JP4639203B2

JP4639203B2 - 高耐食性カラー鋼材の製造方法

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Publication number: JP4639203B2
Application number: JP2007013635A
Authority: JP
Inventors: ユン・ヘ・キム
Original assignee: ユン・ヘ・キム
Priority date: 2006-05-01
Filing date: 2007-01-24
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2027-01-24
Also published as: CN101067194B; CN101067194A; KR100761903B1; JP2007297702A; US20070251605A1

Description

本発明は高耐食性カラー鋼材の製造方法に関し、より詳しくは、耐食性が高く、色相が多様かつ美麗で装飾性が優れた高耐食性カラー鋼材の製造方法に関する。

一般的に、鋼は、固有な化学的、物理的な特性に合う産業用素材などに限定して用いられてきた。しかし、産業が発達し生活が潤沢になるにつれ、金属の固有な特性をそのまま有しかつ各種の生活用品や装飾、金属工芸品などに適用可能な高機能、高付加価値が得られる多様な色調概念を反映したカラー鋼材に対する需要が増加している。

これに対し、カラー鋼材を製造する方法としては、従来、鋼の表面に直接カラー塗料で塗装して着色したり、カラーコーティング組成物でコーティングして熱処理したり、めっき液に浸漬させて金属固有または金属化合物の色相を出す方法が用いられてきた。

しかしながら、従来のカラー鋼材の製造方法は、長時間の経過の際に鋼材に塗装された塗料が剥げたり、あるいはめっき液による環境公害をもたらす問題があった。また、多様な色相を具現するにおいてもその限界があり、耐食性が低下されるという問題点があった。

本発明はこうした事情を考慮してなされたもので、無公害であり、耐食性が高いばかりでなく、色相が美麗かつ多様で装飾性が優れた高耐食性カラー鋼材の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、鋼材を窒化処理した後、研磨処理する工程と、研磨処理した鋼材を１００℃〜７００℃の酸化性雰囲気下で３０秒〜１００時間、酸化熱処理して鋼材の表面にカラー酸化被膜層を形成するカラー工程を具備することを特徴とする高耐食性カラー鋼材の製造方法である。

本発明によれば、無公害であり、耐食性が高いばかりでなく、色相が美麗かつ多様で装飾性が優れた高耐食性カラー鋼材の製造方法を提供できる。

前記目的を達成するため、本発明は、（ａ）鋼材を窒化処理した後、研磨処理する工程、及び（ｂ）前記（ａ）の工程を経た鋼材を１００℃〜７００℃の酸化性雰囲気下で３０秒〜１００時間、酸化熱処理して鋼材の表面にカラー酸化被膜層を形成するカラー工程を具備することを特徴とする。

本発明において、酸化性雰囲気に使用される酸化ガスとしては、酸素、空気、二酸化炭素及び蒸気のうち単独またはこれらの混合ガスが使用され、またこれらのガスに窒素を含むことができる。

このとき、前記（ｂ）のカラー工程において、酸化熱処理温度と時間に応じて得られるカラーは異なる。しかし、同一の酸化熱処理温度において酸化時間が長くなるに伴い、金色、紫色、青色及び黒色の順にカラー酸化被膜層が得られる。また、酸化熱処理温度が高くなると、短い酸化時間においても金色や紫色より青色や黒色が現れる。

例えば、酸化温度１８０℃においては１８時間以内の酸化時間、酸化温度２２０℃においては４時間以内の酸化時間で金色系列のカラー酸化被膜層が得られる。また、酸化温度２００℃においては１２〜１３時間の酸化時間、酸化温度２２０℃においては６〜９時間の酸化時間で紫色系列のカラー酸化被膜層が得られる。更に、３５０℃以上の酸化温度においては、１時間の酸化時間で黒色系列のカラー酸化被膜層を得ることができる。

一方、前記研磨処理工程は、バフ仕上げ（ｂｕｆｆｉｎｇ）、ラッピング（ｌａｐｐｉｎｇ）、研磨、及びポリシング（ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）のうちから選ばれたいずれか１つにすることができる。
本発明において、前記（ａ）工程で窒化熱処理された鋼材は、ε相、ε＋γ’の混合相、γ’相のうちから選ばれたいずれか一つの表面化合物層が形成されることが好ましい。

本発明のカラー鋼材の製造方法によると、窒化熱処理された鋼材を酸化ガスを用いて酸化熱処理を実施してカラー酸化被膜層を形成することにより、従来のメッキ法または塗装法では発現できない多様な色相を具現することができる。その結果、装飾性が優れてその適用分野が広範囲であるばかりでなく、鋼材の耐食性を向上することによって装飾性がすぐれた高耐食カラー鋼材を製造することができる。

次に、本発明の高耐食性カラー鋼材の製造方法について図１を参照して更に詳しく説明する。図１は、本発明に従う高耐食性カラー鋼材の製造方法を示すフローチャートである。
(1) まず、図1に示すように、鋼材の表面に窒化熱処理を実施して、鋼材の表面にε−相またはε−相とγ’−相の混合相またはγ’−相の表面化合物層を形成する（Ｓ１０）。このとき、前記表面化合物層の厚さは２〜１００μｍとすることが好ましい。また、前記窒化熱処理の温度は３００〜７００℃であり、窒化熱処理の時間は１〜２０時間とすることが好ましい。

前記窒化熱処理はガス窒化、プラズマ窒化、染浴窒化、真空窒化などを含むすべての窒化熱処理過程で実施することができる。かかる窒化熱処理過程の代表的な方法としては、本出願人の韓国特許第１９９３−１０８７３号において提案したメッキ処理代替用鋼部品の製造方法が挙げられる。さらに、前記鋼材は、例えば、冷間圧延鋼材、炭素鋼、及び合金鋼であるが、この限りはない。

(2) 窒化熱処理された鋼材は、その後、冷却過程を経るようになり、このときの冷却過程は空冷または炉冷または水冷方式にすることができる（Ｓ２０）。
(3) 前記冷却過程を経た鋼材は、その後、均一な粗度を得るため、研磨、バフ仕上げ（ｂｕｆｆｉｎｇ）、ラッピング（ｌａｐｐｉｎｇ）、もしくはポリシング（ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）のような研磨工程を経る（Ｓ３０）。

(4) その後、前記研磨工程を通じて得られた鋼材と酸化ガスを炉内に投入し（Ｓ４０）、カラー工程を実施する。このとき、前記酸化ガスは、鋼材の表面にカラー酸化物層を形成するため、酸素、空気、二酸化炭素、及びスチームのうちから単独あるいはそれらを混合して用いる。また、その他、窒素ガスを前記酸化ガスに含んで酸化熱処理を実施することができる。

(5) 前記カラー工程は、窒化処理された鋼材の表面に酸化熱処理を実施してカラー酸化被膜層を形成することである（Ｓ５０）。酸化熱処理の条件は、夫々発現しようとする色相によって、酸化熱処理が行われる温度を１００℃〜７００℃の範囲で、３０秒〜１００時間実施する。
熱処理温度を上記の範囲に設定した理由は、酸化熱処理の温度を１００℃未満とした場合には、酸化熱処理が行われなくて望む鉄酸化物層を得ることができないし、７００℃を超過する場合には相変態及び表面層の化合物の分解が起るためである。酸化熱処理時間を上記範囲に設定した理由は、酸化熱処理時間が３０秒（高周波処理の場合、３秒未満）未満であると、前記炉を用いる場合、酸化処理が行われるカラー酸化被膜層の形成温度に至らなくて望むカラー酸化被膜層を得にくく、１００時間を超過する場合には黒色にのみ保持し続けるため、経済的な観点において不必要な時間をもたらして非効率的であるからである。

具体的には、前記酸化熱処理後に形成されたカラー酸化被膜層の表面色相は、酸化熱処理の温度、時間、酸化熱処理の雰囲気によって金色、紫色、青色及び黒色に発現され得る。また、カラー酸化被膜層の組成は、主に、ＦｅＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｆｅ_３Ｏ_４の単独もしくは複合相である。
さらに、前記カラー酸化被膜層の厚さは、０．０５μｍ〜５μｍとすることが好ましい。目で見られるカラーは、表面化合物層の厚さ及び酸化物層の表面形状に従い光の散乱や干渉の影響のために発現される。
(6) その後、前記酸化熱処理過程を通じてカラー酸化被膜層が形成された鋼材は、空冷、炉冷、水冷及び油冷の中から選ばれるいずれか一つの方法により冷却される（Ｓ６０）。
したがって、従来の鋼材の着色方法は鋼材の表面にメッキ層を掛ける方式であるため、ＦｅとＯ_２が合わなくて望む色相が出来なくなるが、本発明のカラー鋼材の製造方法によって製造されたカラー鋼材は鋼材が酸化されることによって色を発現し、酸化熱処理の条件によってそれぞれ金色、紫色、青色、黒色系列の多様な色相を発現することができる。そのため、その色相が多様かつ美麗であるばかりでなく、耐食性が優れて、これによってその用途を室内外の装飾用、各種の構造物及び建築用などに多様に適用できる。

一方、前記窒化熱処理と酸化熱処理を実施する熱処理としては、上下部に攪拌ファンが取り付けられた上部または下部ガス注入型ピット型炉、シールドクエンチファーネス（sealed quench furnace）、流動床炉または三つ以上のチャンバで構成され、各チャンバの上下に攪拌ファンが取り付けられたメッシュベルトタイプの連続炉、染浴炉またはプラズマ炉を適用できるが、前記酸化熱処理の条件を満たせば、これに限定されるものではない。
更に、本発明は、前記酸化熱処理方式以外にも高周波誘導加熱方式を適用してカラー鋼材を製造することができる。しかし、高周波誘導加熱方式の適用の際には、前記した酸化ガスと温度において３秒〜１時間程度の短い時間で色を発現することができる。

前記したように、本発明のカラー鋼材の製造方法は、従来のメッキ法、塗装法では発現できない多様な色相を具現することができて、装飾性が優れてその適用分野が広範囲であるばかりでなく、酸化熱処理を通じて鋼材の耐食性がさらに向上されたため、装飾性が優れた高耐食性カラー鋼材を製造することができる。

次に、本発明の具体的な実施例について説明する。
（実施例１）
まず、炭素鋼及び合金鋼材を５６０℃で３時間、５０体積％ＮＨ_３、５体積％ＣＯ_２及び４５体積％Ｎ_２のガス雰囲気において窒化処理後、空冷した。このとき形成された表面化合物層の厚さは１７μｍであり、このとき得られた相はε−相であった。次に、窒化処理された鋼材をバフ仕上げして炉内に投入した後、１８０℃の空気雰囲気において９時間、酸化熱処理を実施した後に空冷した。その結果、表面色相は金色系列のカラー酸化被膜層が形成された。

（実施例２）
まず、炭素鋼及び合金鋼材を５７０℃で３時間、染浴窒化し、水冷してε＋γ’の混合相の表面化合物層が形成された鋼材を用意した。このとき形成された表面化合物層の厚さは２０μｍであった。次に、窒化処理された鋼材をポリシングした。このようにポリシングした後の表面化合物層の厚さは１８μｍであり、表面粗度は１．０μｍＲａであった。その後、炉内に前記鋼材を投入し、２００℃で、空気と蒸気とを体積比５０：５０で２時間、酸化熱処理を実施した後に空冷して、表面色相が金色系列のカラー酸化被膜層が形成されたカラー鋼材を製造した。

（実施例３）
まず、炭素鋼及び合金鋼材を５８０℃で３時間、５０体積％ＮＨ_３と５０体積％ＲＸのガス雰囲気において窒化処理後に水冷した。このとき形成された表面化合物層の厚さは２２μｍであり、相はε＋γ’の混合相であった。次に、前記鋼材を研磨した後、２２０℃でかつ体積比５０：５０の空気と二酸化炭素の雰囲気において４時間、酸化熱処理した後、水冷した。その結果、鋼材の発現表面色相は金色であった。

（実施例４）
まず、炭素鋼及び合金鋼材を５８０℃で３時間、５０体積％ＮＨ_３と５０体積％ＲＸのガス雰囲気において窒化の後、水冷した。このとき形成された表面化合物層の厚さは２２μｍであり、相はε＋γ’の混合相であった。次に、この鋼材を研磨の後、２６０℃の空気雰囲気において１時間、酸化熱処理した後、水冷した。その結果、発現された色相は紫色であった。

（実施例５）
まず、炭素鋼及び合金鋼材を５５０℃で窒素、水素、メタンのガス雰囲気、総圧力は５ｔｏｒｒ、電圧は５００Ｖ、パルスは８ｋＨｚの条件下において５時間、プラズマ窒化処理した。このとき形成された表面化合物層の厚さは２５μｍであり、化合物層の相はγ’−相であった。次に、前記鋼材を２６０℃でかつ体積比３０：７０の窒素と酸素の雰囲気において５時間、酸化熱処理した後、油冷した。その結果、発現された色は青色であった。

（実施例６）
まず、炭素鋼及び合金鋼材を５５０℃で窒素、水素、メタンのガス雰囲気、総圧力は５ｔｏｒｒ、電圧は５００Ｖ、パルスは８ｋＨｚの条件下において３時間、プラズマ窒化処理した。このとき形成された表面化合物層の厚さは１５μｍであり、相はγ’−相であった。次に、前記鋼材を３５０℃でかつ体積比３０：７０の窒素と酸素の雰囲気において１時間、酸化熱処理した後、油冷した。その結果、発現された色は黒色であった。
［鋼材の耐食性試験］
前記したカラー工程を経たそれぞれのカラー鋼材を７２時間の間塩水噴霧試験した結果、発錆はなかった。

前記したようになされた本発明の高耐食性カラー鋼材の製造方法は、以下のような効果を提供する。
（１）従来のメッキ法、塗装法とは異なる無公害方法であって、環境の被害を防止することができる。
（２）従来の方法では発現できない各種の色相のカラー鋼材を製造できるため、その色相が多様かつ美麗で、装飾性が優れてその適用範囲が広い。
（３）窒化処理の後、酸化熱処理を実施したため、耐食性が優れる。
なお、以上のように、本発明は限定された実施例及び図面により説明しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の属する技術分野における通常の知識を有するものによって本発明の技術思想及び特許請求の範囲の均等な範囲内において多様な修正及び変形が可能であることは勿論である。

図１は、本発明の実施例に従う高耐食性カラー鋼材の製造方法を示すフローチャートである。

Claims

炭素鋼又は、合金鋼で構成される鋼材を３００〜７００°Ｃで窒化処理した後、該鋼材の表面にε-相またはε-相とγ' -相の混合相、またはγ' -相で構成された表面化合物層を形成後、均一な表面粗度を形成する目的で表面加工を実施する研磨処理を行い、かつ、該研磨処理した鋼材を１００℃〜７００℃の酸化性雰囲気下で３０秒〜１００時間、酸化熱処理することによるカラー工程を具備することにより、鋼材の表面にカラー酸化被膜層が形成されてなることを特徴とする高耐食性カラー鋼材の製造方法。
前記酸化性雰囲気は酸素、空気、二酸化炭素及び蒸気のうちの単独またはこれらの混合ガスであり、これらガスに窒素を含むことができることを特徴とする請求項１に記載の高耐食性カラー鋼材の製造方法。
前記研磨処理工程は、バフ仕上げ、ラッピング、研磨、及びポリシングのうちのいずれか１つにすることを特徴とする請求項１に記載の高耐食性カラー鋼材の製造方法。
前記窒化処理または酸化熱処理を実施する熱処理は、上下部に夫々撹拌ファンが取り付けられた上部または下部ガス注入型ピット型炉、シールドクエンチファーネス、流動床炉、三つ以上のチャンバーで構成されかつ各チャンバの上下に夫々撹拌ファンが取り付けられたメッシュベルトタイプ連続炉、プラズマ炉及び高周波誘導炉のうちから選ばれたいずれか１つの炉を用いることを特徴とする請求項１に記載の高耐食性カラー鋼材の製造方法。