KR101149405B1 - 내식성과 내오염성이 우수한 경량 가드레일 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가드레일을 구성하는 금속소재의 표면에 동시 질화-산화공정에 의해 형성되는 질화층과 질화침탄층 중의 적어도 하나의 층으로 이루어지는 화합물과상기 화합물층 상에 형성되는 내지문 수지코팅층을 포함하여 내식성이 우수하고 먼지, 이물질 등에 의한 오염이 적으며 고강도로 인해 소재두께나 외경축소에 따른 경량화가 가능하여 취급이 용이한 내식성과 내오염성이 우수한 경량 가드레일 및 그의 제조 방법을 제공한다.

질화침탄, 경량 가드레일, 내지문 코팅, 후산화처리

Description

내식성과 내오염성이 우수한 경량 가드레일 및 그의 제조 방법{Light Weight Guard Rails with High Corrosion and High Contamination Resistances and Manufacturing Method Thereof}

본 발명은 내식성과 내오염성이 우수한 경량 가드레일에 관한 것으로, 상세하게는, 가드레일을 구성하는 레일 및 지주를 내식성이 우수하고 먼지, 이물질 등에 의한 오염이 적으며 고강도로 인해 소재두께나 외경축소에 따른 경량화가 가능하여 취급이 용이하고, 자원 절약형이면서 친환경적인 내식성과 내오염성이 우수한 경량 가드레일에 관한 것이다.

일반적으로 가드레일은 주로 교각이나, 고가 도로 및 커브길 등의 도로변에 설치되어 운전 부주의나 교통사고로 인해 차량이 다리 밑이나 도로 바깥의 낭떠러지로 추락하는 것을 방지하기 위한 것이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 일반적인 가드레일 (100) 은 도로변에 설치된 지주(110)와 지주 사이에 결합되는 레일 (120)로 구성된다.

상기 지주 (110)와 레일 (120)은 충돌시 자동차가 도로의 외측 낭떠러지 등으로 떨어지는 것을 방지하기 위하여 강성의 금속재질로 이루어진다. 예를 들면, 종래 레일은 용융아연도금된 4mm 두께의 SS400 상당소재를 절단 후 단면이 W 형태 로 성형하며, 지주는 용융아연도금된 두께 4.5mm의 SPS 400 상당소재의 탄소강관을 사용하여 제작한다.

이와 같이 종래의 가드레일은 높은 강성을 갖도록 설계되어 있기 때문에 가드레일의 손상 및 자동차가 가드레일 외측으로 나가는 것은 방지할 수 있으나, 두께가 두꺼워 고중량으로 취급이 용이하지 않으며 성형시 금형의 마모가 심하거나 대용량의 장치가 필요하여 성형이 용이하지 않다.

또한 부식방지를 위한 용융아연도금 공정 중 사용하는 플럭스 등 화학약품으로 인한 환경오염 문제가 있으며 자원을 많이 사용한다는 문제가 있다.

또한 용융아연도금의 낮은 내식성으로 외관특성이 저하되며, 특히 공해가 심한 도심지에서는 잦은 수리보수를 필요로 한다는 단점이 있다.

또 도시의 먼지, 오염물질, 이물질 등이 잘 부착되고 이들 부착물질에 의해 외관특성이 저하하거나 부식이 촉진되며 이를 수세 등으로 제거하기가 어려운 문제가 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 그 목적은 높은 내식성과 함께 내오염성 및 고강도 특성을 갖는 친환경 경량 가드레일을 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, 레일 및 지주로 구성되는 가드레일에 있어서, 상기 가드레일을 구성하는 금속소재의 표면에 동시 질화-산화공정에 의해 형성되는 질화층과 질화침탄층 중의 적어도 하나의 층으로 이루어지는 화합물층; 및 상기 화합물층 상에 형성되는 내지문 수지코팅층을 포함하는 내식성과 내오염성이 우수한 경량 가드레일이 제공된다.

또한, 본 발명에 의하면, 레일 및 지주로 구성되는 가드레일에 있어서, 상기 가드레일을 구성하는 금속소재의 표면에 질화공정에 의해 형성되는 질화층과 질화침탄층 중의 적어도 하나의 층으로 이루어지는 화합물층; 상기 질화공정에 후속하는 후산화공정에 의해 상기 화합물층 상에 형성되는 산화물층; 및 상기 산화물층 상에 형성되는 내지문 수지코팅층을 포함하는 내식성과 내오염성이 우수한 경량 가드레일이 제공된다.

본 발명에서, 상기 화합물층의 두께는 바람직하기로는 10～30㎛이다.

본 발명에서, 상기 화합물층은 바람직하기로는 Fe₃(C,N)인 단일의 ε-상으로 구성되는 것이다.

본 발명에서, 바람직하기는, 상기 산화물층은 Fe₃O₄ 산화물층이고 그 두께는 0.05～5㎛인 것이다.

본 발명에서는 예를 들면, 열간 압연강판 등 25kgf/㎟ 급 정도의 저급의 소재를 사용하여 레일 및 지주로 구성되는 가드레일을 제조할 수 있다.

동시 질화-산화 공정을 실시하였을 때는 표면가공 공정을 거치며, 질화후 후산화공정을 실시하였을 때는 표면가공 공정을 생략하고 바로 내지문 수지도료를 도포하여 내식성과 내오염성이 우수한 고강도 고급 경량 가드레일이 얻어진다.

상기 동시 질화-산화 공정을 실시하였을 때는 표면가공 공정을 거친후 내지문 수지도료를 도포하기 전에 열적인 방법에 의한 컬러구현 공정을 추가로 실시할 수도 있다.

상기 표면가공 공정은 버핑(buffing), 폴리싱(polishing), 래핑(lapping), 쇼트 블라스트(shot blast), 샌드 블라스트(sand blast) 등의 방법으로 실시한다.

상기 내지문 수지도료 도포에 의한 수지코팅층 형성은 폴리 에스테르계, 폴리 우레탄계, 폴리 에폭시계, 폴리 아크릴계 등의 분체도료를 정전 분체도장후 열경화하거나 또는 액상 도료를 스프레이, 침적 등의 방법으로 도포하여 형성하는데, 상기 내지문 수지코팅층은 바람직하기는 20㎛～70㎛ 두께로 한다.

본 발명에 따르면, 높은 내식성과 함께 내오염성 및 고강도 특성을 갖는 친환경 경량 가드레일을 제공하는 것이 가능하다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

발명에 의한 가드레일은 종래의 레일 및 지주 대비 두께 또는 외경을 줄인 소재를 성형 후, 동시 질화-산화 공정을 실시하였을 때는 표면기계가공 공정을 거친 후 내지문 수지도료를 도포하며, 질화(Nitriding)후 후산화처리(post oxidation)를 실시하였을 때는 표면기계가공 공정을 생략하고 바로 내지문 수지도료를 도포한다.

일반적으로 질화 또는 질화침탄 처리는, 질소와 탄소원자를 강재의 표면에 침투 및 확산시킴으로써 소정의 특성을 얻는 공정으로서 저온처리이므로 침탄 또는 침탄질화 처리에 비해 열처리에 의한 변형이 적고 적용 강종이 다양하고 내식성이 우수하며 고강도 강재를 제조할 수 있는 장점이 있는데, 그 방법으로는 질소 및 탄소의 매체에 따라 가스 질화법, 염욕 질화법, 플라즈마 질화법 등이 있다.

가스 질화법은 가장 일반적으로 적용되는 공정으로 암모니아와 공기 및 탄화수소, 또는 암모니아와 RX 가스, 또는 암모니아와 이산화탄소 및 질소 등을 혼합한 혼합 가스분위기 중의 580℃ 내외의 온도에서 열처리하는 표면개질공정의 하나이다.

염욕 질화법은 청산카리화물, 청산카리염 등의 염을 580℃로 가열한 염욕조에서 용융시킨 후 이 염욕조에 강 부품을 넣고 2시간 정도 질화 또는 질화침탄 처리하는 기술이다.

플라즈마 질화법은 진공챔버 내에 제품을 장입하고 소정의 진공과 온도가 유지되는 상태에서 공정가스를 주입하여 질화 또는 질화침탄 처리하는 열처리법이다.

그런데 각 질화 또는 질화침탄 공정에서 형성된 화합물층 상에 산화물(Fe2O3 및 Fe3O4)를 형성하거나 또는 이 화합물층 내에 산소를 함유하여 내식성을 높이기 위하여 질화후 별도의 후산화 공정을 실시하거나 또는 질화와 산화를 동시에 실시할 수 있다.

이때 공정에 따라 강재의 표면에 산소가 함유되어 두께 10～30㎛의 철과 질소 및 탄소로 구성된 화합물층이 형성되어 내식성을 확보하며 질소가 확산 및 고용되어 깊이 0.5mm 내외의 질소확산층이 형성됨으로써 강도가 증가한다.

따라서 강도가 높아지는 만큼 소재두께 또는 외경을 줄여 경량화를 할 수 있으며 용융아연도금을 대신함으로써 친환경의 경량 가드레일을 제조할 수 있게 된다.

그런데, 높은 내식성을 얻기 위해서는, γ'-상(Fe₄N)보다는 두꺼우면서 단일의 ε-상[Fe₃(C,N)]으로 구성된 화합물층의 형성이 바람직하다.

또한 단시간 내에 질소확산층을 깊게 하여 고강도를 얻기 위한 최적의 질화 또는 질화침탄 처리 공정을 선정할 필요가 있는데, 여기서는 이러한 목적의 질화 또는 질화침탄 공정에 제한을 두지는 않으나, 본 발명자가 선출원한 특허출원 10-2007-0028535 호를 참고할 수 있다.

상기의 질화 또는 질화침탄 처리에 의한 경량화 효과는 강도향상 정도에 따라 달라지나 10～50%의 경량화가 가능하며, 두께 감소에 따라 성형 및 취급이 용이한 이점이 있다.

상기 후산화공정에는 특별한 제한을 두지 않으나, 예를 들면 아래와 같은 공정으로 실시할 수 있다.

가스 질화 또는 가스 질화침탄을 실시하고 공정가스를 질소가스로 퍼징한 후, 동일로에서 후산화공정을 실시하고 레일과 지주를 공냉하거나, 수용성 냉매 또 는 물에 급냉할 수 있다.

다른 방법은, 가스 질화 또는 가스 질화침탄 처리를 하고 질소가스로 퍼징한 후, 레일과 지주를 로에서 꺼내어 공냉하거나, 수용성 냉매 또는 물에 냉각한 다음 별도의 다른 로에서 후산화공정을 실시할 수 있다.

또 다른 방법은, 질화 또는 질화침탄 후 레일과 지주를 로에서 꺼내어 공냉하는 경우도 로를 사용하지 않고 대기 중에서 냉각되면서 산화가 일어나기 때문에 이 경우도 후산화공정의 방법에 포함된다.

이러한 후산화공정에 사용하는 산화성 가스는 후산화공정에 무관하게 산소, 공기, 이산화탄소, 스팀 등 모든 산화성 가스를 단독 또는 혼합하여 이용할 수 있으며, 그 밖에 상기 산화성 가스에 질소가스를 포함할 수 있다.

이러한 후산화공정에 의해 형성되는 산화물층 두께는 최소 0.05㎛ 이상으로 5㎛ 을 넘지 않으며, 바람직하게는 0.5～1㎛ 이 좋으며, 그 조성은 대부분 Fe₃O₄ 상이고 여기에 소량의 Fe₂O₃ 상이 혼합하여 구성될 수 있다.

한편, 상기 가스 질화 또는 가스 질화침탄 처리 또는 후산화 처리를 실시하는 열처리로는 핏트형로, 올케이스로 (sealed quench furnace), 유동상로, 연속로 등을 적용할 수 있지만, 상기 열처리 조건을 만족시킬 수 있으면 다른 로도 사용할 수 있음은 물론이다.

상기 동시 질화-산화공정을 실시하였을 경우에는 내지문 수지도료를 도포하기 전에 버핑(Buffing), 폴리싱(polishing), 래핑(lapping), 쇼트 브라스트(shot blast), 샌드 블라스트(sand blast) 등의 방법으로 표면기계가공 공정을 실시하여 표면의 Fe2O3 및 Fe3O4와 같은 산화물을 제거하여 은백색의 색상을 얻음으로써 제품의 외관을 미려하게 하는 것이 가능하다.

이후 레일 및 지주 표면에 내지문 수지 도료를 도포하는데 내지문 수지도료의 도포는 레일 및 지주 표면에 고광택, 내지문성 및 내오염성을 부여하고 내식성을 향상시키기 위한 것으로, 구체적으로는 폴리 에스테르계, 폴리 우레탄계, 폴리 아크릴계 등의 분체도료를 정전 분체도장 후 가열 건조하거나 또는 액상 도료를 스프레이, 침적 또는 붓 등의 방법으로 도포하여 형성하는데 상기 내지문 수지코팅층은 바람직하기는 20㎛～70㎛ 두께인 것을 특징으로 한다

이러한 내지문 코팅에 의해서 이물질이 잘 부착되지 않거나 부착되더라도 빗물 또는 수세에 의해 제거가 용이하게 되며, 아울러 광택도가 높아져 외관특성과 함께 내식성이 향상된다.

한편 상기 표면기계가공 공정을 실시하였을 경우 은백색의 색상을 얻을 수 있는데 내지문 수지도료 도포전 필요에 따라 열적인 방법에 의한 컬러구현 공정을 추가할 수 있다.

상기 컬러구현은 산화분위기하에서 열적인 방법으로 화합물층 상에 수～수십 ㎚ 두께의 산화물층을 형성하여 이 산화물층과 화합물층 상에서 반사된 빛이 서로 간섭하여 색상을 구현하는 것으로 이 산화물층의 두께에 따라 독특한 컬러가 발현되는 것이다.

(실시예 1)

실시예 1은 질화후 후산화공정을 행하는 예이다. 즉 두께 3.2mm, 길이가 4330mm, 폭이 350mm이며 25kgf/㎟ 급의 열간 압연강판으로 제작한 가드레일용 레일을 580℃로 유지되는 직경 1200mm, 높이 5000mm의 피트형 열처리로에 장입하고, 부피%로, 70% 암모니아, 10% 이산화탄소, 및 20% 질소의 혼합가스를 유량을 43m³/hr로 하여 주입하면서 4.5hr 동안 질화침탄 처리한 후, 550℃로 온도를 낮추면서 20분간 퍼징하고 550℃에서 스팀을 주입하면서 20분간 후산화처리를 수행하였다.

이렇게 하여 얻어진 레일의 인장강도를 측정한 결과 63kgf/㎟로, 질화침탄 처리 전의 인장강도 45kgf/㎟에 비해 약 40%가 향상되어 경량화 효과는 20%이었다.

(실시예 2)

실시예 2는 동시 질화-산화공정을 행하는 예이다. 즉 두께 3.2mm의 25kgf/㎟ 급의 열간 압연강관을 사용하여 제작한 길이 2200mm의 가드레일용 지주를 580℃로 유지되는 직경 1200mm, 높이 5000mm의 피트형 열처리로에 장입하고, 유량을 35m³/hr이며, 부피%로, 50% NH₃ - 30%(4Air-C₃H₈) - 20% N₂ 의 동시 질화-산화 가스 분위기에서 3.5hr 동안 산질화침탄 처리를 행하고, 20분동안 퍼징후 공냉하였다.

이 지주를 직경 0.125mm 의 ZrO₂ 를 사용하여 쇼트 블라스트를 실시한 후 200℃에서 2시간 동안 산화를 실시하여 황금색의 색상을 얻었다. 이후 코팅층 두께가 45㎛이 되도록 폴리 에스테르계 내지문 코팅을 실시하였다.

이를 5% 중성염수 분무시험한 결과 1000시간 이후에도 부식이 발생하지 않았 으나, 종래의 경우와 같이 용융아연 도금을 실시한 지주는 240시간 후 부식이 발생하였다.

이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 첨부된 등록청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능 하다는 것을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물도 본 발명에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

도 1은 일반적인 가드레일의 일례를 도시한 사시도이다.

100 : 가드레일

110 : 지주

120 : 레일

Claims (6)

1. 레일 및 지주로 구성되는 가드레일에 있어서,

   상기 가드레일을 구성하는 금속소재의 표면에 동시 질화-산화공정에 의해 형성되는 산소를 함유하는 화합물층;

   상기 화합물층 아래에 상기 동시 질화-산화공정에 의해 형성되며, 질소가 상기 가드레일을 구성하는 금속소재의 표면 아래로 확산 및 고용되어 형성된 질소확산층;

   상기 화합물층 상에 형성되는 컬러산화물층; 및

   상기 컬러산화물층 상에 형성되는 내지문 수지코팅층;을 포함하며,

   상기 동시 질화-산화공정은 암모니아, 공기, 탄화수소 및 질소의 혼합가스를 주입하는 질화-산화 가스 분위기에서 산질화침탄 처리를 행하고, 퍼징 후 별도의 후산화공정없이 냉각하여 상기 화합물층 및 상기 질소확산층을 형성하는 것을 특징으로 하는 내식성과 내오염성이 우수한 경량 가드레일.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 화합물층의 두께는 10～30㎛이고, 상기 화합물층은 Fe₃(C,N)인 단일의 ε-상으로 구성되고,

   상기 내지문 수지코팅층은 폴리에스테르계, 폴리우레탄계, 또는 폴리아크릴계의 층이고, 그 두께는 20～70㎛인 것을 특징으로 하는 내식성과 내오염성이 우수한 경량 가드레일.
4. 삭제
5. 열처리로에 가드레일을 구성하는 금속소재를 장입하는 단계;

   상기 열처리로에 암모니아, 공기, 탄화수소 및 질소의 혼합가스를 주입하는 질화-산화 가스 분위기에서 상기 금속소재의 표면에 질소확산층 및 산소를 함유하는 화합물층을 형성하는 단계;

   상기 열처리로를 퍼징한 후 상기 금속소재를 냉각하는 단계;

   상기 열처리로에서 상기 화합물층이 형성된 상기 금속소재에 표면기계가공을 수행하는 단계;

   상기 금속소재의 화합물층 상에 열적인 방법으로 컬러산화물층을 형성하는 단계;

   상기 컬러산화물층 상에 내지문 수지도료를 도포하여 내지문 수지코팅층을 형성하는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 내식성과 내오염성이 우수한 경량 가드레일의 제조 방법.
6. 삭제

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