알루미늄 아노다이징은 알루미늄 또는 그 합금 소재를 적절한 전해질에 담가 알루미늄을 양극으로, 다른 금속을 음극으로 사용하는 공정입니다. 전류가 흐르면 알루미늄 표면에 산화막이 형성됩니다.
다양한 종류와 농도의 전해질을 선택하고 산화 공정 조건을 조절함으로써 수십에서 수백 마이크로미터에 이르는 다양한 특성과 두께를 가진 양극 산화막을 얻을 수 있습니다. 이러한 막은 화학적 산화막에 비해 내식성, 내마모성, 그리고 장식성이 크게 향상됩니다.
알루미늄 및 그 합금의 양극 산화에 사용되는 전해액은 적당한 용해력을 가진 산성 용액입니다. 양극 산화 공정 중에는 두 가지 반응이 동시에 일어납니다. 한편으로, 양극 역할을 하는 알루미늄 공작물은 물의 가수분해로 생성된 산소 원자와 반응하여 아래 그림과 같은 전기화학 반응을 통해 산화막(Al₂O₃ ) 을 형성 합니다 .
H₂O – 2e⁻ → [O] + 2H⁺
2Al + 3 [ O] → Al₂O₃
반면에 전해액은 다음과 같은 반응을 통해 새로 형성된 Al₂O₃ 막을 지속적 으로 용해 시킨다.
Al2O3 + 6H + → 2Al3 + + 3H2O
산화막의 성장은 연속적인 형성 및 용해가 일어나는 동적인 과정입니다. 더 두꺼운 산화막은 형성 속도가 용해 속도를 초과할 때만 얻어집니다. 알루미늄 및 그 합금에 형성된 양극 산화 산화막 표면은 2층 구조의 다공성 벌집형 구조를 특징으로 합니다. 기판에 인접한 내부 층은 0.01~0.05μm 두께의 조밀한 Al₂O₃ 막으로 , 일반적으로 장벽층이라고 하며 높은 경도를 나타냅니다. 외부 층은 결정수 를 포함하는 Al₂O₃ 로 구성된 다공성 산화막으로 , 경도는 낮지만 우수한 흡착 특성을 지닙니다.
알루미늄 양극산화 필름의 특성
다공성 양극 산화막의 미세기공은 금속 표면에 수직으로 규칙적으로 배열되어 관형 구조를 형성합니다. 예를 들어, 두께 10μm의 황산 양극 산화막에서 기공 직경은 일반적으로 20nm 미만으로, 기공 길이는 직경의 500배가 넘습니다. 이러한 기공은 길쭉한 직선 관과 유사합니다. 기공 밀도는 제곱센티미터당 최대 760억 개의 기공에 달할 수 있는데, 이는 엄지손톱 크기 면적에 존재하는 기공의 수를 전 세계 인구의 약 10배에 해당합니다.
양극산화 피막의 다공성 구조와 형태는 일반적으로 고해상도 주사 전자 현미경을 사용하여 직접 관찰하며, 이를 통해 다양한 각도에서 피막의 특성을 파악할 수 있습니다.
알루미늄 아노다이징 공정
알루미늄 및 알루미늄 합금 의 양극 산화 처리의 일반적인 공정은 다음과 같은 단계를 포함합니다.
표면 평탄화 → 래킹 → 화학적 탈지 → 헹굼 → 중화 → 헹굼 → 알칼리 에칭 → 헹굼 → 양극 산화 → 헹굼 → 염색 또는 전해 착색 → 헹굼 → 밀봉 → 기계적 연마 → 검사
이는 표준 공정이지만, 요구 사항 및 사용되는 특정 양극 산화 처리 방법 에 따라 특정 단계가 조정되거나 생략될 수 있습니다.
표: 황산 양극산화의 주요 매개변수
| 단계 | 방법 | 솔루션 구성 | 공정 매개 변수 |
| 1 | 탈지제 | 2% 나트륨3PO4 1% 나트륨2CO3 0.5% 수산화나트륨 | 온도: 45~60°C 시간: 3~5분 |
| 2 | 뜨거운 물 헹굼 | 수돗물 | 온도: 40~60°C 시간 : 청소될 때까지 |
| 3 | 알칼리 에칭 | 40~50g/L 수산화나트륨 | 온도: 실온 시간: 1~5분 |
| 4 | 찬물로 헹구기 | 수돗물 | 온도: 실온 시간 : 청소될 때까지 |
| 5 | 중립화 | 10~30% HNO3 | 온도: 실온 시간: 3~8분 |
| 6 | 밀봉 | 순수한 물 | 온도: ≥ 90°C 시간: > 20분 pH: 4–6 |
표: 화학적 산화 후처리 사양
| 방법 | 용액 구성(g/L) | 공정 매개 변수 | 비고 |
| 충전 치료 | 중크롬산칼륨: 30–50 | 90-95 ° C 5 ~ 10 분 | 산성 산화의 경우 |
| 패시베이션 처리 | 크롬산칼륨: 20 | 실온 5~15초 | 알칼리 산화의 경우 |
알루미늄 양극산화 필름 밀봉
양극 산화 피막의 다공성 구조와 강한 흡착 특성으로 인해 표면은 오염되기 쉽고, 특히 기공으로 침투하여 부식을 유발할 수 있는 부식성 매체에 의해 오염되기 쉽습니다. 따라서 염색 여부와 관계없이 양극 산화 피막 형성 후에는 기공을 닫아 내식성, 절연성, 내마모성을 향상시키고 불순물이나 오일의 흡착을 줄이기 위한 실링 처리가 필요합니다. 일반적인 실링 방법으로는 온수 실링, 증기 실링, 중크롬산염 실링, 가수분해 실링, 충진 실링 등이 있습니다.
(1) 열수 밀봉
고온수 밀봉 공정은 새로 형성된 양극 산화 산화막을 끓는 물이나 끓는 물에 특정 시간 동안 처리하는 것입니다. 이 과정을 통해 산화막이 비활성화되어 염료의 추가 흡착을 방지하고 도포된 색상을 안정화합니다. 이 원리는 비정질 Al₂O₃의 수화 반응에 기반 합니다.
Al 2 O 3 + nH 2 O → Al 2 O 3 · nH 2 O
여기서 n은 일반적 으로 1 또는 3입니다. Al₂O₃가 수화되어 일수화물(Al₂O₃·H₂O)을 형성할 때 부피 는 약 33 % 증가 합니다 . 삼수 화물(Al₂O₃·3H₂O)의 경우 부피 는 거의 두 배가 됩니다. 이러한 수화 작용으로 인해 표면과 기공 벽의 Al₂O₃ 부피 가 팽창하면서 기공 이 닫힙니다 .
뜨거운 물 밀봉 공정
- 수온: 90~110°C
- pH 값: 6–7.5
- 시간: 15~30분
수돗물은 산화막의 투명도와 광택을 감소시킬 수 있으므로, 사용하는 물은 증류수나 탈이온수를 사용해야 합니다.
(2) 고온스팀밀봉
고온 증기 밀봉은 고온수 밀봉과 동일한 수화 원리로 작동하여 부피 팽창으로 인해 다공성 필름이 닫힙니다. 다음과 같은 장점이 있습니다.
- 뜨거운 물 밀봉에 비해 밀봉 속도가 빠르고 효율성이 높습니다.
- 수질과 pH에 대한 의존도가 낮습니다.
- 뜨거운 물 밀봉 시 흔히 발생하는 흰재 발생을 줄였습니다.
- 염료 침출이나 퇴색의 위험이 낮아 염색된 양극 산화막에 적합합니다.
증기 밀봉의 핵심은 필요한 온도와 습도를 보장하기 위한 장비 설계 및 기밀성에 있습니다. 온도는 100°C 이상, 일반적으로 115~120°C여야 하며, 증기 압력은 0.7~1 atm(1 atm = 10⁵ Pa)으로 제어되어야 합니다. 표면의 결로는 방지해야 합니다. 화학 반응 속도론에 따르면, 온도가 10°C 상승하면 반응 속도가 약 30% 증가할 수 있습니다. 그러나 빠른 가열(이상적으로는 5분 이내)과 우수한 단열이 필수적이며, 이를 위해서는 정교한 장비가 필요합니다. 증기 밀봉 시스템의 구축 및 운영 비용이 높아 널리 사용되는 데 제약이 있습니다.
(3) 중크롬산염 밀봉
다이크로메이트 밀봉 은 고온에서 강산화성인 다이크로메이트 칼륨 용액에서 수행됩니다. 기공 벽의 Al₂O₃와 다이크로메이트 칼륨(K₂Cr₂O₇ ) 사이 의 반응 은 다음 과 같습니다.
2Al 2 O 3 + 3K 2 Cr 2 O 7 + 5H 2 O → 2AlOHCrO 4 + 2AlOHCr 2 O 7 + 6KOH
생성된 염기성 알루미늄 크롬산염, 염기성 알루미늄 중크롬산염, 그리고 수화 알루미나는 미세기공을 함께 밀봉합니다. 공정 세부 사항은 다음과 같습니다.
| 밀봉 솔루션 | 중크롬산 칼륨 | 50–70 g/L |
| 공정 매개 변수 | 온도 | 90-95 ° C |
| Time | 15 ~ 25 분 | |
| pH 값 | 6-7 |
처리된 산화 피막은 노란색을 띠며 내식성이 뛰어나 보호용 양극 산화 처리에는 적합하지만 장식용 염색 피막에는 적합하지 않습니다.
(4) 가수분해 밀봉
가수분해 밀봉은 중국에서 널리 사용되며, 특히 염색된 산화막 밀봉에 널리 사용됩니다. 이는 고온수 밀봉의 여러 단점을 극복하기 때문입니다. 이 공정은 쉽게 가수분해되는 코발트 또는 니켈 염을 산화막의 기공에 흡착시키는 과정으로, 여기서 가수분해를 통해 수산화물 침전물이 형성되어 기공을 밀봉합니다.
Ni 2 + 2H2O → Ni(OH) 2 ↓ + 2H +
Co 2 + 2H 2 O → Co(OH) 2 ↓ + 2H +
거의 무색이고 투명한 니켈과 코발트 수산화물은 필름의 원래 색상에 영향을 주지 않고 기공을 밀봉하므로 이 방법은 염색된 필름에 이상적입니다.
(5) 충진 밀봉
위의 방법 외에도, 양극 산화막은 투명 바니시, 용융 파라핀, 수지 또는 건성유와 같은 유기 물질로 밀봉할 수 있습니다. 예를 들어, 실리콘 오일은 경질 양극 산화막의 절연성을 향상시키고, 실리콘 그리스는 먼지 없는 표면을 만들 수 있으며, 지방산이나 고온 그리스는 적외선 반사판에 사용되어 4~6μm 파장 범위에서 흡수 손실을 방지할 수 있습니다. 특정 용도에 맞춰 다양한 유기 밀봉제가 개발되었습니다.
