표면 품질은 정밀 부품의 기능 및 내구성을 결정하며, 마감 공정의 선택이 제품 가치와 직결됩니다. 전해 연마는 지립을 사용하지 않고 전기화학적으로 금속 표면을 평활화하여 광택, 내식성, 청정도를 높이는 대표적인 방법입니다. 이 기사에서는 전해 연마의 원리, 타 연마법과의 차이, 재질별 주의사항, 그리고 meviy에서의 활용 방법을 해설합니다.
목차
전해 연마의 정의
전해 연마란 금속 제품을 특수 전해액에 담가 전류를 흐르게 함으로써 금속 표면의 미세한 요철을 전기화학적으로 용해하여 평활화시키는 표면 마감 방법입니다. 연마 대상 금속을 양극(플러스극), 대향하는 전극을 음극(마이너스극)으로 직류 전류를 흐르게 하면 양극 측 금속 표면이 녹아내리며 연마가 이루어집니다.
지립을 사용하지 않는 연마 방법으로 스테인레스, 알루미늄, 티타늄 등에 적용됩니다. 전해 연마에 의해 금속 표면은 경면에 가까운 아름다운 상태가 되어 스테인레스의 경우 내식성이 뛰어난 균일한 부동태 피막(산화 피막)도 형성됩니다.
기계 연마·화학 연마와의 차이
연마 가공 에는 주로 다음의 3가지 방법이 있으며, 각각 특징이 다릅니다.
| 종류 | 원리 | 특징 | 설계상의 포인트 |
| 물리 연마 | 숫돌, 연마 벨트, 버프 등으로 물리적으로 표면을 다듬거나 닦는다 | ·높은 평탄도를 낼 수 있음 ·깊은 상처 제거 가능 ·가공 변질층이나 연마제의 잔류 리스크 ·복잡 형상, 협소한 부분은 적합하지 않음 ·버프 연마로 경면 광택도 가능 |
·연마처리 확보 필요 ·가공부의 열영향 고려 ·잔류물로 인한 오염 위험 |
| 화학 연마 | 약품의 화학 반응(부식 작용)에 의해 표면을 용해하고 평활화하다 | ·복잡 형상에도 적용 가능 ·지립 잔류가 없음 ·처리 속도가 빠를 수 있음 ·엣지가 끌리기 쉬움 ·정밀도 컨트롤이 어려움 |
·치수 변화가 큰 경향 ·재질에 따라 광택이 잘 나지 않을 수 있음 ·배수 처리 환경 부하 |
| 전해 연마 | 전해액 내에서 전기분해를 함으로써 금속 표면의 볼록부분을 선택적으로 용해한다 | ·극히 평활한 표면 ·아름다운 광택 ·가공 변질층, 지립 잔류 없음 ·복잡 형상, 협소한 부분에도 효과적 ·청정도가 높음 ·미세 버 제거 가능 |
·치수 변화(수 μm~) 고려 필요 ·비용이 비교적 많이 들고 ·재질, 형상에 따라 적합하지 않음 ·설비, 관리 필요 |
기계연마가 물리적인 제거인데 반해 화학연마와 전해연마는 화학적인 용해작용을 이용합니다. 특히 전해연마는 전기의 힘을 이용해 용해반응을 정밀하게 제어할 수 있는 점이 화학연마와의 큰 차이이며, 보다 고품질의 평활면과 광택을 얻기 쉬운 것이 특징입니다.
전해액의 종류
전해 연마의 마무리 품질을 결정짓는 중요한 요소가 전해액입니다. 전해액은 금속 표면을 선택적으로 용해시켜 평활화와 광택화를 촉진하는 역할을 담당합니다. 대상이 되는 금속의 종류에 따라 최적의 전해액 조성은 다릅니다. 주요 조성의 종류는 다음과 같습니다.
- 스테인레스 강용: 인산과 황산을 주성분으로 하는 혼합액
- 알루미늄용: 과염소산과 에탄올, 아세트산, 글리콜 등의 유기용매 혼합액
- 티타늄용: 황산, 질산, 불산을 주성분으로 하는 혼합액
- 구리·니켈용: 질산계 전해액
위에 작성된 내용 이외에도 환경 부하와 안전성을 고려하여 독성이 낮은 유기산을 이용한 전해액과 이온액체·심공정용매 등의 새로운 타입의 전해액도 개발·이용되고 있습니다.
금속별 특징과 주의점
금속별 특징과 주의점을 이하의 표에 정리합니다.
| 소재 | 주요 전해액 성분 | 특징 | 주의점 |
| 스테인레스 | 인산+질산(+크롬산) | ·아름다운 광택을 지닌 매끄러운 표면 상태 ·내식성, 세정성 향상 |
·고온에서 사용 및 가스 발생에 주의 ·전처리가 부적절하면 마무리에 큰 영향 |
| 알루미늄 | 과염소산 + 유기 용매 | ·높은 광택도와 반사율 ·깨끗하고 매끄러운 면 |
·과염소산법은 취급이 위험합니다 ·광택에 얼룩이 생기는 경우가 있다 |
| 티타늄 | 황산+질산+불산 | ·연마가 어려운 티타늄의 광택을 끌어냄 ·깨끗한 표면의 물리적 성질 |
·불산의 강한 부식성과 독성에 주의 ·설비와 방호대책이 필요 |
| 구리·니켈 | 질산계 | ·고광택으로 평활한 마감 ·물리적 연마로는 불가능한 세밀한 부분 연마 가능 |
·구리는 변색 및 공기 중 산소에 의한 산화에 주의 ·과전류나 과전압을 피하다 |
전해 연마의 원리와 공정
전해 연마의 기본 원리는 「전기 분해에 의한 금속의 표면 용해」입니다. 가공 대상을 양극으로 만들어 전해액 내에서 직류 전류를 흘리면 양극 표면에서는 금속이 이온이 되어 녹아내립니다. 이 때 표면의 튀어나온 부분일수록 전류밀도가 높아져 많이 용해되고, 오목한 부분은 용해가 억제되는 경향이 있습니다. 그 결과 표면 전체가 평활화됨과 동시에 광택이 향상됩니다.
또한, 연마 중 표면 근방에 생기는 반응 생성물의 막이 용해 속도를 조정하여 미세 형상의 평탄화에 기여합니다. 전해 연마 공정은 크게 전 처리 → 주 공정(전해 연마) → 후 처리 단계로 나뉩니다. 각각의 단계에서 수행되는 주요 작업은 다음과 같습니다.
전 처리(세정·탈지 공정)
균일한 연마에는 처리 전의 표면을 깨끗이 하는 것이 필수적입니다. 유분이나 산화피막이 남아 있으면 전류가 치우쳐 얼룩이 발생합니다.
일반적으로는 알칼리 세정액이나 용제로의 탈지 세정·산 세정에 의한 산화 피막의 제거 등을 실시합니다. 경우에 따라서는 제품을 음극으로 하여 전해 세척으로 단시간에 얼룩을 제거하는 방법도 효과적입니다. 전처리를 적절히 실시하여 전해 연마의 마감 얼룩이나 불량을 방지합니다.
전해 연마(주 공정)
전 처리를 마친 제품을 양극으로 전해조에 투입하여 전해액 내에서 대극(음극)과의 사이에 직류 전류를 흐르게 합니다. 이 공정에서 앞서 언급한 원리를 바탕으로 표면의 용해와 평활화가 진행됩니다. 연마 시간이나 전류 밀도, 액체 온도는 소재나 요구하는 표면 거칠기에 맞추어 조정이 필요합니다. 주 공정 후반에는 표면이 서서히 광택을 띠며 목표 평활도에 도달하면 통전을 정지합니다.
후 처리(세정·중화 공정)
연마 후 바로 세척, 중화하여 잔류산을 제거합니다. 우선은 유수나 침지로 충분히 씻어내고, 그 후, 소재에 따라 중화액(예를 들면 알칼리욕)에 담가 잔류산을 중화합니다. 특히 복잡한 형상의 부품에서는 틈새에 산이 남기 쉽기 때문에 중화와 세정을 신중하게 실시하여 액 흘림(시간차로 액이 스며 나오는 현상)이나 부식을 방지합니다.
마지막으로 순수 린스와 건조를 거쳐 공정 완료입니다. 필요에 따라 부동태화 처리(질산 등에 의한 재 패시베이션)를 추가하여 보다 안정적인 표면 상태로 완성할 수도 있습니다.
전해 연마의 장점
내식성·위생 성능 향상
전해 연마 후 금속 표면에는 높은 내식 성능을 갖는 균일한 산화 피막이 형성됩니다. 이 피막에 의해 녹이 잘 슬지 않는 표면이 되어, 상처가 나도 소재 속 성분에 의해 빠르게 피막이 재생됩니다. 또한 표면의 오염이나 미생물의 부착도 연마 시에 전해액 내에 용출·제거되기에 마감면이 매우 깨끗합니다.
기계 연마에서는 표면에 잔류하기 쉬운 미세한 버나 지립, 유분도 전해 연마하면 일소할 수 있습니다. 따라서 식품·의약품의 탱크나 배관 내부의 세정성 향상, 진공 장치 부품의 가스 방출 저감 등, 위생·청결성이 중시되는 용도에 적합합니다.
표면의 평활화와 광택 향상
미세 볼록 부분만을 제거하므로 버프 연마 이상의 경면과 평탄도를 얻을 수 있습니다. 그 결과 빛의 반사가 균일해져 아름다운 광택을 얻을 수 있습니다. 장치 부품의 내면을 경면 마감함으로써 유체의 흐름을 매끄럽게 하거나 제품의 외형을 향상시킬 수 있는 점도 설계상의 이점입니다.
미세 버의 제거 및 후 가공의 생략
절삭 후 남은 µm크기의 버나 변질층을 일괄 제거할 수 있고 추가 연마를 줄일 수 있습니다. 복잡한 형상의 부품으로도 손이 닿지 않는 틈에 남은 버나 부착물을 일괄 제거할 수 있습니다. 결과적으로 기존에는 연마 장인에 의한 손 마무리가 필요했던 공정을 생략할 수 있어 공정 단축·비용 절감으로 이어지는 경우도 있습니다.
전해 연마의 단점
치수 변화 위험
전해 연마에서는 금속 표면을 용해 제거하기에 부품 치수에 약간이나마 감소가 생깁니다. 보통은 µm크기 정도의 제거량이지만 정밀 치수가 요구되는 부분에서는 오차 요인이 되므로 주의가 필요합니다.
홀 직경이나 판 두께가 연마에 의해 허용 범위 밖으로 얇아지지 않도록 사전에 가공 여유를 예상하고 설계해야 합니다. 또한 모서리 부분은 전류가 집중되기 쉽고 많이 용해되기에 둥글거나 공차에서 벗어나지 않도록 연마 조건의 조정이 요구됩니다. 치수 정밀도 중시의 경우, 시험 가공에 의한 보정이나 마스킹(불필요부에 대한 전류 차단 처리) 등의 대책을 검토합니다.
높은 비용 설비 및 운영비
전용 전원, 내산조, 배기 중화 설비 등이 필요하며 초기 비용이 높습니다. 또한 전해액(강산이나 유기약품)의 보충·관리나 소모 전극의 교환·폐액 처리에도 러닝 코스트가 듭니다.
다른 표면 마감(예: 버프 연마)에 비해 설비의 전문성이 높고, 소규모 공장에서 내제하는 것은 장벽이 높을 것입니다. 따라서 외주 비용도 비교적 비싸지기 쉽고, 전해 연마의 적용 범위는 고부가가치 부품에 한정되는 경향이 있습니다.
정리
전해 연마는 경면과 높은 청정도를 양립할 수 있는 효과적인 선택지입니다. 다른 연마법에는 없는 장점(미세 연마 효과나 높은 청정도)을 가진 한편 설비, 비용 및 적용 대상 등에 제약도 있습니다. 본 기사에서 언급한 포인트를 바탕으로 설계자는 필요에 따라 전해 연마를 능숙하게 활용하면 좋을 것입니다.
