KR20130017390A - 자동차용 티타늄 소재의 단조용 산화 방지제 조성물 - Google Patents

자동차용 티타늄 소재의 단조용 산화 방지제 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차용 티타늄 소재의 단조용 산화 방지제 조성물에 관한 것으로, 메타규산염 0.3 내지 2중량%, 에탄올아민 0.1 내지 0.5중량%, 인산염 0.3 내지 1.0중량%, 규산염 1 내지 5중량%, 충진제 3 내지 15중량% 및 조성물의 총 중량을 100중량%로 되게 하는 양의 물로 이루어진 것을 특징으로 하는 본 발명의 자동차용 티타늄 소재의 단조용 산화 방지제 조성물은 사용하여 티타늄 단조물을 코팅할 경우 고온에서 표면이 산화하지 않고, 안정하게 금속표면을 유지할 수 있을 뿐만 아니라 여러가지 도장기기 물성 즉, 내식성, 부착성, 내충격성, 결정조도 등이 우수하고, 현장 적용시 작업환경 개선, 에너지 절감 및 품질이 우수하여 산업분야에서 전반적으로 사용될 있으며, 특히 자동차 산업분야에서 매우 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

Description

자동차용 티타늄 소재의 단조용 산화 방지제 조성물{ANTIOXIDANT COMPOSITION OF TITANIUM MATERIALS FOR FORGING}
본 발명은 자동차용 티타늄 소재의 단조용 산화 방지제 조성물에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 탄흑색의 결정피막으로 윤활제의 보전성과 단조가공 윤활의 하지피막이 우수한 티타늄계 소재의 단조용 산화 방지제 조성물에 관한 것이다.
자동차용 티타늄 단조품은 기계 공업, 자동차 항공기 산업 등 산업 전분야에 걸쳐서 다양한 기계 설비를 제조하는데 필요한 중요 소재 및 부품으로서 국가 산업 발전에 중추적인 역할을 담당하는 주요한 생산기반 산업이다.
단조 공정에는 열간단조, 냉간단조, 온간단조 공정으로 세부화되며 각 단조 공정별 특성에 맞게 혼합하여 제품을 생산한다. 종전에는 티타늄 열간 단조(1,000℃이상)시 산화 발생으로 인한 소재의 손실 부분 발생과 과다 스케일로 인한 다음 공정 성형에 불량률 증가 등 기업의 제품 생산에 많은 어려움이 발생 되고 있다. 특히 하이브리드카의 생산 추세에 따라 자동차 업계에서도 연비 향상 및 고성능화를 위한 경량이면서 기계적 성질이 우수한 티타늄 합금 부품을 자동차에 적극적으로 적응하려고 노력하고 있다.
티타늄합금은 강도가 높으면서도 화학적으로 안정하기 때문에 주로 항공우주 산업과 화학용 장치산업에 많이 이용되어 왔다. 최근 들어 티타늄 합금이 점차적으로 일반산업용까지 그 응용분야가 확대되고 있다. 티타늄합금 부품을 사용함으로써 자동차의 연비개선은 에너지 절약 차원에서 뿐만 아니라 지구 온난화의 주원인인 CO2 배출량을 줄일 수 있다.
현재 현대자동차, 기아자동차 및 GMDAT를 비롯한 자동차업계에서 사용되는 엔진부품, 볼트, 너트, 핸드폰 및 일반 기계류 부품업계에서 내식성 강화 등의 고품질을 위하여 필요한 티타늄 단조 산화방지제 표면처리 활용도가 500억/년~800억/년의 시장규모로 추정된다.
이러한 티타늄합금을 일반 산업용 소재로 이용되는 것은 크게 강도와 내식성이 우수하기 때문이다. 자동차 업계에서도 연비향상 및 고성능화의 관점에서 경량이면서 기계적 성질이 우수한 티타늄 합금 부품을 자동차에 적극적으로 적용하려고 노력하고 있다. 티타늄 단조품은 특정 산업(의료, 항공)에 생산되고 있으나 향후 하이브리드 자동차 개발로 인한 부품의 합금화 생산이 증가될 것으로 예상되며 합금제품 중 티타늄 제품의 생산도 늘어날 것으로 예상되고 있으며, 현재 티타늄 산화 방지제 제품은 전량 수입에 의존하고 있음으로 개발을 통한 수입대체 효과와 품질 향상 및 생산성 향상으로 기업의 경쟁이 확보될 것으로 예상되고 있다.
그러나, 이러한 고가격의 티타늄이 열간 단조에 의해 손실되는 비용은 3%의 재료 손실이 있다는 문제점이 대두되고 있어 이러한 손실을 줄일 수 있는 티타늄합금의 보호코팅제의 개발이 필요한 실정이다.
이에 본 발명자들은 이러한 티타늄의 열간 단조에 의한 손실을 억제하고, 고온단조시 유효한 윤활성과 뛰어난 표면 마무리를 가능하게 하는 보호코팅제를 개발하기 위해 계속 연구를 진행하던 중 메타규산염, 에탄올아민, 인산염, 규산염 및 충진제를 특정중량비로 혼합하여 제조된 산화 방지제 조성물이 여러가지 도장기기 물성 즉, 내식성, 부착성, 내충격성, 결정조도 등을 향상시키고, 현장 적용시 작업환경 개선, 에너지 절감 및 품질을 월등히 개선시킴을 발견함으로써 본 발명을 완성하였다.
대한민국 특허출원 제10-2008-7007170호
없음
본 발명은 티타늄의 열간 단조에 의한 손실을 억제하고, 고온단조시 유효한 윤활성과 뛰어난 표면 마무리를 가능하게 하는 자동차용 티타늄 소재의 단조용 산화 방지제 조성물을 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 메타규산염 0.3 내지 2중량%, 에탄올아민 0.1 내지 0.5중량%, 인산염 0.3 내지 1.0중량%, 규산염 1 내지 5중량%, 충진제 3 내지 15중량% 및 조성물의 총 중량을 100중량%로 되게 하는 양의 물로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동차용 티타늄계 소재의 단조용 산화방지제의 조성물을 제공한다.
본 발명의 자동차용 티타늄 소재의 단조용 산화 방지제 조성물을 사용하여 티타늄 단조물을 코팅할 경우 고온에서 표면이 산화하지 않고, 안정하게 금속표면을 유지할 수 있을 뿐만 아니라 여러가지 도장기기 물성 즉, 내식성, 부착성, 내충격성, 결정조도 등이 우수하고, 현장 적용시 작업환경 개선, 에너지 절감 및 품질이 우수하여 산업분야에서 전반적으로 사용될 있으며, 특히 자동차 산업분야에서 매우 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 발명에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 갖는 것으로 해석될 수 있다.
본 발명의 자동차용 티타늄 소재의 단조용 산화 방지제 조성물은 메타규산염 0.3 내지 2중량%, 에탄올아민 0.1 내지 0.5중량%, 인산염 0.3 내지 1.0중량%, 규산염 1 내지 5중량%, 충진제 3 내지 15중량% 및 조성물의 총 중량을 100중량%로 되게 하는 양의 물로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 티타늄 소재의 단조용 산화 방지제 조성물에 사용되는 메타규산염은 표면의 불순물 또는 이물질을 제거하기 위하여 사용되며, 이의 예로는 메타규산나트륨 또는 메타규산칼륨을 들 수 있다. 이는 산화 방지제 조성물의 총 중량을 기준으로 하여 0.3 내지 2중량%의 양으로 사용하며, 만일 0.3중량% 미만으로 사용할 경우 세정력이 떨어지는 문제가 있으며, 2중량% 초과의 양으로 사용할 경우 충진제의 부착이 방해되는 문제점이 있다.
본 발명의 티타늄 소재의 단조용 산화 방지제 조성물에 사용되는 에탄올아민은 표면의 불순물 또는 이물질을 제거하기 위하여 사용되는데, 예를 들면, 모노에탄올아민, 디에탄올아민 및 트리에탄올아민으로 이루어진 군에서 1종 이상을 선택하여 사용할 수 있으며, 이는 산화 방지제 조성물의 총 중량을 기준으로 하여 0.1 내지 0.5중량%의 양으로 사용할 수 있다. 만일 0.1중량% 미만의 양으로 사용할 경우에는 세정력이 떨어지며, 0.5중량% 초과의 양으로 사용할 경우 충진제의 부착이 방해되는 문제점이 있다.
본 발명의 티타늄 소재의 단조용 산화 방지제 조성물에 사용되는 인산염은 금속표면의 키일레이팅 막을 형성하여 1차 산화방지막을 형성하는 역할을 하며, 이의 예로는 피로인산나트륨, 피로인산칼륨, 산성피로인산칼륨 또는 산성피로인산나트륨을 들 수 있다. 이의 사용량은 산화 방지제 조성물의 총 중량을 기준으로 하여 0.3 내지 1.0중량%이며, 만일 0.3중량% 미만의 양으로 사용할 경우에는 산화방지막의 형성이 약하고, 1.0중량% 초과의 양으로 사용할 경우에는 물에 대한 용해성이 떨어져 오히려 충진제의 부착을 방해하는 문제점이 있다.
본 발명의 티타늄 소재의 단조용 산화 방지제 조성물에 사용되는 규산염은 인산염에 의해 형성된 산화방지막으로 보호하기 위한 무기코팅제이며, 충진제의 바인더 역할을 담당한다. 예를 들면, 규산칼륨, 규산나트륨 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으며, 이의 사용량은 산화 방지제 조성물의 총 중량을 기준으로 하여 1 내지 5중량%이다. 만일 1중량% 미만의 양으로 사용할 경우에는 보호막의 형성이 약하고, 5중량% 초과의 양으로 사용할 경우에는 보호막이 너무 두껍게 형성되어 단조시 치수에 문제를 발생시킬 수 있다.
본 발명의 티타늄 소재의 단조용 산화 방지제 조성물에 사용되는 충진제(필러)는 단조시에 윤활성을 부여하는 기능을 나타내며, 이의 예로는 탈크, 석분, 산화마그네슘, 과붕산칼륨 및 과붕산나트륨으로 이루어진 군에서 1종 이상을 선택하여 사용할 수 있다. 이의 사용량은 산화 방지제 조성물의 총 중량을 기준으로 하여 3 내지 15중량%이며, 만일 3중량% 미만의 양으로 사용할 경우 윤활성이 약하고, 15 중량% 초과의 양으로 사용할 경우 보호막이 너무 두껍게 형성되어 단조시 치수에 문제를 발생시킬 수 있다.
본 발명의 티타늄 소재의 단조용 산화 방지제 조성물은 상온에서 물을 교반조에 넣고, 상기 사용량의 메타규산염, 에탄올아민, 인산염, 규산염을 차례로 용해하면서 넣고 10분간 교반한 다음 충진제를 넣고, 약 60분에 걸쳐 교반함으로써 제조될 수 있다.
이렇게 제조된 본 발명의 티타늄 소재의 단조용 산화 방지제 조성물은 티타늄 또는 스텐, 니켈 등의 단조물에 함침 또는 분사의 방식으로 코팅하여 약 80-100℃에서 건조하여 1000-1300℃에서 열처리한 후 단조하여 부품을 생산할 수 있으며, 이에 따라 제조된 단조물은 고온에서 표면이 산화하지 않고, 안정하게 금속표면을 유지할 수 있도록 할 수 있다.
본 발명의 티타늄 소재의 단조용 산화 방지제 조성물의 코팅 전에는 피처리물의 표면에 부착되어 있는 유지분 및 오염물 등은 충분히 제거해야 한다.
본 발명의 자동차용 티타늄계 단조용 산화 방지제는 열처리 후 산화되지 않고, 일정하게 금속표면을 유지하여 산화스케일로 인한 재료의 손실이 적으며, 내열성이 우수하여 고온 1000-1300℃에서 열처리 후에도 화학적으로 안정성을 유지하며, 단조후 소재의 표면상태가 상대적으로 균일한 면을 보일 뿐만 아니라, 제조된 조성물의 코팅이 고온에서 산화되지 않아, 단조시 유활성이 매우 우수하다.
이와 같은 본 발명의 티타늄 소재의 단조용 산화 방지제 조성물을 사용하여 티타늄 단조물을 코팅할 경우 고온에서 표면이 산화하지 않고, 안정하게 금속표면을 유지할 수 있을 뿐만 아니라 여러가지 도장기기 물성 즉, 내식성, 부착성, 내충격성, 결정조도 등이 우수하고, 현장 적용시 작업환경 개선, 에너지 절감 및 품질이 우수하여 산업분야에서 전반적으로 사용될 있으며, 특히 자동차 산업분야에서 매우 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
이하 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 보다 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 티타늄 소재의 단조용 산화 방지제 조성물 제조
물 80.9중량%를 교반조에 넣고 메타규산나트륨 0.5중량%, 트리에탄올아민 0.1중량%, 피로인산칼륨 0.5중량%, 규산나트륨 5중량%를 차례로 용해하면서 넣고 10분간 교반한 다음 및 탈크 13중량%를 넣고 60분에 걸쳐 교반함으로써 산화 방지제 조성물 제조하였다.
실시예 2
물 87.4중량%, 메타규산칼륨 1.8중량%, 모노에탄올아민 0.4중량%, 피로인산나트륨 0.9중량%, 규산칼륨 1.5중량%, 석분 8중량%를 사용하는 것을 제외하고는 상시 실시예 1과 동일한 방법으로 산화방지제 조성물을 제조하였다.
실시예 3
물 90.0중량%, 메타규산나트륨 1.0중량%, 디에탄올아민 0.3중량%, 피로인산칼륨 0.7중량%, 규산나트륨 3중량%, 산화마그네슘 5중량%를 사용하는 것을 제외하고는 상시 실시예 1과 동일한 방법으로 산화방지제 조성물을 제조하였다.
실시예 4
물 84.0중량%, 메타규산칼륨 1.0중량%, 트리에탄올아민 0.3중량%, 피로인산나트륨 0.7중량%, 규산칼륨 3중량%, 과붕산칼륨 5중량%, 탈크 6중량%를 사용하는 것을 제외하고는 상시 실시예 1과 동일한 방법으로 산화방지제 조성물을 제조하였다.
시험예 1
상기 실시예 1 내지 4에서 제조된 산화방지제 조성물을 티타늄 단조물에 함침 또는 분사의 방식으로 코팅하여 80-100℃에서 건조하여 1000-1300℃에서 열처리하여 산화 방지제가 코팅된 티타늄 단조품을 제조하였다.
제조된 티타늄소재의 화성피막의 물성을 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 기준
고형분(%) 17 11 7 13 5~25
레벨링
코팅성		 우수 우수 우수 우수 양호 이상
침강안전성 우수 우수 우수 우수 양호 이상
소포성
(분)		 기포발생
없음		 기포발생
없음		 기포발생
없음		 기포발생
없음		 3분 이내
안료
휘산성		 안료 없음 안료 없음 안료 없음 안료 없음 양호 이상
pH(25℃) 11.8 10.5 10.6 10.7 12 이하
색상 백색 백색 백색 백색 -
산화 스케일
(wt %)		 1.5 2.0 2.2 0.5 5%이하
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 티타늄 소재의 단조용 산화 방지제는 열처리 후 산화되지 않고, 일정하게 금속표면을 유지하여 산화스케일로 인한 재료의 손실이 적으며, 내열성이 우수하여 고온 1000-1300℃에서 열처리 후에도 화학적으로 안정성을 유지하며, 단조후 소재의 표면상태가 상대적으로 균일한 면을 보일 뿐만 아니라, 제조된 조성물의 코팅이 고온에서 산화되지 않아, 단조시 유활성이 매우 우수하다.
본 발명의 티타늄 소재의 단조용 산화 방지제 조성물을 사용하여 티타늄 단조물을 코팅할 경우 고온에서 표면이 산화하지 않고, 안정하게 금속표면을 유지할 수 있을 뿐만 아니라 여러가지 도장기기 물성 즉, 내식성, 부착성, 내충격성, 결정조도 등이 우수하고, 현장 적용시 작업환경 개선, 에너지 절감 및 품질이 우수하여 산업분야에서 전반적으로 사용될 있으며, 특히 자동차 산업분야에서 매우 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

Claims (6)

  1. 메타규산염 0.3 내지 2중량%, 에탄올아민 0.1 내지 0.5중량%, 인산염 0.3 내지 1.0중량%, 규산염 1 내지 5중량%, 충진제 3 내지 15중량% 및 조성물의 총 중량을 100중량%로 되게 하는 양의 물로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동차용 티타늄 소재의 단조용 산화방지제 조성물.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 메타규산염이 메타규산나트륨 또는 메타규산칼륨인 것을 특징으로 하는 자동차용 티타늄 소재의 단조용 산화 방지제 조성물.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 에탄올아민이 모노에탄올아민, 디에탄올아민 및 트리에탄올아민으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 자동차용 티타늄 소재의 단조용 산화 방지제 조성물.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 인산염이 피로인산나트륨, 피로인산칼륨, 산성피로인산칼륨 및 산성피로인산나트륨으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 자동차용 티타늄 소재의 단조용 산화 방지제 조성물.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 규산염이 규산칼륨 또는 규산나트륨인 것을 특징으로 하는 자동차용 티타늄 소재의 단조용 산화 방지제 조성물.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 충진제가 탈크, 석분, 산화마그네슘, 과붕산칼륨 및 과붕산나트륨으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 자동차용 티타늄 소재의 단조용 산화 방지제 조성물.

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