상온 흑착색 조성물{Black Oxide Composition for Room Temperature Use}

(기술분야)

본 발명은 금속 표면을 흑착색시키는 조성물에 관한 것이며, 보다 상세하게는 강철, 주철, 아연 등의 금속 표면을 상온에서 흑색으로 산화 착색시키는 상온 흑착색 조성물에 관한 것이다.

(배경기술)

강철, 주철, 아연 등 금속은 공기 중에 노출되었을 때 산화(부식)되어 보다 안정된 상태로 돌아가려는 성질 있으며, 이와 같은 금속의 부식은 일단 진행을 시작하면 가속적으로 진행되기 때문에 금속 제품이나 구조물의 내구성과 안정성을 급격히 저하시킬 뿐만 아니라 외관도 손상시키는 등 심각한 문제를 야기한다.

따라서, 각종 금속 제품에 대해서는 내식성을 향상시켜 부식의 진행을 지연시키기 위한 여러 가지 조치가 강구되고 있으며, 이런 방법들 중 하나가 금속표면에 인공적으로 산화피막을 형성시켜 부식이 진행되는 것을 방지하는 방법이다.

산화피막에는 처리금속의 용해를 수반하면서 처리액 속에 용해되어 있는 중금속을 석출시키면서 이루어지는 결정성 산화피막과, 처리액 속에 중금속이 함유되어 있지 않으나 처리시 용출되는 금속과 음이온을 반응시켜 이루어지는 비결정성 산화피막으로 대별할 수 있으며, 강철, 주철, 아연 등으로 이루어진 스프링, 볼트, 너트 등을 포함한 각종 기계부품에 대해서는 흑색 산화피막을 형성하는 흑착색(black oxide) 처리 방법이 널리 사용되고 있다.

금속표면의 흑착색은 금속 제품의 오염특성에 따라 약간의 다른 공정으로 이루어진다. 즉 유지분이 묻어 있는 제품의 경우에는 용제 탈지(유지분이 많을 때) 및 알칼리탈지(유지분이 적을 때), 흑착색 처리, 수세, 후처리, 건조, 방청유 또는 코팅처리의 일연의 공정으로 이루어지고, 유지분이 묻어 있고 녹(산화피막)이 형성되어 있는 제품의 경우에는, 탈지 및 산세처리, 수세, 표면조정(흑착색이 잘되도록 하는 전처리), 흑착색 처리, 수세, 후처리, 건조, 방청유 또는 코팅처리의 일연의 공정으로 이루어진다.

철 제품에 대해 가장 일반적으로 사용되는 종래의 흑착색 방법은, 강알칼리인 가성소다(수산화나트륨)를 주성분으로 하는 수용액을 140-145℃ 정도로 승온시킨 상태에서, 철 제품을 일정시간 침지하여 흑착색 처리를 하는 것이다. 그러나, 가성소다를 주성분으로 하는 이런 철 제품에 대한 종래의 흑착색 처리제는, 가성소다 자체가 강알칼리성으로서 독성이 강하고 작업온도가 140℃에 이르는 고온이며 처리과정에서 수소가스가 발생하는 등, 작업에 위험이 따르고 환경공해를 유발하는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은, 전술한 바와 같은 가성소다를 주성분으로 하는 종래의 흑착색 처리제가 지니는 문제점인, 독성, 고온처리, 가스발생, 환경오염 등의 문제점을 해소하여 강철 제품은 물론 주철, 아연 등의 금속 제품을 상온에서 심각한 가스발생 없이 안전하게 흑착색할 수 있는 환경 친화적인 상온 흑착색 조성물을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명에 따라, 산화아연 0.05-0.5 중량%, 인산 1.0-5.0 중량%, 황산구리와 질산구리 중 적어도 하나의 구리산염 0.3-1.0 중량%, 황산니켈과 질산니켈 중 적어도 하나의 니켈산염 0.1-0.5 중량%, 이산화세렌 1.0-3 중량% 및 잔량의 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 흑착색 조성물이 제공된다.

상기 흑착색 조성물은, 바람직하게 황산철과 질산철 중 적어도 어느 하나의 철산염 0.01-0.2 중량%, 염화암모늄 0.01-0.2 중량%, 수산화칼륨 0.01-0.1 중량%, 적당량의 부식억제제와 분산제를 추가로 첨가할 수 있다.

본 발명에 따른 흑착색 조성물은 먼저 약간의 물(대략 인산 함량의 절반 정도)에 상기 함량의 산화아연과 인산(선택적으로 부식억제제 및 철산염)을 혼합한 후에, 나머지의 물을 가한 다음 상기 함량의 구리산염, 니켈산염 및 이산화세렌(선택적으로 염화암모늄, 수산화칼륨 및 분산제)을 첨가하여 혼합하는 방식으로 제조한다. 산화아연과 인산을 먼저 소량의 물에 넣는 것은 산화아연과 인산이 상호 작용할 수 있는 고농도의 환경을 만들어 주기 위한 것이다.

구리산염, 니켈산염 및 이산화세렌은 금속표면을 산화시키는 산화제로서 작용하는 성분들이고, 산화아연, 인산, 철산염, 염화암모늄 및 수산화칼륨은 상기 산화제의 작용을 촉진하는 작용을 하는 성분들이며, 산화아연은 인산을 물에 용해시키는 작용을 한다.

선택적으로 첨가되는 부식억제제는 인산에 의한 금속 제품의 부식을 방지하기 위한 성분이며, 당해 기술분야에 통상적으로 사용되는 질소화합물 또는 인산염을 주성분으로 사는 부식억제제를 통상의 함량(예, 총 흑착색 조성물 총량의 0.03-0.1 중량% 정도)으로 첨가할 수 있다.

선택적으로 첨가되는 분산제는 이물질들이 금속 제품의 표면에 부착되는 것을 방지하기 위한 성분으로서, 폴리옥시에틸렌 노닐페닐 에테르, 폴리옥시에틸렌 알킬아민, 메타인산나트륨 등과 같은, 당해 기술분야에 널리 알려진 비이온 또는 양이온 계면활성제나 중합인산염을 통상의 함량(예, 총 흑착색 조성물 총량의 0.01-0.05 중량% 정도)으로 첨가할 수 있다.

본 발명의 흑착색 조성물을 제조할 때에는 운반과 취급의 편의를 위해 물의 함량을 줄여서 대략 5-10배 농축된 상태로 제조하고, 실제 사용할 때에 농축된 비율에 맞게 희석해서 사용하며, 본 발명의 흑착색 조성물 수용액에 강철, 주철, 아연 등의 금속제품을 5-10분 동안 침지해 두면 제품 표면에 흑착색(흑색 산화피막)이 형성된다.

본 발명자가 여러 가지로 실험한 바에 따르면, 상기 성분들을 상기 조성비로 혼합한 본 발명의 흑착색 조성물로 강철, 주철, 아연 등의 금속 제품을 상온에서 산화처리(흑착색 처리)하면, 실질적인 가스발생 없이 대략 0.3-0.5㎛ 두께 정도의 양호한 흑착색 산화피막이 형성됨을 발견하였다.

또한, 본 발명에 따른 흑착색 조성물에 의해 흑색산화피막이 형성된 금속은, 기존의 가성소다를 주성분으로 하는 알칼리성 흑착색 조성물에 비하여 탁월한 내식성을 나타낸다. 즉, 한국공업규격(KS규격)에서 금속의 내식성을 판정하는 기준으로 사용하는 염수분무 시험법으로 테스트하면, 종래의 알칼리성 흑착색 조성물로 처리한 강철 제품은 5-7분 정도 경과하면 발청이 일어나지만, 본 발명의 조성물로 처리한 강철, 주철 및 아연 제품은 10시간 이상 12시간에 이르기까지 발청이 일어나지 않는 탁월한 내식 효과가 있다.

본 발명의 흑착색 조성물에서 산화제(구리산염, 니켈산염 및 이산화세린)가 일부 누락되거나 적게 사용되면 충분한 흑색 산화피막 형성효과를 나타내지 못하게 되고 반대로 과다하게 사용하면 산화피막이 과다하게 형성되어 제품의 품질을 손상시키거나 효과의 상승 없이 비용증가와 폐기물 처리 부담이 커지게 된다. 산화아연과 인산의 함량이 상기 범위 미만이면 산화제의 산화피막 형성이 미흡하게 되고 상기 범위를 초과하면 효과의 상승 없이 비용증가와 폐기물 처리 부담이 커지게 된다. 또한, 철산염, 염화암모늄, 수산화칼륨, 부식억제제 및 분산제를 상기 함량의 범위에서 부가적으로 추가하면 본 발명 흑착색 조성물의 내식성이 더욱 향상된다.

아하, 본 발명에 따른 부식억제제 조성물을 제조예 및 실시예에 의해 더욱 상세히 설명한다.

(제조예1)

물 1,000g에 산화아연 150g과 인산 1,750g을 잘 혼합하고, 이 혼합물에 다시 물 95,185g을 가한 후, 차례로 황산구리 440g, 황산니켈 175g 및 이산화세렌 1,300g을 혼합하여 본 발명의 흑착색 조성물 수용액을 제조하였다(제조예1: 표1 참조).

(제조예2 및 제조예3)

조성되는 성분과 함량을 표1에 나타낸 바와 같이 하여 제조예1과 동일한 방법으로 본 발명에 따른 흑착색 조성물 수용액을 제조하였다(제조예2-3: 표1 참조).

(제조예4)

물 1,000g에 산화아연 150g, 인산 1,750g, 부식억제제(인산염계 부식억제제) 40g 및 황산제1철 75g을 잘 혼합하고, 이 혼합물에 다시 물 95,000g을 가한 후, 차례로 황산구리 440g, 황산니켈 175g, 염화암모늄 35g, 수산화칼륨 20g, 이산화세렌 1,300g 및 분산제(폴리옥시에틸렌 노닐페닐 에테르)15g을 혼합하여 본 발명에 따른 흑착색 조성물 소용액을 제조하였다(제조예4: 표1 참조).

(제조예5 및 제조예6)

조성되는 성분과 함량을 표1에 나타낸 바와 같이 하여 제조예4와 동일한 방법으로 본 발명에 따른 흑착색 조성물 수용액을 제조하였다(제조예5-6: 표1 참조).

(실시예 1-6)

상기 제조예에 따라 제조된 본 발명의 흑착색 조성물 수용액에 통상의 흑착색 처리 방법에 따라 완전하게 탈지, 수세 및 건조시킨 강철(SB 400), 주철 및 아연 시편(60×80×1.0mm)을 각각 침지하여 5분간 흑착색 처리를 하였다. 이때 조성물 수용액의 온도는 상온(대략 20℃)을 유지하였다.

흑착색된 각 시편을 수세 및 후처리하여 이물 없이 완전히 건조시킨 후에, 한국공업규격(KS규격)에서 금속의 내식성을 판정하는 기준으로 사용하는 염수분무시험법에 의해 발청 테스트를 하였고, 내식성의 판정은 육안관찰에 의한 발청이 관찰될 때까지의 시간으로 판정하였으며, 그 결과를 표2에 나타내었다.

(비교 실시예 1-3)

시판 중인 가성소다를 포함하는 강철 및 주철용 흑착색 조성물(A사 제품), 몰리브덴산암모뮴과 암모니아수를 포함하는 아연용 흑착색 조성물(B사 제품)을 제조업자가 요구하는 농도로 희석하고, 본 발명의 조성물에 사용한 시편과 동일한 강철, 주철 및 아연 시편에 대하여 마찬가지의 방법으로 희석액의 온도를 제조업자가 요하는 온도(A사: 145, B사: 가온)로 흑착색 처리하고, 시편을 이물 없이 완전히 건조한 후에 발청 테스트를 하였다. 내식성의 판정은 마찬가지로 육안관찰에 의한 발청이 관찰될 때까지의 시간으로 판정하였으며, 그 결과를 표2에 나타내었다.

표2에 나타난 바와 같이, 종래의 흑착색은 140℃ 이상의 고온에서 작용함에도 불구하고 염수분무 후 5-7분이 경과하면 강철, 주철 및 아연 시편 모두에서 부식(발청)이 진행되기 시작했지만, 본 발명에 따른 흑착색 조성물은, 10시간 이상 대략 12시간까지 모든 시편에 대하여 발청이 관찰되지 않는 탁월한 내식성을 보였다.

또한, 가성소다를 주성분으로 하는 종래의 철 제품용 흑착색 조성물의 경우 처리과정에서 다량의 수소가스가 발생하여 위험한 작업환경을 조성하였지만, 본 발명에 따른 흑착색 조성물은 실질적으로 위험을 초래할 만한 가스발생을 유발하지 아니 하였다.

이상에서 설명한 바와 같은, 본 발명에 따른 흑착색 조성물은, 발청시간의 기준으로 볼 때 기존의 흑착색 조성물에 비하여 100배 내외에 이르는 탁월한 방청능력을 가지며, 취급 및 사용방법에 있어서도 자체 독성이 거의 없고 흑착색 처리과정에서 유독가스를 발생시키지 않으며 상온에서 작용하므로 매우 안전하게 사용할 수 있는 효과가 있다.

따라서, 본 발명에 따른 흑착색 조성물을 볼트, 너트, 스프링 등 각종 기계부품, 전자부품, 군수장비, 건축자재 등, 강철, 주철 및 아연으로 이루어진 각종 부품들의 흑착색에 사용하면, 이들 부품의 수명을 현저하게 연장할 수 있다.