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강철 아연도금: 야금학적 원리와 방호 전략 완벽 가이드

강철 아연도금의 야금학적 측면

표면 보호되지 않은 강철 제품은 비, 눈, 바람, 극한 온도 등 다양한 환경 조건으로 심각한 손상 입을 수 있습니다. 이런 악조건은 철을 산화철로 전환시키고 강철을 부식시켜 부피 증가와 강도 저하 초래. 환경 조건이 강철 표면 작용하지 않게 하려면 다양한 보호 표면 코팅 사용. 여러 표면 코팅 중 아연도금(galvanizing)은 매우 대중적이고 신뢰성 높은 표면 코팅입니다.

용융 아연도금 코팅은 강철 내식성 향상시켜 최대한 오래 최소 유지보수로 지속되게 합니다. 강철 위 아연과 아연 합금 코팅 생성은 부식 환경 노출 강철 제품 보호 위해 상업적으로 가장 중요한 가공 기술 중 하나. 기술적 관점에서 아연도금 원리는 200년 전 사용 시작 이래 변함없습니다.

용융 아연도금은 표면 마모 노출 제품에 빈번히 사용. 예: 차량 문턱, 수송 왜건, 계단, 난간, 격자.

아연도금은 기반 강철과 아연 코팅 간 야금적 결합 형성해 강철 자체 일부인 장벽 생성. 아연도금 코팅은 기반 강철에 타 코팅 대비 최소 10배 이상 부착력. 아연도금 공정 중 용융 아연과 강철 철 반응으로 일련의 Zn-Fe 합금층 형성(그림 2 참조). 그림은 아연도금 강철 코팅 단면 대표 미세조직: 3개 합금층과 순수 금속 아연층으로 구성.

강철 아연도금: 야금학적 원리와 방호 전략 완벽 가이드
그림 1: 전해전지와 금속 갈바닉 시리즈

아연 코팅의 두 가지 보호 메커니즘

아연 코팅은 강철 수용성 부식 개선에 주로 두 가지 방법으로 사용됩니다. (1) 차단 보호(Barrier Protection), (2) 갈바닉 보호(Galvanic Protection).

그림 1은 전해전지와 금속 갈바닉 시리즈 보여줍니다.

아연도금 코팅의 양극 보호 (Cathodic Protection)

금속 아연은 강철에 대해 양극성. 전해질 존재 시 아연도금 강철 위 양극성 아연 코팅이 음극성 강철 기반재보다 우선 부식돼 우발적 코팅 손상으로 노출될 수 있는 소면적 강철 부식 방지(그림 1). 이 양극 보호는 아연 코팅 존재하는 한 지속.

아연 양극 보호 메커니즘

  1. 아연과 강철이 전해질에서 접촉 시 전기적 전위차 발생, 전해전지 형성
  2. 아연이 강철보다 전기화학적으로 더 활성이라 모든 강철의 양극 되어 강철 표면 미세 양극/음극 영역 형성 방지
  3. 전지 내 전위차로 음전하 전자 아연 양극→강철 음극 흐름, 양극 원자 양전하 아연 이온 전환
  4. 음극 표면에서 음전하 전자가 전해질 양전하 수소 이온 끌어당겨 반응, 수소 가스 방출
  5. 강철 음극과 전해질 간 화학 반응 없음. 이 현상(양극 보호)이 강철 음극 부식 방지
  6. 양극 표면 양전하 아연 이온이 전해질 음전하 수산기 이온과 반응, 아연 서서히 소모되며 강철에 희생적 보호 제공
  7. 아연 코팅 불연속/손상으로 기반 강철 노출 시 아연 제공 양극 보호로 노출 강철 부식 안 함

ASTM(미국 재료시험학회) 노출 시험에서 패널 중량 감소(부식 속도 척도)가 다양한 노출 조건에서 아연이 강철보다 훨씬 낮음. 아연도금 코팅 소비 속도는 강철 대비 1/17~1/80로, 공격적 환경에서도 용융 아연도금 장수명 제공.

아연도금 공정

아연 코팅 생산 대표 가공법: 용융 아연도금, 열분무, 전기도금. 용융 아연도금은 강철 제품 아연도금에 흔하고 대중적 기술. 강철 제품을 아연 또는 아연 합금 액체 욕조에 담금, 배치 또는 연속 공정. 연속 공정은 코일 제품(시트, 와이어, 튜브)에 더 유리, 배치 공정은 벌크 제품에 통상 사용.

일반적으로 액체 아연 욕조 담금 전 아연 욕조에서 반응할 수 있는 표면 산화물 제거 위해 강철 제품 먼저 세척. 물체 표면 액체 아연 코팅 욕조 도입 시 매우 깨끗하고 표면 산화물 없어야 함. 용융 담금 후 강철이 욕조와 반응해 코팅 형성, 물체 인출, 냉각, 때때로 후속 열처리. 그림 2는 아연도금 공정과 아연도금층 단면 보여줍니다.

강철 아연도금: 야금학적 원리와 방호 전략 완벽 가이드
그림 2: 아연도금 공정과 아연도금층 단면

냉간 압연 시트 아연도금 공정 상세

냉간 압연 시트 아연도금 시 시트 통상 코팅 욕조 전 650℃ 이상 인라인 어닐링 받고, 욕조 진입 전 470~490℃로 냉각. 아연 녹는점 419℃, 욕조 온도 통상 465℃. 강철 시트 충분한 고온 강도로 어닐링로와 아연 욕조 통과 시 찢어지거나 변형 안 됨. 시트 욕조 침지 시간(일부 코팅 라인 약 2초) 동안 강철과 용융 아연 야금 반응 발생.

이 반응 중 고체 상태 강철 표면 원자가 액체 상태 아연 욕조 아연 원자와 상호작용. 이 상호작용을 '확산(Diffusion)'이라 함. 아연 원자 강철 방향 이동, 강철 내 철 원자 용융 아연 방향 이동. 결과: 강철과 용융 아연 사이 고체 '혼합' 층 형성. 이 층은 특정 비율 아연과 철 원자 포함, '금속간 화합물(Inter-metallic compound)'이라 칭함. 다른 금속 원자 혼합을 합금화라 하며, 아연도금 중 형성된 확산 구역은 금속간 합금. 이 합금 구역이 적절히 형성될 때 강철과 아연 코팅 간 우수한 결합 제공.

아연도금층 구조와 경도 특성

그림 2에서 감마(Γ), 델타(Δ), 제타(ζ)층 경도(DPN, 다이아몬드 피라미드 수)가 기반 강철보다 높음. 이 높은 경도로 마모에 의한 코팅 손상 우수 보호. 에타(η)층은 경도 낮아 연성 높고 코팅에 내충격성 제공. 제타, 델타, 감마 아연-철 합금층은 기반 강철보다 실제 더 단단해 아연도금 강철의 탁월한 내마모성과 기계적 손상 저항성 기인. 연마/중하중 조건에서 상대적 연한 에타 아연층 제거돼도 매우 단단한 제타 합금층 노출돼 추가 마모와 중하중 저항.

표면 장력 힘으로 강철이 욕조 나올 때 용융 아연층 부착. 여분 아연 닦아낸 후 419℃ 이하 냉각 시 잔여 액체 고화. 최종 제품(아연도금 강철): 강철 코어, 양면 금속간 합금층, 외부 아연층. 아연 욕조 알루미늄 프리 시 코팅 단면 그림 2 유사.

따라서 아연 코팅 강철 제품 구성: (1) 오버레이/코팅 합금, (2) 오버레이와 기반 강철 사이 계면층(일련 금속간 화합물 포함), (3) 기반 강철. 각 영역은 욕조 시간·온도, 욕조·기반 강철 화학성 영향받음. 그림 2 금속간 합금층은 아연·철 원자 혼합. 강철과 아연 외부 코팅 간 높은 결합도 제공. 불행히 이 합금들 연성 매우 나쁨(단단하고 취성). 아연도금 시트 성형 시 합금층 전단 균열 발생 확률 높고 아연 코팅 박리. 이 거동 아연도금 시트 복잡 형상(딥 드로잉 컵, 루핑 패널, 타이트 록 심, 고신장 자동차 펜더 등) 성형 능력 심각 제한.

합금층은 강철-아연 양호 결합 달성 필수. 이 층은 코팅 기공 없으려면 전체 물체 표면적 연속해야 함. 합금 결합 구역 형성 방해 없이 합금 성질 변경해 아연도금 시트 복잡 형상 성형 가능케 해야 함.

경도, 연성, 부착력 결합으로 아연도금 코팅 거친 취급 시 손상 우수 보호. 아연도금 코팅 구조와 아연-철 합금층 상대적 두께는 코팅 보호 수명에 거의/전혀 영향 없음. 보호 수명은 총 코팅 질량에 의존.

코팅 두께는 코팅 질량에 비례. 용융 아연도금 코팅 두께는 강철이 아연과 반응해 형성되는 아연-철 합금층 두께로 결정. 더 높은 아연도금 강철 코팅 두께 → 더 나은 내식성, 향상된 내구성. 단, 강철 성형성 저하 유발 가능. 아연 코팅층 인장 강도 두께 증가 따라 증가. 또한 아연도금 코팅 모서리와 에지에서 약간 더 두꺼움 → 대부분 유기 코팅이 이 중요 영역에서 얇아지는 것과 대비 중요한 장점.

아연도금 코팅 두께, 합금 구조, 마무리에 영향 주는 요인

  1. 강철 표면 상태
  2. 강철 조성

아연도금 욕조 침지 기간 연장해도 코팅 두께 증가 안 함(규소강 예외). 이중 담금이나 2차 아연도금도 코팅 두께 증가 안 시키고 코팅 외관 악영향 줄 수 있음.

강철 표면 상태

아연도금 전 강철 그릿 블라스팅으로 표면 거칠게 하고 표면적 늘려 용융 아연 반응성 높임. 아연도금 중 아연-철 합금 성장 더 많이 일어나 더 두꺼운 코팅 생성. 단, 표면 거칠고 외관 나빠짐. 이 방법 두꺼운 코팅 달성에 실용적·경제적 고려로 제한적 적용.

강철 조성

규소와 인 함량 모두 아연도금 코팅 구조, 외관, 특성 주요 영향. 극단적 경우 코팅 과도 두꺼워지고 취약해져 손상 쉬움.

특정 규소 함량 수준서 과도 두꺼운 아연도금 코팅 생성. 이 매우 두꺼운 코팅은 강철-용융 아연 반응성 증가와 강철 표면 아연-철 합금층 급속 성장 결과. 과도 코팅 두께 성장은 규소 함량 0.04~0.14% 강철서 발생. 0.15~0.22% 규소 함유 강철선 성장률 낮고, 0.22% 초과 시 규소 수준 증가 따라 증가.

약 0.05% 임계치 이상 인 존재 시 강철-용융 아연 반응성 현저 증가, 급속 코팅 성장. 규소와 결합 시 인이 불균형 효과 내 과도 두꺼운 아연도금 코팅 생성 가능.

규소·인 함유 강철 아연도금 적합성 가이드 기준: (1) %Si < 0.04%, (2) %Si + (2.5 × %P) < 0.09%. 규소강 아연도금 코팅 통상 둔한 회색 또는 얼룩덜룩 회색, 거친 마무리, 취성 가능.

코팅 수명은 두께 증가에 비례, 코팅 건전하고 연속하면 외관 영향받지 않음. 일반적으로 규소·인강 아연도금 코팅 두께, 부착력, 외관은 아연도금 담당자 제어 밖.

아연도금 강철 기계적 특성

아연도금 공정은 통상 아연도금되는 구조용 강철 기계적 특성 영향 없음.

강도와 연성

수년간 저탄소, 비합금, 저합금 강철에 아연도금이 기계적 특성 영향 미치는지, 어느 정도인지 확인 위해 대규모 실험·시험 수행. 결과 요약(통상 460℃ 및 고온 560℃ 아연도금 모두 적용):

세계 주요 산업 지역 19종 구조용 강철 기계적 특성 아연도금 전후 조사 연구에서 아연도금 공정이 연구된 구조용 강철 중 어느 것에도 인장, 굽힘, 충격 특성 영향 없음 확인. 최고 강도 버전도 억제 HCl 또는 H₂SO₄ 대표적 전처리 후 수소 취화 없음.

아연도금 공정 기인 기계적 특성 변화는 강철이 아연도금 전 가공 경화된 경우만 감지. 그 경우에도 특정 특성만 영향. 냉간 압연 강철 인장 강도, 내력, 인장 신율 영향 없음. 단, 40% 냉간 압연 강철 인장 신율 아연도금으로 증가 경향.

취성과 균열

가공 경화는 강철 노치 인성 감소, 취성 파단 전이 온도 증가. 이후 상승 온도 노화 이 효과 강화. 강철 자체 시효 경화돼도 가공 경화 효과로 적용 요건 충족 못 할 불충분 인성 초래 가능. 노화 공정 아연도금 욕조 고온서 가속 가능. 단, 이런 강철은 아연도금 여부와 관계없이 결국 취화.

용융 아연도금 시 부품 가공 경화 여부 아는 것 중요. 알루미늄 킬드강과 규소 킬드강 모두 가공 변형과 아연도금 노화로 부정적 영향 가능. 가공 경화 피할 수 없는 감수성 강철이면 아연도금 전 600~650℃ 30분 응력 제거 또는 노말라이징 필요. 단, 감수성 강철 상대적 드묾.

통상 비합금/저합금 구조용 강철 용융 아연도금 수소 취화 유발 안 함. 산세 중 흡수된 수소 대부분 아연 욕조 침지 시 열적 배출. 단, 수소 흡수 일부 경화/고강도 강철 취화 유도 가능. 산세 대신 블라스팅으로 문제 회피 가능.

용접이나 경화로 큰 응력 유도 시 아연이 강철 입계 경계 침투로 입계간 균열 특정 경우 발생. 통상 구조용 강철 용융 아연도금 시 아연 침투 입계 균열/파단 위험 무시 가능. 단, 경화 재료 민감 가능. 강철 아연 욕조 온도 이상(460℃ 초과) 어닐링으로 균열 위험 최소화.

취화 (Embrittlement)

아연도금 후 강철 취화 상태 되는 건 매우 드묾. 취화 발생은 요인 조합 의존. 특정 조건서 일부 강철 연성 잃고 취화. 여러 취화 유형 가능하나 이 중 변형 시효 취화만 아연도금 공정으로 악화. 중요 적용 지침용 정보:

변형 시효 취화 감수성

주로 저탄소강 냉간 가공 후 600℃ 미만 온도 노화, 또는 600℃ 미만 온도 온간 가공으로 발생. 모든 구조용 강철 어느 정도 취화 가능. 취화 정도는 변형량, 노화 온도 시간, 강철 조성(특히 질소 함량) 의존. 질소 화합물(질화물) 형태로 질소 묶는 원소들 변형 시효 효과 제한에 유용. 알루미늄, 바나듐, 티타늄, 니오븀, 붕소 포함.

수소 취화

산세 중 수소 강철 흡수 가능하나 아연도금 온도서 급속 배출돼 내부 응력 없는 부품엔 문제 안 됨. 산세 중 가공 경화/응력 받은 특정 강철은 아연도금 전 균열 발생 가능 정도로 수소 취화 영향받을 수 있음.

아연도금 공정 약 450℃ 용융 아연 욕조 침지 포함. 아연도금 열처리 효과로 가공 경화된 감수성 강철 변형 시효 취화 발현 가속. 아연도금 공정 타 측면 유의미하지 않음.

용접 응력

용접 구조물서 용접 응력 용융 아연도금으로 부분 감소. 용접 열영향부 경화 응력도 감소. 즉 용융 아연도금 형태 용접 구조물 미처리 상태보다 높은 정적 강도 가짐.

피로 강도

피로 강도 강철 종류별로 아연도금 영향 다름. 알루미늄 킬드강 상대적 작은 감소, 규소 킬드강 감소 약간 더 클 수 있음. 이유: 철-아연층 조성 차이. 피로 조건서 이 층 균열 형성 → 강철 표면 균열 개시자 역할.

실험실 피로 데이터 결정 시 아연도금 재료 '신품' 미처리 강철과 비교. 하지만 미처리 구조물 옥외 노출 시 즉시 부식 공격. 피트 깊이가 일반 부식 5~7배, 피로 강도 급감. 반면 아연도금 강철 피로 강도 아연 코팅 강철 표면 남아 있는 한 노출 시간 동안 거의 변화 없음. 정상 조건서 아연 코팅 피팅 발생 안 함. 용융 아연도금 야기 피로 강도 감소는 부식 공격 야기 감소보다 작음. 연마 블라스팅, 특히 용접도 피로 강도 감소시킴 유의.

실무 경험상 통상 아연도금 강철 피로 강도 아연도금으로 유의미 영향 안 받음. 특정 강철(특히 규소 킬드강) 피로 강도 감소 가능하나, 미아연도금 강철 피팅 부식 공격 야기 감소량과 용접 효과 비교시 작음.

실용 목적상 설계 수명 용접 피로 강도 기반이면 아연도금 효과 무시 가능. 피로 강도 노치와 용접 비드 존재로 감소, 아연도금 같은 가열 사이클 포함 공정 효과와 무관. 고온 가공 급랭 미세 균열 유도(특히 용접부), 노치 효과로 피로 강도 감소.

중요 적용서 용접 강철 구조물 아연도금 사양은 아연도금 후 수냉 대신 공랭 요구해 미세 균열 가능성과 피로 강도 감소 회피.

가공 경화

아연도금 전 홀 펀칭, 전단, 굽힘 등 가공 경화 감수성 강철 취화 유도 가능. 3㎜ 미만 두께 강철 유의미 영향 적음.

아연도금 강철과 화재

용융 아연도금 강철 불타지 않으나 온도 상승 시 강도 감소. 강철 구조물 임계 온도 도달 전까지 안정. 적재 상황 따라 500~750℃ 사이 발생.

고온 노출 아연도금 강철

용융 아연도금 코팅 고온 노출 시 반응 연구: 코팅 상대적 짧은 노출 시간 조건 275℃까지 견딤. 수주 이상 장시간 노출 시 이 온도 너무 높음. 연구 결과 고온 아연도금(560℃ 침지) 코팅이 저온 아연도금 코팅보다 고온 노출 대응 더 나쁨.

이유: 고온이 코팅 내 고체 상변태 유발. 최외곽 순수 아연 코팅 철-아연 금속간 상으로 변환. 전체 코팅 이 철-아연 상으로 구성되면 더 취화돼 균열 형성, 특히 냉각 시(순환 공정). 고온 아연도금 코팅 초반부터 금속간 상 주구성으로 특히 민감. 고온과 기계적 변형(진동 등) 조합 회피. 순수 아연 큰 부분 함유 저온 코팅이 장기간 고온 견딜 최적 가능성.

내마모성

순수 아연 연한 금속이나 대부분 유기 코팅보다 경도 높음. 하지만 용융 아연도금 중 생성된 금속간 철-아연 상 매우 단단, 일반 구조용 강철보다 더 단단. 이로 철-아연 상 순수 아연보다 내마모성 우수. 연구서 금속간 층 내마모성 순수 아연층 대비 4~5배 우수 확인.

대기 부식 저항성

용융 아연도금 코팅 수명 기대치 대략 코팅 두께 비례. 따라서 주어진 환경서 코팅 수리 필요 전 지속 기간 예측 가능. 아연도금 코팅 수명 기대치 강철 표면 5% 적녹 출현 기준.

용융 아연도금 강철 대기 부식 저항성: 습도, 강우, 해안 근접성, 오염물질 존재 등 기후 요인 의존. 후자 경우 환경 내 어떤 오염물질 있느냐에 따라 코팅 성능 특히 해로운 영향 가능.

해안 지역(일반 고수위선 1㎞ 이내) 아연도금 강철 부식율 높을 수 있음. 산업 발생 가스(이산화황, 아산화질소) 아연 코팅 공격, 암모니아 가스도 공격. 농촌 지역 아연도금 코팅 80년 이상 지속 가능. 단, 과도 살충제/비료 살포 시 수분과 결합해 코팅 공격 가능 성능 저해. 흥미롭게 아연도금 코팅 해양 기후서 연한 색, 농촌/산업 환경서 어두운 색으로 풍화.

일부 경우 아연도금 코팅 적색조 변환, 흔히 녹 발생으로 오인. 이 변색은 아연-철 합금이 대기 반응해 독특한 아연-철 합금 기반 보호막 형성하며 발생. 특정 환경서 아연-철 합금이 순수 아연보다 기반 강철 더 나은 부식 제어 제공 가능.

알루미늄의 역할

75년 전 아연도금 욕조 소량 알루미늄 첨가가 합금 결합 구역 형성 방해 않으면서 합금층 성질 변경해 복잡 형상 성형 가능케 하는 완벽한 해답임 발견. 초기 작동 원리 미이해됐으나 아연 욕조 알루미늄 존재 시 알루미늄 프리 욕조 대비 합금층 매우 얇아짐 관찰. 알루미늄은 아연-철 반응 속도 현저히 늦추는 억제제. 이 더 얇고 연성 높은 합금층으로 대량 내부 전단 균열 발생 안 해 코팅 부착력 손실 없이 코팅 강판 복잡 형상 성형 가능.

연속 아연도금 라인 아연도금 욕조 알루미늄 약 0.15% 수준 사용이 표준. 알루미늄 첨가 관행 현재도 사용. 단, 아연 내 알루미늄 야금학 더 잘 이해돼 알루미늄 농도 더 엄격 관리. 일부 생산자 0.2~0.3% 사용하나 대부분 0.15~0.19% 범위 유지. 아연-철 코팅(갈바닐) 제조 시 알루미늄 수준 0.11~0.135% 범위 낮춤.

이러한 소량 알루미늄 첨가가 아연도금 시트 성형 능력에 현저 효과 미치나 벌크 부식 거동엔 큰 영향 없음. 하지만 알루미늄 합금층에 집중, 일부 아연 표면에도 존재해 스폿 용접, 납땜, 백청(white rust) 발생 등 악영향 가능. 단, 이 단점들은 알루미늄이 아연도금 시트 코팅 부착력 손실 없이 복잡 형상 성형 가능케 하는 유익 효과 비해 미미.

아연 코팅 표면 외관: 스팽글 (Spangle)

강철 표면 아연 코팅 고화될 때 고화된 아연 핵 주위 수상정 결정 성장, 경우에 따라 '스팽글(spangle)'이라 불리는 꽃무늬 밝은 아연 결정 패턴 형성(그림 3). 코팅 두께는 스팽글 지름보다 훨씬 얇음. 특정 강철 조성으로 아연-철 합금층이 아연도금 코팅 표면까지 성장해 무광 회색 마무리 생성.

강철 아연도금: 야금학적 원리와 방호 전략 완벽 가이드
그림 3: 아연도금 강철 스팽글 구조

일부 용도서 스팽글 패턴 제품 매력적 외관 줘 바람직. 단, 자동차 강판 경우 스팽글 연계 표면 거칠기와 결정 배향 차이가 도장 후 외관 손상시켜 바람직하지 않음. 이런 강판엔 극미세 스팽글 패턴 필요.

스팽글 형성 메커니즘

스팽글은 강철 부착 용융 아연이 아연 녹는점(약 419℃) 이하 냉각 시 발생. 이 온도서 액체 아연 내 무작위 배열 원자 매우 정돈된 배열 시작. 용융 아연 코팅 내 다수 무작위 위치서 발생. 이 변환 공정은 응고/결정화 공정. 용융 아연 내 소형 응고 영역 '결정립(grain)' 정의. 용융 아연 개별 원자 응고 결정립 부착(결정립 성장 유발) 시 정돈된 방식으로 배열돼 독특한 배열/결정 형성. 아연 경우 결정 육방 대칭 형성. 고체 아연 결정립 성장 시 개별 아연 원자 최종 스팽글 자주 보이는 육방 대칭 배열. 코팅 완전 고화 시 개별 스팽글 개별 아연 결정립 정의.

'핵형성(Nucleation)' 용어: 용융 아연 무작위 배열 원자 초기 응고 단계서 씨앗 결정 작은 정돈 원자 배열로 변환 공정 정의. 높은 핵형성율 → 최종 고화 구조 다수 소형 결정립 형성 경향. 낮은 핵형성율 → 대형 결정립 성장 유리.

응고 공정 다른 측면: 수상정 성장(Dendritic growth). 수상정 성장은 개별 고화 결정립이 뚜렷한 선단 둥근 에지로 용융 아연 코팅 내 성장 유발. 1차 수상정 팔과 1차에서 측면 성장 2차 수상정 팔 그림 3 표시. 수상정은 아연도금 코팅에서 주조 상태 수상정 고화 결정립 구조 2차원 버전으로 보이기 때문에 가시적.

용융 아연 코팅 고화 중 수상정 팔 성장률이 용융 아연 내 새 결정립 핵형성률과 경쟁. 이 공정 최종 완전 고화 구조 크기 결정. 그림 3 잘 정의된 대형 스팽글 패턴 보여 수상정 성장률 응고 공정 지배해 소수 대형 스팽글 생성. 이런 스팽글 특징: 중심 두껍고 에지(결정립 경계) 얇아 템퍼 롤링으로 평활화 어려움. 반면 소형 스팽글 아연 코팅 경계 우울 덜해 템퍼 롤링 평활화 가능. 용융 아연 고화 중 수상정 성장 성질과 속도 용융 아연 내 타 금속 원소 큰 영향.

스팽글 크기: 아연 화학성, 냉각 속도, 강철 베이스 평활도 등 요인 의존. 그림 4는 다양한 스팽글 크기 비교. 스팽글 정성적 3범주 분류:

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그림 4: 다양한 스팽글 크기 비교

납(Pb)의 스팽글 영향과 무연화 추세

아연 코팅서 잘 정의된 수상정 성장 패턴 가장 흔한 이유: 용융 금속 내 납 존재. 용융 아연 내 납 → 고체/액체 계면 에너지 감소 → 수상정 성장 속도 증가 → 대형 스팽글. 납 코팅 표면 석출, 표면 납 입자 분포 변동이 광학 외관(반짝/무광 스팽글) 결정.

과거 아연 코팅 최대 1% 납 함유. 지난 40년간 납 비율 저감. 요즘 대표적 납 농도 0.15% 미만, 자주 0.03~0.05% 낮음. 이 낮은 납량도 응고 공정 수상정 성장 거동 개발 충분. 현재 용융 아연 욕조 납 0.05~0.10% 범위 유지해 잘 발달된 스팽글 패턴 달성. 환경 우려로 무연 아연 사용, 용융 아연 욕조 안티모니 소량(0.03~0.10%) 첨가로 잘 발달된 스팽글 패턴 달성 관행 개발.

납 함유 아연으로 더 평활 코팅 원하면 급속 냉각으로 스팽글 성장 억제 가능. 아연 욕조 위 스팽글 최소화 장치로 증기나 아연 분진 표면 분사해 용융 아연 급속 동결, 스팽글 작게 유지. 무연 아연(납 함량 통상 0.01% 미만, 자주 0.005% 미만) 사용 시 이 기술 불필요. 무연 코팅 스팽글 프리 표면 제공 → 자동차·가전 산업 필요 고품질 마무리.

무연 코팅 결정립 패턴 육안 거의 불식별. 통상 스팽글 지름 0.5㎜. 이런 코팅서 결정립 수상정 모드 아닌 세포 모드(Cellular mode) 성장. 결정립 강철 표면서 핵형성돼 자유 표면 방향 성장. 대형 스팽글 부재로 강철 표면 광택 나고 결정립 경계 우울 없음. 무스팽글 코팅 + 템퍼 롤링 → 강철 매우 평활 → 도장 시 매우 평활 마무리.

납/안티모니 프리 무스팽글 코팅 생산 용이하지 않음. 용융 아연 점도 영향 때문. 납/안티모니 없으면 용융 아연 점도 높아 아연 코팅 새그(sag)와 리플(ripple) 회피 어려움. 코팅 두꺼울수록 새그/리플 형성 경향 커짐. 하지만 자동차·가전 산업 얇은 코팅 필요, 고속 라인 생산으로 생산자 무연 코팅 욕조 사용해 스팽글 회피하면서 리플 프리 코팅 달성 가능.

제조공정

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  4. 강관: 종류, 역사, 현대 제조
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