자동차 엔진 연관된 부품의 표면처리 기술들 새로운 표면처리 기술들

자동차 엔진 효율 및 내구성 향상을 위한 부품의 표면처리를 둘러싼 국내외 변수가 변화무쌍합니다.

지금부터 10 여년 전에 아연 전기 도금업을 하시는 사장님이 저를 찾아 왔습니다. 이 회사는 독성 폐수가 나오는 시안 아연 도금업으로 오랫동안 사업을 하신 분인데, 워낙 주위에 이런 도금을 하는 업체가 많아서 열심히는 했지만, 순이익은 그렇게 많지 못했습니다. 그런데 어느날 자동차 엔진 연료 펌프 관련 부품 제조 1차 벤더업체에서 노즐 관련 알루미늄 부품의 샘플을 가지고 와서 그 회사 사장님한테 할 수 있느냐고 하는데, 아노다이징 한 것이 특이하여서 고민을 하다가, 그 당시 표면처리 기술지도하였던 제가 생각이 나서 자문 받으려고 온 것입니다.  원래는 일본에서 표면처리를 해서 수입되는 것을 국산화 한 것입니다.

제 전공이 이 분야이기 때문에 공동 개발 하기로 약속한 후에, 단 기간에 현장에서 연료 노즐의 특수 양극산화 피막기술을 일본 제품보다 우수한 성능으로 표면처리를 하는데 성공하여, 국내 대기업 자동차 회사로부터 받기 어렵다는 SQ 마크를 획득하고 시안 아연도금은 다 없애고 지금은 완전 알루미늄 표면처리 대박 기술의 기쁨을 만끽하고 있는 회사가 되었습니다.

 최근에와서는 세계 자동차 엔진 효율 및 내구성 향상을 위한 부품 관련 큰 변화가 일어날 조짐이 있습니다엔진의 크기는 작아지고 연료 효율은 높이는 엔진 시스템의 설계 변경입니다.  국내 자동차 엔진의 대부분을 차지하는 휘발유 엔진을 디젤과 같은 효율의 엔진 시스템을 갖추려 하는 것입니다.  이런 경우 대부분이 엔진에서 배기되는 뜨거운 독한 가스와 부유물 들을 다시 재활용하여 사용하려는 시스템으로 설계가 되어야 됩니다.

여기에 연관된 모든 부품들에 대해서 내구성 점검을 모두 다 재 검토해야 합니다.

왜냐구요? 엔진에 과부하가 걸려서 열방출이 제대로 안되어 자체 과열이 심하여 엔진이 깨어지는 경우도 있어 과열에 대비한 모든 부품의 열방출 냉각 환기 시스템 관련 부품을 재 검토 해야되기 때문입니다. 또한 엔진에서 연소된 배기가스에는 유독한 부식성 가스가 대부분이고 연소 후에 발생된 미립자들이 배기가스에 섞여서 다시 재활용하려는 엔진관련 부품들에 주입되기 때문에 내구성 관련 재검토도 이루어 져야 합니다  이제는 엔진 연관 부품 내구성이 10 년 이상 사용해도 견딜 수 있는 과열, 마모 및 부식 환경에 대응하는 소재나 표면처리의 요구되는 시점입니다.

얼마 전 저에게 휘발유 자동차용 엔진 효율 높이는 핵심 부품인 터보차저를 만드는 회사에서 연구 소장님이 찾아오셔서 기술 면담을 했습니다갑자기 휘발유 엔진효율 향상을 위한 터보차저 기술을 디젤 엔진에 적용시켜서 디젤 자동차의 엔진 효율 높이는 시스템으로 경쟁이 되고 있는 것입니다.  이 회사에서는 현재 휘발유 엔진에 사용 중인 터보 챠저의 알루미늄 합금 부품을 디젤엔진에 적용해 본 결과, 디젤 엔진에서 발생되는 고열과 높은 고속 미립자 함유 배기 가스를 견디지를 못하고 망가져 버려서, 이를 해결할 알루미늄 터보차져 표면의 고내식 내 에로젼 표면처리 기술을 찾고 있었습니다. 

소장님이 일본 유명 표면처리 회사에서 만들어온 샘플을 보여주면서, 이러한 표면처리도 디젤 엔진에 걸어서 내구성 테스트를 해본 결과 얼마 견디지를 못하고 파괴되어 버린 다는 것 입니다. 무슨 표면처리를 해야 될 지 대책이 없어서 저를 찾아 온 것입니다. 그분에게 일본에서 한 표면처리가 무슨 문제점이 있는지를 설명해 주었습니다.  원인을 알면 해결 방법이 있는 것입니다. 알루미늄은 소재가 가벼워 회전체로서의 큰 장점이 있으며, 또한 지금까지의 알루미늄 부품에 대한 엄청난 기술 검증이 이루어졌기 때문에, 알루미늄 합금의 소재를 변화시키지 않고, 표면처리로 이 문제를 풀 수 있다면 가장 훌륭한 해답이 되기 때문입니다.

 

사진 디젤 엔진 효율 높이는 터보차저 알루미늄 합금의 핵심부품


알루미늄 합금의 무폐수 크로메이트 처리 기술 새로운 표면처리 기술들

1990년대 중반 인 걸로 기억합니다. 어느 중소기업 사장님께서 저를 꼭 만나서 상의를 해야 될 일이 있다고 전화가 왔습니다.  무슨 일인지 물어보았더니, 신도시 건축 붐이 크게 일어난 시절이라 각 아파트 마다 청동으로 쓰던 온수보일러 난방기와 분배기를 알루미늄으로 대체를 많이했는데 그때 알루미늄 난방기와 분배기를 납품하던 회사였습니다.  알루미늄 사각 튜브와 파이프를 일정길이로 짤라서 용접하고 겉에 페인트 스프레리를 해서 납품을 한 것입니다.  이 회사는 엄청난 숫자의 알루미늄 온수 분배기와 난방기를 신축 아파트 마다 설치를 해서 많은 돈을 벌었고 벌고 있었습니다. 

그런데 갑자기 준공한 아파트 뿐만 아니라 준공하기전 아파트에서도 납품했던 알루미늄 분배기와 난방기가 부식이되어 누수현상이 나타나기 시작한 것입니다. 사장님 한테는 기가 막힌 일이 벌어진 것입니다. 클레임이 걸려서 새로 만들어 주어야 하는데 어떻게 만들어야 되는지, 왜 부식이 된 것인지 모르니 얼마나 답답했겠습니까?  이때에 누가 저를 소개해 준 것 같습니다. 저에게 썪은 부위 단면을 잘라서 가져와서 보여주는데 내부가 완전히 썪어서 엉망이 된 것입니다.  사장님 사정이 워낙 딱해서 제가 해결 방법을 같이 고민을 하기로 했습니다.

문제는 분배기나 난방기의 내부를 방식을 해야 하는데 용접을 하기 전에 방식을 하면 용접하고 나면 용접부위는 내부에는 그 부분이 노출되기때문에 더 빨리 부식이 되는 현상이 발생함으로 용접을 다 마친 후 완성품에서 내부를 방식 처리를 해야합니다. 거기다가 이 회사는 영세하여 탈지조는 있는데 폐수처리 시설은 전혀 없는 환경이었습니다.  여러분이 만일 이런 상황이라면 어떻게 이 문제를 풀어 드리겠습니까?

온수기나 분배기 내부의 방식처리는 온수에 대한 장시간의 내구성이 보장되어야 합니다. 그리고 갇혀있는 물이 계속 돌기때문에 물의 오염도가 심합니다. 그래서 내부 방식 처리를 필수적으로 해야하는데 용접된 분배기나 온수기의 내부를 전처리하고 본처리를 하는방법은 온수가 들어가고 나가는 두개의 출입구를 통해서만 처리가 가능 합니다. 이 방법에 선택한 방식 도장 전처리는 무폐수 크로메이트처리이고 본처리는 침적 도포형 고내식 도장방법을 사용하였습니다.

알루미늄 재질 시편에 본 방법에 의해 처리한 것과 그냥 탈지해서 샌딩한 후 도장한 것을 소금물 10 %의 물에 담근 후 12시간 끓이고 12시간 꺼내어 식혔습니다. 탈지 샌딩 도장한 것은 하루도 못되어 그대로 벗겨져 부식이 되었지만, 크로메이트 도장 처리는 5일 지나도 아무 이상이 없었습니다. 그래서 이 방법으로 온수 분배기와 난방기를 처리를 해서 납품을 시작했습니다.

우리 주변에는 겉은 화려하게 만들고 실제 문제가 발생할 수 있는 내부의 표면은 조잡하게 만드는 제품들이 많이 있습니다.

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 사진 본기술로 크로메이트 처리한 알루미늄 부품 단면 전자현미경 조직 사진


표면처리 관련 기술개발 지원 필요하신 분 공지사항

표면처리 관련 기술개발에 어떤 형태로든지 협력을 필요로 하는 사장님이나 책임자 분은 메일 주시기 바랍니다.

연구소를 가지고 있으면 더 좋습니다. 정기적인 기술 자문이나 기술 고문 등이 필요하면 더 좋습니다.

제 메일 주소는 nepalhan@gmail.com 또는 nepalhan@hanmail.net 입니다.


플라즈마 용사 피막의 고 내식 표면처리 기술 새로운 표면처리 기술들

플라즈마 용사 법은 비전이형 “아크”에 의해 불활성 가스로부터 생성되는 고속(650m/sec), 고온(중심온도 약 16,700℃)의 플라즈마 흐름을 사용하는 코팅 방법으로서 플라즈마용사장치 내에서 일정하게 공급되는 분말 코팅 재는 완전 용융된 상태로 음속의 2배 속도로 소재에 충돌하여 치밀한 코팅 막을 형성 합니다.

이러한 방법에 의해 형성되는 피막의 특징은, 모재에 열 변형이 없는 코팅 가능하고, 코팅두께 조절이 용이하며, 최대 3mm 두께까지 코팅가능하고, 금속, 세라믹, 서멧 등 다양한 코팅가능하며, 높은 밀착력을 가지며 산화가 매우 적습니다. 이러한 특징 때문에 피막의 응용분야는 아래와 같이 상당히 넓습니다.

철강, 비철금속

각종 HEARTH ROLL, DEFLECTOR ROLL, PLATING ROLLS, HYDRAULIC PLUNGER, FAN BLADE, PUMP &VALVE PARTS, WIRE DRAWING MACHINE PARTS, etc

섬유

GUIDE PARTS, BOBBIN, SPINDLE, DRAW ROLL, HEATER PLATE, etc

석유, 화학

THERMO-COUPLE, SCREW FOR EXTRUSION &INJECTION MACHINE, PISTON ROD, PUMP &VALVE, etc

전자기기

각종 COMPUTER PARTS, DRUM FOR VTR, ROLLERS FOR REPRODUCTION MACHINE

항공기, 선박

ENGINE PARTS (FAN BLADE, COMPRESSOR HUB, TRANSMISSION HOUSING, VALVE

차량 각종

TURBO-CHARGER CASING, SYNCHRONIZER RING, etc) etc

기 타

MECHANICAL SEAL RING PLUNGER, SLEEVE, BUSH, 해양개발, 유리, 시멘트, 제지, 펄프, 인쇄, etc

 

이와 같은 용사 피막의 탁월한 장점 때문에 많은 산업 기계 분야에 응용폭이 상당히 넓지만, 이러한 피막이 가지는 치명적인 단점 때문에 상당히 많은 부분에서 제한을 받고 있습니다. 이 피막의 단점은 고열의 용융된 금속 또는 세라믹 입자들이 고속으로 날아와 금속 표면에서 달라붙으면서 상온 대기압 하에서 급냉으로 식는 코팅 층이므로, 피막 표면이 거칠고 기공들이 많이 형성 된다는 것입니다. 그래서 거친 표면을 다듬기위해 그라인더 등의 정밀한 연마공정을 해야 합니다. 또한 부식 분위기가 형성되는 환경에서는 용사 피막 층 내에 무수히 많은 기공들이 있어서 부식물이 그곳을 통해 용사피막과 접하고 있는 금속과 부식반응을 일으켜서 용사피막이 조그만 충격에도 박리되는 현상이 나타납니다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 간단하면서도 친 환경적인 공정을 연구하여 상용화 개발 하였는데, 그 방법은 수용액상의 개발된 코팅 용액에 담구었다가 꺼내어 가열 건조하면, 기공 내에 세라믹이 채워지는 기술입니다. 본 기술을 적용할 경우 모든 용사 피막 층 내의 기공들이 고경도의 세라믹 물질로 채워짐으로서 피막의 강도도 상승하고 내식성이 크게 증가하는 결과를 나타내었습니다. 그리고 표면의 거칠기도 크게 감소하여 용사피막의 다듬질 공정의 작업 시간도 반 이상 줄어드는 효과도 나타내었습니다.

용사피막의 내식성은 일반 용사피막의 경우 염수분무시간 24시간을 넘기지 못하지만, 본 개발 기술인 세라믹을 채워 넣은 용사피막은 염수분무시간 1,000 시간을 넘는 우수한 내식성을 나타내었습니다.

본 개발 기술이 적용될 수 있는 부품의 응용분야는 아래와 같습니다.

- 내마모성 및 내부식성 증대

- 마찰계수 저하

- 열 차단증대

- 전기 차폐성

- 마모 손상된 부품 원상 복귀

- 경량화 된 소재의 부품 대체화

- 전파 복사성

사진 용사 후의 코팅된 피막 표면 사진

  

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사진 용사 피막에 개발 기술 적용 후의 표면 사진


LCD 용 알루미늄 가공 판에 표면처리시 발생하는 부식 새로운 표면처리 기술들

알루미늄 부품 중에서 국내에서 가장 고 부가가치 기술을 필요로 하는 분야는 LCD용 전극 등의 표면처리와 반도체 에칭장비용 각종 전극 등의 표면처리라고 생각합니다.

어느날 관련 업체에서 저를 찾아 왔습니다. LCD용 전극판인데 가로 세로 2 m 정도 되는데 두께가 10 cm 정도 되는것 같았습니다. 그곳에 전면이 사진과 같은 가스가 분산되기 하기위한 미세한 구멍 가공이 되어 있는 판이었습니다. 찾아온 이유는 자기들이 알루미늄 판을 가공을 해서 깎아내고 구멍도 치수를 정밀하게 가공해서 마무리를 한 후, 표면처리 공장에 보냈는데, 사진과 같이 가공 된 구멍 내에  부식이 발생했다는 것입니다. 그 부식으로 인해 가공을 마친 판 전체를 못쓰게 되어 한 1억정도가 표면처리 1시간 잘못해서 없어졌다는 것입니다.  그때 저를 찾아오신 분은 표면처리를 직접 하신 분이 아니라 자세한 질문을 할 수도 없어서 분석을 한번 해 볼테니 부식된 부분을 달라고 했습니다.

얼마 후 부식 된 표면처리 한 업체에서 한번 와 달라고 해서 갔습니다. 엄청난 시설 투자를 했습니다. 표면처리 공장 치고는 정말 깨끗했습니다. 공정에 대한 설명을 들으면서 왜 그런 문제가 발생했는지를 짐작이 갔습니다만 자세한 이야기는 안했습니다.

 제가 항상 느끼는 것이지만 이러한 기술 집약적 분야의 문제점은 회사를 운영하시는 분이 표면처리 기술의 중요성을 모른다는 것입니다.  그래서 이 분야는 경험을 가진 표면처리 기술자들이 경쟁업체로 옮기는 경우의 빈도가 높습니다. 반도체 분야나 LCD분야는 이제 세계적인 제조업체가 우리나라에 여러곳 있습니다.  

표면처리 기술이 생명인 이 분야의 기업 기술자가 이회사에서 저회사로 다니지 않는 이 분야를 책임 질 표면처리 기술을 보유 한 세계적인 기업이 우리나라에도 이제 나와야 될 것입니다. 

사진 LCD 전극판의 가공후 표면처리 시 발생한 부식 모습


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