KR101972455B1 - 친환경적인 제조공정을 갖는 비드와이어 및 이의 제조방법 - Google Patents

친환경적인 제조공정을 갖는 비드와이어 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 친환경적인 제조공정을 갖는 비드와이어 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 친환경적인 제조공정을 갖는 비드와이어의 제조방법은, 와이어를 준비하는 단계; 상기 와이어에 경질입자를 포함하는 슬러리액을 고압으로 분사하여 상기 와이어의 표면을 세척하는 표면 세척 단계; 및 건식 도금 장치를 통해 도금 소스 금속을 플라즈마로 스퍼터링, 상기 표면 세척 단계를 거친 상기 와이어에 상기 도금 소스 금속을 도금하여 도금층을 형성하는 건식 도금 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이며, 친환경적인 제조공정을 갖는 비드와이어는, 경질입자를 포함하는 슬러리액을 통해 표면이 세척된 와이어; 도금 소스 금속을 플라즈마로 스퍼터링하여 형성된 도금층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.

Description

친환경적인 제조공정을 갖는 비드와이어 및 이의 제조방법 {Bead Wire with environmental production process and Manufacturing method of thereof}
본 발명은 친환경적인 제조공정을 갖는 비드와이어 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 염산, 황산을 사용하지 않는 친환경적인 건식도금 방법을 통해 균일하고 밀착성 높은 도금층을 형성시킴으로써 내식성 및 타이어 고무와의 초기 및 시효접착력을 향상시킬 수 있는 친환경적인 제조공정을 갖는 비드와이어 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 자동차 타이어의 비드부에 매입되는 비드와이어는 고무와의 접착력을 향상시키기 위해 주로 화학도금 또는 치환도금 방법으로 구리와 주석합금을 스틸 와이어 표면에 도금시킨다. 도 1 은 비드와이어 제조방법의 전반적인 과정을 나타내는 도면으로, 비드와이어는 와이어 로드 산세 및 피막, 1차 인발, 파텐팅(Partenting) 열처리, 2차 인발 과정을 거친 후 청동도금된다.
도 2는 비드와이어의 제조방법 중 도금 공정을 나타내는 것으로, 블루잉(Blueing) 열처리, 산세(황산,염산), 수세(Water Rinsing), 청동도금, 중화조, 건조(Dry) 과정을 거쳐 비드와이어는 도금된다. 구체적인 도금 방법을 살펴보면, 5.5mm 이상의 고탄소강 와이어 로드를 목표하는 선경까지 인발 가공한 중간선을 염산 또는 황산으로 사용하여 표면처리를 한 후, 황산구리와 황산주석인 혼합된 도금액에 침지하여 도금시킨다.
그러나 이와 같은 종래의 비드와이어 도금 방식은 다음과 같은 문제점이 있다.
먼저, 염산 또는 황산을 사용하는 표면처리 공정과 황산을 사용하는 도금 고정에서는 표면의 철이 2HCl + FeC → FeCl2 + H2 + C 또는 H2SO4 + FeC → FeSO4 + H2 + C 반응식과 같이 식각되어 산액에 용해되고, 이에 따라 표면에 탄소가 잔류하게 된다. 이처럼 탄소가 잔류하게 되는 것은 고탄소강 선재 내부의 고용 또는 석출물로 존재하는 탄소가 철의 용출로 인해 표면에 드러나기 때문이다.
또한 블루잉(Blueing)열처리 후 생성되는 산화막층은 0.3㎛의 얇은 두께를 갖고 있으나, 화학조성이 Fe3O4 및 Fe2O3 와 같은 저온스케일로서 염산 또는 황산에 잘 녹지 않고 염산 또는 황산과 소지금속과의 반응에 의해 형성되는 수소기체에 그 산세능이 의존된다.
표면에 잔류하는 탄소는 도금액의 황산구리 또는 황산주석과의 도금 치환반응이 일어나지 않게 되고, 이와 같이 도금 치환 반응이 일어나지 않은 탄소에 의해 도금이 불균일하게 형성되는 문제점이 있다.
염산과 황산의 경우 사용기간에 비례하여 액중 철분농도를 비롯한 불순물이 축적되어 화학반응의 효율이 낮아진다. 따라서 대부분의 산업현장에서는 사용 주기별로 사용한 염산 또는 황산액을 폐기하거나 정수처리를 위탁하게 되는데, 이 과정에서 생산성이 저하되고 제조비용이 증가하는 문제가 발생한다. 또한, 염산, 황산은 흄(Fume) 형태의 증기를 형성하게 되는데, 이와 같은 증기는 근로자의 작업조건을 악화시키며 환경에 유해한 문제점이 있다. 이와 함께, 흄 형태의 증기를 포집하기 위해 고가의 가스 포집설비가 필요하게 되고, 이에 따라 유지비용이 높아지는 문제점이 있다.
대한민국 등록 특허공보 제10-1670266호(2016.10.28 공개)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 마련된 것으로, 더욱 상세하게는 염산, 황산을 사용하지 않는 친환경적인 건식도금 방법을 통해 균일하고 밀착성 높은 도금층을 형성시킴으로써 내식성 및 타이어 고무와의 초기 및 시효접착력을 향상시킬 수 있는 친환경적인 제조공정을 갖는 비드와이어 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 친환경적인 제조공정을 갖는 비드와이어의 제조방법은, 와이어를 준비하는 단계; 분사장치를 이용하여 상기 와이어에 경질입자를 포함하는 슬러리액을 고압으로 분사하여 상기 와이어의 표면을 세척하는 표면 세척 단계; 건식 도금 장치를 통해 도금 소스 금속을 플라즈마로 스퍼터링하여, 상기 표면 세척 단계를 거친 상기 와이어에 상기 도금 소스 금속을 도금하여 도금층을 형성하는 건식 도금 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 친환경적인 제조공정을 갖는 비드와이어의 제조방법의 상기 슬러리액은 물, 알코올, 아세톤과 파우더로 이루어진 상기 경질입자를 포함하여 이루어지며, 상기 경질입자는 SiO2, 텅스텐, 티타늄 중 어느 하나로 이루어진 것이 바람직하며, 상기 경질입자의 분율은 10 vol% 내지 40 vol% 이고, 상기 분사장치와 상기 와이어 사이의 거리는 30mm 내지 150mm으로 이루어지며, 상기 슬러리액의 분사압력은 0.1Mpa 내지 1.0MPa 인 것이 바람직하다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 친환경적인 제조공정을 갖는 비드와이어의 제조방법의 상기 도금 소스 금속은, 구리, 주석을 포함하여 이루어지고, 상기 도금층은 구리, 주석을 포함하여 이루어지며, 상기 도금층의 두께는 0.01μm 내지 1.0μm 인 것이 바람직하며, 상기 도금 소스 금속은, 구리, 주석, 인을 포함하여 이루어지고, 상기 도금층은 구리, 주석, 인을 포함하여 이루어지고, 상기 도금층에서 인은 15 중량% 이하(0%를 포함하지 않음)이며, 상기 도금층의 두께는 0.01μm 내지 1.0μm 인 것이 바람직하다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 친환경적인 제조공정을 갖는 비드와이어의 제조방법의 상기 도금 소스 금속은 상기 도금 소스 금속은 구리, 주석, 인과, 코발트, 니켈, 인듐, 비스무트, 아연, 망간, 몰리브덴 중 어느 한가지 원소로 이루어진 제4원소를 포함하여 이루어지고, 상기 도금층은 구리, 주석, 인, 제4원소를 포함하여 이루어지고, 상기 도금층에서 제4원소는 15 중량% 이하(0%를 포함하지 않음)이며, 상기 도금층의 두께는 0.01μm 내지 1.0μm 인 것이 바람직하다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 친환경적인 제조공정을 갖는 비드와이어의 제조방법의 상기 건식 도금 장치는, 상기 도금 소스 금속을 플라즈마로 스퍼터링하여 상기 와이어에 상기 도금 소스 금속을 도금하는 메인챔버와, 상기 메인챔버의 진공을 보조하며, 상기 메인챔버의 앞,뒤에 결합되는 예비챔버로 이루어지며, 상기 메인챔버의 진공도는 10- 8torr 내지 10- 3torr 이며, 상기 예비챔버의 진공도는 10- 3torr 내지 100 torr 인 것이 바람직하며, 상기 건식 도금 단계에서, 상기 도금 소스 금속을 플라즈마로 스퍼터링하기 위하여 가해지는 가압전압은 10V 내지 100V이며, 상기 와이어가 상기 건식 도금 장치를 통과하는 속도는 100 m/min 내지 400 m/min 이며, 상기 예비챔버의 입구 또는 출구에는, 외부 공기를 차단할 수 있는 고무 또는 실리콘 마개가 마련되는 것이 바람직하다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 친환경적인 제조공정을 갖는 비드와이어는 경질입자를 포함하는 슬러리액을 통해 표면이 세척된 와이어; 상기 와이어 표면에 형성되는 도금층;을 포함하여, 상기 도금층은, 도금 소스 금속을 플라즈마로 스퍼터링하여 형성되는 것이 바람직하다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 친환경적인 제조공정을 갖는 비드와이어의 상기 도금 소스 금속은, 구리, 주석을 포함하여 이루어지고, 상기 도금층은 구리, 주석을 포함하여 이루어지며, 상기 도금층의 두께는 0.01μm 내지 1.0μm 인 것이 바람직하다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 친환경적인 제조공정을 갖는 비드와이어의 상기 도금 소스 금속은, 구리, 주석, 인을 포함하여 이루어지고, 상기 도금층은 구리, 주석, 인을 포함하여 이루어지고, 상기 도금층에서 인은 15 중량% 이하(0%를 포함하지 않음)이며, 상기 도금층의 두께는 0.01μm 내지 1.0μm 인 것이 바람직하다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 친환경적인 제조공정을 갖는 비드와이어의 상기 도금 소스 금속은 구리, 주석, 인과, 코발트, 니켈, 인듐, 비스무트, 아연, 망간, 몰리브덴 중 어느 한가지 원소로 이루어진 제4원소를 포함하여 이루어지고, 상기 도금층은 구리, 주석, 인, 제4원소를 포함하여 이루어지고, 상기 도금층에서 제4원소는 15 중량% 이하(0%를 포함하지 않음)이며, 상기 도금층의 두께는 0.01μm 내지 1.0μm 인 것이 바람직하며, 상기 도금층의 진원도는 90% 이상인 것이 바람직하다.
본 발명은 경질입자를 포함하는 슬러리액을 통해 와이어 표면을 세척하여 와이어 표면에 표면 거칠기를 부여함으로써, 표면에 철을 화학적으로 용해시키지 않아 표면에 잔류하는 탄소를 최소화시켜 균일하고 밀착성이 높은 도금층을 형성시킴으로 고무와의 접착력을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 탄소의 최소화로 균일하고 치밀한 도금층을 형성시킴으로써 비드와이어 내식성을 증가시켜, 제품 운반과정에서 발생할 수 있는 산화를 억제하여 시효접착력을 초기접착력과 유사한 수준으로 유지할 수 있는 장점이 있다.
이와 함께 산을 사용하지 않는 공정을 통해 작업환경을 개선할 수 있고, 폐수처리비용 및 가스 포집설비, 스크러버 설비 등 고가의 장비를 운영하지 않아 제조 및 유지관리비용을 절감할 수 있으며, 산을 사용하지 않는 공정을 통해 친환경적인 장점이 있다.
도 1은 비드와이어 제조방법의 전반적인 과정을 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 비드와이어 제조방법 중 도금 공정을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경적인 제조공정을 갖는 비드와이어 제조방법의 공정도를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 분사장치를 통해 슬러리액이 와이어에 분사되는 것을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 건식 도금 장치를 통해 와이어가 건식 도금 되는 것을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 구리가 와이어 표면에 건식도금 되는 것을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 스프터링 건식도금에 사용되는 펄스 전원방식을 나타내는 도면이다.
도 8은 분사장치와 와이어 사이의 거리를 변화시킴에 따라 발생하는 표면조도 값을 나타내는 표이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 와이어와 종래의 와이어의 초기 접착력 및 시효 접착력을 비교한 표이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 와이어와 종래의 와이어의 도금 진원도를 나타낸 도면이다.
본 발명은 자동차 타이어의 비드부에 매입되는 비드와이어 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 염산, 황산을 사용하지 않는 친환경적인 건식도금 방법을 통해 균일하고 밀착성 높은 도금층을 형성시킴으로써 내식성 및 타이어 고무와의 초기 및 시효접착력을 향상시킬 수 있는 친환경적인 제조공정을 갖는 비드와이어 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 친환경적인 제조공정을 갖는 비드와이어 제조방법은 와이어 준비 단계(S100), 표면 세척 단계(S200), 건식 도금 단계(S300)를 포함하여 이루어진다.
상기 와이어 준비 단계(S100)는 와이어(110)를 도금시키기 전 단계로, 와이어(110)를 블루잉(Blueing) 열처리하여 와이어(110)의 도금을 준비하는 단계이다. 다만, 상기 와이어 준비 단계(S100)는 블루잉(Blueing) 열처리에 한정되는 것은 아니며, 도금을 준비하는 전 단계의 다양한 공정을 포함하여 이루어질 수 있다. 가령, 도 1의 와이어 로드 산세 및 피막, 1차 인발, 파텐팅(Patenting) 열처리, 2차 인발 등의 단계가 상기 와이어 준비 단계(S100)에 포함될 수 있다. 즉, 상기 와이어 준비 단계(S100)에는 와이어(110)에 도금을 진행하기 전의 거치는 공정이라면, 다양한 공정이 포함될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 표면 세척 단계(S200)는 상기 와이어 준비 단계(S100)를 거친 와이어(110)를 건식 도금하기 위한 전처리 단계로, 분사장치(120)를 이용하여 상기 와이어(110)의 표면을 세척하는 단계이다. 구체적으로, 도 4를 참조하면, 상기 와이어(110)가 상기 분사장치(120)를 통과하게 되고, 상기 분사장치(120)에서 상기 와이어(110)의 표면에 슬러리액(121)을 고압으로 분사하는 것이다.
여기서, 블루잉(Blueing)열처리 후 형성되는 선표면의 산화막층의 두께는 약 0.3㎛수준으로, 종래의 염산 또는 황산을 사용하는 산세 방법보다 상기 슬러리액(121)의 고압분사로 제거하는 용이한 장점이 있다.
상기 슬러리액(121)은 경질입자를 포함하고 있는 것으로, 상기 슬러리액(121)은 물, 알코올, 아세톤과 상기 경질입자가 혼합되어 있는 것이다. 상기 경질입자는 파우더 형태의 세라믹 또는 금속계 물질로, SiO2, 텅스텐, 티타늄 중 어느 하나로 이루어질 수 있으며, 필요에 따라서는 하나 이상으로 이루어질 수 있다.
상기 슬러리액(121)에서 상기 경질입자의 분율은 10 vol% 내지 40 vol% 인 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 20vol%가 좋다. 상기 경질입자의 분율이 10 vol% 미만이며, 상기 와이어(110)의 표면 세척효과가 저하되며, 상기 경질입자의 분율이 40vol% 초과이면, 소모되는 경질입자 대비 세척효과가 크지 않아 비효율적이 된다. 따라서 상기 슬러리액(121)에서 상기 경질입자의 분율은 10 vol% 내지 40 vol% 인 것이 좋다.
상기 분사장치(120)는 상기 와이어(110)와 일정한 거리를 두고, 특정 압력으로 상기 슬러리액(121)을 분사하게 된다. 여기서 상기 분사장치(120)와 상기 와이어(110) 사이의 거리는 30mm 내지 150mm으로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 슬러리액(121)의 분사압력은 0.1Mpa 내지 1.0MPa인 것이 바람직하다.
상기 표면 세척 단계(S200) 중에는 상기 와이어(110)에 미세한 떨림이 발생하는데, 상기 분사장치(120)와 상기 와이어(110) 사이의 거리가 30mm 미만이면, 상기 와이어(110)의 미세한 떨림에 의해 상기 분사장치(120)와 상기 와이어(110)간에 마찰이 발생할 수 있게 된다. 이와 같은 마찰은 상기 와이어(110) 표면에 선표면 스크래치를 유발할 수 있다. 상기 분사장치(120)와 상기 와이어(110) 사이의 거리가 150mm 초과이면 세척효과가 크지 않게 되므로, 상기 분사장치(120)와 상기 와이어(110) 사이의 거리는 30mm 내지 150mm으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 슬러리액(121)의 분사압력은 0.1MPa 미만에서는 세척효과가 낮으며, 1.0MPa 초과에서는 소모되는 분사액이 많아 제조단가가 상승하므로, 상기 슬러리액(121)의 분사압력은 0.1Mpa 내지 1.0MPa인 것이 바람직하다. 상기 표면 세척 단계(S200)에서는 상기 와이어(110)의 표면을 세척할 수 있으며, 상기 와이어(110) 표면에 표면 거칠기를 부여할 수 있게 된다.
상기 표면 세척 단계(S200)를 통해 표면을 세척함으로써, 염산, 황산을 사용하지 않고 건식 도금으로 상기 와이어(110)를 도금하게 된다. 상기 표면 세척 단계(S200)를 통해 표면이 세척된 상기 와이어(110)는 상기 건식 도금 단계(S300)를 통해 도금된다. 여기서 상기 건식 도금 단계(S300)는 염산, 황산 등을 사용하는 것이 아닌, 건식 도금 장치(130)를 통해 도금 소스 금속(140)을 플라즈마로 스퍼터링하여 도금하는 것이다.
도 5를 참조하면, 상기 건식 도금 단계(S300)는 상기 건식 도금 장치(130)를 통해 상기 표면 세척 단계(S200)를 거친 상기 와이어(110)에 상기 도금 소스 금속(140)을 도금하여 도금층을 형성하는 것이다. 구체적으로, 도 6을 참조하면, 상기 건식 도금 단계(S300)는 스퍼터링을 사용하는 Atomic Layer deposition 기술을 사용하는 것으로, 도금 소스 금속(140)을 플라즈마로 원자 단위로 스퍼터링 기술을 통해 상기 와이어(110) 표면에 원자 단위로 증착시키는 것이다.
도 7을 참조하면, 상기 건식 도금 단계(S300)에서 상기 건식 도금 장치(130)의 전원은 RF(Radio frequency) 주파수 영역대의 전자기파를 사용한 마그네트론 스터퍼링(magnetron sputtering) 장치로 이루어지며, 상기 와이어(110) 표면의 요철상태에 따라 DC스퍼터링 및 Pulse스퍼터링 방식을 채택할 수 있다. 상기 와이어(110)의 표면 거칠기가 1.0㎛ 이상일 경우 상기 와이어(110) 표면 요철의 골짜기(안쪽)부분 까지 균일하게 도금시킬 수 있는 Pulse 스퍼터링으로 펄스전원의 방전주기를 길게하고 출력 에너지를 높게하는 방식이 유리하며, 도금시키고자 하는 원재료의 표면상태에 따라 자유롭게 변경시킬 수 있다. 도 7은 상기 건식 도금 장치(130)의 건식도금에 사용할 수 있는 전원방식을 나타낸다.
상기 건식 도금 장치(130)의 상기 도금 소스 금속(140)은 구리 금속(Cu100%) 또는 구리-주석 합금금속 또는 구리-주석-인 합금금속이 될 수 있으며 그 외 코발트, 니켈, 인듐, 비스무트, 아연, 망간, 몰리브덴 금속이 추가될 수 있다. 스퍼터링되는 상기 도금 소스 금속(140)을 균일하게 하기 위하여 상기 도금 소스 금속(140)을 회전시킬 수 있다.
상기 건식 도금 장치(130)는 메인챔버(131)와 예비챔버(132)로 이루어질 수 있다. 상기 메인챔버(131)는 상기 도금 소스 금속(140)을 플라즈마로 스퍼터링 하는 곳이며, 상기 예비챔버(132)는 상기 메인챔버(131)의 앞, 뒤에 결합되는 것으로 상기 메인챔버(131)의 진공을 보조하는 것이다.
상기 건식 도금 장치(130)는 진공 플라즈마 장치가 사용될 수 있는 것으로, 상기 메인챔버(131)에는 가스 투입구(136), RF(Radio Frequency) 전력장치(137), 터보 펌프(135) 등이 연결되어 있다. 상기 가스 투입구(136)는 상기 메인챔버(131)에 가스를 투입할 수 있는 것으로, 여기서 상기 메인챔버(131)에 사용되는 가스는 아르곤이 사용될 수 있으며, 기타 비활성기체가 사용될 수 있다.
상기 RF 전력장치(137)는 플라즈마 상태를 만들 수 있도록 전압을 인가하는 것이며, 상기 터보 펌프(135)는 상기 메인챔버(131)를 진공상태로 만들 수 있는 것이다. 여기서 상기 메인챔버(131)의 진공도는 10- 8torr 내지 10- 3torr로 이루어질 수 있다.
상기 예비챔버(132)는 로터리 펌프(134)가 마련될 수 있으며, 상기 예비챔버(132)의 입구 또는 출구에는 고무 또는 실리콘 마개(133)가 마련될 수 있는 것이다. 상기 로터리 펌프(134)는 상기 예비챔버(132)를 진공상태로 만들 수 있는 것이다. 여기서 상기 예비챔버(132)의 진공도는 10- 3torr 내지 100 torr로 이루어질 수 있다.
상기 마개(133)는 고무 또는 실리콘으로 이루어진 것으로 상기 예비챔버(132)의 입구와 출구에 각각 끼워질 수 있다. 상기 마개(133)를 통해 상기 예비챔버(132)에 외부의 공기가 들어가는 것을 방지할 수 있게 되고, 상기 예비챔버(132)를 낮은 상태의 진공도로 관리할 수 있게 된다. 상기 마개(133)는 상기 와이어(110)가 지나갈 수 있을 정도만의 구멍이 마련되는 것이 좋으며, 상기 마개(133)는 외부의 공기를 차단하기 위해 상기 예비챔버(132)의 입,출구와 동일한 크기인 것이 바람직하다. 다만, 상기 마개(133)는 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 마개(133)는 상기 메인챔버(131)와 상기 예비챔버(132) 사이에도 끼워져 상기 메인챔버(131)의 진공도 유지에 사용될 수 있다.
상기 마개(133)는 연속 인라인 공정에서 상기 와이어(110)와의 마찰에 의해 마모되어 상기 메인챔버(131), 상기 예비챔버(132) 내의 진공도가 증가되는 것을 방지하기 위해, 360도 방향으로 유압 또는 스프링에 의해 응력을 부여할 수 있다. 이를 통해 상기 와이어(110)와 상기 마개(133)간의 간격 차이를 최소화하여 상기 메인챔버(131), 상기 예비챔버(132) 내의 진공도를 유지시킬 수 있다.
상기 건식 도금 단계(S300)에서 상기 도금 소스 금속(140)을 플라즈마로 스퍼터링 하기 위하여 가해지는 가압전압은 10V 내지 100V인 것이 바람직하지만, 가동되는 상기 와이어(110)의 본수와 목표로 하는 도금층의 두께에 따라 변경될 수 있음은 물론이다.
상기 와이어(110)는 상기 건식 도금 장치(130)를 통과하면서 도금이 되는데, 이때 상기 와이어(110)가 상기 건식 도금 장치(130)를 통과하는 속도는 100m/min 내지 400m/min인 것이 바람직하며, 상기 와이어(110)가 통과하는 속도는 250m/min 일수 있다. 이처럼 도금속도를 빠르게 하는 것은 스퍼터링에 의해 상기 와이어(110)의 소지금속이 발열되어 강도가 떨어지는 문제점을 해결하기 위한 것이며, 강도가 떨어지지 않는 범위 내에서는 상기 와이어(110)의 본수와 목표로 하는 도금층의 두께에 따라 상기 와이어(110)가 상기 건식 도금 장치(130)를 통과하는 속도는 변경될 수 있다.
상기 건식 도금 단계(S300)에서 사용되는 상기 도금 소스 금속(140)은 구리, 주석을 포함하여 이루어질 수 있으며, 구리, 주석, 인을 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 도금 소스 금속(140)이 구리, 주석을 포함하는 경우 상기 도금층은 구리, 주석을 포함하여 이루어지며, 상기 도금 소스 금속(140)이 구리, 주석, 인을 포함하는 경우 상기 도금층은 구리, 주석, 인을 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 도금층에서 인은 15 중량% 이하(0%를 포함하지 않음)로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 도금 소스 금속(140)은 구리, 주석, 인 및 제4원소를 포함하여 이루어질 수 있는데, 여기서 제4원소는 코발트, 니켈, 인듐, 비스무트, 아연, 망간, 몰리브덴 중 어느 한가지 원소로 이루어질 수 있다. 이 경우 상기 도금층은 구리, 주석, 인, 제4원소를 포함하여 이루어지며, 상기 도금층에서 제4원소는 15 중량% 이하(0%를 포함하지 않음)인 것이 바람직하다.
이와 같이 형성된 상기 도금층의 두께는 0.01μm 내지 1.0μm 인 것이 바람직하다. 여기서 상기 도금층의 도금두께 및 도금품질은 상기 메인챔버(131) 및 상기 예비챔버(132)의 진공도에 의해 결정되는데, 상기 도금층의 두께를 0.01μm 내지 1.0μm로 하며, 균일한 도금층의 품질을 유지하기 위해 상기 메인챔버(131)의 진공도는 10- 8torr 내지 10- 3torr 인 것이 바람직하다. 또한, 상기 예비챔버(132)는 상기 메인챔버(131)의 진공도를 보조하기 위한 것으로, 상기 메인챔버(131)의 진공도를 10- 8torr 내지 10- 3torr 로 유지하기 위해서 상기 예비챔버(132)의 진공도는 10-3torr 내지 100 torr 인 것이 바람직하다. 또한, 적절한 진공도를 유지하기 위해 상기 예비챔버(132)의 입구 및 출구에 상기 마개(133)가 끼워질 수 있다.
도 6은 상기 건식 도금 단계(S300)에서 스퍼터링을 포함하는 Atomic Layer deposition 기술을 사용하여, 상기 도금 소스 금속(140)을 플라즈마로 원자 단위로 스퍼터링 하여 모재의 금속인 상기 와이어(110)에 도금하는 것을 나타내는 것이다. 여기서 아르곤 가스가 사용되었으며, 아르곤 가스를 통해 구리를 원자 단위로 스퍼터링 또를 열로 증발시켜 상기 와이어(110)에 도금하는 것이다.
상술한 제조방법을 통해 친환경적인 제조공정을 갖는 비드와이어가 제작된다. 이와 같은 비드와이어는 종래의 황산, 염산의 세척 방법이 아닌, 슬러리액을 통해 와이어 표면을 세척하여 와이어 표면에 표면 거칠기를 부여함으로써, 표면에 철을 화학적으로 용해시키지 않아 표면에 잔류하는 탄소를 최소화시킬 수 있으며, 건식 도금 방법을 통해 도금되어 종래의 비드와이어 보다 균일한 도금층을 형성하게 된다. 또한, 대기 중의 수분과의 반응을 억제하여, 시효 접착력이 초기 접착력과 유사한 수준으로 유지할 수있는 것이다.
구체적으로 친환경적인 제조공정을 갖는 비드와이어는 경질입자를 포함하는 슬러리액(121)을 통해 표면이 세척되며, 상기 와이어(110) 표면에 형성되는 도금층을 포함하여 이루어진다.
상기 도금층은 도금 소스 금속(140)을 플라즈마로 스퍼터링하여 형성되는 것이다. 상술한 바와 같이 상기 도금 소스 금속(140)은 구리, 주석을 포함하여 이루어질 수 있으며, 구리, 주석, 인을 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 도금 소스 금속(140)이 구리, 주석을 포함하는 경우 상기 도금층은 구리, 주석을 포함하여 이루어지며, 상기 도금 소스 금속(140)이 구리, 주석, 인을 포함하는 경우 상기 도금층은 구리, 주석, 인을 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 도금층에서 인은 15 중량% 이하(0%를 포함하지 않음)로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 도금 소스 금속(140)은 구리, 주석, 인 및 제4원소를 포함하여 이루어질 수 있는데, 여기서 제4원소는 코발트, 니켈, 인듐, 비스무트, 아연, 망간, 몰리브덴 중 어느 한가지 원소로 이루어질 수 있다. 이 경우 상기 도금층은 구리, 주석, 인, 제4원소를 포함하여 이루어지며, 상기 도금층에서 제4원소는 15 중량% 이하(0%를 포함하지 않음)인 것이 바람직하다.
상기 도금층의 두께는 0.01μm 내지 1.0μm 인 것이 바람직하며, 이와 같은 상기 도금층의 두께는 상기 건식 도금 장치(130)의 상기 메인챔버(131)와 상기 예비챔버(132)의 진공도를 조절하여 얻을 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 구체적 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 물론, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
[실시예 1]
탄소 함량이 0.80%이고 직경이 5.5㎜인 와이어를 산세 후 직경이 1.30㎜가 되도록 신선가공 하고, 신선된 상기 와이어를 400~500℃ 범위의 온도로 열처리하였다.(와이어 준비단계(S100)) 이어서 SiO2 경질입자를 약 20vol%로 포함한 슬러리액으로 와이어 표면에 30㎜의 거리에서 0.5Mpa 압력으로 분사하였다.(표면 세척 단계(S200)),
그 후 세척된 상기 와이어를 진공챔버를 통과시키면 건식도금 처리하였다.(건식 도금 단계(S300)) 진공챔버 내의 진공도를 낮게 유지하기 위해 메인챔버의 앞, 뒤에 예비챔버를 구성하였으며, 예비챔버의 입구, 출구에 실리콘재질의 마개를 막아놓고 와이어 직경과 동일한 홀을 만들어 와이어 통과를 유도하였다.
건식도금 시 도금 소스 금속으로 사용된 금속은 크기가 1000*300*5(㎜)인 구리, 주석, 인이 포함된 인청동 금속과 직경이 200㎜이고 두께가 1㎜인 코발트 금속을 사용하였으며 그 순도는 99% 이상인 것을 사용하였다. 도금 소스 금속을 스퍼터링 시키는 가스는 아르곤을 사용하였으며, 가압전압은 100V로 일정하게 유지하였으며, 와이어 이동 속도는 250m/min로 도금하였다.
상기 제조과정을 통해 얻어진 비드와이어는 65도, 85RH% 조건의 습열 챔버에 최대 3개월까지 방치한 후 와이어 표면 산소분율 및 탄소분율을 AES(Auger Electron Sepctropy)로 측정하였고, 고무접착력을 다시 측정하였다.
도 8은 도금 전 경질입자를 포함한 슬러리액을 표면에 분사 시 와이어 표면 조도(선표면 조도)를 나타내는 것이다. 도 8을 참조하면, 슬러리액을 표면에 분사하면 분사하지 않은 비교예에 비하여 표면조도가 증가하는 효과가 나타나는 것을 알 수 있다. 30㎜에서 가장 높은 표면조도를 나타나며, 그 이상으로 거리가 멀어질수록 표면조도 증대효과는 낮아진다. 또한, 분사장치와 와이어(시편)간의 거리가 30㎜ 미만으로 가까워질 경우 와이어의 진동에 의해 와이어가 장치에 닿아 부적절한 스크래치가 발생하게 되어, 오히려 표면조도가 떨어지는 것을 알 수 있다. 따라서, 분사장치와 와이어 사이의 거리는 30mm 내지 150mm 가 바람직하다.
도 9는 종래의 화학 도금으로 도금한 와이어와 건식 도금으로 도금한 와이어의 초기 접착력 및 시효 접착력(3개월)을 나타낸 것이다. 건식도금으로 도금 시 종래의 화학 도금 대비 진원도가 높은 것을 알 수 있는데, 이것은 요철이 있는 와이어 표면형상에 따라 도 10와 같이 균일한 도금층이 형성된 것을 알 수 있고, 이로 인해 미도금 또는 도금층이 얇은 영역을 최소화 시킴으로서, 고무와 와이어의 청동도금층의 반응성이 높아져 초기 접착력이 높아진 것을 알 수 있다.
도 10을 참조하면, 진원도는 도금두께의 편차를 나타내며 아래 식에 의해 산출된다. (식) : 진원도 = {1-(최대두께-최소두께)/(최대두께+최소두께)}×100(%) 구체적으로, 최대 두께는 와이어에 도금된 도금층의 최대 두께이며, 최소 두께는 와이어에 도금된 도금층의 최소 두께이다. 본 발명은 건식도금을 통해 도금층의 진원도를 90% 이상으로 유지할 수 있다. 종래의 화학도금은 도금층의 두께가 균일하지 않기 때문에 진원도를 90%이상으로 유지할 수 없으나, 본 발명은 건식도금을 통해 도금층의 진원도를 90%이상으로 유지할 수 있다.
또한, 종래의 화학 도금은 초기 접착력과 3개월 시효 접착력의 차이가 크지만, 건식 도금한 와이어는 초기 접착력과 3개월 시효 접착력이 유사하게 유지되는 것을 알 수 있다. (여기서 경시율은 초기 접착력 대해 감소된 접착력의 비율을 나타내는 것으로, 경시율의 절대 값이 클수록 시효 접착력이 감소한 것이다. 종래의 화학 도금은 경시율의 절대값이 상당히 크게 나타나며, 이는 시효 접착력이 감소한 것을 나타낸다. PVD는 Physical Vapor Deposition으로, 건식 도금 방법을 나타낸다.)
이런 차이가 발생하는 것은, 종래의 화학 도금에서는 소지금속이 용해되어 와이어 표면에 잔류탄소가 남아 도금층 표면의 미세요철형상에 따라 균일하게 도금층이 형성되기 어려운 반면, 건식 도금의 경우 원자단위로 표면에 도금원자가 증착되는 Atomic Layer Deposition 원리에 의해 도금되어 균일한 도금층을 형성할 수 있기 때문이다.
상술한 본 발명의 친환경적인 제조공정을 갖는 비드와이어 및 이의 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명은 경질입자를 포함하는 슬러리액을 통해 와이어 표면을 세척하며, 와이어 표면에 표면 거칠기를 부여함에 따라 와이어와 도금층의 접착력을 향상시켜 건식 도금을 수행할 수 있는 장점이 있다. 또한, 종래에는 염산, 황산을 사용함에 따라 환경에 유해하고 제조 비용이 상승하며, 와이어 표면에 철이 식각되어 산액에 용해되고, 이에 와이어 표면에 탄소가 잔류하는 문제점이 있었다. 그러나 본 발명은 경질입자를 사용하여 와이어 표면을 세척함에 따라 와이어 표면에 잔류하는 탄소의 양을 최소화할 수 있고, 염산, 황산을 사용하지 않아 친환경적이며 제조비용을 감소시키면서 와이어를 제작할 수 있는 장점이 있다.
또한, 와이어 표면에 잔류하는 탄소를 제거하여 대기 중의 수분과의 반응을 억제하는 소수성 표면을 형성함에 따라, 비드와이어 제품의 운반과정에서 발생할 수 있는 산화를 억제할 수 있게 되고, 이를 통해 시효 접착력을 초기 접착력과 유사한 수준으로 유지할 수 있는 장점이 있다.
이와 함께 염산 및 황산 등의 산을 사용하지 않는 공정을 통해 작업환경을 개선할 수 있고, 폐수처리비용 및 가스 포집설비, 스크러버 설비 등 고가의 장비를 운영하지 않아 제조 및 유지관리비용을 절감할 수 있으며, 산을 사용하지 않는 친환경적인 제조방법을 제공할 수 있는 장점이 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 많은 변형이 제공될 수 있다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위를 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
110...와이어 120...분사장치
121...슬러리액 130...건식 도금 장치
131...메인챔버 132...예비챔버
133...마개 134...로터리 펌프
135...터보 펌프 136...가스 투입구
137...RF 전력장치
140...도금 소스 금속
S100...와이어 준비 단계
S200...표면 세척 단계
S300...건식 도금 단계

Claims (11)

  1. 자동차 타이어의 비드부에 매입되는 비드와이어 제조방법에 있어서,
    와이어를 준비하는 단계;
    분사장치를 이용하여 상기 와이어에 경질입자를 포함하는 슬러리액을 고압으로 분사하여 상기 와이어의 표면을 세척하는 표면 세척 단계;
    건식 도금 장치를 통해 도금 소스 금속을 플라즈마로 스퍼터링하여, 상기 표면 세척 단계를 거친 상기 와이어에 상기 도금 소스 금속을 도금하여 도금층을 형성하는 건식 도금 단계; 를 포함하며,
    상기 도금 소스 금속은, 구리, 주석, 인을 포함하여 이루어지고,
    상기 도금층은 구리, 주석, 인을 포함하여 이루어지고,
    상기 도금층에서 인은 15 중량% 이하(0%를 포함하지 않음)이며,
    상기 도금층의 두께는 0.01μm 내지 1.0μm 인 것을 특징으로 하는 친환경적인 제조공정을 갖는 비드와이어 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 경질입자의 분율은 10 vol% 내지 40 vol% 이고,
    상기 분사장치와 상기 와이어 사이의 거리는 30mm 내지 150mm으로 이루어지며,
    상기 슬러리액의 분사압력은 0.1Mpa 내지 1.0MPa 인 것을 특징으로 하는 친환경적인 제조공정을 갖는 비드와이어 제조방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 도금 소스 금속은 구리, 주석, 인과,
    코발트, 니켈, 인듐, 비스무트, 아연, 망간, 몰리브덴 중 어느 한가지 원소로 이루어진 제4원소를 포함하여 이루어지고,
    상기 도금층은 구리, 주석, 인, 제4원소를 포함하여 이루어지고,
    상기 도금층에서 제4원소는 15 중량% 이하(0%를 포함하지 않음)이며,
    상기 도금층의 두께는 0.01μm 내지 1.0μm 인 것을 특징으로 하는 친환경적인 제조공정을 갖는 비드와이어 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 건식 도금 장치는, 상기 도금 소스 금속을 플라즈마로 스퍼터링하여 상기 와이어에 상기 도금 소스 금속을 도금하는 메인챔버와,
    상기 메인챔버의 진공을 보조하며, 상기 메인챔버의 앞,뒤에 결합되는 예비챔버로 이루어지며,
    상기 건식 도금 단계에서,
    상기 도금 소스 금속을 플라즈마로 스퍼터링하기 위하여 가해지는 가압전압은 10V 내지 100V이며,
    상기 와이어가 상기 건식 도금 장치를 통과하는 속도는 100 m/min 내지 400 m/min 이며,
    상기 예비챔버의 입구 또는 출구에는,
    외부 공기를 차단할 수 있는 고무 또는 실리콘 마개가 마련되는 것을 특징으로 하는 친환경적인 제조공정을 갖는 비드와이어 제조방법.
  7. 자동차 타이어의 비드부에 매입되는 비드와이어에 있어서,
    경질입자를 포함하는 슬러리액을 통해 표면이 세척된 와이어;
    상기 와이어 표면에 형성되는 도금층;을 포함하여,
    상기 도금층은, 도금 소스 금속을 플라즈마로 스퍼터링하여 형성되며,
    상기 도금 소스 금속은, 구리, 주석, 인을 포함하여 이루어지고,
    상기 도금층은 구리, 주석, 인을 포함하여 이루어지고,
    상기 도금층에서 인은 15 중량% 이하(0%를 포함하지 않음)이며,
    상기 도금층의 두께는 0.01μm 내지 1.0μm 인 것을 특징으로 하는 친환경적인 제조공정을 갖는 비드와이어.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제7항에 있어서,
    상기 도금 소스 금속은 구리, 주석, 인과,
    코발트, 니켈, 인듐, 비스무트, 아연, 망간, 몰리브덴 중 어느 한가지 원소로 이루어진 제4원소를 포함하여 이루어지고,
    상기 도금층은 구리, 주석, 인, 제4원소를 포함하여 이루어지고,
    상기 도금층에서 제4원소는 15 중량% 이하(0%를 포함하지 않음)이며,
    상기 도금층의 두께는 0.01μm 내지 1.0μm 인 것을 특징으로 하는 친환경적인 제조공정을 갖는 비드와이어.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 도금층의 진원도는 90% 이상인 것을 특징으로 하는 친환경적인 제조공정을 갖는 비드와이어.
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