용융아연도금

[3711-8585]

용융도금 [熔融鍍金, hot dipping]

다른 종류의 금속·합금의 층을 만드는 도금으로 도금하고자 하는 금속 용융액 속에 금속제품을 담그어 표면에 용융액을 부착하게 한 후 꺼냄으로써 만든다. 피도금물보다 용융점이 낮은 금속·합금의 얇은 층을 입히는 데 사용된다

융해금속도금·침지도금이라고도 한다. 얇은 철판에 아연을 입히는 양철도금과 주석을 입히는 블리키도금이 잘 알려졌으며, 또 스토브 등 주철제품의 내산화성을 개선하기 위해 녹은 알루미늄 속에 침지하여 알루미늄을 입히는 방법도 있다. 용융아연도금은 옛날부터 사용되었는데, hot dip galvanizing이라고 하여, 양철관 외에도 선(線)·관(管)·송전선 철탑재 등의 대형 구조물재, 관이음, 절연애자(絶緣碍子)용 금속기구 등에 흔히 쓰인다.

주석도금은 철판에 주로 사용되며, 16세기 이전에 주석 덩어리를 영국으로부터 수입해서 보헤미아에서 조업하였다고 전해진다. 납을 철제품에 입히는 것은 이것에 비해 훨씬 어렵고 적당한 플럭스를 사용해 기술적으로 잘하지 않으면 고르게 도금이 되지 않으므로, 철·납 양쪽과 합금이 되는 주석, 아연, 안티모니, 카드뮴을 일단 철의 표면에 입히는 방법이 고안되었다. 알루미늄 피복은 미국의 아압코사(社)의 알루미늄을 입힌 얇은 철판에서 비롯되었고, 주철제품으로 표면의 탈탄처리 후 침지하면 도금하기가 쉽다.

용융아연도금이란?

19세기 중엽 프랑스와 영국에서 부터 시작된 용융아연도금은 뛰어난 방식효과와 경제성이 우수하여 선진 외국에서는 이미 구조물의 방식대책으로 가장 일반화되어 있는 방식법입니다.

  특히, 희생적 방식특성이 있는 아연이 철과 합금층을 이루며 견고히 부착되기 때문에 치밀한 보호피막을 형성하여 가장 이상적인 방식특성을 갖고 있습니다.

  용융아연도금은 최근 건설비용에 못지 않은 막대한 유지보수비를 감안한다면 내구성, 경제성, 작업성 등 모든분야에 걸쳐 그 우수성이 널리 인식되어 가고 있는 방식법으로서 대기중, 토양중, 수중 또는 콘크리트 중에서 대단히 우수한 내식성을 나타냅니다.

  이러한 용융아연도금의 특징을 요약하면 다음과 같습니다.

  1) 도금표면에 형성된 치밀한 보호피막과 희생적 방식작용을 하므로 내식성이 매우 우수합니다.

  2) 못과 같은 경량품에서 부터 10톤에 이르는 제품까지 용융아연도금 조에 침적 가능한 제품은 모두 도금이 가능합니다.

  3) 철과 아연이 합금층을 이루므로 부착력이 매우 높습니다.

  4) 긴 내부, 가느다란 절곡형태 등 손이 닿지않는 부위나 보이지 않는 부위에도 도금이 되므로 신뢰성 있는 완벽한 방식처리가 가능합니다.

  5) 강재 자체의 기계적강도 변화가 거의 없으므로 최초 설계 그대로의 강재 사용이 가능합니다.

  6) 법규상 필요한 도장 또는 주변과의 조화를 위해 다양한 페인트 처리가 가능하므로 그 적용범위가 더욱 넓습니다.

  7) 시공현장에서 방식을 위한 도장처리가 필요없으므로 건설공기를 대폭 단축시킬 수 있습니다.

  8) 다른 방청법과 비교하여 건설 초기비용에서도 충분히 경쟁력이 있으며, 특히 장기간 유지보수가 필요없으므로 경제성이 훨씬 높습니다.

용융아연도금의 특성

1. 용융아연도금 피막조직

  용융아연도금의 내식성은 그 도금층의 조직구조에 기인한다. 도금층의 단면을 현미경으로 보면 용융아연도금과 철의 반응에 의해 형성된 금속간 화합물 합금층과 도금조에서 인양할 때 합금층 위에 부착된 아연층으로 되어 있다.

 Eta(η)-layer

 Zeta(ζ)-layer

 Delta(δ)-layer

 Gammer(Υ)-layer

 철(Fe)

 일반적인 도금조건으로 볼 수 있는 도금조직은 철소지에 가까운 방향으로부터 감마층(Υ:21~28% Fe), 델타층(δ:7~11% Fe), 제타층(ζ:5.8~6.7% Fe)의 합금층과 순수아연층인 이타층(η:0.03% Fe)으로 형성되어 있다.

·Υ층 : 철소지에 접하는 층으로 보통 대단히 엷은 층이다. 결정은 입방정계로 Fe3Zn10의 화합물로 생각할 수 있으며, 단단하여 부서지기 쉬운 성질을 가지고 있다. 경도는 마이크로피커스 경도로 500 가까이 된다.(보통의 강재는 100~200) 다른 층과의 관계에서 이층은 식별되지 않는 것이 보통이다.

·δ층 : 통상의 도금피막에서는 가장 내부에서 볼 수 있는 것으로 치밀한 조직을 가지며 인성이 풍부하다. 결정은 복잡한 육방정형으로 FeZn7의 화합물로 생각할 수 있으며, 철의 함유량은 7~11%이다. 경도는 마이크로피커스로 250 이상으로 알려지고 있으며, 철의 함유량도 많기 때문에 이층까지 부식이 진행되면 반점상태로 적갈색을 띄는 경우도 있지만 강재 자체의 붉은 녹과는 다른 것이다.

 ·ζ층 : 피막중에서 가장 현저한 결정을 가지며 주상조직이다. 도금의 부착두께가 많을 때는 이층이 두터울 경우가 많다. 이층은 다른 층과 비교하여 결정이 대칭성이 낮고 결합이 약하기 때문에 무르고 가공할 경우에 균열이 발생하기 쉽다. 경도는 마이크로피커스로 200 전후이다. 조성은 FeZn13이며, 철의 함유량은 6% 정도이다.

·η층 : 이것은 용융아연욕으로부터 강재를 인양할 때 부착되는 것으로 결정은 순아연과 같은 조밀 육방정계에 속하고, 부드럽고 연성이 풍부하여 변형가공을 받아도 찢어지는 일이 없다. 아연순도가 98.5%이고, 도금로 성분에 의한 Pb이 1%정도 포함되는 것이 보통이며 경도는 50 이하이다.

  이상의 각 층이 철소지로부터 연속하여 형성되어 있기 때문에 밀착성이 대단히 우수하다. 또 도금한 제품의 외관은 오로지 가장 외층의 η층에 의한 것이고, 도금 직후는 광택을 갖지만 수개월 경과하면 광택을 잃고 회색으로 변해가는 것이 보통이다. 이것은 염기성 탄산아연 등을 주 성분으로 하는 고내식성의 보호피막이 도금표면에 형성되어 있기 때문이고 성능상 전혀 문제가 되지 않는다.

  위 그림에서 보듯이 철과 아연이 반응하면, 철과 아연의 함량, 반응온도 등의 조건에 따라 η, ζ, δ, γ, α 상 등이 나타난다.

  η상은 철이 거의 고용되어 있지 않은 순수한 아연이며 이 η상이 철과 아래와 같은 여러 가지 반응을 하여  ζ, δ1, γ상 등이 생성된다.

              Fe + η → ζ

              Fe + ζ → δ

                  Fe + δ → γ

   1단계에서 소지철과 도금욕이 반응하여  Fe-Zn화합물인 ζ상이 생성된다고 사료된다. 2단계에서는 ζ상이 성장하면서 ζ- Fe 계면에 존재하는 ζ상의 Fe농도가 증가함에 따라 δ상이 출현한다. 3단계에서는 δ상에서 Zn이 Fe측으로 확산하여 Υ상을 형성한다. 4단계에서는 δ상이 성장하면서 치밀한 δc와δp상의 2층으로 관찰된다. 5단계에서는 δp상이 급성장하게 된다. 530℃이상의 온도에서는 짧은 시간동안 1-5단계를 완료하고, 침지시간이 증가함에 따라 δp상이 붕괴되면서 δc상과 아연이 혼합된 δd상이 생성 성장하는 6단계가 존재하게 된다. 특히 고온인 590℃에서는 δd상이 소멸되어 δc상과 Υ상 만이 존재하는 최종단계가 있다.

용융아연도금의 특징

용융아연도금에 의해 철재 표면에 아연을 피복하므로서 다음과 같은 특성을 기대할 수 있다.

  1)내식성이 우수하다.

    이것은 금속아연 그 자체가 아니라 아연의 표면에 생성되는 생성물의 내식성이 양호하기 때문이고 그 성질은 일반 대기중 또는 수중, 토양중, 콘크리트중에서 발휘된다.

 2)희생적 방색작용이 있다.

    아연은 강재보다도 전기화학적으로 표준전위가 낮기 때문에 발생하는 작용으로 손상에 의해 철소지 일부가 노출되어도 주변의 아연이 노출부를 보호하는 작용이다. 이 방호작용은 대기중에서 직경 2mm 정도이다.

  3)다양한 제품생산이 가능하다.

    못과 같은 경량품에서부터 1개에 10톤에 이르는 제품에까지 용융아연도금로에 침적 가능한 제품은 모두 생산이 가능하다.

  4)밀착성이 뛰어나다.

    도금피막으로서는 철소지측의 철과 아연의 합금층이 형성되어 그 위에 아연층이 적층하여 형성되고 있다. 따라서 철소지와 잘 밀착하여 있고 통상의 취급상태에서는 충격, 마찰 등에 의해 박리가 일어나지 않는다. 또 전처리가 불완전한 경우에는 도금층이 형성되지 않으며 외관에 의해 전처리의 가부 판단이 가능하므로 신뢰성이 높다.

  5)구석진 곳까지 도금이 가능하다.

    용융아연도금법에 의하면 손이 닿지 않는 부위까지 도금이 가능하다. 예를들면, 내부결여체, 가는곡관 등과 같은 손이 닿지않는 부분이 있을 경우에도 용융아연의 유출입만 가능하다면 균일하게 도금하는 것이 가능하다.

  6)물성변화가 없다.

    통상의 강재에서는 용융아연도금한 것과 하지 않은 것 사이에의 기계적 성질은 거의 변화가 없으며, 건설공기를 대폭 단축시킬 수 있다.

  7)페인트도장에 의한 색상표현이 가능하다.

    용융아연도금 처리후 주변과의 색체 조화를 이루기 위한 도장이 가능하고 또 장기방식을 기대하는 경우에는 도금위에 도장을 실시하는 것은 내구성을 배가하는 방법이다.

용융아연도금의 특징 - 내식성

3. 용융아연도금의 내식성

  아연금속은 본래 대단히 활성인 양성금속으로 부식하기 쉬운 성질을 가지고 있지만 표면에 치밀한 Zn(OH)2나 ZnO의 부동태 피막을 형성하거나 불용성의 염기성 탄산아연 피막을 만들기 때문에 강한 내식성을 나타낸다. 그러나 이러한 피막의 생성을 방해하기도 하고 또 용해성 박막을 생성하는 환경하에서는 아연도금은 급속히 부식된다. 따라서 부식환경이 열악한 경우에는 아연도금위에 도장 등으로 2중 방식할 필요가 있다. 이처럼 아연도금은 사용되는 환경에 의해 내식성은 큰 변화를 갖게되며 아연도금제품을 사용하는 강구조물을 설계할 때 그 주변환경을 확인하는 것에 의해 각 환경하의 각지에서 실시된 폭로시험결과로부터 구조물의 내용년수를 추정하는 것이 가능하다.

  대기중의 아연도금은 대기오염물질의 아황산가스, 산화 등에 의해 그 내식성이 크게 좌우되고 부식인자로 다음과 같은 것이 있다.

·습기와의 접촉시간과 온도

·표면의 건조속도

·대기중의 공업오염물질 및 해수의 염분

  위와같이 사용 환경이나 조건에 의해 내식성은 달라지지만 아연도금 부착량과 내식성과의 관계는 동일환경, 동일조건에서 또 동일환경 하에서 실내는 실외에 비해 3~5배의 내용년수를 기대할 수 있으며, 내용년수는 아연 부착량에 비례한다.

  대기중의 내용년수를 예측하는 경우 사용환경에 의한 도금의 부식속도와 아연부착량으로부터 다음과 같이 계산한다.

                        아연부착량(g/cm2)

·내용년수 = ---------------------------

                        부식속도(g/m2/년)

  이 식은 아연피막이 10%가 남아있는 시점에서 철소지로부터 녹이 발생한다고 가정한 값이다.(JIS H 8641 용융아연도금 해설)

  일본 도로공사의 자료에 의하면 교량의 경우 주요 부재의 년평균아연도금 부식막 두께 감량은 약 1.85㎛/년으로 동일한 속도로 부식이 진행될 경우 아연부착량 600g/m2(84㎛)의 90%가 부식된 경우 41년(84×0.9/1,85=41년)의 내용년수가 산출된다. 하지만 실제적으로 200㎛ 이상의 아연도금 막두께로 작업이 가능하여 실제 교량은 상당한 내용년수를 가지고 있다.

 일본 용융아연도금협회의 대기폭설 환경시험에 의한 추정 아연도금 내용년수는 아래와 같다.

** 용융아연도금의 추정 내용년수 **

	400g/㎡		500g/㎡		600g/㎡
	부식량	내용년수	부식량	내용년수	부식량	내용년수
	(g/㎡/년)	(년)	(g/㎡/년)	(년)	(g/㎡/년)	(년)
중공업 지대	31.1	11.6	32.8	13.7	31.1	17.4
해 안 지 대	12.4	29.0	12.5	36.0	12.3	43.9
교 외 지 대	7.1	50.7	7.2	62.5	6.7	80.6
도 시 지 대	15.7	22.9	16.0	28.1	15.9	34.0

 4. 다양한 부식환경에서의 내식성

  1)수중의 내식성

  수중에 있어서의 내식성은 아연도금 표면과 물의 접촉으로 아연표면에 생성하는 수산화물에 대한 물의 영향에 의해 지배된다.

  이 경우에 아연의 부식에 영향을 미치는 요인은 수중의 개스상 물질, 무기염류, pH, 침적시간, 온도, 정지수와 유수 등이다. 예를들면, 신선한 자연수 중에서의 아연의 부식속도는 아연과 그 내식성에 의하면 경수에서 2.5㎎/dm2/일, 연수에서는 25㎎/dm2/일이고 경수는 부식방지에 유효한 부착피막을 부착시키기 때문에 일반적으로 부식성은 좋지않다.

  다른 일반금속과 같이 아연의 부식속도는 수중에의 통기에 의해 중가하고 수중에 용해하고 있는 산소와 이산화탄소는 부식속도를 증가시킨다.

  도금의 내용년수를 일반적으로 표시하는 것은 곤란한 점이 있지만 여러 가지 요인을 감안하면 부식속도는 30~100g/m2/년으로 추정할 수 있다.

  2)해수중의 내식성

  해수 중에서의 내식성은 아래 표에 나타난 것처럼 침적시간이 길게 되면 부식속도는 감소하게 된다. 이것은 해수 중에 포함된 마그네슘, 칼슘염이 보호작용을 하기 때문이다. 이 시험으로부터 용융아연도금의 해수 중에서의 부식속도는 약 100g/m2/년 정도인 것을 알 수 있다.

해수중에서의 내식성(ASTM 시험결과에 의함)

용융아연도금 종류	침적기간	부식속도
(g/㎡)	(년)	㎛/년	g/㎡/년
아연부착량 1,129	0.5	48	345
아연부착량 1,160	1	23	162
아연부착량 1,312	3.5	15	107
아연부착량 1,372	5	13	92

그러나 유동하는 해수에 계속 접촉되거나 비말에 의해 건조되지 않는 환경에서는 일반적인 해수중에서 보다 부식속도가 2~3배 빨라지고 이러한 열악한 부식환경에서는 용융아연도금에 의한 방식만이 아니라 용융아연도금위에 에폭시도장 등의 2중방식이 필요하다.

  3)토양중에서의 내식성

  토양중에서 부식을 지배하는 주 인자는 통기성, 함유량, 용존물질의 종류와 전기전도도, pH 등이다. 일반적으로 통기성이 나쁘고 수분이 많고, 염분이 있으며, pH가 높거나 낮을 경우, 산소가 많을 경우 부식이 빠르고 미주전류도 마쁜 영향을 미친다. 토양중에서의 아연피막의 내식성은 미국의 National Bureau of Standards에서의 광범위한 실험에 의하면 610g/m2의 피막은 무기질산화토양중에서 16년 이상의 방식능력이 있다. 915g/m2의 피막은 대부분의 무기질환원성 토양에서는 10~13년의 방식성능을 갖는 것으로 보고하고 있다.

  이 토양종별은 초목이 덮여진 장소가 50% 미만일 경우를 무기질로 하고 또 농업용지와 같이 배수성이 좋고 일반적으로 밝은 색 토양을 산화성, 지표 바로 밑의 습윤한 토지로 밝은 색의 토양을 환원성이라 한다.

  4)콘크리트중에서의 내식성

  콘크리트내는 통상 pH12~13으로 철근은 부동태의 상태에 있고 장기간 사용에 견디는 것이 가능하지만 근년 하천의 모래를 구하는 것이 곤란해 짐에 따라 바다모래를 사용하는 빈도가 높아지는 것으로부터 염분을 함유하는 콘크리트가 많아지고 철근 콘크리트의 중성화에 무관하게 pH12의 상태에서도 조기에 철근의 부식이 발생하고 녹에 의한 체적의 팽창에 의해 콘크리트에 균열이 발생하여 더욱 부식이 진행되게 된다. 그러나 용융아연도금한 철근은 아연피막으로 보호되어 있기 때문에 녹의 발생이 없어 콘크리트를 손상하지 않는다.

  콘크리트와 용융아연도금피막과는 부착성이 좋아서 송전철탑, 철강구조물의 기초부재, 도로교의 철근 등 많은 용융아연도금제품이 콘크리트중에 사용되고 있다.

 5. 용융아연도금과 페인트의 피막

  유기질 피막이나 페인트의 방청원리는 단지 철 표면의 부식 원인인 물과 산소로부터 차단하는 것 뿐으로서 만약, 피막의 손상이나 결점으로 철소지가 노출된다면 노출되는 순간부터 부식이 진행되어 피막내부로 급속히 퍼져 나가기 때문에 결국에는 전체가 녹으로 뒤덮이게 된다.

  하지만, 용융아연도금은 철과 아연이 접촉하여 두 금속간의 전위차에 의해 전지가 형성되고 양극으로 작용하는 아연으로부터 음극인 철로 계속적으로 전자가 공급되어 외부 반응으로부터 철을 완전히 보호하므로서 철의 부식을 방지한다.

  만약, 아연 피막이 벗겨져 철 표면이 노출되어도 그 간격이 2mm를 넘지 않는다면 그 주위의 아연이 철에 대하여 음극 방식작용을 해주기 때문에 철은 부식되지 않는다.

용융아연도금의 경제성

용융아연도금의 가공비는 피도금체의 형상, 치수, 부착량 그외에 요구되는 품질과 수량에 따라 다소 차이가 있으므로 한마디로 규정하는 것은 곤란하지만 일정한 사양을 가정하여 비교해 보면 다음과 같다.

 1. 장기적 효과

  용융아연도금은 초기비용에서 약간 높게 나타나지만 1회 보수비용을 추가하는 시점부터 경제적으로 유리한 것을 알 수 있다. 이것은 건축용 철골에서의 시공실적을 기초로 하여 일반적으로 알려져 있는 사실과 일치한다. 즉 참고자료로서 용융아연도금 교량의 경우 경제적으로 유리하게 되는 보수도장은 2~3회라고 하는 보고 예가 있고, 건축용 철골보다 추가 보수도장의 회수가 약간 많은 것이다. 이것은 부재두께의 초기 사양이 다른 것에 의한 것으로 생각된다.

  이러한 재도장을 전제로 할 경우 일반의 도장과 비교하여 용융아연도금 쪽이 경제적으로 유리한 것을 알 수 있다.

2. 가장 적게 드는 인건비

  한편, 다른 도장법에서는 인건비가 총비용의 75~80%를 차지하나 용융아연도금에서는 약 30%에 불과하다. 인건비의 지속적인 상승으로 인하여 용융아연도금에서 보다 도장법에서의 인건비가 차지하는 비율이 훨씬 높으며, 최근 인건비가 크게 증가하고 있으므로 용융아연도금의 경제성이 더욱 좋아지고 있다.

 3. 공기 단축

  용융아연도금은 다른 도장법보다 작업시간이 짧고 공사현장에서 도장작업을 할 필요가 없으며 또한 현장 설치시 기후에 관계없이 시공이 가능하기 때문에 시간 및 인건비를 절감할 수 있다.