KR960006592B1 - 철 도금 알루미늄 합금 부품 및 그 도금 방법 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

철 도금 알루미늄 합금 부품 및 그 도금 방법
제 1 도는 본 발명에 따라 피복된 알루미늄 피스톤의 구조를 도시하는 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 철 피복 알루미늄 합금 피스톤 12 : 알루미늄 피복 주물
14 : 무전해 도금 니겔 층 16 : 철 층
18 : 주석 "스트라이크"
본 발명은 알루미늄 및 알루미늄 합금의 도금에 관한 것으로, 특히 390 알루미늄 합금을 철(iron)로 도금하는 것에 관한 것이다.
차량용 알루미늄 피스톤을 갖는 알루미늄 내연 기관의 사용에 있어서, 피스톤 또는 실린더 보어는 저온시동(cold start) 동안 피스톤 스커트의 스커핑(∞uffing)을 방지하기 위해 알루미늄보다 더 단단한 다른 금속으로 피복되는 것이 필수적이다. 통상, 철 피복은, 일반적으로 구리 초벌 피복(undercoat)를 사용하여, 알루미늄 피스톤의 표면 상에 도금된다.
한 방법에 있어서, 도금시에 시안화 구리(copper cyanide) 및 염화 철(iron chloride) 조(bath)들이 사용된다. 시안화 구리는 독성이 강하고, 엄격히 규제되는 물질이다. 또한, 염화 철 조 역시 독성이 강하고 부식성이 아주 커서 주위의 장비에 대하여 상당히 파괴적이다.
다른 접근법은 실린더 보어 내로 철 슬리브를 삽입하는 것이다. 또 다른 접근법은 실린더 보어의 내부를 열 분무 피복 공정에 의하여 적합한 금속 합금으로 피복하고 나서 실린더 보어를 다시 기계 가공하는 것이다. 이러한 접근법들은 피스톤 도금에 비해 8배 내지 14배 비용이 더 드는 것으로 추산된다.
알루미늄 피스톤을 독성이 강하거나 유해한 물질을 사용하지 않고 요구되는 접착 시험, 경도 시험 및 마멸 시험 모두를 통과하는 허용가능한 철 피복으로 도금하기 위한, 바람직하게는 비용이 많이 들지 않는, 방법을 마련하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 시안화물의 내용물, 즉 무전해 니켈(eIectroless nickel)이 마련된다. 390 알루미늄 합금 기판을 철로 도금하는 방법은
(가) 알루미늄 기판 상에 아연산염 조로부터 아연산염 층을 도금하는 단계와,(나) 아연산염 층 상에 무전해 니켈 조로부터 니켈 층을 도금하는 단계와,
(다) 니켈 층 상에 황산 철 조로부터 철 층을 도금하는 단계와,
(라) 철 층 상에 알칼리성 주석 조로부터 주석 층을 도금하는 단계를 포함한다.
이러한 조들은 모두 시안화 구리 및 염화 제 2 철보다 환경면에서 훨씬 더 안전하다. 또한, 이들은 비용면에서 효율적이고 완전 페쇄식 루프 도금 시스템에서 사용될 수 있다.
최종 생산된 칠 도금 알루미늄 합금 부품은 부품 표면 상의 니켈의 제 1 층과, 니켈의 제 1층 상의 철의 제 2 층과, 철의 제 2 층 상의 주석의 제 3 층을 포함한다. 상기 피복은 우수한 접착성 및 마모성을 나타낸다.
본 발명의 방법에 있어서, 알루미늄 합금 피스톤은 그리스(grease) 및 오일을 제거하기 위해 통상적으로 비에칭 고온 알칼리성 세정제를 사용하여 우선 세정된다. 그러한 세정제의 예로서는 얼라이드-컬라이트(Allied-Kelite)사로부터 구입가능한 케미지드 740(CHEMIZID 740) 및 브이더블류알 사이언티픽(V`VRScientific)사로부터 구입가능한 알카녹스(ALKANOX)와 같은 설겆이용 조성물들과 같은 상업적으로 구입가능한 제품들을 들 수 있다. 통상적으로, 침지 시간은 약 15초 내지 1분이다. 만일 부품에 오일 또는 그리스가 많이 묻어 있다면, 용제 탈지 단계(so1vent dgegrease step)가 알칼리 세정 단계 이전에 수행될 수 있다.
그 다음에, 세정된 부품들은 냉각 순환수(cold mnning water)에서 헹구어지고, 10초 동안 산(acid) 에칭되어 산화 알루미늄을 제거하고, 냉각수로 다시 헹구어진다, 본 발명의 실시시에 산화 알루미늄을 제거하기 위해 적합하게 사용되는 공지된 산 에칭 용액은 대략 물 50%, 황산 25%, 질산 24% 및 플루오르화 수소산 1%로 이루어져 있다. 그러나, 산화 알루미늄을 제거하기 위한 공지된 산 에칭 용액를 중 어느 것, 예컨대 얼라이드 켈라이트사로부터 상업적으로 구입가능한 상표명 에이알피 28(ARP 28)과 같은 암모늄 바이플로라이드 더블 솔트(ammonium bifluoride double salt)와 같이 사용될 수 있다.
이제, 부품들을 도금할 준비가 이루어졌다. 것번째 도금 단계에서, 부품들은 상표명 에이알피 302 아연산염(ARP 302 Zincate)으로 얼라이드 켈라이트사가 독점 시판중인 침지 아연산염 용액과 같은 아연산염 조에 침지된다. 그러한 아연산염조는 제조자의 지시에 따라 만들어지고, 실온에서 작동된다. 통상적으로, 침지 시간은 30초이다.
아연산염 층은 사실상 일시적인 것으로서, 산 에칭 단계 후에 산화 알루미늄이 재형성되는 것을 방지하기위해 사용된다. 이러한 아연산염 층은 이하에 상세히 기술하는 후속되는 무전해 니켈 도금 중에 없어진다.
아연산염 도금된 부품들은 냉각 순환수로 헹구어진 다음에, 상표명 무전해 니켈 794(Electroles Nicke1794)로 얼라이드 켈라이트사에 의해 독점 시판 중인 무전해 니켈 용액과 같은 무전해 니켈 조 내에 침지된다. 공지의 어떠한 무전해 니켈 용액도 본 발명의 실시에 사용가능하다. 조는 제조자의 지시에 따라 만들어지고, 85℃ 내지 93.3℃(185。F 내지 200。F)로, 바람직하게는 약 87.8℃(190。F)로 가열된다. 통상적으로, 침지 시간은 약 5분이고, 약 0.00013cm(0.00005인치)의 두께를 형성한다. 침지 시간은 약 1분이면 약 0.0000076cm(0.000003인치)의 두께를 형성하는데, 이 역시 본 발명의 실시에 유용하다.
니켈 피복의 두께는 후속적으로 도금되는 철 층이 부착되는 층을 마련하기 위해 약 0.000005 내지 0.0038cm(0.000002 내지 0.0015인치)의 범위에 있을 수 있다. 약 0.000005cm(0.000002인치) 미만의 니켈 두께는그에 대한 철 층의 충분한 부착을 제공할 수 없고, 약 0.0038cm(0.0015인치)보다 두꺼운 니켈 두께는 너무 부서지기 쉬울 수 있다.
니켈 도금된 부품들은 냉각 순환수로 헹구어진 다음에, 조성물이 황산 암모늄 제 1 철의 수용액으로 이루어진 새로운 철 도금조 내에 침지된다. 이러한 도금조의 농도는 약 250g/L 내지 400g/L의 값의 범위에 있다. 바람직하게는, 황산 암모늄 제1철의 농농는 약 250g/L이다.
또한, 철 도금조는 도금 특성을 증진시키기 위해 습윤제, 광택제 등과 같은 적절한 첨가제들을 포함할 수도 있다. 광택제는 더 높은 전류 밀도의 사용을 가능하게 하고, 이는 부품을 보다 신속히 도금할 수 있게한다. 그러한 첨가제들의 조성 및 농도는 본원 기술 분야에서 잘 알려져 있으므로, 본 발명의 일부를 구성하지 않는다.
양극(anode)들은 냉간 압연 또는 전해 철이다. 약 107.6 내지 807.3 amps/m2)(10 내지 75amps/ft2)의 전류가 음극(cathode)으로서의 부품 상에 가해진다. 바람직하게는, 전류는 약 430.6 내지 538.2amps/m2(40 내지 50amps/ft2)이고, 이는 철(iron plate)의 우수한 시각적 외양과 양립하는 신속한 도금 시간의 최선 조합을 제공한다.
철은 약 0.00051 내지 0.0038cm(약 0.0002 내지 0.0015인치)의 두께로 도금된다. 약 0,00051cm(0.0002인치)미만의 두께는 마모에 대해 충분한 두께의 철의 도금을 제공하지 못하고, 반면에, 약 0.0038cm(0.0015인치)보다 두꺼운 두께는 너무 부서지기 쉬운 철 층을 형성한다. 알루미늄 합금 피스톤의 양호한 두께는 면당 철의 두께가 약 0.0025cm(약 0.001인치)이다.
바람직한 두께를 얻기 위해 430.6amps/m2(40amps/ft2)에서 약 20분의 통상적인 체제 시간이 사용되지만, 더 낮거나 더 높은 전류에서 더 짧거나 더 긴 시간들이 본 발명의 실시시에 바람직한 두께를 얻기 위해 사용될 수 있다.
철 도금된 부품들은 냉각 순환수에서 헹구어지고, 마지막으로 상표명 에이티 221-비(AT 221-B)로 엠앤드 티 하쇼우(M & T Harshaw)사가 독점 시판중인 알칼리성 주석 조와 같은 주석 도금조에 침지되어, 주석 "스트라이크(strike)"를 형성한다. 주석 스트라이크는 그 아래에 놓인 철 층이 녹스는 것을 방지한다.
주석은 제조자의 지시에 따라 약 0.000012 내지 0.00025cm(약 0.000005 내지 0.000인치)의 두께로 도금된다. 바람직하게는, 약 0.0000178 내지 0.000038cm(0.000007 내지 0.000015인치)의 두께 범위에 있는 "스트라이크"가 사용된다.
조는 215.3amps/m2(20amps/ft2)에서 작동된다. "스트라이크"두께를 얻기위한 통상의 체제 시간은 약 30초이다.
주석 도금된 부품은 냉각 순환수로 헹구어지고, 건조된 다음, 알루미늄 엔진에 조립하기 위한 준비가 완료된다.
제 1 도는 예컨대, 약 1μm두께의 무전해 도금된 니켈 층(14)이 위에 형성되는 390 알루미늄 피스톤 주조물(12)을 구비하는 철 피복 알루미늄 합금 피스톤(10)의 개략도이다. 예컨대, 약 25μm두께의 철 층(16)이 니켈 층(14) 상에 도금되고, 약 0.5μm 두께의 주석 "스트라이크(18)이 철 층(16)상에 도금된다.
본 발명을 실리콘 약 18%를 함유하는 실리콘-알루미늄 합금인 390 알루미늄 합금 피스톤을 도금하는 것과 관련하여 기술했지만, 본 발명의 가르침은 다른 알루미늄 합금들의 철 도금 및 다른 알루미늄 합금 부품들의 철 도금에서도 동등하게 적용가능하다.
흔히, 예컨대 알루미늄 합금 상으로 철을 전기 도금한 다음에, 배소(bake) 단계가 사용된다. 그러한 배소 단계는 수소 메짐성을 제거하기 위해 그리고 도금된 피복으 접착성을 증진시키기 위한 것이다. 통상적으로, 배소 단계는 약 177℃ 내지 204℃(350。F 내지 400。F), 통상적으로 약 19℃(375℉)와 같은 고온에서 약 1 내지 3시간, 통상적으로 약 1시간 동안 수행된다. 6061과 같은 다른 알루미늄 합금들도 도금한 다음에 배소를 필요로 할 수 있지만, 390 알루미늄 합금은 그러한 처리를 필요로 하는 겻으로 생각되지 않는다.
철 피복이 허용가능한 경도를 갖는 것은 알루미늄 합금 피스톤들의 철 도금과 같은 많은 용도에서 아주 중요하다. 피스톤들의 경우, 이러한 경도는 C 스케일에서 약 40 이상의 록크웰 경도를 가져야 한다. 본 발명의 실시는 그러한 용도에서 허용가능한 경도의 철 피복을 제공한다.
상술한 바와 같이 도금된 390 알루미늄 합금 피스톤에 대해 접착성, 형태성, 경도 및 두께를 시험하였고, 모든 시험을 통과했다. 접착성 시험은 시험 쿠폰(coupon)들에 대해 행해졌다. 모든 쿠폰들이 테이블 접착시험을 통과했다. 횡단면들에 대한 현미경 검사는 도금의 형태가 치밀 및 조밀 결정립 상태인 것으로 밝혀졌다. 또한, 쿠폰들은 간단한 마멸 시험에서 우수한 접착성을 보였다.
(실시예)
알루미늄 합금 쿠폰들을 아연산염 침지에 의해 세정하여 준비한 다음에, 통상의 공정 매개변수(parameter)들을 사용하여 니켈로 무전해 도금하였다.
다음 표에 표시된 바와 같은 다양한 농도의 Fe(NH4)2(SO4)/6H2O를 사용하여 일련의 황산 암모늄 제 1 철 도금조를 제조하였다. 각각의 조는 유디라이트(Udylite)사에서 독정 판매하는 습윤제인 농도 O.1%의 웨더 22(Wetter 22)를 포함하였다.
표에 표시된 바와 같이 조의 전부는 아니고 일부에 염화 나트륨을 첨가하였고, 수소 이온 농도(pH)는 표에 표시된 바와 같이 기록되었다. 6061 알루미늄 및/또는 390 알루미늄 합금의 쿠폰들은 양극 면적 대 음극면적을 2 : 1로 하고 전해철 양극을 사용하여 430.6amps/m2(40amps/ft2)에서 20분 동안 전기 도금하였다. 도금조 온도 역시 표에 표시되어 있다 피복들의 두께를 마이크로미터로 측정한 다음에, 부식을 방지하기위해 니켈 또는 주석을 철 피복의 위에 도금하였다. 쿠폰들을 현미경 검사를 위해 미세 절단하여 전자 주사현미경으로 두께를 판명하고, 10g하중으로 크누우프 미소경도 압입기(Knoop microhardnes indenter)를 사용하여 철 층의 경도를 측정하였다. 그 결과들이 표에 표시되어 있다. 철 피복들의 두께는 Fe(NH4)2(SO4)2·6H2O의 농도가 250 내지 400g/L이고 pH가 약 2.7 내지 2.9일 때 도금 피스톤 용도에 적합하였다.
지금까지 철 도금 알루미늄 합금 부품 및 그 제조 방법을 개시하였다. 본원 기술 분야에서 숙련된 사람들에 의해 자명한 성질에 대한 다양한 수정 및 변경이 가능하고 그러한 모든 수정 및 변경은 첨부한 특허 청구의 범위에 의해 청구된 본 발명의 범주 내에 들게 됨을 이해해야 한다.
[표. 이온 도금 매체변수 및 결과]

Claims (7)

  1. 철 도금 알루미늄 합금 부품에 있어서, 상기 알루미늄 합금 부품은 상기 부품의 표면 상의 니켈의 제 1 층(14)과, 상기 니켈의 제 1 층 상의 철의 제 2 층(16)과, 상기 철의 제 2 층 상의 주석의 제 3 층(8)을 갖는 것을 특징으로 하는 철 도금 알루미늄 합금 부품.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 니켈 층의 두께는 0.000005 내지 0.0038cm(0.000002 내지 0.0015인치)이고, 상기 철 층의 두께는 0.00051 내지 0.0038cm(0.0002 내지 0.0015인치)이고, 상기 주석 층의 두께는 0.000012 내지 0.00025cm(0.000005 내지 0.0001인치)인 것을 특징으로 하는 철 도금 알루미늄 합금 부품.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 부품은 390 알루미늄 합금 피스톤(12)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 철 도금 알루미늄 합금 부품.
  4. 제 1 항의 상기 알루미늄 합금 부품들을 도금하는 방법에 있어서, (가) 상기 알루미늄 기판 상에서 아연산염 조로부터 아연산염 층을 도금하는 단계와, (나) 상기 아연산염 층 상에 무전해 니켈 조로부터 니켈층을 도금하는 단계와, (다) 상기 니켈 층 상에 황산철 조로부터 철 층을 도금하는 단계와, (라) 상기 철 층 상에 알칼리성 주석 조로부터 주석 층을 도금하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 철 도금 알루미늄 합금 부품 도금 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 니켈은 무전해 니켈 도금조로부터 도금되는 것을 특징으로 하는 철 도금 알루미늄 합금 부품 도금 방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 철은 황산 암모늄 제 1 철의 수용액으로 이루어진 철 도금조로부터 도금되는 것을 특징으로 하는 철 도금 알루미늄 합금 부품 도금 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 도금조는 pH가 2.0 내지 2.9로 유지되는 황산 암모늄 제 1철 250 내지 400g/L의 수용액으로 이루어진 것을 특징으로 하는 철 도금 알루미늄 합금 부품 도금 방법.
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