KR101403891B1 - 니켈-철 합금층과, 그의 전주 장치 및 전주 방법과, 그의제조 장치 및 방법 - Google Patents

니켈-철 합금층과, 그의 전주 장치 및 전주 방법과, 그의제조 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 니켈-철 합금층과, 그의 전주 장치 및 전주 방법과, 그의 제조 장치 및 방법에 관한 것으로, 견고하면서 니켈 용출량이 적은 니켈-철 합금층을 제공하기 위한 것이다. 본 발명은 니켈과 철을 포함하는 전해액이 수용된 전해조에 잠긴 음극 전주 몰드에 니켈-철 합금층을 전주하고, 전주 과정이 완료된 상기 음극 전주 몰드를 상기 전해조에서 꺼내어 상기 음극 전주 몰드에 전주된 상기 니켈-철 합금층을 이형하고, 상기 이형된 니켈-철 합금층을 환원 분위기에서 열처리하는 것을 특징으로 한다. 특히 전주 과정 이후에 열처리 과정을 진행함으로써, 니켈-철 합금층의 내식성이 향상시켜 니켈 용출량을 0.5㎍/㎠/week이하로 줄일 수 있다. 그리고 음극 전주 몰드와 패들 사이에 3mm 내지 10mm의 간격을 유지하면서 전해액을 교반하기 때문에, 전주 속도를 높이면서 물리적으로 견고한 니켈-철 합금층을 음극 전주 몰드의 표면에 형성할 수 있다.
전주, 전착, 니켈, 용출, 교반

Description

니켈-철 합금층과, 그의 전주 장치 및 전주 방법과, 그의 제조 장치 및 방법{Permalloy, electroforming apparatus and method of the permalloy, manufacturing apparatus and method of the permalloy}
본 발명은 니켈-철 합금층 제조 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 견고하면서 니켈 용출량이 적은 니켈 합금층과, 그의 전주 장치 및 전주 방법과, 니켈-철 합금층 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.
통상 휴대 단말기와 같은 전자기기의 외장품 중 니켈이나 구리와 같은 금속 소재의 제품(이하, '전주품'이라 한다)은 주로 전주법(electroforming method)으로 제조된다. 전주법은 박리피막을 부여한 음극 전주 몰드(또는 '마스터 모델'이라고도 한다)에 금속을 전기 도금시킨 후 그 전주된 금속층을 분리하여 음극 전주 몰드의 표면과 반대의 요철의 전주품을 얻는 전기 도금 방법 중의 하나이다. 전기 도금이 가능한 금속이나 합금이면 원칙적으로 전주의 대상이 되는데 제조기술의 난이도 및 가격면에서 니켈, 철, 구리가 주로 사용된다. 전주법의 이점은 복잡하거나 미세한 형상물의 전사 및 복제가 가능하고, 기계 가공이나 연마 공정을 거치지 않더라도 다양한 표면 상태를 얻을 수 있는 데 있다.
특히 전주법으로 형성된 니켈-철 합금층을 이용하여 제조된 니켈-철 전주품은 표면의 색감이 매우 좋아 장식성이 뛰어나고 기계적인 성질 또한 우수하기 때문에, 전자기기의 외장품으로 많이 사용되고 있다.
그러나 종래의 니켈-철 전주품은 신체 접촉에 따른 니켈 용출(nickel release)로 인한 알러지성 피부염을 일으키는 것으로 알려져 있다. 특히 휴대 단말기와 같이 신체 접촉이 많은 전자기기의 경우 알러지성 피부염이 일어날 확률은 더욱 높다. 이런 이유로 일부 국가에서는 니켈 사용량을 제한하거나 니켈 용출량을 일정 한도로 제한하고 있다.
그리고 니켈-철 전주품의 경우 크기가 작은 경우에는 외력에 따른 형상 변형이 크게 문제가 되지 않지만, 휴대 단말기의 케이스와 같은 일정 이상의 크기로 형성할 경우, 외력에 의해 형상이 변형되는 문제가 발생될 수 있다.
또한 종래의 전주법은 전주 속도가 분당 0.5㎛ 이하로 느려 대량 생산에는 적합하지 못한 문제점을 안고 있다.
따라서, 본 발명의 제 1 목적은 견고하면서 니켈 용출량이 적은 니켈-철 합금층을 제공하는 데 있다.
본 발명의 제 2 목적은 대량 생산에 적합하게 니켈-철 합금층의 전주 속도를 향상시키기 위한 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 니켈과 철을 포함하는 전해액이 수용된 전해조에 잠긴 음극 전주 몰드에 니켈-철 합금층을 전주하는 전주 과정과, 상기 전주 과정이 완료된 상기 음극 전주 몰드를 상기 전해조에서 꺼내어 상기 음극 전주 몰드에 전주된 상기 니켈-철 합금층을 이형하는 이형 과정과, 상기 이형된 니켈-철 합금층을 환원 분위기에서 열처리하는 열처리 과정을 포함하는 니켈-철 합금층 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 또한 전술된 제조 방법으로 제조된 니켈-철 합금층을 제공한다.
본 발명은 또한 전술된 제조 방법 중 전주 과정을 수행하는 전주 장치를 제공한다. 전주 장치는 전해조, 음극 전주 몰드, 양극 부재, 패들 및 전원 공급부를 포함하여 구성된다. 상기 전해조는 니켈과 철을 포함하는 전해액이 수용된다. 상기 음극 전주 몰드는 지면에 수직한 방향으로 상기 전해액에 잠기는 판 형상을 갖는다. 상기 양극 부재는 상기 전해액에 잠기며, 상기 음극 전주 몰드와 마주보게 설치된다. 상기 패들은 상기 음극 전주 몰드와 상기 양극 부재 사이에 설치되며, 상 기 음극 전주 몰드에 근접하면서 수평하게 설치되며, 상기 음극 전주 몰드와 일정 거리를 유지하면서 좌우로 왕복 운동하면서 상기 전해액을 교반한다. 그리고 상기 전원 공급부는 상기 음극 전주 몰드와 상기 양극 부재 사이에 전류를 흘려 상기 음극 전주 몰드에 니켈-철 합금층을 형성시킨다.
본 발명은 또한 전술된 전주 장치를 이용한 니켈-철 합금층 전주 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 니켈-철 합금층 전주 방법은 상기 패들이 좌우로 왕복 운동하면서 상기 음극 전주 몰드 주위의 전해액을 교반하는 교반 과정과, 상기 전원 공급부가 상기 음극 전주 몰드와 상기 양극 부재 사이에 전류를 흘려 상기 음극 전주 몰드에 니켈-철 합금층을 형성하는 전주 과정을 포함하여 구성된다.
본 발명은 또한 전술된 니켈-철 합금층 제조 방법을 수행하는 니켈-철 합금층 제조 장치를 제공한다. 본 발명에 따른 니켈 철 합금층 제조 장치는 니켈과 철이 포함된 전해액을 수용하는 전해조에 잠긴 음극 전주 몰드에 니켈-철 합금층을 전주하는 전주 장치와, 상기 전주 장치에서 전주가 완료된 상기 음극 전주 몰드를 상기 전해조에서 꺼내어 상기 음극 전주 몰드에 전주된 상기 니켈-철 합금층을 이형하는 니켈-철 합금층 이형 장치와, 상기 이형된 니켈-철 합금층을 환원 분위기에서 열처리하는 열처리 장치를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따르면 전주 과정 이후에 열처리 과정을 진행함으로써, 니켈-철 합금층의 내식성이 향상되기 때문에, 니켈 용출량을 0.008 내지 0.036㎍/㎠/week로 줄일 수 있다.
그리고 음극 전주 몰드와 패들 사이에 3mm 내지 10mm의 간격을 유지하면서 전해액을 교반함으로써, 패들에 의해 음극 전주 몰드의 표면 근처에서 강력하면서 균일한 전해액의 교반이 이루어지기 때문에, 전주 속도를 높이면서 물리적으로 견고한 니켈-철 합금층을 음극 전주 몰드의 표면에 형성할 수 있다. 본 실시예에 따르면 1㎛/min의 전주 속도로 고속 전주가 가능하고, 전주 과정에 의해 형성된 니켈-철 합금층의 비커스 경도(Vickers hardness)는 600Hv이상이며, 열처리 과정 이후에도 220Hv 정도를 유지한다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
본 실시예에 따른 니켈-철 합금층 제조 방법(12)을 포함하는 니켈-철 전주품 제조 방법(10)은, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 니켈-철 합금층의 전주 과정(S11), 니켈-철 합금층의 이형 과정(S13), 니켈-철 합금층의 열처리 과정(S15) 및 니켈-철 전주품의 분리 과정(S17)을 포함하여 구성된다. 니켈-철 전주품 제조 방법(10)은 니켈-철 전주품 제조 장치(20)에 의해 수행된다. 니켈-철 전주품 제조 장치(20)는 전주 장치(21), 이형 장치(23), 열처리 장치(25) 및 분리 장치(27)를 포함하여 구성된다. 이때 니켈-철 전주품 제조 방법(10) 중 전주 과정(S11), 이형 과정(S13) 및 열처리 과정(S15)을 포함하여 니켈-철 합금층 제조 방법(12)이라 한다. 니켈-철 전주품 제조 장치(20)에 있어서, 전주 장치(21), 이형 장치(23) 및 열처리 장치(25)를 포함하여 니켈-철 합금층 제조 장치(29)라 한다.
먼저 전주 과정(S11)은 니켈과 철을 포함하는 전해액이 수용된 전해조에 잠긴 음극 전주 몰드의 표면에 니켈-철 합금층을 전주법으로 형성하는 과정으로, 전주 장치(21)에서 수행된다.
다음으로 이형 과정(S13)은 전주 과정(S11)이 완료된 음극 전주 몰드를 전해조에서 꺼내어 음극 전주 몰드에서 전주된 니켈-철 합금층을 이형하는 과정으로, 이형 장치(23)에서 수행된다.
다음으로 열처리 과정(S15)은 이형된 니켈-철 합금층을 열처리하는 과정이며, 열처리 장치(25)에서 수행된다. 즉 이형된 니켈-철 합금층이 열처리 장치(25)의 챔버에 투입되면, 열처리 장치(25)는 이형성된 니켈-철 합금층을 환원 분위기에서 열처리한다. 예컨대 열처리 과정(S15)은 니켈-철 합금층이 투입되는 열처리 장치(25)의 챔버 내에 수소가스(H2)를 주입하는 환원 분위기에서 400 내지 800℃에서 30 내지 60분 정도 진행된다.
그리고 분리 과정(S17)은 열처리된 니켈-철 합금층에서 개별 니켈-철 전주품을 분리하는 과정으로, 분리 장치(27)에서 수행된다. 이때 음극 전주 몰드에서 분리된 니켈-철 합금층은 반제품 상태의 니켈-철 전주품들을 포함하기 때문에, 분리 장치(27)는 열처리된 니켈-철 합금층에서 니첼-철 전주품 부분만을 절단하여 분리한다.
한편으로 본 실시예에서는 개시되지 않았지만, 분리 과정(S17) 전 또는 후에 니켈-철 합금층의 표면을 처리하는 과정을 더 진행할 수 있다. 예컨대, 니켈-철 합 금층에 표면 마감용 도금층을 형성하는 과정을 더 진행하며, 표면 마감용 도금층의 소재로 크롬(Cr)이 사용될 수 있다.
또한 본 실시예에 따른 전주 장치(21), 이형 장치(23), 열처리 장치(25) 및 분리 장치(27)는 개별적으로 구성될 수도 있고, 두 개 이상의 장치가 인라인(in-line)으로 설치될 수도 있다.
특히 본 실시예에 따른 전주 장치(21)는, 도 3 내지 도 5를 도시된 바와 같이, 전해조(30), 음극 전주 몰드(40), 양극 부재(50), 패들부(60) 및 전원 공급부(70)를 포함하여 구성된다.
전해조(30)는 전해액(35)을 담을 수 있는 용액조로서, 니켈과 철을 주성분으로 하는 전해액(35)이 채워진다. 이때 니켈은 염화니켈(nickel chloride) 형태로 제공되고, 철은 황산철(iron sulfate) 형태로 제공될 수 있다. 특히 전해조(30)는 전해액(35)이 채워지는 내부 공간(32)을 갖는 전해조 몸체(31)와, 전해조 몸체(31)의 상부에 설치된 베이스 판(33)을 포함하여 구성된다.
음극 전주 몰드(40)는 지면에 수직한 방향으로 전해액(35)에 잠기게 설치되며, 직사각판 형태로 소재는 니켈이다. 음극 전주 몰드(40)는 니켈-철 합금층이 형성되는 전주면(43)을 제외한 나머지 표면(45)에는 니켈-철 합금이 전주되지 않도록 보호막이 형성되어 있다. 이때 전주면(43)에는 제조할 니켈-철 전주품에 대응되는 패턴이 형성되어 있다. 패턴은 전주면(43)에 음각 또는 양각으로 형성될 수 있다.
한편 음극 전주 몰드(40)를 전해조(30)에 쉽게 장착하고 분리할 수 있도록, 전해조(30)의 내측벽에는 한 쌍의 가이드 레일(34)이 설치되어 있다. 가이드 레 일(34)은 음극 전주 몰드(40)가 유동하는 것을 억제하는 역할도 담당한다. 그리고 음극 전주 몰드(40)에는 걸쇠(41)가 연결되어 있다. 따라서 음극 전주 몰드(40)를 전해조(30)에 설치할 때, 가이드 레일(34)에 음극 전주 몰드(40)의 양쪽 가장자리 부분을 삽입한 후에 걸쇠(41)를 전해조(30)에 설치된 걸대(37)에 걸게 된다. 반대로 음극 전주 몰드(40)를 전해조(30)에서 꺼낼 때는 걸쇠(41)를 걸대(37)에서 들어 가이드 레일(34)에서 분리하여 전해조(30)에서 음극 전주 몰드(40)를 꺼낸다.
양극 부재(50)는 전해액(35)에 잠기게 설치되며, 음극 전주 몰드(40)와 마주보게 설치된다. 양극 부재(50) 또한 전해조(30)에 쉽게 장착 및 분리할 수 있도록, 전해조(30)에는 설치대(39)가 설치되어 있다. 양극 부재(50)는 일정양의 니켈을 담을 수 있는 니켈함(51)과, 니켈함(51)에 연결되어 설치대(39)에 걸 수 있는 걸쇠(53)를 포함한다. 이때 니켈함(51)에 담긴 니켈은 전주 과정에서 전해액(35)에서 음극 전주 몰드(40)로 전주됨으로 인해 소진되는 니켈을 보충하여 전해액(35) 내의 니켈 농도를 일정하게 유지하는 역할을 담당한다.
한편 양극 부재(50)를 전해조(30)에 안정적으로 투입하고, 전해조(30)의 전해액(35)에 잠긴 이후에는 흔들리지 않도록, 양극 부재(50)가 투입되는 부분의 양쪽에 복수의 가이드 바(38)를 설치할 수 있다. 즉 전해액(35)에 잠긴 양극 부재(50)의 니켈함(51)은 전해조(30)의 바닥면에 탑재되며, 니켈함(51)의 외측면은 가이드 바(38)에 의해 지지된다.
패들부(60)는 음극 전주 몰드(40)와 양극 부재(50) 사이에 설치되며, 특히 음극 전주 몰드(40)쪽에 근접하면서 수평하게 설치되는 패들(61)을 포함한다. 패 들(61)은 음극 전주 몰드(40)와 일정 거리를 유지하면서 좌우로 왕복 운동하면서 전해액(35)을 교반한다.
패들부(60)는 패들(61)과, 연결대(63) 및 패들 구동부를 포함하여 구성된다. 패들 구동부의 구동에 따른 연결대(63)의 좌우 이동에 따라 패들(61) 또한 좌우로 이동하게 된다.
패들(61)은 전해액(35)을 효과적으로 교반할 수 있도록 일정 간격으로 이격된 한 쌍의 설치판(61a) 사이에 설치된 복수의 패들봉(61b)을 포함한다. 본 실시예에 따른 패들(61)은 직사각판 형태의 설치판(61a)의 네 가장자리 부분에 패들봉(61b)이 각각 연결된 구조를 갖는다.
패들 구동부는 가이드 레일(34)에 삽입된 음극 전주 몰드(40)에 수평하게 일정 간격을 두고 설치된 가이드 로드(65)와 샤프트(67)와, 샤프트(67)를 회전시키는 모터(69)를 포함한다. 가이드 로드(65)와 샤프트(67)의 양단은 회전할 수 있도록 베이스판(33)에 고정 설치된다. 연결대(63)의 일단은 패들(61)의 상단부에 체결되며, 연결대(63)의 타단부를 관통하여 가이드 로드(65)와 샤프트(67)가 삽입된다. 따라서 모터(69)의 구동에 따른 샤프트(67)의 회전에 따라 연결대(63)는 샤프트(67)를 따라서 좌우로 이동하게 되며, 이에 따라 패들(61)은 음극 전주 몰드(40)와 일정 거리를 유지하면서 좌우로 왕복 운동하면서 전해액(35)을 교반한다. 이때 가이드 로드(65)는 샤프트(67)의 회전에 따라 연결대(63)가 좌우로 안정적으로 이동할 수 있도록 안내한다. 가이드 로드(65)와 연결대(63) 사이에 설치된 베어링(65a)은 샤프트(67)의 회전에 따라 연결대(63)가 좌우로 이동할 때 발생되는 진 동을 흡수하여 패들(61)의 흔들림을 억제한다.
그리고 전원 공급부(70)는 음극 전주 몰드(40)와 양극 부재(50) 사이에 전류를 흘려 음극 전주 몰드(40)의 전주면(43)에 니켈-철 합금층을 형성시킨다. 이때 전원 공급부(70)의 음극 단자는 걸대(37)를 통해 음극 전주 몰드(40)에 연결되고, 양극 단자는 설치대(39)를 통해 양극 부재(50)에 연결된다.
특히 전주 속도를 높이면서 물리적으로 견고한 니켈-철 합금층을 전주면(43)에 형성할 수 있도록, 패들(61)은 가이드 레일(34)에 설치된 음극 전주 몰드(40)의 전주면(43)에서 강력하면서 균일하게 전해액(35)을 교반하면서, 전주면(43)과의 기계적인 접촉을 억제할 수 있는 범위에서 전주면(43)에 근접하게 설치된다. 예컨대 패들(61)은 음극 전주 몰드(40)와 3 내지 10mm의 간격(D)을 유지할 수 있도록 설치된다. 이때 패들(61)이 전주면(43)에 3mm 이하로 가깝게 설치될 경우, 교반하는 과정에서 또는 음극 전주 몰드(40)를 가이드 레일(34)을 통해 이동하는 과정에서 패들(61)과 전주면(43) 또는 전주면(43)에 형성된 니켈-철 합금층 사이에 기계적인 접촉이 발생될 수 있다. 그리고 패들(61)이 전주면(43)에 대해서 10mm 이상 이격되게 설치될 경우, 패들(61)에 의한 교반 능력이 떨어지는 문제가 발생될 수 있다.
또한 패들(61)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 음극 전주 몰드(40)보다 좌우폭이 작지만 전해액(35)을 양호하게 교반할 수 있도록 수직 방향으로 음극 전주 몰드(40)를 커버할 수 있는 수직 길이를 갖는다. 또한 패들(61)의 좌우 이동 거리 안에 음극 전주 몰드(40)가 위치한다. 즉 패들(40)의 좌우 이동에 따라 교반하는 영역 내에 전주면(43)이 위치한다.
한편 본 실시예에서는 하나의 패들(61)이 전주면(43) 전체를 교반하는 예를 개시하였지만, 전주면이 넓을 경우 복수의 패들을 설치할 수도 있다. 또한 패들(61)은 일정 간격 이격된 네 개의 패들봉(61b)으로 구현된 예를 개시하였지만 다양하게 변형될 수 있음은 물론이다.
본 실시예에 따른 전주 과정에 사용되는 전해액(35)은 염화니켈 100 내지 120g/l, 황산철 2 내지 11g/l, 붕산(boric acid) 20 내지 40g/l, 라우릴황산나트륨(sodium dodecyl sulfate) 0.1 내지 0.3g/l, 사카린(saccharine) 1 내지 10g/l, 염화나트륨(sodium chloride) 20 내지 40g/l 및 항산화제(L(+)-ascrobic acid) 0.1 내지 5g/l을 포함한다. 전해액(35)의 산도는 pH 2 내지 3.5이고, 전주 과정 중 전해액(35)의 온도는 20 내지 65℃이다. 그리고 전주 과정에서 전원 공급부(70)에 의해 전해액(35)에 작용하는 전류밀도는 2 내지 12A/dm2이다. 이때 전해액(35)에서 황산철의 함량은 니켈-철 합금층의 니켈에 대한 철의 함량에 따라 전술된 범위에서 결정될 수 있다. 전해액(35)은 전주 과정이 진행됨에 따라 그 조성에 변화가 발생되기 때문에, 전해액(35)이 일정한 조성비를 유지하도록 전해액(35)을 보충할 수 있다.
이때 전해액(35)의 각 조성물과 전주 조건의 수치를 한정한 이유는, 그 한정된 수지 범위를 벗어날 경우 음극 전주 몰드(40)에 전주가 잘 이루어지지 않거나 전주되더라도 원하는 성분비의 니켈-철 합금층을 얻기가 어렵기 때문이다. 또한 음극 전주 몰드(40)의 전주면(43)으로부터 전주된 니켈-철 합금층을 이형할 때 니켈- 철 합금층이 부스러지거나 변형되는 문제가 발생될 수 있기 때문이다.
전해액(35)의 각 조성물과 전주 조건의 수치를 한정한 이유를 구체적으로 설명하면 아래와 같다.
1) 염화니켈 100 내지 120g/l, 황산철 2 내지 11g/l
이 조성은 니켈-철 합금층의 니켈과 철의 조성을 결정하는 것으로서, 조성의 범위를 벗어나면 적절한 니켈과 철의 성분비를 얻을 수 없다.
2) 붕산 20 내지 40g/l
붕산은 전해액(35)의 산도를 조절하는 조성물로서, 20g/l미만인 경우 성분 제어가 어렵고, 40g/l을 초과하면 녹이는 데 에너지 손실이 심하고 녹이는 과정에서 철이 산화되는 등의 복잡한 문제를 야기한다.
3) 라우릴황산나트륨 0.1 내지 0.3g/l
라우릴황산나트륨은 계면활상제로서, 0.1g/l미만인 수소제거가 어렵고, 0.3g/l을 초과하면 거품의 발생량이 많아 작업에 어려움이 따른다.
4) 사카린 1 내지 10g/l,
사카린은 응력완화제로서, 1g/l미만인 경우 응력이 많이 발생하여 니켈-철 합금층의 형성을 방해하고, 10g/l을 초과하면 니켈-철 합금층의 물성에 악영향을 끼친다.
5) 염화나트륨 20 내지 40g/l
염화나트륨이 20g/l미만인 경우 니켈-철 합금층이 불균일하게 형성되고, 40g/l을 초과하면 녹이는 데 에너지 손실이 심하고, 녹이는 과정에서 철이 산화되 는 등의 복잡한 문제를 야기한다.
6) 항산화제(L(+)-ascrobic acid) 0.1 내지 5g/l
항산화제는 전해액(35) 중의 니켈 이온과 철 이온이 산화되는 것을 방지하는 역할을 한다. 항산화제가 0.1g/l미만인 경우 항산화제의 역할을 수행하지 못하고, 5g/l을 초과하는 경우 반응 부산물이 생성된다.
7) 산도 : pH 2 내지 3.5
pH 2미만에서는 니켈-철 합금층이 불균일하게 형성되고, pH 3.5를 초과하면 산도의 변화가 심해 산도를 조절하기 위해 수산화나트륨이나 술폰산을 넣어주어야 하는 문제가 발생한다.
8) 전해액의 온도 : 20 내지 65℃
전주 과정 중 전해액(35)의 온도는 20 내지 65℃이며, 바람직하게는 40℃ 이상으로 유지하면 니켈-철 합금층의 전주가 잘 이루어지는 것을 확인할 수 있다. 이때 전해액(35)의 온도가 20℃ 미만에서는 전주되는 니켈-철 합금층에 응력이 많이 걸려 원하는 두께의 니켈-철 합금층을 형성하기가 어렵다. 그리고 전해액(35)의 온도가 65℃를 초과하는 경우, 증발에 따른 전해액(35)의 낭비가 심하고 전해액(35)의 조성이 변화될 가능성이 높아서 원하는 조성의 니켈-철 합금층을 형성하기가 어렵다.
9) 전류밀도 2 내지 12A/dm2
전류밀도와 전주 속도는 비례관계를 가지며, 전류밀도의 범위에서는 전류밀 도를 크게 할수록 전주 속도(㎛/min)는 증가한다. 이때 전류밀도에 따른 전주 속도는 0.25 내지 1.5㎛/min이다. 이때 전류밀도가 2A/dm2미만에서는 전주 속도가 너무 느려 생산성이 떨어진다. 전류밀도가 12A/dm2를 초과하는 경우에는 수소가스가 과다하게 발생되어 전주가 잘 이루어지지 않는다.
구체적으로 본 실시예에 따른 니켈-철 합금층을 형성하기 위한 전주 과정과 열처리 과정을 설명하면 다음과 같다. 이때 전주 과정은 도 3 내지 도 5에 개시된 전주 장치(21)를 이용한다.
먼저 전주 과정은 전해조(30)에 전해액(35)을 채우는 과정으로부터 시작된다. 이때 전해액(35)은 염화니켈 109g/l, 황산철 5.5g/l, 붕산 25g/l, 라우릴황산나트륨 0.2g/l, 사카린 7.2g/l, 염화나트륨 30g/l 및 항산화제 1g/l을 포함하며, 산도는 pH 2.5이다. 전해액(35)의 온도를 45℃로 유지한다. 이때 전해액(35) 중 황산철의 양은 철 함량이 20wt%인 니켈-철 합금층을 형성하기 위한 양이며, 형성할 니켈-철 합금층의 철 함량에 따라 황산철 양의 조절이 필요하다.
다음으로 음극 전주 몰드(40)를 가이드 레일(34)을 통하여 전해액(35)에 투입한다. 물론 음극 전주 몰드(40)는 전주면(43)이 패들(61)을 향하도록 투입된다. 이어서 양극 부재(50)는 음극 전주 몰드(40)와 일정 간격 이격된 위치에서 마주보게 전해액(35)에 투입되며, 설치대(39)에 고정된다. 이때 본 실시예에서는 음극 전주 몰드(40)를 전해조(30)에 설치한 후에 양극 부재(50)를 설치하는 예를 개시하였지만, 반대로 양극 부재(50)를 설치한 후에 음극 전주 몰드(40)를 설치할 수도 있 다.
그리고 패들(61)을 좌우로 왕복 운동시켜 음극 전주 몰드(40)의 전주면(43) 주위의 전해액(35)을 교반하면서, 전원 공급부(70)를 통하여 음극 전주 몰드(40)와 양극 부재(50) 사이에 전류를 흘려 전주면(43)에 니켈-철 합금층을 형성한다. 이때 전류밀도는 8A/dm2이다.
본 실시예에 따른 전주 속도(㎛/min)를 체크한 결과 아래의 표 1과 같이 약 1㎛/min이다. 즉 본 실시예에 따른 전주 속도가 종래의 전주 속도에 비해서 약 2배정도가 빠르다.
시간(분) 11 22 33 55 110 550
두께(㎛) 10 20 30 50 100 500
그리고 전주 과정을 완료한 음극 전주 몰드(40)에서 이형된 니켈-철 합금층의 비커스 경도를 측정한 결과 600Hv이상으로 종래의 전주법으로 제조된 니켈-철 합금층의 비커스 경도 180Hv에 비해서 월등히 높음을 확인할 수 있다.
다음으로 열처리 과정은 이형된 니켈-철 합금층을 열처리 장치의 챔버에 투입하는 과정으로부터 시작된다. 이어서 챔버 내부에 수소가스(H2)를 주입하는 환원 분위기에서 700℃에서 30분간 열처리한다.
이와 같이 열처리 과정까지 완료한 니켈-철 합금층의 니켈 용출을 실험한 결과는 표 2와 같다.
합금 조성 니켈 용출량(㎍/㎠/week)
Ni-5wt%Fe 0.008
Ni-10wt%Fe 0.016
Ni-15wt%Fe 0.036
Ni-20wt%Fe 0.037
Ni-50wt%Fe 0.036
표 2에 도시된 바와 같이, 니켈 용출량 실험 결과 본 실시예에 따른 방법으로 제조된 니켈-철 합금층은 철 함량에 관계없이 니켈 용출량이 전술된 기준값인 0.5㎍/㎠/week에 비해 매우 적은 것을 확인할 수 있다.
또한 열처리한 니켈-철 합금층의 니켈 용출량이 적다는 것, 즉 내식성이 향상되었다는 것은 아래의 산화분극 시험을 통해서도 확인할 수 있다. 금속은 주어진 환경에서 고유의 퍼텐셜(potential)을 가지며 해당 환경에서 산화반응과 환원반응의 속도가 같아 겉으로 보기에 변화가 없는 상태를 유지하는 전위를 갖는다. 산화분극 시험은 금속의 전위를 부식전위에 비해 높은 쪽으로 분극하여 인위적으로 산화시켜, 그 때 흐르는 전류값을 측정하는 시험이다. 여기서 전류가 많이 흐른다는 것은 그만큼 전자의 이동량이 많고, 그만큼 금속이온이 많이 용액속으로 이온화된다는 뜻이므로, 같은 전위에서 비교를 한다면 전류가 적게 흐를수록 내식성이 좋은 금속이라 판단할 수 있다.
열처리 전과 후의 니켈-철 합금층의 산화분극 시험결과를 살펴보면, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 전주된 니켈-철 합금층은 열처리 전에 비해 열처리 후가 내식성이 향상되었음을 알 수 있다.
그리고 열처리된 니켈-철 합금층의 비커스 경도가 220Hv 정도를 유지하기 때문에, 종래의 전주 방법으로 제조된 니켈-철 합금층보다 견고하다.
한편으로 종래기술에 따른 니켈-철 합금층 제조 방법으로 니켈-철 합금층을 제조한 이후에 본 실시예에 따른 열처리 과정을 진행할 경우, 본 실시예와 같이 니켈 용출량이 줄어드는 효과를 기대할 수 있다. 하지만 이 경우 전술된 바와 같이 열처리 과정에 따른 니켈-철 합금층의 경도 감소는 감수해야 한다. 따라서 종래의 방법으로 제조된 니켈-철 합금층에 본 실시예에 따른 열처리 과정을 거쳐 제조된 니켈-철 전주품은 신체 접촉이 많으면서 크기가 작은 전자기기의 부품으로는 사용될 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 니켈-철 합금층의 제조 방법을 포함하는 니켈-철 전주품 제조 방법에 따른 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 니켈-철 합금층 제조 장치를 포함하는 니켈-철 전주품 제조 장치를 개략적으로 보여주는 블록도이다.
도 3은 도 2의 전주 장치를 보여주는 평면도이다.
도 4는 도 2의 전주 장치를 보여주는 Ⅳ-Ⅳ선 부분 단면도이다.
도 5는 도 3의 음극 전주 몰드와 패들부를 보여주는 사시도이다.
도 6은 본 실시예에 따라 제조된 니켈-철 합금층의 열처리전의 산화분극 곡선을 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 실시예에 따라 제조된 니켈-철 합금층의 열처리후의 산화분극 곡선을 보여주는 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 설명 *
20 : 니켈-철 전주품 제조 장치 21 : 전주 장치
23 : 이형 장치 25 : 열처리 장치
27 : 분리 장치 29 : 니켈-철 합금층 형성 장치
30 : 전해조 35 : 전해액
40 : 음극 전주 몰드 43 : 전주면
50 : 양극 부재 60 : 패들부
61 : 패들 70 : 전원 공급부

Claims (23)

  1. 니켈과 철을 포함하는 전해액이 수용된 전해조에 잠긴 음극 전주 몰드에 니켈-철 합금층을 전주하는 전주 과정과;
    -상기 전해액은 염화니켈 100 내지 120g/l, 황산철 2 내지 11g/l, 붕산 25 내지 40g/l, 라우릴황산나트륨(sodium dodecyl sulfate) 0.1 내지 0.3g/l, 사카린(saccharine) 1 내지 10g/l, 염화나트륨(sodium chloride) 20 내지 40g/l 및 항산화제(L(+)-ascrobic acid) 0.1 내지 5g/l을 포함하고,
    상기 전해액의 산도는 pH 2 내지 3.5이고,
    상기 전해액의 온도는 내지 20 내지 65℃이고,
    상기 전해액에 작용하는 전류밀도는 2 내지 12A/dm2인 것을 특징으로 함-
    상기 전주 과정이 완료된 상기 음극 전주 몰드를 상기 전해조에서 꺼내어 상기 음극 전주 몰드에 전주된 상기 니켈-철 합금층을 이형하는 이형 과정과;
    상기 이형된 니켈-철 합금층을 환원 분위기에서 열처리하는 열처리 과정;을 포함하는 것을 특징으로 니켈-철 합금층 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 전주 과정은,
    상기 전해액에 잠긴 상기 음극 전주 몰드에 근접하게 설치되는 패들로 상기 전해액을 교반하는 교반 과정;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 니켈-철 합금층 제조 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 음극 전주 몰드와 상기 패들 사이의 간격은 3mm 내지 10mm인 것을 특징으로 하는 니켈-철 합금층 제조 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 음극 전주 몰드는 판 형태를 가지며, 지면에 수직한 방향으로 상기 전해조에 설치되며, 상기 패들은 상기 음극 전주 몰드 보다 폭이 작으며 상기 음극 전주 몰드에 수평하게 설치되는 것을 특징으로 하는 니켈-철 합금 층 제조 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 패들의 수직 길이는 상기 음극 전주 몰드의 수직 길이 보다는 긴 것을 특징으로 하는 니켈-철 합금층 제조 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 교반 과정은,
    상기 패들과 상기 음극 전주 몰드 사이의 거리를 유지하면서, 상기 패들을 상기 음극 전주 몰드에 대해서 좌우로 왕복 운동시켜 상기 전해액을 교반하는 것을 특징으로 하는 니켈-철 합금층 제조 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 패들의 좌우 이동 거리 안에 상기 음극 전주 몰드가 위치하는 것을 특징으로 하는 니켈-철 합금층 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 제 7항에 있어서, 상기 열처리 과정은,
    400 내지 800℃에서 30 내지 60분 진행하는 것을 특징으로 하는 니켈-철 합금층 제조 방법.
  10. 제 1항 내지 제 7항 및 제 9항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조한 니켈-철 합금층.
  11. 니켈과 철을 포함하는 전해액이 수용된 전해조와;
    -상기 전해액은 염화니켈 100 내지 120g/l, 황산철 2 내지 11g/l, 붕산 25 내지 40g/l, 라우릴황산나트륨(sodium dodecyl sulfate) 0.1 내지 0.3g/l, 사카린(saccharine) 1 내지 10g/l, 염화나트륨(sodium chloride) 20 내지 40g/l 및 항산화제(L(+)-ascrobic acid) 0.1 내지 5g/l을 포함하고,
    상기 전해액의 산도는 pH 2 내지 3.5이고,
    상기 전해액의 온도는 내지 20 내지 65℃이고,
    상기 전해액에 작용하는 전류밀도는 2 내지 12A/dm2인 것을 특징으로 함-
    지면에 수직한 방향으로 상기 전해액에 잠기는 판 형상의 음극 전주 몰드와;
    상기 전해액에 잠기며, 상기 음극 전주 몰드와 마주보게 설치되는 양극 부재와;
    상기 음극 전주 몰드와 상기 양극 부재 사이에 설치되며, 상기 음극 전주 몰드에 근접하면서 수평하게 설치되며, 상기 음극 전주 몰드와 일정 거리를 유지하면서 좌우로 왕복 운동하면서 상기 전해액을 교반하는 패들과;
    상기 음극 전주 몰드와 상기 양극 부재 사이에 전류를 흘려 상기 음극 전주 몰드에 니켈-철 합금층을 형성시키는 전원 공급부;를 포함하는 것을 특징으로 전주 장치.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 음극 전주 몰드와 상기 패들 사이의 간격은 3mm 내지 10mm인 것을 특징으로 하는 전주 장치.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 패들은 상기 음극 전주 몰드 보다 폭이 작으며, 상기 음극 전주 몰드의 수직 길이 보다는 긴 수직 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 전주 장치.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 패들의 좌우 이동 거리 안에 상기 음극 전주 몰드가 위치하는 것을 특징으로 하는 전주 장치.
  15. 삭제
  16. 제 11항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 따른 전주 장치를 이용한 니켈-철 합금층 전주 방법으로,
    상기 패들이 좌우로 왕복 운동하면서 상기 음극 전주 몰드 주위의 전해액을 교반하는 교반 과정과;
    상기 전원 공급부가 상기 음극 전주 몰드와 상기 양극 부재 사이에 전류를 흘려 상기 음극 전주 몰드에 니켈-철 합금층을 형성하는 전주 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 니켈-철 합금층 전주 방법.
  17. 니켈과 철이 포함된 전해액을 수용하는 전해조에 잠긴 음극 전주 몰드에 니켈-철 합금층을 전주하는 전주 장치와;
    -상기 전해액은 염화니켈 100 내지 120g/l, 황산철 2 내지 11g/l, 붕산 25 내지 40g/l, 라우릴황산나트륨(sodium dodecyl sulfate) 0.1 내지 0.3g/l, 사카린(saccharine) 1 내지 10g/l, 염화나트륨(sodium chloride) 20 내지 40g/l 및 항산화제(L(+)-ascrobic acid) 0.1 내지 5g/l을 포함하고,
    상기 전해액의 산도는 pH 2 내지 3.5이고,
    상기 전해액의 온도는 내지 20 내지 65℃이고,
    상기 전해액에 작용하는 전류밀도는 2 내지 12A/dm2인 것을 특징으로 함-
    상기 전주 장치에서 전주가 완료된 상기 음극 전주 몰드를 상기 전해조에서 꺼내어 상기 음극 전주 몰드에 전주된 상기 니켈-철 합금층을 이형하는 니켈-철 합금층 이형 장치와;
    상기 이형된 니켈-철 합금층을 환원 분위기에서 열처리하는 열처리 장치;를 포함하는 것을 특징으로 니켈-철 합금층 제조 장치.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 전주 장치는,
    니켈과 철이 포함된 전해액이 수용된 전해조와;
    지면에 수직한 방향으로 상기 전해액에 잠기는 판 형상의 음극 전주 몰드와;
    상기 전해액에 잠기며, 상기 음극 전주 몰드와 마주보게 설치되는 양극 부재와;
    상기 음극 전주 몰드와 상기 양극 부재 사이에 설치되며, 상기 음극 전주 몰드에 근접하면서 수평하게 설치되며, 상기 음극 전주 몰드와 일정 거리를 유지하면서 좌우로 왕복 운동하면서 상기 전해액을 교반하는 패들과;
    상기 음극 전주 몰드와 상기 양극 부재 사이에 전류를 흘려 상기 음극 전주 몰드에 니켈-철 합금층을 형성시키는 전원 공급부;를 포함하는 것을 특징으로 니켈-철 합금층 제조 장치.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 음극 전주 몰드와 상기 패들 사이의 간격은 3mm 내지 10mm인 것을 특징으로 하는 니켈-철 합금층 제조 장치.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 패들은 상기 음극 전주 몰드 보다 폭이 작으며, 상기 음극 전주 몰도의 수직 길이 보다는 긴 수직 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 니켈-철 합금층 제조 장치.
  21. 제 20항에 있어서, 상기 패들의 좌우 이동 거리 안에 상기 음극 전주 몰드가 위치하는 것을 특징으로 하는 니켈-철 합금층 제조 장치.
  22. 삭제
  23. 제 21항에 있어서, 상기 열처리 장치는 상기 분리된 니켈-철 합금층을 400 내지 800℃에서 30 내지 60분 진행하는 것을 특징으로 하는 니켈-철 합금층 제조 장치.
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