Research on the Development of Inline Phosphate Coating Process Technology to Secure the Properties of Parts for Power Transmission Machinery

동력전달용 기계부품의 물성 확보를 위한 인라인 인산염 피막처리 공정기술개발

Abstract

The steel wire or steel bar processing process applied to the manufacture of various bolts and power transmission shafts was improved by applying in-line phosphate film treatment technology. By applying a polymer lubricant for a non-reactive metal forming process and a non-reactive non-phosphorus lubricating coating agent, the film formation for each process time was comparatively analyzed and reviewed. Compared to the nine processes applied previously, the in-line phosphate film treatment technology applied with only two processes has been effectively improved in terms of reduction of treatment time, reduction of facility installation area, prevention of water pollution due to wastewater, and non-use of ozone-depleting substances. In addition, it was found that it can have an important effect on productivity improvement and price competitiveness from the simplification of quality control and process control as well as improvement of the working environment.

1. 서론

1.1 개요

기계구조용 부품으로 사용되는 각종 볼트류와 동력전달용 축 등 은 비교적 높은 강도가 요구되는 강선 또는 강봉의 소재를 사용하여야 한다[1].

이를 위하여 재료를 물리적 공정과 화학적 방법을 통한 기술개발로 제품의 품질 향상 및 생산성을 높여야 한다[2].

1.2 인라인 인산염 피막처리 기술 개발의 필요성

물리적 공정인 단시간의 담금질과 뜨임 처리는 제품의 생산성을 향상하고, 소입소려 열처리공정을 생략함으로써 에너지절감 및 작업환경의 개선뿐만 아니라, 단순히 압조가공 공정만으로 종래와 동등 이상의 강도, 인성을 구비한 기계부품을 제조할 수 있다. 다만 품질 관리가 용이하여야 하며, 공정관리를 단순화하여 생산성의 향상으로 가격 경쟁력 및 납기 개선이 가능하도록 하여야 한다. 또한 화학적 또는 전기화학적 반응을 활용하여 금속 표면에 부식액(인산염)에 의해 금속표면에 부식생성물 층(인산염 피막)을 형성시킴으로써 소성가공(신선, 인발, 냉간단조, Header 가공, Press 등) 에 있어 제품의 윤활성 향상과 표면처리 효과로 부식을 방지할 수 있어야 한다[3]. 이는 방식 및  도장하지용 피막, 금속착색 등에 사용되는 화성처리법의 하나로, 금속(주로 철강)을 묽은 인산과 화학적으로 반응시켜 금속의 표면을 난용성(難溶性)의 결정질 인산염으로 만들어 금속의 고유 성질을 보강할 수 있게 해 준다[4-7].

따라서 본 연구는 제품의 이러한 물리화학적 특성을 강화하여 제조 공정의 단순화와 처리시간의 단축, 폐수에 의한 수질오염의 방지, 시설설치 면적의 감축, 오존층 파괴물질의 미사용 등에 의한 제품의 생산성과 가격 경쟁력의 우위 확보를 위한 인산염계 화성피막 금속표면 처리방법을 개발하고자 한다.

1.3 인라인 인산염 피막처리 개발 기술

1.3.1 대상 제품

타이로드(Tie Rod): 랙 & 피니언과 볼 너트 방식의 조향 장치에 주로 쓰이는 부품으로 재질은 S45C 이며 관성력이나 내구성보다는 차량의 내부방향으로 받는 대 하중에 대한 좌굴 성능이 커야 한다[8].

Fig. 1 Tie Rod for vehicle

가이드로드(Guide Rod): 자동차 디스크 브레이크의 측면을 고정하는 부품으로 브레이크 패드와 디스크로터로 부터 발생되어 캘리퍼로 전달되는 고온에 대한 내열성을 지녀야 한다.

Fig. 2 Guide Rod for vehicle brake system

1.3.2 대상 기술

대상 소재를 신선하여 고주파 유도가열을 통한 QT(Quenching & Tempering) 처리 후 인산염 피막처리하여 스킨패스(신선)된 냉간압조용 선재(조질압연 후 담금질 그리고 다시 조질압연)를 개발하는 기술이다.

담금질(Quenching) : 급랭(急冷)함으로써 금속이나 합금의 내부에서 일어나는 변화를 저지하여, 고온에서의 안정상태 또는 중간상태를 저온 또는 온실에서 유지하는 기술이다.

뜨임(Tempering) : 강철을 담금질하면 경도는 커지나 메지기 쉬우므로 이를 적당한 온도로 재 가열했다가 공기 속에서 냉각, 조직을 연화·안정시켜 내부 응력(應力)을 없애는 조작으로 재료의 메짐을 없애고 강인성을 부여하거나 담금질 경도를 향상시키기 위해 실시하는 공정기술이다

신선작업(Wire drawing, 伸線作業) : 다이(Die)의 구멍을 통해 뽑아내서 원하는 모양이나 치수로선을 만드는 가공법이다.

조질압연(Skin pass, 調質壓延) : 가공 중 생긴 변형무늬의 제거와 경도 향상을 위해 압력으로 냉간 압연하는 공정이다.

인산염 피막 : 주로 착색 및 방청용, 도장마감 처리, 절연, 용사 전처리, 마모 윤활, 금속 냉간 소성변형가공용, 전기 절연용 등 다양한 목적으로 사용되며, 자동차부품, 각종 무기, 변압기 등의 방 청, 도장마감, 소성 가공용 피막, 비닐 코팅 마감 등에 적용 할 수 있다.

1.4 인라인 인산염 피막처리 기술개발 목표

종래의 9개 공정(탈지 → 수세 → 수세 → 산세 → 수세 → 표면조정 → 피막 → 수세 → 수세)으로 처리된 도막보다 효능이 떨어지지 않을 뿐만 아니라, 여러 기능 면에서도 동등 또는 우수한 2개 공정(산세 → 피막 → 수세)으로 탈지 인산염 피막처리 된 도막기술을 개발하며 공정의 단순화, 처리시간의 단축, 폐수에 의한 수질오염의 방 지, 시설설치 면적의 감축, 오존층 파괴물질을 사용하지 않아도 되는 인산염계 화성피막 금속표면처리방법을 아래의 항목과 같이 개발하고자 한다.

부착성 : Cross Cut, 1.5㎜(간격) 모눈 100개를 접착용 테이프로 박리시킨다.

내식성 : 5% NacL 용액 (35℃)×72시간 침적. 변색, 박리, 광택감소가 없도록 한다.

내산성 : 5% 황산용액(상온)에서 200시간 침적. 색상, 광택변화가 없어야 한다.

내알칼리성 : 5% 가성소다용액(상온)에서 15분×4회 Spot Test. 색상, 광택변화가 없어야 한다.

내충격성 : 1", 500g 추를 30㎝ 상부에서 낙하하여 시험을 한다. (시험편 3T 기준)

내비등수성 : 98±2℃의 물에서 2시간 침적 후 관찰하여 광택감소, 기포(Blister), 균열(Crack)이없어야 한다.

2. 실험 내용

2.1 비반응형 윤활 피막처리 실험

2.1.1 실험장치

본 연구에서 사용된 실험 장치를 Fig. 3에 나타내었다. (a)는 건조기로 피막 처리한 시편의 건조에 사용된다. (b)는 사용 시약의 요구되는 수소이 온농도(pH) 측정과 시약의 침전이 이루어지지 않도록 교반하는 장치이다. (c)는 롤러 교반기로 시약이 침전 및 결정 석출하는 경우가 있는 시약을 실험하기 전에 시약의 교반에 사용한다. (d)는 시약의 설정한 실험조건 온도를 유지하기 위한 항온기를 나나낸다.

Fig. 3 Non-reactive lubricating film treatment experimental equipment

2.1.2 비반응형 윤활 피막처리 실험 조건

Table 1에는 실험조건을 나타냈다. 사용 시편은 실험 전에 소재 표면에 기름 등의 이물질을 제거하기 위하여 수세 및 탈지제를 사용하였다. 처리온도, pH 농도, 건조온도와 건조시간은 시약처리 요구조건에 준하여 실시하였다. 시약 농도와 표면처리 시간은 향후 공정에서의 적용을 고려하여 최적 조건을 도출하기 위하여 여러 조건으로 실험을 실시하였다.

실험에는 특성이 다른 3종류의 시약을 사용하 였다. 시약 A는 소성가공용 폴리머 윤활제로 침적처리를 하고 건조만 시켜도 양호한 윤활피막을 형성하는 특성을 가지고 있다. 시약 B는 소성가공용 윤활제로 비반응의 침적처리하고 건조하여 양호한 윤활피막을 형성한다. 시약 C는 신선용 무기염 캐리어 윤활제로 탈막(제거)성과 건조성이 우수하고 깨끗한 신선표면을 얻을 수 있는 특징이 있다. 사용한 시약은 일반적으로 인산염 피막처리에 사용되는 것으로 공정시간을 고려한 범위 내에서 피막 형성이 우수한 조건을 도출하고자 하였다.

Table 1. Experimental conditions

Table 2. Surface treatment conditions

2.1.3 비반응형 윤활 피막처리 실험 결과 분석

Fig. 4에 시약 A의 피막처리 실험결과를 나타 내었다. 실험 조건은 처리온도 60±5℃, pH 농도 9.5에서 표면처리시간을 5, 10, 15초로 하였다. (a)는 시약 농도 10%의 조건으로 표면처리시간을길게 하여도 일부 윤활피막 성분은 확인되나 피막 형태가 명확히 형성되지 않았다. (b)는 시약 농도15%의 조건으로 조건(a)에 비해 피막 형태 및 성분이 잘 구분되며 표면처리시간의 영향은 나타나지 않았다. (c)는 시약 농도 20%의 조건으로 조건(b)에 비해 피막 형태 및 성분이 비교적 잘 구분은 되지만 큰 차이는 나타나지 않았다. 시약 A의 경우에는 시약 농도 15%로 표면처리시간 5초의 조건에서도 충분히 요구하는 피막 형성이 가능할 것으로 나타났다.

Fig. 4 Results of primary experiment of non-reactive lubricating film treatment

Fig. 5 Results of secondary experiment of non-reactive lubricating film treatment

Fig. 5 Continued

Fig. 5에 시약 B의 피막처리 실험결과를 나타내었다. 실험 조건은 처리온도 60±5℃, pH 농도12에서 표면처리시간을 5, 10, 15초로 하였다. 시약 B의 경우는 모든 조건에 있어 피막 형성이 나타나지 않았다. 또한 시편 표면에 분말 형태의 입자가 관찰되어 시약이 충분히 교반되지 않았을 것으로 추정된다. 시약을 롤러 교반기에서 장시간 교반하였음에도 불구하고 이런 결과가 나타나 공정에의 적용은 효율적이지 않을 것으로 판단된다.

2.1.4 비반응형 윤활 피막처리 실험 결과분석

첫째: 시약 A와 시약 B에서는 원하는 피막 형성이 확인되었다.

둘째: 시약 C는 피막 형성용 시약으로 부적합한 것으로 판단된다.

셋째: 전산도(총산성도, total acidity) 차이 및 처리시간에 따른 피막생성 비교 실험을 실시하여비교 검토하여야 할 것으로 판단된다.

2.2 전산도 차이 및 처리시간에 따른 피막형성 비교 1차 실험

2.2.1 실험장치

전산도 차이 및 처리 시간에 따른 피막 생성을 비교하여, 피막 처리 시간을 단축시키기 위한 화성피막제에서의 전산도의 영향을 확인하기 위해 아래 사진과 같이 실험 장치를 구성하였다.

Fig. 6 Comparative experiment of film formation by difference in total acidity and treatment time

2.2.2 전산도 차이 및 처리시간에 따른 피막형성 비교 실험 조건

전산도 처리 실험조건을 표 3에 나타낸다. 실험은 45±5℃로 예열한 시편을 45±5℃에서 화성 피막처리한 후 수돗물로 세척하고 건조기에서 50℃로 10분간 건조하였다. 화성피막 용액의 전산도는 23, 44, 53이며, 표면처리시간은 5, 10, 20, 40초로 하였다.

Table 3. Experimental conditions

Fig. 7에서는 전산도 농도에 따라 시약의 색이 변화된 것을 확인할 수 있다.

Fig. 8은 건조 온도 50℃, 건조 시간을 10분으로 한 조건에서는 시편에 수분의 잔류가 확인되어 건조 온도 및 건조 시간이 충분하지 않았음을 알 수 있었다.

Fig. 9는 용액 전산도 농도 변화에 따른 피막처리 결과를 나타낸다. (b)는 용액 전산도가 23의 경우로 표면처리시간 5, 10초에서는 인산염 입자

Fig. 7 Chemical conversion coating tank

Fig. 8 Sample condition at 50℃ and a drying time of 10 minutes

형성이 관찰되지 않았으나, 20초와 40초의 조건에서는 인산염 입자가 형성된 것을 확인할 수가 있 었다. 40초에서는 20초의 조건보다 입자의 크기와 수가 크게 나타났다. (c)는 용액 전산도가 53의경우로 표면처리시간 5, 10, 20초에서는 인산염입자 형성이 관찰되지 않았다. 40초의 조건에서는 인산염 입자가 (b), (c) 조건에 비해 큰 입자가 관찰되었다. (d)는 용액 전산도가 44의 경우로 표면처리시간 5, 10초에서는 인산염 입자 형성이 관찰

Fig. 9 Phosphate film treatment test results and SEM image

되지 않았고, 20초의 조건에서는 국부적으로 소량의 입자가 형성되었다. (f)는 표면처리시간을 40초로 한 경우로 화성 피막이 전산도 크기와 비례하여 인산염 입자도 크게 나타나고 있다.

2.3 전산도 차이 및 처리시간에 따른 피 막형성 비교 2차 실험

전반적으로 인산염 피막 형성이 이루어지지 않은 2.2.3 실험 결과를 개선할 필요가 있어 조건을 변경하 였다. 화성 피막처리온도를 60±5℃로, 화성 피막처리 시간을 1, 2, 3분으로, 건조시간은 60℃로 하였다. 또 한, 시간이 경과함에 따라 촉진도가 저하하는 현상을 방지하기 위하여 실험 직전에 촉진제를 투입하였다.

2.3.1 전산도 차이 및 처리시간에 따른 피막형성 비교 2차 실험 조건

Table 4. Experimental conditions

Fig. 10 Experiment equipment (2nd)

2.3.2 전산도 차이 및 처리시간에 따른 피막생성 비교 2차 실험 결과 분석

Fig. 11은 변경된 조건에서의 용액 전산도 농도 변화에 따른 피막처리 결과를 나타낸다. (b)는 용액 전산도가 23의 경우로 표면처리시간 60, 120 초에서는 피막 생성이 완전하지 못하고 시편 표면이 드러나는 곳이 많이 관찰되었다. (c)는 용액 전산도가 44의 경우로 전반적으로 피막이 잘 형성 되었다, 표면처리시간 180초에서는 치밀하고 입자가 큰 피막 형성이 관찰되었다. (d)는 용액 전산도가 53의 경우로 (b), (c) 조건에 비해 큰 입자가 관찰되었다. (e)는 표면처리시간 120초dp서의 피막 입자의 주성분을 분석한 것으로 시편 표면에 O, Zn, P, Fe의 생성이 확인되었다. (f)에서는 1 차 실험과를 비교한 것으로 전산도가 낮은 경우에 치밀한 피막형성을 위해서는 처리시간을 길게 하여야 하며, 전산도가 높을 경우에는 처리시간 60 초에도 충분히 피막이 형성되며, 시간이 증가함에 따라 피막 입자가 크게 성장하는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 11 Analysis of the results of the secondary experiment

3. 결론

3.1 기술개발 추진성과 및 기대효과

첫째: 비반응형 윤활 피막처리에 대한 시약별 피막형성 기초 자료를 확보하였다.

둘째: 인산염 피막처리에 대한 시약별 피막형성기초 자료를 확보하였다.

셋째: 향후 인산염계 화성피막 금속표면처리의 방향성을 확보하였고, 안정적인 피막처리 공정기술 적용 제조공정의 구축이 가능하였다.

넷째: 인산염계 화성피막 금속표면처리 기술개발로 품질개선을 통한 생산성을 향상하고 고부가가치 제품 생산으로 매출 향상을 도모하여 지역경제의 활성화에 기여 할 수 있다.

3.2 향후 연구 추진 계획

첫째: 확보된 기초 자료를 바탕으로 자동차 부품 생산공정에 적용하고자 한다.

둘째: 추가적인 실험을 통하여 최적의 처리시간 및 시약 결정을 얻는다.

셋째: 기계재료의 피막처리 기술의 원천적인 기술과 실험데이터를 확보한다.