Investigation About Surface Microstructure of Aluminum with Change of Voltage, a Period of Treatment and Density of Electrolyte in Micro-Arc Oxidation Treatment

DOI: http://dx.doi.org/10.4150/KPMI.2011.18.6.575

MAO(Micro-Arc Oxidation)

,

,

전해액 농도에 따른 알루미늄의 표면 미세조직 평가

여인철·강인철^a,

*

인천대학교기계시스템공학부

,

(

)

Investigation About Surface Microstructure of Aluminum with Change of Voltage, a Period of Treatment and Density of Electrolyte

in Micro-Arc Oxidation Treatment

In-Chul Yeo and In-Cheol Kang^a,

*

Department of Mechanical Engineering, Incheon University, Incheon 406-772, Korea

a

Department of Nano & Surface Technology, SongdoTechnopark, Incheon 406-840, Korea (Received September 30, 2011; Revised November 3, 2011; Accepted November 24, 2011)

Abstract MAO(Micro-Arc Oxidation) method was used to make Al

O

surface on 6063 Al specimen. This study was focused on an influence of voltage, density of electrolyte and a period of treatment on the change of sur- face microstructure by using SEM(Scanning Electron Microscope), EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy).

The microstructure shows higher roughness and thicker oxidized layer with increase of voltage and maintaining period of treatment. The density of electrolyte affected a formation of more dense surface and increase of a oxi- dized layer.

Keywords: MAO; Aluminum; Electrolyte density; Microstructure

1. 서 론

알루미늄은 가볍고

,

/

,

,

,

,

,

,

.

하지만낮은기계적강도와내마모성

,

.

.

,

[1, 2].

알루미늄

[1, 2],

[3, 4],

[5, 6]

표면을 균일하게 산화피막처리 함으로써 이의 활용 도와기능을향상시킬 수있어

,

[7, 8]

MAO(Micro-Arc Oxidation)[1, 3, 5, 9]

.

.

MAO

,

많은관심을받고있다

[10, 11].

MAO

/

[12-15],

*Corresponding Author : [Tel : +82-32-260-0831; E-mail : [email protected]]

2. 실험 방법

그림

1

MAO

공정에대한개념도를나타낸것이다

.

출발 재료는 알루미늄 합금

6063(Mg: 0.45~0.8%,

Si: 0.2~0.6%)

,

25 mm

×

30 mm

1 mm

.

막 처리를시작하기전에알코올로깨끗하게표면을 세척하였다

.

전해액은 증류수

1 L

Na

SiO

10-40 g

,

380V

470V

.

10

, 20

, 30

분으로각각실험하였으며

,

.

,

,

,

10 g/L, 20 g/L, 30 g/L, 40 g/L

.

산화피막 처리는그림

1

DC

극을

,

Ground

.

전극간의 간격은

5 cm

.

50Hz, Duty width

50%

,

50

C

.

.

FE-SEM(Field-Emission Scanning Electron Micros-

cope; FEI Co., Serion)

, EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy; Thermo Noran Co.)

를이용하여시편의성분원소와그양을평가하였다

.

3. 결과 및 고찰

그림

2

SEM

.

시편은전해액의 농도가

10 g/L

15

표면처리 되어 준비되었다

. (a)-(e)

380V, 400V, 430V, 450V, 470V

.

x3,000

할수록 표면의거칠기가거칠어지고있는데이는산

화피막의생성정도가높아지고있음을나타낸다

[20].

표면에 생성된기공이나균열은 플라즈마반응에의 해 발생한 산소나수소와같은 가스의배출 때문이

며

[21, 22],

공과같이약한부분에플라즈마가집중적으로형성

되기 때문이다

[20]. x10,000

결과에서볼때 인가전압이증가할수록표면거칠기 가증가한 결과는같지만

(a)

(b)

한 기공이 형성된것을 볼 수 있다

. (a)

(b)

슷한 표면 상태를보이고

, (d)

(e)

상태를 보인다

.

(c)

Fig. 1. Schematic diagram about MAO treatment.

상태를보임으로써

430V

.

그림

3

해 분석한

SEM

. 10 g/L

450V

.

그림

4

10 g/L

각의전압으로알루미늄시편을

15

SEM

. 380V(a)

400V(b)

,

2

4

.

.

430V(c)

터는 산화피막 두께가 약

1.3

m

.

Fig. 2. SEM images of surface microstructure with change of voltage; (a) 380V, (b) 400V, (c) 430V, (d) 450V, and (e) 470V.

Fig. 3. SEM images of surface microstructure with a period of treatment at 450V in 10 g/L of electrolyte; (a) 10 min, (b) 20

min, and (c) 30 min.

450V(d), 470V(e)

2.9

m

3.6

µ

m

.

여준다

. (a)

(b)

시간을 길게하더라도표면에미미하게형성된 산화 피막에 의한 저항 때문에 플라즈마 형성이 안 되기 때문에 산화피막형성을위한반응자체가 불가능하

게된다

.

10 g/L

430V

가 피막형성을 위한임계전압으로볼 수있다

.

그림

5

10 g/L

서

430V

30

SEM

,

[1]

늄모재

[2]

EDS

.

SEM

.

발생하는 산소와수소의 기체 배출통로로 인해생 성된 기공과 표면에서 플라즈마가 발생하면서 산화 피막이 형성되었기 때문에 표면의 균질성이 떨어지

는 것으로본다

. EDS

료

[2]

Mg

.

[1]

.

(Al

O

)

.

그림

6

10 g/L

서

430V

30

을

SEM

,

EDS

. SEM

퉁불퉁한형태로돌출된부분이많았으며

,

는 작은입자들도생성되어있다

. EDS

과대부분은산화알루미늄

(Al

O

)

,

Si

Fig. 5. SEM image about cross-section microstructure of oxidized layer and its EDS results;(treatment condition: 430V for

30 min in 10 g/L), [1] oxidized layer, [2] Aluminum matrix.

출되었다. 이는 전해액인 Na2SiO3로부터 온 것으로서 MAO의 플라즈마 반응 중 플라즈마로부터 말미암은 고온으로 인하여 일부 석출된 결과물로 판단된다.

그림 7은 알루미늄 시편을 450V의 인가전압으로

15분 동안 다양한 농도의 전해액에서 산화피막 처리 한 시편에 대하여 표면 미세조직을 SEM으로 분석한 결과이다. (a)와 (b)를 비교하면, 전해액의 농도가 증 가할수록 표면에 생성된 기공의 수는 비슷하나 기공

Fig. 6. SEM image about surface microstructure of oxidized layer and its EDS results;(treatment condition: 430V for 30 min in 10 g/L).

Fig. 7. SEM images of surface microstructure with change of electrolyte density; (a) 10 g/L, (b) 20 g/L, (c) 30 g/L, and (d) 40 g/L.

의 크기가 커지며 표면의 거칠기가 약간 커진 것을 볼 수 있다. 이는 산화피막처리 반응 중 전해액의 농 도가 높기 때문에 반응 중 발생하는 기체의 양도 많 아진 것으로 판단되며, 전해액의 농도가 높기 때문에 산화피막처리 반응도 보다 격렬히 진행된 것으로 사 료된다. (b)와 (c)를 비교하면, 전해액의 농도가 증가 함으로써 표면에 형성된 기공은 아예 사라지고 대신 표면의 거칠기가 더욱 커진 것을 볼 수 있다. 이는 전해액의 농도가 높아짐으로 인해 플라즈마 반응이 격렬해지고, 이로써 발생 산소와 수소의 양도 많아져 배출될 때 기공 형태가 아닌 면 형태로 이뤄진 것으 로 판단된다. 대신 반응이 빠르게 진행되면서 표면에 산화막이 형성돼 표면이 거친 형태를 띠는 것으로 판 단된다. (c)와 (d)를 비교하면, (d)의 경우 (c)에 비해 표면의 미세 조직이 보다 치밀한 것을 볼 수 있다.

전해액의 농도가 높아 반응이 격렬하게 진행됨과 동 시에 발생하는 가스의 양도 많음에도 불구하고 (a)나 (b)와 같이 표면에 기공이 존재하지 않는 것과 또한, 표면의 거칠기가 작은 것은 플라즈마는 균열이나 기 공과 같은 구조적으로 약한 부분에서 발생하기 때문 에 반응 시간이 길거나 또는 같은 반응 시간이라도

전해액의 농도가 높은 경우에는 빠르게 기공의 표면 구조가 바뀌거나 사라지기 때문이다[20]. 또한, 격렬 한 플라즈마 반응으로 인한 전해액 온도 상승으로 전 해액 내 녹아있는 Si이 시편 표면에 석출되면서 표면 의 거친 공간을 메꿨기 때문이라고 판단된다.

그림 8은 알루미늄 시편을 450V의 인가전압으로 15분 동안 다양한 농도의 전해액에서 산화피막 처 리한 시편에 대하여 산화피막 두께를 SEM으로 분 석한 결과이다. 선례 연구 결과에 의하면[23], 전해 액의 농도가 증가할수록 양극 용해의 속도가 증가 하기 때문에 산화막의 성장 속도가 급격히 낮아진 다고 보고하고 있다. 그러나 그림 8의 결과에서는 전해액의 농도가 증가할수록 산화피막의 두께가 두 꺼워지는 결과를 보였다. 이는 그림 7의 결과에서 보이고 있듯이 전해액의 농도가 증가할수록 반응이 격렬하게 진행되며, 또한 표면에 생성되는 산화물의 양이 증가하기 때문이다. 전해액의 농도 증가는 반 응의 격렬함을 가능하게 해 산화피막 처리의 효율 을 향상시키는 효과도 있지만 너무 높은 전해액 농 도는 반응조의 온도 상승을 일으켜 전해액에 녹아 있는 원소의 석출로 인한 표면 불순물 생성을 야기

Fig. 8. SEM images of oxidized layer thickness with change of electrolyte density; (a) 10 g/L, (b) 20 g/L, (c) 30 g/L, and (d) 40 g/L.

하기도 한다. 그러므로 최적의 전해액 농도 조건을 확립하는 것이 필요하다.

그림 9는 알루미늄 시편을 450V의 인가전압으로 15분 동안 산화피막 처리한 시편에 대하여 표면 미세 조직을 SEM으로 분석한 결과와 EDS로 분석한 결과 이다. SEM 분석 결과 (a)에서 보면, 시편 표면에 물 방울 모양이 규칙적으로 형성된 것을 볼 수 있다. 이 는 산화피막 처리 공정 중 플라즈마 반응 후반에 플 라즈마가가 발생한 위치와 같은 위치일 것으로 판단 된다. 이를 확대한 (b) 이미지를 본 결과 표면에 흰 색으로 형성된 분말 형태를 볼 수 있다. 이를 각각 EDS로 스케닝 한 결과 그림 5와 그림 6에서 EDS로 분석한 산화피막과 다른 원소 조성을 보임을 알 수 있다. 첫째, Si의 양이 Al에 비해 상당히 많은 것, 둘째, O의 양이 Al보다 상당히 많은 것이다. 이는 Al2O3뿐 아니라 많은 양의 SiO2가 표면에 형성되었음 을 나타내는 결과이다. 이런 현상은 바로 전해액의 농도가 높음으로 인해 전해액 속에 녹아 있는 Si가 플라즈마가 발생할 때 그 자리에서 석출되면서 산화 반응을 거쳐 표면에 형성되었기 때문으로 판단된다.

이로 인해 그림 7에서 보는 것처럼 40 g/L의 전해액 에서 표면처리 된 시편이 다른 시편보다 치밀한 표면 조직을 보이게 된다고 판단된다.

4. 결 론

MAO 공정을 이용하여 Al의 표면에 산화 피막 처리 하는 공정에서 인가전압, 반응 시간, 전해액 농도가 표 면의 미세조직 변화에 끼치는 영향을 분석하였다.

인가전압이 증가할수록 표면 미세조직의 조대화가 일어났으며, 산화피막의 두께 성장과도 비례하였다.

그러나 산화피막 형성을 위한 인가전압 한계치가 존 재하나 이는 전해액의 밀도가 높을수록 인가전압 한 계치가 낮아진다.

인가전압과 전해액의 농도가 일정한 조건에서 반응 시간이 길어지면서 표면 미세조직의 조대화가 진행되 었으며, 표면 거칠기도 증가하였다. 이는 반응이 진행 될수록 플라즈마로 인한 표면 구조의 무너짐과 생성됨 이 반복되면서 조대한 플라즈마가 형성되기 때문이다.

전해액의 농도는 표면 미세조직의 조대화와 산화 피막 두께 성장과 비례 관계를 보이나, 일정 이상의 과도한 전해액의 농도는 오히려 표면 미세조직의 치 밀함을 갖게 한다.

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Fig. 9. SEM image about surface microstructure of oxidized layer and its EDS results; (treatment condition: 450V for 15

min in 40 g/L).

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