KR102093136B1 - 부식 방지층을 구비하는 분말야금 제품 - Google Patents

부식 방지층을 구비하는 분말야금 제품 Download PDF

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Abstract

본 발명은 분말야금 본체 및 상기 분말야금 본체의 표면과 열린 기공의 내면에 코팅되는 내부식성의 부식 방지층을 포함하는 분말야금 제품을 개시한다.
본 발명의 분말 야금 제품은 분말 야금 본체의 표면 및 열린 기공의 내면에 소수성을 갖는 부식 방지층이 형성되어 수분 또는 산소의 직접적인 접촉을 차단함으로써 내부식성이 증가될 수 있다.

Description

부식 방지층을 구비하는 분말야금 제품{Powder Metallurgy Product having Corrosion-resistant layer}
본 발명은 표면과 열린 기공의 내면을 포함하는 영역에 부식 방지층을 구비하는 분말야금 제품에 관한 것이다.
분말야금(powder metallurgy)은 복수 종류의 금속 분말을 포함하는 원료 분말을 혼합, 성형 및 소결하여 금속 제품을 만드는 방법이다. 보다 구체적으로는, 먼저, 상기 분말야금 제품의 특성에 따라 복수의 금속 분말이 혼합되어 원료 분말로 제조된다. 다음으로, 상기 원료 분말은 금속 제품의 형상에 따른 금형에 충진되고 최종 분말야금 제품에 대응되는 형상의 성형체로 제조된다.
상기 성형체는 소정 온도에서 소결되어 소결체로 제조된다. 상기 소결체는 금속 재료의 융점인 대략 2,000도보다 낮은 온도인 대략 1,000도의 소결 온도에서 소결된다. 상기 소결체는 최종 분말야금 제품일 수 있다. 또한, 상기 소결체는 필요한 경우에 기계 가공하여 최종 분말야금 제품으로 제조된다.
상기 분말야금 제품은, 도 1에서 보는 바와 같이, 베어링, 치차, 캠, 기어와 같은 기계 부품일 수 있다. 또한, 상기 분말야금 제품은 자동차용, 가전용 전기 기계, 사무 기기용 부품일 수 있다. 또한, 상기 분말야금 제품은 소결 마찰재일 수 있다. 상기 분말야금 제품은 부식성이 있는 철계 재질일 수 있다. 또한, 상기 분말야금 제품은 비철계 재질 또는 초경 재질일 수 있다.
상기 분말야금 제품은 금속 분말을 포함하는 원료 분말로 혼합, 성형 및 소결 과정을 통하여 제조되므로, 표면이 고온 소결 온도에 노출될 수 있다. 또한, 상기 분말야금 제품은 표면과 내부에 소결 과정에서 소멸되지 않은 미세 기공이 존재할 수 있다. 따라서, 상기 분말야금 제품은 표면의 부식성이 일반적인 주조 제품, 압연 제품 또는 단조 제품에 비하여 상대적으로 높을 수 있다.
본 발명은 내부식성이 증가되는 분말야금 제품을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 부식 방지층을 구비하는 분말야금 제품은 분말야금 본체 및 상기 분말야금 본체의 표면과 열린 기공의 내면에 코팅되는 내부식성의 부식 방지층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 부식 방지층은 HPO3-[CF2]n-CF3 또는 HPO3-[CH2]n-CH3 (여기서, n은 4 ~25이다.)으로 표시되는 인산계 화합물을 포함할 수 있다. 또한, 상기 부식 방지층은 Octadecylphosphonic acid (OD-PA) 또는 (1H,1H,2H,2H-heptadecafluorodec-1-yl) phosphonic acid (HDF-PA)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 부식 방지층은 상기 인산계 화합물의 인산기가 상기 분말야금 본체의 표면과 열린 기공의 내면에 존재하는 수산화기(-OH)와 자기 결합되어 형성될 수 있다. 또한, 상기 부식 방지층은 상기 인산계 화합물이 에탄올을 포함하는 알코올 용매에 0.1 ∼ 10mM의 농도로 용해된 코팅액이 코팅되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 부식 방지층은 3Cl-Si-[CF2]n-CF3 또는 3Cl-Si-[CH2]n-CH3(여기서, n은 4~25이다.)으로 표시되는 실란계 화합물을 포함할 수 있다. 또한, 상기 부식 방지층은 (heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl) trichlorosilane (HDF-S)을 포함할 수 있다. 상기 부식 방지층은 실란계 화합물의 실란기가 상기 분말야금 본체의 표면에 존재하는 수산화기(-OH)와 자기 결합되어 형성될 수 있다. 상기 부식 방지층은 상기 실란계 화합물이 무수톨루엔 또는 무수헥산을 포함하는 유기 용매에 0.1 ∼ 10mM의 농도로 용해된 코팅액이 코팅되어 형성될 수 있다. 또한, 상기 부식 방지층은 Tetramethyl orthosilicate(Si(OCH3)4), Alkyltrimethoxysilane(R2-Si(OCH3)2), Tetraethyl orthosilicate(Si(OC2H5)4), Alkyltriethoxysilane(R-Si(OC2H5)3), 또는 Alkyldiethoxysilane(R2-Si(OC2H5)2)에 의하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 부식 방지층은 0.1nm ~ 30㎛의 두께로 형성될 수 있다. 상기 부식 방지층은 1nm ~ 1㎛의 두께로 형성될 수 있다.
또한, 상기 부식 방지층은 디핑 방식 또는 스프레이 방식에 의하여 코팅될 수 있다. 또한, 상기 부식 방지층은 디핑 방식으로 코팅될 때, 인산계 화합물 또는 실란계 화합물을 포함하는 코팅액에 분말야금 본체가 침지되고 음압이 인가되어 형성될 수 있다. 또한, 상기 코팅액에 상기 분말야금 본체가 침지된 후 초음파가 인가될 수 있다.
또한, 상기 분말 야금 제품은 상기 부식 방지층의 표면에 형성되는 외부 보호층을 더 포함하며, 상기 외부 보호층은 수지 물질에 금속 나노 입자가 임베디드되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 수지 물질은 실리콘계 수지, 에폭시계 수지, 아미노계 수지, 페놀계 수지, 폴리에스테르계 수지, 우레탄계 수지 또는 아크릴계 수지로 형성되며, 상기 금속 나노 입자는 마그네슘, 알루미늄 또는 아연으로 형성될 수 있다.
본 발명의 분말 야금 제품은 분말 야금 본체의 표면 및 열린 기공의 내면에 소수성을 갖는 부식 방지층이 형성되어 수분 또는 산소의 직접적인 접촉을 차단함으로써 내부식성이 증가될 수 있다.
또한, 본 발명의 분말 야금 제품은 외부 보호층을 추가로 구비하여 내부식성이 더욱 증가될 수 있다.
또한, 본 발명의 분말 야금 제품은 분말 야금 본체를 소수성의 코팅 용액에 상압 또는 음압하에서 침지 및 초음파 분산시켜 부식 방지층을 형성하므로 다양한 형상의 분말 야금 제품의 표면과 열린 기공의 내면에 부식 방지층을 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 부식 방지층이 형성될 수 있는 예시적인 분말야금 제품의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 부식 방지층을 구비하는 분말야금 제품의 부분 수직 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 분말야금 제품에 대한 부식성 평가 결과 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예 1에 따른 분말야금 제품에 대한 다른 부식성 평가 결과 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 다른 분말야금 제품에 대한 부식성 평가 결과 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 다른 분말야금 제품에 대한 소수성 평가 결과 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 따른 분말야금 제품에 대한 부식성 평가 결과 사진이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 따른 부식 방지층을 구비하는 분말야금 제품에 대하여 설명한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 부식 방지층을 구비하는 분말야금 제품에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 부식 방지층이 형성될 수 있는 예시적인 분말야금 제품의 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 부식 방지층을 구비하는 분말야금 제품의 부분 수직 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 부식 방지층을 구비하는 분말야금 제품(100)은, 도 1 및 도 2를 참조하면, 분말야금 본체(110) 및 부식 방지층(120)을 포함한다. 또한, 상기 분말야금 제품(100)은 외부 보호층(130)을 더 포함할 수 있다.
상기 분말야금 제품(100)은, 도 1의 (a)에서 보는 바와 같이, 분말야금 공정에 의하여 제조되는 금속 제품일 수 있다. 상기 분말야금 제품(100)은 금속 가공에 의한 일반적인 금속 제품과 달리 분말이 성형 및 소결되어 형성되므로 표면이 매끄럽게 형성되지 않을 수 있다. 다만, 상기 분말야금 제품은 치수 정밀도를 필요로 하는 제품인 경우에 추가로 기계 가공이 진행되므로 표면이 매끄럽게 형성될 수 있다.
또한, 상기 분말야금 제품(100)은 도 1의 (b)와 도 2에서 보는 바와 같이 표면에서 내측으로 연장되는 열린 기공(검은색으로 보이는 부분)이 존재할 수 있다. 보다 구체적으로는 상기 본말야금 제품(100)은 도 2에서 보는 바와 같이, 분말야금 본체(110)의 내부에 열린 기공(open pore)(110a)와 닫힌 기공(closed pore)(110b)을 포함할 수 있다. 여기서 상기 열린 기공(110a)은 분말야금 본체(110)의 표면으로 개방된 기공을 의미한다. 상기 열린 기공(110a)은 일반적으로 분말야금 본체(110)의 표면 직하 또는 표면으로부터 내부로 소정 거리에 위치할 수 있다. 상기 열린 기공(110a)은 표면으로부터의 위치에 따라 다양한 형상과 크기 및 분포로 형성될 수 있다. 상기 닫힌 기공(110b)은 분말야금 본체(110)의 표면으로 개방되지 않고 밀폐된 기공을 의미한다. 상기 닫힌 기공(110b)은 분말야금 본체(110)의 내부에 위치할 수 있다. 상기 닫힌 기공(110b)은 분말야금 본체(110)에 사용되는 원료 분말의 종류와 크기, 분말야금 본체(110)의 소결 조건, 기공의 위치에 따라 다양한 형상과 크기 및 분포로 형성될 수 있다.
상기 분말야금 제품(100)은 다양한 형상 또는 다양한 재질을 갖는 제품일 수 있다. 예를 들면, 상기 분말야금 제품(100)은 베어링, 치차, 캠, 기어와 같은 기계 부품일 수 있다. 또한, 상기 분말야금 제품(100)은 자동차용, 가전용 전기 기계, 사무 기기용 부품일 수 있다. 또한, 상기 분말야금 제품(100)은 소결 마찰재일 수 있다.
상기 분말야금 제품(100)은 분말야금 본체(110)의 표면에 내부식성이 있는 부식 방지층(120)이 코팅되어 형성될 수 있다. 상기 분말야금 본체(110)는 분말야금 공정에 의하여 제조되므로 다른 금속 제품에 대비하여 상대적으로 내부식성이 낮을 수 있다. 상기 분말야금 본체(110)는 시간이 지남에 따라 표면에 부식이 발생될 수 있다. 상기 분말야금 제품(100)이 마찰이 많이 발생되어 온도가 올라가는 기계 부품 또는 소결 마찰재인 경우에, 표면의 부식 정도는 더 증가될 수 있다. 상기 분말야금 제품(100)은 분말야금 본체(110)의 표면에 내부식성이 있는 부식 방지층(120)이 형성되므로 내부식성이 향상될 수 있다. 특히, 부식 방지층(120)은 분말야금 본체(110)의 표면과 표면의 근처에 존재하는 열린 기공(110a)의 내면에 코팅되어 형성되므로 내부식성을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 분말야금 본체(110)는 복수 종류의 금속 분말을 포함하는 원료 분말이 혼합, 성형 및 소결되어 제조되는 소결체로 형성된다. 예를 들면, 상기 금속 분말은 철 분말을 포함하는 다양한 금속 분말일 수 있다. 또한, 상기 금속 분말은 순철계, 철-동계, 철-탄소계, 철-탄소-동계, 철-탄소-Ni계, 스테인레스계, 페라이트계, 청동계 일 수 있다. 또한, 상기 원료 분말은 금속 분말과 함께 세라믹 분말, 그라파이트 분말이 추가로 혼합될 수 있다. 상기 분말야금 본체(110)는 철계 분말을 포함하는 재질로 형성되는 소결체일 수 있다. 또한, 상기 분말야금 본체(110)는 비철계 분말을 포함하는 재질로 형성되는 소결체일 수 있다. 또한, 상기 분말야금 본체(110)는 초경분말을 포함하는 재질로 형성되는 소결체일 수 있다. 또한, 상기 분말야금 본체(110)는 금속 분말과 세라믹 분말의 복합 재질로 형성되는 소결체일 수 있다. 또한, 상기 분말야금 본체(110)는 소결체의 적어도 일부가 기계 가공된 상태일 수 있다.
상기 분말야금 본체(110)는 금속 분말등을 혼합한 후에 성형과 소결 과정을 통하여 제조되므로 기공이 존재할 수 있다. 또한, 상기 분말야금 제품(100)은 사용되는 분말의 종류, 제품의 특성에 따라 열린 기공(110a)과 닫힌 기공(110b)이 존재할 수 있다. 한편, 상기 분말야금 본체(110)는 분말야금 제품(100)의 형상에 따라 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
상기 부식 방지층(120)은 분말야금 본체(110)의 표면에 코팅되어 형성될 수 있다. 또한, 상기 부식 방지층(120)은 분말야금 본체(110)의 표면 또는 내부에 존재하는 열린 기공(110a)의 내면을 포함하는 영역에도 코팅될 수 있다. 상기 부식 방지층(120)은 분말야금 본체(110)에 내부식성을 부여할 수 있다. 상기 부식 방지층(120)은 분말야금 본체(110)의 표면에 소수성을 부여할 수 있다.
상기 부식 방지층(120)은 CF(탄화불소) 또는 CH(탄화수소)를 포함하는 인산계 화합물을 포함하여 형성될 수 있다. 상기 인산계 화합물은 HPO3-[CF2]n-CF3 또는 HPO3-[CH2]n-CH3 (여기서, n은 4 ~ 25이다.)으로 표시되는 화합물로 형성될 수 있다. 상기 부식 방지층(120)은 포스포닉산 자기결합 단분자막(phosphonic acid SAMs)으로 형성될 수 있다. 상기 포스포닉산 자기결합 단분자막은 Octadecylphosphonic acid (OD-PA) 또는 (1H,1H,2H,2H-heptadecafluorodec-1-yl) phosphonic acid (HDF-PA)일 수 있다.
상기 부식 방지층(120)은 인산계 화합물이 분말야금 본체(110)의 표면 및 열린 기공(110a)의 내면에 코팅되어 형성될 수 있다. 상기 인산계 화합물은 알코올 용매에 용해되어 코팅액으로 형성될 수 있다. 상기 알코올 용매는 에탄올, 메탄올, 이소프로필알코올을 포함할 수 있으며 무수알코올이 더 바람직하다. 이때, 상기 인산계 화합물은 0.1 ~ 10mM의 농도로 알코올 용매에 용해되며, 바람직하게는 1 ~ 3mM의 농도로 알코올 용매에 용해되어 코팅액으로 형성된다. 상기 코팅액은 인산계 화합물의 농도가 너무 낮으면 자기조립단분자막이 코팅되지 않은 부분이 발생하여 부식 방지층(120)의 내부식성 또는 안정도가 저하된다. 또한, 상기 인산계 화합물의 농도가 너무 높으면 부식 방지층(120)의 두께가 불필요하게 두꺼워지거나 두께 조절이 어려울 수 있다.
상기 부식 방지층(120)은 인산계 화합물의 인산기가 분말야금 본체(110)의 표면 및 열린 기공(110a)의 내면에 존재하는 수산화기(-OH)와 탈수 반응에 의하여 화학 결합하는 자기조립(self-assembly)반응에 의해 자기조립단분자막으로 형성될 수 있다. 상기 분말야금 본체(110)는 플라즈마(Plasma) 처리 또는 자외선(UV) 처리와 같은 표면처리를 통하여 표면 또는 열린 기공(110a)의 내면에 수산화기(-OH)가 형성될 수 있다. 상기 표면 처리는 분말야금 본체(110)의 표면을 변화시켜 부식 방지층(120)의 부착력과 부식 방지 특성을 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 부식 방지층(120)은 인산기가 분말야금 본체(110)의 표면 및 열린 기공(110a)의 내면에 존재하는 수산화기(-OH)와 탈수 반응에 의하여 화학 결합하는 자기조립(self-assembly)반응에 의해 자기결합 단분자막으로 형성될 수 있다. 상기 인산계 화합물의 인산기는 대기중에서 안정한 상태를 유지하므로 이하에서 설명하는 실란계 화합물과 달리 대기중에서 코팅 공정이 진행될 수 있다.
또한, 상기 부식 방지층(120)은 CF(탄화불소)기 또는 CH(탄화수소)기를 포함하는 실란계 화합물을 포함할 수 있다. 상기 실란계 화합물은 3Cl-Si-[CF2]n-CF3 또는 3Cl-Si-[CH2]n-CH3 (여기서, n은 4 ~ 25이다.)으로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다. 상기 부식 방지층(120)은 삼염화 실란 자기결합 단분자막(trichlorosilane SAM)을 포함할 수 있다. 상기 삼염화 실란 자기결합 단분자막은 (heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl) trichlorosilane (HDF-S)일 수 있다.
상기 부식 방지층(120)은 실란계 화합물이 분말야금 본체(110)의 표면 및 열린 기공(110a)의 내면에 코팅되어 형성될 수 있다. 상기 실란계 화합물은 유기 용매에 용해되어 코팅액으로 형성될 수 있다. 상기 유기 용매는 무수톨루엔 또는 무수헥산을 포함할 수 있다. 또한, 상기 실란계 화합물은 0.1 ∼ 10mM의 농도로 유기 용매에 용해되며, 바람직하게는 1 ~ 3mM의 농도로 유기 용매에 용해되어 코팅액으로 형성된다. 상기 코팅액은 실란계 화합물의 농도가 너무 낮으면 자기조립단분자막이 코팅되지 않은 부분이 발생하거나, 자기조립단분자막의 가교결합이 충분히 진행되지 않아 부식 방지층(120)의 내부식성 또는 안정도가 저하될 수 있다. 또한, 상기 실란계 화합물의 농도가 너무 높으면 부식 방지층(120)의 두께가 불필요하게 두꺼워지거나 두께 조절이 어려울 수 있다.
상기 분말야금 본체(110)는 플라즈마 처리 또는 자외선 처리와 같은 표면처리를 통하여 표면 또는 열린 기공(110a)의 내면에 수산화기(-OH)가 형성될 수 있다. 또한, 상기 부식 방지층(120)은 실란기가 분말야금 본체(110)의 표면 및 열린 기공(110a)의 내면에 존재하는 수산화기(-OH)와 탈수 반응에 의하여 화학 결합하는 자기조립(self-assembly)반응에 의해 자기결합 단분자막으로 형성될 수 있다. 상기 부식 방지층(120)은 분말야금 본체(110)의 표면에서 가교 결합으로 결합되므로, 결합력이 강화되어 안정도가 향상된다. 한편, 상기 실란계 화합물의 실란기는 대기중에서 수분과 반응하여 용액 내에 마이셀 형태의 입자를 형성하므로, 바람직하게는 질소분위기에서 진행될 수 있다.
상기 부식 방지층(120)은 알콕시실란 화합물에 의하여 형성될 수 있다. 상기 부식 방지층(120)은 알콕시실란 화합물의 코팅액 또는 나노 에어로겔 입자가 코팅되어 형성될 수 있다. 상기 알콕시실란 화합물은 산 또는 염기 촉매하에서 친수성을 가지는 표면의 수산기(-OH)와 반응하여 알콜 부산물을 생성시키며 강하게 공유결합할 수 있어, 표면에 내부식성과 소수성을 부여할 수 있다. 또한, 상기 알콕시실란 화합물은 졸-겔 합성법에 의해 산 또는 염기 촉매하에서 메톡시(-OCH3) 또는 에톡시(-OC2H5)의 기능기들이 서로 반응하여 알코올 부산물을 생성시키고, 그결과 실록산(-O-Si-O-)결합이 생성되며 나노 에어로겔 입자를 형성 할 수 있다. 상기 알콕시실란 화합물은 공기중에서 비교적 안정하다.
상기 알콕시실란 화합물은 주로 메톡시(-OCH3) 또는 에톡시(-OC2H5)의 기능기가 규소에 1 ∼ 4개가 부착되어 있는 화합물일 수 있다. 또한, 상기 알콕시실란 화합물은 반응성을 높이기 위하여 메톡시(-OCH3) 또는 에톡시(-OC2H5)의 기능기가 최소 2개 이상인 화합물일 수 있다. 상기 알콕시실란 화합물은, 예를 들면, Tetramethyl orthosilicate(Si(OCH3)4), alkyltrimethoxysilane(R2-Si(OCH3)2), Tetraethyl orthosilicate(Si(OC2H5)4), alkyltriethoxysilane(R-Si(OC2H5)3), alkyldiethoxysilane(R2-Si(OC2H5)2)와 같은 화합물일 수 있다.
상기 알콕시실란 화합물의 코팅액은 분말야금 본체(110)의 표면 및 열린 기공(110a)의 내면에 코팅되면서 부식 방지층(120)을 형성할 수 있다. 상기 알콕시실란 화합물 기반 코팅액은 제조된 후에 바로 코팅을 진행하면, 코팅액의 알콕시실란 화합물이 분말야금 본체(110)의 표면 및 열린 기공(110a)의 내면에 직접 화학 결합하거나 알콕시실란 화합물이 나노 에어로겔 입자를 형성하여 코팅층을 형성할 수 있다. 상기 알콕시실란 화합물 기반 코팅액은 분말야금 본체(110)의 표면 및 열린 기공(110a)의 내면에 소수성의 특성을 부여할 수 있다. 상기 나노 에어로겔 입자는 일정한 크기 이상이 되면 표면의 반응성이 저하되면서 입자의 크기가 안정화 된다. 이때, 상기 나노 에어로겔 입자의 크기는 수나노미터에서 수십 마이크로미터까지로 다양하게 생성될 수 있다. 상기 나노 에어로겔 입자의 크기가 너무 작으면 소수성의 표면 특성의 발현이 잘 안되고, 반대로 나노 에어로겔 입자의 크기가 너무 크면 추후, 분말야금 본체(110)의 열린 기공(110a)에 침투시킬 때 침투가 어려워 임베디드 형태로 제작하기 어렵다.
상기 알콕시실란 화합물은 용매인 알코올 질량의 0.001 내지 50％가 되도록 혼합하여 사용할 수 있다. 이때, 상기 알콕시실란 화합물은 소수성 발현을 위하여 알킬치환기를 가지는 알콕시 실란 화합물을 사용하여야 하며, R-Si(OCH3)3, R2-Si(OCH3)2, R-Si(OC2H5)3, R2-Si(OC2H5)2가 사용될 수 있다. 상기 알코올 용매는 에탄올, 메탄올, 이소프로필알코올이 사용될 수 있으며, 무수알코올이 더 바람직하다. 또한, 상기 알콕시실란 화합물은 2종류이상의 알콕시실란 화합물을 다양한 비율로 혼합되어 사용될 수 있다. 상기 알콕시실란 화합물은 2종류의 알콕시실란 화합물이 10:1에서 1:10까지 다양하게 혼합비로 혼합될 수 있으나, 가장 바람직하게는 1:1 비율로 혼합될 수 있다.
상기 부식 방지층(120)은 상압 또는 음압하에서 인산계 화합물 또는 실란계 화합물을 포함하는 코팅액에 분말야금 본체(110)를 침지시키는 침지 방법에 의해 형성될 수 있다. 상기 부식 방지층(120)은 바람직하게는 분말야금 제품(100)이 침지된 코팅액을 음압하에 유지하여 형성될 수 있다. 상기 침지 방법에 의하는 경우에 초음파를 추가로 인가하여 분산을 함께 진행할 수 있다. 또한, 상기 부식 방지층(120)은 분말야금 본체(110)에 코팅액이 붓칠, 스프레이 코팅되어 형성될 수 있다. 또한, 상기 부식 방지층(120)은 분말야금 제품(100)이 사용되는 장치에 분말야금 본체(110)가 조립된 후에 코팅액이 붓칠 또는 스프레이 코팅되어 형성될 수 있다.
상기 부식 방지층(120)은 0.1nm ~ 30㎛의 두께로 형성될 수 있다. 상기 부식 방지층(120)은 바람직하게는 1nm ~ 1㎛의 두께로 형성될 수 있다. 또한, 상기 부식 방지층(120)은 두께를 특별히 한정될 필요없이 분말야금 본체(110)의 표면에 내부식성을 부여하는데 필요한 소정의 두께로 형성될 수 있다.
상기 외부 보호층(130)은 복합 수지 물질이 코팅되어 형성될 수 있다. 상기 복합 수지 물질은 수지 물질과 금속 나노 입자가 혼합된 물질로 형성될 수 있다. 상기 복합 수지 물질은 전체 중량을 기준으로 금속 나노 입자가 0.1 ~ 10wt%로 혼합될 수 있다.
상기 수지 물질은 실리콘계 수지, 에폭시계 수지, 아미노계 수지, 페놀계 수지, 폴리에스테르계 수지, 우레탄계 수지 또는 아크릴계 수지와 같은 수지일 수 있다. 상기 수지 물질은 다양한 경화성 수지일 수 있다. 예를 들면, 상기 수지 물질은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)일 수 있다.
상기 금속 나노 입자는 철과 대비하여 상대적으로 산화가 잘되는 금속 물질로 형성될 수 있다. 상기 금속 나노 입자는 아연(Zn), 마그네슘(Mg) 또는 알루미늄(Al)으로 형성될 수 있다. 상기 금속 나노 입자는 수nm크기의 입자일 수 있다. 상기 금속 나노 입자는 외부에서 유입되는 부식 물질과 반응하는 희생 물질로 작용하여 외부 보호층(130)의 내부식성을 증가시킬 수 있다. 상기 외부 보호층(130)은 수지 물질에 금속 나노 입자가 임베디드되어 형성될 수 있다. 한편, 상기 외부 보호층(130)이 형성되는 경우에, 부식 방지층(120)은 CH(탄화수소)를 포함하는 인산계 또는 실란계 화합물로 형성될 수 있다. 즉, 상기 부식 방지층(120)은 외부 보호층과 접착력을 증가시키기 위하여 CH(탄화수소)를 포함하는 인산계 또는 실란계 화합물로 형성되는 것이 유리하다. 예를 들면, 상기 부식 방지층(120)은 alkyl PA(alkyl phosphonic acid)로 형성될 수 있다.
상기 외부 보호층(130)은 부식 방지층(120)의 표면에 코팅되어 형성될 수 있다. 상기 외부 보호층(130)은 부식 방지층(120)의 내부식성을 증가시켜 분말야금 제품(100)의 내부식성을 증가시킬 수 있다. 한편, 상기 외부 보호층(130)은, 도 2에서 보면, 분말야금 본체(110)의 표면과 열린 기공((110a)의 내부에 코팅되는 부식 방지층(120)의 표면에 코팅되어 열린 기공(110a)에는 코팅되지 않은 상태로 도시되어 있다. 그러나, 상기 분말야금 본체(110)의 열린 기공(110a)의 크기가 상대적으로 크고, 부식 방지층(120)의 두께가 상대적으로 얇은 경우에 외부 보호층(130)은 열린 기공(110a)의 내부에도 코팅될 수 있다.
상기 외부 보호층(130)은 복합 수지 용액이 분말야금 본체(110)에 코팅된 후에 소정의 경화 조건에서 경화되어 형성될 수 있다. 상기 경화 조건은 80 ∼ 120℃의 경화 온도와 30분 ∼ 2시간의 경화 시간 및 진공 분위기일 수 있다.
이하에서 본 발명의 실시예들에 따른 분말야금 제품에 대한 평가 결과를 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 분말야금 제품에 대한 부식성 평가 결과 사진이다. 도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 분말야금 제품에 대한 다른 부식성 평가 결과 사진이다. 도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 다른 분말야금 제품에 대한 부식성 평가 결과 사진이다. 도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 다른 분말야금 제품에 대한 소수성 평가 결과 사진이다. 도 7은 본 발명의 실시예 2에 따른 다른 분말야금 제품에 대한 내부식성 평가 사진이다.
[분말야금 제품 제조]
분말 야금 제품은 2 종류로 제작하였다. 실시예 1의 분말 야금 제품은 분말 야금 본체에 부식 방지층을 형성한 제품이며, 실시예 2 는 부식 방지층과 외부 보호층을 함께 형성한 제품이다.
실시예 1에서 상기 부식 방지층은 인산계 화합물로 형성하였다. 상기 인산계 화합물의 코팅액은 인산계 자기조립단분자인 (1H,1H,2H,2H-heptadecafluorodec-1-yl) phosphonic acid (HDF-PA)를 2mM 농도로 무수에탄올 용매에 용해하여 제조하였다. 상기 코팅액에 순철계 분말야금 본체를 침지시킨 후 음압을 인가하고, 초음파 분산기를 이용하여 30분 이상 처리하여 코팅액이 분말야금 본체의 열린 기공에 침투되도록 하였다. 그 후, 상기 인산계 자기조립단분자가 순철계 분말야금 본체의 표면과 열린 기공의 내면에 화학결합되도록 1시간 이상 상온에 방치하였다. 상기 코팅액이 코팅된 분말야금 본체는 100℃의 진공오븐에 넣어 1시간 이상 건조하여 부식 방지층을 형성하였다.
실시예 2에서 부식 방지층은 alkyl PA로 형성하였다. 상기 부식 방지층은 alkyl PA를 사용한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 코팅하였다. 상기 외부 보호층은 수지 물질인 PDMS와 금속 입자인 Zn 금속 나노 입자가 혼합된 복합 수지 용액을 코팅하여 형성하였다. 상기 복합 수지 용액은 폴리머 수지인 PDMS와 금속 입자인 Zn 금속 나노 입자를 혼합하고 용매에 용해하여 제조하였다. 상기 복합 수지 용액에 부식 방지층이 형성된 분말 야금 본체를 침지시킨 후에 음압을 인가하고 초음파 분산기를 이용하여 30분 이상 처리하여, 부식 방지층의 표면에 복합 수지 용액을 코팅하였다. 상기 복합 수지 용액이 코팅된 분말야금 본체는 100℃의 진공 오븐에 넣어 1시간 이상 건조하여 외부 보호층을 형성하였다.
[실시예 1에 대한 부식성 평가 1]
실시예 1에 따른 분말야금 제품은 부식 방지층이 형성되지 않는 분말야금 제품과 내부식성을 비교 평가하였다. 상기 내부식성의 비교 평가는 두 제품을 습도 100%, 온도 35℃인 챔버에 넣고 24시간동안 유지한 후에 녹 발생 여부를 비교하는 방식으로 진행하였다.
실시예 1의 분말야금 제품은, 도 3의 (a)에서 보는 바와 같이, 부식성 평가 조건에 노출된 후에도 표면에 녹이 발생되지 않은 것을 확인할 수 있다. 그러나, 상기 부식 방지층이 형성되지 않은 분말야금 제품은, 도3의 (b)에서 보는 바와 같이, 부식성 평가 조건에 노출된 후에 표면에 녹이 발생한 것을 확인할 수 있다.
[실시예 1에 대한 부식성 평가 2]
상기 내부식성의 비교 평가는 두 제품을 염분 5% 용액에 디핑하고 용액을 스터링하면서 4시간을 유지한 후에 녹 발생 여부를 비교하는 방식으로 진행하였다.
실시예 1의 분말야금 제품은, 도 4의 (a)에서 보는 바와 같이, 표면에 녹이 발생되지 않은 것을 확인할 수 있다. 그러나, 상기 부식 방지층이 형성되지 않은 분말야금 제품은, 도4의 (b)에서 보는 바와 같이, 표면에 녹이 발생한 것을 확인할 수 있다.
[실시예 1에 대한 부식성 평가 3]
상기 내부식성의 비교 평가는 스테인레스 스틸계 분말야금 제품에 대하여 진행하였다. 상기 내부식성의 비교 평가는 두 제품을 염분 5% 용액에 디핑하고 용액을 스터링하면서 4시간을 유지한 후에 녹 발생 여부를 비교하는 방식으로 진행하였다.
실시예 1의 분말야금 제품은, 도 5의 (a)에서 보는 바와 같이, 표면에 녹이 발생되지 않은 것을 확인할 수 있다. 그러나, 상기 부식 방지층이 형성되지 않은 분말야금 제품은, 도5의 (b)에서 보는 바와 같이, 표면에 녹이 발생한 것을 확인할 수 있다.
[실시예 1에 대한 소수성 평가]
소수성 평가는 제품을 부식 조건에 노출시키기 전후의 접촉각 변화로 평가하였다. 소수성 평가는 부식성 평가 3과 함께 진행되었다. 실시예 1의 분말야금 제품은 도 6의 (a)에서 보는 바와 같이 초기 접촉각이 100도였고, 부식성 평가 3후에 80도로 다소 감소되었으며, 물방울이 분말야금 본체의 내부로 투습되지 않는 것으로 확인되었다. 상기 부식 방지층이 형성되지 않는 분말야금 제품은, 도 6의 (b)에서 보는 바와 같이 초기 접촉각이 60도였고, 부식성 평가 3후에 30도로 대폭 감소되었으며, 소수성 처리가 되지 않아 물방울이 15초 이내에 분말야금 본체의 내부로 투습되는 것으로 확인되었다. 따라서, 실시예 1의 분말야금 제품은 소수성이 증가되는 것으로 평가되었다.
[실시예 2에 대한 부식성 평가 1]
상기 부식 방지층과 외부 보호층이 형성된 실시예 2의 분말야금 제품은 부식 방지층이 형성되지 않는 분말야금 제품과 내부식성을 비교 평가하였다. 상기 내부식성의 비교 평가는 염분 5%인 염수 용액에 디핑하고 염수 용액을 스터링하면서 24시간동안 유지한 후에 녹 발생 여부를 비교하는 방식으로 진행하였다.
실시예 2의 분말야금 제품은, 도 7의 (a)에서 보는 바와 같이, 부식성 평가 조건에 노출된 후에도 표면에 녹이 발생되지 않은 것을 확인할 수 있다. 그러나, 상기 부식 방지층과 외부 보호층이 분말야금 제품은, 도7의 (b)에서 보는 바와 같이, 부식성 평가 조건에 노출된 후에 표면에 녹이 발생한 것을 확인할 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 부식 방지층을 구비하는 분말야금 제품을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100: 분말야금 제품
110: 분말야금 본체 110a: 열린 기공
110b: 닫힌 기공 120: 부식 방지층
130: 외부 보호층

Claims (17)

  1. 분말야금 본체와,
    상기 분말야금 본체의 표면과 열린 기공의 내면에 코팅되는 내부식성의 부식 방지층 및
    상기 부식 방지층의 표면에 형성되는 외부 보호층을 포함하며,
    상기 외부 보호층은 수지 물질에 금속 나노 입자가 임베디드되어 형성되며,
    상기 부식 방지층은 HPO3-[CF2]n-CF3 또는 HPO3-[CH2]n-CH3 (여기서, n은 4 ~25이다.)으로 표시되는 인산계 화합물을 포함하며,
    상기 부식 방지층은 상기 인산계 화합물의 인산기가 상기 분말야금 본체의 표면과 열린 기공의 내면에 존재하는 수산화기(-OH)와 자기 결합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 부식 방지층을 구비하는 분말 야금 제품.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 부식 방지층은 Octadecylphosphonic acid (OD-PA) 또는 (1H,1H,2H,2H-heptadecafluorodec-1-yl) phosphonic acid (HDF-PA)을 포함하는 것을 특징으로 하는 부식 방지층을 구비하는 분말야금 제품.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 부식 방지층은 상기 인산계 화합물이 에탄올을 포함하는 알코올 용매에 0.1 ∼ 10mM의 농도로 용해된 코팅액이 코팅되어 형성되는 것을 특징으로 하는 부식 방지층을 구비하는 분말야금 제품.
  6. 분말야금 본체와,
    상기 분말야금 본체의 표면과 열린 기공의 내면에 코팅되는 내부식성의 부식 방지층 및
    상기 부식 방지층의 표면에 형성되는 외부 보호층을 포함하며,
    상기 외부 보호층은 수지 물질에 금속 나노 입자가 임베디드되어 형성되며,
    상기 부식 방지층은 3Cl-Si-[CF2]n-CF3 또는 3Cl-Si-[CH2]n-CH3(여기서, n은 4~25이다.)으로 표시되는 실란계 화합물을 포함하며,
    상기 부식 방지층은 상기 실란계 화합물의 실란기가 상기 분말야금 본체의 표면에 존재하는 수산화기(-OH)와 자기 결합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 부식 방지층을 구비하는 분말야금 제품.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 부식 방지층은 (heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl) trichlorosilane (HDF-S)을 포함하는 것을 특징으로 하는 부식 방지층을 구비하는 분말야금 제품.
  8. 삭제
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 부식 방지층은 상기 실란계 화합물이 무수톨루엔 또는 무수헥산을 포함하는 유기 용매에 0.1 ∼ 10mM의 농도로 용해된 코팅액이 코팅되어 형성되는 것을 특징으로 하는 부식 방지층을 구비하는 분말야금 제품.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 부식 방지층은 Tetramethyl orthosilicate(Si(OCH3)4), Alkyltrimethoxysilane(R2-Si(OCH3)2), Tetraethyl orthosilicate(Si(OC2H5)4), Alkyltriethoxysilane(R-Si(OC2H5)3), 또는 Alkyldiethoxysilane(R2-Si(OC2H5)2)에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 부식 방지층을 구비하는 분말야금 제품.
  11. 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 부식 방지층은 0.1nm ~ 30㎛의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 부식 방지층을 구비하는 분말야금 제품.
  12. 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 부식 방지층은 1nm ~ 1㎛의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 부식 방지층을 구비하는 분말야금 제품.
  13. 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 부식 방지층은 디핑 방식 또는 스프레이 방식에 의하여 코팅되는 것을 특징으로 하는 부식 방지층을 구비하는 분말야금 제품.
  14. 분말야금 본체 및
    상기 분말야금 본체의 표면과 열린 기공의 내면에 코팅되는 내부식성의 부식 방지층을 포함하며,
    상기 부식 방지층은 디핑 방식으로 코팅될 때, 인산계 화합물 또는 실란계 화합물을 포함하는 코팅액에 분말야금 본체가 침지되고 음압이 인가되어 형성되는 것을 특징으로 하는 부식 방지층을 구비하는 분말야금 제품.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 코팅액에 상기 분말야금 본체가 침지된 후 초음파가 인가되는 것을 특징으로 하는 부식 방지층을 구비하는 분말야금 제품.
  16. 삭제
  17. 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 수지 물질은 실리콘계 수지, 에폭시계 수지, 아미노계 수지, 페놀계 수지, 폴리에스테르계 수지, 우레탄계 수지 또는 아크릴계 수지로 형성되며, 상기 금속 나노 입자는 마그네슘, 알루미늄 또는 아연으로 형성되는 것을 특징으로 부식 방지층을 구비하는 분말야금 제품.
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