기술 설명

경질 아노다이징

원리

아노다이징은 알루미늄 부품을 양극으로 걸고 황산 전해액에서 전류를 흘려 표면에 산화알루미늄 피막을 만드는 전기화학 공정입니다. 피막은 도금처럼 위에 얹히는 층이 아니라 소재 표면 자체가 산화물로 바뀐 층이어서 쉽게 벗겨지지 않습니다. 이렇게 만든 피막은 내식성·내마모성·경도·전기 절연성을 높이고 외관을 정리합니다.

피막은 소재와 맞닿은 얇고 치밀한 배리어층과, 그 위에 규칙적인 미세 기공이 배열된 다공층으로 이루어집니다. 산화물은 전기가 잘 통하지 않기 때문에 피막이 두꺼워질수록 같은 전압에서 흐르는 전류는 줄어들고, 이 전류가 피막의 성장과 용해를 함께 좌우합니다. 정류기가 전류를 얼마나 안정적으로 공급하느냐가 피막 두께의 균일성과 조도를 결정하는 이유가 여기에 있습니다.

경질 피막의 경도는 피막 용해를 얼마나 억제하느냐에 달려 있습니다. 기공 바닥에서는 피막 성장과 전해액에 의한 용해가 동시에 일어나는데, 용해가 많으면 기공이 넓어지고 외층이 연화되어 경도가 떨어지고, 용해가 지나치게 적으면 기공 바닥이 뚫리지 않아 배리어층이 두꺼워지고 전압이 치솟아 국부 과열(버닝)이 발생합니다. 경질 아노다이징은 용해력이 강한 황산 전해액에서 전해액 온도를 낮춰 용해를 버닝이 생기지 않는 범위까지 억제하고, 그 상태에서 피막을 두껍고 치밀하게 성장시키는 공정입니다. 이 때문에 전해액 온도·전류 공급의 안정이 경질 피막 품질의 핵심 관리 항목이 됩니다.

경질 피막의 특성

경질 아노다이징은 장식·보호용(연질) 아노다이징보다 높은 전류·전압과 낮은 전해 온도에서 진행하여 더 두껍고 치밀한 피막을 만듭니다. 그 결과 내마모성과 경도가 높아지며, 모서리 R 과 두께 공차를 도면 기준으로 함께 관리합니다. 규격상으로는 MIL-PRF-8625의 Type III가 경질 피막에 해당합니다.

두께와 경도가 항상 비례하지는 않습니다. 피막 두께는 전류밀도와 통전 방식에 따라 증가하지만, 성장 속도가 지나치게 빠르거나 기공이 커지면 피막 조직이 성글어져 경도는 오히려 저하될 수 있습니다. 그래서 경질 피막은 두께와 표면 경도를 별개의 검사 항목으로 설정하고 도면 지정값에 따라 각각 관리합니다.

피막이 성장하면 부품 치수도 함께 변화합니다. 치수 공차가 있는 부품은 피막 성장에 따른 치수 증가를 검사 항목에 포함해 도면 치수와 함께 확인합니다. 아노다이징 후 가공이나 후처리를 금지하는 도면도 있으므로 처리 순서는 도면 지시를 따릅니다.

적용 부품군

제동 장치에서는 왕복 마찰을 받는 피스톤 · 시뮬레이터류 부품에 경질 피막을 적용합니다. 이 부품군은 표면 경도, 피막 두께, 염수분무 후 백청 발생률, 브레이크액 접촉 후 특성을 규격으로 요구합니다.

공조·열관리 부품에서는 압축기의 미끄럼 접촉부처럼 마찰이 있는 부품에 경질 피막을 적용해 왔습니다. 로보틱스 부품은 화학전환피막과 연질 아노다이징으로 개발 처리를 진행하고 있으며, 반복 마찰이 있는 구동부는 경질 피막 적용을 함께 검토합니다.

관련 규격 (대응)

경질 피막은 현대·기아 MS633-06(기능성 아노다이징), ZF(TRW) TS2-25-102(Hard anodising for aluminium alloys), MIL-PRF-8625 Type III, 만도 MES-M-00-SF-009에 대응합니다. 규격마다 피막 두께의 측정 위치, 경도 측정 방법(표면/단면), 염수분무 시간과 판정, 봉공 여부가 다르므로 도면에 적힌 규격과 등급을 먼저 확인합니다.

검사 항목

피막 두께는 비파괴 두께측정기로 부위별로 측정하며, 필요 시 시료를 절단·마운팅·연마해 단면에서 직접 측정합니다. 표면 경도는 비커스 경도계로, 내식성은 염수분무 시험기로 확인합니다. 봉공이 지정된 부품은 봉공도 시험이나 규격이 정한 질량손실 시험으로 실링 상태를 확인하며, 피막 중량은 박리법(ASTM B137)으로 측정합니다.

연질 아노다이징

원리와 특성

연질(장식·보호용) 아노다이징은 경질보다 낮은 전류·전압과 상온 부근의 전해 온도에서 진행하여 규칙적인 다공 구조의 피막을 만듭니다. 피막은 경질보다 얇지만 표면이 매끄럽고 색이 고르게 나오며, 봉공을 거치면 내식성이 크게 높아집니다. MIL-PRF-8625에서는 황산 아노다이징이 Type II, 착색하지 않은 피막이 Class 1, 착색 피막이 Class 2입니다.

연질 피막의 품질은 두께의 균일성과 표면 조도로 판단합니다. 연구실에서 다이캐스팅 시험편으로 정류 방식과 전해 조건을 바꿔 가며 피막 두께와 조도를 비교한 결과, 반도체 스위칭 방식의 정류기가 다이오드 방식보다 두께 편차와 조도가 낮았고, 전해 온도와 농도는 조도보다 두께에 더 큰 영향을 주었습니다. 이 결과를 바탕으로 균일한 피막을 얻는 조건 범위를 정했습니다.

적용 부품군

연질 피막은 수소 탱크 체결부, 공조 밸브, 모터 하우징류처럼 내식성과 외관, 조립·기밀면의 치수 안정이 중요한 부품에 적용합니다. 모터 부품에서는 외장 부품에 흑색 착색 피막을, 축·너트류에 무착색 피막을 MIL-PRF-8625 Type II 기준으로 적용합니다.

단조 후 가공한 블록류는 가공면과 단조면이 한 부품에 함께 있습니다. 단면 측정으로 두 면의 피막 두께를 같은 시료에서 비교한 결과 두께는 동등했고, 단조면은 모재 표면의 평활도가 낮아 외관이 다르게 보일 뿐이었습니다. 표면 상태가 다른 부위가 섞인 부품은 이렇게 부위별로 피막을 확인해 대응합니다.

관련 규격 (대응)

연질 피막은 MIL-PRF-8625 Type II(Class 1·2)에 대응하며, 고객 도면이 자체 규격이나 등급(예: AA-DE 등급처럼 두께·봉공·부착성·염수분무 시간을 함께 지정하는 등급)을 지정하는 경우 그 규격을 우선합니다. 다이캐스팅·단조 부품 도면은 규격번호 없이 두께 범위와 측정 방법만 지정하는 경우도 있어, 도면의 측정 위치와 두께 범위를 그대로 관리 기준으로 옮깁니다.

검사 항목

피막 두께는 도면이 지정한 위치에서 비파괴 측정하고, 외관은 색상 편차·얼룩·미처리부를 육안과 사진으로 기록합니다. 착색 피막은 필요 시 색차계(L*a*b*, ΔE)로 색을 수치화하고, 봉공 후 색 빠짐·표면 변화를 확인합니다. 내식성·경도·치수는 도면 요구가 있을 때 염수분무, 경도, 치수 증가로 확인합니다.

전처리

왜 중요한가

아노다이징 피막은 소재 표면 상태를 그대로 물려받습니다. 가공유·방청유, 다이캐스팅 이형제 잔류물, 에칭 후 남는 합금 성분 잔사가 표면에 있으면 피막이 그 위에서 불균일하게 자라고, 투명한 피막을 통해 얼룩으로 드러납니다. 전처리 방법이 다르면 표면 산화막 조성과 합금 원소의 농축 상태가 달라져 그 뒤에 형성되는 피막의 조성과 부식 거동까지 달라진다는 것이 문헌으로 확인됩니다.

단계별 역할

탈지는 절삭유·방청유·오염을 제거하는 단계로, 세정 후 물이 표면 전체에 고르게 퍼지는지(water-break) 확인해 재현성을 봅니다. 에칭·표면조정은 자연 산화막과 가공 흔적을 정리하지만 외관과 치수에 영향을 주므로, 가공면·치수 민감부가 있는 부품은 적용 여부와 정도를 시험으로 정하고 최소화합니다. 디스머트(중화)는 알루미늄이 녹은 뒤 표면에 남는 Si·Cu·Fe 등 합금 성분 잔사를 제거해 균일한 활성면을 만드는 단계입니다.

수세는 공정 사이의 약품 이월(carry-over)과 재산화를 막는 단계로, 수세수 상태와 전도도를 기록해 관리합니다. 랙킹은 부품을 전용 랙에 걸어 통전 위치를 고정하는 단계이며, 접점 위치와 전류 분포가 국부 피막 두께 차이와 얼룩의 원인이 될 수 있어 접점·배치·제품 방향을 함께 기록합니다.

기능부를 지키는 전처리 설계

강한 알칼리 에칭은 알루미늄 기지만 선택적으로 녹여 Cu·Si 같은 불순물을 오히려 표면에 농축시키고, 치수 감소와 조도 악화를 동반합니다. 불화물 계열 에칭은 외관을 개선할 수 있지만 다이캐스팅은 부위별 응고 조직이 달라 에칭 후에도 외관 편차가 남고, 기능부의 조도·치수·합금 조성비가 바뀝니다. 그래서 내경·실링면·체결면 같은 기능부가 함께 있는 부품은 기능 규제를 우선해 약한 탈지 위주로 전처리를 구성하고, 외관 항목은 고객과 기준을 협의합니다.

연구실이 연구한 플라즈마 전처리

기존 화학식 전처리는 약품 투입·농도 관리·세척·폐수 처리가 공정 비용과 관리 업무를 늘리고, 침지식 배치 운영이라 연속 생산 라인과 연계하기 어렵습니다. 연구실은 진공 챔버 없이 대기압에서 작동하는 플라즈마 제트로 금속 표면을 세정·활성화하는 비접촉 전처리를 연구했습니다. 플라즈마가 만드는 이온·라디칼·자외선이 표면의 유기 오염을 제거하고 표면을 활성화해, 화학약품 사용과 폐수 발생을 줄이면서 연속 처리를 가능하게 하는 것이 목표입니다.

연구 결과는 등록특허 3건으로 이어졌습니다. 첫 번째 특허(제10-2922025호, 플라즈마를 이용한 금속소재의 전처리방법)는 소재 준비, 이송장치 장착, 플라즈마 발생장치 전원 인가, 표면개질 가스 공급, 대기압 플라즈마 제트 방전, 이송장치 구동, 처리영역 통과의 7단계 공정과, 가스챔버·가스전달바디·전극설치바디·분사바디·스페이서로 이루어진 발생장치 구조를 청구합니다.

두 번째 특허(제10-2878394호, 궤도를 따라 순환되는 가공대상물을 플라즈마 발생장치를 통해 처리하는 금속소재의 전처리방법)는 이송 방식을 다룹니다. 고정궤도와 그 바깥을 도는 순환궤도 사이에 톱니가 있는 플래닛을 물려, 순환궤도가 돌 때 플래닛이 자전하면서 고정궤도를 따라 공전하도록 했습니다. 부품은 플래닛 아래에 매달려 함께 자전·공전하므로 한 방향 분사만으로는 닿지 않는 외측면 전체가 플라즈마에 고르게 노출됩니다.

세 번째 특허(제10-2941480호, 가공대상물을 행잉부재에 걸어 순환시키는 플라즈마를 이용한 금속소재의 전처리방법)는 부품을 거는 방법을 다룹니다. 교차 연결된 한 쌍의 행잉부재가 행잉축을 중심으로 가위처럼 벌어지고 오므라들어 다양한 형상의 부품을 잡고, 끼움부재로 사이각을 고정하며, 행잉부재 자체가 플래닛 디스크에 끼워져 탈착됩니다. 작업자가 처리영역에 접근하지 않고 부품을 투입·회수할 수 있고 제품 교체와 정비가 쉬워집니다.

플라즈마 발생 모듈은 공급 가스를 받아 확산시키는 가스챔버, 가스를 고르게 나누는 가스전달바디, 고전압을 걸어 방전을 만드는 제1 전극조립체, 유전체로 감싸고 여러 개의 배출홀을 낸 제2 전극조립체, 플라즈마를 분사하고 전극을 냉각하는 분사바디로 적층되며, 두께가 다른 스페이서로 전극 간격을 조절합니다. 현재는 특허 도면을 바탕으로 부품별 개념설계를 마친 단계로, 세정·활성화 효과, 균일성, 약품·용수·폐수 저감 효과는 평가 방법을 정해 두고 시제품 검증에서 확인할 예정입니다.

지그와 마스킹

부분 처리가 필요한 부품은 지그로 통전 위치를 잡으면서 처리하지 않을 영역을 가려야 합니다. 등록특허 제10-2449453호(간소한 마킹 기능을 갖는 도금용 지그 장치)는 통전용 센터바에 지그바를 연속으로 고정하고, 지그바 끝단을 절곡한 고정부에 부품을 끼운 뒤, 고정핀에 원통형 마킹부재를 끼워 비처리 영역의 홈을 막는 구조입니다. 마킹부재에는 직경이 다른 두 단의 가이드가 있어 부재를 바꾸지 않고도 크기가 다른 비처리 영역에 대응하며, 구조가 단순해 제작과 작업 속도에서 유리합니다.

소재별 특성

합금 원소와 처리액의 반응

아노다이징 결과를 가장 크게 좌우하는 것은 소재의 합금 조성과 열처리 상태입니다. 알루미늄과 마그네슘은 전해액에서 산화되어 투명하고 균일한 피막을 형성하지만, 규소·구리·철·아연은 산화 반응에 참여하지 않거나 용해되어 피막의 색·경도·균일성을 바꿉니다. 아래 그림은 전처리액과 황산 전해액에서 각 원소가 어떻게 거동하고 피막에 어떤 결과를 남기는지 정리한 것입니다.

규소는 알루미늄에 고용되지 않고 결정으로 존재하며 산화되지 않기 때문에, 피막 내부에 잔류해 회색·흑색 분말처럼 보이게 하고 피막 밀도를 저하시킵니다. 구리는 전해 중 계면 저항을 높여 국부 발열(버닝)을 유발하고 피막을 얇고 연하게 하며 적색 기를 띠게 합니다. 철은 금속간화합물로 존재해 밝기를 저하시켜, 철 함량이 적은 6063·6463이 6061보다 맑은 은색을 띱니다. 아연이 많은 7xxx계는 금속간화합물이 피막 성장과 국부 용해에 영향을 주어 회색·청회색·갈흑색의 얼룩진 외관과 색차가 나타날 수 있으며, 같은 합금이라도 열처리(Temper)에 따라 피막 구조가 달라집니다.

전처리에서도 합금 원소의 영향이 나타납니다. 알칼리 에칭은 알루미늄만 용해하고 규소·구리·철은 표면에 잔류시키므로(스머트), 디스머트 단계에서 이를 제거해야 양극산화 시 피막이 균일하게 형성됩니다.

합금별 특성 비교

같은 조건으로 처리해도 합금 계열마다 색조·경도·최대 두께가 다르며, 특히 구리와 규소가 많을수록 피막이 얇고 연하며 어두워집니다. 아래 표의 수치는 공개 규격과 협회 자료의 값이며, 개별 제품의 보증값이 아니라 설계 참고용 범위입니다.

규격이 정한 합금 한계

MIL-PRF-8625 는 경질(Type III)을 구리 5 % 초과 또는 규소 8 % 초과 합금에는 적용하지 않도록 하며, 규소 8 % 초과 합금은 발주자 승인이 있을 때만 처리합니다. 또한 열처리형 합금은 T4·T6·T73 등 열처리를 마친 상태여야 하며, 구리 2 % 이상 합금(2xxx 전부, 7050, 7178)은 내마모 합격 기준이 완화됩니다. 리켄알루마이트도 구리 5 % 이상 또는 규소 8 % 이상 합금에는 표준 성능 보증을 적용하지 않는다고 밝히고 있습니다.

소재별 자연색

착색하지 않은 아노다이징 피막은 투명에 가까워 소재의 조직과 합금 원소가 색으로 드러납니다. 합금 원소가 적은 5052·6061 계열은 밝고 균일한 색을 띠며, 합금 원소 농도가 높아질수록 변색과 불균일이 커집니다. Al-Si계 다이캐스팅(ADC12 등)은 Si로 인해 회색 바탕이 되고 Cu·Fe로 인해 적갈색 톤이 혼재하며, 공정(eutectic) Si 입자가 산화 반응에 거의 참여하지 않아 피막이 얇고 불균일하게 성장합니다. Cu 함량이 높은 2xxx계는 경질 피막의 경도가 낮은 경향이 있어 경질 규격에서도 경도 기준을 별도로 규정합니다. 이러한 색 차이는 기능 이상이 아닌 소재 특성이므로, 색상 기준은 한도 샘플로 사전 협의하고 소재 LOT·Temper·가공 방향을 함께 기록합니다.

후처리 · 실링과 색상

실링(봉공)의 역할

황산 아노다이징 피막은 규칙적인 미세 기공을 가진 다공성 구조이므로, 피막만으로는 기공이 부식성 물질의 침투 경로가 됩니다. 봉공은 양극산화 후 이 기공을 화학 반응으로 밀봉하는 후처리로, 내식성을 크게 향상시키고 표면 청정 유지를 용이하게 합니다. 열수 봉공은 산화알루미늄이 물과 반응해 보헤마이트(AlO(OH))로 바뀌며 부피가 팽창해 기공을 밀봉하는 원리이며, 니켈염을 사용하는 봉공은 니켈 수산화물이 함께 생겨 기공을 막습니다. 상온 부근에서 하는 저온 봉공은 에너지 소비가 적어 산업에서 함께 쓰입니다.

봉공 여부는 규격과 도면이 정합니다. 경질 피막 규격은 기본적으로 봉공을 하지 않거나 도면 지정 시에만 후처리하도록 하는 반면, 기능성 아노다이징 규격은 봉공을 필수로 하고 봉공 품질을 질량손실로 판정합니다. 착색 피막은 봉공을 거쳐야 염료가 빠지지 않으므로 염색 뒤 봉공과 최종 수세 순서를 표준화합니다.

봉공 검증

봉공 상태는 KS D 8315(양극산화피막 봉공도 시험방법)의 시험법으로 확인하며, 규격에 따라 산 침지 후 질량손실로 판정하기도 합니다. 규격이 요구하면 염수분무 시험으로 내식성을 함께 봅니다.

피막은 "반은 파고들고, 반은 자란다" — 성장 원리와 치수 변화

1.1 도금과 다른 점: 소재 자체가 산화물로 바뀐다

아노다이징은 부품을 양극(+)으로 걸고 황산 전해액 속에서 전류를 흘려, 알루미늄 표면을 산화알루미늄(Al₂O₃)으로 바꾸는 공정입니다. 도금처럼 금속을 "얹는" 것이 아니라, 원래 있던 알루미늄 원자가 산소와 결합해 산화물이 되는 것이므로 피막의 절반 정도는 원래 표면선 아래(소재가 소모된 자리)에, 나머지는 원래 표면선 위(부피가 커진 만큼)에 생깁니다. 이 때문에 현장에서는 "반은 침식되고 반은 성장한 것 같다"고 느끼게 되며, 실제로 미국 군용 규격 MIL-PRF-8625 도 "피막 두께의 1/2 에 해당하는 치수 증가가 각 면마다 생긴다"고 설명합니다.

전극 반응은 간단히 다음과 같이 쓸 수 있습니다. 양극(부품)에서는 2Al + 3H₂O → Al₂O₃ + 6H⁺ + 6e⁻, 음극에서는 2H⁺ + 2e⁻ → H₂ 로 수소 기체가 발생합니다. 산화물은 금속/산화물 계면에서 알루미늄 이온과 물에서 온 산소 이온이 만나 생성되며, 동시에 황산이 산화물 기공 바닥을 조금씩 녹이기 때문에 피막은 완전히 치밀한 층이 아니라 미세한 구멍이 무수히 뚫린 다공질 구조가 됩니다.

금속 1 부피가 산화물이 될 때 부피가 증가하는 비율(필링-베드워스 비)은 황산 아노다이징 실측에서 1.26~1.67 범위로 보고되며, 전류밀도가 높을수록 커집니다. 이 부피 팽창이 있기 때문에 소모된 알루미늄보다 두꺼운 피막이 형성되며, 그 차이만큼이 표면선 외부로 성장하는 부분입니다. 정확한 안/밖 비율은 합금과 열처리 상태, 공정 조건에 따라 달라지므로 규격은 "약 절반"으로 표기합니다.

1.2 피막의 구조: 배리어층과 다공층

피막은 두 층으로 되어 있습니다. 소재와 맞닿은 바닥에는 구멍이 없는 매우 얇은 배리어층(barrier layer)이 있고, 그 위로 육각형 셀마다 가운데에 구멍이 하나씩 뚫린 다공층(porous layer)이 두께 대부분을 차지합니다. 기공 지름은 대략 10~150 nm 수준이며 주로 전해액 종류에 따라 정해지고, 일반적인 황산 아노다이징은 약 15~25 nm 로 가장 작습니다. 같은 황산 조건에서 전압을 높이면 기공 자체의 크기는 거의 그대로이고 기공과 기공 사이의 간격이 넓어집니다. 예를 들어 15 V 에서 약 35~40 nm 인 기공 간격이 20 V 에서는 약 45~50 nm 가 됩니다. 구멍 크기는 같은데 같은 면적의 구멍 수가 줄어드는 셈이어서, 전압이 높을수록 기공이 차지하는 비율(기공률)이 낮아지고 피막이 치밀해집니다. 이 기공 덕분에 염료가 스며들어 착색이 가능하고, 반대로 봉공(실링)을 하지 않으면 오염과 얼룩이 쉽게 생깁니다.

셀 안에서 실제로 피막을 통과하는 것은 전자가 아니라 이온입니다. 산화알루미늄은 절연체이므로 전류는 얇은 배리어층에 걸린 강한 전계 아래에서 이온이 이동하며 흐릅니다. 산소 이온(O²⁻·OH⁻)은 바깥에서 금속 쪽으로 들어가 금속과 산화막의 계면에서 새 피막을 만들고, 알루미늄 이온(Al³⁺)은 바깥쪽으로 이동해 일부는 피막이 되고 일부는 기공 바닥에서 전해액으로 빠져나갑니다. 기공 바닥의 배리어층에서는 피막 성장과 전계에 의한 용해가 동시에 일어나며, 두 속도가 같아지는 지점에서 배리어층 두께가 일정하게 유지됩니다. 배리어층 두께와 셀 지름은 인가 전압에 비례하므로, 전압이 높은 공정일수록 셀 하나하나가 크고 셀 벽이 두껍습니다.

전해액의 종류는 이 균형을 통해 피막 성질을 바꿉니다. 황산은 산화막을 잘 녹이는 강산이라 얇은 배리어층과 낮은 전압에서 균형이 잡히고, 옥살산은 용해력이 약해 두꺼운 배리어층과 높은 전압에서 균형이 잡힙니다. 그 결과 황산 피막은 전해액 음이온(황산염)이 많이 혼입되어 상대적으로 무르지만 염색성이 우수하고, 옥살산 피막은 순수한 알루미나에 가까워 더 단단하고 절연성이 높으며 합금에 따라 황색·브론즈 계열의 자체 색을 띱니다. 황산법은 연질(Type II)·경질(Type III) 규격의 표준 전해액이며, 전도도가 높아 발열 관리가 쉽고 비용이 낮아 자동차 부품 양산에 널리 쓰입니다. 이에프테크놀로지는 연질·경질 모두 황산법으로 처리합니다.

1.3 연질(Type II)과 경질(Type III)에서 안/밖 비율이 다르다

경질 아노다이징(MIL-PRF-8625 Type III)은 대개 "안쪽 50 % / 바깥 50 %"로 보며, 업체 자료에서는 "침식 55 % / 성장 45 %(0.002 in 피막에서 면당 약 0.0009 in 성장)"처럼 조금 더 세분한 값도 제시합니다. 일반 황산 아노다이징(Type II)은 피막이 얇고 전해액에 의한 용해가 상대적으로 크기 때문에 "침식 약 2/3, 성장 약 1/3"로 보는 자료가 많고, 현장 경험으로는 6061 에서 침식 80 % / 성장 20 %까지 보고된 사례도 있습니다. 즉 연질에서는 치수 증가가 피막 두께의 1/3~1/2, 경질에서는 약 1/2 로 잡는 것이 안전합니다.

1.4 치수 계산법: 한 면 +t/2, 지름은 +t

피막 두께를 t 라고 하면 평면은 한 면당 약 t/2 만큼 커지고, 축(외경)은 양쪽이 모두 자라므로 지름이 약 t 만큼 커집니다. 구멍(내경)은 반대로 지름이 약 t 만큼 작아집니다. 예를 들어 경질 50 µm(0.002 in)를 지정하면 축 지름은 약 +50 µm, 구멍 지름은 약 −50 µm 가 되고, MIL-PRF-8625 는 100 µm(0.004 in) 피막이면 면당 50 µm(0.002 in)의 사전 가공 여유를 두라고 예시합니다.

나사는 더 크게 변합니다. 나사의 대경·소경은 성장량의 2배만큼, 60° 나사의 유효경(피치경)은 성장량의 4배만큼 커집니다. 이는 나사산 양쪽 플랭크에 피막이 동시에 자라기 때문이며, 경질 피막을 나사부에 그대로 입히면 2급 끼워맞춤 나사가 조립되지 않는 경우가 흔합니다. 따라서 나사부는 마스킹하거나, 아노다이징 후 탭 가공, 또는 오버사이즈 탭을 쓰는 방법 중 하나를 도면에서 정해 주어야 합니다.

1.5 공차 설계 요령

도면에는 "가공 치수"와 "피막 후 완성 치수"를 함께 적는 것이 규격이 권하는 방법입니다. 끼워맞춤(억지 끼움·중간 끼움) 부위는 피막이 세라믹처럼 단단하지만 부서지기 쉬워, 힘으로 눌러 끼우면 피막이 깨지거나 벗겨질 수 있습니다. 경질 피막은 필요하면 두껍게 올린 뒤 연삭·랩핑으로 치수를 맞출 수 있으나, 연질(Type II)과 크로믹(Type I) 피막은 너무 얇아 그런 방법이 맞지 않습니다.

작은 구멍과 탭 구멍은 전해액이 잘 순환하지 않아 피막이 "전혀 없음"에서 "정상 두께"까지 편차가 큽니다. MIL-PRF-8625 는 지름 1/4 in(약 6.35 mm) 이상인 구멍만 정상적으로 아노다이징되는 것으로 보라고 안내합니다. 총 공차 0.0004 in(약 10 µm) 이하로 아주 빡빡한 치수는 아노다이징 후 호닝·랩핑으로 맞추고, 그 면은 화성처리 등으로 보완하는 방법도 규격에 언급되어 있습니다.

1.6 경질 피막이 두꺼울수록 모서리 R 이 필요하다

피막은 표면에 수직으로 자라기 때문에 날카로운 모서리에서는 양쪽 면에서 자라는 피막이 서로 만나지 못해 틈(void)이 생기고 피막이 끊길 수 있습니다. MIL-PRF-8625 는 피막 두께별 권장 R 값을 표로 제시합니다. 피막 25 µm(0.001 in)이면 약 R0.8 mm(1/32 in), 50 µm(0.002 in)이면 약 R1.6 mm(1/16 in), 75 µm(0.003 in)이면 약 R2.4 mm(3/32 in), 100 µm(0.004 in)이면 약 R3.2 mm(1/8 in)입니다. AAC(미국 알루미늄 아노다이저 협회)도 "피막 1 mil 당 약 1/16 in R" 을 권하며, 일본 리켄알루마이트는 25 µm 에 R0.2, 50 µm 에 R0.3 을 최소치로 제시합니다. 따라서 모따기(C면)만 하면 새 모서리가 다시 날카로워지므로, 모따기 뒤에도 모서리를 둥글게 처리해 달라고 규격은 명시합니다.

경질 피막의 표준 두께는 MIL-PRF-8625 기준 50 µm(0.002 in)이며, 허용 편차는 50 µm 이하에서 ±20 %, 그 이상에서는 ±10 µm(±0.0004 in)입니다. 규격이 제시하는 전형적 두께 범위는 Type II 가 1.8~25 µm, Type III 가 12.7~114 µm 이지만, 내마모성은 두께 75 µm(3 mil)에 가까워지면 오히려 떨어지므로 "두꺼울수록 좋다"는 생각은 맞지 않습니다. 경질 피막 최상층은 바닥층보다 밀도가 낮고 거칠어서, 정밀 부품은 두껍게 올린 뒤 랩핑으로 마감하는 방법이 규격에 소개되어 있습니다.

전처리에서 생기는 치수·표면 변화

2.1 왜 탈지·에칭·디스머트·수세가 모두 필요한가

가공이 끝난 부품 표면에는 절삭유, 지문, 마킹 잉크, 자연 산화막, 그리고 합금 성분(규소·구리·철 등)의 금속간화합물이 섞여 있습니다. 아노다이징은 "순수한 알루미늄"만 산화물로 바꿀 수 있으므로, 전처리의 목적은 표면에 노출된 알루미늄을 최대한 깨끗하고 균일하게 만드는 데 있습니다. 규격은 부품이 기름·페인트·용접 플럭스 등 이물이 전혀 없는 "수막이 끊기지 않는(water-break free)" 상태여야 한다고 요구합니다.

탈지(알칼리 세정)는 기름과 오염을 제거하는 단계로, 소재를 거의 깎지 않습니다. 에칭(가성소다 등 알칼리)은 알루미늄을 얇게 녹여 자연 산화막과 가공 흔적을 지우고 무광 표면을 만드는 단계이며, 이때 소재가 실제로 제거되므로 치수가 미세하게 줄어듭니다. 제거량은 조건에 따라 크게 달라지므로, 정밀 치수 부품은 "에칭 생략(non-etch)" 또는 "가벼운 에칭"을 요청해야 합니다.

디스머트(스머트 제거)는 에칭 후 표면에 남는 흑색 분말 형태의 잔류물(스머트)을 산으로 용해해 제거하는 단계입니다. 알칼리 에칭은 알루미늄만 용해하고 구리·규소·철 등 합금 성분은 용해하지 못해 표면에 잔류하는데, 이것이 스머트입니다. 질산계 디스머트는 구리 잔류물을, 불화물을 함유한 디스머트는 규소를 제거하며, 이 단계를 생략하면 피막에 얼룩이 생기거나 회갈색으로 탁해지며 밀착력이 저하됩니다.

수세(헹굼)는 각 단계 사이에 반드시 포함되며, 이전 단계의 약액이 다음 조로 유입되는 것을 방지합니다. 헹굼이 부족하면 탭 구멍이나 틈새에 잔류한 알칼리·산이 아노다이징 후 유출되어 백색 분말이나 줄 얼룩(bleed-out)을 형성하고, 봉공 조를 오염시켜 봉공 불량을 유발합니다. 특히 최종 헹굼에는 탈이온수를 사용하는 것이 얼룩 방지에 중요합니다.

2.2 가공 단계에서 사전에 고려할 사항

철을 포함한 연마재(스틸울, 철 산화물 광택제, 철 와이어 브러시)로 알루미늄을 닦으면 철 입자가 표면에 박혀 아노다이징 후 회색 점이나 핏(pit)으로 나타나므로 규격에서 사용을 금지합니다. 같은 이유로 알루미늄 전용 벨트·숫돌을 쓰고, 다른 금속을 연마한 공구를 공유하지 않는 것이 좋습니다. 접착 테이프 잔류물, 마킹 잉크, 스티커 풀은 일반 전처리로 잘 제거되지 않아 그 자리가 그대로 얼룩으로 남을 수 있습니다.

아노다이징은 표면 결함을 감추지 못하고 오히려 드러냅니다. 가공 자국, 스크래치, 버(burr), 박힌 칩은 에칭 후 더 뚜렷해지고, 탭 구멍 안의 칩은 약액을 가두는 자리가 됩니다. 따라서 규격은 열처리·기계가공·용접·성형·천공을 모두 끝낸 상태에서 아노다이징하도록 정하고 있으며, 버 제거와 모서리 R 처리, 구멍 안 칩 제거는 가공 업체가 마쳐서 보내 주셔야 하는 항목입니다.

자주 묻는 질문

열 특성도 확인합니다. 피막의 열전도율은 알루미늄의 1/10~1/30 수준이고 복사율은 약 0.8 로 높아지며, 경질 피막은 피로강도를 낮출 수 있으므로 반복 하중 부품에는 두께를 신중히 정해야 합니다.

도면 표기 안내

5.1 MIL-PRF-8625 의 Type 과 Class

MIL-PRF-8625(구 MIL-A-8625)는 Type 으로 전해액·공정을, Class 로 착색 여부를 구분합니다. Type I·IB 는 크로믹산, Type IC 는 비크롬 대체, Type II 는 황산(연질), Type IIB 는 황산 박막, Type III 는 경질입니다. Class 1 은 무착색, Class 2 는 착색이며, 표기 예는 "MIL-PRF-8625 Type III, Class 2, Black, 두께 50 µm(0.002 in)"과 같이 표기합니다.

규격은 발주 문서에 Type·Class 외에 Type III 두께, 특별 봉공 요구, 착색 색상과 균일도, 접점 자국 위치, 용접부·주조면 등 소재 차이로 인한 외관 허용 범위를 명시하라고 정합니다. 두께를 도면에 적지 않으면 Type III 는 기본 50 µm(0.002 in)로 처리되며, Type II 는 두께 대신 피막 중량(최소 1000 mg/ft²)이 기준이 됩니다.

5.2 ISO 7599 / ISO 10074 와 AA 두께 등급

ISO 7599(장식·보호용)는 피막을 두께 등급 "AA + 숫자"로 지정하며, 숫자는 최소 평균 두께(µm)입니다. AA5·AA10·AA15·AA20·AA25 가 대표 등급이고, 최소 국부 두께는 평균의 80 %(AA25 이면 20 µm)입니다. 접점 5 mm 이내는 두께 측정에서 제외하며, 경질 피막은 ISO 10074 를 따로 적용합니다. 표기 예는 "ISO 7599 - AA20" 입니다. JIS H 8601 과 KS D 8301 은 ISO 7599 를 바탕으로 만들어져 같은 AA 등급 표기를 사용합니다.

5.3 미국 알루미늄협회(AA) 마감 지정 기호

건축·장식용에서는 "AA-M12C22A41" 같은 알루미늄협회 지정 기호를 사용합니다. M 은 기계 마감, C 는 화학 마감, A 는 아노다이징을 뜻하며, A2x 는 0.4 mil(10 µm) 미만 보호·장식용, A3x 는 0.4~0.7 mil(10~18 µm) 건축용 Class II, A4x 는 0.7 mil(18 µm) 이상 건축용 Class I 입니다. 끝자리 1 은 투명, 2 는 일체 착색, 3 은 염료 착색, 4 는 전해 착색입니다. 완성차 업체 사양(예: 현대·기아 MS 633 계열)이 지정된 경우에는 해당 사양서의 등급 기호와 시험 항목을 그대로 도면에 옮겨 주셔야 합니다.

5.4 두께 지정: "피막 두께"와 "치수 변화"를 구분해 적는다

도면에 적는 두께는 피막 전체 두께이며, 치수 변화는 그 절반(면당)입니다. 예를 들어 "경질 50 µm"는 축 지름 +50 µm, 면당 +25 µm 를 뜻하므로, 규격이 권하는 대로 "가공 치수"와 "피막 후 치수"를 함께 적거나, 최소한 어느 쪽이 완성 치수인지 명시해야 합니다. 두께 측정은 와전류식(ASTM B244 / ISO 2360) 8점 이상 평균이 기본이고, 분쟁 시 단면 현미경(ASTM B487 / ISO 1463)이 기준입니다.

5.5 마스킹·접점·비처리부 지시

나사부·정밀 끼워맞춤부·전기 접지면처럼 피막이 없어야 하는 곳은 도면에 "아노다이징 제외(마스킹)"로 표시하고 범위를 치수로 지정합니다. 접점 자국 허용 위치, 봉공 여부(내마모 목적 경질은 무봉공이 기본), 착색 색상 기준(색 견본 또는 색차 한계) 역시 도면·발주서에 적어야 규격상 요구 사항이 됩니다. 규격은 유효 표면(significant surface)을 도면에 표시하라고 하며, 표시가 없으면 처리업체가 통상 관행으로 판단하게 됩니다.