PEO 표면처리를 통한 AZ31 마그네슘합금 피막특성에 대한 첨가물의 영향

Abstract

마그네슘 합금은 현재까지 개발된 사용 구조용 합금 중 가장 낮은 밀도(1.8 g/cm3)를 가지며, 고비강도, 재활용성, 우수한 전자파 차폐능 등이 우수하여 자동차 및 전자 산업에서 핵심소재로 연구 개발이 활발하게 진행 되고 있다. 하지만 마그네슘 합금은 부식에 취약하여 이를 극복하기 위한 합금설계 및 다양한 표면처리가 필수적이다. 여러 가지 마그네슘 합금의 표면처리 방법 중 최근에는 plasma electrolytic oxidation (PEO)공정이 주목을 받고 있다. 기존의 표면처리 방법인 크롬계 화성처리, 다중 표면처리, 도금법, 전착법, 양극산화법 등의 방법과 달리 인체에 유해한 용액을 사용하지 않고도 경도, 내부식, 마찰, 내마모, 전기절연, 피로강도 등의 물리/화학/기계적 특성에서 우수한 피막을 제공할 수 있는 표면처리 공정으로 주목 받고 있다. PEO 공정에서의 중요한 공정변수로는 전해질의 종류 및 농도, 전류 밀도, 코팅 시간 등이 있으며, 특히 전해질의 종류와 농도는 코팅 피막을 형성하는 상 및 분율에 큰 영향을 미치는 중요한 변수로서 다양한 전해질을 사용하면 보다 좋은 특성을 가지는 피막을 얻을 수 있다. 본 연구에서는 PEO 공정 시 중요한 공정변수인 용액의 조성과 전류밀도, 첨가물의 종류와 조성 등을 변화시켜 마그네슘합금을 표면 처리하여 공정조건의 변화에 따른 피막의 기계적 특성 및 부식 특성을 평가했다. PEO 표면처리 후, 표면에 형성된 피막의 표면과 단면은 SEM을 이용하여 관찰하였으며 표면과 단면에 형성된 기공의 분율을 측정하였다. X-ray 회절 분석을 통해 형성된 상의 종류를 분석하고 각 조건에 따른 상분율을 정량분석 하였다. 그리고 피막의 기계적 특성을 평가하기 위해 micro-hardness 실험을 실시하였으며, potentio-dynamic, potentio-static, electrochemical impedance spectroscopy 실험을 실시하여 피막의 부식 특성을 체계적으로 평가하였다. 표면과 단면의 형상을 관찰하고 기공의 분율을 측정한 결과 0.025A/cm2에서 가장 낮은 기공의 분율을 보였으며, 전류밀도가 증가함에 따라 기공의 분율이 증가하였다. 첨가물을 첨가하였을 때 생성된 피막에는 새로운 ZnO, TiO2상이 추가적으로 형성되었으며, 기본적인 silicate 전해질만을 사용한 피막의 경우 최고 경도는 0.100A/cm2 전류밀도 조건에서 202Hv였고 potentio-dynamic Test 결과 최고 polarization resistance 값은 0.025A/cm2 전류밀도 조건에서 104kΩ의 값을 보였다. Zn(NO3)2를 첨가한 피막의 경우는 0.003M, 0.100A/cm2 조건에서 최대 경도 값을 보였으며, 그 값은 416Hv로 기존 피막 보다 312Hv 정도 경도가 향상 되었다. 0.003M TiO2를 첨가하고 0.100A/cm2의 전류밀도로 코팅한 시편의 경우 경도 값이 447Hv로 크게 향상 되었다. Potentio-dynamic 실험 결과 Rp 값은 0.025A/cm2 조건에서 0.003M Zn(NO3)2를 첨가한 시편의 경우 635kΩ, 0.003M TiO2를 첨가한 시편의 경우는 577kΩ으로 기존의 104kΩ 보다 크게 향상됨을 확인하였다. 경도 시험을 통해 전류밀도와 첨가물의 농도에 따라 경도가 증가함을 확인하였고, 부식실험 결과 첨가물의 농도가 증가함에 따라 부식에 대한 저항성이 증가하는 경향을 보였고, 0.025A/cm2에서 가장 높은 부식저항성을 보였다.

Magnesium alloys have high ratio of strength to mass, high dimensional stability, good electromagnetic shielding and damping characteristics, and are easy to machine and recycle. Unfortunately, magnesium alloys are highly susceptible to corrosion, which strongly restricts their further application, especially in some harsh service circumstances. Thus, many surface treatments are applied to increase corrosion protection, including electrochemical plating, conversion coating, and gas-phase deposition and anodizing. Among these techniques, plasma electrolytic oxidation has been widely investigated as a novel technique to deposit thick, dense and ultra-hard ceramic coatings on the surface of magnesium alloys. In numerous studies, alkaline silicate is widely used for PEO process of magnesium alloys due to considerable corrosion resistance of Mg oxide and their compounds. In this study, PEO coatings on AZ31 magnesium alloy were prepared in alkali solutions containing Na2SiO3, KOH and KF with and without the addition of Zn(NO3)2 and TiO2. The compositions, structure and morphologies of the oxide coatings formed in different concentrations of Zn(NO3)2 and TiO2 were determined by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM). the corrosion resistance of the oxide coatings was evaluated in 3.5 wt.% NaCl solution using potentiodynamic, potentiostatic and EIS tests. The mechanical property of the coatings was examined by the micro-hardness test. The results showed that the PEO coatings obtained in solutions with both Zn(NO3)2 and TiO2 had better corrosion resistance and mechanical property.