알루미늄 아노다이징 공정: 특성, 방법 및 최신 개발

전기분해는 부품을 양극으로 사용하여 금속 또는 합금 부품의 표면에 얇은 산화막을 형성하는 데 사용됩니다.

금속 산화막은 표면 착색, 내식성 향상, 내마모성 및 경도 증가, 금속 표면 보호와 같은 표면 상태와 특성을 변화시킵니다.

예를 들어 알루미늄 아노다이징에서는 알루미늄과 그 합금을 해당 전해질(황산, 크롬산, 옥살산 등)에 양극으로 배치하고 특정 조건에서 외부 전류를 인가하여 전기분해를 수행합니다.

양극의 알루미늄 또는 그 합금이 산화되어 표면에 5~20미크론 두께의 얇은 산화 알루미늄 층을 형성합니다. 하드 아노다이징 필름은 두께가 60~200미크론에 달할 수 있습니다.

아노다이징 후 알루미늄 또는 그 합금의 경도와 내마모성이 향상되어 250-500kg/제곱밀리미터에 이릅니다. 하드 아노다이징 필름은 녹는점이 2°C에 달할 정도로 내열성도 우수합니다.

실제 애플리케이션에서 아노다이징은 알루미늄 합금 은 알루미늄 부품 표면에 단단한 보호막을 형성하여 주방용품 및 기타 생활용품을 생산하는 데 적합하기 때문에 일상 생활에서 흔히 사용할 수 있는 공정입니다.

그러나 아노다이징은 주조 알루미늄 는 표면이 고르지 않고 검은색으로만 착색되는 등 결과가 좋지 않습니다. 알루미늄 합금 프로파일의 아노다이징이 상대적으로 더 좋습니다.

최근 몇 년 동안 중국의 알루미늄 산화 착색 기술은 빠르게 발전했으며 많은 공장에서 새로운 공정 기술을 채택하고 실제 생산에 대한 풍부한 경험을 축적했습니다.

알루미늄과 그 합금의 아노다이징에는 생산 요구 사항에 따라 적합한 공정을 선택할 수 있는 성숙하고 발전하는 많은 방법이 있습니다.

산화 공정을 선택하기 전에 알루미늄 또는 알루미늄 합금 소재의 품질과 구성이 양극산화 알루미늄 제품의 품질에 직접적인 영향을 미치기 때문에 알루미늄 또는 알루미늄 합금 소재를 이해하는 것이 중요합니다.

예를 들어 알루미늄 표면에 기포, 긁힘, 벗겨짐, 거칠기 등의 결함이 있는 경우 아노다이징 처리 후에도 이러한 결함이 그대로 보입니다. 합금 구성도 양극산화 처리된 표면의 외관에 직접적인 영향을 미칩니다.

예를 들어, 1-2% 망간을 함유한 알루미늄 합금은 산화 후 갈색을 띤 청색으로 변하고 망간 함량이 증가하면 갈색을 띤 청색에서 짙은 갈색으로 변합니다.

0.6-1.5% 실리콘을 함유한 알루미늄 합금은 산화 후 회색으로 변하고, 3-6% 실리콘을 함유한 합금은 흰색-회색으로 변합니다. 아연 함유 합금은 유백색을 띠고 크롬 함유 합금은 황금빛 노란색에서 회색까지 고르지 않은 색상을 나타내며 니켈 함유 합금은 밝은 노란색으로 나타납니다.

일반적으로 5% 이상의 마그네슘을 함유한 알루미늄 합금과 티타늄 는 산화 후 투명하고 밝은 외관을 얻을 수 있습니다.

적합한 알루미늄 및 알루미늄 합금 소재를 선택한 후에는 적절한 아노다이징 공정을 선택하는 것을 고려해야 합니다.

현재 중국에서는 황산 산화, 옥살산 산화, 크롬산 산화가 널리 사용되고 있으며 매뉴얼과 서적에 철저히 문서화되어 있습니다. 이 글에서는 현재 중국에서 개발 중인 새로운 공정과 외국의 공법을 간략하게 소개합니다.

1. 중국에서 개발된 새로운 프로세스:

(1) 옥살산-메탄산 혼합물에서 빠른 AC 산화.

옥살산-메탄산 혼합물을 사용하는 것은 메탄산이 강력한 산화제이며 산화막의 내부 층(장벽층 및 차단층)의 용해를 가속화하여 다공성 외부 층을 형성할 수 있다는 아이디어에 기반합니다.

이러한 유형의 용액은 전도성을 증가시켜(즉, 전류 밀도를 증가시켜) 산화막이 빠르게 형성될 수 있습니다. 순수 옥살산 산화에 비해 이 솔루션은 생산성을 37.5% 높이고 전력 소비를 줄여(옥살산 산화의 경우 평방미터당 3.32kWh, 이 공정의 경우 평방미터당 2kWh) 40%의 전력을 절약할 수 있습니다.

공정 공식은 다음과 같습니다: 옥살산 4-5%, 메탄산 0.55%, 3상 AC 44V, 전류 밀도 2-2.5 A/d㎡, 온도 30±2℃.

(2) 혼합 산 산화.

이 방법은 1976년 일본 국가 표준에 공식적으로 포함되었으며, 키타세이 닛쇼 주식회사에서 채택했습니다. 기존의 황산 산화에 비해 필름의 빠른 필름 형성, 높은 경도, 내마모성 및 내식성이 특징입니다.

이 필름은 은백색이며 인쇄 및 착색 제품에 적합합니다. 중국의 알루미늄 제품 산업이 일본을 방문한 후 1979년에 이 방법을 사용하도록 권장되었습니다.

권장 공정 배합: H2SO4 10-20%, COOHCOOH-2H2O 1-2%, 전압 10-20V, 전류 밀도 1-3 A/d㎡, 온도 15-30℃, 시간 30분입니다.

(3) 세라믹 산화.

세라믹 산화는 주로 크롬산, 붕산, 산화티타늄칼륨을 전해질로 사용하고 고전압과 고온에서 전해 처리를 거칩니다.

이 필름은 도자기의 유약과 같으며 내식성이 높고 내마모성이 좋으며 유기 또는 무기 염료로 착색할 수 있어 특별한 광택과 색상을 부여합니다. 주로 알루미늄 조리기구, 라이터, 금색 펜 등에 사용되며 소비자들 사이에서 인기가 높습니다.

(4) 군용 색상 산화.

군용 컬러 산화는 주로 군용 알루미늄 제품의 장식용으로 사용되므로 특별한 보호 효과가 필요합니다. 산화막은 군용 녹색, 무광택, 내마모성, 내구성 및 우수한 보호 특성을 가지고 있습니다.

이 공정은 먼저 옥살산 산화를 수행하여 황금빛 노란색 막층을 생성한 다음 과망간산 칼륨 20g/l과 H2SO4 1g/l 용액을 사용하여 양극 산화 처리하는 과정을 거칩니다. 선양 알루미늄 제품 공장은 이 공정을 사용하여 군용 물병과 조리기구를 생산하고 있습니다.

(5) 다색 산화.

이미 염색되었지만 닫히지 않은 양극산화물 층을 크롬산 또는 옥살산으로 적셔 CrO3가 퍼지도록 합니다.

염색된 제품의 표면은 CrO3에 젖으면 희미해지고, 옥살산이나 크롬산은 필요에 따라 물로 씻어내면 일반적으로 이미지와의 반응이 멈춥니다.

그런 다음 두 번째 염료를 바르거나 필요에 따라 CrO3를 닦고 헹구고 염색하는 과정을 반복하여 꽃, 구름 등의 무늬를 만듭니다.

현재 이 방법은 금 컵, 물컵, 차 상자, 라이터 등의 제품에 널리 사용되고 있습니다.

(6) 대리석 패턴 염색 과정.

제품이 산화되고 첫 번째 색상으로 염색된 후 건조된 다음 표면에 그리스가 묻은 물에 담급니다.

들어 올리거나 담그면 그리스와 물이 자연스럽게 흘러내려 필름에 불규칙한 줄무늬 모양의 얼룩이 생깁니다. 두 번째 염료를 바르면 산화막은 그리스가 묻은 부분은 염색이 되지 않고, 그리스가 묻지 않은 부분은 두 번째 톤으로 염색되어 대리석과 같은 불규칙한 무늬가 형성됩니다.

이 방법은 광동성 국영 양장 나이프 공장의 저우 쇼우위 동지의 기사(전기 도금 및 코팅, 1982년 2호)에서 찾을 수 있습니다.

(7) 화학적 에칭 산화.

이후 기계적 연마 알루미늄 제품은 마스킹제 또는 감광성 물질로 코팅하고 건조시킨 후 화학적 에칭(불소 또는 철염 에칭제)을 통해 오목볼록 패턴을 형성합니다.

전기 화학 연마 및 양극 산화 후 본체의 느낌이 강한 표면 패턴이 나타나며 스테인리스 스틸의 외관과 비교할 수 있습니다. 현재 골드 펜, 티 박스, 스크린 등의 제품에 사용되고 있습니다.

(8) 상온 급속 양극 산화.

일반적으로 H2SO4 산화를 위해서는 냉각 장치가 필요하므로 전력 소비가 높습니다. 알파-하이드록시프로피온산과 글리세롤을 첨가하면 산화막의 용해를 억제하여 실온에서 산화를 진행할 수 있습니다.

일반 황산 산화에 비해 필름 두께를 두 배까지 늘릴 수 있습니다. 권장되는 공정 공식은 다음과 같습니다:

(9) 화학적 산화 방법(전도성 산화막이라고도 함).

필름 층의 내식성은 황산 양극 산화막의 내식성과 유사합니다. 전도성 산화막은 접촉 저항이 낮고 전기를 전도할 수 있는 반면, H₂SO₄ 양극 산화막은 높은 접촉 저항으로 인해 전기를 전도할 수 없습니다.

전도성 산화막의 내식성은 구리 도금, 은 도금 또는 주석 도금 알루미늄보다 훨씬 강합니다.

단점은 주석 납땜을 필름 층에서 수행 할 수 없다는 것입니다. 스폿 용접 를 사용할 수 있습니다. 권장되는 프로세스 공식은 다음과 같습니다.₃ 4g/l, K₄Fe(CN)6-3H₂O 0.5g/ℓ, NaF 1g/ℓ, 온도 20-40℃, 시간 20-60초.

양극 산화를 위해 알루미늄을 선택할 때 다음 사항도 주의해야 합니다:

(1) 선택한 알루미늄의 표면에 심한 스크래치, 구조적 결함 또는 내포물이 없어야 합니다. 이러한 요소는 산화막 층의 외관과 내식성에 영향을 미칩니다.

(2) 일부 알루미늄 합금은 합리적인 사양에 따라 열처리해야 합니다. 입자의 크기는 산화막의 구조와 특성에 일정한 영향을 미칩니다. 거친 입자는 산화 중에 고르지 않게 반응하여 종종 오렌지 껍질과 같은 모양을 만듭니다. 따라서 일반적으로 알루미늄은 미세한 입자 구조를 갖는 것이 바람직합니다.

2. 해외의 새로운 표면 처리 공정 소개

최근 몇 년 동안 외국은 알루미늄 분야에서 빠르게 발전했습니다. 표면 처리. 한때 노동 집약적이고 전력 및 자원 집약적이었던 오래된 공정이 개혁되었고, 새로운 공정과 기술이 산업 생산에 널리 적용되었습니다.

(1) 고속 양극 산화 방식.

고속 양극 산화 공정은 주로 전해질 용액의 구성을 변경하고 전해질 용액의 임피던스를 감소시켜 고속 양극 산화를 위한 더 높은 전류 밀도를 허용합니다.

1A/d㎡ 전류 밀도를 사용하는 기존 공정의 박막 형성 속도는 0.2~0.25μ/min인 반면, 변경된 용액을 사용하는 이 새로운 공정의 박막 형성 속도는 1A/dm에서도 0.4~0.5μ/min으로 증가시킬 수 있습니다.² 전류 밀도를 높여 처리 시간을 크게 단축하고 생산 효율성을 개선합니다.

(2) 토미타식(고속 산화) 방식.

토미타식 공법은 기존 공정보다 처리 시간이 훨씬 짧고 생산 효율을 33% 이상 높일 수 있습니다. 이 방법은 일반 양극 산화막뿐만 아니라 경질 산화막에도 적합합니다.

단단한 필름을 생성하려면 용액 온도를 낮추는 방법이 사용됩니다. 필름 형성 속도는 일반적으로 위 표에 나열된 것과 동일합니다. 필름 경도와 용액 온도 사이의 관계는 다음과 같습니다:

• 10℃ - 경도 500H
• 20℃ - 경도 400H
• 30℃ - 경도 300H

(3) 루비 필름.

알루미늄 표면에 루비 필름을 만드는 과정은 새로운 공정입니다. 필름의 색상은 인공 루비와 비슷할 수 있어 장식용으로 이상적입니다. 또한 내식성과 내마모성이 우수합니다.

다른 금속의 종류 용액의 산화물은 다양한 외관을 만드는 데 사용할 수 있습니다. 이 공정은 먼저 1A/dm의 전류 밀도를 사용하여 15% 황산으로 아노다이징하는 과정을 거칩니다.² 를 80분간 사용합니다.

그런 다음 공작물을 (NH₄)₂CrO^₄ 용액을 원하는 색상 강도에 따라 40℃에서 30분 동안 다양한 농도로 혼합하여 금속 이온이 양극 산화막의 기공으로 들어갈 수 있도록 합니다.

그 후, 공작물을 170℃에서 1A/dm의 전류 밀도로 중황산나트륨(분자량 1g) 및 중황산암모늄(분자량 1.5g) 용액에 담급니다.². 결과 필름은 형광 반짝임이 있는 자주색-빨간색이며, Fe₂(CrO₄)₃ 또는 Na₂CrO₄ 용액은 진한 보라색 형광을 띠는 파란색 필름을 생성합니다.

(4) 아사다 일렉트로컬러링.

아사다 전기 착색은 아노다이징 후 금속 양이온(니켈염, 구리염, 코발트염 등)을 산화막의 핀홀 바닥에 전기 분해하여 색상을 생성하는 공정입니다. 이 공정은 주로 건설 업계에서 인기가 있는 청동색과 검은색을 얻을 수 있기 때문에 최근 몇 년 동안 빠르게 발전했습니다.

생산된 색상은 안정적이고 혹독한 기상 조건에 강합니다. 이 프로세스는 천연 착색 방법에 비해 에너지를 절약할 수 있습니다.

일본의 거의 모든 건축물은 알루미늄 프로파일 이 메서드를 사용하여 색상을 지정합니다.

(5) 천연 착색 방법.

천연 착색 방식은 한 번의 전기 분해로 착색을 완료합니다.

살리실산과 황산, 설폰산과 티타늄산, 설폰산과 말레산 등 여러 종류의 용액이 사용됩니다.

천연 착색법에는 유기산이 주로 사용되기 때문에 산화막이 비교적 조밀하고 내광성, 내마모성, 내식성이 우수합니다.

그러나 이 방법의 단점은 우수한 색상을 얻으려면 알루미늄 합금 재료의 구성을 엄격하게 제어해야 한다는 것입니다.

1. 황산 아노다이징.

황산 아노다이징은 다음과 같은 특징이 있습니다:

(1) 솔루션의 저렴한 비용, 간단한 구성, 쉬운 작동 및 유지보수.

일반적으로 다른 화학 물질을 첨가하지 않고 황산을 특정 농도로 희석하기만 하면 됩니다. 화학적으로 순수한 황산이나 불순물이 적은 산업용 황산을 사용하는 것이 좋으므로 특히 비용이 저렴합니다.

(2) 산화막의 높은 투명성.

순수 알루미늄의 황산 알루마이트 필름은 무색투명합니다. 알루미늄 합금의 경우 합금 원소인 Si, Fe, Cu, Mn이 증가함에 따라 투명도가 감소합니다. 다른 전해질에 비해 황산 알루마이트 필름의 색상이 가장 밝습니다.

(3) 높은 착색 성능.

황산 산화물 필름은 투명하고 다공성 층은 흡착력이 강하고 염색 및 착색이 용이합니다. 색상이 밝고 퇴색하기 쉽지 않으며 장식 효과가 강합니다.

(4) 황산 아노다이징의 작동 조건은 다음과 같습니다:

2. 옥살산 및 크롬산 아노다이징.

옥살산 아노다이징은 일본에서 널리 사용되며 산화막의 특성은 황산 아노다이징과 유사하며 황산 아노다이징보다 다공성이 낮고 내식성 및 경도가 높습니다. 옥살산 용액의 비용과 작동 전압은 황산보다 높으며 일부 합금의 산화막 색상이 더 어두울 수 있습니다. 옥살산과 황산 아노다이징 모두 우수한 냉각 시스템이 필요합니다.

옥살산 아노다이징의 작동 조건은 다음과 같습니다:

크롬산 알루마이트 필름은 특히 부식에 강하며 주로 항공우주 산업에서 사용됩니다. 산화크롬 필름과 페인트의 접착력이 강해 페인트의 베이스로 적합합니다. 회색 불투명 크롬산 알루마이트 필름은 일반적으로 장식용으로 사용되지 않습니다.

크롬산 아노다이징의 작동 조건은 다음과 같습니다:

3. 하드 아노다이징.

2차 세계대전 말기에는 양극산화막의 경도와 두께를 높이기 위해 황산 양극산화 탱크의 온도를 0℃로 낮추고 전류 밀도를 2.7~4.0A/dm2로 높여 25~50μm의 '경질 산화막'을 얻었습니다. 소량의 황산과 옥살산을 사용하여 5~15℃에서 경질 양극산화막을 얻을 수 있습니다. 일부 특허는 최적화된 황산 농도, 유기산 또는 벤젠 헥사 카르 복실 산과 같은 기타 첨가제를 사용하여 하드 아노다이징을 수행합니다.

스코틀랜드에서 캠벨은 AC-DC 중첩 전원 공급 장치, 전해질의 고속 흐름, 0℃, 25~35A/dm2의 전류 밀도를 사용하여 100μm의 경질 양극 산화막을 얻는 방법을 발명했습니다.

오늘날 펄스 전류는 하드 아노다이징, 특히 일반적으로 하드 아노다이징이 어려운 고구리 알루미늄 합금의 하드 아노다이징에 사용됩니다. 펄스 전류를 사용하면 "버닝"을 방지할 수 있습니다. 또한 AC-DC, 단상 또는 3상 펄스 전류의 다양한 주파수, 역전류 등과 같이 하드 아노다이징에 사용되는 전원 공급 장치도 많이 있습니다.

기존의 DC 하드 아노다이징에서 전류 밀도는 일반적으로 4.0A/dm2를 초과할 수 없습니다. 단상 정류기 펄스 전원 공급 장치의 경우 전류 펄스의 피크 값이 매우 클 수 있지만 산화막 두께의 균일성을 유지하는 것이 중요한 문제입니다.