건식 마찰속도가 증가할 수록 마모량이 급격히 낮아지는 저렴한 초경질 피막처리 기술 새로운 표면처리 기술들

제가 오래전 일반 탄소강에 새로운 고경도 피막을 연구하다가 건식 마모 실험을 하면서 참 이상한 경험을 한적이 있습니다.

그때 사용한 마모시험기의 종류는 일본에서 제조된 대월식 신속마모시험기(OAT-U Type) 였습니다. 이 마모시험기는 마모시편을 하나는 디스크 형으로 또 하나는 평판으로 만들어 디스크를 회전시키면서 평판에 하중을 주어 회전 마찰시키는 마모 방법입니다. 마찰속도 조절은 디스크의 회전속도로 조절을 하고 하중은 디스크와 평판시편을 눌리는 힘을 조정하여 조절하는 방법입니다. 하중을 주는 방법은 정량의 추를 달아서 두시편을 눌러 주는 방법이었습니다. 마찰속도는 0.1 m/sec 에서 4.89 m/sec 로 변화시켜서 실험을 하였고, 하중은 2.1 kg 에서 18.9 kg까지 변화시키면서 마모거리를 200 m로 정하여 실험을 했습니다.

그때 새로운 고경도 피막처리 실험을 하던 때라서 마모가 특이한 결과를 나타내리라고는 생각을 전혀하지 못하였고 일반 마모량 보다는 적을 것이며, 속도가 빨라지면 당연히 마모량도 늘어날 것으로 생각 했습니다. 처음에는 디스크와 평판상 시편 두 종류다 재질을 SCM 3 강종으로 만들어 하중을 주어 윤활유 없는 건식 마찰을 시켰습니다. 마찰 속도가 낮을때는 마모는 되지만 마찰열을 육안으로 판별할 수 없었는데, 마찰속도가 높을 때는 마찰을 시작하고 10초도 되지 않아 열을 받아서 쇠가 타는 냄새가 나면서 보라색으로 표면이 변색되어 마모시험기를 멈추었습니다.

새로운 고경도 피막처리를 일반 저 탄소강 재질의 디스크에 70 μm을 코팅한 후 피막경도를 측정한 결과 미소경도 값이 Hv 1,800(로크웰경도 80 상당) 이었습니다. 이 피막 처리된 디스크를 SCM 3 재질의 평판 위에 하중을 주어 마찰시키기 시작했습니다. 마찰속도가 1 m/sec에서는 마모량이 14 x 10-2 mm2/kg 이었으며(이 값은 피막처리 안한 일반 저탄소강 디스크를 사용한 경우 보다 10배 적은 값임) 이었으나, 건식 마찰속도가 4.39 m/sec(이 마찰 속도는 피막처리 안한 일반 저탄소강 디스크를 사용하는 경우 피막이 열을 받아서 보라색으로 변하면서 쇠가 타는 냄새가 나는 조건임) 로 4배이상 빨라졌을 때는 마모량이 1.6 x 10-2 mm2/kg으로 무려 100 배 가량 감소하는 특이한 현상을 나타내었으며 표면을 만져도 전혀 뜨거운 마찰열의 흔적을 느끼지 못하엿습니다. 고속 마모를 시켰는데도 판상시편의 표면에 디스크에 의한 마모 흔적도 아주 작아서 마모량 측정하는 것도 힘든 정도 였습니다.

일반 상식으로는 빠른 속도로 쇠가 타는 하중으로 문지르면 마찰 열에 의해 낮은 속도로 문지르는 경우보다 마모량은 많아야 합니다. 마찰표면의 온도가 올라가면 온도 상승에 의해 표면경도가 낮아지고 그것 때문에 마찰계수가 증가하여 마모량이 증가하는 것입니다. 이러한 이상한 결과를 해석을 한다면 마찰 속도가 빨라질 수록 마찰계수가 낮아지기 때문에 마모량이 적다는 결론 밖에 달리 해석할 방법이 없습니다.


결론적으로 이 피막은 건식(습식포함) 고속 회전체의 마찰 부위에 적용하면 아주 우수한 성능을 내는 피막의 특성을 가지고 있습니다.적용분야는 자동차, 비행기 등의 엔진 초고속 회전체 및 터빈 초고속 회전체 부품, 각종 전동공구의 초고속 회전체 부품 등이며 저렴하게 처리가능한 습식표면처리 기술입니다

사진 마찰 속도에 따른 마모량의 변화 그라프


알루미늄 합급 부품의 저렴하면서도 친환경적인 전해연마 공정기술 새로운 표면처리 기술들

알루미늄 합금의 경면 처리에 일반적으로 전해연마 방법을 많이 사용합니다. 바로 알루미늄 가공 부품을 전해연마를 할 경우 표면 거칠기가 심할 경우 연마에 많은 알루미늄을 녹여 내어야 함으로, 보통 알루미늄 부품을 버핑이라는 공정을 써서 연마재에 의해 기계적으로 1차 광택을 내게됩니다. 이러한 버핑 공정이 끝나면 탈지를 거친후에 인산이 주성분인 고농도의 전해 연마액에 담근후 온도를 90도 이상 올려서 알루미늄 부품을 양극으로 걸고 표면을 균일하게 용해시켜 경면연마를 하게됩니다. 현재 국내의 알루미늄 표면처리 공장에서는 전해연마를 기피하는데 그 이유는 전해연마액이 물이 없는 고농도의 인산 질산과 같은 아주 강한 산을 사용하며, 전해연마 온도는 보통 90도이상의 고온이기 때문입니다. 이러한 이유 때문에 전해연마 탱크가 튼튼해야 하고 강산에대해 철저한 보안장치가 되어야하고 배기가스에 대해서도 환기가 아주 잘되어야 합니다. 또한 전류밀도가 높기때문에 전기적으로도 안전사고가 나지 않토록 조심해야 합니다.

전해연마 기술에 대해서는 제가 쓴 책인 알루미늄 표면처리 이론에서 실무까지에 잘 설명해 놓았습니다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 많은 전해 연마 액 배합의시행 착오를 거치면서 수용성 저농도 전해 연마 액을 온도 70도에서 경면연마가 가능한 공정을 개발하였습니다. 전해연마액의 조성은 수용액 농도가 20%인 순수한 파우다상의 무기화합물을 녹여서 만드는 액이어서 위험성이 적고 독한 약품냄새가 없으며, 전해연마하는 처리 온도도 70도 정도에서 작업함으로 위험성이 상당히 적은 친환경적인 전해 연마 공정입니다.

사진 위) 신 전해 연마 공정 후의 표면 불순물 조직사진과

아래) 위의 부분을 성분 이미지 분석 결과 사진


알루미늄 다이캐스팅 부품의 양극산화 피막처리 기술은 제가 쓴 알루미늄 표면처리 책에 내용이 있습니다. 새로운 표면처리 기술들

40 대 초반의 나이에 무전해 도금 기술이 너무 좋아서 다니던 대기업을 그만두고 삼성에 다니던 친구를 불러내어서, 도금 단지 내에 조그만 임대 공장을 시작하여 몇 년 되지 않은 사장님을 1990 년 대 초에 만났습니다. 삼성 다니던 친구는 구매 쪽에서 일을 맡은 경험이 있어서 영업을 맡아서 무전해 니켈 인(Ni-P) 도금 부품들을 영업해 오면 이 부품들을 자기들이 나름데로 최적화한 도금 공장에서 무전해 도금하여 납품 하고 있었습니다.

그러던 1993년 초 어느 날 이 사장님이 저를 찾아 왔습니다. 알루미늄 다이캐스팅 부품(ADC 12종) 양극산화 피막처리를 할 수 있느냐 하는 것입니다. 그리고 염수분무 시험에도 72 시간을 견뎌야 된다는 것입니다. 그 회사는 반자동으로 무전해 도금 라인을 만들어 더 이상 탱크를 설치할 공간도 없는 것을 아는데, 자기들이 생산하려고 한다는 것입니다. 조그만 탱크를 만들어 자기들이 해 보니까 양극산화 피막이 되지 않고, 피막 처리한 부품 표면에 손으로 닦으면 검은 가루가 뭍어 나온다는 것입니다.

소재를 개발하는 사람들은 소재의 물성 개선에만 신경을 쓰다보니 상품으로서의 중요한 가치가되는 내구성, 외관등을 위한 표면처리에 대해서 무시함으로 표면처리 문제를 나중에 알고 해결하지 못해서 응용범위가 아주 제한되는 경우가 많습니다.  예를들면, 한때 국내에 시끄러웠던 리퀴드 메탈이라든가, 마그네슘 칼슘 합금 같은 것이 대표적인 예입니다.

알루미늄 다이캐스팅 합금 중에 ADC 12종은 실리콘 성분이 약 12 % 정도 포함되어 있는데, 그 이유는 다이캐스팅 할 때 유동성이 좋아서 복잡한 부품들을 불량 없이 만들어 낼 수 있는 장점이 있어서 가장 많이 사용되는 합금입니다. 그러나 실리콘 성분이 많게 되면 부품의 표면에 실리콘의 함량이 높아서 양극산화 피막 처리 시 실리콘의 방해로 피막 형성 효율이 아주 나쁘게 됩니다. 그래서 일반 양극산화피막 조건으로 처리를 할 경우 거의 피막은 생성되지 않고 스머트만 표면에 발생되어 검은 때 같은 스머트가 불 균질 하게 표면에 덮여서 부품을 폐기처분 할 수 밖에 없게 됩니다. 그 당시에는 국내 아노다이징 공장들이 여기에 대해 제데로 된 기술이 없었고, 또 염수분무 72 시간 이상이라는 조건 또한 큰 관문이었습니다.

이 회사에 수탁과제로 기술개발 계약을 하고 기술개발을 완료해 주었습니다.

그 후에 이 회사는 그 기술로 바로 엄청난 양의 프로젝터 덮게를 납품해서 성공하고 알루미늄 사출 공장까지 지어 대박 났습니다. 저한테 의뢰할 때 이미 아이템이 정해져 있었는데 그 말은 하지 않은 것입니다.

아래 사진은 알루미늄 다이캐스팅 부품을 양극산화 처리 후 단면을 잘라서 전자현미경으로 관찰한 사진입니다. 표면의 실리콘 성분은 피막이 형성되지 않았으며 알루미늄 부분만 양극산화 피막이 형성된 것을 알 수 있습니다.
제가 쓴 알루미늄 표면처리 그 이론에서 실무까지 라는 책 속에알루미늄 다이캐스팅 부품(ADC 12종)의 양극산화 피막처리 기술이 자세히 소개되어 있습니다.  



사진 ADC 12종 합금의 양극산화 피막 처리 후의 단면 조직 사진


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

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, 장기적 기술적 지원을 기술 개발자로 부터 도움을 받아야 되기 때문인 것입니다. 


                                                        열간 프레스 단조를 금형 틀에서 작업 하는 사진


리튬 이온전지의 폭발 방지를 위한 제가 보유한 핵심 표면처리 기술 새로운 표면처리 기술들

리튬 이온 전지는 우리가 가장 많이 사용하는 핸드폰, 가정용 전화기, 노트북 컴퓨터, 캠코더, 디카 등 거의 모든 이동통신 기기에 사용되는 전지입니다.

그리고 더 나아가서 친 환경 자동차인 전기 자동차의 배터리 팩으로도 사용되고 있고 앞으로의 수요는 급속도로 증가 할 것으로 예상됩니다.
국내의 중소기업들이 이 분야의 부품 제조에 라인 증설을 서두르고 있고, 증설시 현재의 문제되는 단위 기술에 대한 수정 보완이 시급한 실정입니다
. 특히 리튬전지의 모든 원 재료는 그 특성에 맞는 고 신뢰성 표면처리를 해야되고, 표면처리 된 원재료들을 전해액 코팅을 하거나 절연 물질을 붙여서 실링하거나, 부위끼리 완벽한 접합을 해나가야 됩니다.자동차용 리튬 전지의 경우는 전기 용량이 크기 때문에 대형 사고에 대비한 제품의 안정성을 위한 신뢰도가 높은 표면처리가 더욱 필요한 실정입니다.

특히 핸드폰용 리튬전지는 전 세계의 사람들이 몸에 항상 가지고 다니기 때문에, 가장 안전한 글로벌 수준의 제품을 만들기 위해 더욱 더 장기적 안목의 중장기 기술 개발 투자와 기술인력 확보가 필요한 분야라고 생각 합니다.


무슨 조그만 배터리 팩에 중장기적인 기술 개발 투자가 필요하냐고 물으실 수도 있습니다
. 여기에는 몇가지 이유가 있습니다.
첫째 전해질이 수분과 아주 반응성이 높은 물질이라서 완벽한 외부와의 차폐 기술이 필요
합니다. 차폐가 되지 않으면 급격한 반응에 의해 폭발물로 변할 수 있습니다
.
둘째 고 효율화와 소형화의 추세가 계속 진행되고 있기 때문에 이에 대한 국제 경쟁력을 꾸준히 갖추어 나가지 않으면 도태
될 수 있습니다.
셋째 각 부품의 제조시 세계적 수준의 내구성을 확보
해야 합니다. 만일 일본의 내구성 보다 국내 특정 제조업체의 내구성이 떨어질 경우, 그 부품 때문에 이차전지 전체의 내구성이 떨어지기 때문에 기술 경쟁에서 약점을 잡혀서 도태되기 때문입니다.

제가 오늘 이 블로그에서는 제가 개발한 선진국 수준의 기술 2 가지만 소개드리겠습니다.
첫째는 알루미늄 전극 표면에 친환경 고 밀착성 표면처리 기술입니다. 제가 개발한 표면처리를 한 후 비닐 접착후 비등수에 담근 시간에 따라 접착강도가 변하는 랩 세어 강도 테스트에서, 현재 적용하는 표면처리보다 거의 2배의 접착강도로 비등수에 접착된 판재의 담근 시간 증가에 따른 강도 변화가 거의 없는 알루미늄 소재 표면의 접착용 코팅 기술
입니다.

둘째는 알루미늄 상에 용접 하지용 밀착성이 우수한 고내식 도금을 할 수 있는 기술입니다. 일반적으로 알루미늄은 도금을 할 경우 도금 층과의 접합력이 타 금속에 비해서 약합니다. 그래서 알려진 방법으로 알루미늄 전극을 도금할 경우 밀착력과 내구성이 약하여 대형사고의 원인이 될 수 있습니다. 이러한 문제점을 극복한 알루미늄 상의 고 밀착성 고내구성 친환경 도금기술 개발을 성공 확보하고 있습니다.


사진 리튬 이온전지 불량으로 노트북 컴퓨터 폭발 사고 모습




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