KR20200111241A - 자유 고체를 통한 이온 수송에 의해 금속을 평활화 및 연마하기 위한 공정에서 전해질로서 h2so4의 용도 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기체 환경에서 전기 전도성 자유 고체를 통한 이온 수송에 기초한, 자유 고체를 통한 이온 수송에 의한 금속, 구체적으로 예를 들어 장신구의 금속 부품 평활화 및 연마 공정에서 전해질로서의 H2SO4의 용도에 관한 것이며, 상기 고체는 전해질을 보유하여 상당한 전기 전도도를 갖도록 하기 위한 친화성 및 다공성을 갖는 구형 입자로 구성되고, 여기서 상기 용도는 연마될 부품의 금속 또는 합금에 기초하여 다양한 농도를 갖는 H2SO4의 수용액이며 자유 고체는 바람직하게는 설폰화 스타이렌-디비닐벤젠 공중합체의 이온을 교환하는 거대다공성 고분자 구체이다.
Description
발명의 목적
발명의 명칭에 의해 표현되는 바와 같은 본 발명은 자유 고체를 통한 이온 수송에 의한 금속 평활화 및 연마 공정에서 전해질로서 H2SO4의 용도에 관한 것이며, 아래에서 상세히 설명될 것이고 이러한 적용 분야에서 현재 알려진 것과 비교할 때 특히 신규한 장점 및 특징을 제공한다.
본 발명의 목적은 구체적으로, 자유 고체를 통한 이온 수송에 기초한, 금속 부품, 예를 들어 장신구 평활화 및 연마 공정에서 전해질 액체로서 H2SO4에 기초한 용액의 용도이며, 상기 고체는 전기 전도성이고 기체 환경과 함게 포함되고, 금속 부품 직류 발전기와 같은 전기 전원의 양극에 연결되는 방식으로 금속 부품이 배열되고, 바람직하게는, 고체(입자)의 조립체에 대해 움직이고 전원의 음극과 전기적으로 접촉하도록 배열되고, 여기서 앞서 언급한 고체는 상당한 전기 전도도를 가져 전기 전도성이 되도록 특정 양의 상기 전해질 액체를 그 안에 보유할 수 있는 거대다공성 고분자 입자이고, 해당 전해질은 평활화 또는 연마될 금속 또는 합금의 유형에 기초하여 상이한 비율로 사용되는 H2SO4 용액으로 이루어진다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 강철, 스테인리스 강, Cr-Co, 티타늄 및 알루미늄 합금을 연마하기 위한 특정 전해질의 사용을 보호하는 것이다.
발명의 분야
본 발명의 적용 분야는 특히 입자에 의한 전해연마 공정을 포함하는, 금속 부품, 예컨대 금 장신구 및 합금 평활화 및 연마를 위한 산업 분야에 속한다.
자유 고체(입자)로써 매체에서 금속을 평활화 및 연마하는 여러 상이한 시스템이 알려져 있다.
오랫동안, 지지체에 부착되지 않은 입자의 사용을 통해 기계적 마모가 발생하고 상이한 형태와 크기를 가지며 처리되는 재료보다 경도가 더 큰 다양한 장치가 사용되어 왔다.
상기 장치는 그 사이에서 상대적인 움직임을 발생시켜 처리되는 부품에 대한 입자의 마찰을 발생시킨다.
이들 장치는 예를 들어 회전 컨테이너 (드럼), 진동 컨테이너 또는 샌드블라스터로 구성된다.
그러나, 앞서 언급한 시스템과 같이 직접적인 기계적 마모를 기반으로 하는 모든 시스템은 균일성이 결여되는 방식으로 부품에 영향을 미친다는 점에서 심각한 단점을 갖는데, 이는 연마 수단(입자)에 의해 부품에 가해지는 압력과 침식된 재료의 양 사이에 일정한 비례가 있음을 의미하며, 부품의 돌출된 조각이 흔히 마모되고 과도하게 평활해진다.
또한, 상기 시스템에서 사용되는 전체 기계적 에너지는 많은 경우에 과도한 힘으로부터의 타격 및 변형에 의해 야기되는 부품 손상의 원인이다.
더욱이, 기계적 마모에 기초한 시스템은 소성 변형이 있는 금속 부품의 표면을 생성하고, 그렇게 함으로써 불가피하게 상당한 양의 이물질을 차단하는데, 많은 경우에 재료의 표면층의 오염으로 인해 처리가 적합하지 않게 된다.
마찬가지로, 전해연마로도 알려진 갈바닉 처리에 의해 수행되는 연마 시스템이 공지이며, 여기서 처리되는 금속 부품은 산화전극과 같은 고체 입자 없이 전해질 액체에 잠긴다.
상기 공정은 앞서 언급한 전적으로 기계적인 연마 공정과 달리 표면 오염이 없는 표면을 생성한다는 장점을 갖는다.
현재, 달성되는 수 미크론 이상의 거칠기에 대한 평탄화 효과는 많은 경우에 불충분하며, 따라서 상기 처리는 이전의 기계적 마모 공정에 대한 마감으로서 주로 사용된다.
또한, 처리되는 금속 부품을 자유롭게 이동하는 고체(입자)를 포함하는 전해액에 담그는 갈바닉 공정이 있다.
상기 공정을 위해 개발된 전해질은 입자가 없는 갈바닉 공정보다 더 두꺼운 산화층을 생성하여, 내부에 포함된 입자가 기계적으로 산화층과 상호작용할 때, 거칠기가 1 밀리미터까지 효율적으로 평활화된다.
그러나, 두 경우 모두, 현재까지 사용되는 갈바닉 공정이 처리되는 금속의 결정 구조 및 조성과 관련되는 피팅(pitting) 또는 단차(stepped) 표면과 같은 결함을 흔히 생성하며, 많은 경우에 상기 공정의 사용은 조성 (합금) 및 몰딩 및 성형 처리로 인한 이러한 허용되지 않는 결함이 없이 처리될 수 있는 것으로 경험적으로 입증된 부품으로 제한된다.
이러한 단점을 해결하기 위해, 본 출원인은 특허 출원 번호 ES2604830A1를 보유하고 있으며, 이는 자유 고체를 통한 이온 수송에 의한 금속 평활화 및 연마 공정, 및 상기 공정을 수행하기 위한 전기 전도성 고체를 개시하며, 장치와 연관된 클램핑 요소에 의해 전류 발생기의 양극에 부품을 연결하고, 이것이 사이 공간을 채우는 기체 환경이 있는 컨테이너에 포함된 전기 전도성 자유 고체의 입자와의 마찰을 겪는 것을 포함하고, 환원전극 역할을 하는 컨테이너 또는 고리를 직접 통하여 전류 발생기의 음극(환원전극)과 전기적으로 접촉하고, 여기서 고체는 전기 전도도를 갖도록 포화량 아래로 전해질 액체를 보유할 수 있는 다공성 및 친화성을 갖는 입자이다.
이제, 본 발명의 목적은 이러한 유형의 공정을 위한 이상적인 전해질로서 또한, 최적의 결과를 얻기 위해 연마될 부품의 금속 또는 합금의 유형에 기초하는 용액에서 이상적인 비율인 H2SO4의 용도를 시장에 제공하는 것이다.
공지된 바와 같이, H2SO4는 다양한 금속에 대한 스트리핑(stripping), 에칭(etching) 및 전해연마 공정에 널리 사용되는 산이다. 이는 다양성자 산이므로 거의 모든 금속과 가용성 염을 형성하고, 전해연마를 가능하게 하는 산화층의 존재를 입증한다.
마찬가지로, 지금까지 알 수 있듯이, HNO3, HF, HCl 등과 같은 높은 증기압을 갖는 산을 사용하면, 고분자 구체의 코어 및 연마될 부품의 표면에서 증발 및 이후의 응축으로 인한 전해질의 불가피한 수송이 존재한다. 이는 구체와 연마될 표면 사이의 엄격한 기하학적 관계에 국한되지 않는 전기화학적 공격 및 결과적으로 결함있는 결과를 초래한다.
반면에, 매우 낮은 증기압을 갖는 H2SO4를 사용하면 그러한 공격의 위험이 적어진다. 따라서, 예를 들어 Ti에 대한 결과가 매우 적합하며, 매우 광택이 있는 표면 및 매우 낮은 최종 거칠기를 유발한다.
반면에, 종래 기술을 참조하면, 출원인이 자유 고체를 통한 이온 수송에 의한 금속 평활화 및 연마 공정 또는 다른 전해연마 공정에서 전해질로서의 H2SO4용도를 인식하지 못함을 확인할 수 있다.
발명의 설명
구체적으로, 앞서 언급한 바와 같이, 본 발명은 자유 고체를 통한 이온 수송에 의한 금속 평활화 및 연마 공정, 더욱 구체적으로, 기체 환경에서 전기 전도성인 자유 고체(입자)로써 수행되는 이온 수송에 기초하는, 금속 부품, 제한되는 것은 아니지만 예를 들어 장신구 평활화 및 연마 공정에서 전해질로서의 H2SO4의 용도를 제안하며, 상기 고체는 특정 양의 상기 전해질 액체를 보유하여 상당한 전기 전도도를 갖도록 충분한 다공성 및 친화성을 갖는 구형 입자로 이루어진다.
바람직하게는, 상기 공정에 사용된 앞서 언급한 자유 고체는 설폰화 폴리스타이렌의 이온을 교환하는 거대다공성 고분자 구체이고, 더욱 구체적으로, 구체는 설폰 작용기 SO3-, 1.24 Kg/m3의 밀도, 1.7 eq/L 이상의 이온 교환 용량, 0.6 내지 0.8 mm의 직경 및 52-58%의 물 보유 용량을 갖는 고체 스타이렌-디비닐벤젠 공중합체 매트릭스로 구성되고, 예를 들어, AMBERLITE 252RFH ®라는 이름으로 시판되는 것과 같은 수지로 이루어진다.
이러한 유형의 구체를 사용하는 이유는 유기 고분자로 이루어지고 구체의 코어에 균일하게 분포된 높은 비율의 상호연결된 기공을 포함한다는 점을 고려할 때, 이들이 강성과 전해질 액체 보유 용량, 동시에, 압력 및 결과적인 구체의 변형하의 전해질 액체의 일시적인 방출 용량 사이의 적합한 절충점을 제공하는 물질을 형성하기 때문이다.
또한, 이들은 황산 H2SO4과 같은 고농도의 강산에도 견디는 높은 내화학성을 갖는다.
이들은 또한 금속 치과 보철물에 대한 대부분의 부품에 존재하는 거칠기를 유리하게 연마 및 평탄화하기에 적합한 직경을 갖는다.
어쨌든, 언급한 바와 같이, 사용될 전해질 액체는 연마될 부품의 금속 또는 합금의 유형에 기초하여 다양한 농도를 갖는 H2SO4의 수용액이다. 이 전해질의 사용은 구체적으로 강철, 스테인리스 강, Cr-Co 합금, 및 니켈, 티타늄 및 알루미늄 합금에 대해 연구되었다.
강철, 스테인리스 강 또는 Cr-Co 합금
구체적으로, 흡수된 전해질로서 연마될 강철, 스테인리스 강 또는 Cr-Co 합금으로 만들어진 부품에 적용하기 위해, 8 내지 25%(바람직하게는 15%)의 농도로, 바람직하게는 건조 고분자에 대해 40 내지 50%의 전해질 비율로 H2SO4의 수용액의 사용이 예상된다.
NI 합금
“Inconel”유형 Ni 합금으로 만들어진 부품 가공을 위해 흡수되는 전해질로서, 15 내지 30%(바람직하게는 20%)의 농도를 갖는 H2SO4의 수용액의 사용이 예상된다.
Ti
Ti 및 이의 합금으로 만들어진 부품을 가공하기 위해 흡수되는 전해질로서, 100 미만의 분자량을 갖는 알코올 중의 H2SO4의 용액의 사용이 예상되고, 상기 알코올은 개별적으로 또는 동시에 사용되는 단순 또는 폴리올, 예컨대: 메탄올, 에탄올, 프로판올, 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 글리세롤이다.
Ti에 사용되는 전해질은 5% 미만의 매우 낮은 물 함량을 가지므로, 상기 금속의 다음에 따른 산화에 의해 부동태화되는 강한 경향에 대응한다: Ti + 2 H2O = TiO2 + 4H + 4 e-
메탄올 및 에탄올과 같은 낮은 점도를 갖는 알코올을 사용하여 (메탄올: 0.5 cps, 물: 1 cps), 한편으로는 스타이렌-디비닐벤젠 공중합체의 고분자 입자에서 우수한 흡수 용량을 달성할 수 있으며, 다른 한편으로는, 입자 기공 네트워크를 통한 높은 전해질 이동도에 의해, 평활화 및 연마 공정이 강철 및 Cr-Co 합금에 대한 공정과 유사한 속도(2 내지 10 미크론의 두께/분)를 가질 수 있다.
바람직하게는, 앞서 언급한 이유로 인해, 메탄올에 대해 10 내지 30%, 바람직하게는 20%의 황산 농도를 갖는 메탄올과 황산으로 구성된 전해질이 사용된다.
물 함량은 바람직하게는 최대 5%로 제한되어야 한다.
예: H2O: 80% H2SO4: 18% H2O: 2%
공정은 바람직하게는 O2가 없는 무수 가스 분위기(예를 들어: N2, CO2, Ar, 등)에서 개발된다.
바람직하게는, 30 내지 80V의 인가 전압 및 예를 들어: 2 초 + 0.5 초의 반-주기의 일시적 우세를 갖는 주기적 극성 반전이 있으며 연마될 부품이 산화전극이다.
바람직하게는 공정을 가속하기 위한 첨가제로서 0.05 내지 0.4% 비율의 할로겐화물, 바람직하게는 염화물 및/또는 불화물의 첨가가 고려된다.
예: H2O: 80% H2SO4: 17.8% H2O: 2% NaCl: 0.2%
Ti의 염화물이 쉽게 용해된다는 사실 이외에도 Cl 원자의 작은 크기는 산화물 층의 형성으로 인한 부동태에 효율적으로 대응할 수 있는 가능성을 보여주며, 따라서 효과적인 이온 수송을 야기한다.
알루미늄 평활화 및 연마를 위해, 바람직하게는 Ti에 적합한 것과 유사하지만 더 큰 물 및 염화물 함량을 갖는 전해질이 사용된다.
메탄올: 30% 물: 40% H2SO4: 17% NaCl: 13%
고분자 흡수체에 대한 전해질 액체 함량은 바람직하게는 40 내지 50%이다.
본 발명의 본질과 이를 구현하는 방법을 충분히 설명했으므로, 이의 범위 및 파생되는 장점의 이해를 위해 당업자에게 설명을 확장할 필요는 없는 것으로 간주되며, 예로서 제공되는 것과 세부적으로 다르지만 기본 원칙을 변경, 변화 또는 수정하지 않는 한 또한 요청된 보호의 적용을 받는 다른 구체예에서 수행될 수 있다.
Claims (13)
- 자유 고체를 통한 이온 수송에 의한 금속 평활화 및 연마 공정, 구체적으로 기체 환경에서 전기 전도성인 자유 고체로써 수행되는 이온 수송에 기초하는 금속 부품, 예컨대 장신구 평활화 및 연마 공정에서 전해질로서 H2SO4의 용도, 상기 고체는 특정 양의 전해질을 보유하여 상당한 전기 전도도를 갖도록 충분한 다공성 및 친화성을 갖는 구형 입자로 이루어지고, 연마될 부품의 금속 또는 합금의 유형에 기초하여 다양한 농도를 갖는 H2SO4의 용액의 사용을 특징으로 하는 용도.
- 제1항에 있어서, 강철, 스테인리스 강 또는 Cr-Co 합금으로 만들어진 부품에 적용하기 위해, 8 내지 25%의 농도를 갖는 H2SO4의 수용액의 사용이 예상되는 것을 특징으로 하는, 자유 고체를 통한 이온 수송에 의한 금속 평활화 및 연마 공정에서 전해질로서 H2SO4의 용도.
- 제2항에 있어서, 강철, 스테인리스 강 또는 Cr-Co 합금으로 만들어진 부품에 적용하기 위해, 용액 중의 H2SO4의 농도는 15%임을 특징으로 하는, 자유 고체를 통한 이온 수송에 의한 금속 평활화 및 연마 공정에서 전해질로서 H2SO4의 용도.
- 제2항 또는 제3항에 있어서, 강철, 스테인리스 강 또는 Cr-Co 합금으로 만들어진 부품에 적용하기 위해, H2SO4의 수용액은 건조 고분자에 대해 40 내지 50%의 비율을 갖는 것을 특징으로 하는, 자유 고체를 통한 이온 수송에 의한 금속 평활화 및 연마 공정에서 전해질로서 H2SO4의 용도.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, Ni 합금으로 만들어진 부품에 적용하기 위해, 15 내지 30%의 농도를 갖는 H2SO4 의 수용액의 사용이 예상됨을 특징으로 하는, 자유 고체를 통한 이온 수송에 의한 금속 평활화 및 연마 공정에서 전해질로서 H2SO4의 용도.
- 제5항에 있어서, Ni 합금으로 만들어진 부품에 적용하기 위해, 20%의 농도를 갖는 H2SO4의 수용액의 사용이 예상됨을 특징으로 하는, 자유 고체를 통한 이온 수송에 의한 금속 평활화 및 연마 공정에서 전해질로서 H2SO4의 용도.
- 제1항에 있어서, Ti 합금으로 만들어진 부품에 적용하기 위해, 100 미만의 분자량을 갖는 알코올 중의 H2SO4 용액의 사용이 예상됨을 특징으로 하는, 자유 고체를 통한 이온 수송에 의한 금속 평활화 및 연마 공정에서 전해질로서 H2SO4의 용도.
- 제7항에 있어서, 사용된 전해질은 5% 미만의 물 함량을 갖는 것을 특징으로 하는, 자유 고체를 통한 이온 수송에 의한 금속 평활화 및 연마 공정에서 전해질로서 H2SO4의 용도.
- 제7항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, Ti 합금으로 만들어진 부품에 적용하기 위해, 메탄올에 대해 10 내지 30%의 황산 농도를 갖는 메탄올과 황산로 구성된 전해질의 사용이 예상됨을 특징으로 하는, 자유 고체를 통한 이온 수송에 의한 금속 평활화 및 연마 공정에서 전해질로서 H2SO4의 용도.
- 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, Ti 합금으로 만들어진 부품에 적용하기 위해, 공정은 30 내지 80V의 인가 전압 및 반-주기의 일시적 우세를 갖는 주기적 극성 반전으로써 O2가 없는 무수 가스 분위기에서 수행되고 여기서 연마될 부품은 산화전극임을 특징으로 하는, 자유 고체를 통한 이온 수송에 의한 금속 평활화 및 연마 공정에서 전해질로서 H2SO4의 용도.
- 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, Ti 합금으로 만들어진 부품에 적용하기 위해, 공정을 가속하기 위한 첨가제로서 할로겐화물의 첨가가 예상됨을 특징으로 하는, 자유 고체를 통한 이온 수송에 의한 금속 평활화 및 연마 공정에서 전해질로서 H2SO4의 용도.
- 제11항에 있어서, Ti 합금으로 만들어진 부품에 대한 적용에 있어서, 할로겐화물은 0.05 내지 0.4% 비율의 염화물 및/또는 불화물임을 특징으로 하는, 자유 고체를 통한 이온 수송에 의한 금속 평활화 및 연마 공정에서 전해질로서 H2SO4의 용도.
- 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 공정에서 사용된 자유 고체는 설폰화 스타이렌-디비닐벤젠 공중합체의 이온을 교환하는 거대다공성 고분자 구체임을 특징으로 하는, 자유 고체를 통한 이온 수송에 의한 금속 평활화 및 연마 공정에서 전해질로서 H2SO4의 용도.
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