KR101643575B1 - 해양기자재의 성능향상을 위한 알루미늄 기재의 표면 처리 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 (a) 알루미늄 기재의 표면에 다공성의 산화피막을 형성시키는 단계 및 (b) 상기 단계(a)에서 산화피막이 형성된 상기 알루미늄 기재의 표면에 방청제를 코팅하는 단계를 포함하는 알루미늄 기재의 표면 처리 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 알루미늄 기재의 표면 처리 방법에 따르면, 표면 처리를 통해 알루미늄 기재의 표면에 다공성 산화피막을 형성시켜 코팅되는 방청제의 일부가 다공성 산화피막에 흡수되어 방청제 만을 코팅하는 종래에 표면 처리 방법에 비해 금속 기재의 내식성 및 방오 효과가 우수하다.
본 발명에 따른 알루미늄 기재의 표면 처리 방법에 따르면, 표면 처리를 통해 알루미늄 기재의 표면에 다공성 산화피막을 형성시켜 코팅되는 방청제의 일부가 다공성 산화피막에 흡수되어 방청제 만을 코팅하는 종래에 표면 처리 방법에 비해 금속 기재의 내식성 및 방오 효과가 우수하다.
Description
본 발명은 해양기자재의 성능향상을 위한 알루미늄 기재의 표면 처리 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 선박과 대형 해양 구조물 등의 제조에 사용되는 해양기자재는 주로 합금과 기타 구성요소로 이루어진 금속을 소재로 사용하여 제조되며, 최근, 해양기자재의 내구성 향상과 경량화를 위하여 비철금속 사용이 증가하고 있다.
해양기자재는 그 특성상 필연적으로 해수 침적에 의한 금속 부식을 방지하기 위해 알루미늄 기재의 표면을 다양한 방법을 이용하여 처리한다. 금속 부식이란, 금속이 주위 환경에 포함된 물질과 화학적으로 또는 전기화학적으로 반응하여 물성이 변하게 되는 것을 말한다.
일반적으로, 금속 부식은 토양, 담수 또는 해수와 같은 전해질의 존재, 음극-양극의 전위차의 존재 또는 음극과 양극을 연결하는 전도체의 존재에 의하여 발생한다. 또한, 금속의 부식은 수분이 없는 상태에서 발생하는 건식과 수분이 있는 상태에서 발생하는 습식으로 분류되고 재질 또는 환경에 따른 부분적인 전위 차이로 인하여 양극으로부터 음극으로 부식 전류가 흐르게 되면서 발생한다. 이와 같은 과정을 통해 발생되는 금속 기재의 부식을 방지하기 위하여 전해질, 전위차 및 전도체와 같은 조건 중 적어도 하나가 제거될 필요가 있다.
상기와 같은 금속의 부식은 현실적으로 완전한 방지가 불가능하므로 부식을 완화시키거나 또는 정해진 기간 내에 일정 정도 이상의 부식이 진행되지 않도록 하는 방법을 통해 금속의 부식을 방지하고 있다. 부식 방지를 위한 공지의 방법으로 금속 기재의 표면에 방청제 등을 도장하는 표면 처리 방법과 금속 기재에 일정한 전위를 흘려주어 일종의 전지반응을 유도해 부식을 방지하는 전기 방식 방법을 대표적인 예로 들 수 있으며, 최근에는 주로 금속 기재의 표면에 방청제 등을 도장하는 표면 처리 방법을 많이 사용하고 있다.
방청제는 아스팔트, 왁스, 석유 및 윤활기유 등을 포함하여 막기제의 물리적 강도에 의한 금속 기재 표면의 물리적 보호 효과와 방첨 첨가제의 흡착, 가용화, 중화, 분산 또는 수치환 등의 계면화학적 작용에 의해 산소 또는 물 등의 부식성 물질이 금속 기재의 표면에 접촉하는 것을 방지하기 위한 화학적 보호효과를 위해 금속 기재의 표면에 코팅되어 코팅층을 형성할 수 있다.
하지만, 상기한 방청제 등을 도장하는 방법을 통해 형성된 금속 기재 표면의 코팅층은 시간이 지남에 따라 소실되어 금속 기재의 표면에 부식이 발생되므로, 반복해서 방청제 등을 도장하여 금속 기재의 표면에 코팅층을 형성시켜야만 한다.
일례로, 비철 금속으로 심해 해양 기자재 제조에 널리 사용되고 있는 알루미늄 및 알루미늄 합금을 포함하는 금속 기재는 부식을 방지하기 위해 표면에 방청제를 코팅하여 사용되어 왔다.
하기만, 상기와 같이 알루미늄 기재의 표면에 방청제를 코팅한 경우, 알루미늄 기재와 방청제의 결합력이 떨어져 알루미늄 기재의 표면에 형성된 방청제 코팅층이 쉽게 소실되어 내식성이 떨어진다는 문제점이 있다.
따라서, 해수 및 해양 대기환경에 노출되어 있는 해양기자재의 내식성 및 방오 효과를 향상시킬 수 있는 알루미늄 기재의 표면 처리 기술에 관한 연구가 필요하다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 해양기자재의 내식성 및 방오 효과을 향상시킬 수 있는 알루미늄 기재의 표면 처리 방법에 관한 기술 내용을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명은, (a) 알루미늄 기재의 표면에 다공성의 산화피막을 형성시키는 단계 및 (b) 상기 단계(a)에서 산화피막이 형성된 상기 알루미늄 기재의 표면에 방청제를 코팅하는 단계를 포함하는 알루미늄 기재의 표면 처리 방법을 제공한다.
또한, 상기 알루미늄 기재는 AL7075인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 단계(a)는 아노다이징(anodizing) 또는 플라즈마 전극 산화(plasma electrolytic oxidation) 방법에 의해 수행되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 아노다이징(anodizing) 방법은 상온에서 30 내지 100 V의 전압으로 1 내지 3시간 동안 수행되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 단계(a)에서 상기 알루미늄 기재의 표면에 상기 산화피막이 10 내지 20 ㎛의 두께로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 방청제는 오일형인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 방청제는 점도조절제를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 단계(b)는 스프레이 코팅(spray coating), 스크린 프린팅(screen printing), 브러싱(brushing) 및 디핑(dipping)으로부터 선택되는 1종의 방법으로 수행되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 단계(b)는 산화피막이 형성된 상기 알루미늄 기재의 표면에 방청제를 코팅한 후, 상기 알루미늄 기재의 표면을 균질화 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기에 기재된 방법에 의해 제조된 해양기자재용 알루미늄 기재를 제공한다.
본 발명에 따른 알루미늄 기재의 표면 처리 방법에 따르면, 표면 처리를 통해 알루미늄 기재의 표면에 다공성 산화피막을 형성시켜 코팅되는 방청제의 일부가 다공성 산화피막에 흡수되어 방청제 만을 코팅하는 종래에 표면 처리 방법에 비해 금속 기재의 내식성 및 방오 효과가 우수하다.
도 1은 (a) 실시예에 따라 아노다이징 처리된 알루미늄 기재의 표면을 촬영한 FE-SEM 이미지이고, (b) 도 1(a)를 확대 촬영한 FE-SEM 이미지이다.
도 2는 실시예에 따라 아노다이징 처리된 알루미늄 기재의 표면에 오일형 방청제, 용제 희석형 방청제, 반고체형 방청제 및 물을 점적한 후, 표면의 변화를 관찰한 실제 이미지이다.
도 3은 실시예 및 비교예에 따라 표면 처리된 알루미늄 기재의 부식 민감성(corrosion susceptibility)을 나타내는 그래프이다.
도 2는 실시예에 따라 아노다이징 처리된 알루미늄 기재의 표면에 오일형 방청제, 용제 희석형 방청제, 반고체형 방청제 및 물을 점적한 후, 표면의 변화를 관찰한 실제 이미지이다.
도 3은 실시예 및 비교예에 따라 표면 처리된 알루미늄 기재의 부식 민감성(corrosion susceptibility)을 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
본 발명은, (a) 알루미늄 기재의 표면에 다공성의 산화피막을 형성시키는 단계 및 (b) 상기 단계(a)에서 산화피막이 형성된 상기 알루미늄 기재의 표면에 방청제를 코팅하는 단계;를 포함하는 알루미늄 기재의 표면 처리 방법을 제공한다.
상기 단계 (a)는 알루미늄 기재의 표면에 다공성의 산화피막을 형성시키는 단계이다.
상기 알루미늄 기재는 통상적으로 사용되는 다양한 조성의 알루미늄 기재를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄, 마그네슘, 구리 또는 아연 등의 합금으로 이루어져 기계적 특성이 우수하고 해양기자재로서 활용성이 우수한 알루미늄 합금인 Al7075 소재를 사용할 수 있다.
상기 알루미늄 기재는 공지된 다양한 상용 알루미늄 탈지제를 이용하여 탈지시키고, 에칭된 후, 산으로 표면 처리된 전처리(desmut)된 알루미늄 기재를 사용하여 표면에 다공성의 산화피막이 형성되도록 구성할 수 있다.
상기 알루미늄 기재의 표면에 다공성의 산화피막의 형성은 아노다이징(anodizing) 또는 플라즈마 전극 산화(plasma electrolytic oxidation) 방법을 통해 수행될 수 있다.
일례로, 아노다이징 방법을 이용하여 알루미늄 기재의 표면에 다공성의 산화피막을 형성시키기 위해서는 알루미늄 기재를 양극으로 하고 전해액 내에서 전기가 흐르게 하여 양극에서 발생하는 산소에 의해서 알루미늄 기재의 표면이 산화되어 기계적 특성이 우수하고 치밀한 형태의 다공성 알루미나 피막이 형성되게 된다.
상기와 같이 알루미늄 기재의 표면에 형성되는 복수 개의 기공은 상기 아노다이징 처리시 온도 및 전압에 의존하는 경향을 보이며, 온도 및 전압이 증가함에 따라 평균 기공 크기가 증가하게 된다.
또한, 상기 알루미늄 기재의 표면에 형성되는 산화피막의 두께 또한 아노다이징 처리시 온도 및 전압에 의존하는 경향을 보이며, 온도 및 전압이 증가함에 따라 두께가 증가하게 된다.
이에 본 단계에서는 다양한 온도 및 전압 조건에서 상기 알루미늄 기재의 표면을 아노다이징 처리가 가능하도록 구성하여 알루미늄 기재의 용도에 맞는 평균 기공 크기를 가지면서도 충분한 강도를 유지할 수 있는 두께로 다공성의 산화피막을 형성하도록 구성할 수 있다.
본 단계에서는 바람직하게는 상기 알루미늄 기재의 표면에 10 내지 20 ㎛의 두께로 산화피막이 형성되도록 구성하고, 30 내지 100 nm의 평균 기공 크기를 가지는 다공성의 산화피막이 형성되도록 구성하여 후술할 단계를 통해 코팅되는 방청제의 용이하게 흡수되도록 구성할 수 있다.
상기한 두께 및 크기의 산화피막을 형성시키기 위해, 본 단계에서는 10 내지 30 ℃에서 상기 알루미늄 기재의 표면을 30 내지 100 V의 전압으로 1 내지 3시간 동안 아노다이징 처리하도록 구성하여 알루미늄 기재의 표면에 균일한 크기의 다공성의 산화피막이 형성되도록 구성할 수 있다.
상기 온도가 10 ℃ 미만인 경우에는 상기 알루미늄 기재의 표면에 형성되는 산화피막의 두께가 너무 얇으며, 상기 온도가 30 ℃를 초과하는 경우에는 상기 알루미늄 기재의 표면에 형성되는 기공에 전류밀도가 더욱 증가하여 알루미늄 기재의 표면에서 수직하는 방향으로 기공이 계속 성장하게 되어 산화피막의 두께가 증가하는 문제점이 있어, 상기한 온도의 범위로 적절히 조절하여 아노다이징 처리하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전압이 30 V 미만인 경우에는, 충분한 두께의 산화피막층을 형성시키기 어려우며, 상기 전압이 100 V를 초과하는 경우에는 상기 기공의 첨단부의 용해가 쉬워져 산화피막의 두께가 급격히 증가하는 문제점이 있어, 상기한 전압의 범위로 적절히 조절하여 아노다이징 처리하는 것이 바람직하다.
보다 바람직하게는 25 ℃에서 40 V의 전압으로 3시간 동안 아노다이징 처리하도록 구성하여 알루미늄 기재의 표면에 균일한 크기의 다공성의 산화피막이 형성되도록 구성할 수 있다.
상기 단계 (b)에서는 상기와 같이 다공성의 산화피막이 형성된 상기 알루미늄 기재의 표면에 방청제를 코팅하는 단계이다.
본 단계에서는 다공성의 산화피막이 형성된 상기 알루미늄 기재의 표면에 코팅되어 상기 다공성의 산화피막에 형성된 기공을 통해 상기 방청제가 흡수되어 내식성 및 방오효율이 향상된 코팅층을 형성시키도록 비수용성 방청제를 사용하도록 구성할 수 있다.
상기 방청제는 석유계 용제(solvent)를 포함하는 오일형 방청제일 수 있다.
상기 방청제는 규소, 은, 마그네슘, 바나듐, 지르코늄, 티타늄, 하프늄 등 내식성과 내열성이 강한 친환경적인 금속염을 수산화나트륨이나 수산화칼륨 또는 이들의 혼합용액을 알칼리화하여 석유계 용제 또는 유기 합성유와 혼합한 오일형 방청제를 사용하도록 구성하여, 표면 처리된 알루미늄 기재의 내식성 및 방오 효과를 극대화하도록 구성할 수 있으며, 이에 한정하지 않고 공지된 다양한 형태의 NP-7, NP-8, NP-9 또는 NP-10 등의 윤활 방청제를 사용할 수 있다.
상기한 오일형 방청제는 점도가 1 내지 1000 cP인 것을 사용하는 것이 바람직하며, 상기한 범위의 점도를 가지는 방청제가 알루미늄 기재의 표면에 도포되면 산화피막에 형성된 기공에 방청제가 흡수됨가 동시에 알루미늄 기재의 표면에 코팅층이 형성되고 두께 10 ㎛ 이상의 코팅층을 형성할 수 있다.
또한, 본 단계에서는 상기 오일형 방청제에 점도증감제를 추가로 혼합하도록 구성하여 알루미늄 기재의 표면에 형성되는 다공성의 산화피막 내 기공에 상기 방청제의 흡수도를 조절하도록 구성하여 코팅층의 흡수도 및 두께 형성을 조절하도록 구성할 수 있다.
상기와 같이 산화피막의 미세 기공에 흡수된 상태로 형성된 방청제 코팅층은 방청제가 상기 알루미늄 기재의 표면에 잔류 시간이 증가하여 내식성 및 파괴전위가 증가하여 종래에 방청제 코팅방법 만을 사용한 알루미늄 기재의 표면 처리 방법을 통해 제조된 알루미늄 기재에 비해 우수한 내식성 및 방오효과를 나타낸다.
이를 위해, 본 단계에서는 스프레이 코팅(spray coating), 스크린 프린팅(screen printing), 브러싱(brushing) 또는 디핑(dipping) 등의 방법을 이용하여 상기 알루미늄 기재의 표면에 방청제를 코팅하도록 구성할 수 있다.
또한, 본 단계에서는 산화피막이 형성된 상기 알루미늄 기재의 표면에 방청제를 코팅한 후, 상기 알루미늄 기재의 표면을 균질화 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 균질화 처리는 코팅층이 형성된 알루미늄 기재의 표면에 공지된 다양한 금속 표면 열처리 방법을 이용하여 상기 코팅층이 상기 산화피막에 균질하게 확산되도록 하여 알루미늄 기재의 표면에 균일한 두께의 코팅층이 형성되도록 구성할 수 있다.
상기와 같이 산화피막의 미세 기공에 흡수된 상태로 형성된 방청제 코팅층은 방청제가 상기 알루미늄 기재의 표면에 잔류 시간이 증가되어 내식성 및 파괴전위가 증가하여 종래에 방청제 코팅방법 만을 사용한 알루미늄 기재의 표면 처리 방법을 통해 제조된 알루미늄 기재에 비해 우수한 내식성 및 방오효과를 나타낸다.
따라서, 본 발명에 따른 알루미늄 기재의 표면 처리 방법을 통해 항상 해수 및 해양 대기환경에 노출되어 있는 해양기자재의 내식성 및 방오 효과를 향상시킬 수 있어 선박 또는 해양플랜트 등에 활용되는 해양기자재의 성능향상을 도모할 수 있으며, 이에 따른 경제적 산업적 효과를 기대할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세히 설명하도록 한다.
제시된 실시예는 본 발명의 구체적인 예시일 뿐이며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
<실시예>
두께가 3 mm이며 좌우 각각 100 mm인 알루미늄 시편(Al7075)을 준비하고, 상기 알루미늄 시편을 질산을 이용하여 전처리(desmut)하였다.
0.3 M 농도의 옥살산(oxalic acid) 및 황산을 포함하는 전해액에 알루미늄 기재를 애노드로 배치하고, 25 ℃에서 40 V의 전압을 공급하여 3시간 동안 알루미늄 기재를 아노다이징(anodizing) 처리하였으며, 상기와 같이 아노다이징 처리된 알루미늄 기재의 표면을 전계방출형 주사전자현미경을 이용하여 촬영해 촬영결과를 도 1에 나타내었다.
도 1(a) 및 (b)에 나타난 바와 같이, 상기와 같이 아노다이징 처리된 알루미늄 기재에는 다공성 산화피막층이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
방청제 특성을 분석하기 위해서, 상기와 같이 아노다이징 처리된 알루미늄 기재 상에 비수용성 방청제(오일형), NP-1(용제희석형), 방청페트로락탐(반고체형) 및 물(H2O)을 각각 점적하고, 5분 경과된 시점에 각각의 알루미늄 기재의 표면을 촬영하였으며, 촬영 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 오일형 방청제가 점적된 알루미늄 기재 또는 물이 점적된 알루미늄 기재는 방청제를 충분히 흡수하여 알루미늄 기재의 표면이 오일형 방청제에 의해 충분히 코팅되었음을 확인할 수 있는 반면에, 용제 희석형 방청제가 점적된 알루미늄 기재는 용제 희석형 방청제의 일부가 산화피막층에 흡수되었으며, 반고체형 방청제가 점적된 알루미늄 기재는 방청제의 흡수가 크지 않아 상기 알루미늄 기재의 코팅을 위해서는 오일형 방청제가 가장 우수한 흡착특성을 나타냄을 확인할 수 있었다.
상기한 바와 같은 결과를 토대로 하여 아노다이징 처리된 알루미늄 기재의 일면에 비수용성 방청제를 스프레이 코팅 방법을 이용하여 분무하여 상기 알루미늄 기재의 표면에 코팅층을 형성시켜 알루미늄 기재의 표면에 내식성 방오 처리를 수행하였다.
<비교예>
아노다이징 처리하지 않은 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방법을 이용하여 알루미늄 기재의 표면에 내식성 방오 처리를 수행하였다.
<실험예> 내식성 테스트
공지된 내식성 측정 기법(ASTM F2129)을 이용하여 실시예 및 비교예에 따른 방법에 의해 표면 처리된 알루미늄 기재 각각의 부식 민감성(corrosion susceptibility)을 분석하였으며, 분석 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3에 나타난 바와 같이, 실시예에 따른 방법에 의해 표면 처리된 알루미늄 기재는 알루미늄 기재의 표면에 산화피막으로 오일형 방청제가 흡수된 상태로 코팅되어 보다 높은 전위에서 금속 산화가 유도됨을 확인할 수 있었으며, 알루미늄 기재의 파괴전위(breakdown potential)가 비교예에 따른 방법에 의해 표면 처리된 알루미늄 기재에 비해 증가한 것을 확인할 수 있어, 실시예에 따른 방법을 통해 표면에 산화피막이 형성된 알루미늄 기재에 방청제를 코팅하면 알루미늄 기재의 내식성 및 방오 효율이 향상된다는 사실을 확인할 수 있었다.
Claims (10)
- (a) 알루미늄 기재의 표면에 다공성의 산화피막을 형성시키는 단계; 및
(b) 상기 단계(a)에서 산화피막이 형성된 상기 알루미늄 기재의 표면에 방청제를 코팅하는 단계;를 포함하고,
상기 방청제는 오일형이며,
상기 방청제는 점도조절제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 기재의 표면 처리 방법. - 제1항에 있어서,
상기 알루미늄 기재는 AL7075인 것을 특징으로 하는 알루미늄 기재의 표면 처리 방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계(a)는 아노다이징(anodizing) 또는 플라즈마 전극 산화(plasma electrolytic oxidation) 방법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 기재의 표면 처리 방법. - 제3항에 있어서,
상기 아노다이징(anodizing) 방법은 상온에서 30 내지 100 V의 전압으로 1 내지 3시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 기재의 표면 처리 방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계(a)에서 상기 알루미늄 기재의 표면에 상기 산화피막이 10 내지 20 ㎛의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 기재의 표면 처리 방법. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 단계(b)는 스프레이 코팅(spray coating), 스크린 프린팅(screen printing), 브러싱(brushing) 및 디핑(dipping)으로부터 선택되는 1종의 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 기재의 표면 처리 방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계(b)는 산화피막이 형성된 상기 알루미늄 기재의 표면에 방청제를 코팅한 후, 상기 알루미늄 기재의 표면을 균질화 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 기재의 표면 처리 방법. - 제1항 내지 제5항 및 제8항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 제조된 해양기자재용 알루미늄 기재.
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