KR20120092245A - 기계 부품의 제조 방법 - Google Patents

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남철우
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Abstract

본 발명은 기계 부품의 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 기계 부품의 모재 표면에 산화막을 코팅시켜 기계적 특성을 향상시키는 기계 부품의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 기계 부품의 제조 방법은 기계 부품의 모재를 마련하는 단계와, 상기 기계 부품의 모재를 전해액에 침지시키고, 상기 전해액 내부에서 플라즈마 아크를 발생시켜 상기 기계 부품의 모재 표면에 산화막을 코팅시키는 단계를 포함한다.

Description

기계 부품의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING MECHANICAL PART}
본 발명은 기계 부품의 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 기계 부품의 모재 표면에 산화막을 코팅시켜 기계적 특성을 향상시키는 기계 부품의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 내식성, 내마모성 등의 기계적 특성을 요구하는 기계 부품들, 예를 들어 가스 디퓨져(gas diffuser) 등과 같은 용접기용 부품이나, 수도꼭지, 수도밸브 등과 같은 수도용 부품, 반도체 장비의 각종 가스관, 냉각관 등은 청동이나 황동 등의 동(Cu) 합금을 재질로 하여 주로 형성된다.
그런데, 이러한 동합금에는 피절삭성, 유동성 등과 같은 기계적 특성을 개선하기 위해 납(Pb) 성분이 함유되어 있으며, 이로 인해 동합금을 재질로 하여 형성되는 기계 부품은 사용 과정에서 납 등의 유해 성분이 외부로 용출되어 인체에 해를 줄 가능성이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 종래에는 동합금에 함유되어 있는 납 성분을 납과 유사한 특성을 가지면서도 인체에 무해한 성분, 예를 들어 창연(Bi) 등으로 대체하는 방안이 제시되었으나, 아직까지 인체에 대한 유해성 여부의 논란이 지속되고 있으며, 그 대체 효과나 경제성에 대한 효과가 미미한 상태이다. 또한, 종래에는 기계 부품의 표면에 니켈(Ni) 또는 크롬(Cr)을 도금하여 납 성분의 용출을 방지하는 방안이 제시되었으나, 니켈이나 크롬을 기계 부품의 표면에 도금시키는 과정에서 환경 오염을 발생시키는 폐수가 발생하기 때문에 폐수 처리에 소요되는 처리 비용과 처리 시간으로 인해 기계 부품의 제조 원가가 증가되는 문제점이 있었다.
또한, 종래에는 동합금 재질의 기계 부품들, 예를 들어 가스 디퓨져 등의 기계 부품들을 조합하여 용접기를 제작하는 경우에 용접기의 중량이 커져 용접기를 경량화시키기 어려운 문제점이 있었다. 즉, 작업자가 용접기를 들고 용접 작업을 장시간 수작업으로 실시하는데 어려움이 있었다.
또한, 종래에는 국내외에서 거래되는 동합금에 대한 원자재 가격의 상승으로 동합금을 재질로 하는 기계 부품의 제조 원가가 상승하고, 이로 인해 가격 경쟁력이 약화되어 국내외에서의 판매 점유율이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명은 기계 부품의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 다양한 형상을 갖는 기계 부품의 모재 표면에 산화막을 코팅시켜 기계 부품의 기계적 특성을 향상시키고, 모재에 함유된 유해 성분이 외부로 용출되는 것을 방지하는 기계 부품의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 알루미늄, 마그네슘, 티타늄을 재질로 하여 형성되는 기계 부품의 모재 표면에 플라즈마 아크 산화 방식으로 산화막을 코팅시켜 기계적 특성을 향상시키고, 기계 부품을 경화화시키는 기계 부품의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 기계 부품의 제조 방법은 기계 부품의 모재를 마련하는 단계와, 상기 기계 부품의 모재를 전해액에 침지시키고, 상기 전해액 내부에서 플라즈마 아크를 발생시켜 상기 기계 부품의 모재 표면에 산화막을 코팅시키는 단계를 포함한다.
상기 기계 부품의 모재를 마련하는 단계에서 상기 기계 부품의 모재는 알루미늄, 마그네슘 또는 티타늄 합금 중 적어도 어느 하나의 재질로 형성된다.
상기 기계 부품의 모재를 마련하는 단계는 탄소강 재질의 금형을 형성하는 단계와, 지르콘샌드와 물유리로 형성되고, 그라파이트계 도형제로 도포되어 건조되는 코어를 상기 금형 내부에 장착하는 단계와, 상기 금형을 예열하는 단계와, 상기 고주파 유도로에서 용해된 알루미늄, 마그네슘 또는 티타늄 합금 중 어느 하나의 합금을 상기 금형의 내부에 주입하고 응고시켜 상기 기계 부품의 모재를 형성하는 단계 및 상기 기계 부품의 모재를 열처리하는 단계를 포함한다.
상기 기계 부품의 모재를 형성하는 상기 알루미늄 합금은 Cu: 0.20wt% 이하, Si: 6.5?7.5wt%, Mg: 0.2?0.4wt%, Zn: 0.10wt%, Fe: 0.20wt% 이하, Mn: 0.10wt% 이하, Ni: 0.05wt% 이하, Ti: 0.20wt% 이하, Pb: 0.05wt% 이하, Sn: 0.05wt% 이하, Cr: 0.05wt% 이하 및 잔부 Al이 함유된 합금이 사용된다.
상기 금형을 예열하는 단계 및 상기 알루미늄 합금을 상기 금형의 내부에 주입하는 단계에서 상기 금형은 300?350℃의 범위로 예열되고, 상기 알루미늄 합금은 800?850℃의 범위에서 용해되어 상기 금형에 주입된다.
상기 금형의 내부에 주입되고 응고되는 상기 기계 부품의 모재는 인장강도: 200Mpa, 연신율: 10% 이상, 경도: 75Hv 이상, 기공율: 0.7% 이하의 특성으로 형성된다.
상기 기계 부품의 모재 표면에 산화막을 코팅시키는 단계에서 상기 기계 부품의 모재를 상기 전해액에 침지시키기 전 상기 기계 부품의 모재를 아세톤 용액에 담가 초음파 세척하는 단계를 포함한다.
상기 기계 부품의 모재 표면에 산화막을 코팅시키는 단계에서 상기 전해액은 증류수, 증류수 1L당 2,100g의 물유리 및 30g의 수산화나트륨을 혼합하여 조성된다.
상기 전해액에 혼합되는 상기 물유리는 비중(20℃ 조건): 1.26 이상, 물분용분: 0.2% 이하, 산화나트륨(Na2O): 6?7%, 이산화규소(SiO2): 23?25% 및 산화제이철(Fe2O3): 0.03% 이하로 조성되는 물유리가 사용된다.
상기 기계 부품의 모재 표면에 산화막을 코팅시키는 단계에서 상기 기계 부품의 모재 표면에 코팅된 상기 산화막에 표면 결함이 발생되거나 또는 상기 산화막이 균일한 두께로 형성되지 않는 경우에 상기 전해액에 가하는 코팅 전류, 코팅 전압 또는 코팅 시간 중 적어도 하나를 증가시킬 수 있다
상기 기계 부품의 모재 표면에 산화막을 코팅시키는 단계에서 상기 산화막의 코팅 두께를 증가시킬 때 상기 코팅 전류 또는 상기 코팅 전압이 상기 전해액에 가해지는 않는 적어도 하나의 단속 구간을 포함하도록 상기 코팅 시간이 설정된다.
본 발명의 실시예들에 따른 기계 부품의 제조 방법에 의하면, 경량의 알루미늄, 마그네슘 또는 티타늄 합금을 재질로 하는 기계 부품의 모재 표면에 플라즈마 아크 산화 방식을 이용하여 알루미나 산화막을 코팅시킴으로써 기계 부품의 경량화를 도모할 수 있으며, 기계 부품의 모재 표면에 코팅된 알루미나 산화막을 통해 유해 성분이 외부로 용출되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 기계 부품의 내식성, 내마모성 등의 기계적 특성을 향상시켜 기계 부품의 적용 범위를 확대시킬 수 있다.
또한, 기계 부품의 모재 표면에 알루미나 산화막 등을 코팅시키는 과정에서 니켈 또는 크롬 도금에서와 같이 폐수가 발생하지 않아 환경 오염을 방지할 수 있으며, 폐수 처리에 처리 비용이나 처리 시간이 소요되지 않아 기계 부품의 제조 원가를 저감시킬 수 있다.
또한, 동합금 재질로 형성되는 각종 기계 부품을 원자재 가격이 저렴한 알루미늄 합금 재질 등의 기계 부품으로 대체할 수 있어 기계 부품의 가격 경쟁력을 향상시키고, 생산성을 향상시켜 국내외에서 기계 부품의 판매 점유율을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 기계 부품의 제조 방법을 나타낸 순서도.
도 2는 AC4CH 합금의 열처리 전, 후의 경도 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 기계 부품으로서 단수용 수도꼭지를 제조하기 위한 금형을 촬영한 사진.
도 4는 도 3에 나타낸 금형의 내부에 장착되는 코어를 촬영한 사진.
도 5는 도 3에 나타낸 금형으로부터 발취되기 전의 주물을 촬영한 사진.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 기계 부품으로서 온냉수혼합 수도꼭지의 버핑 전, 후의 상태를 촬영한 사진.
도 8 및 도 9는 도 7에 도시된 온냉수혼합 수도꼭지에 대한 기공율 분석 결과를 나타낸 사진.
도 10은 도 7에 도시된 온냉수혼합 수도꼭지의 열처리 전, 후의 조직을 비교한 사진.
도 11은 본 발명의 일실시예에 사용되는 MPO 코팅 장치를 개략적으로 나타낸 구성도.
도 12는 MPO 코팅 장치에서 플라즈마가 발생되는 코팅 상태를 촬영한 사진.
도 13은 1종 물유리를 사용한 판상 시편의 코팅 결과를 촬영한 사진.
도 14는 3종 물유리를 사용한 판상 시편의 코팅 결과를 촬영한 사진.
도 15는 4종 물유리를 사용한 판상 시편의 코팅 결과를 촬영한 사진.
도 16은 코팅 시간이 10분인 상태에서 코팅된 판상 시편의 육안 관찰 사진.
도 17은 도 16의 시편에 대한 광학현미경의 분석 결과를 나타낸 사진.
도 18은 MPO 코팅 시간을 변화시키면서 판상 시편을 코팅한 결과를 나타낸 사진.
도 19는 판상 시편의 코팅 시간에 따른 평균 두께 변화를 도시한 그래프.
도 20은 판상 시편의 코팅 시간에 따른 코팅 전압의 변화를 도시한 그래프.
도 21은 판상 시편의 코팅 시간에 따른 코팅 두께 SEM 이미지.
도 22는 판상 시편의 MPO 코팅 시간에 따른 평균 두께 변화를 나타낸 그래프.
도 23은 관상 시편의 MPO 코팅 시간의 증가에 따른 관상 시편 외면의 코팅두께의 변화에 대한 SEM 사진.
도 24는 관상 시편의 MPO 코팅 시간에 따른 외경의 평균 두께 변화를 나타낸 그래프.
도 25는 관상 시편의 MPO 코팅 시간의 증가에 따른 내면의 코팅 두께의 변화에 대한 SEM 사진.
도 26은 관상 시편의 MPO 코팅 시간에 따른 내면의 평균 두께의 변화를 나타낸 그래프.
도 27은 장시간 연속 코팅을 통해 생성된 코팅층의 SEM 조직 사진.
도 28 및 도 29는 1시간 단위씩 단속적으로 총 180분간 MPO 코팅된 판상 시편의 SEM 이미지.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 발명의 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 기계 부품의 제조 방법을 나타낸 순서도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 기계 부품의 제조 방법은 기계 부품의 모재를 마련하는 단계(S110)와, 기계 부품의 모재를 전해액에 침지시키고, 전해액 내부에서 플라즈마 아크를 발생시켜 기계 부품의 모재 표면에 알루미나 산화막을 코팅시키는 단계(S120)를 포함한다.
이하, 본 발명에 따른 기계 부품으로서 수도용 부품을 예로 들어 설명하기로 한다. 본 발명에 따라 제조되는 기계 부품으로서 후술되는 수도용 부품 이외에도 가스 디퓨져 등과 같은 용접기용 부품, 반도체 장비 등의 각종 가스관, 냉각관, 보일러에 사용되는 냉, 온수관 등 종래에 동합금을 재질로 하여 형성되는 다양한 형상의 기계 부품이 포함되는 것은 물론이다. 특히, 기계 부품의 모재를 전해액에 침지시켜 알루미나 산화막을 코팅시키기 때문에 판(plate) 형상, 관(pipe) 형상 등 다양한 형상의 기계 부품의 내주면 및 외주면에 산화막을 용이하게 형성시킬 수 있다.
본 발명에서는 수도용 부품의 모재(母材) 재질을 알루미늄 합금(이하, 'Al 합금'이라 한다)을 예로 들어 설명한다. 즉, 기계 부품의 모재가 알루미늄 합금 재질로 형성되어 플라즈마 아크 산화 방식에 의해 기계 부품의 모재 표면에 알루미나 산화막을 코팅시킬 수 있다. 본 발명에서는 알루미늄 합금을 모재 재질의 일례로 들어 설명하였지만, 알루미늄 이외에도 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti)을 모재 재질로 하는 기계 부품의 모재 표면에 산화막을 코팅시킬 수 있음은 물론이다.
한편, 후술되는 수도용 부품의 모재 재질로서 Al 합금 중 AC4CH 합금을 모재 재질로 사용하였다.
이하, 수도용 부품의 모재의 재질로서 Al 합금 중 AC4CH 합금을 선택한 이유에 대하여 살펴보기로 한다.
[표 1.1] Al 합금 수도용 부품의 기계적 특성에 대한 목표값
Figure pat00001
위의 [표 1.1]은 수도용 부품의 동합금 재질을 대체하기 위한 Al 합금 수도용 부품의 기계적 특성에 대한 목표값 또는 목표 규격값을 나타낸 표이다. 본 실시예에서는 수도용 부품의 재질로 사용되는 Al 합금으로서 인장강도가 200MPa, 연신율이 10% 이상, 경도가 75Hv(Vicker Hardness) 이상, 기공율이 0.7% 이하의 조건을 만족시키는 Al 합금이 사용된다.
이를 위해, 우선 금형주조(또는 다이캐스팅) 방식으로 제작되는 수도용 부품의 모재에 적용될 수 있는 금형주조용 Al 합금 주물과 다이캐스팅용 Al 합금 주물의 기계적 특성을 아래의 [표 1.2] 내지 [표 1.5]을 참조하여 살펴보기로 한다.
여기서, 본 발명에 따른 기계 부품은 금형주조 방식 이외에도 절삭 가공 방식, 단조 방식, 프레스 방식, 연마 방식 등 다양한 기계 가공 방식을 통해 제조될 수 있다. 이하에서는 다양한 기계 가공 방식 중 금형주조 방식을 통해 기계 부품의 모재(예에서는 수도용 부품의 모재)가 제조되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다.
[표 1.2] 금형주조용 Al 합금 주물의 기계적 특성
Figure pat00002
[표 1.3] 금형주조용 Al 합금 주물의 화학 조성
Figure pat00003
위의 [표 1.2]를 살펴보면, 금형주조용 Al 합금들 중에서 AC7A 합금의 경도값이 72Hv로서 목표값 75Hv에 미치지 못하는 것을 제외하고는 기타 다른 Al 합금들은 모두 [표 1.1]에 따른 목표값을 만족시킨다.
[표 1.4] 다이캐스팅용 Al 합금 주물의 기계적 특성
Figure pat00004
[표 1.5] 다이캐스팅용 Al 합금 주물의 기계적 특성
Figure pat00005
위의 [표 1.4]를 살펴보면, 다이캐스팅용 Al 합금들 중에서 ADC6 합금이 기계적 특성에 대한 모든 목표값을 만족시키는 것을 확인할 수 있으며, ADC10 합금과 ADC12 합금의 경우에는 연신율이 2.0%로서, 10% 이상인 연신율의 목표값을 만족시키지 못한다.
위와 같은 분석 과정을 통해 수도용 부품에 적합한 최적의 Al 합금으로서, 우선, AC1B 합금과 AC4CH 합금을 선택하여 고주파 유도로에서 용해시킨 후, 금형에 주입하여 다양한 기계적 특성을 분석할 수 있는 시편을 형성하였다. 아래의 [표 1.6]은 시편에 대한 화학 조성을 나타낸 표이고, [표 1.7]은 시편에 대한 기계적 특성을 나타낸 표이다.
[표 1.6] 금형주조 AC1B 및 AC4CH 합금의 X선 분광기 분석결과
Figure pat00006
[표 1.7] 금형주조용 Al 합금 별 인장시험 결과(5회 측정 평균치)
Figure pat00007
같은 치수로 금형주조된 AC1B 합금 및 AC4CH 합금을 열처리(T4 또는 T6; [표 2.2] 참조) 한 후 인장시험을 실시하였다. (여기서, 로드셀(load cell) 2톤(ton)의 인장시험기로 변형율 5mm/min의 속도의 조건으로 인장시험을 실시하였다.) 시편을 인장하여 시편이 파단될 때까지의 결과를 5회 측정하여 평균한 결과값이 위의 [표 1.7]에 나타나 있으며, 이를 참조하면 AC1B 합금은 목표 인장강도 200MPa 및 목표 연신율 10% 이상의 조건을 만족시키지 못하는 반면, AC4CH 합금은 인장강도와 연신율 조건 모두 목표값을 만족한다.
한편, AC4CH 합금에 대한 열처리 전, 후의 경도 측정 결과는 아래의 [표 1.8] 내지 [표 1.10]에 나타난다.
[표 1.8] AC4CH 합금의 경도 측정 결과(열처리 전)
Figure pat00008
[표 1.9] AC4CH 합금의 경도 측정 결과(T6 열처리 후)
Figure pat00009
[표 1. 10] AC4CH 합금의 열처리 전, 후의 경도 측정 결과 비교
Figure pat00010
위의 [표 1.8] 내지 [표 1.10]을 참조하면, 열처리 전의 경도는 43.7Hv이고, 열처리(T6 열처리) 후의 경도는 96.5Hv로서 열처리를 실시하는 경우에 열처리 전보다 경도가 2배 이상 큰 값으로 나타난다. 도 1은 [표 1.10]의 결과를 도시한 그래프로서, 주조한 그대로의 상태(-F)보다 열처리를 한 상태(-T6)에서 경도가 평균 50Hv 이상 증가함을 확인할 수 있었다.
이와 같이, 동합금 재질을 대체하기 위한 다양한 Al 합금들 중에서 기계적 특성을 모두 만족하는 Al 합금은 AC4CH 합금이며, 이러한 이유로 본 실시예에서는 기계 부품의 모재 재질로서 AC4CH 합금을 사용하였다.
전술한 바와 같이 본 발명의 실시예에서는 AC4CH 합금을 재질로 하여 수도용 부품의 모재가 금형주조 방식을 통해 제조되었다. 이하, 상기 수도용 부품의 모재를 금형주조 방식으로 제조하는 과정에 대하여 상세히 살펴보기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 기계 부품으로서 단수용 수도꼭지를 제조하기 위한 금형을 촬영한 사진이고, 도 4는 도 3에 나타낸 금형의 내부에 장착되는 코어를 촬영한 사진이고, 도 5는 도 3에 나타낸 금형으로부터 발취되기 전의 주물을 촬영한 사진이다. (여기서, 도 3(a)는 수직으로 분할된 상태의 금형, 도 3(b)는 합형된 상태의 금형을 나타낸다.) 또한, 도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 기계 부품으로서 온냉수혼합 수도꼭지의 버핑 전, 후의 상태를 촬영한 사진이다.
금형은 탄소강으로 형성되며, 본 실시예에서는 SC45 탄소강을 사용하여 금형을 형성하였다. 이러한 금형 내에 장착되는 코어는 지르콘샌드(zircon sand)와 물유리(water glass, 가용유리)로 형성되고, 그라파이트계(흑연계) 도형제로 외부 표면이 도포된 후 건조되는 방식으로 만들어진다. 이러한 코어를 금형 내부에 장착한 후, 고주파 유도로에서 AC4CH 합금을 용해하고, 용해된 AC4CH 합금의 용탕을 800?850℃의 온도 범위에서 금형에 주입시켜 주물이 만들어진다. 한편, 금형 내부에 용탕을 주입하기 전 금형이 급격한 온도 상승으로 인하여 열손상, 열변형되는 것을 방지하기 위해 300?350℃의 범위에서 예열된다. 이후, 미도시되었지만 금형 내부에서 냉각되어 응고된 주물은 압탕, 탕구, 가스빼기 부위의 연결 부위가 제거된다.
기계 부품 중 수도용 부품의 예로 든 온냉수혼합 수도꼭지의 경우에도 상기 단수용 수도꼭지와 동일한 금형주조 과정을 거쳐 제조된다.
한편, 기계 부품의 모재가 일정한 형상으로 형성되는 금형의 내주면은 후술되는 플라즈마 아크 산화(Microarc Plasma Oxidation; 이하 'MPO'라 한다.) 방식으로 알루미나 산화막을 코팅시켜 금형의 내식성, 내마모성을 향상시킬 수 있으며, 이를 통해 금형을 통해 형성되는 기계 부품의 모재의 표면거칠기, 모서리 부위의 주조 상태 등 품질을 향상시킬 수 있다.
아래의 [표 1.11]을 참조하면, 실제 금형주조된 온냉수혼합 수도꼭지에 대한 X선 분광기(X-ray spectrometer)를 사용한 분석 결과, 온냉수혼합 수도꼭지의 화학 조성이 목표값([표 1.4] 참조)의 범위 내에 있음을 확인할 수 있다.
[표 1.11] 금형주조 Al 합금(AC4CH) 온냉수혼합 수도꼭지의 화학 조성
Figure pat00011
또한, 아래의 [표 1.12]는 실제 제조된 온냉수혼합 수도꼭지의 인장시험 결과(5회 측정하여 평균을 산출)를 나타낸 표로서, 인장강도는 231.24Mpa, 연신율은 10.08%로서 목표값 200Mpa 이상 및 연신율 10% 이상의 조건을 만족시킨다.
[표 1.12] 금형주조 Al 합금(AC4CH) 온냉수혼합 수도꼭지의 인장시험 결과
Figure pat00012
또한, [표 1.13] 내지 [표 1.15]는 온냉수혼합 수도꼭지의 경도 측정 결과를 나타낸 표로서, 5회 측정된 결과를 평균값으로 산출하는 방식을 사용하였다. 열처리 전의 경도는 54.04Hv으로 측정되었지만, 열처리(T6 열처리) 후의 경도는 84.46Hv로 증가되어 목표값 75Hv 이상의 조건을 만족시킨다.
[표 1.13] Al 합금(AC4CH) 온냉수혼합 수도꼭지의 경도측정 결과(열처리 전)
Figure pat00013
[표 1.14] Al 합금(AC4CH) 온냉수혼합 수도꼭지의 경도측정 결과(열처리 후)
Figure pat00014
[표 1.15] 열처리 전, 후의 경도 측정 결과 비교
Figure pat00015
도 8 및 도 9를 참조하여 금형주조된 온냉수혼합 수도꼭지를 소정 크기의 시편으로 절단하여 CT 스캐너에 의해 기공율을 분석한 결과를 살펴보면, 시편1(도8 참조) 및 시편2(도9 참조)의 기공율이 모두 0.1% 이하로 분석되어 기공율의 목표값인 0.7% 이하의 조건을 만족시킨다. 여기서, CT 스캐너의 분석시 사용전압은 130KV, 사용 전류는 110㎂이고, 그래픽 정보의 일종인 복셀 사이즈(Voxel size)는 각각 16.67㎛, 21.02㎛이었다.
도 10은 AC4CH 합금을 재질로 하여 금형주조된 온냉수혼합 수도꼭지의 광학현미경 사진으로서(여기서, AC4CH 합금은 아공정 Al합금 조성에 Mg 등이 소량(0.2?0.4%) 첨가된 합금이다.) 열처리 전과 후의 조직을 비교할 수 있다. 즉, 도 10(a) 및 도 10(b)는 열처리 전의 주방 상태의 조직으로서 α-덴드라이트와 공정조직을 볼 수 있고, 도 10(c) 및 도 10(d)는 열처리 후의 조직으로서 균질화에 의해 α-덴드라이트가 사라지고 있으며, Si로 보이는 미세한 괴상의 상이 분포되어 있음을 확인할 수 있다. 한편, 아래의 [표 1.16]은 전술한 온냉수혼합 수도꼭지의 기타 성능을 분석한 결과이다. 평가항목은 내압성능, 내구성능, 물충격시험 및 토수성능이며(역류방지 성능은 온냉수 혼합 수도 꼭지에는 해당되지 않음으로 생략됨) 각 분석항목 모두 목표값을 만족시켰다.
[표 1.16] 온냉수혼합 수도꼭지 시작품 성능 결과
Figure pat00016

이하, 전술한 금형주조 방식을 통해 제조되는 Al 합금 재질의 수도용 부품의 모재 표면에 알루미나 산화막을 코팅시키는 과정을 살펴보기로 한다.
본 실시예에서는 Al 합금, 특히 AC4CH 합금 재질로 형성되는 수도용 부품의 모재를 금형주조 방식으로 제조하고, 이와 같은 방식으로 제조되는 수도용 부품의 모재 표면에 플라즈마 아크 산화(Microarc Plasma Oxidation; MPO) 방식을 적용하여 알루미나 산화막을 코팅시킴으로써 수도용 부품의 기계적 특성을 향상시키는 한편 수도용 부품에 포함되어 있을 수 있는 유해 성분이 수돗물에 용출되는 것을 방지할 수 있다.
도 11은 본 발명에 따른 수도용 부품의 모재 표면에 알루미나 산화막을 코팅시키기 위한 MPO 코팅 장치를 개략적으로 도시한 구성도이다. MPO 코팅 방식은 양극산화법과 달리 코팅하고자 하는 금속 대상물의 표면에 플라즈마를 국부적으로 발생시켜 금속 대상물의 표면에 내마모성, 내식성 및 내열성이 우수한 동시에 모재와의 접착력이 우수한 산화막을 형성시킬 수 있는 장점이 있다. 도 11을 참조하면, MPO 코팅 장치는 전해액(10)이 담기는 용기(11)와, 용기(11)의 외부 일측에 구비되는 전원 공급기(1), 고전압 커패시터(2), 전류 및 전압 제어기(3)와, 용기(11)의 상측에서 코팅 대상물(9)을 침지 상태에서 지지하는 지지대(4)와, 용기(11)에 담기는 전해액(10)을 휘저어 교반시키는 교반기(5)와, 코팅 과정에서 전해액(10)의 온도가 측정되는 온도계(7)와, 전해액의 공급량을 조절하는 전해액 조절기(6) 및 플라즈마의 발생으로 온도가 상승되는 용기(11) 및 전해액(10)을 냉각시키기 위한 냉매 순환기(8) 등을 포함한다.
위와 같은 MPO 코팅 장치에서 용기(11)는 스테인리스(stainless) 재질로 형성되어 상부가 개방된 내측 공간에 전해액(10)을 충전시키며, 용기(11)의 상부에는 코팅 대상물(9)이 위치 고정되는 지지대(4)가 설치된다. MPO 코팅 과정에서, 전해액(10)의 내부에 침지된 코팅 대상물(9)의 주위에 플라즈마가 발생되고, 이로 인해 전해액(10) 및 용기(11)가 가열되어 온도가 상승하게 되는데, 급격한 온도 상승을 방지하기 위해 용기(11)의 내부에는 냉매가 순환될 수 있는 빈 통로 또는 공간이 형성되고, 이러한 빈 통로에는 냉매 순환기(8)를 통해 공급되는 냉각액이 순환되어 전해액(10)과 용기(11)를 원활하게 냉각시킬 수 있다. 용기(11)의 외부 일측에는 제어 박스가 구비되며, 이러한 제어 박스의 내부에는 전원 공급기(1), 고전압 커패시터(2), 전류 및 전압 제어기(3) 등이 구비되어 용기(11)의 담긴 전해액(10)에 코팅 전류와 코팅 전압을 용이하면서도 정확하게 제어하여 가할 수 있으며, 코팅이 진행되는 과정에서 코팅 전류와 코팅 전압의 변화를 디스플레이 장치(미도시)를 통해 간편하게 확인할 수 있다.
이하, 전술한 Al 합금 재질의 수도용 부품의 모재에 MPO 코팅 장치를 사용하여 알루미나 산화막을 코팅시킬 때 요구되는 코팅 전류, 코팅 전압 및 코팅 시간 등의 조건들의 관계에 대하여 살펴보기로 한다. 이를 위해, AC4CH 합금 재질의 판상(plate type) 시편과, A6063재질의 관상(tube type) 시편이 사용되었으며, 이들의 화학 조성은 아래의 [표 2-1]과 같다.
[표 2-1] MPO 코팅 실험에 사용된 Al 합금 시편의 조성
Figure pat00017
또한, MPO 코팅 장치의 전해액(10)은 증류수와, 물유리(Na2O?SiO2?H2O) 및 수산화나트륨(NaOH)이 혼합되어 조성되며, 본 실시예에서는 전해액(10)으로서 증류수, 2,100g/L의 물유리, 30g/L의 수산화나트륨을 혼합하여 조성하였다.
한편, 아래의 [표 2-2]는 물유리의 종류를 나타낸다.
[표 2-2] 물유리의 종류
Figure pat00018
물유리(Na2O?SiO2?H2O)는 1종부터 4종으로 구분되며, 1종에서부터 4종으로 갈수록 몰비(SiO2/Na2O)가 감소하고, 이에 따라 점성이 감소되는 특성이 있다. 이와 같이 조성되는 전해액(10) 중에서 증류수는 물유리와 수산화나트륨을 용해하는 용매로 사용되고, 수산화나트륨은 전해질로 사용되어 Al 금속과 전해액(10)을 조화시킨다. 즉, 양극 전류밀도가 증가하면 금속 이온이 용액의 OH-, AlO2 -, SiO3 - 이온과 만나서 Al(OH)3과 Al2(SiO3)3을 생성하게 되고, 이때의 반응식은 다음과 같다.
Al → Al3 + + 3e-
Al3 + + 3OH- → Al(OH)3
2Al3 + + 3SiO3 2 - → Al2(SiO3)3
MPO 코팅이 진행되는 과정에서 발생되는 플라즈마에 의해 높은 열에너지가 형성되어, 위와 같은 반응을 통해 생성된 수산화물이 탈수 반응을 일으켜 산화막이 수도용 부품의 모재에 형성되고, 이때의 반응식은 다음과 같다.
2Al(OH)3 → Al2O3 + 3H2O
본 발명의 일실시예에서와 같이 수도용 부품의 모재 재질을 알루미늄을 사용하여 알루미나 산화막을 형성시켰지만, 모재를 마그네슘, 티타늄 재질로 형성하는 경우 위의 반응식과 동일한 과정을 거쳐 거쳐 모재의 표면에 산화막을 형성시킬 수 있다.
본 실시예에서는 전해액(10)에 시편을 침지시키기 전, 시편에 묻은 불순물을 제거하기 위해 아세톤에서 소정 시간 동안 초음파 세척이 이루어진다. 또한, 시편을 지지대(4)를 사용하여 위치 고정할 때 시편이 용기(11)의 내측 바닥에 접촉되지 않도록 고정된다. 즉, 시편이 용기(11)의 내측 바닥에 접촉할 경우 플라즈마의 발생에 의해 용기(11)의 온도가 급격하게 상승되고, 용기(11)와도 플라즈마 반응이 야기되는 문제점이 발생된다.
도 12는 MPO 코팅 장치에 코팅 전류 및 코팅 전압을 가한 상태에서 시편에 플라즈마가 발생된 상태(도12(d) 참조)를 촬영한 사진이다. MPO 코팅 장치를 통해 생성된 산화막은 다양한 장비 및 방법을 통해 그 특성이 분석된다. 본 실시예에서는 산화막의 특성을 분석하기 위한 장치로서 주사전자현미경(SEM), 고분해 X선 회절 분석장치(HR-XRD), 광전분광기(XPS), AFM, 비표면적 기공 분석 장치 및 나노 인텐터를 사용하였으며, 각 분석 장비의 용도를 살펴보면 주사전자현미경을 통해 코팅의 단면 및 두께를 측정할 수 있으며, 고분해 X선 회절 분석장치를 통해 산화막의 결정구조를 분석할 수 있다. 또한, 광전분광기를 통해 산화막의 조성 및 결합 형태를 분석할 수 있으며, AFM을 통해 산화막의 표면 형상 및 조도를 분석하고, 비표면적 기공 분석 장치를 통해 산화막의 기공을 분석하고, 나노 인텐터를 통해 산화막의 경도를 분석할 수 있다.
아래의 [표 2-3]은 1종 물유리를 포함하는 전해액(10)에서의 판상 시편에 대한 코팅 조건을 나타낸 표이다.
[표 2-3] 1종 물유리 사용시 코팅 조건
Figure pat00019
여기서, 코팅 전류와 코팅 전압을 각각 1A, 380V로 일정하게 유지한 상태에서 코팅 시간을 10분, 20분으로 변화시켜 MPO 코팅을 실시하고, 이러한 코팅 조건 하에서 코팅된 판상 시편의 모습을 도 13을 통해 확인할 수 있다. 도 13을 참조하면, 시편 표면에 하얀 피막이 생성되었으나 얼룩이 발생하여 코팅이 균일하게 생성되지 못한 것을 확인할 수 있다. 즉, 1종 물유리의 경우에는 점도가 매우 높은 특성으로 인해 증류수에 대한 용해도가 낮고, 물유리에 산화나트륨과 이산화규소 성분이 매우 높아서 플라즈마 발생시 시편의 위치에 따라서 불균일한 화학 반응이 발생되어 시편의 표면에 얼룩이 발생된다.
[표 2-4] 3종 물유리 사용시 코팅 조건
Figure pat00020
위의 [표 2-4]는 1종 물유리를 사용한 동일한 크기 및 형상의 판상 시편을 3종 물유리를 적용하기 위한 실험 조건을 나타낸 표이다. 이 경우, 1종 물유리에서와 마찬가지로 코팅 전류와 코팅 전압을 1A, 380V로 고정시키고, 코팅 시간을 10분, 15분, 20분, 25분, 30분으로 변화시키면서 코팅을 진행하였다. 이러한 실험 결과는 5분 단위로 변화되는 코팅 시간의 변화에 따른 판상 시편의 MPO 코팅 결과를 촬영한 사진, 즉 도 14를 통해 확인할 수 있다. 3종 물유리를 사용한 경우, 1종 물유리를 사용하여 코팅한 결과에 비해 얼룩의 발생이 현격히 감소되어 외관상 코팅 품질이 향상됨을 확인할 수 있다. 그러나, 3종의 물유리에서도 코팅 시간이 증가할수록 시편의 표면에 하얀 얼룩 결함들이 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
도 15는 1종 및 3종 물유리 사용시와 시편 및 기타 모든 코팅 조건을 동일하게 한 상태에서 물유리만 4종 물유리를 사용하여 MPO 코팅을 실시한 결과를 촬영한 사진이다. 이 경우, 1종 및 3종 물유리 사용시에 나타나는 얼룩 결함이 발생되지 않았다. 즉, 본 실시예에서는 1종부터 4종으로 구분되는 물유리 중에서 몰비가 감소하고 점성이 감소되는 4종을 본 실시예에 따른 전해액에 포함되는 물유리로 사용함으로써 MPO 코팅시 코팅 대상물의 표면에 얼룩 등의 결함이 발생되는 것을 방지함으로써 수도용 부품의 품질을 향상시킬 수 있다.
이하, MPO 코팅시 코팅 전류와 코팅 시간에 따른 산화막(또는 코팅막)의 두께 변화를 살펴보면 다음과 같다. 이를 위해, 판상 시편을 전류 1A, 전압 320V의 조건인 상태에서 코팅 시간을 10분, 15분, 20분, 25분, 30분으로 변화시키면서 MPO 코팅을 실시하였다. 도 16은 코팅 시간이 10분인 상태에서 코팅된 판상 시편의 육안 관찰 사진으로, 코팅 전의 경우 Al 금속 시편의 표면에 많은 광택이 나지만, 코팅 후 시편의 광택이 거의 사라지고, 약간 거친 코팅막이 형성됨을 확인할 수 있다. 이러한 거친 코팅막은 다공질의 막, 즉 미세한 구멍이 다수 형성된 막 구조로서, 다공질 막의 특성으로 인해 후속 공정에 포함될 수 있는 착색 공정을 통해 양질의 색을 수도용 부품에 용이하게 구현할 수 있다.
도 17은 도 16의 시편에 대한 광학현미경의 분석 결과로서, 코팅 전 시편의 표면에 사선 및 검게 나타난 흠집들은 MPO 코팅을 통해 코팅막이 형성되고 흠집들을 덮어 더 이상 보이지 않는다. 하지만, 코팅 시간이 10분인 경우에는 산화막의 두께가 충분히 두껍게 코팅되지 못할 수 있어 일부 흠집이 보일 수 있다. 따라서, 산화막의 코팅 두께를 증가시키기 위해 코팅 시간이 연장된다.
도 18은 MPO 코팅 시간을 10분, 15분, 20분, 25분, 30분으로 변화시키면서 판상 시편을 코팅한 결과를 나타낸 사진이며, 아래의 [표 2-5]는 코팅 시간의 변화에 따른 코팅된 시편들을 주사전자현미경을 이용하여 평균 코팅두께를 측정한 결과를 나타낸 표이다. 이러한 결과를 도 19에 그래프로 도시화하여 나타내었다.
[표 2-5] 판상 시편의 MPO 코팅 시간에 따른 전압 및 평균 두께 변화(1A)
Figure pat00021
위의 [표 2-5]를 살펴보면, 코팅 시간이 10분, 15분, 20분, 25분, 30분으로 증가할수록 평균 코팅두께도 27㎛, 36㎛, 41㎛, 41㎛, 50㎛으로 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 20은 코팅 시간에 따른 코팅 전압의 변화를 보여 주는 것으로서 코팅 시간의 증가에 따라 코팅 전압도 거의 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있다.
위와 같은 실험에서, 코팅 전류를 1A의 낮은 전류에서 산화막 또는 코팅막을 빠른 증착 속도로 생성하는데 제한이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 코팅 전류를 높이는 방안이 사용되며, 이하의 실험에서는 코팅 전류를 3A로 높이고(코팅 전압은 320V로 고정), 코팅 시간을 30분, 40분, 50분, 60분 및 70분으로 연장하여 MPO 코팅을 실시하였다. 이 실험에서 AC4CH 재질의 판상 시편을 사용하였으며, 아세톤에서 소정의 시간(예를 들어 10분)동안 초음파 세척을 한 후 사용하였다. 또한, 전해액 조성은 증류수 2L와 물유리 4종(Na2O?SiO2) 4,200g 그리고 수산화나트륨 60g을 혼합하여 조성하였고, 전해액을 조성하는 동안 및 코팅을 실시하는 동안 충분히 교반시켜 전해액의 조성이 균일하도록 하였다.
도 21은 MPO 코팅시 코팅 시간에 따른 코팅의 두께 변화를 보여주는 주사전자현미경 사진으로 알루미나 코팅층이 코팅 시간의 변화에 따라 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 아래의 [표 2-6]은 코팅 시간 30분, 40분, 50분, 60분 및 70분에서 코팅한 시편의 5지점을 무작위로 택하여 코팅 두께를 측정한 후 평균값을 나타낸 결과이고, 이러한 결과를 도 22를 통해 그래프로 도시하였다.
[표 2-6] 판상 시편의 MPO 코팅 시간에 따른 코팅 두께의 변화(3A 전류)
Figure pat00022
위의 [표 2-6]을 참조하면, 코팅 시간이 30분, 40분, 50분, 60분 및 70분으로 증가할수록 코팅의 평균 두께가 92㎛, 92㎛, 104㎛, 112㎛, 142㎛로 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 1A의 전류를 사용한 실험결과에서와 비교했을 때, 코팅시간 30분을 기준으로 코팅의 두께가 약 2배 정도 증가함을 확인할 수 있다.
전술한 실험예에서는 판상 시편을 대상으로 MPO 코팅을 수행하였지만, 실제 수도용 부품은 판상 시편과 같이 단순한 구조로 형성되지 않는다. 특히, 수도꼭지 중에서도 물이 나오는 부분이 관 형태로 형성되기 때문에 이하에서는 관상 시편을 사용하여 MPO 코팅 실험을 실시하였다. 관상 시편의 재질로서 A6063 합금이 사용되며, 전해액의 조성은 판상 시편의 코팅 실험과 동일하다. 또한, 코팅 전류와 코팅 전압은 각각 3A와 380V로 고정시켰다. 여기서, 관상 시편의 표면적은 판상 시편의 표면적보다 넓어 관상 시편의 실험시의 코팅 전압(380V)이 판상 시편의 실험시의 코팅 전압(320V) 보다 크게 설정된다.
상기와 같은 조건에서, 코팅시간을 60, 70, 80, 90분으로 변화시키면서 MPO코팅을 한 후 시편의 내부 및 외부에 코팅된 두께를 측정하여 평균값을 구하였다. 도 23은 MPO 코팅시간의 증가에 따른 관상 시편 외면의 코팅두께의 변화에 대한 주사전자현미경 사진으로서, Al 합금 모재 위에 Al2O3 코팅층이 균일하게 성장한 것을 확인할 수 있다. 이 결과로부터 평균 코팅두께를 측정하였고, [표 2-7]에 코팅시간의 증가에 따른 관상 시편 외부의 MPO코팅의 두께의 변화를 나타내었다.
[표 2-7] 관상 시편의 MPO 코팅 시간에 따른 외경 코팅 두께의 변화
Figure pat00023
위의 실험에서, MPO 코팅한 관상 시편에서 무작위로 6군데의 코팅 두께를 측정한 후 평균 두께값을 산출하였다. 도 24에 도시된 바와 같이, MPO 코팅 시간이 60, 70, 80, 90분으로 증가함에 따라서 코팅의 평균두께가 68, 71, 115㎛로 80분까지는 증가하다가, 90분에서는 코팅의 두께가 113㎛으로 감소하는 경향을 보였다. 그리고 판상 시편의 실험에서 코팅 시간 60분의 결과와 비교해 볼 때 동일한 코팅 전류의 조건에서 코팅 전압을 더 높여 주었지만 산화막의 코팅의 두께는 오히려 작게 나타났다. 즉, 관상 시편의 경우 판상 시편보다 표면적이 넓어서(내면 및 외면의 존재) 산화막(코팅막)의 생성시 더 많은 시간이 소요되고 동일한 코팅 두께를 얻기 위해서는 더 오랜 코팅 시간이 요구된다.
도 25는 MPO 코팅 시간의 증가에 따른 관상 시편 내면의 코팅 두께의 변화에 대한 주사전자현미경 사진이다. 이 결과로부터 코팅 시간의 증가에 따른 관상 시편 내부의 MPO 코팅의 두께를 측정하였고, 아래의 [표 2-8]에 그 결과를 나타냈다.
[표 2-8] 관상 시편의 MPO 코팅 시간에 따른 튜브 내면 코팅 두께의 변화
Figure pat00024
위의 실험에서도 관상 시편의 외부와 마찬가지로 코팅한 시편에서 무작위로 6군데의 코팅 두께를 측정하고 평균 두께값을 산출하였다. 도 26에서는 MPO 코팅 시간이 60, 70, 80, 90분에 증가함에 따라서 코팅의 평균두께가 41, 51, 63, 72㎛로 선형적으로 증가하였으나, [표 2-7]의 외부 두께에 비해서는 코팅층의 두께가 훨씬 얇은 것을 알 수 있다(외부 코팅층의 60-70% 정도). 즉, MPO 코팅시에 동일한 코팅 시간으로 코팅을 하더라도 바깥쪽(외면)에서 먼저 플라즈마가 발생하고, 코팅의 중반부를 넘어가서야 내면에도 플라즈마가 발생하기 때문이다.
통상적으로 Al 합금의 MPO 코팅막은 100㎛ 이하에서 사용되고, 이러한 코팅 두께를 통해 내식성 및 내마모성의 특성을 가질 수 있다. 그러나 특별한 경우에 이보다 훨씬 두꺼운 코팅층(예, 400㎛)이 요구될 수 있다. 이하에서는 두꺼운 코팅층, 즉 후막을 코팅하는 실험에 관하여 설명하기로 한다.
코팅 두께를 증가시키기 위해서 기존에 적용된 코팅 전류나 코팅 전압을 대폭적으로 변경하기 어렵다. 따라서 코팅 두께를 증가시키기 위해 우선적으로 고려되는 조건이 코팅 시간을 증가시키는 것이다. 이하의 실험에서 코팅 전류는 3A로 변경시키지 않고, 코팅 전압을 420V로 다소 증가시키고, 코팅 시간을 180분으로 대폭적으로 증가시켰다. 이때 코팅을 연속적으로 180분 동안 하는 경우와, 60분 코팅 후 코팅 전류 및 코팅 전압을 끊어서 제로 상태로 만든 후 다시 본래의 코팅 전류와 코팅 전압으로 높여 코팅을 단속적으로 하여 총 180분 동안 코팅하는 방식의 두 가지를 실험하였다. Al 합금 시편으로 상기의 실험들과 동일한 AC4CH의 재질의 판상 시편을 사용하였고, 전해액의 조성은 동일하다.
우선, 장시간(180분) 동안 연속적으로 MPO 코팅을 실시한 경우를 살펴보면, 도 27은 장시간 연속 코팅을 통해 생성된 코팅층의 SEM 조직 사진으로서 이 결과를 통해 코팅층의 두께를 측정하였다. 아래의 [표 2-9]는 180분 동안 연속으로 코팅한 판상 시편의 6군데를 무작위로 측정하여 평균 두께를 나타낸 표로서 평균두께는 177㎛으로 나타났다.
[표 2-9] 180분 동안 연속 MPO 코팅한 판상 시편의 평균 두께
Figure pat00025
도 28은 60분씩 180분 단속적으로 MPO 코팅하여 얻어진 판상 시편의 코팅층의 SEM 이미지를 나타낸다. 이 경우, 상기의 연속적인 코팅방법과 모든 조건은 동일하나 단지 코팅을 1시간 단위로 단속적으로 총 180분 동안 MPO 코팅을 한 차이점이 있을 뿐이다. 도 29는 단속적인 코팅 시간을 통해 형성된 MPO 코팅층의 표면을 여러 배율(200, 500, 5,000 및 10,000배)로 관찰한 결과로서, 200배율(a) 및 500배율(b)의 경우, 알루미나 입자 사이에 형성된 기공을 확인할 수 있고, 배율을 5,000 및 10,000배로 증가시킨 경우(c, d)에 개개의 알루미나 입자를 확인할 수 있었다. 아래의 [표 2-10]은 이러한 조건에서 얻어진 평균 코팅층의 두께를 보여주고 있다.
[표 2-10] 1시간 단위로 끊어서 총 180분 동안 MPO 코팅한 시편의 평균 두께
Figure pat00026
[표 2-10]을 참조하면, 여기서 평균 코팅층의 두께는 [표 2-9]에 보이는 180분 동안 연속으로 코팅한 경우의 평균 177㎛보다 무려 40㎛ 두께가 두꺼운 것을 볼 수 있다. 이러한 결과는 400㎛정도의 후막 MPO 코팅층을 얻기 위해서는 연속적인 코팅보다 일정한 시간씩 코팅 후 다시 하는 단속적인 방법이 유리함을 나타낸다.
전술한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 따른 기계 부품의 제조 방법에 의하면, 경량의 알루미늄 합금 또는 마그네슘 합금을 재질로 하는 기계 부품의 모재 표면에 플라즈마 아크 산화 방식을 이용하여 알루미나 산화막을 코팅시킴으로써 기계 부품의 경량화를 도모할 수 있으며, 기계 부품의 모재 표면에 코팅된 알루미나 산화막을 통해 유해 성분이 외부로 용출되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 기계 부품의 내식성, 내마모성 등의 기계적 특성을 향상시켜 기계 부품의 적용 범위를 확대시킬 수 있다. 또한, 기계 부품의 모재 표면에 알루미나 산화막을 코팅시키는 과정에서 니켈 또는 크롬 도금에서와 같이 폐수가 발생하지 않아 환경 오염을 방지할 수 있으며, 폐수 처리에 처리 비용이나 처리 시간이 소요되지 않아 기계 부품의 제조 원가를 저감시킬 수 있다. 또한, 동합금 재질로 형성되는 각종 기계 부품을 원자재 가격이 저렴한 알루미늄 합금 재질 등의 기계 부품으로 대체할 수 있어 기계 부품의 가격 경쟁력을 향상시키고, 생산성을 향상시켜 국내외에서 기계 부품의 판매 점유율을 증가시킬 수 있다.
이상, 본 발명에 대하여 전술한 실시예들 및 첨부된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명이 다양하게 변형 및 수정될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
1: 전원 공급기 2: 고전압 커패시터
3: 전류 및 전압 제어기 4: 지지대
5: 교반기 6: 전해액 조절기
7: 온도계 8: 냉매 순환기
9: 코팅 대상물 10: 전해액
11: 용기

Claims (14)

  1. 기계 부품의 모재를 마련하는 단계와;
    상기 기계 부품의 모재를 전해액에 침지시키고, 상기 전해액 내부에서 플라즈마 아크를 발생시켜 상기 기계 부품의 모재 표면에 산화막을 코팅시키는 단계;
    를 포함하는 기계 부품의 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 기계 부품의 모재를 마련하는 단계에서,
    상기 기계 부품의 모재는 알루미늄, 마그네슘 또는 티타늄 합금 중 적어도 어느 하나의 재질로 형성되는 기계 부품의 제조 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 기계 부품의 모재를 마련하는 단계는,
    탄소강 재질의 금형을 형성하는 단계와;
    지르콘샌드와 물유리로 형성되고, 그라파이트계 도형제로 도포되어 건조되는 코어를 상기 금형 내부에 장착하는 단계와;
    상기 금형을 예열하는 단계와;
    상기 고주파 유도로에서 용해된 알루미늄, 마그네슘 또는 티타늄 합금 중 어느 하나의 합금을 상기 금형의 내부에 주입하고 응고시켜 상기 기계 부품의 모재를 형성하는 단계; 및
    상기 기계 부품의 모재를 열처리하는 단계;
    를 포함하는 기계 부품의 제조 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 기계 부품의 모재를 형성하는 상기 알루미늄 합금은 Cu: 0.20wt% 이하, Si: 6.5?7.5wt%, Mg: 0.2?0.4wt%, Zn: 0.10wt%, Fe: 0.20wt% 이하, Mn: 0.10wt% 이하, Ni: 0.05wt% 이하, Ti: 0.20wt% 이하, Pb: 0.05wt% 이하, Sn: 0.05wt% 이하, Cr: 0.05wt% 이하 및 잔부 Al이 함유된 합금이 사용되는 기계 부품의 제조 방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 금형을 예열하는 단계 및 상기 알루미늄 합금을 상기 금형의 내부에 주입하는 단계에서,
    상기 금형은 300?350℃의 범위로 예열되고, 상기 알루미늄 합금은 800?850℃의 범위에서 용해되어 상기 금형에 주입되는 기계 부품의 제조 방법.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 금형의 내부에 주입되고 응고되는 상기 기계 부품의 모재는 인장강도: 200Mpa, 연신율: 10% 이상, 경도: 75Hv 이상, 기공율: 0.7% 이하의 특성으로 형성되는 기계 부품의 제조 방법.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 기계 부품의 모재 표면에 산화막을 코팅시키는 단계에서,
    상기 기계 부품의 모재를 상기 전해액에 침지시키기 전 상기 기계 부품의 모재를 아세톤 용액에 담가 초음파 세척하는 단계를 포함하는 기계 부품의 제조 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 기계 부품의 모재 표면에 산화막을 코팅시키는 단계에서,
    상기 전해액은 증류수, 증류수 1L당 2,100g의 물유리 및 30g의 수산화나트륨을 혼합하여 조성되는 기계 부품의 제조 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 전해액에 혼합되는 상기 물유리는 비중(20℃ 조건): 1.26 이상, 물분용분: 0.2% 이하, 산화나트륨(Na2O): 6?7%, 이산화규소(SiO2): 23?25% 및 산화제이철(Fe2O3): 0.03% 이하로 조성되는 물유리가 사용되는 기계 부품의 제조 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 기계 부품의 모재가 알루미늄 재질로 형성되고, 상기 기계 부품의 모재 표면에 알루미나 산화막을 코팅시키는 단계는,
    상기 전해액에 가해지는 양극 전류밀도가 증가시켜 하기의 반응식과 같이 Al(OH)3 및 Al2(SiO3)3을 생성하는 단계와;
    Al → Al3 + + 3e-
    Al3 + + 3OH- → Al(OH)3
    2Al3 + + 3SiO3 2 - → Al2(SiO3)3
    상기 전해액의 내부에서 발생되는 플라즈마 아크를 통해 하기의 반응식과 같이 상기 기계 부품의 모재 표면에 Al2O3 산화막을 형성시키는 단계;
    를 포함하는 기계 부품의 제조 방법.
  11. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 기계 부품의 모재 표면에 산화막을 코팅시키는 단계에서,
    상기 기계 부품의 모재 표면에 코팅된 상기 산화막에 표면 결함이 발생되거나 또는 상기 산화막이 균일한 두께로 형성되지 않는 경우에 상기 전해액에 가하는 코팅 전류, 코팅 전압 또는 코팅 시간 중 적어도 하나를 증감시키는 기계 부품의 제조 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 기계 부품의 모재 형상에 따라 상기 기계 부품의 모재 표면의 표면적이 증가할수록 상기 코팅 전류, 상기 코팅 전압 또는 상기 코팅 시간 중 적어도 하나를 증감시키는 기계 부품의 제조 방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 기계 부품의 모재 표면에 산화막을 코팅시키는 단계에서,
    상기 산화막의 코팅 두께를 증가시킬 때 상기 코팅 전류 및 상기 코팅 전압이 상기 전해액에 가해지는 않는 적어도 하나의 단속 구간을 포함하도록 상기 코팅 시간이 설정되는 기계 부품의 제조 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 기계 부품의 모재 표면에 산화막을 코팅시키는 단계에서,
    상기 코팅 시간을 180분으로 설정하고, 상기 단속 구간이 복수개 형성되도록 상기 코팅 시간을 60분 단위로 끊어서 상기 전해액에 상기 코팅 전류 및 상기 코팅 전압을 가해 상기 산화막이 형성되는 피막 속도 및 평균 코팅 두께를 증가시키는 기계 부품의 제조 방법.
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WO2015163579A1 (ko) * 2014-04-25 2015-10-29 주식회사 코다코 일체형 브레이크 페달 및 그의 다이캐스팅 제조방법
KR20190134157A (ko) * 2018-05-25 2019-12-04 고등기술연구원연구조합 알루미늄-실리콘 합금 시편의 표면처리방법
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