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Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 18, No. 10 pp. 603-610, 2017 https://doi.org/10.5762/kais.2017.18.10.603 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 탄약표면처리용아연계인산염피막의중량및내식성에관한연구 김명현 1*, 이승용 2, 이현희 1, 이영태 1 1 국방기술품질원탄약센터, 2 풍산안강사업장 Study on the coating weight and corrosion resistance of Zinc phosphate for surface treatment of ammunition Myung-Hyun Kim 1*, Seung-Yong Lee 2, Hyun-Hee Lee 1, Young-Tae Lee 1 1 Ammunition Center, Defense Agency of Technology and Quality 2 Angang Plant, Poongsan Corporation 요약탄약을포함한다양한산업분야에서사용되는철강재료는부식에취약하므로, 표면그대로사용하는것은바람직하지않다. 따라서도금, 도장, 화성처리와같은표면처리이후사용하여야하는데, 탄약제조과정에서는주로아연계인산염피막처리가사용되고있다. 표면처리기법중하나인아연계인산염피막은금속표면을화학적으로처리하여안정성이높은화합물층을표면에고착시키는방법으로, 크게도장하지용경인산염피막과부식방지용중인산염피막으로나뉘어지는데, 아연계인산염피막은전산도, 철함량과같은여러가지인자에의해피막의품질과내식성이결정된다. 본연구에서는전산도및철함량이탄약부식방지목적으로사용되는아연계중인산염피막의중량및내식성에미치는영향에대하여알아보았다. 철함량에따라피막의구조가치밀해지며, 내식성이향상되는결과를확인할수있었으나, 전산도는피막의두께와중량에만영향을주고내식성에는큰영향을주지못하였다. 위결과를토대로탄약제조과정에서사용되는인산염피막처리공정의최적제어수준을제시하였다. Abstract Steel used for various industrial fields including ammunition is vulnerable to corrosion so surface treatments are required such as plating, painting and chemical conversion coating. Zinc phosphate, used for ammunition manufacturing, is used to stick the stable compound on the surface by chemical conversion of metal. The quality of phosphate coating depends on many factors such as total acidity and iron content. In this study, we studied the influence of total acidity and iron content on coating weight and corrosion resistance of phosphate coating. The surface structure of the coating becomes dense and corrosion resistance is improved with increasing iron content. However, total acidity influences only the thickness and phosphate coating weight. In conclusion, this study suggests the optimal range of total acidity and iron content to manufacture the ammunition. Keywords : Ammunition, Zinc Phosphate, Corrosion resistance, Total Acidity, Iron Content 1. 서론탄약의제조과정에서가장많이사용되는재료인철은상대적으로내식성이부족하여표면상태그대로사용하는것은바람직하지않다. 따라서내식성을향상시 키기위한조치가반드시적용되어져야하며, 그방법으로는도금, 화성처리, 도장등이있다 [1-3]. 본연구에서다룰인산염피막 (Phosphating) 은화성처리중한가지로써, 표면보호및도장성향상역할을한다. 인산염피막은금속표면처리분야, 전기공업분야 * Corresponding Author : Myung-Hyun Kim(Defense Agency of Technology and Quality) Tel: +82-53-757-3061 email: mhkim@dtaq.re.kr Received September 12, 2017 Revised (1st September 21, 2017, 2nd September 22, 2017) Accepted October 13, 2017 Published October 31, 2017 603

한국산학기술학회논문지제 18 권제 10 호, 2017 등에서도장하지, 소성가공및전기절연처리등의목적으로사용되고있으며, 적용하고자하는목적에따라크게아연계, 망간계, 철계등으로분류된다. 특히, 아연계인산염피막은피막중량에따라경인산염피막과중인산염피막으로나뉘게되는데, 경인산염피막은주로도장전처리용으로사용되어도료와철강재료와의결합성을향상시키며, 중인산염피막은그자체로철강재료의부식방지용도로사용되고있다 [4,5]. 탄약은군주요비축물자중하나로써, 장기저장성을중요한특성으로갖는데, 이특성은주로도장처리나인산염피막과같은표면처리방법으로부여된다. 따라서도장전처리용혹은부식방지용으로사용되는인산염피막처리는탄약의생산에있어서필수처리과정으로자리잡고있다고할수있다. 두종류의아연계인산염피막중, 경인산염피막은주로중 / 대구경탄약의도장전처리용으로, 중인산염피막은대공탄약의링크나고폭자탄등과같은탄약부품요소의표면부식방지용으로주로사용되고있다. 본연구에서다룰아연계중인산염피막은피막중량이 10.8 g/ m2이상인피막으로, 사용되는피막제의성분은경인산염피막과동일하지만, 온도및처리시간을달리한것으로, 경인산염피막과비교하여더무겁고두꺼운피막특성을갖는다. 두피막모두피도물을일정시간동안침지시키는방법으로처리되고있다. 현재탄약제조과정에서사용되는아연계중인산염피막제의구성성분은다음과같다. Table 1. Component of phosphate parkerizing solution component content (%) H 3PO 4 45.3 Zn(H 2PO 4) 2 10.0 HNO 3 3.5 Ni(NO 3) 2 6.7 NaClO 3 0.3 NaOH 2.0 Others(Water, etc.) 32.2 시간과마찬가지로적정수준으로제어되어야피막품질을안정화할수있다 [6,7]. 본연구에서는전산도및철함량이, 탄약에주로사용되는재료인 AISI 4140 표면의아연계중인산염피막중량과내부식성에미치는영향에대하여알아보았으며, 탄약제조시제어되어야하는합리적인수준을제시하고자하였다. 2. 이론적고찰 2.1 피막형성메커니즘피도물이아연계인산염피막제에침지되기이전의피막제내부화학반응을살펴보면다음과같다. 피도물이아연계인산염피막제에침지되면다음의식 (1) 과같이부식반응이진행된다. 이부식반응이진행됨에따라재료표면에인접한피막제의 ph가부분적으로낮아지게된다. Fe + 2H 3PO 4 Fe(H 2PO 4) 2 + 2H + 식 (1) 식 (1) 의반응이진행됨에따라유리인산농도가낮아지게되는데, 아래식 (2) 와같은반응이동시에진행되어유리인산농도를일정하게유지시킴과동시에 hopeite 피막 (Zn 3(PO 4) 2) 을형성한다. 3Zn(H 2PO 4) 2 4H 3PO 4 + Zn 3(PO 4) 2 식 (2) 또한, hopeite 피막외에, 식 (1) 에서형성된 Fe 2(H 2PO 4) 2 가재료와반응하여 phosphophyllite(zn 2F 2(PO 4) 2) 피막을형성하게되는데, 그반응식은아래의식 (3) 과같다. FeO + 2Zn(H 2PO 4) 2 Zn 2Fe(PO 4) 2 + 2H 3PO 4 + H 2O 식 (3) 인산염피막은처리과정에서온도, 시간, 전산도, 철함량등의인자에의해피막의품질이결정되는데, 피막표면의균일성및내식성향상을위해서는각조건이적정수준으로제어되어야한다. 특히, 전산도및철함량은인산염피막처리에있어서중요한역할을하는것으로알려져있는데, 온도및 따라서, 아연계인산염피막의주성분은아래 Table 2. 과 같이 hopeite와 phosphosphyllite로구성되게되며, 부수 적으로 이온화된 철이 피막제와 반응하여 vivanite (Fe 3(PO 4) 2) 와 iron-hreaulite(fe 3H 2(PO 4) 2) 를 형성하게 된다. 604

탄약표면처리용아연계인산염피막의중량및내식성에관한연구 Table 2. Structure of phosphate coating layer name constituent materials surface FeO, Fe 2O 3 coatings hopeite Zn 3(PO 4) phosphophyllite Zn 2Fe(PO 4) 2 vivanite Fe 3(PO 4) 2 iron-hreaulite Fe 3H 2(PO 4) 2 2.2 인산염피막공정및특성인산염피막처리공정은크게전처리, 본처리, 후처리공정으로구분할수있으며그세부내용은탈지, 제청, 표면조정, 인산염피막, 크롬실링, 방청코팅등으로이루어진다. 주요공정의역할에대해서자세히살펴보면, 탈지공정은표면의유지분을제거하는표면청정역할을하며, 제청공정은강산을이용하여철강표면에발생한부식과스케일을제거하는역할을한다. 표면조정공정은탈지및제청공정과정에서거칠어진철강재료표면을조정하는공정으로, 표면의활성점수를증가시켜피막결정의크기를균일하게하는역할을한다 [8]. 표면조정시, 피막의품질이균일해지고내식성이향상되므로표면조정공정을거치는것이일반적이며, 피막표면의활성점및결정형성에아래 Fig. 1. 와같은역할을한다. crystal surface crystal surface activated point activated point (a) (b) Fig. 1. Role of surface adjustment process in phosphate (a) Before surface adjustment (b) After surface adjustment 이후본처리과정인인산염피막공정에서금속재료표면에서화학적반응이일어나피막을형성하게되고, 크롬실링공정을통하여피막의내식성을향상시키게된다. 크롬실링공정은인산염피막표면의미세한기공들을크롬으로메우는공정이다. 위공정중표면조정, 크롬실링, 방청코팅공정은필요시거치게되는공정으로, 피막의품질을향상시키기위한선택적인공정이다. 2.3 주요인자인산염피막에영향을미치는인자로는온도, 시간, 전산도, 철함량등이있는데, 각각의인자는다음과같이피막에영향을미치게된다. 온도는피막중량과비례관계를갖는데, 탄체도장전처리용으로사용되는경인산염피막처리과정의적정온도는약 70 이고, 중인산염피막처리과정의적정온도는약 90 95 이다. 시간역시피막중량결정에큰영향을미치는것으로알려져있는데, 경인산염피막은약 10 15 분의, 중인산염피막은약 20 30 분의적정처리시간을갖는다. 인산염피막처리시, 시간에따라피막중량이증가하는것이일반적이지만, 피막처리시간이적정시간보다길어지게되면, 피막이거칠어지고피막중량이도리어감소하여내식성이저하될수있으므로적정수준으로제어되어야한다. 전산도또한피막중량과비례관계를갖는데, 전산도는피막제의산성성분전체량을말한다. 본연구에서전산도의단위는 point 값을사용하였는데, 전산도의 point는피막제 10 cc를페놀프탈레인용액을지시약으로하여 0.1 N NaOH 용액으로적정할때중화에필요한 NaOH의부피 (cc) 값을전산도의 point 값으로한다. 전산도는피막상태에전반적으로영향을주므로, 인산염피막처리공정에서는인산염수용액을주기적으로보충하여적정전산도를유지하여야한다. 마지막으로철함량은피막의내식성에영향을주게된다 [9-11]. 피막제속철함량이과다할경우에는인산염피막의결정화속도가낮아지고피막형성이저해되며표면이거칠어져내식성이감소된다 [12]. 전산도와마찬가지로본연구에서는철함량의단위역시 point 값을사용하였다. 철함량의 point는피막제 10 cc를 0.2 N 과망간산칼륨용액을지시약으로하여 50 vol% 황산수용액으로적정할때분홍색이최소 10 초이상지속될때의황산수용액부피 (cc) 에 0.112를곱한값이다. 605

한국산학기술학회논문지제 18 권제 10 호, 2017 3. 실험및결과 3.1 실험 3.1.1 전산도변화에따른피막중량전산도변화가피막중량에미치는영향을알아보기위하여일반적으로탄약표면처리시사용되는철함량 5 point의피막제에서전산도값을변화시켜피막의중량변화를알아보았다. 또한, 피막중량과더불어표면의변화를전자주사현미경 (Scanning Electron Microscope, SEM) 을이용하여확인하였으며, 장비는 풍산안강사업장에서운용되고있는 JEOL사의 JSM-6010LV 모델을사용하였다. 일반적인탄약표면의내식성시험기준인 48시간으로하였다. 실험시편에대한부식발생여부는육안으로확인되었다. 3.2 결과 3.2.1 전산도변화에따른피막중량실험결과실제탄약제조공정과동일한수준인, 철함량을 5 point로일정하게유지시킨상태에서전산도변화에따른피막중량을확인한결과, 아래 Fig. 2. 과같은피막중량변화추이를확인할수있었다. 3.1.2 전산도변화에따른내식성전산도변화가피막의내식성에미치는영향을알아보기위하여 3.1.1항과동일한조건인철함량 5 point를일정하게유지시킨상태에서전산도값을변화시켜피막결과물의내식성의차이를알아보았다. 내식성확인실험은한국산업규격 KS D 9502에따라 5 w% NaCl 수용액분무시험절차대로진행하였으며, 폭로시간은 72 시간으로하였다. 일반적으로탄약표면의내식성시험은 48시간의폭로시간에서진행되지만, 위폭로시간에서부식이발생하지않아 50% 증가된시간으로실험을진행하였다. 실험시편에대한부식발생여부는육안으로확인되었다. 3.1.3 철함량변화에따른피막중량철함량변화가피막중량에미치는영향을알아보기위하여일반적으로탄약표면처리시사용되는전산도 40 point의피막제에서철함량을조정하여피막중량변화추이를알아보았다. 또한, 피막중량과더불어피막표면의변화를앞서사용된동일한 SEM을이용하여확인하였다. 3.1.4 철함량변화에따른내식성철함량변화가인산염피막의내식성에미치는영향을알아보기위하여 3.1.3. 항과동일한조건인전산도 40 point를일정하게유지시킨상태에서철함량을조정한피막결과물의내식성정도를알아보았다. 내식성확인실험은한국산업규격 KS D 9502에따라 5 wt% NaCl 수용액분무시험절차대로진행하였으며, 폭로시간은 Fig. 2. Variation of the phosphate coating weight depending on the total acidity 전산도가 38.6 43.4 point 범위내에서증가함에따라, 피막중량이 19.9 g/ m2에서 23.9 g/ m2까지선형으로증가하였는데, 추세식으로표현할경우다음과같다. 피막중량이증가할수록결정의크기가증가하고조직이치밀해지며피막두께가두꺼워지는경향이있기때문에위와같은비례관계의그래프를볼수있다. 일반적으로탄약제조시인산염피막처리는피막의품질을위하여 35 45 point 의전산도범위내에서제어되고있는데, 전산도가 35 point 미만으로떨어지면피막처리시간이과다하게소요되며, 45 point를초과하게되면단시간내에두꺼운피막이형성되어피막표면이거칠어지는현상이발생하게된다. 전산도변화에따른인산염피막표면의 SEM 촬영결과는아래의 Fig. 3. 와같다. 606

탄약표면처리용아연계인산염피막의중량및내식성에관한연구 를확인할수없었다. 각각의전산도 38.6, 40.5, 42.6 point에서모두부식이발생하지않았는데, 이는부식방지용중인산염피막의경우내식성측면에서전산도의영향을거의받지않는다고말할수있다. (a) (b) 10 μm 3.2.3 철함량변화에따른피막중량실험결과실제탄약제조공정과동일한수준인전산도 40 point로일정하게유지시킨상태에서철함량변화에따른중량변화를확인한결과, 아래 Fig. 4. 와같은결과를확인할수있었다. 10 μm (c) (d) (e) (f) 10 μm Fig. 3. Surface structure of phosphate depending on the total acidity (a)38.6 point of total acidity( 200) (b)38.6 point of total acidity( 1,000) (c)40.5 point of total acidity( 200) (d)40.5 point of total acidity( 1,000) (e)42.6 point of total acidity( 200) (f)42.6 point of total acidity( 1,000) 전산도변화에따른인산염피막의표면을확인한결과, 전산도가증가할수록인산염피막결정크기가증가하고조직이더욱치밀해짐을알수있었다. 피막결정크기가증가함에따라유공의크기역시감소하였으며, 이에따라피막처리제품의내식성도향상될것으로생각된다. 하지만, 전산도증가에따라결정크기가증가할수록피막두께및중량이증가하게되므로, 제품의특성에맞는적정피막중량을설정하고이에따라전산도값을조절하는것이필요하다고할수있다. 3.2.2 전산도변화에따른내식성실험결과 실제탄약제조공정과동일한수준인철함량 5 point로일정하게유지시킨상태에서전산도변화에따른내식성확인결과, 전산도에따른내식성의변화추이 Fig. 4. Variation of the weight of phosphate coating depending on the iron content 철함량이약 5.0 point 까지증가함에따라피막중량이함께증가하였으나, 그이후 5.4 point 까지는큰변화가없었다. 또한, 약 5.4 point 이후로는피막중량이오히려감소하는경향을확인할수있었다. 이를 2차다항추세식으로분석하면다음과같은식을얻을수있다. 위추세식을미분하여기울기가 0인지점을찾을경우, 인지점에서 가감소하기시작하는것을알수있는데, 이를토대로철함량이약 5.4 point에서가장높은피막중량을갖을것으로추측할수있다. 이는약 5.4 point를초과하는철성분이인산염피막결정형성에관여하지않고오히려피막처리시간을증가시킴에따라부수적인화학적반응이진행되어피막형성을방해하고, 이에따라피막중량이감소하는것으 607

한국산학기술학회논문지 제18권 제10호, 2017 로 추측된다. 또한, 각각의 철 함량 3.1, 3.8, 4.5, 4.9, 5.7 point에 대한 인산염 피막 표면을 SEM으로 확인한 결과, 4.9 point 까지 철 함량이 증가함에 따라 피막 조직이 작아짐 과 동시에 치밀해져 유공의 수가 현저히 감소하는 모습 을 볼 수 있었으나, 5.7 point 에서는 피막의 조직은 작 아졌으나 유공의 수가 증가하는 모습을 볼 수 있었다. (i) 아래 Fig.5.의 SEM 촬영 결과는 철 함량-피막 중량 (j) Fig. 5. Surface structure of phosphate depending on iron 그래프에서 철 함량이 5.4 point를 기점으로 증가 추세 content (a)3.1 point of iron content( 200) (b)3.1 point of iron content( 1,000) (c)3.8 point of iron content( 200) (d)3.8 point of iron content( 1,000) (e)4.5 point of iron content( 200) (f)4.5 point of iron content( 1,000) (g)4.9 point of iron content( 200) (h)4.9 point of iron content( 1,000) (i)5.7 point of iron content( 200) (j)5.7 point of iron content( 1,000) 에서 감소 추세로 전환되는 것을 설명해준다. 따라서, 균 일한 피막 품질을 위해서는 약 5.0 point의 철 함량으로 처리하는 것이 바람직하다고 볼 수 있다. 3.2.4 철 함량 변화에 따른 내식성 실험 결과 실제 탄약 제조 공정과 동일한 수준인 전산도 40 point로 일정하게 유지시킨 상태에서 철 함량 변화에 따 른 내식성 확인 결과, 피막 중량 실험과 동일하게 약 5.0 point의 철 함량에서 내식성이 가장 우수한 것으로 확인 (b) (a) 되었다. 철 함량 3.1, 3.8, 4.5 point에서는 철 함량이 증 가할수록 내식성이 향상되는 모습을 볼 수 있었으며, 4.9 point에서 부식이 발생하지 않아 가장 우수한 내식성을 나타내었다. 이후 5.7 point에서는 다시 부식이 발생하는 것으로 보아 내식성이 저하된 것으로 해석된다. 전산도에 따른 내식성 실험 결과와는 달리, 48 시간의 (c) 염수 분무 시에 일부 시편에서 부식이 상당부 발생하였 (d) 으며, 부식 발생 부위를 육안으로 확인하였다. 아래의 Fig. 6.에서 (a), (c), (e), (g), (i)는 실험 시편 사진이며, (b), (d), (f), (h), (j)는 부식 발생 정도 비교를 용이하게 하기 위하여 부식 발생 부위를 도식화하여 점으로 표시 한 것이다. (e) (f) (g) (a) (h) 608 (b)

탄약표면처리용아연계인산염피막의중량및내식성에관한연구 4. 결론 (c) (e) (g) (i) Fig. 6. anticorrosion characteristics of phosphate surface depending on the iron content (a)3.1 point of iron content (b)3.1 point of iron content (c)3.8 point of iron content (d)3.8 point of iron content (e)4.5 point of iron content (f)4.5 point of iron content (g)4.9 point of iron content (h)4.9 point of iron content (i)5.7 point of iron content (j)5.7 point of iron content 위 Fig. 6. 결과를보면, 피막중량실험과동일하게철함량약 4.9 point 까지피막조직이치밀해져내식성이향상되다가, 5.7 point 에서는유공의수가증가하여내식성이저하된것으로추측된다. (d) (f) (h) (j) 본연구에서는탄약부식방지목적으로사용되는인산염피막에대해서알아보았다. 전산도및철함량이인산염피막의중량과내식성에미치는영향을 SEM 촬영등을통하여분석하였는데, 그결과는다음과같다. 1. 전산도가증가함에따라피막중량이증가하였으며, 피막구조가치밀해지는경향을보였으나, 기존의전산도관리범위 (35 45 point) 내에서내식성은크게변화하지않는것으로나타났다. 따라서, 전산도는제품의목적에따라피막두께등을고려하여기존의관리범위내에서결정하는것이합리적이라고할수있다. 2. 철함량약 5.0 5.4 point에서인산염피막중량이최대를나타내었는데, SEM 분석결과에따르면철함량이 4.9 point 까지증가함에따라피막조직이작아짐과동시에치밀해져유공의수가감소하는모습을관찰할수있었고, 5.7 point 이후로는유공의수가오히려증가하는모습을볼수있었다. 또한, 내식성역시철함량 4.9 point의시편이가장우수한것으로확인되었고, 4.7 point의시편에서는내식성이저하되는모습을볼수있었는데, 이는일정량이상의철함량은인산염피막결정형성에관여하지않고오히려피막처리시간을증가시키고피막형성반응을방해함으로써피막구조및내식성에악영향을주는것으로추측된다. 결론적으로, 탄약의부식방지목적으로사용되는인산염피막처리에는전산도및철함량이피막의두께및내식성에중요한영향을미친다고볼수있다. 따라서, 제품의특성에맞는수준의두께및내식성을고려하여전산도와철함량을조절해야할것으로판단된다. References [1] Freeman, D Brian, "Phosphating and metal pretreatment", 229, Cambridge, 1986. [2] D John, "Zinc phosphating", Metal Finishing, vol. 97, no. 5, pp. 71-86, 1999. DOI: https://doi.org/10.1016/s0026-0576(99)80761-2 [3] G. D. Cheever, "Formation and growth of zinc phosphate coatings", J Paint Technol, vol. 39, no. 504, pp. 1-13, 1967. [4] S. Yawei, J. Cao, M Guozhe, Z. Tao, W. Fuhui, "The role of a zinc phosphate pigment in the corrosion of 609

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