KR101112614B1 - 아연도금 금속소재의 고내식성 표면개질방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 아연도금된 금속소재에 대해 표면 활성화공정을 실시한 후 투명 수지도막층을 형성하는 단계로 구성되는 아연도금품의 크로메이트 처리를 대체할 수 있는 고내식성 표면개질 공정에 관한 것이다.

본 발명에 의하면 친환경적인 방법으로 고내식성을 가지는 아연도금된 금속소재를 제조할 수 있다.

아연도금, 표면활성화, 수지 도막, 고내식성, 크로메이트

Description

아연도금 금속소재의 고내식성 표면개질방법{surface modification process of zinc-plated metal articles for high corrosion resistance}

본 발명은 아연도금 금속소재의 고내식성 표면개질방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공정 중 또는 사용 중 환경부하 물질을 배출하는 크로메이트처리를 대체할 수 있는 친환경적인 방법으로 우수한 장식성과 높은 내식성을 부여할 수 있는 아연도금 금속소재의 고내식성 표면개질방법에 관한 것이다.

교각이나, 고가 도로 및 커브길 등의 도로변에 설치되어 운전 부주의나 교통사고로 인해 차량이 다리 밑이나 도로 바깥의 낭떠러지로 추락하는 것을 방지하기 위한 가드레일, 가로등 지주, 신호등이나, 과속적발 카메라, 표지판 등을 취부하기 위한 교통 신호대 지주, 현재 위치와 길거리 방향정보를 제공하는 이정표 지주, 전기제품의 부품 등은 부식을 방지하기 위하여 아연도금을 실시하는 경우가 많다.

방식하기를 원하는 금속을 음극으로 만들기 위해 방식하기를 원하는 금속보다 전위가 낮은 금속 (양극) 을 연결하면 전위가 낮은 금속이 대신 부식되기 때문에 이러한 방식방법을 희생양극법이라고 하며, 이때 사용되는 양극을 희생양극이라고 한다. 이 희생양극법은 갈바닉 원리를 이용한 것이기 때문에 갈바닉 음극방식이 라고도 한다.

주로 사용되는 희생양극으로는 철보다 부식전위가 낮은 마그네슘, 아연, 알루미늄 등의 합금이 사용되는데 이중 아연이 가장 광범위하게 사용되는 재료이다.

이러한 아연도금방법으로는 전기아연도금법과 용융아연도금법이 있는데, 전기아연도금법은 아연을 함유한 도금액 (주로 수용액) 에 양극이 되는 아연과 방식하고자 하는 금속 (음극) 을 넣고, 전기를 가하여 음극표면에 아연이 환원되게 하는 것이다.

용융아연도금은 도금하고자 하는 금속 (철강재) 을 450℃ 정도의 아연용탕에 침적하면 철과 아연이 서로 반응하여 철과 아연의 합금층이 형성되고 이 합금층 위에 순수한 아연층이 입혀지게 되는 것을 말한다.

전기아연도금에서 아연도금층의 두께는 요구성능에 따라 8㎛ 내외로 형성하는데 도금층이 얇아 만족스러운 내식성을 얻을 수 없으므로 추가로 크로메이트 처리를 하는데 이때 내식성이 수배 증가하고, 유색 또는 녹색 등의 색상을 가지며 광택있는 도금면을 얻을 수 있다.

그러나 크로메이트 공정에서는 공정액 속에 6가 크롬이 존재하므로 사용상 규제대상이 되고 있는데, 특히 EU는 환경보호를 위해 화학물질 관리를 대폭 강화하는 신화학물질 관리제도 (REACH)를 도입하였다. 이에 대응하기 위하여 6가 크롬을 대체하기 위한 3가 크롬도금 공정이 개발되었으나 내식성, 품질의 안정성 및 색상 등의 측면에서 문제를 안고 있다.

또 아연도금후 크로메이트를 실시하더라도 그 내식성은 염수분무시험으로 평 가시 크로메이트 공정에 따라 차이가 있으나, 약 120시간 이후 발청이 일어나며 또한 크로메이트층의 경도가 높지 않아 사소한 마찰에도 긁히거나 흠집이 생기기 쉬워 아연도금층이 노출되므로 내식성이 낮아진다.

용융아연도금은 희생적 방식특성이 있는 아연이 철과 합금층을 이루며 견고히 부착되기 때문에 치밀한 보호피막을 형성하여 뛰어난 방식효과와 경제성이 우수하다는 장점이 있으나, 아연도금층이 아연을 부식시키는 물질, 예를 들면 산성물질, 알칼리성 물질, 유기산 등에 노출되면 백색의 분말상의 녹이 발생하여 (백화현상) 외관이 나빠지게 된다.

또 도금후 도금된 제품이 위치하는 주변환경이나 시간경과에 따라 도금층이 부식되거나 도금공정관리가 제대로 실시되지 않으면 도금층 표면에 얼룩이나 변색이 발생할 수 있다.

특히 이들 아연도금된 금속제품이 도시지역에서 사용되는 경우 공해물질이나 이물질 등의 흡착으로 외관이 나빠지거나 조기부식이 발생하는 문제가 있다.

아연도금후 도장을 실시하면 상기와 같은 문제를 일부 보완할 수 있지만, 도장공정에는 안료에 포함되는 카드뮴과 납 등의 중금속이 있어 문제가 되고 있다. 또한 아연도금 표면이 매끄러워 도장 피막이 잘 부착되지 않거나, 도막 두께가 불균일한 문제가 있다.

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 환경부하물질을 배출하는 크로메이트 처리를 대체하고 친환경적인 방법으로 높은 내식성을 부여할 수 있는 아연도금 금속소재의 고내식성 표면개질방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 아래에서 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, (a) 금속소재의 표면에 아연도금을 실시하는 단계; (b) 아연도금이 실시된 상기 금속소재에 대해 표면활성화 공정을 실시하는 단계; 및 (c) 표면활성화 공정을 실시한 상기 금속소재에 대해 투명 수지도막층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 아연도금 금속소재의 고내식성 표면개질방법이 제공된다.

본 발명에서 금속소재라 함은 금속 원소재와 이들 금속 원소재로 제조된 부품 및 제품으로서 철강 금속재 및 비철 금속재 등을 포괄하는 의미이다.

상기 아연도금은 전기아연도금 또는 용융아연도금 공정으로 실시할 수 있다.

상기 표면 활성화 공정은 쇼트 블라스트 또는 샌드 블라스트 중에서 선택된 어느 하나의 방법으로 실시되는 것을 특징으로 한다.

상기 투명 수지도막층을 형성하는 공정은 폴리-에틸렌계, 폴리-우레탄계, 폴리-아크릴계 또는 폴리-알키드계 투명 수지의 액상도료를 스프레이, 침적 또는 상기 수지의 분체도장 또는 전착의 방법으로 실시하는 것을 특징으로 한다.

상기 투명액상 도료에는 자외선 방지제가 첨가되는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 아연도금품의 크로메이트 처리 대체 고내식성 표면개질방법은 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 내식성이 우수한 아연도금 금속소재를 친환경적인 방법으로 제공할 수 있다.

둘째, 색상이 미려하고 장식성이 우수한 아연도금 금속소재를 제공할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 아연도금품의 크로메이트 처리 대체 고내식성 표면개질공정을 나타낸 절차도이다.

도 1을 참조하면, 먼저 본 발명은 금속소재에 대해 아연도금공정을 실시한다. (S10)

상기 아연도금은 금속소재에 내식성을 부여하기 위해 실시하는 것으로, 전기아연도금 또는 용융아연도금 공정으로 실시할 수 있는데 도금공정은 특별히 한정하지 않으며 종래의 방법으로 실시할 수 있다.

다음으로, 상기 아연도금이 실시된 금속소재에 대해 표면 활성화 공정을 실시한다. (S20)

아연도금층의 표면은 매끄러우므로 후술하는 투명 수지도막이 잘 부착되지 않고 박리가 일어날 수 있다. 따라서 표면활성화 공정을 통하여 금속소재의 표면에 적절한 요철을 생성하여 표면적을 증가시켜 금속소재 표면에 대한 수지도막층의 부착력을 향상시킴으로써 수지도막층의 박리현상을 방지하여 내식성을 높이고자 한 것이다.

또한, 아연도금층에 의해 얻을 수 있는 은색의 표면 색상은 장식성이 그다지 높지 못한데, 본 발명에 따라 표면활성화 공정으로 표면조도를 적절히 조절함으로써 회색계통의 미려하고 고급스러운 색상을 발현할 수 있다. 따라서 본 발명에 의해 표면 활성화공정을 실시하면 동일 색상에서도 서로 다른 질감의 색상을 구현하는 것이 가능한 잇점이 있다. 예를 들면, ZrO₂ 분말을 사용한 샌드 블라스트를 실시하여 표면조도를 0.39㎛Ra 로 하였을 때는 광택이 있는 옅은 회색이었으며 표면조도를 0.59㎛Ra로 하였을 때는 짙은 회색인 것으로 나타났다.

따라서 본 발명에 의하면 표면활성화 정도에 의한 수지도막층의 부착력 증진 및 색상에 대한 질감을 고려하면 바람직한 표면조도는 0.1㎛ Ra～0.8㎛ Ra이다.

한편, 도금은 엄격한 공정관리가 실시되지 않으면 여러 형태의 불량이 발생할 수 있는데, 예를 들면 탈지가 제대로 이루어지지 않으면 얼룩 또는 변색이 발생하고 또 pH 관리가 엄격하게 되지 않으면 피트 또는 핀홀이 발생하여 금속소재의 조기부식의 원인이 된다.

따라서, 표면 활성화공정의 다른 목적으로 아연도금 후 금속소재의 표면에 잔류하는 이물질이나 표면결함을 제거하여 내식성을 향상시킬 수 있으며 나아가 제품의 불량률을 감소시키는 것이다.

본 발명에서 표면 활성화 공정은 예를 들면, 쇼트 블라스트 또는 샌드 블라스트의 수단으로 실시할 수 있는데, 쇼트 블라스트와 샌드 블라스트는 스틸 쇼트, 스틸 그리트 (grit) 또는 커트 와이어 쇼트, 금속산화물 또는 모래 등을 공기압이나 원심력을 이용하여 고속으로 소재표면에 분사 또는 투사하여 소재표면의 조도를 제어하고 이물질을 제거하는 표면처리 공정이다.

쇼트 블라스트 및 샌드 블라스트는 대상으로 하는 금속소재의 형상에 관계없이 실시할 수 있는데, 가능한 한 아연도금층은 손상되지 않으면서, 표면에 요철을 형성하거나 이물질만을 제거하도록 한다.

이를 위한 표면활성화의 구체적 공정조건은 사용하는 샌드 또는 쇼트에 따라 차이가 있으나, 대략 공기압 0.1 MPa～1.0 MPa, 공정시간 100㎠ 당 1분～4분, 금속소재(제품)와 에어 건 (air gun) 사이의 거리 2㎝～10㎝로 하는 것이 좋다.

공기압이 너무 낮으면 만족스러운 표면활성화 효과를 얻기 위해 소요되는 표면 활성화 시간이 지나치게 길어져 경제적이지 못하며, 공기압이 지나치게 높을 경우에는 단시간의 처리에도 아연도금층이 손상될 우려가 있다.

제품과 에어 건 (air gun) 사이의 거리가 너무 짧을 경우 표면 활성화 정도가 균일하지 못하며, 반면 지나치게 길 경우 표면 활성화가 제대로 진행되지 못하는 문제가 있다.

표면 활성화공정 후 표면조도나 표면 활성화 효과를 고려하여 사용하는 샌드나 쇼트의 직경은 0.05mm～0.3mm 정도가 좋다. 예를 들면, 직경 30mm, 길이 200mm 인 용융아연도금 파이프에 대해 제품과 에어 건 사이의 거리는 5cm로 하고, 직경 0.125mm의 ZrO₂ 분말을 사용하고 공기압을 각각 0.1Mpa, 0.4Mpa, 0.8Mpa 로 하여 2분 동안 샌드 블라스트를 실시한 결과, 표면조도는 각각 0.32㎛ Ra, 0.39㎛ Ra, 0.6㎛ Ra 이었으며, 이때 아연도금층은 손상되지 않고 균일한 색상으로 나타났다.

그런 다음, 투명 수지도막을 형성하는 공정을 실시한다. (S30).

투명 도막수지는 금속소재에 고광택성, 내지문성 및 내오염성을 부여하고 내식성을 더 향상시키기 위한 것으로, 그 방법은 폴리-에틸렌계, 폴리-우레탄계, 폴리-아크릴계 또는 폴리-알키드계 등의 투명 액상 수지도료를 스프레이, 침적 또는 상기 수지의 분체도장 또는 전착 등의 방법으로, 소재의 표면에 10㎛～80㎛ 두께로 단층 또는 다층으로 도포하고 30℃～300℃ 의 온도범위에서 건조하는 과정으로 구성되며, 이러한 공정에 따라 상기 금속소재의 표면에는 투명한 수지도막층이 형성된다.

상기 투명 수지도막층은 상기 표면 활성화공정에서 생성된 표면 요철부에 흡착이 용이하므로 박리가 일어나지 않고 또한, 수지도막층에는 이물질 등의 부착이 어렵고 또한 그 제거가 용이하므로 외관 특성이 우수하며, 크로메이트를 실시하였을 때보다 더 높은 내식성을 나타내고 아연도금층의 백화현상을 방지할 수 있다.

또 투명 수지도막은 종래의 도장 (페인트)이 가지고 있는 중금속과 휘발성 유기화합물에 의한 환경문제, 악취나 산업폐기물이 없으며 화재나 폭발위험성이 없고 비산한 분체를 회수하여 재사용할 수 있다는 장점이 있다.

또한 투명막이므로 표면 활성화 처리된 아연도금층 표면의 미려하고 장식성 이 우수한 외관을 그대로 살릴 수 있는 잇점도 있다.

한편, 상기 투명 수지조성물에 자외선 차단제 예를 들면, 페오니플로린을 건조 중량으로 0.001 내지 10.0 중량%, 또는 오르가노폴리실록산을 0.01 중량%～1 중량% 첨가하여 수지조성물의 내후성을 증진시킬 수도 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 종래의 아연도금에 비해 내식성이 우수할 뿐 아니라 미려하고 장식성이 우수한 색상을 발현할 수 있어 고내식성 금속소재를 친환경적인 방법으로 제조할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 더욱 구체적으로 설명한다.

<실시예 1>

냉간압연판재로 제작한 외경 30mmΦ, 두께 1.0mm 의 파이프에 대해, 도금층 두께가 8㎛가 되도록 전기아연도금을 실시하여 염수분무시험 (KS D 9502) 으로 내식성을 평가한 결과, 24시간 이내에 백록이 발생하였다.

한편, 동일한 조건의 전기아연도금 파이프에 대해 직경 0.125mm 의 지르코니아 분말을 사용하여 0.3MPa의 압력으로 1분 30초 동안 샌드 블라스트를 실시하여 0.31㎛ Ra의 표면조도를 부여한 후, 폴리 에스테르수지로 분체도장을 실시하여 두께 50㎛의 수지도막층을 형성하였다. 이때 파이프와 에어 건 사이의 거리는 5cm로 하였다. 이 파이프를 염수분무시험을 실시한 결과 400시간에서도 발청이 없었다.

<실시예 2>

두께 3.2mm, 길이 100mm, 폭이 60mm 인 25kgf/㎟ 급의 가드레일용 열간 압연강판에 대해 도금층 두께가 50㎛ 이 되도록 용융아연도금을 실시하여 염수분무시험 (KS D 9502) 으로 내식성을 평가한 결과, 24시간 이내에 백록이 발생하였다.

한편, 동일한 조건의 용융아연도금 강판에 대해 직경 0.4mm의 글라스비드를 사용하여 0.6MPa 의 압력으로 1분 30초 동안 쇼트 블라스트를 실시하여 0.57㎛Ra의 표면조도를 부여한 후, 폴리 아크릴 수지로 분체도장을 실시하여 두께 55㎛의 수지도막층을 형성하였다. 이때 강판과 에어 건 사이의 거리는 5cm로 하였다. 이 강판을 염수분무시험을 실시한 결과 500시간에서도 발청이 없었다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예에 의해 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

도 1 은 본 발명에 따른 아연도금품의 크로메이트 처리 대체 고내식성 표면개질공정을 나타낸 절차도이다.

Claims (5)

1. (a) 금속소재의 표면에 아연도금을 실시하는 단계;

   (b) 아연도금이 실시된 상기 금속소재에 대해 표면활성화 공정을 실시하는 단계; 및

   (c) 표면활성화 공정을 실시한 상기 금속소재에 대해 투명 수지도막층을 형성하는 단계를 포함하며,

   상기 투명 수지도막층은 폴리-에틸렌계, 폴리-우레탄계, 폴리-아크릴계 또는 폴리-알키드계로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상 선택되는 투명 수지조성물, 및 페오니플로린 또는 오르가노폴리실록산을 포함하는 자외선 차단제가 혼합된 액상도료를 스프레이, 침적, 분체도장 또는 전착의 방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 아연도금 금속소재의 고내식성 표면개질방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 표면활성화 공정은 쇼트 블라스트 또는 샌드 블라스트 공정으로 실시되는 것을 특징으로 하는 아연도금 금속소재의 고내식성 표면개질방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 액상도료는,

   상기 투명 수지조성물 90.0 내지 99.999 중량% 및 상기 페오니플로린 0.001 내지 10.0 중량%를 혼합한 것이거나, 상기 투명 수지조성물 99.0 내지 99.99 중량% 및 오르가노폴리실록산 0.01 내지 1.0 중량%를 혼합한 것을 특징으로 하는 아연도금 금속소재의 고내식성 표면개질방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 아연도금은 전기아연도금 또는 용융아연도금인 것을 특징으로 하는 아연도금 금속소재의 고내식성 표면개질방법.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 표면활성화 공정에 의해 금속소재의 표면에 형성되는 표면조도는 0.1㎛Ra～0.8㎛Ra 인 것을 특징으로 하는 아연도금 금속소재의 고내식성 표면개질방법.

Images