Correlation Study Between Current Density and Process Parameters Affecting the Surface Roughness of 316L Stainless Steel in Electropolishing Process

Abstract

본 연구는 316L 스테인리스 스틸 튜브의 전해연마 공정 인자들이 전류밀도에 미치는 상관관계를 분석하여 산업 규모 전해연마 공정의 표면조도 관리를 목적으로 진행되었다. 스테인리스 스틸 전해연마 공정은 양극에 연결된 스테인리스 스틸과 음극의 구리 상대전극, 인산-황산-물 혼합 전해액을 사용한다. 전압을 인가하면 전해액과 접촉하고 있는 스테인리스 스틸 표면에서 금속이온의 용해에 따른 평활 작용이 지속되면서 표면조도가 낮아진다. 균일한 표면조도를 유지하기 위해서는 전해연마 공정 중에 전류밀도를 일정하게 유지하는 것이 중요하다. 하지만 전해연마 산업 현장에서는 전류밀도에 부정적인 원인들이 다양하게 존재하기 때문에 이러한 변수들이 전류밀도에 미치는 특성을 이해하는 연구가 필수적이다. 본 논문의 주요내용은 다음과 같다. 1) 산업용 DC 정류기에서 얻어지는 전해연마 공정 변수 별 전류-전압 특성 고찰, 2) 전해연마 공정에서 스테인리스 스틸 초기 표면 거칠기가 전류밀도 및 전해연마 표면에 미치는 영향 분석, 3) 노화된 전해액 특성이 전류밀도 및 전해연마 공정에 미치는 영향에 대해 중점적으로 연구하였다. 첫 번째로, 산업용 DC 정류기를 이용하여 전해연마 공정을 위한 I-V 곡선 도출에 대해 연구하였다. 전해연마 공정에서 I-V 곡선은 연마반응이 발생하는 전압이나 전류 범위를 얻을 수 있다. 대부분의 I-V 곡선은 실험실 규모의 전위차계로부터 얻어지는 결과이기 때문에 산업현장의 전해연마 공정에 적용하기에는 적절하지 않다. 따라서 전해연마 필드에서 사용되는 산업용 DC 정류기로부터 I-V 곡선을 유도하는 방법을 제시하였다. 일반적인 산업용 정류기는 전위차계에 비해 제어 가능한 변수나 수집할 수 있는 데이터가 정밀하지 않지만, 최대한 낮은 인가전압 속도에서 얻어지는 전류 값으로도 I-V 곡선을 충분히 도출할 수 있다. 스테인리스 스틸과 전해액 간의 I-V 분극 곡선은 전류밀도 거동에 따라 전해연마에 적절한 전극 간격, 전해액 온도 및 유량 조건을 제시할 수 있다. I-V 곡선에 나타나는 에칭, 연마, 피팅이 발생하는 전압 예측 구간은 전해연마 실험을 통해 증명 가능하다. 스테인리스 스틸의 전해연마 공정에서 에칭이 발생하는 전압 구간에서는 전류밀도의 상승 이후 일정하게 유지하는 특징이 있다. 연마가 발생하는 전압 구간에서는 산화피막의 생성에 따른 전류밀도의 급격한 상승 이후 피막 용해와 생성이 반복되면서 안정화되는 거동을 나타낸다. 피팅이 발생하는 전압 범위에서는 연마 구간 전압과 유사한 전류밀도 거동을 나타내는데, 전류밀도의 상승 및 감소 후에 전류밀도의 2차 재상승 구간이 나타난다. 산업용 DC 정류기로 전류밀도의 거동을 모니터링하게 되면 전해연마 공정 변수 설정 및 제어가 가능하다. 다음으로 스테인리스 스틸 튜브의 내면 표면조도가 전류밀도에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 스테인리스 스틸 튜브의 내면 거칠기는 튜브 제조 공정 중 인발 공정에서 다이스와의 마찰에 의해 소성 변형이 발생하면서 결정된다. 또한 스테인리스 스틸의 용해/제련 공정에서 생성된 비금속 개재물이 인발 공정에서 표면에 드러나면서 표면조도를 높이는 원인이 되기도 한다. 산업용 DC 정류기의 I-V 곡선에서는 스테인리스 스틸의 초기 표면조도가 높을 때 동일 전압에서 전류밀도가 더 높게 나타난다. 전해연마 공정에서는 양극 스틸 표면에서는 불균일한 전류밀도의 원인이 되는 산소가스가 발생하게 되는데, 금속의 초기 표면조도가 높을 경우 산소가스가 전해액의 흐름 방향으로 배출되지 못하고 스틸 표면의 피크 부분에 정체되면서 피팅을 생성시킨다. 따라서 전해액 온도를 높이고 유량을 증가시켜 기포를 배출해야 한다. 초기 표면 거칠기는 전해연마 시간에도 영향을 미친다. 초기 표면조도가 높을 경우 산소 기포로 인한 균일하지 않은 전류밀도 특성을 나타내기 때문에 연마면에 피팅이 존재한다. 따라서 연마시간을 늘려야 하지만 생산성 및 비용 측면에서 부정적이다. 뿐만 아니라 높은 표면 거칠기는 전해연마 시 더 높은 전류밀도를 요구하기 때문에 연마시간이 길어지게 되면 금속 용출량도 증가하여 연마 후 튜브의 정밀도를 만족하기 어렵다. 따라서 전해연마 공정에서는 초기 표면조도의 관리가 중요하다. 전해액 오염은 산업규모 전해연마에서 고려해야 하는 또다른 중요한 문제이다. 스테인리스 스틸 전해연마 공정에서 사용되는 인산-황산-물 혼합 전해액은 장기간 사용으로 인해 노화가 발생한다. 따라서 사용 시간에 따른 전해액 특성을 분석하고, 전해액 노화가 전류밀도에 미치는 영향을 평가하였다. 전해연마 공정시간이 증가함에 따라 전해액의 양극에 연결된 스테인리스 스틸의 Fe, Cr, Ni 금속 이온은 지속적으로 용출된다. 따라서 전해액 내 금속 이온의 농도가 증가하여 전기전도도를 감소시킨다. 전극 저항으로 인한 열 발생은 전해액 온도를 상승시키고, 수분과 금속 양이온의 수화물 형성으로 전해액 내 수분이 지속적으로 감소하는 것을 확인하였다. 수화물 증가에 의한 전해액의 pH는 상승하고, 수화물의 축적은 슬러지를 형성하여 전해액의 비중을 증가시킨다. 이러한 원인들은 전해연마 공정에서 전류밀도에 부정적인 영향을 미친다. 전해액 내 금속이온 농도증가에 의한 전기전도도의 감소는 전류밀도를 낮추기 때문에 더 높은 전압의 인가가 필요하게 된다. 슬러지는 상대전극을 오염시켜 전류밀도를 낮추는 원인이 되기 때문에 전해액 사용시간이 오래될수록 상대전극의 세척이 필수적으로 요구된다. 오염된 전해액 사용은 더 긴 연마시간을 요구하지만 연마 표면에 피팅을 유발한다. 따라서 전해액 사용시간에 따른 적정한 금속 이온 농도 관리가 필요하며, 산업 현장에서는 전해액의 전기전도도 측정결과 및 슬러지 발생 유무에 따른 전해액 교체 기준을 마련해야 한다. 상기 연구결과를 종합하면, 산업 규모의 스테인리스 스틸 전해연마 공정에서 전류밀도는 전극 간 거리, 전해액 온도 및 유량, 초기 표면조도, 전해액 오염에 영향을 받는다. 이러한 공정 변수들은 산업용 DC 정류기로 전류밀도의 변화를 모니터링할 수 있으며, 이를 통해 전해연마 현장에 적합한 공정조건 도출 및 제어가 가능하다. |This study evaluates the effect of electropolishing process parameters on current density for industrial electropolishing application of 316L stainless steel tube for semiconductor process. In the stainless steel electropolishing process, the I-V curve must be studied in advance to obtain an appropriate voltage or current condition for the polishing to occur. However, in most researchers or industrial sites, the I-V curve derived with a laboratory-scale potentiostat is inappropriate for the application of the electropolishing process in the industrial field. In this paper, a method for deriving a rough I-V curve from an industrial-scale DC rectifier is presented. The polarization data of stainless steel and electrolyte can be obtained by controlling the voltage application rate of the industrial rectifier. According to the behavior of current density in the I-V curve obtained from an industrial DC rectifier, it is possible to suggest appropriate electrode spacing, electrolyte temperature and flow rate conditions for electropolishing. In addition, it is possible to prove the voltage range in which etching, polishing, and pitting of the I-V curve are predicted by electropolishing experiments. In the electropolishing process of stainless steel, the current density is kept constant at the low voltage where etching occurs. In the voltage range in which polishing occurs, the current density increases as the oxide film is initially formed, and is maintained after decreasing as the oxide film is dissolved. At the voltage at which pitting occurs, a secondary increase in current density appears due to the rapid dissolution and regeneration of the oxide film at the beginning of electrolytic polishing. It is possible to set and control industrial electropolishing process parameters of stainless steel with I-V curve and current density characteristics using an industrial DC rectifier. To obtain a smooth and glossy electropolishing surface of stainless steel tube, it is important to control the current density in the electropolishing process. In the field of electropolishing industry, the initial surface roughness of a metal must always be controlled as it affects the electropolished surface roughness. The initial surface of the inner surface of the stainless steel tube becomes rough as plastic deformation occurs during the tube drawing process, and non-metallic inclusions in the alloy also affect the initial surface roughness. The polarization test using an industrial DC rectifier shows that stainless steel with high initial internal roughness requires high current density for electrolytic polishing. In addition, the initial high surface roughness causes current density fluctuations in the electropolishing process. During electropolishing, oxygen bubbles generated by the dissolution of the oxide film on the surface of the anode metal should be quickly discharged, but the more peaks on the metal surface, the more bubbles are not discharged and stagnation is repeated. Therefore, in samples with high initial surface roughness, pitting occurs relatively frequently due to non-uniform current density. Therefore, it is necessary to rapidly discharge oxygen bubbles by increasing the temperature and flow rate of the electrolyte. The initial surface roughness of the metal also affects the electropolishing time. When the initial surface roughness is high, a longer polishing time is required to reduce pitting caused by non-uniform current density, which is negative in terms of productivity and cost. In the field of industrial electropolishing of stainless steel tubes, aging occurs due to long-term use of a phosphoric acid-sulfuric acid-water mixed electrolyte. The electrolyte characteristics according to usage time were analyzed, and the effect of electrolyte aging on current density was evaluated. It was confirmed by ICP that the amount of dissolved stainless steel ions in the anode in the electrolyte continuously increased as the electropolishing process time increased. The increase in Fe, Cr, and Ni metal ions in the electrolyte causes a decrease in the electrical conductivity of the fresh electrolyte. In addition, the moisture in the electrolyte is continuously decreased due to the increase in the temperature of the electrolyte due to electrode resistance and the formation of hydrates with metal cations. Therefore, the pH increases and the accumulated hydrate is present in the electrolyte as sludge. As described above, the aging of the electrolyte has a negative effect on the current density in the stainless steel electropolishing process. A decrease in electrical conductivity due to an increase in metal ion concentration causes a decrease in current density, and sludge in the electrolyte contaminates the counter electrode, which is another cause of decrease in current density. The low current density causes pitting of the polished metal surface and requires a longer polishing time.