산화피막, 흑색산화피막 (black oxide coating)

산화피막이란?

 

<기출>

• 금속 14-3-2 금속용융액으로부터 금속이온을 환원 석출시켜 금속피막을 만드는 표면처리방법을 설명하시오
• 16-4-6 자동차 외판의 하지도장으로 사용하는 인산염 피막처리에 대하여 설명하시오
• 14-1-8 양극산화처리(Anodizing)에 대해서 설명하시오.
• 13-4-3 물리증착법(PVD: physical vapor depositon)을 설명하시오

 

1. 개요

 

1) 산화피막처리 정의

 산성 분위기 중의 화학반응에 의해 견고한 산화피막을 공구강의 표면에 형성시키는 방법 

녹과 산화피막의 그 오묘한 관계..한끝차이

 

 

2) 산화피막 메커니즘

최종 목표는 표면에 제4산화철 (Fe3O4) 피막을 약 1 ~ 3㎛ 형성하는 것
우리가 아는 적녹 (붉은 녹)은 Fe2O3임 

 

 

3) 산화피막 특징 

• 다공질에 견고함
• 내식성 
• 다공질을 이용, 기름을 함유시켜 자기윤활 (self lubrication)이 가능하게 함 (모든 산화피막처리는 기름에 담군다) 
• 공구의 내구력이 현저히 향상됨 
• 내마모성 
• 내마찰성 
• 가공성 (용착온도가 100~200도정도 높아져, 칩의 용착이 발생하기 어려움)
• 그라인더 연마로 쉽게 제거가 되어, 짧은 시간의 가공 공정에는 적합하지 않음
  (커터, 드릴, 호브 등에 사용시 수명을 45 ~ 200%까지 증가시킬 수 있음) 
• 두께가 매우 얇아 (1~3㎛) 손상이 잘 되 일시적인 방청효과만 부여하며, 방청을 위해서라면 방청유를 도포해 2중으로 실시

산화피막처리, HW종류에 많이 적용

포면이 굉장히 미려하다

 

2. 산화피막처리 방법

산화피막처리에는 크게 알칼리 착색법과, 수증기처리법 (스팀 호모 처리법), 질산계 염욕처리법이 있다 

산화처리

 

1) 알칼리 착색법

진한 가성 소다 용액 + 반응촉진제를 넣고 150도에서 가열 후 강재를 침적시키면 강재 표면에 산화피막이 형성됨 
가성 소다는 수산화 나트륨(NaOH)
약 5분정도 침지하면 되는데, 방식성을 높이기 위해서는 장시간 침지해야함. 피막은 다공질이므로, 방식성을 유지하기 우이해서는 기름 등을 도포해야함 

• 4Fe + 3O2 → 2Fe2O3 
• 2FeO3 + 8NaOH + O2 → 4Na2FeO4 + 4H2 
• 3Na2FeO4 + 5H2 → Fe3O4 + 6NaOH + 2H2) 

흑색산화피막처리, 처리액 조성은 조금 다르다

 

2) 수증기 처리법 (스팀 호모 처리법, steam homo treatment) 

열처리한 고속도 공구강을 잘 연마 후 연마액등을 탈지처리하여 노에 넣어 뚜껑을 닫음 (밀폐) 
수증기를 불어넣기 전에 전류를 통하여 340~370도에서 30분간 가열해 준 후 (제3산화철 형성 방지를 위한 예비 처리) 
수증기를 통하게 한 뒤 온도를 550도까지 올리고 30분간 유지해주면 산화피막(Fe3O4)가 형성됨 
이후 공냉해준다 

• 온도가 너무 뜨겁거나 유지시간이 길어지면 산화피막(제4산화철)이 적녹(제3산화철)로 변화해가기 때문에 피해야함 
• 피막이 너무 두꺼우면 좋지 않음

 

3) 질산계 염욕처리법 

KNo3 - NaNO3 혼합욕에 소량의 MnO2를 첨가 후 강재를 침지하는 방법 
용액 온도는 300 ~ 400도로 가열  

• 드릴의 경우 천공 능력을 1.5배 증가시킬 수 있음 (깊은 구멍의 경우 2.4배정도) 

스테인리스의 산화피막처리

 

3. 기타 금속 산화 피막 처리 

산화피막을 이용하는 소재는 일반 강 외 크게 아래 두가지가 있음  
1) 알루미늄의 산화피막처리 (아노다이징)
2) 스테인리스의 사용 및 부동태처리

 

1) 양극산화처리, 아노다이징(Anodizing)

아노다이징은 표면처리하려고 하는 물체를 양극, 전극을 음극으로 연결하여 전류를 통하게 해, 양극에서 발생하는 산소 가스로 물체 표면을 산화시키는 것 
표면에 산화 알루미늄(알루미나)가 대량 형성되며, 이를 알루마이트(alumate)라고 함 (자연의 알루미나는 양이 많지 않음)

양극산화피막, 양극산화처리, 아노다이징 (Anodizing), 알루메이트, 알루미늄 표면처리

 

양극산화피막

 

2) 스테인리스강 (Stainless steel, STS), 스테인리스 부동태 처리 

스테인리스 표면에는 크롬이 산화되어 강 표면에 크롬산화피막을 형성하고, 해당 피막이 더이상의 산화를 방지함 
(이를 부동태 피막이라고 부르며 녹 발생을 방지함) 

스테인리도 녹이 스는데, 내식성을 증대시키기 위해서는 부동태 처리가 필요하다 (좀 더 균일한 부통태피막을 형성) 

강재 분류; 탄소강, 합금강, 특수강, 비조질강, 조질강, 듀얼페이스강, 스테인리스 강(듀플렉스강

 

스테인리스 부동태처리 (Passivation treatment)

스테인리스강의 열처리, 스테인리스강 소성가공 (가공경화), 스테인리스강 용접, 오스테나이트