KR102213104B1 - 열처리중 생성되는 알루미늄 합금의 스케일링을 제거하는 스케일링 세정제 및 이를 이용한 알루미늄 합금의 열처리 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 증류수 80~88중량%, 뷰티르산,팔미트산, 및 타타르산 중 적어도 하나를 포함하는 유기산 5~10 중량%, 산화물염으로 이루어지는 촉진제 0.1~10중량%를 포함하는, 열처리중 생성되는 알루미늄 합금의 스케일링을 제거하는 스케일링 세정제 및 이를 이용한 알루미늄 합금의 열처리 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은, 열처리중 생성되는 알루미늄 합금의 스케일링을 제거하는 스케일링 세정제 및 이를 이용한 알루미늄 합금의 열처리 방법에 관한 것이다.
금속의 가공 상에 있어서 열처리 가공은 금속의 표면 경도 및 강도, 연신율, 등의 물리적 성질을 개선하거나 두께, 형태, 등을 변형시키기 위하여 실행하는 가공 공정이다.
일반적으로 금속의 열처리 가공에는 표면에 스케일이 형성되고, 이 스케일은 후속 공정으로의 진행 전 표면에 형성된 스케일을 제거해야만 후속 공정에 문제(불량)가 발생하지 않는데 이때 사용되는 방법으로는 물리적인 처리와 화학적인 처리 방법이 사용된다.
금속 표면의 스케일 및 산화물(녹)을 제거하는 방법 중 물리적인 처리 방법에는 쇼트 및 샌드 블라스트 방식이 대표적이고 시설비 및 유지관리비용이 많이 들지만 처리 시간이 빠르고, 공정이 간단한 장점으로 현장에서 쉽게 적용하고 많이 사용하는 방법이며, 화학적 방법으로는 산 세정(피클링)이 대표적이며, 물리적 방법에 비해 시설비는 저렴하나 산성 약품을 사용하여 환경 및 작업장의 규제가 심하고, 공정관리에 전문성이 필요한 단점이 있으나 자동화 라인 및 대량의 물량을 처리할 수 있는 장점이 있다.
산세정(피클링)의 목적은 금속 표면의 손상 및 부식을 최소화하는 동시에 표면에 불필요하게 형성된 스케일을 최대한 빠른 속도로 제거하는 것이나 스케일의 제거 기전은 화학적 반응에 의한 기전으로 상기의 두 가지 목적을 동시에 만족하기는 힘들다.
알루미늄 및 그 합금은 다른 금속에 비해 산에 강하고, 알칼리에 취약하여 강력한 화학연마에는 강알칼리 베이스의 처리제를 사용하고 있으나, 열처리 가공에서 형성된 스케일의 경우 그 두께가 0.05 ~ 0.5 ㎛로 얇아 강알칼리 화학연마 시 제거되는 30 ~ 500 ㎛로는 약품 및 공정의 제어가 힘들어 산성의 화학연마를 통한 산 세정(피클링)을 실시한다.
일반적으로 알루미늄 및 그 합금의 산 세정(피클링)에 사용되는 물질은 무기 산 종류인 불화수소산 또는 질산과 불화수소산의 혼산(1:1)을 사용하였으나, 불화수소산의 위험도 및 규제가 강화되면서 고농도의 질산 또는 질산과 황산의 혼산(1:1~2:1 ro 1:2)을 사용하고 있는 추세이며, 처리시간을 늘리고 조금 더 안전한 질산과 인산의 혼산(1:1~1:5)을 사용하기도 한다.
하지만, 이러한 질산이나 황산은 성질 자체가 강산이므로 작업 중 사고의 위험이 매우 높을 뿐 아니라, 최종 처리 한 후 강산 물질에 대한 처리 비용이 올라가는 문제점이 있다.
이에 본 발명은, 강산인 질산이나 불화수소산을 포함하지 않고 약산 물질을 포함하여 사용성과 안정성을 높이면서도, 충분한 열처리 스케일링에 대한 처리 효과를 보이는, 열처리중 생성되는 알루미늄 합금의 스케일링을 제거하는 스케일링 세정제 및 이를 이용한 알루미늄 합금의 열처리 방법을 제공하기 위한 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 일실시예인 열처리중 생성되는 알루미늄 합금의 스케일링을 제거하는 스케일링 세정제는, 증류수 80~88중량%, 술폰산, ,뷰티르산,팔미트산, 및 타타르산 중 적어도 하나를 포함하는 유기산 5.0~10.0 중량%, 산화물염으로 이루어지는 촉진제 0.1~10.0중량%를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 촉진제는, 0.1~5.0중량%의 불화물염일 수 있다.
여기서, 상기 촉진제는, 5~10 중량%의 질산염일 수 있다.
여기서, 상기 열처리중 생성되는 알루미늄 합금의 스케일링을 제거하는 스케일링 세정제는, 제거된 스케일링이 상기 알루미늄 합금에 재부착되는 것을 방지하기 위하여 1.0~2.0 중량%의 킬레이트제를 더 포함할 수 있다.
여기서, 열처리중 생성되는 알루미늄 합금의 스케일링을 제거하는 스케일링 세정제는, 상기 알루미늄 합금에 대하여 균일한 반응이 발생하도록 1.0~3.0 중량%의 계면 활성제가 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예인 알루미늄 합금의 열처리 방법은, 알루미늄 합금에 대하여 열처리를 행하는 단계; 열처리된 상기 알루미늄 합금을 냉각시키는 단계; 냉각된 상기 알루미늄 합금에 대하여 산세정을 행하여 스케일링을 제거하는 스케일링 제거 단계; 및 스케일링이 제거된 상기 알루미늄 합금을 수세한 후 건조하는 단계를 포함하고, 상기 스케일링 제거 단계는, 상술한 스케일링 세정제에 상기 알루미늄 합금을 3~10분간 처리하는 단계를 포함할 수 있다.
상술한 구성을 가진 본 발명의 일실시예에 따르면, 질산과 불화수소산과 같은 강산을 사용하지 않고, 조성물 자체가 약산이므로, 초기 반응속도는 느려서 사용상 안정성이 우수하게 되지만, 낮은 초기 반응속도에도 알루미늄 및 그 합금 구조물의 표면을 손상시키지 않고 10분 이내의 처리시간으로도 충분한 열처리시 발생하는 스케일링을 제거하여서 현장에서 원하는 상태의 소재를 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실싱예에 따른 세정제는 약산이므로 인체 피부에 미치는 영향이 적은 제품으로 일상생활에서도 활용이 가능한 조성으로 보일러, 가로등 및 난간대 등의 금속 구조물의 스케일 및 산화물을 제거하는 것도 유용하게된다.
또한, 음이온 계면 활성제가 첨가되어 처리 중에는 본 소재를 직접 보호하여 알루미늄 및 그 합금 소재의 구조물 표면이 손상되지 않도록 작용하고, 처리 후에는 표면에 코팅 보호막을 형성하여 대기 중에 산소와 소재가 반응하는 것을 차단하여 구조물의 산화를 방지한다.
도 1은 본 발명의 일실시예와 비교예에 의해 산세정 전 및 산세정 후 알루미늄 합금의 표면 상태를 나타내는 이미지들.
도 2는 본 발명의 다른 실시예인 열처리중 생성되는 알루미늄 합금의 스케일링을 제거하는 스케일링 세정제를 이용한 알루미늄 합금의 열처리 방법을 설명하기 위한 순서도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예인 열처리중 생성되는 알루미늄 합금의 스케일링을 제거하는 스케일링 세정제를 이용한 알루미늄 합금의 열처리 방법을 설명하기 위한 순서도.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본원 발명을 한정하지 않는 실시 예를 통해 본원 발명을 보다 상세히 설명하며, 일부 도면에서 동일한 요소에 대해서는 동일한 부호를 부여한다.
본원 발명에 따른 열처리중 생성되는 알루미늄 합금의 스케일링을 제거하는 스케일링 세정제는 증류수, 유기산, 산화물염으로 이루어지는 촉진제, 및 킬레이트제, 그리고 계면 활성제를 포함하여 구성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본원 발명은 황산이나 질산과 같은 강산을 대신하여 산세정제로서 유기산을 사용한다. 유기산은 무기산을 대응하는 것으로서, 일반적으로 무기산보다 약한 산성을 띤다. 본 발명세서 유기산은 산세정제의 주원료로서 열처리 중 알루미늄 합금 프레이트의 표면에 형성되는 스케일링을 산세정을 통해 제거하는 주요성분이다. 본 발명에서 유기산은 5~10중량% 함유되게 되며, 5중량% 이하인 경우 산세정의 효과가 충분하지 않고, 10 중량% 이상인 경우 과반응을 일으키게 된다.
산화물염으로 이루어지는 촉진제는 0.1~10중량% 포함되게 된다. 산화물염은 옥시염이라고도 하는데, 염기성염 가운데 금속과 결합하고 있는 독립된 산소 원자(O2－라고 간주할 수 있는 것)를 갖고 있는 염을 말한다. 이와 같은 촉진제는 유기산과 알루미늄 합금의 스케일링과의 반응을 촉진하는 역할을 하며, 촉진제로서는, 불화물염 또는 질산염이 이용될 수 있다. 불화물염이 이용되는 경우 0.1~5.0중량%가 포함되게 되며, 질산염인 경우 5~10중량%가 포함되게 된다. 이러한 산화물 염으로서 질산 제 2 철(Iron(Ⅱ) nitrate)이 이용될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 열처리중 생성되는 알루미늄 합금의 스케일링을 제거하는 스케일링 세정제는 킬레이트제를 부가적으로 더 가질 수 있다.
킬레이트제는, 상기 유기산과 촉진제에 의해 대상물인 알루미늄 합금에서 분리된 스케일링이 알루미늄 합금에 재부착되는 것을 방지하는 기능을 한다. 이러한 킬레이트제는 위하여 1.0~2.0 중량% 포함될 수 있으며, 1.0 중량 % 이하로 포함되는 경우, 재부착 방지기능이 현저하게 저하되고, 2.0 중량% 이상인 경우, 타 성분의 성분비를 낮추어서 경제성이 떨어지는 문제점이 발생된다.
한편, 상기 유기산과 촉진제의 스케일링과의 균일한 반응을 유도하기 위하여, 본 발명에 따른 스케일링 세정제는 계면 활성제가 포함되게 된다. 계면활성제는 묽은 용액 속에서 계면에 흡착하여 그 표면장력을 감소시키는 물질이다. 보통 1분자 속에 친유기와 친수기가 함께 들어 있는 양쪽 친매성(親媒性)인 물질이다. 이러한 계면 활성제로서, 알킬벤젠설폰산염, 고급아민할로젠화물·제사암모늄염·알킬피리디늄염 등이 이용될 수 있다. 이러한 계면 활성제는, 1.0~3.0 중량% 포함되게 구성될 수 있다.
이러한 계면 활성제는, 방청기능을 향상시킬 수 있다. 계면 활성제 중 비이온 계면 활성제 또는 음이온 계면 활성제가 활용된다. 알루미늄 합금의 경우 상온 보관 또는 열처리 시 합금 표면에 산화알루미늄(Al2O3)이 형성된다. 그러나 피클링 작업 시 알루미늄 합금의 표면은 순수 알루미늄(Al2 +) 형성되어 계면활성제의 선택 시 양이온이 아닌 음이온 또는 비이온 계면활성제를 사용하는 것이 평활성과 방청성이 우수하게 된다.
이와 같은 구성을 가진 본 발명의 실시예와 강산을 사용하는 비교예를 도 1을 통해 보다 상세하게 설명하도록 한다.
| 원료명 | 비교예 | 제 1 실시예 | 제 2 실시예 | 비고 |
| 물 | 70 | 85 | 88 | |
| 질산 | 15 | 유독물 | ||
| 황산 | 15 | 유독물 | ||
| 유기산 | 10.0 | 5.0 | ||
| 킬레이트제 | 2.0 | 1.0 | ||
| 계면활성제 | 2.0 | 1.0 | ||
| 촉진제1(불화물염) | 1.0 | |||
| 촉진제 2(질산염) | 5.0 | |||
| 합계 | 100 | 100 | 100 |
비교예는 물 70 중량%, 질산 15 중량% 그리고 황산 15중량% 포함하는 종래의 산세정제로서, 강산이면서 유독물질인 질산과 황산을 다량 함유하고 있음을 확인할 수 있다.
본원 발명의 제 1 실시예는, 물 85 중량%, 유기산 10.0 중량%, 킬레이트제 2.0 중량%, 계면 활성제 2.0중량%, 촉진제로서 불화물염 1.0 중량%를 포함하고 있으며, 본원 발명의 제 2 실시예는 물 88 중량%, 유기산 5.0 중량%, 킬레이트제 1.0 중량%, 계면 활성제 1.0중량%, 촉진제로서 질산염 5.0 중량%를 포함한다.
한편 대상물인 알루미늄 합금은 밀도가 2.78g/㎤이고,길이가 150.0mm이고, 폭이 20.0mm, 두께가 1.6mm인 열처리된 알루미늄 합금이 열처리되는 상태를 나타내는 것이 도 1의 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 처리전에 검정색 스케일링이 있던 알루미늄 합금은 비교예 뿐 아니라 제 1 및 제 2 실시예에서 스케일링이 모두 제거된 것을 알 수 있다.
제 2 실시예는 비교예와 거의 동등하게 스케일링이 제거되었으며, 제 1 실시예는 비교예 보다 더 많은 반응이 일어나게 된 것을 나타내고 있다. 제거된 피막의 두께를 측정한바, 비교예는 0.25㎛의 두께의 피막이 제거되었고, 제 2 실시예는 이와 유사한 0.23㎛의 두께가 제거되었다. 그리고, 제 1 실시예에서는 0.95㎛의 피막이 제거됨을 확인할 수 있었다.
이와 같은 열처리중 생성되는 알루미늄 합금의 스케일링을 제거하는 스케일링 세정제를 이용한 알루미늄 합금의 열처리 방법은 도 2에 도시된 바와 같은 공정을 통해 스케일링 제거가 완료된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 우선 대상물이 알루미늄 합금에 대하여 열처리를 한 후(S1), 냉각을 진행한다(S2). 이 때 스케일링이 표면에 형성된다. 그 다음, 상술한 구성을 가진 세정제를 통하여 산세정(피클링)을 진행하게 된다(S3). 이 때 산세정 단계는 3~10분간 진행되면 족하다. 그 다음, 스케일링이 제거된 상기 알루미늄 합금을 수세한 후 건조하는 단계를 통해 스케일링 제거 공정이 완료된다.
상술한 구성을 가진 본 발명의 일실시예에 따르면, 질산과 불화수소산과 같은 강산을 사용하지 않고, 조성물 자체가 약산이므로, 초기 반응속도는 느려서 사용상 안정성이 우수하게 되지만, 낮은 초기 반응속도에도 알루미늄 및 그 합금 구조물의 표면을 손상시키지 않고 10분 이내의 처리시간으로도 충분한 열처리시 발생하는 스케일링을 제거하여서 현장에서 원하는 상태의 소재를 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실싱예에 따른 세정제는 약산이므로 인체 피부에 미치는 영향이 적은 제품으로 일상생활에서도 활용이 가능한 조성으로 보일러, 가로등 및 난간대 등의 금속 구조물의 스케일 및 산화물을 제거하는 것도 유용하게된다.
또한, 음이온 계면 활성제에 의해 열처리 중에는 본 소재를 직접 보호하여 알루미늄 및 그 합금 소재의 구조물 표면이 손상되지 않도록 작용하고, 처리 후에는 표면에 코팅 보호막을 형성하여 대기 중에 산소와 소재가 반응하는 것을 차단하여 구조물의 산화를 방지한다.
상기와 같이 설명된 열처리중 생성되는 알루미늄 합금의 스케일링을 제거하는 스케일링 세정제 및 이를 이용한 알루미늄 합금의 열처리 방법은 상기 설명된 실시 예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시 예들의 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
Claims (6)
- 증류수 80~88중량%, 술폰산, 뷰티르산, 팔미트산, 및 타타르산 중 적어도 하나를 포함하며 산세정 기능을 하는 유기산 5.0~10.0 중량%, 산화물염으로 이루어지는 촉진제 0.1~10.0중량%를 포함하여 알루미늄 및 그 합금 구조물의 표면을 손상시키지 않고 10분 이내의 처리시간으로도 충분한 열처리시 발생하는 스케일링을 제거할 수 있는, 열처리중 생성되는 알루미늄 합금의 스케일링을 제거하는 스케일링 세정제.
- 증류수 80~88중량%, 술폰산, 뷰티르산, 팔미트산, 및 타타르산 중 적어도 하나를 포함하며 산세정 기능을 하는 유기산 5.0~10.0 중량%, 불화물염으로 이루어지는 촉진제 0.1~5.0중량%를 포함하여 알루미늄 및 그 합금 구조물의 표면을 손상시키지 않고 10분 이내의 처리시간으로도 충분한 열처리시 발생하는 스케일링을 제거할 수 있는, 열처리중 생성되는 알루미늄 합금의 스케일링을 제거하는 스케일링 세정제.
- 증류수 80~88중량%, 술폰산, 뷰티르산, 팔미트산, 및 타타르산 중 적어도 하나를 포함하며 산세정 기능을 하는 유기산 5.0~10.0 중량%, 질산염으로 이루어지는 촉진제 5.0~10.0중량%를 포함하여 알루미늄 및 그 합금 구조물의 표면을 손상시키지 않고 10분 이내의 처리시간으로도 충분한 열처리시 발생하는 스케일링을 제거할 수 있는, 열처리중 생성되는 알루미늄 합금의 스케일링을 제거하는 스케일링 세정제.
- 제 1 항에 있어서,
제거된 스케일링이 상기 알루미늄 합금에 재부착되는 것을 방지하기 위하여 1.0~2.0 중량%의 킬레이트제를 더 포함하는, 열처리중 생성되는 알루미늄 합금의 스케일링을 제거하는 스케일링 세정제.
- 제 1 항에 있어서,
상기 알루미늄 합금에 대하여 균일한 반응이 발생하도록 1.0~3.0 중량%의 계면 활성제가 더 포함하는, 열처리중 생성되는 알루미늄 합금의 스케일링을 제거하는 스케일링 세정제.
- 알루미늄 합금에 대하여 열처리를 행하는 단계;
열처리된 상기 알루미늄 합금을 냉각시키는 단계;
냉각된 상기 알루미늄 합금에 대하여 산세정을 행하여 스케일링을 제거하는 스케일링 제거 단계; 및
스케일링이 제거된 상기 알루미늄 합금을 수세한 후 건조하는 단계를 포함하고,
상기 스케일링 제거 단계는,
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한항에 기재된 스케일링 세정제에 상기 알루미늄 합금을 3~10분간 처리하는 단계를 포함하는, 알루미늄 합금의 열처리 방법.
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