KR101132313B1

KR101132313B1 - 코팅제 및 이 코팅제가 도포된 세라믹 롤러

Info

Publication number: KR101132313B1
Application number: KR1020090127101A
Authority: KR
Inventors: 이전우; 전명철; 김재철
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2009-12-18
Publication date: 2012-04-05
Also published as: KR20110070314A

Abstract

본 발명은 내마모성이 향상된 코팅제 및 이 코팅제가 도포된 세라믹 롤러에 관한 것으로,

본 발명의 일 실시예에 따른 코팅제는, 피처리물 표면을 보호하기 위한 코팅제로서, 질화붕소(BN) 분말; 상기 질화붕소 분말에 첨가되는 세라믹 분말; 및, 상기 질화붕소 분말과 상기 세라믹 분말의 결합력을 증가시키는 결합제를 포함한다.

이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅제는, 높은 내마모 특성을 갖는 코팅제를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 의한 코팅제가 도포된 세라믹 롤러는 코팅제의 내마모 특성이 향상되어 실제 조업시 코팅제가 마모된 롤러의 표면에 다시 코팅제를 도포하는 횟수가 감소되고, 이에 따라 RHK(Roller Hearth Kiln) 조업을 중단하는 횟수가 감소되어 조업 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.

코팅제, 세라믹 롤러, RHK

Description

코팅제 및 이 코팅제가 도포된 세라믹 롤러{Coating agent and a ceremic roller coated it}

본 발명은 코팅제 및 이 코팅제가 도포된 세라믹 롤러에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내마모성이 향상된 코팅제 및 이 코팅제가 도포된 세라믹 롤러에 관한 것이다.

최근 들어 고성능 자동차용 강판 제조를 하기 위하여 자동차 강판 가공 업체에서는 Hot Press Forming(이하 'HPF') 공정을 채택하는 업체들이 많아지고 있다. HPF 공정에서는 강판을 고온에서 가공하기 위한 전 단계로서 일정 온도까지 가열해 주는 열처리 공정을 채택하는 데, 이 열처리 공정은 작업의 연속성을 유지해주면서도 열효율성이 높은 Roller Hearth Kiln(이하, 'RHK') 방식을 주로 채택하고 있다. RHK 라인에서 강판 이송용으로 채택하고 있는 롤러는 금속이나 세라믹 재질을 채택하고 있지만, RHK내 온도가 900이상이라는 점에서 금속 재질보다는 고온에서의 물성이 상대적으로 안정적인 세라믹 재질의 롤러를 주로 채택하고 있다. RHK 라인에 서 채택하고 있는 세라믹 롤러는 여러 가지 재질이 있을 수 있으나, 통상 가격적인 측면과 열충격 안정성이라는 측면에서 상대 밀도가 88 내지 92% 정도의 치밀도를 가지는 뮬라이트 재질 및 탄화규소나 치밀한 용융 실리카질의 세라믹 롤러를 주로 채용한다.

HPF공정의 경우, 강판을 예비적으로 900 이상의 고온으로 가열하기 때문에 일반적인 강판 표면은 고온에서의 표면 산화가 발생하게 되어 Fe계 산화물이 강판 표면에 남게 되고, 이들 표면의 Fe계 산화물은 경도가 높아 후속적인 Pressing 공정에 투입될 시 프레스용 몰드의 표면 손상을 유발할 위험이 있다. 따라서 RHK 라인의 경우 열처리를 위해 이송되는 강판의 산화 방지를 위해 RHK 내 분위기를 무산화 분위기를 유지하고자 많은 노력을 기울이지만 완전한 표면 산화 방지는 어렵다.

따라서, 보다 적극적인 강판 표면 산화방지를 위하여 Al-Si계 도금 층을 형성시킨 강판을 가공용 소재로 채택하는 경우가 많다. Al-Si계 도금 강판의 경우 RHK 공정을 거칠 때 도금 성분의 특성상 액상을 형성하면서 강판 표면을 산화로부터 보호하며 동시에 강판 표면 내로 합금화하여 결합됨으로써 HPF 공정을 거친 후에도 강판 표면에서 안정적인 내산화층을 형성하여 자동차용 강판으로서 사용시 오랜 내후성을 보장해주는 장점까지 가지게 되어 최근 들어서는 HPF용 자동차 강판소재로써 Al-Si계 도금 강판을 많이 채택하고 있다.

그러나, 이와 같은 우수한 장점을 가진 Al-Si계 도금강판은 RHK 내 열처리 공정에서 초기 고온 가열시 강판 표면에 도금된 저융점의 Al-Si층이 일차적으로 용융되어 강판 표면 상에 액상 상태로 존재하게 되는데, 이때 강판의 이송을 담당하 고 있는 세라믹 롤러와 접촉하여 생성된 Al-Si계 액상이 일부분 세라믹 롤러 표면과 반응하여 들러붙게 된다. 들러붙은 Al-Si계 액상 화합물은 세라믹 롤러 표면에 강하게 들러붙어 쉽게 떨어지지 않으며, 조업이 계속 진행됨에 따라 부착량이 점차적으로 증가하여 강판의 정상적인 이송을 방해하게 되며, 결과적으로 효율적인 RHK 조업을 방해하게 된다. 현장에서는 이들 세라믹 롤러 표면에 들러붙은 Al-Si계 화합물을 제거하기 위하여 수시로 조업을 중단해줘야 하며, 이러한 잦은 조업중단은 결국 로체의 승온 및 강온을 반복하게 만들어 세라믹 롤러에 열적인 피로를 부가하게 된다. 또한, 기계적 연마와 같은 인위적인 세라믹 롤러 표면 부착물 제거 공정은 세라믹 롤러 내부에 응력 집중을 유발하여 롤러 내에 쌓인 열충격 피로 현상과 상승작용을 가져와 롤러 파손을 촉진시키며 결과적으로 롤러 수명 단축과 작은 롤러 교체 작업 유발로 조업 생산성의 악화를 가져온다.

이와 같은 Al-Si 액상 화합물이 세라믹 롤러들에 들러붙는 현상을 방지하기 위해서는 비금속 용융물에 대하여 우수한 비습윤(non-wetting) 특성을 보이는 상용의 질화붕소 코팅제를 롤러 표면에 도포해 준 결과, Al-Si계 용융물의 부착량이 크게 감소함을 확인할 수 있었으나, 질화붕소 코팅제의 낮은 내마모 특성으로 인하여 수시로 질화붕소 코팅층을 재도포해줘야 하는 문제점이 발생한다. 또한, 빈번한 질화붕소 코팅층 재도포 작업으로 인해 RHK 조업을 수시로 중단해야하므로, 조업 생산성이 크게 떨어지는 문제점이 발생한다.

본 발명의 일 기술적 과제는 내마모성이 향상된 코팅제를 제공하는 데 있다. 또한, 본 발명의 일 기술적 과제는 조업 생산성이 향상된 코팅제를 제공하는 데 있다. 또한 본 발명의 일 기술적 과제는 내마모성과 조업 생산성이 향상된 코팅제가 도포된 세라믹 롤러를 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 코팅제는,

피처리물 표면을 보호하기 위한 코팅제로서, 질화붕소(BN) 분말; 상기 질화붕소 분말에 첨가되는 세라믹 분말; 및, 상기 질화붕소 분말과 상기 세라믹 분말의 결합력을 증가시키는 결합제를 포함한다.

상기 질화붕소 분말의 입도는 2 내지 20 ㎛인 것이 바람직하다.

상기 세라믹 분말은 용융 실리카, 알루미나, 지르코니아, 탄화규소 분말 중 적어도 어느 하나인 것이 바람직하다.

상기 세라믹 분말의 입도는 20 내지 100 ㎛이며, 그 첨가량은 질화붕소 분말 100 중량부에 대하여 2 내지 20 중량부인 것이 바람직하다.

상기 결합제는 액상 물유리이며, 그 첨가량은 질화붕소 분말 100 중량부에 대하여 0.2 내지 2.0 중량부인 것이 바람직하다.

분산제로써 물을 첨가하며, 그 첨가량은 질화붕소 분말 100 중량부에 대하여 50 내지 100 중량부인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 롤러는, 상기의 코팅제가 도포된 세라믹 롤러이다.

상기한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 높은 내마모 특성을 갖는 코팅제를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 의한 코팅제가 도포된 세라믹 롤러는 코팅제의 내마모 특성이 향상되어 실제 조업시 코팅제가 마모된 롤러의 표면에 다시 코팅제를 도포하는 횟수가 감소되고, 이에 따라 RHK 조업을 중단하는 횟수가 감소되어 조업 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 코팅제는, 피처리물 표면을 보호하기 위한 코팅제로서, 질화붕소(BN) 분말; 상기 질화붕소 분말에 첨가되는 세라믹 분말; 및, 상기 질화붕소 분말과 상기 세라믹 분말의 결합력을 증가시키는 결합제를 포함한다. 또한, 분산제로써 물을 첨가할 수 있다.

상기 질화붕소는 질소(N)와 붕소(B)를 1 : 1 몰 비로 혼합한 화합물로써 화 학식은 BN이다. 이러한 질화 붕소는 압력과 온도에 따라 3가지 결정구조(육방정 결정구조, 큐빅형 결정구조, 울짜이츠 결정구조)를 지니는데, 본 명세서에서 언급하는 질화붕소는 육방정 결정구조를 지닌 질화붕소를 의미한다. 상기 질화붕소는 열전도율이 높고, 화학적인 안정성이 뛰어나며, 열충격에 강한 특성이 있다. 그 제조 방법으로는, 고온의 전기로에 암모니아나 요소 등의 분위기를 만들고 삼산화이붕소(B₂O₃)를 투입하여 대류시키고 이로써 질소와 붕소의 반응을 유도하는 방식과, 특정 용기에 삼산화이붕소(B₂O₃)분말과 환원제로 쓰이는 분말을 혼합하여 넣고 질소가스를 주입하여 내부에서 점화시켜서 반응을 유도하는 방식 등 여러 가지가 있다.

상기 세라믹 분말은 상기 질화붕소 분말에 첨가되는 데, 이러한 세라믹 분말로는 용융 실리카, 알루미나, 지르코니아, 탄화규소 분말 등의 내마모성이 우수한 세라믹 분말 중 적어도 어느 하나 이상을 사용할 수 있다. 즉, 용융 실리카, 알루미나, 지르코니아, 탄화규소 분말 등을 단독으로 사용하거나, 또는 2종 이상의 혼합물 형태로 사용할 수 있다.

상기 용융 실리카(Fused Silica, SiO2)는 일반적으로 합금철(주물)의 열간 압출에 사용하는 침적노즐(NOZZLE)을 구성하는 재료로서 사용되며, 백색의 비정질 망목 구조를 가지고 있는 무정형 실리카로서 세라믹 재료 중에서 열팽창 계수가 가장 적다. 또한, 용융 실리카는 순도가 높은 백규석을 2,000℃이상에서 용융하여 제조된 원료이며, 용융된 원료를 원하는 입자형태에 따라 분쇄하여 입도별 원료를 혼합사용 가능하다. 용융 실리카는 SiO₂ 단일성분으로 구성되며, 제법에 따라서 천연 실리카, 합성 실리카 등이 있다.

상기 알루미나(Al₂O₃)는 알루미늄과 산소의 화합물로 천연에서 코런덤, 루비, 사파이어 등으로 존재하고 α-산화알루미늄, 膨-산화알루미늄 등이 있다. 천연으로는 결정 광물인 코런덤으로 산출되고, 또 순수한 코런덤이 착색된 루비와 사파이어도 있다. 여러 가지 형태를 가진 것이 알려져 있는데, 수산화알루미늄을 300℃ 이하로 가열하면 생기는 α-산화알루미늄은 순수하고 가장 안정된 형태이다.

상기 지르코니아(ZrO₂)는 산화지르코늄을 통틀어 이르는 말로, 지르코늄의 산화물이며 흰색의 결정체이다. 단사정계로 보기 드문 광물로, 굴절률이 크고 녹는점이 높아서 내식성이 크다. 또한, 물에 녹지 않고, 황산/플루오린화수소산에 녹는다. 상기 지르코니아는 급격한 온도의 변화에 대한 내마모성이 우수한 특성이 있어서, 급열/급랭의 기구류에 사용된다.

상기 탄화규소(SiC)는 고온 강도가 높고, 내마모성, 내산화성, 내식성, 크립저항성 등의 특성이 우수하여 주로 고온 구조 재료로서 사용되며, 베어링, 각종 노즐, 고온 절삭공구, 내화판, 연마재, 제강시 환원재 등에 널리 사용되고 있다.

상기 결합제는 상기 질화붕소 분말과 상기 세라믹 분말의 결합력을 증가시키기 위해 사용하는 물질로, 예를 들면 액상 물유리가 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 코팅제는, 상기 질화붕소(BN) 분말을 적당량의 물과 혼합하여 교반하여 수계 분산물을 제조하고, 내마모 재료로서 용융 실리카, 알루미나, 지르코니아, 탄화규소 분말 등 내마모성이 우수한 세라믹 분말을 단독 또는 2종이상의 혼합물 형태로 소량 첨가하여 사용한다. 또한, 질화붕소와 세라믹 분말 분산물에 결합제로서 물유리를 미량 첨가한 후, 다시 물을 혼합하여 잘 분산시킴으로써 고온에서의 내마모도가 높고, 비금속 용융물에 대하여 비습윤(non-wetting)성이 우수한 질화붕소계 코팅제이다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅제 제조 방법을 도 1을 참조하여 상세히 설명한다.

우선, 일정량의 질화붕소 분말을 칭량한다. 이 질화붕소 분말 100 중량부에 대하여 50 내지 100 중량부의 물을 첨가하고, 교반기를 이용하여 일정시간 분산시켜 준다. (S10) 이때, 상기 질화붕소 분말의 평균 입도는 2 내지 20㎛ 정도이며, 바람직하게는 5 내지 10㎛ 정도의 분말을 사용한다.

그 다음, 코팅제의 내마모성을 증가시키기 위하여 질화붕소와 물의 혼합물에 세라믹 분말을 첨가한다.(S20) 이때, 사용되는 세라믹 분말은 용융 실리카, 알루미나, 지르코니아, 탄화규소 분말 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 사용한다. 또한, 이때 상기 세라믹 분말의 첨가량은 질화붕소 분말 100 중량부에 대하여 2 내지 20 중량부가 되도록 한다. 첨가되는 세라믹 분말의 양이 질화붕소 분말 100 중량부에 대하여 20 중량부를 초과하면 질화붕소계 코팅제의 내마모성은 증가하지만, 그와 동시에 실제 조업시 Al-Si계 용융물에 대한 습윤성(wetting)이 증가하고 이에 따라 롤러 표면에 달라붙는 Al-Si계 부착물의 양이 증가하게 되어 질화붕소 고유의 비습윤성(non-wetting)이 저하되게 된다. 반면 세라믹 분말을 질화붕소 분말 100 중량부에 대하여 2 중량부 미만으로 첨가하면 질화붕소계 코팅제의 내마모성 향상에 큰 효과가 없다. 특히, 코팅제의 내마모성 향상과 질화붕소 고유의 비습윤성(non-wetting)을 동시에 충족시키기 위해서는 세라믹 분말을 질화붕소 분말 100 중량부에 대하여 5 내지 10 중량부로 첨가하는 것이 바람직하다.

한편, 코팅제의 내마모성을 증가시기키 위해 상기 세라믹 분말을 첨가하는 것이므로, 세라믹 분말의 평균 입도는 100㎛이하인 것이 좋으며, 특히 20 내지 50 ㎛인 것이 바람직하다. 세라믹 분말의 평균 입도가 100㎛를 초과하면 분산성이 저하되어 균질한 코팅층을 형성하는데 악영향을 주며 반면 20㎛ 미만이 되면 질화붕소 분말의 평균 입도보다 작아지는 범위 안에 들게 되어 내마모 증가를 위한 골재로서의 효과가 저감된다.

그 다음, 상기 질화붕소 분말, 세라믹 분말, 그리고 물의 혼합물을 건조한 후, 상온 및 고온에서의 결합력을 증가시키기 위하여 결합제로써 액상 물유리를 일정량 첨가한다.(S30) 이때, 상기 액상 물유리의 첨가량은 질화붕소 분말 100 중량부에 대하여 0.2 내지 2.0 중량부가 되도록 한다. 상기 액상 물유리는 특별히 제한이 없고, 시중에 통용되고 있는 액상 물유리라면 모두 사용할 수 있다. 상기 액상 물유리의 첨가량이 질화붕소 분말 100 중량부에 대하여 2.0 중량부를 초과하면, 고온에서 과도한 액상 혁성으로 코팅층이 흘러내리게 되어 바람직하지 않으며, 반면 0.2 중량부 미만이 되면 코팅층의 결합력이 낮아져 내마모 골재인 세라믹 분말을 단단하게 결합시키지 못하게 된다.

그 다음, 상기 액상 물유리가 첨가된 혼합물에 분산제로써 물을 다시 첨가한 다.(S40) 코팅제로서의 점도, 습도를 적당하게 유지하기 위해, 첨가되는 물의 양은 질화붕소 분말 100 중량부에 대하여 50 내지 100 중량부인 것이 바람직하며, 이는 첨가되는 세라믹 분말의 양에 따라 조절되는데, 예를 들면 첨가되는 세라믹 분말의 양과 동일한 중량의 물을 더 첨가해 줄 수 있다. 한편, 잘 혼합된 질화붕소계 코팅제는, 경우에 따라 사용하기 직전에 소량의 물을 더 혼합하여 희석해서 사용해도 좋다.

다음은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것 일뿐 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

평균 입도가 약 6 내지 7㎛인 질화붕소 분말 1000g을 칭량하고 이 분말에 물 500g을 첨가하여 회전식 교반기를 이용하여 1시간 이상 교반하여 준다. 잘 교반된 질화붕소 분산물에 평균 입도가 25㎛인 용융 실리카 분말 100g을 첨가하고 다시 30분 이상 교반한다. 최종적으로 액상의 물유리를 10g 칭량하여 상기 혼합물에 첨가해준 후 교반기로 30분 이상 추가 교반하여 주면 물속에 질화붕소, 용융 실리카 분말, 그리고 물유리가 잘 혼합 분산된 질화붕소계 코팅제를 얻을 수 있다.

상기 질화붕소계 코팅제를 붓이나 스프레이를 이용하여 세라믹 롤러에 도포해준다. 질화붕소계 코팅제가 도포된 세라믹 롤러를 상온에서 2일 이상 건조하여 안정적으로 건조가 진행되도록 하고 다시 110도 정도로 승온하여 1시간 이상 유지해준다. 건조가 완전히 진행된 질화붕소계 코팅제가 도포된 세라믹 롤러를 RHK 내에 장입시키고 약 600도에서 최소 1시간 이상 열처리하여 질화붕소계 코팅층에서 수분이 완전히 제거됨과 동시에 견고한 코팅층이 형성되도록 한다.

열처리를 완전히 마친 세라믹 롤러를 RHK의 작업 온도까지 승온시켜 정상적인 조업을 진행시킨다. 10wt%의 용융 실리카 분말을 첨가해준 질화붕소계 코팅제는 다른 내마모재를 전혀 첨가해주지 않은 순수 질화붕소계 코팅제에 비하여 세라믹 롤러의 로 내 위치별로 약 1.5 내지 2.0 배 정도의 내마모성을 나타내어 질화붕소 코팅층의 수명을 증가시키는 효과를 보였다.

[실시예 2]

평균 입도가 약 6 내지 7㎛인 질화붕소 분말 1000g을 칭량하고 이 분말에 물 500g을 첨가하여 회전식 교반기를 이용하여 1시간 이상 교반하여 준다. 잘 교반된 BN 분산물에 평균 입도가 20㎛인 알루미나 분말 100g을 첨가하고 다시 30분 이상 교반한다. 최종적으로 액상의 물유리를 10g 칭량하여 상기 혼합물에 첨가해준 후 교반기로 30분 이상 추가 교반해주면 물속에 질화붕소, 알루미나 분말, 그리고 물유리가 잘 혼합 분산된 질화붕소계 코팅제를 얻을 수 있다.

상기 질화붕소계 코팅제를 붓이나 스프레이를 이용하여 도포해준다. 질화붕소계 코팅제가 도포된 세라믹 롤러를 상온에서 2일 이상 건조하여 안정적으로 건조가 진행되도록 하고 다시 110도 정도로 승온하여 1시간 이상 유지해준다.

건조가 완전히 진행된 질화붕소계 코팅제가 도포된 세라믹 롤러를 RHK 내에 장입하여 약 600도에서 최소 1시간 이상 열처리하여 질화붕소계 코팅층에서 수분이 완전히 제거됨과 동시에 견고한 코팅층이 형성되도록 한다.

열처리를 완전히 마친 세라믹 롤러를 RHK의 작업 온도까지 승온시켜 정상적인 조업을 진행시킨다. 10wt%의 알루미나 분말을 첨가해준 질화붕소계 코팅제는 다른 내마모재를 전혀 첨가해주지 않은 순수 질화붕소 코팅제에 비하여 세라믹 롤러의 로 내 위치별로 약 1.5 내지 2.5 배 정도의 내마모성을 나타내어 질화붕소 코팅층의 수명을 증가시키는 효과를 보였다.

이상과 같이 본 발명에 따른 코팅제 및 이 코팅제가 도포된 세라믹 롤러를 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅제를 제조하기 위한 순서도이다.

Claims

피처리물 표면을 보호하기 위한 코팅제로서,

질화붕소(BN) 분말; 상기 질화붕소 분말에 첨가되는 세라믹 분말; 및, 상기 질화붕소 분말과 상기 세라믹 분말의 결합력을 증가시키는 결합제를 포함하며,

상기 질화붕소 분말의 입도는 2 내지 20 ㎛이며,

상기 세라믹 분말의 입도는 20 내지 100 ㎛이며, 그 첨가량은 질화붕소 분말 100 중량부에 대하여 2 내지 20 중량부이고,

상기 결합제는 액상 물유리이며, 그 첨가량은 질화붕소 분말 100 중량부에 대하여 0.2 내지 2.0 중량부인 코팅제.
삭제
청구항 1에 있어서,

상기 세라믹 분말은 용융 실리카, 알루미나, 지르코니아, 탄화규소 분말 중 적어도 어느 하나인 코팅제.
삭제
삭제
청구항 1에 있어서,

분산제로써 물을 첨가하며, 그 첨가량은 질화붕소 분말 100 중량부에 대하여 50 내지 100 중량부인 코팅제.
청구항 1, 청구항 3, 또는 청구항 6 중 어느 한 항의 코팅제가 도포된 세라믹 롤러.