KR20080052115A - 기능성 미립자를 이용한 크롬 도금 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제철, 제지, 섬유 등 다양한 분야에서 사용되는 산업용 롤(Roll), 제품을 성형하기 위한 프레스, 사출, 압출 등의 금형류, 부품 또는 제품의 가공 및 취급을 위해 산업적으로 사용되는 공구 등의 표면에 특수한 표면 처리를 수행하여 표면 특성을 향상시키는 것이다.
본 발명에서는 가혹한 환경에서의 고경도, 고내마모, 고내식, 고윤활성 특성이 요구되는 산업분야의 필요를 광범위하게 충족할 수 있게 하기 위하여 종래에 산업용으로 사용 중인 크롬도금액에 수 나노미터(Nanometer) ∼ 수백 나노미터(Nanometer) 정도의 고경도, 고내마모성 입자를 첨가하여 도금을 수행함으로써 산업용 롤, 금형, 공구 등의 소재 위에 구현된 도금 층 내에 이러한 입자가 공석되도록 하여 표면의 특성을 현저하게 향상시키는 방법을 제안하고자 한다.
산업용 롤, 금형, 공구, 나노, 다이아몬드, CBN, 탄소, 그라파이트, 크롬도금

Description

기능성 미립자를 이용한 크롬 도금 방법{The chromium plating methods using functional fine grains.}
도 1는 종래의 경질 크롬 도금 방법에 의해 구현된 크롬 도금 층의 도금면을 엣칭(Etching) 하여 200배 확대한 사진.
도 2는 본 발명에서 제안하는 바와 같이 경질 크롬 도금 용액에 다이아몬드 미립자를 첨가하여 도금 하는 방법으로 구현된 크롬 도금 층의 도금면을 엣칭(Etching) 하여 200배 확대한 사진.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 200배 확대된 크롬 도금 층
본 발명은 제철, 제지, 섬유 등 다양한 분야에서 사용되는 산업용 롤(Roll), 제품을 성형하기 위한 프레스, 사출, 압출 등의 금형류, 부품 또는 제품의 가공 및 취급을 위해 산업적으로 사용되는 공구 등의 표면에 특수한 표면 처리를 수행하여 표면 특성을 향상시키는 것이다.
열악한 환경에서 사용되는 산업용 롤, 금형, 공구 등의 경우 그 표면의 특성 에 따라 사용되는 용도 및 내구 수명에 많은 차이가 발생하는데, 표면 경도, 내마모성, 내식성, 표면 윤활성 등이 이러한 구분의 기준이 된다.
산업용 롤의 경우는 경도, 내마모성, 내식성, 표면 윤활성이 매우 중요한 특징을 가지고 있으며, 특히 제철 공정에 사용되는 경우에 열악한 표면특성에 의해 롤의 교체가 빈번하게 이루어질 경우 생산성에 치명적인 악영향을 미치게 되므로, 그 표면의 물리적 특성을 개선하여 그 교체주기를 연장하는 기술의 개발이 절실한 실정이다. 이러한 필요에 따라 산업용으로 사용되는 롤, 금형, 공구 등의 사용 수명을 증가시키기 위하여 종래에도 열처리, 이온 도금, 용사, 경질 크롬 도금 등이 대표적으로 사용되어 왔다.
그러나 이러한 종래 방법들의 경우 소재 표면의 마찰계수, 표면처리 두께, 내식성 등의 문제로 인하여 실제 산업 현장에서는 한정된 범위에서만 적용되고 있는 실정이다. 또한 종래의 경질 크롬 도금의 경우 표면의 이형성 자체는 우수하나 경도가 700 ∼ 1,000 Hv 수준으로, 극한 조건에서 사용될 경우 표면 내구성이 저하될 우려가 있다.
본 발명에서는 이러한 특성이 요구되는 산업분야의 필요를 광범위하게 충족할 수 있게 하기 위하여 종래에 산업용으로 사용 중인 크롬도금액에 수 나노미터(Nanometer) ∼ 수백 나노미터(Nanometer) 정도의 고경도, 고내마모성 입자를 첨가하여 도금을 수행함으로써 산업용 롤, 금형, 공구 등의 소재 위에 구현된 도금 층 내에 이러한 입자가 공석되도록 하여 표면의 특성을 현저하게 향상시키는 방법을 제안하고자 한다.
제철, 제지, 섬유 등의 산업에 사용되는 롤과 제품 프레스, 사출 제품 등의 성형을 위하여 사용되는 금형, 제품의 가공 및 기타 산업분야에서 사용되고 있는 공구류들은 그 표면 특성이 성능과 내구성에 막대한 영향을 끼치게 되며 특히 경도, 내마모성, 내식성 등이 이러한 범위에 해당된다.
이러한 산업용품의 표면에 필요한 물리적 특성을 부여할 경우, 그 자체의 성능의 향상은 물론 생산성 전반의 향상을 가져올 수 있으며, 그 중에서 사용 중 내구성을 개선시키는 것이 그 핵심이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은,
종래에 사용하던 크롬도금액에 수 나노미터 ∼ 수백 나노미터의 정도의 크기로 미립자화된 다이아몬드 입자를 첨가하여 표면의 경도 및 내마모성을 현저하게 향상시키는 것을 특징(제 1안)으로 하는 고경도, 고내마모, 고내식, 고윤활성 크롬도금 층의 구현 방법이다.
또한 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은,
종래에 사용하던 크롬도금액에 수 나노미터 ∼ 수백 나노미터의 정도의 크기로 미립자화된 CBN(Cubic Boron Nitride) 입자를 첨가하여 표면의 경도 및 내마모성을 현저하게 향상시키는 것을 특징(제 2안)으로 하는 고경도, 고내마모, 고내식, 고윤활성 크롬도금 층의 구현 방법이다.
또한, 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
종래에 사용하던 크롬도금액에 수 나노미터 ∼ 수백 나노미터의 정도의 크기 로 미립자화된 탄소와 그라파이트 입자의 혼합물을 첨가하여 표면의 경도 및 내마모성을 현저하게 향상시키는 것을 특징(제 3안)으로 하는 고경도, 고내마모, 고내식, 고윤활성 크롬도금 층의 구현 방법이다.
제 1안의 도금 조건은 크롬산 농도를 150 ∼ 300 g/Liter, 황산 농도를 1.5 ∼ 3 g/Liter, Atoteck 사의 HEEF 25 또는 이와 동등한 성능을 가진 첨가제 농도를 10 ∼ 30 g/Liter, 나노미터 크기로 미립자화된 다이아몬드를 2 ∼ 20 g/Liter로 하며, 작업 온도를 45 ∼ 60℃, 전류밀도를 0.4 ∼ 0.9 A/cm2, 도금 층의 두께를 10 ∼ 350 마이크로미터로 하는 것을 특징으로 한다.
제 2안의 도금 조건은 크롬산 농도를 150 ∼ 300 g/Liter, 황산 농도를 1.5 ∼ 3 g/Liter, Atoteck 사의 HEEF 25 또는 이와 동등한 성능을 가진 첨가제 농도를 10 ∼ 30 g/Liter, 미립자화된 CBN을 2 ∼ 20 g/Liter로 하며, 작업 온도를 45 ∼ 60℃, 전류밀도를 0.4 ∼ 0.9 A/cm2, 도금 층의 두께를 10 ∼ 350 마이크로미터로 하는 것을 특징으로 한다.
제 3안의 도금 조건은 크롬산 농도를 150 ∼ 300 g/Liter, 황산 농도를 1.5 ∼ 3 g/Liter, Atoteck 사의 HEEF 25 또는 이와 동등한 성능을 가진 첨가제 농도를 10 ∼ 30 g/Liter, 미립자화된 탄소와 그라파이트의 혼합물을 2 ∼ 20 g/Liter로 하며, 작업 온도를 45 ∼ 60℃, 전류밀도를 0.4 ∼ 0.9 A/cm2, 도금 층의 두께를 10 ∼ 350 마이크로미터로 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제시하는 도금 방법은 다음과 같은 방법으로 수행한다.
제 1안에서 제시하는 도금을 수행하기 위하여, 크롬산 농도를 150 ∼ 300 g/Liter, 황산 농도를 1.5 ∼ 3 g/Liter, Atoteck 사의 HEEF 25 또는 이와 동등한 성능을 가진 첨가제 농도를 10 ∼ 30 g/Liter의 크롬 도금액에 미립자화된 다이아몬드를 2 ∼ 20 g/Liter의 비율로 첨가한 후 나노미터 크기로 미립자화된 다이아몬드가 크롬도금액에 잘 섞이도록 교반하여준다. 도금 공정에서 일정 시간이 경과하면 도금액과의 비중 차에 의하여 다이아몬드 입자가 도금 탱크(Tank) 바닥에 침전되어 도금 층의 다이아몬드 입자 함유율이 낮아질 수 있으므로, 이러한 현상을 방지하기 위하여 지속적으로 교반한다.
이 때 도금액의 온도는 45 ∼ 60℃ 정도가 될 수 있도록 가열용 히터(Heater), 냉각장치를 비롯한 공정 중의 자동 온도 제어 시스템을 구축하며, 도금에 적용되는 전류밀도를 0.4 ∼ 0.9 A/cm2 로 하고, 도금 층의 두께는 사용되는 용도에 따라 10 ∼ 350 마이크로미터 정도 범위에서 조절한다.
제 2안에서 제시하는 도금을 수행하기 위하여, 크롬산 농도를 150 ∼ 300 g/Liter, 황산 농도를 1.5 ∼ 3 g/Liter, Atoteck 사의 HEEF 25 또는 이와 동등한 성능을 가진 첨가제 농도를 10 ∼ 30 g/Liter의 크롬 도금액에 미립자화된 CBN을 2 ∼ 20 g/Liter의 비율로 첨가한 후 미립자화된 CBN이 크롬 도금액에 잘 섞이도록 교반하여준다. 도금 공정에서 일정 시간이 경과하면 도금액과의 비중 차에 의하여 CBN입자가 도금 탱크(Tank) 바닥에 침전되어 도금 층의 다이아몬드 입자 함유율이 낮아질 수 있으므로, 이러한 현상을 방지하기 위하여 지속적으로 교반한다.
이 때 도금액의 온도는 45 ∼ 60℃ 정도가 될 수 있도록 가열용 히터(Heater), 냉각장치를 비롯한 공정 중의 자동 온도 제어 시스템을 구축하며, 도금에 적용되는 전류밀도를 0.4 ∼ 0.9 A/cm2 로 하고, 도금 층의 두께는 사용되는 용도에 따라 10 ∼ 350 마이크로미터 정도 범위에서 조절한다.
제 3안에서 제시하는 도금을 수행하기 위하여, 크롬산 농도를 150 ∼ 300 g/Liter, 황산 농도를 1.5 ∼ 3 g/Liter, Atoteck 사의 HEEF 25 또는 이와 동등한 성능을 가진 첨가제 농도를 10 ∼ 30 g/Liter의 크롬 도금액에 나노미터 크기로 미립자화된 탄소와 그라파이트의 혼합물을 2 ∼ 20 g/Liter의 비율로 첨가한 후 미립자화된 탄소와 그라파이트의 혼합물이 크롬 도금액에 잘 섞이도록 교반하여준다. 도금 공정에서 일정 시간이 경과하면 도금액과의 비중 차에 의하여 탄소와 그라파이트의 혼합물 입자가 도금 탱크(Tank) 바닥에 침전되어 도금 층의 다이아몬드 입자 함유율이 낮아질 수 있으므로, 이러한 현상을 방지하기 위하여 지속적으로 교반한다.
이 때 도금액의 온도는 45 ∼ 60℃ 정도가 될 수 있도록 가열용 히터(Heater), 냉각장치를 비롯한 공정 중의 자동 온도 제어 시스템을 구축하며, 도금에 적용되는 전류밀도를 0.4 ∼ 0.9 A/cm2 로 하고, 도금 층의 두께는 사용되는 용도에 따라 10 ∼ 350 마이크로미터 정도 범위에서 조절한다.
[실시예 1]
종래의 경질 크롬도금 층 피막 특성을 파악하기 위하여 다음과 같은 조건으로 크롬도금을 실시하였다.
가로, 세로 각각 100 밀리미터의 평판 시료위에 크롬산 농도를 250 g/Liter, 황산 농도를 2.5 g/Liter, Atoteck 사의 HEEF 25 또는 이와 동등한 성능을 가진 첨가제 농도를 20 g/Liter 로 하며, 작업 온도를 45 ∼ 60℃, 전류밀도를 0.4 ∼ 0.9 A/cm2, 도금 층의 두께를 10 마이크로미터로 하는 크롬 도금층을 구현 하여 피막의 경도 및 피막 층 구조를 분석하였다.
[실시예 2]
본 특허에서 제안하는 크롬도금층 피막 특성을 파악하기 위하여 다음과 같은 조건으로 크롬 도금을 실시하였다.
가로, 세로 각각 100 밀리미터의 평판 시료위에 크롬산 농도를 250 g/Liter, 황산 농도를 2.5 g/Liter, Atoteck 사의 HEEF 25 또는 이와 동등한 성능을 가진 첨가제 농도를 20 g/Liter 로 하며, 작업 온도를 45 ∼ 60℃, 전류밀도를 0.4 ∼ 0.9 A/cm2, 도금 층의 두께를 10 마아크로미터로 하는 크롬 도금층을 구현 하여 피막의 경도 및 피막 층 구조를 분석하였다. 이 때, 피막의 특성을 향상 시키기 위하여 나노다이아몬드를 5 g/Liter의 비율로 첨가하여 상시 교반 하면서 도금을 수행하고 그 피막의 경도 및 피막 층 구조를 분석하였다.
[비교예]
본 발명에서 제안하는 방법으로 수행된 도금 층의 특성을 파악하기 위하여 [ 실시예 1], [실시예 2]에 의해 도금을 실시하고 이들 도금 층으로부터 피막의 경도 및 피막 층 구조의 특성을 평가하였다.
도금 층 경도를 살펴보면, [실시예 1]과 같이 종래의 방법과 같이 도금한 경우 부위에 따라 700 ∼ 1,000 Hv 정도의 분포를 나타내었으나, [실시예 2]와 같이 본 발명에서 제시한 다이아몬드 미립자를 첨가하여 도금을 수행한 경우 1,200 ∼ 1,500 Hv 정도의 분포를 나타내어 표면 경도가 현저하게 개선됨을 알 수 있다.
도금 층 구조를 살펴보면, [실시예 1]과 같이 종래의 방법과 같이 도금한 경우 그 크랙(crack :균열)이 불균일하고 조대한 특징을 가지고 있으나, [실시예 2]와 같이 본 발명에서 제시한 다이아몬드 미립자를 첨가하여 도금을 수행한 경우 크랙이 균일하고 미세화되는 경향이 발생함을 알 수 있다. 이 때, 크롬 도금 층의 크랙이 균일하고 미세화되는 현상은 도금 층 응력이 분산되어 반복되는 피로응격에 대한 저항성이 커 짐은 물론 부식전류가 분산되어 내식성이 획기적으로 개선되는 것을 의미한다.
종래의 경질크롬도금 방법과 본 발명에서 제안하는 방법에 따라 도금을 수행하여 그 특성을 비교한 결과, 본 발명에서 제안하는 방법이 경도 뿐만 아니라 도금 층의 크랙 형상이 미세화됨에 따라 실제 도금되어 사용될 산업용 롤, 금형, 공구 등의 산업용 기기의 내구성을 향상시키게 됨을 알 수 있다.
이상에서 상술한 바와 같이 본 발명에서는, 제조업 전반에 걸쳐 많이 사용되는 산업용 롤, 제품의 성형을 위해 사용되는 금형, 일반 및 특수용 공구 등의 내구 성을 향상시키기 위하여 기존의 경질 크롬도금 용액에 수 나노미터 ∼ 수 백 나노미터 정도의 기능성 미립자를 첨가하여 형성된 크롬도금 층의 물리적 특성을 향상시키는 방법을 제안하였다. 아울러 비교 실험을 통하여 본 발명에서 제안한 방법이 종래의 경질크롬도금 방법에 비하여 우수한 표면 특성을 나타내고 있음을 증명하였다. 이러한 기술은 본 특허에서 언급된 롤, 금형, 공구 이외에도 고경도, 고내구성을 요구하는 산업분야에 다양하게 접목될 수 있다.

Claims (6)

  1. 제철, 제지, 섬유 등 다양한 분야에서 사용되는 산업용 롤(Roll), 제품을 성형하기 위한 프레스, 사출, 압출 등의 금형류, 부품 또는 제품의 가공 및 취급을 위해 산업적으로 사용되는 공구 등 산업적으로 널리 사용되고 있는 도구 및 제품에 내마모성이 우수한 표면 특성을 구현하도록 할 수 있게 하기 위하여
    종래에 사용하던 크롬도금액에 수 나노미터 ∼ 수 백 나노미터의 정도의 크기로 미립자화된 다이아몬드 입자를 첨가하여 표면의 경도 및 내마모성을 현저하게 향상시키는 것을 특징으로 하는 고경도, 고내마모, 고내식, 고윤활성 크롬도금 층의 구현 방법
  2. 제철, 제지, 섬유 등 다양한 분야에서 사용되는 산업용 롤(Roll), 제품을 성형하기 위한 프레스, 사출, 압출 등의 금형류, 부품 또는 제품의 가공 및 취급을 위해 산업적으로 사용되는 공구 등 산업적으로 널리 사용되고 있는 도구 및 제품에 내마모성이 우수한 표면 특성을 구현하도록 할 수 있게 하기 위하여
    종래에 사용하던 크롬도금액에 수 나노미터 ∼ 수 백 나노미터의 정도의 크기로 미립자화된 CBN 입자를 첨가하여 표면의 경도 및 내마모성을 현저하게 향상시키는 것을 특징으로 하는 고경도, 고내마모, 고내식, 고윤활성 크롬도금 층의 구현 방법
  3. 제철, 제지, 섬유 등 다양한 분야에서 사용되는 산업용 롤(Roll), 제품을 성형하기 위한 프레스, 사출, 압출 등의 금형류, 부품 또는 제품의 가공 및 취급을 위해 산업적으로 사용되는 공구 등 산업적으로 널리 사용되고 있는 도구 및 제품에 내마모성이 우수한 표면 특성을 구현하도록 할 수 있게 하기 위하여
    종래에 사용하던 크롬도금액에 수 나노미터 ∼ 수 백 나노미터의 정도의 크기로 미립자화된 탄소와 그라파이트 입자의 혼합물을 첨가하여 표면의 경도 및 내마모성을 현저하게 향상시키는 것을 특징으로 하는 고경도, 고내마모, 고내식, 고윤활성 크롬도금 층의 구현 방법
  4. 제 1항에 있어서,
    크롬산 농도를 150 ∼ 300 g/Liter, 황산 농도를 1.5 ∼ 3 g/Liter, Atoteck 사의 HEEF 25 또는 이와 동등한 성능을 가진 첨가제 농도를 10 ∼ 30 g/Liter, 나노미터 크기로 미립자화된 다이아몬드를 2 ∼ 20 g/Liter로 하며, 작업 온도를 45 ∼ 60℃, 전류밀도를 0.4 ∼ 0.9 A/cm2, 크롬 도금 층의 두께를 10 ∼ 350 마이크로미터로 하는 것을 특징으로하는 고경도, 고내마모, 고내식, 고윤활성 층의 구현 방법
  5. 제 2항에 있어서,
    크롬산 농도를 150 ∼ 300 g/Liter, 황산 농도를 1.5 ∼ 3 g/Liter, Atoteck 사의 HEEF 25 또는 이와 동등한 성능을 가진 첨가제 농도를 10 ∼ 30 g/Liter, 나노미터 크기로 미립자화된 CBN을 2 ∼ 20 g/Liter로 하며, 작업 온도를 45 ∼ 60℃, 전류밀도를 0.4 ∼ 0.9 A/cm2, 크롬 도금 층의 두께를 10 ∼ 350 마이크로미터로 하는 것을 특징으로하는 고경도, 고내마모, 고내식, 고윤활성 층의 구현 방법
  6. 제 3항에 있어서,
    크롬산 농도를 150 ∼ 300 g/Liter, 황산 농도를 1.5 ∼ 3 g/Liter, Atoteck 사의 HEEF 25 또는 이와 동등한 성능을 가진 첨가제 농도를 10 ∼ 30 g/Liter, 나노미터 크기로 미립자화된 탄소와 그라파이트의 혼합물을 2 ∼ 20 g/Liter로 하며, 작업 온도를 45 ∼ 60℃, 전류밀도를 0.4 ∼ 0.9 A/cm2, 크롬 도금 층의 두께를 10 ∼ 350 마이크로미터로 하는 것을 특징으로하는 고경도, 고내마모, 고내식, 고윤활성 층의 구현 방법
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN108580906A (zh) * 2018-05-23 2018-09-28 成都飞机工业（集团）有限责任公司 一种铝合金薄壁零件表面质量控制方法

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