1. 도금 및 코팅의 기본 개념

도금과 코팅은 기재의 표면에 새로운 물질층을 형성하여, 모재만으로 얻기 어려운 특성을 부여하는 표면공학 기술이다.

대표적인 목적은 다음과 같다.

• 부식 방지

• 내마모성 향상

• 경도 향상

• 마찰계수 조절

• 윤활성 향상

• 전기전도성 부여

• 전기절연성 부여

• 납땜성과 접합성 향상

• 장식성 향상

• 열반사 및 열차단

• 내약품성 향상

• 오염 및 부착 방지

• 치수 보정

• 광학적 기능 부여

• 생체적합성 또는 식품접촉 적합성 확보

도금 및 코팅의 성능은 단순히 피막의 재료명만으로 결정되지 않는다.

다음 요소가 함께 작용한다.

• 모재의 종류

• 표면 전처리 상태

• 피막의 화학조성

• 피막 두께

• 기공률

• 결정립 크기

• 내부응력

• 계면접착력

• 후처리

• 사용온도

• 부식환경

• 상대재료

• 하중과 마찰조건

2. 도금과 코팅의 차이

2.1 도금

도금은 금속, 합금 또는 금속계 복합층을 모재 표면에 석출시키는 공정이다.

대표 공정:

• 전기도금

• 무전해도금

• 용융도금

• 침지도금

• 기계도금

• 확산도금

대표 피막:

• 아연

• 니켈

• 크롬

• 구리

• 주석

• 은

• 금

• 아연-니켈

• 니켈-인

• 니켈-붕소

2.2 코팅

코팅은 금속뿐 아니라 고분자, 세라믹, 산화물, 탄화물 및 복합재료를 표면에 형성하는 모든 공정을 포함한다.

대표 공정:

• 액상도장

• 분체도장

• 전착도장

• 용사코팅

• PVD

• CVD

• DLC

• 세라믹 코팅

• 불소수지 코팅

• 고무 라이닝

• 유리 라이닝

• 졸-겔 코팅

2.3 표면변환처리

표면변환처리는 외부 물질을 단순히 적층하는 것이 아니라 모재 표면을 화학적 또는 전기화학적으로 반응시켜 피막을 형성한다.

대표 공정:

• 양극산화

• 인산염피막

• 크로메이트 처리

• 흑색산화

• 부동태화

• 지르코늄계 화성피막

• 티타늄계 화성피막

3. 표면피막의 기본 구성

일반적인 표면처리 구조는 다음과 같이 구성된다.

1. 모재

2. 전처리층

3. 계면층

4. 주기능층

5. 봉공층 또는 실러

6. 상도 또는 윤활층

예를 들어 아연도금 강재의 일반적인 구조는 다음과 같다.

• 철강 모재

• 아연도금층

• 크로메이트 또는 무크롬 패시베이션층

• 실러

• 필요 시 도장층

도장 시스템은 일반적으로 다음과 같이 구성된다.

• 모재

• 표면처리층

• 프라이머

• 중도

• 상도

4. 피막 성분의 일반적인 구성

4.1 금속도금 피막

금속도금 피막은 주금속과 합금원소, 공석물질 및 미량 불순물로 구성된다.

4.2 유기코팅

도료와 수지코팅은 일반적으로 다음 성분으로 구성된다.

고형분 비율은 도포 전 도료의 질량 중 건조 후 피막으로 남는 성분의 비율을 의미한다.

4.3 용사 및 박막코팅

용사·PVD·CVD 피막은 다음과 같이 구성될 수 있다.

• 단일 금속

• 금속합금

• 산화물 세라믹

• 탄화물

• 질화물

• 탄소계 피막

• 금속-세라믹 복합층

• 다층구조

• 경사기능층

대표 조성:

• WC-Co

• WC-CoCr

• Cr₃C₂-NiCr

• Al₂O₃

• Al₂O₃-TiO₂

• ZrO₂-Y₂O₃

• TiN

• CrN

• TiAlN

• AlCrN

• DLC

• SiC

• Si₃N₄

5. 부식방지 메커니즘

5.1 장벽방식

피막이 물, 산소, 염분 및 화학물질이 모재에 도달하는 것을 차단한다.

대표 피막:

• 니켈

• 크롬

• 도장

• 에폭시

• 불소수지

• 세라믹 코팅

장벽피막에 핀홀이나 균열이 존재하면 국부부식이 집중될 수 있다.

5.2 희생방식

피막이 모재보다 먼저 부식되어 모재를 보호한다.

대표 피막:

• 아연

• 아연-알루미늄

• 일부 알루미늄 용사피막

철강 위 아연피막은 피막에 손상이 있어도 일정 범위에서 전기화학적으로 철을 보호한다.

5.3 부동태화

표면에 안정한 산화물 또는 화합물층을 형성하여 부식반응을 억제한다.

대표 예:

• 스테인리스강의 부동태화

• 알루미늄 양극산화

• 크로메이트 처리

• 티타늄 산화피막

5.4 억제성 안료

도장피막 내부의 방청안료가 부식반응을 억제한다.

대표 안료:

• 인산아연

• 아연분말

• 칼슘계 방청안료

• 몰리브데이트계 안료

6. 표면 전처리

표면처리의 실패는 피막재료보다 전처리 불량에서 발생하는 경우가 많다.

일반적인 전처리 순서:

1. 탈지

2. 세척

3. 녹과 산화막 제거

4. 표면활성화

5. 화성처리 또는 프라이머

6. 수세

7. 건조

8. 도금 또는 코팅

6.1 탈지

제거대상:

• 절삭유

• 방청유

• 그리스

• 지문

• 연마제

• 이형제

대표 방법:

• 알칼리 탈지

• 용제 탈지

• 전해 탈지

• 초음파 세척

• 증기 탈지

탈지가 불완전하면 다음 문제가 발생한다.

• 미도금

• 핀홀

• 부풀음

• 접착불량

• 크레이터

• 국부부식

6.2 산세

산세는 녹, 스케일 및 산화막을 산성용액으로 제거하는 공정이다.

대표 산:

• 염산

• 황산

• 인산

• 질산

• 불산계 혼합액

고강도강은 산세와 전기도금 중 수소를 흡수해 수소취성이 발생할 수 있으므로 공정조건과 후열처리를 관리해야 한다.

6.3 블라스트 처리

대표 매체:

• 강구

• 강그릿

• 알루미나

• 유리비드

• 세라믹비드

• 플라스틱미디어

목적:

• 녹 제거

• 스케일 제거

• 표면조도 형성

• 접착면적 증가

• 기존 코팅 제거

조도가 너무 낮으면 접착력이 부족하고, 너무 높으면 코팅이 표면돌기를 완전히 덮지 못할 수 있다.

7. 전기도금

전기도금은 외부 직류전원을 사용하여 전해액 속 금속이온을 음극인 제품표면에 환원·석출시키는 공정이다.

기본 구성:

• 도금대상물: 음극

• 금속양극 또는 불용성양극

• 금속염 전해액

• 전원공급장치

• 첨가제

• 온도 및 교반장치

전기아연도금의 요구사항과 후처리는 ISO 2081 계열에서 다뤄지며, 구매자는 모재, 사용환경, 두께, 후처리 및 열처리 요구를 명확히 지정해야 한다.

7.1 전기도금의 두께분포

전류밀도가 높은 위치:

• 돌출부

• 모서리

• 외곽

• 전극과 가까운 부위

전류밀도가 낮은 위치:

• 깊은 홈

• 내경

• 구멍 내부

• 차폐된 부위

따라서 전기도금은 복잡한 형상에서 두께편차가 발생한다.

개선방법:

• 보조양극

• 차폐판

• 지그 설계

• 전극거리 조정

• 전류파형 제어

• 제품배치 최적화

8. 아연도금

8.1 기본 구성

아연도금 피막의 주성분은 Zn이다.

일반적인 전기아연도금 피막:

• Zn: 대부분

• Fe 및 기타 불순물: 미량

• 유기광택제 잔류물: 미량

• 상부 패시베이션과 실러: 별도 형성

8.2 대표 두께

일반적인 적용범위:

• 실내용 소형부품: 약 3~8 μm

• 일반 산업부품: 약 8~15 μm

• 높은 내식요구: 약 15~25 μm 이상

실제 요구두께는 부식환경, 후처리 및 규격에 따라 결정한다.

8.3 특성

장점:

• 철강에 대한 희생방식 보호

• 낮은 가격

• 대량생산 가능

• 양호한 외관

• 다양한 패시베이션 가능

• 볼트와 체결부품에 널리 적용

한계:

• 고온에서 내식성 저하

• 산·알칼리에 제한

• 백청 발생

• 두께편차

• 고강도강의 수소취성

• 접촉환경에 따른 갈바닉 부식

8.4 주요 용도

• 볼트

• 너트

• 브래킷

• 판금부품

• 전장부품

• 자동차 부품

• 기계프레임 부속품

9. 아연-니켈 합금도금

9.1 기본 구성

대표 조성:

• Zn: 약 84~92 wt.%

• Ni: 약 8~16 wt.%

상용 고내식 아연-니켈 도금은 약 12~15 wt.% Ni 영역이 많이 사용된다.

9.2 특성

• 일반 아연도금보다 높은 내식성

• 비교적 얇은 피막으로 높은 방청성 확보

• 고온 후 내식성 유지가 상대적으로 우수

• 자동차 및 고내식 체결부품에 적합

• 공정관리 난도가 높음

• 비용이 일반 아연도금보다 높음

• 합금조성 편차에 따라 성능이 달라짐

9.3 대표 두께

• 약 5~15 μm

• 고내식 사양에서는 패시베이션 및 실러를 함께 적용

10. 니켈도금

10.1 전기니켈도금

대표 욕종:

• 와트욕

• 설파민산욕

• 황산염욕

• 염화물욕

전형적인 와트욕의 구성계열:

• 황산니켈: 주 니켈이온 공급원

• 염화니켈: 양극용해와 전도성 향상

• 붕산: 완충작용

• 광택제와 습윤제: 미량

10.2 니켈도금의 종류

무광니켈

• 낮은 첨가제 함량

• 비교적 연성

• 내부응력이 낮을 수 있음

• 하도와 기능용으로 적합

반광택니켈

• 낮은 황 함량

• 다층 장식도금의 내식성 향상

• 구리-니켈-크롬 시스템에 사용

광택니켈

• 높은 광택

• 평활성 우수

• 유기첨가제에 의해 황이 공석될 수 있음

• 장식용으로 널리 사용

설파민산니켈

• 낮은 내부응력 구현 가능

• 두꺼운 전주와 치수복원에 적합

• 정밀부품에 사용

10.3 대표 두께

• 장식용 하도: 약 5~25 μm

• 기능용: 약 10~100 μm

• 전주 및 치수복원: 수백 μm 이상 가능

10.4 특성

• 양호한 내식성

• 높은 경도

• 장식성

• 납땜성과 접합성

• 하도 역할

• 자성

• 니켈 알레르기 고려 필요

• 핀홀이 있으면 철강에서 국부부식 가능

11. 무전해 니켈-인 도금

무전해 니켈도금은 외부전원 없이 용액 내 환원반응을 이용하여 니켈합금을 석출시키는 자기촉매 공정이다.

ISO 4527은 수용액에서 금속기재 위에 형성하는 자기촉매 니켈-인 합금피막의 요구사항과 시험방법을 규정한다.

11.1 기본 피막구성

• Ni: 주성분

• P: 약 2~13 wt.%

• 불순물: 미량

11.2 인 함량에 따른 분류

저인형

• P: 약 2~5 wt.%

• 높은 경도

• 결정질 성격

• 알칼리 환경에서 유리한 등급 존재

• 내식성은 고인형보다 낮을 수 있음

중인형

• P: 약 6~9 wt.%

• 경도, 내마모성, 내식성의 균형

• 가장 일반적인 산업용 등급

고인형

• P: 약 10~13 wt.%

• 비정질 구조 형성 가능

• 높은 내식성

• 비자성 특성

• 열처리 전 경도는 중인형보다 낮을 수 있음

11.3 대표 욕 구성계열

• 니켈염

• 차아인산염 환원제

• 착화제

• 완충제

• 안정제

• 습윤제

• pH 조절제

11.4 특성

장점:

• 복잡형상에 균일한 두께

• 내경과 홈에 비교적 균일하게 석출

• 높은 내식성

• 양호한 내마모성

• 열처리에 의한 경도 향상

• 치수정밀도가 중요한 부품에 적합

한계:

• 전기도금보다 높은 비용

• 욕 수명과 조성관리 필요

• 국부 과열과 피트 가능

• 두꺼운 피막에서 내부응력과 박리 가능

• 알루미늄에는 특별한 전처리 필요

11.5 대표 두께

• 일반 방청: 약 5~15 μm

• 내마모·정밀부품: 약 15~50 μm

• 치수복원·가혹환경: 약 50~100 μm 이상

11.6 열처리 효과

열처리하면 Ni₃P 등의 석출에 의해 경도가 증가할 수 있다.

그러나 열처리는 다음 항목에 영향을 준다.

• 내식성

• 치수

• 모재경도

• 변형

• 계면확산

• 피막균열

열처리 조건은 모재와 사용목적에 맞춰 지정해야 한다.

12. 크롬도금

12.1 장식크롬

일반 구조:

• 모재

• 구리도금

• 반광택니켈

• 광택니켈

• 얇은 크롬층

크롬층은 외관과 변색방지 기능을 제공한다.

대표 두께:

• 크롬층 약 0.1~1 μm

• 하부 니켈층은 수 μm~수십 μm

12.2 경질크롬

대표 두께:

• 약 10~100 μm

• 치수복원에서는 수백 μm 적용 가능

특성:

• 높은 경도

• 높은 내마모성

• 낮은 마찰계수

• 양호한 내열성

• 치수복원 가능

• 미세균열 구조

• 인장잔류응력 가능

• 모서리 두께증가

• 수소취성 관리 필요

12.3 주요 용도

• 유압실린더 로드

• 금형

• 롤러

• 샤프트

• 피스톤링

• 밸브부품

• 측정공구

12.4 환경 및 안전 고려

육가크롬 화합물은 높은 유해성과 환경부담을 가지므로, 공정에서는 삼가크롬 도금, 무크롬 후처리, HVOF 및 기타 대체기술을 검토한다.

규제 적합성은 적용 국가와 제품군의 최신 요구사항을 별도로 확인해야 한다.

13. 구리도금

13.1 주요 역할

• 높은 전기전도성

• 높은 열전도성

• 니켈·크롬도금의 하도

• 표면 평활화

• 전자회로 배선

• 전주

• 침탄방지용 마스킹

13.2 욕 종류

• 산성 황산구리욕

• 피로인산구리욕

• 시안화구리욕

• 무전해 구리욕

안전성과 환경성 때문에 시안화물 공정은 엄격하게 관리되며 가능한 경우 비시안계 대체공정을 검토한다.

13.3 대표 두께

• 하도: 약 5~30 μm

• 전자회로: 수 μm~수십 μm

• 전주: 수백 μm 이상

14. 주석도금

14.1 특성

• 우수한 납땜성

• 비교적 낮은 독성

• 전기접촉용으로 사용

• 식품용기용 재료에 사용된 사례가 많음

• 연한 피막

• 마찰에 의한 마모 가능

• 주석휘스커 발생 가능

14.2 대표 조성

순주석

• Sn: 일반적으로 99% 이상

주석합금

• Sn-Bi

• Sn-Cu

• Sn-Ag

• Sn-Ni

합금원소는 경도, 납땜성, 휘스커, 융점 및 접촉특성을 조절한다.

14.3 대표 두께

• 전자단자: 약 1~10 μm

• 일반 방청·납땜용: 약 5~30 μm

15. 은도금과 금도금

15.1 은도금

특성:

• 매우 높은 전기전도성

• 높은 열전도성

• 양호한 납땜성

• 낮은 접촉저항

• 황화변색

• 마이그레이션 가능성

• 비교적 부드러운 피막

주요 용도:

• 전기접점

• 고전류 부품

• RF 부품

• 베어링과 마찰부품

• 식품설비의 제한적 특수용도

15.2 금도금

특성:

• 높은 내식성

• 낮고 안정적인 접촉저항

• 우수한 납땜성과 본딩성

• 높은 가격

• 얇은 피막에서는 기공 관리 필요

대표 종류:

연질금

• 높은 순도

• 와이어본딩과 전자부품

• 낮은 경도

경질금

• Au에 Co, Ni, Fe 등을 미량 첨가

• 높은 경도와 내마모성

• 커넥터 접점에 사용

대표 두께:

• 플래시 금: 약 0.05~0.2 μm

• 전자접점: 약 0.5~2 μm

• 특수기능용: 수 μm 이상

16. 용융아연도금

용융아연도금은 철강제품을 용융아연욕에 침지하여 아연-철 합금층과 외부 아연층을 형성하는 공정이다.

ISO 1461:2022는 제작된 철강제품의 용융아연도금에 대한 일반적 피막특성과 시험방법을 규정한다. 해당 공정은 아연 용탕에 침지하여 피막을 형성하는 방식이다.

16.1 기본 피막구조

모재에서 표면방향으로:

• 철강 모재

• Fe-Zn 합금층

• 중간 합금층

• 외부 아연층

16.2 용탕의 대표 구성

• Zn: 주성분

• Al, Ni, Bi, Sn 등: 공정성과 외관조절을 위한 소량 첨가 가능

• ISO 1461 적용범위에서는 일반적으로 아연 외 금속이 제한적으로 포함된다.

16.3 대표 두께

제품두께와 재질에 따라 일반적으로:

• 약 45~100 μm 이상

실제 두께는 강재 조성, 침지시간, 표면상태 및 규격에 따라 달라진다.

16.4 특성

장점:

• 두꺼운 방청피막

• 희생방식 보호

• 모서리와 내부까지 피복 가능

• 옥외구조물에 적합

• 긴 방청수명

한계:

• 치수변화

• 표면거칠기

• 변형 가능

• 나사부 끼워맞춤 고려

• 배기·배액구 필요

• 용접부와 실리콘 함량에 따른 외관·두께 변화

• 정밀부품에는 제한

17. 용융알루미늄 및 아연-알루미늄 도금

17.1 용융알루미늄도금

특성:

• 고온산화 저항

• 열반사성

• 황화환경 대응

• 배기계통과 가열부품에 사용

• 가공성과 용접성 검토 필요

17.2 아연-알루미늄 피막

대표 계열:

• Zn-Al

• Zn-Al-Mg

• Al-Zn

합금원소의 역할:

• Al: 장벽성과 내열성 향상

• Mg: 절단면과 손상부의 부식생성물 안정화

• Zn: 희생방식 보호

18. 양극산화

양극산화는 알루미늄 등의 금속을 전해조에서 양극으로 사용하여 표면의 자연산화막을 두껍고 제어된 산화피막으로 변환하는 전기화학 공정이다. 알루미늄 양극산화층은 장식성, 내식성 및 내마모성을 높일 수 있다.

18.1 피막 구성

알루미늄 양극산화 피막:

• 주성분: Al₂O₃

• 수화산화물: 봉공처리에 의해 형성 가능

• 염료 또는 무기착색성분: 착색제품

• 합금원소 산화물: 모재합금에 따라 포함

18.2 일반 양극산화

대표 두께:

• 약 5~25 μm

주요 특성:

• 내식성

• 장식성

• 착색 가능

• 전기절연성

• 접착 전처리

• 치수변화

18.3 경질양극산화

대표 두께:

• 약 25~100 μm

• 일반적으로 약 30~60 μm 영역이 널리 사용

특성:

• 높은 경도

• 높은 내마모성

• 높은 절연성

• 마찰계수는 상대재와 윤활조건에 따라 달라짐

• 균열과 취성 가능

• 모서리 번 현상

• 피막두께의 일부는 모재 내부로 성장하고 일부는 외부로 성장

18.4 봉공처리

양극산화막은 다공성 구조를 가지므로 봉공처리를 적용한다.

대표 방법:

• 열수봉공

• 니켈염 봉공

• 저온봉공

• 유기실러

• PTFE 함침

봉공은 내식성과 오염저항을 높이지만 경도와 접착성에 영향을 줄 수 있다.

19. 화성피막

19.1 인산염피막

대표 종류:

• 인산철

• 인산아연

• 인산망간

피막 구성:

• 금속 인산염 결정

• 산화물

• 흡착된 오일 또는 실러

용도:

• 도장 하도

• 방청유 유지

• 마찰부품 초기길들이기

• 냉간가공 윤활

19.2 인산아연

특성:

• 도장접착 향상

• 언더필름 부식 억제

• 결정질 피막

• 자동차와 산업도장 전처리에 사용

대표 피막질량:

• 약 1~5 g/m² 수준의 도장 하도

• 중량피막은 그 이상 가능

19.3 인산망간

특성:

• 비교적 두꺼운 결정질 피막

• 오일 유지력

• 마찰부품의 초기마모 감소

• 기어, 캠, 피스톤류에 적용

19.4 크로메이트 및 무크롬 패시베이션

크로메이트 피막은 아연, 알루미늄 등의 표면에 얇은 전환피막을 형성한다.

주요 기능:

• 백청 억제

• 도장접착성

• 손상부의 제한적 자기치유성

• 착색

환경성과 작업안전을 위해 삼가크롬계, 지르코늄계 및 티타늄계 무크롬 처리가 확대되고 있다.

19.5 흑색산화

철강 표면에 자철석 계열의 흑색 산화피막을 형성한다.

주성분:

• Fe₃O₄

특성:

• 매우 얇은 피막

• 치수변화가 작음

• 흑색외관

• 오일 또는 왁스와 함께 사용

• 단독 내식성은 제한적

• 공구와 정밀부품에 적합

20. 스테인리스강 부동태화

스테인리스강 부동태화는 자유철과 오염물을 제거하고 크롬산화물 중심의 안정한 표면층 형성을 촉진하는 처리이다.

대표 처리액 계열:

• 질산계

• 구연산계

효과:

• 자유철 제거

• 내식성 회복

• 용접·가공 후 표면 안정화

• 청정도 향상

주의사항:

• 부동태화는 스케일 제거용 산세와 다름

• 깊은 녹과 열변색은 별도 산세가 필요할 수 있음

• 염화물 오염과 세척잔류 관리 필요

21. 액상도장

액상도장은 수지, 안료, 용제 또는 물, 첨가제를 액체상태로 도포한 후 건조·경화해 피막을 형성한다.

대표 도포방법:

• 에어 스프레이

• 에어리스 스프레이

• 롤 코팅

• 브러시

• 침지

• 플로 코팅

• 전착도장

22. 에폭시 코팅

22.1 기본 구성

대표 2액형 에폭시 도료:

22.2 특성

장점:

• 높은 접착력

• 우수한 방청성

• 높은 내약품성

• 높은 피막강도

• 두꺼운 도막 형성 가능

• 하도와 탱크라이닝에 적합

한계:

• 자외선에 의한 초킹

• 변색

• 저온경화 제한

• 배합비와 가사시간 관리

• 두꺼운 도막의 용제포획 가능

22.3 주요 용도

• 기계프레임

• 탱크

• 배관

• 바닥

• 해양구조물

• 화학설비

• 중방식 하도

23. 폴리우레탄 코팅

23.1 기본 구성

대표 2액형 시스템:

• 폴리올수지

• 폴리이소시아네이트 경화제

• 안료

• 용제

• UV 안정제

• 레벨링제

23.2 특성

• 높은 외관품질

• 우수한 광택유지

• 우수한 내후성

• 양호한 내마모성

• 탄성조절 가능

• 수분과 경화조건에 민감

• 이소시아네이트 취급관리 필요

주요 용도:

• 기계 외장

• 자동차 부품

• 옥외설비

• 에폭시 중방식 시스템의 상도

24. 아크릴·알키드·실리콘 코팅

24.1 아크릴

• 우수한 내후성과 색상유지

• 빠른 건조

• 투명코팅 가능

• 내약품성과 내열성은 등급별 차이

24.2 알키드

• 경제적

• 작업성 우수

• 공기산화 경화

• 일반 산업도장에 사용

• 강한 화학환경과 침수환경에는 제한

24.3 실리콘수지

• 높은 내열성

• 열사이클 대응

• 배기계통과 가열장치

• 기계적 강도와 내용제성은 조성에 따라 제한

25. 불소수지 코팅

대표 재료:

• PTFE

• PFA

• FEP

• ETFE

• PVDF

대표 피막 구성:

• 불소수지: 주성분

• 프라이머 수지와 접착성분

• 안료

• 충전재

• 기능성 입자

25.1 특성

장점:

• 낮은 마찰계수

• 비점착성

• 높은 내약품성

• 양호한 내열성

• 세척성

한계:

• 낮은 표면에너지로 접착이 어려움

• 충격과 긁힘에 제한

• 핀홀 관리 필요

• 두꺼운 피막의 치수변화

• 고온 소성 필요 등급 존재

25.2 주요 용도

• 식품기계

• 금형

• 호퍼

• 가이드

• 화학탱크

• 밸브

• 열교환기 부품

• 반도체 습식공정부품

26. 분체도장

분체도장은 분말상 도료를 정전기적으로 부착한 뒤 가열 용융·경화시키는 공정이다.

대표 수지:

• 에폭시

• 폴리에스터

• 에폭시-폴리에스터 하이브리드

• 아크릴

• 나일론

• 불소계

ISO의 도료분류 체계는 코팅분말, 도막 및 보호도장 시스템을 도료·바니시 분야에 포함한다.

26.1 일반 구성

26.2 대표 두께

• 일반적으로 약 50~120 μm

• 기능성 또는 중방식에서는 더 두껍게 적용 가능

26.3 특성

장점:

• 높은 고형분

• 용제사용이 적음

• 도막이 두껍고 균일

• 회수사용 가능

• 높은 생산성

• 우수한 외관

한계:

• 가열경화 필요

• 대형제품의 가열설비

• 모서리와 깊은 홈에서 두께편차

• 색상교체 손실

• 얇은 도막 형성 제한

• 분진폭발 방지 필요

27. 전착도장

전착도장은 수용성 도료입자를 전기장으로 제품표면에 석출시키는 공정이다.

대표 방식:

• 음극 전착

• 양극 전착

특성:

• 복잡형상과 내부에 비교적 균일한 도막

• 높은 자동화

• 우수한 방청성

• 자동차 차체와 대량생산 부품에 적합

• 전도성 모재 필요

• 전처리와 수세관리 중요

대표 두께:

• 약 15~35 μm

28. 중방식 도장 시스템

강구조물용 중방식 도장은 단일 도료보다 다층 시스템으로 설계한다.

ISO 12944 계열은 부식환경, 표면처리, 도료종류, 도막시스템 및 기대내구성을 함께 고려하도록 구성되어 있다.

대표 시스템:

아연말 프라이머 + 에폭시 중도 + 폴리우레탄 상도

• 희생방식

• 장벽방식

• 내후성

• 옥외 강구조물

에폭시 프라이머 + 후막 에폭시

• 탱크

• 침수환경

• 화학설비

용융아연도금 + 도장

• 듀플렉스 시스템

• 아연피막 보호

• 장기내식

• 색상 부여

29. 용사코팅

용사는 분말 또는 와이어를 가열·가속하여 용융 또는 반용융 입자를 모재표면에 충돌시켜 피막을 형성하는 공정이다.

ISO 2063 계열은 철강의 부식방지를 위한 아연, 알루미늄 및 그 합금의 금속용사피막을 다룬다.

29.1 용사 방식

• 화염용사

• 아크용사

• 플라즈마용사

• HVOF

• HVAF

• 콜드스프레이

• 폭발용사

29.2 용사피막의 구조

용사피막은 일반적으로 다음을 포함한다.

• 편평화된 적층입자

• 입자간 산화물

• 기공

• 미용융입자

• 계면

• 실러

29.3 대표 용사재료

금속

• Zn

• Al

• Ni

• NiCr

• Mo

• Cu

세라믹

• Al₂O₃

• Cr₂O₃

• ZrO₂

• TiO₂

서멧

• WC-Co

• WC-CoCr

• Cr₃C₂-NiCr

29.4 대표 구성

WC-Co

• WC: 약 80~94 wt.%

• Co: 약 6~20 wt.%

WC-CoCr

• WC: 약 80~90 wt.%

• Co: 약 5~12 wt.%

• Cr: 약 3~10 wt.%

Cr₃C₂-NiCr

• Cr₃C₂: 약 70~80 wt.%

• NiCr: 약 20~30 wt.%

알루미나-티타니아

• Al₂O₃: 약 60~97 wt.%

• TiO₂: 약 3~40 wt.%

29.5 대표 두께

• 금속 방청용사: 약 100~500 μm

• 내마모 HVOF: 약 50~500 μm

• 플라즈마 세라믹: 약 100 μm~수 mm

30. PVD 코팅

PVD는 진공에서 고체원료를 증발 또는 스퍼터링해 기체상으로 이동시킨 후 기재에 박막으로 응축시키는 물리적 증착공정이다.

일반적인 PVD 공정은 고진공과 약 150~500°C 범위에서 수행되는 경우가 많으며, 실제 온도는 공정과 기재에 따라 달라진다.

30.1 대표 방식

• 진공증발

• 스퍼터링

• 아크이온플레이팅

• 이온빔 증착

• 반응성 PVD

30.2 대표 피막

• TiN

• CrN

• TiCN

• TiAlN

• AlTiN

• AlCrN

• ZrN

• MoN

• 금속박막

30.3 대표 피막조성

TiN

• Ti와 N의 화합물

• 실제 피막은 화학량론비와 불순물에 따라 특성 변화

TiAlN·AlTiN

• Ti, Al, N

• Al 함량에 따라 산화저항과 결정구조 변화

CrN

• Cr, N

• 내식성과 내마모성의 균형

30.4 대표 두께

• 절삭공구: 약 1~5 μm

• 금형과 기계부품: 약 2~10 μm

• 장식박막: 약 0.1~1 μm

30.5 특성

장점:

• 높은 경도

• 얇은 두께

• 낮은 치수변화

• 우수한 내마모성

• 다양한 색상

• 낮은 마찰계수 구현 가능

• 고온산화 저항 향상

한계:

• 진공설비 필요

• 복잡한 깊은 홈의 피복성 제한

• 모재표면조도의 영향이 큼

• 얇은 피막이므로 큰 치수복원 불가

• 모재경도와 지지력이 낮으면 피막파손 가능

31. CVD 코팅

CVD는 기체상 전구체가 가열된 기재표면에서 화학반응을 일으켜 고체피막을 형성하는 공정이다.

대표 종류:

• 열 CVD

• 플라즈마 CVD

• 저압 CVD

• 금속유기 CVD

• 원자층증착

대표 피막:

• TiC

• TiN

• Al₂O₃

• SiC

• Si₃N₄

• 다이아몬드

• DLC 계열

31.1 특성

장점:

• 복잡형상의 피복성이 상대적으로 우수

• 치밀한 피막

• 높은 접착력

• 고순도 박막 가능

• 다층구조 형성 가능

한계:

• 높은 공정온도

• 모재변형과 열처리 영향

• 반응가스 취급

• 긴 공정시간

• 후처리 필요 가능

32. DLC 코팅

DLC는 다이아몬드 결합 특성과 흑연 결합 특성을 함께 갖는 비정질 탄소계 피막이다.

대표 구성:

• 탄소

• 수소

• Si, W, Cr 등의 도핑원소

• sp² 결합

• sp³ 결합

대표 종류:

• a-C

• a-C:H

• ta-C

• Si-DLC

• W-DLC

32.1 특성

• 높은 경도

• 낮은 마찰계수

• 높은 내마모성

• 화학적 안정성

• 응착마모 감소

• 내부응력이 높을 수 있음

• 피막두께에 제한

• 온도와 습도에 따른 마찰특성 변화

• 상대재와 윤활유의 영향

대표 두께:

• 약 0.5~5 μm

• 특수 다층피막은 그 이상 가능

32.2 주요 용도

• 자동차 엔진부품

• 연료분사부품

• 금형

• 정밀샤프트

• 밸브

• 의료부품

• 슬라이딩 부품

33. 세라믹 코팅

대표 재료:

• Al₂O₃

• ZrO₂

• Cr₂O₃

• TiO₂

• SiO₂

• SiC

• TiN

• CrN

주요 기능:

• 내마모

• 열차단

• 전기절연

• 내식

• 비점착

• 고온산화 방지

33.1 열차폐 코팅

대표 구조:

• 금속 모재

• 본드코트

• 열성장산화층

• 지르코니아계 상부층

대표 상부층:

• Y₂O₃ 안정화 ZrO₂

특성:

• 낮은 열전도성

• 고온부품의 모재온도 감소

• 열사이클 박리

• 산화층 성장

• 열팽창 불일치 관리 필요

34. 고무 및 라이닝 코팅

대표 재료:

• 천연고무

• 부틸고무

• EPDM

• 네오프렌

• 경질고무

• 우레탄

• PVC

• PE

• PP

주요 용도:

• 산·알칼리 탱크

• 배관

• 슬러리 장비

• 진동·충격 보호

• 내마모 라이닝

주의사항:

• 접착층 열화

• 기포

• 핀홀

• 열팽창

• 투과

• 용제와 화학물질의 상용성

35. 도금 및 코팅의 기계적 특성

35.1 경도

피막경도는 다음의 영향을 받는다.

• 화학조성

• 결정립 크기

• 열처리

• 기공률

• 내부응력

• 공석원소

• 측정하중

• 피막두께

• 모재경도

얇은 피막의 경도 측정에서는 모재영향을 최소화해야 한다.

35.2 접착력

접착 메커니즘:

• 기계적 결합

• 화학결합

• 확산결합

• 금속결합

• 정전기적 상호작용

접착력 저하 원인:

• 오일

• 산화막

• 수분

• 낮은 표면조도

• 과도한 내부응력

• 열팽창 차이

• 오염

• 부적절한 경화

35.3 잔류응력

피막에는 인장 또는 압축 잔류응력이 존재할 수 있다.

인장응력이 과도하면:

• 균열

• 박리

• 피로수명 감소

압축응력이 과도하면:

• 부풀음

• 좌굴박리

• 변형

35.4 마찰과 마모

마찰성능은 피막경도만으로 결정되지 않는다.

확인항목:

• 상대재

• 윤활유

• 접촉압력

• 속도

• 온도

• 표면조도

• 마모입자

• 피막두께

• 모재경도

36. 도금 및 코팅의 대표 결함

36.1 핀홀

원인:

• 기체발생

• 표면오염

• 수지포획

• 분말용융 불량

• 기공

영향:

• 국부부식

• 누설

• 절연파괴

• 오염침투

36.2 박리

원인:

• 전처리 불량

• 계면오염

• 과도한 내부응력

• 열팽창 차이

• 충격

• 수분침투

36.3 부풀음

원인:

• 계면부식

• 수분과 용제의 삼투

• 수소와 가스

• 경화불량

• 표면염분

36.4 균열

원인:

• 두꺼운 피막

• 취성

• 급격한 온도변화

• 굽힘가공

• 잔류응력

• 모재변형

36.5 번과 모서리 두께증가

전기도금과 분체도장에서는 모서리에 전기장이 집중되어 피막이 두꺼워질 수 있다.

문제:

• 조립간섭

• 모서리 깨짐

• 외관불량

• 치수편차

36.6 오렌지필과 흐름

도장 표면이 귤껍질처럼 불균일하거나 도료가 흘러내리는 결함이다.

원인:

• 점도

• 분사거리

• 용제증발

• 도막두께

• 경화온도

• 레벨링 불량

37. 수소취성

고강도강은 산세, 전해세척 및 전기도금 중 원자상 수소를 흡수할 수 있다.

가능한 결과:

• 지연파괴

• 연성감소

• 균열

• 체결부품 파손

위험이 높은 부품:

• 고강도 볼트

• 스프링

• 기어

• 항공부품

• 고경도 공구강

대책:

• 산세 최소화

• 기계적 전처리

• 적절한 후열처리

• 저수소 공정

• 전류효율 관리

• 도금 후 신속한 베이킹

• 공정검증

베이킹 조건은 재료강도, 제품형상, 피막 및 적용규격에 따라 별도로 지정한다.

38. 치수와 공차 설계

도금과 코팅은 부품치수를 변화시킨다.

축 외경의 변화:

• 한쪽 피막두께가 (t)라면 외경은 약 (2t) 증가

구멍 내경의 변화:

• 한쪽 피막두께가 (t)라면 내경은 약 (2t) 감소

나사부에서는 다음을 검토한다.

• 유효경 변화

• 수나사와 암나사의 도금여유

• 게이지 검사시점

• 마스킹

• 도금 후 재가공

• 체결토크와 마찰계수

39. 도금 및 코팅을 고려한 형상설계

39.1 배액구와 배기구

용융도금, 침지도장 및 화학처리에서는 폐쇄공간에 배액·배기구가 필요하다.

필요 이유:

• 폭발방지

• 용액고임 방지

• 세척성

• 균일피막

• 건조성

39.2 날카로운 모서리

도장은 날카로운 모서리에서 표면장력에 의해 얇아질 수 있다.

반면 전기도금과 분체도장은 전기장 집중으로 두꺼워질 수 있다.

대책:

• 적절한 모따기

• 필렛

• 가장자리 라운딩

• 스트라이프 코트

• 차폐설계

39.3 겹침부와 틈새

겹침부와 좁은 틈은 다음 문제를 일으킨다.

• 용액잔류

• 모세관 부식

• 수세불량

• 가스발생

• 도막미도달

• 국부부식

가능하면 밀폐용접하거나 충분히 개방된 구조로 설계한다.

39.4 용접부

용접부에서 확인할 항목:

• 슬래그

• 스패터

• 언더컷

• 기공

• 열변색

• 실리콘 오염

• 산화스케일

도금·도장 전 용접부를 평활하고 청정하게 마감해야 한다.

40. 피막 두께 선정

피막두께는 두꺼울수록 항상 좋은 것이 아니다.

두께 증가의 장점:

• 내식수명 증가

• 마모수명 증가

• 기공 감소

• 치수복원

두께 증가의 단점:

• 내부응력 증가

• 균열과 박리

• 치수간섭

• 비용 증가

• 피막취성

• 경화불량

• 열팽창 응력

두께는 다음을 기준으로 결정한다.

• 사용환경

• 목표수명

• 마모량

• 허용공차

• 피막재료

• 후처리

• 모재강도

• 가공방법

41. 도금 및 코팅의 검사

41.1 두께측정

대표 방법:

• 자력식

• 와전류식

• X선 형광

• 현미경 단면측정

• 중량법

• 쿨로메트리

• 초음파

측정법은 피막과 모재의 조합에 따라 선택한다.

41.2 접착력시험

대표 시험:

• 크로스컷

• 풀오프

• 굽힘

• 충격

• 열사이클

• 테이프

• 스크래치

ISO 16276 계열은 보호도장 시스템의 접착·응집 파괴강도와 관련된 평가를 다룬다.

41.3 내식시험

대표 시험:

• 중성염수분무

• 복합부식시험

• 습윤시험

• 침지시험

• 응축수시험

• 실외노출

• 전기화학시험

염수분무시간만으로 실제 사용수명을 직접 환산해서는 안 된다.

시험은 공정비교와 품질관리 수단으로 사용하고 실제환경과의 상관성을 별도로 검토한다.

41.4 기공과 결함검사

• 페록실시험

• 염료침투

• 전기적 기공시험

• 고전압 홀리데이검사

• 현미경

• 단면분석

• SEM·EDS

• X선

41.5 표면조도와 외관

검사항목:

• 광택

• 색차

• 조도

• 웨이브

• 얼룩

• 번

• 흐름

• 오렌지필

• 입자

• 크레이터

42. 식품기계의 도금 및 코팅

식품기계에서는 내식성뿐 아니라 위생성과 피막박리 위험을 함께 검토해야 한다.

주요 후보:

• 무전해 니켈

• 경질크롬

• 주석

• 스테인리스 부동태화

• PTFE·PFA 코팅

• 세라믹 코팅

• 식품접촉용 에폭시

• 전해연마

• DLC

42.1 주요 요구사항

• 식품접촉 적합성

• 세척약품 내성

• 고온수와 증기 내성

• 저용출

• 비흡수성

• 낮은 표면조도

• 핀홀과 균열이 없을 것

• 박리와 마모입자 억제

• 세척·검사가 쉬울 것

42.2 주의사항

• 피막손상 후 모재부식

• 니켈 알레르기와 용출

• 크롬피막 균열

• 불소수지의 긁힘

• 코팅박편의 식품혼입

• 금속검출 가능성

• 세척 열충격

• 가공모서리의 피막두께 부족

식품접촉 적합성은 피막주성분만이 아니라 전처리, 안료, 경화제, 실러 및 완성품 전체를 기준으로 확인해야 한다.

43. 반도체 및 정밀기계의 코팅

대표 적용:

• 무전해 니켈

• 경질양극산화

• PVD

• DLC

• 세라믹 코팅

• 불소수지

• 흑색표면처리

• Al₂O₃ 절연코팅

주요 요구사항:

• 낮은 아웃가스

• 낮은 입자발생

• 플라즈마 내성

• 화학약품 내성

• 전기절연 또는 접지

• 낮은 마찰

• 높은 치수정밀도

• 균일한 두께

• 청정세척 가능

44. 대표 표면처리 비교

표의 두께는 일반적인 설계범위이며, 실제 값은 공정, 규격, 형상 및 공급사 등급에 따라 달라진다.

45. 부품별 표면처리 선정

45.1 일반 철강 체결부품

추천:

• 전기아연

• Zn-Ni

• 아연플레이크 코팅

• 인산염 + 오일

선정기준:

• 일반 실내용: 전기아연

• 높은 내식성: Zn-Ni

• 수소취성 민감 고강도볼트: 비전해성 아연플레이크 시스템 검토

• 조립 마찰제어: 실러와 윤활층 지정

45.2 유압실린더 로드

추천:

• 경질크롬

• HVOF WC-CoCr

• 무전해 Ni-P

• DLC

선정기준:

• 일반 산업용: 경질크롬

• 고마모·부식환경: HVOF

• 복잡형상과 균일두께: 무전해 니켈

• 저마찰 정밀용도: DLC

45.3 알루미늄 하우징

추천:

• 일반 양극산화

• 경질양극산화

• 화성피막 + 도장

• 무전해 니켈

선정기준:

• 외관과 일반방청: 일반 양극산화

• 마모와 절연: 경질양극산화

• 전도성 접지부: 선택적 마스킹 또는 전도성 화성피막

• 고정밀 내마모: 무전해 니켈

45.4 절삭공구와 금형

추천:

• TiN

• TiAlN

• AlCrN

• CrN

• DLC

• 경질크롬

45.5 화학탱크와 배관

추천:

• 에폭시 라이닝

• 비닐에스터 라이닝

• 불소수지

• 고무 라이닝

• 유리 라이닝

• 세라믹 라이닝

정확한 약품, 농도, 온도 및 침지시간을 기준으로 선정해야 한다.

45.6 옥외 강구조물

추천:

• 용융아연도금

• 아연·알루미늄 용사

• 중방식 도장

• 용융아연도금 + 도장

46. 도면 및 사양서의 표기방법

단순히 “아연도금”, “니켈도금”, “도장”이라고만 표기해서는 충분하지 않다.

다음 항목을 함께 지정해야 한다.

46.1 모재

예:

• SPCC

• S45C

• SCM435

• SUS304

• A6061-T6

• ADC12

46.2 피막 종류와 조성

예:

• Zn electroplating

• Zn-Ni, Ni 12~15 wt.%

• Electroless Ni-P, P 10~13 wt.%

• Hard anodizing

• TiAlN PVD

• Epoxy/polyurethane system

46.3 피막 두께

예:

• Zn 8 μm minimum

• Electroless Ni-P 25 ±5 μm

• Hard anodizing 40 ±10 μm

• Dry film thickness 250 μm minimum

최소두께인지 평균두께인지 국부두께인지 구분해야 한다.

46.4 후처리

• Trivalent passivation

• Sealer

• Hot-water sealing

• PTFE impregnation

• Baking

• Polishing

• Lubricant topcoat

46.5 색상과 외관

• Black

• Clear

• Yellow

• Natural

• Gloss

• Semi-gloss

• Matte

• 표준 색상번호

46.6 기능요구

• 염수분무 요구

• 접착력

• 경도

• 마찰계수

• 전기저항

• 내전압

• 표면조도

• 내약품성

• 내열성

• 식품접촉 적합성

46.7 마스킹 범위

마스킹 대상:

• 나사

• 끼워맞춤면

• 접지면

• 용접면

• 베어링 자리

• 밀봉면

• 전기접점

• 정밀공차부

도면에서 마스킹 경계와 허용 번짐범위를 명확하게 표시한다.

47. 도금 및 코팅 선정 절차

47.1 목적 확인

• 방청인가?

• 내마모인가?

• 저마찰인가?

• 절연인가?

• 전도성인가?

• 장식인가?

• 열차단인가?

• 내약품인가?

• 치수복원인가?

47.2 모재 확인

• 탄소강

• 고강도강

• 스테인리스강

• 알루미늄

• 구리

• 티타늄

• 주철

• 플라스틱

• 세라믹

47.3 환경 확인

• 실내

• 옥외

• 해양

• 고온

• 침수

• 산

• 알칼리

• 용제

• 식품

• 진공

• 플라즈마

47.4 기계조건 확인

• 접촉압력

• 왕복운동

• 회전운동

• 충격

• 굽힘

• 피로

• 마모입자

• 윤활조건

• 상대재료

47.5 치수와 형상 확인

• 공차

• 나사

• 내경

• 깊은 홈

• 모서리

• 폐쇄공간

• 배액구

• 마스킹

• 도금 후 연삭 여부

47.6 제조 및 품질 확인

• 생산량

• 지그

• 최대 처리크기

• 공정온도

• 변형

• 검사방법

• 재작업 가능성

• 폐수와 환경관리

• 공급사 공정능력

48. 도금과 코팅 선정의 핵심 원칙

도금과 코팅은 모재의 부족한 특성을 보완하지만 모재의 구조적 한계를 완전히 제거하지는 못한다.

연한 모재 위에 매우 단단한 박막을 형성하더라도 높은 접촉하중에서 모재가 변형하면 피막이 균열되거나 박리될 수 있다.

내식피막도 표면 전처리, 모서리, 핀홀 및 손상부가 부적절하면 기대수명을 확보할 수 없다.

따라서 다음을 함께 설계해야 한다.

• 모재

• 전처리

• 계면

• 피막재료

• 피막두께

• 후처리

• 공차

• 마찰조건

• 부식환경

• 검사기준

49. 최종 정리

도금은 주로 금속 또는 합금층을 석출시키는 표면처리이며, 코팅은 금속, 고분자, 세라믹 및 복합피막을 포함하는 더 넓은 개념이다.

전기아연도금은 경제성과 희생방식 보호가 우수해 일반 철강부품에 널리 사용된다.

아연-니켈도금은 일반 아연도금보다 높은 내식성과 열안정성을 제공하며 자동차와 고내식 체결부품에 적합하다.

니켈도금은 내식성, 장식성, 경도 및 하도기능을 제공한다.

무전해 니켈-인 도금은 복잡한 형상에서도 균일한 두께와 높은 내식·내마모 성능을 제공해 정밀기계부품에 적합하다.

경질크롬은 높은 경도, 내마모성 및 치수복원성이 우수하지만 피막균열, 수소취성 및 환경부담을 검토해야 한다.

용융아연도금은 두꺼운 아연-철 합금피막을 형성해 옥외 철강구조물에 장기방청성을 제공한다.

양극산화는 알루미늄 표면을 산화알루미늄 피막으로 전환해 내식성, 내마모성, 절연성과 장식성을 향상시킨다.

인산염, 패시베이션 및 흑색산화와 같은 화성피막은 도장접착, 방청, 윤활유 유지 및 외관조절에 사용된다.

에폭시 코팅은 높은 접착력과 방청·내약품성을 제공하며, 폴리우레탄 코팅은 내후성과 외관유지에 유리하다.

분체도장은 두껍고 균일한 피막, 높은 생산성 및 낮은 용제사용이 장점이다.

용사코팅은 금속, 세라믹 및 서멧을 비교적 두껍게 형성하여 방청, 내마모, 내열 및 치수복원 기능을 제공한다.

PVD와 CVD는 수 μm 수준의 고경도 기능성 박막을 형성하여 공구, 금형, 정밀부품 및 반도체 장비에 사용된다.

DLC는 높은 경도와 낮은 마찰계수를 동시에 제공하지만 내부응력, 공정온도 및 상대재료를 함께 검토해야 한다.

불소수지 코팅은 낮은 마찰, 비점착성과 높은 내약품성을 제공해 식품기계와 화학설비에 적합하다.

그러나 도금 및 코팅은 재료명만으로 선정해서는 안 된다.

반드시 다음 항목을 함께 지정해야 한다.

• 모재의 재질과 열처리상태

• 표면 전처리

• 피막 종류와 화학조성

• 최소 및 평균 피막두께

• 후처리와 봉공

• 색상과 외관

• 마스킹 범위

• 치수공차

• 수소취성 대책

• 접착력

• 경도와 마찰계수

• 부식 및 내약품 요구

• 검사방법

• 적용 표준

• 공급사 공정등급

도금과 코팅의 선정은 단순히 표면에 보호층을 입히는 작업이 아니다.

모재, 계면, 피막, 형상, 하중, 환경 및 제조공정을 하나의 시스템으로 설계하여 요구수명과 기능을 확보하는 표면공학 설계과정이다.