KR100310133B1 - 진동충격을 이용한 알루미늄 합금의 표면 경화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진동장비를 이용하여 알루미늄 합금 표면에 세라믹 덩어리로 진동충격시켜 미세 세라믹 입자를 함입시키는 방식으로, 표면경도와 내마모성을 향상시키는 진동충격을 이용한 알루미늄 합금의 표면 경화 방법에 관한 것이다.

본 발명은 세라믹 덩어리, 광택제, 및 물이 혼입된 용기에 알루미늄 합금 부품을 함께 장입한 후 고속으로 진동충격시켜 알루미늄 합금 부품 표면에 미세한 세라믹 입자들이 균질하게 박힌 금속/세라믹 복합층을 형성시키는 표면 처리 방법에 관한 것이다.

따라서, 본 발명은 표면경도와 내마모성을 향상시키기 위한 종래의 방법에 비해 부품 모양에 제한 받지 않고, 처리 시간이 짧으며, 표면특성이 더욱 우수하고 공정비가 저렴한 기술이다.

Description

진동충격을 이용한 알루미늄 합금의 표면 경화 방법{A surface hardening process of aluminium alloy using vibratory impact}

본 발명은 진동장비를 이용하여 알루미늄 합금 표면에 세라믹 덩어리로 진동충격시켜 미세 세라믹 입자를 함입시키는 방식으로, 표면경도와 내마모성을 향상시키는 진동충격을 이용한 알루미늄 합금의 표면 경화 방법에 관한 것이다.

알루미늄 합금은 낮은 중량으로 인해 자동차 등의 경량화 부품으로서 사용되어 질 수 있으나, 낮은 표면경도와 내마모성으로 인하여 그 적용에 많은 제약이 있어왔다. 따라서 알루미늄 합금의 표면재질을 향상시키기 위한 여러 방법들이 개발되어 사용되고 있다.

알루미늄 합금의 표면경도와 내마모성을 동시에 향상시키는 방법으로서 크롬도금법 및 양극산화법 등의 방법이 사용되고 있다. 상기 두 방법은 고강도 강철보다도 높은 내마모성을 구현할 수 있으나 처리 공정이 복잡하다는 단점이 있다. 특히 크롬도금의 경우 알루미늄 합금과의 낮은 도금성으로 인해 구리, 니켈 등의 여러 중간 도금층을 거쳐야 하므로 처리 비용이 높다. 또한, 양극산화법은 크롬도금에 비해 비용은 다소 저렴하나 합금원소에 따라 양극산화가 불가능한 경우가 있으며, 형성되어지는 알루미나층이 잘 깨어지므로 사용 수명이 낮다는 문제점이 있다.

그 외의 방법으로는 플라즈마를 이용하여 알루미늄 합금표면을 순간적으로 녹인 후 고경도 세라믹이나 금속간 화합물 입자를 함입시키는 용사방법이 있다. 상기 용사방법에 의해서는 알루미늄 기지 내에 고경도 입자가 치밀하게 박혀있는 금속/세라믹 복합체 층이 표면에 형성되므로 표면경도와 내마모성을 증가시키는 동시에 깨어짐으로 인한 표면층 유실이 상당히 억제되어질 수 있다. 하지만 이 기술은 적용 부품의 형상에 상당한 제약을 받을 뿐 아니라 처리비용이 현저히 높으므로 상용성에 문제가 있다.

한편, 알루미늄을 비롯한 각종 금속이나 합금 표면을 정밀하고 고광택으로 제조하는 기계적 공정으로 진동연마공법(vibratory finishing process)이 있어 왔다. 진동연마의 기본 원리는 세라믹, 강철, 목재 등의 각종 연마재와 광택제, 물이 혼재하는 용기 내에, 처리하고자 하는 부품을 장입하여 함께 진동회전 시킴으로써 손이 잘 닫지 않는 부분까지도 균질하게 연마해 줄 수 있는 공법이다. 이러한 진동연마공정을 위해, 적용하고자 하는 부품의 재질이나 형상, 사용되는 연마재 종류 등에 따라 여러 형태의 진동장비가 이용되어져 왔다.

당사에서 특허출원 중인 특허출원 제 99-6857호는 세라믹 진동연마 단계, 반응층 제거 단계 및 강철볼 진동연마 단계로 이루어진 진동연마공법에 관한 것이다. 상기 방법은 알루미늄 합금 표면이 정밀한 표면조도와 고광택을 갖도록 할 수 있지만, 반응층 제거 단계로 인하여 알루미늄 합금 표면에 충분한 표면경도와 내마모성을 갖도록 하기 위해서는 적합치 않다.

이에 본 발명은 진동연마 공법을 응용하되, 보다 비용이 저렴하고, 처리시간이 짧은 방법을 적용하여, 우수한 표면경도와 내마모성을 갖는 알루미늄 합금 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 진동충격 공정을 위한 장치의 개략도를 나타낸다.

도 2a은 알루미늄 합금(356)을 저압 주조한 직후 얻은 광학현미경 사진이다.

도 2b는 주조된 알루미늄 합금 부품을 세라믹볼, 물, 광택제와 함께 장입하여 진공충격 공정을 거친 후 얻어진 광학현미경 사진이다.

도 3은 주조 직후와 세라믹볼 진동충격 공정 직후에 알루미늄 합금 부품 표면으로부터 각각 얻어진 X선 회절패턴이다.

본 발명은 세라믹 덩어리, 광택제, 및 물이 혼입된 용기에 알루미늄 합금 부품을 함께 장입한 후 고속으로 진동충격시켜 알루미늄 합금 부품 표면에 미세한 세라믹 입자들이 균질하게 박힌 금속/세라믹 복합층을 형성시키는 표면 처리 방법에 관한 것이다.

이하 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 알루미늄 합금 부품과 상기 부품의 표면에 함입하고자 하는 재질의 세라믹 덩어리, 광택제 및 물을 용기 내에 함께 넣고 진동시킨다.

이 세라믹 덩어리는 알루미늄 합금 부품 표면을 매끈하게 연삭, 정리시켜 줌과 동시에 진동 시 충돌에 의해 깨어진 미세입자들은 알루미늄 합금 부품 표면에 박히게 하는 작용을 한다. 상기 세라믹 덩어리의 재질로는 산화실리콘, 산화알루미늄, 산화티타늄 등이고, 알루미늄 합금 부품의 용도에 따라 상기 재질 뿐만 아니라 탄화실리콘, 탄화보론, 탄화티타늄, 질화실리콘, 질화보론, 질화티타늄 등과 같은 고경도 재질의 세라믹 덩어리 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명에서 사용되는 세라믹 덩어리의 형상은 어떠한 것이라도 사용되어 질 수 있으나, 주로 구형인 세라믹볼이 많이 사용될 수 있다. 또한, 진동시 효율을 높이고, 부품 표면과 세라믹 덩어리간의 접촉 면적을 극대화시키기 위하여 2∼20㎜의 입경을 갖는 세라믹 볼을 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.

또한 상기 진동충격에 사용되는 광택제는 통상의 것으로 인산 및 구연산 등이 물과 함께 혼합된 수용액이다.

상기와 같은 진동충격 공정을 위한 장치를 도 1에 제시하였다. 진동모터(1)에서 발생한 회전력은 벨트(2)를 통하여 축(3)에 전달되어진 후, 등속 조인터(4)를 거쳐 축(6)을 구동시킨다. 이 때, 축(6)에는 비대칭 추(5)가 달려있어 회전에 따라 스스로 진동하며, 또한 스프링(7)을 통하여 용기(9)를 진동시키게 된다. 등속 조인터(4)는 축(6)의 진동이 축(3)에 역으로 전달되는 것을 방지하는 역할을 한다. 용기(9) 내에는 함입시키고자 하는 세라믹 덩어리(주로 구형의 세라믹볼), 광택제 및 물이 혼입(8)되어 있으며, 그 내부에 알루미늄 합금 부품(9)이 장입된 상태를 유지하며 함께 진동된다. 진동모터의 회전력, 즉 용기의 진동력은 조절기(11)에 의해조절되어진다. 도 1에서 각 부위의 회전방향을 화살표로 표시하였다.

상기와 같은 진공충격 공정을 행하게 되면, 세라믹볼에서 분쇄되어 발생한 5∼100㎛ 직경의 미세한 세라믹 입자들이 합금 부품 표면에 박혀 강화층을 형성하게 된다.

이러한 강화층은 연성이 높은 알루미늄 합금 기지에 고경도의 세라믹 입자들이 미세하게 박혀있는 소위 금속/세라믹 복합재료 층으로서 연성과 경도, 내마모성이 동시에 획기적으로 향상되는 우수한 물성을 갖게된다.

추가로, 보다 매끈한 표면상태가 필요한 경우에는 2∼20㎜ 직경의 강철볼, 광택제 및 물이 혼입된 용기 내에 알루미늄 부품을 장입하여 고속 진동시키는 강철볼 진동연마공정을 사용할 수 있다.

세라믹 덩어리를 이용하는 진동충격 공정을 거친 알루미늄 합금 부품 표면을 강철볼 진동으로 강하게 눌러 주면 피닝 효과(peening effect)에 의해 알루미늄 합금 자체의 경도가 향상되어질 뿐 아니라, 돌출된 부위를 눌러주어 표면을 더욱 매끄럽게 해주고, 미세 세라믹 입자들과 알루미늄 합금간의 접촉성을 크게 향상시킬 수 있다.

실제로 20분∼3시간 정도의 강철볼 진동연마공정에 의해 고경도와 고내마모성, 고광택도의 알루미늄 합금 표면을 얻을 수 있었다.

이하 본 발명은 다음 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명되지만 이에 따라서 본 발명이 제한되는 것은 아니다.

실시예 1

저압 주조에 의하여 제조된 알루미늄 합금(356) 부품을 세라믹볼, 물 및 광택제와 함께 장입하여 진동충격 시켜, 표면에 강화층이 형성된 알루미늄 합금 부품을 얻었다. 이 때 사용된 세라믹 볼은 6㎜와 8㎜ 직경의 것들을 대략 2 : 3의 비율로 섞은 것으로 총 130㎏을 사용하였다. 세라믹볼은 산화알루미늄 50%, 산화 실리콘 35% 및 기타 성분(산화 칼륨, 산화 나트륨, 산화 티타늄, 산화철, 유리질 등)15% 이 함께 혼합되어 있는 형태를 이룬 것이고, 광택제는 인산과 구연산 등이 물과 함께 혼합된 수용액이다.

실시예 1의 알루미늄 합금(356) 부품의 광학현미경 사진을 도 2b에 나타내었다.

실시예 2

상기 실시예 1의 알루미늄 합금(356) 부품을 추가로 강철볼, 물 및 광택제와 함께 장입하고, 진동연마하여 알루미늄 합금 부품을 얻었다. 이 때 사용된 강철볼은 3.2㎜, 4㎜, 및 7㎜ 직경의 것들을 동일 비율로 섞어 총 400㎏을 사용하였고, 이 때 사용된 광택제의 종류는 실시예 1과 동일하다.

비교예

상기 실시예 1 및 2와 비교 평가하기 위하여, 저압 주조에 의하여 알루미늄 합금(356) 부품을 얻었다.

상기 알루미늄 합금(356) 부품의 광학현미경 사진을 도 2a에 나타내었다. 금형과 맞닿았던 주조면이 200㎛ 두께의 곡면층임이 관찰되어지는데, 이는 응고과정중에 형성되어진 것으로 여겨진다.

상기 비교예와 실시예 1의 알루미늄 합금 부품의 표면을 비교하여 보면, 실시예 1의 부품 표면에 100㎛ 두께 정도의 강화층이 형성되었음을 알 수 있다. 또한 실시예 1의 알루미늄 합금 부품 표면은 비교예에서 관찰되었던 200㎛ 정도의 굴곡층(도 2a)이 세라믹볼 연마로 정밀하게 정리되었음을 알 수 있다(도 2b).

또한, 상기 비교예와 실시예 1의 알루미늄 합금 부품 표면으로부터 각각 얻어진 X선 회절패턴을 도 3에 나타내었다. 비교예의 알루미늄 합금 부품에서 얻어진회절패턴에서 관찰되지 않던 회절점들이 실시예 1의 알루미늄 부품 합금 표면에서 얻어진 회절패턴에서는 관찰됨을 알 수 있다. 이들 추가된 회절점들은 세라믹볼로부터 얻어진 회절패턴과 일치함을 확인하였다.

아울러, 비교예과 실시예 2의 알루미늄 합금 부품의 Vickers 경도값을 구해본 결과, 비교예의 경우 90.9Hv을 나타내었던 것이, 실시예 2의 경우 20% 가량 증가된 108.7Hv를 나타내었다. Vickers 경도값은 시편의 수백 마이크로미터 깊이 경도를 모두 반영하므로, 실시예 2의 부품 표면의 고경도 강화층 아래의 알루미늄 합금 기지 경도를 함께 대변한다고 할 수 있다. 즉, 고경도층 만의 경도값은 측정값보다 훨씬 큰 값을 가질 것으로 여겨진다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 진동장비를 이용하여, 알루미늄 합금 표면을 세라믹 덩어리로 진동충격시켜 미세 세라믹 입자를 함입시켜 금속/세라믹 복합층을형성시키는 방법으로서, 표면경도와 내마모성을 향상시키기 위한 종래의 방법에 비해 부품 모양에 제한 받지 않고, 처리 시간이 짧으며, 표면특성이 더욱 우수하고 공정비가 저렴한 기술이다.

Claims (6)

1. 2 내지 20 mm의 입경을 갖는 통상의 세라믹 덩어리인 세라믹 볼, 광택제 및 물이 혼입된 용기에 알루미늄 합금 부품을 함께 장입한 후 고속으로 진동충격시켜 알루미늄 합금 부품 표면에 미세한 세라믹 입자들이 균질하게 박힌 금속/세라믹 복합층을 형성시키는 표면 처리 방법.
2. 청구항2는 삭제 되었습니다.
3. 청구항3는 삭제 되었습니다.
4. 제 1항에 있어서, 추가로 강철볼, 광택제 및 물이 혼입된 용기내에 상기 알루미늄 부품을 장입하여 고속 진동 시키는 표면 처리 방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 강철볼은 2∼20㎜의 입경을 갖는 표면 처리 방법.
6. 제 1항에 따른 표면 처리 방법을 적용하여 제조된 알루미늄 합금 부품.