기술내용
전해연마(electropolishign) 기술은 전기-화학적 반응을 이용한 연마법으로 피연마재를 양극, 전극을 음극으로 하여, 양극 표면에서의 금속용출을 이용해 표면 조도, 광택도, 내식성 등을 향상시키는 연마법이다. 전극과 피연마재의 비접촉에 의한 연마법으로 기계적인 가공이 어려운 복잡한 형상, 고경도 난삭재의 연마에 적합하며, 고능률·고품위 연마작업에 적합하다. 전해연마의 명확한 기구는 아직 밝혀지지 않은 상태이나, 가공 중에 발생하는 점성, 비중, 절연성이 높은 산화막이 표면의 미세한 홈을 덮어 그 부분의 용해를 방해하고 전류밀도가 집중되는 돌출부의 선택적 용해에 의해 연마가 이루어진다. 또한 표면 산화층이 존재하는 경우라 하더라도 산화층 내의 금속이온이 주위의 전해액 중의 이온 농도보다 낮아 농도차에 의한 삼투현상으로 전해액으로 용해되어 표면의 돌출부위를 덮고 있는 절연성 산화막 역시 평탄화 된다. 이러한 전해연마 기술은 가공 표면에 가공 경화층을 생성하지 않기 때문에 표면잔류응력을 효과적으로 제거할 수 있으며, 전해과정에서 표면의 불순물이 제거되고 최종적으로 부동태 피막이 형성됨으로써 내부식성이 향상된다. 그러나 피연마재의 재질의 화학적 조성 및 기계적 성질에 따라서 연마 정도가 다르고 Austenite STS나 copper 등 재질에 제한을 갖으며, 용접부와 같이 요철이 큰 조건에서는 연마 효과가 너무 낮은 문제점을 가진다. 그리고 전해연마 실시 전에 기계적 연마가 수반되어야 연마특성을 향상 시킬 수 있다는 제약이 있다.
전해연마 조건은 앞서 언급한 바와 같이 피연마재의 화학적 조성, 표면조도, 전기전도도 등의 피연마 재료의 특성과 가공 시 전류밀도, 가공시간, 전해액 조성과 온도, 전극간극 등의 전해연마 환경에 영향을 받게 된다. 전해연마를 위한 장치적 구성은 그림 1에 나타낸 바와 같이 전원공급부, 항온온도조절부, 전해액공급조 및 전해액이송부, 피연마재(양극), 음극으로 구성된다. 이때 피연마재는 전해액에 담기거나 전해액이 연마가 요구되는 구간을 통과하도록 하여 양극과 연결하여, 음극과 함께 전원공급장치에 연결한다. 본 연구에서 사용된 전해연마 장치는 전압과 전류의 조절 및 전원공급시간의 제어가 가능하며, 전해연마 시 가공상태는 전압과 전류의 변화로서 모니터링 할 수 있는 Buehler사의 ElectroMat4 장비였다. 또한, 전열관 내면 전해연마를 위하여, 전열관-전해액공급조간의 순환형 루프를 구성하였고, 음극은 탄소봉이나, 금속봉 전극을, 사용하였다. 전해액은 실제 상용원전 전열관 재료인 Alloy 690 재료에 적합한 조성을 갖는 황산, 인산, 유기용매의 혼합액을 사용하였다. 전해액의 온도는 40oC, 피연마재와 전극간의 전압은 8 ~ 10 V로 조절하여 안정된 전압을 갖는 조건하에서 재료의 전해연마 특성을 분석하였다. 전반적인 전해연마 공정은 다음과 같은 순서로 진행된다.
- 전해 연마 실시 전 기계적 버핑작업
- 피연마재 표면의 불순물 제거를 위한 세척 및 건조
- 전해액 주입 및 항온조건 유지
- 피연마재와 음극간의 전압차 및 전류밀도 조절
- 전해연마시간 조절
- 전해연마 종료 후 피연마재 세척 및 건조
- 표본시편의 표면조도, 광택, 미세경도, 잔류응력, 형상 및 칫수 변화, 표면 미세조직 변화 등의 분석을 통한 전해연마 특성 분석
그림1. 전해연마기 (BUEHLER ElectroMet4)와 전열관 내면 전해연마를 위해 고안된 전해액 순환형 지그
적용분야
- 고능률·고품위 정밀도와 청정도가 요구되는 산업분야
- 반도체 제조장비, 식품/바이오기기, 의약/의료기기, 초순수 제조기, 고순도 가스용기 및 가스 배관, 정밀금형, 원자력기기 등 표면처리
- 금속 표면의 내식성 및 화학적 안정성, 기계적강도, 표면조도, 피로수명, 표면광택 향상
- 부식산화물, 유기물 등 이물질 및 버어(Burr) 제거를 통한 금속 표면 개선
- 부식균열 및 손상 보수
적용사례
- 전열관 표면 부식용출 저감 - 원전 1차측 수화학 조건에서 노출시간에 따른 부식용출 시험 후 무게감량을 측정한 결과 전해연마 조건에 따라 용출 저항성이 최대 2.4배까지 향상됨. (그림2, 그림3)
- 원전 증기발생기 채널헤드 내면 전해연마 처리-기존 증기발생기 제작에 있어 최종 공정은 Divider plate와 channel head cladding을 기계연마 (mechanical grinding)하는 것으로 마무리 되지만, 기계연마에 더해 전해연마로 마무리하면 방사선원의 집적 정가가 현저히 감소 (EPRI, 두산중공업)
- 스테인레스강의 전해연마처리- 표면 및 금속 내부의 수소 제거를 통한 피로특성 향상 및 박테리아 성장 억제.
그림 2. 전해연마에 의한 전열관 표면상태 변화
그림3. 전해연마에 따른 부식용출 특성변화