KR20210071093A - 알칼리 화학적 배쓰에 의해 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 표면 처리하는 공정 - Google Patents

Abstract

알루미늄 반제품을 처리하는 공정은 글루코네이트 및 소르비톨을 포함하는 착화제를 첨가함으로써 현탁 상태로 유지되는 가성 소다(NaOH) 및 용해된 알루미늄의 수용액을 제조하는 단계, 및 알루미늄 반제품을 용액과 접촉하게 배치시키는 단계, 및 용액의 온도를 사전결정된 범위 내에서 유지시키는 단계를 포함한다.

Description

알칼리 화학적 배쓰에 의해 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 표면 처리하는 공정

본 발명은 일반적으로, 금속 기계 가공 분야에 속하며, 특히, 본 발명은 화학적 배쓰에 의해 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된 반제품을 표면 처리하는 공정을 지칭한다.

항공 분야에서, 화학적 밀링(chemical milling)에 의해 금속 부품의 표면 처리를 위한 공정들이 이용된다는 것이 알려져 있다.

화학적 공정은 금속을 에칭시키고 표면 층을 제거하는, 가성 소다의 수용액 중에 침지에 의해 부품의 표면을 처리하는 것으로 이루어진 공정이다. 이러한 기술을 이용하여, 상이한 깊이 수준의 공동 또는 윤곽을 생성시키는 것이 가능하다.

제거된 층의 두께는 주로, 제거 속도(용액의 화학적 조성, 즉, 소다의 농도에 따라 가변적임)뿐만 아니라 반제품이 용액과 접촉을 유지하는 시간에 따라 달라질 것이다.

이러한 파라미터는 또한, 처리된 피스(piece)의 표면 마감에 영향을 미친다. 특히, 제거 속도가 높을 수록, 얻어진 표면의 품질이 낮아진다(왜냐하면, 후자가 너무 빠르기 때문에, 침식 공정을 제어하는 능력이 일반적으로 더 낮을 것이기 때문).

특히, 알루미늄 부품의 처리를 위해, 제거 속도는, 부품이 부식 용액과 화학적으로 상호 작용하는 방식과 함께 중요한 파라미터가 된다.

그러나, 전통적인 화학적 밀링의 경우에, 피스의 표면 마감의 측면에서 거친 결과가 여전히 얻어질 것이기 때문에, 이러한 인자를 적절하게 제어하는 것이 가능하지 않고, 소다의 농도를 간단하게 감소시킴으로써 용액을 희석시키는 것은 충분하지 않다.

결과적으로, 제어되지 않은 용액의 부식력은 한편으로 과도하게 높은 제거 속도로 이어지고, 다른 한편으로, 피스의 심미적 및 기계적 특성의 저하를 초래하며, 이에 의해, 예를 들어, 화학적 밀링은 구조 부품에 대해 사용되지 않는다.

이러한 제한은 당연히, 이러한 기술을 더 넓은 적용 범위로, 심지어 비-항공 분야(예를 들어, 자동차)로 확장할 수 있는 가능성을 약화시킨다.

글루코네이트-기반 착화제가 가성 소다 용액에 첨가되는, 화학적 밀링 작업의 다른 예는 문헌["Alkaline etching of aluminum and its alloys - A new caustic soda recovery system" (Strazzi et Al., AESF SUR/FIN PROCEEDINGS 2002, 24 June 2002, pp. 1-22, XP055599515, [US] ISSN: 0024-3345)]으로부터 알려져 있다.

그러나, 심지어 이러한 공정은 제거 속도를 최적으로 제어할 수 없다는 단점을 갖는다. 또한, 표면 거칠기가 전통적인 기계 가공으로 피스가 처리된 경우에서보다 더 크기 때문에, 표면 마감의 측면에서 기계 가공 수율은 일반적으로 만족스럽지 못하다.

본 발명의 목적은 상기 문제를 해결하는 것이다.

이러한 결과를 얻기 위해, 본 발명에 따른 공정은 가성 소다 수용액을 사용하며, 여기서, 특정 양의 금속성 알루미늄은 미리 용해되고(편리하게 고체 형태로), 착화제를 첨가하여 현탁 상태로 유지되고, 이에 의해 현탁액 중 알루미늄의 농도는 사전결정된 범위 내로 유지된다.

글루코네이트 및 소르비톨을 포함하는 착화제가 또한, 용액에 첨가된다.

현탁액에서 알루미늄은 소다를 촉매화하여, 표면 처리되는 반제품에 대한 공격적 작용을 조절하는 효과를 갖는다. 착화제는 알루미늄 하이드록사이드 형태의 알루미늄의 침전을 방지하고, 용액이 제어된 방식으로, 즉, 제거 속도, 표면 거칠기 및 마감도, 등과 같은 파라미터를 제어함으로써 부식 작용을 수행할 수 있게 한다.

실제로, 용액 중에 글루코네이트와 소르비톨의 조합물의 존재가 반제품의 표면에서 물질의 제거 역학을 최적으로 조절한다는 것을 놀랍게도 발견하였다. 특히, 이러한 인자가 표면 마감도뿐만 아니라 제거 속도에 크게 영향을 미친다는 것을 발견하였다.

특히, 본 설명의 나머지에서 더 잘 이해되는 바와 같이, 글루코네이트와 유사한 착화제를 함유한 전통적인 배쓰로 얻을 수 있는 것과 유사한 정도의 표면 거칠기와 관련하여(이러한 거철기 정도는 이러한 착화제의 부재 하에서 가성 소다의 용액을 사용하는 통상적인 화학적 밀링 공정으로 처리된 피스보다 훨씬 더 양호함), 글루코네이트 및 소르비톨의 조합을 함유한 용액을 사용하는 경우에, 착화를 가속화시키고 제거 속도를 증가시키는 것이 가능하며, 이는 공정을 산업화하고, 동일한 시간에 훨씬 더 많은 수의 피스를 가공할 수 있게 한다.

본 발명에 따른 공정을 이용하면, 물질의 기계적 특성이 손상되지 않으며, 또한, 부품이 복잡한 형상을 갖는 경우에도, 완전히 균일한 방식으로 반제품을 처리하는 것이 가능하거나, 예를 들어, 작은 부품 및/또는, 접근하기 어려운 피스의 부분을 생산하기 위해 매우 정밀한 기계 가공을 수행하는 데 필요하다.

또한, 본 공정에 의해 처리된 피스의 심미적 수율은 기계적 제거, 샌딩 및 연마의 전통적인 기술로 얻어지는 것과 동일하지만, 비용은 크게 절감된다. 특히, 기계 가공된 부품의 표면의 균일성은 임의의 후속 페인팅 및/또는 용접 작업을 용이하게 한다.

또한, 사용되는 착화제는 완전히 생태적이고, 폐기하기 용이하며, 이의 사용은 또한, 배쓰가 독성 가스를 방출하는 것을 방지하여, 유익한 경제적 및 환경적 효과를 갖는다.

상기 및 다른 목적 및 장점은 본 발명의 일 양태에 따라, 청구항 제1항에서 규정된 특징을 갖는, 화학적 용액과의 접촉 또는 침지에 의한, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된 반제품의 표면 처리 공정에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 구체예는 종속항들에서 규정된다.

본 발명의 복수의 구체예를 상세히 설명하기 전에, 본 발명은 이의 적용에 있어서 하기 상세한 설명에 제시되거나 도면에 예시되는 구성적 세부 사항으로 제한되지 않는다는 것이 명백해야 한다. 본 발명은 다른 구체예들을 추정할 수 있고, 실제로 상이한 방식으로 구현되거나 달성될 수 있다. 또한, 어법 및 용어가 설명적 목적을 가지고 제한적인 것으로 해석되지 않는 것으로 이해되어야 한다.

알루미늄 반제품을 처리하는 공정은 100 g/ℓ 내지 250 g/ℓ 농도의 소듐 하이드록사이드(NaOH) 및 50 g/ℓ 내지 70 g/ℓ 농도의 용해된 금속성 알루미늄의 수용액을 제조하는 단계를 포함한다. 알루미늄 반제품은 알루미늄이 이러한 용액에 의해 에칭될 수 있도록 알루미늄(모놀리식 형태 또는 다른 금속과 합금화됨)을 함유한 제품이다.

글루코네이트 및 소르비톨을 포함하는 알루미늄 착화제가 용액에, 5 g/ℓ 내지 25 g/ℓ의 농도로 첨가된다.

소르비톨 농도(용액 1 리터 당 그램)와 글루코네이트 농도(용액 1 리터 당 그램)의 비율은 0.7 내지 0.75이다.

이러한 방식으로, 시간에 따라 적절한 비율로 현탁액에서 소다 및 알루미늄의 농도를 유지시켜, 후자의 침전을 피하는 것이 가능하다.

또한, 화학적 처리 배쓰는 독성 가스가 방출되지 않기 때문에 환경 친화적이고 안전할 것이다.

반제품은 원하는 표면 처리를 수행하는 데 필요한 시간 동안, 용액과 접촉되게 배치된다. 이러한 기간 동안, 상기 용액의 온도는 50℃ 내지 100℃ 범위에서 유지되며, 상기 용액 중에 용해되는 알루미늄 농도는 50 g/ℓ 내지 70 g/ℓ 범위에서 유지된다.

온도는 물질이 제거되는 속도에 영향을 미치며, 착화제의 존재는 알루미늄을 용액 상태로 유지시키는 것을 가능하게 만든다. 상기에 명시된 범위 내에서 유지되는 온도와 상기 값 내에 포함된 용액 중의 착화제의 농도의 조합된 작용이 전통적인 기술에 의해 얻어질 수 있는 결과(하기에 나타내는 바와 같음)와 비교할 때, 놀라운 품질의 표면 마감을 형성시킨다는 것이 확인되었다.

편의상, 가성 소다 및 알루미늄의 농도는 수용액의 적정에 의해 원하는 범위에서 유지된다.

편의상, 용액과 반제품 간의 접촉은 용액을 함유한 탱크에 반제품을 침지시킴으로써 이루어진다.

용액과의 접촉 전에 반제품을 마스킹하는 단계가 또한 제공될 수 있으며, 이에 따라, 용액은 조각의 마스킹되지 않은 부분만을 에칭한다.

바람직하게는, 상기 용액과 접촉하는 반제품의 치수 및/또는 마감 상태는 예상 결과를 참조하여, 기계 가공 작업의 진행 상태를 확인하기 위해, 주기적으로 체크된다.

선택적으로, 용해된 알루미늄을 촉매화하고 용액으로부터 후자를 분리하기 위해 구성된 필터(그 자체로 알려짐)로 용액을 여과하는 단계가 존재할 수 있다.

달성되는 장점들 중 하나는, 개선된 심미적 수율 및 물질의 기계적 성질에 악영향을 미치지 않는 기계 가공 작업을 수행할 가능성 이외에, 캐스팅 및 후속 고형화에 의해 수득된 부품들에 의해 형성된 알루미나(Al₂O₃)의 효과적인 제거에 관한 것이다. 실제로, 공지된 당해 분야에서, 알루미나의 기계적 제거가 전통적으로 사용되며, 그 결과, 부품에 잔류 응력을 유발시키고, 이를 제거하기 위해 추가 열 처리를 거치는 것을 필요하게 만든다. 본 발명에 따른 공정은 완전히 균일한 방식으로 생성된 알루미나를 효과적으로 제거하는 것을 가능하게 만들기 때문에, 이러한 단계를 피할 수 있다.

저-압 캐스팅이 관련되고, 이에 의해 캐스팅이 알루미늄-결합 샌드로 얻어지는 한, 이러한 샌드는 절대적으로 쉽게 제거될 수 있다는 점이 흥미롭다. 알루미늄 및 이의 합금도 동일하게 적용된다.

또한, 소량의 물질을 제거하여 부품의 두께를 감소시키는 능력은 본 발명에 따른 공정을 자동차 분야, 특히, 스포츠 및 경주 차량 분야에서 널리 바람직한 타입의 기계 가공으로 만들며, 여기서, 중량 인자가 중요하고, 일반적인 칩 제거 또는 성형 공정을 통해 또는 너무 거친 결과를 제공하는 전통적인 화학적 밀링을 이용함으로써 충분히 정밀한 기계 가공(및 피스의 기계적 특성에 영향을 미치지 않는 처리)을 거의 달성할 수 없다.

이러한 이유로, 본 발명에 따른 공정을 통해, 예를 들어, 전통적인 화학적 밀링 기술로 적절하게 기계 가공될 수 없는, 구조적 세부사항을 처리하는 것이 가능하다.

본 발명에 따른 화학적 배쓰에 의해, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된 반제품의 표면 처리 공정의 상이한 양태 및 구체예가 기술되었다. 각 구체예가 임의의 다른 구체예와 조합될 수 있는 것으로 이해된다. 또한, 본 발명은 기술된 구체예로 제한되지 않고, 첨부된 청구범위에 의해 규정된 범위 내에서 변경될 수 있다.

본 발명의 실험적 검증

전통적인 화학적 밀링 공정 및 본 발명에 따른 공정 둘 모두에 따라 처리된 알루미늄 합금으로 제조된 시편들 간에 비교 시험을 수행하였다.

특히, 시편을 합금 AL 6014(Al-Mg-Si)로서 식별된 알루미늄 합금으로 제조하였다.

롤링에 의해 수득된 복수의 시편들을 본 발명에 따른, 가성 소다(150 g/ℓ의 농도), 알루미늄(50 g/ℓ의 초기 농도), 및 글루코네이트와 소르비톨의 조합(각각 8.5 g/ℓ 및 6.2 g/ℓ의 농도)을 포함하는 용액에, 각각 15분의 7회 간격으로 나누어진, 1시간 45분의 총 시간 동안 침지시켰다. 각 간격의 종료 시에, 시편을 용액에서 추출하여 작업의 진행을 체크하고, 이후에, 다음 시간 간격 동안 다시 침지시켰다. 절차 전반에 걸쳐, 용액의 온도를 50℃에서 일정하게 유지시켰으며, 이러한 용액 중 용해된 알루미늄의 농도를 50 g/ℓ에서 유지시켰다.

상기 조건 하에서, 제거 속도 값을 0.008 mm/분 내지 0.0083 mm/분의 범위에서 검출하였다. 또한, 시편의 표면 거칠기의 값은, 처리의 종료 시에, 0.62 ㎛ 내지 1.01 ㎛의 범위이었다.

유사한 시험 방법에 따르면, 동일한 합금 AL 6014의 시편을 가성 소다(70 g/ℓ의 농도), 알루미늄(40 g/ℓ의 초기 농도), 및 소르비톨(40 g/ℓ의 농도)을 포함하는 용액에 침지시켰다. 전체 절차 전반에 걸쳐, 용액의 온도를 50℃에서 일정하게 유지시켰으며, 이러한 용액 중 용해된 알루미늄의 농도를 40 g/ℓ에서 유지시켰다.

상기 조건 하에서, 제거 속도 값을 0.00124 mm/분 내지 0.00129 mm/분 범위에서 검출하였다. 또한, 시편의 표면 거칠기의 값은, 처리 종료 시에, 0.81 ㎛ 내지 1.02 ㎛의 범위이었다.

마지막으로, 유사한 시험 방법에 따르면, 동일한 합금 AL 6014의 시편을 항공학에서 부품들의 화학적 밀링에서 전통적으로 사용되는 120 g/ℓ의 농도의 가성 소다의 용액에 침지시켰다. 이러한 경우에, 제거 속도는 0.05 mm/분 내지 0.12 mm/분이었으며, 표면 거칠기는 2.00 ㎛ 내지 3.80 ㎛이었다.

결과는, 본 발명에 따른 공정에 의해 기계 가공된 시편의 표면 거칠기가 착화제로서(글루코네이트와 조합하지 않고) 소르비톨을 함유한 용액 중에 침지된 시편의 표면 거칠기보다 낮거나 이와 실질적으로 유사함을 나타내며, 가성 소다만을 함유한 용액의 경우에서보다 표면 거칠기의 측면에서 확실하게 더 나은 수율을 갖는다. 그러나, 동시에, 착화제로서 소르비톨만을 함유한 용액으로 시편을 처리함으로써 달성 가능한 것보다 훨씬 더 높은(6배 이상) 제거 속도 값이 얻어졌다.

이는 높은 수준의 표면 마감을 달성하면서, 더 많은 반제품을 가공할 수 있게 한다.

Claims (6)

1. 알루미늄 또는 알루미늄 합금 반제품을 표면 처리하는 방법으로서,
   a) 100 g/ℓ 내지 250 g/ℓ 농도의 소듐 하이드록사이드(NaOH) 및 50 g/ℓ 내지 70 g/ℓ 농도의 용해된 금속성 알루미늄의 수용액을 제조하는 단계;
   b) 상기 용액에, 5 g/ℓ 내지 25 g/ℓ 농도의, 글루코네이트 및 소르비톨을 포함하는 알루미늄 착화제를 첨가하는 단계로서, 소르비톨 농도(용액 1 리터 당 그램)와 글루코네이트의 농도(용액 1 리터 당 그램) 간의 비율이 0.7 내지 0.75인 단계;
   c) 상기 반제품을 상기 용액과, 원하는 표면 처리를 수행하기 위해 필요한 시간 동안 접촉하도록 배치시키는 단계; 및
   d) 단계 (c) 동안, 상기 용액의 온도를 50℃ 내지 100℃ 범위에서 유지시키고, 상기 용액 중에 용해된 알루미늄 농도를 50 g/ℓ 내지 70 g/ℓ 범위에서 유지시키는 단계를 포함하는, 방법.
2. 제1항에 있어서, 가성 소다 및 알루미늄의 농도가 수용액의 적정에 의해 단계 (a)에서 지시된 범위에서 유지되는, 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 단계 (c)가 용액을 함유한 탱크에 반제품의 침지에 의해 수행되는, 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 반제품과 용액을 접촉시키기 전에 반제품을 마스킹하는 단계를 포함하는, 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용액과 접촉하는 반제품의 치수 및/또는 마감 상태를 주기적으로 체크하는 단계를 포함하는, 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 용해된 알루미늄을 촉매화하고 용해된 알루미늄을 상기 용액과 분리하도록 구성된 필터로 용액을 여과하는 단계를 포함하는, 방법.