부품 설계의 현장에서 자주 듣는 「흑피재」는, 비용 절감이나 가공성에 있어서 장점을 숨기고 있습니다. 한편, 연마재와의 구분으로 고민하는 설계자도 적지 않을 것입니다. 이번 내용에서는, 흑피의 기본적인 지식으로부터, 장점·단점이나 구체적인 용도, 후처리에 빠뜨릴 수 없는 제거 방법까지 해설합니다.
흑피의 특성이나 연재와의 차이를 이해해, 코스트와 품질의 밸런스를 최적화하고 싶은 설계・개발 담당의 분은 끝까지 봐 주세요.
목차
흑피의 정의
흑피란 강재 표면에 형성되는 흑색 산화피막(흑녹)을 말합니다. 이 피막은 영어로는 밀스케일(mill scale)이라고도 불립니다.
흑피는 열간 압연이라는 제조 과정에서 생깁니다. 열간 압연이란 강재를 약 900~1200℃라는 매우 고온 상태로 만든 후 롤러로 압연하여 성형하는 가공법입니다. 고온의 강재가 압연 후에 공기 중에서 냉각될 때에, 공기 중의 산소와 반응해, 치밀한 산화 피막인 흑피(주성분은 사삼 산화철)가 생성됩니다.
한편 상온 부근에서 가공하는 냉간 압연에서는 흑피는 발생하지 않습니다. 흑피로 덮인 강재는 「흑피재」라고 불리며, 검은 외형과 약간 까칠까칠한 촉감이 특징입니다. 이 피막이 흑피재의 다양한 특성을 만들어내는 근원이 되고 있습니다.
흑피의 장점과 단점
여기에서는 흑피의 장점과 단점을 살펴 보겠습니다.
흑피의 장점
우선은 흑피의 장에 대해 해설합니다.
- 저렴한 비용
열간 압연만으로 제조되는 흑피재는 나중에 추가 가공이 필요하지 않기 때문에 생산 비용을 줄일 수 있습니다. 표면을 연마하는 연마재(냉간압연재)와 비교하여 가격이 싸고 소재 비용을 억제하고 싶은 경우나 대량으로 소재를 조달하는 경우에 유리합니다.
- 가용성과 크기가 풍부
흑피재는 시중 유통량이 많기 때문에 필요할 때 쉽게 구할 수 있다는 장점이 있습니다. 또한 H형강이나 후판과 같은 대형 구조용 강재의 대부분은 흑피 상태로 공급되는 것이 일반적입니다. 큰 부품이나 두께가 있는 재료가 필요한 설계에서는 흑피재가 첫 번째 또는 유일한 선택지가 되는 경우도 있습니다.
- 가공시 높은 인성
흑피 자체의 인성은 결코 높지 않지만, 열간 압연으로 제조되는 흑피재 자체의 인성은 높습니다. 고온에서 재결정하면서 성형되기 때문에 가공 경화가 적고 내부에 응력이 잘 쌓이지 않는 성질을 가지기 때문입니다. 절단이나 휨 가공 시 잘 깨지지 않으며 용접에 의한 왜곡도 비교적 억제할 수 있습니다.
- 가벼운 방청성
흑피재는 산화피막으로 덮여 있기 때문에 노출된 생철에 비하면 약간의 방청성이 있습니다. 통상적인 환경 하에서는 적녹의 발생을 어느 정도 늦추는 효과를 기대할 수 있지만, 핀홀이 있기 때문에 그 효과는 한정적입니다.
흑피의 단점
다음으로 흑피의 단점에 대해 설명합니다.
- 표면이 거칠고 미관에 적합
흑피의 표면은 흑색에서 흑회색으로, 균일한 광택은 없고 까칠까칠합니다. 제품의 외관 품질이 중시되는 화장 부품이나 커버 등에는 적합하지 않습니다. 도장이나 연마에 의한 추가 마감이 필요하지만, 흑피의 미세한 요철 때문에 평활하고 윤기있는 표면을 얻기 어렵습니다.
- 치수 정밀도가 낮음
흑피재 제조에 사용하는 열간 압연은 고온에서 가공하므로 냉각 시 수축 등으로 치수에 편차가 생깁니다. 판 두께나 폭의 공차가 크고 흑피 자체의 두께도 불균일하기 때문에 정밀한 치수나 평탄도가 요구되는 부품에 흑피재를 그대로 사용하면 공차 불량이나 조립시 불량의 원인이 될 수 있습니다.
- 도장·도금의 밀착 불량
흑피는 강재와의 밀착력이 약하고 표면에는 눈에 보이지 않는 미세한 구멍이 존재합니다. 이 위에서 직접 도장이나 도금을 해도 시간이 지남에 따라 층 아래에서 적녹이 발생하여 도막이 안쪽에서 부풀어 올라 벗겨질 수 있습니다. 방청을 목적으로 도장이나 도금 처리를 할 경우에는 전처리로서 흑피 제거가 거의 필수입니다.
- 가공시 박리
충격이나 휨 가공으로 쉽게 박리하고 스케일 조각이 비산되어 작업 환경을 오염시킵니다. 벗겨진 단단한 스케일 조각이 제품 자체나 금형에 손상을 주어 품질 저하 및 공구 수명을 단축시키는 원인이 됩니다.
흑피의 용도
흑피재가 사용되는 대표적인 용도를 이하에 정리합니다.
| 용도 분류 | 주요 용도 | 개요 |
| 대형 구조물·골조 | 건축용 H형강, 교량, 플랜트 배관, 산업 기계의 프레임 | 비용과 강도를 최우선으로 하는 분야.
흑피 첨부가 전제로 유통하고 있어 입수성이 우수하다. |
| 자동차 및 기계의 보관 케이 | 자동차 섀시, 건설 기계 외장, 후판 커버 | 양산성과 성형성을 확보하고 싶은 대형 판금 부품.
도장이 전제가 되어 흑피 제거가 필요한 경우가 많다. |
| 인테리어・가구(의장) | 철 다리, 난간, 선반 프레임, 인테리어 건축 자재 | 흑피 특유의 감촉을 디자인으로 활용.
실내 사용이 전제로, 방청성은 한정적. |
| 냉간 압연재의 소재 | SPCC 강판이나 미가키봉강의 모재 | 흑피재를 산세척하여 흑피를 제거한 것이, 연마재를 제조하기 위한 원이 되는 중간 소재. |
흑피를 제거하는 이유
흑피재는 비용 면에서 유리하지만 제조 공정이나 제품의 품질 요구를 충족시키기 위해 의도적으로 제거되는 경우가 있습니다. 여기서는 흑피를 제거하는 주된 이유에 대해서 알아보겠습니다.
도장·도금의 하지 처리를 위해
흑피는 강재와의 밀착성이 약하기 때문에, 남긴 채 도장이나 도금을 실시하면, 층간에서의 박리를 일으키는 원인이 됩니다. 또한 흑피의 표면에는 눈에 보이지 않는 미세한 구멍이 있어 침입한 수분이나 공기에 의해 흑피 아래에서 녹이 발생하여 도막이나 도금층을 안쪽에서 밀어올려 부풀려 버리는 것입니다.
방청 성능을 장기 유지하기 위해서는 흑피를 완전 제거하고 소지에 직접 처리하는 것이 필수적입니다.
용접 강도·품질 확보를 위해
용접은 부재끼리 녹여 일체화시키는 접합 방법입니다. 용접 부분에 흑피가 남아 있으면 용접 금속에 불순물이 혼입되는 원인이 되어 용접 시 가스를 발생시키고 내부에 결함을 발생시킵니다. 구조물의 안전성을 확보하기 위해서는 용접 예정 장소의 흑피를 그라인더 등으로 완전히 제거하고 원자재를 노출시켜야 합니다.
마감 정밀도 · 기능을 위해
흑피는 생성 시 조건에 따라 두께가 불균일하고 표면도 까칠까칠합니다. 정밀한 치수 공차가 요구되는 기계 부품에 흑피재를 사용하면 치수 불량의 원인이 될 수 있습니다. 또한 부품끼리 접촉하는 면이나 미끄러지는 면에 흑피가 존재하면 예기치 못한 덜컹거림이나 흑피의 단단한 입자에 의한 마모를 야기하여 기계의 정상적인 동작을 방해합니다. 씰면 등 기밀성이 요구되는 부분에서도 흑피의 요철이 밀착을 저해하므로 제거는 필수입니다.
도장 마감 · 외관 향상을 위해
흑피의 거친 표면에 도장해도 요철이 남아 까칠까칠한 보기 흉한 마무리가 됩니다. 매끄럽고 광택이 나는 아름다운 도장면을 얻기 위해서는 도장 전에 흑피를 제거하고 평활한 소지를 갖추어야 합니다. 의장성이 요구되는 부품에서는 블라스트 처리 등으로 소지를 조정한 후 도장하여 도막의 발색이나 광택을 균일하게 하여 제품 가치를 높입시다.
흑피 제거 방법과 도장
여기에서는, 대표적인 흑피의 제거 방법과, 도장에 있어서의 전처리의 중요성에 대해 해설합니다.
산세척에 의한 흑피 제거
산세척은 강재를 산성의 약액에 담가 흑피를 화학적으로 녹이는 방법입니다. 복잡한 형상에도 균일하게 처리할 수 있으며 표면이 매끄럽게 완성됩니다. 단, 처리 후에는 즉시 녹이 슬어 버리기 때문에, 사이를 두지 않고 방청유나 프라이머에 의한 신속한 후처리가 필수입니다. 전문 설비가 필요하기 때문에 일반적으로 전문 업체에 의뢰합니다.
숏 블라스트에 의한 흑피 제거
숏 블라스트는 강철 알갱이 등을 고속으로 불어 물리적인 충격으로 검은 껍질을 벗겨내는 방법입니다. 표면에 미세한 요철이 형성되어 도료의 흡수를 좋게 하는 앵커 효과를 낳습니다. 도장의 밀착성이 현격히 향상되므로 가혹한 환경에서 사용되는 구조물에 매우 적합합니다. 처리 후에는 신속한 밑칠 도장이 요구됩니다.
그라인더·연마에 의한 흑피 제거
그라인더로 흑피를 깎아내는 수작업으로 국소적인 제거 방법입니다. 용접 부분이나 소량품 처리에 효과적이며 설비가 불필요한 점이 장점입니다. 마무리는 작업자의 기량에 좌우되며, 너무 깎으면 원자재를 손상시키기 때문에 주의해야 합니다. 제거 후에는 소지가 노출되므로 당일 중 방청 처리가 원칙입니다. 광범위한 처리에는 적합하지 않습니다.
도장 전처리로서의 흑피 제거
도장의 품질과 내구성은 전 공정인 흑피 제거에서 결정됩니다. 흑피를 남긴 상태에서는 밀착성이 낮아 도막이 벗겨지거나 막하 부식의 근본 원인이 됩니다. 장기적인 성능을 확보하기 위해 도장 전에는 흑피를 완전히 제거하여 청정한 금속 소지를 노출시켜야 합니다. 이것을 「소지 조정」이라고 부르며 중요한 공정 중 하나입니다.
흑피와 연마재의 비교
압연 강재의 정의
흑피와 자주 비교되는 강재로서, 연마재가 있습니다. 흑피재와 연마재는 모두 압연 강재의 일종입니다.
공업적으로 사용되는 철계 재료 중 합금강이 아닌 한편 포함된 탄소량이 약 0.02%~2.14%인 것을 강철이라고 부릅니다. 이 강철로 만들어진 재료가 강재라고 불리며, 강재 안에는 기계의 재료나 구조물의 재료로 매우 자주 사용되는 SC재나 SS재 등이 포함되어 있습니다.
강재 중 압연 가공에 의해 판과 봉 등의 형태로 성형된 재료를 압연 강재라고 합니다. 또한 압연에는 열간 압연과 냉간 압연의 2 종류가 있습니다.
흑피나 연마재는 압연 가공된 강재의 종류를 나타내는 말입니다. 열간 압연된 강재가 흑피재라고 불리며, 냉간 압연된 강재는 연마재라고 합니다. 흑피는 밀스케일이라고도 불립니다.
연마재(냉간 압연 강재)의 특징
냉간 압연이란 실온이나 상온에서 금속을 압연하는 가공을 말합니다. 가공에 의해 발생하는 열도 있기 때문에 약 600℃ 이하에서 가공하는 것이 기준입니다. 일반적으로 냉간압연재는 열간압연강재의 흑피를 제거한 후 냉간압연가공을 실시하여 만듭니다.
냉간압연재는 흑피재와는 달리 소위 연마된 철색인 백은색의 매끄러운 표면을 가지고 있습니다. 그래서 연마재라고 불립니다. 연마재 중 특히 판 모양을 한 것을 SPCC(냉간 압연 강판)라고 합니다.
흑피재와 연마재의 차이
흑피재와 연마재는 제조 방법 및 표면 상태 등에 차이가 있습니다. 흑피재는 열간 압연으로 만들어져 비용과 인성이 뛰어나 건축 구조나 대형 기계 프레임 등 강도 중시 부재에 널리 이용되는 재료입니다. 한편, 연마재(냉간 압연재)는 냉간 압연으로 만들어져 치수 정밀도 및 표면 품질이 뛰어나 외관 부품이나 정밀 가공품에 적합합니다. 구체적인 흑피재와 연마재의 차이는 다음과 같습니다.
| 품목 | 흑피재(열간 압연 강재) | 연마재(냉간 압연 강재) |
| 표면 상태 | 검은 녹 피막으로 덮여 검고 까칠까함 | 은백색으로 매끄럽고 광택 있음 |
| 치수 정밀도 | 상대적으로 거친 | 고정밀 |
| 기계적 성질 | 인성·연성이 높고 끈기 | 강도는 높지만 딱딱하고 깨지기 쉬운 경향 |
| 내식성 | 일시적인 방청성은 있지만 불충분 | 코팅이 없고 매우 녹기 쉽습니다. |
| 가공 적성 | 가공하기 쉽지만, 후처리(흑피 제거)가 필요한 경우가 많다 | 절삭하기 쉽고, 도장·용접에도 그대로 사용할 수 있다 |
| 비용·납기 | 저렴하지만 전처리와 번거로움이 늘어날 수 있습니다. | 비싸지 만 가공 생략으로 총 비용이 낮을 수도 있습니다. |
| 주요 용도 | 건축 부재, 프레임, 기계 구조재 | 정밀 부품, 커버류, 도장·도금품 |
정리
이번 내용에서는, 강재의 「흑피」에 대해 자세하게 해설했습니다. 흑피란 강재 표면에 형성되는 흑색 산화피막(흑녹)을 의미하며, 특히 열간압연이라는 제조과정에서 생깁니다. 저비용·입수성과 사이즈가 풍부·가공시의 높은 인성·경도의 방청성이라고 하는 장점을 가져, 일명 「밀 스케일」이라고도 불립니다.
흑피로 덮인 강재는 「흑피재」라고 불리며 대형 구조물·골조, 자동차·기계 보관 케이스, 인테리어·가구(의장) 등의 용도로 폭넓게 사용되고 있는 재료입니다. 또, 흑피재와 자주 비교되는 연마재와의 차이에 대해서도 해설했습니다. 흑피재는 비용과 입수의 용이성이 우수한 재료이며, 연마재는 외관 품질과 치수 정밀도가 우수한 재료입니다.
설계·개발 담당자는 특성을 이해하고, 제품의 요구 사양에 따라 정확하게 구분하여 사용해 주십시오. 흑피재를 사용한다면 흑피 제거가 필요한 경우가 있다는 점도 잊지 맙시다. 보다 최적의 비용과 품질의 균형을 실현하기 위해, 이번 내용을 꼭 활용해 주세요.
