열간 단조 금형의 수명을 증가 시키는 표면처리 기술에 대한 나의 생각 삶 속의 작은 생각들

최근에 이 부분에 관심이 있으신 열간 단조분야 자동화 전문 업체 연구원님이 이 부분에 대해 상업성에 대한 검토를 하고 싶다고 저한테 메일을 보냈습니다. 이와 관련된 자료를 이메일로 보내 달라고 이메일 주소와 함께 이메일을 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 계시는 분이 저를 찾아 오시면서 개발이 시작 되었습니다. 이 당시 국내 기업에는 강성 노조가 만들어지고 있었으며 이 회사도 강성 노조가 생겨서 회사의 생산에 큰 차질을 빚고 있을 때 였습니다. 이 회사는 열간 단조 금형의 설계와 가공을 자체에서 하였으며, 열처리는 외주를 주고 있었습니다. 열간 단조 금형을 가공하는 인력도 많았으며, 금형 수명이 들쭉 날쭉 해서 계획생산을 하기도 무척 힘드는 시기 였기 때문에 이기회에 가공인력을 줄이는 방법이 금형의 수명연장과 계획생산 가능한 기술이었습니다.

이러한 이유로 저에게 금형 수명을 2 배 만 늘릴 수 없느냐고 현장 책임자 되시는 분이 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 제 혼자 실험실에서 실험하던 고온 고 내구성 피막처리 기술이 개발되고 있어서 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 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 할 수준이었다는 것과(이 결과만 해도 이 회사는 굉장히 만족했습니다) 2. 수명이 어떤 금형은 3~5 배 정도 증가 했으나 어떤 금형은 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 가공 인원을 절반을 줄여서 막대한 인건비 절감과 노조의 세력 약화, 열처리 외주처리를 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 걸 맞는 기술 개발비가 투자 되어야 하고, 거기에 적합한 표면처리 쟁이를 만나야 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 안타까워서입니다. 정당한 노력과 대가로 얻는 기술이 꼭 빛을 보게 됩니다.


KTX 열차 사고와 철 주물품과 다이케스팅 부품의 불량 없는 고내식 도금 또는 도장 기술 미래형 표면처리 기술

2022년 1월 5일 오전 10시 30분경 서울역을 출발해 부산역으로 향하던 경부선 KTX-산천 제23열차가 경부고속선 대전역과 김천(구미)역 사이의 영동터널 구간에서 열차 탈선 사고가 발생했습니다.

사고의 원인은 경부고속선 영동IEC~김천IEC간 운행 중 영동터널 내부에서 탈락한 철제구조물과 접촉하면서 일어났습니다.

접촉 당시 열차의 속도는 약 200km/h 전후로 보이며, 이 과정에서 크게 불꽃이 일며 구조물의 파편이 튀면서 객실 유리창 및 화장실 내부, 대차, 동력차 후부 등 열차가 크게 파손되었고, 4호차가 궤도를 이탈하여 탈선하였으나 터널 밖으로 빠져나오는데는 성공하여 부산방향 터널 입구에서 가까스로 멈춰서게 되었습니다.

제가 생각하는 사고의 원인은 터널안에 설치된 각종 철종류와 비철종류의 구조물과 부품의 내식성에 문제가 있기 때문에 발생한 것이라 판단합니다. 터널안은 습기가 많고 부식과 연관된 탄소와 유황이 함유된 가스의 농도가 높기 때문에 철도차량이 고속으로 터널안을 통과 함으로 인하여 발샐하는 충격 스트레스의 반복에의한 구조물의 피로로 인한 내식성이 터널 밖 보다도 훨씬 높은 기준이 적용되어야 하기 때문입니다. 그리고 터널안의 부식 진단을 정기적으로 해야하고 보수처리도 정기적으로 해야 하는데 이에 대한 기준이 잘 준수되고 있는지도 조사해야 될 것입니다.

제가 전에부터 블로그에 국가 기간 산업 시설에서 부식 문제로 대형사고가 방심하면 자주 일어날 수 있다고 글을 올린적이 있습니다. 성수대교 붕괴와 지하매설 가스 폭발사고가 하나의 예 입니다. 실제로 철도 공사에 KTX 용 터널안 구조물과 부품들에 대한 검사기준이 다시한번 재고 되어야 한다고 본인은 생각합니다. 훨씬 높은 내식성기준과 내구성 기준을 만들어야 한다고 생각합니다.

첨부하여 본인이 개발한 철 주물품과 다이케스팅 부품의 불량 없는 고내식 도금 또는 도장 기술(NIW 코팅기술 응용)을 소개합니다.

제 블로그에서 독자들이 관심을 많은 관심을 가지고 메일도 보내 주시고 방문을 해 주신 기술로 주물품과 다이캐스팅 부품의 불량을 줄일 수 있는 도금이나 도장 기술입니다. 이 기술에 대해 문의하시는 대부분의 기술 담당자는 약품을 어디 파느냐? 또는 이 공정을 하는 회사가 어디 있느냐? 또는 약품 카타로그가 있느냐? 라고 묻습니다.

이 기술은 액과 처리 공정이 복합적으로 연결되어 있는 기술입니다. 그리고 이 기술은 아직 어느 회사에도 기술을 이전하지 않았습니다.

일반적으로 철 주물품과 철 다이케스팅 부품은 기공이 많아서 도금이나 도장을 하면 불량이 80 % 이상이 발생합니다. 이러한 부품의 불량율 제로를 위한 전처리 기술이 있습니다. 일반적으로 수지를 함침시켜서 처리한다는 말도 있지만, 수지 함침 방법은 제2의 문제를 유발시키기 때문에 사용하지 않는 것이 좋습니다. 왜냐하면 수지의 종류에 따라 다르지만 대부분이 밀착불량을 유발시키므로 독한 엣칭공정을 사용하는 후처리가 병행되어야 하는데 이때에 소재의 종류에 따라 불균일 엣칭이 되어서 다른 종류의 불량을 발생시키기 때문입니다.

이러한 소재 자체의 미세한 기공이나 불 균질성을 없애고 밀착성이 좋은 표면을 만들어 주는 새로운 전처리 기술을 적용함으로서, 도금 하지 처리 뿐만 아니라 도장 하지 처리로서의 탁월한 균일 도금 또는 도장을 만들고 내식성이나 내마모성도 크게 증가하는 새로운 전처리 기술입니다

이러한 전처리 기술은 기공을 찾아서 들어가 그곳에서 반응을 일으켜 기공을 채우는 무기질 약품을 사용하는 것입니다. 이 기술에 의해 메꾸어진 기공은 도장용 수지나 도금 물질과의 접착력이 뛰어나서 제 2의 에칭이 필요 없는 친환경 공법입니다.

이 기술의 응용 분야는 KTX 용 고속 전철 부품들인 철 주물과 다이캐스팅 부품 들(내식성 과 전기 통전성이 동시에 부여되어야 함)이 부식 문제로 현재 심각한 문제가 있음으로 이 분야의 부품들과 각종 화학 펌프 부품, 기계류 부품, 섬유용 부품 등(사진)이 활용 가능 분야입니다.

사진 본 전처리 기술이 적용 가능한 산업체 응용 부품들


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

알루미늄 합금위에 직접 전기 니켈 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


특수강에 치수변화 없이 내산화성과 전도성이 우수한 두꺼운 선택 초 경질층 형성기술 미래형 표면처리 기술

어느 업체 사장님이 전화로 800 고온에서 전기가 통하는 세라믹 코팅을 할 수 있느냐고 문의 전화가 왔습니다. 자세한 용도는 이야기 하지 않으면서 기술적인 문의를 하는 경우 대답하기가 참 난감합니다. 그래서 세라믹 코팅은 원래 전기가 통할 수 없는 재질이라고 대답했습니다. 그렇지만 세라믹 상에 금속을 도금을 하면 전기가 통하는 코팅을 할 수 있다고 했습니다. 질문을 하시는 분은 내용을 다 알고 질문을 하지만 어느 제품이나 재질 형상에 대해 자세하게 설명해주지 않으면, 기술 문의에 대답을 하기가 참 어렵습니다.

이 전화를 끊고 나서 갑자기 제가 실험한 선택 초경질 경화처리 기술이 생각났습니다.  제 블로그의 앞부분 에서도 여러 번 소개했지만 여러 종류의 특수강 표면 선택 경화처리를 지금까지 개발해 왔습니다. 선택 초경질 경화처리 기술이란 우리가 일반적으로 알고 있는 경화처리인 침탄, 질화, 침탄질화, 플라즈마 코팅, CVD 코팅 등이 아닙니다.

제가 개발한 선택 초경질 경화처리 기술은 특수 화학 약품들을 수많은 실험을 통하여 최적의 조성으로 배합하여 특수강 표면에 선택적으로 바른 후 800 이상의 온도에서 1시간에서 3시간 정도를 열처리를 하면 바른 부위가 다양한 조성의 초경질(Hv 1,800 이상의 경도)층으로 변하는 기술입니다.

제가 개발한 기술에 의해 SKD 61종 금형강 표면에 형성된 초경질 층 중에 두 종류(AB Coating, CC Coating)SKD 61종을 퀜칭 템퍼링한 시편과 SUS 304 시편을 대기중에 800 온도에서 시간 변화에 따른 중량증가를 측정한 결과를 아래 그림에 나타내었습니다.

결과에서 보듯이 대기 중에 800 에서 시간이 증가함에 따라 지속적으로 무게가 증가하는(무게증가는 산화되는 양이 많다는 뜻임) SKD 61종을 퀜칭 템퍼링한 시편은 열간 단조 금형 강임에도 불구하고 비교 시편 중 가장 나쁜 내산화성을 나타내었습니다. 반면에 SUS 304는 초기의 2 ~3 시간동안 산화물 생성이 급격히 증가하나 그 후에는 그 값이 거의 변화가 없는 것으로 나타났습니다. 이 중에서 가장 내산화성이 우수한 선택 경화층은 CC Coating 층으로 표면경도가 Hv 1,400 이상이며 경화층의 두께가 100 미크론 이상의 경도를 가지고 전기 전도성이 있으며 처리단가가 저렴한 특성이 있습니다.

본 기술 적용 분야는 대기중 고온에서 사용되는 내마모용 부품으로 항공기나 선박의 추진체 및 발전기용 부품, 원자력 발전소 고온 내산화성 부품, 고체 연료전지용 고온 내산화용 부품, 고온 파우더 이송용 파이프, 이음매, 벤딩부 부품, 세라믹과 유리와 플라스틱의 forming 금속 금형, 각종 고온 파쇄기 부품, 섬유 방직기 부품등이 있습니다



  그림 SKD 61종 금형 강에 다양한 초경질 경화처리 후 800대기 중에서 가열한 시간 변화에 따른 내 산화성 비교


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