KR101432671B1

KR101432671B1 - 양극 산화에 의한 항공재료 제조방법

Info

Publication number: KR101432671B1
Application number: KR1020130048735A
Authority: KR
Inventors: 장관섭; 장도섭
Original assignee: 주식회사 영광와이케이엠씨
Priority date: 2013-04-30
Filing date: 2013-04-30
Publication date: 2014-08-25

Abstract

본 발명은 양극 산화에 의한 항공재료 제조방법에 관한 것으로, 전해액이 담긴 양극 산화 장치의 전극에 티타늄 항공재료를 설치하는 단계; 및 상기 티타늄 항공재료에 전압을 인가하여 티타늄 항공재료의 표면에 이산화 티타늄 피막을 형성하는 단계를 포함하는 양극 산화에 의한 항공재료 제조방법을 제공한다.

Description

양극 산화에 의한 항공재료 제조방법{Method for producing air materials by anodizing}

본 발명은 항공재료의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 티타늄의 양극 산화에 의해 항공재료를 제조하는 방법에 관한 것이다.

티타늄은 주기율표 제4B족에 속하는 금속원소로서, 티탄 또는 타이타늄이라고도 불린다. 1791년 영국의 William Gregor(1761~1819)가 콘월 지방에서 티타늄 철석에 새로운 티타늄 원소가 들어있음을 처음 발견하였고, 순수한 금속 티타늄은 1910년 미국의 Matthew A. Hunter(1878~1961)에 의해 처음으로 단리되었으며, 상업적 생산은 1940년에서야 이루어졌다.

티타늄은 지각을 구성하는 금속원소 중 Al, Fe, Mg에 이어 4번째로 많으며, 티타늄의 매장량은 지각 속에서 9위로 풍부한 원소이다. 지각 중에는 산화티타늄(TiO₂)의 형태로 존재하고 산화티타늄을 90% 함유한 원광석인 금홍석(rutile), 산화티타늄을 50% 함유한 티타늄 철석(ilmenite, FeTiO₃) 등은 Ni의 30배, Cu의 60배 정도로 풍부하게 존재한다.

티타늄은 비중이 4.51로 스테인리스강 및 철의 약 60% 정도이므로 조립, 설치, 이동이 용이하고 순수 티타늄은 보통강 정도, 티타늄 합금은 특수강에 필적하는 강도를 가지며, 티타늄의 표면에 부동태 피막(Oxide film)이 형성되어 있기 때문에 내식성이 뛰어나다. 이 부동태 피막은 매우 강하고, 피막이 파괴되었을 때는 쉽게 재생되기 때문에 스테인리스강보다 더 좋은 내식성을 발휘한다. 또한 균일부식(General corrosion), 공색(Pitting), 침식(Erosion), 응력부식균열에 대하여도 매우 뛰어난 저항력이 있다.

티타늄은 흰색 금속 광택을 띠며, 가볍고 강한 금속이면서도 연성이 있으며, 인장강도는 보통강과 비슷하나 질량이 43% 가벼우며, 알루미늄 합금보다는 2배가 강하나 질량은 60% 무겁다. 1668℃로 녹는점이 높고 탄소강, 스테인리스강에 비해 밀도, 열팽창 계수 및 탄성계수 등이 작은 성질이 있다. 티타늄의 대표적 물리적 성질을 표 1에 나타내었다.

밀도 (20℃)	4.54g/㎤ (α형)
α ⇒β변태에 의한 용적 변화	5.5%
융점	약 1668℃
α ⇒ β변태점	약 882℃
열팽창 계수 (20℃)	8.5 × 10^-6/℃
열전도도	0.035 cal/㎝/㎠/℃/sec
비열 (25℃)	0.126 cal/g
도전율 (Cu에 대하여)	2.2%
고유 저항 (0℃)	80μΩ-cm
결정구조 α형 (상온)	조밀6방형
결정구조 β형 (882℃ 이상)	체심입방(bcc)형

티타늄은 표면에 부동태 피막이 형성되어 있기 때문에 물이나 공기와 아주 느리게 반응하지만, 고온으로 가열하면 산소, 질소, 수소를 포함한 거의 대부분의 비금속 원소들과 반응한다. 공기 중에서는 1200℃, 순수한 산소 기체에서는 610℃에 이산화 티타늄이 되고, 질소 기체에서는 800℃에서 질화 티타늄이 된다. 실온에서는 묽은 황산, 염산, 염소기체, 대부분의 유기산, 알칼리 수용액 등과 반응하지 않으며, 바닷물에서도 부식되지 않는다.

티타늄 및 티타늄 합금은 상온 부근의 물 또는 공기 중에서는 부동태 피막이 형성되어 금이나 백금 다음 가는 우수한 내식성을 가진다. 이러한 이유로 주로 항공기 부품 등 항공우주 산업에서 먼저 사용되기 시작했으며, 최근에는 화학공업에서의 각종 장치, 바닷물에서도 부식이 되지 않기 때문에 선박부품, 해수의 담수화 장치, 수족관의 냉방, 난방기구, 낚시도구, 잠수부 칼, 해양 장치, 잠수함 등에도 사용된다. 또한 생체친화적 특징으로 인공관절, 치과 임플란트, 인공심장박동조절기, 안경테, 반지, 장신구 등에도 사용된다. 이산화티타늄은 페인트와 광택제의 흰색안료로 많이 사용되며, 태양 빛을 이용한 물과 환경오염 물질을 분해하는 광촉매로도 사용되는 등, 최근에는 산업 전반에 걸쳐서 그 활용도가 증대되고 있다. 분야별로 요약한 활용도를 표 2에 나타내었다.

용도	활용
우주항공 분야	항공기 부품, 기계구조체, 제트엔진부품, 우주기기 부품
화학공업 분야	각종 제조장치, 전극, 열교환기, 배관
해양선박 분야	해수의 담수화 장치, 선박부품, LNG 해수롤러용튜브, 수족관의 냉난방기구, 낚시도구, 잠수부 칼, 해양장치, 잠수함, 가두리양식
의료치과 분야	인공관절, 인공뼈, 수술기구, 핀셋, 치과임플란트, 인공심장박동조절기, 의족 등 보행도구
악세사리 분야	반지, 목걸이, 안경테, 넥타이핀
스포츠 분야	자건거, 골프체, 테니스라켓, 스키폴, 당구 큐, 등산용구
원자력 분야	화력원자력 발전기 부품, 수송용기, 원자력발전 냉각탑
자동차 분야	프레임, 밸브
건축, 토목 분야	지붕재, 내외벽재, 바닥재, 발색건재, 기념물, 해상교각, 교량용 와이어
기타 분야	경찰 방어복, 헬멧, 주방용품, 정화장치(광촉매)

본 발명의 목적은 티타늄의 양극 산화에 의해 항공재료를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 전해액이 담긴 양극 산화 장치의 전극에 티타늄 항공재료를 설치하는 단계; 및 상기 티타늄 항공재료에 전압을 인가하여 티타늄 항공재료의 표면에 이산화 티타늄 피막을 형성하는 단계를 포함하는 양극 산화에 의한 항공재료 제조방법을 제공한다.

본 발명에서 전해액은 pH 13 내지 14의 알칼리 전해액인 것이 바람직하다.

본 발명에서 전해액은 KOH 7 내지 11 g/L 및 Na₃PO₄ 2 내지 6 g/L을 포함하되, 30 내지 40℃의 온수에 KOH를 먼저 용해한 후, Na₃PO₄를 풀어서 완전히 용해한 후 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 양극 산화는 직류 정류기를 사용하여 총 50 내지 80분 동안 수행하되, 0 내지 50 V까지는 2±1분에 10±2 V씩 승압하고, 51 내지 90 V까지는 2±1분에 5±2 V씩 승압하며, 91 내지 130 V까지는 1600 내지 2000초 동안 수행함으로써, 두께 5 내지 10 ㎛의 피막을 형성할 수 있다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 양극 산화는 직류 정류기를 사용하여 총 80 내지 180분 동안 수행하되, 0 내지 50 V까지는 2±1분에 10±2 V씩 승압하고, 51 내지 90 V까지는 2±1분에 5±2 V씩 승압하며, 91 내지 150 V까지는 1600 내지 7000초 동안 수행함으로써, 두께 10 내지 20 ㎛의 피막을 형성할 수 있다.

본 발명에 따라 고온에서 사용되는 항공재료 부품에 대한 품질을 향상시킬 수 있고, 양극 산화에 의해 형성된 산화 티타늄 피막은 윤활물질 역할을 하여 금속의 마찰이 일어날 때 박리되는 부분을 최소화하도록 내마모성을 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 티타늄 양극 산화의 포괄적인 공정도이다.
도 2는 본 발명에 따른 티타늄 양극 산화 피막 처리 전과 후의 항공재료 사진이다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명에서 사용되는 티타늄의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 후술하는 모든 종류의 티타늄을 사용할 수 있다. 즉, 본 발명에서 티타늄은 티타늄 합금까지 포함하는 포괄적인 의미로 해석된다.

티타늄은 일반적으로 ASTM(American Society for Testing Materials) 분류방법에 따라 등급(Grade) 1 내지 등급 29의 종류로 구분된다. 티타늄 합금 중에 가장 많이 사용되고 있는 종류는 아래와 같으며, 종류별 화학성분을 표 3 내지 표 5에 나타내었다.

등급 1은 순수 티타늄으로, 연하고 연성이 있으므로 프레스성형(특히 Deep drawing)용으로 적합하다. 등급 2는 순수 티타늄으로, 대부분이 화학 및 일반 공업용으로 사용될 수 있다. 등급 3은 순수 티타늄으로, 특별히 경도를 요구하는 경한 용으로 사용될 수 있다. 등급 4는 순수 티타늄으로, 스프링과 접점용으로 사용될 수 있다. 등급 5는 고장력과 내피로성을 주기 위하여 알루미늄(Al)과 바나듐(V)을 넣은 합금이다. 등급 7 및 11은 내식성 증강을 위하여 소량의 팔라듐(Pd)을 넣은 합금이다.

순수 티타늄은 98 내지 99%의 순도를 가진 거의 순수한 티타늄인 ASTM 규격으로 등급 1 내지 4를 말하며, 강도 향상을 위해 약간의 산소, 질소, 탄소, 철(Fe)을 포함하기도 한다. 이 합금은 우수한 내식성과 함께 쉽게 용접할 수 있는 특징이 있다. 표 3은 순수 티타늄 종류의 화학 성분을 나타낸 것이다.

등급	O	N	C	H	Fe	Al	V	Ni	Sn	Mo	Cr	Zr	Pd	Ti
1	0.18	0.03	0.08	0.015	0.20									나머지
2	0.25	0.03	0.08	0.015	0.30									나머지
3	0.35	0.05	0.08	0.015	0.30									나머지
4	0.40	0.05	0.08	0.015	0.50									나머지

순수 티타늄의 인장 강도는 주로 산소의 함량에 따라 결정되는데, 여러 불순물에 따른 순수 티타늄의 종류와 화학 성분 및 인장 강도를 표 3 내지 표 6에 나타내었다. 특히 순수 티타늄은 산소, 질소, 수소 등 불순물의 함량이 증가함에 따라 강도는 증가하나 연신률이 감소하는 특징이 있으며, 온도에 따른 강도 및 크립(Creep) 특성이 300℃까지는 안정되어 있으나 온도 증가에 따라 급격한 강도의 저하가 나타난다. 표 4 및 표 5는 티타늄 합금 종류의 화학 성분을 나타낸 것이고, 표 6은 ASTM 규격 순수 티타늄의 기계적 성질을 나타낸 것이다.

등급	O	N	C	H	Fe	Al	V	Ni	Sn	Mo	Cr	Zr	Pd	Ti
5	0.20	0.05	0.08	0.015	0.40	5.5~6.7	3.5~4.5							나머지
6	0.20	0.05	0.08	0.02	0.50	4.0~6.0			2.0~3.0					나머지
7	0.25	0.03	0.08	0.015	0.30								0.12~0.25	나머지
9	0.15	0.02	0.08	0.015	0.25	2.5~3.5	2.0~3.0							나머지
11	0.18	0.03	0.10	0.015	0.20								0.12~0.55	나머지
12	0.25	0.03	0.08	0.015	0.30			0.6~0.9		0.2~0.4				나머지
16	0.25	0.03	0.08	0.015	0.30								0.04~0.08	나머지
17	0.18	0.03	0.08	0.015	0.20								0.04~0.08	나머지
19	0.12	0.03	0.05	0.015	0.30	3.0~4.0	7.5~8.5			3.5~4.5	5.5~6.5	3.5~4.5		나머지

등급	O	N	C	H	Fe	Al	V	Ni	Sn	Mo	Nb	Si	Ru	Ti
21	0.15	0.05	0.05	0.015	0.40	2.3				14~16	2.2~3.2	3.5		나머지
23	0.13	0.03	0.08	0.0125	0.25	5.5~6.5	3.5~4.5							나머지
26	0.25	0.03	0.08	0.015	0.30								0.08~0.14	나머지
27	0.18	0.03	0.08	0.015	0.20								0.08~0.14	나머지
28	0.15	0.03	0.08	0.015	0.25	2.5~3.5	2.0~3.0						0.08~0.14	나머지
29	0.13	0.03	0.08	0.0125	0.25	5.5~6.5	3.5~4.5						0.08~0.14	나머지

등급	인장 강도 MPa (N/㎟)	내력 MPa (N/㎟)	신율 (%)
1	240 이상	170~310	24 이상
2	345 이상	225~450	20 이상
3	450 이상	380~550	18 이상
4	550 이상	485~655	15 이상

티타늄 합금 규격은 미국의 규격과 일본의 규격으로 나눌 수 있다. 미국의 ASTM 분류방법에 따르면, 등급 1 내지 등급 29로 분류되는데, 등급 1 내지 등급 4는 순수 티타늄을 나타내고, 등급 5 내지 등급 29는 티타늄 합금을 나타낸다. JIS(Japanese Industrial Standards)의 분류방법에 따르면, 순수 티타늄은 JIS 1 내지 JIS 3종, 팔라듐 합금으로는 JIS 11 내지 JIS 13종 등 합금에 따른 JIS 규격으로 나눌 수 있다. 또한 JIS 규격으로 제정되지 않은 티타늄 합금으로서, 합금의 종류에 따라, α합금, 준α합금, α+β합금, β합금의 5종류로 나눌 수 있다. 대표적인 티타늄 합금의 종류와 기계적 특성을 표 7에 나타내었다.

α합금은 다른 합금보다 상온 강도가 낮으나, 저온 안정상이므로 수백도의 고온이 되어도 취약한 상을 석출할 염려가 없어서, 내열 티타늄합금의 기본이 되고 용접성도 좋다. Al, Sn, Zr 등을 첨가하여 α상을 고용 강화한 단일상이며, β합금에 비해 가공성은 떨어진다. 대표적인 합금으로는 Ti-5Al-2.5Sn이 있으며, 고온 강도가 요구되는 항공기용 부품 등에 이용되고 있다. 저온 재료로서도 α형 합금이 적합하다.

준α합금은 안정한 고온특성을 나타내는 α합금의 크립 특성을 개선하기 위해, Al, Zr 등의 첨가에 α상 고용강화와 동시에 1 내지 2%의 β상 안정화원소를 첨가한 것으로, 조직적으로는 α단상에 가까운 합금이고, 고강도의 α합금특성에 우수한 고온특성을 갖추고 있다. Ti-8Al-1Mo-1V 합금이 대표적인 합금이다.

α+β 합금은 α형과 β형의 특징을 겸비하도록 열처리 조건에 의해서 재료 특성을 조절할 수 있다. Ti-6Al-4V 합금이 대표적인 합금이다. 강도는 1,195 내지 950 N/㎟ 정도이고 높은 인성을 가지며, 소성 가공성, 용접성, 주조성도 좋아서 사용하기 쉽고 신뢰성이 큰 합금이다. 가장 널리 사용되는 합금이다.

β형 합금은 V, Mo 등의 β안정화 원소가 다량으로 첨가되는 합금으로, 용체화 처리와 시효에 의해 1,270 N/㎟을 넘는 고강도를 얻을 수 있는 특징이 있다. 용접은 가능하지만, 용접시에는 모재와 동등한 강도를 얻을 수는 없다.

표 7은 티타늄 합금의 종류와 기계적 특성을 나타낸 것으로, 표에서 ST는 용체화 열처리, STA는 용체화 열처리 + 시효처리, DA는 이중소둔을 의미한다.

종류	조직 구분	인장강도 MPa (N/㎟)	내력 MPa (N/㎟)	신율 (%)	열처리
Ti-0.15Pd (JIS Gr.11)	내식합금	270~410	165~	27~	어닐링
Ti-0.15Pd (JIS Gr.12)	내식합금	340~510	215~	23~	어닐링
Ti-0.5Ni-0.05Ru(JIS Gr.22)	내식합금	450~530	275~	20~	어닐링
Ti-0.8Ni-0.9Mo	내식합금	483~	345~	18~	어닐링
Ti-5Al-2.5Sn	α	828~	793~	10~	어닐링
Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.08Si	Near α	930~	860~	10~	STA
Ti-8Al-1Mo-1V	Near α	1000~	930~	10~	DA
Ti-8Al-1Mo-1V	Near α	895~	825~	10~	STA
Ti-6Al-4V (JIS Gr.60)	α+β	895~	825~	10~	어닐링
Ti-6Al-4V(JIS Gr.60E)	α+β	825~	755~	10~	어닐링
Ti-6Al-4V-2Sn	α+β	1035 ~	965~1140	10~	ST
Ti-6Al-4V-2Sn	α+β	1205 ~	1105 ~	8~	STA
Ti-13V-11Cr-3Al	β	860~	825~	10~	ST
Ti-13V-11Cr-3Al	β	1170~	1100~	4~	STA
Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn	β	758~	621~	15~	ST
Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn	β	1241~	1207~	8~	STA

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 티타늄 양극 산화의 포괄적인 공정도로서, 순차적으로 제품입고, 레킹, 탈지, 수세, 마스킹, 에칭, 수세, 양극 산화, 수세, 후처리, 건조, 출하검사, 포장 공정을 거칠 수 있다.

티타늄은 산소와의 높은 친화력으로 표면에 산화 피막을 형성하게 된다. 이러한 자연 산화 피막과 같이 인위적으로 양극 산화 피막을 얻게 되면, 내식성과 내마모성 등이 향상되어 공업적으로 상당히 활용성이 높은 성질을 띠게 된다.

전해질 용액에서 산소 과전압에 필요한 충분히 높은 전압을 인가하여 표면에 산소를 흡착시키는 전기화학적 처리방법으로, 금속표면에서 이온들은 산소와 반응하여 접착력이 양호한 산화 피막을 형성한다.

전처리 공정은 소재의 표면층에 유기 또는 무기 화합물, 먼지, 이물질 등으로 오염되어 있는 물질을 기계적, 화학적 및 전기화학적 방법으로 제거하는 공정으로 알루미늄 양극 산화 전처리 공정과 같다.

기계적 전처리에는 블라스트(blast)법, 버프법, 벨트법이 있으나, 여러 형상의 재질 크기의 연마재를 공기압, 수압, 원심력, 마찰력을 사용하여 소재와 표면층의 오염물을 제거하는 블라스트법이 가장 많이 사용되고 있다.

화학적 전처리의 경우 소재의 종류에 따라 적당한 산, 알칼리, 용제 등을 사용하여 오염물을 용해하여 제거하는 방법으로, 현장에서 많이 사용되고 있고, 구체적으로 탈지와 에칭을 포함할 수 있다.

티타늄 소재도 알루미늄 소재와 같이 가공품이나 기계연마를 한 제품의 표면에는 연마유, 연마재, 잔여물, 용접 후 잔류 플럭스(Flux) 등이 남아 있어, 제거하지 않고 양극 산화를 하게 되면, 피막의 밀착성이 저하되어 양호한 피막을 얻기 힘들게 되므로, 이를 방지하고 에칭에서 좋은 결과를 얻기 위해 화학적 탈지를 하며, 그 대표적인 탈지 처리조건은 표 8과 같다.

	조성	시간(분)	온도(℃)
1	중성세제 10~20%	10~20	30~50
2	NaOH 1~3M	5~20	30~50

양극 산화 공정에서의 에칭은 탈지 후 탈지에서 제거되지 않은 산화 피막이나 소재의 부식된 것 등을 용해 제거하여 균일효과를 얻는 처리법이며, 에칭시간, 약품의 농도 및 온도는 제품에 따라 탄력적으로 운용할 수 있으며, 첨가제를 첨가하여 에칭면의 평활성을 조절할 수 있다. 대표적인 에칭 처리조건은 표 9와 같다.

	조성	시간	온도(℃)
1	2~20% HF + 10~35% HNO₃	10초~2분	30~60
2	0.5~2% HF + 5~10% H₂O₂	30초~1분	40~50
3	HCl 10~20%	30초~2분	50

전기화학적 전처리는 적당한 전해액과 전해 조건에 의해 전해조의 양극에 위치한 모재의 오염물과 요철(凹凸)부위를 평활하게 하는 방법이다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면(미도시), 양극 산화의 포괄적인 공정은 순차적으로 제품입고, 레킹, 중성세제 탈지, 수세, 마스킹, 초음파 수세, 에칭, 수세 1, 수세 2, 양극 산화(아노다이징), 수세, 열탕 처리, 초음파 세척, 건조, 출하검사, 포장 공정을 거칠 수 있다.

레킹(Racking)은 양극 산화될 티타늄이 흔들리지 않도록 복수 개로 형성된 레크(Rack)에 고정시키는 작업을 말한다.

탈지(Skimming)는 소재의 종류에 따라 알칼리 또는 중성세제 등을 사용하여 소재의 표면층에 유기 또는 무기화합물, 오염물을 제거하는 작업을 말한다. 워터 브레이크 프리(water break free)가 일어나야 하며, 최소 30초간 관찰한다. 탈지액의 온도는 30 내지 40℃를 유지할 수 있다. 중성세제 탈지의 경우 1 내지 5분 동안 실시할 수 있다.

탈지 후 수세(Rinse)는 완전한 수세로서, 1 내지 2분 동안 실시할 수 있다.

초음파 수세(Ultrasonic Cleaning)는 초음파를 이용하여 30 내지 40℃에서 1 내지 5분 동안 실시할 수 있다.

마스킹(Masking)의 경우, 마스킹할 면을 깨끗하게 세척하고 탈지한 후, 마스킹 본드 사용시 원액을 6번(바를 때마다 건조 확인 후) 정도 바를 수 있고, 90 내지 130℃ 건조기(오븐)에서 2시간 건조하고 서서히 식힌 후 중성세제 탈지공정 후 에칭 작업을 진행할 수 있다.

에칭(Etching)의 경우 적당한 산으로 화학적으로 돌출부나 스크래치 등을 용해시켜 표면을 고르게 한다. 예를 들어, 에칭액으로 3% HF + 20% HNO₃을 사용할 수 있다. 에칭은 1 내지 30초 동안 실시할 수 있다.

에칭 후 수세 1(Rinse 1) 및 수세 2(Rinse 2)는 완전한 수세로서, 각각 1 내지 2분 동안 실시할 수 있다. 수세조의 pH는 6 내지 7일 수 있다.

양극 산화는 티타늄 및/또는 티타늄 합금을 대상으로 적절한 pH 범위의 전해액을 이용하여 50 내지 120분 동안 실시할 수 있다. 양극 산화로 형성된 산화 티탄 피막은 윤활물질 역할, 박리 방지, 갈바닉 부식 방지, 내마모성 개선 역할을 목적으로 사용될 수 있다.

양극 산화 후 수세(Rinse)는 완전한 수세로서, 5 내지 10분 동안 실시할 수 있다.

열탕 처리(Heated Rinse)의 경우 50 내지 60℃를 유지하여 5 내지 10분 동안 실시할 수 있다.

초음파 세정(Ultrasonic Cleaning)은 초음파를 이용하여 30 내지 40℃에서 1 내지 5분 동안 실시할 수 있다.

건조(Drying)는 90 내지 150℃에서 30시간 정도 실시할 수 있다.

출하검사(Inspection)는 피막 두께 측정을 포함할 수 있다. 피막 두께 측정에서는 2.5 ㎛의 정확도를 갖는 마이크로미터 사용하고, AMS 2488D 규정에 의한 와전류(Eddy current) 방식으로 측정할 수 있다. 피막층은 완전히 밀착되고 색상이 균일해야 하며 매끄러워야한다. 피막 두께와 외관 조건에 만족하지 못하여 재작업시에는 반드시 공인된 품질 검증을 거쳐 재작업을 한다.

포장(Packing)의 경우 제품 완전 건조 후에 재오염에 주의하여 포장한다.

티타늄의 양극 산화는 악세사리, 장식품, 건축 외장재 등으로 활용되는 착색피막, 광촉매용 양극 산화, 임플란트 등 인체삽입용 재료와 인체와 직접 접촉하는 주방기구의 양극 산화, 내마모성을 요하는 항공기 부품용 양극 산화 등에 활용될 수 있다.

티타늄 양극 산화는 사용목적에 따라 양극 산화를 위한 전해액의 조성이 다를 수 있으며, 전해액 조성조건에 따라 양극 산화 피막의 색조와 두께도 다르게 나타날 수 있다. 표 10에서는 전해 조건 중 전해액 조성과 전해 전압에 따른 피막 두께와 색조의 변화를 나타내었다.

시료 No.	전해조건		피막두께 (㎛)	색조
시료 No.	전해액 조성	전해전압(V)	피막두께 (㎛)	색조
1	0.3mol/1-H₃PO₄+1.5mol/1-H₂SO₄	200	3.9	회색
2	0.3mol/1-H₃PO₄+1.5mol/1-H₂SO₄+0.2mol/1-CoSO₄7H₂O	200	2.8	암록색
3	0.3mol/1-H₃PO₄+1.5mol/1-H₂SO₄+0.2mol/1-Co(NH₄)₂ (SO₄)₂6H₂O	200	7.6	회청색
4	0.3mol/1-H₃PO₄+1.0mol/1-H₂SO₄+0.3mol/1-H₂O₂ +0.01mol/1-Cr(SO₄)₃3H₂O	200	3.1	회록색
5	0.3mol/1-H₃PO₄+1.5mol/1-H₂SO₄+0.2mol/1-Al₂(SO₂)₃16.2H₂O	230	6.2	백색
6	0.3mol/1-H₃PO₄+1.5mol/1-H₂SO₄+0.1mol/1-NiSO₄6H₂O	190	4.2	회록색
7	0.3mol/1-H₃PO₄+1.5mol/1-H₂SO₄+0.3mol/1-NiSO₄6H₂O	240	13.2	황토색
8	0.3mol/1-H₃PO₄+1.5mol/1-H₂SO₄+0.1mol/1-CuSO₄5H₂O	190	2.7	갈색
9	0.3mol/1-H₃PO₄+1.5mol/1-H₂SO₄+0.03mol/1-Fe₂(SO₄)₃20H₂O	200	5.6	갈색

이하, 본 발명에 따른 티타늄 양극 산화에 의한 항공재료 제조방법에 대해 구체적으로 설명한다.

본 발명에 따른 양극 산화에 의한 항공재료 제조방법은 전해액이 담긴 양극 산화 장치의 전극에 티타늄 항공재료를 설치하는 단계; 및 상기 티타늄 항공재료에 전압을 인가하여 티타늄 항공재료의 표면에 이산화 티타늄 피막을 형성하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

본 발명에서 전해액은 항공재료에 적합한 물성을 얻기 위해, 알칼리 전해액을 사용하는 것이 바람직하다. 전해액의 pH는 적어도 13 이상, 구체적으로는 13 내지 14인 것이 바람직하다.

본 발명에서 전해액은 상기 알칼리 pH 범위 및 목적하는 물성 등을 충족하기 위해, KOH 7 내지 11 g/L 및 Na₃PO₄ 2 내지 6 g/L을 포함하는 것이 바람직하다. 이 전해액의 제조방법은 30 내지 40℃의 온수에 KOH를 먼저 용해하는 단계, 및 Na₃PO₄를 풀어서 완전히 용해하는 단계를 포함할 수 있다. KOH를 먼저 용해하는 것은 발열반응 등을 고려한 것이다.

본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 양극 산화는 직류(DC) 정류기를 사용하여 총 50 내지 80분 동안 수행하되, 0 내지 50 V까지는 2±1분에 10±2 V씩 승압하고, 51 내지 90 V까지는 2±1분에 5±2 V씩 승압하며, 91 내지 130 V까지는 1600 내지 2000초 동안 수행함으로써, 두께 5 내지 10 ㎛의 피막을 형성할 수 있다.

본 발명에서 전원은 직류 또는 교류를 이용할 수 있다. 본 발명이 적용되는 항공재료의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 베어링 등 모든 항공재료 및 항공 부품에 적용될 수 있다.

항공재료에 사용되는 부품에 대한 양극 산화는 AMS(Aerospace Material Specifications) 2488D 규정을 따를 수 있다. 전해액 pH의 농도가 13.0 이상에서 작업이 이루어져야 하므로, 알칼리 전해액에서 양극 산화가 이루어지며, 이에 따라 고온에서 사용되는 항공재료 부품에 대한 품질을 향상시킬 수 있다. 양극 산화에 의해 형성된 산화 티타늄 피막은 윤활물질 역할을 하여 금속의 마찰이 일어날 때 박리되는 부분을 최소화하도록 내마모성을 개선할 수 있다.

본 발명에서 알칼리 전해액에서의 양극 산화 방법은 크게 두 가지의 형태로 분류할 수 있다.

첫 번째 형태의 피막처리는 고온에서 사용하는 제품에 대한 피막처리로서, 이 형태의 산화 피막 처리는 pH 13 이상의 전해액에서 양극 산화 피막이 형성되어야 하며, 형성된 산화 피막의 두께는 5 내지 10 ㎛가 되어야 한다.

알칼리 전해액은 KOH 9±2 g/L 및 Na₃PO₄·12H₂O 4±2 g/L를 포함하는 것이 좋다. 전해액을 제조할 때에는, 30 내지 40℃ 정도의 온수에 KOH를 먼저 용해한 후 Na₃PO₄·12H₂O를 풀어서 완전히 용해한 다음 사용한다. 그 이유는 KOH는 물에 용해시 발열반응이 일어나 용액의 온도가 상승하므로, 저온에서 쉽게 용해되지 않는 삼인산나트륨을 쉽게 용해할 수 있기 때문이다.

첫 번째 형태의 양극 산화 방법은 5 내지 10 ㎛의 피막 두께를 형성시킬 목적으로 수행되며, 상기 피막 두께를 얻기 위한 처리시간은 총 50 내지 80분일 수 있다. 구체적으로, DC 정류기를 사용하여 0 내지 50 V까지는 2±1분에 10±2 V씩 승압하고, 51 내지 90 V까지는 2±1분에 5±2 V씩 승압하며, 91 내지 130 V까지는 목적하는 피막 두께에 따라 1600 내지 2000초 동안 수행함으로써, 두께 5 내지 10 ㎛의 피막을 형성할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 티타늄 양극 산화 피막 처리 전과 후의 항공재료 사진으로, 상기 첫 번째 형태의 방법을 이용하여 등급 5의 티타늄을 양극 산화 피막 처리한 경우이며, 좌측 사진은 양극 산화 피막처리 전이고, 우측 사진은 양극 산화 피막처리 후이다.

두 번째 형태의 피막처리는 윤활물질을 첨가하지 않고, 베어링 등의 제품에 마찰이 일어날 때 국부적으로 손상되어 박리되는 부분을 방지하기 위한 피막처리 방법으로, 박리방지와 윤활막의 밀착성 개선을 위해, 갈바닉 부식방지를 위한 산화티타늄 피막처리에 해당한다.

두 번째 형태의 양극 산화 방법은 10 내지 20 ㎛의 피막 두께를 형성시킬 목적으로 수행되며, 상기 피막 두께를 얻기 위한 처리시간은 총 80 내지 180분일 수 있다. 전해액은 첫 번째 방법과 동일한 알칼리 전해액을 사용할 수 있다. 구체적으로, DC 정류기를 사용하여 0 내지 50 V까지는 2±1분에 10±2 V씩 승압하고, 51 내지 90 V까지는 2±1분에 5±2 V씩 승압하며, 91 내지 150 V까지는 목적하는 피막 두께에 따라 1600 내지 7000초 동안 수행함으로써, 두께 10 내지 20 ㎛의 피막을 형성할 수 있다.

Claims

전해액이 담긴 양극 산화 장치의 전극에 티타늄 항공재료를 설치하는 단계; 및
상기 티타늄 항공재료에 전압을 인가하여 티타늄 항공재료의 표면에 이산화 티타늄 피막을 형성하는 단계를 포함하고,
양극 산화는 직류 정류기를 사용하여 총 50 내지 80분 동안 수행하되, 0 내지 50 V까지는 2±1분에 10±2 V씩 승압하고, 51 내지 90 V까지는 2±1분에 5±2 V씩 승압하며, 91 내지 130 V까지는 1600 내지 2000초 동안 수행함으로써, 두께 5 내지 10 ㎛의 피막을 형성하는 것을 특징으로 하는 양극 산화에 의한 항공재료 제조방법.
전해액이 담긴 양극 산화 장치의 전극에 티타늄 항공재료를 설치하는 단계; 및
상기 티타늄 항공재료에 전압을 인가하여 티타늄 항공재료의 표면에 이산화 티타늄 피막을 형성하는 단계를 포함하고,
양극 산화는 직류 정류기를 사용하여 총 80 내지 180분 동안 수행하되, 0 내지 50 V까지는 2±1분에 10±2 V씩 승압하고, 51 내지 90 V까지는 2±1분에 5±2 V씩 승압하며, 91 내지 150 V까지는 1600 내지 7000초 동안 수행함으로써, 두께 10 내지 20 ㎛의 피막을 형성하는 것을 특징으로 하는 양극 산화에 의한 항공재료 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 전해액은 pH 13 내지 14의 알칼리 전해액인 것을 특징으로 하는 양극 산화에 의한 항공재료 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 전해액은 KOH 7 내지 11 g/L 및 Na₃PO₄ 2 내지 6 g/L을 포함하되, 30 내지 40℃의 온수에 KOH를 먼저 용해한 후, Na₃PO₄를 풀어서 완전히 용해한 후 사용하는 것을 특징으로 하는 양극 산화에 의한 항공재료 제조방법.
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