49(1)-[11] 문명준.fm

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1 62 < 연구논문 > ISSN (Print) ISSN (Online) 한국표면공학회지 J. Kor. Inst. Surf. Eng. Vol. 49, No. 1, 크롬프리세륨용액에의한 AZ31 마그네슘합금의화성피막에대한특성평가 김명환 a, 이동욱 b, 곽삼탁 b, 문명준 b, * a 한국생산기술연구원, b 부경대학교공업화학과 Characteristics of Conversion Coating of AZ31 Magnesium Alloy Formed in Chromium-Free Cerium-Based Solution Myung Hwan Kim a, Dong Uk Lee b, Sam-Tag Kwag b, Myung-Jun Moon b,* a Korea Institute of Industrial Technology(KITECH), Busan 46742, Korea b Department of Industrial Chemistry, Pukyong National University, Busan 48547, Korea (Received February 2, 2016 ; revised February 18, 2016 ; accepted February 25, 2016) Abstract A chromium-free Ce-based conversion coating formed by immersion in a solution containing cerium chloride and nitric acid on AZ31 magnesium alloy has been studied. The effects of acid pickling on the morphology and the corrosion resistance of the cerium conversion coating were investigated. The corrosion resistance of the conversion coating prepared on AZ31 Mg alloy after organic acid pickling was better than that of inorganic acid pickling. The morphology of the conversion-coated layer was observed using optical microscope and SEM. Results show that the conversion coatings are relatively uniform and continuous, with thickness 1.0 to 1.1 µm. The main elements of the conversion coating of AZ31 Mg alloy are Mg, O, Al, Ce and Zn by EDS analysis. The electrochemical polarization results showed that the Ce-based conversion coating could reduce the corrosion activity of the AZ31 Mg alloy substrates in the presence of chloride ions. Keywords : AZ31, Magnesium alloy, Conversion coating, Chromium- free, Acid pickling. 1. 서론 마그네슘은지상에서매우풍부한광물이며, 비중이 1.74 로서알루미늄의약 2/3, 철강의약 1/5 수준으로현재사용되고있는구조용금속중에서가장가벼운재료이며, 여타경량재료와도비교하여손색이없는비강도및비탄성계수를가지고있다. 이외에진동, 충격, 전자파에대한흡수성이우수하며전기전도도, 열전도도, 고온에서의피로, 충격특성이우수하여자동차부품, 항공기부품, *Corresponding Author: Myung-Jun Moon Department of Industrial Chemistry, Pukyong National University Tel: ; Fax: mjmoon@pknu.ac.kr 전기전자부품, 그리고레저용품등여러분야에다양하게사용되고있다. 특히진동감쇄성과전자파차폐효과가커자동차엔진의실린더헤드커버, 노트북, 휴대폰등의케이스로도널리사용되고있다 [1,2]. 그러나마그네슘은화학적활성이큰금속으로표준전극전위가 V NHE (Normal Hydrogen Electrode) 로매우낮아대기중이나용액중에서산화되기쉬운특성을나타내므로, 내식성향상을위한표면처리가불가피하며이는제조공정상에중요한단계로부각되고있다. 산업분야에서마그네슘은단일금속으로는거의사용되지않으며합금형태로합성되어사용된다. 마그네슘합금의경우에도표면처리공정은내식성증대외에도제품의외관과내마모특성등의표면의기능성

2 김명환외 / 한국표면공학회 49 (2016) 을향상시키기위해적용되며, 표면전도도, 내식성, 내마모성등의고기능성을마그네슘합금에부여하게된다. 마그네슘합금은제품의사용조건과합금의종류, 그리고다른금속과함께조립될때그에적합한표면처리공정이요구된다. 현재양극산화, 스파크양극산화, 무전해도금과화성처리등과같은 4 가지의표면처리방법이주로사용된다. 여기서양극산화처리법은두꺼운산화피막을형성하여내식성은증가시키고 [3], 스파크양극산화처리 (Micro-arc oxidation) 방법은초경질양극산화피막을얻기위해사용되고 [4], 도금방법은무전해니켈도금법등이사용되고 [5], 화성처리방법은 Cr 6+ 사용에대한규제로비크롬계친환경적화성처리법으로전환되고있다 [6-8]. 지금까지소재측면에서표면처리에대한연구는다이캐스팅에의해만들어진마그네슘합금제품인 AZ91 (Al 9 wt%, Zn 1 wt% 의합금 ) 합금에대한표면처리방법에대해 Zhao 등 [9] 은 AZ91D 합금에대한 phosphate permaganate 를사용한화성피막처리에대해, Zhang 등 [5] 은 AZ91D 합금에대한무전해니켈도금에대해보고하고있다. 그러나 AZ91 은다공성 (porosity) 을가지고있어강도가떨어지며성형이후이형제, 산화 scale 및 burr 의제거등복잡한후처리과정을거쳐야하는이유로대량생산에어려움이많다. 여기에비해마그네슘판재가공에주로쓰이는 AZ31 (Al 3 wt%, Zn 1 wt% 의합금 ) 소재는기계적강도가높고, 복잡한모양의성형이비교적쉽기때문에 press 공법에의한대량생산에적합하지만알루미늄의함량이낮아 (~ 3 wt%) 높은반응성을가지므로표면처리에어려움이많다. 이 AZ31 합금에대한연구는 Ishizaki 등 [10] 이 magnesium - phosphate 처리에대해보고하고있고, Su 등 [11] 이 cerium 처리에대한연구로과산화물의첨가에대한효과를보고하고있고, Castano 등 [12] 은 cerium 처리단계에서표면의마이크로구조를평가하고, 메카니즘에대해보고하고있으나, 전처리에따른화성피막의표면의구조나화학적성질은아직까지이해되지못하는부분이많고, 표면처리에도복잡한과정을거치는어려움이있어이에대한기술개발이절실히요구되고있다. 본연구에서는 AZ31 마그네슘합금판재에대해 6 가크롬을함유하지않는친환경적인표면처리방법을개발하기위해산처리 (acid pickling) 과정중에서산처리에사용된유기산과무기산의종류에따라다르게형성되는 Ce 계화성피막의형상변화, 조성의변화및부식특성변화를조사하여 AZ31 마그네슘합금에대해 Cr 6+ 를사용하지않는 친환경적인 Ce 계화성처리방법을연구하고자하였다. 2. 실험방법 2.1 화성처리시편의작성사용된시험편은 AZ31 마그네슘함금으로 0.6 mm 의두께를갖는판재를 50 mm 60 mm 크기로하여사용하였으며, 표 1 에시험에사용한마그네슘합금의성분분석결과를나타내었다. 모든시험편은그림 1 에서보는바와같이먼저 SiC 연마지 #2000 으로연마하여소재표면에부착된산화물, 오염물등을 1 차로제거하였으며, 이후알칼리세정, 산처리, 화성처리의공정순으로처리되었으며, 각공정의사이에는공정용액을세척하기위해순수로 10 초간 3 회에걸쳐충분히세척하여이전공정의잔류용액이다음공정에영향을주지않도록제거하였다. 시편의화성처리는각각의공정용액에시편을침적하는처리방법을통해진행되었으며표 2 에각공정에사용한약품의농도및처리조건을나타내었다. Table 1. Composition of AZ31 magnesium alloy Al Zn O Mg Balance Fig. 1. Chemical conversion process for AZ31 magnesium alloys.

64 김명환외 / 한국표면공학회 49 (2016) 62-68 Table 2. Bath composition and operating conditions of chemical conversion AZ31 magnesium alloy sheets Process Operation Composition of bath Conc. (g/l) Temp.

3 64 김명환외 / 한국표면공학회 49 (2016) Table 2. Bath composition and operating conditions of chemical conversion AZ31 magnesium alloy sheets Process Operation Composition of bath Conc. (g/l) Temp.( o C) Time of immersion(s) 1 Alkaline cleaning 2 3 Acid cleaning (pickling) Chemical conversion Sodium hydroxide Triton X Oxalic acid Hydrochloric acid + Hydrofluoric acid Cerium chloride Nitric acid (65wt%) 표면분석화성처리된 AZ31 마그네슘합금시편의표면분석은주사전자현미경 (scanning electron microscopy, SEM ; HITACHI S-2400) 과 energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS ; Kevex Ltd. SIGMA) 를이용하여 AZ31 마그네슘합금판재상에형성된화성피막의형상및구성성분에대한조사를하였으며, SEM 측정을위해서시료를 sample cell 에고정시킨후 gold 코팅과정을거쳐 200 배, 1,000 배배율로화성피막의형상을관찰하였다. X- 선회절분석 (XRD ; PHILIPS X'Pert-MPD System) 은 40 kv, 30 ma 에서 Cu-Kα target (wave length : A ) 을사용하여스캔속도를 4 /min 으로하여 2θ 값을 10 ~ 80 범위에서측정하여화성피막을구성하는물질의결정구조를분석하였다. 화성피막표면의구성성분분석을위해 X- 선광전자분광기 (XPS, Thermo vg Scientific Co. 의 MultiLab 2000) 를이용하였다. X- 선광전자분광기는 Mg-Kα target (hv = ev) 으로조사되었으며, 각각의구성원소에대한결합에너지 (binding energy, ev) 를스캔속도 0.1 ev 로하여측정하였다. 화성피막의두께, 단면형상등에대한분석을위해시편을 polyester 수지에수직방향으로몰딩하여고정하고경면연마한후광학현미경 (OLYMPUS, BX60F) 을이용하여화성피막의단면을분석하였다. 2.3 전기화학적특성평가 AZ31 마그네슘합금의화성처리피막에대한전기화학적평가에의한부식특성을조사하기위하여 25 o C 의 3.5 wt% NaCl 수용액에서화성피막의노출면적을 1cm 2 로하여동전위분극 (potentiodynamic polarization) 시험을수행하였다. 이전기화학적시스템의구성을위해기준전극은은 / 염화은전극 (Ag/AgCl) 을대극으로는백금 (Pt) 망전극을사용하였으며, PARSTAT 2273 (EG & G) potentiostat 를사용해 1mV/sec 의주사속도로양극분극곡선을측정하고평가하였다 [4,13]. 3. 실험결과및고찰 3.1 화성피막의형상화성처리전에소재표면의산화막및오염물제거를위해산처리에사용된산의종류에따라 AZ31 마그네슘합금판재의외관색상은다소다른것으로나타났다. 옥살산을사용하여산처리한시편은밝은금속광택을염산 / 불산의혼합산으로산처리한시편은회색을띠는다소어두운색상을나타내었고, 이는산에의해에칭된시편표면의조도와상관관계가있는것으로알려져있다 [14]. 그림 2(a) ~ (d) 는 AZ31 마그네슘합금의산처리상태에서의소재표면에대한 200 배, 1,000 배배율의전자현미경사진을나타내었다. 그림 2(c,d) 에서는염 Fig. 2. Surface morphology of AZ31 magnesium alloys processed by acid pickling for 30s at the ambient temperature: a) 1 wt% oxalic acid 200, b) 1 wt% oxalic acid 1,000 c) 0.25 wt% hydrochloric acid wt% hydrofluoric acid 200, d) 0.25 wt% hydrochloric acid wt% hydrofluoric acid 1,000.

김명환외 / 한국표면공학회 49 (2016) 62-68 65 Fig. 3. The cross-sectional microstructure of AZ31 magnesium alloys Ce-based conversion coating: a) 1 wt% oxalic acid b) 0.25 wt% hydrochloric acid + 0.

산 / 불산의혼합산으로산처리한시편의전자현미경사진으로육안으로회색을띠는다소어두운색상을나타나는표면에서부분적인공식의형태가관찰되는데, 이는마그네슘합금의성분중에서마그네슘 rich 영역인 α 상이양극을, 알루미늄 rich 영역인 β 상 (Mg 17 Al 12 )

4 김명환외 / 한국표면공학회 49 (2016) Fig. 3. The cross-sectional microstructure of AZ31 magnesium alloys Ce-based conversion coating: a) 1 wt% oxalic acid b) 0.25 wt% hydrochloric acid wt% hydrofluoric acid. 산 / 불산의혼합산으로산처리한시편의전자현미경사진으로육안으로회색을띠는다소어두운색상을나타나는표면에서부분적인공식의형태가관찰되는데, 이는마그네슘합금의성분중에서마그네슘 rich 영역인 α 상이양극을, 알루미늄 rich 영역인 β 상 (Mg 17 Al 12 ) 이음극을형성하는갈바니전지가형성되어양극영역인마그네슘이상대적으로많이분포하는영역에서의부식이촉진되어공식의형태로나타난것으로사료된다 [15]. 마그네슘합금의화성피막처리이후에희미한노랑색표면은표면에 Ce(IV) 의존재를나타내는것으로보고되고있다 [16]. 그림 3(a), (b) 는 AZ31 마그네슘합금의화성처리피막의단면촬영사진을나타내었으며, 형성된피막은 1.0 ~ 1.1 µm 의두께로매우얇게형성됨을알수있었으며, 그림 3 의 (b) 에서염산 / 불산의혼합산으로산처리한경우의부분적인공식의형태를단면촬영사진에서도확인할수있었다. 그림 4 는화성피막에대한 200 배, 1,000 배배율의전자현미경사진을나타내었으며, 이전의연구결과 [17] 인 phosphate- permanganate 화성처리피막과는다르게피막의표면에서망상구조의균열은거의관찰되지않았다. 이는형성되는피막이박막으로형성되어피막반응중의수소이탈이나피막중의탈수가용이함에따른것으로사료된다 [18]. 피막의형상또한 phosphate -permanganate 화성처리피막보다는전체적으로균일한피막이형성됨을알수있었다. Fig. 4. SEM images of AZ31 magnesium alloys Cebased conversion coating : a) 1 wt% oxalic acid, 200 b) 1 wt% oxalic acid, 1,000 c) 0.25 wt% hydrochloric acid wt% hydrofluoric acid, 200 d) 0.25 wt% hydrochloric acid wt% hydrofluoric acid, 1,000. Fig. 5. XPS analyses of Ce-based conversion coated AZ31 magnesium alloy: (a) 1 wt% oxalic acid and (b) 0.25 wt% hydrochloric acid wt% hydrofluoric acid. 3.2 화성피막의조성표 3 은 AZ31 마그네슘합금의화성처리피막에대한 EDS (energy dispersive X-ray spectroscopy) 분석결과로피막의주요구성성분은 Mg, Al, Ce, O, 그리고 Zn 으로나타났다. 그림 5 에는화성피막의구성원소에대한 large-scale 의 XPS 분석결과로 Mg, O, Ce, 그리고 Al 이검출되어 EDS 분석결 Table 3. Composition of conversion coating of AZ31 magnesium alloy by EDS analysis (wt.%) Elements Mg O Al Zn Ce F S Total Acid cleaning Oxalic acid Hydrochloric acid + Hydrofluoric acid

5 66 김명환외 / 한국표면공학회 49 (2016) Fig. 6. XRD Patterns of Ce-based conversion coated AZ31 magnesium alloy : a) 1 wt% oxalic acid b) 0.25 wt% hydrochloric acid wt% hydrofluoric acid c) untreated. 과와유사함을나타내었다. 그리고 AZ31 마그네슘합금은화성처리가진행되는과정중용액내에서소재합금표면의알루미늄 rich 영역인 β 영역이음극으로작용하여수소의발생과함께산소의환원에의한 OH - 의생성에의해음극영역에서국부적으로 ph 가상승하면서, hydrate cerium oxide 가형성되는것으로사료된다 [19]. Cerium oxide 의형성메카니즘에대해서는명확하게알려져있지는않지만 Scholes 등 [20] 의연구에의하면 Ce 계화성처리용액내에서마그네슘합금표면의국부적인음극영역에서다음의식 (1) 에서와같은반응이일어나는것으로알려져있다. Ce(OH) 2+ 2 (aq) + 2OH (aq) Ce(OH) 4 (s) CeO 2 (s)+2h 2 O (1) Ce(OH) 2 2+ 는국부적인음극에서의 ph 상승으로 CeO 2 형태로침전되는것으로사료된다. 그림 6 에 Ce 계화성피막처리된 AZ31 마그네슘합금의화성피막층에대한 XRD 분석결과를나타내었다. 형성된피막성분중에 MgO, MgAl 2 O 4, Mg 0.36 Al 2.44 O 4, 등이부분적으로포함되어있음을알수있었다 [21]. 특히생성된 MgO, MgAl 2 O 4 와같은산화물은피막의내식성을향상시키는화성피 Fig. 7. Potentiodynamic polarization curves of Cebased conversion coated AZ31 magnesium alloy. Pretreatment by 1 wt% oxalic acid, 0.25 wt% hydrochloric acid wt% hydrofluoric acid and untreated. 막의주요구성성분으로알려져있으며, CeO 2 등의다른특정한피크는뚜렷하게나타나지않는것으로부터형성된피막은대부분무정형의형태로존재하는것으로생각된다 [18]. 3.3 전기화학적특성분석 Ce 계화성처리를실시한 AZ31 마그네슘합금의동전위분극곡선으로부터 Tafel 외삽법으로부식전류밀도를구하였으며, 이를통하여화성처리전의산처리가화성피막의내식성에미치는영향을분석하였다. 일반적으로동전위분극곡선으로부터외삽법으로구해진부식전위 (E corr ) 와부식전류밀도 (I corr ) 의값을통하여형성된화성피막의내식성을예측할수있다. 다시말해부식전위값이높거나부식전류밀도값이낮을수록금속의부식에대한저항성은높아진다고알려져있다 [22]. 그림 4 에화성처리전의산처리종류에따른 Ce 계화성처리를통하여형성된피막의동전위분극곡선을나타내었으며, 분극시험결과를바탕으로부식전위, 부식전류밀도, 부식속도를구하여이를표 4 에나타내었다. 부식속도는페러데이법칙에의거한부식전류밀도로부터다음의식 (2) 를이용하여구하였다 [23]. Table 4. Results of potentiodynamic polarization test Acid cleaning E corr (V, Ag/AgCl) I corr (A/cm 2 ) Corrosion rate (mm/yr) Untreated Oxalic acid Hydrochloric acid + Hydrofluoric acid

6 김명환외 / 한국표면공학회 49 (2016) 부식속도 (Corrosion penetration rate, mm/yr) = ai (2) nd a : atomic weight i : current density(µa/cm 2 ) n : number of electrons lost D : density(g/cm 3 ) Ce 계화성처리한 AZ31 마그네슘합금은화성처리하지않은마그네슘합금소재에비해부식속도가 12~16 배이상감소된것으로나타나 Ce 계화성처리용액에서처리한화성피막은 AZ31 마그네슘합금소재를부식환경으로부터보호하는데우수한성능을나타내는것을보여준다. 또한화성처리전에실시한산처리종류에따라부식속도가달라지는것으로나타났으며, 옥살산으로산처리한경우가염산 / 불산의혼합산으로산처리한보다내식성이더우수한것으로나타났다. 이는강산의영향에의한모재표면의부식량증가와에칭에의한표면거칠기의증가에기인한것으로사료된다. 4. 결론 AZ31 마그네슘합금소재에대한 Ce 계화성처리피막에의해형성된피막은표면에균열이뚜렷하게관찰되지않고, 전체적으로균일한피막이형성됨을알수있었다. Ce 계화성처리피막의주된구성성분은 Mg, O, Al, Ce, Zn 등으로나타났으며, 용액중의 Ce 이온이화성피막중에서는 CeO 2 형태로존재하는것을확인하였다. Ce 계화성피막을실시한 AZ31 마그네슘합금의동전위분극시험의결과피막처리를하지않은마그네슘의합금에비해부식속도가 12~16 배이상감소된것으로나타나는것으로부터 Ce 계화성처리용액에서형성된화성피막은 AZ31 마그네슘합금소재를부식환경으로부터보호하는데우수한성능을나타냄을보여준다. 본연구에서처리한화성처리방법을이용하면 AZ31 마그네슘합금소재에대해간단한침적처리공정만으로도내식성을향상시킬수있는화성피막을얻을수있음을확인하였다. 후기 본연구는부경대학교자율창의학술연구비 (2014 년 ) 에의하여수행된연구결과입니다. References [1] M. Avedesian, H. Baker, Magnesium and Magnesium Alloy, ASM Specialty Handbook 12 (1999). [2] G. L. Song, A. Atrens, Corrosion Mechanisms of Magnesium Alloys, Adv. Eng. Mater., 1 (1999) [3] D. Peixoto Barbosa, G. Knörnschild, Anodization of Mg-Alloy AZ91 in NaOH Solutions, Surf. Coat. Tech., 203 (2009) [4] Z. Liu, W. Gao. A Novel Process of Electroless Ni-P Plating with Plasma Electrolytic Oxidation Pretreatment, Appl. Surf. Sci. 253 (2006) [5] W. X. Zhang, Z. G. He, Z. H. Jiang, J. S. Lian, Electroless Ni P Layer with a Chromium-Free Pretreatment on AZ91D Magnesium Alloy, Surf. Coat. Tech., 201 (2007) [6] M. Zhao, S. Wu, P. An, J. Luo, Y. Fukuda, H. Nakae, Microstructure and Corrosion Resistance of a Chromium-Free Multi-Elements Complex Coating on AZ91D Magnesium Alloy, Mater. Chem. Phys., 99 (2006) [7] H. Zhang, G. Yao, S. Wang, Y. Liu, H. Luo, A Chrome-Free Conversion Coating for Magnesium Lithium Alloy by a Phosphate Permanganate Solution, Surf. Coat. Tech., 202 (2008) [8] M. Zhao, S. Wu, P. An, J. Luo, Influence of Surface Pretreatment on the Chromium-free Conversion Coating of Magnesium Alloy, Mater. Chem. Phys., 103(2007) [9] M. Zhao, S. Wu, J. Luo, Y. Fukuda, H. Nakae, A Chromium-Free Conversion Coating of Magnesium Alloy by a Phosphate Permanganate Solution, Surf. Coat. Tech., 200 (2006) [10] T. Ishizaki, I. Shigematsu, N. Saito, A Chromiumfree Conversion Coating of Magnesium Alloy by a Phosphate Permanganate Solution, Surf. Coat. Tech., 203 (2009) [11] H. Y. Su, W. J. Li, C. S. Lin, Effect of Acid Pickling Pretreatment on the Properties of Cerium Conversion Coating on AZ31 Magnesium Alloy, J. Electrochem. Soc.,159(5) (2012) C219-C225. [12] C. E. Castano, M. J. O Keefe, W. G. Fahrenholtz, Microstructural Evolution of Cerium-based Coatings on AZ31 Magnesium Alloys, Surf. Coat. Tech., 246 (2014) [13] A. S. Hamdy, M. Farahat, Chrome-Free Zirconia- Based Protective Coatings for Magnesium Alloys, Surf. Coat. Tech., 204 (2010) [14] U. C. Nwaogu, C. Blawert, N. Scharnagl, W. Dietzel, K. U. Kainer, Chrome-Free Zirconia-Based

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Characteristic of Stainless Steel 304 vs. 316 STS 비교 스테인리스강화학성분비교 (ASTM A 479 Standard) Type UNS No. C Si 304 S S max 0.08 304 vs. 316 STS 비교 304 316 스테인리스강화학성분비교 (ASTM A 479 Standard) Type UNS No. C Si 304 S30400 316 S31600 0.08 0.08 1.00 1.00 Mn P S Cr 2.00 2.00 0.045 0.045 0.050 0.050 18.00 20.00 16.00 18.00 Ni 8.00 10.5