KR101609555B1 - 마그네슘 기판의 표면처리방법 - Google Patents

마그네슘 기판의 표면처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마그네슘 기판의 표면처리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마그네슘 기판의 표면을 실리카층으로 코팅하고, 실리카층에 발생되는 핀홀 또는 크랙을 통해 노출되는 마그네슘 기판의 표면에는 산화피막층을 형성하여, 고내식성을 제공하는 마그네슘 기판의 표면처리방법에 관한 것이다.

Description

마그네슘 기판의 표면처리방법{method of surface treatment for magnesium substrate}
본 발명은 마그네슘 기판의 표면처리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마그네슘 기판의 표면을 실리카층으로 코팅하고, 실리카층에 발생되는 핀홀 또는 크랙을 통해 노출되는 마그네슘 기판의 표면에는 산화피막층을 형성하여, 고내식성을 제공하는 마그네슘 기판의 표면처리방법에 관한 것이다.
마그네슘은 경량이면서 비중이 낮고, 비강도가 크며, 우수한 주조성, 절삭성, 치수 안정성 및 내흠집성을 갖으며, 재활용성도 우수한 것으로 알려져 있다.
따라서, 마그네슘 기판은 자동차부품, 가전기기, 휴대용 전자제품 등으로 다양하게 응용되고 있고, 자동차의 경량화를 위한 금속재료로 적합한 것으로 평가되고 있으며, 가전제품의 경량화, 내충격성, 진동흡수성 및 전자파 차단성을 향상시킬 수 있는 것으로 알려져 있다.
한편, 마그네슘 기판은 내식성 증대, 제품의 외관 특성 및 내마모 특성 등의 표면 기능을 향상시키기 위하여 표면처리를 수행하게 된다.
마그네슘 기판의 표면처리는 최종 제품의 사용 조건, 마그네슘 합금의 종류 등에 따라 적합한 표면처리 공정을 적용하고 있는데, 먼저, 탈지, 산세, 세정 및 표면조정 등의 전처리 공정을 수행한 다음, 화성처리(chemical coating treatment), 양극 산화, 전기도금, 무전해 도금 및 도장과 같은 표면처리 공정을 수행되고 있다.
일반적으로, 화성처리 공정의 경우, 마그네슘 기판의 표면에 화학 피막을 형성하는 화학적 처리방법으로서, 방식(防蝕) 및 도장 하지(primer)용 피막, 금속 착생 등에 이용되며 환경조건이 상대적으로 깨끗하고 부식조건이 심하지 않은 환경에 주로 적용되고 있었다.
다만, 화성처리 공정의 경우에는 6가 크롬을 함유하는 화성처리액에 마그네슘 기판을 침적시키는 방식으로 널리 사용되고 있어서, 중금속인 6가 크롬은 인체에 치명적일 뿐만 아니라 심각한 환경오염을 유발하는 문제점이 발생되어 왔다.
또한, 6가 크롬을 이용한 화성처리 공정을 대체하고자 인산마그네슘에 지르코늄, 티탄 또는 아연 등의 금속을 첨가하는 방식의 비크롬산염을 이용한 화성처리 공정도 제안되었으나, 장시간이 소요되는 긴 처리 공정으로 인한 실용성이 결여되고, 내식성에 적합하지 못한 문제점이 발생되고 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 본 발명의 목적은 종래의 화성처리 공정에 비해 환경오염 및 인체에 대한 유해성이 낮으면서도, 염수에 의한 부식을 방지할 수 있도록 내식성을 향상시킬 수 있는 마그네슘 기판의 표면처리 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술된 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 마그네슘 기판의 표면 처리방법에 있어서, 상기 마그네슘 기판의 표면을 제1 실리카층으로 코팅하는 단계; 상기 제1 실리카층이 코팅된 상기 마그네슘 기판을 열처리하는 단계; 및 상기 제1 실리카층에 발생되는 핀홀 또는 크랙을 통해 노출되는 상기 마그네슘 기판의 표면에 산화피막층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 기판의 표면 처리방법을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 산화피막층을 형성하는 단계는 플라즈마 전해 산화(Plasma Electrolytic Oxidation)를 이용한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 플라즈마 전해 산화는 상기 마그네슘 기판에 30초 내지 120초 동안 전류밀도 0.005A/cm2 내지 0.02A/cm2로 인가시킨다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 실리카층은 0.1㎛ 내지 0.5㎛ 사이의 특정 두께이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 실리카층 상에 제2 실리카층을 코팅하는 단계를 더 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제2 실리카층은 0.3㎛ 내지 0.8㎛ 사이의 특정 두께이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 실리카층 형성을 위한 실리카 코팅용액은 염기성이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 실리카 코팅용액은 0.1몰 내지 1.0몰의 테트라에틸 오소실리케이트(Tetraethyl orthosilicate, TEOS), 0.1몰 내지 1.0몰의 글리시딜옥시프로필트리메톡시실란(3-glycidyloxylpropyl trimethoxysilane, GPTMS), 5몰 내지 15몰의 에탄올, 1몰 내지 10몰의 증류수 및 0.01몰 내지 0.1몰의 수산화나트륨을 포함한다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 갖는다.
본 발명의 마그네슘 기판의 표면처리방법에 의하면, 화성처리 공정에 비해 환경오염 및 인체에 대한 유해성이 낮으면서도, 염수에 의한 부식을 방지할 수 있도록 내식성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 마그네슘 기판의 표면처리 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 표면처리된 마그네슘 기판을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 표면처리된 마그네슘 기판에 염수분무를 하였을 때의 부식 정도를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 표면처리된 마그네슘 기판에 동전위를 수행한 결과를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따라 표면처리된 마그네슘 기판에 전기화학 임피던스 측정결과를 보여주는 도면이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하 첨부한 도면 및 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 본 발명을 설명하기 위해 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 마그네슘 기판의 표면처리 방법을 나타내는 흐름도이며, 도 2는 본 발명에 따라 표면처리된 마그네슘 기판을 보여주는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 마그네슘 기판의 표면 처리방법은 마그네슘 기판에 실리카층 및 산화피막층으로 코팅하여, 내식성이 향상되도록 하기 위한 것으로, 먼저, 상기 마그네슘 기판(10)을 준비한다.(S1000)
이때, 상기 마그네슘 기판(10)에 존재하는 먼지 및 유분등의 이물질을 제거하기 위하여, 상기 마그네슘 기판(10)을 95중량% 에탄올에 담가 4분 내지 6분 동안 초음파 세척한 후 상온에서 에어제트 세척(air rinse)을 수행한다.
다음, 준비된 상기 마그네슘 기판(10)의 표면을 제1 실리카층(110)으로 코팅한다.(S2000)
상기 제1 실리카층(110)은 딥 코팅(Dip coating)방식을 이용하여, 실리카 코팅용액에 침지하여 형성할 수 있으며, 4 내지 6mm/sec의 상승속도로 딥 코팅 하였다.
이때, 제1 실리카층(110)은 0.1㎛ 내지 0.5㎛의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 실리카 코팅용액은 염기성 실리카 코팅용액으로 상기 마그네슘 기판(10) 변색 방지에 효율적이다.
또한, 상기 실리카 코팅용액은 0.1몰 내지 1.0몰의 테트라에틸 오소실리케이트(Tetraethyl orthosilicate, TEOS), 0.1몰 내지 1.0몰의 글리시딜옥시프로필트리메톡시실란(3-glycidyloxylpropyl trimethoxysilane, GPTMS), 5몰 내지 15몰의 에탄올, 1몰 내지 10몰의 증류수 및 0.01몰 내지 0.1몰의 수산화나트륨으로 구성되는 것이 바람직하다.
이는 상기 테트라에틸 오소실리케이트의 몰 농도가 0.1몰 미만인 경우에는 상기 코팅층의 경도가 약화되고, 코팅층의 두께가 감소되며, 1.0몰을 초과할 경우에는 용액의 젤화 및 코팅층 형성 후 크랙으로 인한 박리가 발생되기 때문이다.
또한, 상기 글리시딜옥시프로필트리메톡시실란이 0.1몰 미만인 경우에는 유기 리간드의 부족으로 인한 내식성이 저하되고, 1.0몰을 초과할 경우에는 많은 유기 리간드의 형성으로 경도가 저하되기 때문이다.
또한, 상기 에탄올이 5몰 미만인 경우에는 공통용매의 부족으로 불균일한 반응 진행되어 반응속도가 저하되고, 15몰을 초과하게 되면 코팅용액의 점도가 낮아져 코팅용액으로서의 실용성이 저하되기 때문이다.
또한, 상기 증류수가 1몰 미만인 경우에는 낮은 가수분해율로 인한 축합반응이 이루어지지 않게 되고, 10몰을 초과할 경우에는 높은 가수분해율로 젤화현상이 발생된다.
또한, 상기 수산화나튜름이 0.01몰 미만일 경우에는 가수분해율이 저하되고, 코팅용액의 젤화시간이 빨라지게 되어 코팅용액의 안정성이 저하되고, 0.1몰을 초과하게 되면 실리카의 용해도가 증가하여 코팅용액의 안정성이 저하되기 때문이다.
다음, 상기 제1 실리카층(110)이 코팅된 상기 마그네슘 기판(10)을 열처리시킨다.
이때, 상기 열처리는 건조오븐에서 100℃ 내지 220℃의 특정 온도조건으로 1시간 동안 수행한다.
다음, 열처리가 종료되고, 상기 제1 실리카층(110)이 코팅된 상기 마그네슘 기판(10)에 산화피막층(120)을 형성하는 단계가 수행된다.(S3000)
상기 마그네슘기판(10)에 상기 실리카 코팅용액이 침지된 이후부터, 상기 제1 실리카층(110)에 핀홀 또는 크랙(111)이 발생되게 되고, 상기 핀홀 또는 크랙(111)을 통해 노출되는 상기 마그네슘 기판(10)의 표면에 상기 산화피막층(120)을 형성시킨다.
이는 상기 핀홀 또는 크랙(111)을 통해 노출된 상기 마그네슘 기판(10)의 표면에 전기적으로 절연체의 특성과 고내식성의 특성을 지니고 있는 상기 산화피막층(120)을 형성시키므로, 마그네슘 기판(10)의 표면을 보호할 수 있게 되는 것이다.
상기 산화피막층(120)은 플라즈마 전해 산화(Plasma Electrolytic Oxidation, PEO) 공정을 이용하여 형성할 수 있다.
또한, 상기 플라즈마 전해 산화 공정을 이용하면, 상기 마그네슘 기판(10)의 표면에 MgO 또는 Mg(OH)2와 같은 결정구조를 갖는 코팅막이 형성된다.
이때, 상기 플라즈마 전해 산화를 이용하여, 상기 산화피막층(120)을 형성할 때 사용되는 전해액은 NaAlO2 및 KOH를 준비한 후 증류수를 혼합하여 이루어진다.
여기서, 상기 전해액은 KOH가 혼합된 알칼리성 전해액이므로 별도의 전처리 공정을 수행하지 않아도 알칼리 처리의 기능이 수행된다.
또한, 상기 제1 실리카층(110)이 코팅된 상기 마그네슘 기판(10)을 상기 전해액에 담가 양극으로 배치하고, 스테인리스강을 음극으로 배치한 후 전원을 인가하여, 상기 산화피막층(120)을 형성하게 된다.
이때, 상기 마그네슘 기판(10)에 인가되는 총 전류밀도는 0.4A/cm2 내지 0.8A/cm2 사이로 설정하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 총 전류밀도는 특정 시간 동안 상기 마그네슘 기판(10)에 인가된 전류밀도의 총합을 의미한다.
또한, 상기 마그네슘 기판(10)에 상기 산화피막층(120)을 형성한 이후에는 표면에 남아있는 알칼리성 전해액의 제거를 위하여, 에어제트 세척을 수행하는 것이 바람직하다.
다음, 상기 제1 실리카층(110) 상에 제2 실리카층(130)을 코팅하는 단계가 더 수행될 수 있다.(S4000)
이는 상기 플라즈마 전해 산화 공정 이후에도 상기 제1 실리카층(110)에 존재하는 상기 핀홀 또는 크랙(111)이 제2 실리카층(130)에 의해 보호되므로, 상기 마그네슘 기판(10)의 내식성을 보다 향상시킬 수 있는 것이다.
또한, 상기 제2 실리카층(130)이 코팅된 이후에도 추가적으로 실리카층을 코팅하여, 상기 실리카층을 1 내지 n개로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 실리카층(130)을 코팅하기 위한 코팅용액은 상기 실리카 코팅용액과 동일하게 이용하였다.
다만, 상기 실리카 코팅용액은 상기 제1 실리카층(130)을 코팅하기 위한 상기 실리카 코팅용액으로 제한되는 것은 아니며, 무기 코팅용액, 유기 코팅용액, 유무기 코팅용액, 실리카 나노입자 첨가된 실리카 코팅용액 등의 실리카 전구체로 합성된 모든 실리카 코팅용액이 이용될 수 있다.
이때, 상기 제2 실리카층(130)은 0.3㎛ 내지 0.8㎛ 사이의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
이후, 상기 제 2 실리카층(130)을 코팅한 이후에 100℃ 내지 220℃의 특정 온도조건으로 1시간 동안 열처리시켜 표면처리를 완료하게 된다.
도 3은 본 발명에 따라 표면처리된 마그네슘 기판에 염수분무를 하였을 때의 부식 정도를 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 비교예로 제1 실리카층 및 제2 실리카층이 코팅된 마그네슘 기판을 비교예1로 준비히였고, 실시예로 제1 실리카층, 산화피막층 및 제2 실리카층이 코팅된 마그네슘 기판을 실시예1로 준비하였다.
상기 비교예1 및 상기 실시예1을 염수로 72시간 동안 분무한 후, 시간의 경과에 따라 부식정도를 관찰한 결과, 실시예1의 경우 72시간이 경과하여도 별도의 부식이 발생하지 않아 내식성이 매우 높은 것을 확인할 수 있었으나, 비교예1의 경우에는 24시간이 경과한 시점부터 부식이 발생하여, 내식성이 매우 낮은 것으로 확인되었다.
도 4는 본 발명에 따라 표면처리된 마그네슘 기판에 동전위 ( Potentiodynamic polarization Scan)를 하였을 때의 부식 정도를 보여주는 도면이다.
도 4를 참조하면, 비교예로 제1 실리카층이 코팅된 마그네슘 기판을 비교예2로 준비히였다.
또한, 실시예로 제1실리카층, 산화피막층 및 제2 실리카층이 코팅된 마그네슘 기판을 실시예1로 준비하였고, 제1 실리카층, 산화피막층이 코팅된 마그네슘 기판을 실시예2로 준비하였다.
상기 비교예2 및 상기 실시예1, 실시예2을 동전위 시험 후, 전위에 따른 전류밀도의 변화를 관찰한 결과, 실시예1, 실시예2의 경우 비교예2의 경우보다 전위가 높아 부식의 속도가 상대적으로 느리게 나타나고, 실시예1의 경우 비교예2 경우보다 부식전류밀도가 감소함으로 산화환원 반응 작용이 낮아 부식의 양이 적게 나타남을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따라 표면처리된 마그네슘 기판에 전기화학 임피던스 측정 (Electrochemical impedance spectroscopy)를 하였을 때의 부식 정도를 보여주는 도면이다.
도 5를 참조하면, 비교예로 제1 실리카층이 코팅된 마그네슘 기판을 비교예2로 준비히였다.
또한, 실시예로 제1실리카층, 산화피막층 및 제2 실리카층이 코팅된 마그네슘 기판을 실시예1로 준비하였고, 제1 실리카층, 산화피막층이 코팅된 마그네슘 기판을 실시예2 로 준비하였다.
상기 비교예2 및 상기 실리예1, 실시예2을 전기화학 임피던스 시험 후, 주파수에 따른 저항의 변화를 관찰한 결과, 실시예1, 실시예2의 경우 비교예2의 경우보다 저항이 크게 증가함으로 내부식 특성이 향상됨을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 마그네슘 기판의 표면처리방법은 마그네슘 기판(10)의 표면에 실리카 코팅층 및 산화피막층이 형성되는 이중 코팅구조의 표면처리를 수행하여, 마그네슘 기판의 내식성을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
10 : 마그네슘 기판
110 : 제1 실리카층
111 : 핀홀 또는 크랙
120 : 산화피막층
130 : 제2 실리카층

Claims (8)

  1. 마그네슘 기판의 표면 처리방법에 있어서,
    상기 마그네슘 기판의 표면을 제1 실리카층으로 코팅하는 단계;
    상기 제1 실리카층이 코팅된 상기 마그네슘 기판을 열처리하는 단계; 및
    상기 제1 실리카층에 발생되는 핀홀 또는 크랙을 통해 노출되는 상기 마그네슘 기판의 표면에 산화피막층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 제1 실리카층 형성을 위한 실리카 코팅용액은 염기성이고, 상기 실리카 코팅용액은 0.1몰 내지 1.0몰의 테트라에틸 오소실리케이트(Tetraethyl orthosilicate, TEOS), 0.1몰 내지 1.0몰의 글리시딜옥시프로필트리메톡시실란(3-glycidyloxylpropyl trimethoxysilane, GPTMS), 5몰 내지 15몰의 에탄올, 1몰 내지 10몰의 증류수 및 0.01몰 내지 0.1몰의 수산화나트륨을 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 기판의 표면 처리방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 산화피막층을 형성하는 단계는 플라즈마 전해 산화(Plasma Electrolytic Oxidation)를 이용하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 기판의 표면 처리방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 플라즈마 전해 산화는 상기 마그네슘 기판에 30초 내지 120초 동안 전류밀도 0.005A/cm2 내지 0.02A/cm2로 인가시키는 것을 특징으로 하는 마그네슘 기판의 표면 처리방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 실리카층은 0.1㎛ 내지 0.5㎛ 사이의 특정 두께인 것을 특징으로 하는 마그네슘 기판의 표면 처리방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 실리카층 상에 제2 실리카층을 코팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 기판의 표면 처리방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제2 실리카층은 0.3㎛ 내지 0.8㎛ 사이의 특정 두께인 것을 특징으로 하는 마그네슘 기판의 표면 처리방법.
  7. 삭제
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