KR100358013B1 - 용융금속 도금욕 침지롤 - Google Patents

Abstract

본 발명은 아연욕에 대한 내식성이 우수한 산화물코팅을 용융아연 도금 롤에 코팅함에 있어 내마모성이 우수한 Al₂O₃를 기본 성분으로 하면서 내열충격성 및 내충격성을 보완하기 위하여 ZrO₂를 첨가하여 코팅층을 형성한 용융금속 침지롤에 관한 것으로, 도금용 용융금속에 대하여 내식성 및 내부착성을 갖는 용사피막을 형성한 용융금속 도금욕 침지 롤에 있어 용사피막이 ZrO₂가 10%이상 40%이하의 함량으로 포함된 Al₂O₃를 사용하고, 메트릭스가 Al₂O_{3_}ZrO₂의 형태로 합금화된 상태이며, 그 속에 Al₂O₃가 입자상으로 분산되어 있도록 하여서 된 것이다.

Description

용융금속 도금욕 침지롤

본 발명은 용융아연도금 공정에 사용되는 부재중에서 아연욕조 내부에 담겨져 사용되는 롤(싱크 롤, 스테빌라이징 롤) 및 지지대등의 부재의 용융아연욕에 대한 내식성을 증대시키기 위한 용융금속 도금욕 침지롤에 관한 것이다.

용융아연도금은 적당한 온도로 가열된 강판이 용융아연욕에 담겨졌다가 나오면서 강판의 표면에 아연이 부착됨으로써 아연을 강판에 코팅하는 것이다. 이 과정에서 강판의 이동방향을 바꾸고 가이드 하기 위하여 아연욕 내부에는 통상적으로 싱크 롤 1개와 2개의 스테빌라이징 롤이 설치되어 있다.

이 싱크 롤과 스테빌라이징 롤들의 재질은 대개 스테인레스강이 사용되는데, 롤의 표면이 용융아연에 의하여 부식이 심하게 일어나 제품의 표면에 결함을 만드는 원인이 되므로 롤의 표면을 깨끗하게 유지하고, 롤의 수명을 연장하기 위하여 WC-CO 계의 코팅이 많이 사용되고 있다.(US5,316,859)

그러나 WC-CO 코팅은 성분중의 바인더 역할을 하는 Co성분이 용융아연에 의하여 침식을 당하기 때문에 아연욕에서의 사용시간이 길어지면 아연욕 중의 아연과 알루미늄이 코팅층 내부로 침식해 들어가 코팅층을 열화시킨다.

이러한 열화가 계속 진행되는 상태에서 계속 사용하면 결국에는 코팅층이 모두 용손되고, 스테인레스강인 모재에 까지 침식이 일어나게 된다. 코팅층이 완전히 침식이 되기 이전이라도 코팅층 내부에 아연이 침식하게 되면 코팅층의 특성이 바뀌어 아연욕 내부에 떠 다니는 드로스인 Fe₂Al₅입자가 표면에 부착성장하여 도금강판의 표면결함을 유발하는 요인이 되기 때문에 대략 50-60일을 사용한 후 롤 코팅층을 벗겨내고 다시 코팅하여 사용한다.

이러한 코팅의 한계를 극복하기 위하여 최근에는 산화물계 코팅을 사용하고자 하는 시도들이 이루어지고 있다. 그러나 산화물인 경우에는 열팽창계수가 롤의 재질인 스테인레스강과 차이가 크기 때문에 공지기술(특개평7-258818)에서는 산화물 코팅층의 내부 기공도를 6-15%로 조절하여 열팽창계수가 8×10^-6∼15×10^-6이 되도록 조절하여 코팅하는 방법을 제안하고 있다.

그러나 산화물 코팅층의 열팽창계수를 크게 하기 위하여 코팅층의 기공을 10% 이상으로 크게 하는 경우에 도 1에서 보여주는 바와 같이 코팅층의 기공을 따라서 용융아연이 침투하여 코팅층을 파괴시키기 때문에 코팅된 롤을 장시간 사용할 수 없는 문제점이 있다.

또한 기공이 많아짐으로써 코팅층의 내마모성이 현저하게 저하되는 단점도있다.

그리고 코팅소재로 사용하는 산화물의 종류에 있어서는 Al₂O₃, Cr₂O₃, Zr0₂, CaO등을 고려할수 있다. 이들 산화물은 용융아연에 의해서 침식을 당하지 않는 공통적인 장점을 가지고 있다.

그런데 롤 코팅으로서 갖추어야할 조건 중에 한 가지는 코팅층이 강판에 닿아서 사용되기 때문에 적정한 내마모특성을 갖추어야 한다. Zr0₂, CaO계 산화물은 공지기술(특개평 7-258818)과 같이 다른 산화물을 합금화하여 사용하더라도 내마모특성이 떨어지기 때문에 장기간 사용하기는 곤란하다.

그런데 Al₂O₃, Cr₂O₃은 내마모성은 뛰어나지만 특히 Cr₂O₃가 열충격에 약하여 430℃∼500℃의 고온의 아연욕에서 사용하기에는 부적합하다. Al₂O₃는Cr₂O₃보다는 비교적 내열충격성이 강하기 때문에 Al₂O₃를 도금욕 침지 롤의 코팅으로 사용하려는 시도들이 이루어지고 있다.

그러나 Al₂O₃는 충격에 약하여 강판의 진동에 의한 충격으로 코팅층에 균열이 발생하여 박리될 위험성이 있어 널리 사용되지 못하고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 제반문제점을 감안하여 이를 해소하기 위하여 발명한 것으로, 아연욕에 대한 내식성이 우수한 산화물코팅을 용융아연 도금 롤에 코팅함에 있어 내마모성이 우수한 Al₂O₃기본 성분으로 하면서 내열충격성 및 내충격성을 보완하기 위하여 ZrO₂를 첨가하여 코팅층을 형성한 용융금속 침지롤을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 기공도가 큰 산화물 코팅층이 용융아연에 의하여 침식당한 것을 보여주는 단면 조직사진

도 2는 본 발명에 의한 용사코팅재의 단면을 보여주는 전자현미경사진

도 3은 JIS H8661에 의한 낙하구 충격시험방법을 나타낸 개념도

도 4 a,b,c 는 충격시험한 시험편의 표면사진

도 5 a,b,c는 용융아연욕에서 428시간 침지시험한 코팅시험편의 사진

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]

1 : 강철구 2 : 가이드 파이프

3 : 코팅시험편

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 Al₂O₃입자가 코팅층내에 분산되어 있어 코팅층의 내마모성을 확보하고 Al₂O₃-ZrO₂이 합금화된 형태로 메트릭스를 이루게 하는 코팅층을 형성한다.

ZrO₂함량은 그 양이 많아지면 내열층격성 및 내충격성이 향상되는 효과를 크게 할 수 있지만 너무 많아지면 내마모성이 저하되므로 40 중량% 이하로 하는 것이 바람직하다.

반면에 너무적게 함유되면 내열충격성 및 내충격성 향상 효과가 작아지게 되므로 15 중량% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

그리고 코팅층내의 기공을 10% 이내로 조절하여 아연욕이 기공을 따라서 침식하는 것을 방지하도록 한다. 그리고 좀 더 확실하게 코팅층의 내열충격성 및 내충격성을 확보하기 위하여 산화물 코팅층 아래에 Co금속합금층이나 Co합금층/Co합금+산화물층을 산화물 코팅층의 하부코팅층으로 형성할 수 있다.

금속코팅층을 사용하면 산화물 코팅층의 밀착력을 좀 더 향상시키는 효과도 얻을 수 있다.

금속합금층으로 Fe합금, 혹은 Ni합금을 사용할 수 있으나 Co합금이 용융아연에 대한 내식성이 우수하므로 Co합금을 사용하는 것이 좀 더 바람직하다.

용융아연 도금 롤 코팅으로 WC-Co 혹은 산화물 코팅등 어떠한 코팅을 사용하던지 통상적으로 코팅층 내부의 기공을 메워주는 봉공처리를 통상적으로 실시하고 있으므로 본 발명에 의한 산화물 코팅도 봉공처리를 하여 사용하는 것이 바람직하다.

일반적으로 행해지고 있는 봉공처리 방법은 크롬산, 인산, 무수규산, 보릭산등을 물이나 알코올로 적당히 희석한 후에 붓으로 칠하거나 스프레이 처리하여 액체상태에서 기공내부로 침투시킨 후에 상온에서 건조하거나 150∼500℃의 온도로 가열하여 소성열처리하여 코팅내의 기공에 Cr₂O₃, P₂O₅, SiO₂, B₂O₅등의 산화물이 형성되게 하여 기공을 메워주고 있다.

때로는 콜리이달 실리카와 같이 처음부터 미세한 산화물이 분산된 용액을 사용하여 처리하기도 한다. 최근에는 용융아연이나 드로스가 코팅에 잘 부착되지 않게 하기 위하여 BN분말에 무기바인더 혹은 유기바인더를 첨가한 용액을 페인트처리하여 사용하기도 한다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

<실시예>

본 발명의 효과를 비교하기 위하여 하기 표에 나타낸 바와 같이 여러 종류의 산화물을 코팅하여 특성을 비교하였다.

모든 코팅의 기지금속으로는 도금욕 침지롤과 화학성분이 유산한 Fe-Cr계 합금인 STS410판재를 사용하였다.

코팅의 내마모성은 JIS H8503 에 규정된 방법에 따라서 실시하였으며 표 1에서20*라고 표시한 것은 20회까지의 열충격시험에서도 코팅층에 손상이 발생하지 않는 것을 의미한다.

[표 1]

시편번호	코팅조성(무게%)	코팅두께(㎛)	기공율(%)	마모량(mg)	내열충격성(회)
비교재	1	ZrO2-8Y2O3	250	5	72	20*
	2	Cr2O3	150	3	4	3
	3	Al2O3	150	4	6	7
	4	Al2O3-10ZrO2	250	3	8	7
	5	Al2O3-20Zr02	250	3	12	9
	6	Al2O3-25Zr02	250	3.5	14	12
	7	Al2O3-25Zr02	250	2	15	14
	8	Al2O3-25Zr02	250	5	17	17
	9	Al2O3-25Zr02	250	12	40	20*
	10	Al2O3-35Zr02	250	4	25	15
	11	Al2O3-40Zr02	250	3	37	19
	12	Al2O3-60Zr02	250	4	45	20*

상기 표 1에 나타낸 바와같이 ZrO₂코팅은 내열충격성이 우수하여 20회의 열충격시험 후에 코팅층의 손상은 발견되지 않았지만 내마모성은 비교재 중에서 가장 떨어지는 특성을 나타내었다.

반면에 Cr₂O₃, Al₂O₃코팅은 내마모성은 우수한 특성을 보였으나 내열충격성이 약하여 용융아연 도금롤 코팅으로는 부적합한 것으로 판단된다. 따라서 이와 같이 양립되는 코팅의 특성을 상호 보완하기 위하여 Al₂O₃에 첨가되는 ZrO₂의 양을 10%이상 40%이하로 하는 것이 바람직하다.

이와같이 Al₂O₃에 ZrO₂를 첨가함으로써 내열충격성과 내마모성을 동시에 얻기 위해서는 도 2의 사진에 나타낸 바와같이 Al₂O₃에 ZrO₂가 합금화된 메트릭스 중에 Al₂O₃입자가 고르게 분산되어 분말을 사용하여 용사코팅층을 형성하는 것이 바람직하다.

이렇게 함으로써 Al₂O₃입자의 분산으로 인하여 내마모성을 확보할 수 있고 ZrO₂가 Al₂O₃에 합금화됨으로써 Al₂O₃의 내열충격성을 보완하는 효과를 얻을 수 있다.

코팅층의 기공도에 있어서는 비교재 9와 같이 10% 이상으로 되는 경우에 내마모성이 현저하게 떨어지는 문제점이 있으며 도 1의 사진에서 모여주는 바와 같이 용융아연이 코팅층의 내부로 침투하여 코팅층이 파손될 위험성이 있다.

도 1의 사진은 기공도 12%인 코팅시험편을 실재의 용융아연욕에 55일간 침지시험한 후 코팅층이 손상된 부위의 단면 사진을 촬영한 것이다.

따라서 산화물 코팅층의 기공도는 10% 이내로 조절하는 것이 바람직하다.

본 발명재를 구성하는 산화물 소재에 있어 Al₂O_3,ZrO₂이외에 Cr₂O₃Fe₂0₃등의 불순물이 제조공정상 불가결하게 첨가될 수 있으나 이들 불순물의 총량의 3%를 넘지 않는 이상 크게 영향을 미치지 않는다.

산화물코팅을 용융아연욕 도금롤의 코팅으로 사용하는 경우에 내열충격이나 기타 기계적 충격에 대한 저항성을 크게 하기 위해서는 산화물 코팅층의 아래에 금속으로 된 본드코팅이나 금속과 산화물이 혼합된 코팅층을 1개층 혹은 2개 층으로 형성시켜주는 것이 바람직하다.

실재로 고온의 조건에서 산화물 코팅을 사용할때는 대부분의 경우 이러한 하부 코팅을 한 후에 산화물코팅을 실시하고 있다.

따라서 하기 표 2에 나타낸 바와 같이 이러한 하부코팅을 한 경우의 특성을 시험하였다.

[표 2]

시편번호	코팅층 구성	코팅두께(㎛)	기공율(%)	내충격성(회)	내열충격성(회)
	1층					2층
비교재	13	무	유	100	3	5	20*
	14	무	유	100	8	8	20*
발명재	15	유	유	100	4	20	20*
	16	유	유	100	9.5	27	20*
	17	무	유	200	3.5	21	20*
	18	무	유	200	10	25	20*
	19	유	유	200	2.5	25	20*
	20	유	유	200	9	29	20*
	21	무	유	300	2.5	25	20*
	22	무	유	300	8	34	20*
	23	유	유	300	3	26	20*
	24	유	유	300	9.5	29	20*
	25	유	무	300	8.5	25	20*
	26	유	유	150/150	3/9	35	20*

코팅층은 2개의 층 혹은 3개의 층으로 코팅하였는데, 1번층은 Co기 합금에 Al₂O₃가 10% 첨가된 코팅층으로 그 두께는 시편별로 약간의 차이가 있지만 80 ∼ 120㎛로 하였다.

이 층은 Al₂O₃의 첨가없이 금속만으로 코팅하여도 무방하다. 1 번층이 있는 경우와 없는 경우를 비교하기 위하여 같은 두께에 대하여 2가지를 코팅을 모두 비교하였다.

2번째 층은 Co기 합금에 Al₂O_3-25%ZrO₂를 50%혼합한 분말로 코팅하였다. 코팅층의 두께는 120 ∼ 170㎛로 하였다. 2번층의 경우에는 필요에 따라서 산화물의 양을 20 ∼ 60% 정도로 조절하여도 무방하다.

최종 산화물코팅층의 조성은 Al₂O_3-25%ZrO₂으로 하였으며 표 2의 코팅두께에 나타낸 두께는 산화물로만 이루어진 최종 코팅층의 두께를 의미한다.

이와같이 산화물 코팅층의 아래에 하부코팅층을 처리하면 내열충격성과 기계적충격에 대한 저항성을 향상시킬 수 있으므로 표 2에 나타낸 모든 시험편에 대하여 열충격시험과 기계적 충격시험을 실시하여 그 결과를 표 2에 나타내었다.

열충격시험은 앞의 표 1의 결과를 설명할 때와 동일한 방법으로 실시하였다. 내열충격 시험을 실시한 결과 표 2의 어떠한 코팅도 20회의 열충격시험을 통하여 코팅층의 손상이 관찰되지 않았다. 하부코팅처리하지 않은 표 1의 코팅에 비하여 내열충격성이 향상되었음을 알 수 있다.

코팅의 내충격성 시험을 위하여 JIS H8661에 규정된 시험법을 사용하였는데, 도 3은 시험방법을 보여주는 도면이다. 지름 40mm 인 강철구(1)를 코팅시험편(3)으로부터 1000mm의 높이에서 떨어뜨려서 코팅시험편에 균열이 생기거나 코팅층의 일부가 떨어지는 손상이 생길 때까지 충격을 주어 충격횟수를 비교하여 평가하였다.

Al₂O₃코팅이 도금롤 코팅으로 사용되지 못하고 있는 가장 큰 이유는 강판의 진동으로 인한 충격으로 코팅층에 균열이 형성되는 문제점 때문이다. 따라서 이 시험의 결과는 대단히 중요한 의미를 가진다.

비교재 13,14의 경우는 코팅층의 두께를 100㎛로 하고 2번층의 코팅만 한 경우인데, 각각 3,8회만에 코팅층에 균열이 발생하였다. 발명재 17,18,21,22와 같이 산화물 코팅층의 두께를 200,300㎛로 한 경우에는 20회 이상의 충격에도 견디는 결과를 나타내었다.

이와 같이 코팅층의 두께가 두꺼워지면 내충격성이 향상되는 것은 코팅층 자체가 어느 정도 충격을 흡수하는 효과가 있기 때문으로 생각된다. 코팅층의 두께를 100㎛로 한 경우에도 2번층과 1번층을 모두 코팅한 발명재 15,16의 경우에는 20회 이상의 충격에도 견디었다.

이러한 결과로 보아 산화물 코팅층의 두께는 100㎛이상으로 하는 것이 바람직한 것으로 생각된다.

그러나 코팅층의 잔류응력의 축적이 과다해져서 코팅층의 박리가 일어날 위험성이 커지므로 바람직하지 못하다.

코팅층의 기동도는 8.0∼9.5%인 경우가 2.5∼4.0%인 경우에 비하여 내충격성이 약간 좋은 경향을 보이고 있는데 이것은 코팅층의 내부기공이 어느 정도까지 존재하는 경우에 충격을 완화하는 효과를 내는 것으로 보인다.

그러나 기공도가 10%이상이 되는 경우에는 도 1에 나타낸 바와 같이 용융아연이 침식할 수 있는 위험성이 있으므로 바람직하지 못하다. 발명재 26의경우는 산화물층을 두 가지 조건으로 하여 기공도를 3%로 작게하여 150㎛올리고 그 위에 다시 기공도를 9%하여 150㎛두께로 코팅층을 형성하였다.

이렇게 함으로써 기공도가 낮은 코팅층으로 용융아연의 침투를 확실하게 방지하면서 기공도가 다소 높은 코팅으로 내충격성을 향상시키는 효과를 얻었다.

도 4는 비교재 14(b) 발명재 26(c)의 볼 충격시험후의 표면 형상을 보여주는 사진이다. 비교재 14는 충격 받은 하단부에 균열이 형성된 모양이 관찰되고 있으며 발명재26은 볼 충격 받은 흔적의하단부에 약간 희게 보이는 부위가 코팅입자의일부가 떨어져 나간 곳이다.

도 4(a)사진은 현재 도금 롤 코팅재로 가장 많이 사용되고 있는 WC-12%Co코팅을 50회 충격시험한 후의 사진으로 충격부 하단에 균열이 형성되어 있음을 알 수 있다.

종래의 코팅이 50회 까지의 충격에 견디는 반면에 본 발명에 의한 코팅의 경우 최고 35회의 충격에만 견디어 내충격성이 다소 떨어지지만 종래의 코팅은 도금롤 보다 훨씬 충격을 많이 받는 부위에도 사용되는 코팅이므로 20회 정도 이상의 충격 횟수에만 견디면 도금롤의 코팅으로 사용하는데는 문제가 없다.

도 5는 지름 16mm, 길이 16㎝의 스테인레스봉에 WC-12%Co코팅한 후 크롬산을 이용하여 봉공처리한 시편(a)와 본 발명재 24(b) 및 본 발명재 24에 BN이 첨가된 페인트를 이용하여 후처리한 시험편(c)을 460℃로 유지된 용융아연에 428시간 침지한 후 시험편을 꺼내어 표면을 관찰한 것이다.

본 발명재 24인 (b)의 경우에는 시험편을 꺼낼 때 시험편의 끝에만 아연이 약간 부착된 형상인데, 단면을 관찰한 결과 코팅층은 전혀 손상되지 않은 것을 확인하였다, (c)와 같이 본 발명재의 표면에 봉공처리와 같은 후 처리를 적절히 하면 아연이 전혀 부착되지 않게 되므로 본 발명의 효과를 극대화할 수 있다.

본 발명재는 도금롤 뿐만 아니라 용융아연욕에 침지되어 사용되는 스테인레스 재질의 지지대 등의 부재에도 코팅처리함으로써 수명향상 효과를 얻을 수 있다. 또한 본 발명재는 용융 알루미늄에 대한 내침식성도 우수하므로 용융아연 도금욕 뿐만 아니라 아연 알루미늄 합금 도금욕이나 알루미늄 도금욕 등에서의 침지롤 및 기타 침지부재에 코팅하여 사용할 수 있다.

이상과 같은 본 발명은 아연욕에 대한 내식성이 우수한 산화물코팅을 용융아연 도금 롤에 코팅함에 있어 내마모성이 우수한 Al₂O₃기본 성분으로 하면서 내열충격성 및 내충격성을 보완하기 위하여 ZrO₂를 첨가하여 코팅층을 형성한 용융금속 침지롤을 제공할수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 도금용 용융금속에 대하여 내식성 및 내부착성을 갖는 용사피막을 형성한 용융금속 도금욕 침지 롤에 있어 용사피막이 ZrO₂가 10%이상 40%이하의 함량으로 포함된 Al₂O₃를 사용하고, 메트릭스가 Al₂O_{3_}ZrO₂의 형태로 합금화된 상태이며, 그 속에 Al₂O₃가 입자상으로 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 용융금속 도금욕 침지롤.
2. 제 1항에 있어서, 상기한 용사피막을 형성함에 있어서 산화물 코팅층의 하부코팅으로써 금속재질의 코팅층 혹은 금속에 산화물이 혼합된 코팅층을 1개층 혹은 2개 이상의 복층으로 사용한 것을 특징으로 하는 용융금속 도금욕 침지롤.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 용사피막 형성 후에 용융금속에 내식성이 있으면서 용융금속이 잘 부착되지 않는 재료로 봉공처리 혹은 페인트처리한 것을 특징으로 하는 용융금속 도금욕 침지롤.