[논문]미세표면 평활화를 위한 진동 전기화학 폴리싱

김욱수; 김영빈; 박정우

doi:10.7736/kspe.2013.30.2.148

미세표면 평활화를 위한 진동 전기화학 폴리싱
Vibration Electrochemical Polishing for Localized Surface Leveling 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.30 no.2, 2013년, pp.148 - 153

김욱수 (조선대학교 첨단부품소재공학과) , 김영빈 (조선대학교 첨단부품소재공학과) , 박정우 (조선대학교 기계설계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study demonstrates a novel hybrid surface polishing process combining non-traditional electrochemical polishing(ECP) with external artificial ultrasonic vibration. ECP, typical noncontact surface polishing process, has been used to improve surface quality without leaving any mechanical scratch marks formed by previous mechanical processes, which can polish work material by electrochemical dissolution between two electrodes surfaces. This research suggests vibration electrochemical polishing(VECP) assisted by ultrasonic vibration for enhancing electrochemical reaction and surface quality compared to the conventional ECP. The localized roughness of work material is measured by atomic force microscopy(AFM) for detailed information on surface. Besides roughness, overall surface quality, material removal rate(MRR), and productivity etc. are compared with conventional ECP.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 마이크로 피트의 생성으로 인하여 표면 정밀도, 특히 바이오매스 전달계 표면에 악영향을 미치게 된다. 따라서 본 연구에서는 스테인리스 강의 표면에 마이크로 피트의 생성을 개선하기 위해서 전해액에 초음파 진동을 부가한 복합 가공을 수행하였고, 일반적인 ECP 와 초음파를 부가한 VECP 를 비교 분석하고자 한다.
본 실험에서는 동일한 조건에서 기존의 ECP 공정에 초음파 진동을 부가한 새로운 하이브리드 공정을 제시 하였다. 전압 변화에 따른 표면변화는 같은 조건 가공 시 전압이 상승 할수록 향상된 표면의 평탄과 마이크로 피트 발생이 줄어 들었다.
가공된 공작물의 표면 거칠기 측정은 PSIA 사의 AFM (XE –100)을 사용하여 국부적인 나노미터 정밀도의 표면을 측정하였으며, 각각의 조건에서 실험한 결과물의 표면을 비교 분석 하였다. 본 연구에서는 전압과 가공 시간의 변화에 따라 각각의 표면을 분석하여 차이점을 비교하고 진동 전기화학 폴리싱 법의 우수성을 검증하였다.

제안 방법

최근에는 방전가공에서 마이크로 홀 가공 시에 초음파 진동을 이용하여 공구와 공작물 사이의 전해액 공급을 원활하게 하는 연구가 있으며, 접촉식 가공에서 드릴링 가공시 초음파를 이용하여 가공 정밀도가 향상된 사례가 있다.^1-3 본 연구에서는 바이오매스 전달계 부품생산에 적용하기 위하여 전기화학 폴리싱(ECP)과 초음파진동을 이용하여 스테인리스 강의 표면을 복합적인 방법으로 가공 하여 기존의 ECP가공 방법과 초음파 진동을 부가한 진동 전기화학 폴리싱(VECP)을 비교하려고 한다. ECP 는 일반적인 표면 가공 공정에 비해 가공 시간을 단축시킬 수 있으며 효과적으로 표면 거칠기를 향상 시켜 경면가공을 가능하게 하며 부식 저항성을 향상시킨다.
전기화학 폴리싱 가공 시 산화 전극인 스테인리스 강에 일정한 면적을 가공하기 위하여 5 mm × 5 mm 의 면적을 제외한 나머지 부분을 절연제로 도포하였다. 가공 시 산화 전극과 환원 전극의 간격은 10 mm 로 하고, 전원발생 장치를 이용한 전기화학 폴리싱 방식을 채택하였다. 진동 전기화학 폴리싱은 위의 일반적인 전기화학 폴리싱 장치에 초음파 발생 장치(28 kHz, 100 W)를 추가적으로 사용하였으며, Fig.
전기화학 폴리싱 가공 시 산화 전극인 스테인리스 강에 일정한 면적을 가공하기 위하여 5 mm × 5 mm 의 면적을 제외한 나머지 부분을 절연제로 도포하였다.
가공 시 산화 전극과 환원 전극의 간격은 10 mm 로 하고, 전원발생 장치를 이용한 전기화학 폴리싱 방식을 채택하였다. 진동 전기화학 폴리싱은 위의 일반적인 전기화학 폴리싱 장치에 초음파 발생 장치(28 kHz, 100 W)를 추가적으로 사용하였으며, Fig. 3 과 같이 일반적인 전기화학 폴리싱 방식에서 전해액에 외부 초음파 진동을 가하였다. 가공된 공작물의 표면 거칠기 측정은 PSIA 사의 AFM (XE –100)을 사용하여 국부적인 나노미터 정밀도의 표면을 측정하였으며, 각각의 조건에서 실험한 결과물의 표면을 비교 분석 하였다.

대상 데이터

일반적인 전기화학 폴리싱에 사용된 장치는 파워 서플라이 (50 V, 12 A), 전해액으로는 H₂SO₄, H₃PO₄ 및 초 순수(H₂O)가 일정 비율로 혼합되어 있다. 산화전극에는 스테인리스 강(STS 316L)을 사용하였다. 환원 전극에는 불용해성이며, 전기저항이 작은 구리(Cu)로 사용하였다.
산화전극에는 스테인리스 강(STS 316L)을 사용하였다. 환원 전극에는 불용해성이며, 전기저항이 작은 구리(Cu)로 사용하였다. 전기화학 폴리싱 가공 시 산화 전극인 스테인리스 강에 일정한 면적을 가공하기 위하여 5 mm × 5 mm 의 면적을 제외한 나머지 부분을 절연제로 도포하였다.

데이터처리

가공된 공작물의 표면 거칠기 측정은 PSIA 사의 AFM (XE –100)을 사용하여 국부적인 나노미터 정밀도의 표면을 측정하였으며, 각각의 조건에서 실험한 결과물의 표면을 비교 분석 하였다.

성능/효과

본 실험에서는 동일한 조건에서 기존의 ECP 공정에 초음파 진동을 부가한 새로운 하이브리드 공정을 제시 하였다. 전압 변화에 따른 표면변화는 같은 조건 가공 시 전압이 상승 할수록 향상된 표면의 평탄과 마이크로 피트 발생이 줄어 들었다. 이 결과로 전압이 상승 할 수록 표면이 개선되는 것을 알 수 있다.
전압은 5 V 부터 9 V 까지 범위에서 1 V 단위로 증가시키면서 120 초 동안 폴리싱을 하였다. 전체적인 표면은 진동을 부가한 VECP 처리 후 표면 거칠기가 향상된 결과가 나온다는 것을 알 수 있다. 그 중 Fig.

후속연구

AFM 측정한 결과 같은 조건에서 초음파 진동을 부여한 VECP 는 초음파 진동을 부여 하지 않은 ECP 보다 마이크로 피트 발생을 줄일 수 있다. 본 실험 결과를 통해서 두 방식의 차이를 확인하였고, VECP 의 표면 평활화 기능과 피트 발생 빈도의 저감은 바이오매스 전달 및 전송시스템에 적용하여 반영구적인 대형 플랜트의 개발에 주요한 일부를 차지할 것이라 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ECP의 장점은?	1-3 본 연구에서는 바이오매스 전달계 부품생산에 적용하기 위하여 전기화학 폴리싱 (ECP)과 초음파진동을 이용하여 스테인리스 강의 표면을 복합적인 방법으로 가공 하여 기존의 ECP 가공 방법과 초음파 진동을 부가한 진동 전기화학 폴리싱(VECP)을 비교하려고 한다. ECP 는 일반적 인 표면 가공 공정에 비해 가공 시간을 단축시킬 수 있으며 효과적으로 표면 거칠기를 향상 시켜 경면가공을 가능하게 하며 부식 저항성을 향상시 킨다. 4 그러나 ECP 가공 시 공작물 표면에는 미 세한 마이크로 피트(micro pits)가 남게 된다.
	ECP란?	ECP 는 전기화학적 반응을 이용한 표면을 가공 하는 방법으로 공작물은 (+), 반대인 전극은 음극(-) 으로 하여 금속의 전기화학 용출을 이용하여 공작 물 표면에 부식 저항성, 표면 평탄화 등을 향상시 키는 방법이다. Fig.
	ECP 가공 시 공작물 표면에는 미 세한 마이크로 피트(micro pits)가 남게 되는데 이것은 어떤 악영향을 미치는가?	4 그러나 ECP 가공 시 공작물 표면에는 미 세한 마이크로 피트(micro pits)가 남게 된다. 이러 한 마이크로 피트의 생성으로 인하여 표면 정밀도, 특히 바이오매스 전달계 표면에 악영향을 미치게 된다. 따라서 본 연구에서는 스테인리스 강의 표 면에 마이크로 피트의 생성을 개선하기 위해서 전 해액에 초음파 진동을 부가한 복합 가공을 수행하였고, 일반적인 ECP 와 초음파를 부가한 VECP 를 비교 분석하고자 한다.

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Kim, Y. B., Kim, J. T., Ahn, D. G., Park, J. R., Jeong, S. H., and Park, J. W., "AFM-based Surface Characteristic of Pulse Electrochemical Polishing for Various Frequency Conditions," Annals of the KSMTE, Vol. 21, No. 2, pp. 246-251, 2012.

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