KR20220058693A

KR20220058693A - 옥살산 전해액에서 전류밀도 변화에 따른 아노다이징 처리 방법 및 이 방법으로 제조된 알루미늄 합금

Info

Publication number: KR20220058693A
Application number: KR1020200142082A
Authority: KR
Inventors: 박지현; 정나겸; 김상준; 전윤남; 장관섭
Original assignee: 주식회사 영광와이케이엠씨
Priority date: 2020-10-29
Filing date: 2020-10-29
Publication date: 2022-05-10
Also published as: KR102467268B1

Abstract

본 발명은 옥살산을 이용한 전해액 하에서 전류밀도에 변화를 주어 알루미늄 합금을 아노다이징 처리하는 방법 및 이 방법으로 제조된 알루미늄 합금에 관한 것으로서, 양극산화처리 공정을 통한 알루미늄 합금의 아노다이징 처리시, 최적 조건을 도출하여, 우수한 경도, 내전압 특성 및 내산성을 가지는 경량화 소재를 제공할 수 있는 발명에 관한 것이다.

Description

옥살산 전해액에서 전류밀도 변화에 따른 아노다이징 처리 방법 및 이 방법으로 제조된 알루미늄 합금{Anodizing treatment method according to change of current density in oxalic acid and aluminum alloys anodized by this method}

본 발명은 알루미늄 합금의 내전압, 내산성 및 경도를 효율적으로 향상시킬 수 있는 옥살산 전해액을 이용한 아노다이징 처리 방법 및 이 방법으로 제조된 고 특성의 알루미늄 산화피막이 형성된 알루미늄 합금에 관한 것이다.

일반적으로, 알루미늄 아노다이징(Anodizing)은 알루미늄 표면에 산화알루미늄의 피막(알루미늄 산화피막)을 형성시키는 표면처리방법으로 하나로서, 이러한 아노다이징은 금속을 양극으로 통전하여 양극에서 발생하는 산소에 의하여 금속표면이 산화되어 산화알루미늄 피막이 생기는 특성을 이용한 것이다.

그리고, 상기 알루미늄합금 소재에 아노다이징 처리를 수행하면, 수나노미터 사이즈의 직경을 가지는 산화피막이 균일하게 수십 마이크로 미터까지 성장하며, 상기 산화피막은 경도가 높아 내마모성을 향상시킴은 물론 표면의 심미성이 높고 부식방지가 가능하여 내부식성에 매우 우수하다.

아노다이징, 즉, 양극산화는 황산, 옥살산, 인산, 붕산, 구연산, 크롬산 등 다양한 전해액에서 진행되며, 주로 황산법 또는 옥살산법이 사용되고 있다.

상기 아노다이징에서 사용하는 전해액으로는 가격이 저렴하고 전력 소모량이 낮음은 물론 내모성과 내식성이 우수한 황산법이 주로 사용되고 있으며, 황산법과 옥살산법의 인가전압 범위는 황산법의 경우 ~50V, 옥살산법의 경우 ~120V이며, 황산법이 낮은 인가전압으로 경제성의 이점은 있으나, 옥살산법에 비하여 낮은 경도와 내식성 등을 나타낸다.

최근에는 상기 전해액의 성분 및 전해 조건을 다양하게 변경하면서 상기 알루미늄 합금 소재의 성능 및 특성을 향상시키는 다양한 기술들이 제안되고 있다.

옥살산법은 전류밀도 1 ~ 5A/dm²에서 안정적인 피막이 생성되는 것으로 알려져 있으며, 정전압 혹은 정전류 방식으로 해당 전류밀도 범위를 유지하면서 피막 생성이 되도록 양극산화를 진행한다. 전류밀도 1 ~ 5A/dm²에서 피막 생성이 안정적이라는 사실은 알려져 있으나, 고특성을 가지는 알루미늄 산화 피막을 얻기 위해서는 전류밀도 단계에 따른 전해 조건 및 특성 분석이 필요하다.

그러나, 상기 아노다이징에 의해 형성된 산화피막은 다공질이며 흡착성이 있어 더러워지기가 쉽고 손에 들러붙는 성질이 있고, 구멍 내부에 황산 등의 잔류물이 있어서 부식의 원인이 되고, 또한 착색을 했을 경우 염료가 우러나거나 퇴색될 우려가 있어 후처리 공정으로 봉공 처리를 하게 된다.

봉공처리는 상기 양극산화 피막의 미세공을 봉공 처리하고 동시에 미세공 내부를 메워서 내식성 등의 물성을 향상시키는 처리를 말하며, 비등수나 가압 증기에 의한 수화 봉공처리, 금속염을 포함한 열수에 의한 금속염 봉공처리, 오일 등의 유기물을 도포하거나 침적하는 유기물 봉공처리가 알려져 있다.

예컨대, 한국 공개특허 제2006-120949호에는 착산니켈 2 ~ 6 g/L, 착산코발트 1 ~ 3 g/L, 붕산 2 ~ 6g/L를 함유하는 pH 5 ~ 6의 봉공처리액을 사용하여 80 ~ 100℃에서 5 ~ 20분간 실시하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 아노다이징의 봉공처리 방법이 개시되어 있다.

그러나, 상기 니켈염을 사용할 경우 피부 알레르기, 접촉성 피부염 및 호흡기 계통의 질환 등이 발생하는 문제가 있고, 더구나 2012년 이후에는 니켈과 그 화합물은 수질 및 수생태계 보전에 관한 법률 등에 따라 수질 오염물질로 분류되어서 5 ppm 이하로 배출하도록 규제되고 있다.

한국 등록특허번호 10-1342340 (공고일 : 2013.12.16.) 한국 등록특허번호 10-1751377 (공고일 : 2017.06.27.)

이에, 본 발명은 옥살산법에 의한 알루미늄 합금의 양극산화처리 시, 전류밀도에 따른 전해 조건 및 알루미늄 산화피막의 특성을 분석을 통해 최적의 양극산화처리 조건을 수립하였고, 이에 따른 양극산화처리를 통한 알루미늄 합금의 최적 아노다이징 처리 방법 및 이 방법에 의해 제조된 우수한 물성의 알루미늄 합금 제품을 제공하는 데에 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 특정 전해액 및 특정 전류밀도 조건 하에서 알루미늄 합금을 아노다이징 처리하는 방법에 관한 것으로서, 알루미늄 합금 표면의 이물질을 제거하는 전처리 공정; 및 상기 전처리 공정을 거친 알루미늄 합금의 표면에 산화 알루미늄피막을 형성하는 양극산화처리 공정;을 포함한다.

또한, 본 발명은 아노다이징 처리 방법은 상기 양극산화처리 공정을 수행한 알루미늄 합금을 비등수 봉공 처리하는 봉공처리 공정;을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 아노다이징 처리 방법으로 제조한 내전압, 내산성 및 경도가 우수한 알루미늄 합금을 제공할 수 있다.

본 발명의 아노다이징 처리방법을 이용하여 안정적이고 특성이 우수한 알루미늄 산화피막층이 형성된 알루미늄 합금 제품을 제공할 수 있으며, 상기 알루미늄 합금 제품은 내전압, 내산성 및 표면 경도가 매우 우수한 경량화 소재를 높은 상업성으로 제공할 수 있다.

도 1a 및 도 1b 각각은 Al5052 및 Al6061 알루미늄 합금의 전류밀도에 따른 비커스 경도 측정 결과를 나타낸 것이다.
도 2a 및 도 2b 각각은 Al5052 및 Al6061 알루미늄 합금의 전류밀도에 따른 내전압(breakdown voltage) 측정 결과를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명 대해 더욱 구체적으로 설명한다.

알루미늄 합금은 경량화 소재로서 철강 제품의 대체 물질로 주목 받고 있으나, 경도나 내마모성과 같은 성질이 철강 제품에 비해 저하되는 단점이 있으므로, 양극산화법에 의해 형성한 알루미늄 산화 피막층을 형성시킨 후, 봉공처리를 수행하여 부족한 물성을 향상시킨다.

본 발명은 알루미늄 합금의 아노다이징 처리 방법은 알루미늄 합금 표면의 이물질을 제거하는 전처리 공정; 및 상기 전처리 공정을 거친 알루미늄 합금의 표면에 산화 알루미늄피막을 형성하는 양극산화처리 공정;을 포함하는 공정을 수행한다.

상기 전처리 공정은 알루미늄 합금의 표면의 불필요한 각종 이물질을 제거하기 위한 공정으로서, 탈지 공정, 에칭 공정 및/또는 중화 공정을 차례대로 수행한다.

바람직한 일구현예를 들면, 상기 탈지 공정은 알루미늄 합금을 5 ~ 15 중량% 농도의 구연산 수용액에 20 ~ 60℃에서 1 ~ 10분간 침지시킨 후, 바람직하게는 5 ~ 15 중량% 농도의 구연산 수용액에 40 ~ 50℃에서 3 ~ 5분간 침지시킨 후, 세척하여 수행할 수 있다.

또한, 상기 에칭 공정은 탈지 공정을 수행한 알루미늄 합금을 5 ~ 10 중량% 농도의 수산화 나트륨 수용액에 20 ~ 80℃에서 30초 ~ 5분간 침지시킨 후, 바람직하게는 5 ~ 10 중량% 농도의 수산화 나트륨 수용액에 40 ~ 50℃에서 1분 30초 ~ 2분 30초간 침지시킨 후, 세척하여 수행할 수 있다.

그리고, 상기 중화 공정(또는 디스머트 공정)은 에칭 공정을 수행한 알루미늄 합금을 10 ~ 50 중량% 농도의 질산 수용액에 15 ~ 30℃에서 30초 ~ 5분간 침지시킨 후, 바람직하게는 20 ~ 30 중량% 농도의 질산 수용액에 15 ~ 30℃에서 1분 ~ 2분간 침지시킨 후, 세척하여 수행할 수 있다.

그리고, 전처리 공정의 상기 알루미늄 합금은 5000 계열의 알루미늄 합금 또는 6000 계열의 알루미늄 합금일 수 있다. 상기 5000 계열의 알루미늄 합금의 구체적인 일례를 들면, Al5052 알루미늄 합금 또는 Al5083 알루미늄 합금일 수 있다. 바람직하게는 Al5052 알루미늄 합금을 사용할 수 있다. 또한, 상기 6000계열의 알루미늄 합금의 구체적인 일례를 들면, Al6061 알루미늄 합금, Al6063 알루미늄 합금 또는 6N01 알루미늄 합금일 수 있다. 바람직하게는 Al6061 알루미늄 합금을 사용할 수 있다.

다음으로, 상기 양극산화처리 공정은 1 ~ 5 중량% 농도의 옥살산(Oxalic acid) 수용액을, 바람직하게는 1.5 ~ 4.5 중량% 농도의 옥살산 수용액을, 더욱 바람직하게는 2.0 ~ 4.2 중량% 농도의 옥살산 수용액을 포함하는 전해액을 사용하여 수행할 수 있다. 이때, 옥살산 수용액의 농도가 1 중량% 미만이면 산화 알루미늄 피막을 형성시키는데 걸리는 시간이 너무 오래 걸리고, 이로 인해 산화피막 특성이 저하되는 문제가 있을 수 있고, 농도가 5 중량%를 초과하는 경우, 급격한 인가 전압의 상승 및 피막의 성장으로 오히려 피막 특성이 저하될 수 있으므로, 상기 농도 범위의 옥살산 수용액을 전해액으로 사용하는 것이 좋다.

상기 양극산화처리 공정은 상기 전해액이 담긴 전해액에 전처리 공정을 수행한 알루미늄 합금을 침지시킨 후, 직류 전압(DC voltage)을 가하여, 온도 10 ~ 20℃ 및 특정 전류밀도 범위에서 수행할 수 있다.

이때, 양극산화처리 온도가 10℃ 미만이면 인가 전압의 상승으로 생산단가가 상승할 수 있으며, 문제가 있을 수 있고, 20℃를 초과하면 피막의 형성이 원할하지 않고 피막의 특성이 저하되기 때문에, 상기 온도 하에서 수행하는 것이 좋다.

상기 양극산화처리 공정은 직류 전압(DC voltage)을 가하여, 전류밀도 1 ~ 5 A/dm² 범위에서 2,000초 ~ 5,000초 동안 수행할 수 있다.

좀 더 구체적으로 설명하면, 양극산화처리 공정은 정전류 방식으로 전류밀도 1.0 ~ 5.0 A/dm² (예를 들면, 1 A/dm², 1.5 A/dm², 2 A/dm², 2.5 A/dm², 3 A/dm², 3.5 A/dm², 4 A/dm², 4.5 A/dm² 또는 5 A/dm²)까지 100 ~ 300 초간 상승시킨 후, 상승시킨 전류밀도 범위에서 2,000초 ~ 5,000초 동안 수행할 수 있고, 바람직하게는 1.2 ~ 4.5 A/dm² 범위에서, 더욱 바람직하게는 1.3 ~ 3.5 A/dm² 범위, 더 더욱 바람직하게는 1.5 ~ 3.0 A/dm² 범위에서 2,000초 ~ 4,500초 동안 수행할 수 있다. 이때, 전류밀도가 1.0 A/dm² 미만이면 산화알루미늄 피막층이 균일하게 성장하지 않을 뿐만 아니라 피막 형성 시간이 너무 오래 걸리는 문제가 있을 수 있고, 전류밀도가 5 A/dm² 를 초과하면 오히려 피막 표면이 불균일할 뿐만 아니라 피막 특성이 저하될 수 있으므로 상기 전류밀도 하에서 양극산화처리 공정을 수행하는 것이 좋다.

또한, 양극산화처리 공정 시, 상기 범위 내에서 전류밀도를 일정하게 유지하면서 수행하거나, 또는 상기 범위 내에서 전류밀도를 3 ~ 4단계로 변화를 주면서 수행할 수도 있다.

전류밀도에 변화를 주면서 양극산화처리를 수행하는 바람직한 일례를 들면, 전류밀도 0.5 ~ 2.0 A/dm² 범위, 바람직하게는 1.0 ~ 1.5 A/dm² 범위에서 100초 ~ 600초 (바람직하게는 250초 ~ 450초) 동안 수행하는 1단계; 전류밀도 1.0 ~ 3.0 A/dm² 범위, 바람직하게는 1.5 ~ 2.0 A/dm² 에서 300초 ~ 1,000초(바람직하게는 400초 ~ 800초) 동안 수행하는 2단계; 및 전류밀도 2.0 ~ 5.0 A/dm² 범위, 바람직하게는 2.0 ~ 3.0 A/dm² 에서 1,000초 ~ 3,000초(바람직하게는 1,700초 ~ 2,300초) 동안 수행하는 3단계;를 연속적으로 수행할 수도 있다. 이때, 각 단계의 전류밀도는 전 단계의 전류밀도 보다 높다.

또 다른 일례를 들면, 전류밀도 0.5 ~ 2.0 A/dm² 범위, 바람직하게는 1.0 ~ 1.5 A/dm² 범위에서 100초 ~ 600초(바람직하게는 250초 ~ 450초) 동안 수행하는 1단계; 전류밀도 1.0 ~ 3.0 A/dm² 범위, 바람직하게는 1.5 ~ 2.0 A/dm² 범위에서 300초 ~ 800초(바람직하게는 400초 ~ 700초) 동안 수행하는 2단계; 전류밀도 2.0 ~ 4.0 A/dm² 범위, 바람직하게는 2.0 ~ 2.5 A/dm² 범위에서 500초 ~ 1,000초(바람직하게는 550초 ~ 850초) 동안 수행하는 3단계; 및 전류밀도 2.5 ~ 5.0 A/dm² 범위, 바람직하게는 2.5 ~ 3.0 A/dm² 범위에서 500초 ~ 3,000초(바람직하게는 1,000초 ~ 2,000초) 동안 수행하는 4단계;를 연속적으로 수행할 수도 있다. 이때, 각 단계의 전류밀도는 전 단계의 전류밀도 보다 높다.

상기 조건 하에서 양극산화처리 공정을 수행하면 알루미늄 합금 표면에 15 ~ 60 um, 바람직하게는 20 ~ 50 um, 더욱 바람직하게는 20 ~ 40 um 두께의 산화알루미늄 피막층을 형성시킬 수 있다.

구체적으로는, 상기 양극산화처리 공정을 수행한 알루미늄 합금을 수세한 후, 알루미늄합금 표면에 형성된 산화피막의 다공성 구조인 미세공을 봉공시키기 위하여 비등수 봉공 처리액이 담긴 욕조에 상기 알루미늄 합금을 침지시켜서 봉공처리를 하는 봉공처리 공정을 수행한다.

상기 비등수 봉공 처리액은 1) 초순수만을 포함하는 비등수 봉공처리액을 사용하거나, 또는 2) 초순수 및 첨가제를 포함하는 비등수 봉공처리액을 사용하거나, 또는 3) 초순수, 첨가제 및 계면활성제를 포함하는 비등수 봉공처리액을 사용할 수 있다.

봉공처리 공정은 1) 초순수를 100 중량% 로 포함하는 비등수 봉공처리액으로 수행하는 경우, 알루미늄 합금을 비등수 봉공처리액에 85 ~ 100℃의 온도 범위에서 30분 ~ 120분간 시켜서 수행할 수 있다,

또한, 2) pH 조절 및 얼룩방지를 위해서 첨가제 및 초순수를 포함하는 비등수 봉공처리액을 사용하여 봉공처리 공정을 수행할 수 있으며, 상기 첨가제는 아세트산, 포름산 및 구연산 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 첨가제 농도는 봉공처리액 1L당 1 ~ 10 ml/L, 바람직하게는 2 ~ 8 ml/L, 더욱 바람직하게는 2 ~ 5 ml/L일 수 있다. 이때, 첨가제의 농도가 1 ml/L 미만인 경우 산화알루미늄 피막층 표면에 얼룩이 발생하여 제품이 불량으로 이어질 수 있고, 10 ml/L를 초과하는 경우 봉공처리액의 pH 변화로 봉공도가 좋지 않기에 때문에 상기 농도 범위 내로 사용하는 것이 좋다.

또한, 3) 비등수 봉공처리액으로서, 첨가제, 계면활성제 및 초순수를 포함하는 비등수 봉공처리액을 사용할 수 있다. 상기 첨가제는 아세트산, 포름산 및 구연산 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 첨가제 농도는 봉공처리액 1L당 1 ~ 10 ml/L, 바람직하게는 2 ~ 8 ml/L, 더욱 바람직하게는 2 ~ 5 ml/L일 수 있다. 그리고, 상기 계면활성제는 내산성을 높여주는 역할을 하는 것으로서, 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.

[화학식 1]

상기 화학식 1에 있어서, R¹은 C₈~ C₁₈의 직쇄형 알킬기 또는 C₁₀ ~ C₂₀의 분쇄형 알킬기이며, 바람직하게는 R¹은 C₉~ C₁₆의 직쇄형 알킬기 또는 C₁₀ ~ C₁₆의 분쇄형 알킬기이며, 더욱 바람직하게는 R¹은 C₁₀~ C₁₄의 직쇄형 알킬기이다.

또한, 화학식 1의 M⁺은 1가 양이온이고, 바람직하게는 Na⁺ 또는 K⁺이며, 더욱 바람직하게는 Na⁺이다.

그리고, 상기 계면활성제의 농도는 봉공처리액 1L당 1 ~ 12 g/L, 바람직하게는 2 ~ 10 g/L, 더욱 바람직하게는 4 ~ 10 g/L이며, 이때, 계면활성제의 농도가 1 g/L 미만일 때에는 내산성 향상의 효과가 미비할 수 있고, 농도가 10g/L을 초과하는 경우, 오히려 비등수 봉공의 효과를 반감시키기는 문제가 발생할 수 있으므로 상기 농도 범위 내로 사용하는 것이 좋다.

봉공처리 공정을 초순수, 첨가제 및 계면활성제를 포함하는 비등수 봉공처리액을 사용하는 경우 85 ~ 100℃ 하에서 30 ~ 200분간, 바람직하게는 90 ~ 100℃ 하에서 30 ~ 120분간 수행할 수 있다. 이때, 봉공처리 온도가 90℃ 미만이면 봉공처리 효율이 떨어지고, 충분한 내산성 향상 효과를 볼 수 없을 수 있으며, 봉공처리 온도가 100℃를 초과하기 위해서는 부가적인 압력장치를 필요로 하여 생산설비 비용이 증가할 뿐만 아니라, 높은 온도에서의 봉공처리로 인한 알루미늄 산화 피막의 크랙 발생으로 인하여 상기 온도 하에서 봉공처리를 수행하는 것이 좋다.

앞서 설명한 봉공처리 공정을 수행한 후, 욕조에서 봉공처리된 알루미늄 합금을 꺼낸 후, 건조시켜서 내전압, 내산성 및 표면 경도가 매우 우수한 알루미늄 합금 제품을 제조할 수 있다

이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명을 한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일구현예이며, 본 발명의 권리범위를 하기 실시예로 한정하여 해석해서는 안된다.

[실시예]

실시예 1 : 알루미늄 합금의 양극산화처리

(1) 전처리 공정

Al5052 알루미늄 합금 시편(Al5052 시편) 및 Al6061 알루미늄 합금 시편(Al6061 시편)을 각각 준비하였다.

다음으로, 상기 시편 각각을 10 중량% 농도의 구연산 수용액에 투입 및 약 45℃에서 3분 30초간 탈지시킨 후, 세척하였다.

다음으로, 탈지시킨 시편 각각을 10 중량% 농도의 수산화나트륨 수용액에 투입 및 약 45℃에서 2분간 에칭시킨 후, 세척하였다.

다음으로, 에칭시킨 시편 각각을 35 중량% 농도의 질산 수용액에 투입 및 약 20℃에서 2분간 중화(디스머트 공정)시킨 후, 세척하여, 전처리 된 Al5052 시편 및 Al6061 시편을 각각 제조하였다.

(2) 양극산화처리 공정

앞서 전처리 공정을 수행한 Al5052 시편 및 Al6061 시편 각각을 3 중량% 옥살산 수용액(전해액)이 담긴 전해조에 투입한 후, DC 전압을 가하여, 정전류 방식으로 전류밀도 1.5 A/dm²까지 100초 ~ 300초 동안 상승시킨 후, 전류밀도 1.5 A/dm²로 고정 및 유지시키면서 15℃ 하에서 양극산화처리 공정을 수행하였다. 양극산화처리 공정 시간(총 전해시간)은 산화알루미늄 피막층이 약 30㎛ 정도로 형성 때까지 수행하였으며, Al5052 시편은 3,900초 동안 양극산화처리 공정을 수행하였고, Al6061 시편은 4,400초 동안 양극산화처리 공정을 수행하였다.

실시예 2 ~ 실시예 4

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 Al5052 시편 및 Al6061 시편을 전처리 공정 및 양극산화처리 공정을 수행하되, 하기 표 1과 같이 양극산화처리 공정 조건을 달리하여 알루미늄 합금을 산화알루미늄 피막층이 약 30㎛ 정도로 형성 때까지 양극산화처리 공정을 수행하였다.

실시예 5

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전처리 공정을 수행한 Al5052 시편 및 Al6061 시편을 각각 준비하였다.

다음으로, Al5052 시편 및 Al6061 시편 각각을 3 중량% 옥살산 수용액(전해액)이 담긴 전해조(15℃)에 투입한 후, DC 전압을 가하여, 정전류 방식으로 전류밀도 1.5 A/dm²로 유지시키면서 약 300초간 수행한 후, 출력 전압을 높여서 전류밀도 2.0 A/dm²로 유지시키면서 약 500초간 수행한 다음, 다시 출력 전압을 높여서 전류밀도 2.5 A/dm²로 유지시키면서 약 2,200초간 수행하여 전류밀도에 변화를 주어 산화알루미늄 피막층이 약 30㎛ 정도로 형성 때까지 양극산화처리를 하였다. 이때, 전체 양극산화처리 시간은 Al5052 시편은 2,500초, Al6061 시편은 3,000초였다.

실시예 6

다음으로, Al5052 시편 및 Al6061 시편 각각을 3 중량% 옥살산 수용액(전해액)이 담긴 전해조(15℃)에 투입한 후, DC 전압을 가하여, 정전류 방식으로 전류밀도 1.5 A/dm²로 유지시키면서 약 300초간 수행한 후, 출력 전압을 높여서 전류밀도 2.0 A/dm²로 유지시키면서 약 500초간 수행한 다음, 다시 출력 전압을 높여서 전류밀도 2.5 A/dm²로 유지시키면서 약 700초간 수행한 후, 이어서 다시 출력 전압을 높여서 전류밀도 3.0 A/dm²로 유지시키면서 약 1,500초간 수행하여 전류밀도에 변화를 주어 산화알루미늄 피막층이 약 30㎛ 정도로 형성 때까지 양극산화처리를 하였다. 이때, 전체 양극산화처리 시간은 Al5052 시편은 2,300초, Al6061 시편은 3,000초였다.

구분

실시예 1

실시예 2

실시예 3

실시예 4

실시예 5

실시예 6

전류 밀도
(A/
dm²)

1.5

2.0

2.5

3.0

1.5~2.5

1.5~3.0

상승 단계

1step

3step

4step

시편 종류

Al
5052

Al
6061

Al
5052

Al
6061

Al
5052

Al
6061

Al
5052

Al
6061

Al
5052

Al
6061

Al
5052

Al
6061

총
전해시간 (초)

3900

4400

3000

3200

2600

2900

2100

2300

2500

3000

2300

3000

상기 표 1의 실시예 1 ~ 4의 총 전해시간을 비교해보면, 전류밀도 값이 높아질수록 출력 전압도 상승되며, 산화알루미늄 피막층이 약 30㎛ 정도로 형성 때까지 총 전해시간은 점점 감소하는 경향이 있음을 확인할 수 있었다. 이는 전류밀도 값을 유지하기 위해서 출력 전압은 계속 상승되며, 전류밀도가 높을수록 피막 형성 속도가 빨라 전해 시간이 감소되는 것이다.

그리고, 전류밀도를 단계적으로 상승시킨 실시예 5 및 실시예 6을 살펴보면, 최종 전류밀도 값이 다름에도 전해 시간 및 출력 전압이 비슷하게 나타남이 확인되었다. 그리고, 일정한 전류밀도로 유지시킨 실시예 1 ~ 4보다 단계적으로 진행 시 출력 전압이 더 높게 나타났으며, 전류밀도 2.5 A/dm²(실시예 3)로적용한 경우와1.5~2.5 A/dm²(실시예 5), 1.5~3.0 A/dm²(실시예 6)으로 진행하는 경우 전해 시간이 비슷하게 나타났다.

그리고, Al5052 시편이 Al6061 시편 보다 상대적으로 총 전해 시간이 짧게 걸리는 경향을 보였다.

제조예 1 : 비등수 봉공처리

실시예 1에서 아노다이징 처리한 Al5052 시편 및 Al6061 시편 각각을 수세한 다음 초순수 1L에 대하여 첨가제(아세트산) 2.0 ml/L를 포함하는 봉공처리액에 침지시킨 후, 온도 95℃ 하에서 120분간 침지시킨 후, 이를 꺼내어 세척하여 봉공처리된 알루미늄 합금 시편(Al5052 시편, Al6061 시편)을 각각을 제조하였다.

제조예 2 ~ 6

상기 제조예 1과 동일한 방법으로, 실시예 2 ~ 6에서 아노다이징 처리한 Al5052 시편 및 Al6061 시편 각각을 비등수 봉공처리하여 봉공처리한 알루미늄 합금 시편(Al5052 시편, Al6061 시편)을 각각을 제조하였다.

실험예 1 : 물성 측정

상기 실시예 1 ~ 6의 양극산화 처리된 알루미늄 합금의 피막층 두께, 경도, 내전압 및 내산성을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2 ~ 표 3에 나타내었다. 그리고, Al5052 시편, Al6061 시편 각각에 대한 경도 측정 결과를 도 1a 및 도 1b에 나타내었으며, 내전압 측정 결과를 도 2a 및 도 2b에 나타내었다.

측정방법 관련하여, 산화알루미늄 피막층 두께는 와전류(eddy current) 형식의 피막 두께 측정기를 사용하였으며, 경도는 비커스 경도계를 사용하여 0.1 kg.f 하중 하에 측정하였다.

그리고, 내전압의 경우 BDV 측정기를 통하여 2mA, 50 V/s 조건으로 전압을 상승시켜 피막 파괴전압(breakdown voltage)을 측정하였다.

그리고, 내산성의 경우 내경 20mm의 아크릴 파이프를 시편 표면에 부착 후 5중량% 농도의 HCl 수용액을 아크릴 파이프 내부에 부은 후, 기포 줄기(bubble stream)이 발생되는 시간을 측정하였으며, 최대 8시간까지 관찰하였다.

구분

실시예 1 / 제조예 1

실시예 2 / 제조예 2

실시예 3 / 제조예 3

전류 밀도

1.5 A/dm²

2.0 A/dm²

2.5 A/dm²

시편

Al5052

Al6061

Al5052

Al6061

Al5052

Al6061

특성

아노다이징

비등수봉공

아노다이징

비등수봉공

아노다이징

비등수봉공

아노다이징

비등수봉공

아노다이징

비등수봉공

아노다이징

비등수봉공

피막 두께 (㎛)

31±0.4

30±0.6

30±1

30±0.9

31±0.4

30±0.4

29±1.0

29±0.8

30±0.3

30±0.8

30±0.7

31±0.5

경도 (HV)

468±6

512±3

323±7

391±8

460±9

510±8

353±9

432±7

468±11

515±8

363±9

381±7

내전압 (V)

3040±40

2680±34

1660±23

1910±26

1950±39

2770±30

1700±24

1610±28

1900±17

2800±10

2070±15

2220±14

내산성 (분)

5

420초과

4.3

420
초과

4.2

420
초과

5.1

420
초과

4.2

420
초과

4.4

420
초과

구분

실시예 4 / 제조예 4

실시예 5 / 제조예 5

실시예 6 / 제조예 6

전류 밀도

3.0 A/dm²

1.5 ~ 2.5 A/dm²

1.5 ~ 3.0 A/dm²

알루 미늄

Al5052

Al6061

Al5052

Al6061

Al5052

Al6061

특성

아노다이징

비등수봉공

아노다이징

비등수봉공

아노다이징

비등수봉공

아노다이징

비등수봉공

아노다이징

비등수봉공

아노다이징

비등수봉공

피막 두께 (㎛)

31±1

30±0.5

29±1

29±0.6

30±0.4

29±0.6

30±0.4

30±0.5

29±0.4

29±0.6

31±0.8

30±0.7

경도 (HV)

423±9

485±5

291±8

390±6

445±9

496±4

347±7

369±5

442±5

508±2

328±3

398±4

내전압 (V)

1990±29

2650±13

1540±28

1830±27

2390±17

2570±15

1700±6

2200±6

2130±15

2460±19

1610±27

1910±23

내산성 (분)

4

420 초과

3.4

420
초과

3.1

420초과

4.4

420
초과

3

420
초과

4.3

420
초과

상기 표 2 및 표 3을 살펴보면, 전류밀도를 일정하게 유지시켜 양극산화를 진행한 경우(실시예 1 ~ 4 및 제조예 1 ~ 4), Al5052와 Al6061 모두 전류밀도 2.0 A/dm²와 2.5 A/dm²에서 경도와 내전압이 가장 높게 나타났다. 이에 비하여, 전류밀도가 3.0 A/dm² 이상일 경우 경도와 내전압은 오히려 감소됨을 확인하였다.

또한, 전류밀도 상승시켜 단계적으로 피막층을 생성시킨 경우(실시예 5 ~ 6 및 제조예 5 ~ 6), 전류밀도 1.5 ~ 3.0 A/dm²에서 양극산화처리 공정을 수행한 실시예 5(제조예 5)가 경도 값이 더 높게 나타났으며, 1.5 ~ 2.5 A/dm²에서 양극산화처리 공정을 수행한 실시예 6(제조예 6)은 내전압이 더 높은 결과를 보였다. 이러한 결과는 비등수 봉공시에도 비슷한 결과를 나타냄을 확인할 수 있었다.

상기 표 2 ~ 표 3의 실험결과를 통해, 전류밀도를 단계적으로 상승시킨 경우보다 일정한 값으로 유지시켜 양극산화처리 공정을 수행 시에 상대적으로 유리한 물성을 가짐을 확인하였으며, 전류밀도 2.0 ~ 2.5 A/dm²에서 양극산화 진행 시 경도와 내전압이 높은 산화 알루미늄 피막층을 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.

이상의 설명은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허 청구범위에 기재된 내용과 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.

Claims

알루미늄 합금 표면의 이물질을 제거하는 전처리 공정; 및
상기 전처리 공정을 거친 알루미늄 합금의 표면에 산화 알루미늄피막을 형성하는 양극산화처리 공정; 을 포함하며
상기 양극산화처리 공정은 일정한 전류밀도 하에서 수행하거나, 전류밀도에 변화를 주면서 수행하는 것을 특징으로 하는 옥살산 전해액에서 전류밀도 변화에 따른 아노다이징 처리 방법.
제1항에 있어서, 상기 양극산화처리 공정은 직류 전압(DC voltage)을 가하여, 온도 10 ~ 20℃ 및 전류밀도 1 ~ 5 A/dm² 범위에서 2,000초 ~ 5,000초 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 옥살산 전해액에서 전류밀도 변화에 따른 아노다이징 처리 방법.
제2항에 있어서, 상기 양극산화처리 공정은
전류밀도를 1 A/dm², 1.5 A/dm², 2 A/dm², 2.5 A/dm², 3 A/dm², 3.5 A/dm², 4 A/dm², 4.5 A/dm² 또는 5 A/dm²까지 100 ~ 300초로 내 상승시킨 후, 상승시킨 전류밀도 하에서 2,000 ~ 5,000초 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 옥살산 전해액에서 전류밀도 변화에 따른 아노다이징 처리 방법.
제2항에 있어서, 상기 양극산화처리 공정은
전류밀도 0.5 ~ 2.0 A/dm² 범위에서 100 ~ 600초 동안 수행하는 1단계;
전류밀도 1.0 ~ 3.0 A/dm² 범위에서 300 ~ 1,000초 동안 수행하는 2단계; 및
전류밀도 2.0 ~ 5.0 A/dm² 범위에서 1,000 ~ 3,000초 동안 수행하는 3단계;를 포함하는 공정을 수행하며,
상기 1 ~ 3 단계는 연속적인 공정이며,
1 ~ 3 단계 각 단계의 전류밀도는 전 단계의 전류밀도 보다 높은 것을 특징으로 하는 옥살산 전해액에서 전류밀도 변화에 따른 아노다이징 처리 방법.
제2항에 있어서, 상기 양극산화처리 공정은
전류밀도 0.5 ~ 2.0 A/dm² 범위에서 100 ~ 600초 동안 수행하는 1단계;
전류밀도 1.0 ~ 3.0 A/dm² 범위에서 300 ~ 800초 동안 수행하는 2단계; 및
전류밀도 2.0 ~ 4.0 A/dm² 범위에서 500 ~ 1,000초 동안 수행하는 3단계; 및
전류밀도 2.5 ~ 5.0 A/dm² 범위에서 500 ~ 3,000초 동안 수행하는 4단계;를 포함하는 공정을 수행하며,
상기 1 ~ 4단계는 연속적인 공정이고,
1 ~ 4 단계 각 단계의 전류밀도는 전 단계의 전류밀도 보다 높은 것을 특징으로 하는 옥살산 전해액에서 전류밀도 변화에 따른 아노다이징 처리 방법.
제1항에 있어서, 상기 양극산화처리 공정은 1 ~ 5 중량% 농도의 옥살산 수용액을 포함하는 전해액에서 수행하는 것을 특징으로 하는 옥살산 전해액에서 전류밀도 변화에 따른 아노다이징 처리 방법.
제1항에 있어서, 상기 전처리 공정의 상기 알루미늄 합금은 5000 계열의 알루미늄 합금 또는 6000 계열의 알루미늄 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 옥살산 전해액에서 전류밀도 변화에 따른 아노다이징 처리 방법.
제1항에 있어서, 상기 전처리 공정은 탈지공정, 에칭공정 및 중화공정을 차례대로 수행하며,
상기 탈지 공정은 알루미늄 합금을 5 ~ 15 중량% 농도의 구연산 수용액에 20 ~ 60℃에서 1 ~ 10분간 침지시킨 후, 세척하여 수행하며,
상기 에칭 공정은 탈지 공정을 수행한 알루미늄 합금을 5 ~ 10 중량% 농도의 수산화 나트륨 수용액에 20 ~ 80℃에서 30초 ~ 5분간 침지시킨 후, 세척하여 수행하고,
상기 중화 공정은 에칭 공정을 수행한 알루미늄 합금을 10 ~ 50 중량% 농도의 질산 수용액에 15 ~ 30℃에서 1분 ~ 2분간 침지시킨 후, 세척하여 수행하는 것을 특징으로 하는 옥살산 전해액에서 전류밀도 변화에 따른 아노다이징 처리 방법.
제2항에 있어서, 상기 비등수 봉공 처리는 양극산화공정을 수행한 알루미늄합금을 비등수 봉공처리액에 침지시켜 수행하며,
상기 비등수 봉공처리액은
초순수;
초순수 및 첨가제를 포함;하거나, 또는
초순수, 첨가제 및 계면활성제를 포함;하는 것을 특징으로 하는 옥살산 전해액에서 전류밀도 변화에 따른 아노다이징 처리 방법.
제1항 내지 제9항 중에서 선택된 어느 한 항의 방법으로 아노다이징 처리한 알루미늄 합금.