아노다이징은 금속의 표면에 얇은 산화막을 만들어서 그 금속의 내부를 보호하는 방법입니다.
이 방법은 주로 Al Ti Mg등과 같이 산소와 반응하는 정도가 매우 커서 스스로 표면에 산화막을 만드는 금속에 때해 쓰입니다. 특정 용액(황산 등)에서 그 금속이 양극으로 작용하게 하여 금속표면의 산화작용을 촉진시켜서 균일한 두께의 산화막을 인위적으로 생성시켜주는 방법입니다. 특정 용액을 쓰는 이유는 밑에서 다시 말씀 드리죠..
상용으로 쓰이는 것은 Al이 대부분 입니다.

<<효과와 목적 원리.>>

1.금속의 표면을 보호하는데 1차적 목적이 있습니다. 원래에도 생성되는 산화막을 좀더 균일하게 생성되게 해서 표면을 부식에서 보호하는 것입니다.

2. 자동차용 휠등 Mg를 포함하는 Al합금계에서는 광택효과를 얻기위해 아노다이징을 하기도 합니다. Mg는 아노다이징 이후에 appearable..(드러냄성?) 잘 나타나는 성질..움 -_-;; 여튼 광택을 생기게 하기 때문에 외관이 중요한 제품에서 쓰이기도 합니다. 실제 ASA의 고급 알루미늄휠에서는 표면보호는 물론 광택을 위해서 아노다이징을 하기도 합니다.

3.Al에 대해 예를들어 말씀드리죠. Al처럼 공기와의 반응정도가 큰 금속들은 자체로서 산화막을 형성하여 스스로 내부를 보호합니다. 그러나 그 큰 반응성 때문에 Fe나 Si Cu같은 불순물을 필연적으로 포함하게 됩니다. 이런 불순물을 제거하는 것은 상당히 어려우며 제거할 경우 가격이 엄청나게 올라가서 상용으로 쓰이기에는 부적합합니다. 그런데 이런 불순물의 함량이 높으면 그 금속이 응고되는 중에(제품의 제조중에) 불순물과 Al사이에 금속간화합물(intermetallics:IMC)이 생기게 되고 (Al3Fe Al6Fe Al5FeSi Al2Cu등) 이런 IMC는 Al과 다르게 스스로 산화막을 생성해서 표면을 보호하지 못합니다.
따라서 불순물 함량이 높은 합금을 공기중에 내버려두었다가 그냥 쓰게되면 저런 IMC가 생긴 부분에서 구멍이 나거나(pitting) 그 부분이 선택 부식되어 응력이 집중되거나 해서 구조물 자체에 큰 영향을 끼치게 됩니다.

아노다이징을 하는 궁극적 목정이 바로 여기에 있습니다. 공기중에서는 Al만 산화막을 형성하고 저런 IMC들은 산화막을 형성하지 못합니다 단..특정용액(황산등)에서는 저런 IMC도 산화막을 형성할 수 있습니다. 황산이 공기에 비해 합금을 훨씬 빨리 산화시키기 때문이죠. 또한 아노다이징 과정을 조절하면 산화막의 두께도 조절할 수 있습니다. 즉 모든 합금 표면이 부식이나 외부 환경에 대해 균질한 저항력을 가질 수 있게 되는 것입니다.


아노다이징이 된 제품을 사용하는 경우는 주로 자동차용 알루미늄 제품에 많이 쓰입니다. (부식 방지용) 위에서 말씀드린 것 처럼 고급자동차용 휠에서는 여러가지 목적을 복합적으로 얻기위해 사용되기도 합니다.

 

양극산화 피막도 전해의 일정이므로 Faraday의 법칙을 따르게 된다.

그러나 공업적 양극산화법에 사용하는 전해액은 전부 산화 알미늄을 용해하는 성질을 가지고 있으므로 산화피막 생성의 전류 효율은 100%로 될수가 없다. Faraday의 법칙에 따르면 1㎠ 의 양극 알미늄에 1A.min(分)의 Al₂O₃로서 다음의 중량만큼 생성된다.

2Al + 3O₃ = A/₂O₃ 2 * 3 가 = 6F 27 * 2 + 16 * 3 = 102

즉 6Faraday에 대해 A/₂O₃ 가 102g 생성하므로 60초간에는

(102 * 60 ) / (6*96.494 ) = 0.1057g = 10.57 mg
만일 Al₂O₃ 의 피막의 밀도가 3.1 이라 하면

(0.01057) / (3.1) = 3.14 * 10^-3 Cm = 341 마이크로론이 된다.

또한 알미늄의 산화에 의한 감소는,Al의 비중이 2.7 이므로

(27 * 60) / (3*2.7*96494) = 2.07 * 10^-3 Cm = 20.7 이 된다.

만일 피막이 가수(加水)되어 Al₂O₃ . H₂O 또는 A100H 로 된다.

고 가정하고 3.1의 밀도를 가지게 되면 1 ㎠ 당 1A.min의 전기량에 대해 39.7μ 가 되는 셈이 된다. 그러나 이것은 이상적인 경우이며,설계와는 대단한 거리가 있는 것을 알 수 있다.

 

 

산화피막의 생성과 구조에 대해서는 미지의 점이 많으나 현재까지 알려져 있는 연구 결과를 간단히 소개한다. 아노다이징 전해액 중에 A1을 양극으로 해서 통전하면 우선 Al₂O₃, 의 엷은 층(barrierlayer 또는 활성층)이 생긴다. 이 때 전압이 충분히 크면 전해액이 첨가되면서 피막의 침식을 조장 시킨다고 하는 설이 있으나 금속표면 처리 기술 Vol 16.No9 1965 p.408문헌에 의하면 그림의 (b)와 같이 A1면에 접한 활성층은 구의집합이고, 이 활성층은 A1을 과잉으로 품고 있는 것으로 보아 A1이 전류에 의해 용융산화되어 새로운 활성층이 생성되고,이와 같이 반복되어 산화 피막이 내부로 성장한다고 한다.

0.01 - 0.1㎛ 200㎛

 

 

산화피막은 활성층과 외측에 파괴를 거듭해서 생긴 구멍이 있는 층 즉,다공층으로 되어 있으며 ,그림 1과 같다. 이 그림에서의 화살표와 같이 산화온은 확산에 의해서 A1이온은 외부로 나와서 산화물이 계속 생기는 것을 나타내고 있다.

양극산화 피막의 구조를 모형으로 표시하면 그림2와 같으며,각 관상세포의 조직은 그림3과 같다. 그림에서 공경(孔徑) P는 전해액 조건에 따라 다르며 또한 구멍간의 거리는,세포의 직경 C와 같으며 이것은 아노다이징 전압에 비례한다.

다시 말하면 그림2에서 세포의 벽두께 W는 전압에 비례하며, 1V당의 두께 ω는 아노다이징 액에 관계없이 거의 일정한 상수 다.

C = P + 2 W + P + 2 ωV 세포가 커지면 그에 따라서 구멍의 수는 작아지는 것을 알 수 있다.

그림 2와 3에서 산화 피막은 활성층(D1)과 다공층(D2)으로 되어 있는 것은 앞에서 말한 바와 같으며 활성층은 0.01 ~ 0.1μ 정도고 다공층은 피막두께의 대부분을 차지하고 있다.

황산법은 어느 시간 이후는 황산의 피막용해 속도가 커서 다공층은 증가하지 않으며,다만 이론적으로 A1이 A/₂O₃ 로 변화하면 용적이 48% 증가하는 것 뿐이다.

그러나, 산화피막은 표면은 항상 전해액과 접하고 있고,또 이것이 침식성을 가지고 있으므로 피막의 표층은 부스러져 나는 경향이 있다.

 

 

 

도금에는 (-)극에 제품이 걸려서 도금이 되는데 전기는 항상 (+)극에서 (-)쪽으로 (남자는 여자를 좋아하듯이) 흘러서 도금이 되는데 아노다이징은 반대로 (+)극에 제품이 걸리는데 어찌하여 두께가 올라간다고 하는 겁니까 ? 거짓말이 아닌가요 ?

그 원리는 쉽게 설명하면 이렇습니다.

컵에다 물을 가득 채우면 마지막에 넘치기 직전에는 물이 넘치지 않으나 동전을 3개 정도 투입하면 물이 넘쳐 흐른다. 즉, 부피가 늘어났다는 애기다.

마찬가지로 알미늄은 면심입방격자를 이루고 있는데 각 모서리부분에 O₂(산소)원소가 중간에 끼어 들게 되면서 부피가 팽창한다고 보면 아노다이징에서 부피가 왜 늘어나고 피막이 형성되면 두께가 10 μ(미크론) 이다. 경질 피막인 경우 50μ 이 오르는가를 쉽게 이해 할 수 있다.