KR101115022B1

KR101115022B1 - 세라믹 코팅재료 및 스틸 세라믹 코팅방법

Info

Publication number: KR101115022B1
Application number: KR1020090129553A
Authority: KR
Inventors: 강병준
Original assignee: 주식회사 구산구산
Priority date: 2009-12-23
Filing date: 2009-12-23
Publication date: 2012-03-06
Also published as: KR20110072571A

Abstract

본 발명은 세라믹 코팅재료 및 코팅방법에 관한 것으로, 특히 강철 즉 스틸(steel) 표면에 융착(融着) 도막 코팅하는 방법으로 세라믹 코팅하기 위하여 적합한 코팅재료 및 코팅방법에 관한 것이다. 상기 코팅재료는 이산화규소와 그의 보완재료로 이루어진 무기질 복합재료와, 적정량의 규석, 탄산나트륨, 붕사, 질산나트륨 등으로 포함한다. 한편, 상기 코팅방법은 표면처리 제1공정→예비열처리 제2공정→도막 및 숙성 제3공정→소성 제4공정을 통하여 단지 일련의 열융착 공정만으로 세라믹 코팅을 수행하며, 여기에는 비교적 낮은 공정온도를 사용한다. 또한 위의 코팅재료를 사용함으로써 코팅 경제성 및 효율성이 상승되는 효과가 있다.

세라믹, 코팅, 스틸, 융착

Description

세라믹 코팅재료 및 스틸 세라믹 코팅방법 {Method for ceramic coating of surface of steel and coating material}

본 발명은 세라믹 코팅재료 및 코팅방법에 관한 것으로, 특히 스틸(steel) 표면에 융착(融着)하는 방법으로 세라믹 코팅하기 위하여 적합한 코팅재료 및 코팅방법에 관한 것이다.

세라믹은 일반적으로 내화학성, 내산성, 내열성, 내마모성이 우수한 코팅 재료로서 주방용기, 건축?구축재료, 반도체기계 등의 피복에 널리 사용되고 있다. 종래에는 이러한 세라믹 코팅을 위하여 용사(溶射)코팅법이나 화학기상증착법(CVD) 등이 방법이 사용되었으며, 이러한 방법으로 금속 표면을 세라믹 코팅하여 화학적 특성을 보강 또는 향상시키고자 하는 시도들이 있어 왔다.

그러나 용사코팅법의 경우 재료 또는 입도의 제한이 있어 순수 세라믹으로 코팅할 수 없는 문제가 있다. 그리하여 대체로는 세라믹을 포함하는 혼합물을 코팅 하게 되는데, 이 때 코팅의 세라믹 특성 즉, 내화학성, 내산성, 내열성, 내마모성 등은 질적으로 취약하게 될 수밖에 없다.

또한 화학기상증착법은 대체로 1500℃ 이상의 공정온도를 사용함에 따라, 금속 표면을 코팅하는 과정에서 금속까지도 용융되어 버리는 문제가 발생한다. 용융점이 더 높은 경우에도 열팽창계수의 차이 등에 의하여 코팅층에 균열이나 박리가 발생하는 문제가 있다.

상기의 용사코팅법이나 화학기상증착법을 이용하는 것 또는 이 방법들에서 이와 같이 기본적으로 공정온도가 높은 것은 보통의 온도로는 녹일 수 없는 탄화규소(SiC) 등을 코팅할 수가 있기 때문이기도 하다.

한편, 법랑코팅법이라고 하여 비교적 낮은 용융점의 유리질 세라믹을 금속 표면에 융착하는 방법이 있으나, 역시 재료의 제한이 있으며 동시에 재료의 성질에 의한 깨짐 또는 박리 등이 쉽게 발생할 수가 있기 때문에, 코팅 제품의 용도가 매우 한정적인 문제가 있다.

이상의 전통적인 코팅법으로부터 변형된 다른 방법들이 있는데, 그 중에는 스틸 표면에 구리합금 도금하고 그 위에 자성 세라믹을 코팅하는 방법이 제안된 바 있으나, 이 경우 재료의 준비가 복잡할 뿐만 아니라 필요한 내화학성, 내마모성 등 의 특성을 발휘할 수 없는 문제가 있다.

또한 금속 표면에 1차로 상대적 저온으로 세라믹 융착하고, 2차 이상의 코팅에서 점차 고온으로 세라믹 융착하는 코팅방법도 제안된 바 있다. 특수한 코팅장비들이 많이 사용되지 않으므로, 이러한 융착코팅이 다른 코팅법에 비하여 비교적 경제적일 수 있다. 그러나 이 경우 코팅재료를 다단 구성하는데 상당한 어려움이 있으며, 층간 박리가 생기는 등의 문제가 있다. 그리고 코팅 후의 코팅 물성이 균일하지 않게 되는 문제도 있다.

본 발명은 융착 방법을 적용하여 코팅함으로써 세라믹 코팅의 경제성을 향상시킬 수 있는 세라믹 코팅재료 및 코팅방법을 제공하고자 하는 것이다. 동시에, 다른 코팅방법에 비하여 비교적 낮은 공정온도를 사용하여 스틸의 용융점에 구애됨이 없이 적용할 수 있으며, 코팅 후 양호한 코팅상태를 나타내는 세라믹 코팅방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명에 따른 세라믹 코팅재료는 스틸 표면을 코팅하기 위한 세라믹 코팅재료에 관한 것이다. 특별히, 상기 코팅재료는:

SiO₂ 47~52 중량%, Al₂O₃ 15~20 중량%, Fe₂O₃ 2~4 중량%, FeO 6~8 중량%, CaO 8~10 중량%, K₂O 1~3 중량%, Na₂O 2~4 중량%, TiO₂ 1~3 중량%, P₂O₆ 0.5~1 중량%, MnO 0.1~0.5 중량%로 이루어진 복합소재 20~30 중량%와,

분말의 규석 10~20 중량%, 탄산나트륨 5~10 중량%, 붕사 15~20 중량%, 질산나트륨 5~10 중량%, 형석 4~5 중량%, 산화코발트 1~4 중량%, 산화안티몬 1~3 중량%를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 스틸 세라믹 코팅방법은:

스틸 표면의 세정, 탈지(脫脂) 및 미세 요철을 형성하는 산(酸)처리를 포함하는 표면처리 제1공정;

규산염 용액(silicate solution)으로 촉매 도포하여 150~180℃에서 30~40분 처리하는 예비열도 제2공정;

SiO₂를 주성분으로 하는 세라믹 코팅재료를 도포하고 200~300℃에서 30~40분 처리하는 숙성 제3공정;

10~15min/100℃의 승온속도에서 800℃까지 가열 처리하는 소결 제4공정;

을 차례로 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 세라믹 코팅재료는 SiO₂를 주성분으로 하면서 그 함량은 통상의 세라믹 재료에 비하여 낮다. 반면에 내화학성, 내산성, 내열성, 내마모성 등의 특성을 충분히 보완하는 다른 재료의 함량을 증가 또는 첨가하였다. 그럼으로써 비교적 낮은 공정온도를 사용하는 융착 코팅이 가능하게 되었으며, 세라믹 코팅의 경제성을 향상시키고 코팅 후에도 양호한 코팅상태 및 세라믹 특성을 나타내었다.

한편, 표면처리 제1공정→예비열도 제2공정→숙성 제3공정→소성 제4공정을 통하여 단지 일련의 열융착 공정만으로 세라믹 코팅을 수행하며, 여기에는 비교적 낮은 공정온도를 사용한다. 또한 위의 코팅재료를 사용함으로써 코팅 경제성 및 효 율성이 상승되는 효과가 있다.

이상에 기재된 또는 기재되지 않은 본 발명의 특징과 효과들은, 이하에서 설명하는 실시예 기재를 통하여 더욱 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 세라믹 코팅재료는 스틸 표면을 세라믹 코팅하기 위한 코팅재료에 관한 것이다. 특히 상기 코팅재료는 SiO₂를 주원료로 한 무기질 세라믹 복합소재와 보완재로서 적정량의 규석, 탄산나트륨, 붕사 등을 포함한다.

더욱 바람직하게, 상기 복합소재는 SiO₂ 47~52 중량%, Al₂O₃ 15~20 중량%, Fe₂O₃ 2~4 중량%, FeO 6~8 중량%, CaO 8~10 중량%, K₂O 1~3 중량%, Na₂O 2~4 중량%, TiO₂ 1~3 중량%, P₂O₆ 0.5~1 중량%, MnO 0.1~0.5 중량%로 이루어진다.

그리고 상기 코팅재료는 상기 복합소재 20~30 중량%와, 분말의 규석 10~20 중량%, 탄산나트륨 5~10 중량%, 붕사 15~20 중량%, 질산나트륨 5~10 중량%, 형석 4~5 중량%, 산화코발트 1~4 중량%, 산화안티몬 1~3 중량%를 포함한다.

아래 표 1 및 2는 상기 코팅재료 및 복합재료의 바람직한 조성을 나타낸다.

<표 1 : 코팅재료의 조성>

성분	복합재료	규석	탄산나트륨	붕사
함향(중량%)	20~30	10~20	5~10	15~20
성분	질산나트륨	형석	산화코발트	산화안티몬
함향(중량%)	5~10	4~5	1~4	1~3

<표 2 : 복합재료의 조성>

성분	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	FeO	CaO
함향(중량%)	49.1	15.3	2.17	6.95	9.84
성분	K₂O	Na₂O	TiO₂	P₂O₆	MnO
함향(중량%)	1.8	2.71	1.67	0.59	0.17

본 발명에서 상기 세라믹 복합재료로서 사용되는 이산화규소(SiO₂)는 세라믹 조성물의 주성분으로, 소성(소결)시 다른 재료와 반응하여 기계적 강도, 내열성, 내마모성, 내식성 등의 성능을 향상시키는 역할을 하므로 반도체, 세라믹스, 전기, 전자, 광학, 화학 등 여러 분야에서 첨단소재로 널리 사용되고 있는 것이다.

본 발명에서 상기 복합재료 중 SiO₂는 50 중량% 이하를 혼합시키는 것이 바람직하다. 이의 혼합량이 80 중량% 이하인 경우에는 일반적으로 세라믹 코팅층의 기계적 강도, 내열성, 내마모성, 내식성 등의 성능이 치명적으로 저하되는 것으로 알려져 있다. 따라서 통상의 세라믹 코팅재료에서 SiO₂는 80~90 중량%를 혼합한다.

그러나 이 경우 융착코팅 특히, 저온 융착코팅이 불가능해진다. 이에 본 발명에서는 SiO₂의 함량을 50 중량% 이하로 하되, 특성을 충분히 보완하는 다른 재료 의 함량을 증가 또는 첨가하였다.

예를 들어, 상기 알루미나(Al₂O₃)는 세라믹 소결시 SiO₂와의 반응에 의해 내식성과 내열성의 성능을 향상시키는 역할을 한다. 상기 이산화티탄(TiO₂)은 강도를 높이고 증착효과를 향상시키는 역할을 한다. 그리고, 상기 산화철(Fe₂O₃)은 코팅소재에 산화피막을 형성하여 부식을 방지하는 역할을 하는 것이 특징이다. 그 외 세라믹 코팅의 물성 확보를 위하여 바람직하다고 판단되는 FeO, CaO, K₂O, Na₂O, P₂O₆, MnO 등이 첨가되는 것이다.

상기 복합재료는 다시 세라믹 코팅으로서의 물성을 강화하고 열처리시 요소간 상호 견고한 응집을 위한 소재들로서 규석, 탄산나트륨, 붕사, 질산나트륨, 형석, 산화코발트, 산화안티몬 등을 보완재로 포함하여 발명에 따른 상기 코팅재료를 구성하는 것이다.

코팅재료를 구성하는 상기한 재료들은 입자의 크기가 0.1~0.15㎛인 미세 분말이다. 예컨대 그 이상으로 크면 세라믹 코팅시에 도막이 균일하지 않게 될 염려가 있다. 복합재료 및 코팅재료에서 각 재료의 함량은 각각의 물성이 세라믹 코팅에 적어도 발현될 수 있는 정도에서 합리적으로 결정된다.

한편, 상기 복합재료에는 이리듐(Ir) 및 망간(Mn) 중에서 선택된 하나 이상의 원소가 미소량 첨가되는데, 이는 열처리 중에 스틸에서 발생하여 코팅을 방해할 수 있는 탄소를 중화하는 것으로 확인되었으며, 이에 의하여 코팅의 질을 향상시킬 수 있는 것이다.

이하에서는 도 1을 참조하여 본 발명의 스틸 세라믹 융착코팅을 설명한다.

<제1공정 : 표면처리>

본 발명에 따른 스틸 세라믹 코팅공정은 통상의 경우와 마찬가지로, 먼저 스틸 표면을 세정, 탈지(脫脂)하고, 그 표면에 미세 요철을 형성하기 위하여 산(酸)처리를 수행한다(S11).

<제2공정: 예비열처리>

본 공정은 세라믹 코팅재료가 스틸 표면에 효과적으로 접합되고 박리, 이탈 등이 발생하지 않도록 하는 공정으로, 규산염 용액(silicate solution)으로 촉매 도포하여 150~180℃에서 30~40분 처리하는 예비열처리 공정이다(S12).

바람직하게, 상기 용액은 규산염나트륨액이며 철, 아연, 망간, 이리듐에서 선택된 하나 이상의 원소를 포함한다. 이 원소들이 열처리 중에 스틸에서 발생하여 코팅을 방해할 수 있는 탄소를 중화시키는 역할을 할 수 있는 것으로 판단된다.

<제3공정 : 도막 및 숙성>

이 공정에서는 SiO₂를 주성분으로 하는 세라믹 코팅재료를 적당량의 물에 희석하여 상기 스틸 표면에 도포하고(S13), 이 상태를 200~300℃에서 30~40분간 열처리한다(S14). 상기 도포는 스프레이, 정전도막, 페인팅, 디핑(deeping) 등으로 가능하다. 이 공정을 통하여, 도포된 세라믹 코팅재료가 균일, 균질하게 분포되며, 스틸 표면에 효과적으로 접합된다. 또한 코팅재료가 이후 다음 단계의 보다 고열처리에 대한 내성을 가지게 된다.

여기에서 세라믹 코팅재료는 바람직하게 위에서 설명한 본 발명의 코팅재료이다. 즉, 상기 코팅재료는 SiO₂를 주원료로 한 복합소재와 적정량의 규석, 탄산나트륨, 붕사 등을 포함한다.

보다 구체적으로, 상기 복합소재는 SiO₂ 47~52 중량%, Al₂O₃ 15~20 중량%, Fe₂O₃ 2~4 중량%, FeO 6~8 중량%, CaO 8~10 중량%, K₂O 1~3 중량%, Na₂O 2~4 중량%, TiO₂ 1~3 중량%, P₂O₆ 0.5~1 중량%, MnO 0.1~0.5 중량%로 이루어진다. 그리고 세라믹 코팅재료는 상기 복합소재 20~30 중량%와, 분말의 규석 10~20 중량%, 탄산나트륨 5~10 중량%, 붕사 15~20 중량%, 질산나트륨 5~10 중량%, 형석 4~5 중량%, 산화코발트 1~4 중량%, 산화안티몬 1~3 중량%를 포함한다.

바람직하게는, 이 공정의 상기 코팅재료는 상기 표 1 및 2에 기재된 재료 및 함량으로 구성된다.

<제4공정 : 소결>

상기 도포된 세라믹 코팅재료를 열처리하여 코팅층으로 소결 형성한다. 이 때, 코팅층을 균일하게 하고 기포 등이 생기지 않도록 하기 위하여 승온속도를 조절한다. 바람직하게, 10~15min/100℃의 승온속도에서 최고 온도 800℃까지 가열 처리한다(S15). 이로써 스틸 표면상에 세라믹 코팅층이 소결된다(S16).

이상의 제1공정 내지 제4공정의 열처리 공정을 차례로 거쳐 원하는 스틸 세라믹 코팅을 완성한다. 바람직한 실시예에서, 이상의 세라믹 코팅은 비교적 낮은 공정온도를 사용하는 일련의 열처리 융착코팅으로, 세라믹 코팅의 경제성을 향상시키고 코팅 후에도 박리나 절결이 발생하지 않는 양호한 코팅상태 및 세라믹 특성을 나타내었다.

도 1은 본 발명에 따른 코팅방법을 설명하기 위한 순서도.

Claims

SiO₂ 47~52 중량%, Al₂O₃ 15~20 중량%, Fe₂O₃ 2~4 중량%, FeO 6~8 중량%, CaO 8~10 중량%, K₂O 1~3 중량%, Na₂O 2~4 중량%, TiO₂ 1~3 중량%, P₂O₆ 0.5~1 중량%, MnO 0.1~0.5 중량%로 이루어진 복합소재 20~30 중량%와,

분말의 규석 10~20 중량%, 탄산나트륨 5~10 중량%, 붕사 15~20 중량%, 질산나트륨 5~10 중량%, 형석 4~5 중량%, 산화코발트 1~4 중량%, 산화안티몬 1~3 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 코팅재료.
제1항에 있어서,

상기 코팅재료를 구성하는 재료들은 입자의 크기가 0.1~0.15㎛인 미세 분말인 것을 특징으로 하는 세라믹 코팅재료.
제1항에 있어서,

상기 복합재료에는 이리듐(Ir) 및 망간(Mn) 중에서 선택된 하나 이상의 원소가 첨가되는 것을 특징으로 하는 세라믹 코팅재료.
스틸 표면의 세정, 탈지(脫脂) 및 미세 요철을 형성하는 산(酸)처리를 포함하는 표면처리 제1공정;

규산염 용액(silicate solution)으로 촉매 도포하여 150~180℃에서 30~40분 처리하는 예비열처리 제2공정;

SiO₂를 주성분으로 하는 세라믹 코팅재료를 도포하고 200~300℃에서 30~40분 처리하는 도막 및 숙성 제3공정;

승온속도를 조절하면서 800℃까지 가열 처리하는 소결 제4공정;

을 차례로 포함하는 것을 특징으로 하는 스틸 세라믹 코팅방법.
제4항에 있어서,

상기 코팅재료는:

SiO₂ 47~52 중량%, Al₂O₃ 15~20 중량%, Fe₂O₃ 2~4 중량%, FeO 6~8 중량%, CaO 8~10 중량%, K₂O 1~3 중량%, Na₂O 2~4 중량%, TiO₂ 1~3 중량%, P₂O₆ 0.5~1 중량%, MnO 0.1~0.5 중량%로 이루어진 복합 소재 20~30 중량%와,

분말의 규석 10~20 중량%, 탄산나트륨 5~10 중량%, 붕사 15~20 중량%, 질산나트륨 5~10 중량%, 형석 4~5 중량%, 산화코발트 1~4 중량%, 산화안티몬 1~3 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 스틸 세라믹 코팅방법.
제4항에 있어서,

상기 용액은 규산염나트륨액이며 철, 아연, 망간, 이리듐에서 선택된 하나 이상의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 스틸 세라믹 코팅방법.
제4항에 있어서,

상기 승온속도는 10~15min/100℃인 것을 특징으로 하는 스틸 세라믹 코팅방법.