알루미늄 다이캐스팅 부품의 양극산화 피막처리 기술 고내식 표면처리 기술

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 사장님의 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 성공했습니다. 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. 



사진 ADC 12종 합금의 양극산화 피막 처리 후의 단면 조직 사진


철강재료 표면에 선택적으로 고속으로 두꺼운 확산 초경질 카바이드를 형성하는 기술(적용분야 업데이트) 내마모 표면처리 기술

일반적으로 철강재료 위에 무지하게 단단한 카바이드(비이커스 경도 3,000 이상)층을 형성하는 기술로 알려진 방법은

1. 진공 챔버내에서 플라즈마를 발생 시키거나 또는 유독 화학개스를 넣어서 하는 PVD 또는 PECVD,

2. 썹씨 1,100도로 가열된 염욕 속에 넣어서 처리하는 프로세스,

3. 유동상 분말과 반응 개스를 넣고 썹씨 1,100도로 가열하여 처리하는 프로세스가 있습니다.

1번의 기술은 1. 코팅 두께가 처리 시간에 비해 너무 얇고 코팅층의 밀착성이 약하며, 진공챔버 내에 들어가는 부품을 처리해야 함으로 처리 단가가 제일 비쌉니다.

2번의 기술은 용융염이 부식성이 강하여 고온에서 작업할 때 용기의 안전성과 부품을 달아매어 염욕에 넣어야 함으로 부품의 크기와 무게 제한이 있고, 처리과정에서 발생하는 유독 개스와 폐수 발생의 문제가 있습니다.

3번의 기술은 2번 보다는 공해 문제가 덜하지만 부품을 달아 매어야 하기 때문에 크기와 무게에 제한이 있습니다.

덧 붙여서 3가지 방법 모두 원하든 원하지 않던 부품의 모든 부위가 코팅이 됩니다.

이와같은 문제점을 해결하기 위하여 다음과 같은 특성을 가지는 코팅 기술을 본인이 개발하였습니다.

1. 원하는 부위만 페인트 코팅 하듯이 처리액을 발라서 카바이드를 형성 시키는 기술

2. 처리온도는 썹씨 1000도 부근으로 처리시간 2시간에 10 미크론의 카바이드가 표면에 형성되는 기술

3. 아무리 큰 물건이라도 들어갈 열처리 분위기로만 있으면 처리가 가능한 기술

4. 폐수 발생이 전혀 없고 폐가스 발생이 전혀 없는 청정 생산기술

5. 카바이드층은 모재와 확산 침투 반응에 의해 형성됨으로 결합력은 모재 그 자체로 한덩어리임

상기와 같은 특성을 가지면서 처리액이 바르는 양만큼 아주 소량이 사용됨으로 처리단가는 기존의 방법에 비교해 아주 저렴합니다.

이러한 카바이드 형성기술을 적용할 수 있는 분야는;

1. 자동차 산업에서는 : Molding die, 각종 Drawing die, Punch, Burring punch, 각종 Locating pin

2. 강선 인발 공업에서는 : Steel wire guide roll, 각종 Copper wire guide roll, Wire drawing capstan, Cold finished steel bar

guide nozzle

3. 각종 Forming roll 등과 각종 Resin extruding parts, 각종 Cutting blade for construction materials, 각종 Powder molding

die, 각종 Steel masher roll, 각종 Pipe processing core bar, 각종 Die-cast pin, 각종 Cold forging punch, 각종 Chain pin,

Bush 등이 있습니다. 이외에도 내마모용 분야에 그범위는 상당히 넓다고 생각합니다.



사진 카바이드 형성 기술이 응용되고 있는 각종 부품들 

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사진 본인이 본 기술을 적용하여 선택적으로 윗부분만 카바이드가 형성된 외관


철강재료 표면에 선택적으로 고속으로 두꺼운 확산 초경질 카바이드를 형성하는 기술 내마모 표면처리 기술

현재 국내에 알려진 초경질 카바이드층 코팅기술로는 플라즈마에의한 저온 초박형 저밀착성 프로세스와 고온 확산프로세스에 의한 두꺼운 고 밀착성 프로세스가 있는데 고온 확산 프로세스에 의해 형성된 10 미크론 정도의 초경질 층은 금형강의 수명을 100 배이상 증가시키는 것으로 알려졌으며 1980년대 부터 상용화가 되어 왔습니다. 그 후에 유동상에 의한 카바이드 형성 프로세스도 개발되었습니다. 이러한 기술은 염욕속에 담구어서 처리하거나 분말 유동상로를 만들어 반응기체를 생성시켜 카바이드 형성 처리하는 방법입니다. 그리고 처리온도도 1,100도 정도로 높고 매우 위험한 공정입니다.

또한 대부분의 카바이드와 같은 고경도가 필요한 부품들은 부품의 부분만 고경도가 필요한 경우가 많습니다. 이러한 필요에 의해 원하는 부분만 도포형태로 얇게 코팅하여 분위기 로에서 열처리를 950 도 정도에서 하면 그 부분만 10 미크론 정도의 카바이드가 단시간에 형성될 수 있는 기술이 제가 개발한 기술입니다.

본 기술은 물건 전체를 염욕로에 넣거나 유동상로에 넣을 필요가 없어서 친환경 이면서 그 응용성이 광범위하고 생산 단가가 낮기 때문에 부품 실용화 적용범위가 상당히 넓을 수 있는 장점이 있습니다.

본 기술은 실험실에서는 성공했고, 공정기술이라서 특허도 내지 않았고, 적용할만한 기업체를 아직 찾지도 못햇습니다.   혹시 기술이전에 관심이 있으신 기업체 사장님은 회사명, 적용하고싶은 부품명, 매출액 등을 제 이메일로 보내주시면 검토하겠습니다.   제 이메일은 nepalhan@hanmail.net 입니다 ~



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사진 바나듐 카바이드가 코팅된 금형의 단면 조직사진


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


휴대폰, LED 부품 등에 필요한 저렴하면서 열전달 및 방열성이 높은 코팅 기술 반도체 LED등 관련 표면처리기술

국내의 에너지 상황이 날로 악화되고 있어서, 아주 추운 날씨나 아주 더운 날씨에 전기를 꼭 써야 될 때, 전기쓰는 양을 줄이라고 범국민 적으로 홍보를 하는 횟수가 늘어나고 있습니다. 이유는 에어콘이나 히터의 전기 소모가 크게 증가하기 때문입니다. 
에너지 절감이라는 큰 화두에 항상 빠지지 않는 것은 어떻게 하면 더울때 더운에너지를 찬쪽으로 또는 그 반대로 빨리 이동시켜서 열을 뺏거나 주는가의 열전달 기술입니다 이러한 열전달 기술의 핵심은 소재의 표면에 열전달 해야 되는 매체를 놓았을때 그 소재의 반대편 쪽으로 열전달이 얼마나 빨리 이동할 수 있느냐의 표면처리 기술입니다. 
이러한 기술을 바탕으로 만든 부품이 히트파이프입니다. 
히트파이프의 열전달 속도는 (다른 어떠한 부가되는 장치없이 무동력으로) 구리 금속의 열전달 속도의 60 ~70 배로 이동할 수 있으며, 30 cm 거리를 거의 3 ~ 4초 내에 한쪽 끝의 온도와 유사한 온도로 반대편 차가운 쪽으로 전달되는 굉장히 빠른 열전달 특성이 있습니다.  히트 파이프의 핵심 기술은 윅(wick)을 만드는 일인데 주로 표면을 요철을 내거나 분말 야금 법에 의해 소결하여 모세관 현상을 이용하는 내부 벽면 구조를 만드는 기술입니다.
이러한 분말 야금법이나 표면 요철을 만드는 가공 기술은 사이즈의 제한을 받고(파이프 내경을 분말야금으로 붙이려면 사이즈에 맞는 소결로가 있어야 하고, 요철을 파이프 내면에 내려면 내면 가공용 장비의 사양에 맞추어야 하기 때문)가공비가 많이 들어가는 단점이 있습니다.
미국에서 히트파이프를 가장 많이 사용하는 분야는 제습기나 태양열 장비, 보일러, 에어콘, 자동차, 전철, 기관차 등 교통수단으로, 온도 조절 때문에 많이 사용되고 있습니다. 그러나 점차 통신장비와 컴퓨터 등이 고 성능화 됨에 따라 이에 의한 열방출 문제와 LED 보급에 의한 열방출 문제로 히트파이프가 형태가 복잡해지고 소형화 되어야 될 필요성이 크게 증가하고 있습니다. 
이로 인하여
열방출 부분을 가공하여 판상이나 복잡한 형상의 형태를 만든후 최종적인 마무리 공정에서 내부 벽면을
윅(wick)을 만들어야 되는 시대가 되었습니다.

이러한 문제를 해결하는 기술로 제가 개발한 본 방열용 윅(wick) 대체용 세라믹 코팅기술은 어떠한 형태이든 그 형태의 내부에 세라믹을 형성 할 수 있는 코팅액을 넣어 벽면을 반응시켜 고성능의 세라믹 코팅 wick을 형성시킬 수 있습니다.  이 기술의 특징은 사이즈와 형태가 어떠한 모양이든 엄청나게 크든 아주작든 상관 없이 코팅액이 들어갈 수 있는 입구만 있으면 가능 합니다. 
본 기술이 적용될 수 있는 분야는 컴퓨터, 통신장비, LED 방열판, 각종 에어컨 등의 냉열기기 부품, 각종 제습기의 핵심부품, 각종 히터의 열전달 부품 등과 기계 장비등의 고열부분의 과열방지 부품, 각종 금형의 균일온도 조절용, 금형의 온도 제어용 고속 방열 또는 고속 가열용 부품 등에 사용 가능합니다.
                                                                    사진 열방출용 세라믹 코팅층 표면

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