30. 표면활성화-산세(철강의 산세)

 

산세는 산성 수용액에 제품을 담궈서 화학적으로 표면에 존재하는 산화물이나 기타 화합물을 제거하는 과정이다.

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철강의 산세

철강이 575℃ 이상의 고온에서 산화될 때 형성 되는 검은색의 스케일(Scale, FeO)과 이보다 저온에서 생성 되는 붉은색의 녹(Rust, Fe2O3)을 제거하는 과정이다. 상온에서 생긴 녹은 고온에서 생성 되는 Fe3O4와는 달리 초기에는 수산화물인 Fe(OH)3가 대부분이나 시간이 흐름에 따라 적색의 산화물(Fe2O3)로 변화한다.

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가장 일반적으로 처리 되는 탄소강이나 합금강은 10% 내외의 황산 용액으로 70℃ 정도에서 산세 한다. 스테인리스강의 경우에는 15~25% 내외의 농도에 80℃에서 처리하며, 염산을 사용할 경우에는 10~20% 농도로 상온에서 작업한다.

황산 용액은 고온에서 작업하므로 에너지가 많이 들고, 고탄소강을 처리할 때 검은 피막(Smut)이 형성 되는 단점이 있다. 한편, 가격이 저렴하고, 산 증기의 발생량이 적으며 상대적으로 적은 양의 용액이 사용되는 장점을 지닌다.

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고온 산화막은 균열이 많아 산의 침투가 용이하므로 산세 속도가 저온에서 형성 된 녹에 비하여 빠르다. 산세 과정 중 산화 피막이 산에 의하여 녹는 반응도 일어나기는 하나 매우 느리다. 실제 철강의 세정은 아래와 같은 반응에 의하여 산화청 하부의 철이 신속히 용해 되면서 수소가 발생함에 따라 금속과 산화물이 분리 되는 한편, 계면의 수소 압력이 증가하면서 산화 피막을 떼어내는 기구로 세정이 이루어진다.

산세에 의한 일부 철의 용해는 불가피하므로 필요 이상으로 시간을 끌면 표면이 거칠어지면서 검은 피막이 형성 되므로 주의하여야 한다. 이 검은 피막은 철강 표면에 탄소, 규소 및 자철광 등 산에 잘 녹지 않는 물질이 붙어 있는 것이다.

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H2SO4 + Fe → FeSO4 + H2 ↑

2HCl + Fe → FeCl2 + H2 ↑

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수소의 발생기구를 살펴보면, 먼저 철강의 용해와 더불어 표면에 생성된 전자와 수용액 중에 존재하는 수소 이온이 반응하여 수소 원자를 생성한다. 이 수소 원자들은 표면으로 확산 되면서 상호 결합하여 수소 기체를 만들기도 하지만 크기가 매우 작으므로 일부는 철 원자들 사이에 존재하는 빈 공간(vacancy) 속으로 침투하여 들어간다.

철강 내부에 원자 상태로 침투한 수소는 활성이 크고 확산 속도도 빠르므로 철 및 내부에 미량 존재하는 원소들과 반응하여 매우 취약한 기계적 성질을 지니는 수소 화합물이나 각종 화합물을 형성한다.

이에 따라 철강의 연신율이 극도로 저하되어 깨지 쉬운 성질을 가지게 되는데, 이와 같은 현상을 수소 취성(Hydrogen embrittle-ment)이라고 한다.

고장력 강의 경우, 200~240℃에서 3~4시간 가열하면 수소를 제거할 수 있다.

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산세 초기, 스케일이 완전히 제거 되지 않았을 때에는 수소의 발생량이 대단히 많으나 스케일이 제거되어 철강 표면이 산에 노출 되면 발생 되는 수소의 양이 급격히 감소한다. 산세의 진행과 더불어 스케일과 철강 표면이 동시에 존재하는 중간 단계가 있게 된다. 이 때, 노출 된 철강 표면을 보호하면서 스케일의 제거를 계속하기 위하여 첨가하는 것이 산식 억제제(Acid etching inhibitor)이다.

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산식 언제제는 노출된 철강에 흡착하여 저항을 저항시키므로써 양극으로 작용하는 것을 방해하는 역할을 한다.

억제제의 양이 증가할수록 산세에 요구 되는 시간은 길어진다. 또 합측된 억제제는 도금을 어렵게 하므로 산세 후 이를 제거하기 위해 활성화 처리를 하여야만 밀착력이 우수한 도금층을 얻을 수 있다. 산세 폐액은 2~3%의 황산과 21~32% 정도의 황산철(FeSO4ㆍnH2O)을 포함하고 있다. 따라서 석회석 등으로 중화 시켜서 황산철을 침전 시켜서 상등액은 재사용한다.

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자료 출처 :

세진사 [방식 및 표면처리]

문운당 [핵심 도금ㆍ표면처리]

교육부 [금속 표면 처리]