KR101119498B1 - 고내식 컬러 철강소재 또는 부품의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 일직선의 환형 소재 및 부품뿐만 아니라 임의의 형상의 철강 소재나 부품에 대해서도 적용할 수 있는 고내식 컬러 철강소재 또는 부품의 제조방법에 관한 것으로, (a) 임의의 형태의 철강소재 또는 부품에 질화열처리를 실시하는 단계, (b) 상기 (a)단계를 거친 철강소재 또는 부품에 대해, 쇼트 블라스트, 샌드 블라스트, 바렐 및 워터제트 중에서 선택된 어느 1종의 방법으로 표면 기계가공을 실시하는 단계, (c) 상기 (b)단계를 거친 철강소재 또는 부품에 대해, 컬러 산화열처리를 실시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고내식 컬러 철강소재 또는 부품의 제조방법이 제공된다.
질화열처리, 컬러 산화피막층, 표면기계가공, 클리어 코팅

Description

고내식 컬러 철강소재 또는 부품의 제조방법{Method for Manufacturing High Corrosion Resistant Steel Materials and Components}
본 발명은 고내식 컬러 철강소재 또는 부품의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일직선의 환형 소재 및 부품뿐만 아니라 임의의 형상의 철강 소재나 부품에 대해서도 적용할 수 있는 고내식 컬러 철강소재 또는 부품의 제조방법에 관한 것이다.
부식 환경에 노출되는 철강소재 및 부품에는 내식성을 확보하기 위해 고가의 스테인리스강이 널리 적용되고 있다. 그런데 부식은 표면에서 일어나므로 저가의 소재에 표면처리를 실시하여 소정의 내식성을 부여할 수 있는데 이러한 표면처리에는 도금법, 도장법 및 질화 열처리법 등이 있다.
도금법은 크게 습식 도금법과 건식 도금법으로 나누어지는데 습식 도금법의 대표적인 예로서, 도금 후 내식성을 더 높이기 위해 크로메이트를 실시하는 아연도금은 사용이 금지된 6가 크롬 크로메이트가 3가 크롬 크로메이트로 대체되고 있으나 비용, 내식성 및 공정의 안정성 등의 면에서 그 적용에 어려움이 있다.
크롬도금에서 형성되는 금속크롬층은 규제대상이 아니나 크로메이트와 마찬 가지로 크롬도금 용액으로부터 공정 중 6가 크롬이 발생하고 공정 후에도 소재표면에 잔존하는 6가 크롬이 문제가 되고 있으며, 니켈도금은 니켈이 인체의 피부와 반응하여 알레르기를 일으킬 수 있어 사용이 제한되고 있다.
진공 중에서 소재표면에 티타늄 (Ti), 알루미늄 (Al), 크롬 (Cr) 등을 코팅하는 건식 도금법은 고가의 설비나 공정비용으로 사용이 제한적이다.
또한 상기 도금은 내식성이 우수하다는 이점이 있으나 도금되는 물질 고유의 색상만을 얻을 수 있어 다양하고 미려한 색상을 요구하는 사회적 기대에는 부응하지 못하고 있다.
도장은 도금법에 비해서 색상이 다양하고 내식성, 비용 및 적용 범위 면에서 유리한 점이 있으나, 휘발성 유기화합물과 중금속 안료로 인한 대기오염, 수질오염 및 토질오염 문제가 있다.
질화침탄열처리 (Nitrocarburizing)는 500℃～700℃의 온도범위에서 강의 표면에 질소와 탄소를 침투?확산시키는 열화학적 공법이며, 질화열처리 (Nitriding) 는 강의 표면에 질소만을 침투?확산시키는 공법으로, 열처리 전후 치수변화가 적으며 내마모성 또는 내피로 특성을 부여하여 철강소재 및 부품의 표면 개질공정으로 널리 적용되고 있다.
상기 질화열처리법은 염욕법, 가스법, 플라즈마법, 진공법 등으로 실시할 수 있다.
이중 염욕법은 550℃～580℃의 온도구간에서 CN 염이나 CNO 염 등의 용융염을 이용하여 단시간에 처리가능하고 내소착성과 피로강도가 우수하고 모든 강에 적용가능하며, 설비비가 적고, 어떤 형상의 제품도 적용이 가능하다는 이점이 있으나 공정후 제품 표면에 묻은 독성염을 수세해야 하고 폐수처리시 유독한 CN-의 처리가 문제이다.
플라즈마법은 제품을 진공용기에 장입하고 400～550ㅀC의 온도범위에서 수백 볼트의 펄스 전압을 인가하여 발생되는 플라즈마 글로우 방전을 이용하여 피처리물 표면에 질소원자를 침투?확산시켜 내마모성 및 내피로성이 우수한 표면경화층을 형성시키는 환경친화적인 공법이나 적용가능한 제품의 형상과 크기가 제한되고 그 처리비용이 높다는 단점이 있다.
진공법은 철강 제품을 로내에 장입후 진공을 형성하고 질화처리에 악영향을 주지 않는 가스를 도입하면서 소정의 질화온도로 상승하고 이 온도에서 암모니아와 질화에 악영향을 주지 않는 가스로 질화열처리를 실시하는 공정으로 산화를 방지할 수 있으나 처리품의 내식성이 매우 낮고, 설비비 또는 공정비가 고가인 흠이 있다.
가스법은 500℃～700℃의 온도범위에서 암모니아 가스에 발열형 가스, 흡열형 가스, 이산화탄소, 질소 등의 혼합가스를 주입하면서 강의 표면에 질소와 탄소또는 질소만을 강의 표면에 주입하는 공정으로, 가스법은 대량생산이 가능하여 생산비가 저렴하고, 대부분의 강에 적용할 수 있어 가장 널리 사용되는 질화공정이다.
이들 질화열처리법은 상기 도금이나 도장에 비해 저공해이며, 상기 도금이나 도장이 갖고 있지 않은 내마모성 및 내피로특성 등 다양한 특성을 동시에 확보할 수 있으나, 이들 질화열처리만으로는 요망하는 내식성을 얻을 수 없으며, 질화열처 리에 이은 후산화열처리 (post oxidation) 또는 질화-산화 동시처리를 통하여 산소가 함유된 화합물층과 이들 화합물층 상부에 두께 1～2㎛의 철산화물층 (주로 Fe3O4와 소량의 Fe2O3)을 형성하여 내식성을 부여한다. 그러나 상기 질화열처리후 후산화열처리 공정과 질화-산화 동시처리공정은 그 색상이 흑청색 또는 흑색의 단일색이 얻어지며, 후산화열처리 후 버핑, 래핑 또는 폴리싱을 실시하여 약간의 광택성을 부여하여도 흑청색 또는 흑색의 단일색으로 외관특성에는 한계가 있다.
본 출원인이 국내특허 제1993-10873호에서 제안한 바 있는 도금처리대체용 강부품의 제조방법은 암모니아 가스에 프로판 가스와 공기를 포함한 혼합가스 분위기에서 질화와 산화를 동시에 실시한 후 표면산화물층을 제거하기 위한 연마로 광택이 높은 은백색을 얻을 수 있다.
그러나 상기 도금처리대체용 강부품의 제조방법은 우수한 내식성을 제공할 수 있으나 은백색의 단일 색상만이 가능하고 연마를 실시할 수 있는 일직선 형태의 봉재 또는 파이프에만 적용이 가능하다는 한계가 있다.
본 출원인이 국내특허 제 10-0039171호에서 제안한 바 있는 고내식 컬러소재 및 부품의 제조방법은 가스질화, 플라즈마질화, 염욕질화, 진공질화 등을 포함한 모든 질화열처리 공정 중 한 공정으로 실시하고 버핑, 래핑 또는 폴리싱등 표면연마를 실시한 후 산화성 분위기의 150℃～1,200℃의 온도에서 컬러 산화피막을 형성한다.
상기 고내식 컬러소재 및 부품의 제조방법에 의하면, 질화열처리된 소재를 버핑, 래핑 또는 폴리싱 등 표면연마 공정을 실시한 후 산화성 가스분위기에서 산화열처리를 실시하여 컬러 산화피막층을 형성하기 때문에, 종래의 도금법 또는 도장법으로는 발현할 수 없는 다양한 색상을 구현할 수 있고, 장식성이 우수하여 그 적용분야가 광범위할 뿐만 아니라 산소가 함유된 화합물층에 의해 우수한 내식성을 제공할 수 있다.
그러나 상기한 종래의 컬러 철강소재의 제조방법은 상기 도금처리대체용 강부품의 제조방법과 마찬가지로 버핑, 랩핑 및 폴리싱 등의 연마공정이 봉재 또는 파이프와 같이 일직선의 환형부품에 대해서만 가능하고 환형부품을 제외한 다른 임의의 형상에 대해서는 연마가공이 곤란하므로 그 적용범위가 한정된다는 단점이 있다.
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 일직선의 환형 소재나 부품뿐만 아니라 임의의 형상의 철강 소재나 부품에 대해서도 적용할 수 있는 고내식 컬러 철강소재 또는 부품의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의하면, (a) 임의의 형태의 철강소재 또는 부품에 질화열처리를 실시하는 단계, (b) 상기 (a)단계를 거친 철강소재 또는 부품에 대해, 쇼트 블라스트, 샌드 블라스트, 바렐 및 워터제트 중에서 선택된 어느 1종의 방법으로 표면 기계가공을 실시하는 단계, (c) 상기 (b)단계를 거친 철강소재 또는 부품에 대해, 컬러 산화열처리를 실시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고내식 컬러 철강소재 또는 부품의 제조방법이 제공된다.
본 발명에 의하면, 바람직하기는, 상기 (c) 단계를 거친 후 내지문성, 내식성 향상 및 내오염성 향상을 위하여 클리어 코팅단계를 더 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 고내식 컬러 철강소재 및 부품의 제조방법을 나타낸 절차도이다.
도 1을 참조하면, 먼저, 본 발명은 임의의 형상의 철강소재 또는 부품에 질화 열처리를 실시하여, 최표면에 단일 ε - 상 (Fe3CN)의 화합물층을 형성한다(S10). 이때 질화열처리의 온도는 500℃～700℃로, 질화열처리 시간은 1～20시간으로 하여 상기 화합물층의 두께를 2～50㎛ 정도로 하는 것이 좋다.
상기 질화열처리 공정은 내식성 또는 내마모성 등을 확보할 목적으로 실시하는 것으로, 질소 단독 또는 질소와 탄소가 표면에 침투?확산되는 열화학적 처리법으로 염욕법, 플라즈마법, 진공법이나 가스법 등으로 실시할 수 있다.
일반적으로 질화열처리 (Nitriding)는 강의 표면에 질소만을 침투?확산시키는 것이며, 질화침탄 (Nitrocarburizing)은 질소와 탄소를 침투?확산시키는 것을 지칭하는데, 여기서 질화열처리는 광의의 의미에서, 질화열처리와 질화침탄 열처리를 포함하는 열처리 공정이다.
상기 질화열처리를 거친 철강 소재 또는 부품은 표면에 형성된 철산화물층을 제거하기 위해 쇼트 블라스트 (Shot blast) 또는 샌드 블라스트 (Sand Blast) 또는 바렐 공정(Barrel) 또는 워터 제트 (Water jet) 등의 방법으로 표면 기계가공을 실시한다(S20).
쇼트 블라스트는 스틸 쇼트, 스틸 그리트 (grit) 또는 커트 와이어 쇼트를 압력이나 원심력을 이용하여 고속으로 철강 소재 및 부품 표면에 분사 또는 투사하여 철강 소재 및 부품 표면의 이물질을 제거하는 공정이다.
샌드 블라스트는 쇼트 블라스트와 마찬가지로 모래를 원심력이나 압축공기로 분사하는 것이다.
바렐 공정은 연마제와 철강 소재 및 부품을 기계에 투입하고 진동시켜 연마제로 철강소재 및 부품 표면을 연마하는 공정이다.
워터 제트는 고압의 물을 소재의 표면에 분사하여 소재 표면에 부착된 산화물이나 이물질을 제거할 수 있는 친환경적인 공정이다.
상기 질화열처리 공정 중 표면에 Fe2O3 및 Fe3O4 산화물이 형성되거나 또는 질화열처리 공정완료 후에 표면에 상기 산화물이 형성되지 않아도 내식성을 부여하기 위하여 후산화(post oxidation)를 실시하여 산화물이 형성되면 그 표면색상은 흑색이 되는데, 그 후 산화열처리를 실시하여도 컬러색상이 구현되지 않고 흑색으로 남 아 있고 그 색상 또한 미려하게 되지는 않는다. 따라서 컬러 산화열처리를 실시하기 전 상기 Fe2O3와 Fe3O4 철산화물을 제거하여 그 색상을 흰색 또는 회색으로 해야 할 필요가 있다.
상기한 표면 기계가공은 이러한 필요에 따라 상기 Fe2O3와 Fe3O4 철산화물 및 이물질을 제거하고 표면광택을 부여하여 컬러 산화열처리에 의해 컬러를 부여하고 미적 특성을 향상시키고자 수행하는 것으로, 일직선 형태의 봉재 또는 파이프뿐만 아니라 단조품, 기계가공품 및 판재를 포함한 임의의 형태의 철강소재 또는 부품에 대해 컬러를 형성하기 위한 것이다.
상기 표면 기계가공 조건은 특별히 제한하지 않으나, 가능한 한 화합물층은 제거되지 않고 표면 산화물이나 이물질만을 제거하도록 한다.
그런 다음, 상기 표면 기계가공을 거친 철강소재 또는 부품을 컬러 산화열처리 한다(S30).
상기 컬러 산화열처리는 철강소재 또는 부품을 고온의 산화성 분위기에서 가열하여 질화열처리시 생성된 화합물층 상부에 수백 Å～수백 nm 두께의 산화피막층을 형성하고 상기 산화피막층에서 반사된 빛과 상기 산화피막층을 투과하여 화합물층 표면에서 반사된 빛이 서로 간섭하여 독특한 색상을 구현하는 것으로 산화열처리 온도, 시간, 산화열처리 분위기에 따라 금색, 보라색, 청색 및 흑색 등 다양하고 미려한 컬러 색상을 발현한다.
상기 산화성 분위기는 염욕법, 진공법 또는 플라즈마법을 포함하여 가스법으 로 할 수 있는데 가스법에서의 산화성 가스는 발열형 가스, 산소, 공기, 이산화탄소, 스팀 중에서 단독 또는 혼합하여 이용할 수 있으며, 그 밖에 질소가스를 상기 산화성 가스에 포함하여 산화열처리를 시행할 수 있다.
산화열처리 조건은 각각 발현시키고자 하는 색상에 따라, 산화열처리가 수행되는 온도를 100℃～700℃의 범위에서, 30초～10시간 동안 실시한다.
이러한 이유는, 산화열처리의 온도를 100℃ 미만으로 했을 경우에는, 산화열처리가 충분히 수행되지 않아 원하는 컬러 산화피막층을 얻을 수 없으며, 700℃를 초과할 경우에는 상변태 및 표면층의 화합물의 분해가 일어나기 때문이다.
또한, 산화열처리 시간이 30초 (고주파처리의 경우 3초 이내) 미만이면 산화열처리가 수행될 수 있는 컬러 산화피막층 형성 온도에 도달하지 못하여 원하는 컬러 산화피막층을 얻기 어려우며, 10시간을 초과할 경우에는 흑색으로만 계속 유지되기 때문에 경제적인 관점에서 불필요한 시간을 초래하여 비효율적이다.
이러한 산화열처리는 다양하고 미려한 색상을 부여할 뿐만 아니라, 질화열처리시 얻어진 화합물층에 산소를 함유하게 함으로서 우수한 내식성을 부여할 수 있다.
상기 질화열처리 및 컬러 산화열처리를 실시하는 로는 연속로, 유동상로, 피트형로 및 올케이스 로 (Sealed Quench Furnace) 등의 어느 1종으로 실시할 수 있다.
그런 다음, 클리어 코팅을 추가 실시할 수 있다(S40).
클리어 코팅은 컬러 철강소재 및 부품에 고광택성, 내지문성 및 내오염성을 부여하고 내식성을 더욱 더 향상시키기 위한 것으로, 그 방법은 폴리-에틸렌계, 폴리-우레탄계, 폴리-아크릴계 또는 폴리-알키드계 등의 투명 액상 도료를 스프레이, 침적 또는 상기 수지의 분체도장 또는 전착 등의 방법으로, 컬러 철강소재 및 부품의 표면에 3㎛～50㎛ 두께로 도포하고 30℃～300℃의 온도범위에서 건조하는 과정으로 구성되며, 이러한 공정에 따라 상기 컬러 철강소재 및 부품의 표면에는 투명한 수지코팅층이 형성된다.
한편, 본 발명에서는 상기 질화열처리 전에 예비처리의 한 방법으로서, 상기 쇼트 블라스트나 샌드 블라스트 공정시 쇼트, 그리트, 모래 등의 크기, 재질 또는 투사방향이나 압력을 조절하거나 워터 제트 공정시 물의 투사방향이나 압력을 조절하여 철강 소재나 부품표면에 기계가공을 실시하여 컬러 산화열처리 후 철강 소재나 부품 표면에 광택 또는 무광택의 특정한 무늬를 형성하는 것도 가능하다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 종래의 도금, 도장 및 컬러 부품 제조방법에 비해 내식성이 우수하고 다양한 색상을 발현할 수 있어 장식성이 우수한 임의의 형태의 고내식 컬러 철강소재 및 부품을 제조할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 고내식 컬러 철강소재 및 부품의 제조방법은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 임의의 형태의 철강소재 및 부품에 대해 다양하고 미려한 컬러 색상을 부여할 수 있다.
둘째, 무공해 방법으로서 환경오염을 방지할 수 있다.
셋째, 종래의 방법으로는 발현할 수 없는 각종 색상의 컬러를 구현할 수 있어 인테리어를 다양화할 수 있다.
<실시예 1>
내경 1000Φ, 높이 2,500mm의 피트형 로에 열간압연 강재로 제조된 자동차용 브레이크 패드 백 플레이트 4,000개를 장입하고, 총유량은 시간당 25㎥, 가스조성은 60% Vol. 암모니아 - 10% Vol. 이산화탄소 - 30% Vol. 질소의 혼합가스를 주입하면서 570℃에서 3시간 가스 질화침탄열처리를 실시하였다. 그 후 질소가스로 퍼징하면서 온도를 540℃로 낮춘 후 20분간 스팀으로 산화처리를 실시한 결과, 두께 9～10㎛의 표면 화합물층과 두께 1.5～2㎛ 의 산화물층을 얻었다. 이들 플레이트에 노즐 직경은 5mm, 공기압력은 8kgf/㎠의 조건으로 샌드 블라스트(직경 0.3mm의 산화알루미늄을 투사)를 실시한 결과, 화합물층은 8～9㎛이었으며, 산화물층은 관찰되지 않았다. 이 플레이트를 310℃에서 2시간동안 공기분위기에서 산화열처리를 실시한 결과 청색의 컬러색상이 얻어졌다.
<실시예 2>
직경 27.8mm, 두께 0.8mm의 냉간압연 소재로 제조된 스틸파이프를 내경 1200mm, 높이 4000mm의 피트형 로에 450개를 장입한 후 총유량은 시간당 45㎥로 하고 70% Vol. 암모니아 - 16% Vol. 프로판 가스 - 4% Vol. 공기 - 10% Vol.의 질소의 혼합가스를 주입하면서 570℃에서 3시간동안 산질화침탄 처리를 실시한 결과, 두께 13～14㎛의 단일 ε - 상 (Fe3CN)의 화합물층과 두께 1～2㎛ 의 산화물층이 얻어졌다. 이 파이프에 노즐 직경은 5mm, 공기압력은 9kgf/㎠의 조건으로 샌드 블라스트(직경 0.5mm의 금강석을 투사)를 실시한 결과, 화합물층은 11㎛이었으며, 산화물층은 관찰되지 않았다. 이 파이프를 210℃의 공기분위기에서 2시간동안 산화열처리를 실시한 결과 황금색의 컬러 색상이 구현되었다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
도 1은 본 발명에 따른 고내식 컬러 철강부품의 제조방법을 나타낸 절차도이다.

Claims (4)

  1. 철강소재 또는 부품에 표면 기계가공을 실시하는 예비처리 단계;
    상기 예비처리된 철강소재 또는 부품에 질화열처리를 실시하는 질화열처리 단계,
    상기 질화열처리된 철강소재 또는 부품에 대해, 쇼트 블라스트, 샌드 블라스트, 바렐 및 워터제트 중에서 선택된 어느 1종의 방법으로 표면 기계가공을 실시하는 표면 기계가공 단계,
    상기 표면 기계가공된 철강소재 또는 부품에 대해, 컬러 산화열처리를 실시하는 컬러 산화열처리 단계,
    상기 컬러 산화열처리된 철강소재 또는 부품에 대해, 클리어 코팅처리를 실시하는 클리어 코팅처리 단계를 포함하며,
    상기 예비처리 단계에서, 철강 소재나 부품의 표면에 기계가공을 실시하여 최종적으로 얻어지는 철강 소재나 부품 표면에 광택 또는 무광택의 특정한 무늬가 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 고내식 컬러 철강소재 또는 부품의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 질화열처리 단계에서 상기 철강소재 또는 부품의 최표면에 단일 ε - 상 (Fe3CN)의 화합물층을 2～50㎛ 두께로 형성하고,
    상기 표면 기계가공 단계에서 상기 질화열처리된 철강소재 또는 부품의 표면에 형성된 철산화물층을 제거하고,
    상기 컬러 산화열처리 단계에서 상기 화합물층 상부에 수백 Å～수백 nm 두께의 산화피막층을 형성하고,
    상기 클리어 코팅처리 단계에서 상기 컬러 산화열처리된 철강소재 또는 부품의 표면에 폴리-에틸렌계, 폴리-우레탄계, 폴리-아크릴계 또는 폴리-알키드계 수지를 3㎛～50㎛ 두께로 도포하고 30℃～300℃의 온도범위에서 건조하여 수지코팅층을 형성하는 것을 특징으로 고내식 컬러 철강소재 또는 부품의 제조방법.
  3. 제1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 질화열처리는 염욕법, 가스법, 플라즈마법 및 진공법 중에서 선택된 어느 1종의 방법으로 실시하는 것을 특징으로 하는 고내식 컬러 철강소재 또는 부품의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 예비처리 단계는 쇼트 블라스트, 샌드 블라스트 및 워터제트 중에 선택된 1종의 방법으로 실시되며,
    상기 예비처리 단계에서 쇼트 블라스트나 샌드 블라스트 공정시 쇼트, 그리트, 모래 등의 크기, 재질 또는 투사방향이나 압력을 조절하거나, 워터제트 공정시 물의 투사방향이나 압력을 조절하여 철강 소재나 부품의 표면에 기계가공을 실시하여 상기 컬러 산화열처리 후 철강 소재나 부품 표면에 광택 또는 무광택의 특정한 무늬가 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 고내식 컬러 철강소재 또는 부품의 제조방법.
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