[논문]플라즈마 전해 산화 코팅에 있어서 인산염 전해액과 모재 성분 변화가 Al 산화피막 물성에 미치는 영향 II. PEO 층의 결정상 분석

김배연; 김정곤; 이득용; 김용남; 전민석; 김성엽; 김광엽

doi:10.4191/kcers.2012.49.3.247

플라즈마 전해 산화 코팅에 있어서 인산염 전해액과 모재 성분 변화가 Al 산화피막 물성에 미치는 영향 II. PEO 층의 결정상 분석
Effect of Na2P2O7 Electrolyte and Al Alloy Composition on Physical and Crystallographical Properties of PEO Coating Layer : II. Crystallographic Analysis of PEO Layer 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.49 no.3, 2012년, pp.247 - 252

김배연 (Department of Advanced Materials Engineering, University of Incheon) , 김정곤 (Department of Advanced Materials Engineering, University of Incheon) , 이득용 (Department of Materials Engineering, Daelim University College) , 김용남 (Material Testing Center, Korea Testing Laboratory) , 전민석 (Material Testing Center, Korea Testing Laboratory) , 김성엽 (MST Technology) , 김광엽 (MST Technology)

Abstract ▼ AI-Helper

Crystal structure and chemical compositions of Plasma electrolytic oxidized layer of A-1100, A-2024, A-5052, A-6061, A-6063, A-7075, ACD-7B and ACD-12 were investigated. The electrolyte for plasma electrolytic oxidation was mixture of distilled water, $Na_2P_2O_7$, Cu, Cr metal salts and KOH. ${\eta}$-Alumina, as well as ${\alpha}$-alumina, was main crystal phase. Another crystals such as $(Al_{0.948}Cr_{0.052})_2O_3$ and $(Al_{0.9}Cr_{0.1})_2O_3$ were also formed in the oxide layer. It was thought that the effect of electrolyte compositions on the physical properties and crystal system of PEO layers was greater than the effect of Al alloy composition variation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 앞선 연구 결과19,20)를 토대로 시판 알루미늄 합금 8종을 인산염을 전해질로 하는 PEO로서 처리하여 생성된 산화 표면의 결정상과 화학 조성을 분석하여 모재 금속의 합금 성분과 전해액의 성분이 표면 코팅층의 물리적 성질과 결정학적인 측면에서 물유리를 주성분으로 하는 전해액을 사용한 경우와 비교하여 어떠한 영향을 미치는지에 대하여 관찰하고자 하였다.

제안 방법

본 연구에 사용된 알루미늄은 판재 형태의 A-1100, A2024, A-5052, A-6061, A-6063, A-7075 규격의 시판 알루미늄 합금을 구입하여 사용하였다. ACD-7B와 ACD-12는 사출용 재료로서 주물시 용탕의 흐름성을 좋게 하기 위하여 Si이 첨가된 것이며, 실제 사출로 제품을 만들 시에는 Si 성분이 표면 등으로 편석(segregation)되는 경향이 있으므로, 실제 상태에서의 PEO 코팅성을 관찰하기 위하여 사출 성형된 디스크 형태의 제품을 사용하였다. 알루미늄 판재는 두께 2 mm 것을 50 mm × 50 mm로 가공하여 사용했으며, 사출재인 ACD-7B와 ACD-12는 ϕ50 mm × t10 mm인 것을 사용하였다.
Na₂P₂O₇계 전해질을 주로 하여 Cu 및 Cr 등을 포함하는 금속염과 pH 조절제로 KOH를 첨가한 전해액을 사용하여 A-1100, A-2024, A-5052, A-6061, A-6063, A-7075, ACD-7B 및 ACD-12 알루미늄 합금에 대하여 플라즈마 전해 산화 코팅(plasma electrolytic oxidation coating)을 하여 산화 피막을 형성시킨 다음 산화피막을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
X-선 회절분석은 X’pert PRO (PANalytical사, Netherlands)를 사용하였으며, 형광 X-선분석은 ZSX-100e (Rigaku사, Japan)를 사용하였다.
1은 A-1100, A-2024, A-5052 알루미늄 합금 표면 산화층의 X-선 회절 패턴이다. 이때, glancing technique을 이용하여 가급적 표면에 코팅된 산화 피막의 결정상을 조사하고자 하였으며 입사각은 3^o로 하였다.
전해조는 스테인레스 강을 전극판으로 사용하여 300 × 300 × 500 mm 크기로 제작하였으며, 전해질 용액의 농도 구배를 줄일 수 있도록 전해액 탱크 내부에 교반기를 장치하여 실험 중에 전해액이 충분히 교반될 수 있도록 하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 알루미늄은 판재 형태의 A-1100, A2024, A-5052, A-6061, A-6063, A-7075 규격의 시판 알루미늄 합금을 구입하여 사용하였다. ACD-7B와 ACD-12는 사출용 재료로서 주물시 용탕의 흐름성을 좋게 하기 위하여 Si이 첨가된 것이며, 실제 사출로 제품을 만들 시에는 Si 성분이 표면 등으로 편석(segregation)되는 경향이 있으므로, 실제 상태에서의 PEO 코팅성을 관찰하기 위하여 사출 성형된 디스크 형태의 제품을 사용하였다.
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 강을 전극판으로 사용하여 300 × 300 × 500 mm 크기로 제작하였으며, 전해질 용액의 농도 구배를 줄일 수 있도록 전해액 탱크 내부에 교반기를 장치하여 실험 중에 전해액이 충분히 교반될 수 있도록 하였다.
알루미늄 판재는 두께 2 mm 것을 50 mm × 50 mm로 가공하여 사용했으며, 사출재인 ACD-7B와 ACD-12는 ϕ50 mm × t10 mm인 것을 사용하였다.

성능/효과

1. 8종의 알루미늄 합금들은 조성에 크게 상관없이 η-alumina상이 동일하게 관찰되었다.
2. 역시 기존에 보고된 적이 없는 Al-Cr-O계의 복합 산화물인 (Al_0.948Cr_0.052)₂O₃의 결정상과 (Al_0.9Cr_0.1)₂O₃의 결정상도 알루미늄 모재 성분에 관계없이 공통적으로 관찰되는 경향을 나타내었다.
3. 알루미늄 합금 모재의 화학 성분보다는 전해질의 종류와 PEO 장치의 전기적 변수가 PEO 산화 피막의 결정상에 더 많은 영향을 준다.
그런데, 본 연구에서는 거의 순수한 Al 성분을 갖는 A-1100은 α-alumina와 η-alumina가 주된 상으로 존재하고 있고 Mg, Cu, Mn 등 약간의 첨가물을 포함하고 있는 A-2024, A-5052의 산화 피막의 결정상으로 η-alumina가 주된 상이며, Al-Cr-O계의 복합 산화물인 (Al0.948Cr0.052)2O3의 결정상도 존재함을 알 수 있었다.
Cr 의 경우 모재 성분에 포함되지 않은 것이지만 전해질의 Cr 성분이 산화 피막에 10% 이상의 많은 양이 존재하는 것을 알 수 있고, 이는 물유리를 사용한 PEO 산화피막의 경우에 Si가 모재 성분에 존재하지 않았지만 산화피막에는 30% 이상 대량 존재하고 있음과 비교해 볼 때 불가능한 수치는 아닌 것으로 판단된다. 또한 전해액의 주성분 중의 하나인 P의 경우에 산화피막에 3% 내외로 존재하고 있음을 알 수 있었고 Cu의 경우에 상당량 산화피막에 존재하는 것을 알 수 있었다. 특히 A-2024의 경우에는 Cu가 합금 성분으로 3.
이런 낮은 공정온도는 물성이 좋다고 알려져 있는 αalumina의 생성1,10,11)이 상대적으로 적은 이유가 되나, 본 연구에서 얻어진 산화피막의 표면이 기존 PEO의 표면 거칠기에 비하여 훨씬 좋은 표면을 갖고 있고, 기존 연구에서 일반적으로 알려져 있는 foam-like structure1,9,10)가 없는 치밀한 면으로 산화 피막 전체가 구성되어 있어 αalumina의 생성이 적더라도 경도가 좋은 결과를 가져온 것으로 판단된다.
이런 사항을 종합하면 η-alumina상은 2,000oC~3,000oC의 이상의 온도를 갖는 PEO plasma1,25)에 의해 Al 합금이 용융되면서 전해액의 조성과 H2O에 반응하여 비정질 상의 Al 수산화물을 표면에 형성하고, 형성된 수산화물이 피막의 표면에서 연속적으로 발생하는 고온의 plasma에 의하여 계속적으로 열처리되면서 η-alumina상으로 전이된다고 판단하는 것이 타당할 것으로 생각된다.
이상의 XRD 결과를 종합하면 PEO에 의한 산화 피막에 생성되는 결정상은 앞선 8종의 성분이 각기 다른 알루미늄 합금의 산화 피막이 기존에 다른 연구자들에 의하여 활발히 보고되던 γ-alumina상이 아니라 η-alumina상이 거의 대부분의 시료에서 동일하게 관찰되고 있으며 역시 기존에 보고된 적이 없는 Al-Cr-O계의 복합 산화물 결정상도 앞선 여러 개의 시편에서 알루미늄 모재 성분에 관계없이 공통적으로 관찰되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	표면산화피막의 전기적 변수는 어떤 것이 있는가?	PEO 처리에 의해 형성되는 표면산화피막은 인가전압의 크기, 전류량에 따른 변화, pulse 폭, bipolar 전압의 유무와 상대적 크기, duration time 등 전기적 변수와 모재의 성분 및 전해액의 농도와 조성에 따라서 공정 변수가 대단히 많다. 특히 전체 시스템의 저항 값에 변화를 줄 수있는 전해질의 농도와 전해질 용액의 조성 성분과도 결합되어 형성되는 산화피막에 다양한 영향을 준다.
	플라즈마 전해 산화에 의한 산화피막의 결정상은 어떻게 되는가?	플라즈마 전해 산화(이하 PEO, plasma electrolyticoxidation)에 의한 산화피막의 결정상은 주로 γ-alumina와 α-alumina라고 알려져 있으며1-12), 유리상의 존재도 많은 경우에 보고5,13,14)되고 있다. 그 외에 전해액으로 주로 사용하는 물유리(Na2SiO3) 성분이 산화피막표면 형성에 참여하여 mullite (3Al2O3·2SiO2)15-17)와 같은 Al-Si-O계의 복합상2,3,15-17)이 존재한다고 알려져 있다.
	PEO 산화 피막의 결정상 중 PEO 산화 피막에 생성될수록 경도나 내마모성을 증가시키는 것은?	이런 PEO 산화 피막의 결정상은 산화피막의 경도, 내마모성에 있어서 많은 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 고온에서 안정한 상인 α-alumina가 PEO 산화 피막에서 많이 생성될수록 경도나 내마모성이 증가한다1,9-11)고 알려져 있고, α-alumina가 다른 alumina 동질이상(polymorphism)에 비하여 월등히 물성이 뛰어나기 때문에 당연한 것으로 받아들여지고 있다. γ-alumina 상을 포함하는 준안정한 알루미나 동질이상들은 물성이 취약하여 막의 특성에 좋지 않은 영향을 미치게 된다.

참고문헌 (25)

A.L. Yerokhin, X. Nie, A. Leyland, A. Matthews, and S.J. Dowey, "Plasma Electrolysis for Surface Engineering," Surf. Coat. Technol., 122 73-93 (1999).

상세보기
X. Nie, A. Leyland, H.W. Song, A.L. Yerokhin, S.J. Dowey, and A. Matthews, "Thickness Effects on the Mechanical Properties of Micro-arc Discharge Oxide Coatings on Aluminum Alloys," Surf. Coat. Technol., 116-119 1055-60 (1999).

상세보기
X. Nie, E.I. Meltis, J.C. Jiang, A. Leyland, A.L. Yerokhin, and A. Matthews, "Abrasive Waer/corrosion Properties and TEM analysis of $Al_2O_3$ Coatings Fabricated using Plasma Electrolysis," Surf. Coat. Technol., 149 245-51 (2002).

상세보기
A.L. Yerokin, A. Shatrov, V. Samsonov, P. Shahkov, A. Pilkington, A. Leyland, and A. Matthews, "Oxide Ceramic Coatings on Aluminium Alloys Produced by a Pulsed Bipolar Plasma Electrolytic Oxidation Process," Surf. Coat. Technol., 199 150-57 (2005).

상세보기
H. Kalkanci and S.C. Kurnaz, "The Effect of Process Parameters on Mullite-based Plasma Electrolytic Oxide Coatings," Surf. Coat. Technol., 203 15-22 (2008).

상세보기
F.-Y. Jin, K. Wang, M. Zhu, L.-R. Shen, J. Li, H.-H. Hong, and P. K. Chu, "Infrared Reflection by Alumina Films Produced on Aluminum Alloy by Plasma Electrolytic Oxidation," Mater. Chem. Phys., 114 398-401 (2009).

상세보기
Y.-J. Oh, J.-I. Mun, and J.-H. Kim, "Effect of Alloying Elements on Microstucture and Protective Proties of $Al_2O_3$ Coatings Formed on Aluminum Alloy Substrates by Plasma Electrolysis," Surf. Coat. Technol., 204 141-48 (2009).

상세보기
G. Lv, W. Gu, H.Chen, W. Feng, M. L. Khosa, L. Li, E. Niu, G. Zhang, and S.-Z. Yang, "Characteristic of Ceramic Coatings on Aluminum by Plasma Electrolytic Oxidation in Silicate and Phosphate Electrolyte," Appl. Surf. Sci., 253 2947-52 (2006).

상세보기
W. Xue, Z. Deng, R. Chen, T. Zhang, and H. Ma, "Microstructure and Properties of Ceramic Coatings Produced on 2024 Aluminum Alloy by Microarc Oxidation," J. Mater. Sci., 36 2615-19 (2001).

상세보기
J. Tian, Z. Luo, S. Qi, and X. Sun, "Structure and Antiwear Behavior of Micro-arc Oxidized Coatings on Alluminum Alloy," Surf. Coat. Technol., 154 1-7 (2002).

상세보기
E. Arslan, Y. Totik, E.E. Demirci, Y. Vangolu, A. Alsaran, and I. Efeoglu, "High Temperature wear Behavior of Aluminum Oxide Layers by AC Micro Arc Oxidation," Surf. Coat. Technol., 204 829-33 (2009).

상세보기
G. Sundararajan and L. Rama Krishna, "Mechanisms Underlying the Formation of Thick Alumina Coatings Through the MAO Coating Technology," Surf. Coat. Technol., 167 269-77 (2003).

상세보기
J.A. Curran and T.W. Clyne, "The Thermal Conductivity of Plasma Electrolytic Oxide Coatings on Aluminum and Magnesium," Surf. Coat. Technol., 197 177-83 (2005).

상세보기
J.A. Curran and T.W. Clyne, "Thermo-physical Properties of Plasma Electrolytic Oxide Coatings on Aluminum," Surf. Coat. Technol., 199 168-76 (2005).

상세보기
K. Wang, B.H. Koo, C.G. Lee, Y.J. Kim, S. Lee, and E. Byon, "Effects of Hybrid Voltages on Oxide Formation on 6061 Al-Alloys During Plasma Electrolytic Oxidation," Chin. J. Aeronautics, 22 564-68 (2009).

상세보기
K. Wang, B.H. Koo, C.G. Lee, Y.J. Kim, S. Lee, and E. Byon, "Effects of Electrolytes Variation on Formation of Oxide Layers of 6061 Al alloys by Plasma Electrolytic Oxidation," Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 19 866-70 (2009).

상세보기
J.A. Curran, H. Kalkanci, Yu. Magurova, and T.W. Clyne, "Mullite-rich Plasma Electrolytic Oxide Coatings for Thermal Barrier Applications," Surf. Coat. Technol., 201 8683-87 (2007).

상세보기
W. Gu, G. Lv, H. Chen, G.-L. Chen, W.-R. Feng, and S.-Z. Yang, "Characterization of Ceramic Coatings Produced by Plasma Electrolytic Oxidation of Aluminum Alloy," Mater. Sci. Eng. A, 447 158-62 (2007).

상세보기
B.-Y. Kim, D. Y. Lee, Y.-N. Kim, M.-S. Jeon, W.-S. You, and K.-Y. Kim, "Effect of Al alloy Composition on Physical and Crystallographical Properties of Plasma Electrolytic Oxidized Coatings. I. Physical Properties of PEO layer," J. Kor. Ceram. Soc., 47 [4] 256-61 (2010).

원문보기 상세보기
B.-Y. Kim, D. Y. Lee, M. C. Shin, H.-G. Shin, B.-K. Kim, S. Y. Kim, and K. Y. Kim, "Effect of Al Alloy Composition on Physical and Crystallographical Properties of Plasma Electrolytic Oxidized Coatings II. Crystallographic Analysis of PEO layer," J. Kor. Ceram. Soc., 47 [4] 283-89 (2010).

원문보기 상세보기
R.J. Damani and P. Makroczy, "Heat Treatment Induced Phase and Microstructural Development in Bulk Plasma Sprayed Alumina," J. Eur. Ceram. Soc., 20 867-88 (2000).

상세보기
I. Levin and D.G. Brandon, "Metastable Alumina Polymorph : Crystal Structures and Transition Sequences," J. Am. Ceram. Soc., 81 1995-2012 (1998).
I. Levin, L.A. Bendersky, D.G. Brandon, and M. Rhle, "Cubic to Monoclinic Phase Transformations in Alumina," Acta. Mater., 45 [9] 3659-69 (1997).

상세보기
C. Ruberto, "Metastable Alumina from Theory: Bulk, Surface, and Growth of ${\kappa}-Al_2O_3$ ," Thesis of Ph. D., Gteborg Univ., Sweden, 2001.
H.M. Nykyforchyn, M.D. Klapkiv, and V.M. Posuvailo, "Properties of Synthesised Oxide-ceramic Coatings in Electrolyte Plasma on Aluminum Alloys," Surf. Coat. Technol., 100-101 219-221 (1998).

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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