KR100213470B1 - 알루미늄과 그 합금의 표면처리 조성물 및 그 처리방법 - Google Patents

알루미늄과 그 합금의 표면처리 조성물 및 그 처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알루미늄과 그 합금의 표면처리 조성물과 그 처리방법에 관한 것으로, 표면처리 조성물은 물 1000중량부에 설폰산 이온(SO2)을 가진 무기산/염, 질산 이온(NO3)을 가진 무기산/염, 불소 이온(F)을 가진 무기산/염, 아민 이온을 가진 무기염, 인산 이온(PO)을 가진 무기산/염, 암모늄 이온(NH)을 가진 무기산/염, 염소 이온(C1)을 가진 무기산/염에서 선택된 적어도 4종 이상의 무기산/염 50~700중량부; 및, 비이온/음이온 계면활성제 0.1~100중량부를 포함하여 이루어지며, 추가로 2가 또는 3가의 금속이온과 과산화물을 포함하여 조성되는 1액형 조성물로, 표면처리 하고자 하는 알루미늄 소지를 기존의 탈지, 에칭, 중화, 연마 등의 공정을 거치지 않고 한 번의 침적으로 처리할 수 있다.

Description

알루미늄과 그 합금의 표면처리 조성물 및 그 처리방법
본 발명은 알루미늄과 그 합금의 표면처리 조성물 및 그 처리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 알루미늄과 합금을 가공한 후 표면의 각종 오일과 산화스케일을 제거함과 동시에 광택을 부여할 수 있는 1액형 조성물과 이를 이용한 알루미늄과 그 합금의 표면 처리방법에 관한 것이다.
일반적으로 알루미늄 및 그 합금은 대기중에서 쉽게 산화되며, 이 소지를 가공 열처리하면 소지의 표면에 각종 오일 및 산화스케일이 단단하게 부착되는 현상이 발생한다. 따라서 알루미늄 제품의 가공 후에는 제품 표면의 각종 오일과 산화스케일을 제거해야 한다.
종래에는 알루미늄 표면의 각종 오일 및 산화스케일을 탈지, 에칭, 중화, 화학연마의 공정순으로 된 방법에 의해 제거하였는 바, 이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저 알루미늄 소지의 표면상에 부착되어 있는 각종 유지분을 제거하기 위한 탈지 공정으로, 알루미늄 소지를 알카리 용액에 침적하여 알루미늄 소지상의 오일과 알카리 용액을 반응시킨 후 꺼내어 수세한다. 이때에 다량의 수소가스와 폐액이 발생된다.
다음 알루미늄 소지의 압출 및 가공 공정에서 생기는 다이스라인과의 긁힘 및 탈지 공정에서 제거되지 못한 오염물질과 자연산화 피막층을 제거하는 에칭 공정으로, 가성소다 용액에 알루미늄 소지를 다시 침적하여 소지 표면을 부식시킨 다음 수세한다. 이때에 알루미늄 소지의 과도한 부식(침식,식각)이 이루어지기 쉬우며 소지의 표면에 에칭스머트(환원성 염,미용해 성분)가 발생함과 동시에 다량의 수소가스가 발생하게 된다.
다음 상기 에칭 공정에서 발생된 에칭스머트와 가성소다에 용해되지 않는 실리카(Si), 마그네슘(Mg), 철(Fe) 등을 제거하기 위한 중화 공정으로, 알무미늄 소지를 질산수용액에 침적하여 중화시킨 후 수세한다. 이때에는 다량의 질산가스(NOx)가 발생하게 된다.
일반적인 알루미늄 소지는 상기 중화 공정까지 처리한 후 전해피막을 형성하지만, 열처리된 제품의 경우에는 표면 조도를 균일하게 하고 광택을 부여하기 위하여 화학연마 공정을 더 진행하게 된다. 화학연마 공정에서는 질산과 인산의 혼산욕으로 구성된 조(Bath)에서 알루미늄 소지를 고온으로 처리한다. 이 공정에서는 과량의 질산가스(NOx)가 발생되며, 고온이 요구되기 때문에 설비 투자와 비용이 많이 소요된다.
이와 같이 종래의 방법은 알루미늄과 그 합금의 표면 처리시 다량의 환경오염 물질을 발생할 뿐만 아니라 특히, 화학 연마 공정을 필요로 하는 경우에는 설비비의 투자에 의해 후처리 비용이 많이 발생하는 등 많은 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 종래 기술에서 나타나는 제반 문제점 즉, 생산성, 작업성, 환경 문제를 극복하기 위한 것으로, 그 목적은 알루미늄 소지에 남아 있는 각종 오일과 산화스케일 등을 침적에 의해 제거할 수 있는 즉, 기존의 탈지, 에칭, 중화 및 화학 연마 공정을 한 공정으로 단축할 수 있는 알루미늄과 그 합금의 표면처리 조성물을 제공하는 데에 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은 상기 조성물을 사용하여 과량의 폐수 및 유해가스의 발생을 억제하고 작업자와 환경을 보호하며, 아울러 소규모 시설 및 좁은 공간에서도 생산성의 향상을 가져올 수 있는 알루미늄과 그 합금의 표면 처리방법을제공하는 데에 있다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 알루미늄과 그 합금의 표면처리 조성물은, 물 1000중량부에 설폰산 이온(SO2)을 가진 무기산/염, 질산 이온(NO3)을 가진 무기산/염, 불소 이온(F)을 가진 무기산/염, 아민 이온을 가진 무기염, 인산 이온(PO)을 가진 무기산/염, 암모늄 이온(NH)을 가진 무기산/염, 염소 이온(C1)을 가진 무기산/염에서 선택된 적어도 4종 이상의 무기산/염 50~700중량부; 및, 비이온/음이온 계면활성제 0.1~100중량부를 포함하여 이루어지며, 추가로 2가 또는 3가의 금속이온을 1~105ppm 함유토록 조성될 수도 있고, 과산화물을 더 용해시켜 조성할 수도 있다.
예를 들면, 알루미늄과 그 합금의 표면처리 조성물(A)은 물과 설폰산 이온을 가진 무기산/염 0.1~500g/ℓ, 질산 이온을 가진 무기염 1~50g/ℓ, 불소 이온을 가진 무기산/염 0.2~100g/ℓ, 암모늄 이온을 가진 무기산/염 0.1~50g/ℓ, 비이온 또는 음이온 계면활성제 0.1~100g/ℓ 및 2가 또는 3가의 금속이온을 1~105ppm의 농도로 용해시켜 조성된다.
또한, 알루미늄과 그 합금의 표면처리 조성물(B)은 물과 설폰산 이온을 가진 무기산/염 0.1~500g/ℓ, 인산 이온을 가진 무기산/염 0.1~25g/ℓ, 질산 이온을 가진 무기염 1~50g/ℓ, 불소 이온을 가진 무기산/염 0.1~50g/ℓ. 암모늄 이온을 가진 무기산/염 0.1~10g/ℓ, 비이온 또는 음이온 계면활성제 0.1~100g/ℓ 및 2가 또는 3가의 금속이온 1~105ppm을 포함하여 조성된다.
그리고, 알루미늄과 그 합금의 표면처리 조성물(C)은, 염소 이온을 가진 무기산/염 1~200g/ℓ, 인산 이온을 가진 무기산/염 0.1~50g/ℓ, 질산 이온을 가진 무기염 1~50g/ℓ, 불소 이온을 가진 무기산/염 0.1~100g/ℓ, 암모늄 이온을 가진 무기산/염 0.1~50g/ℓ, 비이온 또는 음이온 계면활성제 0.1~100g/ℓ 및 2가 또는 3가의 금속이온 0.1~105ppm을 포함하여 조성된다.
또한 상기 조성물 B와 C에 있어서 암모늄 이온을 가진 무기산/염 대신에 아민 이온을 가진 무기염을 사용하여 조성하여도 그 효과는 동일하다.
상기에서 조성물 A는 탈지, 에칭 공정을 수행할 수 있는 것으로, 스머트 없는 균일한 표면을 얻을 수 있을 뿐 아니라 가스의 발생이 현저하게 줄어들고, 조성물 B와 조성물 C는 10~80℃에서 처리하면 단일공정으로 탈지, 에칭, 중화 및 연마공정을 한 번(단일처리욕)에 이룰 수 있는 것으로, 가스 발생이 거의 없다.
또한 상기 조성물을 이용한 알루미늄과 그 합금의 표면 처리방법은, 상기에서 설명한 본 발명에 따른 알루미늄 및 그 합금의 표면처리 조성물을 물에 약 20% 용해한 후 알루미늄 소지를 10분 정도 침적하는 1단계; 상기 1단계를 거친 알루미늄 소지를 수세하는 2단계; 수세한 알루미늄 소지를 98% 황산을 170g/ℓ로 조성 후 130AMP/m2으로 15분 정도 상온에서 처리하여 알루미늄 소지 표면에 전해 피막을 형성하는 3단계를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 있어서, 상기 설폰산 이온을 가진 무기산/염으로는 H2SO4, Na2SO4, NH2SO2OH, H4Ce(SO4)4, 질산 이온을 가진 무기산/염으로는 HNO3, Na2NO4, KNO3, NH4NO3, 불소 이온을 가진 무기산/염으로는 HF, NaF, NH4HF2, NH4PF6, CHOONH, 아민이온을 가진 무기염으로는 HN(CH2CH2OH)2, C6H12N4, C6H16N2,인산 이온을 가진 무기산/염으로는 H3PO4,(NH4)2HPO4, K3PO4, Na2HPO4, 암모늄 이온을 가진 무기산/염으로는 NH4Cl, (NH4)2SO4, (NH4)2NC6H5O7, CHOONH, 염소 이온을 가진 무기산/염으로는 HCl, HClO4, NH4Cl2등이 사용될 수 있다.
그 외에도 2가 또는 3가의 금속이온으로는 Fe, Ni, Cu, Ce, ZN 등의 이온을 사용 가능하다.
본 발명에 있어서 설폰산 이온(SO3)을 가진 무기산/염은 실제로 알루미늄과의 반응성은 극히 적으나, 전체 조성 용액의 화학적 포텐셜을 높여주기 위하여 사용되며, 물 1000 중량부에서 1~500 중량부를 사용할 수 있다. 만일, 그 함량이 1 중량부 미만이면 용액에 미치는 화학적 포텐셜이 작아 타 성분의 작용을 도와주는 역할이 미미하며, 500 중량부 초과면 과도한 작용으로 인하여 용액의 수명 및 알루미늄의 광택연마 작용을 저해한다. 이와같은 점을 고려하여 볼 때 가장 바람직한 함량 범위는 100~350 중량부이다.
그리고, 질산이온(NO3)을 가진 무기산/염의 사용범위는 1~50 중량부로 1중량부 미만에서는 스머트의 흡착 방지작용이 미미하며 50 중량부 초과면 타 성분의 용해를 저해할 우려가 있다. 바람직하게는 2~15 중량부 되도록 첨가하는 것이다.
한편, 불소이온을 가진 무기산/염은 알루미늄 소지 표면을 활성화하는 데 사용되며 불소화합물이 가지는 높은 산화력으로 인하여 알루미늄 표면에 에칭기능을 제공하면 그 함량 범위는 0.1~100 중량부, 바람직하게는 10~50 중량부이다. 그 함량이 50 중량부 초과면 과도한 산화작용으로 알루미늄 모재 표면의 손상 작용을 한다.
인산(PO) 이온을 가진 무기산/염은 화학적 포텐셜을 조절하는 기능을 하며, 그 함량 범위는 1~100 중량부로서, 만일 그 함량이 1 중량부 미만이면 작용이 미미하며, 100 중량부 초과면 조성액의 산화력을 현저히 떨어뜨린다. 바람직하게는 1~10 중량부로 첨가되는 것이다.
아민 이온을 가진 무기염은 알루미늄 소지 표면의 환원되어지는 타 금속 성분의 표면흡착을 억제하는 기능을 하는 것으로서, 그 사용범위는 1×10-3~10 중량부로 10-3중량부 미만이면 효율적인 기능이 없으며, 10 중량부 초과면 용액의 산화력을 감소시킨다. 바람직하게는 1×10-3~3 중량부이다.
임모늄 이온을 가진 무기염은 조성되는 용액의 높은 산화력이 소재에 미치는 급격한 산화작용을 억제하는 기능을 하는 것으로서, 그 함량은 0.1~5 중량부이다. 만일, 그 함량이 0.1 중량부 미만이면 타 성분에 쉽게 흡착되며 선호되는 범위는 5~15 중량부이다.
염소이온을 가진 무기산/염은 소재 표면의 활성도를 높이고 침투력을 강화하는 작용을 하는 것으로서, 그 함량은 1~200 중량부, 바람직하게는 1~50 중량부이다. 만일, 그 함량이 1 중량부 미만이면 침투력을 제공하는 기능이 작고 200 중량부 초과면 가스 및 모재 손상이 발생되기 쉽다.
그리고, 비이온/음이온 계면활성제는 용액의 표면장력 저하기능 및 소지 표면의 오일제거 기능을 하는 것으로서, 그 함량은 0.1~100 중량부, 바람직하게는 2~20 중량부이다. 만일, 그 함량이 0.1 중량부 미만이면 작용이 미미하며 100 중량부 초과면 과도한 거품 발생으로 사용이 곤란하다.
한편, 2가 또는 3가의 금속이온은 금속 산화층의 용해전위를 낮추는 작용 및 표면 광택효과를 주기 위하여 사용되며 그 사용범위는 1~105ppm, 바람직하게는 102~103ppm이다. 만일, 그 함량이 1 ppm 미만이면 계의 용해전위를 낮출 수 없고, 105ppm 이내에서도 그 작용이 우수하며 그 이상 다량 투여되어도 조성물에 작용하는 기능은 동일하다.
이하, 본 발명을 실시예를 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 이러한 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로 특허청구범위를 한정하는 것은 아니다.
[조성물의 제조]
[제조예 1]
물 1ℓ에 H2SO4100g, HNO350g, HF 30g, H3PO420g, NH4Cl 5g, NH(CH2CH2OH)25g, 계면활성제 3g 및 금속이온을 50ppm이 되도록 첨가 혼합하여 알루미늄과 그 합금의 표면처리 조성물(A-1)을 제조하였다.
[제조예 2]
물 1ℓ에 H2SO450g, H3PO450g, HNO310g, HF 20g, NH4Cl 5g, 비이온 계면활성제 3g을 첨가하고, 금속이온을 10ppm의 농도로 첨가 혼합하여 알루미늄과 그 합금의 표면처리 조성물(A-2)을 제조하였다.
[제조예 3]
물 1ℓ에 HCl 50g, K3PO450g, NaNO310g, HF 10g, NH4Cl 3g, 계면활성제1g 및 금속이온을 50ppm이 농도로 첨가 혼합하여 알루미늄과 그 합금의 표면처리 조성물(A-3)을 제조하였다.
종래 방법과 본 발명에 의한 방법을 사용하여 시편로서 알루미늄 소재인 듀랄루민의 표면 처리를 실시하였다. 시료로는 압연된 알루미늄(AL-2024), 5×5cm, 10개를 사용하여 종래 방법으로 시편 5개를 처리하고 본 발명에 따른 방법으로 시편 5개를 처리하였다.
[실시예 1]
물에 상기에서 제조한 조성물 A-1을 20%로 용해하여 시편을 10분 침적한 후 꺼내어 깨끗한 물에 다시 침적한 다음 꺼내어 98% 황산을 170g/ℓ로 조성하여 130AMP/㎡로 15분 동안 상온에서 전해 처리하였다. 이 방법에 의해 시편 5개를 순서대로 처리하였으며, 두께 6㎛의 균일하고 광택있는 산화피막이 형성되었음이 확인되었다.
[비교예 1]
NaOH 10%의 수용액을 온도를 60℃로 가온한 다음, 5분 동안 시편을 침적한 후 꺼내고, 다시 깨끗한 물에다 침적한 후 꺼냈다. 다음 가성소다 20% 용액을 60℃로 가온한 다음 3분 동안 상기 시편을 침적한 후 깨끗한 물에 수세하였다. 다음 68% 질산을 70g/ℓ 액으로 조성한 후 상온에서 3분 동안 침적하고 다시 수세한 다음, 인산 90부피%와 질산 10부피%를 섞은후 90℃에서 30초간 상기 시편을 침적한 후 수세하고, 또 98%황산을 170g/ℓ로 조성후 130AMP/m로 15분 상온에서 전해 처리하였다.
이 방법으로 시편45개를 순서대로 처리하였더니 두께 6㎛의 균일하고 광택있는 산화피막이 형성되었다.
이상의 실시예 및 비교예를 검토해 보면, 종래의 방법으로 처리된 시편과 본 발명의 방법으로 처리된 시편의 산화피막을 조사한 결과 양쪽 모두 균일한 피막이 형성되었음을 알 수 있다. 즉 탈지, 에칭, 중화, 화학연마의 기존 처리방법을 사용하지 않고 본 발명의 단일 조성액 처리만으로도 알루미늄의 후처리 목적이 달성되었음을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 알루미늄 및 그 합금의 표면처리법은 단일 욕조에서 1액형 조성물에 알루미늄 소지를 침적함에 의해 소지 가공시 발생하는 산화스케일 및 남아있는 각종 오일을 제거할 수 있게 하였는 바, 종래 방법의 문제점인 막대한 양의 폐수 및 가스의 발생, 이에 따른 시설 유지를 위한 비용 및 긴 작업공정으로 인한 고가의 생산비용, 열악한 작업환경에 따른 각종 부대비용과 제품손실 등을 줄일 수 있는 장점이 있는 것이다.

Claims (8)

  1. 물 1000중량부에 설폰산 이온을 가진 무기산/염, 질산 이온을 가진 무기염, 불소 이온을 가진 무기산/염, 아민 이온을 가진 무기염, 인산 이온을 가진 무기산/염, 암모늄 이온을 가진 무기산/염, 염소 이온을 가진 무기산/염에서 선택된 적어도 4종 이상의 무기산/염 50~700중량부; 2가 또는 3가의 금속이온을 1~105ppm 및, 비이온/음이온 계면활성제 0.1~100중량부를 포함하여 이루어진 알루미늄과 그 합금의 표면처리 조성물.
  2. 제1항에 있어서, 물 1000중량부에 설폰산 이온을 가진 무기산/염, 1~500중량부, 질산 이온을 가진 무기산/염 1~50중량부, 불소 이온을 가진 무기산/염 0.2~100중량부, 암모늄 이온을 가진 무기염 0.1~50중량부, 비이온/음이온계 계면활성제 0.1~100중량부를 첨가 용해하고, 2가 또는 3가의 금속이온을 1~105ppm의 농도로 첨가하여 조성된 것을 특징으로 하는 알루미늄과 그 합금의 표면처리 조성물.
  3. 제1항에 있어서, 물 1000중량부에 설폰산 이온을 가진 무기산/염, 1~500중량부, 질산 이온을 가진 무기산/염 1~50중량부, 인산 이온을 가진 무기산/염 0.1~25중량부, 불소 이온을 가진 무기산/염 0.1~50중량부, 암모늄 이온을 가진 무기산/염 0.1~10중량부 및 비이온/음이온계 계면활성제 0.1~100중량부를 첨가 용해하고, 2가 또는 3가의 금속이온 1~105ppm의 농도로 첨가하여 조성된 것을 특징으로 하는 알루미늄과 그 합금의 표면처리 조성물.
  4. 제1항에 있어서, 물 1000중량부에 염소 이온을 가진 무기산/염 1~200중량부, 질산 이온을 가진 무기산/염 1~50중량부, 인산 이온을 가진 무기산/염 0.1~50중량부, 불소 이온을 가진 무기산/염 0.1~100중량부, 암모늄 이온을 가진 무기염 0.1~50중량부 및 비이온/음이온계 계면활성제 0.1~100중량부를 용해하고, 2가 또는 3가의 금속이온을 1~105ppm의 농도로 첨가하여 조성된 것을 특징으로 하는 알루미늄과 그 합금의 표면처리 조성물.
  5. 물에 제1항 내지 제4항의 표면처리 조성물 20%로 혼합하여 희석하는 1단계; 상기 1단계에서 조성된 수용액에 처리하고자 하는 알루미늄 또는 그 합금을 5~15분 침적시키는 2단계; 및, 상기 2단계의 처리물을 물에 수세하는 3단계로 이루어지는 알루미늄과 그 합금의 표면처리 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 3단계의 처리 후 황산 수용액(98% 황산 170g/ℓ)에서 130AMP/㎡의 전해조건으로 상온에서 15분 처리하여 처리물 표면에 산화피막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄과 그 합금의 표면처리 방법.
  7. 제1항에 있어서, 물 1000중량부에 설폰산 이온을 가진 무기산/염 1~500중량부, 질산 이온을 가진 무기산/염 1~50중량부, 인산 이온을 가진 무기산/염 0.1~25중량부, 불소 이온을 가진 무기산/염 0.1~50중량부, 아민 이온을 가진 무기염 0.1~10 중량부 및 비이온/음이온계 계면활성제 0.1~100중량부를 첨가 용해하고, 2가 또는 3가의 금속이온을 1~105ppm의 농도로 첨가하여 조성된 것임을 특징으로 하는 알루미늄과 그 합금의 표면처리 조성물.
  8. 제1항에 있어서, 물 1000중량부에 염소 이온을 가진 무기산/염 1~200중량부, 질산 이온을 가진 무기산/염 1~50중량부, 인산 이온을 가진 무기산/염 0.1~50중량부, 불소 이온을 가진 무기산/염 0.1~100중량부, 아민 이온을 가진 무기염 0.1~50 중량부 및 비이온/음이온계 계면활성제 0.1~100중량부를 용해하고, 2가 또는 3가의 금속이온을 1~105ppm의 농도로 첨가하여 조성된 것을 특징으로 하는 알루미늄과 그 합금의 표면처리 조성물.
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