[논문]Al6061합금의 PEO 피막 형성에 미치는 AC 전류밀도의 영향

박철기; 문성모; 정인모; 윤대수

doi:10.5695/jkise.2019.52.3.138

Al6061합금의 PEO 피막 형성에 미치는 AC 전류밀도의 영향
Effect of AC Current Density on the PEO Film Formation of Al6061 Alloy 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.52 no.3, 2019년, pp.138 - 144

박철기 ((주)코다코 기술연구소) , 문성모 (재료연구소 표면기술연구본부) , 정인모 ((주)코다코 기술연구소) , 윤대수 (더원코리아)

Abstract ▼ AI-Helper

In this work, PEO (Plasma Electrolytic Oxidation) film formation behavior of Al6061 alloy was investigated as a function of applied current density of AC at 310 Hz in the range from $120mA/cm^2$ to $300mA/cm^2$ in 0.5 M $Na_2SiO_3$ solution. When applied current density is lower than a critical voltage of about $132mA/cm^2$, voltage reaches a steady-state values less than 120 V without generation of arcs and metallic color of the alloy surface remains. On the other hand, when applied current density exceeds about $132mA/cm^2$, voltage increases continuously with time and arcs are generated at more than 175 V, resulting in the formation of PEO films with grey colors. Two different types of arcs, large size and small number of arcs with orange color, and small size and large number of arcs with white color, were generated at the same time when the PEO film thickness exceeds about $50{\mu}m$, irrespective of applied current density. Formation efficiency of the PEO films was found to increase with increasing applied current density and the growth rate was obtained to be about $5{\mu}m/min$ at $300mA/cm^2$. It was also found that surface roughness of the PEO films with $70{\mu}m$ thickness is not dependent on the applied current density.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of experimental setup for PEO treatment.
그림 Fig. 2. V-t curves of Al6061 at various applied current densities of 310 Hz AC in 0.5 M Na₂SiO₃ solution.
그림 Fig. 3. V-t curves of Al6061 at various applied current densities of 310 Hz AC in 0.5 M Na₂SiO₃ solution.
표 Table 1. Chemical composition of Al6061
그림 Fig. 4. Photographs of arcs generated during PEO of Al6061 alloy at 150 mA/cm² 310 Hz AC in 0.5 M Na₂SiO₃ solution.
그림 Fig. 5. Photographs of arcs generated during PEO of Al6061 alloy at 200 mA/cm² 310 Hz AC in 0.5 M Na₂SiO₃ solution.
그림 Fig. 6. Photographs of arcs generated during PEO of Al6061 alloy at 250 mA/cm² 310 Hz AC in 0.5 M Na₂SiO₃ solution.
그림 Fig. 7. Photographs of arcs generated during PEO of Al6061 alloy at 300 mA/cm² 310 Hz AC in 0.5 M Na₂SiO₃ solution.
그림 Fig. 8. PEO film thickness-t curves of Al6061 with treatment time at various current densities of 310 Hz AC in 0.5 M Na₂SiO₃ solution.
그림 Fig. 9. PEO film growth rate on Al6061 with treatment time at various current densities of 310 Hz AC in 0.5 M Na₂SiO₃ solution.
그림 Fig. 10. Surface roughness of PEO films with the same thickness of about 72±2 μm on Al6061 formed at various current densities of 310 Hz AC in 0.5 M Na₂SiO₃ solution.

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 0.5 M Na₂SiO₃ 용액에서 Al 6061합금에 다양한 크기의 교류전류를 인가하여 플라즈마 전해산화피막을 형성시키고, 인가전류밀도에 따른 아크 발생거동 및 피막 성장 특성을 전압 -시간 곡선, 아크의 발생 사진, 피막의 두께 측정 및 표면 거칠기의 변화를 관찰하여 PEO피막의 형성에 미치는 인가전류밀도의 영향을 구체적으로 연구하였다. 또한 인가전류밀도에 따른 피막 형성 속도 및 피막 형성 효율의 변화에 대하여 자세하게 고찰하였다.

가설 설정

300 mA/cm²의 전류밀도를 인가하면 그림 7에서와 같이 단 10분 만에 큰 황색아크와 미세한 백색아크가 동시에 발생하는 구역에 도달함을 알 수 있다. 아크의 발생거동이 형성된 PEO 피막의 두께와 관련이 있다고 가정한다면, 인가된 AC전류밀도가 높아질수록 피막의 성장속도는 매우 빠르게 증가함을 유추할 수 있다.

대상 데이터

PEO 처리는 동명 전연에서 제작된 교류전원공급기를 이용하여 AC 310 Hz, 120 ~ 300 mA/cm² 의 전류밀도를 인가하여 행하여졌다. 보조전극으로는 200 cm² 면적의 304스텐리스판이 사용되었다. PEO 처리는 그림 1에서 보는 것처럼 시편전극 (Working electrode, WE) 과 보조 전극(Counter electrode, CE)만 사용하는 2전극법으로 이루어졌으며, 처리시간에 따라 전압을 측정하여 피막 형성전압-시간 곡선을 얻었다.
본 연구에 사용된 시편은 Al6061 소재로서 조성은 표 1과 같다. 시편은 지름 26 mm × 두께 4 mm의 디스크 형태로 가공 후 에폭시로 마운팅하여 한부분만 #2000 SiC paper로 연마 후 용액에 노출시켜 플라즈마전해산화 실험에 사용되었다.

이론/모형

PEO 처리 시 발생된 아크의 크기, 색상 및 개수 등을 관찰하기 위하여 디지털카메라를 사용하여 시편 표면을 촬영하였다. 얻어진 PEO 피막의 두께는 ISOSCOPE (Fischer)를 사용하여 측정되었으며, PEO 피막의 표면거칠기는 Mitutoyo SJ-400 Roughness Tester를 이용하여 측정하였다.

성능/효과

3. 0.5 M Na₂SiO₃ 수용액 내에서 Al6061 합금 표면에 아크의 발생과 함께 형성된 플라즈마전해산화 피막의 두께는 처리 시간에 따라 직선적으로 증가하는 경향을 나타내었으며, 피막 성장효율은 인가된 교류 전류밀도가 클수록 높아졌으며, 피막 성장속도는 300 mA/cm²에서 약 5 µm/min으로 나타났다.
4. 0.5 M Na₂SiO₃ 수용액 내에서 Al6061 합금의 표면에 플라즈마전해산화피막을 형성시키기 위해서는 임계 교류전류밀도가 존재하는 것으로 확인되었으며, 그 임계값은 310 Hz에서 약 132 mA/cm²로 나타났다.
5. 0.5 M Na₂SiO₃ 수용액 내에서 Al6061 합금 표면에 형성된 플라즈마전해산화피막의 표면거칠기는 동일한 두께의 피막일 경우 인가된 전류밀도의 크기와 무관하게 일정한 값을 나타내었다.
발생된 아크는 처리 시간의 증가에 따라 인가된 교류 전류밀도에 관계없이 크기는 증가하고 개수는 감소하는 특징을 나타내었다. 인가된 교류전류밀도에 관계없이 특정한 처리 시간이 지나면 아크는 크기가 크고 개수가 적은 오렌지 색상의 아크와 크기가 작고 개수가 많은 흰색 아크가 동시에 발생하는 현상이 나타났으며, 오렌지 색상의 아크와 흰색 아크의 두 가지 다른 아크가 동시에 발생되는 시점의 피막 두께는 약 50 µm로 확인되었다.

후속연구

이러한 전력비용은 PEO피막 형성에 필요한 시간을 줄여 공정가격을 낮추어 어느 정도 상쇄할 수 있을 것으로 판단된다. PEO피막의 형성에 소요되는 높은 전력량을 줄이기 위해서는 인가전류밀도를 더욱 크게 중가시키는 방법, PEO 피막 형성전압을 낮추는 방법, PEO피막의 형성효율을 높이는 방법 등에 대한 연구가 진행되어야 할 것이다.
두꺼운 PEO 피막이 존재하는 조건에서 큰 황색의 아크와 동시에 미세한 백색의 아크가 발생되는 이유는 현재로서는 설명하기 어렵다. 추후 백색의 아크가 두꺼운 PEO피막이 존재함에도 일어나는 이유에 대한 자세한 고찰이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	알루미늄 양극산화처리는 무엇인가?	이러한 부식문제를 완화시키기 위하여 알루미늄 소재의 표면에 화학적으로 피막을 형성시켜 주는 화성처리 또는 전기화학적으로 산화피막을 성장시켜 주는 양극산화 기술처리가 사용되고 있다 [1-2]. 알루미늄 양극산화처리는 알루미늄 제품에 양극전류를 인가하여 Al2O3 산화피막을 표면에 형성시켜 줌으로써 고경도 및 고내식성의 표면 특성을 부여하는 방법이다 [3]. 알루미늄 합금의 양극산화처리는 산성용액에서 행해지는 아노다이징 기술과 알칼리 용액에서 이루어지는 플라즈마전해산화 (plasma electrolytic oxidation, PEO) 기술이 있다.
	알루미늄 합금의 활용분야는?	알루미늄 합금은 항공기, 자동차, 기차, 생활용품, 건축, 레저 및 스포츠용품에 이르기까지 다양한 산업 분야에서 폭넓게 이용되고 있는 경량소재이다. 알루미늄 금속은 실제로 사용되는 환경 중에서 쉽게 부식이 쉽게 발생할 수 있다.
	플라즈마전해산화 피막의 형성에 영향을 주는 전류의 특성은?	전해질 조성 못지않게 플라즈마전해산화 피막의 형성에 영향을 주는 인자는 인가된 전류의 형태이다. 직류 전류 (Direct current, DC)에 비해 교류전류 (Alternating current, AC)나 펄스전류가 더 균일한 피막을 형성시키는 것으로 알려져 있다. 교류전류를 인가할 경우 PEO피막의 형성은 인가된 잔류의 주파수뿐만 아니라 인가된 전류밀도의 크기에 의존한다. 그러나 아직까지 알루미늄 합금의 PEO 피막 형성에 미치는 인가된 교류전류밀도 크기의 영향에 대한 연구결과는 매우 미미한 실정이다.

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