KR102119722B1 - 알루미늄-실리콘 합금 시편의 표면처리방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 알루미늄-실리콘 합금의 표면처리방법에 관한 것으로, 상기 알루미늄-실리콘 합금 시편의 표면처리방법은 플라즈마 산화처리 방법으로 상기 합금 시편의 표면에 보다 빠르게 산화물 피막을 형성시킬 수 있다. 또한, 합금 시편의 표면을 연마한 후 플라즈마 산화처리하여 산화물 피막을 형성시킴으로써 합금 시편 표면과 산화물 피막과의 계면 밀착력을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 크랙 등의 불량 발생도 방지할 수 있다. 나아가, 산화물 피막 형성 후 열처리 단계를 추가 수행하는 경우, 산화물 피막 내 기공, 크랙 등을 봉공(sealing) 처리할 수 있어 합금 시편의 내마모성을 보다 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 알루미늄-실리콘 합금 시편의 표면처리방법에 관한 것이다.
냉매용 압축기 중 스크롤 압축기는 타 압축기에 비해 소형화 가능한 간단한 구조이며, 소음/진동이 적고 효율이 우수하여 냉/공조 시스템에 확대 적용되고 있다. 상기 스크롤 압축기의 소재로는 주로 주철이 사용되었으나, 현재는 알루미늄 합금으로 대체되고 있다. 이로 인해, 강도 및 내마모성 등과 같은 기계적인 특성이 우수하고 경량인 알루미늄 합금에 대한 개발이 요구되고 있다. 이에, 알루미늄 합금의 표면에 산화물 피막을 형성시켜 기계적 특성을 향상시키는 방법들이 제안되었다.
양극 산화처리방법은 알루미늄 합금과 같은 금속 소재의 표면에 산화물 피막을 형성시키는 일반적인 방법들 중 하나이다. 상기 양극 산화처리방법은 금속 소재를 산 및 염기성 전해액 속에서 양분극 처리하여 소재의 표면에 산화물 피막을 형성하는 방법이다. 상기 양극 산화처리방법으로 형성된 산화물 피막은 수 마이크로미터의 두께를 가지며, 부식, 마모, 외부 충격 등으로부터 금속 소재의 표면을 보호하는 역할을 한다.
그러나, 상기 양극 산화처리방법은 최대 인가 전압이 50 V로 낮아, 금속 소재의 표면에 원하는 두께의 산화물 피막을 형성하는데 비교적 긴 시간이 소요되어 공정 효율이 떨어진다는 문제가 있다. 예를 들어, 알루미늄-실리콘 합금의 표면에 약 20 ㎛ 두께의 산화물 피막을 형성하기 위해서는, 양극 산화처리를 약 2시간 이상 수행해야 한다. 또한, 상기 양극 산화처리방법을 적용할 경우 금속 소재의 모서리 부분에 산화물 피막이 형성될 때 크랙이 발생한다는 문제가 있다.
이에, 보다 빠르고 효율적인 방법으로 금속 표면을 처리하는 다양한 방법들이 소개되었다. 일례로, 한국 등록특허 제10-1214400호는 규산나트륨(sodium silicate) 및 수산화나트륨을 포함하고, Na2CrO7H2O, (NH4)6Mo7O24·4H2O 및 5(NH4)2O·12WO3·11H2O 등을 첨가한 전해액을 이용하여 알루미늄계 금속의 표면을 처리하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 상기 방법은 고가의 시료를 포함하는 전해액을 사용하고 있어 경제적이지 못하다는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 산화처리 시간이 짧아 생산 효율이 높고, 비용 절감 측면에서 보다 경제적이며, 크랙이 없는 산화물 피막을 표면에 형성할 수 있는 알루미늄-실리콘 합금 시편의 표면처리방법을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, (1) 알루미늄-실리콘 합금 시편의 표면을 연마하는 단계; 및 (2) 상기 합금 시편의 표면을 전해액 중에서 플라즈마 산화처리하는 단계를 포함하는 알루미늄-실리콘 합금 시편의 표면처리방법을 제공한다.
본 발명에 따른 알루미늄-실리콘 합금 시편의 표면처리방법은 플라즈마 산화처리 방법으로 상기 합금 시편의 표면에 보다 빠르게 산화물 피막을 형성시킬 수 있어, 공정 시간 및 효율을 향상시킬 수 있다. 나아가, 종래 기술에서 사용하는 전해액들보다 저렴한 화합물을 사용함으로써 비용을 절감할 수 있다. 또한, 합금 시편의 표면을 연마한 후 플라즈마 산화처리하여 산화물 피막을 형성시킴으로써 합금 시편 표면과 산화물 피막과의 계면 밀착력을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 크랙 등의 불량 발생도 방지할 수 있다. 나아가, 산화물 피막 형성 후 열처리 단계를 추가 수행하는 경우, 산화물 피막 내 기공, 크랙 등을 봉공(sealing) 처리할 수 있어 합금 시편의 내마모성을 보다 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 알루미늄-실리콘 합금 시편의 표면처리방법의 순서도이다.
도 2는 실시예 4 및 비교예 4에서 얻은 알루미늄-실리콘 합금 시편의 표면을 주자전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진이다.
도 2는 실시예 4 및 비교예 4에서 얻은 알루미늄-실리콘 합금 시편의 표면을 주자전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진이다.
본 발명은 이하에 개시된 내용에 한정되는 것이 아니라, 발명의 요지가 변경되지 않는 한 다양한 형태로 변형될 수 있다.
본 명세서에서 "포함"한다는 것은 특별한 기재가 없는 한 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 본 명세서에 기재된 구성성분의 양, 반응 조건 등을 나타내는 모든 숫자 및 표현은 특별한 기재가 없는 한 모든 경우에 "약"이라는 용어로써 수식되는 것으로 이해하여야 한다.
본 발명의 알루미늄-실리콘 합금 시편의 표면처리방법은, (1) 알루미늄-실리콘 합금 시편의 표면을 연마하는 단계; 및 (2) 상기 합금 시편의 표면을 전해액 중에서 플라즈마 산화처리하는 단계를 포함한다.
단계 (1)
본 단계는 알루미늄-실리콘 합금의 표면을 연마하여 경면(鏡面)을 만드는 단계이다. 구체적으로, 알루미늄-실리콘 합금의 시편을 준비하고, 상기 합금 시편의 표면을 5 micron 이하, 3 micron 이하, 0.1 내지 5 micron, 또는 0.1 내지 3 micron이 되도록 연마(폴리싱;polishing)할 수 있다. "micron"은 연마 시 사용되는 연마 패드의 규격을 말하며, 당업계의 금속 연마 공정에서 통용되는 통상의 단위이다.
예컨대, 상기 합금 시편을 3 micron의 연마 패드를 이용해 연마하여 약 3 micron까지 연마를 진행하면, 상기 합금 시편의 표면은 거울과 같은 경면이 될 수 있다. 이때 상기 연마 패드는 필요에 따라 다이아몬드 페이스트와 함께 사용할 수 있다.
상기 합금 시편이 경면 상태의 표면조도(surface roughness)를 가질 때, 상기 합금 시편 표면과 산화물 피막과의 계면 밀착력이 향상될 수 있다.
상기 알루미늄-실리콘 합금 시편은 알루미늄, 실리콘, 구리, 마그네슘 등의 성분들을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 합금은 실리콘 5 내지 15 중량%, 7 내지 15 중량%, 5 내지 14 중량%, 9 내지 15 중량%, 또는 7 내지 14 중량%의 실리콘을 포함할 수 있다. 또한, 상기 합금은 0.1 내지 5 중량%, 0.1 내지 3 중량%, 1 내지 5 중량% 또는 1 내지 3 중량%의 구리를 포함할 수 있다. 또한, 상기 합금은 0.1 내지 1.5 중량%, 또는 0.1 내지 1 중량%의 마그네슘을 포함할 수 있다. 나아가, 상기 합금은 0.1 내지 3 중량%, 0.1 내지 2 중량%, 또는 0.1 내지 1 중량%의 니켈을 추가로 포함할 수 있다. 이외에 상기 합금 시편의 잔량은 알루미늄일 수 있다.
알루미늄-실리콘 합금 분야에서 실리콘의 함량이 약 10 중량% 내외, 구체적으로, 9 중량% 이상인 경우 실리콘을 고함량으로 포함한다고 평가하며, 이러한 고함량의 실리콘을 포함하는 알루미늄-실리콘 합금은 알루미늄의 장점들(예: 경량 등)을 유지하면서 고강도를 가질 수 있다.
단계 (2)
본 단계는 연마된 합금 시편의 표면을 전해액 중에서 플라즈마 산화처리하는 단계이다. 구체적으로, 상기 전해액에 상기 합금 시편을 침지시킨 후, 플라즈마 산화처리하여 상기 합금 시편의 표면에 산화물 피막을 형성시킬 수 있다.
상기 전해액은 수산화나트륨(NaOH) 및 메타규산나트륨(Na2SiO3)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 전구체를 포함할 수 있다. 구체적으로, 전해액은 상기 전구체를 0.0001 M 내지 1 M, 0.001 M 내지 1 M, 0.001 M 내지 0.5 M, 또는 0.001 M 내지 0.05 M로 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 전해액은 0.001 M 내지 0.5 M 또는 0.001 M 내지 0.3 M의 수산화나트륨, 및 0.001 M 내지 1M, 0.001 M 내지 0.5 M, 0.001 내지 0.3 M, 또는 0.001 내지 0.1 M의 메타규산나트륨을 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 산화처리는 350 V 이상의 전압을 인가하여 합금 표면에 플라즈마가 발생하도록 처리하는 것이다.
상기 플라즈마 산화처리는 플라즈마를 발생시키는 조건에서 산화처리하는 것이면 제한하지 않으며, 구체적으로, 플라즈마 전해 산화처리(Plasma Electrolytic Oxidation;PEO) 방법으로 수행하여 산화처리할 수 있다. 상기 PEO 방법은 마이크로 아크 산화처리(Micro Arc Oxidation;MAO)라고도 불린다.
보다 구체적으로, 상기 플라즈마 산화처리시, 인가 전압이 350 내지 500 V, 350 내지 480 V, 380 내지 500 V, 380 내지 480 V, 또는 400 내지 480 V일 수 있고, 처리 시간은 5 내지 15 분, 7 내지 15 분, 5 내지 13 분, 또는 7 내지 13 분일 수 있다.
상기 단계 (2)의 플라즈마 산화처리를 통해 합금 시편 표면에 두께는 10 내지 100 micron, 30 내지 100 micron, 30 내지 80 micron, 또는 50 내지 80 micron의 산화물 피막이 형성될 수 있다.
일반적으로, 플라즈마 발생 하에서 산화처리된 산화물 피막의 경우에는 매우 빠른 속도로 산화처리됨으로써 산화물 피막이 다수의 미세한 포어(pore)를 갖는 다공성 구조로 형성되고, 이러한 다공성 구조의 산화물 피막은 크랙이나 들뜸과 같은 불량을 유발한다. 또한, 다공성 구조의 산화물 피막은 산화될 수 있는 면적이 비교적 커서 쉽게 부식될 수 있다.
따라서, 합금 시편의 표면에 플라즈마 산화처리로 산화물 피막을 형성시킨 후에는 산화물 피막 내에 포어들을 봉공(sealing) 처리하는 단계를 추가로 더 수행할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 알루미늄-실리콘 합금의 표면처리방법은 상기 단계 (2) 이후, (3) 플라즈마 산화처리된 합금을 수(水) 중에서 열처리하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
단계 (3)
본 단계는 산화물 피막이 형성된 합금 시편을 수 중에서 열처리하는 단계이다.
상기 단계 (2)에서 플라즈마 산화처리된 합금 시편은 80 내지 130 ℃, 80 내지 120 ℃, 또는 90 내지 110 ℃의 수 중에 침지시켜 열처리하여 상기 산화물 피막이 보다 치밀한 구조를 가질 수 있도록 한다. 구체적으로, 수 중에서 열처리를 하게 되면 상기 산화물 피막 내 포어들의 체적이 팽창하게 되므로 포어들이 막히게 된다.
이 외에, 봉공처리제를 첨가하여 봉공 처리하는 방법을 사용할 수도 있다. 일례로, 에탄올 기반의 스테아릭산(Stearic acid)을 전구체로 사용하여 봉공 처리할 수 있다. 상기 물질을 첨가하는 경우, 봉공 처리 효과가 일부 상승할 수 있으나, 일반적으로 열처리시 알코올류는 휘발되어 공정 단가가 상승한다는 문제점이 있으므로, 수 중에서 열처리하는 방법이 보다 바람직하다.
상기 열처리 단계 이후에는 합금 시편을 건조시킨다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 알루미늄-실리콘 합금 시편의 표면처리방법은 플라즈마 산화처리 방법으로 상기 합금 시편의 표면에 보다 빠르게 산화물 피막을 형성시킬 수 있어, 공정 시간 및 효율을 향상시킬 수 있다. 나아가, 종래 기술에서 사용하는 전해액들보다 저렴한 화합물을 사용함으로써 비용을 절감할 수 있다.
또한, 합금 시편의 표면을 연마하여 표면 조도를 제어한 후 플라즈마 산화처리하여 산화물 피막을 형성시킴으로써 합금 시편 표면과 산화물 피막과의 계면 밀착력을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 크랙 등의 불량 발생도 방지할 수 있다.
나아가, 산화물 피막 형성 후 열처리 단계를 추가 수행하는 경우, 산화물 피막 내 기공, 크랙 등을 봉공(sealing) 처리할 수 있어 합금 시편의 내마모성을 보다 향상시킬 수 있다.
이에, 본 발명에 따른 알루미늄-실리콘 합금 시편의 표면처리방법은 차량, 항공기, 의료 등의 다양한 부품들의 표면처리시 유용하게 사용할 수 있다.
상기 내용을 하기 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 실시예의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
[
실시예
]
실시예
1 : 알루미늄-실리콘 합금 시편의 표면처리
12 중량%의 실리콘, 3 중량%의 구리, 0.5 중량%의 마그네슘, 0.5 중량%의 니켈, 및 잔량의 알루미늄을 포함하는 알루미늄-실리콘 합금을 50 mm × 30 mm × 5 mm (가로×세로×두께)로 절단하여 시편을 제조하고, 시편의 표면을 3 micron 까지연마하여 경면이 되도록 하였다.
이후, 탈이온수에 0.0018 M의 수산화나트륨 및 0.05 M의 메타규산나트륨을 용해시킨 전해액을 제조하고 상기 전해액에 상기 시편을 침지시킨 후, PEO 방법으로 합금 시편의 표면을 플라즈마 산화처리하였다.
이후, 상기 시편을 음극으로, 티타늄 메쉬를 양극으로 사용하고, 최대 허용 전압은 400 V, 처리시간 5분, 전압 인가 방식은 정전압(constant voltage; CV)을 사용하였으며, 정류기로는 60Hz의 교류 전원(AC)을 사용하여 상기 시편을 플라즈마 산화처리하였다.
그 다음, 상기 플라즈마 산화처리된 시편을 100℃ 끊는 물에 30분간 침지시키고, 다시 꺼내서 상온에서 완전히 건조시켰다.
실시예 2 내지 4: 알루미늄-실리콘 합금 시편의 표면처리
하기 표 1에 기재된 바와 같이 플라즈마 산화처리시 전압 및 인가 시간을 다르게 한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 표면처리하였다.
비교예
1 내지 4 : 알루미늄-실리콘 합금 시편의 표면처리
#1000 SiC paper(DEERFOS)로 알루미늄-실리콘 합금 시편의 표면을 처리하였다.
[
평가예
]
평가예
1: 내마모성 평가
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4에서 표면처리된 알루미늄-실리콘 합금 시편에 대하여 KS D 8314에 의거하여 내마모성을 평가하였다.
전압(V) | 시간(분) | 내마모성 평가 결과 Log (mm2/kg) | |||
400 | 5 | 비교예 1 | -5.63532 | 실시예 1 | -5.65979 |
400 | 15 | 비교예 2 | -5.61592 | 실시예 2 | -5.66189 |
500 | 5 | 비교예 3 | -5.56752 | 실시예 3 | -5.57609 |
500 | 15 | 비교예 4 | -5.30182 | 실시예 4 | -5.33034 |
평가예
2: 표면상태 평가
상기 실시예 4 및 비교예 4에서 표면처리된 알루미늄-실리콘 합금의 표면을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영하였다. 그 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2를 살펴보면, 실시예 4에서 표면처리된 알루미늄-실리콘 합금 시편은 산화물 피막이 치밀하게 형성되어 있는 반면, 비교예 4의 합금 시편은 산화물 피막과 합금 표면 사이의 계면이 떨어져 있을 뿐만 아니라, 실시예의 산화물 피막에 비해서 구조 내 포어가 다수 형성되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
Claims (10)
- (1) 실리콘을 9 내지 15 중량%로 포함하는 알루미늄-실리콘 합금 시편의 표면을 연마하는 단계; 및
(2) 탈이온수에 수산화나트륨을 0.001 내지 0.0018 M로, 메타규산나트륨을 0.001 내지 0.1 M로 용해시킨 전해액 중에서 상기 합금 시편의 표면을 플라즈마 산화처리하는 단계;
를 포함하는, 알루미늄-실리콘 합금 시편의 표면처리방법. - 제1항에 있어서,
상기 알루미늄-실리콘 합금 시편이 구리 0.1 내지 5 중량%, 및 마그네슘 0.1 내지 1.5 중량%를 추가로 포함하는, 알루미늄-실리콘 합금 시편의 표면처리방법. - 제2항에 있어서,
상기 알루미늄-실리콘 합금 시편이 니켈 0.1 내지 3 중량%를 추가로 포함하는, 알루미늄-실리콘 합금 시편의 표면처리방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계 (1)에서, 상기 알루미늄-실리콘 합금 시편의 표면을 0.1 내지 5 micron 이 되도록 연마하는, 알루미늄-실리콘 합금 시편의 표면처리방법. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 플라즈마 산화처리시 인가 전압이 350 내지 500 V이고, 처리 시간이 5 내지 15 분인, 알루미늄-실리콘 합금 시편의 표면처리방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계 (2)의 산화처리를 통해 합금 시편 표면에 산화물 피막을 형성하는, 알루미늄-실리콘 합금 시편의 표면처리방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계 (2) 이후, (3) 플라즈마 산화처리된 합금 시편을 수(水) 중에서 열처리하는 단계를 추가로 포함하는, 알루미늄-실리콘 합금 시편의 표면처리방법. - 제9항에 있어서,
상기 단계 (3)에서, 상기 플라즈마 산화처리된 합금 시편을 80 내지 130 ℃의 수 중에 침지시켜 열처리하는, 알루미늄-실리콘 합금 시편의 표면처리방법.
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KR100485831B1 (ko) * | 2005-01-21 | 2005-04-27 | 정영계 | 알루미늄재 및 알루미늄재의 세라믹코팅 제조방법 |
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KR20190134157A (ko) | 2019-12-04 |
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