플라즈마 전해 산화 코팅에 있어서 알루미늄 합금 모재 성분의 물리적, 결정학적 영향 I. PEO 층의 물성 Effect of Al Alloy Composition on Physical and Crystallographical Properties of Plasma Electrolytic Oxidized Coatings I. Physical Properties of PEO Layer원문보기
Physical properties of Plasma electrolytic oxidized 8 different types of Al alloys, A-1100, A-2024, A-5052, A-6061, A-6063, A-7075, ACD-7B and ACD-12 were investigated. The electrolyte for PEO was $Na_2SiO_3$ solutions with NaOH and some alkali earthen metal salts. Porous layer near the s...
Physical properties of Plasma electrolytic oxidized 8 different types of Al alloys, A-1100, A-2024, A-5052, A-6061, A-6063, A-7075, ACD-7B and ACD-12 were investigated. The electrolyte for PEO was $Na_2SiO_3$ solutions with NaOH and some alkali earthen metal salts. Porous layer near the surface of PEO coating was not found, and surface roughness Ra50 was below 2.5 ${\mu}m$. Surface roughness was affected by growth rate of plasma electrolytic oxidized layer, not by Si content in Al alloy.
Physical properties of Plasma electrolytic oxidized 8 different types of Al alloys, A-1100, A-2024, A-5052, A-6061, A-6063, A-7075, ACD-7B and ACD-12 were investigated. The electrolyte for PEO was $Na_2SiO_3$ solutions with NaOH and some alkali earthen metal salts. Porous layer near the surface of PEO coating was not found, and surface roughness Ra50 was below 2.5 ${\mu}m$. Surface roughness was affected by growth rate of plasma electrolytic oxidized layer, not by Si content in Al alloy.
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문제 정의
본 연구에서는 시판 알루미늄 합금 8종을 선택하여 PEO 처리를 거친 다음 산화 표면을 분석하여 모재 금속의 합금 성분이 표면 코팅 층의 물리적 성질과 결정학적인 측면에서 어떠한 영향을 미치는지에 대하여 관찰 하고자 하였다.
제안 방법
Na2SiO3계 전해질을 주로 하여 NaOH 및 alkali earthen metal salt를 소량함유하는 전해액을 사용하여 A-1100, A-2024, A-5052, A-6061, A-6063, A-7075, ACD-7B 및 ACD-12 알루미늄 합금에 대하여 plasma electrolytic coating을 하여 산화 피막을 형성시킨 다음 산화피막의 물성을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
사용한 전해액은 별도로 보관하여 추후 동일한 시험에 사용하였다. 다만, 전해질의 농도는 PEO 반응이 진행됨에 따라서 전해액의 농도가 변화하기 때문에, 각 실험에 따라서 전해질을 첨가하거나 2차 증류수를 추가 하여 초기 투입된 전해질의 농도와 유사하게 농도를 조절하여 사용하였다.
전해조는 스테인레스 스틸을 전극판으로 사용하여 300×300×500 mm 크기로 제작하였으며, 전해질 용액의 농도 구배를 없앨 수 있도록 전해액 탱크 내부에 stirrer 를 장치하여 실험 중에 전해액이 충분히 교반될 수 있도록 하였다.
대상 데이터
본 실험에 사용한 전해액은 Na2SiO3계의 물유리를 주로 하여 alkali earthen metal을 포함하는 금속염과 pH 조절제로 NaOH를 첨가한 것으로 전체 농도는 2~3% 수준이었다. 사용한 전해액은 별도로 보관하여 추후 동일한 시험에 사용하였다.
본 연구에 사용된 알루미늄은 plate 형태의 시판 알루미늄 합금을 구입하여 사용하였으며 조성 원소는 Table 1과 같다.
본 연구에 사용된 장비는 국내 MST Technology사가 자체 개발한 n-PEC용 PEO 장치로서 작동 전압 ~600 V, 작동 전류 ~300 A의 장치로서 pulse를 조절할 수 있게 되어 있다. 전해조는 스테인레스 스틸을 전극판으로 사용하여 300×300×500 mm 크기로 제작하였으며, 전해질 용액의 농도 구배를 없앨 수 있도록 전해액 탱크 내부에 stirrer 를 장치하여 실험 중에 전해액이 충분히 교반될 수 있도록 하였다.
실험에 사용된 두께 측정기는 Automation Dr. Nix의 Quanix 7500을 사용했으며, 표면조도는 Mitutoyo사의 SJ-301을 사용하였다. 표면경도는 Wilson사의 TUKON 2100을 사용하여 측정하였으며, SEM은 Hitach사의 FE-SEM S4700이었으며, EDXA는 Horiba사의 7200H를 사용하였다.
알루미늄 판재는 두께 2 mm 것을 50mm×50mm로 가공하여 사용했으며, 사출재인 ACD 7B와 ACD12는 Φ50mm ×t10 mm인 것을 사용하였다.
Nix의 Quanix 7500을 사용했으며, 표면조도는 Mitutoyo사의 SJ-301을 사용하였다. 표면경도는 Wilson사의 TUKON 2100을 사용하여 측정하였으며, SEM은 Hitach사의 FE-SEM S4700이었으며, EDXA는 Horiba사의 7200H를 사용하였다.
성능/효과
1.시판되는 8종의 알루미늄 합금들에 대하여 조성에 상관없이 PEO 산화 피막을 형성시켜 표면 경도를 증가시킬 수 있었으며, 20분의 PEO처리 시간으로 18 μm~29 μm 수준의 산화피막을 형성시킬 수 있었다.
2. PEO 산화피막의 표면에 존재한다고 알려져 있는 기공이 관찰되지 않는 PEO 코팅을 할 수 있었으며, 이에 따라 표면조도도 좋아져서 Ra(50 μm)에서 최대 2.5 μm으로 양호한 값을 얻을 수 있었다.
3. Si 성분이 알루미늄 모재에 포함되어 있는 경우의 표면 조도는 Si 성분의 양에 의존하기보다는 산화피막의 성장 속도에 영향을 받고, 막의 성장 속도가 느린 산화피막의 경우에 대체로 표면 조도가 좋은 경향을 나타내었다.
따라서 이런 이유로 인하여 모재 합금의 경도와 비슷한 수준에서의 경도를 갖는 산화피막이 20분 처리 후에는 경도가 증가하는 것을 알 수 있다. 경도 증가의 폭은 알루미늄 모재 합금의 경도가 낮은 것일수록 60%에서 80% 이상으로 더 커지는 것을 알 수 있으며, 상대적으로 높은 경도 값을 갖는 것은 경도 증가폭이 35% 이상으로 상대적으로 작은 것을 알 수 있다.
이는 기존의 연구에서 PEO로 형성된 산화피막의 바깥 부분은 기공이 많은 층으로 이루어져 있다고 보고1,9,10)되고 있으며 이는 일반적으로 알려져 있는 사항이다. 그렇지만 본 연구결과로 얻어진 산화피막의 미세구조 사진 상에서는 사진 중앙 좌측 부위에서 PEO 처리된 표면이 아무런 기계적 가공없이 그대로 나타나 있음을 알 수 있고, 노출된 표면 부근의 조직이나 금속간의 계면에서와 마찬가지로 기공이 발달되어 있지 않음을 알 수 있다.
Yerokhin 등1)은 전해액 중에서 Silicate의 농도가 5~30% 수준으로 높아지면 생성되는 산화 피막의 두께가 두꺼워지고, 균일해지기는 하지만 주로 비정질 상이 형성 되고, 기공이 많아져서 기계적 성질이 떨어진다고 보고하였다. 산화피막이 이렇게 기공이 많은 구조를 가지면 표면 조도도 나빠지는 것이 일반적인 현상이지만, 본 연구에서는 표면 조도가 그다지 나빠지지 않는 것을 알 수 있다. 즉, 이 실험결과로만 본다면 산화 피막의 표면 부근에서의 기공형성이 그다지 많지 않음을 알 수 있다.
이 결과에서 보면 대체적으로 A1100 및 A6000계열에서 보는 것과 같이 합금 조성 상에서 알루미늄의 농도가 커질수록 안정된 전압 범위를 나타낸다고 할 수 있으며, 알루미늄 합금 별로 적용 전압에 있어서 다소간의 차이점이 존재함을 알 수 있다. 특히 Si를 합금 내에서 함유하고 있는 ACD-7B 및 ACD-12의 경우 상당히 좁은 전압 범위에서만 유효한 coating이 일어나는 것을 관찰할 수 있었다.
이때 경도 측정은 산화 피막 윗면에서 수직방향으로 측정한 결과이다. 이 결과에서 보면 모재 합금 금속의 경도가 높을수록 경도가 증가하는 경향을 갖는 것을 알 수 있었다. 또한 초기 10분의 산화피막 형성시킨 것은 대부분이 경도의 증가가 뚜렷하지 않다가 20분에서는 급격한 경도 증가가 일어나는 것을 관찰 할 수 있다.
이 결과에서 알루미늄 합금의 표면에 산화피막이 형성되어 있음을 잘 알 수 있으며, 알루미늄 합금과 PEO 산화 피막이 만나는 interface에서 알루미늄의 농도와 산소의 농도 변화가 약간의 기울기를 갖고 변화하고 있음을 알 수 있다. 이것은 금속 결합과 이온-공유성 결합을 동시에 하고 있는 알루미늄의 산화물 사이의 계면에서 EDXA probe의 크기가 대개 1 μm 내외라는 점을 감안하더라도 부분적으로 알루미늄과 산화 알루미늄 층이 혼재되어 존재하는 것이라고 판단할 수 있는 결과라고 판단되며, 이런 상이한 결합 특성을 갖는 두 물질의 계면이 아무런 결함이나 mismatch없이 연결되어 있는 것은 이 PEO 코팅의 장점 중의 하나인 계면 부착력이 뛰어난 점을 설명해주고 있다고 하겠다.
표면 조도는 기존의 PEO coating 기술이 갖는 약점 중의 하나인데, 본 실험에서 얻어진 표면 조도는 상당히 양호한 수준으로 Ra50이 최대 2.5 μm 수준임을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
PEO 공정에 의한 부동태 금속의 산화피막처리의 장점은?
이런 PEO에 의한 부동태 금속의 산화 피막 처리는 산화 피막의 형성이 물을 기본으로 하는 전해액 내에서 이루어지기 때문에 상온 부근에서 코팅이 이루어지며, 이에 따라 Plasma 용사와 같은 방식에서 일어나는 열팽창계수의 mismatch에 의한 stress가 없어 부착력이 뛰어나며, 기존의 아노다이징 처리 기술에 비하여 훨씬 높은 전압에서 산화막이 형성되기 때문에 표면 산화 피막의 경도와 내화학적 저항성이 뛰어난 장점을 갖추고 있다.
PEO란?
PEO(Plasma Electrolytic Oxidation)은 Na2SiO3와 같은 전해질을 주 성분으로 하는 전해액에 Al, Mg, Ti, Zn 등의 부동태 금속(passive metal)을 담근 다음 350 V~550 V 정도의 직류 전원을 인가하여 부동태 금속의 표면을 산화시켜 세라믹으로 변화시키는 기술이다. 이 기술은 기존의 아노다이징 또는 하드 아노다이징 기술과 원리가 비슷하지만, 아노다이징이나 하드 아노다이징의 경우에는 인가하는 전압이 50 V 이하로 낮다.
PEO 기술에 고접압을 인가할 때 단점은?
이런 장점도 있지만, PEO 기술은 고전압을 인가하는데 있어서 전해액의 농도, 종류 등에 따라서 조절이 쉽지 않은 단점이 있다. 또한 표면 코팅을 위한 금속 모재도 합금 성분의 조성 변화에 따라서 많은 변수가 있다.
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