KR20030091732A - 금속에 구조적 접착 결합을 위한 내부식성 표면처리 - Google Patents

Abstract

금속 기질은 인산 양극산화처리 용액에서 양극산화처리 된다. 그 후에 상기 양극산화처리된 금속 기질을 6가 크롬이 존재하지 않는, 3가 크롬을 함유한 산성 용액과 접촉시켜 상기 양극산화처리된 금속 기질을 코팅한다. 상기 코팅된 양극산화처리된 금속 기질은 다른 처리된 금속 기질과 끈끈하게 결합하여 복합물을 형성할 수 있다. 최종 물질은 우수한 결합과 부식 성질을 나타낸다.

Description

금속에 구조적 접착 결합을 위한 내부식성 표면처리{CORROSION RESISTANT SURFACE TREATMENT FOR STRUCTURAL ADHESIVE BONDING TO METAL}

본 발명은 결합되고 내부식성 코팅된 금속 기질의 제조방법에 관한 것으로, 상기 금속 기질은 박리(delamination)를 억제하고 내부식성 코팅에 6가 크롬이 존재하지 않는다.

금속과 금속의 구조적 결합 및 복합 타입 조립체는 항공산업에서 광범위하게 사용되며 다른 경우에는 사용시 발생되는 극한의 공기 조건에서 상당히 저항하는 최종 구조물을 종종 요구한다. 항공기 구조의 파손을 피하기 위해, 금속에 결합된 금속 및 복합 타입 조립체는 충돌되는 환경 조건을 견딜 수 있어야만 한다. 그 중 특별히 중요한 것은 복합 구조의 부식과 박리를 억제하는 것이다. 지금까지, 상기 금속에 끈적끈적하게 결합된 금속 및 복합 타입 조립체(크롬산화된 프라이머(chromated primer)가 존재하지 않는)는 고분자성 접착제와 알루미늄 표면사이 경계면에 접착 파손으로 인해 만족스럽지 못하다.

변환 코팅(conversion coating)은 부식 억제를 증진시키기 위해 금속 표면처리에 광범위하게 사용된다. 변환 코팅은 금속과 기능적인 특성을 갖는 박막에 금속 표면을 변화하거나 변형시키는 베스 용액(bath solution) 사이에 화학반응을 통하여 적용된다. 변환 코팅은 구체적으로 강철, 아연, 알루미늄 및 마그네슘과 같은 금속의 표면 처리에 유용하다. 종래에, 크롬산 변환 코팅(chromate conversion coating)은 알루미늄 및 마그네슘을 위한 가장 성공적인 변환 코팅이 됨을 입증하였다. 그러나, 종래 일반적으로 사용되는 크롬산 변환 코팅은 독성 6가 크롬을 많이 함유하고 있다. 6가 크롬의 사용은 작업자에 대해 잠재적으로 위험한 작업 조건과 폐기물 처리를 위해 매우 많은 비용의 결과를 낳는다.

내부식성이 결합된, 환경친화적이고 박리를 억제하는 금속 기질의 개선된 제조방법을 제공하는 것이 매우 바람직하다.

본 발명은 내부식성을 갖고, 6가 크롬이 존재하지 않으며, 수용액상 고온의 환경에서 기능하는 접착제와 만족스럽게 결합되는 금속 기질의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제조방법에 따라, 금속 기질을 인산 양극산화처리 용액(phosphoric acid anodizing solution)에서 양극산화처리한다. 그 후 상기 양극산화처리된 금속 기질을 6가 크롬이 존재하지 않고 3가 크롬을 함유한 산 코팅 용액과 접촉시켜 상기 양극산화처리된 금속 기질을 코팅한다. 비-크롬산화된 프라이머를 적용하고 상기 코팅된 양극산화처리된 금속 기질을 다른 처리된 금속 기질과 끈적하게 접착하여 복합물을 형성할 수 있다. 최종 물질은 우수한 결합 및 부식 성질을 나타낸다.

본 발명은 서로 결합시켜, 예를 들어 접착제를 이용하여, 복합물을 형성시키기 위해서, 금속 기질(바람직하게 알루미늄 합금)을 처리하는 다중 단계 방법을 제공하는 것이다.

상기 방법은 (1) 인산 양극산화처리 용액에서 금속 기질을 양극산화처리하는 단계, 및 (2) 상기 양극산화처리된 기질과 6가가 존재하지 않는, 3가 크롬을 함유한 산 코팅 용액과 접촉시켜 상기 양극산화처리된 금속 기질의 3가 크롬을 함유한 코팅을 형성하는 단계를 포함한다.

상기 금속 기질은 종래기술에서 알려진 통상적인 방법에 의해 인산 양극산화처리된다. 인산 양극산화처리를 위한 적당한 방법은 미국특허 제4,085,012호 및 제4,127,451호에 기재되어 있으며, 상기 두 문헌은 본 명세서에 참조로서 포함된다. 본 발명의 제조방법에 따르면, 상기 금속 기질, 바람직하게 알루미늄 합금은 3 중량% 내지 20 중량%의 농도의 인산을 갖는 인산 양극산화처리 용액상에서 50℉ 내지 85℉의 온도 및 3 내지 25 볼트의 양극산화처리 전위로 양극산화처리된다.

양극산화처리 후에, 상기 기질을 3가 크롬을 함유한 용액과 접촉시켜 상기 기질에 3가 크롬을 함유한 부식 코팅을 형성한다. 상기 산성 수용액은 수용성 3가 크롬 화합물, 수용성 플루오라이드 화합물 및 알칼리성 시약을 포함한다. 상기 3가 크롬 화합물은 상기 용액에 0.2 g/리터 내지 5 g/리터(바람직하게 0.5 g/리터 내지 2 g/리터) 존재하며, 상기 플루오라이드 화합물은 0.2 g/리터 내지 5 g/리터(0.5 g/리터 내지 2 g/리터) 존재하며, 상기 알칼리성 시약은 용액의 pH를 3.0 내지 5.0(바람직하게 3.5 내지 4.0)으로 유지할 수 있는 양이 존재한다. 적당한 용액은 미국특허 제5,304,257호에 기재되어 있으며, 상기 문헌은 본 명세서에 참조로서 포함된다. 상기 금속 기질을 상기 용액에 담글 수 있으며, 상기 금속 기질에 상기 용액을 분무할 수 있으며, 상기 용액을 칠할 수 있다. 그 후에 적당한 비-크롬산화된 프라이머를 상기 기질에 적용한다.

본 발명에 따라 처리된 금속 기질은 본 분야에 알려진 바와 같이 서로 끈적거리게 결합시켜 복합물을 형성한다. 적당한 접착제는 금속 기질에 적용과 결합을 위한 방법으로서 종래 기술에 잘 알려져 있다. 미국특허 제4,085,012호 및 제4,127,451호 다시 참조. 본 발명에 따라 제조된 복합물은 하기 실시예에 의해 증명된 바와 같이 우수한 결합 강도 및 부식 성질을 나타내고 있다.

<실시예>

다섯개의 쐐기형 크랙(wedge crack) 실험 시편을 알루미늄 합금 6061의 끈적하게 결합된 쿠폰(coupon)으로부터 제조하였다. 6" ×6" ×0.125"인 두개의 쿠폰을 깨끗하게 하고 건조하였다. 그 후 상기 쿠폰을 인산에 담그고 하기 조건하에서 양극산화처리하였다.

양극산화처리 용액 조성: 7.5 부피% 인산

전압: 15V

온도: 상온

시간: 20 분

그 후 상기 인산 양극산화처리된 쿠폰을 얻고 건조하였다. 상기 쿠폰을 하기 조건하에서 3가 크롬 코팅 용액에 담궜다.

용액 조성 : 1 파트(part) 크롬 화합물;

1 파트 플루오라이드 화합물; 및

18 파트 증류수

3가 크롬 화합물: 크롬 설페이트

플루오라이드 화합물: 칼륨 플루오로지르코네이트

pH: 3.8

온도: 상온

시간: 10분 담금

3가 크롬 처리직 후 상기 쿠폰에 비-크롬(non-chrome)이 충진된 BR6757-1 에폭시 프라이머 버젼을 붓고, 350℉의 온도에서 90 분동안 경화하였다. 그후, 상기 쿠폰을 록티트 에어로스페이스 EA9689(Loctite Aerospace EA9689) 나일론 지지 필름 접착제와 서로 결합하고, 60 psi 압력하, 350℉의 온도에서 2 시간동안 경화하였다. 상기 결합된 쿠폰을 5개의 쐐기형 크랙 시편으로 절단하였으며, 결합 특성을 측정하기 위해 사용하였다. 상기 쿠폰을 ASTM D3762에 따라 실험하였다. 상기 결과는 하기표 1에 나타내었다.

샘플 번호	최초 크랙길이(인치)	그 후 크랙의 성장(인치)	파손 모드
		1 시간	2 시간	4 시간	24 시간	(% 응집성)
1	1.725	0.055	0.055	0.055	0.080	100
2	1.515	0.050	0.050	0.050	0.075	100
3	1.485	0.043	0.065	0.065	0.088	100
4	1.515	0.050	0.070	0.070	0.145	100
5	1.610	0.058	0.058	0.058	0.091	100
평균	1.570	0.051	0.060	0.060	0.096	100

하기와 같이 3가지 파손 메카니즘이 있다.

●C/A는 접착제에 대한 응집성(cohesive)이다. 이것은 파손의 바람직한 모드이다. 상기 결합 강도가 접착제의 강도를 초과함을 나타내었다. 파손은 상기 접착제에서 발생하였으며 접착제와 프라이머 또는 프라이머와 금속의 경계면에서 발생한 것이 아니었다.

●A/P는 프라이머에 대한 응집성이다. 이러한 파손 모드는 상기 프라이머에 대한 상기 접착제의 결합 강도에 영향을 미치는 프라이머에 나타나는 상호작용을 나타낸다. 상기 모드는 또한 특성 시스템 체크로서 사용된다.

●P/M은 금속에 대한 프라이머이다. 이것은 상기 처리가 만족스럽지 못하다는 것을 나타내는 메카니즘이다.

상기표 1에서 보는 바와 같이, 모든 샘플들은 우수한 결합 강도를 나타내는 100 % C/A 파손 모드를 나타내고 있다. 게다가, 크랙 성장은 표준 크랙 성장 비율과 유사하였으며 허용가능하였다.

본 발명은 다른 형태에서도 구체화할 수 있으며 또한 그의 의도 또는 필수적인 특징으로부터 벗어나지 않은 다른 방법으로 수행할 수 있다. 그러므로 본 구현은 모든 설명되는 관계로서 고찰되어지며 상기 첨부된 청구항에 의해 나타나는 발명의 범위 및 상기 방법에 부수되는 모든 변화를 한정하지 않으며, 같은 범위가 이안에 포함되는 것을 의미한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 코팅된 양극산화처리된 금속 기질은 다른 처리된 금속 기질과 끈적하게 결합하여 복합물을 형성할 수 있다. 최종 물질은 우수한 결합과 부식 성질을 나타낸다.

Claims (11)

1. (a) 인산 양극산화처리 용액을 제공하는 단계;

   (b) 상기 인산 양극산화처리 용액에서 금속 기질을 양극산화처리하는 단계;

   (c) 3가 크롬을 함유한 산성 코팅 용액을 제공하는 단계; 및

   (d) 상기 양극산화처리된 금속 기질과 상기 산성 코팅 용액을 접촉시켜 상기 양극산화처리된 금속 기질에 3가 크롬을 함유한 코팅을 형성하는 단계를 포함하는 금속 기질에 3가 크롬 코팅을 형성하는 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 인산 양극산화처리 용액이 3 중량% 내지 20 중량%의 인산 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 3가 크롬을 함유한 산성 코팅 용액이 수용성 3가 크롬 화합물, 수용성 플루오라이드 화합물 및 알칼리성 시약을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1항에 있어서, 추가로 상기 코팅되고 양극산화처리된 금속 기질에 접착제를 적용하고, 다른 코팅되고 양극산화처리된 금속 기질을 결합하여 복합물을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 2항에 있어서, 상기 양극산화처리 전압이 3 내지 25 볼트인 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 5항에 있어서, 상기 양극산화처리를 50℉ 내지 85℉의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 3항에 있어서, 상기 용액의 pH가 3.0 내지 5.0인 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 3항에 있어서, 상기 용액의 pH가 3.5 내지 4.5인 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 1항에 있어서, 상기 금속 기질이 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 1항에 있어서, 상기 양극산화처리된 금속 기질을 상기 산성 코팅 용액에 담그는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제 1항에 있어서, 상기 양극산화처리된 금속 기질에 산성 코팅 용액을 분사하는 것을 특징으로 하는 방법.