1.금속세정(Metal Cleaning)
세정(洗淨)은 영어의 클리닝(Cleaning)을 번역한 용어로, 넓은 의미로 금속상의 더러움을 없애 깨끗이 하는, 탈지와 산세를 포함한 도금의 전처리 뜻으로 사용한다.
금속표면처리에 있어서 무엇보다 중요한 공정이 세정이다. 그 이유는 간단히 말해서, 표면처리 할 제품의 외관과 품질의 양부는 표면처리 전에 소지의 세정(깨끗함) 이나 표면 활성화가 잘 되었나 안 되었나에 딸려 있기 때문이다. 만일 세정이 잘 안되었으면, 불량 제품이 되고 생산성도 떨어지게 된다. 우리나라에서 1960년대에 가장 많이 발생한 도금불량이 바나나 껍질이 벗겨지듯 한 밀착불량이었다. 이것이 다 전처리 불량에서 왔던 것이다. 그때 도금공정 중 가장 중요한 공정이 모두들 전처리라고 한다.
[1] 전처리에 영향을 주는 요인(Factors Affecting Surface Preparation)
(1) 표면처리의 종류
금속표면의 청정도는 그 다음에 처리하려고 하는 표면처리의 종류에 따라 다르다. 인산염 피막처리, 크로메이트처리, 전해연마 등은 전기도금과 같이 높은 청정도가 필요하지는 않는다. 예를 들면 인산염 피막의 전처리는 전기도금의 전처리와 같이 철저히 하지 않아도 된다.
왜냐하면 인산염 피막액 자체가 금속표면을 탈지하고, 조정하는 기능을 가지고 있기 때문이다. 실제로 과잉 탈지와 산처리를 하면, 피막이 조잡하여지고 불균일하게 되어 피막의 품질을 불량하게 만들기 때문이다.
전처리 공정은 간단하게 하여 비용을 줄이는 것이 좋으나, 기본의 세정공정까지 단축할 수 는 없다. 그 다음에 처리하는 본처리(도금 • 표면처리)에 적합한 세정공정을 경제적이나 기능면에서 고려하여야 하기 때문이다.
(2) 소지금속의 종류
처리할 소지금속의 화학적 및 물리적 그리고 금속조직적인 특성에 따라 세정공정을 선정 할 필요가 있다. 금속의 경도, 열팽창계수, 전기전도성, 융점, 비중, 수소취성의 예민도 등 전체의 특성을 고려하지 않으면 안 된다. 수소취성을 받기 쉬운 고장력강이나 이와 유사한 금속들은 취성을 최소화하지 않으면 안 된다. 또한 소지금속이 가공 된 공정도 중요하다. 예를 들면 열처리를 하였거나 용접을 한 철소재는 간단히 냉간압연한 철소재보다 전처리 공정을 다르게 설정할 필요가 있다. 또한 고탄소강 재질은 저탄소강과 달리 처리하지 않으면 안 된다.
금속세정법도 처리할 소지금속에 적합하여야 한다. 금속을 세정할 때 표면의 오염물을 제 거하면서 조금이라도 소지가 에칭(부식)이 되어서는 안 된다. 그러나 반대로 에칭이 본 처리에 효과가 있는 것도 있기 때문에, 세정법을 선택하는 것은 대단히 중요하다.
예를 들면, 알미늄소재상에 새틴(Satin)을 내기 위해 전처리 공정에서 에칭을 하는 경우이 다.
이 때에 오염물 제거와 동시에 약간의 표면을 에칭하는 것이 좋기 때문이다.
자동차의 범퍼나 선재와 같은 표면적이 넓은 부품의 전해탈지 경우 균일한 전류밀도를 얻기 위해 치구사용이 필수적이다. 전주도금 시 모재나 그 외 저융점(93〫°C 이하) 금속의 전처리시 비등점에서 처리하여서는 안 된다. 또한 열팽창 계수가 각기 다른 금속을 조립한 정밀부품은 고온의 액에서 처리하거나 제품을 굴곡 시키거나 하는 것을 주의하여야 한다. 중량의 금속부품을 탈지 시에 세정효과가 충분한 탈지온도에 도달할 때까지의 시간동안 침적시켜 두어야 한다. 오염물 중에는 적정한 시간동안 처리하면 아주 쉽게 제거되는 것이 의외로 많다.
(3) 오염물질
오염물은 “표면처리를 하는데 방해하는 금속표면상의 물질” 이라고 정의할 수 있다. 이들은 금속의 기계가공을 용이하게 하기 위한 물질이 금속 상에 남아있는 것들이다.
일반적으로 오염 물질은 넓은 의미로 크게 유기물오염과 무기물오염으로 나눌 수 있다.
1) 유기오염
비누화 가능 오염물 - 동물유, 식물유
비누화 불가능 오염물 - 광물유, 왁스
기타 - 버프 작업 등으로 생성 된 금속비누
- 산 처리시 사용한 산 억제제의 잔유물
2) 무기오염
스케일,스맛트 - 금속산화물, 금속 버(Burr:귀, 일명 이바리)
연마제 - 연삭제 등의 잔사
기타 - 먼지, 납땜 시의 프럭스
위에서 설명한 오염물질은 이 외에도 페인트, 에멀전화한 탈지제의 잔사물, 지문, 인산염피막, 크로메이트 피막의 무기질 화성피막, 방청제 등이 있다. 오염물질을 제거하는 방법은 오염물의 물리적, 화학적 성질, 성분 등에 따라 다르다. 또한 기계가공에 의하여 열변화, 시간의 경과, 건조 등으로 이미 화학적으로 안정화한 것 등은 이들에 따라 탈지 방법이 달라야 한다.
버프연마제의 화학성분은 잘 알고 있으나, 버프작업시 열에 의하여 연마제가 화학변화를 일으키게 된다. 연마제 중의 유리지방산은 금속의 버프연마 중에 금속비누를 만든다. 금속을 버프연마하기 때문에 금속표면의 미세한 기공이나 주름 사이에 버프연삭제가 매몰되어 탈지하기 곤란하게 만든다. 그러므로 오염물의 종류, 성분을 충분히 알고 이에 대처하지 않으면 안 된다.
에멀젼 되는 그리고 비누화할 수 있는 성분의 대부분이 증발되어 거의 불활성 물질이 되기 때문에 말라버린 버프콤파운드를 세정에서 제거하기란 보통 어려운 일이 아니다.
이 불활성 물질은 소지금속 표면과 반응 금속비누를 만들어 완전하게 결합한다. 연마작업 후 시간이 지나면 연마한 금속표면의 기공이나 주름 사이에 고착되어 제거하기 어렵게 된다.
그러므로 버프연마한 부품은 될 수 있는 한 빨리 탈지하지 않으면 안 된다. 버프연마 후 24시간 이내에 탈지할 것을 권한다.
(4) 수질
금속을 세정하는데 영향을 주는 요인 중에 세정하는데 사용하는 수질의 문제가 있다.
수질의 경도가 25도 이상이 되면 문제가 있어 모든 탈지제의 만족한 작업을 위하여 연화처리 되어야 한다. 습윤제나 계면활성제의 첨가는 물중의 칼슘이나 마그네슘과 불용성염을 만들어 불활성으로 작용한다. 이런 이유로 물을 이온 교환처리 하던가 혹은 경수에 강한 탈지제를 사용하던가 하여야 한다.
[2] 탈지 (脫脂 : Cleaning 혹은 Degreasing)
탈지방법은 침적법, 스프레이법, 전해법으로 구분한다. 침적탈지와 스프레이탈지의 목적은 전해탈지, 인산염피막처리, 크로메이트의 처리 전에 모든 오물을 앞서 제거하는 예비탈지와 같다. 어떤 때는 스프레이탈지가 금속의 활성화를 겸할 때도 있다. 침적탈지와 스프레이탈지는 단독으로도 사용하지만 상호 조합하여 사용할 때가 많다. 여러 탈지방법이 있지만 침적탈지와 스프레이 탈지를 조합하여 사용하는 것이 제일 효과적이다.
탈지법은 처리할 금속의 종류, 사용하는 물의 질, 사용할 설비, 예비세정설비의 유무 등에 따라 결정된다. 문지름이나 기계적인 기능이 모든 탈지설비에 필요하고 오물을 제거하는 데 효과적이다. 이러한 기능은 처리할 부품을 움직여 주던가 또는 처리액을 움직여 주던가 하여 얻는다. 배럴탈지는 부품과 액이 둘 다 움직여 주는 기능을 이용할 수 있다. 침적탈지와 스프레이탈지는 유중수(油中水 : Water in Oil) 형 에멀전을 제외하면 다음 종류 중 하나이다. 유중수형은 침적탈지에서 제외한다.
1) 용제형
2) 에멀전화 용제형
3) 에멀전(유중수형, Water In Oil, W/O : 수중유형, Oil in Water, O/W)
4) 2상형 (Diphase)
5) 산 (Acid) 형
6) 세제 (Detergent) 형
7) 알칼리-빌드 세제(Alkaline-Built Detergent) 형
(1) 용제 탈지 (Solvent Cleaning)
용제탈지는 석유계 용제, 염소계 용제를 사용하여 침적법이나 스프레이법으로 처리한다. 용제는 오염물 전부 혹은 일부를 용해하여 연삭제를 함유한 버프연마제 중에 가용성 성분만을 제거하며 불활성 잔사는 제거가 불가능하여 표면에 남게 된다. 이런 문제점으로 최종탈지로 사용하기보다, 그 다음 알칼리 탈지공정에서 오물이 쉽게 제거 되도록 1차의 탈지기능으로 많이 사용하고 있다. 염소계 용제는 그 증기(Viper)를 이용해서 탈지하는 경우가 많다. 용제법은 가온침적법, 초음파법, 스프레이법, 그리고 피처리물 위에 용제의 응축법 등으로 탈지한다. 일반적으로 처음 염소계 용제중에 침적하여 대부분의 오물을 제거하고 다음에 초음파 용제 탈지를 하거나 혹은 증류 정제된 깨끗한 용제에 침적한 후 저온의 부품상에 용제를 응축시켜 마지막으로 탈지한다.
제품의 종류에 따라 여러 종류의 장치가 있다.
염소계 용제에 가수분해 방지제를 첨가해 용제와 물이 반응하여 염산이 생성되는 것을 방지하여야 한다. 용제가 산성화하면 피처리물의 표면이 에칭될 수 있다. 이 염소계 용제는 CFC 물질로 규제가 강화되어 이의 대체용제가 개발되어 현재 시판하고 있고 또한 수용성 탈지법으로도 대체가 활발히 진행하고 있다.
(2) 에멀전화 용제 (Emulsifiable Solvents)
이 탈지제의 성분은 용제 (일반적으로 염소화 용제가 사용된다) 와 에멀전화에 필요한 계면활성제로 되어 있다. 계면활성제는 에멀전의 종류와 안정성으로 결정한다. 이들 용제타입은 일반적으로 침적탈지로 사용하고, 다음에 스프레이나 침적식으로 수세한다. 이 수세에서 에멀전화가 일어난다. 그 결과 오물과 에멀전이 동시에 수세에서 씻겨 나가 다음 공정에서의 탈지를 쉽게 해 준다.
(3) 에멀전 탈지 (Emulsion Cleaning)
이는 2상(相 : Phase)을 사용하여 탈지한다. 1개의 상이 다른 상에 분산, 에멀전을 형성한다. 이 2상은 물과 유기용제로 구성된다. 수중유(水中油 : W/O) 또는 유중수(O/W) 에멀전을 만들기 위해서는 여기에 적합한 계면활성제를 사용하여야 한다. 에멀전탈지는 일반적으로 PH 7.8~ 10 의 알칼리성으로 60~80°C의 가온상태에서 사용하는 것이 보통이다. 에멀전은 오염물질을 용해도 하고 유화시키기도 하며 물과 기름의 좋은 점을 조합하며 탈지력을 발휘한다.
최근에 에멀전탈지는 버프 연마한 금속 특히 아연다이캐스트, 동, 동합금 등의 버프연마 후 눌러 붙은 연마제를 제거하는 데 널리 사용하고 있다. 에멀전 탈지 후에 필수적으로 알칼리스프레이 탈지는 알칼리 침적 탈지를 하여 에멀전 탈지에서 제거되지 않은 오물이나 용제를 제거해야 한다. 이렇게 하여 최종 공정인 도금액으로 오염물질이 묻어 들어가는 것을 방지한다.
(4) 2상 탈지 (二相脫脂 : Diphase Cleaning)
2상 탈지는 서로 혼합하여 섞이지 않는 2개의 상(층)을 이용한다. 제 1상에는 계면활성제, 무기염류, 에멀전화한 기름 등을 함유한 수(水)층, 제2상에는 적당한 유기용제를 사용한다. 2상 탈지는 용제와 수계가 서로 보완하며 탈지를 돕는다. 이 방법은 침적법으로나 스프레이법으로도 처리할 수 있다. 그 중에서도 스프레이법이 제일 효과적이다.
(5) 산성 탈지(Acid Cleaning)
산성 탈지는 유지와 가벼운 녹을 동시에 제거하는데 사용할 수 있다. 또한 산이 인산인 경우는 도장의 하지가 될 수 있는 인산염피막을 화성처리로 간단히 올릴 수도 있다. 산성탈지제의 성분은 인산, 구루콘산, 수용성용제, 습윤제, 유화제 등으로 되어 있다. 오염물질은 에칭, 습윤, 유화, 용해 등의 작용으로 제거 할 수 있다. 일반적으로 산성탈지는 스프레이법, 침적법, 브러싱법으로 처리한다.
(6) 세제 탈지
세제 탈지는 표면처리 전 분야에서 이용되고 있고 특히 버프 연마제를 제거하는 데 유용하다. 이 탈지제의 구성은 계면활성제, 비누, 완충성의 염, 킬레이트제, 억제제 등으로 되어 있다. 이들 성분은 오염물질을 용해, 분산, 습윤작용으로 제거한다. 경우에 따라서는 상온에서도 사용하나, 통상 50°C부터 비등점까지 사용하고 사용 농도는 4~10% 혹은 45~90g/L를 사용한다.
(7) 강력 알칼리 탈지 (Heavy- Duty Alkaline Cleaning)
금속 표면처리 산업에서 가장 많이 사용하고 있는 탈지법이다.
성분은 수산화나트륨, 탄산소다, 규산소다와 같은 알칼리 주성분에 각종 착화제, 습윤제, 혹은 비누, 분산제, 각종 계면활성제로 구성되어 있다. 사용방법은 60~240g/L의 농도에서 처리온도는 50~93°C 의 범위이다. 일반적으로 이 알칼리 탈지는 유류, 스마트, 가벼운 녹의 제거에 사용하고 버프 연마제의 제거에는 효과가 적어 이 분야에 사용되는 경우는 드물다. 이들은 세제침적탈지 다음에 부품 상에 남은 오물과 세제피막을 제거하기 위해 2차탈지 공정으로 자주 사용하기도 한다.