소 속 : 대도도금(주)
이 과정의 주요 목적은 신참 표면처리 엔지니어에게 전기도금 및 표면처리의 과정과 실행에 대한 기본 지식을 제공하는 것이다.
1. 전기도금 및 표면처리의 개략
이 과정은 American Electroplaters and Surface Finishers Society(AESF)가 스폰서하고 표면처리 분야의 일반적인 개략을 제공하기 위해 고안되었다. 이 강의들을 작성하면서 우리는 여러분이 이 중요한 산업에 관한 지식이나 이해가 거의 없는 것으로 가정하였으며 이 강의 시리즈에 대한 과정은 AESF의 Mort Schwartz와 Don Swalheim이 준비하였다.
전기도금은 많은 제조업체에 대해 중요한 보조 산업이다. 전기도금과 표면처리 없이 우리의 현대 삶을 유지하기는 불가능하다. 표면처리는 전기, 통신, 항공/우주, 자동차 및 귀금속 산업에 있어서 중요한 역할을 하며 우리에게 외부 세계를 탐험하게끔 (우주 시대의) 다양한 처리 기술을 제공한다. 그러면, 전기도금이란 무엇인가?
2. 전기도금 전류를 이용하여 부품의 표면에 금속을 코팅하는 것
가장 일반적으로 말하자면 전기도금은 직류(DC)의 사용으로 부품(소재)의 표면에 금속을 코팅하는 과정이다. 전기도금된 부품들의 적용범위들이 많은데, 부식 및 내마모(스크래치 저항), 장식용 목적의 각종 처리, 고온 부식 억제, 밀착성 개선, 그리고 원하는 전기적 성질을 얻는 것 등이다.
왜 전기도금하는가?
○ 강이 녹스는 것을 방지하기 위하여
○ 반사성을 부여하고 외형을 좋게 하기 위하여
○ 금속표면에 내마모성(스크래치에 대한 저항성)을 부여하기 위하여
○ 고온에서 사용하는 금속을 보호하기 위하여
○ 밀착성(또는 접착성)을 제공하기 위하여
○ 적절한 전기적 성질을 얻기 위하여
강이 적절하게 보호되지 않을 경우 빨리 녹슨다는 것을 우리는 모두 알고 있다. 녹스는 것은 전기도금 과정으로 아연 코팅을 하면 예방할 수 있다. 자동차 장식품, 토스터, 배관 설비품들은 방식(부식 저항)과 장식성을 낼 수 있는 금속을 조합하여 도금된 항목의 예들이다.
크롬같은 어떤 금속들은 다른 금속보다 더 단단하기 때문에 내구성과 내마모성을 얻기 위해 도금된다. 크롬은 또한 내열성이 강해서 작동 중에 생성되는 고온으로부터 제트 엔진 부품을 보호하기 위해 항공/우주산업에 널리 사용된다.
자동차 범퍼, 배관 설비, 식탁용 식기류 등은 도금된 부품의 전형적인 예이다. 자동차 범퍼는 보통 강으로 만들어져 있으며 다른 금속으로 보호되지 않으면 아주 빠르게 녹슬 것이다.
대부분의 범퍼는 니켈과 얇은 탑코트(top coat)의 크롬으로 도금하여 내마모성과 내식성이 향상된다. 배관 설비품은 도금 처리의 또 다른 중요한 사례이다.
이들 부품의 대부분은 모양이 복잡하고 아연 합금을 주조하여 만든다. 이런 유형의 부품을 도금하는 과정은 강을 도금하는 것보다 다소 어렵다.
아연은 반응성인 큰 금속이므로 산성 니켈 도금욕에 용해되는 것을 보호하기 위해 부품은 구리로 먼저 도금된다. 구리 도금 후에 니켈과 크롬으로 도금된다. 토스터, 주전자, 식기류(은으로 도금된) 같은 주방용품들도 전기도금 기술이 적용된 사례들이다.
얇은 코일형태의 강은 주석으로 도금되기도 한다. 주석-코팅된 강은 그 후 캔 제조회사로 보내진다. 강은 3가지 기본 이유로 인해 주석으로 코팅된다. 주석은 산성 음식의 공격으로부터 내식성이 좋고 캔의 접합부분에 대한 결합성이 우수하며 독성이 없기 때문이다.
전기 회로의 접점에 금 도금을 하여 접촉저항을 낮추고 전도성을 부여할 수 있다. 이러한 귀금속들은 전기 산업에 광범위하게 사용된다. 최종 제품의 예는 텔레비젼, 오디오, 비디오, 통신기기 및 컴퓨터 등이다.
두꺼운 아연코팅은 강 전선과 전력 라인 및 유사한 종목의 다른 부품에 적용된다. 공구를 파는 상점에서 넛트, 볼트 및 작은 나사못들을 담아두는 작은 용기들을 검사해 보라.
이 작은 부품들은 광택이 나며 아주 관심을 끌만한 처리가 되어 있음을 발견할 것이다. 넛트, 볼트 및 나사못들은 아연으로 도금이 되어 부식으로부터 좋은 보호성을 제공받는다.
자동차 차체에 두껍게 아연 코팅(0.00075인치)하는 경우도 있다. 아연은 자동차 차체가 10년 동안 녹스는 것으로부터 보호하는 것으로 기대된다. 니켈 도금된 파이프도 한 예이다. 도금된 니켈은 식품 산업에 광범위하게 사용된다.
전기도금은 또한 샤프트와 크랭크축 같은 마모부위에 쓰이는 부품을 보호하는 데에 사용된다. 일례로써 크롬은 도금되면, 표면경도가 좋은 내구성 코팅으로 작용한다. 또한 고온에서도 내식성과 내마모성(약간은 감소되긴 하지만)이 유지되어 산화로부터 부품을 잘 보호해 준다.
인쇄회로보드에서도 전기도금에 의해 전기회로를 형성한다. 이런 유형의 부품은 전기/전자 및 컴퓨터 산업에서 많이 쓰인다. 아연, 니켈 및 주석은 아마 가장 흔히 사용되는 금속들일 것이다. 이들 금속들은 보통 강 위에 도금되어 도금된 부분이 녹스는 것을 방지한다. 은과 금은 보석 산업에서 널리 사용된다. 이전에 언급했듯이, 금과 다른 귀금속들도 전자 산업에 사용된다.
이 개요에서 다 언급하지 못 할 정도로 전기도금에 대한 많은 다른 적용이 있다. 이제 전기도금된 코팅 부품이 어떻게 생산되는지에 대해 알아 보겠다.
이제 전기도금의 실질적 과정을 검토할 준비가 되었다. 도금 탱크에서 강 부품을 니켈로 도금한다고 가정해 보자. 배터리가 직류의 공급원이긴 하지만, 실용적이진 않다. 상업적으로는 정류기(rectifiers)라 불리는 장치가 교류(AC)를 직류(DC)로 전환하는 데에 사용된다. Lesson 5에서 정류기에 대해 더 알아보도록 하겠다. 정류기의 음극 터미널에 도금할 부품을 연결한다. 도금될 부품은 음극으로 하전되고, 우리는 그것을 음극(cathode)이라 부른다. 탱크내 용액은 니켈을 이온 형태로 포함한다. 정류기의 양극 터미널에는 금속 니켈이 연결된다. 니켈, 또는 양극으로 하전된 전극인 니켈을 양극(anode)이라 부른다. 공정이 진행되면 금속 니켈 양극은 용해되고 용액은 깊은 녹색을 형성한다.
이제, 음극에서 어떤 일이 일어났는지 또는 부품이 도금되었는지 알아보자. 부품 표면에 흐르는 전류는 용액에서 니켈의 상태를 변화시켜 금속 니켈로써 부품 표면위에 석출되게 한다. 석출된 니켈의 양은 전류량(암페어로써)과 도금 "욕"에서 부품에 전류가 흐르는 시간의 길이에 의해 조절된다. 도금 시간은 보통 10에서 30분으로 다양하다. 이 단계에서, 우리는 왜 니켈이 양극에서 용해되어 부품, 또는 음극위로 "도금되어 나오는"지에 대해 전혀 알려주지를 않았다. 이것은 화학과 전기화학에 대해 논의할 때 명확하게 알게 될 것이다.
범퍼나 토스터 같이 상당한 크기의 부품들은 도금욕에서 랙에 걸려지게 되고 와셔, 넛트, 볼트 및 나사못 같은 작은 부품들은 회전 배럴에서 도금된다. 전선과 같은 재료는 특별히 고안된 장치를 통해 연속적으로 도금된다. 앞서 언급했듯이, 강 스트립은 약 2000피트/분의 속도로 도금된다. 금은 아주 비싼 금속이므로, 필요한 곳에만 적절하게 코팅하는 "선택적" 도금이 사용된다. 금을 필요로 하지 않는 부분은 테이프를 대거나 다른 종류의 물질로 마스킹한다. 랙의 경우 전체 랙은 음극 버스 바와 접촉하는 부분을 제외하고는 전기적으로 절연되어 있고, 랙의 끝 부분은 부품과 접촉된다.
배럴은 넛트, 볼트 및 나사못 같은 랙하기 어려운 작은 도금 부품들에 널리 사용된다. 배럴은 균일한 코팅을 확실히 하기 위해 회전시킨다. 보통 배럴은 약 50퍼센트 용량으로 채워져 있다. 부품과의 전기접촉은 여러 방법(금속 "dangler" 같은)으로 만들 수 있다.
아연 도금을 하는 경우 도금층의 평균 두께는 약 0.0003"이다. 1 밀은 1 인치의 1000분의 1, 즉 0.001"이다. 니켈의 두께는 장치에 따라 상당히 다양하다. 가정용품의 두께는 약 0.0003"이고, 범퍼는 보통 최소한 니켈 1 밀 (0.001")로 도금된다. 광택 크롬 도금은 대개 아주 얇게 하며, 단지 1/2000000인치의 평균 두께로 도금된다. 제트 엔진 부품을 재조성하는 데에 사용되는 두꺼운 크롬 도금은 1/32"정도의 두께이다. 이들 부품은 36시간 동안이나 도금된다. 금처럼 비싼 금속은 보통 0.00001" 또는 그 미만의 금으로 도금된다. 일반적으로 전자 산업에서는 이보다 두껍게 코팅한다.
도금할 금속의 두께를 조절하기 위해서는 도금될 부품의 표면적을 알아야만 한다. 우리는 대개 평방피트의 용어로 면적을 말한다. 면적을 알고 나서, 다음에 도금엔지니어는 원하는 두께를 얻기위해 적절한 전압을 가하여 전류를 조절하고 시간을 선택한다.
ASF는 표면적 1 평방피트당 흐르는 전류(암페어로서)를 의미하며 전류 밀도(current density)라 부른다. 각 도금욕마다 적절한 전류 밀도 범위를 갖고 있다. 너무 낮은 전류가 적용되면, 표면이 선명하지 않고 무디게 코팅된다. 반면 전류 밀도가 너무 높으면, 거칠고 외형상 입상으로 코팅될 것이다. 시안화 아연은 대개 25 ASF의 평균 전류 밀도에서 조작되고 산성 구리와 니켈 같은 산성 욕은 약 평균 50 ASF의 보다 높은 전류 밀도에서 조작된다. 부품을 광택, 고품질의 크롬으로 도금하려면 약 150 ASF의 아주 높은 전류 밀도를 적용해야만 한다. 크롬은 낮은 전류 밀도에서는 도금되지 않는다.
3. 무전해(전류가 필요없는) 도금
무전해 도금은 비교적 최근에 개발되었다. 금속을 도금하기 위해 전류를 사용하는 대신 이제 우리는 도금욕에 화학물질을 첨가한다. 그 화학물질은 배터리나 정류기와 같은 일을 한다. 무전해 도금의 주요 장점 중 하나는 도금두께가 균일하다는 것이다. 또 다른 장점은 플라스틱과 같은 비전도체를 도금할 수 있는 능력이다. 무전해 도금의 개발로 인해 전자와 컴퓨터 산업이 크게 발전되었다. 모든 금속이 무전해 과정으로 도금될 수 있는 것은 아니다. 그러나, 니켈, 구리, 코발트, 금, 백금 및 몇 가지 다른 금속들은 이 방법으로 도금된다.
4. 아노다이징(양극산화)
알루미늄의 아노다이징을 보자. 아노다이즈되는 금속은 정류기의 양극(positive, anode) 터미널에 연결된다. 욕은 물과 황산의 혼합물로 이루어져 있다. 전기도금에서, 금속 (양극일 때)은 욕에 용해한다. 그러나 아노다이징의 메카니즘은 다소 다르다.
주된 반응은 알루미늄 표면위로 산소 가스가 생성되는 것이다. 산소는 알루미늄과 반응하여 산화 알루미늄을 형성하며 이것이 알루미늄을 보호하고 좋은 내식성을 제공한다.
이렇게 아노다이징 된 알루미늄의 표면에는 꽤 얇고 비공성인 barrier 층이 있다. barrier 층 부근에는 독특한 다공성 구조를 가진, 훨씬 두꺼운 산화 알루미늄이 있다.
그것은 각 셀의 중심에 구멍 또는 pore를 가진 육면체 셀 구조를 갖는다. 평방 인치당 약 400억개의 구멍들이 있다. 아노다이징 피막은 염료를 함유한 용액에 단순히 침적함으로써 쉽게 착색된다.
또 구멍들은 쉽게 봉해진다. 아노다이징 피막은 부식저항이 뛰어나고 페인트 필름에 대한 밀착력도 좋다. 아연 합금, 마그네슘, 티타늄 및 탄탈륨도 아노다이징 할 수 있다.
5 인산염피막
인산염피막은 강이나 아연 코팅된 강 표면에 형성하여 금속과 페인트 사이에 좋은 결합력을 유지한다. 인산염피막이 없으면 자동차 표면이 긁힐 경우 페인트가 쉽게 떨어져 나갈 것이다.
또한 부식이 페인트 필름 밑에서 진행되어 곧 페인트는 금속에서 종이처럼 떨어져 나오게 된다. 인산염피막을 코팅할 때에는 전류가 사용되지 않는다. 부품을 단지 약 30초에서 2분 동안 인산염처리 용액에 담그기만 하면 된다.
강이나 아연은 용액과 반응하여 불용성 인산염피막을 형성하며 이것이 금속 표면에 코팅된다. 인산염피막은 페인트 하지용도로 널리 사용된다.
6. 크로메이트 코팅
크로메이트 코팅은 또 다른 표면처리 유형이다. 크로메이트 코팅의 가장 큰 용도는 아연 표면에 대한 처리이다. 아연은 반응성이 큰 금속(특히 물과)이다. 크롬산을 함유하고 있는 용액에 도금된 아연을 약 30초간 담그면 표면은 불용성 크로메이트 필름으로 코팅이 된다.
넛트, 볼트 및 나사못의 표면에 대한 처리가 일반적으로 시행되며 어떤 부품들은 푸른색으로 염색이 되어 있고, 다른 것은 황색 또는 무지개 빛 색상을 내기도 한다. 크로메이트 코팅은 아연의 부식 저항성을 상당히 향상시킨다. 크로메이트 코팅은 또한 알루미늄과 마그네슘에도 적용된다. 대개는 부식 보호와 페인트 하지용도이다.