플라즈마 전해산화에 의해 제조된 AZ91 Mg 합금의 산화피막층의 형성에 관한 연구

Abstract

마그네슘 합금은 밀도가 알루미늄 합금의 2/3정도인 1.8g/cm3로서 상용 구조용 합금 (구조용 상용 합금) 중에서 최소의 밀도를 가짐과 동시에 우수한 비강도 및 비탄성 계수를 갖추고 있으며 주조성이나 절삭가공성, 치수 안정성이 우수하다. 또한 진동, 충격에 대한 흡수성이 탁월하고 전기 및 열전도도, 가공성 및 고온에서의 피로, 충격 특성 등이 우수하고 각종 전기 기기 부품 등에서 발생하는 전자파를 효율적으로 차폐할 수 있는 전자파 차폐 특성을 보유하고 있어서 현재 경량화에 요구되는 자동차 부품과 정밀 전자기기 부품 등에도 수요가 증가되고 있는 추세이다. 그러나 마그네슘은 실용금속 중 전기화학적으로 가장 불안정한 금속으로 극히 활성적이기 때문에 일반적으로 표면처리를 실시하지 않을 경우 대기 중이나 용액 중에서 매우 빠르게 부식되는 특징을 나타낸다. 최근에 마그네슘 합금의 내식성을 향상시키기 위해 많은 관심을 끌고 있는 플라즈마 전해산화(Plasma Electrolytic Oxidation, PEO) 공정은 마그네슘 합금 등의 경량금속들에 적용할 수 있는 표면 처리 방법으로서, 전해액 내에 코팅 피사체를 침지한 상태에서 그 표면에 제한적인 플라즈마 방전을 유도하고, 그 에너지를 이용하여 모재를 세라믹 층으로 변이시킴으로써 극도로 치밀하고 밀착성이 매우 우수한 세라믹 박막을 얻을 수 있는 표면처리 방법이다. 본 연구에서는 플라즈마 전해산화 공정동안 1) 전해액내의 F- 이온의 첨가에 따른 AZ91 Mg 합금의 피막층의 특성 및 부식특성, 2) 전해액내에 존재하는 KOH의 농도에 따른 피막층의 특성 및 부식특성, 3) 후열처리 공정에 따른 피막층의 특성, 4) 전해액내에 존재하는 KMnO4가 AZ91 Mg 합금의 피막층의 특성 및 부식특성, 5) 전해액내의 Ni2+ 이온의 첨가에 따른 피막층의 특성에 대해 살펴본 결과 다음과 같은 중요한 결론을 유도할 수 있었다. 1. 전해액내의 F- 이온의 첨가에 따라 피막층의 성장속도가 증가하였고 피막층내에 MgO, Mg2SiO4, MgF2의 상이 존재함을 확인하였다. 피막 형성 초기 과정에서 양극 산화 피막에 석출되어 피막층과 소재의 계면인 핵심 기능층에서 주로 MgF2로 존재하였다. F- 이온을 첨가한 전해액에서 피막을 형성시킨 AZ91 Mg 합금의 부식 전류 밀도는 피막처리를 실시하지 않은 AZ91 Mg 합금보다 3차수 이상 느린 부식전류 밀도를 나타내었고 F- 이온을 첨가하지 않고 피막처리된 샘플보다 한 차수 이상 느린 부식전류 밀도를 나타내었다. 2. KOH 농도가 높은 전해액에서 피막처리된 샘플은 KOH 농도가 낮은 전해액에서 피막 처리된 샘플보다 낮은 breakdown 전압을 나타냈고 피막층에 존재하는 MgO의 분율(25.4 Conc.%)이 높게 나타났고 우수한 부식특성을 나타내었다. 3. 동일한 피믹처리 조건에서 피막처리된 샘플을 100 ~ 250 oC 까지 10시간 동안 후열처리를 실시한 결과, 어닐링 온도가 증가함에 따라 피막층에 존재하는 MgO의 분율이 증가하였고 그에 따라 경도가 증가하였다. 그러나, 200 oC 이상에서 어닐링 처리된 샘플의 피막층은 열팽창에 의해 표면에 많은 크랙이 발생하였고 이로인해 낮은 부식저항성을 나타내었다. 4. 전해액내의 KMnO4를 첨가하여 피막처리를 실시한 결과, 균일하고 치밀한 피막층의 형성되었고 피막층이 성장함에 따라 표면 색상은 짙은 갈색으로 변하였다. EDS 분석결과, 피막층이 성장함에 따라 망간의 양이 증가하였고 망간은 피막층에서 Mn2O3 상으로 존재하였다. 또한 KMnO4가 첨가된 전해액에서 피막처리된 샘플의 부식저항성이 우수하게 나타났다. 5. Ni 이온이 첨가된 전해액에서 피막처리된 샘플의 피막성장속도는 1.68 ㎛/min으로 나타났고 균일하고 치말한 피막층을 형성하였다. 피막층이 성장함에 따라 표면 색상은 짙은 고동색상의 계열을 나타났다. Ni 이온은 피막층에서 Ni2O3의 상으로 존재하였고 피막층이 성장함에 따라 피막층내에 존재하는 Ni의 양이 증가하였고 부식특성 및 경도가 증가하였다.