KR100573027B1

KR100573027B1 - 알루미늄 합금으로 제조된 물품의 마이크로아크 산화 공정

Info

Publication number: KR100573027B1
Application number: KR1020030052725A
Authority: KR
Inventors: 김나래
Original assignee: 김나래
Priority date: 2003-07-30
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2006-04-25
Also published as: KR20050014211A

Abstract

본 발명은 알루미늄 합금으로 제조된 물품의 마이크로아크 산화(microarc oxidation) 공정에 관한 것으로, 특히 금속표면에 산화피막을 형성하는 양극산화공정이 약알카리의 전해질을 넣은 전해조 내에 알루미늄 합금으로 된 전극부재를 로딩한 상태에서 높은 주파수(-200~1000V의 전압과 100~10000Hz 주파수) 특성을 이용한 전기 화학적인 산화 공정을 통해서 산화입자를 미세화 하여 조직의 치밀성을 유지하고, 빠른 작업으로 내마모성 및 내부식성을 높일 수 있도록 한 것이다.

본 발명은 산화피막 형성함에 있어 약알카리 전해액을 사용하므로서 폐수처리시설이 필요없으며 아울러 전처리(탈지)를 하지않아도 산화피막 형성 작업이 잘되며 후처리 공정도 필요 없게 되는 장점이 있다.

양극처리, 전기분해, 산화피막,

Description

알루미늄 합금으로 제조된 물품의 마이크로아크 산화 공정{microarc oxidation}

본 발명은 자동차 산업(자동차 엔진 케이스, 피스톤, 외부 마감부품) 뿐만 아니라, 건설산업(창문들, 천장, 상업용 텐트), 항공기 산업(항공기 외부 표면재, 엔진부품, 터빈), 기계장치와 정유산업(펌프 부품, 케이스 부품)에서 물품의 부식방지를 위하여 유용한 마이크로아크 산화공정에 관한 것이다.

일반적으로 알루미늄, 티타늄, 이들의 합금, 및 진공관(다이오드)의 특성을 나타내는 모든 금속들은 우수한 강도/중량 특성으로 인해 항공학, 자동차 및 기계공학 (특히, 높은 기계적 하중 및 변형을 갖는 이동 부품들에 있어서) 등에 다양하 게 이용되고 있다.

상기 재료들은 기계적 특성들(표면경도, 마찰 계수, 내마모성 등)을 높이기 위한 방법으로 그 표면을 코팅 처리하게 되었다.

표면 코팅은 산성 매질 및/또는 알칼리성 매질에서의 내부식성, 고온을 순간적으로 견딜 수 있는 능력, 또는 유전 특성의 획득과 같은 상호 보완적 필요 조건들을 충족시킬 수 있어야 한다.

특히 알루미늄은 대단히 활성이기 때문에 공기 중에서 표면이 자연산화 된다. 따라서 알루미늄이나 알루미늄 합금 제품의 경우에는 제품의 표면을 인위적으로 양극 산화시키는 양극산화처리 공정(anodic oxidation process)을 통해 보호성 산화막을 형성하게 된다.

알루미늄 양극산화피막은 소정의 두께가 되면 무수한 작은 구멍이 생성된 유공층이 형성된다. 이와 같은 유공층에 의해 활성화 된 양극산화피막을 개공 상태로 방치하게 되면 양극산화피막이 공기중의 가스등과 반응을 일으켜 양극산화피막의 내식성이 떨어지므로 안정된 양극산화피막을 얻기 위하여 봉공 처리하게 된다.

따라서 종래에는 전해 코팅 공정에 있어 마손 또는 부식으로부터의 보호를 위하여 양극산화(anodizing) 방식이 이용되었고, 이러한 양극 산화 공정은 알루미늄 소재의 제품에 보호성 산화막을 형성하기 위하여 이용된다. 그러나, 이러한 방법으로 제조된 코팅재들은 두께에 있어서 제한적이며, 단지 중간 정도의 경도 (최대 약 500 Hv)를 갖는다.

또한, 아노다이징(Anodizing)에서는 56%정도의 강산성 전해액을 사용함으로 써 별도의 폐수 처리시설이 요구되었으며, 알루미늄 합금재의 전처리(탈지)및 후처리(잔류약품제거)를 하여야 하며, 이로 인한 작업장의 면적이 넓어야 되고 전해액의 온도를 0℃정도로 유지해야 코팅이 잘되므로 냉각설비가 필요하고, 저압의 전류로 가공하므로서 장시간 작업을 하여 전류 소비량이 많아지게 되는 단점이 있다.

그리고 보다 격렬한 운용 조건들을 견디기 위한 고성능 코팅 또는 특별히 표면 경도를 강화시키기 위해서는 하드아노다이징 방식이 이용되었다.

종래의 하드아노다이징 방식은 강산(60%의 황산 전해액)의 전해액에 낮은 온도(-3 ~ 3℃)의 환경에서 작업하는 어려움이 있고, 탈지, 산세, 화학연마, 봉공 처리등과 같은 전처리와 잔류약품제거를 위한 후처리의 여러 공정을 필요로 하는 단점이 있다.

또한 코팅을 입히는 시간도 약 80μ을 얻으려면 약 8시간이 소요되었을 뿐만 아니라, 이렇게 얻은 피막의 특성도 내식성이나 경도에서 문제점이 발생하였다.

이와 같은 단점을 보완하기 위해 특허공개 제2003-11316호에서는 마이크로 아크 산화처리(M.A.O, Micro Arc Oxidation)를 이용한 전기적 산화 공정이 제안되었다.

상기 M.A.O 방식은 약 알카리의 전해액에 60Hz(약 20ms)의 전기를 싸이리스트로 정류시 20mSec의 주파수 전압을 이용하여 양/음 펄스를 주는 방식이다. 이 방법은 내마모성을 높여주고 기공의 양을 줄여주어 내식성을 높일 수 있다는 장점이 있는 반면에 많은 전력소모와 거친 표면 조도를 가지는 등의 단점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해소하고 하는 것으로, 본 발명의 목적은 마이크로 아크 산화처리(M.A.O) 방식에 있어 금속 표면에 높은 고주파를 주어 밀도가 크며 균일한 두꺼운 막을 이루도록 산화 입자를 미세화하고 조직의 치밀성을 유지할 수 있도록 개선된 금속 표면 산화 공정을 제공함에 있는 것이다.

또한, 본 발명은 코팅 특성을 높이기 위해 "+"입자와 "-"입자 임펄스의 비율을 점진적으로 변화시키는 방법으로 코팅층은 조밀하게 하면서 기공의 양은 크게 감소시킬 수 있도록 하는데 또 다른 목적이 있는 것이다.

상기한 목적에 따라 본 발명의 산화공정은 약알카리의 전해질을 넣은 조(漕, bath) 내부에 알루미늄 합금으로 된 부재를 로딩(loading)하고, 높은 전압(-200~1000V)과 주파수(100~10000Hz)에 의한 전기 펄스를 발생시키되, 임펄스시간은 0.05mSec ~ 0.001Sec이고, 임펄스 사이의 간격은 0.05mSec ~ 0.002Sec 휴지시간을 반복하여 운전하는 마이크로아크 산화 공정에 그 특징이 있다.

또한, 본 발명은 "+"입자와 "-"입자 임펄스의 비율을 점진적으로 변화시키면서 금속 표면의 산화 입자를 미세화하고, 내마모성 및 내부식성을 크게 높이도록 되는 것을 특징으로 하고 있다.

또한, 본 발명의 양극산화공정에 이용되는 약알카리 전해질은 0.05~10%의 수산화 칼륨과 같은 알칼리 금속의 수용액과 알칼리 금속의 규산화 나트륨염이 이용 된다.

상기 전해조에는 공지된 카바이트 가루(국내 특허출원번호 제10-2001-46488호 참조)와 질화물 또는 산화물(국내 특허출원번호 제10-1999-43047호 참조)을 첨가하여 마이크로아크 산화공정에서 사용되는 전해액에 카바이드 가루 및 질화물 또는 금속산화물의 미세입자를 현탁하여, 전기영동효과에 의해 알루미늄 함금의 표면산화층에 상기 입자가 동시에 부착되고, 카바이드 가루 및 질화물 또는 금속산화물이 합금으로 된 산화층을 형성하게 되어 동일시간 처리시 산화층의 두께가 휠씬 두껍게 형성되고, 그 부가된 물질에 따라 경도가 증가하며 산화층의 색상도 조절할 수 있게 된다.

이와 같이 구성된 본 발명은 코팅해야 할 물체의 표면에 표면전하를 형성할 때 전해질로부터 나오는 음이온의 양이 최대이고 전해질 조(漕,bath)에 로딩할 수 있는 알루미늄 부재의 적정용량을 선택함으로써 최대효과를 얻을 수 있도록 펄스와 펄스 사이의 휴지시간을 선택한다.

또한, 전해질로부터 발생하는 최대 이온수는 펄스 사이의 휴지시간은 0.05mSec ~ 0.002Sec 범위에서 얻어지며, 전류밀도는 2~200 A/dm² 가 되도록 조정하여 부재를 전해질 조에 담글 때 얻어진다.

전해질은 약알카리 전해질을 사용한다. 전해질은 합금의 종류와 제품의 모양 및 제품의 용도에 영향을 받긴 하지만 통합농도가 0.05~10%인 약알칼리 전해질이 사용되며 약전해질을 구성하는 용매는 수산화칼륨과 규산화 나트륨염을 사용한다.

전해질 내에 전류흐름의 공정은 특히 펄스운전(pulsed operation)에서는 관성 공정이다. 펄스운전이 중지된 시점에는 전극층 이전의 이온은 그 자체의 운동량에 의해 얼마동안 계속해서 움직여 전극층 표면에서 전하를 형성하고, 전하값은 전하가 형성되는 시간(즉, 휴지시간)에 영향을 받는다.

휴지시간이 짧으면 전하가 완전히 형성될 시간이 없고, 휴지시간을 연장시키면 전해질내에 부품 표면으로부터 전하가 흘러내리는(flowing down) 결과를 초래하며 전력의 소비를 증가시키기 때문이다.

부품표면에 공급되는 실제 전류 밀도는 전력 원으로부터 설정된 전류 값을 초과하며, 따라서 똑같은 두께(같은 특성을 갖는)의 코팅을 얻기 위해서 -200~1000V 펄스 발생기(a pulse thyristor converter)를 사용하여 면적이 2~200 A/dm²인 합금의 평판을 이용한다.

로딩의 최대 한계는 설비기술 능력에 따른다(변압기 동력, 조 크기, 동력 장치의 운전 신뢰도, 전류공급 부품 등).

[실시예 1]

약알카리 전해질을 넣은 조(漕, bath) 내부에 알루미늄 합금으로 된 부재를 침수하고 로딩한다. 이때, 알루미늄부재가 침수되는 전해질은 수산화칼륨과 규산화나트륨염 0.05~5% 의 수용액으로 제조된다.

전압은 -200~1000V,

전류밀도는 2~200 A/dm² ,

임펄스시간은 0.05mSec ~ 0.001Sec,

임펄스 사이의 간격은 0.05mSec ~ 0.002Sec범위내에서 산화피막을 형성하도록 반복한다.

상기 조건에 있어 바람직하기로는 전해조의 임펄스는 0.8mSec 동안 발생시키고, 임펄스 사이의 휴지시간은 1.2mSec로 되게 세팅하며, 초기에는 하나의 전극에 1분동안 "+"임펄스만 주고 "-"임펄스는 제공하지 않은 휴지 상태 즉, 1:0 의 상태를 유지한다.

이 후 "+"임펄스와 "-"임펄스를 점진적으로 변화 즉, 1:1 ~ 9:9중 최적의 비율을 찾아 "+"임펄스와 "-"임펄스를 변환시키는 조건으로 운전한다.
마이크로 산화공정에서 초기에는 낮은 전압에서 얇은 산화층을 형성하며, 계속해서 전압을 높여주면 산화층이 절연파괴되면서 마이크로아크가 발생하여 산화층이 적층되면서 두꺼운 산화층을 형성하게 된다. 산화층의 두께가 일정범위를 넘게되면 아주 짧은 임펄스시간으로는 필요한 전류량을 공급할 수 없어 절연파괴가 잘 일으키지 못하게 되어, 임펄스 비율을 1:1 ~ 9:9까지 변화시킴으로서 절연파괴를 일이키는 데 필요한 전류가 인가될 수 있도록 하여 필요한 산화막의 두께를 얻을 수 있는 것이다.

이처럼 본 발명은 환경 친화적인 운전 공정을 유지하면서 알루미늄이나 마그네슘 표면을 물리적-기계적으로 향상된 코팅의 형성을 위하여 전기, 화학적으로 산화시킬 수 있는 공정을 제공함으로써 산화 입자를 미세화하여 조직의 치밀성을 유지하고, 빠른 작업으로 내마모성 및 내부식성을 높일 수 있게된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 본 발명은 산화피막을 형성함에 있어 전해조에는 약알카리 전해액을 사용하므로서 폐수처리시설이 필요없고, 전처리(탈지)를 하지 않아도 산화피막 형성 작업이 잘되며 후처리 공정도 불필요하여 자동제어가 가능하는 장점이 있게된다.

또한, 본 발명는 높은 고주파를 이용한 전기 분해가 진행되는 동안 "+"임펄스와 "-"임펄스 값을 일정 비율로 제어하여 산화 입자를 미세화 및 조직의 치밀성을 유지할 수 있어 빠른 작업으로 내마모성과 내부식을 높일 수 있는 것이다.

Claims

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0.05~10%의 수산화 칼륨과 규산화 나트륨염으로 되는 약알카리의 전해질을 넣은 조(漕, bath) 내부에 알루미늄 합금으로 된 부재를 로딩하고, 전압은 -200~1500V,전류밀도는 1~200 A/dm², 임펄스시간은 0.01mSec ~ 0.01Sec, 임펄스 사이의 간격은 0.01mSec ~ 0.01Sec 범위내에서 반복 운전하고, 상기 전해조에 카바이트 가루와 질화물 또는 금속산화물을 첨가하는 마이크로 아크 산화공정에 있어서;

상기 임펄스는 "+"임펄스와 "-"임펄스를 1:1 ~ 9:9 까지의 범위내에서 변환 사용하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금으로 제조된 물품의 마이크로 아크 산화공정.