KR20160049119A - 주조용 알루미늄 합금 표면 처리용 전해액 및 주조용 알루미늄 합금 표면 처리방법 - Google Patents

주조용 알루미늄 합금 표면 처리용 전해액 및 주조용 알루미늄 합금 표면 처리방법 Download PDF

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Abstract

양극 산화법 적용 시 표면 결함 발생을 방지할 수 있는 주조용 알루미늄 합금 표면 처리용 전해액 및 주조용 알루미늄 합금 표면 처리방법이 소개된다.
본 발명의 주조용 알루미늄 합금 표면 처리방법은, 금속 음이온 화합물을 전해액에 첨가하여 주조용 알루미늄 합금에 산화피막을 형성하는 것을 특징으로 한다.

Description

주조용 알루미늄 합금 표면 처리용 전해액 및 주조용 알루미늄 합금 표면 처리방법{Electrolyte and method for surface treatment of aluminum alloys for casting}
본 발명은 주조용 알루미늄 합금 표면 처리용 전해액 및 주조용 알루미늄 합금 표면 처리방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 양극 산화법 적용 시 주조용 알루미늄 합금 표면에 형성되는 균열을 방지할 수 있는 주조용 알루미늄 합금 표면 처리용 전해액 및 주조용 알루미늄 합금 표면 처리방법에 관한 것이다.
알루미늄 합금들은 합금 원소들 때문에 순수 알루미늄에 비하여 내식성이 열위하므로, 표면 내마모성을 개선하기 위해 표면에 산화피막을 전기 화학적으로 형성해 주는데, 이러한 방법을 양극산화법이라 한다.
양극산화법은 양극(Anode)과 산화(Oxidizing)의 합성어(Ano-dizing)로써, 알루미늄 합금을 전해액에서 양극으로 하여 통전, 양극에 발생하는 산소에 의해 알루미늄 표면을 산화시켜 알루미늄 피막(Al2O3)을 형성하는 방법이다.
이러한 알루미늄 피막은 매우 단단하고, 내식성이 우수하며, 수 nm에서 수 ㎛의 미세한 columnar cell이 성장하여 미세한 다공성 표면을 형성한다.
일반적인 양극산화는 황산 농도가 15~20wt%인 전해질을 사용하여 행하여진다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 주조용 알루미늄 합금은 유동성 개선을 목적으로 Si를 다량 포함하고 있다. 다량의 Si가 포함된 합금에서는 양극산화 과정에서 Si가 용해되지 않고, 그 자리에 남아 있게 되는데, 양극산화되지 않은 Si 덩어리들은 island를 형성하여 산화피막 표면에서 균열을 야기, 내식성을 오히려 저하시킨다.
상기한 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
한국공개특허 제2003-0024570(2003.03.26)
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해 금속 음이온 화합물을 이용함으로써, 다량의 Si가 포함된 합금에서 양극산화되지 않은 Si 덩어리들이 island를 형성하여 산화피막 표면에서 균열을 야기, 내식성 저하시키는 것을 방지할 수 있는 주조용 알루미늄 합금 표면 처리용 전해액 및 주조용 알루미늄 합금 표면 처리방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 주조용 알루미늄 합금 표면 처리방법은, 금속 음이온 화합물을 전해액에 첨가하여 주조용 알루미늄 합금에 산화피막을 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 전해액은, 황산 또는 수산 중에서 어느 하나를 선택된 재료를 베이스로 제조된 것을 특징으로 한다.
상기 금속 음이온 화합물은 NaAlO2 인 것을 특징으로 한다.
상기 금속 음이온 화합물은, NaMoO4, Na2Ti3O7, 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 주조용 알루미늄 합금에 포함된 Si는 4.0 ~ 24.0wt%이고, 상기 산화피막의 두께는 5㎛ 이상으로 형성하는 것을 특징으로 한다.
황산 또는 수산 중 어느 하나를 선택하여 전해액을 준비하는 과정; NaMoO4, Na2Ti3O7, NaAlO2 중에서 어느 하나의 금속 음이온 화합물를 선택하여 상기 전해액에 첨가하는 과정; 및 전압, 전류, 시간, 온도 범위를 조절하여 상기 주조용 알루미늄 합금 표면에 형성된 균열에 상기 전해액 중 포함된 금속 음이온 화합물 중의 음이온을 결합시키는 과정을 포함한다.
상기 전압은 10~200V, 상기 전류는 0.2~10A/㎠, 상기 시간은 1~24h 범위 내에서 조절되고, 상기 금속 음이온 화합물은 0.02~0.4M 범위에서 첨가되는 것을 특징으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 주조용 알루미늄 합금 표면 처리용 전해액은, Si : 4.0 ~ 24.0wt%을 함유한 주조용 알루미늄 합금 표면에 산화피막을 형성할 수 있도록 황산용액 또는 수산용액 중에서 선택된 어느 하나의 용액에 NaMoO4, Na2Ti3O7, NaAlO2 중에서 선택된 어느 하나의 금속 음이온 화합물를 첨가한 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기한 기술적 구성으로부터 아래와 같은 다양한 효과를 도출할 수 있는 이점이 있다.
첫째, 금속 음이온 화합물을 이용하여 고 Si를 함유하는 주조용 알루미늄 합금에 5㎛ 이상의 후막을 생성할 수 있는 이점이 있다.
둘째, 주조용 알루미늄 합금에 양극산화 피막 형성 시 발생하는 표면 결함을 제거할 수 있는 이점이 있다.
셋째, 양극 산화된 주조용 알루미늄 합금의 내식성, 내마모성 및 피막 경도를 개선할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래 양극 산화 과정에서 Si 덩어리들이 island를 형성하여 산화피막 표면에서 균열을 형성하는 과정을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 주조용 알루미늄 합금 표면 처리 매커니즘을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 처리방법이 적용된 주조용 알루미늄 합금의 균열 방지 매커니즘을 나타낸 도면,
도 4는, 2시간 동안 (a) 기존 황산법 전해질 H2SO4 (b) H2SO4+0.02M NaAlO2, (c) H2SO4+0.1M NaAlO2, (d) H2SO4+0.2M NaAlO2에서 양극산화 시킨 ADC12 합금 표면의 전자 현미경 관찰 결과를 나타낸 사진,
도 5는, 3시간 동안 (a) 기존 황산법 전해질 H2SO4 (b) H2SO4+0.02M NaAlO2, (c) H2SO4+0.1M NaAlO2, (d) H2SO4+0.2M NaAlO2에서 양극산화 시킨 ADC12 합금 표면의 전자 현미경 관찰 결과를 나타낸 사진,
도 6은, 4시간 동안 (a) 기존 황산법 전해질 H2SO4 (b) H2SO4+0.02M NaAlO2, (c) H2SO4+0.1M NaAlO2, (d) H2SO4+0.2M NaAlO2에서 양극산화 시킨 ADC12 합금 표면의 전자 현미경 관찰 결과를 나타낸 사진,
도 7은, ADC12 합금 표면의 양극산화 피막 경도를 나타낸 도면,
도 8은, H2SO4, H2SO4+0.2M NaAlO2를 이용하여 (a) 2시간, (b) 3시간, (c) 4시간 동안 양극산화 한 ADC12의 분극 곡선을 나타낸 그래프이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 주조용 알루미늄 합금 표면 처리용 전해액 및 주조용 알루미늄 합금 표면 처리방법을 설명한다.
본 발명의 주조용 알루미늄 합금 표면 처리용 전해액은, Si : 4.0 ~ 24.0wt%을 함유한 주조용 알루미늄 합금 표면에 산화피막을 형성할 수 있도록 황산용액 또는 수산용액 중에서 선택된 어느 하나의 용액에 NaMoO4, Na2Ti3O7, NaAlO2 중에서 선택된 어느 하나의 금속 음이온 화합물를 첨가한 것을 특징으로 한다.
이러한 전해액을 이용하여 주조용 알루미늄 합금에 표면 처리를 하면, Si : 4.0 ~ 24.0wt%를 함유하는 고 Si 주조용 알루미늄 합금 양극 산화 시 발생하는 균열을 방지할 수 있게 된다.
본 발명의 주조용 알루미늄 합금 표면 처리방법은, 황산 또는 수산 중 어느 하나를 선택하여 전해액을 준비하는 과정, NaMoO4, Na2Ti3O7, NaAlO2 중에서 어느 하나의 금속 음이온 화합물를 선택하여 상기 전해액에 첨가하는 과정, 전압, 전류, 시간, 온도 범위를 조절하여 상기 주조용 알루미늄 합금 표면에 형성된 균열에 상기 전해액 중 포함된 금속 음이온 화합물 중의 음이온을 결합시키는 과정을 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 황산 또는 수산 중 어느 하나에 NaMoO4, Na2Ti3O7, NaAlO2 중에서 어느 하나의 금속 음이온 화합물이 첨가된 전해액을 이용하여 양극 산화법을 적용하면, 금속 음이온 화합물 중의 Al2O- 가 전해질 내에서 해리되어, 양극 산화 시 발생되는 주조용 알루미늄 합금 표면의 균열에 결합하게 된다.
금속 음이온 화합물 중 NaAlO2의 이온 반응을 나타내면 아래와 같다.
NaAlO2 ------> Na+ + Al2O-
도 3에 도시된 바와 같이, 주조용 알루미늄 합금 표면(Al 모재 합금)의 Al2O3 산화 피막에 형성되는 균열에, 상술한 금속 음이온이 결합하여 성장하게 되면, Si에 의해 발생하는 표면 균열 생성이 방지된다.
본 발명의 주조용 알루미늄 합금 표면 처리방법에서는, 양극 산화법 적용 시 최적의 전해액을 제조하고, 이를 표면 처리방법에 적용할 수 있도록 표면 처리 과정을 구체화한 바, 이를 설명하면 아래와 같다.
주조용 알루미늄 합금 표면 처리 시, 전압, 전류, 시간, 온도, 첨가되는 금속 음이온 화합물 종류, 첨가량 등 다양한 조건들을 컨트롤하는 것일 필요한바, 이러한 조건들은 고 Si를 함유하는 주조용 알루미늄 합금에 5㎛ 후막 형성, 균열 제거에 의한 내식성, 내마모성, 피막 경도 향상을 위해 최적으로 유지되어야 한다.
전압 및 전류는 각각 10~200V, 0.2~10A/㎠ 로 인가되어야 하고, 1~24h 범위 내에서 표면 처리 과정이 진행되어야 하며, 금속 음이온 화합물은 0.02~0.4M 범위에서 첨가되어야 한다.
전압, 전류, 시간 범위 중 하한은 주조용 알루미늄 합금 표면 처리를 위해 전해액에서 최소한의 음이온화를 위한 전압, 전류, 시간값이고, 그 상한은 양극 산화 시 필요 이상의 로드가 가해지는 것을 방지하기 위한 최대한의 전압, 전류, 시간값이다.
전해액의 온도는 0~90℃인 것이 바람직하고, 상술한 바와 같이, 첨가되는 금속 음이온 화합물은 NaMoO4, Na2Ti3O7, NaAlO2 중에서 선택된 어느 하나이면 족하다.
금속 음이온 화합물의 양은 0.4M을 초과하지 않는 것이 바람직한바, 이는 전해액 내에 용해 가능한 수준에서 첨가되어야 하기 때문이다.
도 4는, 2시간 동안 (a) 기존 황산법 전해질 H2SO4 (b) H2SO4+0.02M NaAlO2, (c) H2SO4+0.1M NaAlO2, (d) H2SO4+0.2M NaAlO2에서 양극산화 시킨 ADC12 합금 표면의 전자 현미경 관찰 결과를 나타낸 사진이고, 도 5는, 3시간 동안 (a) 기존 황산법 전해질 H2SO4 (b) H2SO4+0.02M NaAlO2, (c) H2SO4+0.1M NaAlO2, (d) H2SO4+0.2M NaAlO2에서 양극산화 시킨 ADC12 합금 표면의 전자 현미경 관찰 결과를 나타낸 사진이며, 도 6은, 4시간 동안 (a) 기존 황산법 전해질 H2SO4 (b) H2SO4+0.02M NaAlO2, (c) H2SO4+0.1M NaAlO2, (d) H2SO4+0.2M NaAlO2에서 양극산화 시킨 ADC12 합금 표면의 전자 현미경 관찰 결과를 나타낸 사진이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 0.02M의 NaAlO2를 첨가한 금속 음이온 전해질에서 양극산화를 실시한 경우를 제외하고, 0.1M과 0.2M의 NaAlO2를 첨가한 금속음이온 전해질에서 양극산화 하였을 때 시간이 증가함에 따라 ADC12 합금의 양극산화 피막 경도가 증가함을 알 수 있었다.
도 8은, H2SO4, H2SO4+0.2M NaAlO2를 이용하여 (a) 2시간, (b) 3시간, (c) 4시간 동안 양극산화 한 ADC12의 분극 곡선을 나타낸 그래프이다.
전해질로써 H2SO4만 사용하여 양극산화 한 ADC12 합금 보다 0.2M NaAlO2를 첨가한 전해질에서 양극산화 한 ADC12 합금의 Tapel plot이 오른쪽으로 이동함을 알 수 있었는바, 0.2M NaAlO2를 첨가한 전해질에서 양극산화 한 ADC12 합금의 내식성이 향상되었음을 알 수 있었다.
본 발명은 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 첨부하는 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

Claims (8)

  1. 금속 음이온 화합물을 전해액에 첨가하여 주조용 알루미늄 합금에 산화피막을 형성하는 것을 특징으로 하는, 주조용 알루미늄 합금 표면 처리방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전해액은, 황산 또는 수산 중에서 어느 하나를 선택된 재료를 베이스로 제조된 것을 특징으로 하는, 주조용 알루미늄 합금 표면 처리방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 금속 음이온 화합물은 NaAlO2 인 것을 특징으로 하는, 주조용 알루미늄 합금 표면 처리방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 금속 음이온 화합물은, NaMoO4, Na2Ti3O7, 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 주조용 알루미늄 합금 표면 처리방법.

  5. 청구항 3 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주조용 알루미늄 합금에 포함된 Si는 4.0 ~ 24.0wt%이고
    상기 산화피막의 두께는 5㎛ 이상으로 형성하는 것을 특징으로 하는, 주조용 알루미늄 합금 표면 처리방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    황산 또는 수산 중 어느 하나를 선택하여 전해액을 준비하는 과정;
    NaMoO4, Na2Ti3O7, NaAlO2 중에서 어느 하나의 금속 음이온 화합물를 선택하여 상기 전해액에 첨가하는 과정; 및
    전압, 전류, 시간, 온도 범위를 조절하여 상기 주조용 알루미늄 합금 표면에 형성된 균열에 상기 전해액 중 포함된 금속 음이온 화합물 중의 음이온을 결합시키는 과정을 포함하는, 주조용 알루미늄 합금 표면 처리방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 전압은 10~200V, 상기 전류는 0.2~10A/㎠, 상기 시간은 1~24h 범위 내에서 조절되고,
    상기 금속 음이온 화합물은 0.02~0.4M 범위에서 첨가되는 것을 특징으로 하는, 주조용 알루미늄 합금 표면 처리방법.
  8. Si : 4.0 ~ 24.0wt%을 함유한 주조용 알루미늄 합금 표면에 산화피막을 형성할 수 있도록 황산용액 또는 수산용액 중에서 선택된 어느 하나의 용액에 NaMoO4, Na2Ti3O7, NaAlO2 중에서 선택된 어느 하나의 금속 음이온 화합물를 첨가한 것을 특징으로 하는, 주조용 알루미늄 합금 표면 처리용 전해액.
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