전해연마 (Electropolishing) 란 전기-화학적 반응을 이용한 연마법으로 피연마재를 양극, 전극을 음극으로 하여, 양극 표면에서의 금속용출을 이용해 금속표면을 거울면과 같이 매끄럽게 만드는 연마의 한 종류이다. 전기 도금의 반대 원리로 특정한 전해액에 연마하고자 하는 제품을 양극으로 연결하고 양극 표면의 돌출부를 선택적으로 용해시킴으로서 제품의 표면을 연마한다.
부가적으로 금속표면에 얇은 산화막인 부동태 피막이 형성되므로 부식저항성을 크게 증가시키는 효과 등을 얻을 수 있다. 전극과 공작물의 비접촉에 의한 연마법으로 기계적인 가공이 어려운 복잡한 형상, 고경도 난삭재의 연마에 적합하다.
공정자체는 언뜻 보면 간단한데 전해액에 담갔다가 전기를 통하고 꺼내면 된다. 아래 동영상 1분 위치 참고
적용 분야
반도체 산업 등 청정도를 요구하는 산업의 발달로 재료의 정밀도와 청정도가 동시에 요구되어지며, 이를 달성하기 위해서 기존의 공구와 공작물이 접촉하는 방식의 가공법에서 탈피한 새로운 비접촉 연마방식인 전해연마(electropolishing, electrolytic polishing)가 필요하게 되었다. 기존의 기계적 가공방법으로는 공작물 표면에 미소한 가공흔적 등이 남아있어 근본적으로 청정한 표면을 얻을 수 없기 때문이다.
전해연마는 반도체 제조장비, 식품위생기기, 의료기기, 초순수 제조기, 고순도 가스용기, 정밀금형 및 원자력기기등 표면의 정밀도와 청정도를 함께 요구하는 다양한 산업분야에 응용되고있다. 신기술인 전해연마 가공 법을 완성하게 되면 화학적 안정성, 표면정도, 청정도, 내식성 등이 양호하게되어 다른 기계가공 등에 기대할 수 없는 효과를 나타낸다.
공정
전해연마의 명확한 기구는 아직 밝혀 지지 않은 상태이나, 가공 중에 발생하는 점성, 비중, 절연성이 높은 산화막이 표면의 미소한 파인 부분을 덮어 그 부분의 용해를 방해하고 전류밀도가 집중하는 돌출부의 선택적 용해에 의해 연마가 이루어진다. 적절한 전해액 속에 공작물(양극)과 전극(음극)을 넣고 전류를 인가하면 양극 측에서는 미량의 산소가스가 발생하면서 금속의 용해가 이루어지고, 음극 측에서는 용해작용 없이 다량의 수소가스가 발생한다.
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
1. 전해액 (Electrolyte)
전해 연마에 사용되는 전해액은 과염소산염계와 인산염계로 나누어지는데, 전자는 폭팔성의 위험이 있어 주로 인산-크롬-황산의 혼합액이 사용된다. 이에 대한 일반적인 작업 구성품은 아래와 같다.
2. 음극 (Cathode)
3. 대상물, 양극 (Workpiece to polish,Anode)
4. 대상물에서 음극으로 이동하는 입자 (Particle moving from the workpiece to the cathode)
5. 연마 전 표면 (Surface before polishing)
6. 연마 후 표면 (Surface after polishing)
효과
표면 평탄화 (조도 혹은 표면 거칠기 향상)
전해연마는 근본적으로 표면의 미소 돌출부위를 선택적으로 용해함으로써 일반가공 부품의 표면거칠기 값을 50∼80% 정도 향상시키며, 기존의 치수공차가 유지되며 표면 거칠기의 향상을 도모할 경우매우 유용한 가공법이다. 평탄화된 표면은 불순물입자의 유입을 억제시켜 오염을 방지할 수 있다.
수소의 제거
금속 내에 수소가 존재할 경우 피로파괴 촉진과 박테리아 성장이라는 중요한 두가지 문제를일으킨다. 전해연마는 이러한 수소의 제거에 탁월한 성능을나타낸다. 금속표면에 존재하는 수소뿐만 아니라 내부 깊숙히 존재하는 수소까지도 쉽게 제거가 가능하기 때문에 피로파괴 방지뿐만 아 니라 수소가 있는 환경에서 생존하는 혐기성 박테리아도 제거가 된다. 전해연마에 의해 처리된 표면은 불순물의 유입과 수소성분이 적어 근본적으로 살균 및 세척효과를 발휘하며, 이후의 세정효과도 탁월하다.
부식저항성
전해연마는 super-passivation 공정이므로 탁월한 부식저항성을 지니게 된다. 스테인레스 강의 경우 일반기계가공 부품보다 약 15∼20 배의 내부식성 향상을 보이는데, 이는 여러 가지 인자로 분석된다. 첫째, 표면의보호막 생성이다. 전해연마에 의해 처리 된 표면에는 부식저항성을 지니는 산화크롬을 다량 함유하는 보호막이 생성된다. 둘째, 기계가공에 의한 표면의 변형층 제거이다. 베일비 층(Bailby layer)이라 불리는 비결정질 층은 기계가공에 의하여 결정구조 파괴 및 변형에 의해 생성되는데 이는 부식의 핵이 되는 부식 유발성 물질을 다량 함유하고 있다. 전해연마는 변형층에 포함된 부식 유발성 물질을 제거하기 때문에 내부식성의 향상을 가져온다. 셋째, 표면의 평탄화이다. 평탄화된 표면은 표면적을 감소시켜 국부적 부식을 일으키는 부분의 출현을 억제하기 때문에 내부식성의 향상을 가져온다.
표면의 광택
전해연마는 균일성, 광택, 제어된 금속제거 측면에서 가장 우수한 가공법으로 알려져 있다. 표면에 생성되는 다크롬층은 접착현상을 제외하면 크롬도금과 유사하며 이는 분리되거나 벗겨지지 않고 강한 내부식성과 광택성을 지닌다. 또한 전해연마에 의해 평탄화된 고품위 표면이 빛반사가 매우 높은 광택면을 유발한다.
변색/응력의 제거
전해연마는 열처리, 용접 등 여러 가지 처리에 의해 생성된 변색뿐만 아니라 주조, 단조 후의 가공경화된 표면, 잔류응력을 제거하여 금속고유의 강도와 조직을 복원시키는 작용을 하게 된다.
접착성 증가
페인팅, 플레이팅, 접착, 플라즈마와 같은 금속 코팅력을 증가시키는데 효과적이며 전해연마 후에는 불순물이 잔류하지 않는 극청정 표면을 얻을 수 있다.
디버링(Deburring)
일반적으로 혼잡하고 복잡한 부분에 발생하는 버 (Burr)는 기계적인 방법으로 제거 할 경우 상당한 시간과 인력의 낭비를 가져오게 되는데, 전해연마는 근본적으로 모서리 (edge) 부분을 부드럽게 하거나 제거시키므로 디버링 능력도 상당히 탁월하다.
장점 (기계 연마 대비)
가공 표면에 가공 경화층을 생성하지 않으므로 잔류응력이 거의 없다.
전해 과정에서 표면에 붙어 있는 불순물이 제거되고 부동태화 피막이 형성됨으로 내부식성이 좋아 진다.
전기적인 작용이므로 형상에 구애받지 않고 표면 연마를 수행할 수 있다.
가공 표면이 더 평활하고 광택을 갖는다.
단점 (기계 연마 대비)
전해 연마는 피연마제의 재질의 화학적 조성 및 기계적 성질에 따라서 연마 정도가 변한다. 따라서, 오스테나이트 스테인레스강이나 구리 등 재질에 제한을 갖는다.
용접부와 같이 요철이 큰 조건에서는 연마 효과가 매우 낮다.
전해 연마를 실시전에 기계적 연마로 표면을 미리 평활하게 가공해야 한다.
국내 업체의 경우에 전해 연마에 대한 시장성이 높지 않아 업체 선택의 폭이 매우좁다.
관련 표준
ASME BPE Standards for Electropolishing Bioprocessing Equipment
SEMI F19, Electropolishing Specifications for Semiconductor Applications
ASTM B 912-02 (2008), Passivation of Stainless Steels Using Electropolishing
ASTM E1558, Standard Guide for Electrolytic Polishing of Metallographic Specimens
