KR20090115034A - 마그네슘계 금속의 착색 및 광택이 가능한 표면 처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 본 발명의 마그네슘계 금속의 표면 처리 방법에 관한 것으로, 친환경적인 전해액을 사용하면서도 착색처리와 광택이 구현되는 아노다이징 방법이다.

이를 위해, 본 발명은, 전해질 용액의 주원료로서 수산화나트륨이나 수산화칼륨로 이루어진 강염기성 전해액 내에 마그네슘계 금속 부재를 침지시킨 다음 상기 마그네슘계 금속 시편에 3A/dm2 이하의 전류를 인가하여 마그네슘계 금속 부재의 표면에 착색 처리와 광택을 구현시키는 방법이다.

마그네슘, 수산화나트륨, 수산화칼륨, 착색 처리, 양극산화, 표면처리, 광택

Description

마그네슘계 금속의 착색 및 광택이 가능한 표면 처리 방법{METHOD FOR SURFACE TREATING AVAILABLE COLOUR PERFORMANCE AND LUSTER OF MAGNESIUM METAL}

본 발명은 마그네슘계 금속의 표면처리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 친환경적이면서도 내부식성을 향상시키는 산화막 형성과 착색과 광택 구현이 동시에 가능하도록 구성된 마그네슘계 금속의 표면처리 방법에 관한 것이다.

마그네슘계 금속은 중량적인 측면에서 알루미늄계 금속을 대신하여 장래에 가장 유망한 엔지니어링 소재가 될 것으로 예상되고 있다.

현재, 마그네슘과 알루미늄의 가격이 거의 같지만, 알루미늄보다 질량이 더 가벼운 마그네슘은 경량화에 큰 비중을 두고 있는 자동차, 비행기, 랩탑 컴퓨터 또는 휴대폰 등에서 알루미늄보다 유리한 위치를 차지한다. 예를 들어, 자동차 분야에서는 연비향상을 목적으로 하는 차량 경량화를 위해 철강이나 알루미늄 합금을 사용하고 있던 부재에 마그네슘 합금을 적용하기 시작하고 있다.

최근, 환경적인 측면에서도 리사이클성이 우수한 마그네슘 합금을 구조용 금속재료로서 적극적으로 사용하는 경향이 있다. 예를 들어, 가전분야에서는 노트북, 개인용 컴퓨터, 휴대전화의 케이스를 중심으로 종래의 플라스틱으로부터 리사 이클성이 우수한 마그네슘 합금으로 이행하는 경향이 있다.

또한, 이들 마그네슘 합금의 대부분은 다이 캐스팅법, 틱소 몰딩법이라 불리는 주조법으로 형성되고 있다. 이들 주조법은 용융 혹은 반용융 상태의 마그네슘 합금을 고속, 고압으로 금형에 주입하여 성형하는 것으로서 치수 정밀도와 생산성이 우수하다는 것이 특징이다. 그리고, 제품에 따라서는 마그네슘 합금판을 사용한 프레스 성형법 혹은 단조법으로 성형하는 것도 있다.

이러한 마그네슘 합금은 상용 금속들 중 가장 화학적 활성이 큰 금속으로, 일반적으로 표면처리가 되지 않을 경우 대기 중이나 용액 중에서 매우 빠르게 부식되는 특징을 나타내므로 철강이나 알루미늄 합금의 경우보다 표면 처리 공정에서 치밀하고 균일한 피막을 형성시키는 것이 중요하다. 그러나, 마그네슘 합금은 치밀하고 균일한 피막을 형성시키는 것이 극히 어려운 재료이기도 하다. 이것은 마그네슘 합금의 표면이 화학적으로 불균일하기 때문이다. 마그네슘 합금 표면의 화학적 불균일성의 이유는 마크로 편석과 미크로 편석으로 인해 표면이 화학적으로 불균일하게 되어 치밀하고 균일한 피막을 형성시키기가 어렵게 되어 있다.

마그네슘 합금의 표면처리 방법 중에서 가장 많이 사용되고 있는 방법은 화성처리 방법 또는 양극산화처리 방법이다. 2가지 방법은 모두 탈지, 산세 등의 전처리 공정을 거친 뒤 실시하게 되며, 일반적으로 마그네슘 합금 부품을 성형한 뒤에는 표면처리를 위한 전처리로서 세정 및 표면조정 처리를 하고 화성처리 또는 양극산화처리를 하게 된다.

종래의 마그네슘 합금의 표면처리 방법 중에서 양극산화처리 방법으로 널리 알려진 것으로서 HAE법, DOW17법, 갈바닉법 등이 있는데, 이들 방법은 중금속인 망간, 크롬 등을 함유하는 전해액을 사용하므로 중금속 폐수 발생 및 제품의 유해성을 야기하는 문제점이 있다.

또한, 종래의 양극산화처리 방법은, 한국 공개특허 제10-2004-94105호에 개시된 바와 같이, 강염기성 전해액에서 100V 이상의 고전압으로 20㎛이하의 산화피막을 형성하거나, 한국 공개특허 제10-2003-40824호에 개시된 바와 같이, 약염기성 전해액에서 -200~400V의 전압을 펄스방식으로 교류를 인가하여 산화피막을 형성하고 있다.

대부분의 마그네슘 합금의 산화피막층은 도장처리되는 것이 요구되는데, 이러한 종래의 양극산화처리 방법은, 100V 이상의 고전압을 사용하고 별도의 도장공정에서 도장처리를 해야만 했다. 또한, 마그네슘 합금을 양극산화공정에서 양극산화처리한 다음, 별도의 도장공정에서 도장처리하기 위해서는 수세공정, 실링공정, 온수세공정 및 건조공정을 더 거쳐야만 한다.

즉, 종래에는 도 1에 예시된 바와 같이, 탈지공정(11), 수세공정(12), 양극산화공정(13), 수세공정(14), 실링공정(15), 온수세공정(16), 건조공정(17) 및 도장공정(18)을 거쳐야만 하므로, 마그네슘 합금을 양극산화처리 및 도장처리하기 위한 공정이 복잡하고 수율이 떨어진다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은, 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 친환경적인 전해액을 사용하면서도 양극산화처리와 도장처리를 동시에 수행할 수 있도록 구성된 마그네슘계 금속의 표면처리 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 마그네슘계 금속 부재를 광택 버핑하는 공정과; 상기 광택 버핑된 마그네슘계 금속 부재를 수산화나트륨 내지 수산화칼륨이 포함된 pH 10 이상의 강염기성 전해액 내에 침지시키는 공정과; 상기 강염기성 전해액 내에서 상기 마그네슘계 금속 부재에 전류를 인가하여, 상기 마그네슘계 금속 부재의 표면에 금속광택을 구현하는 양극산화처리 공정을 포함한다.

상기 양극산화처리 단계에서는 상기 전류의 전류밀도가 0.01 내지 3A/dm2인 것이 바람직하며, 전류밀도가 3A/dm2를 초과하는 경우, 마그네슘계 금속 부재의 표면에 많은 산화막이 불규칙하게 생기게 될 수 있으며, 이러한 불규칙한 산화막은 차우 염료로 착색할 때, 균일한 착색을 어렵게 하는 원인이 된다. 또한, 0.01A/dm2미만인 경우에는, 양극 산화막 형성이 어렵다. 더 바람직하게는, 상기 전류밀도는 0.5 ~ 1A/dm2이며, 이때, 산화 처리 공정은 약 5분 정도로 수행된다. 상기 전류밀도가 0.01A/dm2 부근인 경우 약 10분 정도 양극산화처리 공정이 수행된다. 또한, 상기 양극산화처리 단계에서 전압은 10V 이하로 제한되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 광택 버핑하는 공정은 기계 연마, 전기 연마, 화학 연마 중 적어도 어느 하나를 포함하여 이루어질 수 있다.

바람직하게는, 상기 전해액은, 전체 수용액 1리터 당 수산화나트륨 내지 수 산화칼륨 50~400g을 포함하고 전해액 온도는 20 ~ 90℃ 이다. 상기 양극산화처리 공정 후에 염료를 침지하여 상기 마그네슘계 금속 부재의 표면을 착색하는 공정을 더 포함한다. 그리고, 상기 염료는, 전체 전해액 1리터 당 0.5 ~ 50g이 포함하고 전해액 온도는 20 ~ 90℃ 이며, 상기 염료는 Drimarene Red CL-5B PDR, Drimarene Orange Cl-3R PDR, Drimarene Yellow CL-2R, Drimarene Turquiose S-CT 133, Drimarene Blue CL-2RL, Remazol Black GS-A로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다. 상기 마그네슘계 금속 부재는 마그네슘 또는 마그네슘 합금으로 이루어진다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 마그네슘계 금속의 표면 처리 방법에 의하면, 친환경적인 전해액을 사용하면서도 양극산화처리공정에서 착색처리 또는 광택처리까지 가능하게 함으로써, 친환경적이면서 공정을 단축시키는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 마그네슘계 금속의 표면처리 방법의 순서도이다. 도 2에 예시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 마그네슘계 금속의 표면처리 방법은, 버핑공정(21), 탈지공정(21), 양극산화공정(22), 수세공정(23), (염료침지공정(24) 및 수세공정(25))으로 이루어진다.

본 발명은 양극산화 후에 염료 침지공정을 통해서 착색 및 광택 구현하는 공정으로 나눌 수 있다. 물론 전해액 속에 염료를 첨가해서 양극산화와 동시에 착색 및 광택도 낼 수 있다.

양극산화공정은 수산화나트륨이나 수산화칼륨이 포함된 강염기성 전해액에서 실시하는데, 피막의 특성에 영향을 미치는 처리 조건으로서는 전해액의 조성, 전류 밀도, 온도, 작업 시간 등이 있으며, 이 중에서도 가장 중요한 것은 전해액의 조성이다. 본 발명에 있어서 사용되는 강염기성 전해액은 pH 10이상의 강염기성으로 되게 하기 위해서 전체 수용액 1리터 당 수산화나트륨 50~400g 또는 수산화칼륨 50~400g이 반드시 포함된다. 수산화나트륨과 수산화칼륨은 중금속이 아니므로 친환경적이다.

이렇게 조성한 pH 10이상의 강염기성 전해액에 버핑이 되어 있는 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 침지시키면 10V 이하의 낮은 전압에서도 산화피막이 원활하게 형성된다.

마그네슘 합금의 버핑은 기계연마, 화학연마, 전기연마를 통해서 이루어진다.

한편, 양극산화공정 후에 염료를 침지하는 공정은 고전압에 의해서 염료가 영향을 받지 않도록 할 수 있어서 균일한 착색처리가 가능하다.

첨가되는 염료는 원하는 색상에 따라 달리 적용되어지며, 본 발명에서는 Drimarene Red CL-5B PDR, Drimarene Orange Cl-3R PDR, Drimarene Yellow CL-2R, Drimarene Turquiose S-CT 133, Drimarene Blue CL-2RL, Remazol Black GS-A 등 의 반응성 염료로 침지시키면, 빨강, 주황, 노랑, 청록, 파랑, 검정 등 여러 가지 색깔의 산화 피막층이 형성된다. 또한 버핑공정이 추가된 마그네슘 합금을 사용하면 광택이 실현된다.

또한, 전술한 수산화나트륨 또는 수산화칼륨 수용액에 1리터 당 0.1 내지 100g의 첨가량으로 KF와 NaF 중 적어도 어느 하나를 첨가하면 자체적으로 광택이 나는 산화막을 형성할 수 있다. 이때, 첨가량이 리터당 0.1g 미만인 경우, 최종적으로 얻어진 산화막의 광택도 향상이 보이지 않으며, 첨가량이 리터당 100g을 초과하는 경우, 최종적으로 얻어진 산화막의 균일도가 크게 저하된다. 위와 같이 리터당 50g를 초과하는 경우, KF와 NaF가 충분히 용해되지 않아 수용액에 뿌옇게 되는 현상을 확인할 수 있었으며, 이에 의해, 이러한 현상이 상기 산화막의 균일도 저하를 야기한다.

아래의 표 1은 전술한 전해액에 내 KF 또는 NaF 첨가량에 따른 산화막의 광택도를 육안 검사 후 결과를 보여준다.

첨가물	첨가량(x) g/ℓ	산화막 광택도
KF	0.1<x<3	○
KF	3≤x≤50	◎
KF	50<x≤100	◎
NaF	0.1<x<3	○
NaF	3≤x≤50	◎
NaF	50<x≤100	◎

(△:보통, ○: 좋음, ◎: 매우 좋음)

위의 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, KF 또는 NaF를 3~100 g/ℓ 첨가한 경우 가장 광택도가 좋았다. 그러나, KF 또는 NaF 첨가량이 3g/ℓ초과하면서 산화막의 균일도가 떨어지기 시작하여, 100g/ℓ를 초과하면서 산화막 균일도가 크게 저하된다는 것을 확인하였다. 또한, 상기 KF 또는 NaF에 더하여, Na₂SiO₄를 더 첨가할 수 있다.

또한, 이러한 착색 아노다이징 공정을 사용하면, 별도의 도장처리를 행하는 경우에 발생하는 작업 환경의 문제점도 피할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 실시예에서는, 도 3에 예시된 바와 같이, 전해조(1) 내에 수용된 전해액(2)에 마그네슘 또는 마그네슘 합금 부재(3) 및 음극 기판(4)를 침지시킨 상태에서 마그네슘 또는 마그네슘 합금 부재(3)에 정류 전원(5)의 양극을 연결하고 음극 기판(4)에 정류 전원(5)의 음극을 연결하여 전압을 인가함으로써 산화피막이 형성되게 한다.

이때 사용한 전류밀도는 0.01 ~ 3A/dm² , 더 바람직하게는, 0.5 ~ 1A/dm² 로 조정되며, 전압은 10V 이하로 제한하였다. 이에 의해 마그네슘 또는 마그네슘 합금 부재(3)의 표면에 균일하며 치밀한 막을 형성되었다. 도 4 및 도 5는 각각 본 발명의 실시예에 따라 양극처리된 마그네슘 또는 마그네슘 합금의 표면의 미세 조직 사진과 EDX 분석사진이다. 그리고, 도 5와 아래의 표 2로부터 중슴속이 포함되지 않않았다는 것을 알 수 있다.

성분	중량%	원자량%
O	24.76	33.34
Mg	75.24	66.66
전체	100.00	100.0

전해액의 온도는 20℃ 내지 90℃의 온도를 유지한다.

본 발명에서는 마그네슘계 금속의 표면을 탈지하는 탈지공정을 필요에 따라 실시하는데, 이는 버핑공정 후에 표면에 묻어 있는 유기 오염물의 제거를 목적으로 행하여지나, 표면처리에 대한 요구 성능 및 이 표면의 오염 정도에 따라 적절히 분간하여 사용한다.

이상에서는 본 발명이 특정 실시예를 중심으로 하여 설명되었지만, 본 발명의 취지 및 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 변형, 변경 또는 수정이 당해 기술분야에서 있을 수 있으며, 따라서, 전술한 설명 및 도면은 본 발명의 기술사상을 한정하는 것이 아닌 본 발명을 예시하는 것으로 해석되어져야 한다.

도 1은 종래의 마그네슘계 금속의 표면 처리 방법을 나타낸 순서도.

도 2는 본 발명의 마그네슘계 금속의 표면 처리 방법을 나타낸 순서도.

도 3은 본 발명의 마그네슘계 금속의 표면 처리 장치의 개략도.

도 4는 본 발명에 따라 양극산화처리된 마그네슘계 금속 표면의 미세 조직 사진.

도 5는 본 발명에 따라 양극산화처리된 마그네슘계 금속 표면의 EDX 분석결과.

Claims (12)

1. 마그네슘계 금속 부재를 광택 버핑하는 공정과;

   상기 광택 버핑된 마그네슘계 금속 부재를 수산화나트륨 내지 수산화칼륨이 포함된 pH 10 이상의 강염기성 전해액 내에 침지시키는 공정과;

   상기 강염기성 전해액 내에서 상기 마그네슘계 금속 부재에 0.01~3A/dm² 전류밀도의 전류를 인가하여, 상기 마그네슘계 금속 부재의 표면에 금속광택을 구현하는 양극산화처리 공정을 포함하는 마그네슘계 금속의 표면처리 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 양극산화처리 단계에서는 상기 전류의 전류밀도가 0.5~1A/dm² 이하인 것을 특징으로 하는 마그네슘계 금속의 표면처리 방법.
3. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 양극산화처리 단계에서 전압은 10V 이하로 제한되는 것을 특징으로 하는 마그네슘계 금속의 표면처리 방법.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 전해액은, 전체 수용액 1리터 당 수산화나트륨 내지 수산화칼륨 50~400g을 포함하고 전해액 온도는 20 ~ 90℃ 인 것을 특징으로 하는 마그네슘계 금속의 표면 처리 방법.
5. 청구항 1에서, 상기 광택 버핑하는 공정은 기계 연마, 전기 연마, 화학 연마 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘계 금속의 표면 처리 방법.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 양극산화처리 공정 후에 염료를 침지하여 상기 마그네슘계 금속 부재의 표면을 착색하는 공정을 더 포함하는 마그네슘계 금속의 표면 처리 방법.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 염료는, 전체 전해액 1리터 당 0.5 ~ 50g이 포함하고 전해액 온도는 20 ~ 90℃ 인 것을 특징으로 하는 마그네슘계 금속의 표면처리 방법.
8. 청구항 1에 있어서, 상기 염료는 Drimarene Red CL-5B PDR, Drimarene Orange Cl-3R PDR, Drimarene Yellow CL-2R, Drimarene Turquiose S-CT 133, Drimarene Blue CL-2RL, Remazol Black GS-A로부터 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 마그네슘계 금속의 표면처리 방법.
9. 청구항 1에 있어서, 상기 마그네슘계 금속 부재는 마그네슘 또는 마그네슘 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 마그네슘계 금속의 표면 처리 방법.
10. 청구항 4에 있어서,상기 전체 수용액 1리터 당 KF와 NaF 중 적어도 하나를 0.1~ 100g 첨가하는 것을 특징으로 하는 마그네슘계 금속의 표면 처리 방법.
11. 청구항 10에 있어서, 상기 전해액에 Na2SiO4를 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 마그네슘계 금속의 표면 처리 방법.
12. 마그네슘계 금속 부재를 수산화나트륨 내지 수산화칼륨이 포함된 강염기성 전해액 내에 침지시키는 공정과;

    상기 강염기성 전해액 내에서 상기 마그네슘계 금속 부재에 0.01 ~ 3A/dm2 전류밀도의 전류를 인가하여, 상기 마그네슘계 금속 부재의 표면에 금속광택을 구현하는 양극산화처리 공정을 포함하는 마그네슘계 금속의 표면처리 방법.

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