KR101433832B1

KR101433832B1 - 내식성을 강화한 마그네슘 케로나이트 방법

Info

Publication number: KR101433832B1
Application number: KR1020130012411A
Authority: KR
Inventors: 조호현
Original assignee: 조호현
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2014-08-26
Also published as: KR20140099690A

Abstract

본 발명은, 마그네슘 케로나이트 방법에 관한 것으로, 마그네슘 판재를 전처리하는 전처리 단계와; 상기 전처리 단계 후에 케로나이트 전해질 내에 300~700V의 전압을 가하고, 상기 전해질 내에 상기 마그네슘 판재를 넣어 플라즈마 반응이 일어나게 하고, 상기 마그네슘 판재의 표면상에 다수의 기공이 형성되는 다공성 피막층을 형성하고, 상기 다공성 피막층의 기공에 친수성 CNT 입자를 침투시키는 케로나이트 공정 및 CNT 침지단계; 상기 CNT 침지단계에서 발생된 이물질을 제거한 다음 상기 마그네슘 판재의표면에 잔존하는 수분을 증발 또는 건조시키는 건조단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

내식성을 강화한 마그네슘 케로나이트 방법{Magnesium keronite method for improving corrosion resistance}

본 발명은 마그네슘 케로나이트 방법에 관한 것으로, 상세하게는, 케로나이트 공정에서 다공성 피막층의 기공에 CNT 입자가 침투되어 내식성을 강화시킬 뿐만 아니라 암회색의 고급색상을 구현하는 마그네슘 제품의 제조방법에 관한 것이다.

현재 주방용품으로 사용되는 냄비, 그릇, 후라이팬, 컵, 식판 등은 플라스틱, 스테인레스강, 알루미늄 합금 등의 소재를 사용하여 다양한 형태로 제조되고 있다. 여기서, 비중이 큰 강(鋼) 소재로 구성된 주방용품의 경우는 무게가 무겁고 부식이 되는 문제가 있어, 내부식성이 있고 가벼운 소재인 알루미늄 합금의 주방용품이 많이 이용되고 있는 실정이다.

그러나, 알루미늄의 경우 인체에 흡수되어 축적될 경우 독성을 나타내어 인체에 유해한 영향을 미칠 수 있어, 새로운 소재를 사용한 제품에 대한 개발이 절실히 요구되는 실정이다.

한편, 마그네슘은 실용금속 중에 가장 낮은 비중으로 경량성이 있고, 탄성이 좋고 뛰어난 전자파 차폐성을 가지며, 기타 다른 금속에 비하여 주조성, 강도, 절삭 가공성, 진동 흡수성 등이 우수한 특징이 있다.

이러한 마그네슘의 경량성과 고강도의 특성에 따라, 자동차 부품, 휴대용 전자부품, 휴대폰, 노트북 케이스 등 다양한 분야에서 널리 활용되고 있어, 이를 후라이팬, 냄비 등 주방용품에도 적용하고자 하는 시도가 있다.

이러한 시도로서, 한국특허출원 10-2009-0029995(마그네슘합금 판재를 사용한 주방용기 및 그 제조방법)과 같이, 마그네슘합금으로 된 평판 소재를 프레스를 이용하여 열간 드로잉 공법으로 단조 성형한 후, 규소강판을 부착시켜 제조한 것으로 도 1을 참조하여 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 마그네슘 판재를 사용한 주방용기(100)는, 마그네슘 판재를 용기형태로 형성하여 이루어진 몸체(40)와, 상기 몸체의 내부 표면에 테프론 또는 세라믹이 코팅되어 이루어진 코팅층(80)을 포함하여 이루어진다.

그러나, 마그네슘 자체의 속성이 화학적으로 반응성이 매우 큰 금속이기 때문에, 공기중에서도 부식이 급속히 진행되는 단점이 있어, 종래의 마그네슘 판재를 사용한 주방용기에서도 내부식성 문제가 꾸준히 대두되고 있고 이를 강화하는 요구는 여전한 문제점으로 남아 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 케로나이트 공정에서 다공성 피막층의 기공에 CNT 입자가 침투되어 내식성을 강화시킬 뿐만 아니라 암회색의 고급색상을 구현할 수 있어 심미감도 향상시킬 수 있는 마그네슘 제품의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은, 마그네슘 아노다이징 방법에 있어서, 마그네슘 판재를 전처리하는 전처리 단계와; 상기 전처리 단계 후에 케로나이트 전해질 내에 300~700V의 전압을 가하고, 상기 전해질 내에 상기 마그네슘 판재를 넣어 플라즈마 반응이 일어나게 하고, 상기 마그네슘 판재의 표면상에 다수의 기공이 형성되는 다공성 피막층을 형성하고, 상기 다공성 피막층의 기공에 친수성 CNT 입자를 침투시키는 케로나이트 공정 및 CNT 침지단계; 상기 CNT 침지단계에서 발생된 이물질을 제거한 다음 상기 마그네슘 판재의표면에 잔존하는 수분을 증발 또는 건조시키는 건조단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 CNT 침지단계는, 상온의 24~26℃의 온도조건과, 15~30분의 침지시간의 조건에서 처리되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 전처리 단계는, 상기 마그네슘 판재를 적용 제품에 적합한 형상으로 가공하는 형상가공단계; 상기 형상가공단계가 완료된 마그네슘 판재 표면의 유지 및 유기오염물을 제거하는 침지탈지단계; 상기 침지탈지단계가 완료된 마그네슘 판재의 표면이나 입자 사이에 존재하는 편석물, 산화물 또는 이형제 등의 표면층에 섞여있는 부분을 제거하는 화학에칭단계; 상기 화학에칭단계가 완료된 마그네슘 판재의 표면에 형성된 산 및 불화 마그네슘 피막을 개질시키는 중화단계; 상기 마그네슘 판재의 스머트를 제거하는 디스머트단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 건조단계 전에 상기 다공성 피막층의 기공을 막는 봉공단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 마그네슘 판재를 이용한 제품은, 상기 제품에 적합한 형태로 성형된 몸체와, 상기 몸체를 케로나이트 공정 및 CNT 침지단계로 표면 처리한 다음 제1 코팅층 및 넌스틱 방지를 위한 제2 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 마그네슘 제품의 제조방법은, 케로나이트 공정에서 다공성 피막층의 기공에 CNT 입자가 침투되어 내식성 및 방열성을 강화시킬 뿐만 아니라 암회색의 고급색상을 구현할 수 있어 심미감도 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래의 마그네슘 판재를 사용한 주방용기(100)를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 마그네슘 판재를 사용한 주방용기(200)를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마그네슘 판재를 이용한 제품의 제조공정을 나타낸 플로우 차트이다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마그네슘 판재를 이용한 제품의 제조 공정을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 냄비, 후라이팬 등 주방용기(200)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 몸체(140)는 마그네슘 판재로 이루어지는데, 상기 마그네슘 판재는 프레스 성형 또는 기타의 방법으로 성형된 몸체(140)를 케로나이트 공정 및 CNT 침지공정으로 표면처리한 다음 제1차 세라믹 코팅층(160) 및 제2차 세라믹 넌스틱 코팅층(미도시)의 2단계 코팅을 행한다. 여기서, 제1차 세라믹 코팅층은 코팅속으로 음식물이 침투하는 것을 방지하여 부식을 완화시켜 주는 기능을 하며, 제2차 세라믹 넌스틱(Nonstick) 코팅층은 강한 접착력으로 코팅과 주방용기의 결합을 강하고 오래 유지시키며 눌러 붙지 않도록 넌스틱을 강화시킨다.

이하에서는 본 발명에 따른 마그네슘 판재를 이용한 제품의 케로나이트 공정 및 CNT 침지공정을 위주로 자세히 설명하며, 각 공정 이후에 진행될 수 있는 수세공정은 생략하며, 크게 전처리 공정과, 케로나이트 공정 및 CNT 침지공정과, 건조공정으로 나눌 수 있다.

또한, 전처리공정은 형상가공공정(S100)과, 침지탈지공정(S110)과, 화학에칭공정(S120)과, 중화공정(S130) 및 디스머트 공정(S140)으로 나눌 수 있다.

먼저, 소정의 두께를 가지는 마그네슘 판재를 일정한 형상으로 가공하는 형상가공공정(S100)을 실시한다. 이때, 형상가공공정(S100)은 가령, 후라이팬, 냄비 등과 같이 적용되는 제품에 적합한 형상으로 가공된다.

이후, 상기 형상가공공정(S100)이 완료된 마그네슘 판재의 표면 유지 및 유기오염물을 제거하는 침지탈지공정(S110)을 구현한다. 이때, 상기 침지탈지공정(S110)은 상기 형상가공공정(S100)에서 발생되거나, 마그네슘 판재의 표면상에 있는 유지 및 유기 오염물을 탈지액을 사용하여 제거하는 공정이다. 상기 침지탈지공정에서 사용할 수 있는 탈지액은 유기오염물을 제거할 수 있는 것이며, 특히 조성은 한정되지 않으나 계면활성제를 함유한 알칼리성 수용액을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 탈지액의 알칼리염으로는 수산화물, 인산염, 규산염, 탄산염 등을 적용할 수 있다. 그리고, 계면활성제로서는 비이온계, 양이온계, 음이온계 중의 어느 것이라도 적용할 수 있다. 더욱이 탈지효과를 높이기 위해 킬레이트를 배합해도 좋다. 탈지액을 마그네슘 판재에 접목시키는 온도와 시간은 특히 한정되지 않으나, 마그네슘 판재 표면의 오염의 정도에 따라 60~80℃, 5~15분의 범위내에서 접근시키는 것이 바람직하다. 그리고, 탈지액의 농도는 마그네슘 판재 표면의 오염의 정도, 탈지액 성분 등에 따라 적절히 설정한다. 피처리물인 마그네슘 판재의 표면이 이형제에 의해 과도하게 오염되어 있거나 산화막층이 극히 두껍게 성장해 있을 경우에는 탈지에 앞서 마그네슘 판재 표면에 쇼트 블라스트를 할 수 있다.

이와 같이 침지탈지 공정을 정리하면 다음 표1 과 같다.

탈지제(ND-7)의 농도	200~300ml/l
탈지 온도	60~80℃
탈지 시간	5~15분
액교반 방식	공기 교반
초음파	26kHZ(Sweep 방식)

상기 침지탈지공정(S110)이 완료되면, 여러번의 수세과정을 거치게 된다. 이러한 수세과정은 상기 침지탈지공정(S110)을 거치면서 표면에 묻어있는 유기용제 및 불순물 등을 깨끗하게 세척하는 과정이며, 이는 일반적인 흐르는 물을 이용하여 상온에서 처리하는 공정으로, 각 공정 후의 수세과정에 대해서는 이하에서 생략한다.

이후, 상기 침지탈지공정(S110) 및 수세과정이 완료되면, 마그네슘 판재의 표면에 화학에칭공정(S120) 및 중화공정(S130)을 거치게 된다.

상기 화학에칭공정(S120)은 마그네슘 판재의 표면이나 입자 사이에 존재하는 편석물, (금속간 화합물 등) 산화물 또는 이형제등의 표면층에 섞여있는 부분을 제거하는 공정이다. 또한, 표면의 자연 산화막 및 부식 생성물을 제거한다. 이 화학에칭공정(S120)은 마그네슘 판재의 연마 작용도 동시에 갖고 있는데, 에칭제의 능력이 저하하면, 편석물이나 부식 생성물이 제거되지 않고 특히 부식 부분이 흑색화한다. 이와 같은 상태로 되면 양극산화 피막 처리가 정상적으로 되지 않고, 피막의 밀착 불량이 발생한다. 또한, 에칭처리 후 마그네슘 판재의 표면이 거칠어지면(오버 에칭) 피막의 밀착성이 저하된다.

이와 같이, 화학에칭공정을 정리하면 표 2와 같다.

에칭제(EMS)의 농도	300~350 g/l
용액 온도	60~70℃
액교반 방식	공기 교반
처리 시간	5~10 분

상기 화학에칭공정(S120)이 완료되면, 중화공정(S130)이 실시된다. 중화공정(S130)은 에칭 공정에서 판재 표면에 형성된 산 및 불화 마그네슘 피막을 본 공정에서 의해서 표면이 개질되고 디스머트(Desmut) 공정을 원활하게 하기 위한 공정이다. 또한, 에칭 공정 중의 산이 디스머트 공정액에 혼입되지 않기 위해서 필요한 공정이다. 이와 같이, 중화공정을 정리하면 표 3과 같다.

중화제(구연산)의 농도	20~50 g/l
용액온도	70~80℃
처리시간	10~25 분

상기 중화공정(S130)이 완료되면, 에칭공정에서 생긴 스머트(Smut)를 제거하는 디스머트 공정(S140)이 실시된다. 이때, 디스머트 공정(S140)은 화학에칭공정에 의해 표면에 잔존하는 스머트, 즉 에칭에 의해 발생한 부식 생성물이나 에칭되지 않고 남아있는 합금성분 등의 잔류물의 제거를 목적으로 한다. 디스머트액으로서는 상기 마그네슘 판재 표면에 잔존한 스머트를 제거할 수 있는 것이면 산 또는 알칼리성 수용액 등을 사용할 수 있다. 디스머트액의 농도, 온도, 시간 등의 조건은 마그네슘 판재 표면의 스머트의 부착강도, 사용하는 디스머트액의 성분에 따라 적절히 조절된다. 이와 같이 디스머트 공정을 정리하면, 표 4와 같다.

디스머트액(NaOH)의 농도	100~150 g/l
용액 온도	60~70℃
액교반 방식	공기교반법
처리 시간	10~13분

상기 침지탈지공정(S110), 화학에칭공정(S120), 중화공정(S130) 및 디스머트공정(S140)의 전처리공정이 완료되면, 마그네슘 판재의 표면에 다수의 기공이 형성되는 다공성 피막층을 형성하는 케로나이트 공정 및 CNT 침지공정(S150)이 실시된다.

상기 케로나이트 공정(또는 코팅)은, 플라즈마 전해 산화(Plasma electrolytic oxidation) 코팅 기법이며, 전해액 내에 마그네슘 판재를 침지한 상태에서 그 표면에 제한적인 플라즈마 방전을 유도한 뒤, 그 에너지를 이용하여 상기 마그네슘 판재의 표면을 세라믹층으로 변이시켜 극도 치밀성과 밀착성이 우수한 세라믹 박막을 얻는 것이다. 이때, 케로나이트 공정은 케로나이트(Keronite) 전해질 내에 전압 300~700V의 전압을 가하고, 상기 마그네슘 판재를 넣어 플라즈마 반응이 일어나게 하고, 마그네슘 판재의 표면상에 산화피막층의 개질처리가 이루어진다.

상기 케로나이트 공정 중에 친수성 탄소나노튜브(CNT) 분말을 첨가하는 CNT 침지공정(S150)이 실시된다. 상기 CNT 침지공정(S150)은 상기 케로나이트(Keronite) 전해질 내에 300~700V의 전압을 가하고, 전해질의 온도는 상온의 25℃ 전후(가령 24~26℃)이고, 상기 전압의 인가시간은 15~30분 PEO(Plasma Electrolytic Oxidation) 처리한다. 이때, 다공성 피막을 생성한 후 전해조에 친수성 CNT 분산액을 침지시켜 상기 다공성 피막층의 무수한 기공에 CNT 입자를 침투시켜서 형성한다. 상세하게는, CNT 분말과 물을 일정한 비율로 교반하여 분산시킨 분산액에 마그네슘 판재을 침지시키면, CNT 입자는 상기 다공성 피막의 기공속에 침투될 수 있다. 상기 CNT는 전기전도성이 좋은 물질이며 흑연면이 대롱형태로 말린 속이 비어 있는 형태로, 그 입자는 작고 무게대비 비표면적이 어떤 물질보다 크며, 우수한 전도성과 물리적인 강도 및 열전달성이 우수하며 입자의 크기가 나노사이즈의 입자이므로, 용이하게 기공에 침투될수 있으며 내식성 및 방열성을 구현하는데 유리하다. 상기 CNT 침지공정(S150)을 정리하면 표 5와 같으며, 이를 표 6의 기존의 아노다이징 공정과 비교하면 다음과 같다.

전압(V)	온도(℃)	침지시간(min)
300	5	15분
400	10	15분
500	15	15분
600	20	15분
700	25	15분

전압(V)	온도(℃)	침지시간(min)
80	5	3분
90	10	3분
100	15	3분
110	20	3분
120	25	3분

상기 CNT 침지공정에서, 전해액은 기존의 마그네슘 아노다이징시 온도인 15℃ 전후에서 상온의 25℃ 전후로 상향 조정하여 보다 고온에서 산화 피막층을 형성하는 것이 바람직하다. 이는, 고온에서 기공이 넓어지는 기공 확장의 효과를 구현할 수 있고, 이에 따라, 상온에서의 케로나이트 공정을 통해 확장된 상기 다공성 피막의 기공에서 보다 손쉽게 CNT 입자가 침투될 수 있는 효과가 있다.

또한, 전기분해 시간이 길어지고, 전류밀도가 높을수록 다공성 피막층의 두께는 두꺼워지므로, 상기 다공성 피막층은 통전량에 비례하도록 300~700V의 플라즈마 방전을 유도하고, 침지시간은 기존 3분에서 최소 15~ 최대 30분의 시간을 늘려 경질의 다공성 피막층이 형성되게 한다. 이때, 표 5 및 표 6의 공정 조건은 온도는 5~25℃ 범위내에서 각 5℃ 간격 범위로 측정하고, 기존 아노다이징시의 전압은 70~130V 범위내에서 각 10V 범위로 측정하였고, 케로나이트 공정의 전압은 300~700V 범위내에서 각 100V 범위로 측정하였다.

이와 같이, 다공성 피막층의 기공에 CNT 입자가 침투됨에 따라 산화 피막층을 형성한 마그네슘 판재의 표면은 다공질의 방열효과 및 내식성을 강화하는 효과를 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 마그네슘 판재가 소정의 색상(암회색)을 형성하므로 착색효과도 구현할 수 있다. 상기 CNT 침지공정에 따른 방열효과 시험을 표 5의 CNT 침지공정 조건과 표 6의 기존 아노다이징 공정 조건에 따라 비교하면 다음과 같다.

시험 조건	Mg 아노다이징		케로나이트 공정후 CNT 처리
	실제온도(℃)	접촉 테스트온도(℃)	실제온도(℃)	접촉테스트 온도(℃)
측정온도	50	49	50	44
온도변화	-1℃		-6℃

즉, 히트 싱크(Heat sink)에서 표 7의 조건에 따라 본 발명에 따른 방열효과 시험을 살펴보면, 상기 CNT 침지공정에 따라 기존 마그네슘 아노다이징 공정보다 5℃ 이상의 높은 방열성능으로 방열성을 개선하는 효과가 있음을 확인할 수 있다.

그리고, 상기 CNT 침지공정(S150)이 완료되면, 또 다시 수세과정을 거쳐서, 상기 CNT 침지공정(S150)에서 발생된 이물질을 제거한 다음 아노다이징 표면에 잔존하는 수분을 증발 또는 건조시키는 건조공정(S160)이 실시된다. 이때, 상기 건조는 상온에서 자연 건조도 실시하나 열풍히터나 적외선 건조 등에 의한 오븐 건조가 바람직하다. 또한, 상기 건조공정(S160) 전에 상기 다공성 피막층의 기공을 막는 봉공단계가 더 추가될 수 있다. CNT 입자의 경우 분산력이 좋아 침투력이 우수하나 상기 봉공단계는 미침투된 나머지 부분을 채우는 과정으로, 상기 다공성 피막층의 내식성을 보다 강화할 수 있다.

100, 200: 마그네슘 판재을 이용한 주방용기
40, 140: 몸체
80, 160: 코팅층

Claims

마그네슘 케로나이트 방법에 있어서,
마그네슘 판재를 전처리하는 전처리 단계와;
상기 전처리 단계 후에 케로나이트 전해질 내에 300~700V의 전압을 가하고,상온의 24~26℃의 온도 조건과 15~30분의 침지시간의 조건에서 상기 전해질 내에 상기 마그네슘 판재를 넣어 플라즈마 반응이 일어나게 하고, 상기 마그네슘 판재의 표면상에 다수의 기공이 형성되는 다공성 피막층을 형성하고, 상기 다공성 피막층의 기공에 친수성 CNT 입자를 침투시키는 케로나이트 공정 및 CNT 침지단계;
상기 CNT 침지단계에서 발생된 이물질을 제거한 다음 상기 마그네슘 판재의표면에 잔존하는 수분을 증발 또는 건조시키는 건조단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 케로나이트 방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 전처리 단계는,
상기 마그네슘 판재를 적용 제품의 형상으로 가공하는 형상가공단계;
상기 형상가공단계가 완료된 마그네슘 판재 표면의 유지 및 유기오염물을 제거하는 침지탈지단계;
상기 침지탈지단계가 완료된 마그네슘 판재의 표면이나 입자 사이에 존재하는 편석물, 산화물 또는 이형제 등의 표면층에 섞여있는 부분을 제거하는 화학에칭단계;
상기 화학에칭단계가 완료된 마그네슘 판재의 표면에 형성된 산 및 불화 마그네슘 피막을 개질시키는 중화단계;
상기 마그네슘 판재의 스머트를 제거하는 디스머트단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 케로나이트 방법.
제1항에 있어서,
상기 건조단계 전에 상기 다공성 피막층의 기공을 막는 봉공단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 케로나이트 방법.
제1항에 있어서,
상기 마그네슘 판재를 이용한 제품은, 상기 제품의 형상으로 성형된 몸체와, 상기 몸체를 케로나이트 공정 및 CNT 침지단계로 표면 처리한 다음 제1 코팅층 및 넌스틱 방지를 위한 제2 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 케로나이트 방법.