국립산림과학원 임산공학부 목재가공과, 경북대학교 임산공학과
Abrasion Resistance and Surface Hardness of Gold Plated Carbonized Board
Sung-Wook Hwang
1, Sang-Bum Park
†,1, Won-Hee Lee
21Division of Wood Processing, Department of Forest Products, Korea Forest Research Institute, Seoul 130-712, Korea
2Department of Wood Science & Technology, College of Agriculture & Life Science, Kyungpook National University, Daegu 702-701, Korea
Abstract: This research was performed to evaluate surface performance of gold plated carbon- ized board. After the carbonization at 850°C, volume, weight, and density decreased by 65.25%, 71.35% and 17.64%, respectively. Abrasion resistance and surface hardness of non-carbonized board exhibited the highest values of 0.093 g/100 revolution and 26.43 N/mm2, respectively.
Gold plated carbonized board showed intermediate values, 0.587 g/100 revolution of abrasion resistance and 24.35 N/mm2 of surface hardness. Carbonized board showed the lowest values, 0.863 g of abrasion resistance and 21.50 N/mm2 of surface hardness. These results were thought to reflect propertional relationship between abrasion resistance and surface hardness.
Abrasion resistance and surface hardness of carbonized board appeared able to be improved by surface treatment such as plating.
Keywords: carbonized board, abrasion resistance, hardness
1. 서 론
1
목탄은 사용되는 원재료에 따라 제조과정에서 온도 및 함수율의 영향을 받으며, 제조자의 기술 숙련도에 따라 물성의 변이가 많아 제조 후 틀어 짐과 균열 등이 발생하기 때문에 사용범위가 한정 되어 있다(오 등 2011). 이러한 결점을 억제하기 위한 방법으로 우드세라믹을 제조와 용도개발에 관한 연구가 진행되고 있다(오 등 2011; Hirose et al. 2001a, 2001b; Okabe et al. 1996a, 1996b).
한편, 박 등(2009)은 중밀도섬유판(MDF)을 이
2012년 9월 14일 접수; 2012년 10월 4일 수정; 2012년 10월 16일 게재확정
†교신저자 : 박 상 범 ([email protected])
용한 탄화보드의 제조에 있어 압체 탄화를 실시하 여 무할렬 탄화보드를 개발하였다. 다공성 재료인 탄화보드는 뛰어난 흡착력으로 유해성 물질에 대 한 탈취력과 전자파 차폐력이 뛰어날 뿐만 아니라, 난연성, 원적외선방사, 공기정화 기능 및 음이온 발산효과 등의 효능을 가진 무공해 친환경 재료이다 (국립산림과학원 2012). 또한 박 등(2010)은 수작 업에 의한 서각기법과 무할렬 탄화기법의 융합에 의한 탄화보드 서각작품을 제작하여 탄화보드의 예술영역을 개척하였다. 그러나 탄화보드 고유의 검정 색상은 다채로운 느낌을 표현하고자 하는 건 축용 내장재로 이용함에 있어 큰 제약 사항이 되 고 있는 것은 틀림없는 사실이다.
도금은 물건의 표면 상태를 개선할 목적으로 다
Fig. 1. Sample size of board (MDF) for carbonization.
Fig. 2. Photographs of carbonized (left) and gold plat- ed carbonized board (right).
른 물질의 얇은 층으로 피복하는 것을 의미한다.
도금을 통해 원재료의 내식성 부족을 보완할 수 있으며, 표면의 마모성 향상, 미화, 평활도 및 반사 율 개선 등의 효과를 기대할 수 있다(한국도금공업 협동조합 2012). 일반적으로 도금은 전기도금을 의미하지만, 목재와 같은 부도체의 도금은 화학도 금액을 이용한 화학도금이 실시된다. 화학도금은 화학반응에 의해서 전기도금과 같은 도금을 하는 방법으로 전기도금과는 달리 도금면이 비다공성이 며, 요철부에 관계없이 균등한 살두께를 입힐 수 있는 것이 특징이다(성 2000).
따라서 본 연구에서는 탄화보드의 내장재 및 숯 침대 바닥재 등의 이용을 위한 용도개발 및 부가 가치 향상을 위한 연구의 일환으로 표면 도금처리 한 탄화보드의 내마모성 및 표면경도를 조사하여 미탄화보드, 탄화보드와 비교ㆍ검토하였다.
2. 재료 및 방법 2.1. 공시재료
본 연구에서는 Fig. 1에서와 같이 두께 30 mm 의 MDF (밀도 0.67 g/cm3)를 300 mm (W, 폭)
× 600 mm (L, 길이)으로 재단하여 850°C에서 탄화
하였다(박 등, 2010). 탄화된 보드(밀도 0.56 g/cm2) 를 100 mm (L) × 100 mm (W) × 18 mm (T)로 재단하여 미탄화보드, 도금처리 탄화보드와 함께 내마모성 및 표면경도 시험에 사용하였다.
2.2. 표면 도금처리
탄화보드의 도금처리는 은액을 이용한 목각상 도색방법(방 2012)에 따라 다음과 같은 순서로 실 시하였다. ① 탄화보드의 표면을 #1000 이상의 사 포로 매끄럽게 가공하는 소지소정 단계 ② 탄화보 드를 30～35°C의 온도에서 2～3시간 동안 가열하 여 건조하는 열처리 단계 ③ 탄화보드의 표면에 투명 우레탄 도료를 균일하게 도장한 후 40～45°C 의 온도에서 3～4시간 동안 건조하여 경화시키는 하도도장 단계 ④ 탄화보드의 표면에 중도용 투명 우레탄 도료를 균일하게 도장한 후 55～60°C의 온 도에서 3～4시간 동안 건조하여 경화시키는 중도 도장 단계 ⑤ 탄화보드의 표면에 은을 중화제에 녹여 만든 질산은 수용액인 은액을 분무 방식으로 균일하게 도장(두께 0.3 µm)한 후 40～45°C의 온 도에서 1～2시간 동안 건조하여 고착시키는 은액 도장 단계 ⑥ 탄화보드의 표면에 금색 안료를 혼 합한 유색도료를 균일하게 도장한 후 55～60°C의 온도에서 3～4시간 동안 건조하여 경화시키는 상 도도장 단계 ⑦ 탄화보드의 표면에 투명 우레탄 도료를 균일하게 도장한 후 40～45°C의 온도에서 1～2시간 동안 건조하여 경화시켜 도장을 마무리 하는 2차 상도도장 단계를 거쳐 도금 처리를 완료 하였다. Fig. 2에 도금 처리 전후의 탄화보드의 모 습을 사진으로 나타내었다.
4 472 221 17.9 1,029 1,863 0.55
5 474 220 17.7 1,025 1,842 0.56
6 472 225 18.0 1,014 1,905 0.53
7 467 220 17.8 1,022 1,825 0.56
8 472 230 18.0 1,090 1,946 0.56
Average 471
*(±2.85)
224 (±5.21)
17.8 (±0.18)
1,037 (±28.26)
1,876 (±45.19)
0.55 (±0.01)
* Standard deviation.
2.3. 내마모성 시험
내마모성 시험은 KS F 3111 (한국표준협회 2008) 의 내마모성 시험을 차용하여 실시하였다. 마모시 험기(TABER 5130)의 양 마모륜에 연마지(S-42, Tabel Industries)와 무게 500 g 추 2개를 각각 부 착하여, 500회 회전 단위 간격으로 마모 감량을 측 정하였으며, 총 2,000회전까지 처리하여 100회전 당 중량손실량을 측정하였다.
2.4. 표면경도 시험
표면경도는 만능강도시험기(Hounsfield Test Equipment LTD, H50K-S)를 이용하여 KS F 2212 (한국표준협회 2004)에 따라 0.5 mm/min의 하중 속도로 브리넬경도를 측정하였다. 직경 10 mm인 쇠구슬의 압입깊이 h (mm)가 1/π ≑ 0.32 mm일 때의 P(N)를 측정하였으며, 총 9회 반복 측정하였 다. 브리넬 경도 HB를 구하는 식은 다음과 같다.
여기에서, D : 쇠구슬의 직경(10 mm) h : 쇠구슬의 압입깊이(0.32 mm) P : 하중(N)
3. 결과 및 고찰
3.1. 탄화에 따른 물성변화
Table 1에 300 mm (W, 폭) × 600 mm (L, 길이)
× 30 mm (T, 두께)의 MDF (밀도 0.67 g/cm3)를 850°C에서 탄화할 경우, 탄화된 보드의 치수를 나 타내었다. 탄화과정을 통해 평균적으로 길이는 21.5%, 폭은 25.5%, 두께는 40.6% 감소하였고, 중량은 71.4%, 부피는 65.3%, 밀도는 17.6% 감소하였다.
이는 다양한 두께와 밀도를 가진 MDF를 이용한 탄화보드 제조 시험(박 등 2009)과 유사한 결과를 나타내었다.
3.2. 내마모성
Fig. 3에 내마모성 시험 결과를 나타내었다. 목 재는 이용과정에서 여러 가지 형태의 마찰을 받게 되며, 이러한 마찰이 계속적으로 반복되면 목재 표 면은 마모가 일어난다. 일반적으로 목재의 마모저 항은 비중에 비례하며, 세포벽의 양(실질률)이나 세포벽 두께와 비례적인 관계를 나타낸다. 또한 목 재 표면의 경도 및 전단강도 등이 증가할수록 마 모저항이 증가하여 마모량이 감소하는 경향을 나 타낸다(강 등 2008). 탄화보드의 경우 100회전 당 0.863 g의 중량감소를 나타내었으며, 도금처리 탄 화보드는 100회전 당 0.587 g의 중량감소를 나타 내어 탄화보드보다 우수한 내마모성을 나타내었다.
Fig. 3. Weight decrease of board (MDF) by abrasion test.
F-value 3.40 (p < 0.01)
Fig. 4. Surface hardness of board (MDF) by Brinell test.
도금처리 탄화보드의 경우 표면 도금층에서는 비 교적 높은 내마모성을 나타내었으나, 500회전 이 후 표면 도금층이 모두 마모된 이후에는 중량감소 량이 크게 증가하였다. 미탄화보드의 경우 2,000 회전 이후 중량감소량이 약 1.9 g, 100회전 당 0.093 g으로 가장 우수한 내마모성을 나타내었다.
내마모성 시험결과, 탄화보드의 표면 도금처리를 통해 내마모성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 탄화보드의 마모성을 연구한 김과 박(2010) 의 연구에 의하면 탄화보드 제조 시 밀도가 높은 얇은 무늬목을 부착하거나, 탄화보드 제조 후 표면 에 세라믹 코팅을 함으로써 탄화보드의 마모성을 개선할 수 있다고 보고하였다.
3.3. 표면경도
Fig. 4에 표면경도 시험 결과를 나타내었다. 두 개의 목재를 접촉시켜 압박하거나 또는 금속을 이 용하여 목재를 압박할 때에 압력이 커지면 접촉면 에는 변형이 생기는데, 이와 같이 변형을 일으키게 하는 힘에 대한 목재의 저항력을 경도라고 한다.
미탄화보드의 표면경도가 26.43 N/mm2으로 가장 높은 값을 나타내었으며, 탄화보드가 21.50 N/mm2 로 가장 낮은 표면경도 값을 나타내었다. 도금처리 탄화보드의 경우 24.35 N/mm2로 나타나 표면 코 팅처리로 인해 경도가 상승되는 것을 확인할 수 있었다.
표면경도 시험을 통해 표면경도와 내마모성이 비례적인 관계를 가진다는 것을 다시 확인할 수 있었다. 표면경도와 내마모성을 결정하는 가장 중
요한 지표는 비중이다. 본 연구에서 미탄화보드와 탄화보드의 표면경도 차는 탄화과정에서 발생한 비중의 손실이 가장 큰 원인이다. 따라서 탄화보드 의 표면경도를 향상시키기 위해서는 탄화과정에서 비중의 손실을 최소화 하는 방법을 강구할 필요가 있다. 그리고 본 연구에서와 같이 도금처리 및 코팅 등의 표면처리를 통해 표면 내구성을 향상시 킬 수 있다고 판단된다.
4. 결 론
표면 도금처리한 탄화보드의 내마모성 및 표면 경도 조사 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
내마모성과 표면경도 모두 미탄화보드, 도금처리 탄화보드, 탄화보드 순으로 높게 나타났다. 따라서 내마모성과 표면경도는 비례적인 관계를 가진다는 것을 확인할 수 있었으 며, 표면 도금처리를 통한 탄화보드의 내마모성과 표면경도 향상을 확인할 수 있었다. 추후 일련의 연구에서는 도금처리 탄화 보드 표면의 색상 안정성, 즉 도금층의 내광성 및 내열성을 조사하고자 한다.
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