KR101200526B1 - 마그네슘계 금속의 금속 질감을 구현할 수 있는 마그네슘 표면처리 방법 - Google Patents

Abstract

여기에서는 마그네슘계 금속의 금속 질감을 구현할 수 있는 마그네슘 표면처리 방법이 개시된다. 상기 방법은, 질산나트륨과 구연산나트륨을 포함하는 화학연마액을 이용하여 마그네슘계 금속의 표면을 화학 연마하는 광택 버핑 단계와; 상기 광택 버핑 단계를 거친 마그네슘계 금속을 pH 10 이상의 강염기성 전해액 내에 침지시키는 단계와; 상기 강염기성 전해액 내에서 상기 마그네슘 금속 부재에 전류 밀도0.01~1A/dm²의 전류를 인가하여, 상기 마그네슘계 금속의 표면에 투명의 양극산화막을 형성하는 양극산화처리 단계를 포함한다.

Description

마그네슘계 금속의 금속 질감을 구현할 수 있는 마그네슘 표면처리 방법{METHOD FOR SURFACE TREATING AVAILABLE THE METALLIC EFFECT}

본 발명은 마그네슘계 금속의 표면처리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 친환경적이면서도 금속 질감을 구현하는 마그네슘계 금속의 표면처리 방법에 관한 것이다.

마그네슘계 금속은 중량적인 측면에서 알루미늄계 금속을 대신하여 장래에 가장 유망한 엔지니어링 소재가 될 것으로 예상되고 있다.

현재, 마그네슘과 알루미늄의 가격이 거의 같지만, 알루미늄보다 질량이 더 가벼운 마그네슘은 경량화에 큰 비중을 두고 있는 자동차, 비행기, 랩탑 컴퓨터 또는 휴대폰 등에서 알루미늄보다 유리한 위치를 차지한다. 예를 들어, 자동차 분야에서는 연비향상을 목적으로 하는 차량 경량화를 위해 철강이나 알루미늄 합금을 사용하고 있던 부재에 마그네슘 합금을 적용하기 시작하고 있다.

최근, 환경적인 측면에서도 리사이클성이 우수한 마그네슘 합금을 구조용 금속재료로서 적극적으로 사용하는 경향이 있다. 예를 들어, 가전분야에서는 노트북, 개인용 컴퓨터, 휴대전화의 케이스를 중심으로 종래의 플라스틱으로부터 리사이클성이 우수한 마그네슘 합금으로 넘어가는 경향이 있다.

이러한 마그네슘 합금은 상용 금속들 중 가장 화학적 활성이 큰 금속으로, 일반적으로 표면처리가 되지 않을 경우 대기중이나 용액 중에서 매우 빠르게 부식되는 특징을 나타내므로 철강이나 알루미늄 합금의 경우보다 표면 처리 공정에서 치밀하고 균일한 피막을 형성시키는 것이 중요하다. 그러나, 마그네슘 합금은 치밀하고 균일한 피막을 형성시키는 것이 극히 어려운 재료이기도 하다. 이것은 마그네슘 합금의 표면이 화학적으로 불균일하기 때문이다. 마그네슘 합금 표면의 화학적 불균일성의 이유는 마크로 편석과 미크로 편석으로 인해 표면이 화학적으로 불균일하게 되어 치밀하고 균일한 피막을 형성시키기가 어렵게 되어 있다. 또한 표면에 생성되는 산화막의 경우는 Mg(OH)2이기 때문에 불투과성 산화막이 형성되어서 마그네슘 특유의 금속 질감을 살릴 수 없다.

마그네슘 합금의 표면처리 방법 중에서 가장 많이 사용되고 있는 방법은 화성처리 방법 또는 양극산화처리 방법이다. 2가지 방법은 모두 탈지, 산세 등의 전처리 공정을 거친 뒤 실시되지만 표면에 기능성을 추가할 수 있는 것은 양극산화 방법에 국한된다.

종래의 마그네슘 합금의 표면처리 방법 중에서 양극산화 방법으로 널리 알려진 것으로서 HAE법, DOW17법, 갈바닉법 등이 있는데, 이들 방법은 중금속인 망간, 크롬 등을 함유하는 전해액을 사용하므로 중금속 폐수 발생 및 제품의 유해성을 야기하는 문제점이 있다.

또한, 종래의 양극산화처리 방법은, 한국 공개특허 제10-2004-94105호에 개시된 바와 같이, 강염기성 전해액에서 100V 이상의 고전압으로 20이하의 산화피막을 형성하거나, 한국 공개특허 제10-2003-40824호에 개시된 바와 같이, 약염기성 전해액에서 -200~400V의 전압을 펄스방식으로 교류를 인가하여 불투과성 산화피막을 형성하고 있다.

그러나, 위 종래의 기술은 불투과성 백색, 갈색 등의 유색 막을 생성하기 때문에 마그네슘계 금속 본래의 질감을 표현하기 어렵다. 따라서, 마그네슘 합금의 표면에 투명의 양극산화막을 형성하여 마그네슘 합금의 금속 질감을 구현하는 기술의 필요성이 당해기술분야에 존재한다. 또한, 마그네슘 합금의 표면에 양질의 양극산화막을 형성함에 있어서, 마그네슘 합금의 표면을 양극산화막의 형성에 적합한 표면으로 바꾸어주는 작업이 요구된다. 양극산화처리 방법의 전처리용 연마 기술로 크롬산과 HF 등을 포함하는 화학연마액을 이용하는 화학연마기술이 알려져 있다. 그러나, 이 기술은 화학연마액이 고위험, 고비용이라는 점이 큰 문제점으로 지적되고 있다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 하나의 과제는, 친환경적인 전해액을 사용하면서도, 금속 질감을 구현하는 양질의 투명 양극산화막을 마그네슘계 금속의 표면에 형성할 수 있는, 마그네슘계 금속의 표면처리 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 양극산화막의 형성 전에, 저 비용, 저 위험의 화학연마를 통해, 보다 양질의 양극산화막을 구현할 수 있는 마그네슘계 금속의 표면처리 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 마그네슘계 금속의 표면처리 방법은, 질산나트륨과 구연산나트륨을 포함하는 화학연마액을 이용하여 마그네슘계 금속의 표면을 화학 연마하는 광택 버핑 단계와; 상기 광택 버핑 단계를 거친 마그네슘계 금속을 pH 11 이상의 강염기성 전해액 내에 침지시키는 단계와; 상기 강염기성 전해액 내에서 상기 마그네슘 금속 부재에 전류 밀도0.01~1A/dm²의 전류를 인가하여, 상기 마그네슘계 금속의 표면에 투명의 양극산화막을 형성하는 양극산화처리 단계를 포함한다.

상기 양극산화처리 단계에서는 상기 전류의 전류밀도가 0.01 내지 1A/dm2인 것이 바람직하며, 전류밀도가 1A/dm2를 초과하는 경우, 마그네슘계 금속 부재의 표면에 불규칙한 산화막이 생성될 수 있으며, 이러한 불규칙한 산화막은 금속 질감을 구현하는데 어려움을 제공한다. 또한, 0.01A/dm2미만인 경우에는, 투명의 양극산화막의 형성이 어렵다. 더 바람직하게는, 상기 전류밀도는 0.2 ~ 0.7A/dm2이며, 이때, 산화 처리 공정은 약 3분 정도로 수행된다. 또한, 상기 양극산화처리 단계에서 전압은 10V 이하로 제한되는 것이 바람직하다.

상기 광택 버핑 단계에서, 상기 화학 연마액은 황산, 질산, 질산나트륨 및 구연산나트륨을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 전해액은 수산화칼륨 100~300 중량부와, KF 0.5~50 중량부와 NaSiO4 5~50 중량부와 Al 0.1~0.5 중량부를 포함하는 것이 바람직하며, 상기 전해액의 온도는 20 ~ 70℃로 유지되는 것이 바람직하다. 상기 양극산화처리 공정 후에 만들어지는 산화막은 하부 조직인 마그네슘 합금의 금속 질감을 구현할 수 있을 정도로 투명한데 여기에 안료를 침지시키면 마그네슘계 금속 질감을 가진 표면에 칼라를 입힌 것처럼 보일 수 있다. 안료는 아세트산코발트, 과망간산칼륨, 황화암모늄, 황산제2철, 페르시안화칼륨, 황산니켈, 황산동, 황산제1주석 중 선택된 적어도 하나일 수 있다. 마그네슘계 금속은 마그네슘 또는 마그네슘 합금 중 어느 하나일 수 있다.

본 발명에 따르면, 저비용, 저위험의 화학연마액을 이용한 화학연마에 의해, 마그네슘계 금속의 표면을 양극산화처리에 적합한 표면으로 만들어줄 수 있고, 그 표면 위에 중금속 사용하지 않는 친환경적인 전해액을 이용한 최적의 양극산화처리를 함으로써, 마그네슘 함금의 금속 질감을 구현하는 투명의 양극산화막을 표면에 갖는 고급화된 마그네슘계 금속 제품을 제조할 수 있다.

도 1은 종래의 마그네슘계 금속의 표면 처리 방법을 나타낸 순서도.
도 2는 본 발명의 마그네슘계 금속의 표면 처리 방법을 나타낸 순서도.
도 3은 본 발명의 마그네슘계 금속의 표면 처리 장치의 개략도.
도 4는 화학 연마 및 표면 조정(또는, 알칼리 탈지)을 거친 후 투명의 양극 산화막이 형성된 마그네슘계 금속의 표면을 보여주는 광학 현미경 사진.
도 5는 도 4의 사진과 질감을 비교하기 위한 것으로서, 양극산화막이 형성되지 않은 마그네슘계 금속의 표면을 보여주는 광학 현미경 사진.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.

도 1은 마그네슘 합금의 일반적인 양극산화처리방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마그네슘계 금속의 표면처리 방법의 순서도이다.

도 2에 예시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 마그네슘계 금속의 표면처리 방법은, 광택 버핑 단계(21), 탈지 또는 표면 조정 단계(22), 양극산화처리 단계(23), 수세 단계(24)를 포함한다.

광택 버핑 단계(21)는 화학 연마 방식을 이용한다. 상기 광택 버핑 단계(21)와 상기 탈지 또는 표면 조정 단계(22)를 거친 마그네슘계 금속은 양극 산화 처리용 강알칼리 전해액 내로 침지된 후, 그 전해액 내에서 양극산화처리 단계(23)를 거친다. 양극 산화 처리되어 투명의 양극산화막이 형성된 마그네슘 금속 제품은 수세 단계(24)를 포함하는 후처리 단계를 거친다.

이하에서는, 위 단계들 중 광택 버핑 단계(21)와, 양극산화처리 단계(23)에 대해 보다 구체적으로 설명한다.

(광택 버핑 단계)

황산 100g/L, 질산 15g/L, 질산나트륨 130g/L, 구연산나트륨 150g/L으로 이루어진 화학연마액이 조성된다. 실온에서 조성된 화학연마액에 마그네슘 합금을 약 5초 내지 30초 동안 침지하여 마그네슘 합금의 표면을 화학 연마한다. 화학 연마액의 조성비는 전술한 것에 의해 제한되지 아니하며, 화학연마액의 성분 범위가 황산 50~500 중량부, 질산 10~100 중량부, 질산나트륨 100~300 중량부, 구연산나트륨 100~300 중량부일 때 양질의 연마가 이루어졌다.

화학 연마 후 광학 현미경으로 관찰하면, 금속 질감을 확인할 수 있으며, 또한, 표면에 구멍들이 많이 생겼음을 확인할 수 있다. 이 구멍들은 뒤 이은 양극산화 처리 단계에 의해 형성되는 투명 양극산화막과의 부착력을 높여주는데 기여한다.

광택 버핑 단계 전에는 알칼리 탈지 단계가 수행될 수 있는데, 알칼리 탈지 단계의 경우, 증류수에 수산화나트륨과 탄산나트륨을 7:1 비율로 투입한 80도 온도의 탈지액 내로 광택 버핑 단계 전의 마그네슘 합금을 약 5분 동안 침지하는 방식으로 이루어졌다.

상기 광택 버핑 단계 후에는 표면 조정 단계가 수행될 수 있는데, 이 표면 조정 단계에서는 크롬산 100g/L, 질산철 20g/L, 불산 1g/L를 포함하는 표면 조정액 내로 광택 버핑 단계 후의 마그네슘 합금을 대략 15초 동안 침지하여 이루어질 수 있다. 이때, 교반이 수반되는 것이 좋다.

(양극 산화 처리 단계)

양극 산화 처리 단계는 강염기성 전해액에서 실시하는데, 피막의 특성에 영향을 미치는 처리 조건으로서는 전해액의 조성, 전류 밀도, 온도, 작업 시간 등이 있으며, 이 중에서도 가장 중요한 것은 전해액의 조성 및 전류 밀도이다. 본 실시예에 있어서 사용되는 강염기성 전해액은 pH 11이상의 강염기성으로 되게 하기 위해서 전체 수용액 1리터 당 수산화칼륨 50~300g이 반드시 포함된다. 수산화칼륨은 중금속이 아니므로 친환경적이다. 더 구체적으로, 상기 전해액은, 전체 수용액 1리터 당 수산화칼륨 100~300g와 KF 0.5~50g/L와 NaSiO4 5~50g/L와 Al 0.1~0.5g/L를 포함하는 것이 이용된다.

이렇게 조성한 pH 11이상의 강염기성 전해액에 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 침지시키면 10 V 이하의 전압에서 산화피막이 원활하게 형성된다.

한편, 전해액 속에 안료를 삽입하면 다양한 질감 효과를 가지도록 한다.

첨가되는 염료는 원하는 색상에 따라 달리 적용되어지며, 본 발명에서는 아세트산코발트, 과망간산칼륨, 암모늄, 황산제2철, 페르시안화칼륨, 황산니켈, 황산동, 황산제1주석 등의 한 개 이상의 안료를 삽입하면, 빨강, 주황, 노랑, 청록, 파랑, 검정 등 여러 가지 색깔의 산화 피막층이 형성된다.

또한, 이러한 금속 질감 양극 산화 처리 공정을 하면, 별도의 도장처리를 행하는 경우에서 발생하는 작업 환경의 문제점도 피할 수 있게 된다.

도 3에 예시된 바와 같이, 전해조(1) 내에 수용된 전해액(2)에 마그네슘 또는 마그네슘 합금(3) 및 음극 기판(4)를 침지시킨 상태에서 마그네슘 합금(3)에 정류 전원(5)의 양극을 연결하고 음극 기판(4)에 정류 전원(5)의 음극을 연결하여 전압을 인가함으로써 투명의 양극 산화 피막이 형성되게 한다.

이때 사용한 전류밀도는 0.01 ~ 1A/dm² , 더 바람직하게는, 0.2 ~ 0.7A/dm² 로 조정되며, 전압은 10V 이하로 제한하였다. 이에 의해 마그네슘 또는 마그네슘 합금(3)의 표면에 균일하며 치밀한 막을 형성되었다. 전해액의 온도는 20℃ 내지 70℃의 온도를 유지한다.

본 실시예에서 표면 조정은 마그네슘계 금속의 표면을 조정할 필요에 따라 실시하는데, 이는 버핑 공정 후의 표면 조정 목적으로 행하여지나, 표면 처리에 대한 요구 성능 및 이 표면의 오염 정도에 따라 적절히 분간하여 사용한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 양극산화처리에 의해 양극산화막이 형성된 마그네슘 합금 표면의 미세 조직 사진을 나타내며, 도 5는 표면 처리 전의 마그네슘 합금 원소재 표면의 미세 조직 사진을 나타낸다.

도 4와 도 5를 비교하여 살펴보면, 도 4에 나타난 표면은 양극산화막이 형성되었음에도 불구하고, 양극산화막이 형성되지 않은 도 5의 마그네슘 합금 표면과 거의 유사한 질감을 나타낸다. 단지 선과 선 사이의 폭이 좁아지는데, 이것은 투명의 양극산화막 형성으로 인한 빛 굴절에 기인한다.

이상에서는 본 발명이 특정 실시예를 중심으로 하여 설명되었지만, 본 발명의 취지 및 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 변형, 변경 또는 수정이 당해 기술분야에서 있을 수 있으며, 따라서, 전술한 설명 및 도면은 본 발명의 기술사상을 한정하는 것이 아닌 본 발명을 예시하는 것으로 해석되어져야 한다.

21: 광택 버핑 단계 22: 표면 조정(또는, 탈지) 단계
23: 양극산화처리 단계 24: 수세 단계

Claims (6)

1. 마그네슘계 금속의 표면을 화학 연마하는 광택 버핑 단계와;
   상기 광택 버핑 단계를 거친 마그네슘계 금속을 pH 11 이상의 강염기성 전해액 내에 침지시키는 단계와;
   상기 강염기성 전해액 내에서 상기 마그네슘 금속 부재에 전류 밀도0.01~1A/dm²의 전류를 인가하여, 상기 마그네슘계 금속의 표면에 투명의 양극산화막을 형성하는 양극산화처리 단계를 포함하며,
   상기 광택 버핑 단계는 질산나트륨과 구연산나트륨을 포함하는 화학연마액으로 상기 마그네슘계 금속의 표면을 화학 연마하는 것을 특징으로 하는 마그네슘계 금속의 표면처리방법.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서, 상기 양극산화처리 단계에서 전압은 10V 이하로 제한되는 것을 특징으로 하는 마그네슘계 금속의 표면처리 방법.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 양극산화처리 단계에서, 상기 전해액은 수산화칼륨 100~300 중량부, KF 0.5~50 중량부, NaSiO4 5~50 중량부과, Al 0.1~0.5 중량부를 포함하며, 상기 전해액은 20 ~ 70도의 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 마그네슘계 금속의 표면 처리 방법.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 양극산화처리 단계에서, 상기 전해액 내에는 아세트산코발트, 과망간산칼륨, 황화암모늄, 황산제2철, 페르시안화칼륨, 황산니켈, 황산동, 황산제1주석 중 적어도 하나를 첨가되는 것을 특징으로 하는 마그네슘계 금속의 표면 처리 방법.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 광택 버핑 단계에서, 상기 화학연마액은 황산과 질산을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘계 금속의 표면 처리 방법.

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