CN101067194B - 高耐蚀性彩色钢材的制造方法 - Google Patents

高耐蚀性彩色钢材的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明通过在被氮化处理的钢材表面进行氧化热处理而形成彩色氧化膜层，由此提供耐蚀性强且表面色彩多样而美观的高耐蚀性彩色钢材的制造方法。所述方法包括下述步骤：(a)对钢材进行氮化处理；以及(b)对经过上述(a)步骤处理的钢材实施研磨、抛光、磨光等表面加工，然后在100℃～700℃的氧化性气氛中进行30秒～100小时的氧化热处理，由此在钢材的表面上形成彩色氧化膜层。

Description

高耐蚀性彩色钢材的制造方法
技术领域
本发明涉及高耐蚀性彩色钢材的制造方法，更详细地说，涉及耐蚀性强且色彩多样美观的装饰性良好的高耐蚀性彩色钢材的制造方法。
背景技术
一般地，钢的用途限于与其固有的化学、物理特性相适应的产业用材料，但是随着产业的发展、人们生活更加富裕，人们需要能够既保持金属的固有特性、又能够适用于各种生活用品或装饰、金属工艺品等从而能够获得高功能、高附加价值的反映各种色彩概念的彩色钢材。制造彩色钢材的方法在现有技术中是采用了下述方法：在钢的表面直接涂布彩色涂料以着色，或者用彩色涂布组合物进行涂布并进行热处理，或者浸在电镀液中以产生金属固有的或者金属化合物的色彩。
但是，上述的现有技术的彩色钢材的制造方法存在下述问题：在经过长时间后，涂布在钢材上的涂料被剥落，不仅带来因电镀液引起的环境公害，而且在显示多种颜色方面也存在限度，并会降低耐蚀性。
发明内容
因此，本发明是有鉴于现有技术存在的问题而提出的，提供一种无公害、耐蚀性强、色彩美丽且多样的装饰性良好的高耐蚀性彩色钢材的制造方法。
下面，说明本发明的其它目的和优点。
为了达到上述目的，本发明提供一种高耐蚀性彩色钢材的制造方法，包括下述步骤：(a)对钢材进行氮化处理，然后进行研磨处理；以及(b)彩色化工序，将经过上述(a)步骤的钢材在100℃～700℃的氧化性气氛中进行30秒～100小时的氧化热处理，以在上述钢材的表面上形成彩色氧化膜层。在此，上述(b)步骤中氧化气体可以使用选自氧气、空气、二氧化碳、以及蒸汽中的至少一种或者这些气体的混合气体。此时，在上述(b)的彩色化工序中根据不同的氧化热处理温度和时间所获得的色彩不同，在相同的氧化热处理温度下，随着氧化时间变长，按照金色、紫色、蓝色和黑色的顺序可获得彩色氧化膜层，在氧化热处理温度变高时，即使在短的氧化时间也比金色或紫色更显示出蓝色或黑色。例如，在氧化温度为180℃的情况下用18小时以内的氧化时间、在氧化温度为220℃的情况下用4小时以内的氧化时间就能够获得金色系列的彩色氧化膜层，在氧化温度为200℃的情况下用12～13小时的氧化时间、在氧化温度为220℃的情况下用6～9小时的氧化时间就能够获得紫色系列的彩色氧化膜层。
而且，在350℃以上的氧化温度下，用1小时的氧化时间就能够获得黑色系列的彩色氧化膜层。另一方面，在上述(a)步骤之后，研磨处理可以选用抛光(buffing)、重叠(lapping)、研磨、磨光(polishing)中的任一种。而且，在(a)步骤中进行氮化热处理的钢材优选形成ε相、ε+γ′相的混合相、γ′相中的任一种的表面化合物层。根据上述方式构成的本发明的彩色钢材的制造方法，利用氧化气体对进行氮化热处理的钢材进行氧化热处理以形成彩色氧化膜层。由此，能够显示出在现有技术的电镀法或者涂敷法中不能显色的各种颜色，不仅其装饰性优良且适用范围广泛，而且通过提高钢材的耐蚀性，能够制造装饰性优良的高耐蚀性彩色钢材。
附图说明
图1为根据本发明的实施例的高耐蚀性彩色钢材的制造方法的流程图。
具体实施方式
下面，根据附图详细说明本发明。图1表示本发明的高耐蚀性彩色钢材的制造方法的流程图。参照附图，首先在钢材的表面实施氮化热处理，在钢材的表面上形成ε-相，或者ε-相和γ′-相的混合相，或者γ′-相的表面化合物层(S10)。
此时，上述表面化合物层的厚度优选为2μm～100μm。另一方面，上述氮化热处理的温度优选为300℃～700℃，氮化热处理时间优选为1小时～20小时。
在此，上述氮化热处理可以在包括气体氮化、等离子氮化、染浴氮化、真空氮化等的所有的氮化热处理过程中实施，作为氮化热处理过程的代表性方法，可以举出本申请人在韩国发明专利第1993-10873号中提出的用于代替电镀处理的钢部件制造方法。而且，上述钢材例如为冷间压延钢材、碳素钢和合金钢等，但是并不限于此。上述被氮化热处理的钢材之后将经过冷却过程，此时的冷却过程可以采用空气冷却，或者炉冷却，或者水冷却方式(S20)。经过上述冷却过程的钢材，之后为了获得均匀的照度经过如研磨、抛光(buffing)、重叠(lapping)或者磨光(polishing)的研磨工序(S30)。然后，将通过上述研磨工序得到的钢材和氧化气体投放在炉内(S40)实施彩色化工序。此时，上述氧化气体为了在钢材的表面形成彩色氧化物层，单独或混合使用氧气、空气、二氧化碳、以及蒸汽，除此之外，可以将氮气含在上述氧化气体中实施氧化热处理。上述彩色化工序就是指在被氮化处理的钢材表面实施氧化热处理以形成彩色氧化膜层(S50)，氧化热处理的条件根据各种想要显示的色彩，将进行氧化热处理的温度控制在100℃～700℃的范围，实施30秒～100小时的处理。
其理由是，如果氧化热处理温度小于100℃，则无法进行氧化热处理，无法获得所希望的铁氧化物层，如果其温度超过700℃，则会发生相转变和表面层的化合物的分解。而且，如果氧化热处理时间小于30秒(高频处理的情况下为小于3秒)，则在使用上述炉的情况下，无法到达能进行氧化处理的氧化膜层的形成温度，难以获得所希望的彩色氧化膜层，如果其氧化热处理时间超过100小时，则只能保持黑色，所以从经济观点来看花费不必要的时间，效率低。具体地说，在上述氧化热处理后形成的彩色氧化膜层的表面颜色根据氧化热处理的温度、时间、氧化热处理的气氛可显示为金色、紫色、蓝色和黑色，其彩色氧化膜层的组成成分主要是FeO、Fe2O3、Fe3O4的单独相或者复合相。而且，上述彩色氧化膜层的厚度优选为0.05μm～5μm，这是因为用眼所观察到的彩色是受到基于表面化合物层的厚度和氧化物层的表面形状的光的散射和干涉的影响而显示出来的。然后，通过上述氧化热处理过程形成彩色氧化膜层的钢材通过选自空气冷却、炉冷却、水冷却和油冷却中的一种方法进行冷却(S60)。由此，虽然在现有技术的钢材的着色方法中由于在钢材的表面上镀敷电镀层而使Fe和O2不相遇，无法产生所希望的颜色，但是通过本发明的彩色钢材的制造方法所制造出的彩色钢材是通过氧化钢材的方式显色，根据氧化热处理的条件能够显示金色、紫色、蓝色、黑色系列的各种颜色，所以不仅其颜色多样而美丽，而且耐蚀性优良，由此能够将其用途多样地适用在室内外装饰、各种结构物和建筑等中。另一方面，作为实施上述氮化热处理和氧化热处理的热处理方式，可以使用在上下部分安装有搅拌扇的上部或者下部气体注入式落地型炉、密封骤冷炉(sealedquench furnace)、移动床炉，或者由三个以上腔室构成且在各腔室的上下部分安装有搅拌扇的网带式连续炉、染浴炉或者等离子炉，但是只要满足上述氧化热处理条件，就不限于此。另外，除了上述氧化热处理方式以外，本发明可以使用高频感应加热方式来制造彩色钢材，但是在使用高频感应加热方式时，在上述氧化气体和温度中可以利用3秒～1小时程度的短时间显色。如上所述，本发明的彩色钢材的制造方法能够显示出由现有技术的电镀法、涂敷法无法显示的各种颜色，不仅其装饰性优良、适用领域广泛，而且通过氧化热处理进一步提高了钢材的耐蚀性，因此能够制造出装饰性良好的高耐蚀性彩色钢材。
实施例1
对于碳素钢和合金钢材，在560℃下、在50体积％的NH3、5体积％的CO2和45体积％的N2的气体气氛中进行3小时氮化处理，然后对其进行空气冷却。此时，表面化合物层的厚度为17μm，此时所获得的相为ε-相。
然后，将上述被氮化处理的钢材进行抛光后放入炉内，之后，在180℃的空气气氛中实施9小时的氧化热处理，然后对其进行空气冷却。其结果，表面色彩形成了金色系列的彩色氧化膜层。
实施例2
首先，将碳素钢和合金钢材在570℃下进行3小时的染浴氮化处理，然后对其进行水冷却，准备形成有ε+γ′的混合相的表面化合物层的钢材。此时，表面化合物层的厚度为20μm。然后，对上述被氮化处理的钢材进行磨光。这样磨光后的表面化合物层的厚度为18μm，表面照度为1.0μmRa。然后，将上述钢材放入炉内，在200℃温度、空气和蒸汽体积比为50∶50的条件下进行2小时的氧化热处理，之后对其进行空气冷却，制造出形成有表面色彩形成金色系列的彩色氧化膜层的彩色钢材。
实施例3
对于碳素钢和合金钢材，在580℃下、在50体积％的NH3、50体积％的RX气体气氛中进行3小时氮化处理，然后对其进行水冷却。此时，表面化合物层的厚度为22μm，此时所获得的相为ε+γ′的混合相。将上述钢材进行研磨后，在220℃的体积比为50∶50的空气和二氧化碳气氛中实施4小时的氧化热处理，然后对其进行水冷却。水冷却的结果，钢材显色的表面色彩为金色。
实施例4
对于碳素钢和合金钢材，在580℃下、在50体积％的NH3、50体积％的RX气体气氛中进行3小时氮化处理，然后对其进行水冷却。此时，表面化合物层的厚度为22μm，此时所获得的相为ε+γ′的混合相。将上述钢材进行研磨后，在260℃的空气气氛中实施1小时的氧化热处理，然后对其进行水冷却。水冷却的结果，钢材显色的表面色彩为紫色。
实施例5
对于碳素钢和合金钢材，在550℃、在氮气、氢气、甲烷的气体气氛、总压力为5torr、电压为500V、脉冲为8kHz的条件下，进行5小时等离子氮化处理，此时的化合物层的厚度为25μm，其化合物层的相为γ′-相。将上述钢材在260℃体积比为30∶70的氮气和氧气气氛中实施5小时的氧化热处理，然后对其进行油冷却。油冷却的结果，显色为蓝色。
实施例6
对于碳素钢和合金钢材，在550℃、在氮气、氢气、甲烷的气体气氛、总压力为5torr、电压为500V、脉冲为8kHz的条件下，进行3小时等离子氮化处理，此时所形成的表面化合物层的厚度为15μm，其相为γ′-相。将上述钢材在350℃的体积比为30∶70的氮气和氧气气氛中实施1小时的氧化热处理，然后对其进行油冷却。油冷却的结果，显色为黑色。
钢材的耐蚀性试验
对经过上述彩色化工序的各个彩色钢材进行了72小时的盐水喷雾试验，结果没有生锈。
上述的本发明的高耐蚀性彩色钢材的制造方法具有如下效果：
1)是一种不同于现有技术的电镀法、涂敷法的无公害方法，能够防止环境受到破坏。
2)由于能够制造在现有技术的方法中无法显色的各种颜色的彩色钢材，所以其色彩多样而美丽，且装饰性优良，因此其适用范围广泛。
3)因为在进行氮化处理之后，实施氧化热处理，所以耐蚀性优良。
如上所述，本发明虽然是通过被限定的实施例和附图来进行说明的，但是本发明并不限于此，对于本发明的所属技术领域的普通技术人员来说，当然能够在本发明的技术构思和保护范围的等同范围内进行各种修改和变形。

Claims (3)

1.一种高耐蚀性彩色钢材的制造方法，其特征在于，包括下述步骤：
(a)对钢材进行氮化处理，然后进行研磨处理；以及
(b)彩色化工序，将经过上述(a)步骤的钢材在100℃～700℃的氧化性气氛中进行30秒～100小时的氧化热处理，以在上述钢材的表面上形成彩色氧化膜层。
2.根据权利要求1所述的高耐蚀性彩色钢材的制造方法，其特征在于，上述氧化性气氛为选自氧气、空气、二氧化碳以及蒸汽中的一种或者上述气体的混合气体。
3.根据权利要求1所述的高耐蚀性彩色钢材的制造方法，其特征在于，所述研磨处理工序选自抛光、重叠、研磨及磨光中的任一种。
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