KR100695999B1

KR100695999B1 - 고주파펄스를 이용한 금속재의 아노다이징 공정

Info

Publication number: KR100695999B1
Application number: KR1020050135124A
Authority: KR
Inventors: 정원섭; 정우창; 정대호; 장진희
Original assignee: 주식회사 엘막
Priority date: 2005-12-30
Filing date: 2005-12-30
Publication date: 2007-03-16

Abstract

본 발명은 고주파펄스를 이용한 금속재의 아노다이징 공정에 관한 것으로서, 그 구성은, 침지탈지, 수세, 에칭, 수세, 활성화, 수세로 이루어진 전처리 공정과, 전해액을 넣은 전해조에 알루미늄 합금으로 된 부재를 로딩한 후 고주파펄스 전류를 가하여 피막을 형성하는 고주파펄스를 이용한 아노다이징 공정과, 수세, 씰링, 수세, 건조로 이루어진 후처리 공정을 포함하는 고주파펄스를 이용한 금속재의 아노다이징 공정에 있어서, 상기 고주파펄스의 파형은 스퀘어펄스(Square pulse)이고, 상기 고주파펄스의 주기를 10msec 내지 30msec하며, 상기 고주파펄스의 듀티사이클(duty cycle)을 60% 내지 80% 영역으로 하는 것을 특징으로 하며, 산화층의 용해작용을 하는 음이온인 황산이온(SO₄ ^2-)의 농도가 양극에 집중되지 못하게 극성을 일정주기로 교차하여 걸어주는 고주파펄스의 주기를 10msec 내지 30msec하고, 듀티사이클(duty cycle)을 60% 내지 80% 영역으로 함으로써, 전기이중층에 의한 과전압을 낮추어 산화층의 용해작용을 억제하고 견고한 산화층을 형성할 수 있으므로, 알루미늄 합금의 표면경도를 향상시킬 수 있으며, 내마모성 및 내식성 등의 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.

알루미늄 합금재, 아노다이징 공정, 고주파펄스, 펄스주기, 듀티사이클

Description

고주파펄스를 이용한 금속재의 아노다이징 공정{Anodizing method for matal surface using high-frequency pluse}

도 1은 금속재의 양극산화를 실시하기 위한 실험장치를 개략적으로 도시한 도면.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고주파펄스를 이용한 금속재의 아노다이징 공정을 개략적으로 도시한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

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

본 발명은 알루미늄, 마그네슘, 티타늄 등의 금속재의 표면을 아노다이징 (anodizing : 양극산화처리법 또는 알루마이트)함에 있어서, 고주파펄스를 이용하여 금속재의 표면에 산화피막을 형성시켜 고경도의 밀착성을 향상시킬 수 있는 고주파펄스를 이용한 금속재의 아노다이징 공정에 관한 것이다.

일반적으로, 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti) 등의 금속재는 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 걸어주지 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 전해액은 주로 황산이나 수산 또는 크롬산 등의 용액을 기본으로 하고 있으며, 이러한 아노다이징 공정에 사용되는 장 치를 도 1에 도시하였다. 도 1을 참조하여 설명하면, 알루미늄, 마그네슘, 티타늄 등의 금속재(9)를 전해액(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.

상기와 같은 장치에 전해액(7)이 든 전해조(6)에 일반적인 직류전류(Direct Current : D.C)를 사용하여 양극산화를 실시한다.

이러한 종래의 아노다이징 공정은 금속표면과 전해액 사이의 반응으로 인하여 산화층이 형성됨과 동시에 금속의 용해작용이 일어나므로 피막의 특성상 밀도가 낮아져 물러지면서 지속적인 피막두께 증가에는 한계가 따른다. 또한, 모재인 금속층과 산화층사이의 계면에 특정 산화층이 아노다이징 공정 전에 전착되어, 밀착성이 떨어져서 박리 즉, 코팅층 탈락 등의 불량 발생의 원인이 되고 있다.

반면, 고주파펄스전류(Pulse current)를 사용한 아노다이징은 전류 파형을 주기적으로 양극과 음극 즉, 정전류(plating)와 역전류(reverse)를 일정시간동안 반복하여 변화시키는 사이클 플래팅(Cycle plating)의 한 종류이며, 가장 널리 사용되고 있는 펄스의 파형은 스퀘어펄스(Square pulse) 파형으로서 주로 고주파수 영역에 걸쳐 사용되고 있다.

그러나, 종래의 고주파펄스를 이용한 아노다이징 공정에 있어서 기계적 특성이 매우 취약하여, 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 지속적으로 요구되고 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 산화층의 용해작용을 하는 음이온인 황산이온(SO₄ ^2-)의 농도가 양극에 집중되지 못하게 극성을 일정주기로 교차하여 걸어주는 고주파펄스의 주기를 10msec 내지 30msec하고, 듀티사이클(duty cycle)을 60% 내지 80% 영역으로 함으로써, 전기이중층에 의한 과전압을 낮추어 산화층의 용해작용을 억제하고 견고한 산화층을 형성할 수 있고, 알루미늄 합금의 표면경도를 향상시킬 수 있으며, 내마모성 및 내식성 등의 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 고주파펄스를 이용한 금속재의 아노다이징 공정을 제공하는 데 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고주파펄스를 이용한 금속재의 아노다이징 공정은, 침지탈지, 수세, 에칭, 수세, 활성화, 수세로 이루어진 전처리 공정과, 전해액을 넣은 전해조에 알루미늄 합금으로 된 부재를 로딩한 후 고주파펄스 전류를 가하여 피막을 형성하는 고주파펄스를 이용한 아노다이징 공정과, 수세, 씰링, 수세, 건조로 이루어진 후처리 공정을 포함하는 고주파펄스를 이용한 금속재의 아노다이징 공정에 있어서, 상기 고주파펄스의 파형은 스퀘어펄스(Square pulse)이고, 상기 고주파펄스의 주기를 10msec 내지 30msec하며, 상기 고주파펄스의 듀티사이클(duty cycle)을 60% 내지 80% 영역으로 하는 것을 특징으로 한다.

상기에 있어서, 상기 전해조에 수용된 전해액은 황산 10중량% 내지 25 중량% 의 용액에, 구연산 17g/ℓ 내지 55g/ℓ와, 황산알루미늄 10g/ℓ 내지 55g/ℓ이 함유된 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 바람직한 일실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

전처리 공정과 아노다이징 공정과 후처리공정으로 이루어진다.

전처리 공정은 침지탈지, 수세, 에칭, 수세, 활성화, 수세 공정을 포함하여 이루어진다.

침지탈지(Cleaning)공정은 유지 등 오염물을 제거하는 공정이다.

수세(Rinsing)공정은 흐르는 물에 냉수세하는 공정이다.

에칭(Etching)공정은 알칼리나 산을 사용하여 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti) 등의 금속재 표면을 무광택으로 만든다. 화학에칭은 버프나 화학연마와 연계하여 사용하기도 하며, 알칼리나 산에칭은 산화막과 표면에 파묻힌 오염물을 제거하여 양극피막에서 발생할 수 있는 변색을 미연에 방지한다. 그리고 표면을 거칠게 만들고, 애노다이징시 금속재 표면의 광택을 떨어뜨리며, 압연생산 롯트마다 약간의 다른 표면조건의 차이를 최소화하고, 광택이 나면 보다 뚜렷하게 나타나는 칼라맷취의 차이도 최소화할 수 있다.

아노다이징 공정은 전해액을 넣은 전해조에 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti) 등의 금속재를 로딩하여, 금속재가 애노드(anode)측이 되도록 하고, 전해조가 캐소드(cathod)측이 되도록 한다. 전해조에 수용된 전해액은 황산 10중량% 내 지 25 중량%의 용액에, 구연산 17g/ℓ 내지 55g/ℓ와, 황산알루미늄 10g/ℓ 내지 55g/ℓ을 함유한 전해액을 사용하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 전해액이 수용된 전해조에 금속재를 로딩한후 고주파펄스 공급장치를 이용하여 고주파펄스 전류를 가하여 피막을 형성한다.

여기에서, 고주파펄스의 파형은 스퀘어펄스(Square pulse)이고, 고주파펄스의 주기를 10msec 내지 30msec하며, 고주파펄스의 듀티사이클(duty cycle)을 60% 내지 80% 영역으로 한다.

상기에서, 고주파펄스의 주기는 한 사이클에 해당되는 시간이며, 전류가 인가되는 시간(

)과 전류가 인가되지 않는 시간(

)으로 구성된다.

그리고, 듀티사이클이라는 변수는 다음과 같이 정의된다.

[그래프 1]

여기서,

: 전류가 인가되는 시간

: 전류가 인가되지 않는 시간

상기와 같이, 듀티사이클은 주기에 대한 전류가 인가되는 비로써 나타낼 수 있으며, 고주파 펄스의 주기가 30msec이고, 전류가 인가되는 시간이 각각 15msec가 될때 듀티사이클은 50%가 된다. 예컨대, 듀티사이클이 100%라 함은, 지속적으로 전류가 흐르는 경우이므로 직류전류(Direct Current : D.C)를 사용하여 양극산화를 실시하는 경우에 해당된다.

아노다이징 공정후 후처리 공정은 수세, 씰링, 수세, 건조를 포함하여 이루어진다.

씰링(Sealing)공정은 내식성 향상을 위하여 이루어지는 공정이며, 건조(Drying)공정에는 상온, 콤프레서 에어, 가열건조 등이 있으며, 가열건조시 105℃ 이상 올라가면 양극피막에 미세한 헤어라인형의 잔금균열이 생길 수 있다.

이하, 본 발명의 고주파펄스를 이용한 금속재의 아노다이징 공정을 이용한 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 각각 7:2:1 비율로 된 전해연마액에 전해연마를 10A/dm²로 1분간 실시한다.

그 후 황산 10중량% 내지 25 중량%의 용액에, 구연산 17g/ℓ 내지 55g/ℓ와, 황산알루미늄 10g/ℓ 내지 55g/ℓ이 함유된 전해액이 수용된 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 아웃렛(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 특성 중 경도(VHN)를 표 1 및 그래프2에 도시하였다.

[표 1]

[그래프 2]

상기의 표 1과 그래프 2에서도 알 수 있듯이, 고주파펄스의 주기가 10sec 내지 30sec이고, 듀티사이클(duty cycle)이 60% 내지 80% 영역일 때 알루미늄 합금재의 경도가 최고치인 315 내지 370 VHN이다.

따라서, 본 발명의 고주파펄스를 이용한 금속재의 아노다이징 공정은 산화층의 용해작용을 하는 음이온인 황산이온(SO₄ ^2-)의 농도가 양극에 집중되지 못하게 극성을 일정주기로 교차하여 걸어주는 고주파펄스의 주기를 10msec 내지 30msec하고, 듀티사이클(duty cycle)을 60% 내지 80% 영역으로 함으로써, 전기이중층에 의한 과전압을 낮추어 산화층의 용해작용을 억제하고 견고한 산화층을 형성할 수 있다. 따라서, 알루미늄 합금의 표면경도를 향상시킬 수 있으며, 내마모성 및 내식성 등의 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 고주파펄스를 이용한 금속재의 아노다이징 공정에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.

전기이중층에 의한 과전압을 낮추어 산화층의 용해작용을 억제하고 견고한 산화층을 형성할 수 있다. 따라서, 알루미늄 합금의 표면경도를 향상시킬 수 있으며, 내마모성 및 내식성 등의 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.

Claims

침지탈지, 수세, 에칭, 수세, 활성화, 수세로 이루어진 전처리 공정과,

전해액을 넣은 전해조에 알루미늄 합금으로 된 부재를 로딩한 후 고주파펄스 전류를 가하여 피막을 형성하는 고주파펄스를 이용한 아노다이징 공정과,

수세, 씰링, 수세, 건조로 이루어진 후처리 공정을 포함하는 고주파펄스를 이용한 금속재의 아노다이징 공정에 있어서,

상기 고주파펄스의 파형은 스퀘어펄스(Square pulse)이고,

상기 고주파펄스의 주기를 10msec 내지 30msec하며,

상기 고주파펄스의 듀티사이클(duty cycle)을 60% 내지 80% 영역으로 하는 것을 특징으로 하며,

상기 전해조에 수용된 전해액은 황산 10중량% 내지 25 중량%의 용액에, 구연산 17g/ℓ 내지 55g/ℓ와, 황산알루미늄 10g/ℓ 내지 55g/ℓ이 함유된 것을 특징으로 하는 고주파펄스를 이용한 금속재의 아노다이징 공정.
삭제