갈바륨도금강판 ( 흔희 갈바늄 이라고함)

[조용범]

갈바륨도금강판

 가. 갈바륨도금강판 개요

 내식성을 목적으로 한 표면처리 강판은 아연계 표면처리 강판과 알루미늄계 표면처리 강판으로 대별되며, 그중 철강에 희생방식작용을 하는 아연을 도금하면 약 15배에 달하는 우수한 내식성을 개선할 수 있기 때문에, 아연은 철강의 표면처리용으로 전 세계의 약 60%를 점유하고 있다.   현재 아연계 표면처리 강판의 개발은 아연이 가지고 있는 희생방식성을 저하시키지 않으면서, 도금층의 수명을 연장시키려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 연구의 대부분은 알루미늄을 첨가한 일반적인 아연도금욕에 제 3원소를 첨가한 것이 특징이며, Galvalume, Galfan, Zincal, Galtecs, Supergalva 등은 조합아연괴를 제조 개발하여 규격화 및 상품화가 이루어졌다. 이러한 아연도금층 중 함금원소의 역할은 자체의 내식성 향상 또는 부식을 야기하고 진행시키는 부분의 치밀화에 의해 부식층의 용출속도를 저하시켜 도금층의 방식작용을 장시간 유지시키는 것을 가능하게 한다.  현재 상업적으로 대량 생산되고 있는 표면처리강판중 Galvalume은 1965년 Bethlehem Steel사에서 개발한 55%Al-43.4%Zn-1.6%Si의 3원계 합금을 냉연강판에 용융도금시킨 제품으로서, 내식성이 우수하여 무도장의 건재용도에 적합하다. 내식성을 용융아연도금강판과 비교하여 각종 대기 환경하에서 13년간 폭로시험한 결과 내식성이 아연도금강판에 비해 동일한 환경하에서 3∼6배 우수한 것으로 드러났다. 이는 Galvalume이 알루미늄도금강판과 아연도금강판의 양쪽 특징 즉, 알루미늄도금강판의 내구성, 내열성 및 열반사성과 아연도금이 지니는 희생방식효과를 동시에 갖추고 있기 때문이다.   따라서, 건축, 농업시설, 산업기구, 전기기기, 수송기기 등에 광범위하게 사용될 수 있으며, 표면처리강판중 가장 경제성이 높은 제품으로 꼽을 수 있다.   현재 미국, 호주, 유럽, 일본 및 한국 등 세계 각국의 총 33개 회사에서 생산하고 있으며, 세계 총생산량은 98년 현재 연간 약 3백70만톤에 달한다.

 나. 갈바륨강판의 금속학적 특징

 최초 BIEC에서 알루미늄과 아연의 합금인 갈바륨강판을 개발하기 위하여 알루미늄의 함유비율을 0%에서 70%까지 변화시킴면서 합금도금의 성능을 시험하였으며, 그 결과 내구성이 우수하면서 저렴하게 생산할 수 있으며, 소지강판에 대한 아연의 희생방식효과를 극대화할 수 있는 조성인 55%Al-Zn합금도금강판을 개발하여 상업화하였다. 여기에, Al-Zn합금용액이 소지강판과 격렬한 합금반응을 일으키는 것을 억제하기 위하여 Si을 약 1.6% 첨가하므로서, 갈바륨도금욕의 조성 55%Al-43.4%Zn-1.6%Si(다음 페이지의 Phase Diagram 참조)으로 결정되어 오늘에 이르렀으며, 각 생산 업체별로 내구성 향상 및 스팽글 크기 조절 등의 목적에 따라 극미량의 다른 원소를 첨가하기도 한다. 강판이 도금욕을 통과한 후 Upleg Cooler에서 급냉되는 동안, 부피비로 약 80%의 Al조성을 가진 수지상정(Dendritic Structure)이 먼저 고체로 응고되고, 냉각이 계속되면서 수지상정은 성장하며 잔존하는 액상에는 아연이 다량 함유하게 된다. 이 잔존 액상은 수지상의 가지 사이에서 최종 응고되며, 도금층은 그림에서 보는 바와같이 약 80VOL%의 Al-rich 수지상정과 약 19%VOL%의 Zn-rich로 구성된다. 도금층의 단면에서는 소지와 접하여 금속간 화합물층이 형성되는데, 이 층은 약 48%Al, 24%Fe, 14%Zn, 11%Si의 조성이며, 일반적으로 약 1∼3μm의 두께로 이루어지고 있다.

                                                                        전용처리피막           알루미늄·아연합금도금

 

갈바륨강판의 표준단면도

                                          ◆ 갈바륨강판 합금도금층의 조성

조   성	중량비(%)	용적비(%)
알루미늄	55.0	80
아 연	43.4	19
실리콘	1.6	1

                                                 〔A〕단면X선상                   〔B〕Al특성X선상   〔C〕Zn특성X선상

Al-Zn합금도금층(1,000배)

                                             

                                                               갈바륨 도금층 표면의 미세구조 (1,500배)

                                            

                                                             갈바륨 도금층 단면의 미세구조 (2,000배)

 다. Al-Zn의 Phase Diagram

 라. 갈바륨강판의 특징 및 용도

  1) 특징

 가) 장기 내구성이 우수하며, 아연도금강판에 비해 수명이 길다. (동일한 도금두께 기준) 25년 이상의 옥외폭로시험을 실시한 결과를 바탕으로, 편면 도금층 20μm(75g/m²) 두께의 갈바륨 도금강판은 거의 모든 분위기에서 편면 도금층 약 23μm의 G90 아연도금강판에 비해 동일한 환경하에서 3∼6배 정도의 강한 내식성을 가지고 있으며, 일부 분위기에서는 갈라진 틈새 같은 부분에서의 내식성이 알루미늄강판에 비해 효과적인 것으로 나타났다. 특히, 갈바륨강판은 절단면에서는 알루미늄도금강판이 가지지 못하는 방식능력이 뛰어난데, 이는 도금층 중의 아연이 우선적으로 부식되면서 소지철에 대해 희생방식작용을 하기 때문이다. 또한 표면의 도금층이 취급중 소지철이 들어날 경우도 알루미늄도금강판과는 달리 아연의 성분을 도금층 중에 가지고 있으므로써 희생방식능력을 가지고 있다.

 나) 내열성이 우수하다.

 315℃에서 장시간 표면변색이나 산화 없이 사용이 가능하므로, 고온 용도에 적용되는 사례가 많다. 그 예로는 토스터, 오븐, 로재, 일반 드라이어 등이 있으며, 이들 제품의 용도에 대한 내구성, 저원가, 열반사율, 외관 및 가공성 등 모든 항목을 충분히 만족하고 있어 그 수요는 점점 늘어나고 있다.

 다) 열반사성이 양호하다.

 갈바륨강판의 도금층은 체적비로 환산하면 약 80%가 알루미늄으로 이루어져 있다. 따라서, 알루미늄강판과 유사한 열반사율을 나타낸다.

 라) 은백색의 미려한 표면외관을 지니고 있다.

 마) 아연도금강판과 거의 동등한 가공성과 도장성을 지니고 있다.

 바) 적절한 용접조건하에서 용접이 쉽다.

 마. 용  도

  가) 건축분야

 지붕, 벽체, 차고, 칸막이, 울타리, 덕트, Fence, 조립식 주택

    

 나) 농업분야

 농원용 파이프, 축사, Silo

    

 다) 자동차분야

 머플러, 연료 탱크, 배기 파이프, 트럭 하부 몸체, 에어크리너 커버 등

 라) 산업용기분야

 단열 및 보온 커버, 온수기, 열교환기, 건조기, 폐기물 소각기, 세탁기, 전자제품 프레임 등

     

 마) 전기, 전자 산업분야

 전자렌지, 스토브, 토스터, 오븐, 냉장고, 자동판매기, 에어컨 등

 바. 갈바륨강판의 종류

 1) 재질별 분류

 가) Commercial Quality (CQ)

 갈바륨강판의 생산 조업조건은 용융아연도금강판의 조업에 비해 알루미늄-아연 도금의 응고과정에서의 냉각속도가 다소 빠르며, 도금욕 온도가 다소 높은 것을 제외하면, 특별히 다른 점은 없다. 다만, 도금욕 온도가 높으므로 인해, 신속한 Upleg Cooling 및 급격한 냉각속도 등이 필요하며, 이는 용융아연도금강판에 비해 Carbon quench aging에 대해 더욱 민감해지는 결과를 가져온다. 따라서, 갈바륨강판의 CQ 재질은 동일한 재질의 용융아연도금강판에 비해 항복강도 및 인장강도는 약 10% 정도 높은 반면 연신율은 다소 낮은 경향을 보이며, 이로 인하여 고강도를 요구하는 곳에는 아연도금강판에 비해 소지의 두께를 10% 정도 얇게 하여도 동일한 강도를 유지하게 된다. 그러나, 용융아연도금강판이나 알루미늄도금강판이 적용되는 용도에서 요구하는 Roll 성형성 등에 대해서는 갈바륨강판도 충분히 만족시킬 수 있다.

 나) Drawing Quality (DQ)

 DQ 재질 갈바륨강판의 인장특성은 양호하며, 과거에 Flux법으로 생산된 DQ 재질의 아연도금강판과 동일한 기계적 성질을 가진다. 초기에는 Open-Coil 방식으로 DQ 재질의 갈바륨강판을 생산하였으나, 현재는 주로 IF Steel을 사용한다. DQ 재질은 가공성(드로잉성)이 뛰어나며, CCL에서 페인트 건조를 위해 오븐을 통과하더라도 에이징(Aging)효과는 발생하지 않는다. IF Steel은 재결정이 완전히 일어날 수 있도록 다소 높은 온도인 850∼870℃에서 작업한다.   IF Steel은 일반 Al 킬드강 또는 캡드강에 비해 도금욕 내에서의 합금 생성속도가 상대적으로 빠르므로, 강판의 도금욕 인입온도를 정밀하게 조절하여야 한다.

 다) Forming Quality (FQ)

 초기에 BHP에서는 설비적인 한계로 인하여 DQ 재질의 갈바륨강판을 생산할 수 없었으나, 대신 FQ 재질의 갈바륨강판을 개발하였다. FQ 재질은 CQ 재질의 갈바륨강판을 약 371℃에서 Post-annealing하여 생산하였다. CQ 재질의 갈바륨강판을 Post-annealing하게 되면, 항복강도는 약 5kgf/㎜ 정도로 감소하고, 연신율을 7% Point까지 증가하게 되어, Forming성을 약간 개선하였다. 또한, Al-Zn 도금층의 균질화를 통해 분위기 중에서의 내식성을 어느 정도 향상시킬 수 있다. 하지만, FQ 재질의 갈바륨강판이 실제로 DQ 재질에서 요구하는 정도의 충분한 가공성을 나타내지는 못한다 할지라도, CQ 재질로서는 만족시킬 수 없는 특별한 용도에 적용 가능한 정도의 물성을 지니고 있다.

 라) Full Hard (F/H)

 갈바륨강판의 F/H 재질은 강판을 Furnace내에서 재결정을 피하면서 판면을 청정화할 수 있도록 약 600℃(설비에 따라 다소 다름) 전후로 가열한 다음, 균열대 및 냉각대를 거쳐 도금욕을 통과하며, 도금욕을 나온 뒤 CQ 재질과 동일한 조건으로 냉각된다. 이러한 조업조건을 적용하므로써, F/H 갈바륨강판은 동일 두께의 F/H 용융아연도금강판에 비해 보다 양호한 기계적 물성을 얻을 수 있다. 예를 들면, 0.48mm 두께의 F/H 갈바륨강판의 인장강도는 약 62kg/mm² 인 데 반해 용융아연도금강판은 69kg/mm² 이상이며, 연신율은 다소 높다.

 2) 후처리별 분류

 가) 크로메이트 처리(Chromate Passivation)

 갈바륨강판(다른 도금강판 포함)은 운송 또는 보관중에 수분과 접촉하게 되면 발청하기 쉬운 특징이 있으며, 이를 방지하기 위하여 각 생산업체에서는 독자적인 크로메이트처리를 실시한다. 크로메이트처리는 또한 일반적인 대기중에서의 표면 변색을 지연시키는 역할을 하기도 한다. 일반적으로, 갈바륨강판에 20∼25mg/m² (Cr) 정도 크로메이트처리하는 경우, 크롬산의 일시적인 방청 효과에 의해, 전체 수명중의 약 10%정도의 내식성을 향상시키며, 인접한 강판간의 색차 또는 변색 없이 균일하고 밝은 표면을 얻을 수 있다. 그러나, 부착량이 과도한 경우 강판 표면의 황변을 유발할 수도 있다.  크로메이트처리 종류는 반응형과 도포형으로 나눌 수 있다. 반응형은 말 그대로 크로메이트 용액이 강판 표면과 화학적 반응을 일으키는 것을 말한다. 크로메이트 용액에 특정한 첨가제를 첨가함으로써, 극표층의 방식 산화피막을 에칭하고, 그 아래의 도금층 표면이 크로메이트 용액과 반응할 수 있도록 구성되어 있다. 주로 Spray and Squeeze 방식을 적용하며, 적정온도 이상에서 가열된 공기로 건조한다.  도포형은 Applicator Roll이 강판 표면과 접촉하여 Coating하는 방법이다. 반응형에 비해 부착량 조절이 용이하며 반응은 건조과정 도중에 일어나며, 건조온도는 크게 구애를 받지 않는다.

 나) 유기피복수지 처리(Organic Resin Treatment)

 갈바륨강판은 도금층의 약 80%(부피비)가 알루미늄으로 이루어져 있으므로, Roll Forming 작업을 할 때 도금층이 Forming Roll에 갈바륨강판의 도금층이 긁히거나, 도금층이 Roll에 들러붙는 경우가 많다. 그에 따라, 별도의 윤활유를 도포하지 않고 Roll Forming 작업을 할 수 있으며, 보관 및 운송시의 긁힘 등을 방지할 수 있는 방법으로 유기피복수지 처리법을 개발하게 되었다. 주로 열경화성 또는 열가소성의 아크릴수지가 주로 적용되고 있으며, Roll Coating 후 Oven에서 Curing시킨다.   유기피복수지 처리의 특징은 내식성 및 Roll Forming시의 윤활성이 매우 뛰어나며, 내지문성 또한 우수하다. 시공 후 Spray에 의한 도장성이 우수한 것이 대부분이다.   처리방법은 대부분 Roll Coating 방식을 채택하고 있으며, 크로메이트처리한 위에 유기피복수지를 코팅하는 방법과 크로메이트처리를 생략하고 유기피복수지만 코팅하는 방법이 있다. 후자의 경우, 수지 내에 크롬성분을 함유하는 경우가 많다.

                                    
                                                           IMC : Intermetallic Compound