알루미늄 합금위에 직접 전기 도금하는 기술 미래형 표면처리 기술

최근에 제 블로그를 보고 가장 문의 메일을 많이 주시는 기술이 알루미늄 상에 직접 전기 니켈도금을 하는 기술입니다

 얼마 전에 큰 도금업체 연구소장이라는 분이 저한테 전화를 주셔서 만나고 싶다고 하면서 제 전화번호는 제가 다녔던 직장의 기능장님이 알려 주셨다고 그럽니다.  23 년전에 기술사 시험 문제 출제 위원도 하고 1차 합격자들  2차 면접위원으로 면접 심사도 한 사람 한테는 기능장이고 기술사고 의미가 없지요.  질문이 있으면 전화로 하지 말고 메일로 보내라고 했더니, 알루미늄 상에 직접 전기 아연도금하는 뿌리기술 관련 정부과제를 수행하는데 도와 달라는 것입니다. 알루미늄 위에 직접 전기 아연 도금하는 것은 기술이 아니고 원리만 알면 그냥 되는 것입니다. 

알루미늄은 산소와의 친화력이 워낙 강하기 때문에, 표면을 일반 대기 중에 놓아두면 얇고 아주 치밀한 자연 산화피막이 생성됩니다. 이러한 이유 때문에 알루미늄을 납땜을 하거나 브레이징을 하거나 용접을 하려고 하면 알루미늄과 도금층 사이의 밀착 불량이 심하게 발생됩니다. 그래서 이러한 밀착 불량을 막기 위해 알루미늄 상의 피막을 제거하는 플럭스를 사용하거나 환원 가스를 사용하여 피막을 제거 하고 용접을 하게 됩니다.

그러나 최근에는 알루미늄의 용도가 점차 늘어나 알루미늄 위에 니켈도금을 한 후에 그 위에 납땜이나 브래이징 또는 용접을 시도하는 경우가 상당히 늘어나고 있습니다. 그러나 이 경우에 알루미늄과 도금 층 계면이 열적인 충격에도 버틸 수 있는 강한 화학적 결합을 하지 않으면 땜납이나 브레이징을 하는 순간 도금 층이 알루미늄으로부터 박리되어 버리는 현상이 일어납니다.

현재 일반적으로 알루미늄상의 도금은 본달 처리라는 아연치환 피막을 알루미늄 상에 형성시킴으로서 시작됩니다. 이유는 알루미늄 상의 자연 산화피막이 아연 입자와 알루미늄 입자의 치환반응이 생성되면서 없어지고 아연 입자가 표면을 덮게 됨으로서 치환된 아연 입자 형성층은 치밀한 산화피막을 생성하지 않으므로 후속도금으로 밀착성 있는 도금을 할 수 있기 때문입니다. 그러므로 이러한 방법으로 생성된 알루미늄 상의 도금피막의 밀착성은 전적으로 본달 처리의 완벽성 정도에 따라 달라집니다. 그래서 본달 처리를 한번 하는 경우보다 23번 하면 아연 입자가 더 치밀하여 져서 밀착성이 향상되는 경우가 많이 있습니다. 그런 경우에는 도금 공정수가 아주 많아지고 처리단가가 올라가고 그렇다고 내식성이 아주 좋은 것도 아닙니다.

지금까지 도금공장에서 사용되고 있는 알루미늄 합금의 도금공정은 탈지 - 산침적 - 아연 치환처리(본달처리) - 박리 - 아연 치환처리(본달처리) - 시안 동 스트라이크 전기도금 - 산침적 - 화학 또는 전기 니켈도금의 8단계 공정을 거치게 됩니다. 내식성이 부족하면 여기에 니켈도금을 다중으로 여러 번 하는 경우도 있습니다.

이러한 문제점을 해결하는 알루미늄 상의 니켈도금공정을 지금 사용하는 8 단계의 공정에서 탈지 - 산처리 전기 도금의 3 단계 공정으로 줄일 수 있는 기술을 15 년 전에 상용화 개발을 완료하고 현재 노하우로 보유 중입니다. 알루미늄 합금상의 니켈도금 밀착성도 90도 벤딩 시험에서 기존의 8 단계로 무전해 니켈도금을 한 시편은 굽혀진 부분이 박리되는 현상이 나타났지만 직접 전기 니켈도금한 시편은 아주 미세한 크랙만 보였지 박리는 전혀 없었습니다. 염수분무 시험을 한 경우에도 8 단계의 공정을 한 무전해 니켈 도금 시편은 염수 분무시간 24시간이 지나면서 부식이 시작되었지만, 직접 전기 니켈도금한 시편은 염수분무시간 72 시간이 지나도 부식 발생이 없었습니다.

얼마 전에 리튬 이차전지 제조하는 회사에서 현장을 방문 부탁을 받고 어떤공정으로 하고 있는지 궁금해서 방문 한적이 있습니다. 알루미늄 표면처리 라인을 설치해 놓았는데 일부분에서는 알루미늄에 무전해 도금라인을 설치해 놓았는 것을 보았습니다. 무전해 도금은 솔더링 할때 밀착성에 영향을 주고 내구성 내식성에도 문제를 일으킬 수 있으므로 철저한 관리가 필요합니다.  제가 개발한 이기술은 무전해 도금기술보다 내구성 밀착성 내식성에서 월등합니다.

 

사진 일반적인 8단계 공정에 의한 알루미늄 상의 무전해 니켈도금의 염수분무 72시간 후의 사진

 

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사진 3단계 공정에 의한 알루미늄 상의 니켈 전기도금 시험편의 염수분무 72시간 후의 사진


제가 개발한 NIW(New Integrated Wet) 스마트 표면처리 기술 미래형 표면처리 기술

 저는 건식 표면처리를 싫어합니다. 그것은 건식 코팅하는 장비 제작기술과 장비를 조작하는 공정이 핵심기술이라서 장비와 타겟을 외부로부터 사들여야 하고, 업체가 개발하는 핵심 부품의 코팅기술은, 장비 제작업체와 기술을 서로가 공유하기 때문에, 노하우에 의한 부가가치가 낮고, 장비업체가 다른 수요 업체에 장비를 팔면서, 자기들이 만들어 주었던 타 업체의 공정 기술들을 팔아먹기 때문에 숨겨진 노하우가 없는 분야이기 때문입니다.

 습식 표면처리를 지금까지 해왔고 하고 있는 이유는 기존의 공해성 습식표면처리 보다 싸고 쉽게 청정하게 표면처리를 할 수 있는 가능성이 크고, 제가가진 기술의 노하우를 보호 받으면서, 초기 투자비가 극히 적으면서, 부가가치가 높은 좋은 표면처리공정 개발을 제가 할 수 있는 가능성이 큰 분야이기 때문입니다.
지난 많은 시간동안 중소기업과 대기업에 제가 개발한 부가가치가 높은 습식표면처리 기술들을 전수했습니다. 그중에는 1980년대 초에 3가 크롬도금액을 개발하여 영국 캐닝에 소개하였고, 일반크롬도금 속도의 10 배이상의 초고속 경질크롬도금 기술도 이때에 개발 되었으며, 1990년초 노조 문제로 인건비가 높아 베트남으로 옮겨야하는 특수 네일 스크류 업체의 아연도금 크로메이트 대체 유무기 복합 세라믹 코팅기술(염수분무 1,000 시간 이상)전수로 회사가 일본과 경쟁해서 이긴 강선 제조업체와 반도체 엣칭장비용 알루미늄 GDP 캐소드 등 양극산화 피막처리 기술을 전수시켜 현재까지 그 기술이 적용되어 대기업에 납품되고 있으며. 도금 폐수속의 질소 제거 문제로 말썽 많았던 2000년대 초 벤처기업에게 전해처리 장치 및 불용성 세라믹 전극 개발 아이디어를 주어 이제는 100억대의 중소기업으로 화학비료공장과 화력발전소 등에 국산화 납품하는 업체로 성장한 업체가 있습니다. 그리고 1990년대에 자동차 부품 생산하는 대형 열간 단조 공장이 노조문제로 인건비 절감을 위해 열간 단조 금형 수명을 3-5배 올려달라는 코팅 기술도 성공적으로 개발한 예도 있습니다. 특히 선택적 카바이드나 경화층 형성 습식 표면처리 기술도 이때에 개발 되었습니다. 이외에도 현대자동차 도장라인의 3M 보다 성능 좋은 연마재 개발 등 파급효과가 큰 작은 기술 들도 많이 개발 적용 하였습니다

표면처리를 연구하는 연구원으로 42년 동안 항상 생각 해온 제가 원하는 표면처리 기술은 폐수처리가 필요 없는 기술(그래서 도포형 크로메이트 기술 개발-1990년대), 전처리가 필요 없는 기술(알루미늄 상의 무 본달 도전성 피막처리 기술), VOC가 발생되지 않는 기술, 기계가공 공장에서도 처리할 수 있는 냄새 없는 습식 표면처리 기술이 합쳐진 고경도 고내식성 고기능성 기술입니다.

최근 제가 이와 유사한 특성을 가지는 습식 코팅 기술을 개발 했습니다. 그리고 더욱 중요한 부분은 처리 단가가 처리물품 평균 1 키로당 500원 이하이며, 처리액은 모두 수용성으로 저렴하며 10년을 보관해도 성능이 변하지 않습니다.

제가 개발한 이 기술을 좀 더 자세히 소개드리면, 습식 코팅 층의 두께는 물을 용매로 하기 때문에 물의 양을 조절함으로써 마음대로 점도 조절 가능하여 두께가 1 ~ 0.5 mm 까지 스프레이나 딥핑 또는 브러쉬로 코팅가능 합니다. 그리고 공장 바닥이나 공장 벽에 코팅 작업 중에 뭍어 있는 액은 물로 씻어서 회수 가능하며, 열을 가하지 않으면 반응이 일어나지 않으므로 점도 조정에 실패한 경우에도 코팅 층을 물로 씻은 후 재사용 가능합니다. 또한 코팅 후 공기 중에서 열처리를 300 이상 에서 30분하면 경도가 Hv 1,200이상인 코팅 층이 되고, 코팅 층을 쇠줄로 밀어도 쇠줄이 마모되고, 마찰계수는 기본 0.1이하이고 간단히 더 낯출 수 있으며, 급열 급냉 (700 가열 물 궨칭)10 회 이상 반복해도 박리나 밀착성에 아무 이상이 없으며, 물 접촉각은 기본이 10 도이하이고 초 발수 영역까지 2차 처리로 가능합니다. 그리고 거의 모든 금속에 이러한 코팅이 가능합니다. 내식성은 기본으로 80 코팅시 염수분무 400시간 이상이고 이차 내식성 처리로 해수에 사용하는 볼트 수준인 염수분무 시험 만 시간 까지도 됩니다.

이 기술의 이름을 새로운 합성 습식(NIW: New Integrated Wet) 코팅으로 이름을 붙였습니다. 이 기술은 본 처리 후 2차 공정으로 금속을 도금하거나 코팅 할 수 있어서 방직기 부품, 에어컨의 영구 탈취 판, 고온 초고속 열전달 판, 캔 말이 금형 코팅, 다이캐스팅 금형 내벽 코팅 등 극한의 성능을 필요로 하는 부품에 사용할 수 있습니다. 초고속 회전체나 고열 마모 부품 등에 사용 가능 합니다.
본 기술은 부품의 하지 처리로 쓸 경우에 경도가 높은 장벽층 작용을 해서 모재를 보호하는 측면에서 상당히 유리 합니다. 코팅 층은 하지금속과 열화학 반응에 의해 결합하므로 결합력이 강한 특징이 있습니다. 소결 부품의 오일레스 베아링과 같이 코팅층 내에 오일을 장시간 보유 할 수 있는 특성도 있기 때문에 유압 실린더 로드나 베아링 등에도 사용 가능성이 있습니다. 특별히 각종금속의 주물품이나 다이캐스팅 부품의 경우 눈에 보이지 않는 기공들이 많이 있어서 도장 후 표면에 발생되는 부풀음과 밀착불량에 의한 부식 발생 등 불량율이 80%에 이르는 경우가 많이 있습니다. 이러한 부품의 경우 본 기술을 적용할 경우 기공을 없애 줄 뿐 아니라, 도장 밀착성과 내식성 및 경도를 상승시켜 저렴하게 불량 없는 환경친화형 고품위 도장 제품을 생산 할 수 있습니다.

본 기술은 공정기술이므로 특허를 내지 않았습니다. 국내에 그 누구에게도 전수한적이 없습니다. 기술에는 항상 그 가치를 아는 주인이 있다고 저는 믿고 있습니다.

본 기술을 소개드리는 이유는 본인이 개발한 개발 기술을 소개함으로 인하여, 본 기술을 필요로 하는 기업과 기술료 계약을 하고 상품화를 추진하여 세계시장에서 부품의 성능이 1등이 되는 히든 챔피언 기업을 만들기 위해서 입니다.


저렴하게 열간 단조 금형의 수명을 2배 이상 증가 시키는 스마트 표면처리 기술 내마모 표면처리 기술

제 블로그에서 가장 관심을 보여 주었던 기술이 열간 단조 금형의 수명을 2배 이상 증가 시키는 표면처리 기술이었습니다. 지금까지도 저에게 메일을 보내어 관심을 가지시는 분들이 있습니다. 이 기술은 25년 전에 대형 열간 단조 업체에 개인적으로 공동 기술개발을 업체와 하여서 성공한 기술입니다. 그 회사는 단조 회사를 더 발전시켜 지금은 독자적 아이템들로 세계 시장으로 수출하는 그룹으로 크게 성장했습니다. 25년전 업체 적용 성공 이후 저는 이 기술을 어떠한 기업에도 기술을 전수하지 않았으며 제 블로그에 처음으로 소개하는 것입니다.

지금까지도 이글에 관심이 있으신 많은 분이 이 부분에 대해 문의 메일을 보냈습니다. 어떤 분은 이와 관련된 자료를 이메일로 보내 달라고 e메일 주소와 함께 메일을 저한테 보냈습니다. 이러한 경우 저는 어떻게 대답해야 할지 참 난감합니다. 여기에 올라있는 대부분의 기술이 상품으로 규격화해서 판매하는 상품이 아니고 국내 어디서도 팔지 않는 제 머리 속에 있는 소프트웨어 기술입니다. 그래서 자료를 달라는 것은 내 머리를 짤라서 달라는 것이나 마찬가지입니다.

열간 단조 금형의 수명을 증가시킨 표면처리 기술은 1990 년대 초에 국내 큰 열간 단조공장에 근무하던 공장장님이 저를 찾아오시면서 개발이 시작 되었습니다. 이 당시 국내 기업에는 강성 노조가 만들어지고 있었으며 이 회사도 강성 노조가 생겨서 회사의 생산에 큰 차질을 빚고 있을 때였습니다. 이 회사는 열간 단조 금형의 설계와 가공을 자체에서 하였으며, 열처리는 외주를 주고 있었습니다. 열간 단조 금형을 가공하는 인력도 많았으며, 금형 수명이 들쭉날쭉 해서 계획생산을 하는 것도 무척 힘드는 시기이었기 때문에 이 기회에 가공인력을 줄이는 방법이 금형의 수명연장 관련 기술 밖에 없었습니다.

이러한 이유로 저에게 금형 수명을 2 배 만 늘릴 수 없느냐고 공장장 님이 찾아와서 요청을 하였습니다. 이때 당시에 열간 단조 금형의 열처리는 고가의 진공 열처리나 이온질화 처리가 대세 였으나, 수명에 약간의 차이는 있었지만 큰 차이가 없었습니다. 그때 당시 근무시간 이후에 주로 주말에 혼자 실험실에서 실험하던 고온 고 내구성 피막처리 기술이 개발 완료되어, 한번 적용을 해보고 싶어서 기술 개발 계약을 했습니다. 먼저 그 공장에서 열간 단조 금형의 수명을 표본으로 측정 할 수 있는 금형 종류를 회사에서 여러 가지를 선정했는데, 열간 프레스 금형이 주축이었습니다. 내가 제시한 기술로 회사에 스마트 표면처리 파일롯 생산 라인을 설치했습니다. 그리고 표면처리 후 프레스 금형에서 수명테스트를 시작했습니다.

이 결과로 얻은 결론은 1. 표면 처리한 금형들은 상당히 수명이 균일하여 계획 생산이 가능 한 수준이었다는 것과(이 결과만 해도 이 회사는 굉장히 만족했습니다) 2. 수명이 어떤 금형은 3~5 배 정도 증가 했으나 어떤 금형은 같거나 아주 미소하게 증가하는 경향이 나타났으며 평균 수명은 2 배 이상으로 최종 결론을 내렸습니다. 이 단조 회사는 이 기술의 상용화로 인하여 열간 프레스 단조 금형 기계 설계 및 가공 인원을 절반을 줄여서 막대한 인건비 절감과 노조의 세력 약화, 열처리 외주처리를 없애고 자체에서 함으로서 품질의 균일화에 성공해서 대박을 터트렸습니다.

이러한 개발 성공은 현장에서 개발 하려는 강한 의지가 있었기 때문에 성공한 케이스입니다. 업체에서 강한 의지가 없으면 개발해야 되는 제가 그곳에 표면처리 라인을 만들고 그곳 열간 단조 금형을 프레스 해서 수명 예측 시험을 할 수 없기 때문입니다. 기술 개발은 첫째는 기업의 강력한 필요와 의지가 있어야 하며, 거기에 적합한 표면처리 쟁이를 만나야 하고, 거기에 걸 맞는 기술 개발비가 투자 되어야 단시간에 결실을 맺는 것입니다.

이 기술이 완성되기 까지 1년의 시간이 걸렸으며, 기업의 절대적인 인력과 개발 자금의 투입이 개발 시간 단축의 촉진제이자 중요 요인이 되었습니다. 제가 이글을 쓰는 이유는 아직까지도 극히 일부지만 어떤 분들은, 후진국 사고방식을 가지고 일본 등 선진국에는 기술을 돈 보따리 싸서 갖다 바치고 안되도 그만으로 생각하고, 국내 보유 기술은 어떻게 하든지 공짜로 훔칠 수 있으면 훔칠려 하는 물건으로 생각하는 분들이 있는 것이 안타까워서 입니다. 정당한 노력과 대가로 얻는 기술이 꼭 빛을 보게 됩니다. 왜냐하면 개발된 어떠한 기술도 현장에 적용할 때 작업 조건에 따라 무수히 발생하는 불량 요인의 제거를 위해, 현장 기술자의 적극적인 참여 의식이  필요하기 때문인 것입니다. 


                                                        열간 프레스 단조를 금형 틀에서 작업 하는 사진


값싸고 성능이 우수한 히트파이프 제조기술 미래형 표면처리 기술

1990 년대에 국내에 히트 파이프 제조에대한 기술이 알려지면서 미국의 유명기업이 국내에 지사를 만들고 변압기등의 고속 방열 시스템이 필요한 곳에 설치를 하기 시작 했습니다. 이회사는 2005 년경 히트파이프 가격이 비싸므로 인하여 구매가 줄어들어 경영이 어려워지자 한국지사를 폐쇄하고 중국으로 이전을 했습니다. 히트파이프는 파이프 그 자체로 한쪽의 높은 열을 다른 한쪽의 낮은 온도 쪽으로 금속 열전달보다 100배의 속도로 열에너지 이동 가능한 부품 소재입니다. 그래서 방열 핀에 히트파이프를 병행하면 일반 알루미늄 방열 핀보다 부피가 상당히 줄어듭니다. 그래서 최근에는 컴퓨터의 소형화에 따른 방열부품에도 적용하고 있습니다. 히트파이프의 구조는 일반적으로 구리 튜브의 내벽을 구리분말을 소결시켜 붙이거나 스텐레스 망을 넣어, 튜브 내의 한쪽끝의 고열부분에 있던 열매체(물 또는 유기용매)가 소결된 구리분말이나 스텐 망의 틈을 따라 올라가면서 낮은 온도 부분인 반대편에서 응결하여 열을 뺏는 구조입니다. 스텐망을 넣는경우는 망이 벽에 닿아있는 면적이 좁고 망자체가 튜브의 중간부분에 많이 있으므로서 효율적으로 파이프 외부로 열을 방출시키기 어려운 문제가 있습니다.

그래서 제가 2003 년도에 소결 구리 분말 대용 세라믹 표면처리기술을 개발하여 구리파이프 내면에 코팅을 하였습니다. 이러한 코팅은 아무리 튜므가 길어도 또한 굴곡이 있어도 한쪽 끝에서 코팅액을 넣어서 반대편으로 나오게 하는 과정에서 내부 벽면이 코팅이 되므로 고속으로 싸게 코팅을 할 수 있습니다. 그리고 개발한 코팅 액은 수용성으로 쉽게 싸게 직접 제조할 수 있으며, 상온에서 반응을 하므로 따로 가열 장치가 필요 없는 장점이 있습니다. 히트파이프 적용 기술의 가장 중요한 또 다른 포인트는 내구성입니다. 시간이 지남에 따라 코팅층이 변질되어 성능이 떨어 진다면 히트파이프로 사용할 수가 없습니다. 만든지 이제 10 년 된 제가 만든 히트파이프가 성능에 아무 이상이 없어서 지금 이 기술을 소개합니다.

사진 2003 년에 내부 세라믹 코팅으로 만든 15 년된 히트파이프


자동차 공조용 압축기의 핵심 부품인 사판과 슈의 표면처리 문제 해결방안 미래형 표면처리 기술

요사이 해외 유명 브랜드의 차들이 운행 중에 불이 나서 운전자가 놀라는 일이 자주 일어납니다. 특정 브랜드의 차에서만 발생한다고, 그 차의 디젤 엔진의 연비 향상을 위해 만든 EGR의 구조적 문제라고 이야기 하는 분도 있습니다. 제가 얼마 전에 터보차저 부품의 표면처리 문제의 심각성에 대해서 이야기를 한 적이 있습니다. 구조적 문제라면 국산차들이나 다른 차들은 아무 문제가 없겠지요. 글쎄요?

최근 자동차 공조용 압축기의 핵심 부품인 사판과 슈의 표면처리를 전문으로 하는 업체 사장님이 저를 만나고 싶어 해서 무슨 내용인지 궁금해서 잠깐 시간을 내어서 면담을 했습니다. 아래의 사진은 표면 처리한 스틸 사판과 최근 개발된 알루미늄 슈 무전해 니켈 도금된 일본 부품 일부 절단 된 것과 표면처리 안 된 국산 알루미늄 슈 그리고 기존의 베어링강 슈를 나타내고 있습니다. 세계는 점차적으로 환경친화형 냉매로의 변화를 요구 받고 있고, 냉매의 교체가 기존의 사용 부품으로는 견디기 힘든 내마모성과 내구성 문제의 발생을 일으키기 시작 했습니다. 이 부품의 불량으로 자동차에 불이나 변상한 사례도 있었습니다.

사판과 슈는 냉매와 냉동유안에서 엔진의 크랭크 축에 연결된 샤프트에 일체가 되어 고속으로 회전하다가 멈추다가 다시 회전하는 고속 회전체의 부품입니다.

이 분이 만나자고 한 이유는 일본에서 알루미늄 슈에 무전해 니켈도금을 개발해서 자동차 업체에 납품을 하는데, 일본 회사에서 슈에 도금하는 기술을 특허로 출원하는 바람에 알루미늄 상에 이에 대체되는 기술이 있으면 초면인데 공짜로 가르쳐 달라는 것입니다. 그리고 앞으로의 더 가혹한 조건에서 사용되는 부품의 표면처리 기술에 대해서도 공짜로 가르쳐 달라는 것입니다.

이러한 부품에 적용되어야 되는 스마트한 표면처리 기술에 대해서 제 의견은, 코팅 층이 경도가 높고 윤활성이 좋으며 처리단가가 싸고 불량률이 제로에 근접해야 된다는 것입니다. 불량이면 자동차가 불나는 상황이 생기니까요.

자동차 대수만큼 이 부품들이 있으니 수량은 엄청납니다. 저는 이미 이 문제를 해결할 수 있는 상업화 되지 않은 3가지 스마트 표면처리 기술들을 가지고 있습니다.


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