KR20220152495A - 산화 알루미늄 층의 표면 조도를 낮추고 경도, 내식성, 내마모성 등 기계적 물성을 향상 시킬 수 있는 알루미늄 합금 소재의 아노다이징 전해질 조성물 - Google Patents

산화 알루미늄 층의 표면 조도를 낮추고 경도, 내식성, 내마모성 등 기계적 물성을 향상 시킬 수 있는 알루미늄 합금 소재의 아노다이징 전해질 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산화 알루미늄 층의 표면 조도를 낮추고 경도, 내식성, 내마모성 등 기계적 물성을 향상시킬 수있는 알루미늄 합금 소재의 아노다이징 전해질 조성물에 관한 것으로서, 그 구성은, 황산 10중량% 내지 25 중량%의 용액에, 구연산 17g/ℓ 내지 55g/ℓ와, 황산알루미늄 10g/ℓ 내지 55g/ℓ와, 50% 농도의 에틸레디아민 10㎖/ℓ 내지 80㎖/ℓ와, 몰리브덴산나트륨 2g/ℓ 내지 5g/ℓ와, 텅스텐산나트륨 3g/ℓ 내지 7g/ℓ를 첨가하여 이루어지는 것을 특징으로 하며, 알루미늄 합금재의 아노다이징 전해액 조성물 중 첨가제 에틸렌디아민, 몰리드덴산나트륨, 텅스텐산나트륨에 의해 알루미늄의 용출을 줄여 치밀한 산화층의 형성을 도와주고, 알루미늄 산화층에 무기금속의 도핑을 통해 표면거칠기를 낮출 수 있고, 경도, 내식성, 내마모성 등의 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.

Description

산화 알루미늄 층의 표면 조도를 낮추고 경도, 내식성, 내마모성 등 기계적 물성을 향상 시킬 수 있는 알루미늄 합금 소재의 아노다이징 전해질 조성물{Anodizing electrolyte composition of aluminum alloy material that can lower the surface roughness on the aluminum oxide layer and improve mechanical properties such as hardness, corrosion resistance, and abrasion resistance}
본 발명은 산화 알루미늄 층의 표면 조도를 낮추고 경도, 내식성, 내마모성 등 기계적 물성을 향상 시킬 수 있는 알루미늄 합금 소재의 아노다이징 전해질 조성물에 관한 것이다.
일반적으로, 알루미늄(Al)은 대기 중에서 공기와의 높은 반응성에 의해 자연적으로 얇은 산화층을 형성하는데, 이 산화층은 높은 부식저항성을 나타낸다. 게다가, 인위적인 여러 가지의 표면 전환 방법에 의해 산화층을 형성함으로써 더욱 높은 부식저항성을 나타내게 된다.
종래 표면 변환층 형성에 이용되는 두 가지 방법으로는 화학적 또는 전기화학적으로 산화층을 형성하는 방법이다. 알루미늄 표면의 화학적 처리 방법으로는 크로메이트(chromating)처리나 베마이트(boehmite)처리가 있으며, 이는 전기를 걸어 주지 않은 상태에서 화학적인 방법으로 알루미늄 표면에 산화층을 형성한다. 그러나 이러한 화학적인 표면처리 방법은 산화층 피막이 얇거나 내마모성이 떨어지기 때문에 응용범위의 제한이 있다. 이에 비해, 전기화학적인 방법인 아노다이징 (anodizing : 양극산화처리법 또는 알루마이트)은 주로 황산용액을 전해액으로 사용하여 알루미늄의 표면에 전기화학적으로 양극산화피막을 형성시켜 기계적, 전기적, 화학적 특성이 우수한 피막을 형성하는 것을 말하며, 아노다이징 공정은 건축분야, 기계분야, 자동차산업, 우주항공산업용을 비롯하여 장식산업에까지 쓰이는 분야가 매우 다양하다.
이러한 종래 아노다이징 공정에 사용되는 전해액 조성물은 주로 황산이나 수산 또는 크롬산 등의 용액을 기본으로 하고 있다.
그러나, 황산이나 수산 또는 크롬산 등의 용액을 전해액으로 사용하는 일반 경질 아노다이징 공법에 있어서는 저온의 온도 에서 처리되고 있으나 피막이 형성될때 줄(joule)열에 의해 급격한 온도 상승이 발생하게 되고, 이로 인해 산화피막의 용해 작용을 수반하게 된다. 이러한 용해작용으로 인해 치밀한 산화피막의 형성이 어려워 피막의 자체 밀도가 낮은 다공성 피막 형성으로 기계적 특성이 매우 취약하기 때문에 기계분야 및 자동차산업의 경량화 및 내구화에 따른 제품의 내마모성 및 내식성의 향상을 통한 소재의 수명향상요구가 더욱 늘어나고 있는 실정이며, 종래의 아노다이징 보다 우수한 기계적 특성이 지속히 요구되고 있다.
본 발명은 알루미늄 합금재의 아노다이징 전해액 조성물 중 첨가제 에틸 렌디아민, 몰리드덴산나트륨, 텅스텐산나트륨에 의해 알루미늄의 용출을 줄여 치밀한 산화층의 형성을 도와주고, 알루미늄 산화층에 무기금속의 도핑을 통해 산화 알루미늄 층의 표면 조도를 낮추고 경도, 내식성, 내마모성 등 기계적 물성을 향상 시킬 수 있는 알루미늄 합금 소재의 아노다이징 전해질 조성물을 제공하는 데 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 산화 알루미늄 층의 표면 조도를 낮추고 경도, 내식성, 내마모성 등 기계적 물성을 향상 시킬 수 있는 알루미늄 합금 소재의 아노다이징 전해질 조성물에 있어서, 황산 10중량% 내지 25 중량%의 용액에, 구연산 17g/ℓ 내지 55g/ℓ와, 황산알루미늄 10g/ℓ 내지 55g/ℓ와, 50% 농도의 에틸레디아민 10㎖/ℓ 내지 80㎖/ℓ와, 몰리브덴산나트륨 2g/ℓ 내지 5g/ℓ를 첨가하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 특징에 따른 산화 알루미늄 층의 표면 조도를 낮추고 경도, 내식성, 내마모성 등 기계적 물성을 향상 시킬 수 있는 알루미늄 합금 소재의 아노다이징 전해질 조성물은, 황산 10중량% 내지 25 중량%의 용액에, 구연산 17g/ℓ 내지 55g/ℓ와, 황산알루미늄 10g/ℓ 내지 55g/ℓ와, 50% 농도의 에틸레디아민 10㎖/ℓ 내지 80㎖/ℓ와, 텅스텐산나트륨 3g/ℓ 내지 7g/ℓ를 첨가하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 특징에 따른 산화 알루미늄 층의 표면 조도를 낮추고 경도, 내식성, 내마모성 등 기계적 물성을 향상 시킬 수 있는 알루미늄 합금 소재의 아노다이징 전해질 조성물은, 황산 10중량% 내지 25 중량%의 용액에, 구연산 17g/ℓ 내지 55g/ℓ와, 황산알루미늄 10g/ℓ 내지 55g/ℓ와, 50% 농도의 에틸레디아민 10㎖/ℓ 내지 80㎖/ℓ와, 몰리브덴산나트륨 2g/ℓ 내지 5g/ℓ와, 텅스텐산나트륨 3g/ℓ 내지 7g/ℓ를 첨가하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 산화 알루미늄 층의 표면 조도를 낮추고 경도, 내식성, 내마모성 등 기계적 물성을 향상 시킬 수 있는 알루미늄 합금 소재의 아노다이징 전해질 조성물에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.
알루미늄 합금재의 아노다이징 전해액 조성물 중 첨가제 에틸렌디아민, 몰리드덴산나트륨, 텅스텐산나트륨에 의해 알루미 늄의 용출을 줄여 치밀한 산화층의 형성을 도와주고, 알루미늄 산화층에 무기금속의 도핑(doping)을 통해 표면거칠기를 낮출 수 있고, 경도, 내식성, 내마모성 등의 기계적 특성을 향상 시킬 수 있다.
도 1은 알루미늄 합금재의 양극산화를 실시하기 위한 실험장치를 개략적으로 도시한 도면.
본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
[제1실시예]
제1실시예의 알루미늄 합금재의 아노다이징 전해액 조성물은, 황산(H2SO4) 10중량% 내지 25 중량%의 용액에, 구연산 17g/ℓ 내지 55g/ℓ와, 황산알루미늄(Al2 (SO4 )3) 10g/ℓ 내지 55g/ℓ와, 50% 농도의 에틸레디아민 10㎖/ℓ 내지 80㎖/ℓ와, 몰리브덴산나트륨(Na2 MoO4·2H 2O) 2g/ℓ 내지 5g/ℓ를 첨가하여 이루어진다.
구연산(Citric acid)은 지방·단백질·탄수화물이 생리적 산화작용을 통해 이산화탄소와 물로 변하는 과정에서 나타나는 일련의 화합물들 중의 하나로서, 카르복시산류의 일종으로 많은 동식물의 조직과 체액 속에 존재하며, 용해된 금속염의 유해 작용을 억제하여 식품이나 기타 유기물질의 안정성을 높이는 데 널리 사용되고 있다.
에틸렌디아민(Ethylene diamine)은 1,2-디아미노에탄이라고도 하며, 화학식은 NH2 CH2CH2NH2 이고, 강알칼리성이다.
또한, 유기합성원료·섬유처리제·EDTA·수지 등의 제조원료로 널리 사용된다.
[제2실시예]
제2실시예의 알루미늄 합금재의 아노다이징 전해액 조성물은, 황산 10중량% 내지 25 중량%의 용액에, 구연산 17g/ℓ 내지 55g/ℓ와, 황산알루미늄 10g/ℓ 내지 55g/ℓ와, 50% 농도의 에틸레디아민 10㎖/ℓ 내지 80㎖/ℓ와, 텅스텐산나트륨 (Na2WO4·2H2O) 3g/ℓ 내지 7g/ℓ를 첨가하여 이루어진다.
[제3실시예]
제3실시예의 알루미늄 합금재의 아노다이징 전해액 조성물은, 황산 10중량% 내지 25 중량%의 용액에, 구연산 17g/ℓ 내지 55g/ℓ와, 황산알루미늄 10g/ℓ 내지 55g/ℓ와, 50% 농도의 에틸레디아민 10㎖/ℓ 내지 80㎖/ℓ와, 몰리브덴산나트륨 2g/ℓ 내지 5g/ℓ와, 텅스텐산나트륨 3g/ℓ 내지 7g/ℓ를 첨가하여 이루어진다.
이하, 본 발명의 제3실시예의 전해액을 사용하여 아노다이징한 알루미늄 합금재의 기계적 특성을 알아보기로 한다.
먼저, 아노다이징의 전처리과정을 실시하며, 그 과정을 상세히 살펴보면, 알루미늄 합금재 30×70mm (0.6mmt) 시편을 아세톤으로 초음파 탈지하며, 5중량%의 수산화나트륨에 에칭한다. 그 후 질산에 스머트를 제거한 다음, 인산:황산:물이 각
각 7:2:1 비율로 된 전해연마액에 전해연마를 10A/dm2 로 1분간 실시한다.
그 후 본 발명의 제3실시예에 의한 알루미늄 합금재의 아노다이징 전해액 조성물이 든 전해조에 전류밀도 2~6A/dm2 , 온도 2~20℃의 조건으로 30분간 전해하여 양극산화를 하였다.
상기의 양극산화를 실시한 실험장치를 도 1에 도시하였다.
알루미늄 합금재 시편(9)을 전해액 조성물(7)이 든 전해조(6)에 담구어 전해하여 양극산화를 실시하며, 알루미늄 합금재 시편(9)은 애노드(anode)측이 되고, 전해조(6)는 캐소드(cathod)측이 된다.
미설명 부호인 1은 전원을 공급하는 파워 서플라이(power supply)이며, 2,3은 각각 워터 인렛(water inlet)과 워터 아웃 렛(water outlet)이고, 4는 히터(heater)이고, 5는 수조이며, 8은 온도센서이고, 10은 교반기(stirrer)이며, 11은 온도 컨트롤러(temp. controller and temp. indicator)이다.
상기와 같이 실시한 알루미늄 합금재 시편의 기계적 특성을 표 1에 도시하였다.
Figure pat00001
상기의 표 1에서와 같이, 알루미늄 합금재의 아노다이징 전해액 조성물 중 첨가제 에틸렌디아민, 몰리드덴산나트륨, 텅스 텐산나트륨에 의해 알루미늄의 용출을 줄여 치밀한 산화층의 형성을 도와주고, 알루미늄 산화층에 무기금속의 도핑 (doping)을 통해 표면거칠기를 낮출 수 있고, 경도, 내식성, 내마모성 등의 기계적 특성을 향상 시킬 수 있다.
상기 표 1에서의 내식성은 KSD 9502 기준으로 시험시 초기부식 발생 시간(레이팅 넘버 9.8)을 기준으로 언급하며 이는 초기 부식이 시작되는 시점으로 모든 소재의 부식의 첫 시작시간으로 이 이상의 시간에서는 부식의 속도는 기하급수적으로 증가함으로써 소재의 특성상 부식이 일어나지 않는 시간(hr)으로 평가할 수 있는 것이다.
상기 표 1에서 내마모성의 평가단위는 mg/㎟로 단위 면적당 마모된 질량을 비교하여 내마모성을 평가하며 내마모성 시험 법은 KSD 8314 규격에 준해서 실험한다.
본원 발명에서 기존 원 소재인 알루미늄의 경우와 종래방법으로 제작된 소재에서는 본원발명의 기술로 제작된 소재보다 훨씬 많은 중량변화 즉, 소재의 마모로 인해 질량감소가 일어남으로써 내마모성은 나쁘다고 할 수 있으며 본원발명의 소재가 동일조건의 내마모성 평가에서 우수한 성적을 낼 수 있는 것이다.
상기의 표 1에서와 같이, 알루미늄 합금재의 아노다이징 전해액 조성물 중 첨가제 에틸렌디아민, 몰리드덴산나트륨, 텅스 텐산나트륨에 의해 알루미늄의 용출을 줄여 치밀한 산화층의 형성을 도와주고, 알루미늄 산화층에 무기금속의 도핑 (doping)을 통해 표면거칠기를 낮출 수 있고, 경도, 내식성, 내마모성 등의 기계적 특성을 향상 시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청 구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.
1 : 파워 서플라이 2 : 워터 인렛
3 : 워터 아웃렛 4 : 히터
5 : 수조 6 : 전해조
7 : 전해액 조성물 8 : 온도센서
9 : 알루미늄 합금재 시편 10 : 교반기
11 : 온도 컨트롤러

Claims (3)

  1. 산화 알루미늄 층의 표면 조도를 낮추고 경도, 내식성, 내마모성 등 기계적 물성을 향상 시킬 수 있는 알루미늄 합금 소재의 아노다이징 전해질 조성물에 있어서, 황산 10중량% 내지 25 중량%의 용액에, 구연산 17g/ℓ 내지 55g/ℓ와, 황산알루미늄 10g/ℓ 내지 55g/ℓ와, 50% 농도의 에틸레디아민 10㎖/ℓ 내지 80㎖/ℓ와, 몰리브덴산나트륨 2g/ℓ 내지 5g/ℓ를 첨가하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 산화 알루미늄 층의 표면 조도를 낮추고 경도, 내식성, 내마모성 등 기계적 물성을 향상 시킬 수 있는 알루미늄 합금 소재의 아노다이징 전해질 조성물.
  2. 알루미늄 합금재의 아노다이징 전해액 조성물에 있어서, 황산 10중량% 내지 25 중량%의 용액에, 구연산 17g/ℓ 내지 55g/ℓ와, 황산알루미늄 10g/ℓ 내지 55g/ℓ와,
    50% 농도의 에틸레디아민 10㎖/ℓ 내지 80㎖/ℓ와, 텅스텐산나트륨 3g/ℓ 내지 7g/ℓ를 첨가하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 산화 알루미늄 층의 표면 조도를 낮추고 경도, 내식성, 내마모성 등 기계적 물성을 향상 시킬 수 있는 알루미늄 합금 소재의 아노다이징 전해질 조성물.
  3. 산화 알루미늄 층의 표면 조도를 낮추고 경도, 내식성, 내마모성 등 기계적 물성을 향상 시킬 수 있는 알루미늄 합금 소재의 아노다이징 전해질 조성물에 있어서, 황산 10중량% 내지 25 중량%의 용액에, 구연산 17g/ℓ 내지 55g/ℓ와, 황산알루미늄 10g/ℓ 내지 55g/ℓ와, 50% 농도의 에틸레디아민 10㎖/ℓ 내지 80㎖/ℓ와, 몰리브덴산나트륨 2g/ℓ 내지 5g/ℓ와, 텅스텐산나트륨 3g/ℓ 내지 7g/ℓ를 첨가하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 산화 알루미늄 층의 표면 조도를 낮추고 경도, 내식성, 내마모성 등 기계적 물성을 향상 시킬 수 있는 알루미늄 합금 소재의 아노다이징 전해질 조성물.
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