인산염 피막처리 (Phosphating)

<기출 정리> 

• 16-4-6 자동차 외판의 하지도장으로 사용하는 인산염 피막처리에 대하여 설명하시오

1. 개요

 

• 피막형성법
  • 건식 도금
    • 물리적 방법 (PVD)
      • 진공 증착
      • 스퍼터링
      • 이온 도금 (이온 플레이팅법) 
      • 이온 주입
      • 이온 질화 (이온 침탄)
      • 레이저 처리
    • 화학적 방법 (CVD)
      • 열 분해법
      • 플라즈마법
    • 용융도금
    • 용사법
  • 습식 도금
    • 도금
      • 전기 도금
      • 무전해 도금 
    • 양극 산화
    • 화성 처리
      • 인산염 처리 (phosphating)
        • 인산 아연 피막
        • 인산철 피막
        • 인산아연칼슘 피막
        • 인산망간 피막
      • 크로메이트 처리 (chromating)
        • 크롬산 크로메이트 피막
        • 인산 크로메이트 피막
        • 전해크롬산 크로메이트 피막
      • 옥살산염 처리 (oxalating)
        • 옥살산철 피막
      • 산화물 처리 (oxide coating)
        • 산화철 피막 (Fe3O4)
        • 산화알루미늄피막(Al2O3)
        • 양극산화피막 (Al2O3)

 

1) 인산염 피막처리 정의

도료(塗料)의 밑 바탕, 내마모(耐磨耗), 소성 변형(塑性變形) 가공의 윤활, 전기 절연 등의 목적으로 시공하는 것으로서, 각각 그 목적에 적합한 각종 금속의 인산염(燐酸鹽) 용액이 사용된다. 내마모용으로는 인산 망간을 주성분으로 하는 것이 사용된다.

인산아연계, 인산철계, 인산아연칼슘계, 인산망간계가 있음 

대략적으로 1 ~ 3미크론정도 화성층이 생기며, 형상에 따라 불균일하게 형성됨 
두께를 정확히 측정하는건 곤란하며 중량차로 그 두께를 산출함 

인산염피막처리 예시, 네이버 블로

 

 

2) 목적

기본적으로 망간계는 내마모성, 아연계는 내식성, 철계는 도장 하지용 (가격이 염가) 

- 망간계 : 피스톤링, 캠샤프트, 밸브 등 마찰과 베어링 특성이 필요한 기어 부품에 적용 (금속간의 반응성 감소)
- 아연계 : 자동차와 트럭 차체 전처리, 우수한 내식성과 우수한 도장 밀착성, 성형 윤활 역할 (금형 수명 증대) 
- 철계 : 캐비넷, 금속 가구, 가정용 슬라이딩 부품, 중간 내식성 제공, 도장 하지용 (가격이 저렴함) 

• 소재 금속의 방식 (부식 방지)
  : 인산아연계(후막형) or 인산망간계 + 녹 방지유 병용 사용
• 도장 하지 (도장성 증대)
  : 인산아연계, 인산아연칼슘계, 인산철계 사용
• 소성 가공
• 윤활
• 철강 내마모 
  : 인산염피막이 마찰저항을 줄이고 마모를 감소 (인산망간계) 

 

2. 인산염 피막처리 원리 

 

1) 인산염 피막의 반응식

화성처리에 사용하는 2가 금속은 아래 망간계, 아연계, 철계 등으로 나뉘며 몇 가지 성분이 혼합된 3% 전후의 묽은 액임. 이 성분들이 철강에 불용성 피막을 형성한다 

망간계 : Mn(H2PO4)2
아연계 : Zn(H2PO4)2
철계 : Fe(H2PO4)2, NaH2PO4
공통 : H3PO4

이 평행상태의 용액 중 깨끗한 철강 면을 침지하면 아래와 같이 불용성 피막이 형성된다 

 

 

 

2) 인산 화성 피막 처리 방법 

기본적으로 철강 및 처리액의 접촉을 위해 (접촉시 화성처리됨) 침지법, 스프레이법, 도포법 등이 있음 
처리 물품의 크기 및 용도에 따라 방법을 선택해야함

인산염 피막처리 기본 과정

• 사전 처리 : 조립되어있는 부품 해체, 미처리 부분 처리, 아연 및 알루미늄 제거 
• 표면 청정 :탈지 (기계 부품은 유기 용제 탈지, 주물 제품은 산, 알칼리 처리를 피함, 특수강 등은 산세하지 않음)
• 피막 화성
  • 방청 및 내 마멸용 : 망간계, 고온(95~99도)에서 10~70분 침지 처리
  • 방청 도장 하지용 : 아연계, 고온 (87 ~ 95도)에서 10 ~ 45분 침지 처리
  • 도장 하지, 소성 가공 윤활용 (금형) : 아연계, 중온(45 ~75도)에서 1~17분 담금 또는 분무처리 
  • 도장 또는 비닐 코팅 하지용 : 철계, 저온(40~70도)에서 8~20분 침지처리
  • 도장 하지용 : 인산아연계, 중온(60~75도)에서 8~20분 침지처리 
• 봉공 처리 : 방청성 향상, 봉공처리액 (CrO3)에 담가 60~70도에서 30~60초 처리 후 꺼내서 그대로 건조 

봉공처리 : 전기, 전자 부품의 접점 도금에는 봉공 처리가 실시되고 있다. 얇은 금, 은, 주석도금에서는 도금의 핀홀이 있기 때문에 도금 후는 봉공처리제로 처리하여 방식효과를 높인다. 처리제는 유기계(유기아민의 유도체 등)나 무기계(중크롬산염 등)기 있으며, 기화성의 것도 있다. 주석도금의 접점에는, 마찰부식 방지를 위해 윤활성을 좋게 한 접촉오일 등이 있다. 알루미늄의 양극 산화피막(알루마이트)의 봉공 처리는 화학적 방법(수증기 또는 불등수로 처리)과 전기화학적 방법(유기질 전해처리, 무기질 전해처리)이 있다.

• 사후처리 : 울로 가볍게 닦아내고, 수소취성 제거 (200도 정도에서 30분 저온 템퍼링) 
• 마무리작업 : 사용 목적에 따라 기름, 왁스, 라눌린, 방청유 등 도포 

3) 파커라이징(Parkerizing), 본데라이징(bonderizing)

인산염 처리법은 파커라이징이라고도 함 
파커라이징(인산염 피막처리)에 촉진제로 구리 이온을 포함한 액에서 반응을 촉진시키는 것을 본데라이징이라 함 

유리되다 : 화합물에서 결합이 끊어져 원자나 원자단이 분리되다. 원자나 원자단이 결합을 이루지 아니하고 다른 물질 속에 분리되어 있다 

 (1) 파커라이징 (Parkerizing)

• 여기서 M은 2가의 금속인의 Mn, Zn, Fe등을 뜻함 
• 결국 2-4, 2-5의 성분이 적절하게 섞여있는데(해리도가 금속염의 종류에 따라 다름) 3가의 Fe의 제 3인산염(2-5), Zn의 제 3인산염, Mn등의 제 1인산염의 희박수용액 중에 철강을 침지하면 유리인산 (H3PO4, 인산)은 철에 작용하여 아래와 같이 인산염 피막(Fe(H2PO4)2)를 형성하고, 그 표면 부근에는 인산 농도가 감소한다 
• 제 2인산염이 철강 표면에 침착할수도 있고, 제 3인산염이 침착되어 피막을 형성할 수도 있다 (결과는 동일) 

 Fe + 2H2PO4 → Fe(H2PO4) + H4

액 중의 유리 인산과 1인산염의 비율이 중요함 (유리 인산이 너무 많으면 소재 철강은 부식, 용해되기 쉽고 피막 형성이 제대로 되지 않음 
유리 인산이 적으면 제1인산염의 가수분해가 발생해 침전을 생기게 하고 부식 작용도 약하게 되어 처리 시간이 길어짐 

(2) 촉진법 

① 구리염 
Cu이온을 가하면 철 소재 부식이 촉진됨 (분더라이징)

 

② 산화제 (질산염, 아질산염, 염소산염 등의 산화제)

음극의 분극을 일으켜 부식을 촉진시킴

 

③ 유기화합물 (유기 니트로 유도체, 니트로요소, 니트로벤젠) 

 

3. 인산염 피막처리 특징

 

1) 인산염 피막 장점

전도성이 떨어지고 (절연의 효과), 금속과 도장층 사이를 물리적으로 이격시킴으로써 도장한 철의 여러 문제를 해결할 수 있음 

• 피막 단독으로 내식성을 부여할 수 있음 
• 내마모성 증대
• 도료의 밀착 증대 (접촉면적 확대 - 도막 하지용)
• 도장 하지로서의 성능이 최적
• 물, 염류, 용제류에 대하여 불용성
• 전기 불량도체 - 부식전파 억제, 발청 억제 
• 내열성
• 금속과 도료와의 반응을 차단하여 도막 노화 방지