KR101451412B1

KR101451412B1 - 마그네슘 합금 판재의 표면 처리 방법

Info

Publication number: KR101451412B1
Application number: KR1020070131950A
Authority: KR
Inventors: 이경황; 박영희; 정재인; 양지훈
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2007-12-17
Filing date: 2007-12-17
Publication date: 2014-10-16
Also published as: KR20090064670A

Abstract

마그네슘 표면 처리 방법에서, 마그네슘 합금 판재를 초음파 세척한다. 이어서 상기 마그네슘 합금 판재에 비활성 가스를 이용한 발생되는 대기압 플라즈마를 제공함으로서 상기 마그네슘 합금 판재의 표면을 세정하고 Mg-OH의 친수성 표면으로 변화시키는 전처리 공정을 수행한다. 그 후, 수분과 발수성을 갖는 유기물을 사용하는 기상유기박막 코팅으로 상기 마그네슘 합금 판재에 유기막을 형성한다. 따라서 간단 용이하면서도 환경 오염이 없고 대면적에 걸쳐 유기 분자막을 형성할 수 있어 마그네슘 합금의 부식성을 효과적으로 방지할 수 있다.

마그네슘 합금, 부식성, 유기물, 유기막, 표면 처리

Description

마그네슘 합금 판재의 표면 처리 방법{METHOD FOR SURFACE MODIFICATION OF MAGNESIUM ALLOY PLATE}

본 발명은 마그네슘 합금 판재의 표면 처리 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 마그네슘 합금 판재의 표면 부식을 방지하기 위한 표면 처리 방법에 관한 것이다.

마그네슘 합금은 우수한 기계 가공성과 높은 진동 감쇠능력, 진동 및 충격에 대한 탁월한 흡수성, 우수한 전자파 차폐특성, 경량성, 높은 비강도 등의 우수한 특성을 가지며 가공적인 측면에서 얇은 판재로서의 성형이 가능하다.

따라서 최근 급속히 컴퓨터, 카메라, 휴대전화 등의 케이스 부품뿐만 아니라 자동차 등의 전통적인 금속 판재를 요구하는 기술 분야에서 수요가 광범위하게 확대되고 있다.

구체적으로 마그네슘은 실용 금속 중 비중이 가장 낮고 비강도가 높은 금속으로 다이 캐스팅과 같은 주조 공법을 통해 전자 부품 및 자동차 부품 등을 제조하여 적용되고 있으며 그 외의 산업 분야에 현재 다양하게 이용되고 있다.

특히, 자동차 산업 분야에서 미국, 일본, 유럽 등의 선진국을 중심으로 이루 어진 국제 환경 협약에 따른 배출 가스 방출 규제 만족을 위한 기술 개발이 가속화되고 있다.

배기가스 배출 규제 대응 방안 중 가장 실용성이 있는 기술로는 차량 경량화 기술이며, 이에 따라 알루미늄 및 마그네슘과 같은 경량 소재의 사용이 증가하고 있다.

또한 최근 고유가 시대를 맞아 차량의 경량화는 자동차 산업에서 중요한 화두가 되고 있으며 일반적으로 차량이 약 1% 경량화 되면 연비가 약 1% 증가하는 것으로 알려져 있을 정도로 경량화는 연비향상과 배기가스 배출 저감에 무엇보다도 중요한 기술로 인정되고 있다.

마그네슘 합금 중 알루미늄 및 아연의 함량이 각각 약 9 중량% 및 약 1 중량%로 하는 주조재인 "AZ91" 마그네슘 합금이 대부분을 차지하고 있었으나, 최근에 국내 회사에서 알루미늄 및 아연의 함량을 각각 약 3중량% 및 약 1중량%로 하는 "AZ31" 마그네슘 합금 판재를 생산함에 따라 압연재를 이용한 차량용 부품 개발에 대한 관심이 고조되고 있다.

"AZ31"마그네슘 합금은 기계적 강도가 높고 성형이 비교적 쉽기 때문에 AZ91, 마그네슘 합금에 비해 많은 장점을 가지고 있다. 그러나, 모든 마그네슘 합금은 습도와 공기가 존재하는 환경에서 실용 금속 중 활성이 큰 금속으로 부식되기 쉽다는 단점을 갖고 있다.

마그네슘 합금은 제품의 최종 공정에 도장을 실시하여 내부식성을 확보하거나, 화성처리, 양극산화, 도금, 코팅 등의 표면처리를 통하여 내식성을 개선하고 있다. 이와 같은 내식성 표면처리는 완제품 연계를 위한 표면처리 방법으로 마그네슘 합금이 유통과정에서 발생하는 일시 방청을 위한 표면 처리법으로는 처리 비용과 후처리 혹은 후가공과의 연계성면에서 적용하기 어렵다.

또한, 화성처리, 양극산화, 도금의 습식 공정은 공정 중 발생하는 폐액 처리가 까다롭고 환경부담이 크며 건식 코팅은 진공 배기와 코팅 공정에 비교적 큰 비용이 소요되고 처리면적에 한계가 있다는 단점을 갖고 있다.

본 발명의 목적은 마그네슘 합금의 문제점인 내식성을 개선하여 유통과정 중 발생하는 부식을 억제하고 제품의 성형 및 후가공에 영향을 주지 않는 표면 처리 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 마그네슘 합금 판재를 초음파 세척한다. 그 후, 상기 마그네슘 합금 판재에 비활성 가스를 이용하여 발생되는 대기압 플라즈마를 제공함으로서 상기 마그네슘 합금 판재의 표면을 세정하고 Mg-OH의 친수성 표면으로 변화시키는 전처리 공정을 수행한다. 그리고 수분과 발수성을 갖는 유기물을 사용하는 기상유기박막 코팅으로 상기 마그네슘 합금 판재에 유기막을 형성한다.

상기 유기물은 말단기가 CH3 또는 CF3로 탄소수가 10 내지 18의 알킬체인을 갖는 CH3-R-Si(OCH3)3 또는 CF3-R-Si(OCH3)3(여기에서, R은 C9-C17 알킬렌기이다.)의 실레인(silane)계 분자로 증발점이 약 150℃ 이하일 수 있다. 그리고 기상유기 박막 코팅은 약 100℃ 내지 약 150℃의 온도에서 약 1 시간 내지 약 2 시간 수행될 수 있다. 또한, 상기 마그네슘 합금 판재에 유기막을 형성한 후 제품을 형성하기 위한 후가공에서 상기 유기막의 제거가 필요한 경우, 상기 유기막에 대기압 산소 플라즈마를 조사하여 상기 유기막을 제거할 수도 있다.

본 발명에 따르면 화성처리, 양극산화, 도금 등의 습식공정과 건식코팅 공정의 단점을 극복하고, 마그네슘 합금의 가장 큰 문제점인 내식성을 개선하여 유통과정 중 발생하는 부식을 억제하고, 제품의 성형 및 후가공에 영향을 주지 않는 코팅 박막을 형성할 수 있다.

또한, 간단 용이하면서도 환경 오염이 없고 대면적에 걸쳐 유기 분자막을 형성할 수 있으며, 후가공시 손쉽게 막을 제거하여 마그네슘 합금 판재의 일시 방청을 효과적으로 할 수 있다.

이하, 첨부되는 도면들을 참조하여 마그네슘 합금 판재의 표면 처리 방법에 대해서 상세하게 설명하겠지만, 본 발명이 하기의 실시예들에 제한되는 것은 아니다. 따라서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 첨부된 도면에서 구성 요소들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시될 수 있다.

실시예 1

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 마그네슘 합금 판재의 표면 처리 방법을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 마그네슘 합금 판재를 초음파 세척한다(S10). 마그네슘 합금 판재를 초음파 세척함으로서 이물질 등을 제거할 수 있다. 본 실시예에 따르면 초음파 세척시 아세톤 및 알콜을 순차적으로 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

이어서, 마그네슘 합금 판재에 대기압 플라즈마를 사용하여 전처리 공정을 수행한다(S20).

도 2는 전처리 공정을 수행하는데 사용되는 대기압 플라즈마 전처리 장치의 개략적인 정면도이며 도 3은 도 2에 도시된 대기압 플라즈마 전처리 장치의 개략적인 측면도이다.

도 2 및 3을 참조하면, 대기압 플라즈마 전처리 장치는 개략적으로 MF 전원(1), 전극(2) 및 피처리물 지지대(3)로 구성된다. 구체적으로 서로 마주하는 한 쌍의 전극(2)이 갭을 사이에 두고 일 방향으로 연장하는 형태로 구비된다. 피처리물 지지대(3)는 가열이 가능한 재질로 이루어지며 전극(2)의 하부에 좌우로 이동가능하도록 배치된다. MF 전원(1)은 전극(2) 및 피처리물 지지대(3)의 사이에서 전압차를 발생시키도록 구비된다.

한 쌍의 전극(2) 사이의 갭으로부터 질소 가스등의 비활성 가스가 피처리물 지지대(3) 상에 위치하는 마그네슘 합금 판재인 피처리물(4)에 제공될 수 있다. 이 때 피처리물 지지대(3)는 좌우로 움직여 대기압 하에서 형성된 플라즈마(5)에 의해 피처리물(4)은 표면이 세정되고 Mg-OH의 친수성 표면으로 변화된다.

도 1을 다시 참조하면, 수분과 발수성을 갖는 유기물을 사용하는 기상유기박막 코팅으로 피처리물인 마그네슘 합금 판재에 유기막을 형성한다(S30).

구체적으로 우선 전처리 공정을 수행한 후 피처리물인 마그네슘 합금 판재에 표면처리를 준비한다.

도 4는 마그네슘 합금 판재에 표면처리를 준비하는 과정을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.

도 4를 참조하면, 상온 대기압 하에서 반응기(6)를 구비한다. 그 후, 전처리된 피처리물(4)과 유기물을 담은 용기(7)를 반응기(6)내부에 투입하여 반응기(6)를 밀봉한다. 여기서 용기(7)는 소형 비이커 형태일 수 있으나 피처리물(4)의 크기에 따라서 크기 및 형상이 다양하게 변경될 수 있다.

이 때, 마그네슘 합금의 내식성 향상을 위해서 상기 유기물은 수분과 발수성을 갖는 유기물인 것이 바람직하다. 구체적으로, 말단기가 CH3 또는 CF3로 탄소수가 10 내지 18의 알킬체인을 갖는 CH3-R-Si(OCH3)3 또는 CF3-R-Si(OCH3)3(여기에서, R은 C9-C17 알킬렌기이다.)의 실레인(silane)계 분자로 증발점이 약 150℃ 이하인 유기물이 이용되는 것이 바람직하다.

이어서 피처리물(4)인 마그네슘 합금 판재에 기상유기박막코팅으로 표면처리를 수행한다. 구체적으로 반응기(6)를 밀봉한 후 설정 온도로 조절된 전기로(8)에 반응기(6)를 투입하여 피처리물(4)에 유기막을 형성한다.

여기서 유기막을 형성하기 위해서 전기로를 이용하여 승온되는 반응기(6)의 온도가 약 100℃미만인 경우, 유기물의 기화가 용이하게 이루어지지 않아 유기막의 증착율이 낮아진다는 문제점이 있다. 반면에 승온되는 반응기(6)의 온도가 약 150℃를 초과하는 경우, 손실되는 유기물의 손실이 많아짐에 따라 사용 유기물에 따른 적절한 온도 조절이 추가적으로 필요하다. 따라서 승온되는 반응기(6)의 온도는 약 100℃ 내지 약 150℃일 수 있다.

표면처리를 수행하는 시간은 유기물의 종류에 따라 달라질 수 있으나 표면처리를 수행하는 시간이 약 1시간 미만인 경우, 유기막이 불완전하게 증착될 수 있다는 문제점이 있다. 반면에 표면처리를 수행하는 시간이 약 2시간을 초과하는 경우, 유기막의 반응이 종료됨으로 공정 시간을 고려한 증착시간을 최소화하여 공정 시간을 단축하는 것이 필요하다. 따라서 표면처리를 수행하는 시간은 약 1시간 내지 약 2시간일 수 있다.

상기 용기(7)에 담겨진 유기물은 마그네슘 합금 표면에서 유기 분자의 메톡시기와 축합 반응에 따른 공유결합을 통해서 유기 분자막을 형성한다. 이때, 분자와 분자 사이에는 반데르발스 힘이 작용하여 반응 사이트에 한 개의 분자가 배열하는 단분자막 두께의 유기막이 형성된다.

이어서, 유기막으로 도포된 마그네슘 합금 판재에 후가공 공정을 수행하여 제품을 형성한다. 여기서 마그네슘 합금 판재에 도포된 유기막은 마그네슘 합금 표면에서 충분한 발수성을 갖고 수분과 표면의 접촉 차단막으로써 역할을 하여 후가공 공정 전 또는 후가공 공정에서 마그네슘 합금 판재의 내식성을 향상시키게 된다.

실시예 2

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 마그네슘 합금 판재의 표면 처리 방법을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다. 도 5에서 설명되는 마그네슘 합금 판재의 표면 처리 방법은 도 1 내지 4에서 설명된 방법과 유기막을 제거하는 단계를 제외 하고 실질적으로 동일한바 중복되는 설명은 생략한다.

도 5를 참조하면, 마그네슘 합금 판재에 표면 처리 공정을 통해서 유기막을 형성한 후 후가공 중 유기막의 제거가 필요한 경우 도 2 및 3에서 설명된 대기압 플라즈마 전처리 장치를 사용하여 대기압 산소 플라즈마를 조사하여 유기막을 전체 또는 부분적으로 제거한다(S40). 이어서 후가공 공정을 진행하여 원하는 제품을 형성한다.

예를 들어, 마그네슘 합금의 후가공 중 특히 도장을 실시해야하는 경우에는 유기막을 제거해야만 도장 밀착성을 확보할 수 있다. 이때에는 대기압 산소 플라즈마를 조사하여 유기물 막을 전체 또는 부분적으로 제거하며 표면의 세정 효과를 더하여 도장의 밀착성 향상에 도움을 줄 수 있다.

염수 분무 시험

탄소수가 18이고 알킬체인을 갖는 CH3-R-Si(OCH3)3(여기에서, R은 C9-C17 알킬렌기이다.)의 실레인(silane)계 분자로 증발점이 약 120℃인 유기물을 사용하여 반응기의 온도를 약 150℃로 하여 약 1시간 30분 동안 기상유기박막코팅으로 유기막을 형성한 마그네슘 합금 판재를 준비하였다. 그리고 유기막을 형성하지 않은 마그네슘 합금 판재를 준비하였다.

상술한 두 개의 마그네슘 합금 판재에 염수를 분무한 후 분무 직후로부터 0 hr, 24 hrs 및 72 hrs 가 지난 후 표면 사진을 촬영하여 부식 정도를 확인하였다.

도 6은 유기물막으로 표면처리한 마그네슘 합금 판재와 무처리한 마그네슘 합금 판재의 시간에 따른 염수에 대한 부식 정도를 촬영한 사진이다.

도 6을 참조하면, 0 hr의 경우 실질적으로 차이가 없으나 24 hrs 및 72 hrs로 갈수록 무처리한 마그네슘 합금 판재에서 염수에 대한 부식이 많이 발생함을 알 수 있었다. 따라서 마그네슘 합금 판재에 도포된 유기막이 후가공 공정 전 또는 후가공 공정에서 마그네슘 합금 판재의 내식성을 향상시킴을 알 수 있었다.

본 발명은 화성처리, 양극산화, 도금 등의 습식공정과 건식코팅 공정의 단점을 극복하고, 마그네슘 합금의 가장 큰 문제점인 내식성을 개선하여 유통과정 중 발생하는 부식을 억제하고, 제품의 성형 및 후가공에 영향을 주지 않는 코팅 박막을 형성할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예들을 참조하여 마그네슘 합금 판재의 표면 처리 방법을 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 2는 전처리 공정을 수행하는데 사용되는 대기압 플라즈마 전처리 장치의 개략적인 정면도이다.

도 3은 도 2에 도시된 대기압 플라즈마 전처리 장치의 개략적인 측면도이다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 마그네슘 합금 판재의 표면 처리 방법을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다.

Claims

마그네슘 합금 판재를 초음파 세척하는 단계;

상기 마그네슘 합금 판재에 비활성 가스를 이용하여 발생되는 대기압 플라즈마를 제공함으로서 상기 마그네슘 합금 판재의 표면을 세정하고 Mg-OH의 친수성 표면으로 변화시키는 전처리 공정을 수행하는 단계; 및

수분과 발수성을 갖는 유기물을 사용하는 기상유기박막 코팅으로 상기 마그네슘 합금 판재에 유기막을 형성하는 단계를 포함하는 마그네슘 합금 판재의 표면 처리 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 유기물은 말단기가 CH3 또는 CF3로 탄소수가 10 내지 18의 알킬체인을 갖는 CH3-R-Si(OCH3)3 또는 CF3-R-Si(OCH3)3의 실레인(silane)계 분자로 증발점이 150℃ 이하인 마그네슘 합금 판재의 표면 처리 방법.

(R은 C9-C17 알킬렌기이다.)
제 1 항에 있어서, 상기 기상유기 박막 코팅은 100℃ 내지 150℃의 온도에서 1 시간 내지 2 시간 수행되는 마그네슘 합금 판재의 표면 처리 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 마그네슘 합금 판재에 유기막을 형성한 후 제품을 형성하기 위한 후가공에서 상기 유기막의 제거가 필요한 경우, 상기 유기막에 대기압 산소 플라즈마를 조사하여 상기 유기막을 제거하는 단계를 더 포함하는 마그네 슘 합금 판재의 표면 처리 방법.