KR101701268B1 - 마그네슘 합금용 플라즈마 전해 산화용 전해액 및 이를 이용한 전해산화방법 - Google Patents

마그네슘 합금용 플라즈마 전해 산화용 전해액 및 이를 이용한 전해산화방법 Download PDF

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Abstract

마그네슘 합금용 플라즈마 전해 산화용 전해액으로, 상기 전해액은 KOH 및 NaOH로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 수산화물; KF 및 NaF로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 불화물; NaSiO3 및 Na2SiF6로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 규산염; 및 NaH2PO4 및 Na4P2O7로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 인산염을 포함하며, 상기 전해액에서 상기 규소 및 인(Si/F)의 당량비는 1 내지 1.2인 것을 특징으로 하는, 마그네슘 합금용 플라즈마 전해 산화용 전해액이 제공된다.

Description

마그네슘 합금용 플라즈마 전해 산화용 전해액 및 이를 이용한 전해산화방법{Electrolyte solution for PEO on magnesium alloy and PEO method using the same}
본 발명은 마그네슘 합금용 플라즈마 전해 산화용 전해액에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내마모성과 내식성이 모두 우수한 마그네슘 합금용 플라즈마 전해 산화용 전해액 및 이를 이용한 전해산화방법에 관한 것이다.
일반적으로 마그네슘은 비중이 1.74로 알루미늄합금의 2/3, 티타늄합금의 1/3, 철의 1/4에 해당하는 상용 금속재료 중 가장 가벼운 재료이다. 또한 비강도, 전자파 차폐성, 방열성, 진동흡착력 등 우수한 특성을 보유하고 있어, 자동차용 부품, 휴대용 전자기기 케이스류, 레저 및 스포츠용품, 첨단 우주항공소재 등의 산업분야에서 그 사용이 점점 증가하고 있다. 그러나 상기와 같은 뛰어난 성질을 가지고 있는 반면, 마그네슘 합금은 활성이 큰 금속으로 알칼리 및 산에 모두 부식되며, 특히 산에는 매우 취약한 단점을 가지고 있다. 또한, 상온에서 염분이나 물과 접하게 되면 매우 격렬하게 부식이 진행되기 때문에 이러한 부식을 방지하기위한 표면처리과정을 반드시 거쳐야 하는 번거러움을 가지고 있다.
이러한 마그네슘 합금의 내부식성 등을 향상시키기 위한 다양한 표면처리 방법이 사용되고 있으며, 이중 하나는 플라즈마 전해산화(PEO) 공정이다. 대한민국 특허출원 2012-0037363호는 마그네슘 제품 표면의 세라믹 코팅을 위한 규산염 포함 플라즈마 전해 산화용액 조성물을 제공한다.
또한 공개특허 US 2009-0250351,공개특허 CN 103469280,등록특허 KR 1419778 등은 인산염과 규산염을 모두 사용하는 전해액 조성을 제공하고 있으나, 정확히 인산염과 규산염의 혼합 사용에 따른 관계와 이에 따른 각 유효성분의 기능과 효과를 개시하고 있지 못하는 상황이다.
특히 기계적 마모와 부식이 동시에 일어나는 로드 휠과 같은 기계부품에 대한 전해액 개발은 아직도 개시되지 못한 상황이다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 플라즈마 전해산화시 마그네슘 합금의 내구성과 내식성을 모두 향상시킬 수 있는 새로운 마그네슘 합금소재의 플라즈마 전해산화 전해액 및 이를 이용한 마그네슘 합금 플라즈마 전해산화방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 마그네슘 합금용 플라즈마 전해 산화용 전해액으로, 상기 전해액은 KOH 및 NaOH로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 수산화물; KF 및 NaF로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 불화물; NaSiO3 및 Na2SiF6로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 규산염; 및 NaH2PO4 및 Na4P2O7로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 인산염을 포함하며, 상기 전해액에서 상기 규소 및 인(Si/F)의 당량비는 1 내지 1.2이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 플라즈마 전해 산화용 전해액은, NaOH 30g/l; NaF 20g/l; NaSiO3 10g/l; NaH2PO4 10g/l 및 Na4P2O7 10g/l로 이루어진다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 마그네슘 합금은 자동차 부품 소재이며, 상기 자동차 부품은 로드 휠일 수 있다.
본 발명은 또한 상술한 전해액을 이용한 마그네슘 합금 전해산화방법으로, 상술한 전해액에, 마그네슘 합금을 침지시키는 단계; 하기 조건에 따라 상기 침지된 마그네슘 합금을 전해산화시키는 단계를 포함하는, 마그네슘 합금 전해산화방법을 제공한다.
- 온도: 섭씨 15 내지 30
- 시간: 300 내지 1800초
- 전압: 0.5 내지 4A/dm2
- 전류밀도: 150 내지 380V
- 전원: DC 펄스
본 발명의 일 실시예에서, 상기 마그네슘 합금 전해산화방법에 의하여 상기 차량용 로드휠에는 10 내지 13 ㎛ 두께의 피막이 형성된다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 마그네슘 합금은 자동차 부품 소재이며, 상기 자동차 부품은 로드 휠일 수 있다.
본 발명에 따르면, 인과 규소계 물질을 적정 범위로 사용하여, 마그네슘 합금 소재의 내마모성과 내식성을 동시에 적정 수준으로 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 전해액을 이용하면, 로드 휠과 같이 내식성과 내마모성이 요구되는 자동차 부품의 특성을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1 내지 3은 각각 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 내마모 실험 결과이다.
도 4는 본 실험 결과를 그래프로 정리한 결과이다.
도 5는 광학현미경으로 측정된 로드 휠 표면피막의 분석결과이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 마그네슘 합금용 플라즈마 전해산화용 전해액 및 이를 이용한 마그네슘 합금 플라즈마 전해산화방법에 대하여 설명하기로 한다.
이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아님은 당연할 것이다. 따라서, 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 균등한 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.
또한 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여, KOH 및/또는 NaOH를 포함하는 수산화물; KF 및/또는 NaF를 포함하는 불화물; NaSiO3 및/또는 Na2SiF6를 포함하는 규산염; 및 K4P2O7, KH2PO4, NaH2PO4 및 Na4P2O7의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 인산염을 포함하는 전해액을 제공한다.
특히 본 발명자는 전해액 상태에서 용해된 규소와 인의 당량비(Si/P)가 1 내지 1.2인 경우, 마그네슘 합금에서 가장 중요한 요구조건인 내식성과 내마모성이 만족스러운 수준까지 향상되는 점을 발견하였다. 만약 규소가 상기 당량비 범위보다 과량인 경우, 내마모성은 우수하나 내식성 향상이 충분하지 않으며, 반대로 인이 상기 당량비 범위보다 과량인 경우 내식성은 향상되나 내마모성 향상이 충분하지 않다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전해액은 이러한 인과 규소의 적정한 범위의 동시 사용을 통하여 마그네슘 합금의 내식성과 내마모성을 동시에 향상시킬 수 있으므로, 로드 휠과 같은 자동차 부품의 플라즈마 전해산화에 사용될 수 있다.
이하 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
실시예
탈지 및 중화
먼저 마그네슘 합금소재의 로드 휠을 산으로 탈지하고, 염기용액으로 중화시켰다. 상기 마그네슘 합금 로드 휠의 탈지와 중화는 종래의 일반적 방법에 따라 진행되므로, 이에 대한 상세한 설명은 이하 생략한다.
플라즈마전해산화
하기 조성의 탈이온수 기반 전해액에 상기 탈지 및 중화 과정을 거친 로드 휠을 침지시켰다.
- 전해액 조성: NaOH 30g/l; NaF 20g/l; NaSiO3 10g/l; NaH2PO4 10g/l 및 Na4P2O7 10g/l
이후, 하기 조건에 따라 상기 로드 휠을 전해산화시켰다.
- 온도: 섭씨 15 내지 30
- 시간: 300 내지 1800초
- 전압: 0.5 내지 4A/dm2
- 전류밀도: 150 내지 380V
- 전원: DC 펄스
분석
내마모 특성 개선효과
상기 조성에 따라 전해액에서 해리된 상태의 실리콘(Si)과 인(P)의 당랑비(Si/P)는 1.15이었다. 하지만, 하기 조건과 같이 실리콘과 인의 당량비를 조절한 비교예를 구성하고, 이에 따른 휠의 내식성과 내마모성 개선 효과를 비교실험하였다.
Si/P 당량비
실시예 1.15
비교예 1 1.4
비교예 2 0.8
도 1 내지 3은 각각 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 내마모 실험 결과이다. 본 내마모 실험은 Taber Tester를 이용하여 진행하였다.
도 1 내지 3의 실험결과를 참조하면, 실리케이트계 물질이 과량인 비교예 1과 실시예 1의 경우 휠의 내마모 특성이 우수하였으나, 실리케이트계 물질이 소량인 비교예 2의 경우(도 3) 내마모 특성이 나쁘다는 것을 알 수 있다.
내식성 특성 개선효과
VersaSTAT3(Princeton Applied Research사 제품)을 이용하여 피막의 부식특성을 측정하였다.
하기 표는 본 실험에서의 실험조건과 그 결과이다.
Ecorr[V] Icorr[A] 부식저항 Rp[Ωcm2]
실시예 -1.55 4.49E-07 1.57E+05
비교예 1 -1.529 1.23E-06 4.24E+04
비교예 2 -1.527 2.37E-07 2.14E+05
도 4는 본 실험 결과를 그래프로 정리한 결과이다.
상기 표의 실험결과를 참조하면, 인이 과량인 비교예 2가 가장 우수한 부식저항 특성이었으며, 그 다음으로 실시예와 비교예 1이 뒤따랐다. 특히 실리콘이 과량인 비교예 1의 경우 부식저항이 현저히 떨어지는 것을 알 수 있다.
피막 특성 분석
도 5는 광학현미경으로 측정된 로드 휠 표면피막의 분석결과이다.
도 5를 참조하면, 실시예의 경우, 상대적으로 치밀한 구조의 피막이 10 ㎛ 수준으로 형성되는 것을 알 수 있다.
특히 비교예 2의 경우, 하얀 점과 균일하지 않은 색상으로 부터 알 수 있듯이 균일하지 않은 피막이 로드 휠 표면에 형성되는 것을 알 수 있으며, 비교예 1의 경우, 치밀하나 과도하게 얇게 피막이 형성되는 것을 알 수 있다. 즉, 피막의 두께가 10 내지 13 ㎛에서 내식성과 내마모성이 모두 우수하며 치밀한 피막이 형성된다.
이상의 실험결과를 종합하면, 규소 및 인(Si/F)의 당량비가 1 내지 1.2 범위인 경우, 내식성과 내마모성이 동시에 개선되는 것을 알 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (8)

  1. 마그네슘 합금용 플라즈마 전해 산화용 전해액으로, 상기 전해액은
    KOH 및 NaOH로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 수산화물;
    NaF인 불화물;
    NaSiO3인 규산염; 및
    NaH2PO4 및 Na4P2O7가 동일 중량비인 인산염을 포함하며,
    상기 전해액에서 규소 및 인(Si/P)의 당량비는 1 내지 1.2인 것을 특징으로 하며, 자동차 부품 소재인 로드 휠용 플라즈마 전해 산화용 전해액.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 플라즈마 전해 산화용 전해액은,
    NaOH 30g/l;
    NaF 20g/l;
    NaSiO3 10g/l;
    NaH2PO4 10g/l 및
    Na4P2O7 10g/l로 이루어진 것을 특징으로 하는, 자동차 부품 소재인 로드 휠용 플라즈마 전해산화용 전해액.
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