KR102377564B1 - 대기압 플라즈마를 이용한 알루미늄 표면의 처리방법 및 이에 의해 처리된 알루미늄을 포함하는 본디드 피스톤씰 - Google Patents

대기압 플라즈마를 이용한 알루미늄 표면의 처리방법 및 이에 의해 처리된 알루미늄을 포함하는 본디드 피스톤씰 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알루미늄의 표면의 일부에 대기압 플라즈마를 처리하는 단계(S1); 및 상기 대기압 플라즈마가 처리된 표면의 일부에 접착제를 도포하는 단계(S2); 및 상기 접착제를 건조하는 단계(S3)를 포함하는, 대기압 플라즈마를 이용한 본디드 피스톤씰용 알루미늄 표면 처리 방법과, 상기 표면 처리된 알루미늄을 포함하는 본디드 피스톤씰을 제공한다.

Description

대기압 플라즈마를 이용한 알루미늄 표면의 처리방법 및 이에 의해 처리된 알루미늄을 포함하는 본디드 피스톤씰 {Method for treating aluminum surface using atmospheric plasma and Bonded piston seal comprising aluminum treated thereby}
본 발명은 대기압 플라즈마를 이용한 알루미늄 표면의 처리 방법 및 이에 의해 처리된 알루미늄을 포함하는 본디드 피스톤씰에 관한 것이다.
종래의 피스톤씰은 고무립과 철(Fe)로 구성된 철계 금속 보강링을 일체로 조합한 링 형상으로, 하우징의 내벽과 접하는 부위에 배치하여 작동유가 외부로 새어나가지 않도록 밀봉하는 장치이며, 피스톤의 작동 유압과 리턴 스프링(return spring)에 의해 피스톤 왕복 운동을 전달하는 장치로 자동차 등 광범위한 분야에 사용되고 있다.
이와 같은 피스톤씰은 제조 과정 중에서 상기 고무립과 상기 금속 보강링의 접착성을 높이기 위하여 상기 금속 보강랑의 표면에 부착된 유지분을 제거하는 탈지 작업을 실시한 다음 인산염 피막(Phosphating)을 형성하게 되는데, 이때 인산염 피막이 형성된 표면에 접착제가 도포된다. 접착제가 도포된 상기 금속 보강링은 다음 공정에서 상기 고무립과 일체화되는 공정을 거쳐 피스톤씰이 제조된다.
이때 피스톤씰의 상기 금속 보강링과 상기 고무립을 가류시키는 공정 과정에서 접착 불량이 발생하면 완성된 피스톤씰이 작동 유압과 리턴 스프링의 물리적인 힘으로 상기 금속 보강링과 상기 고무립이 분리되어 파손될 수 있다. 그러면 피스톤의 오일이 손실되어 하우징 내의 압력이 저하되고 그로 인해 자동차의 변속 기능에 치명적인 결함이 발생할 수 있으며, 연료 소비가 증가하는 등의 문제점을 야기시킨다.
최근에는 연비 향상을 위한 자동차 경량화의 요구에 따라 알루미늄으로 제조된 금속 보강링에 홈을 가공하고, D-링 형태의 고무링을 조립한 형태의 피스톤씰로 사용하고 있다.
그러나 이러한 종래 기술은 상기 홈을 가공함과 더불어 복잡한 조립 공정을 거치기 때문에 고무립을 금속 보강링에 접착시키는 피스톤씰보다 가격 경쟁력이 떨어질 뿐만 아니라, 코킹(Cocking. 작동유압이 불균일하게 유입됨으로 인해 발생하는 피스톤씰의 이상 동작) 현상으로 인해 조립된 D-링이 홈에서 이탈되면서 피스톤씰이 파손되어 자동차의 변속 기능에 치명적인 결함을 발생시키는 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제1606567호
본 발명은 상기 종래 기술상의 요구를 충족할 수 있는 본디드 피스톤씰의 제조에 응용될 수 있는 알루미늄 및 고무의 접착 방법을 개발하고자 연구한 결과, 플라즈마를 이용할 경우 접착성이 향상될 수 있다는 것을 확인하였으므로, 이에 대기압 플라즈마를 이용한 접착성이 향상된 본디드 피스톤씰용 알루미늄의 표면 처리 방법을 제공하고자 한다.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명자들은 알루미늄의 표면의 일부에 대기압 플라즈마를 처리하는 단계(S1); 및 상기 대기압 플라즈마가 처리된 표면의 일부에 접착제를 도포하는 단계(S2); 및 상기 접착제를 건조하는 단계(S3)를 포함하는, 대기압 플라즈마를 이용한 본디드 피스톤씰용 알루미늄 표면 처리 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 알루미늄과 고무가 접착되어 있는 본디드 피스톤 씰로서,
상기 알루미늄 상에 고무의 가류를 통해 접착된 것이고,
상기 알루미늄은, 고무의 가류 전에 표면의 일부가 대기압 플라즈마로 처리된 후, 접착제를 도포하여 표면 처리된 것을 특징으로 하는, 본디드 피스톤 씰을 제공한다.
본 발명에 따른 대기압 플라즈마를 이용한 알루미늄 표면 처리 방법은, 종래 공정이 알루미늄 탈지, 수세 및 Al 피막 공정을 거치면서 발생하는 폐수에 의한 환경 오염 위험성과, 시설 확충에 따른 비용이 필수적이었던 것과 다르게, 폐수가 발생하지 않으며, 외관 손상이 방지될 수 있는 장점이 있다.
상기 표면 처리 방법에 의해 접착력이 향상된 알루미늄을 통해 제조된 본디드 피스톤씰은 경량화되어 엔진의 응답속도를 향상시키고 연비를 개선할 수 있으며, 종래 고무링을 조립하는 제조방법과 비교하여 높은 가격 경쟁력을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 본디드 피스톤씰의 제조방법을 모식화하여 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 표면 처리 방법의 예시를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 방법에 의해 표면 처리된 알루미늄을 이용하여 제조된 본디드 피스톤씰을 나타낸 것이다.
본 발명은 상술한 종래 기술상의 필요성을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 대기압 플라즈마를 이용하여, 알루미늄 표면과 상기 표면에 접착하고자 하는 소재 사이의 접착성을 향상시킬 수 있는 본디드 피스톤씰용 알루미늄의 표면 처리 방법을 개발하였다.
보다 상세하게, 본 발명은 알루미늄의 표면의 일부에 대기압 플라즈마를 처리하는 단계(S1); 및 상기 대기압 플라즈마가 처리된 표면의 일부에 접착제를 도포하는 단계(S2); 및 상기 접착제를 건조하는 단계(S3)를 포함하는, 대기압 플라즈마를 이용한 본디드 피스톤씰용 알루미늄 표면 처리 방법을 제공한다.
종래 알루미늄 소재를 접착하고자 하는 소재와 접착시키기 위해서, 알루미늄 표면에서 산화막이나 가공유 등의 접착성을 저하시키는 인자를 제거하는 세정 공정이 필수적으로 포함되었다. 그러나 상기와 같은 세정 공정은 투자비가 상당히 크고, 설치 면적도 확보되어야 하며, 폐수가 발생하는 문제가 있다. 상기 접착하고자 하는 소재는 고무 소재 등일 수 있으나 이에 제한되지는 않는다.
이에 본 발명은 공정 간소화와 고무-알루미늄 접착성을 향상시킬 수 있도록 접착제 도포 전 대기압 플라즈마를 이용하여 전처리하는 S1 단계를 통해 표면의 접착성을 향상시키는 것이다.
상기 대기압 플라즈마는 대기압 플라즈마를 이용하여 수행될 수 있고, 50 내지 1800 watt의 출력을 갖는 플라즈마 기기로 수행될 수 있다. 상기 플라즈마 처리는 알루미늄 표면과 0.5 내지 3cm 간격으로 1 내지 20초 동안 플라즈마를 분사하여 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 접착제는 실란 3 내지 10 중량%, 에탄올 5 내지 15 중량% 및 잔부의 물을 포함하는 것일 수 있다. 상기 구성의 접착제는 에틸렌 아크릴 고무와 접착될 때 우수한 접착성을 보인다.
이와 같이, 본원 발명은 알루미늄과 고무가 접착되어 있는 본디드 피스톤 씰로서,
상기 알루미늄 상에 고무의 가류를 통해 접착된 것이고,
상기 알루미늄은, 고무의 가류 전에 표면의 일부가 대기압 플라즈마로 처리된 후, 접착제를 도포하여 표면 처리된 것을 특징으로 하는, 본디드 피스톤 씰을 제공할 수 있다.
상기 고무는 아크릴고무(ACM) 및 에틸렌아크릴고무(AEM) 중에서 하나 이상일 수 있다.
상기 가류는 고무 프리폼을 포함하는 금형 내에 알루미늄을 넣은 후 열처리하여 수행되는 것이다.
예시로서, 상기 고무 프리폼은, 고무, 충진제, 노화방지제, 가공 조제, 이형제, 경화 및 가교를 위한 첨가제 및 촉매제 중 적어도 하나 이상을 혼합하여 배합 고무를 생성하는 배합 단계, 상기 배합 고무를 롤(roll)에 투입하여 2 내지 10 분 동안에 압착 및 롤링하는 롤링(rolling) 단계 및 롤링된 상기 배합 고무를 여러 형태로 절단하여 상기 고무 프리폼을 성형하는 절단 단계를 포함하는 방법으로 제조될 수 있다.
상기 가류는 알루미늄 및 상기 고무 프리폼을 1 내지 6 분의 시간 동안에 160 내지 215 ℃ 온도로 가류하여 접착시켜, 고무를 알루미늄에 결합 및 형성하는 방법에 의해 수행될 수 있다. 상기 가류가 완료되면 성형된 피스톤씰을 배출하여 피스톤씰을 완성할 수 있다.
이하 본 발명의 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1. 알루미늄 표면의 세정
일반적으로 자동차에 사용되는 알루미늄 제품은 다이케스팅 사출 후 치수가 필요한 부분을 가공하여 사용한다. 알루미늄 가공 시 일반적으로 가공유가 가 사용되며 가공 후 칩, 가공유, 기타 이물질 제거를 위해 세척공정이 일반적으로 이루어진다. 세척액의 주 성분은 파라핀정제유, 약간의 산 성분을 물에 희석하여 사용한다.
다이케스팅 제품은 이러한 세척이 완료된 상태로 입고되며, 당사에 사용되는 씰 류 제품은 원형이므로 회전판에 장착 후 알루미늄 제품을 10~200 rpm으로 회전시키면서 플라즈마를 표면과 0.5~3cm 간격으로, 1~20초 알루미늄 표면에 분사하여, 표면에 있는 유기물을 제거하고 알루미늄 표면을 접착에 유리한 조건으로 활성화시킨다. 속도와 간격, 분사 시간 등은 조건에 따라 달라질 수 있다.
실시예 2. 표면 처리된 알루미늄과 고무의 접착성 확인
상기 실시예 1에서 표면처리된 알루미늄에 접착제로 실란계 접착제를 1:1~6의 농도로 증류수에 희석하여 균일하게 스프레이, 디핑, 브러싱 공법으로 도포한 후, 100~150℃, 5~30분 가열하여 건조해주었다.
건조가 완료되면 고무 소재로 AEM 고무를 이용하여 접착을 수행해주었다.
실시예 3. 알루미늄 본디드 피스톤씰 표면의 세정 및 고무의 접착성 확인
도 1은 본 발명에 따른 피스톤씰의 제조 방법에 대한 순서도이다. 도 1을 참조하면, 본발명에 따른 피스톤씰의 제조방법은 다이캐스트 주조법에 의해 성형된 원형의 금속 보강링을 생성하는 금속 보강링 성형 단계 고무 프리폼을 접착시키기 위해 성형된 상기 금속 보강링의 표면을 전처리하는 전처리 단계, 고무 혼합물을 이용하여 상기 고무프리폼을 제조하는 프리폼 제조 단계 및 상기 금속 보강링 및 상기 고무 프리폼을 접착시켜 결합하고 고무립을 형성하는 가류 성형 단계를 포함할 수 있다.본 발명에 따른 피스톤씰의 제조 방법 중에 전처리 단계에서는 도 2를 참조하면, 상기 실시예 1과 같이 피스톤씰 제품을 회전판에 장착 후 알루미늄 제품을 10~200 rpm으로 회전시키면서 플라즈마를 표면과 0.5~3cm 간격으로, 1~20초 알루미늄 표면에 분사하여, 표면에 있는 유기물을 제거하고 알루미늄 표면을 접착에 유리한 조건으로 활성화시킨다.
상기 실시예 2과 같이 표면처리된 알루미늄 피스톤씰에 접착제로 실란계 접착제를 1:1~6의 농도로 증류수에 희석하여 균일하게 스프레이, 디핑, 브러싱 공법으로 도포한 후, 100~150℃, 5~30분 가열하여 건조해주었다.
건조가 완료되면 고무 소재로 AEM 고무 프리폼을 이용하여 접착을 수행해주었다. 먼저 상기 프리폼을 가류 금형 내에 투입하고, 상기와 같이 표면 처리된 금속 링을 금형에 투입하여 1~6분의 시간 동안 160~215℃의 온도로 가류를 수행하여, 전처리된 피스톤씰 위에 고무를 접착시켜주었다. 제조된 본디드 피스톤씰은 도 3에 나타내었다.이러한 피스톤씰의 제조 방법에 의해 피스톤씰이 구비된 자동차는, 경량화된 피스톤씰을 제공으로 응답 속도를 향상시키고, 연비 개선의 효과를 가질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 피스톤씰의 제조 방법은 종래의 피스톤씰 제조방법인 알루미늄으로 제조된 금속 보강링에 홈을 가공하고, D-링 형태의 고무링을 조립하는 제조방법에 비해 높은 가격 경쟁력을 확보할 수 있다.
본 발명의 몇 가지 실시형태를 설명했지만, 이들 실시형태는 예로서 제시한 것으로, 발명의 범위를 한정하려는 의도는 없다. 이들 신규의 실시형태는 그 밖의 다른 여러 형태로 실시되는 것이 가능하고, 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 여러 가지 생략, 치환, 변경을 실시할 수 있다. 이들 실시형태나 그 변경은 발명의 범위나 요지에 포함되고, 특허청구범위에 기재된 발명과 그 균등한 범위에 포함된다. 이상에서 본 발명의 알루미늄의 표면 처리 방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
따라서, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.

Claims (8)

  1. 대기압 플라즈마를 이용한 본디드 피스톤씰용 알루미늄 표면 처리 방법으로서,
    알루미늄의 표면의 일부에 대기압 플라즈마를 처리하는 단계(S1); 상기 대기압 플라즈마가 처리된 표면의 일부에 접착제를 도포하는 단계(S2); 및 상기 접착제를 건조하는 단계(S3)를 포함하고,
    상기 S1 단계의 플라즈마 처리는 50 내지 1800 watt의 출력을 갖는 플라즈마 기기로 수행되는 것이며, 알루미늄 표면과 0.5 내지 3cm 간격으로 1 내지 20초 동안 플라즈마를 분사하여 수행되는 것이고,
    상기 접착제는 실란 3 내지 10 중량%, 에탄올 5 내지 15 중량% 및 잔부의 물을 포함하는 것이며,
    상기 본디드 피스톤씰은 알루미늄과 고무가 접착된 것으로, 상기 고무는 아크릴고무(acrylic elastomers) 및 에틸렌아크릴고무(ethylene acrylic elastomers) 중에서 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 대기압 플라즈마를 이용한 본디드 피스톤씰용 알루미늄 표면 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 S1 단계는 플라즈마 건에 의해 플라즈마가 처리되는 것을 특징으로 하는, 대기압 플라즈마를 이용한 본디드 피스톤씰용 알루미늄 표면 처리 방법.
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  6. 알루미늄과 고무가 접착되어 있는 본디드 피스톤씰로서,
    상기 알루미늄 상에 고무의 가류를 통해 접착된 것이고,
    상기 알루미늄은, 고무의 가류 전에 표면의 일부가 대기압 플라즈마로 처리된 후, 접착제를 도포하여 표면 처리된 것이며,
    상기 대기압 플라즈마 처리는 50 내지 1800 watt의 출력을 갖는 플라즈마 기기로 수행되는 것이며, 알루미늄 표면과 0.5 내지 3cm 간격으로 1 내지 20초 동안 플라즈마를 분사하여 수행되는 것이고,
    상기 접착제는 실란 3 내지 10 중량%, 에탄올 5 내지 15 중량% 및 잔부의 물을 포함하는 것이며,
    상기 고무는 아크릴고무(acrylic elastomers) 및 에틸렌아크릴고무(ethylene acrylic elastomers) 중에서 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 본디드 피스톤씰.
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