KR20160101648A - 해양 환경용 알루미늄 합금의 캐비테이션 손상 방지를 위한 양극 산화 전해액 온도 선정방법 - Google Patents

해양 환경용 알루미늄 합금의 캐비테이션 손상 방지를 위한 양극 산화 전해액 온도 선정방법 Download PDF

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KR20160101648A
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목포해양대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 전기화학 실험과 캐비테이션 실험을 통해서 알루미늄 합금의 양극 산화 전해액 온도를 선정하는 방법에 있어서, 상기 전해액 온도는 10℃인 해양 환경용 알루미늄 합금의 캐비테이션 손상 방지를 위한 양극 산화 전해액 온도 선정방법을 제공하기 위한 것으로, 본 발명은 전해액 온도 변화에 따른 이온의 활성도 및 전해전압 차이로 기공 성장의 안정도가 달라지면서 해수 내에서 우수한 내구성을 나타낼 수 있는 효과를 갖는다. 또한, 본 발명은 알루미늄 선박의 내식성 및 내침식성 향상기술 개발은 유지 보수에 따른 기간과 경비를 감축하여 경제적 효과를 극대화할 수 있는 효과를 갖는다. 특히 본 발명은 캐비테이션 손상을 완화함으로써 선박의 마찰저항을 저감시켜 내구성 및 사용수명을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.

Description

해양 환경용 알루미늄 합금의 캐비테이션 손상 방지를 위한 양극 산화 전해액 온도 선정방법{Optimization method of anodizing solution temperature for protection of marine grade aluminum alloys from cavitation}
본 발명은 해양 환경용 알루미늄 합금의 캐비테이션 손상 방지를 위한 양극 산화 전해액 온도 선정방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해수 내에서 우수한 내구성을 확보할 수 있는 알루미늄 합금의 양극 산화 전해액 온도를 선정할 수 있도록 하는 해양 환경용 알루미늄 합금의 캐비테이션 손상 방지를 위한 양극 산화 전해액 온도 선정방법에 관한 것이다.
일반적으로 알루미늄 합금은 강재보다 경량이므로 연료 절감 및 고속운항이 가능하며 강도가 좋은 장점으로 여객의 항해시간을 최대한 줄여야 경쟁력이 있는 여객선 및 기동력을 원하는 해군과 해양경찰의 선박의 선체 재료로 사용하고 있다.
그러나 알루미늄 합금으로 제작한 선박의 경우 해수 환경에서는 염소 이온이 부동태 피막을 파괴하여 부식으로 인한 산업용 설비의 손상과 그로 인한 재산상 손실이 커지는 문제점을 갖게 되었다.
따라서 종래에는 선박에서는 해수 부식을 방지하기 위해서 도장, 외부 전원법, 희생 양극법에 의한 음극 방식법을 적용하고 있다.
그러나 희생 양극법은 수명 예측 기술이 미비하여 조기에 소모될 경우 부식이 발생하는 문제점을 갖게 되었다.
이때 희생 양극에 의한 방식이 달성되지 않으면 도장에 의해 방식이 이루어져야 하나, 도장에 결함이 존재할 경우 그 부위에서 부식이 시작 및 확대되면서 도막의 박리 현상이 발생하는 문제점을 갖게 되었다.
또한, 이들은 사용 기간 중 전기 도통성이 계속 유지되어야 하는 제약이 있으며, 이러한 설비 장착에 기인한 중량 증가 역시 고속 운항에 영향을 미치고 지속적인 유지관리 비용이 가중되는 문제점을 갖게 되었다.
그리고 알루미늄 선박의 경우 빠른 속도로 인해 캐비테이션-침식 현상까지 발생하면서 선체 손상은 보다 가속화되면서 선체 전반에 걸쳐서 손상이 발생하여 내구성 및 사용수명이 단축되는 문제점을 갖게 되었다.
아울러 최근에는 전해액에서 물건을 양극으로 하고 전류를 통하여 양극에서 발생하는 산소에 의해서 금속 표면에 고착된 산화 피막을 형성하는 양극 산화방법을 활용하고 있으나, 이는 전해액의 온도 변화에 따른 이온의 활성도 및 전해전압 차이로 기공 성장의 안정도가 달라지면서 양극 산화의 품질을 좌우하는 심각한 문제점을 갖게 되었다.
한국등록특허 제10-0019752호(1985.07.29) 한국공개특허 제10-2005-0086129호(2005.08.30) 한국등록특허 제10-1169676호(2012.08.06) 한국등록특허 제10-1462532호(2014.11.17) 한국등록특허 제10-1462541호(2014.11.17)
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서,
본 발명은 전기화학 실험과 캐비테이션 실험을 통해서 해양환경에서 우수한 내구성을 보유할 수 있는 알루미늄 합금의 양극 산화 최적의 전해액 온도를 선정할 수 있는 해양 환경용 알루미늄 합금의 캐비테이션 손상 방지를 위한 양극 산화 전해액 온도 선정방법을 제공함에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명 해양 환경용 알루미늄 합금의 캐비테이션 손상 방지를 위한 양극 산화 전해액 온도 선정방법은,
전기화학 실험과 캐비테이션 실험을 통해서 알루미늄 합금의 양극 산화 전해액 온도를 선정하는 방법에 있어서, 상기 전해액 온도는 10℃인 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 알루미늄 합금은 5083-O인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 전해액 온도 변화에 따른 이온의 활성도 및 전해전압 차이로 기공 성장의 안정도가 달라지면서 해수 내에서 우수한 내구성을 나타낼 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 알루미늄 선박의 내식성 및 내침식성 향상기술 개발은 유지 보수에 따른 기간과 경비를 감축하여 경제적 효과를 극대화할 수 있는 효과를 갖는다.
특히 본 발명은 캐비테이션 손상을 완화함으로써 선박의 마찰저항을 저감시켜 내구성 및 사용수명을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 전해액 농도와 공정시간이 각각 10vol.%, 40분이고, 적용 전류밀도가 적용 전류밀도가 20㎃/㎠인 조건에서 전해액 온도변화에 따른 양극 산화 후 기공 및 장벽층의 형상을 관찰한 사진.
도 2는 전해액 농도와 공정시간이 각각 10vol.%, 40분이고, 적용 전류밀도가 적용 전류밀도가 20㎃/㎠인 조건에서 전해액 온도변화에 따른 양극 산화 후 양극 분극 실험 결과를 비교한 그래프.
도 3은 전해액 농도와 공정시간이 각각 10vol.%, 40분이고, 적용 전류밀도가 적용 전류밀도가 20㎃/㎠인 조건에서 전해액 온도변화에 따른 양극 산화 실시 후 타펠 분석 결과를 나타낸 그래프.
도 4는 전해액 농도와 공정시간이 각각 10vol.%, 40분이고, 적용 전류밀도가 적용 전류밀도가 20㎃/㎠인 조건에서 전해액 온도변화에 따른 양극 산화 후 나노 인덴테이션 분석 결과를 나타낸 그래프.
도 5는 전해액 농도와 공정시간이 각각 10vol.%, 40분이고, 적용 전류밀도가 적용 전류밀도가 20㎃/㎠인 조건에서 전해액 온도변화에 따른 양극 산화 후 캐비테이션 실험을 실시하여 손상면을 관찰한 사진.
도 6은 전해액 농도와 공정시간이 각각 10vol.%, 40분이고, 적용 전류밀도가 적용 전류밀도가 20㎃/㎠인 조건에서 전해액 온도변화에 따른 양극 산화 후 캐비테이션 실험을 실시하여 무게감소량을 비교한 그래프.
도 7은 전해액 농도와 공정시간이 각각 10vol.%, 40분이고, 적용 전류밀도가 적용 전류밀도가 20㎃/㎠인 조건에서 전해액 온도변화에 따른 양극 산화 후 캐비테이션 실험을 실시하여 3D 분석 현미경으로 표면 및 손상깊이를 비교한 사진.
상기한 바와 같이 본 발명의 실시예를 첨부한 그래프 및 사진에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 전해액 농도와 공정시간이 각각 10vol.%, 40분이고, 적용 전류밀도가 적용 전류밀도가 20㎃/㎠인 조건에서 전해액 온도변화에 따른 양극 산화 후 기공 및 장벽층의 형상을 관찰한 사진이고, 도 2는 전해액 농도와 공정시간이 각각 10vol.%, 40분이고, 적용 전류밀도가 적용 전류밀도가 20㎃/㎠인 조건에서 전해액 온도변화에 따른 양극 산화 후 양극 분극 실험 결과를 비교한 그래프이며, 도 3은 전해액 농도와 공정시간이 각각 10vol.%, 40분이고, 적용 전류밀도가 적용 전류밀도가 20㎃/㎠인 조건에서 전해액 온도변화에 따른 양극 산화 실시 후 타펠 분석 결과를 나타낸 그래프이고, 도 4는 전해액 농도와 공정시간이 각각 10vol.%, 40분이고, 적용 전류밀도가 적용 전류밀도가 20㎃/㎠인 조건에서 전해액 온도변화에 따른 양극 산화 후 나노 인덴테이션 분석 결과를 나타낸 그래프이고, 도 5는 전해액 농도와 공정시간이 각각 10vol.%, 40분이고, 적용 전류밀도가 적용 전류밀도가 20㎃/㎠인 조건에서 전해액 온도변화에 따른 양극 산화 후 캐비테이션 실험을 실시하여 손상면을 관찰한 사진이며, 도 6은 전해액 농도와 공정시간이 각각 10vol.%, 40분이고, 적용 전류밀도가 적용 전류밀도가 20㎃/㎠인 조건에서 전해액 온도변화에 따른 양극 산화 후 캐비테이션 실험을 실시하여 무게감소량을 비교한 그래프이고, 도 7은 전해액 농도와 공정시간이 각각 10vol.%, 40분이고, 적용 전류밀도가 적용 전류밀도가 20㎃/㎠인 조건에서 전해액 온도변화에 따른 양극 산화 후 캐비테이션 실험을 실시하여 3D 분석 현미경으로 표면 및 손상깊이를 비교한 사진을 첨부한 것이다.
본 발명은 전기화학 실험과 캐비테이션 실험을 통해서 알루미늄 합금의 양극 산화 전해액 온도를 선정하는 방법에 있어서, 상기 전해액 온도는 10℃인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 양극 산화 시 전해액 온도 변화에 따른 다공성 피막의 전기화학적 및 기계적 특성을 평가하기 위해 황산을 전해액으로 사용하였으며, 이중 비커(beaker)를 이용해 전해액의 온도를 5℃ 내지 20℃까지 각 조건별로 일정하게 유지하였다.
또한, 전해액 농도는 이전 연구에서 최적 조건으로 선정된 10vol.%로 고정하였다.
양극은 두께가 5mm이고 크기가 2cm×2cm인 5083-O 알루미늄 합금을, 음극은 백금전극을 사용하여 극간 거리를 3cm로 일정하게 유지하였다.
실험 시 국부적인 온도 상승으로 안정된 산화층 성장이 방해되는 것을 억제하기 위해 300rpm으로 교반하였으며, 정전류 모드를 사용하여 전류밀도를 20mA/cm2로 유지하였다.
양극 산화 후 FE-SEM으로 피막 기공을 관찰하였으며, 나노 인덴테이션을 이용해 탄성계수, 경도 및 인장잔류응력을 측정하였다.
양극 분극 실험은 개로 전위에서 +3.0V까지 2mV/s의 주사속도로 천연해수에서 실시하였으며, 손상 거동 관찰을 위해 3D 분석 현미경을 사용하여 표면 형상을 비교하였다.
또한, 부식전위와 부식전류밀도 측정을 위해 개로 전위를 기준으로 ±0.25V 분극시켜 타펠 분석을 실시하였다.
캐비테이션 실험은 압전효과를 이용한 진동발생 장치를 사용하여 30㎛ 진폭으로 일정하게 하였으며, 혼 팁과 시편과의 거리는 1mm로 유지하였다.
또한, 실험 후 초음파로 세척하여 진공건조기에서 24시간 이상 건조한 후 정밀저울로 무게감소량을 측정하였다.
도 1을 참조하면 알루미늄 양극 산화 피막은 소지금속과 피막 사이에 형성되는 장벽층과, 전해액과의 접촉면에 형성되는 porous층으로 구성된다.
장벽층은 기공이 없고 치밀한 막으로 적용 전압에 비례하여 일정 두께를 유지하는 반면, 다공층(porouslayer)은 전해액과의 전기화학적 용해반응으로 내부에 기공을 가지는 원주형 tube를 형성한다.
전해액 온도 10℃와 15℃에서는 알루미늄 특유의 hexagonal 구조가 비교적 선명하고 장벽층 또한, 양호하게 형성되었다.
본 발명에서는 산업계에서 널리 사용되는 알루미늄 합금(5083-O)을 사용하였기 때문이다.
이러한 소지금속의 함유원소 차이는 기공 형성 과정에 직접적인 영향을 미친다.
결과적으로 전해액 온도 5℃에서는 급격한 이온의 활성도 저하와 합금 원소의 영향으로 기공이 생성되지 않았으며, 전해액 온도 20℃에서는 낮은 전해전압으로 인한 용해반응의 저하로 지름이 작고 불안정한 기공의 성장이 관찰된 것으로 판단된다.
도 2를 참조하면 0V 전위에서의 전류밀도를 측정한 결과, 양극 산화를 실시하지 않은 경우에는 9.05×10-2A/cm2의 높은 값을 나타낸 반면, 양극 산화를 실시한 경우에는 8.53×10-7A/cm2 내지 7.24×10-6A/cm2를 나타내 최대 105배 이상 낮은 전류밀도를 나타냈다.
특히 전해액 온도 5℃에서는 다른 양극 산화 조건에 비해 높은 전류밀도를 나타냈는데, 이는 급격한 이온의 활성도 저하와 합금 원소의 영향으로 정상적인 기공이 생성되지 않아 소지금속의 영향을 크게 받았기 때문으로 판단된다.
또한, 전해액 온도 20℃에서는 낮은 전해전압으로 인한 용해반응의 저하로 지름이 작은 기공이 생성되면서 상대적으로 10℃와 15℃에 비해 낮은 기공율과 함께 우수한 환경차단 및 절연 특성을 나타내 낮은 전류밀도가 측정된 것으로 판단된다.
도 3을 참조하면 양극 산화를 실시하지 않은 경우, 음극 분극 곡선에서 농도분극 현상이 관찰되었으며, 전위가 비방향으로 이행하면서 전류밀도가 상승하는 경향을 나타냈다.
또한, 양극 분극 곡선에서 전위 증가에 따라 완만하게 전류밀도가 상승하다 -0.601V에서 공식발생으로 인해 전류밀도가 급격히 상승하는 경향이 관찰되었다.
반면 양극 산화를 실시한 경우에는 양극 분극과 음극 분극이 진행되어 개로전위로부터 전위차가 커지면서 완만한 전류밀도의 상승이 관찰되었다.
양극 산화를 실시한 경우 표면에 생성된 산화물이 Al2O3로 동일하고, 개로전위를 기준으로 양극 분극과 음극 분극 시키는 정도가 작아 유사한 분극 경향을 나타냈으며, 양극 산화를 실시하지 않은 경우에 비해 안정적이고 낮은 전류밀도를 나타낸 것으로 판단된다.
부식전류밀도 비교 결과, 양극 산화를 실시하지 않은 경우 2.09×10-7A/cm2의 높은 전류밀도를 나타낸 반면, 양극 산화를 실시한 경우에는 전해액 온도 5℃, 10℃, 15℃ 그리고 20℃의 경우 각각 2.74×10-9A/cm2, 2.29×10-8A/cm2, 2.05×10-9A/cm2, 6.88×10-10A/cm2로 매우 낮은 부식전류밀도를 나타내어 해수에서의 내식성이 현저히 향상된 것으로 판단된다.
도 4를 참조하면 탄성계수의 경우 전해액 온도 5℃에서 116.4Gpa을 나타낸 후 10℃에서는 141.4Gpa로 증가하였으나, 이후에는 15℃에서 125.1Gpa, 20℃에서 71.9Gpa로 점차 낮아지는 경향을 나타냈다.
특히 전해액 온도 20℃의 경우 양극 산화를 실시하지 않은 경우(111.3 Gpa)보다 현저히 낮은 탄성계수를 나타내어 특성이 열악해질 것으로 판단된다.
탄성 계수는 재료의 강성도(sti ffness)를 나타내는 값으로, 클수록 외부 충격에 대한 저항성이 강한 것을 의미한다.
또한, 표면 경도 비교 결과, 양극 산화를 실시하지 않은 경우가 2.9Gpa을 나타낸 반면, 양극 산화 후에는 2.8Gpa 내지 7.2Gpa을 나타내어 최대 2.4배 이상의 경도 향상이 관찰되었다.
결과적으로 높은 탄성계수를 나타낸 전해액 온도 10℃가 가장 우수한 기계적 특성을 나타낼 것으로 판단되며, 가장 높은 경도를 나타낸 15℃와 가장 낮은 탄성계수를 나타낸 20℃의 경우가 열악한 특성을 나타낼 것으로 판단된다.
도 5를 참조하면 전해액 온도 5℃의 경우, 캐비테이션 실험 초기 넓은 면적에서 작은 피트와 함께 크레이터형 손상도 일부 관찰되었다.
이후 캐비테이션 시간이 증가할수록 피트의 수가 증가하고 크기도 커지는 것을 확인할 수 있다.
캐비테이션 손상 초기 단계에 재료 표면에서 관찰되는 indent나 pit들은 독립적인 기포 붕괴에 의해 형성된 것이며, 이들의 크기는 기포 붕괴 시 충격의 세기와 밀접한 관련이 있다.
결국, 이들 기포의 충격이 계속적으로 반복되면서 급격한 재료 손실과 파손을 초래한다.
반면 전해액 온도 10℃에서는 초기 국부적인 미세 탈리가 관찰되었으며, 실험종료 시까지 산화피막층이 손상되지 않고 잔존해 있는 것을 볼 수 있다.
특히 캐비테이션 시간 20분에서는 손상이 거의 관찰되지 않았는데, 이를 잠복기(incubation period)로 판단할 수 있다.
또한, 전해액 온도 15℃에서는 시편 중앙에 굵은 피트가 형성된 후 면적이 넓어지면서 실험 종료 시에는 가장자리 위주로 매우 큰 크레이터형 손상이 관찰되었다.
또 전해액 온도 20℃의 경우 초기에 표면 전체적으로 미세한 피트가 발생한 후 실험 종료시에는 표면 피막이 대부분 제거된 것을 확인할 수 있다.
또한, 대부분의 조건에서 중앙보다 가장자리의 손상이 큰 것을 알 수 있다. 결과적으로 전해액 온도 5℃에서는 표면에 정상적인 기공이 형성되지 않고 높은 경도를 나타냄으로써 큰 손상이 발생하였다.
반면 전해액 온도 10℃에서는 치밀한 Al2O3가 형성됨과 동시에 가장 높은 탄성계수를 나타내면서 양호한 특성을 나타냈다.
또한, 전해액 온도 15℃의 경우 5℃에 비해 높은 탄성계수를 나타냈으나, 경도 역시 높은 값을 나타내면서 취성 증가로 인한 열악한 특성을 나타낸 것으로 판단된다.
전해액 온도 20℃에서는 가장 낮은 탄성계수를 나타냈으나, 경도 역시 낮게 측정됨으로써 취성이 감소하여 15℃보다 적은 손상이 관찰된 것으로 판단된다.
도 6을 참조하면 양극 산화를 실시하지 않은 경우 20분 내지 30분에 비해 30분 내지 40분 사이의 무게감소량이 매우 적게 측정되었다.
이는 최초 20분간 워터 캐비테이션 피닝(water cavitation peening) 효과로 표면에 압축 잔류응력이 형성되어 일시적인 캐비테이션 저항성 향상 효과로 낮은 무게감소량을 나타냈으나, 30분에는 소지금속의 낮은 경도와 탄성계수로 인해 손상이 가속화되면서 무게감소량이 급격히 증가한 것으로 판단된다.
또한, 30분 내지 40분 사이의 무게감소량 차가 적은 것은 표면에 발생된 피트에 흡착된 캐비티가 이후 발생한 캐비티와 소지금속과의 접촉을 차단하는 쿠션효과(cushioning effect)에 의해 손상량이 감소한 것으로 판단된다.
또 계속된 손상으로 혼팁과 시편과의 거리가 멀어지면서 표면에 도달하는 캐비티 감소로 인한 충격력 저하도 하나의 원인으로 판단된다.
양극 산화를 실시한 경우의 전해액 온도 5℃에서는 캐비테이션 시간 20분과 30분에 각각 7.4mg, 17.5mg의 무게감소량을 나타내어 모재보다 큰 손상이 관찰되었다.
이는 양극 산화 공정을 통해 정상적인 기공이 형성되지 않았으며, 표면 경도 상승으로 인한 취성 증가로 큰 무게감소량을 나타낸 것으로 판단된다.
전해액 온도 10℃에서는 모든 캐비테이션 시간 조건에서 가장 적은 무게감소량을 나타내 양호한 내캐비테이션 특성을 나타냈다.
특히 실험 초기(20분)에는 0.6mg으로 거의 손상이 발생하지 않아 20분 이내의 잠복기가 존재함을 알 수 있다.
따라서 이 시간에는 표면이 소송변형 등의 방법으로 캐비티에 의한 충격 에너지를 흡수하기 때문에 무게감소량이 증가하지 않는다.
또한, 전해액 온도 15℃의 경우 초기에는 모재와 비슷한 3.7mg의 무게감소량을 나타냈으나, 이후 손상이 급격히 커지기 시작하면서 실험 종료시에는 가장 큰 무게감소량을 나타냈다.
전해액 온도 20℃의 경우 초기에는 15℃보다 큰 무게감소량을 나타냈으나, 캐비테이션 시간 30분과 40분에서는 오히려 작은 값을 나타냈다.
따라서 캐비테이션 실험 초기 손상이 시작되는 단계에서는 표면의 탄성계수가 영향을 미치나, 이후 손상이 시작되면 경도에 의한 취성이 영향을 미치는 것으로 판단된다.
즉, 상대적으로 탄성계수가 높은 전해액 온도 15℃ 조건에서 초기에는 적은 무게감소량을 나타냈으나, 이후부터 높은 경도로 인해 손상이 급격히 증가하면서 오히려 20℃보다 큰 무게감소량을 나타낸 것으로 판단된다.
도 7을 참조하면 양극 산화를 실시하지 않은 경우에는 실험 초기 캐비티의 피닝효과로 인해 일시적으로 캐비테이션 저항성이 향상되어 표면 중 취약한 부위에서 일부 탈리와 함께 발생한 요철만 관찰되면서 23.5㎛의 가장 적은 손상깊이를 나타냈다.
그러나 캐비테이션 시간 30분에는 표면의 결정탈락 현상과 함께 손상이 현저하게 증대되어 194.8㎛의 큰 손상깊이를 나타내었다.
이는 캐비테이션 초기의 경화현상에 기인한 잠복기 이후 증가기에 접어드는 시점으로 판단된다.
또한, 캐비테이션 시간 40분에서는 손상깊이가 거의 증가하지 않았는데, 이는 깊이방향으로의 손상과 주변부 손상이 동시에 발생하면서 실제 손상은 진전되었으나 손상깊이가 적게 측정된 것으로 판단된다.
이와 같이 캐비테이션에 의한 표면손상은 작은 압입자국 생성 후 피트와 크랙이 발생되면서 최종적으로 피트들이 합쳐져 성장하는 과정을 거친다.
특히 양극 산화를 실시한 경우의 전해액 온도 5℃에서는 캐비테이션 시간 20분의 72.6㎛를 시작으로 40분에서의 138.9㎛까지 꾸준한 손상을 나타냈으며, 표면관찰에서도 박리가 꾸준히 진행되면서 깊이방향으로 손상이 진전되어 손상깊이가 증가하였다.
또한, 전해액 온도 10℃에서는 캐비테이션 시간 20분에 중앙에서 손상이 발생하기 시작하였으나, 주변 피막은 건전한 상태를 유지하고 있다.
이후 실험 종료 시에도 4가지 양극 산화 조건 중 가장 적은 117.0㎛의 손상깊이를 나타냈다.
전해액 온도 20℃에서는 캐비테이션 시간 40분의 경우가 30분(281.3㎛)에 비해 낮은 160.9㎛의 손상깊이를 나타냈다.
이는 캐비테이션 시간이 증가하면서 손상 역시 진행되었으나, 계속된 충격으로 인해 피트와 피트가 합쳐지면서 평탄화되어 상대적으로 낮게 측정된 것으로 판단된다.
결과적으로 양극 산화를 실시하지 않은 경우에는 입내에 다수의 균열이 발생해 결정이 세분화된 뒤 떨어져 나가 표면이 거칠어지면서 손상이 발생하였다.
그리고 양극 산화를 실시한 경우에는 표면에 Al2O3피막 형성으로 인해 응력이 발생하고, 이 응력이 어느 한계치를 초과하면 균열 발생과 함께 결정이 탈락하면서 손상이 발생한 것으로 판단된다.
이처럼 본 발명에서는 해양환경에서 우수한 내구성을 보유할 수 있는 최적의 양극 산화 전해액 온도를 선정하고자 전기화학 실험과 캐비테이션 실험을 실시하였다.
표면관찰 결과 5℃에서는 급격한 이온의 활성도 저하와 합금 원소의 영향으로 기공이 생성되지 않았으며, 20℃에서는 낮은 전해전압으로 인한 용해반응의 저하로 지름이 작고 불안정한 기공의 성장이 관찰되었다.
또한, 전기화학 실험에서는 양극 산화를 실시한 경우가 현저히 낮은 부식전류밀도를 나타냈으며, 특히 불완전 기공이 생성된 5℃를 제외하고 전해액 온도가 증가함에 따라 감소하는 결과를 나타냈다.
캐비테이션 실험에서는 가장 높은 경도를 나타낸 15℃와 가장 낮은 탄성계수를 나타낸 20℃의 경우가 가장 열악한 특성을 나타냈다.
또한, 높은 탄성계수를 나타낸 10℃가 가장 우수한 캐비테이션 특성을 나타내어 최적의 전해액 온도 조건으로 판단된다.
마지막으로 본 발명에서는 전체적으로 양극 산화를 실시한 경우가 표면에 Al2O3 산화 피막이 형성되면서 소지금속인 5083-O 알루미늄 합금보다 현저히 낮은 부식전류밀도를 나타냈다.
또한, 나노 인덴테이션 분석 결과, 경도, 탄성계수 및 인장잔류응력이 캐비테이션 특성에 직접적인 영향을 주는 것을 알 수 있었는데, 이는 전해액 온도에 따른 이온의 활성도 및 전해전압 차이로 기공 성장의 안정도가 달라짐에 따라 좌우된다.
결과적으로 외부 응력에 대한 저항성을 나타내는 탄성계수가 높을수록 우수한 내캐비테이션 특성을 나타냈으나, 경도의 경우 그 값이 클수록 취성도 함께 증가하여 열악한 특성을 나타내었다.
따라서 종합적으로 분석한 결과, 전해액 온도 10℃가 해수 내에서 우수한 내구성을 나타낼 수 있는 5083-O 알루미늄 합금의 최적 양극 산화 조건으로 판단될 수 있다.
이처럼 상기와 같이 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시예와 실질적으로 균등의 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 포함되는 것은 당연하다.

Claims (1)

  1. 직류 전원법을 이용한 전기화학 실험과 캐비테이션 실험을 통해서 알루미늄 합금 5083-O의 양극 산화 전해액 온도를 선정하는 방법에 있어서,
    상기 전해액 온도는 10℃인 것을 특징으로 하는 해양 환경용 알루미늄 합금의 캐비테이션 손상 방지를 위한 양극 산화 전해액 온도 선정방법.
KR1020150181613A 2015-02-17 2015-12-18 해양 환경용 알루미늄 합금의 캐비테이션 손상 방지를 위한 양극 산화 전해액 온도 선정방법 KR20160101648A (ko)

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