[논문]플라즈마 전해산화법에 의해 형성된 알루미늄 합금의 양극산화피막 내마모 특성에 관한 연구

정우철; 진연호; 최진주; 양재교

doi:10.5695/jkise.2018.51.6.381

플라즈마 전해산화법에 의해 형성된 알루미늄 합금의 양극산화피막 내마모 특성에 관한 연구
A Study on the Wear Resistance Characteristics of Anodic Oxide Films Formed on Aluminium alloy using a Plasma Electrolytic Oxidation 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.51 no.6, 2018년, pp.381 - 386

정우철 (고등기술연구원 신소재공정센터) , 진연호 (고등기술연구원 신소재공정센터) , 최진주 (고등기술연구원 신소재공정센터) , 양재교 (고등기술연구원 신소재공정센터)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, plasma electrolytic oxidation (PEO) method was used to from anodic oxide films on Al alloy and their resistance and morphological characteristics were investigated as a function of film formation voltage and treatment time. Cross-sectional morphology and composition of the PEO films were analyzed by SEM (Scanning Electron Microscopy) and EDS (Energy Dispersive Spectroscopy). The PEO films showed increased surface roughness and thickness with of film formation voltage and treatment time. The wear resistance was found to be the best for the PEO film formed for 5 min at 500V which is attributed to be denser structure relatively and lower surface roughness.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Voltage-time graph for the processes of Plasma Electrolytic Oxidation.
그림 Fig. 2. Schematic diagram of PEO process equipment.
표 Table 1. Chemical composition of Al alloy.
그림 Fig. 3. Equipment used for wear resistance test ; (a) controller, (b) wear resistance test machine.
표 Table 2. Average thickness of the oxide films formed on Al alloy.
그림 Fig. 4. SEM micrographs of oxide films formed on Al alloy ; (a) 400V-5min, (b) 400V-15min, (c) 400V-20min, (d) 450V-5min, (e) 450V-15min, (f) 450V-20min, (g) 500V-5min, (h) 500V-15min, (i) 500V-20min.
그림 Fig. 5. EDS mapping analysis for surface of oxide film.
그림 Fig. 6. EDS mapping analysis for cross-section of oxide film.
그림 Fig. 7. Relative specific wear rate by experimental condition.
표 Table 3. Result of surface roughness test on specimens.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 알루미늄 합금을 이용하여 인가전압 및 유지시간의 차이에 따라 생성된 산화 피막의 특성과 실험조건에 따른 내마모성 변화를 관찰하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 Al 합금(wt% : 11.7 Si, 3.35 Cu, 0.57 Mg, 0.2 Fe, 0.04)의 PEO 공정에서 인가전압, 시간에 대해 형성되는 산화피막의 변화에 끼치는 영향을 확인하였으며 실험 조건 별 내마모성 평가를 수행하였다. ;인가전압 및 시간이 증가할수록 표면에 형성되는 산화피막의 두께가 증가하며, 반응이 진행될수록 가스발생량의 증가로 인해 산화피막 내 다량의 기공이 형성됨을 확인하였다. 또한 산화 피막의 두께가 두꺼워질수록 저항이 커지며 플라즈마를 발생시키기 위해 더 많은 전기 에너지가 필요하게 되면서 플라즈마의 크기가 커지게 되고, 이러한 플라즈마로 인해 더 큰 기공들이 형성되며 모재와 산화피막의 접착력을 떨어트리는 것을 확인하였다.

대상 데이터

PEO 처리에 사용된 전해액은 알칼리계 Na₂SiO₃(Alfa Aesar, 99.99%) 6g/L와 KOH(Duksan, 99.99%) 1g/L 를 증류수에 용해시켜 사용하였으며, 이때 전해액 의 pH는 12.3이고 이온전도도는 17.12 mS/cm로 측 정되었다. ;실험 시 AC power supply의 주파수를 60 Hz로 사용하였으며 370 V 이상에서 플라즈마가 형성됨을 확인하였다. 인가전압조건은 항복전압구간인 400V, 450V, 500V로 각각 5분, 15분, 20분의 시간을 인가하여 실험을 진행하였으며, 전압인 가방식은 정전압조건으로 진행하였다.
실험에 사용된 알루미늄 합금은 4007 알루미늄 합금의 개량형으로 조성은 표 1과 같으며, 30 mm × 50 mm × 5 mm(가로 ×세로 ×두께)크기의 판상 시험편으로 가공되었다. ;시험편은 균일한 표면 상태와 산화막 제거를 위해 연마지(SiC paper, #1000)로 연마하였으며 아세톤과 증류수를 이용하여 시편을 세척 후 건조하였다.

이론/모형

PEO 처리 후 SEM(Scanning Electron Microscope, VEGA3 LMH, TESCAN)을 이용하여 표면에 생성된 산화피막의 형상 및 단면을 관찰하였고 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectro-scopy, Oxford EDS, TESCAN)를 통해 성분분석을 하였다. 또한 공초점 레이저 현미경(Olympus LEXT 5000)으로 각 시험편에 형성된 산화피막의 평균조도를 측정하였으며, 왕 복 운동 평면 마모 시험 장치를 사용하여 내마모성 평가(KS D 8314)를 진행하였다. ;시험 장치는 시험 편 부착대, 마찰 바퀴, 마찰 운동기구, 하중 부가 장치, 마찰 횟수 판독기 등으로 구성되어 있으며 그림 3에 나타내었다.

성능/효과

인가전압 및 시간이 증가할수록 표면에 형성되는 산화피막의 두께가 증가하며, 반응이 진행될수록 가스발생량의 증가로 인해 산화피막 내 다량의 기공이 형성됨을 확인하였다. 또한 산화 피막의 두께가 두꺼워질수록 저항이 커지며 플라즈마를 발생시키기 위해 더 많은 전기 에너지가 필요하게 되면서 플라즈마의 크기가 커지게 되고, 이러한 플라즈마로 인해 더 큰 기공들이 형성되며 모재와 산화피막의 접착력을 떨어트리는 것을 확인하였다.
99 μm의 비교적 불균일한 조도의 산화피막이 형성된 것을 확인하였다. 이러한 결과로 보았을 때 불규칙적인 다량의 기공 발생은 산화 피막과 모재의 결합력에 영향을 미치며 이 결합력과 형성된 산화피막의 균일함이 내마모성에 영향을 미치는 중요한 인자로 판단이 된다.
04)의 PEO 공정에서 인가전압, 시간에 대해 형성되는 산화피막의 변화에 끼치는 영향을 확인하였으며 실험 조건 별 내마모성 평가를 수행하였다. 인가전압 및 시간이 증가할수록 표면에 형성되는 산화피막의 두께가 증가하며, 반응이 진행될수록 가스발생량의 증가로 인해 산화피막 내 다량의 기공이 형성됨을 확인하였다. ;또한 산화 피막의 두께가 두꺼워질수록 저항이 커지며 플라즈마를 발생시키기 위해 더 많은 전기 에너지가 필요하게 되면서 플라즈마의 크기가 커지게 되고, 이러한 플라즈마로 인해 더 큰 기공들이 형성되며 모재와 산화피막의 접착력을 떨어트리는 것을 확인하였다.

후속연구

이러한 결과를 통해 알루미늄 합금의 내마모성 향상은 내부 기공의 크기와 분포가 적은 산화피막 을 형성시키게 중요하다 판단되며 PEO 공정 시, 기공 형성을 최소화 시키는 조건 도출 및 봉공 처리 등과 같은 후처리 공정으로 알루미늄 합금의 내마모성을 향상시키는 추가적인 연구를 진행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	알루미늄 합금의 특징은?	최근 많은 산업분야에서 경량화가 이루어지고 있으며, 특히 알루미늄 합금은 우수한 가공성, 전도성, 경량성, 비자기성으로 우주항공 및 자동차 산업 등에서 광범위하게 사용된다. 그러나 일부 분야에서 취약한 내마모성으로 인해 부품 성능이 저하되는 문제를 야기한다.
	산화 피막의 두께가 두꺼워 질수록 어떻게 되는가?	인가전압 및 시간이 증가할수록 표면에 형성되는 산화피막의 두께가 증가하며, 반응이 진행될수록 가스발생량의 증가로 인해 산화피막 내 다량의 기공이 형성됨을 확인하였다. 또한 산화 피막의 두께가 두꺼워질수록 저항이 커지며 플라즈마를 발생시키기 위해 더 많은 전기 에너지가 필요하게 되면서 플라즈마의 크기가 커지게 되고, 이러한 플라즈마로 인해 더 큰 기공들이 형성되며 모재와 산화피막의 접착력을 떨어트리는 것을 확인하였다.
	알루미늄 합금이 내마모성이라는 단점을 극복하기 위해 하는 방법은?	그러나 일부 분야에서 취약한 내마모성으로 인해 부품 성능이 저하되는 문제를 야기한다. 내마모성이 중요하게 요구되는 분야에서는 이러한 단점을 보완하기 위해 표면처리를 도입한다 [1-2]. 산화피막을 형성하는 표면처리 방법인 플라즈마 전해 산화(PEO, Plasma Electrolytic Oxidation)는 양극산화의 진보된 기술로써 공정시간이 짧고 치밀하며 단단한 산화피막을 형성시킬 수 있으며, 작업 공정에서 환경적 부담이 적다 [3-4].

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