KR20210151157A - 전해 연마 방법 - Google Patents

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KR20210151157A
KR20210151157A KR1020217036499A KR20217036499A KR20210151157A KR 20210151157 A KR20210151157 A KR 20210151157A KR 1020217036499 A KR1020217036499 A KR 1020217036499A KR 20217036499 A KR20217036499 A KR 20217036499A KR 20210151157 A KR20210151157 A KR 20210151157A
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딘 클라워
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쓰리디엠 바이오메디컬 피티와이 엘티디
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Abstract

제조된 금속 제품을 전해 연마하기 위한 방법으로서, 본 방법은 금속 제품을 전해 연마 전해질과 접촉시키는 단계; 및 인가된 전류 레짐(regime)의 적용을 통해 전해 연마 전해질에서 금속 제품을 전해 연마하는 단계를 포함하고, 인가된 전류 레짐은 적어도 하나의 전해 연마 레짐을 포함하고, 각각의 전해 연마 레짐은 적어도 2 A/cm2의 전류 밀도, 및 2 Hz 내지 300 kHz의 주파수, 적어도 0 V의 최소 전압 및 0.5 V 내지 500 V의 최대 전압을 갖는 형상화된 파형을 포함하는 전압을 포함한다.

Description

전해 연마 방법
우선권 상호-참조
본 발명은 2019년 4월 9일자로 호주 특허청에 출원된 호주 가특허출원 제2019901205호로부터 통상의 우선권을 주장하며, 그 내용은 본 참조에 의해 본 명세서에 통합되는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 일반적으로 제조된 금속 제품의 표면을 평활화하기 위한 전해 연마 방법에 관한 것이다. 본 발명은 특히 적층 제조된(3D 인쇄) 금속 합금, 특히 크로뮴 함유 합금, 티타늄 및 티타늄 합금, 니티놀과 같은 니켈 합금, 및 알루미늄 및 알루미늄 합금과 같은 보호 산화물 층을 갖는 금속 및 금속 합금의 표면 마감에 적용 가능하며, 이하에서는 예시적인 적용과 관련하여 본 발명을 개시하는 것이 편리할 것이다. 그러나, 본 발명은 적층 제조된(3D 인쇄된) 금속 및 금속 합금 제품에 특별히 제한되지 않으며, 금속 제품의 표면을 평활화하기 위해 전해 연마를 필요로 하는 다양한 제조 방법으로부터 생성된 광범위하게 다양한 금속(금속 및 금속 합금) 제품에 적용될 수 있음을 이해해야 한다.
본 발명의 배경에 대한 이하의 논의는 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위한 것이다. 그러나, 해당 논의가 언급된 임의의 자료가 출원 우선일에 공개되었거나, 알려졌거나 일반적인 일반 지식의 일부라는 승인 또는 인정이 아님을 이해해야 한다.
적층 제조는 일반적으로 2 ㎛ 초과, 통상적으로 5 ㎛ 초과(매크로-마감)의 평균 표면 거칠기 Ra-값, 그리고 일반적으로 8 내지 20 ㎛ Ra-값을 갖는 광범위한 표면 거칠기 또는 표면 마감을 갖는 제품을 제공한다. 이러한 적층 제조된 부품은 초기 표면 거칠기를 특정 어플리케이션에 필요한 수용 가능한 값으로 줄이기 위해 연마하거나 달리 기계 가공될 필요가 있다.
래핑(lapping), 연삭 및 연마와 같은 기계적 방법은 제품의 초기 평균 표면 거칠기를 미세-마감 수준(통상적으로 0.01 < Ra < 2.00 μm)까지 감소시킬 수 있다. 이러한 방법은 시간 소모적이고 일반적으로 수동이며, 이는 오류가 발생하기 쉽고 비용이 많이 든다. 현재 연마 시간은 통상적으로 수작업을 사용하여 1시간을 초과한다. 또한, 이러한 방법은 복잡한 형상의 구성 요소에 사용될 때 균일성 제한을 가질 수 있다. 또한, 초기 표면 거칠기가 높으면, 원하는 최종 표면 거칠기를 달성하기 위해 몇몇 연삭/연마 단계가 필요할 수 있다.
전해 연마는 통상적인 방법으로 연마하기 어려울 수 있는 금속 구성 요소를 마감 및 연마하는 데 적합한 대안적인 마감 기술이다. 전해 연마는 금속 표면으로부터 입자를 제거하기 위해 직류 전류와 도전성 전해질을 사용한다. 기존의 기술 상태는 주로 안정적인 전압에서 DC 전류를 사용하거나 DC 전압의 20% 미만인 비교적 작은 AC 성분의 추가를 사용한다. 제거율(전류)은 일반적으로 금속 구성 요소의 표면적에 기초하여 0.25 내지 0.50 A/cm2이다. 표면 거칠기의 감소는 통상적으로 30 내지 60분의 프로세스 시간 동안 1.5 μm 내지 0.7 μm의 Ra이다. 물질 제거 속도는 일반적으로 10 내지 200 mA/cm2 범위의 전해 연마 암페어 수로 느릴 수 있다. 느린 리덕션 속도와 작은 입자 제거율로 인해, 이러한 프로세스는 전해 연마가 실행 가능하기 전에 부품을 수용 가능한 표면으로 가져오기 위해 적어도 하나의 다른 수동 연마 또는 대안적인 마감 프로세스를 필요로 한다. 화학적 마감 시간을 감소시키기 위해 사용되는 전처리 프로세스의 예는 CNC 기계 가공, 텀블링(tumbling), 진동 시스템, 열 처리, 샷 피닝(shot peening), 샌딩(sanding), 비드 블라스팅(bead blasting) 또는 레이저 재용융을 포함한다. 후-처리는 수동 기계 마감도 필요로 할 수 있다.
통상의 전해 연마는 또한 통상적으로 불화수소산, 질산, 황산 및 인산의 조합을 포함하는 고농축 산 용액의 조합을 사용한다. 이러한 전해질은 환경 친화적이지 않으며 폐기 문제를 가질 수 있다.
그럼에도 불구하고, 적층 제조된 표면을 연마하기 위한 전해 연마 시스템이 개발되어 왔다. 하나의 예는 그 전류 강도가 시간 곡선에서 지정 가능한 값까지 연속적으로 상승하는 적어도 하나의 애노드 펄스가 제공되는 반복 펄스 시퀀스에 의해 강철, 니켈-기반 합금, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 또는 티타늄 합금으로 이루어진 제품의 3D 인쇄된 표면을 전기 화학적으로 연마하기 위한 방법을 교시하는 미국 특허 공개 US20190345628A1호에 있다. 또한 펄스 일시 정지 및/또는 적어도 하나의 캐소드 펄스에 의해 중단되는 제1 애노드 펄스를 따르는 더 높은 주파수의 마이크로펄스가 사용될 수 있다. 전해 연마 레짐의 평균 전류 밀도는 바람직하게는 0.005 A/cm2 내지 0.3 A/cm2이며, 펄스는 0.0005초 내지 5초의 펄스 길이를 가지며, 주파수는 0.2 Hz 내지 2 kHz이다.
합리적인 전해 연마 결과를 제공하지만, US20190345628A1호의 시스템은 잠재적인 스트리킹(streaking), 가스 생성 문제, 열 문제 등을 야기할 수 있는, 속성 및 수동 또는 연마 필름 층의 완전한 파괴를 피하기 위해 전압-전류 곡선 상의 트랜스-패시브(trans-passive) 범위 외부에서 동작하지 않는다.
따라서, 금속 제품, 바람직하게는 거친 금속 제품, 그리고 특히 크로뮴 함유 금속 합금과 같은 보호 산화물 층을 갖는 금속 제품(금속 또는 금속 합금)을 마감 및/또는 연마하는 대안적 또는 개선된 방법을 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명은 알루미늄, 알루미늄 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 니티놀과 같은 니켈 합금 및 스테인리스강 및 인코넬(Inconel)과 같은 크로뮴 함유 금속 합금과 같은 보호 산화물 층을 갖는 금속 제품(금속 또는 금속 합금)에 적용될 수 있는 전해 연마 기술을 제공한다. 전해 연마 기술은 거친 표면을 갖는 금속 제품에 적용될 수 있으며, 통상의 전해 연마 방법보다 더 빠른 방식으로 우수한 표면 거칠기 감소를 달성한다.
본 발명의 제1 양태는 제조된 금속 제품을 전해 연마하기 위한 방법을 제공하며, 본 방법은:
금속 제품을 전해 연마 전해질과 접촉시키는 단계; 및
인가된 전류 레짐(applied current regime)의 적용을 통해 전해 연마 전해질에서 금속 제품을 전해 연마하는 단계를 포함하고: 인가된 전류 레짐은 적어도 2 A/cm2의 전류 밀도, 및 2 Hz 내지 300 kHz의 주파수, 적어도 0 V의 최소 전압 및 0.5 내지 500 V의 최대 전압을 갖는 형상화된 파형을 포함하는 전압을 포함하는 적어도 하나의 전해 연마 레짐(electropolishing regime)을 포함한다.
본 발명은 불균일한 텍스처가 없고/없거나 전해 연마 후에 상당히 더 낮은 평균 표면 거칠기 값을 나타내는 결과적인 표면 마감을 신속하게 연마할 수 있는 전해 연마 방법을 제공한다. 본 발명의 전해 연마 방법은 재료를 신속하게 제거하기 위해 2 A/cm2 이상의 높은 전류 밀도를 사용한다. 본 발명의 전해 연마 방법은 또한 레짐 동안 물체에 공급되는 대략 또는 거의 0 볼트로부터 0.5 V 내지 500 V 범위에서 레짐 동안 물체에 공급되는 전체 전압까지 처리되는 물체에 전달되는 전압(및 전류)을 변화시키는 형상화된 파형 전압을 사용한다. 파형은 2 Hz 내지 300 kHz 범위의 주파수에서 전달된다. 이러한 전류 밀도 및 전압 파형은 처리된 표면 또는 금속 제품의 표면으로부터 많은 양의 재료가 빠른 속도로 제거될 수 있게 한다.
종래 기술의 프로세스와는 달리, 본 발명은 전압-전류 곡선에서 트랜스-패시브 범위 밖에서 동작하는 것을 피하지 않는다. 본 발명에서, 전류 밀도 및 전압은 프로세스의 맨 처음에 패시브 층(트랜스-패시브 범위에서 형성)을 블라스팅(blasting)하도록 선택된다. 제어된 주파수, 전압, 전류, 온도 및 화학 물질을 사용하여 본 발명은 표준 수용 전압-전류 한계의 외부에서 동작함으로써 야기되는 모든 문제를 처리할 수 있다.
단일의 인가된 전류 레짐이 사용될 수 있지만, 전해 연마 동안 적어도 2개의 전류 레짐이 사용될 때 더 나은 결과가 사용된다. 이러한 실시예에서, 본 발명의 방법은 적어도 2개의 전해 연마 레짐, 보다 바람직하게는 적어도 3개의 전해 연마 레짐을 포함하며, 각각의 전해 연마 레짐은 적어도 2 A/cm2의 전류 밀도 및 2 Hz 내지 300 kHz의 주파수, 적어도 0 V의 최소 전압 및 0.5 내지 500 V의 최대 전압을 갖는 전압을 포함하며, 여기서 각각의 전해 연마 레짐의 주파수, 전류 밀도(전류) 또는 최대 전압 중 적어도 하나는 이전 전해 연마 레짐과 비교하여 변경된다.
본 발명자는 높은 전해 연마 전류의 장기간 인가는 표면에 만입부(indents) 및 스트리크(streaks)를 남길 수 있다는 것을 깨달았다. 따라서, 2개 이상의 전해 연마 레짐을 갖는 인가된 전류 레짐은 미세한 마감을 달성하는 데 도움이 되도록 사용된다. 인가된 전류 레짐의 효과는 2개 이상의 전해 연마 레짐을 사용하고 예를 들어, 이전 전해 연마 레짐과 비교하여 주파수, 전류 밀도(전류) 또는 최대 전압 중 하나 이상을 단계적으로(위 또는 아래로) 변경하여 향상된다. 임의의 하나의 이론에 한정되는 것을 원하지 않지만, 본 발명자는 레짐의 시작에서 재료 제거율이 높은 것으로 고려한다. 1분 내에 확산층이 처리되는 재료의 표면 상에 형성된다. 확산층은 절연체나 저항 부하와 유사한 방식으로 작용하는 것으로 보인다. 이러한 확산층은 물질 제거 속도를 상당히 감소시키며, 제거되지 않으면, 프로세스 속도가 상당히 저하된다. 최대 전압, 전류 밀도(전류) 및 주파수는 전해 연마되는 부품 주변의 확산층을 교란하고 재료 제거의 고속을 재확립하도록 변경된다. 개선된 속도는 바람직하게는 10분 미만, 바람직하게는 5분 미만, 통상적으로 2분 미만, 그리고 일부 경우에 1분 미만 내에 거친 표면(> 2 μm Ra, 통상적으로 > 5 μm Ra)을 2 μm Ra 표면 거칠기 아래로 바람직하게 만들 수 있는 결과를 여전히 유지한다.
본 발명은 임의의 주어진 파라미터 세트(주파수, 전압, 전류 밀도)에 대한 짧은 기간 후에 부품에 인접하게 형성되며 신속하게 형성되는 확산층을 업셋(upset)하기 위해 주파수, 전압 및/또는 전류에서의 변화, 통상적으로 단계적인 변화를 사용한다. 그러나, 본 발명은 모든 변수를 관리하기 위해 주파수, 전압, 전류/전류 밀도, 온도 및 화학 특성을 사용할 수 있고 금속 제품의 표면으로부터 균일한 방식으로 입자의 스트립핑(전해 연마)을 허용한다는 것을 이해해야 한다.
확산층은 나머지 전해질에 비해 매우 조밀하다. 확산층은 금속 제품 주변의 층에서 "전해질과 금속 입자의 조밀한 수프(soup)"로 설명될 수 있는 것을 통해 전자와 원소 입자의 이동을 느리게 한다. 파라미터(주파수, 전압, 전류 밀도)를 변경함으로써, 금속 제품 주변의 조밀한 층이 새로운 전해질로 지속적으로 교체되고 각 단계의 시작에서 고전류 펄스는 매우 강력한 가스 생성을 생성하며, 이는 금속 제품에 인접한 위치로부터 확산층을 제거하는 데 또한 도움이 된다.
최대 전압, 전류 밀도(전류) 또는 주파수 중 적어도 하나는 각각의 전해 연마 레짐 사이에서 변경된다. 대부분의 경우 이는 이전 전해 연마 레짐과 비교하여 최대 전압, 전류 밀도(전류) 또는 주파수 중 하나 이상을 위 또는 아래로 스테핑(stepping)하는 것을 포함한다.
전해 연마 레짐은 또한 미세 마감을 가능하게 하기 위해 감소하는 강도로 금속 제품을 점진적으로 전해 연마하도록 설계되는 것이 바람직하다. 따라서, 각각의 이어지는 전해 연마 레짐은 바람직하게는 이전 전해 연마 레짐보다 일반적으로 더 낮은 최대 전압 또는 일반적으로 더 낮은 전류 밀도 중 적어도 하나를 갖는다(즉, 개별 레짐이 해당 패턴과 다를 수 있고 더 높은 구성 요소를 가질 수 있지만 전체적으로 더 낮은 하향 경향 패턴).
전압 및 전류는 상이한 최대 전압/전류 레벨 및 상이한 주파수로 전해 연마 레짐에서 인가된다. 사용된 전압이 전류 흐름을 결정하고 하나의 변수로 간주될 수 있음을 이해해야 한다. 전압/전류는 제거되는 재료의 양을 결정한다. 다중 전해 연마 레짐이 사용되는 경우, 초기 전해 연마 레짐은 많은 양의 재료를 신속하게 제거하기 위해 높은 최대 전압(따라서 높은 전류/전류 밀도)을 갖는다. 이는 매우 거친 재료의 표면 거칠기를 매우 신속하게 중간의 평활한 거칠기로 감소시킨다. 최대 전압/전류 밀도는 점점 더 미세한 결과를 얻기 위해 후속 전해 연마 레짐에서 감소될 수 있다. 따라서, 최적의 표면 마감 프로세스는 처음에는 높지만 점점 더 평활하고 더 미세한 마감을 위해 최대 전압/전류를 감소시키는 일련의 전해 연마 레짐이다. 실시예에서, 높은 전압/전류는 통상적으로 5 A/cm2 초과, 바람직하게는 7 A/cm2 초과, 더 바람직하게는 10 A/cm2 초과의 전류 밀도를 갖는다. 대응하는 전압은 전해질의 전도도에 따른다는 것을 이해해야 한다.
매우 높은 전류 밀도(> 10 A/cm2)에서, 금속 제품의 표면으로부터의 입자/재료 제거는 매우 신속하고 공격적이며 휘발성이며, 종종 금속 제품의 금속 표면을 약간 들어가거나 불균일하게 만든다(또는 스트리크를 야기하는 저주파에 대해). 본 발명은 벌크 재료를 제거하기 위해 이전의 전해 연마 방법에 비해 높은 전류 밀도를 사용한다. 그 다음, 전해 연마 프로세스는 바람직하게는 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 평활하고 균일한 표면을 갖는 제품을 남기기 위해 전류를 서서히 단계적으로 감소시킴으로써 향상될 수 있다.
임의의 수의 전해 연마 레짐이 전해 연마 단계에서 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 전해 연마 단계는 적어도 3개의 전해 연마 레짐, 바람직하게는 적어도 4개의 전해 연마 레짐, 보다 바람직하게는 적어도 10개의 전해 연마 레짐, 더욱 더 바람직하게는 적어도 20개의 전해 연마 레짐을 포함한다. 일부 실시예에서, 전해 연마 단계는 40개 초과의 전해 연마 레짐을 포함한다. 다른 실시예에서, 전해 연마 단계는 3개 내지 10개의 전해 연마 레짐을 포함한다. 실시예에서, 전해 연마 단계는 3개 내지 6개의 전해 연마 레짐을 포함한다. 각각의 이어지는(연속되는) 전해 연마 레짐은 이전 전해 연마 레짐에 대해 상이한 주파수로 적용되는 것이 바람직하다. 그러나, 일부 경우에는, 하나 이상의 이어지는 전해 연마 레짐이 이전 전해 연마 레짐과 동일한 주파수로 적용될 수 있음을 이해해야 한다.
본 발명의 전해 연마 방법은 신속하고(통상의 전해 연마 방법보다 적어도 5 내지 10배 더 빠름), 바람직하게는 10분 이내에, 바람직하게는 5분 이내에, 더욱 바람직하게는 2분 이내에 그리고 일부 일시예에서는 1분 이하에 2 ㎛의 Ra 미만으로 평균 표면 거칠기의 감소를 제공한다. 본 발명의 전해 연마 방법은 균일한 연마를 제공하고, 정확하고 확장 가능하다. 이러한 전해 연마 처리는 (3D 인쇄된 구성 요소, 거칠게 블라스팅된 표면, 매우 거친 소결된 부품과 같이) 생성된 제품이 매우 거칠고 불균일한 표면 텍스처를 갖는 엔지니어링 제조 프로세스에 매우 유용할 수 있다.
모든 전해 연마 레짐의 전체 지속 시간은 바람직하게는 10분 미만, 더욱 바람직하게는 5분 미만이다. 일부 실시예에서, 모든 전해 연마 레짐의 전체 지속 시간은 바람직하게는 3분 미만, 더욱 바람직하게는 2분 미만, 더욱 더 바람직하게는 60초 이하이다. 이를 달성하기 위해, 각각의 전해 연마 레짐은 1 내지 30초, 바람직하게는 1 내지 20초, 더욱 바람직하게는 1 내지 15초의 지속 시간 동안 적용될 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 전해 연마 레짐은 2 내지 30초, 바람직하게는 2 내지 20초, 더욱 바람직하게는 2 내지 15초의 지속 시간 동안 적용될 수 있다.
인가된 전류 레짐은 금속 제품의 거칠기가 감소되도록 하기에 효과적인 기간 동안 적용된다. 인가된 전류 레짐의 전압/전류(전류 밀도) 및 주파수의 범위는 연마될 부품 및 재료에 최적으로 사전-결정된다.
적절한 DC 또는 펄스 전원(전압 또는 전류 제어)이 두 전극(즉, 캐소드 및 애노드/금속 제품)을 분극화시키는 데 사용된다. 인가된 전류 레짐의 전류 및 관련 전류 밀도는 재료 제거율에 영향을 미치므로 금속 제품의 전해 연마 속도에 영향을 미친다. 전류는 적어도 0.1 A이다. 관련 전류 밀도는 적어도 2 A/cm2, 바람직하게는 적어도 1.0 A/cm2, 더 바람직하게는 적어도 5 A/cm2이다. 일부 실시예에서, 전류 밀도는 2 A/cm2 내지 200 A/cm2, 바람직하게는 20 내지 50 A/cm2이다. 일부 실시예에서, 전류 밀도는 22 A/cm2보다 크고, 바람직하게는 25 A/cm2보다 크다. 일부 실시예에서, 전류 밀도는 25 A/cm2 내지 200 A/cm2, 바람직하게는 25 내지 100 A/cm2이다. 일부 실시예에서, 전류 밀도는 30 A/cm2 내지 200 A/cm2, 바람직하게는 30 내지 100 A/cm2이다.
전류는 DC 전용, AC 전용, 구형파 펄스 DC, 사인 펄스 DC 또는 이들의 혼합일 수 있다. 펄스 DC 파형이 사용되는 경우, 인가된 전류 파형은 고전적인 AC가 아니며 정확하게 DC가 아님을 이해해야 한다. 파형은 교류 전류 또는 펄스 DC 구형파 중 어느 하나인 구형 파형 전류(quare waveform current)로 특징화될 수 있다. 일부 실시예에서, 펄스 DC 구형 파형은 피크 또는 인가된 전류 위상과 비교하여 더 긴 제로 전류 위상을 갖는다. 다수의 실시예에서, 전류는 DC 전류를 포함한다.
전압의 형상화된 파형은 구형파(square wave), 사인(sinusoidal), 펄스(pulsed), 또는 이들의 조합 중 하나일 수 있다. 일부 실시예에서, 형상화된 파형 전류는 펄스 폭 변조(PWM: pulsed width modulation) 파형, 바람직하게는 구형파 펄스를 포함하며, 바람직하게는 가변 데드 타임(dead time)을 갖는다. 일부 실시예에서, 구형파 펄스는 가변 데드 타임을 갖는다. 일부 실시예에서, 펄스 구형 파형은 피크 또는 인가된 전압 위상과 비교하여 더 긴 제로 전류 위상을 갖는다.
티타늄 및 알루미늄과 같은 보호 산화물 층을 갖는 재료는 더 높은 주파수를 사용하여 더 높은 속도로 그리고 더 낮은 최대 전압에서 파괴된다. 전류의 주파수는 바람직하게는 전해 연마되는 금속 제품의 표면에서 확산 장벽을 파괴하는 것을 돕기 위해 각각의 레짐에서 변한다. 주파수는 2 Hz 내지 300 kHz(또는 일부 경우에 그 이상)로 변할 수 있다. 일부 실시예에서, 주파수는 200 Hz 내지 300 kHz, 바람직하게는 2 kHz 내지 300 kHz로 변할 수 있다. 실시예에서, 주파수는 2 Hz 내지 200 kHz, 바람직하게는 2 Hz 내지 150 kHz로 변할 수 있다. 다른 실시예에서, 주파수는 2 kHz 내지 200 kHz, 바람직하게는 2 kHz 내지 150 kHz로 변할 수 있다. 일부 실시예에서, 주파수는 10 kHz 내지 300 kHz, 바람직하게는 10 kHz 내지 200 kHz, 더욱 바람직하게는 10 kHz 내지 150 kHz이다. 일부 실시예에서, 주파수는 10 kHz 내지 100 kHz이다. 다른 실시예에서, 주파수는 20 내지 300 kHz, 바람직하게는 20 내지 100 kHz, 더욱 바람직하게는 20 내지 90 kHz, 더욱 더 바람직하게는 40 내지 80 kHz이다. 정확한 주파수는 금속 제품의 특정 구성과 원하는 표면 거칠기에 맞게 선택된다.
실시예에서, 파형은 최대 전압의 80% 초과; 또는 1 V 초과, 바람직하게는 2 V 초과, 더욱 바람직하게는 3 V 초과 중 적어도 하나의 최소 전압과 최대 전압 사이의 변화를 포함한다. 일부 실시예에서, 파형은
· 최대 전압의 80% 초과; 또는
· 2 V 초과 중 적어도 하나의 최소 전압과 최대 전압 사이의 변화를 포함한다.
일부 실시예에서, 파형은 최대 전압의 80% 초과; 또는 1 V 초과, 바람직하게는 5 V 초과, 더욱 바람직하게는 10 V 초과, 더욱 더 바람직하게는 20 V 초과, 더욱 더 바람직하게는 30 V 초과 중 적어도 하나의 최소 전압과 최대 전압 사이의 변화를 포함한다. 일부 실시예에서, 파형은
· 최대 전압의 80% 초과; 또는
· 40 V 초과 중 적어도 하나의 최소 전압과 최대 전압 사이의 변화를 포함한다.
각각의 전해 연마 레짐에서 사용되는 최대 전압은 0.5 내지 500 V이다. 대부분의 실시예에서, 최대 전압은 1 V 내지 200 V, 바람직하게는 5 V 내지 150 V, 더욱 바람직하게는 10 V 내지 100 V이다. 특정 실시예에서, 전압은 10 내지 75 V이다. 최소 전압은 최대 전압보다 낮고 적어도 0 V이다. 일부 실시예에서 최소 전압은 0 내지 150 V, 바람직하게는 0 내지 100 V, 및 더욱 바람직하게는 0 내지 50 V이다. 일부 실시예에서, 최소 전압은 0 내지 20 V, 바람직하게는 0 내지 10 V이다. 실시예에서, 최소 전압은 0 V에 가까운 전압(특정 전원에 대해 실용적인만큼 가까움), 즉, 실질적으로 0 V 또는 대략 0 V이다.
전류 밀도가 이어지는 전해 연마 레짐 사이에서 변하는 경우, 전류 밀도는 변할 수 있으며, 바람직하게는 이전 전해 연마 레짐과 비교하여 단계적으로 증가 또는 감소(stepped up or down)될 수 있다. 실시예에서, 전류 밀도의 변화는 통상적으로 적어도 1 A/cm2, 바람직하게는 적어도 2 A/cm2, 더 바람직하게는 2 내지 200 A/cm2이다. 일부 실시예에서, 해당 전류 밀도는 1 내지 100 A/cm2, 보다 바람직하게는 1 내지 50 A/cm2에서 변한다.
전해 연마 단계는 하나 또는 다수의 전해 연마 레짐에 후속하여 하나 이상의 냉각 레짐을 포함할 수 있다. 실시예에서, 전해 연마 단계는 적어도 하나의 전해 연마 레짐에 후속하여 전류 밀도를 낮추는 것을 포함하는 적어도 하나의 냉각 레짐을 포함한다. 냉각 레짐은 단지 하나의 전해 연마 레짐, 다수의 전해 연마 레짐, 또는 일부 경우에 각각의 전해 연마 레짐에 후속될 수 있다. 전류 밀도가 낮아지는 경우, 이전 전해 연마 레짐의 전류 밀도의 최대 절반, 더욱 바람직하게는 이전 전해 연마 레짐의 전류 밀도의 최대 1/4로 낮추는 것이 바람직하다. 낮아진 전류 밀도는 이전 전해 연마 레짐의 전류 밀도의 0.5 이하, 0.4 이하, 0.3 이하, 0.2 이하 또는 심지어 0.1 이하일 수 있다. 일부 실시예에서, 전류 밀도는 0 전류 밀도에 가깝거나 같도록 낮아진다. 냉각 레짐은 임의의 적절한 시간 프레임 동안 적용될 수 있다. 일부 실시예에서, 각각의 냉각 레짐은 적어도 0.5초, 더욱 바람직하게는 적어도 1초의 지속 시간 동안 적용된다. 실시예에서, 냉각 레짐은 1 내지 10초, 바람직하게는 1 내지 5초 동안 적용된다. 냉각 레짐은 이전 전해 연마 레짐에 비해 감소된 전류 밀도를 가지며, 따라서 금속 제품 및 캐소드가 냉각되도록 인가되는 감소된 전류를 갖는다. 이는 금속 제품이 전원의 양극 단자에 접속되어 애노드가 되고 캐소드가 적절한 도전성 전극, 예를 들어, 도전성 브러시를 포함하고, 도전성 브러시는 전원의 음극 단자에 접속되는 예를 들어, 비침지 방법(아래 참조)과 같은 특정 실시예에서 유리할 수 있다. 이러한 실시예에서, 냉각 시간은 금속 작업편을 냉각시키는 것을 목적으로 하지만, 브러시 전극을 냉각하는 것에도 이점이 있다.
본 발명의 예시적인 실시예는 전해 연마 레짐에 선행하는 초기 펄스를 포함한다. 이러한 실시예에서, 전해 연마 단계는 이하를 포함하는 인가된 전류 레짐의 적용을 포함한다:
(A) 적어도 2 A/cm2의 전류 밀도 및 20 내지 300 kHz의 주파수, 적어도 0 V의 최소 전압 및 50 내지 500 V의 최대 전압을 갖는 형상화된 파형을 포함하는 전압을 포함하고 적어도 1초의 지속 시간 동안 인가된 초기 펄스; 이에 후속하여
(B) 적어도 2 A/cm2의 전류 밀도 및 2 Hz 내지 300 kHz의 주파수, 적어도 0 V의 최소 전압 및 0.5 내지 500 V의 최대 전압을 갖는 형상화된 파형을 포함하는 전압을 포함하는 적어도 하나의 전해 연마 레짐.
초기에 높은 전류 밀도로 부품을 블라스팅함으로써 본 발명은 금속 제품을 공격으로부터 보호하는 패시브/연마 필름층을 즉시 제거한다. 이 상태에서, 금속 제품은 화학적 및 대기 공격에 매우 취약하다. 본 발명은 모든 변수를 관리하기 위해 주파수, 전압, 전류, 온도 및 화학 특성을 사용하고 금속 제품의 표면으로부터 균일한 방식으로 입자의 스트립핑을 허용한다.
바람직한 실시예에서, 전해 연마 단계는 이하를 포함하는 인가된 전류 레짐의 적용을 포함한다:
(A) 적어도 2 A/cm2의 전류 밀도 및 20 내지 300 kHz의 주파수, 적어도 0 V의 최소 전압 및 50 내지 500V의 최대 전압을 갖는 형상화된 파형을 포함하는 전압을 포함하고 적어도 1초의 지속 시간 동안 인가되는 초기 펄스; 이에 후속하여
(B) 적어도 2 A/cm2의 전류 밀도 및 2 Hz 내지 300 kHz의 주파수, 적어도 0 V의 최소 전압 및 0.5 내지 500 V의 최대 전압을 갖는 형상화된 파형을 포함하는 전압을 포함하는 적어도 2개의 전해 연마 레짐으로, 여기서 각각의 전해 연마 레짐의 주파수 및/또는 최대 전압은 이전 전해 연마 레짐과 비교하여 변경된다.
일부 실시예에서, 초기 펄스는 5 A/cm2 초과, 바람직하게는 7 A/cm2 초과, 더욱 바람직하게는 10 A/cm2 초과의 전류 밀도를 갖는다.
어느 하나의 이론에 제한되는 것을 원하지 않지만, 본 발명자는 초기 펄스가 금속 제품 상의 임의의 부분적으로 접합된 재료를 제거하고, 후속되는 전해 연마 레짐(또는 레짐들)의 시퀀스가 바람직하게는 고르고, 평활하고 광택이 있는 전해 연마된 표면으로 귀결되는 금속 제품을 전해 연마하는 것으로 고려한다. 일부 경우에는, 초기의 높은 전류/전압 펄스가 부분적으로 접합된 재료와 베이스 재료 사이의 부착 지점을 녹이거나 그렇지 않으면 절단한다. 전해 연마는 바람직하게는 표면이 깨끗하고 일반적으로 오염물이 없는 것을 필요로 한다. 따라서 초기 펄스는 유리하게는 금속 제품의 표면으로부터 파편을 제거한다. 3D 인쇄된 제품의 경우, 이러한 파편은 3D 인쇄 프로세스로부터의 아티팩트로서 존재할 수 있다. 이것은 유리하게도 전해 연마 동안 "미세-밸리(valley)"의 재료보다 훨씬 빠르게 용해되는 작업 표면 상의 가능한 돌기(피크)를 감소시킨다.
초기 펄스는 금속 제품에 부착되거나 그렇지 않으면 부분적으로 접합된 재료에 임의의 파편을 제거할 수 있는 큰 최대 전압 및 전류를 제공하도록 의도된다. 펄스는 짧은 시간 프레임(즉, 초) 동안 인가된다. 이와 관련하여, 초기 펄스는 1 내지 20초, 바람직하게는 2 내지 15초, 더욱 바람직하게는 2 내지 10초, 더욱 더 바람직하게는 2 내지 5초의 짧은 시간 프레임/지속 시간 동안 인가된다. 또한, 초기 펄스의 최대 전압은 바람직하게는 이어지는 전해 연마 레짐의 각각의 최대 전압보다 크다. 유사하게, 초기 펄스의 전류 밀도는 바람직하게는 이어지는 전해 연마 레짐의 각각의 전류 밀도보다 크다. 실시예에서, 초기 펄스는 적어도 1.0 A/cm2, 더 바람직하게는 적어도 5 A/cm2의 전류 밀도를 갖는다. 일부 실시예에서, 초기 펄스는 2 A/cm2 내지 200 A/cm2, 바람직하게는 20 내지 50 A/cm2의 전류 밀도를 갖는다. 일부 실시예에서, 초기 펄스는 22 A/cm2 초과, 바람직하게는 25 A/cm2 초과의 전류 밀도를 갖는다. 또한, 초기 펄스의 교류 전압의 인가 주파수는 각각의 이어지는 전해 연마 레짐의 인가 주파수와 다른 것이 바람직하다. 일부 실시예에서, 초기 펄스의 교류 전압의 인가 주파수는 각각의 이어지는 전해 연마 레짐의 인가 주파수보다 작다. 일부 실시예에서, 초기 펄스의 교류 전압의 인가 주파수는 각각의 이어지는 전해 연마 레짐의 인가 주파수보다 크다.
초기 펄스의 주파수는 20 Hz 내지 300 kHz(또는 일부 경우에는 그 이상)로 변할 수 있다. 일부 실시예에서, 주파수는 200 Hz 내지 300 kHz, 바람직하게는 2 kHz 내지 300 kHz로 변할 수 있다. 실시예에서, 주파수는 20 kHz 내지 150 kHz이다. 일부 실시예에서, 주파수는 20 kHz 내지 100 kHz이다. 다른 실시예에서, 주파수는 30 내지 100 kHz, 바람직하게는 30 내지 90 kHz, 더욱 바람직하게는 40 내지 80 kHz이다.
각각의 초기 펄스에 사용된 최대 전압은 50 내지 500 V이다. 대부분의 실시예에서, 최대 전압은 50 V 내지 200 V, 바람직하게는 50 V 내지 150 V, 더욱 바람직하게는 50 V 내지 100 V이다.
따라서, 본 발명의 실시예는 제조된 금속 제품을 전해 연마하기 위한 방법을 제공할 수 있으며, 본 방법은,
금속 제품을 전해 연마 전해질과 접촉시키는 단계; 및
전해 연마 전해질에서 금속 제품을 전해 연마하는 단계를 포함하며,
전해 연마 단계는 인가된 전류 레짐의 적용을 포함하고, 인가된 전류 레짐은:
(A) 적어도 2 A/cm2의 전류 밀도, 및 20 내지 300 kHz의 주파수, 적어도 0 V의 최소 전압 및 50 내지 500 V의 최대 전압을 갖는 형상화된 파형을 포함하는 전압을 포함하고, 적어도 1초의 지속 시간 동안 인가되는 초기 펄스; 후속하여
(B) 적어도 2 A/cm2의 전류 밀도, 및 2 Hz 내지 300 kHz의 주파수, 적어도 0 V의 최소 전압 및 0.5 내지 500 V의 최대 전압을 갖는 형상화된 파형을 포함하는 전압을 포함하고, 적어도 1초의 지속 시간 동안 인가되고, 각각의 전해 연마 레짐의 주파수 및/또는 최대 전압은 이전 전해 연마 레짐과 비교하여 변경되는 적어도 2개의 전해 연마 레짐을 포함한다.
특정 실시예에서, 전해 연마 단계는 30 내지 50 kHz의 주파수를 갖는 형상화된 파형을 갖고, 60 내지 700 V, 바람직하게는 65 V의 최대 전압을 갖는 전압을 포함하고 3 내지 7초, 바람직하게는 5초의 지속 시간 동안 인가되는 초기 펄스와 이에 후속하여 50 내지 70 kHz, 바람직하게는 63 kHz의 주파수를 갖는 형상화된 파형을 갖고 5 내지 30초의 지속 시간 동안 인가된 10 내지 60 V의 최대 전압을 갖는 전압을 포함하는 적어도 2개의 전해 연마 레짐에 의해 특징화되는 인가된 전류 레짐의 적용을 포함하고, 여기서 이어지는 전해 연마 레짐은 이전 전해 연마 레짐보다 더 낮은 최대 전압을 갖는다.
본 발명의 전해 연마 방법은 보호 산화물 코팅을 갖는 금속 또는 금속 합금을 포함하는 금속 제품 전해 연마에 특히 적용 가능하다. 이러한 금속 또는 금속 합금의 예는 크로뮴 함유 금속 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 니티놀과 같은 니켈 합금, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 중 하나를 포함한다. 일부 실시예에서, 금속 제품은 크로뮴 함유 금속 합금으로 형성된다. 이러한 재료는 크로뮴 산화물 보호 외층을 갖는다. 크로뮴 함유 금속 합금은 합금 조성에서 주요 또는 메인 합금 원소로서 크로뮴을 포함하는 금속 합금임을 이해해야 한다. 크로뮴을 포함하는 다양한 금속 합금이 이 그룹에 속한다. 예시적인 예는 철-크로뮴 합금, 니켈-크로뮴(니켈-크롬), 니켈-크로뮴 합금, 코발트-크로뮴 합금, 또는 코발트-크로뮴-몰리브덴 합금으로부터 선택된 금속 합금을 포함한다. 일부 실시예에서, 크로뮴 함유 합금은 철-크로뮴 합금, 예를 들어 스테인리스강을 포함한다. 일부 실시예에서, 크로뮴 함유 합금은 니켈-크로뮴 합금, 예를 들어 인코넬(Inconel)을 포함한다. 특정 실시예에서, 크로뮴 함유 금속 합금은 코발트-크로뮴 합금을 포함한다. 일부 실시예에서, Co-Cr 합금은 몰리브덴 및 니켈 합금 원소를 추가로 포함한다. Co-Cr 합금은 Mn, Ni, Fe, C, Ti, S, P, N 및 W와 같은 소량의 합금 원소(1 중량% 미만)를 추가로 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명은 알루미늄 또는 알루미늄 기반 합금, 티타늄 및 티타늄 기반 합금으로 형성된 다른 금속 제품과 함께 사용될 수 있음이 이해되어야 한다.
전해 연마 전해질은 임의의 적합한 도전성 액체일 수 있다. 바람직한 형태에서 전해 연마 전해질은 H3PO4를 포함한다. 전해 연마 전해질은 바람직하게는 물 또는 C1-C4 알코올에 기초한 용액에 인산을 포함하는 용액을 포함한다. 전해 연마 전해질은 단독 성분 산으로서 또는 다른 화학물, 예를 들어, 다른 산과 조합하여 인산(H3PO4) 용액을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전해 연마 전해질의 실시예는 황산(H2SO4), 염산(HCl) 중 하나 이상과 조합하여, 그리고 물 또는 C1-C4 알코올 중 하나 이상과 조합하여 인산을 포함할 수 있다. 하나의 형태에서, 전해액은 인산의 85% 수용액을 포함한다. 그러나, 조성은 이온 함량 및 전해 연마 전해질의 전압, 전류 및 온도를 포함하는 다른 변수에 따른다.
예시적인 실시예에서, 전해 연마 전해질은 식품-등급(안전) 전해질 배스(bath)이다. 임의의 적합한 도전성 액체가 사용될 수 있다. 실시예에서, 전해 연마 전해질은 물 또는 C1-C4 알코올 중 하나와 조합하여 인산을 포함한다. 실시예에서, 전해 연마 전해질은 인산 수용액을 포함한다.
전해질에서 산, 특히 인산의 용액 농도는 1% 내지 90%(즉, 물 100 ml 중 화합물 1 g 내지 90 g), 바람직하게는 10% 내지 90%로 변할 수 있다. 용액 농도는 처리될 금속 제품의 유형(예를 들어, 스테인리스강, 코발트-크로뮴 합금, Ni-Cr 합금 등) 및 전해 처리 시간에 따른다. 일 실시예에서, 85% 인산 용액이 사용된다.
전해 연마 전해질의 pH는 그 조성에 따라 1 내지 14일 수 있다. 일부 실시예에서, 본 발명의 전해 연마 방법 동안 전해 연마 전해질의 pH는 바람직하게는 1.0 내지 7.0, 더욱 바람직하게는 1.0 내지 3.0이다. 일 실시예에서, 전해 연마 전해질의 pH는 약 1.5이다.
전해 연마 전해질 온도는 -25 내지 200 ℃, 바람직하게는 0 내지 150 ℃, 더욱 바람직하게는 50 내지 100 ℃, 더욱 더 바람직하게는 60 내지 90 ℃로 유지되어야 한다. 다시, 전해 연마 전해질 온도는 전해 연마 전해질의 조성에 따른다. 예를 들어, 85%까지의 인산 용액을 얻으면 전해 연마 전해질은 점성이다. 따라서, 전해 연마 전해질의 온도가 더 높을수록, 전해질이 더 잘 작용한다. 도전은 더 낮은 농도에서 더 우수하지만, 결과적인 금속 제품의 광택은 좋지 않다. 또한, 전류 밀도는 온도 의존적이며, 전해 연마 전해질의 농도 및 조성, 그리고 그에 따른 온도에 기초하여 변한다는 것을 이해해야 한다.
처리 온도 범위를 유지하기 위해서, 일반적으로 냉각 방법이 필요하다. 금속 제품은 열 싱크(sink), 가스 흐름 또는 액체 흐름 냉각을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 방법을 통해 냉각될 수 있다. 전해 연마 전해질은 바람직하게는 50 내지 100 ℃, 더욱 바람직하게는 60 내지 90 ℃의 온도에서 통상적으로 열 교환기로 또는 이를 통한 전해질 흐름에 의해 유지된다. 일부 실시예에서, 전해 연마 전해질로 향하는 팬(fan)과 같은 대류 냉각 수단이 사용될 수 있다. 그러나, 바람직한 실시예에서, 열 교환기는 전해 연마 전해질에 침지될 수 있다. 예를 들어, 소규모(실험실 또는 개발 규모)에서 이는 전극과 전해 연마 전해질을 포함하는 비커(beaker)가 침지된 물/얼음 수조를 포함할 수 있다. 대규모(즉, 상업적/산업적 프로세스)에서, 이는 전해 연마 전해질의 재순환 및 적절한 냉각/열 교환 유닛에 의한 냉각을 포함할 수 있다. 추가적으로, 하나 이상의 필터가 전해 연마 전해질로부터 금속/금속 산화물 파편을 수집하는 데 사용될 수 있다.
금속 합금 주위에 천연 패시브층이 재형성될 수 있도록, 합금 표면 위에 놓여 있는 임의의 느슨한 재료 화합물을 제거하기 위해 전해 연마 후 화학적 세척이 필요할 수 있다.
프로세스는 임의의 수의 프로세스 자동화 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서 자동화된(로봇) 아암이 전해 연마 방법 동안 배스에서 작업물의 위치 및 이동을 제어하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 전해 연마 방법 동안 구성 요소 및/또는 전극(예를 들어, 비침지 전해 연마를 위한 브러시 또는 패드) 모두를 유지하기 위해 하나 이상의 로봇 아암이 사용될 수 있다.
본 발명의 전해 연마 방법은 임의의 특정 표면 거칠기를 갖는 금속 제품에 적용될 수 있으며, 예를 들어 2 ㎛의 Ra 미만이거나 심지어 1 ㎛의 Ra 미만의 경우에도 예를 들어, 2 ㎛ 또는 심지어 5 ㎛보다 큰 Ra를 갖는 거친 표면의 금속 제품처럼 동일하게 본 발명의 전해 연마 방법을 사용하여 전해 연마될 수 있다. 특정 실시예에서, 본 발명의 전해 연마 방법은 2 ㎛ 초과의 초기 평균 표면 거칠기(Ra)를 갖는 영역을 특징으로 하는 거친 금속 제품의 평균 표면 거칠기를 2 ㎛ Ra 표면 거칠기 미만으로 감소시키는 데 사용될 수 있다. 금속 제품 또는 그 관련 부품은 2 ㎛ 초과, 바람직하게는 5 ㎛ 초과(Ra는 거칠기의 산술 평균), 일부 경우에는 10 ㎛ Ra 초과의 초기 거칠기(Ra)를 갖는다. 대부분의 실시예에서, 실질적으로 모든 금속 제품은 2 ㎛ 초과의 초기 평균 표면 거칠기(Ra)를 갖는다. 그러나, 금속 제품의 일부만이 일부 실시예에서 처리를 필요로 하는 이러한 거칠기 값을 갖는다는 것을 이해해야 한다. 또한, 본 발명의 방법은 동시에 전해질에 침지된 하나 이상의 제조된 금속 제품에 적용하기에 적합하다는 것을 이해해야 한다. 제조된 금속 제품의 초기 거칠기(Ra)는 또한 일반적으로 400 ㎛ 미만, 더욱 바람직하게는 300 ㎛ 미만, 가장 바람직하게는 200 ㎛ 미만이다.
제조된 금속 제품의 초기 거칠기는 샌드 캐스팅(sand casting), 인베스트먼트 캐스팅(investment casting), 적층 제조(additive manufacturing), 금속 절단(톱질, 성형, 드릴링, 밀링, 선삭), 열간 압연(hot rolling), 단조(forging), 화염 절단(flame cutting)의 방법 중 임의의 하나에 의해 제조된 결과일 수 있다. 그러나, 이 리스트는 제한적이지 않으며, 본 발명의 방법은 다양한 제조 방법에 적용될 수 있음을 이해해야 한다. 적절한 제조 기술 리스트와 이러한 기술이 통상적으로 생성하는 Ra 거칠기 수준은 이하와 같다.
· 적층 제조, Ra = 10 내지 50 μm.
· 샌드 캐스팅, Ra = 100 내지 900 μm.
· 인베스트먼트 캐스팅, Ra = 2 내지 10 μm.
· 금속 절단(톱질, 성형, 드릴링, 밀링, 선삭), Ra = 2 내지 25 μm.
· 열간 압연, Ra = 12 내지 25 μm.
· 단조, Ra = 3 내지 12 μm.
· 화염 절단, Ra = 12 내지 25 μm.
전해 연마는 불균일한 텍스처가 없고/없거나 초기 표면 거칠기 값과 비교하여 상당히 더 낮은 표면 거칠기 값을 나타내는 결과적인 표면 마감을 목적으로 한다.
표면 거칠기를 정량화하기 위한 적합한 계측 방법은 표면 스타일러스 프로파일로메트리(surface stylus profilometry, 이로부터 Ra 및 Rz 파라미터가 프로파일(라인)로부터 도출됨) 및 3D-광 표면 프로파일로메트리(3D-optical surface profilometry, 이로부터 Sa 및 Sz 파라미터가 표면적으로부터 도출됨)를 포함한다.
본 발명에서 처리될 적합한 제조된 금속 제품은 크로뮴 함유 금속 합금을 포함할 수 있다. 이전에 나타낸 바와 같이, 이러한 합금은 스테인리스강, 니켈-크로뮴(니켈-크롬) 및 그 합금, 코발트-크로뮴 합금, 코발트-크로뮴-몰리브덴 합금과 같은 철-크로뮴 합금을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 제조된 금속 제품은 코발트-크로뮴 합금을 포함한다.
금속 제품은 전해 연마 회로의 애노드를 제공한다. 전기 회로를 완성하기 위해 캐소드가 또한 필요하다. 캐소드에 적합한 금속 재료는 스테인리스강, 납, 구리 또는 우수한 도전성 및 내식성을 나타내는 임의의 다른 금속 또는 도전성 재료를 포함한다. 일부 실시예에서, 캐소드는 탄소 기반 재료, 예를 들어, 탄소 섬유 기반 재료를 포함한다. 일부 실시예에서, 캐소드는 적어도 하나의 애노드 금속 제품(즉, 처리될 거친 부품)이 전해 연마 전해질 용액(전해액)에 침지되는 전해 탱크/컨테이너이다. 다른 실시예에서, 캐소드는 전해 연마 전해질에 침지된 별도의 도전성 재료 제품을 포함한다. 캐소드 표면은 바람직하게는 애노드 표면적(즉, 금속 제품 표면적)보다 2 내지 20배 더 크고, 더욱 바람직하게는 5 내지 10배 더 크다.
본 발명의 방법에 의해 처리된 금속 제품의 크기(부품 크기) 및 장치의 크기는 인가된 전류 레짐으로서 확장 가능하며, 원하는 출력 전류/전류 밀도를 달성하기 위해 병렬로 연결로 복수의 인버터 전력 뱅크를 실행할 수 있는 제어 시스템을 사용하여 적용된다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 본 발명의 방법은 10 Ra의 시작 표면 거칠기에서 2 Ra 미만(일부 경우에는 0.5 Ra 미만, 일부 실시예에서는 0.05 미만 Ra 그리고 심지어 0.02 Ra 미만)의 크기의 부품, 그리고 또한 인가된 전류 레짐을 적용하기 위한 인버터 및 전해 연마 전해질을 포함하는 전해 셀, 전해 저장소 또는 배스의 크기를 확대함으로써 자동차 크기의 부품을 마감하기 위해 동등하게 적용될 수 있다.
본 발명의 전해 연마 방법은 금속 제품이 전해 연마 전해질에 침지되는 통상의 전해 연마 셀에서, 또는 비침지 기술, 예를 들어, 브러시 적용 전해 연마 기술로 수행될 수 있다.
일부 실시예에서, 전해 연마 전해질은 전해 연마 셀에 함유된다. 이러한 실시예에서, 금속 제품은 전해질에 침지되고 전해 연마는 전해 연마 전해질을 보유하는 용기/컨테이너 및 전해질의 범위 내에서 발생한다. 이러한 유형의 통상적인 전해 연마에서 금속 제품은 전원의 양극 단자에 접속되고, 이에 의해 전해조에서 애노드가 된다. 적절한 금속(통상적으로 플레이트 형태)을 포함하는 캐소드가 전해조에 침지되고, 전원의 음극 단자에 접속되고, 이에 의해 이온 전도를 위한 캐소드가 된다. 본 발명의 방법에서 사용되는 침지된 전해 연마 또는 표면 마감 전류 밀도는 2 A/cm2보다 크고, 바람직하게는 1 A/cm2보다 크고, 더욱 바람직하게는 5 A/cm2보다 크다.
다른 실시예에서, 전해 연마는 금속 제품의 표면 상에 유체 흐름으로서 적용된다. 이러한 전해 연마 기술은 비침지 전해 연마 기술로서 알려져 있으며, 일반적으로 금속 제품의 표면에 적용되는 전해 연마 전해질의 흐름과 관련되며 도전성 전극은 전해 연마 전해질에 침지되고 도전성 전극을 둘러싸는 표면을 전해 연마시키기 위해 표면에 걸쳐 이동한다. 이러한 전해 연마 기술은 도전성 브러시, 스펀지, 패드 또는 전해질 유체 또는 유체형 재료를 금속 제품에 적용하는 임의의 디바이스 또는 재료를 사용할 수 있다.
이러한 비침지 방법에서, 금속 제품은 전원의 양극 단자에 접속되고, 이에 의해 애노드가 된다. 캐소드는 전원의 음극 단자에 접속된 적절한 도전성 전극을 포함한다. 도전성 전극은 금속 제품의 표면의 선택된 부분과 결합되도록 구성된다. 따라서, 본 발명의 방법은 또한:
금속 제품의 표면을 도전성 전극과 접촉시키는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 도전성 전극은 탄소 섬유 브러시를 포함한다. 그러나, 임의의 적절한 도전체(예를 들어, 구리 등)가 사용될 수 있다. 사용시에, 전해질은 금속 제품의 표면과 캐소드의 일부를 침지시키기 위해 금속 제품의 표면의 선택된 부분에 공급되고(통상적으로 저장소로부터 펌핑됨), 따라서 금속 제품의 표면 상에 전해 연마 셀을 형성한다. 전해 연마 영역을 냉각하기 위해 냉각제가 공급될 수 있다. 이러한 전해 연마 기술의 예가 특허 공개 WO2009/105802호, AU2013242795A1호 및 AU2017204328A1호에 교시되어 있으며, 그 내용은 이러한 참조에 의해 본 명세서에 통합되는 것으로 고려되어야 한다.
비침지 전해 연마 또는 표면 마감에서, 본 발명의 방법에 사용되는 전류 밀도는 5 A/cm2 초과, 바람직하게는 10 A/cm2 초과, 더욱 바람직하게는 20 A/cm2 초과, 더욱 더 바람직하게는 22 A/cm2 초과, 더욱 더 바람직하게는 25 A/cm2를 초과한다. 일부 실시예에서, 전류 밀도는 50 A/cm2 초과, 바람직하게는 100 A/cm2를 초과할 수 있다. 실시예에서, 전류 밀도는 120 A/cm2 초과, 바람직하게는 150 A/cm2를 초과할 수 있다.
본 발명의 방법은 이하를 위해 금속 제품을 프로세싱할 수 있다:
1. 표면 경도를 개선시킨다.
2. 입자 체적 제거를 제어하고 사전 결정한다.
3. 내식성을 개선시킨다.
4. 표면 거칠기를 감소시킨다.
5. 표면 광택을 발달시킨다.
6. 부분적으로 접합된 재료를 제거한다.
7. 오염물을 제거한다.
8. 강력한 패시브 층 접합을 제공한다.
9. 영역을 선택적으로 연마하고 금속 제품의 다른 영역은 무시한다.
10. 라벨 등으로 금속 제품을 마킹하거나 에칭한다.
전류 레짐에 따라, 본 발명의 전해 연마 방법의 실시예는 금속 제품의 전해 연마된 표면에 일부 크레이터를 남길 수 있으며, 이는 그러한 표면이 의료 등급이 아닐 가능성이 있음을 나타낸다는 것이 이해되어야 한다. 그러나, 이러한 전해 연마된 제품은 예를 들어, 제트 엔진 부품과 같은 많은 어플리케이션에 여전히 사용될 수 있다. 다른 실시예는 0.02 Ra보다 더 평활한 결과를 달성하여, 이러한 제품을 의료 등급 어플리케이션에 적합하게 만들 수 있다.
본 발명은 이제 본 발명의 특정한 바람직한 실시예를 도시하는 첨부 도면의 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전해 연마 방법을 실행하는 데 사용되는 전해 연마 장치의 개략도를 제공한다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전해 연마 방법을 실행하는 데 사용되는 전해 연마 장치의 개략도를 제공한다.
도 3은 (A) 3D 인쇄된 프로세스로부터 형성된; 그리고 (B) 본 발명의 일 실시예에 따른 전해 연마 실행의 적용 후의 코발트-크로뮴 합금 쿠폰의 표면의 (10배 확대된) 현미경 이미지를 도시한다.
도 4는 (A) (전해 연마 전의) 3D 인쇄된 프로세스로부터 형성된; 그리고 (B) 본 발명의 일 실시예에 따른 전해 연마 실행의 적용 후의 스테인리스강 합금 쿠폰의 표면의 (15배 확대된) 현미경 이미지를 도시한다.
도 5는 (A) (전해 연마 전에) 형성된; 그리고 (B) 본 발명의 일 실시예에 따른 전해 연마 실행의 적용 후의 레이저 절단 알루미늄 쿠폰의 표면의 (10배 확대된) 현미경 이미지를 도시한다.
도 6은 (A) (전해 연마 전의) 3D 인쇄된 프로세스로부터 형성된; (B) 본 발명의 일 실시예에 따른 전해 연마 실행의 적용 후; 그리고 (C) 전해 연마 전(바닥) 그리고 후(최상부)의 인코넬 쿠폰을 비교하는 사진의 인코넬 쿠폰의 표면의 (10배 확대된) 현미경 이미지를 도시한다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전해 연마 방법을 실행하는 데 사용되는 탄소 섬유 전극 브러시를 갖는 비침지 전해 연마 장치를 도시한다.
도 8은 (A) (전해 연마 전의) 3D 인쇄된 프로세스로부터 형성된; 그리고 (B) 본 발명의 일 실시예에 따른 전해 연마 실행의 적용 후의 스테인리스강 쿠폰의 표면의 (20배 확대된) 현미경 이미지를 도시한다.
도 9는 (A) (전해 연마 전의) 3D 인쇄된 프로세스로부터 형성된; 그리고 (B) 본 발명의 일 실시예에 따른 전해 연마 실행의 적용 후의 티타늄 쿠폰의 표면의 (20배 확대된) 현미경 이미지를 도시한다.
본 발명은 제조된 금속 제품, 특히 보호 산화물 코팅을 갖는 금속 및 금속 합금으로 형성된 제품에 사용하기 위한 신속하고 품질이 좋으며 안전하고 정량적인 마감 방법을 제공하는 전해 연마의 연마 방법을 제공한다. 전해 연마 방법이 사용될 수 있는 금속 및 금속 합금의 예는 스테인리스강, 니켈-크로뮴(니켈-크롬), 니켈-크롬 합금, 코발트-크로뮴 합금, 코발트-크로뮴-몰리브덴 합금과 같은 크로뮴 기반 금속 합금, 그리고 또한 티타늄, 티타늄 합금, 니티놀과 같은 니켈 합금, 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함한다.
보호 산화물 코팅을 갖는 금속 및 금속 합금의 전해 연마는 산화물 코팅이 정상적인 전해 연마 프로세스를 방해할 수 있기 때문에 어려울 수 있다. 예를 들어, 크로뮴 기반 금속 합금은 보호 크로뮴 산화물 층을 갖고, 알루미늄 및 알루미늄 기반 합금은 보호 산화 알루미늄 외층을 갖고, 티타늄 및 티타늄 기반 합금은 보호 티타늄 산화물 외층을 갖는다. 본 발명의 방법은 이들 재료를 전해 연마할 때 해당 층의 해로운 효과를 극복하는 데 도움이 된다.
본 발명은 또한 3D-인쇄(적층 제조), 화염 절단, 스내깅(snagging), 거친 블라스팅(coarse blasting) 등과 같은 엔지니어링 생산 방법에 의해 생산된 제조된 금속 제품의 표면 마감을 개선하는 것에 관한 것이다. 본 발명은 거친 마감을 생산하고 본 발명이 이러한 제조 방법에 의해 생산될 수 있는 광범위한 기하 형태에 대처할 수 있기 때문에 적층 제조에 특히 적합하다.
금속을 3D 인쇄할 때, 표면은 항상 거칠고 일반적으로 8 내지 20의 평균 거칠기(Ra)를 갖는다. 제트 엔진을 포함한 대부분의 산업 어플리케이션과 임플란트와 같은 의료 어플리케이션에 있어서, 인쇄된 제품은 사용될 수 있기 전에 연마되어야 한다. 연마의 통상의 마감 방법은 시간 소모적이고 수동이며, 이는 오류가 발생하기 쉽고 비용이 많이 든다. 현재의 연마 시간은 통상적으로 수작업을 사용하여 1시간을 초과한다.
본 발명의 전해 연마 방법은 10분 이내에, 어떤 경우에는 3분 이내에 통상적인 거칠기 8 내지 20 ㎛ Ra에서 2 ㎛ Ra의 거칠기로 평활한 마감을 생성하는 데 사용될 수 있다. 본 발명의 전해 연마 방법은 이러한 유형 및 다른 유형의 금속 제품의 평균 표면 거칠기를 신속하게 연마하고 감소시켜 바람직하게는 불균일한 텍스처가 없고/없거나 더 낮은 평균 표면 거칠기 값을 나타내는 표면 마감을 생성할 수 있다.
본 발명의 전해 연마 방법을 실시하기에 적합한 통상적인 전해 연마 장치(100)의 개략도가 도 1에 도시되어 있다. 도시된 전해 연마 장치(100)는 전해 연마 전해질(140)을 보유하도록 구성된 전해질 저장소(120)를 갖는 전해 셀(110)을 포함한다. 전해 연마 장치(100)는 또한 짧은 펄스로 원하는 전류 파형(DC, DC 펄스 또는 가변 주파수 AC)을 전달할 수 있는 인버터 전원(130)을 포함한다. 인버터 전원(130)은 컴퓨터 제어기(135)에 의해 제어된다.
금속 제품(180)은 인버터 전원(130)의 양극 단자에 전기적으로 접속되며, 인버터 전원(130)의 음극 단자는 전해질(140)을 포함하는 컨테이너를 또한 포함하는 캐소드(190)에 접속된다. 다른 실시예에서, 캐소드(190)는 별도의 도전성 제품일 수 있음을 이해해야 한다. 적절한 도전성 재료는 흑연, 그래핀, 탄소 섬유 등과 같은 탄소-기반 재료를 포함하고, 캐소드(190)에 대한 금속/금속 재료는 스테인리스강, 납, 구리 또는 우수한 도전성 및 내식성을 나타내는 임의의 다른 재료를 포함한다. 금속 제품(180)은 전해 연마 전해질(140)과 완전한 전기 회로를 형성하는 전해질(140)의 저장소(120)에서 서스펜딩(suspending)된다.
도시되지는 않았지만, 전해 연마 장치(110)는 또한 혼합 디바이스, 예를 들어, 전해 연마 전해질(140)을 교반/혼합하고 금속 제품(180) 및 캐소드(190) 주위에 전해질(140)의 균일한 분포를 보장하기 위한 혼합 로터를 포함할 수 있다.
컴퓨터-제어 인버터 전원(130)은 금속 제품(180)과 캐소드(190) 사이에 전류 및 전압 차를 인가하는 데 사용된다. 컴퓨터(135)는 특정 금속 제품(180)에 대해 최적이 되도록 사전 결정된 전압/전류 및 주파수의 범위를 포함하고 연마될 재료를 포함하는 인가된 전류 레짐을 통해 인버터(130)(전원)를 단계화하는 프로그램을 실행한다.
본 발명의 전해 연마 방법을 실시하기에 적합한 전해 연마 장치(200)의 대안적인 개략도가 도 2에 도시되어 있다. 도시된 전해 연마 장치(200)는 또한 짧은 펄스로 원하는 전류 파형(DC, DC 펄스 또는 가변 주파수 AC)을 전달할 수 있는 전해 연마 전해질(240) 및 인버터 전원(230)을 유지하도록 구성된 유리 컨테이너(또는 다른 적절한 재료)를 포함하는 전해질 저장소(220)를 갖는 전해 셀(210)을 포함한다. 인버터 전원(230)은 컴퓨터 제어기(235)에 의해 제어된다.
금속 제품(280)은 인버터 전원(230)의 양극 단자에 전기적으로 접속되며, 인버터 전원(230)의 음극 단자는 이 경우 또한 전해질(240)에 침지된 선택된 금속 제품을 포함하는 캐소드(290)에 접속된다. 다시, 캐소드(290)에 적합한 금속 재료는 스테인리스강, 납, 구리 또는 우수한 도전성 및 내식성을 나타내는 임의의 다른 금속 또는 도전성 재료를 포함한다. 금속 제품(280)은 전해 연마 전해질(240)과 완전한 전기 회로를 형성하는 전해질(240)의 저장소(220)에 서스펜딩된다. 이러한 형태의 전해 연마 장치(200)는 전해 연마 전해질(240)을 교반/혼합하고 금속 제품(280) 및 캐소드(290) 주위의 전해질(240)의 균일한 분포를 보장하기 위한 선택적인 혼합 로터(295)를 포함한다.
전해 연마는 -25 ℃ 내지 200 ℃, 바람직하게는 0 내지 150 ℃ 범위의 온도에서 전해 연마장치(100 또는 200)의 전해 연마 전해질(140, 240)로 수행된다. 실시예에서, 전해 연마 전해질(140, 240)은 약 50 ℃ 내지 100 ℃, 바람직하게는 60 ℃ 내지 90 ℃의 온도에서 유지된다. 전해 연마 장치(100, 200)는 또한 결합된 온도 프로브/가열 및 냉각 유닛(미도시)을 포함할 수 있으며, 이는 전해 연마 전해질(140, 240)의 온도를 모니터링하고 제어하기 위해 컴퓨터 제어기(135, 235) 또는 별도의 제어기(미도시)에 부착될 수 있다.
각각의 실시예에서, 컴퓨터-제어 전력 인버터(130, 230)는 금속 제품(180, 280)과 캐소드(190, 290) 사이에 전류 및 전압 차를 인가하는 데 사용된다. 컴퓨터(135, 235)는 특정 금속 제품(180, 280)에 최적이 되도록 사전 결정된 전압/전류 및 주파수의 범위를 포함하고 연마될 재료(금속 또는 금속 합금)를 포함하는 인가된 전류 레짐을 통해 인버터 전원(130, 230)(전원)을 단계화하는 프로그램을 실행한다.
인가된 전류 레짐은 이하의 단계를 광범위하게 포함한다.
(A) 적어도 2 A/cm2의 전류 밀도, 및 20 내지 300 kHz의 주파수, 적어도 0 V의 최소 전압(바람직하게는 거의 0 V) 및 50 내지 500 V의 최대 전압을 갖는 형상화된 파형을 갖는 전압을 포함하고, 적어도 1초의 지속 시간 동안 인가되는 선택적인 초기 펄스, 후속하여:
(B) 적어도 2 A/cm2의 전류 밀도, 및 2 Hz 내지 300 kHz의 주파수, 적어도 0 V(바람직하게는 거의 0 V)의 최소 전압 및 0.5 내지 500 V의 최대 전압을 갖는 형상화된 파형을 갖는 전압을 포함하는 적어도 하나의 전해 연마 레짐. 각각의 전해 연마 레짐은 통상적으로 적어도 1초, 바람직하게는 적어도 2초의 지속 시간 동안 적용된다. 2개 이상의 전해 연마 레짐이 사용되는 경우, 각각의 전해 연마 레짐의 주파수 및/또는 최대 전압은 이전 전해 연마 레짐과 비교하여 변한다.
임의의 하나의 이론에 한정되는 것을 원하지 않지만, 본 발명자는 레짐의 시작에서 재료 제거율이 높은 것으로 고려한다. 1분 내에 확산층이 처리되는 재료의 표면 상에 신속하게 형성된다. 확산층은 절연체나 저항 부하와 유사한 방식으로 작용하는 것으로 보인다. 이러한 확산층은 재료 제거 속도를 상당히 감소시키며, 제거되지 않으면, 프로세스 속도가 상당히 저하된다. 주파수, 전류 밀도(전류) 또는 전압 중 적어도 하나의 변화는 확산층을 파괴하고 재료 제거의 고속을 재확립한다. 높은 속도의 전류 밀도(전류) 변화, 전압 변화 또는 주파수 변화는 높은 속도의 확산층 파괴를 유지하므로 프로세스가 매우 높은 속도의 재료 제거를 유지할 수 있게 한다.
전류(전류 밀도) 변화는 일반적으로 반드시 그런 것은 아니지만 위에서 언급한 이유로 인해 전류의 감소일 것이다. 주파수 변화는 증가 또는 감소일 수 있다. 파형의 주파수 변화는 레짐 간에 주파수만 변경하면 된다는 점에서 확산층을 파괴하는 데 중요하다. 이는 증가하거나 감소할 수 있다.
따라서, 높은 속도의 전류(전류 밀도) 변화 및 주파수의 증가든 감소든 주파수 변화는 훨씬 더 빠른 표면 마감 프로세스를 허용한다. 전체 표면 마감 속도의 증가는 높은 속도의 전류 또는 파형 주파수 변화가 있을 때 10배 정도 더 빠르다.
선택적인 초기 펄스는 금속 제품(180)에 느슨하게 부착된 및/또는 부분적으로 접합된 재료를 제거할 수 있는 큰 최대 전압 및 전류 밀도를 제공하는 데 사용될 수 있다. 펄스는 짧은 시간 프레임 동안 인가되도록 의도된다. 따라서, 초기 펄스의 최대 전압 및 전류 밀도는 바람직하게는 적어도 하나의 전해 연마 레짐 각각의 최대 전압 및 전류 밀도보다 크다.
단일 전해 연마 레짐을 사용하는 것이 가능하지만, 복수의 전해 연마 레짐이 개선된 표면 마감을 달성할 것이라는 점에 유의한다. 전해 연마 레짐은 바람직하게는 감소하는 강도로 금속 제품(180, 280)을 점진적으로 전해 연마하도록 설계된다. 단일 전해 연마 레짐이 사용될 수 있지만, 각각의 이어지는 전해 연마 레짐이 바람직하게는 이전 전해 연마 레짐보다 일반적으로 더 낮은 최대 전압 및 전류 밀도를 갖는 적어도 2개의 전해 연마 레짐을 갖는 것이 통상적이다. 이와 관련하여, 최대 전압 및 전류 밀도는 일반적으로 하향 경향의 패턴에서 전반적으로 더 낮은 것과 관련하여 더 낮다. 개별 전해 연마 레짐은 해당 패턴과 다를 수 있고 더 높은 성분을 가질 수 있음을 이해해야 한다. 복수의 전해 연마 레짐이 사용되는 경우, 초기 전해 연마 레짐은 다량의 재료를 신속하게 제거하기 위해 높은 최대 전압/전류를 갖는 것이 바람직하다. 이는 매우 거친 재료의 표면 거칠기를 매우 빠르게 중간의 평활한 거칠기로 감소시킨다. 최대 전압/전류는 점점 더 미세한 결과를 얻기 위해 후속 레짐에서 감소될 수 있다. 따라서, 최적의 표면 마감 프로세스는 처음에는 높지만 그 후 점진적으로 더 평활하고 더 미세한 마감을 위해 전압/전류를 감소시키는 일련의 레짐이다.
각각의 이어지는 전해 연마 레짐은 이전 전해 연마 레짐에 대해 상이한 주파수로 적용되는 것이 바람직하다. 그러나, 일부 경우에, 하나 이상의 이어지는 전해 연마 레짐이 이전 전해 연마 레짐과 동일한 주파수로 적용될 수 있음을 이해해야 한다.
각각의 전해 연마 레짐에 선택적으로 냉각 레짐이 후속될 수 있으며, 여기서 전류 밀도는 이전 전해 연마 레짐의 전류 밀도와 비교하여 낮아진다. 낮아진 전류 밀도는 이전 전해 연마 레짐의 전류 밀도의 0.5 이하, 0.4 이하, 0.3 이하, 0.2 이하 또는 심지어 0.1 이하일 수 있다. 일부 실시예에서, 전류 밀도는 0(또는 거의 0) 전류 밀도/인가 전류로 낮아진다. 냉각 레짐은 단지 하나의 전해 연마 레짐만을 따르거나, 다수의 전해 연마 레짐, 또는 일부 경우에 각각의 전해 연마 레짐을 따를 수 있다. 냉각 레짐은 예를 들어, 0.5 내지 5초와 같은 임의의 적절한 시간 프레임 동안 적용될 수 있다. 냉각 레짐은 감소된 전류 밀도를 가지며, 따라서 이전 전해 연마 레짐과 비교하여 인가되는 감소된 전류를 가져, 금속 제품 및 캐소드가 냉각되게 한다.
전압의 형상화된 파형은 구형파, 사인, 펄스 또는 이들의 조합 중 하나일 수 있다. 일부 실시예에서, 형상화된 파형 전류는 펄스 폭 변조(PWM) 파형, 바람직하게는 구형파 펄스를 포함하며, 바람직하게는 가변 데드 타임을 갖는다. 이전의 예에서는 구형 파형이 사용되었지만 다른 파형도 동일하게 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
모든 전해 연마 레짐의 전체 지속 시간은 바람직하게는 10분 미만, 더욱 바람직하게는 5분 미만, 가능한 경우 2분 미만이다. 그러나, 전체 시간은 일반적으로 재료 유형 및 다른 조건에 따른다. 이를 달성하기 위해, 각각의 전해 연마 레짐은 10 내지 60초, 바람직하게는 10 내지 30초, 더욱 바람직하게는 10 내지 20초, 더욱 더 바람직하게는 10 내지 15초의 지속 시간 동안 적용될 수 있다.
정확하게 적용된 전류 레짐은 각각의 특정 금속 또는 합금 조성 및 구성에 맞춤화된다.
위에서 언급한 바와 같이, 본 발명자는 사용시 초기의 높은 펄스 전류/전류 밀도가 부분적으로 접합된 재료를 제거하는 것으로 고려한다. 이는 작업 표면의 돌기(피크)가 "미세-밸리"의 재료보다 훨씬 더 빨리 용해되기 때문에 전해 연마에 유리하다. 이러한 선택적 용해는 피크와 밸리의 전위의 상이한 값의 결과이다. 애노드로 접속된 금속 제품의 양 전하는 전류 밀도가 평균보다 높은 피크에 집중되며 이는 피크의 선택적인 용해 및 표면 평활화를 야기한다. 따라서, 임의의 부분적으로 접합된 재료의 제거는 평활한 표면의 생성에 도움이 된다.
전해 연마 레짐 또는 레짐들의 주파수, 전류(전류 밀도) 및 전압 변화(단계)의 시퀀스는 부품을 전해 연마하여 고르고 평활하고 광택 있는 연마된 표면을 남기도록 선택된다. 본 발명의 전해 연마 방법은 초기 표면의 특성으로 인해 일부 크레이터를 남길 수 있음을 이해해야 한다. 그러나, 프로세싱 속도를 개선하고 거친 표면(~10 Ra)을 60초 이내에 2 Ra 표면 거칠기 미만으로 만들기 위해 전해 연마 레짐이 선택된다. 예측 제거율(전류)은 피드백 데이터에 따라 변동하지만, 제거율은 1.0 μm/분 내지 50 μm/분, 바람직하게는 2 내지 30 μm/분까지일 것으로 예측된다.
주어진 전해 연마 전해질에 대해, 금속 제품으로부터 제거된 금속의 양은 인가된 전류의 양 및 시간에 비례한다. 금속 제품의 기하 형태와 같은 다른 요인이 전류 분포에 영향을 미치며, 따라서 국부적 영역에서의 제거되는 금속의 양에 중요한 영향을 미친다.
전해 연마 전해질(140, 240)은 바람직하게는 통상적으로 C1 내지 C4 알코올의 물로 희석된 85% 농도의 인산(H3PO4) 기반 용액을 포함한다. 그러나, 전해 연마 전해질(140, 240)은 다른 성분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서 전해 연마 전해질(140, 240)은 황산(H2SO4), 염산(HCl) 또는 이들의 조합, 및 물 또는 C1-C4 알코올 중 하나와 조합하여 인산(H3PO4)을 포함한다. 다른 전해 연마 전해질 조성도 가능하다.
복수의 금속 제품(180, 280)(부품)이 동일한 전해 셀(110, 210)에 배치될 수 있어, 본 발명의 방법이 확장 가능하고 비용 효과적이 되게 한다. 제어 시스템이 원하는 출력 전류를 달성하기 위해 병렬로 복수의 인버터 전력 뱅크를 실행할 수 있으므로 부품 크기(금속 제품(180)의 크기)도 확장 가능하다. 본 발명의 방법 및 시스템은 10 Ra의 시작 표면 거칠기에서 2 Ra 미만의 골프 공 크기의 부품, 그리고 또한 전해 저장소(120, 220)(배스) 및 인버터 전원(130, 230)을 확장함으로써 자동차 크기의 부품을 전해 연마하도록 동일하게 구성될 수 있다.
위의 전해 연마 방법은 금속 제품이 전해 연마 전해질에 침지되는 통상의 전해 연마 셀에서, 또는 비침지 기술, 예를 들어, 브러시 적용 전해 연마 기술로 수행되는 것으로 교시된다.
다른 실시예(미도시)에서, 전해 연마는 금속 제품의 표면 상으로의 유체 흐름으로서 적용된다. 이러한 전해 연마 기술은 비침지 전해 연마 기술로 알려져 있으며, 일반적으로 금속 제품의 표면에 전해 연마 전해질의 흐름이 적용되는 것과 관련되며, 도전성 전극은 전해 연마 전해질에 침지되어 표면에 걸쳐 이동하여 도전성 전극을 둘러싸는 표면을 전해 연마한다.
이러한 비침지 방법에서, 금속 제품이 전원의 양극 단자에 접속되고, 이에 의해 애노드가 된다. 적절한 도전성 전극을 포함하는 캐소드는 전원의 음극 단자에 접속된다. 도전성 전극은 금속 제품의 표면의 선택된 부분과 결합하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 도전성 전극은 탄소 섬유 브러시를 포함한다. 그러나, 임의의 적절한 도전체(예를 들어, 구리 등과 같은 금속)가 사용될 수 있다. 사용시에, 전해질은 금속 제품의 표면과 캐소드의 일부를 침지시키기 위해 저장소로부터 금속 제품의 표면의 선택된 부분으로 펌핑되어, 금속 제품의 표면 상에 전해 연마 셀을 형성한다. 전해 연마 영역을 냉각하기 위해 냉각제가 공급될 수 있다. 다시, 이러한 전해 연마 기술의 예는 특허 공개 WO2009/105802호, AU2013242795A1호 및 AU2017204328A1에 교시되어 있으며, 그 내용은 이러한 참조에 의해 본 명세서에 통합되는 것으로 고려되어야 한다.
본 발명의 전해 연마 방법은 금속 제품, 특히 보호 산화물 코팅을 갖는 금속 및 금속 합금을 전해 연마하기 위해 개발되었다. 전해 연마 방법이 사용될 수 있는 금속 및 금속 합금의 예는 스테인리스강, 니켈-크로뮴(니켈-크롬), 니켈-크로뮴 합금, 코발트-크로뮴 합금, 코발트-크로뮴-몰리브덴 합금과 같은 크로뮴 기반 금속 합금, 그리고 또한 티타늄, 티타늄 합금, 니티놀과 같은 니켈 합금, 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함한다.
본 발명의 방법을 사용하여 전해 연마될 수 있는 크로뮴 함유 금속 합금의 일 예는 코발트-크로뮴 합금이다. 스테인리스강과 마찬가지로, 외부 표면 상의 충분한 크로뮴 함량의 존재는 표면을 부동태화한다. Co-Cr 합금은 강도 및 인성, 주조성, 내식성 및 내마모성과 같은 우수한 기계적 특성을 나타낸다. 특히, Co-Cr 합금은 우수한 내마모성을 가져, 인공 관절의 슬라이딩 부품에 사용된다.
Co-Cr 합금은 통상 크로뮴 및 코발트 함량이 동일하여, Co-Cr 상 다이어그램 중간에 합금을 생성한다. Co-Cr 및 Co-Cr 합금은 통상적으로 크로뮴과 코발트가 모두 다른 결정의 치환 결함으로서 위치를 차지하는 육각형 밀집(HCP: hexagonal close-packed) 결정 구조를 갖는다. 일부 실시예에서, Co-Cr 합금은 몰리브덴 및 니켈 합금 원소를 추가로 포함한다. Co-Cr-Mo 합금은 또한 높은 내식성으로 인해 영구 임플란트에 좋은 선택이다. 이러한 추가 합금 요소는 합금을 강화하고 주조 합금 형태의 기계 가공 능력을 감소시키는 다른 치환 결함을 생성한다. Co-Cr 합금은 Mn, Ni, Fe, C, Ti, S, P, N 및 W와 같은 추가적인 소량 합금 원소(1 중량% 미만)를 포함할 수 있다. 표 1은 본 발명의 방법을 사용하여 전해 연마될 수 있는, 생물학적으로 호환 가능한 Co-Cr 조성물의 비제한적인 예를 제공한다:
Co-Cr 조성의 예
F75 F799 F90 F562
Co 59.9%-69.5% 58%-59% 45%-56.2% 29-38.8
Cr 27%-30% 26%-30% 19%-21% 19-21%
Mo 5%-7% 5%-7% - 9%-10.5%
Mn 1% 최대 1% 최대 1%-2% 0.15% 최대
Ni 1% 최대 1% 최대 9%-11% 33%-37%
Fe 0.75% 최대 1.5% 최대 3% 최대 1% 최대
Si 1% 최대 1% 최대 0.4% 최대 0.15% 최대
C 0.25% 최대 0.35% 최대 0.1% 명목 -
기타 N: 0/25% 최대 P: 최대 0.04% Ti: 1% 최대
S: 0.01% 최대
W - - 14%-16% -
다른 실시예에서, 본 발명의 전해 연마 방법은 니켈-크로뮴 합금, 예를 들어, 인코넬로부터 형성된 금속 제품을 전해 연마하는 데 사용될 수 있다. 인코넬은 오스테나이트 니켈-크로뮴-기반 초합금 계열이다. 인코넬 합금은 압력과 열을 거친 극한 환경에서 서비스하기에 적합한 산화-부식-저항 재료이다. 가열 시, 인코넬은 추가 공격으로부터 표면을 보호하는 두껍고 안정적인 부동태화 산화물 층을 형성한다.
인코넬 합금은 조성이 광범위하게 다양하지만, 모두 니켈이 주를 이루고 크로뮴이 두 번째 원소이다.
인코넬 조성의 예
유형 원소, 질량비 (%)
Ni Cr Fe Mo Nb　&　Ta Co Mn Cu Al Ti Si C S P B
600 ≥72.0 14.0-17.0 6.0-10.0 ≤1.0 ≤0.5 ≤0.5 ≤0.15 ≤0.015
617 44.2-61.0 20.0-24.0 ≤3.0 8.0-10.0 10.0-15.0 ≤0.5 ≤0.5 0.8-1.5 ≤0.6 ≤0.5 0.05-0.15 ≤0.015 ≤0.015 ≤0.006
625 ≥58.0 20.0-23.0 ≤5.0 8.0-10.0 3.15-4.15 ≤1.0 ≤0.5 ≤0.4 ≤0.4 ≤0.5 ≤0.1 ≤0.015 ≤0.015
690 ≥58 27-31 7-11 ≤0.50 ≤0.50 ≤0.50 ≤0.05 ≤0.015
Nuc 등급
690		 ≥58 28-31 7-11 ≤0.10 ≤0.50 ≤0.50 ≤0.50 ≤0.04 ≤0.015
718 50.0-55.0 17.0-21.0 Remndr 2.8-3.3 4.75-5.5 ≤1.0 ≤0.35 ≤0.3 0.2-0.8 0.65-1.15 ≤0.35 ≤0.08 ≤0.015 ≤0.015 ≤0.006
X-750 ≥70.0 14.0-17.0 5.0-9.0 0.7-1.2 ≤1.0 ≤1.0 ≤0.5 0.4-1.0 2.25-2.75 ≤0.5 ≤0.08 ≤0.01
본 발명의 전해 연마 방법을 사용하여 연마된 3D 인쇄 제품은 산업계에서 중요한 역할을 한다. 스테인리스강과 알루미늄은 범용 제조와 관련된다. 인코넬은 제트 엔진에 사용된다. 코발트-크롬은 치과에 사용되며 티타늄은 생물 의료 어플리케이션에 사용된다.
위의 이점에 추가하여, 본 발명에 따른 전해 연마는 다음 중 하나 이상을 포함하지만 이에 한정되지 않는 금속 제품의 다수의 유리한 변화를 생성한다는 것을 이해해야 한다:
· 브라이트닝(brightening)
· 버(burr) 제거
· 산화물 및 변색 제거
· 표면 프로파일 감소
· 표면 폐색 제거
· 내식성 증가
· 후속 도금 시 접착 개선
· 지향(도시) 라인 제거
· 날카로운 에지, 날카로운 굴곡 및 모서리의 라디어싱(radiusing)
· 표면 마찰 감소
· 응력 완화된 표면.
예
예 1 - 코발트-크로뮴 합금
거친 표면(8 내지 13 μm Ra)의 3D 인쇄 코발트 크로뮴 합금 쿠폰(표면적이 3.2 cm2이고 평균 Ra가 9.973 μm인 코발트 크로뮴 "MP1")이 전해 저장소를 형성하고 캐소드를 제공하는 스테인리스강 용기에 배치되었다. 용기는 85% H3PO4 수용액을 포함하는 전해조를 포함했다. 전체 전해 연마 장치는 도 1에 도시된 일반 개략도를 따른다. 코발트 크로뮴 쿠폰은 용기의 측면과 바닥으로부터 동일한 거리에 배스 중앙에 배치되었다. 피크 전압, 피크 전류, 전압 주파수, 전류 주파수, 전압 파형, 전류 파형을 변화시키기 위해 구축된 컴퓨터-제어 전력 인버터의 양극 단자는 그 후 전해조와 스테인리스강 용기 캐소드에 침지된 코발트 크로뮴 쿠폰에 접속되었다. 냉각 팬은 전해조에서 전해질을 내부에서 60 내지 90 ℃의 온도로 유지하기 위해 전해질의 냉각을 실시하는 것을 목적으로 하였다.
그 후, 컴퓨터-제어 전력 인버터를 사용하여 전력 레짐(아래 표 3에 명시)이 배스에 적용되었다. 컴퓨터는 연마될 부품과 재료에 최적이 되도록 사전 결정된 전압/전류(전류 밀도) 및 주파수 범위를 통해 인버터(전원)를 단계화하는 프로그램을 실행한다. 전압 파형은 0에 가까운 최소 전압 및 표에 개요된 바와 같은 최대 전압을 갖는 구형파이다.
펄스 전류 레짐
레짐 시간 (초) 주파수 (kHz) 펄스 DC 전압 (V) 전류 (A)
1 (펄스) 5 40 65 75
2 15 63 50 52
3 10 63 40 39
4 15 63 28 29
5 15 63 18 19
표 3에 나타낸 바와 같이, 전류는 쿠폰 표면으로부터 부분적으로 접합된 재료를 제거하기 위해 관리 가능한 최대 한계에서 시작된다. 그 후 주파수, 전압 및 전류는 컴퓨터 프로그램을 통해 단계화되며, 이는 쿠폰 주변의 확산층을 파괴한다. 전류는 최상의 최종 마감을 달성하기 위해 프로세스의 종료를 향해 컴퓨터 프로그램을 통해 단계적으로 감소된다. 타겟 표면 거칠기 평균은 2 마이크론 이하였으므로 이 타겟이 충족될 수 있는 시간의 길이 동안 프로그램이 개발되었다.
각각의 프로그램에 대해, 시간, 주파수, 전압 및 전류가 기록된다.
각각의 재료에 대해 표면 거칠기 평균(Ra)이 마이크론 단위로 측정되었고 침수 전후에 계산되었다. 평균 Ra는 처리될 표면의 10회의 개별 라인 스캔을 통해 취해진다. 그 후, 프로세스 전 평균은 마이크론 단위로 측정되는 프로세스 후 평균 표면 거칠기(Ra)와 비교된다.
개선된 속도는 60초에 거친 표면(~10 μm Ra)을 2 μm Ra 미만의 표면 거칠기로 만드는 결과를 여전히 유지한다. 예측 제거율(현재)은 피드백 데이터에 따라 변동한다.
전해 연마 실행의 결과가 현미경 이미지 전(도 3a) 및 후(도 3b)를 도시하는 도 3에 도시되어 있다. 표면 마감의 상대적 변화는 Starrett sr100 표면 거칠기 미터를 사용하여 샘플 전후의 랜덤 위치에서 취한 10개의 라인 스캔과 해당 데이터에서 도출된 평균을 사용하여 결정되었다. 이러한 측정 결과가 표 4에 제공된다.
전해 연마 전후의 거칠기 측정
샘플 번호 사전 연마 Ra (μm) 사후 연마 Ra (μm)
1 8.65 1.45
2 10.35 2.52
3 11.27 0.90
4 9.43 2.79
5 10.23 1.87
6 8.92 1.42
7 8.59 0.66
8 10.75 1.22
9 12.23 1.40
10 9.26 0.80
평균 Ra (μm) 9.97 1.50
이는 다음과 같은 결과를 제공했다.
· 마감 전: Ra = 9.97 μm.
· 마감 후: Ra = 1.50 μm - 10개 라인 스캔 기준. 최상의 결과 0.656 μm 최악의 결과 2.793 μm(크레이터).
이는 평균 표면 거칠기가 초기의 거친 표면(~10 μm Ra)에서 60초 안에 2 μm Ra 표면 거칠기 미만으로 감소함을 나타낸다. 알 수 있는 바와 같이, 도 3a에 도시된 날카로운 영역은 도 3b에 도시된 샘플에서 실질적으로 편평하고 결함이 없는 표면을 남기면서 침식되어 제거된다. 또한, 도 3b는 전해 연마 프로세스가 재료 표면에 일부 크레이터를 남겼음을 도시한다. 따라서, 생성된 표면 마감은 의료용 등급이 아니지만, 예를 들어, 제트 엔진 부품, 항공 우주 어플리케이션 또는 이와 유사한 것과 같은 다른 많은 어플리케이션에 여전히 사용될 수 있다.
예 2 - 스테인리스강
거친 표면(12 내지 18 μm Ra) 스테인리스강 쿠폰(표면적이 3.2 cm2이고 평균 Ra가 15.62 μm인 스테인리스강 "SS17")이 전해 저장소를 형성하는 유리 용기에 배치되었다. 용기는 85% H3PO4 수용액을 포함하는 전해조를 포함하였다. 전체 전해 연마 장치는 스테인리스강 기반 캐소드를 사용하여 도 2에 도시된 일반 개략도를 따른다. 스테인리스강 쿠폰은 캐소드로부터 이격된 배스의 중앙에 배치되었다. 피크 전압, 피크 전류, 전압 주파수, 전류 주파수, 전압 파형, 전류 파형을 변경하도록 구축된 컴퓨터-제어 전력 인버터의 양극 단자는 그 후 전해조에 침지된 스테인리스강 쿠폰에 접속되었다. 냉각 팬은 전해조에서 60 내지 90 ℃의 온도로 내부에서 유지하기 위해 전해질의 냉각을 실시하는 것을 목적으로 하였다.
그 후, 컴퓨터-제어 전력 인버터를 사용하여 전력 레짐(아래 표 5에 명시)이 배스에 적용되었다. 컴퓨터는 연마될 부품과 재료에 최적이 되도록 사전 결정된 전압/전류(전류 밀도) 및 주파수 범위를 통해 인버터(전원)를 단계화하는 프로그램을 실행한다. 주파수는 100 내지 100000 헤르쯔(Hz)의 범위이고; 전압은 0 내지 100 볼트(v)이고 전류는 0 내지 50 암페어이다. 프로그램은 총 296초 동안 실행되었으며 53개의 다른 레짐을 포함하였다. 전압 파형은 0에 가까운 최소 전압 및 표 5에 개요된 바와 같은 최대 전압을 갖는 구형파이다.
펄스 전류 레짐
레짐 시간 (s) 주파수 (Hz) 펄스 DC 전압 (V) 전류
(A)
1
(펄스)		 10 100 50 50
2 5 22K 15 15
3 2 100K 27 28
4 5 60K 0 0
5 2 100K 20 23
6 5 22K 18 24
7 2 100K 26 24
8 5 60K 30 35
9 2 100K 100 0
10 5 84K 26 29
11 2 100K 25 30
12 5 22K 24 27
13 2 100K 23 25
14 5 22K 16 22
15 2 100K 23 29
16 5 84K 19 26
17 2 100K 18 24
18 5 22K 15 19
19 2 100K 20 29
20 5 60K 15 23
21 2 100K 20 28
22 5 84K 15 24
23 2 100K 19 26
24 5 22K 15 24
25 2 100K 18 23
26 5 84K 10 15
27 2 100K 15 22
28 5 100K 12 17
29 10 22K 16 16
30 5 100K 26 24
31 10 60K 16 19
32 5 100K 22 25
33 10 84K 20 23
34 5 100K 19 22
35 10 22K 17 24
36 5 100K 12 17
37 5 60K 11 13
38 10 100K 12 14
39 10 84K 12 13
40 10 100K 12 15
41 10 84K 16 16
42 5 100K 26 24
44 10 22K 16 19
45 5 100K 22 25
46 10 60K 20 23
47 5 100K 19 22
48 10 84K 17 24
49 5 100K 12 17
50 5 22K 11 13
51 10 100K 12 14
52 10 60K 12 13
53 10 100K 12 15
주파수, 전압 및 전류의 변화는 마감의 속도와 품질의 핵심이다. 개선된 속도는 300초 이내에 거친 표면(~10 μm Ra)을 2 μm Ra 표면 거칠기 미만으로 만드는 결과를 여전히 유지한다.
전해 연마 실행의 결과가 현미경 이미지 전(도 4a) 및 후(도 4b)를 도시하는 도 4에 도시되어 있다. 표면 마감의 상대적 변화는 샘플 앞뒤의 랜덤 위치에서 Time RTD-300 표면 거칠기 측정기를 사용하여 취한 10개의 라인 스캔과 해당 데이터에서 도출된 평균을 사용하여 결정되었다. 이러한 측정 결과가 표 6에 제공된다.
전해 연마 전후의 거칠기 측정
샘플 번호 연마 전 Ra
(μm)		 연마 후
Ra (μm)
1 17.17 1.80
2 17.31 1.74
3 13.63 1.78
4 12.40 2.17
5 17.74 2.15
6 16.58 2.17
7 15.29 1.80
8 15.14 2.16
9 14.71 2.17
10 16.18 1.67
평균 Ra (μm) 15.62 1.96
이는 다음과 같은 결과를 제공했다.
· 마감 전: Ra = 15.62 μm.
· 마감 후: Ra = 1.96 μm - 10개 라인 스캔 기준. 최상의 결과 1.67 μm 최악의 결과 2.17 μm.
이는 평균 표면 거칠기가 초기의 거친 표면(~10 μm Ra)에서 300초 이내에 2 μm Ra 표면 거칠기 미만으로 감소한다는 것을 보여준다. 전해 연마 SS17은 샘플에 대해 매우 평활하고 미세한 마감을 생성하였다. 높고 거친 부품은 제거되었고 구멍은 제거되지 않았다.
예 3 - 레이저 절단 알루미늄
거친 표면의(5 내지 8 μm Ra) 레이저 절단 알루미늄 쿠폰(표면적이 3.2 cm2이고 평균 Ra가 6.40 μm인 5005 등급 알루미늄 "Al 5")이 전해 저장소를 형성하는 유리 용기에 배치되었다. 용기는 85% H3PO4 수용액을 포함하는 전해조를 포함했다. 전체 전해 연마 장치는 스테인리스강 캐소드를 사용하여 도 2에 도시된 일반 개략도를 따른다. 알루미늄 쿠폰은 캐소드에서 이격된 배스의 중앙에 배치되었다. 피크 전압, 피크 전류, 전압 주파수, 전류 주파수, 전압 파형, 전류 파형을 변경하기 위해 구축된 컴퓨터-제어 전력 인버터의 양극 단자는 그 후 전해조에 침지된 알루미늄 쿠폰에 접속되었다. 전해질은 40 ℃에서 시작되었다. 냉각 팬은 전해조에서 60 내지 90 ℃의 온도로 내부에서 유지하기 위해 전해질의 냉각을 실시하는 것을 목적으로 하였다.
그 후, 컴퓨터-제어 전력 인버터를 사용하여 전력 레짐(아래 표 7에 명시)이 배스에 적용되었다. 컴퓨터는 연마될 부품과 재료에 최적이 되도록 사전 결정된 전압/전류(전류 밀도) 및 주파수 범위를 통해 인버터(전원)를 단계화하는 프로그램을 실행한다. 130초(s)의 전체 시간의 12개의 레짐이 있었다. 주파수는 22000 내지 100000 헤르쯔(Hz)의 범위이고; 전압은 26 내지 49 V이고 전류는 6 내지 24 A였다. 전압 파형은 0에 가까운 최소 전압 및 표에 개요된 바와 같은 최대 전압을 갖는 구형파이다.
전류 레짐
레짐 시간 (s) 주파수 (Hz) 펄스 DC 전압 (V) 전류
(A)
1 15 60K 49 24
2 15 84K 46 20
3 10 60K 44 20
4 10 22K 27 14
5 10 84K 40 14
6 10 22K 27 13
7 10 60K 35 14
8 10 22K 32 13
9 10 100K 34 9
10 10 60K 26 8
11 10 22K 26 10
12 10 100K 29 6
다시, 주파수, 전압 및 전류의 변화는 마감 속도와 품질의 핵심이다.
전해 연마 실행의 결과가 현미경 이미지 전(도 5a) 및 후(도 5b)를 도시하는 도 5에 도시되어 있다. 표면 마감의 상대적 변화는 샘플 앞뒤의 랜덤 위치에서 Time RTD-300 표면 거칠기 미터를 사용하여 취한 10개의 라인 스캔과 해당 데이터에서 도출된 평균을 사용하여 결정되었다. 이러한 측정 결과가 표 8에 제공된다.
전해 연마 전후의 거칠기 측정
샘플 번호 연마 전
Ra (μm)		 연마 후
Ra (μm)
1 5.77 1.38
2 7.83 1.85
3 6.90 1.17
4 7.47 1.56
5 5.58 1.45
6 6.04 1.81
7 6.00 1.72
8 5.68 1.83
9 5.58 2.54
10 7.19 1.68
평균 Ra (μm) 6.40 1.70
이는 다음과 같은 결과를 제공했다.
· 마감 전: Ra = 6.40 μm.
· 마감 후: Ra = 1.70 μm - 10개 라인 스캔 기준.
다시, 전기 연마는 샘플에 대해 매우 평활하고 미세한 마감을 생성했다.
예 4 - 인코넬
거친 표면의(4 내지 7 μm Ra) 3D 인쇄된 인코넬 쿠폰(표면적이 3.2 cm2이고 평균 Ra가 5.65 μm인 Inconel "Inconel 2")이 전해 저장소를 형성하는 유리 용기에 배치되었다. 용기는 85% H3PO4 수용액을 포함하는 전해조를 포함했다. 전체 전해 연마 장치는 스테인리스강 캐소드를 사용하여 도 2에 도시된 일반 개략도를 따른다. 인코넬 쿠폰은 캐소드에서 이격된 배스 중앙에 배치되었다. 피크 전압, 피크 전류, 전압 주파수, 전류 주파수, 전압 파형, 전류 파형을 변경하도록 구축된 컴퓨터-제어 전력 인버터의 양극 단자는 그 후 전해조에 침지된 인코넬 쿠폰에 접속되었다. 냉각 팬은 전해조에서 60 내지 90 ℃의 온도로 내부에서 유지하기 위해 전해질의 냉각을 실시하는 것을 목적으로 하였다.
그 후, 컴퓨터-제어 전력 인버터를 사용하여 전력 레짐(아래 표 9에 명시)이 배스에 적용되었다. 컴퓨터는 연마될 부품과 재료에 최적이 되도록 사전 결정된 전압/전류(전류 밀도) 및 주파수 범위를 통해 인버터(전원)를 단계화하는 프로그램을 실행한다. 235초의 전체 시간의 16개의 프로그램이 있었다. 주파수는 22 내지 100 kHz의 범위이고; 전압은 8 내지 31 V이고 전류는 6 내지 35 A였다. 전압 파형은 0에 가까운 최소 전압 및 표에 개요된 바와 같은 최대 전압을 갖는 구형파이다.
펄스 전류 레짐
레짐 시간 (s) 주파수
(Hz)		 펄스 DC 전압 (V) 전류
(A)
1 10 60 31 35
2 15 84 30 30
3 15 60 30 30
4 15 84 26 28
5 15 100 23 26
6 15 60 26 24
7 15 84 20 23
8 15 22 19 22
9 15 22 17 20
10 15 100 14 13
11 15 22 17 15
12 15 100 8 7
13 15 22 15 14
14 15 22 14 12
15 15 60 10 8
16 15 100 8 6
다시, 주파수, 전압 및 전류의 변화는 마감 속도와 품질의 핵심이다.
전해 연마 실행의 결과가 현미경 이미지 전(도 6a) 및 후(도 6b)를 도시하는 도 6에 도시되어 있다. 표면 마감의 상대적 변화는 샘플 앞뒤의 랜덤 위치에서 Time RTD-300 표면 거칠기 미터를 사용하여 취한 10개의 라인 스캔과 해당 데이터에서 도출된 평균을 사용하여 결정되었다. 이러한 측정 결과가 표 10에 제공된다.
전해 연마 전후의 거칠기 측정
샘플 번호 연마 전
Ra (μm)		 연마 후
Ra (μm)
1 4.56 2.29
2 5.76 1.78
3 4.16 1.92
4 7.27 1.76
5 5.79 1.72
6 6.71 1.77
7 4.74 1.82
8 4.64 1.94
9 6.38 2.1
10 6.48 1.64
평균 Ra (μm) 5.65 1.87
이는 다음과 같은 결과를 제공했다.
· 마감 전: Ra = 5.65 μm.
· 마감 후: Ra = 1.87 μm - 10개 라인 스캔 기준.
다시, 전해 연마는 샘플에 대해 매우 평활하고 미세한 마감을 생성했다.
예 5 - 인코넬 쿠폰 - 비침지 전해 연마
거친 표면의(4 내지 7 μm Ra) 3D 인쇄된 인코넬 쿠폰(표면적이 3.2 cm2이고 평균 Ra가 5.65 μm인 Inconel "Inconel Coupon 3")이 전기 접속된 클램프에 보유되었다. 예에서 연마된 실제 영역은 하나의 큰 면만이 연마되었고 에지는 브러시에 의해 연마되지 않았으므로 1 cm2였다는 점에 유의한다(비침지 예에서 연마된 영역은 단지 브러시와 접촉하는 영역임). 인코넬 쿠폰(3)은 그 후 전해 연마를 위해 탄소 섬유 브러시 캐소드를 사용하는 호주의 EASYKleen Pty Ltd, 43 Shelley Road, Moruya, NSW, 2537에서 이용 가능한 변형된 비침지 전해 연마 장치, 모델 EASYkleen Easy Feeder(도 7의 300)를 사용하여 전해 연마되었다. 인코넬 쿠폰은 클램프를 통해 전원에 접속되어 전해 연마 회로의 애노드를 형성했다.
브러시를 통해 85% H3PO4 수용액 전해질이 공급되었고 전해 연마용 인코넬 쿠폰에 인가되었다. 이전 예에서와 같이, 전원은 피크 전압, 피크 전류, 전압 주파수, 전류 주파수, 전압 파형, 전류 파형을 변화시키도록 구축된 컴퓨터-제어 전력 인버터에 접속되도록 변형되었고(미도시), 그 후 인코넬 쿠폰에 접속되었다.
그 후, 컴퓨터-제어 전력 인버터를 사용하여 전력 레짐(아래 표 11에 명시)이 탄소 섬유 브러시 캐소드에 적용되었다. 컴퓨터는 연마될 부품과 재료에 최적이 되도록 사전 결정된 전압/전류(전류 밀도) 및 주파수 범위를 통해 인버터(전원)를 단계화하는 프로그램을 실행한다. 235초의 전체 시간의 16개의 프로그램이 있었다. 주파수는 22 내지 100 kHz의 범위이고; 전압은 8 내지 31 V이고 전류는 6 내지 35 A였다. 전압 파형은 0에 가까운 최소 전압 및 표에 개요된 바와 같은 최대 전압을 갖는 구형파이다.
펄스 전류 레짐
레짐 시간 (s) 주파수
(Hz)		 펄스 DC 전압 (V) 전류
(A)
1 5 60 12 44
2 10 60 9 40
3 10 84 8 38
4 10 22 8 37
5 10 60 8 39
6 10 84 6 38
7 10 22 7 39
8 10 100 6 28
9 10 22 7 30
10 10 60 6 32
11 10 84 4 18
12 10 100 4 18
전체 115
다시, 주파수, 전압 및 전류의 변화는 마감 속도와 품질의 핵심이다.
전해 연마 실행의 결과가 표 12에 제공된다.
전해 연마 전후의 거칠기 측정
샘플 번호 연마 전
Ra (μm)		 연마 후
Ra (μm)
1 5.48 1.62
2 4.46 1.45
3 5.26 1.95
4 6.49 2.03
5 4.47 1.28
6 5.01 2.01
7 5.73 1.34
8 3.97 0.96
9 5.67 1.8
10 3.72 2.11
평균 Ra (μm) 5.65 1.87
전해 연마 전후의 거칠기 측정
이는 다음과 같은 결과를 제공했다.
· 마감 전: Ra = 5.65 μm.
· 마감 후: Ra = 1.87 μm - 10개 라인 스캔 기준.
다시, 전기 연마는 샘플에 대해 매우 평활하고 미세한 마감을 생성했다. 또한, 결과는 예 4에 상세히 설명된 침지 방법과 유사하다.
예 6 - 스테인리스강 - 비침지 전해 연마
거친 표면의(13.95 μm Ra) 3D 인쇄된 스테인리스강 쿠폰(표면적이 3.2 cm2이고 평균 Ra가 13.95 μm인 "SS 5")이 전기적으로 접속된 클램프에 보유되었다. 예에서 연마된 실제 영역은 하나의 큰 면만이 연마되었고 에지는 브러시에 의해 연마되지 않았으므로 1 cm2였다는 점에 유의한다(비침지 예에서 연마된 영역은 단지 브러시와 접촉하는 영역임). 스테인리스강 쿠폰은 그 후 전해 연마를 위해 탄소 섬유 브러시 캐소드를 사용하는 호주의 EASYKleen Pty Ltd, 43 Shelley Road, Moruya, NSW, 2537에서 이용 가능한 변형된 비침지 전해 연마 장치, 모델 EASYkleen Easy Feeder(도 7의 300)를 사용하여 전해 연마되었다. 스테인리스강 쿠폰은 클램프를 통해 전원에 접속되어 전해 연마 회로의 애노드를 형성했다.
브러시를 통해 85% H3PO4 수용액 전해질이 공급되었고 전해 연마용 스테인리스강 쿠폰에 인가되었다. 이전 예에서와 같이, 전원은 피크 전압, 피크 전류, 전압 주파수, 전류 주파수, 전압 파형, 전류 파형을 변화시키도록 구축된 컴퓨터-제어 전력 인버터에 접속되도록 변형되었고(미도시), 그 후 스테인리스강 쿠폰에 접속되었다.
그 후, 컴퓨터-제어 전력 인버터를 사용하여 전력 레짐(아래 표 12에 명시)이 탄소 섬유 브러시 캐소드에 적용되었다. 컴퓨터는 연마될 부품과 재료에 최적이 되도록 사전 결정된 전압/전류(전류 밀도) 및 주파수 범위를 통해 인버터(전원)를 단계화하는 프로그램을 실행한다. 74초의 전체 시간(60초의 전해 연마 시간)의 29개의 프로그램이 있었다. 주파수는 20 내지 200 kHz의 범위였고; 전압은 4 내지 20 V이고 전류는 30 내지 80 A였다. 전압 파형은 0에 가까운 최소 전압 및 표에 개요된 바와 같은 최대 전압을 갖는 구형파이다.
[표 12] 펄스 전류 레짐
Figure pct00001
주파수, 전압 및 전류의 변화는 마감 속도와 품질의 핵심이다. 이러한 특정 탄소 섬유 브러시 캐소드 실행에서, 금속 조각이 냉각될 수 있도록 각각의 전해 연마 레짐 사이에 0 전류가 인가되는 냉각 단계가 사용된다. 냉각 시간은 브러시 캐소드를 냉각시키는 것으로부터 약간의 이익이 또한 있지만, 금속 작업 단편을 냉각하는 것을 목적으로 한다. 이러한 오프-타임(off-time)은 이러한 형태의 전해 연마 장치의 효과성을 돕는다. 결과에 나타낸 바와 같이, 표 12의 전력 레짐은 최종 표면 거칠기를 달성하기 위해 4회의 연속 실행에 적용되었다.
표면 마감의 상대적 변화는 샘플 연마된 측면의 랜덤 위치에서 Time RTD-300 표면 거칠기 미터를 사용하여 취한 10개의 라인 스캔과 해당 데이터에서 도출된 평균을 사용하여 결정되었다. 이러한 측정 결과가 표 13에 제공된다.
전해 연마 전후의 거칠기 측정
레짐 4a SS 쿠폰 5
(60초) (Ra μm)
연마 전 13.95
제1 실행 7.56
제2 실행 4.35
제3 실행 2.88
제4 실행 1.22
이는 평균 표면 거칠기가 초기의 거친 표면(13.95 μm Ra)에서 2 μm Ra 표면 미만으로 감소함을 보여준다. 쿠폰 SS5의 전해 연마는 샘플에 매우 평활하고 미세한 마감을 생성했다.
예 7 - 티타늄 - 비침지 전해 연마
거친 표면의(~10.28 μm Ra) 3D 인쇄된 티타늄 쿠폰(표면적이 3.2 cm2이고 평균 Ra가 10.28 μm인 "Ti AMS")이 전기적으로 접속된 클램프에 유지되었다. 예에서 연마된 실제 영역은 하나의 큰 면만이 연마되었고 에지는 브러시에 의해 연마되지 않았으므로 1 cm2였다는 점에 유의한다(비침지 예에서 연마된 영역은 단지 브러시와 접촉하는 영역임). 티타늄 쿠폰은 그 후 전해 연마를 위해 탄소 섬유 브러시 캐소드를 사용하는 호주의 EASYKleen Pty Ltd, 43 Shelley Road, Moruya, NSW, 2537에서 이용 가능한 변형된 비침지 전해 연마 장치, 모델 EASYkleen Easy Feeder(도 7의 300)를 사용하여 전해 연마되었다. 티타늄 쿠폰은 클램프를 통해 전원에 접속되어 전해 연마 회로의 애노드를 형성했다.
브러시를 통해 85% H3PO4 수용액 전해질이 공급되었고 전해 연마용 티타늄 쿠폰에 인가되었다. 이전 예에서와 같이, 전원은 피크 전압, 피크 전류, 전압 주파수, 전류 주파수, 전압 파형, 전류 파형을 변화시키도록 구축된 컴퓨터-제어 전력 인버터에 접속되도록 변형되었고(미도시), 그 후 티타늄 쿠폰에 접속되었다.
그 후, 컴퓨터-제어 전력 인버터를 사용하여 전력 레짐(아래 표 14에 명시)이 탄소 섬유 브러시 캐소드에 적용되었다. 컴퓨터는 연마될 부품과 재료에 최적이 되도록 사전 결정된 전압/전류(전류 밀도) 및 주파수 범위를 통해 인버터(전원)를 단계화하는 프로그램을 실행한다. 93초의 전체 시간(60초의 전해 연마)의 23개의 프로그램(레짐 2 내지 24)이 있었다. 주파수는 20 내지 200 kHz의 범위였고; 전압은 8 내지 11 V이고 전류는 30 내지 60 A였다. 전압 파형은 표에 개요된 바와 같이 0에 가까운 최소 전압 및 최대 전압을 갖는 구형파이다.
펄스 전류 레짐
레짐 시간 (s) 주파수 (kHz) 펄스 DC 전압 (V) (A) 듀티 사이클 (%)
2 5 100 9.5 60 25
3 3 60 냉각 0 30
4 5 60 9 58 30
5 3 20 냉각 0 20
6 5 20 10 55 20
7 3 120 냉각 0 25
8 5 120 11 45 25
9 3 20 냉각 0 10
10 5 20 10 50 10
11 3 80 냉각 0 20
12 5 80 9.5 53 20
13 3 60 냉각 0 15
14 5 60 8 50 15
15 3 140 냉각 0 25
16 5 140 11 38 25
17 3 200 냉각 0 25
18 5 200 9 30 25
19 3 160 냉각 0 25
20 5 160 9 37 25
21 3 180 냉각 0 25
22 5 180 9 30 25
23 3 40 냉각 0 25
24 5 40 8.5 45 25
주파수, 전압 및 전류의 변화는 마감 속도와 품질의 핵심이다. 이러한 특정 탄소 섬유 브러시 캐소드 실행에서, 브러시 전극을 냉각하는 것으로부터 약간의 이점이 또한 있지만, 금속 작업 단편을 냉각하기 위해 각각의 전해 연마 레짐 사이에 0의 전류가 인가되는 냉각 단계가 사용된다. 이러한 오프-타임은 이러한 형태의 전해 연마 장치의 효과성을 돕는다. 결과에서 볼 수 있는 바와 같이, 표 14의 전력 레짐은 최종 표면 거칠기를 달성하기 위해 4회의 연속 실행에 적용된다.
표면 마감의 상대적 변화는 샘플 연마면의 랜덤 위치에서 Time RTD-300 표면 거칠기 미터를 사용하여 취한 10개의 라인 스캔과 해당 데이터로부터 도출된 평균을 사용하여 결정되었다. 이러한 측정 결과가 표 15에 제공된다.
전해 연마 전후의 거칠기 측정
레짐 8a Ti AMS 쿠폰
(60초) (Ra μm)
연마 전 10.28
제1 실행 8.39
제2 실행 7.15
제3 실행 5.91
제4 실행 4.15
이는 평균 표면 거칠기가 초기의 거친 표면(10.28 μm Ra)에서 4.15 μm Ra 표면으로 감소함을 보여준다. 전해 연마 Ti AMS는 샘플에 대해 평활한 마감을 생성했다.
결론
위의 각 예의 결과는 3D 인쇄된 제품을 빠르게 전해 연마하는 것이 일반적으로 높은 전류, 높은 주파수 및 전력 시스템 단계화에 의해 향상됨을 보여준다. 이는 3D 인쇄된 제품이 평활한 마감을 갖게 한다. 파라미터를 정제하기 위해 추가 연구가 필요하다.
전반적으로, 결과는 적용 가능한 경우, 초고전류가 부분적으로 접합된 재료와 베이스 재료 사이의 부착점을 용융하거나 아니면 절단함으로써 일부 경우에 부분적으로 접합된 재료를 제거하는 데 사용될 수 있음을 입증한다. 높은 전압/전류는 재료를 빠르게 제거하는 데 사용될 수 있지만, 장기간의 적용은 표면에 만입부 및 스트리크를 남길 수 있다. 이상적인 프로그램은 초고전류 다음 고전류 밀도를 실행한다. 그 후 전류 밀도가 감소하여 미세 마감을 가능하게 한다. 부품 주변의 확산층은 주파수와 전압을 단계화(증가 또는 감소)함으로써 교란된다. 하나의 전압은 수 초(일반적으로 15초 미만)의 짧은 시간 프레임 동안 잘 작동한 다음 프로세스가 느려진다.
티타늄 및 알루미늄과 같은 강한 산화물층을 가진 재료는 더 높은 주파수를 사용하여 더 빠른 속도로 그리고 더 낮은 전압에서 파괴된다.
본 기술 분야의 통상의 기술자는 본원에 설명된 발명이 구체적으로 설명한 것 이외의 변형 및 수정이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 본 발명은 본 발명의 사상 및 범위에 속하는 이러한 모든 변형 및 수정을 포함하는 것으로 이해된다.
"포함하다(comprise)", "포함하다(comprises)", "포함되는(comprised)" 또는 "포함하는(comprising)"이라는 용어가 본 명세서(청구항 포함)에서 사용되는 경우, 이는 언급된 특징, 정수, 단계 또는 구성 요소의 존재를 특정하는 것으로 해석되어야 하지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 구성 요소 또는 이들의 그룹의 존재를 배제하지는 않는다.

Claims (35)

  1. 제조된 금속 제품을 전해 연마하기 위한 방법으로서,
    상기 금속 제품을 전해 연마 전해질과 접촉시키는 단계; 및
    인가된 전류 레짐(regime)의 적용을 통해 상기 전해 연마 전해질에서 상기 금속 제품을 전해 연마하는 단계를 포함하고,
    상기 인가된 전류 레짐은 적어도 하나의 전해 연마 레짐을 포함하고, 각각의 전해 연마 레짐은 적어도 2 A/cm2의 전류 밀도, 및 2 Hz 내지 300 kHz의 주파수, 적어도 0 V의 최소 전압 및 0.5 V 내지 500 V의 최대 전압을 갖는 형상화된 파형을 포함하는 전압을 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    각각의 전해 연마 레짐은 2 A/cm2 내지 200 A/cm2, 바람직하게는 20 A/cm2 내지 50 A/cm2, 더 바람직하게는 25 A/cm2보다 큰 전류 밀도로 수행되는, 방법.
  3. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 2개, 바람직하게는 적어도 3개의 전해 연마 레짐을 포함하고, 각각의 전해 연마 레짐의 상기 주파수, 상기 전류 밀도, 또는 상기 최대 전압 중 적어도 하나는 이전 전해 연마 레짐과 비교하여 변경되는, 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    각각의 이어지는 전해 연마 레짐은 상기 이전 전해 연마 레짐들보다 일반적으로 더 낮은 최대 전압 또는 일반적으로 더 낮은 전류 밀도 중 적어도 하나를 갖는, 방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 전해 연마 단계는 적어도 4개의 전해 연마 레짐, 바람직하게는 적어도 10개의 전해 연마 레짐, 더욱 바람직하게는 적어도 20개의 전해 연마 레짐을 포함하는, 방법.
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 전해 연마 레짐은 1초 내지 30초, 바람직하게는 2초 내지 20초, 더욱 바람직하게는 2초 내지 15초의 지속 시간 동안 적용되는, 방법.
  7. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해 연마 단계는 적어도 하나의 전해 연마 레짐에 후속하여 상기 전류 밀도를 낮추는 것을 포함하는 적어도 하나의 냉각 레짐을 포함하는, 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전류 밀도는 상기 이전 전해 연마 레짐의 0.5 이하의 전류 밀도로 낮아지는, 방법.
  9. 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해 연마 단계는 적용된 전류 레짐의 적용을 포함하고, 상기 적용된 전류 레짐은:
    적어도 2 A/cm2의 전류 밀도, 및 20 내지 300 kHz의 주파수, 적어도 0 V의 최소 전압 및 50 V 내지 500 V의 최대 전압을 갖는 형상화된 파형을 포함하는 전압을 포함하고, 적어도 1초의 지속 시간 동안 인가되는 초기 펄스; 후속하여
    적어도 2 A/cm2의 전류 밀도, 및 2 Hz 내지 300 kHz의 주파수, 적어도 0 V의 최소 전압 및 0.5 내지 500 V의 최대 전압을 갖는 형상화된 파형 전류를 포함하는 전압을 포함하고, 각각의 전해 연마 레짐의 상기 주파수 및/또는 상기 최대 전압은 상기 이전 전해 연마 레짐과 비교하여 변경되는 적어도 2개의 전해 연마 레짐을 포함하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 초기 펄스는 2 A/cm2 내지 200 A/cm2, 바람직하게는 20 내지 50 A/cm2, 더욱 바람직하게는 25 A/cm2보다 큰 전류 밀도를 갖는, 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 초기 펄스의 상기 전압은 각각의 상기 이어지는 전해 연마 레짐들의 상기 전압보다 큰, 방법.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초기 펄스의 상기 전류 밀도는 각각의 상기 이어지는 전해 연마 레짐들의 상기 전류 밀도보다 큰, 방법.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초기 펄스의 교류 전압의 상기 인가된 주파수는 각각의 상기 이어지는 전해 연마 레짐들의 상기 인가된 주파수와 상이한, 방법.
  14. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초기 펄스는 2 내지 10초, 바람직하게는 2 내지 7초, 더욱 바람직하게는 2 내지 5초의 지속 시간 동안 인가되는, 방법.
  15. 제3항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 이어지는 전해 연마 레짐은 상이한 주파수를 갖는, 방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 형상화된 파형은 구형파(square wave), 사인(sinusoidal), 펄스 또는 이들의 조합 중 하나를 포함하는, 방법.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 형상화된 파형 전류는 펄스 폭 변조(PWM: pulsed width modulation) 파형, 바람직하게는 구형파 펄스를 포함하고, 바람직하게는 가변 데드 타임(dead time)을 갖는, 방법.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 형상화된 파형 전류는 10 내지 300 kHz, 바람직하게는 10 내지 200 kHz, 더욱 바람직하게는 20 내지 100 kHz의 주파수를 갖는, 방법.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파형은
    · 상기 최대 전압의 80% 초과; 또는
    · 1 V 초과
    중 적어도 하나의 상기 최대 전압과 상기 최소 전압 사이의 변화를 포함하는, 방법.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파형은
    · 상기 최대 전압의 80% 초과; 또는
    · 5 V 초과
    중 적어도 하나의 상기 최대 전압과 상기 최소 전압 사이의 변화를 포함하는, 방법.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 제품은 크로뮴 함유 금속 합금, 티타늄, 티타늄 합금, 니켈 합금, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 중 하나를 포함하는, 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 크로뮴 함유 금속 합금은 철-크로뮴 합금, 니켈-크로뮴(니켈-크롬), 니켈-크로뮴 합금, 코발트-크로뮴 합금, 또는 코발트-크로뮴-몰리브덴 합금으로부터 선택되는, 방법.
  23. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    상기 크로뮴 함유 금속 합금은 코발트-크로뮴 합금 또는 니켈-크로뮴 합금을 포함하는, 방법.
  24. 제21항, 제22항 또는 제23항에 있어서,
    상기 크로뮴 함유 금속 합금은 스테인리스강 또는 인코넬(Inconel)을 포함하는, 방법.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해 연마 전해질은 H3PO4를 포함하는, 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 전해 연마 전해질은 황산(H2SO4), 염산(HCl) 또는 이들의 조합과 조합된 인산(H3PO4), 및 물 또는 C1-C4 알코올 중 하나를 포함하는, 방법.
  27. 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해 연마 전해질은 물 또는 C1-C4 알코올 중 하나와 조합된 인산(H3PO4)을 포함하는, 방법.
  28. 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해질의 pH는 1.0 내지 7.0, 바람직하게는 1.0 내지 3.0인, 방법.
  29. 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해 연마 전해질은 -25 내지 200 ℃, 바람직하게는 0 내지 150 ℃, 더욱 바람직하게는 50 ℃ 내지 100 ℃, 더욱 더 바람직하게는 60 ℃ 내지 90 ℃의 온도에서 유지되는, 방법.
  30. 제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 제품의 초기 평균 표면 거칠기(Ra)는 2 ㎛ 초과, 바람직하게는 5 ㎛, 더욱 바람직하게는 10 ㎛ 초과, 더욱 바람직하게는 10 내지 20 ㎛인, 방법.
  31. 제1항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 제품의 초기 평균 표면 거칠기(Ra)는 400 ㎛ 미만, 보다 바람직하게는 300 ㎛ 미만, 가장 바람직하게는 200 ㎛ 미만인, 방법.
  32. 제1항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 제품의 최종 평균 표면 거칠기(Ra)는 2 ㎛ 미만, 더욱 바람직하게는 1.5 ㎛ 미만인, 방법.
  33. 제1항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
    물질 제거 속도가 1 내지 50 ㎛/분, 더욱 바람직하게는 2 내지 30 ㎛/분인, 방법.
  34. 제1항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해 연마 전해질은 전해 연마 셀에 포함되는, 방법.
  35. 제1항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해 연마 전해질은 상기 금속 제품의 표면 상으로의 유체 흐름으로서 인가되는, 방법.
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