[논문]6xxx계 알루미늄 합금의 경질 아노다이징 피막 형성 특성 연구

문상혁; 문성모; 임수근

doi:10.5695/jkise.2019.52.4.203

6xxx계 알루미늄 합금의 경질 아노다이징 피막 형성 특성 연구
Formation Characteristics of Hard Anodizing Films on 6xxx Aluminum Alloys 원문보기

한국표면공학회지 = Journal of the Korean institute of surface engineering, v.52 no.4, 2019년, pp.203 - 210

문상혁 (경상대학교 재료공정융합공학과) , 문성모 (재료연구소 표면기술연구본부) , 임수근 (경상대학교 재료공정융합공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this work, anodizing behavior of 6xxx series aluminum alloys was studied under constant current density and constant voltage conditions in 20% sulfuric acid solution by V-t curves, I-t curves, thickness measurement, observations of surface appearance and cross-sectional observation of anodizing films. The film growth rate of the anodizing films on Al6063, Al6061 and Al6082 obtained at 20 V were $0.63{\mu}m/min$. $0.46{\mu}m/min$ and $0.38{\mu}m/min$, respectively. Time to the initiation of imperfections at the oxide/substrate interface under constant current condition was shortened and colors of anodizing films became darker with the amount of alloying elements in 6xxx series aluminum alloys. Based upon the experimental results obtained in this work, it is concluded that maximum anodizing film thickness without interfacial defects is reduced with increasing amount of alloying elements and brighter anodizing films can be obtained by decreasing amount of alloying elements in the aluminum alloys.

주제어

표/그림 (10)

표 Table 1. Al 6063, 6061 and 6082 alloy compositions.
표 Table 2. Experimental conditions used for anodizing of Al6xxx alloys.
그림 Fig. 1. V-t curves of Al6063, Al6061 and Al6082 alloys with anodizing time at 40 mA/cm², 0±0.5^oC and 300 rpm of magnetic stirring in 20% H₂SO₄ solution.
그림 Fig. 2. Thickness of anodic oxide films on different Al alloys with anodizing time at 40 mA/cm², 300 rpm and 0±0.5^oC in 20% sulfuric acid solution.
그림 Fig. 3. Photographs of anodized (a) Al6063, (b) Al6061 and (c) Al6082 alloys for various durations at 40 mA/cm² and 0±0.5^oC in 20 vol.% sulfuric acid solution.
그림 Fig. 4. I-t curves of (a) Al6063, (b) Al6061 and (c) Al6082 alloys with anodizing time at various applied voltages in 20% H₂SO₄ solution at 0±0.5^oC and 300 rpm of magnetic stirring.
그림 Fig. 5. I-t curves of (a) Al6063, (b) Al6061 and (c) Al6082 alloys with anodizing time at 20 V, 0±0.5^oC and 300 rpm of magnetic stirring in 20% H₂SO₄ solution.
그림 Fig. 6. Thickness of anodic oxide films on (a) Al6063, (b) Al6061 and (c) Al6082 alloys with anodizing time at 20 V, 0±0.5^oC and 300 rpm of magnetic stirring in 20% H₂SO₄ solution.
그림 Fig. 7. Cross-sectional CSLM (Confocal Scanning Laser Microscopy) images of (a) Al6063, (b) Al6061 and (c) Al6082 alloys anodized for 40 min at 20 V and 0^oC in 20% sulfuric acid solution.
그림 Fig. 8. Photographs of Al6xxx alloys with etching time at RT in 1 M NaOH solution.

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 Al6xxx계 합금의 경질 아노다이징 피막 형성에 미치는 합금성분들의 영향을 관찰하기 위하여 Al6063, Al6061 그리고 Al6082의 세 가지 합금소재에 대하여 정전류 및 정전압 조건에서 피막 성장 속도, 피막 결함 생성 및 피막 색상의 관점에서 연구하였다. 또한 Al6xxx계 합금들을 알칼리 용액에서 에칭하여 표면에 잔존하는 석출물들의 양을 에칭시간에 따라 관찰하였다.

제안 방법

% 황산용액을 사용하여 0±0.5oC의 온도 및 300 rpm의 마그네트 교반을 하면서 정전류 및 정전압법으로 행해졌으며, 자세한 실험 조건은 표 2와 같다.
이에 본 연구에서는 Al6xxx계 합금의 경질 아노다이징 피막 형성에 미치는 합금성분들의 영향을 관찰하기 위하여 Al6063, Al6061 그리고 Al6082의 세 가지 합금소재에 대하여 정전류 및 정전압 조건에서 피막 성장 속도, 피막 결함 생성 및 피막 색상의 관점에서 연구하였다. 또한 Al6xxx계 합금들을 알칼리 용액에서 에칭하여 표면에 잔존하는 석출물들의 양을 에칭시간에 따라 관찰하였다.
본 연구에서는 Al6063, Al6061 그리고 Al6082 세 가지 서로 다른 소재를 이용하여 알루미늄 합금원소가 아노다이징 피막의 성장속도, 결함 발생 그리고 색상의 변화에 대하여 어떠한 영향을 미치는지 정전류 및 정전압 조건 하에서 연구한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
5^oC의 온도 및 300 rpm의 마그네트 교반을 하면서 정전류 및 정전압법으로 행해졌으며, 자세한 실험 조건은 표 2와 같다. 본 연구에서는 경질 양극산화피막을 빠르게 형성하기 위하여 40 mA/cm²의 전류밀도 및 18~26 V의 전압을 인가하여 아노다이징 실험을 행하였다. 아노다이징(Anodizing) 피막의 두께는 ISOSCOPE (Fischer)를 사용하여 10회 이상 측정하여 평균값을 얻었다.
얻어진 아노다이징 피막의 표면색상은 디지털 카메라로 촬영하여 소재의 합금성분에 따른 아노다이징 피막색상의 변화 양상을 알아보았다. 아노다이징 피막의 단면은 공초점주사레이저 현미경을 이용하여 관찰되었다. 알루미늄 6xxx 소재의 합금원소의 량을 알아보기 위하여 상온의 1 M NaOH 용액에 소재들을 침지하였으며, 침지시간에 따른 합금 소재들의 표면양상을 디지털카메라로 사진을 찍어서 분석하였다.
아노다이징 피막의 단면은 공초점주사레이저 현미경을 이용하여 관찰되었다. 알루미늄 6xxx 소재의 합금원소의 량을 알아보기 위하여 상온의 1 M NaOH 용액에 소재들을 침지하였으며, 침지시간에 따른 합금 소재들의 표면양상을 디지털카메라로 사진을 찍어서 분석하였다.
아노다이징 피막의 성장속도는 정전압 및 정전류 조건에서 시간에 따른 피막의 두께로부터 계산되었다. 얻어진 아노다이징 피막의 표면색상은 디지털 카메라로 촬영하여 소재의 합금성분에 따른 아노다이징 피막색상의 변화 양상을 알아보았다. 아노다이징 피막의 단면은 공초점주사레이저 현미경을 이용하여 관찰되었다.

대상 데이터

본 연구에서는 Al6xxx계열의 Al6063, Al6061 그리고 Al6082 의 세 가지 알루미늄 합금 소재를 아노다이징 실험에 사용하였으며, 소재 공급사로부터 제시된 각 소재의 성분은 아래 표 1에 나타내었다. 시편은 Ø 13 * 5 mm의 크기로 제작을 하였고, 에폭시에 마운팅한 후 단면을 #2000 SiC paper로 연마 후 실험에 사용되었다.
시편은 Ø 13 * 5 mm의 크기로 제작을 하였고, 에폭시에 마운팅한 후 단면을 #2000 SiC paper로 연마 후 실험에 사용되었다.

데이터처리

본 연구에서는 경질 양극산화피막을 빠르게 형성하기 위하여 40 mA/cm²의 전류밀도 및 18~26 V의 전압을 인가하여 아노다이징 실험을 행하였다. 아노다이징(Anodizing) 피막의 두께는 ISOSCOPE (Fischer)를 사용하여 10회 이상 측정하여 평균값을 얻었다. 아노다이징 피막의 성장속도는 정전압 및 정전류 조건에서 시간에 따른 피막의 두께로부터 계산되었다.

성능/효과

1. Al6063, Al6061 그리고 Al6082 세 가지 서로 다른 소재를 이용하여 40 mA/cm²의 정전류 조건하에서 실험한 결과, 피막내부의 결함이 발생하여 전압이 지수 함수적으로 빠르게 상승하는 시간은 각각 약 40분, 25분 그리고 15분으로 나타났다. 이는 소재 내에 포함되어있는 합금원소의 함량이 높고,알루미늄의 함량이 적을수록 산화피막의 내부결함이 빠르게 발생하여 피막이 더 얇은 두께에서 쉽게 파손된다고 할 수 있다.
3. Al6063, Al6061 그리고 Al6082 세 가지의 시편을 이용하여 피막 성장에 따른 표면색상을 관찰한 결과 동일한 피막 두께에서 Al6063 > Al6061 > Al6082순으로 밝게 나타났다. 또한 합금 내 석출물의 양은 Al6063 < Al6061 < Al6082순으로 나타났다.
40 mA/cm²의 정전류 조건에서 5분 동안 형성된 아노다이징 피막의 두께는 약 7 µm 이고 10분간 형성시킨 피막의 두께가 약 14 µm (그림 2 참조) 인 점을 고려해보면, 피막의 두께가 7 µm 이상이 되어야 피막의 색상이 어두워진다고 할 수 있다. 결론적으로 경질양극산화피막의 색상은 어느 임계 두께 이상에서 빠르게 어두워지며, 합금원소의 량이 많을수록 얇은 두께의 피막에서도 어두운 색상을 나타낸다고 할 수 있다.
Mg의 경우에는 황산용액에서 쉽게 용해되어 소모되기에 아노다이징 피막 형성효율을 저하시킨다. 본 연구에서 사용된 세 가지 소재는 Si 함량이 다른 소재로서 Si을 함유한 석출물들이 아노다이징 피막 형성에 가장 크게 영향을 준 것으로 판단된다. Si과 Mg을 포함하고 있는 석출물들이 아노다이징 피막 구조, 성장 속도 및 형성효율에 미치는 영향에 대한 연구는 추후 더 자세하게 진행될 예정이다.
그림 5는 Al6063, Al6061 그리고 Al6082 세 가지의 서로 다른 소재를 20 V의 정전압 조건하에서 아노다이징 처리 시간에 따른 전류밀도의 변화를 나타낸 그림이다. 세 가지 시편 모두 초기 전류밀도가 상승하였다가 아노다이징 처리 시간에 따라 천천히 감소하는 현상을 보였다. 정전압 조건에서 아노다이징 시간에 따른 양극전류밀도의 감소는 일반적으로 피막의 성장에 따라 저항이 증가하였기 때문으로 해석된다.
그림 1은 정전류 조건하에서 Al6063, Al6061 그리고 Al6082 세 가지 서로 다른 소재를 이용하여 아노다이징 처리 시간에 따른 피막형성전압의 변화를 나타내는 그림이다. 세 가지의 시편 모두 아노다이징 처리 시간에 따라 초기에 피막 형성전압이 서서히 선형적으로 증가하는 구간 및 전압이 빠르게 지수 함수적으로 상승하는 구간을 나타내었고, 이후 전압의 증가가 멈추고 오히려 감소되는 동일한 양상을 보여주고 있다. 전압이 초기에 상승하는 것은 피막의 두께가 증가함에 따라 피막내의 기공의 길이가 길어지는 만큼 저항이 증가하기 때문이다.
그림 4는 정전압 조건하에서 Al6063, Al6061 그리고 Al6082 소재의 시간에 따른 전류밀도의 변화를 나타낸 그림이다. 세 시편 모두 특정한 임계전압 이상에서는 시간에 따라 전류가 급격하게 증가하는 버닝 현상을 보이는 반면, 임계전압보다 약 0.5 V 낮은 전압에서는 약 1분까지 전류가 크게 증가했다가 감소되는 현상이 나타났으며 그 결과 그림 4에서 보는 것처럼 전류가 peak의 형태로 나타났다. 정전압 아노다이징 처리 시 전류가 Peak형태로 나타나는 것은 초기 1분까지는 joule 열로 인하여 기공이 빠르게 성장하였으나 많은 전류가 흘러 산화피막이 두껍게 형성되었기 때문으로 유추된다.
38 µm/min으로 나타났다.합금성분의 함량이 적을수록 아노다이징 피막 성장속도는 빠르게 나타났으며, 이는 합금성분이 많을수록 아노다이징 피막의 성장이 억제됨을 의미한다.

후속연구

본 연구에서 사용된 세 가지 소재는 Si 함량이 다른 소재로서 Si을 함유한 석출물들이 아노다이징 피막 형성에 가장 크게 영향을 준 것으로 판단된다. Si과 Mg을 포함하고 있는 석출물들이 아노다이징 피막 구조, 성장 속도 및 형성효율에 미치는 영향에 대한 연구는 추후 더 자세하게 진행될 예정이다.
그 결과 더 많은 전류가 흐르고 열의 발생이 더욱 많아져 자기활성적 반응으로 버닝에 이르는 것으로 사료된다. 알루미늄에 포함된 합금원소의 종류 및 량이 정전압 아노다이징 중 버닝이 일어나는 전압에 미치는 영향은 이어지는 연구에서 더욱 자세하게 연구될 예정이다.
정전압 아노다이징 처리 시 전류가 Peak형태로 나타나는 것은 초기 1분까지는 joule 열로 인하여 기공이 빠르게 성장하였으나 많은 전류가 흘러 산화피막이 두껍게 형성되었기 때문으로 유추된다. 정전압 아노다이징 조건에서 전류의 Peak이 나타나는 근본적인 이유는 추후 이어지는 연구에서 자세하게 논의될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Al6063, Al6061 그리고 Al6082 소재에 아노다이징처리를 하였을 때, 합금성분의 함량이 적을수록 아노다이징 피막 성장속도는 어떻게 나타났는가?	38 µm/min으로 나타났다.합금성분의 함량이 적을수록 아노다이징 피막 성장속도는 빠르게 나타났으며, 이는 합금성분이 많을수록 아노다이징 피막의 성장이 억제됨을 의미한다.
	아노다이징 피막의 물성은 어떤 인자에 의하여 달라지는가?	아노다이징은 양극전류를 금속 시폄에인가하여 표면에 산화피막을 만들어 줌으로써 내식성을 향상시키는 양극산화처리법 중의 하나이다. 금속 표면에서 형성된 아노다이징 피막의 물성은 전해질의 조성, 온도, 처리시간, 인가 전류밀도, 전류 형태, 인가전압, 합금원소의 종류 및 함량, 그리고 석출물의 크기 및 분포 등에 의해 달라질 수 있다[1-5]. 알루미늄 합금의 아노다이징 처리는 일반적으로 산성용액에서 이루어지며, 크게 황산법, 수산법, 인산법 및 크롬산법으로 나누어진다.
	황산 용액에서 정전류법으로 아노다이징 처리할 경우 어떤 시점에서 피막/금속 계면의 결함이 발생하는가?	정전압법으로 아노다이징 처리할 경우 상대적으로 균일한 두께의 피막을 얻을 수 있고 버닝을 막을 수 있으나 피막 두께를 제어하기 위해서는 처리할 때 마다 흐른 전하량을 확인하여 조절해야 하는 번거로움이 있다. 황산 용액에서 정전류법으로 아노다이징 처리할 경우 처리 시간에 따라 피막 형성전압이 지수 함수적으로 증가하기 시작하는 시점에서 피막/금속 계면의 결함이 발생하였다. 정전류 조건에서 처리시간에 따른 피막형성전압의 거동 및 아노다이징 피막의 파손은 합금의 조성에 의존하는 것으로 나타났다[6,7].

참고문헌 (10)

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Sungmo Moon, Kihun Jeong, Sugun Lim. Formation Behavior of Anodic Oxide Films on Al 6061 Alloy in Sulfuric Acid Solution, J. Corros. Sci. Soc. of Korea 51 (2018) 393-399.
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S. Moon, Y. Nam, C. Yang, Y. Jeong, Growth of anodic oxide films on AC2A alloy in sulphuric acid solution, Corrosion Science 53 (2011) 1547-1553.

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X. Zhou, G. e. Thompson, P. Skeldon, G. C. Wood, H. Habazaki, Film formation and detachment during anodizing of Al-Mg alloys, Corrosion Science 41 (1999) 1599-1613.

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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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