알루미늄 양극 산화 처리는 코팅의 강도에 따라 세 가지 유형으로 분류됩니다. 타입 I과 타입 II는 마찰이 적은 용도에 사용되는 반면, 타입 III 양극 산화 처리(하드 코트 양극 산화 처리)는 충분한 내마모성, 내식성 및 표면 경도가 요구되는 용도에 사용됩니다. 제1형은 크롬산 양극 산화 처리로, 두께는 0.0001”입니다. 일반적으로 황산 양극 산화 처리라고 불리는 것은 북미에서 MIL-A-8625 규정에 따라 명명된 타입 II이며, 두께는 1.8 μm에서 25 μm(0.00007인치에서 0.001인치)로 중간 정도입니다.
제3형(Type III)의 양극 산화막 두께는 13~150 μm(0.0005″~0.006″) 범위 내에서 형성될 수 있습니다. 양극 산화막이 두꺼울수록 부식, 마모 및 마찰에 대한 내성이 향상됩니다. 이러한 특성은 가공되지 않은 알루미늄 자체로는 얻을 수 없습니다. 경질 양극 산화 처리는 알루미늄 표면에 충분한 두께의 알루미늄 산화막을 형성합니다. 그러나 코팅 성능을 향상시키는 과정에는 후처리 처리를 포함한 일련의 방법이 수반됩니다. 이 가이드에서는 경질 양극 산화 처리의 공정, 특성 및 설계 고려 사항에 대해 설명합니다.
하드 코트 양극 산화 처리란 무엇인가요?
하드코트 양극 산화 처리는 때때로 제3형 양극 산화 처리 또는 간단히 하드 양극 산화 처리라고도 불립니다. 이는 전기화학적 변환 공정으로, 주로 알루미늄에 적용되어 알루미늄 부품 표면에 단단하고 두꺼운 알루미늄 산화막을 형성합니다.
경질 양극 산화 공정 중, 알루미늄 부품은 양극으로 직류 전원 공급 장치에 연결된 후 전해조에 담깁니다. 양극 산화 처리할 부품은 직류 전원 공급 장치의 음극 단자에 연결되어 음극 역할을 합니다. 직류 전원이 켜지면 알루미늄 부품 주변에서 이온 해리가 일어나 산소 이온이 방출됩니다. 이 이온들은 전해액 속의 알루미늄 부품과 반응하여 알루미늄 산화막을 형성합니다. 이 반응은 지속적으로 진행되며, 이 과정에서 전해액은 산화막의 일부를 동시에 용해시킵니다. 최종적으로 산화막의 형성과 화학적 용해 사이에 평형이 이루어집니다.
이러한 반응은 일반적인 양극 산화 처리 과정에서 흔히 나타나는 현상입니다. 경질 양극 산화 처리를 수행하기 위해서는 온도를 더 낮은 수준으로 조절하는 한편, 과도한 화학적 용해를 방지하기 위해 전류 밀도를 제어합니다. 결과적으로 이 공정은 더 많은 산화막이 형성되도록 합니다. 경질 양극 산화 처리는 기본적으로 상대적으로 높은 화학 물질 농도 때문에 다른 유형의 양극 산화 처리와 구별됩니다. 또한, 경질 양극 산화 처리의 처리 시간은 제1형 및 제2형보다 더 깁니다. 제3형 양극 산화 처리는 다음과 같이 요약할 수 있습니다.;
- 알루미늄 부품
- 표면 전처리
- 산성 전해질
- 제어된 직류 전류
- 산화물 성장
- 헹굼
- 선택 사항: 염색/밀봉
- 검사
III형 양극 산화 처리는 II형 양극 산화 처리와 어떻게 다른가요?
제조 오류를 방지하기 위해서는 세 가지 유형의 양극 산화 처리 간의 차이점을 이해하는 것이 중요합니다. 제1형은 크롬산을 전해질로 사용하는 반면, 제2형과 경질 양극 산화 처리는 모두 황산을 사용합니다. 제2형과 경질 양극 산화 처리를 분류하고 구별하는 것은 전기화학 공정 중 산성 전해질의 농도를 결정하는 데 도움이 됩니다. 다음 표는 두 가지 양극 산화 처리 공정의 차이점을 요약한 것입니다.
| 특징 | II형 양극 산화 처리 | III형 경질 코팅 |
|---|---|---|
| 주요 목적 | 외관, 부식 방지, 일반적인 표면 보호 | 마모, 마찰, 내구성, 공학적 성능 |
| 일반적인 도막 두께 | AAC 참조 데이터에서 약 1.8–25.4 µm | AAC 기준 데이터상 약 12.7–115 µm |
| 표면 경도 | 알루미늄 자체보다 높다 | 알루미늄 자체보다 훨씬 더 높다 |
| 내마모성 | 보통 | 높음 |
| 전형적인 외관 | 투명, 염색, 메탈릭 색상 | 합금이나 제조 공정에 따라 회색, 짙은 회색, 청동색, 갈색 또는 거의 검은색을 띠기도 함 |
| 차원적 영향 | 보통 비교적 작은 | 디자인에 반드시 반영되어야 함 |
| 염색 | 일반 | 가능은 하지만 색상 범위가 더 제한적입니다. |
| 씰링 | 부식 및 색상 안정성에 공통적으로 적용됨 | 용도에 따라 다름; 마모가 극심한 용도의 경우 씰을 사용하지 않을 수 있음 |
| 대표적인 적용 분야 | 소비자용 제품, 건축 자재, 하우징 | 슬라이딩 부품, 실린더, 피스톤, 기어, 공구, 항공우주용 하드웨어 |
II형 양극 산화 처리와 경질 양극 산화 처리 간의 성능 차이는 양극 산화막의 성질과 구조에서 비롯됩니다. 알루미늄 산화물은 알루미늄과 산소로 구성된 세라믹입니다. 산화막은 두껍고 기공을 가지고 있어, 자연 상태의 미처리 알루미늄보다 상대적으로 단단합니다. 하지만 엔지니어들은 단순히 경도에만 관심을 두는 것은 아닙니다. 오히려 표준 코팅 양극 산화 처리 과정에서는 내마모성, 내화학적 부식성, 내응력 및 내피로성과 같은 다른 매개변수들이 종합적으로 고려됩니다. 이러한 매개변수들은 알루미늄 합금 소재의 적절한 선정, 적절한 하중 분산 계산, 윤활 처리 및 표면 거칠기 제어를 통해 달성됩니다.
경질 양극 산화 처리 공정에서는 어떤 일이 일어나나요?
경질 아노다이징은 재료 준비부터 필요한 경우의 밀봉에 이르기까지 수많은 공정이 포함된 다단계 공정입니다. 이제 이러한 공정들을 단계별로 살펴보겠습니다.
사전 마감 처리, 세정 및 탈지, 에칭, 슬러지 제거, 경질 양극 산화 처리, 헹굼에 이르는 전체 경질 양극 산화 처리 공정을 포함합니다. 이를 통해 두께를 정밀하게 제어한 균일하고 치밀하며 내마모성이 뛰어난 경질 산화막을 형성합니다.
- 도장 전 준비 작업
양극 산화 처리 공정을 진행하기 전에 알루미늄 부품은 이미 제조되어 있어야 합니다. 부품 제조에 사용된 공정(CNC 가공 포함)에 관계없이, 부품에는 경질 양극 산화 처리 전에 세정 및 공학적 처리가 필요한 결함이 있을 수 있습니다. 공구 자국, 가공 자국, 버(burr), 이물질과 같은 결함은 양극 산화 처리 후에도 남아 있을 수 있습니다. 양극 산화 처리는 이러한 결함을 제거하기 위한 것이 아닙니다. 마감 전 준비 과정에는 모서리와 코너 상태 확인, 필요한 양극 산화 두께 결정, 최종 치수 공차 정의, 나사산 요구 사항 파악 등이 포함됩니다.
- 세척 및 탈지
알루미늄 부품은 제조 공정 후 이물질, 기름, 지문 등이 묻어 있을 가능성이 높습니다. 이러한 오염 물질을 제거하기 위해 양극 산화 처리 전에 부품을 세척합니다. 적절한 세척을 거치지 않으면 오염 물질로 인해 접착 문제, 산화막의 불균일한 형성, 변색 등이 발생할 수 있습니다.
- 에칭
알루미늄 부품은 양극 산화 처리 전에 특정 표면 마감을 얻기 위해 알칼리 처리나 기타 관련 화학 처리를 거칩니다. 에칭 처리는 표면 질감을 변화시키는 동시에 불필요한 재료를 제거합니다.
- 이물질 제거
에칭 과정에서 아연, 마그네슘, 구리, 실리콘과 같은 알루미늄 합금과의 화학 반응으로 인해 표면에 불용성 잔류물이 생성될 수 있습니다. 데스머팅은 이러한 잔류물을 제거하여 양극 산화 처리를 위한 깨끗한 표면을 만들어 줍니다.
- 경질 양극 산화 처리
준비가 완료되면, 해당 부품을 전해액 욕조에 담그고 양극으로 연결하여 직류 전원에 연결합니다. 이 전기화학 공정은 화학 농도, 온도, 전류 밀도, 교반 및 양극 산화 시간을 제어하는 공정 제어기에 의해 관리됩니다. 온도를 높이는 기존의 양극 산화 처리와 달리, 경질 양극 산화 처리는 온도를 낮추고 양극 산화 시간을 늘리는 방식으로 진행됩니다.
- 헹굼
양극 산화 처리 후에는 잔류 반응 생성물과 전해질을 제거하기 위해 헹굼 공정이 이어집니다. 헹굼 공정은 변색 및 부식 관련 결함을 방지하는 데 도움이 됩니다.
필요한 경우, 제조업체는 부품에 염색 및 밀봉 처리를 할 수 있습니다.
경질 양극 산화 처리는 어떤 특성을 제공하나요?
하드 코트 양극 산화 처리는 내마모성, 내식성, 전기 절연성 및 표면 내구성을 제공합니다.
내마모성
기계 및 움직이는 부품을 포함하는 대부분의 공학 분야에서는 접촉 부위의 맞물림으로 인한 마모가 발생합니다. 훌륭한 공학 설계는 내마모성을 고려해야 합니다. 경량성이라는 장점 덕분에 널리 사용되는 금속인 알루미늄은 내마모성을 높이기 위해 경질 양극 산화 처리가 필요합니다. 이를 통해 알루미늄 부품의 마모성이 향상되고, 더 나은 미끄럼 접촉이 가능하며, 다른 부품과 마찰을 일으킬 수 있게 됩니다. 이러한 내마모성 덕분에 양극 산화 처리된 알루미늄은 밸브 부품, 실린더, 가이드 등 다양한 분야에서 활용될 수 있습니다.
내식성
알루미늄 표면이 작업 환경과 직접 접촉하지 않도록 하면 알루미늄의 부식을 방지할 수 있습니다. 알루미늄 산화막은 이러한 목적을 효과적으로 수행하며, ASTM B580에 정의된 엄격한 시험 요건을 충족하는 보호막을 형성합니다. [1]. 그러나 알루미늄의 내식성 효과는 도막 두께, 밀봉 조건, 사용된 알루미늄 합금의 종류, 그리고 알루미늄 표면의 잠재적 결함에 따라 달라집니다.
전기 절연
내마모성과 내식성 외에도, 알루미늄 산화물은 전기 절연성을 향상시킵니다. 알루미늄 산화물은 절연체입니다. 이 산화층은 노출된 알루미늄에서 발생할 수 있는 전류 전도를 방지합니다. 그러나 알루미늄 산화층은 절연 파괴 전압이 코팅층을 우회하지 못하도록 충분히 두꺼워야 합니다. 따라서 하드코트 양극 산화 처리를 통해 형성된 두꺼운 산화층은 효과적인 전기 절연체 역할을 합니다.
표면 내구성
하드 코트 양극 산화 처리는 두꺼운 표면 코팅을 형성하여 부품의 작동 및 취급 과정에서 발생하는 긁힘이나 기타 표면 손상을 줄여줍니다. 그러나 이 두꺼운 코팅이 부품이 기계적 손상으로부터 완전히 보호된다는 보장은 없습니다. 매우 높은 접촉 응력이나 충격이 가해지면 부품의 산화막이 파열되어 파손으로 이어질 수 있습니다.
가장 흔한 경질 양극 산화 처리 결함은 무엇인가요?
경질 아노다이징 과정에서 흔히 발생하는 결함으로는 타는 현상, 두께 불균일, 색상 편차, 표면 결함, 균열 또는 취성 손상 등이 있습니다.
특히 고온 또는 고전류 밀도의 경질 코팅 양극 산화 처리 과정에서 국부적인 과열이나 비정상적인 산화막 성장이 발생할 수 있습니다. 이러한 현상을 ‘번닝(burning)’이라고 합니다. 번닝은 또한 전해액의 순환이 불충분하거나 형상 특성으로 인한 전류 집중으로 인해 발생할 수도 있습니다.
두께 불균일은 대개 부품 형상, 전해액 순환, 전류 분포 및 국부적인 발열로 인해 발생합니다. 때로는 이러한 요인들이 가공 자국, 내포물, 흠집과 같은 표면 결함을 유발할 수 있습니다.
내마모성과 내식성을 위해 두꺼운 양극 산화 처리가 권장되지만, 이로 인해 형성된 두꺼운 알루미늄 산화막은 특히 큰 기계적 하중이 가해질 때 취성이 강해집니다. 따라서 이를 고려한 설계 및 제조 공정이 필요합니다.
엔지니어들은 언제 타입 II 대신 하드 코팅 양극 산화 처리를 선택해야 할까요?
일반적으로 엔지니어들은 표면 내구성이 주요 기술적 요구 사항일 때 하드 코트 양극 산화 처리를 선택합니다. 그 밖의 요구 사항으로는 높은 내마모성, 뛰어난 표면 경도, 전기 절연성 및 미끄럼 마모 저항성 등이 있습니다. 또한, 엔지니어들이 내식성을 향상시키기 위해 비교적 두꺼운 보호 산화막을 형성하고자 할 때는 제3형(Type III)이 선호됩니다. 실질적으로, 엔지니어들은 반복적인 접촉이 발생하는 작동 환경에서 수명이 긴 부품을 추구합니다.
반면, 엔지니어들은 색상, 외관, 치수 영향 최소화 및 일반적인 부식 방지가 주요 고려 사항일 경우 제2형(Type II)을 선택합니다. 예를 들어, 습기와 지문에 노출되는 알루미늄 하우징을 생각해 보십시오. 이 부품은 고강도 설계가 필요하지 않습니다. 따라서 엔지니어들은 Type II 양극 산화 처리를 선택하게 됩니다. 만약 동일한 부품이 그 위를 미끄러지는 강철 메커니즘이 작동하는 환경에 노출된다면, 보호 기능을 강화해야 합니다. 이 경우 엔지니어들은 하드 코트 양극 산화 처리를 선택하게 됩니다.
참조
[1] ASTM International. (2019). ASTM B580-79(2019) 알루미늄 양극 산화 피막에 대한 표준 사양. ASTM 표준 데이터베이스. https://www.astm.org/b0580-79r19.html
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