충격을 받으면 아연층을 손상하기도 하고 딱딱하고 약한 합금층에서 박리하여 철소지를 노출하여 방식상 의 문제가 된다. 따라서 제품의 취급시 특히 수송시에는 신중한 작업이 필요하다. 예를들면 크레인 등으로 상하차할 때의 예각과 예각, 예각과 면이 강하게 충돌하는 것은 피해야 한다. 또 이동시키는 경우에 사용되는 체인 등에 의한 변형이 발생되지 않도록 배려가 필요하다.

3) 백화

도금제품을 대기중에 사용하고 있으면 도금표면에 치밀한 산화피막을 형성하는 것에 따라 광택을 잃게 된다. 아연도금이 우수한 내식성을 가진 것에는 이 치밀한 산화피막이 대기를 차단하여 하지아연을 보호하는것에 의한다. 백화는 이 보호피막이 아 니고 백색의 분말상의 녹이 도금표면에 발행하여 가루로 부착하고 있는 것을 말한다.

• 백화의 발생원인
  백화는 아연광택이 있는 아연도금층이 비나 이슬에 젖어 쉽게 건조하지 못하는 환경하에서 발생하는 것으로 수중에 침적된 상태에서는 발생하지 않는다. 도금표면에 아연을 부식시키는 물질 예를 들면 산성물질, 알칼리성물질, 유기산, 식염등이 부착하면 백화가 발생한다. 해상수송 등에서 해수에 접하는 경우 등으로 많이 나타난다. 백화는 염기성 탄산아연이 주성분으로 알려져 있고 그 발생에는 반드시 수분이 관여한다.
  수분은 우수나 비말에 의한 것도 있지만 이슬에 의한 것도 종종 있다. 도금층의 일부가 건조하고 일부가 젖어 있는 상태로 그 경계선이 징시간 이동하지 않을 때에 그 경계선에 인접한 젖어있는 측의 도금면상에 발생하는 경우를 많이 볼 수 있다. 건조의 경계선이 장시간 소요되며 이동되는 경우에 백화의 발생부는 큰 면적을 갖게 된다.
  물방울은 미세하지만 염류를 포함하여 전기를 전달한다. 또 물방울의 외주는 공기에 접촉하고 있기 때문에 내부보다 공기중의 산소를 많이 용해하고 있다. 이 상태에서 산소농염 전지현상이 일어나 물방울의 중앙부에 접하는 아연표면은 물방울 외주의 경계선에 접하는 아연표면보다 저전위로 된다. 이 때문에 중앙부에 가까운 아연이 이온화되어 물방울에 용출하여 수산기나 탄산이온에 의해 염기성 탄산아연으로 변하고 표면에 침착하여 백화현상이 나타난다. 백화는 분말상의 아연산화물이기 때문에 실제도금층의 부식이 경미하더라도 현저하게 침식된 것으로 보여질 수 있다. 어느정도 진행하여 백청의 밑부분이 흑색으로 변하고 있는 경우에도 외관으로 느끼는 것보다 침식되고 있는 양은 경미하게 소량으로 되어 있다. 통상 백화에 의한 아연의 감량은 도금피막두께로 1㎛ 이하이다.
  백화는 발생환경으로부터 개방되면 저절로 소멸되며 도금표면에는 치밀한 보호성피막을 형성하기 때문에 내식성에는 영향이 없고 시간이 경과함에 따라 외관상의 차도없어지게 된다. 따라서 백화는 도금품질상의 결함으로 취급할 문제는 아니다.는 것을 말한다.
• 백화의 방지대책
  전술한대로 일반용도에서는 문제가 되지 않지만 특정용도에서 백화를 방지하고자 하는 경우에는 다음과 같은 대책이 있다.
  (1) 환경의 개선
  

  백화를 방지하는데는 보관 및 취급 시에 발생환경을 피하는 것이 효과적이다.
  
  · 통풍이 양호한 실내에 보관한다.
  · 옥외보관에서는 수분이 접하지 않는 장소에 지면과 이격하여 보관한다.
  · 부분적인 수분접촉이 없도록 배려한다.
  · 중첩의 접촉부가 많은 것은 우천중의 하역을 피한다.
  · 옥외 보관의 경우 우천시에는 완전히 커버를 씌우고 날씨가 맑아지면 빨리 커버를 벗긴다.
  · 조해성물질, 흡습성물질의 가까이에는 두지 않는다.
  · 해상수송, 해안보관 등에서는 해수의 비말이 접하지 않도록 한다.
  
  

  (2) 백화방지 처리
  

  화학약품에 의한 화성처리와 도장의 2가지 방법이 있다.
  
  · 화성처리에는 크롬산 처리가 널리 이용되고 있다. 그러나 착색하지 않는 희박한 크롬산 처리를 실시하기 때문에 방식 효과는 기대할 수 없고 백화방지 효과도 단기적이다.
  · 도장에는 무색의 속건성도료가 이용되고 있다. 종래에는 유기용제가 사용되었기 때문에 작업 환경상의 문제가 있다.