KR20140095896A

KR20140095896A - 스테인레스강 전해연마액 조성물

Info

Publication number: KR20140095896A
Application number: KR1020130008858A
Authority: KR
Inventors: 손인준; 이지웅
Original assignee: 경북대학교 산학협력단
Priority date: 2013-01-25
Filing date: 2013-01-25
Publication date: 2014-08-04
Also published as: KR102025866B1

Abstract

본 발명은 스테인레스강 전해연마액 조성물에 관한 것으로, 더 자세하게는 에틸렌글리콜 400 ㎖/ℓ 내지 800 ㎖/ℓ, 과염소산 50 ㎖/ℓ 내지 300 ㎖/ℓ 및 구연산 50 g/ℓ 내지 200 g/ℓ를 포함하는 보다 환경친화적인 스테인레스강 전해연마액 조성물에 관한 것이다. 이에 따른, 전해연마액 조성물은 황산, 인산 및 크롬산과 같은 고농도 산 대신에 에틸렌글리콜, 과염소산 및 구연산을 사용함으로써 보다 환경친화적이며, 0℃ 내지 30℃의 온화한 온도범위에서 전해연마 공정을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 전해연마액 조성물을 이용하여 스테인레스강을 전해연마 함으로써 우수한 표면 거칠기(산술 평균 표면 거칠기, Ra)를 갖을 수 있는 효과가 있다.

Description

스테인레스강 전해연마액 조성물{Composition of electrolytic polishing liquid for stainless steel}

본 발명은 스테인레스강 전해연마액 조성물에 관한 것으로, 더 자세하게는 에틸렌글리콜 400 ㎖/ℓ 내지 800 ㎖/ℓ, 과염소산 50 ㎖/ℓ 내지 300 ㎖/ℓ 및 구연산 50 g/ℓ 내지 200 g/ℓ를 포함하는 보다 환경친화적인 스테인레스강 전해연마액 조성물에 관한 것이다.

전해연마(Electro polishing)는 도금의 역과정으로, 최근 반도체 산업 등 청정도를 요구하는 산업의 발달로 재료의 정밀도와 청정도가 동시에 요구되어지며 이를 달성하기 위하여 기존의 공구와 공작물이 접촉하는 방식의 가공법에서 탈피한 새로운 비접촉 연마 방식인 전해연마가 필요하게 되었다. 기존의 기계적 가공방법으로는 공작물 표면에 미소한 가공 흔적 등이 남아있어 근본적으로 청정한 표면을 얻을 수가 없었다.

일반적으로 전해연마는 전해액에 용해되는 금속 제품을 양극(Anode)으로 사용하고, 전해액에 불용성인 금속을 음극(Cathode)으로 사용하여, 상기 양극과 음극 사이에 전압을 인가함으로써, 금속 제품의 표면에서 전기분해를 일으켜 금속 제품의 표면을 연마하는 방법이다. 전해연마를 이용하여 금속 제품을 연마하기 위해서는, 전해조에 전해액을 채우고, 연마하고자 하는 금속 제품을 양극으로 설치하고, 전해액에 용해하지 않는 음극을 설치한 다음, 상기 양극과 음극 사이에 직류 또는 펄스파형의 전원을 인가한다. 전해연마에 있어서, 금속 제품이 전해액에 쉽게 용해되지 않는 조건에서도 전류를 인가하면, 금속 제품이 강제적으로 조금씩 용해된다. 전해연마가 진행되면, 양극으로부터 용해된 금속이온을 다량 함유한 고점도 액체층(점성층)이 양극을 둘러쌓고, 금속이온으로 포화된 점성층에서는 더 이상 금속이 용해되지 않고 높은 양극 전위를 형성하므로, 산소와 활발하게 결합하여 산화물 피막을 형성하게 된다. 이때, 용해된 금속이온은 금속 표면의 오목한 부분에 주로 축적되며, 오목한 부분에서는 금속이온의 이동과 확산이 적어, 전기가 잘 통하지 않으므로, 금속이 용해되지 않는다. 반면, 금속 표면의 볼록 부분에서는 금속 이온층이 얇게 형성되므로, 전류가 집중되어 금속 표면을 쉽게 용해시켜, 전체적으로 제품 표면이 평활하게 하는 것이다.

상기와 같은 전해연마의 효과를 살펴보면, 첫째는 표면의 평탄화이다. 제품 표면의 미소부위를 선택적으로 용해하여 일반 가공 부품 대비 표면 거칠기를 약 50%~90% 정도를 향상시킬 수 있으며, 기존의 치수 공차를 유지하면서 표면 거칠기를 향상시키는 더할 수 없이 좋은 연마 방식이다. 또한, 이렇게 평탄화된 표면은 불순물 입자의 유입을 억제시켜 오염을 방지한다.

둘째는 제품 표면의 부식 저항성이다.전해연마로 처리된 표면은 산화크롬을 다량 함유한 표면을 갖추게 함으로써, 외부 영향에 의한 산화로부터 매우 강해진다. 따라서, 전해연마는 강한 보호막을 생성하는 공정으로 탁월한 부식 저항성을 갖게 한다. 즉, 전해연마를 통하여 변형층에 포함된 부식 유발성 물질을 제거하기 때문에 내 부식성을 향상시키는 효과가 있다.

셋째는 스테인레스강 표면의 피로파괴와 박테리아 성장을 유도하는 금속표면의 수소를 제거하는 효과를 얻을 수 있다.

한편, 상기의 전해연마의 효과(예를 들어, 평탄화 능력)를 높이기 위해서, 전해 전류를 흘리기 위해 필요한 도전성을 확보한 전해연마액을 이용한다. 일반적으로 전해연마액은 인산 70%, 황산 25% 및 크롬산 5%의 고농도액을 사용하며, 액온 90℃, 전해전압 10 V의 조건에서 전해연마공정을 수행하고 있다. 그러나, 상기와 같은 공정은 액의 점성이 높아 처리 물품에 묻어나가는 액의 손실이 많고, 크롬산, 황산 및 인산과 같은 공해물질이 다량으로 폐수처리장으로 유입되므로 폐수처리원가가 상당히 높은 단점이 있다.

또한, 상기와 같은 기존의 고농도 인산, 황산 및 크롬산의 혼산액을 이용한 전해연마는 인산에 의한 고온에서의 양극피막 생성에 의한 균일 용해작용과 황산의 인산 양극산화피막의 용해작용, 그리고 크롬산의 환원반응에 의한 처리 물품 표면의 3가 크롬물질 생성으로 핏트 방지 작용에 의해 이뤄진다. 상기의 반응 중 인산의 용해 및 양극산화피막 생성반응이 주 반응으로, 이때 유리인산이 생성되어 있지 않으면 용해되어 나오는 금속 이온이 표면에 산화 흡착되어 국부적으로 불용해성 물질이 생겨 표면 외관의 광택도가 상당히 감소하는 경향이 있어 추가 작업이 필요하게 되는 바, 공정이 복합하게 되고 생산원가가 높아지게 되는 문제가 발생한다.

상기와 같은 배경 하에, 본 발명자들은 기존의 인산, 황산 및 크롬산으로 이루어진 전해연마액보다 환경친화적이며, 비교적 온화한 공정조건에서 사용할 수 있는 전해연마액 조성물을 연구하던 중, 에틸렌글리콜, 과염소산 및 구연산으로 이루어진 혼합 조성물을 이용하여 스테인레스강을 전해연마한 결과 양성대조군(황산 및 인산을 포함하는 기존의 전해연마액)과 비교하여 유사한 산술 평균 표면 거칠기(Ra) 값을 갖는 것을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 에틸렌글리콜, 과염소산 및 구연산을 포함하는 보다 환경 친화적인 스텐인레스강 전해연마액 조성물을 제공하는 것이다.

상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 에틸렌글리콜 400 ㎖/ℓ 내지 800 ㎖/ℓ, 과염소산 50 ㎖/ℓ 내지 300 ㎖/ℓ 및 구연산 50 g/ℓ 내지 200 g/ℓ를 포함하는 스테인레스강 전해연마액 조성물을 제공한다.

본 발명에서 사용되는 용어 "에틸렌글리콜(ethylene glycol)"은, 자동차 부동액으로 널리 사용되는 화합물로서 가장 간단한 2가 알코올 중 하나이며, 모노에틸렌글리콜 또는 에테인-1,2-다이올이라고도 한다. 에틸렌글리콜은 내한성 냉각액, 의약품, 화장품 등에 사용되고 있다. 본 발명의 전해연마액 조성물은 상기 에틸렌글리콜을 포함함으로써 조성물의 점성을 조절할 수 있다.

본 발명에서 사용되는 용어 "과염소산(perchloric acid)"은, 휘발성이 있고 흡습성이 강한 무색 액체로, 본 발명의 전해연마액 조성물은 상기 과염소산을 산화제로써 포함하고 있다.

본 발명에서 사용되는 용어 "구연산(citric acid)"은, 하이드록시기(-OH)를 가지는 다염기 카복실산의 하나로 식물의 씨나 과즙 속에 유리상태의 산으로 함유되어 있다. 상기 구연산은 과즙, 청량음료의 첨가물로 사용되거나, 의약품, 이뇨성 음료, 혈액응고저지제 등으로 사용되고 있다. 본 발명의 전해연마액 조성물은 상기 구연산을 침전방지제로써 포함하고 있다.

또한, 본 발명의 전해연마액 조성물은 부식방지제로서 벤조트리아졸을 추가로 포함할 수 있으며, 벤조트리아졸을 포함할 경우 벤조트리아졸을 0.1 g/ℓ 내지 10 g/ℓ로 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 상기 전해연마액 조성물은 상온에서 전해연마를 수행할 수 있으며, 바람직하게는 0℃ 내지 30℃의 온도범위이다.

본 발명에 따른 전해연마액 조성물은 황산, 인산 및 크롬산과 같은 고농도 산 대신에 에틸렌글리콜, 과염소산 및 구연산을 사용함으로써 보다 환경친화적이며, 0℃ 내지 30℃의 온화한 온도범위에서 전해연마 공정을 수행할 수 있다.

또한, 본 발명의 전해연마액 조성물을 이용하여 스테인레스강을 전해연마 함으로써 우수한 표면 거칠기(산술 평균 표면 거칠기, Ra)를 갖을 수 있는 효과가 있다.

이하, 하기 실시예 및 실험예에 의하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 내지 4: 스테인레스강 전해연마액 조성물 제조

에틸렌글리콜, 과염소산 및 구연산을 상이한 함량으로 혼합하여 스테인레스강 전해연마액 조성물을 제소하였으며, 하기 표 1에 각 구성성분의 함량을 나타내었다.

구분	실시예 1	실시예 2	실시예	실시예 4
에틸렌글리콜(㎖/ℓ)	500	500	500	500
과염소산(㎖/ℓ	200	200	300	100
구연산(g/ℓ)	120	120	120	120
벤조트리아졸(g/ℓ)	-	1	-	-
증류수(㎖/ℓ	300	300	200	400

비교예 1: 염화나트륨 함유 전해연마액 조성물 제조

에틸렌글리콜 300 ㎖, 염화나트륨 60 g, 구연산 40 g 및 증류수 300 ㎖를 혼합하여 전해연마액 조성물을 제조하였다.

비교예 2: 황산 및 인산을 포함하는 전해연마액 조성물 제조

황산 30% 및 인산 70%로 구성된 전해연마액을 제조하였다.

실험예 : 표면 거칠기 분석

1) 교반속도에 따른 표면 거칠기

전해연마 공정 시 교반에 따른 표면 거칠기 변화를 확인하기 위하여, 상기 실시예 1 및 실시예 3에서 제조한 스테인레스강 전해연마액을 사용하여 교반속도를 바꿔가며 전해연마공정을 수행하고, 표면 거칠기 분석을 실시하였다. 전해연마는 전해탈지한 2×2 cm 크기의 STS304 시편을 양극으로 하고, 4×10 cm 크기의 Ti sheet를 음극으로 하여 직류전원을 사용하여 수행하였다. 표면 거칠기 Ra 값은 표면거칠기 측정기(모델명; Taylsurf PGI 120)를 이용하여 측정길이 4 mm로 탐침을 이동시켜 확인하였다. 하기 표 2에 전해연마공정 조건 및 분석 결과를 나타내었다.

구분	전압	시간	온도	교반속도	Ra
실시예 1	6 V	10 분	20℃	0 rpm	0.0761
				250 rpm	0.0925
				500 rpm	0.1506
				750 rpm	0.1135
실시예 3	10 V	5 분	13.5℃	0 rpm	0.0881
				300 rpm	0.1238

2) 벤조트리아졸 첨가에 따른 표면 거칠기

벤조트리아졸 첨가에 따른 표면 거칠기 영향을 확인하기 위하여, 상기 실시예 1의 베조트리아졸을 첨가하지 않은 스테인레스강 전해연마액 및 상기 실시예 2의 벤조트리아졸을 첨가한 스테인레스강 전해연마액을 이용하여 전해연마 공정을 수행하여 비교분석 하였다. 전해연마는 전해탈지한 2×2 cm 크기의 STS304 시편을 양극으로 하고, 4×10 cm 크기의 Ti sheet를 음극으로 하여 직류전원을 사용하여 수행하였다. 표면 거칠기 Ra 값은 표면거칠기 측정기(모델명; Taylsurf PGI 120)를 이용하여 측정길이 4 mm로 탐침을 이동시켜 확인하였다. 하기 표 3에 공정 조건 및 결과를 나타내었다.

구분	전압	시간	온도	Ra	pit 발생유무
실시예 1	8 V	10분	20℃	0.1094	유(국부적으로 발생)
실시예 2	8 V	10분	20℃	0.0860	무

상기 표 3에 나타난 바와 같이, 벤조트리아졸을 첨가함으로써 핏트 발생이 억제되는 효과가 있음을 확인하였다.

3) 온도에 따른 표면 거칠기

온도 변화에 따른 표면 거칠기 변화를 확인하기 위하여, 상기 실시예 1, 3 및 4에서 제조한 전해액용액 조성물을 이용하여 교반 없이 온도 조건을 바꿔가며 전해연마 공정을 수행하고 표면 거칠기를 분석하였다. 전해연마는 전해탈지한 2×2 cm 크기의 STS304 시편을 양극으로 하고, 4×10 cm 크기의 Ti sheet를 음극으로 하여 직류전원을 사용하여 수행하였다. 표면 거칠기 Ra 값은 표면거칠기 측정기(모델명; Taylsurf PGI 120)를 이용하여 측정길이 4 mm로 탐침을 이동시켜 확인하였다. 하기 표 4에 공정 조건 및 결과를 나타내었다.

구분	전압	시간	온도	Ra
실시예 1	6 V	10 분	10℃	0.1292
			20℃	0.0761
			30℃	0.0994
		15 분	10℃	0.1313
			20℃	0.0596
			30℃	0.0723
		20 분	10℃	0.0829
			20℃	0.0550
			30℃	0.1161
실시예 3	8 V	5 분	10℃	0.2267
		5 분	20℃	0.1746
		10 분	10℃	0.1498
			20℃	0.1033
	10 V	5 분	10℃	0.1238
		5 분	20℃	0.1030
		10 분	10℃	0.0881
		10 분	20℃	0.1043
실시예 4	8 V	10 분	20℃	0.0886
실시예 4	8 V	10 분	40℃	0.3652

4) 전압에 따른 표면 거칠기

전압 변화에 따른 표면 거칠기 변화를 확인하기 위하여, 상기 실시예 1, 3 및 비교예 1에서 제조한 전해액용액 조성물을 이용하여 전압을 바꿔가며 전해연마 공정을 수행하고 표면 거칠기를 분석하였다. 전해연마는 전해탈지한 2×2 cm 크기의 STS304 시편을 양극으로 하고, 4×10 cm 크기의 Ti sheet를 음극으로 하여 직류전원을 사용하여 수행하였다. 표면 거칠기 Ra 값은 표면거칠기 측정기(모델명; Taylsurf PGI 120)를 이용하여 측정길이 4 mm로 탐침을 이동시켜 확인하였다.하기 표 5에 공정 조건 및 결과를 나타내었다.

구분	전압	시간	온도	Ra
실시예 1	6 V	5 분	20℃	0.1499
	8 V			0.1561
	10 V			0.1330
	6 V	10 분		0.0761
	8 V			0.1094
	10 V			0.1027
	6 V	15 분		0.0596
	8 V			0.0676
	10 V			0.0955
	6 V	20 분		0.0550
	8 V			0.0492
	10 V			0.1341
실시예 3	8 V	15 분	20℃	0.0744
	10 V	15 분		0.0720
	8 V	20 분		0.0798
	10 V	20 분		0.1623
비교예 1	5 V	10 분	20℃	0.6663
	8 V			0.6174
	10 V			0.3853
비교예 2	5 V	10 분	80℃	0.1063
	8 V			0.0671
	10 V			0.0590

Claims

에틸렌글리콜 400 ㎖/ℓ 내지 800 ㎖/ℓ], 과염소산 50 ㎖/ℓ 내지 300 ㎖/ℓ 및 구연산 50 g/ℓ 내지 200 g/ℓ를 포함하는 스테인레스강 전해연마액 조성물.
제1항에 있어서, 상기 조성물은 벤조트리아졸 0.1 g/ℓ 내지 10 g/ℓ을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전해연마액 조성물.
제1항에 있어서, 상기 조성물은 0℃ 내지 30℃의 온도범위에서 전해연마 가능한 것을 특징으로 하는 전해연마액 조성물.