KR101999113B1 - 알루미늄휠의 표면처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폴리에스테르수지를 이용한 정전도장층과 아크릴층간의 부착성이 소재의 두께, 도장 두께와 무관하게 향상되며, 내후성이 우수하고, 경화시 에너지 소모량을 줄여 제조단가를 낮출 수 있어 경제적이며, 도료의 경화 정도에 따른 크랙의 발생 확률을 낮춰 품질향상 효과를 기대할 수 있는 알루미늄휠의 표면처리방법을 개시한다.

Description

알루미늄휠의 표면처리방법{SURFACE TREATING PROCESS OF ALUMINUM WHEEL}

본 발명은 정전도장단계를 포함하는 알루미늄휠의 표면처리방법에 있어서, 상기 정전도장단계는 폴리에스테르(POLYESTER)수지를 유효성분으로 포함하는 도료를 통해 도장하는 것을 특징으로 하는 알루미늄휠의 표면처리방법에 관한 것이다.

자동차 타이어를 지지하는 휠은 대부분 알루미늄을 소재로 하여 제조된다.

알루미늄을 소재로 한 알루미늄휠은 경량이여서 핸들조작이 용이하고 연비 및 차량의 가속성이 향상되며, 열전도율이 높기 때문에 주행 중에 지면과 마찰에 의해 타이어에 발생되는 열을 신속하게 흡수 방출하여 타이어가 과열되는 것을 효과적으로 방지하는 장점도 가진다. 또한, 알루미늄휠은 강하고 탄성력이 있기 때문에 타이어가 펑크나는 경우에 쉽게 찌그러지거나 깨지지 않아 안전도 우수하다.

한편, 이러한 장점을 가지는 알루미늄휠의 외관을 미려하게 하고, 표면 물성을 향상시키기 위해 일반적으로 알루미늄휠의 표면처리를 행한다.

대한민국 등록특허공보 제10-1622297호에 개시된 알루미늄휠의 표면처리방법은 쇼트단계와, 전처리단계와, 정전도장단계와, 스퍼터링단계와, 상도코팅단계를 포함하여 이루어지되, 상기의 알루미늄휠 표면처리방법은 정전도장단계에서 변성 부타디엔 수지가 혼합된 액상도료를 사용하는 것을 특징으로 한다.

그런데, 알루미늄휠은 형상이 부분별로 다르고 소재의 두께에 따라 소재의 도달 온도가 상이하여 도막의 경화에 영향을 끼치며, 변성 부타디엔수지를 이용한 정전도장은 도막 두께에 따라 아크릴 층과의 부착성에 영향을 받아 품질 저하의 원인이 되며, 경화시 소재의 온도가 210℃에서 약 30분간 유지되어야 하기 때문에 경화시 많은 에너지 사용에 따라 비용이 상승되는 문제점이 있었다. 뿐만 아니라, 변성 부타디엔수지를 이용한 정전도장은 경화 범위가 좁아 도료의 미경화 또는 과경화 발생이 빈번하며, 그로 인하여 도장의 크랙이 발생되는 치명적인 단점이 있었다.

한편, 부타디엔 타입의 도료는 작업 점도가 12~12.3초로 작업 점도가 낮고 범위가 좁으며, 점도에 따라 도료가 밀리는 불량현상이 빈번하게 발생되며, 저장 온도에 따라 점도 변화가 심한 액상 도료의 특성상 점도의 범위가 좁은 부타디엔 타입의 도료는 보관에 어려움이 있어 취급에 주의를 기울여야만 하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 정전도장단계를 포함하는 알루미늄휠의 표면처리방법에 있어서, 소재의 두께나 도장 두께의 영향을 받지 않으며 알루미늄휠의 표면에 구조적인 특성으로 인하여 증착막이 형성되지 않거나 적게 형성되는 표면에서의 아크릴도장층과 정전도장층간 부착성을 향상시켜 품질을 향상시킬 수 있으며, 경화시 에너지 소모를 줄여 제조단가를 절감할 수 있고, 도료의 경화 정도에 따른 크랙 발생 확률이 적어 작업성과 품질향상에 기여할 수 있는 알루미늄휠의 표면처리방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 위하여 본 발명은 쇼트단계와, 전처리단계와, 하도코팅단계와, 정전도장단계와, 스퍼터링단계와, 상도코팅단계를 포함하는 알루미늄휠의 표면처리방법에 있어서, 상기 정전도장단계는 폴리에스테르(POLYESTER)수지 25~40중량%와, 아미노수지 15~25중량%와, 에폭시수지 1~10중량%와, 용제 30~50중량%와, 첨가제 2.2~22중량%가 혼합되어 조성된 도료를 통해 도장하는 것을 특징으로 한다.

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상기와 같이 폴리에스테르수지를 유효성분으로 포함하는 도료를 통해 정전도장단계를 실시하는 본 발명은 도료의 경화 범위가 넓어 소재 두께에 따라 달라지는 도달 경화온도에 영향을 받지 않으며, 도막 두께에 경화 정도가 영향을 받지 않는 폴리에스테르수지를 이용하여 정전도장층과 아크릴도장층간 부착성이 향상되고, 폴리에스테르수지의 특성상 정전도장층의 내후성이 향상되며, 도료의 경화 정도에 따른 크랙의 발생 확률이 낮으므로 우수한 품질의 알루미늄휠을 제공할 수 있다.

또한, 알루미늄휠의 구조적 특성으로 스퍼터링 박막이 형성되지 않은 휠의 표면에서도 폴리에스테르수지를 이용한 정전도장층과 아크릴층간 부착성이 우수하여 내식성이 우수하며, 필드클레임의 발생 확률의 감소 효과를 기대할 수 있다.

또한, 부타디엔 타입의 도료에 비해 저장성이 우수하고 취급이 용이하므로 보관 및 사용이 용이한 장점이 있으며, 부타디엔 타입의 도료보다 약 20% 적게 사용하면서도 동일한 도막 두께를 형성할 수 있으므로 원가절감의 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 일반적인 알루미늄휠의 표면처리방법을 나타내는 공정도.
도 2a 내지 2b는 종래 기술에 따라 부타디엔수지를 유효성분으로 포함하는 액상도료와 아크릴투명도료의 부착성을 보여주기 위한 사진.
도 3a 내지 3b는 본 발명에 따라 폴리에스테르수지를 유효성분으로 포함하는 액상도료와 아크릴투명도료의 부착성을 보여주기 위한 사진.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 알루미늄휠의 표면처리방법에 대하여 더욱 상세하게 설명하도록 한다.

일반적으로 알루미늄휠의 표면처리방법은 쇼트단계(S1)와, 전처리단계(S2)와, 하도코팅단계(S3)와, 정전도장단계(S4)와, 스퍼터링단계(S5)와, 상도코팅단계(S6)를 포함한다.

먼저, 쇼트단계(S1)는 주조성형된 알루미늄휠의 표면에 스틸볼을 발사하여 알루미늄휠 표면에 묻은 이물질을 제거하고, 알루미늄휠의 주조성형과정에서 발생되는 핀홀을 제거하는 단계로서, 알루미늄휠 표면이 다져짐에 따라 알루미늄휠 표면의 강도가 상승되며, 도장의 부착성이 향상된다.

다음으로, 전처리단계(S2)는 상기 알루미늄휠의 표면을 탈지하고 무크롬피막을 형성하는 단계로서, 알루미늄휠의 표면의 산화피막과 이물질을 제거하는 산탈지과정과, 산탈지된 알루미늄휠을 수세하는 수세과정, 상기 알루미늄휠을 순수로 수세하는 순수세과정, 알루미늄휠의 내식성 및 도장의 부착성이 향상될 수 있도록 무크롬피막을 형성하는 무크롬피막형성과정, 무크롬피막을 경화시키기 위해 피막 건조과정으로 이루어진다.

하도코팅단계(S3)는 피막이 형성된 알루미늄휠의 표면에 앙코르 타입 건을 이용한 도장단계로서, 휠 전체에 분체 도료를 분사하고 정전이 걸린 분체 도료가 휠에 달라붙은 상태로 건조로에 들어가면 분체 도료가 경화되면서 휠을 코팅하는 단계이다.

상기의 하도코팅단계를 통해 부식에 취약한 알루미늄휠 전체를 도장함으로써 알루미늄휠이 외부 이물질에 의하여 부식 또는 오염되지 않도록 보호하는 첫번째 도장막을 형성한다.

정전도장단계(S4)는 분체 도료가 경화되면서 코팅된 상기 알루미늄휠의 표면에 정전도막을 형성하는 단계로서, 에어스프레이건을 이용하여 정전도막을 형성할 수 있고, 또는 벨도장기의 벨컵을 고속으로 회전시켜서 도료를 미립화시킨 다음 미립화된 도료에 소정의 정전압을 주어 도장한 후 건조시켜 알루미늄휠의 표면에 정전도막을 형성할 수 있다. 만약, 벨도장기를 통해 정전도막을 형성하는 경우 상기 하도 도장을 하지 않아도 도장 표면의 레벨링이 우수한 고품질의 도막을 형성할 수 있으며, 이에 따라 생산 공정이 단축되며 도료의 사용량을 줄여 원가가 절감되는 효과를 얻을 수 있다. 뿐만 아니라, 후술하는 스퍼터링단계에서 형성되는 스퍼터링박막의 광택성도 향상된다.

스퍼터링단계(S5)는 진공챔버 내에 불활성기체인 아르곤(Ar)을 넣고 지르코늄, 티타늄 등으로 된 금속타겟에 음전압을 걸어 알루미늄휠을 스퍼터링하는 단계로서, 아르곤기체가 금속타켓에 충돌되어 금속타켓의 원자가 방출되며, 방출된 금속타켓의 원자가 알루미늄휠 표면에 부착되어 스퍼터링박막(도금층)이 형성된다.

상도코팅단계(S6)는 스퍼터링박막의 상면에 아크릴투명도료를 코팅하여 스퍼터링박막을 보호한다.

본 발명은 상기 정전도장단계를 포함하는 알루미늄휠의 표면처리방법에 있어서, 상기 정전도장단계는 폴리에스테르(POLYESTER)수지를 유효성분으로 포함하는 도료를 통해 정전도막을 형성하는 것을 특징으로 한다.

예를 들어, 준비된 알루미늄휠이 쇼트단계 및 전처리단계 거쳐 표면에 검정색 분체가 1차로 도장되며, 그 위에 폴리에스테르수지를 유효성분으로 포함하는 도료를 통해 표면이 2차로 도장되고, 다시 그 위에 스퍼터링단계를 통해 스퍼터링박막(도금층)이 형성되며, 그 위에 상도코팅단계를 통해 아크릴투명도료가 형성될 수 있다.

통상적으로 상기 스퍼터링단계에서 아르곤기체가 충돌하는 금속타겟은 진공챔버 상단에 위치하고 있으며, 충돌되어 생성되는 금속원자는 금속타겟 하단부에서 회전중인 알루미늄 휠에 부착되어 휠의 전면에 스퍼터링박막(도금층)이 형성된다. 진공챔버 상단에서 하단으로 금속원자가 내려앉아 증착막을 형성하는 스퍼터링 특성상 알루미늄휠의 배면부는 전면부에 비해 상대적으로 금속원자의 증착이 원활하지 못하여 정전도장단계에서 도장되는 도료와 상도코팅단계에서 코팅되는 아크릴투명도료가 직접적으로 접착하게 되어 두 도장층간 부착성이 무엇보다 중요하다.

종래에 개시된 대한민국 등록특허공보 제10-1622297호의 "알루미늄휠의 표면처리방법"을 살펴보면 쇼트단계와, 전처리단계와, 정전도장단계와, 스퍼터링단계와, 상도코팅단계를 포함하되, 정전도장단계에서 아크릴변성 폴리부타디엔 수지가 혼합된 검정색 및 투명색의 액상도료를 사용하였는데, 부타디엔수지를 이용한 약생도료의 도장면과 분체 하도 분체도장면의 도장 두께가 200㎛이상인 경우 아크릴 층과의 부착성이 현저히 떨어져 상도코팅단계 후 아크릴투명도료의 들뜸 현상이 발생하여 품질이 현저히 저하되는 문제점이 있었으며, 특히 스퍼터링박막의 증착이 원활하지 못한 알루미늄휠의 배면부에서 액상도료와 아크릴투명도료 간 부착성이 도장 두께와 경화정도에 따라 저하되는 문제점이 발생하였다.

도 2a)는 종래 기술에 따라 부타디엔수지를 유효성분으로 포함하는 액상도료로 도장 후 증착막이 있는 표면에서 아크릴투명도료와의 부착성을 보여주는 사진이고, 도 2b)는 부타디엔수지를 유효성분으로 포함하는 액상도료가 증착막이 없고 하도 분체와 액상도료의 도장면 두께가 200㎛ 이상인 표면에서 아크릴투명도료와의 부착성을 보여주는 사진으로서, 도 2a)와 같이 스퍼터링박막의 증착이 원활하게 이루어진 알루미늄휠의 전면부는 부타디엔수지를 유효성분으로 포함하는 액상도료와 아크릴투명도료가 원활하게 부착되는 반면에, 도 2b)와 같이 스퍼터링박막의 증착이 원활하지 못한 알루미늄휠의 배면부는 도막이 두꺼운(200㎛이상) 일부분에서 아크릴투명도료의 들뜸 현상이 발생되며, 이를 통해 부타디엔수지를 유효성분으로 포함하는 액상도료와 아크릴투명도료 간 부착성이 특정 도막두께 이상에서 좋지 않다는 것을 알 수 있다.

또한, 부타디엔수지는 소재의 온도가 210℃로 약30분간 지속되어야 경화되기 때문에 경화를 위해 많은 에너지를 필요로 하므로 비용이 상승되는 문제점이 있었으며, 도료의 작업 점도가 12~12.3초로 점도가 낮은 물질로서, 점도에 따라 도료가 밀리는 불량현상이 빈번하게 발생되며, 저장 온도나 날씨, 기온 또는 외부 요인에 따라 도료의 변성이 발생될 수 있으므로 보관에 어려움이 있으며, 내후성이 취약한 문제점이 있었다.

작업의 어려움을 예를 들면, 보통의 알루미늄휠 도장을 위하여 설계된 건조로는 열매 보일러 또는 적외선 히터(MIR)를 이용하여 도장면을 경화시키는데, 알루미늄휠은 구조상 휠의 부분별 소재 두께의 차이가 있다. 가장 두꺼운 면은 400㎜~500㎜, 얇은 면은 50~70㎜로 소재의 두께가 다르며, 건조로에서 소재 두께에 따라 경화 온도에 도달하는 속도가 다르다. 상기 부타디엔수지는 경화시 소재의 온도가 210℃로 25~26분간 경화될 경우 미경화 상태가 되며 증착막 형성 후 상도코팅단계에서 아크릴투명도료가 코팅되면 아크릴 수지의 당기는 성질(응력)에 의해 증착막에 균열이 발생하여 부타디엔수지를 유효 성분으로 포함하는 액상도료에 의한 미경화 크랙(실크랙)이 발생되는 문제점이 있었다. 또한, 소재의 온도가 210℃로 43~45분간 경화시에는 과경화 상태가 되어 정전도장단계에서 크랙이 발생되는 문제점이 있다. 건조로의 온도는 일정하게 유지되나 소재의 두께에 따라 경화온도에 도달하는 시점이 달라 알루미늄 휠의 부위별로 경화온도 지속시간의 차이가 발생하여 건조 시간을 맞추는데 어려움이 있다.

또한, 알루미늄휠의 배면부는 전면부에 비해 상대적으로 금속원자의 증착이 원활하지 못하여 정전도장단계에서 도장되는 도료와 상도코팅단계에서 코팅되는 아크릴투명도료가 직접적으로 접착하게 되며 이때 알루미늄 소재의 두께가 두꺼운 부부분에서 하도분체 도막두께가 두껍게 형성되면 정전도장의 경화도에 영향을 끼치게 된다. 부타디엔수지를 유효 성분으로 포함하는 액상도료는 위의 설명과 같이 경화 범위가 좁아 특정 도막 두께 이상에서 미경화로 인하여 아크릴투명도로와의 부착성이 떨어지지만, 건조 온도가 낮고 경화 범위가 넓은 폴리에스테르수지로 도장할 경우는 부착성에 문제가 없다.

또한, 부타디엔수지는 저장 온도에 따른 변성이 심하여 보관에 어려움이 있어서 도료 주문시 도료의 공급업체로부터 용제나 첨가제가 부타디엔수지와 혼합된 완제품을 공급받아야 하므로 취급 및 보관이 까다로운 문제점이 있었으며, 도료의 주 성분인 부타디엔수지가 군수물자로 분류되어 수입이 어렵고 구매비용이 현저히 고가인 문제점이 있었다.

이에 반하여, 폴리에스테르수지는 도료의 수지로서 널리 사용되어 원료 수급이 쉽고 작업 점도의 범위가 13~15초로 도료 공급업체로부터 원료와 희석제를 따라 공급받아 자체적으로 희석하여 사용할 수 있다.

도 3a) 및 3b)는 폴리에스테르수지를 유효성분으로 포함하는 액상도료와 아크릴투명도료의 부착성을 보여주는 사진으로서, 스퍼터링박막의 증착 유무 또는 증착 정도와 도장 두께(200㎛이상)에 관계없이 아크릴투명도료와의 부착성이 우수하다는 것을 알 수 있다.

또한, 폴리에스테르수지는 소재의 온도가 170℃로 약 30분간 유지시 경화되며, 부타디엔수지에 비해 상대적으로 적은 에너지가 소모되므로 제조비용을 절감할 수 있고, 내후성이 현저히 우수하다. 예를 들어, 폴리에스테르수지는 소재의 온도가 170℃로 25분 또는 40분간 경화되더라도 미경화 또는 과경화 현상이 나타나지 않으므로 정전도장단계 또는 상도코팅단계에서 크랙 현상이 발생되지 않는다.

또한, 폴리에스테르수지는 저장 온도에 따른 변성 가능성이 낮아서 사용자가 현장에서 원하는 배합비에 따라 용제와 첨가제를 혼합하여 사용이 가능하므로 취급 및 보관이 현저히 용이하며, 부타디엔수지에 비해 저렴한 비용으로 구매가 가능하다.

더욱이, 폴리에스테르수지는 알루미늄휠의 표면에 1차로 도장되는 검정색 분체의 주원료로서, 1차 및 2차 도장시 동일한 수지를 유효성분으로 포함하는 도료를 사용함으로써 상성이 좋아 층간 부착성이 현저히 향상되는 효과를 기대할 수 있으며, 도금층이 들어가지 않는 휠 표면에서도 폴리에스테르수지를 이용한 정전도장층과 아크릴층간의 부착성이 우수하며, 도장 두께에 따른 부착성의 영향이 없고, 내식성이 우수하며, 필드클레임의 발생 확률이 현저히 적은 효과가 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 상기 정전도장단계에서 사용되는 도료는 폴리에스테르수지와, 아미노수지와, 에폭시수지와, 용제와, 첨가제가 혼합되어 조성되며, 바람직하게는 폴리에스테르수지 25~40중량%와, 아미노수지 15~25중량%와, 에폭시수지 1~10중량%와, 용제 30~50중량%와, 첨가제 2.2~22중량%가 혼합되어 조성된다.

여기에서, 상기 폴리에스테르수지와 아미노수지는 2차 도장층의 외관을 형성하고 도료의 부착성과 내구성을 향상시키며, 에폭시수지는 내약품성과 내식성을 향상시키기 위한 것으로, 만약 폴리에스테르수지가 25중량% 미만으로 혼합되면 성분미달로 인해 배합시 도막형성이 불가능하며, 40중량%를 초과하면 배합시 불완전 용해되어 도료에 침전물이 발생된다. 또한, 아미노수지가 상기의 함량비를 벗어날 경우 부착성과 내구성에 문제가 발생될 수 있고, 에폭시수지가 1중량% 미만으로 혼합될 경우 경화가 충분히 되지 않으며 10중량%를 초과할 경우 도료의 과경화를 유발한다.

용제는 수지를 용해하여 녹이는 성분으로 점도 설정의 유동성을 고려하여 30~50중량%가 혼합된다. 용제는 도료의 액상화, 각 원료의 원활한 혼합을 위해 신나가 사용될 수 있다.

첨가제는 표면조정제와, 흐름성 첨가제와, 반응촉진제 및 기타첨가제로 이루어질 수 있으며,

도료의 외관 및 도막형성을 위한 표면조정제는 0.1~1중량%가 혼합되고, 작업성을 결정하는 흐름성 첨가제는 1~10중량%가 혼합되며, 화학반응 촉진을 위한 반응촉진제는 0.1~1중량%가 혼합되고, 소포성과 저장성 향상을 위한 기타 첨가제는 1~10중량%가 혼합될 수 있다.

상기와 같이 폴리에스테르수지를 유효성분으로 포함하는 도료를 통해 정전도장단계를 실시하는 본 발명은 폴리에스테르수지를 이용한 정전도장층과 아크릴층간의 부착성이 도장 두께와 무관하며 증착막이 없는 면에서도 부착성이 향상되고, 폴리에스테르수지의 특성상 정전도장층의 내후성이 향상되며, 도료의 경화 정도에 따른 크랙의 발생 확률이 낮으며 특히 도금층이 들어가지 않는 휠 표면에서도 폴리에스테르수지와 아크릴투명도료의 층간 부착성이 도장 두께와 무관하게 우수하므로 필드클레임(도장 들뜸)의 발생 확률의 감소 효과를 기대할 수 있다. 뿐만 아니라, 부타디엔수지를 유효성분으로 포함하는 액상도료에 비해 적은 양을 사용하면서도 동일한 도막 두께를 형성할 수 있으므로 원가절감의 효과를 기대할 수 있다.

Claims (3)

1. 쇼트단계(S1)와, 전처리단계(S2)와, 하도코팅단계(S3)와, 정전도장단계(S4)와, 스퍼터링단계(S5)와, 상도코팅단계(S6)를 포함하는 알루미늄휠의 표면처리방법에 있어서,
   상기 정전도장단계는 폴리에스테르(POLYESTER)수지 25~40중량%와, 아미노수지 15~25중량%와, 에폭시수지 1~10중량%와, 용제 30~50중량%와, 첨가제 2.2~22중량%가 혼합되어 조성된 도료를 통해 도장하는 것을 특징으로 하는 알루미늄휠의 표면처리방법.
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