KR101350156B1 - 컬러 강재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 버핑처리한 모재를 로 내에 투입하고, 질화처리 후 냉각 온도를 변화시켜 컬러 강재를 제조하는 방법에 관한 것으로, 종전의 컬러 강재 제조방법과는 달리 강재를 로 내에 투입하여 질화처리를 한 후에 강재를 로 외부로 들어내거나 또는 버핑, 레핑, 발렐 등과 같은 공정을 거치지 않고서도 간단한 방법에 다양한 컬러층을 표출하고, 컬러층의 표면에 세라믹 투명도료로 코팅처리하여 내식성이 우수하므로 건축용 자재, 가로등, 가드레일 등과 같은 공작물, 실내외 장식용품 등의 다양한 분야에 적용될 수 있는 것으로 기재된다.

Description

컬러 강재의 제조방법{Method for manufacturing colorsteel materials}

본 발명은 컬러 강재의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 버핑처리한 모재를 로 내에 투입하고, 질화처리 후 냉각 온도를 변화시킴으로써, 간단한 방법에 다양한 컬러층을 표출하고, 컬러층의 표면에 세라믹 투명도료로 코팅처리하여 내식성을 향상시킨 것을 특징으로 하는 컬러 강재의 제조방법에 관한 것이다.

최근 각종 건축자재, 가전제품 등에 소비되는 금속 강재는 그 사용목적에 따라 내식성, 내마모성 등과 같은 물성의 유지와 함께 금속 강재가 사용되는 물품의 미적인 감각을 고려하여 적절한 컬러가 요구되고 있다.

이와 같은 강재에 컬러를 내기 위한 기술로는 국내 등록특허공고 특119721호에 재료강의 표면상에 형성되는 금속 도금층을 가열에 의해 소정 색소를 띄게 되는 산화물을 형성시킨 컬러 스프링 강재와 그리고 국내 등록특허 특160485호에 모재에 합성수지를 전착코팅하고 염료 착색 후 소성 처리하여 도금 수준의 다양한 색상을 표현할 수 있도록 한 금속재료면 컬러 코팅방법 및 국내 공개특허 특1999-37756호에 금속 피도체를 초음파 및 산세 처리 후 동도금하고, 합성수지와 유기분산안료를 이용하여 코팅시켜 안정된 내화학성을 갖도록 한 금속재 표면의 컬러 코팅방법에 관한 특허들이 알려져 있지만 상기와 같은 특허들의 경우에는 금속 강재의 표면에 컬러를 내기 위해서 별도의 도금 공정이나 또는 안료를 착색시킨 합성수지를 코팅하는 공정과 같은 별도의 제조공정을 거쳐야 하므로 제조공정이 복잡하여 불량률의 발생이 높은 문제점들이 발생할 우려가 있었다.

한편 상기와 같은 문제점을 개선하기 위한 방안으로 국내 등록특허 제761903호에 질화처리한 강재를 산화 열처리하여 컬러 산화 피막층을 형성시킨 고내식성 컬러 강재의 제조방법이 알려져 있지만, 상기 특허는 강재의 질화처리한 후에 버핑(buffing)을 실시함으로써, 질화처리에 의해 강재의 표면에 형성된 산화막((FeO₄)에 의해 버핑에 많은 어려움이 있어 강제 버핑을 실시할 경우 질화 피막층이 훼손되어 강재의 내식성이 떨어질 우려가 있으며, 또한 강재의 컬러형성을 위해 강재를 다시 로 내에 투입시키고, 공기,산소, 질소,이산화탄소 등을 투입시킬 때 기체방울이 강재에 붙어 미세한 얼룩이 발생하여 불량이 발생하거나 또는 질화처리한 강재를 다시 예열과정을 거치면서 산화시킴에 따라 강재의 표면에 손가락의 지문이 묻어 강재 표면의 색깔이 변해 상품으로서의 어려운 문제점이 발생할 우려가 있었다.

본 출원인은 상기와 같은 문제점들을 근본적으로 해결하고자, 국내 공개특허 제2009-91383호로, 로 내에 투입시킨 강재에 액화석유가스(LPG)를 공급하여 표면을 산화시켜 컬러층을 형성시키는 컬러 강재의 제조방법에 관한 것을 특허출원한 바 있으나 이 특허의 경우에도 제조공정이 까다로워 상기와 같은 근본적인 문제들을 해결할 수 없었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 방안으로 본 발명은 강재를 버핑처리한 후 로 내에 투입하고, 질화처리 후 냉각 온도를 변화시킴으로써, 간단한 방법에 의해 다양한 컬러층을 표출하고, 컬러층의 표면에 세라믹 투명도료로 코팅처리하여 내식성을 향상시킨 것을 특징으로 하는 컬러 강재의 제조방법을 제공함을 과제로 한다.

따라서, 종래의 컬러 강재 제조방법과는 달리 강재를 로 내에 투입한 다음 질화처리를 한 후에 강재를 로 외부로 들어내지 않고, 로 내의 온도를 냉각시키는 과정에서 냉각 온도의 차이에 따라 강재의 표면에 형성된 질화 피막층에서 다양한 색상의 컬러층을 표출될 수 있도록 한 것이 특징이다.

상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명은 강재를 버핑처리하는 단계;

버핑처리한 강재를 로 내에 투입하여 질화처리하는 단계;

냉각처리하는 단계;

세라믹 투명도료 코팅단계: 및

소성단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 컬러 강재의 제조방법을 과제 해결 수단으로한다.

그리고, 상기 질화처리는 질소(N2) 분위기에서 580~600℃의 온도로 5~20 분간 예열처리한 다음, 암모니아(NH₃)-질소(N₂)-이산화탄소(CO₂)의 혼합가스 분위기에서 580~600℃의 온도로 4~5 시간 동안 질화처리한다.

상기 혼합가스 분위기는 70±2 부피%의 암모니아(NH₃), 10±1 부피%의 질소(N₂), 20±1 부피%의 이산화탄소(CO₂)의 혼합가스 분위기이며,

상기 냉각은 로 내의 온도를 100~300℃까지 냉각시킨 후, 로 내에서 90~120분간 방치하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 냉각은 로 내로 질소를 투입하면서 로 내의 온도를 냉각시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 종전의 컬러 강재 제조방법과는 달리 강재를 로 내에 투입하여 질화처리를 한 후에 강재를 로 외부로 들어내거나 또는 버핑, 레핑, 발렐 등과 같은 공정을 거치지 않고서도 간단한 방법에 다양한 컬러층을 표출할 수 있고, 또한 컬러층의 표면에 세라믹 투명도료로 코팅처리하여 내식성이 우수하므로 건축용 자재, 가로등, 가드레일 등과 같은 공작물, 실내외 장식용품 등의 다양한 분야에 적용될 수 있는 것이 장점이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 컬러 강재의 제조방법을 나타낸 절차도이ㄱ고,
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 화이트 색상의 컬러 강재를 찍은 사진이고,
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 황금 색상의 컬러 강재를 찍은 사진이며,
도 4는 본 발명의 실시예 3에 따른 청색 색상의 컬러 강재를 찍은 사진에 관한 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세한 설명에서 일반적인 강재의 제조분야 종사자들이 용이하게 알 수 있는 구성 및 작용에 대한 언급은 간략히 하거나 생략하였다.

상기한 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 종래의 컬러 강재 제조방법과는 달리 강재를 로 내에 투입하여 질화처리 후에 강재를 로 외부로 들어내거나 또는 버핑, 레핑, 발렐 등과 같은 공정을 거치지 않고, 질소를 투입하면서 로 내의 온도를 냉각시키는 과정에서 냉각 온도의 차이에 따라 강재의 표면에 형성된 질화 피막층에 다양한 색상의 컬러층이 형성되면서 컬러 강재가 제조되어 지므로 간단한 방법에 의해 내식성이 우수한 컬러 강재를 제조할 수 있는 것이 특징이다.

상기 질화처리 단계에서는 본 출원인이 이미 특허 등록받은바 있는 국내 등록특허 제905271호의 내열강 질화처리 방법과 동일한 방법에 의해 질화처리를 실시하며, 구체적인 질화처리 방법에 대해서는 아래에서 상세히 후술되어 질 것이다.

또한 상기 냉각처리단계에서는 질화처리한 강재를 냉각 온도에 따라 강재의 표면에 형성된 질화 피막층의 색상이 청색, 황금색, 화이트 색상의 순으로 컬러가 발현되며, 이 이외에도 다양한 냉각온도의 변화에 따라 다양한 색상의 컬러가 강재의 표면에서 발현되어 진다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 컬러 강재의 제조방법은 도 1에 도시된 바와 같이, 강재를 버핑처리하는 단계(P100);

버핑처리한 강재를 로 내에 투입하고, 질화처리하는 단계(P200);

냉각처리하는 단계(P300);

세라믹 투명도료 코팅단계(P400): 및

소성단계(P500);

를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 버핑처리단계(P100)는 먼저 강재 표면의 불순물을 제거하고 균일한 조도가 형성되도록 하기 위해 통상적인 방법에 의해 버핑(buffing)을 실시하여 강재의 표면을 연마하는 단계이다.

그리고 질화처리 단계(P200)는 로 내의 공간을 질소(N2) 분위기에서 5~20분간 예열처리한 다음, 암모니아(NH₃)-질소(N₂)-이산화탄소(CO₂)의 혼합가스 분위기에서 580~600℃의 온도로 4~5 시간 동안 질화처리하는 것이 바람직하다.

상기 질화처리 방법은 본 출원인이 이미 특허 등록받은바 있는 국내 등록특허 제905271호의 내열강 질화처리 방법과 동일한 방법에 의해 질화처리되어지며, 구체적인 질화처리 방법은 아래의 내용과 같다.

본 발명은 질화처리 단계(P200)에서, 강재를 질소(N₂) 분위기에서 580~600℃의 온도로 5~20 분간에 걸쳐 예열처리하는 것이 바람직하다. 상기에서 강재의 예열 시간이 5분 미만이 되거나 또는 예열온도가 580℃ 미만이 될 경우에는 강재가 충분히 예열되지 아니하여 질화처리 단계에서 질화 피막층이 제대로 형성되지 아니할 우려가 있고, 그리고 강재의 예열 시간이 20분을 초과하거나 또는 예열온도가 600℃를 초과할 경우에는 강재의 과예열로 인해 불균일한 질화 피막층이 형성되어 질화 얼룩이 발생할 우려가 있다.

또한 본 발명은 강재의 표면을 예열한 다음 질화처리를 실시한다. 이때 질화처리 조건은 암모니아(NH3)-질소(N2)-이산화탄소(CO2) 분위기에서 4 m³혼합가스/m³로·hr의 속도로 혼합가스를 로 내에 공급시키면서 580~600℃의 온도로 4~5 시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 질화온도가 580℃ 미만이 되거나 또는 질화처리 시간이 4시간 미만이 될 경우에는 강재의 표면에 질화 피막층의 두께가 충분히 형성되지 아니하여 강재의 표면경도가 저하할 우려가 있고, 질화온도가 600℃를 초과하거나 또는 질화처리 시간이 5 시간을 초과할 경우에는 강재의 표면에 충분한 두께의 질화 피막층이 형성되지만 불균일한 두께의 질화 피막층 형성으로 인해 질화 얼룩이 심하게 발생할 우려가 있다.

상기에서, 로 내에 주입하는 혼합가스의 양이 부족하거나, 질화 처리시간이 짧거나 또는 질화온도가 낮을 경우에는 활성화 질소(NO)가 적게 발생하거나 또는 가스질화 시간이 짧아 충분한 질화 피막층을 형성시킬 수 없어 표면경도의 성능이 향상되지 않을 우려가 있고, 그리고 혼합가스의 양이 과다하거나, 가스 질화 시간이 길거나 또는 온도가 높을 경우에는 강재의 양에 비해 활성화 질소(NO)가 너무 많이 발생되거나 또는 질화 시간이 너무 길어 질화 피막층의 두께가 너무 두껍게 형성되어 강재의 질화표면에 질화 얼룩이 형성될 우려가 있다.

그리고 상기 암모니아(NH₃)-질소(N₂)-이산화탄소(CO₂)의 혼합가스의 혼합비는 각각 70±2 부피%, 10±1 부피%, 20±1 부피%의 비율로 혼합시키는 것이 바람직하다. 상기 혼합비의 조건에서 가장 적절한 두께의 질화 피막층이 형성된다. 상기에서 암모니아(NH₃)의 혼합량이 68 부피% 미만이 될 경우에는 질소(N₂), 이산화탄소(CO₂)의 혼합량에 비해 상대적으로 적어 활성화 질소(NO)가 적게 발생하므로 질화 피막층이 제대로 형성되지 않을 우려가 있고, 그리고 암모니아(NH₃)의 혼합량이 72 부피%를 초과할 경우에는 질소(N₂),이산화탄소(CO₂)의 혼합량에 비해 상대적으로 많아지게 되므로 질화 피막층이 과다한 두께로 형성되어 질화 얼룩이 발생할 우려가 있다.

그리고 로 내부에서 상기 질화처리 단계(P200)를 거친 강재는 냉각 처리 단계(P300)에서 로 내의 온도를 냉각시켜 강재의 표면에 형성된 질화 피막층에서 다양한 색상의 컬러가 발현되도록 한다.

상기 냉각 처리 단계(P300)에서는 로 내의 가열된 공기를 블로어를 통해 외부로 배출시키면서, 동시에 강재의 표면에서 원하는 색상을 나타내고자 하는 냉각 온도까지 로 내에 질소를 투입하면서 로 내의 냉각온도를 조절하면 된다.

냉각 처리 단계(P300)에서 컬러층의 형성조건은 로 내의 온도를 100~300℃까지 냉각시킨 후 90~120분간 방치하면 내의 냉각 온도에 따라 강재 표면에 다양한 컬러층이 형성된다. 로 내의 온도를 100~130℃의 온도까지 냉각시킨 후, 로 내에서 90~120분간 방치하면 화이트 색상의 컬러층이 형성되고, 로 내의 온도를 170~200℃의 온도까지 냉각시킨 후, 로 내에서 90~120분간 방치하면 황금색 색상의 컬러층이 형성되며, 로 내의 온도를 270~300℃의 온도까지 냉각시킨 후, 로 내에서 90~120분간 방치하면 청색 색상의 컬러층이 형성되어 진다.

이와 같이 본 발명은 강재를 질화처리 후 냉각온도에 따라 다양한 색상을 낼 수 있으며, 상기에서 한정한 냉각온도의 범위를 벗어날 경우에도 상기에서 설명한 각 냉각온도의 범위에서 한정된 색상들과 유사한 색상의 다양한 컬러들을 표출할 수 있다.

본 발명에서 컬러층의 두께는 컬러층의 색상 보존을 유지하기 위해 20~50㎛인 것이 바람직하지만 상기에서 한정한 두께에만 반드시 국한되는 것이 아니고, 제조자의 필요나 또는 수요자의 요구에 따라 적절히 조절되어 질 수 있다.

그리고 세라믹 투명도료 코팅단계(P400)에서는 컬러층을 보호하고, 내식성을 향상시키기 위하여 컬러층의 표면을 통상적인 세라믹 투명도료를 사용하여 코팅시키는 단계로서, 일반적인 도장방법인 에어 스프레이(air spray), 정전 도장, 디핑 롤러(deeping, roller) 등을 사용하여 도장하면 된다. 또한 코팅층 건조 도막두께는 5~10 ㎛인 것이 바람직하지만, 상기에서 한정한 두께에만 반드시 국한되는 것이 아니고, 제조자의 필요나 또는 수요자의 요구에 따라 적절히 조절되어 질 수 있다.

상기 소성단계(P500)는 컬러층의 표면을 통상적인 세라믹 투명도료를 코팅한 후, 180~230℃의 온도에서 10~20분간 소성시키는 것이 바람직하며, 소성 조건은 강재(피도물)와 도막 두께에 따라 적절히 조절되어 질 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 컬러 강재의 제조방법에 의해 제조된 컬러 강재들은 냉각온도의 조건에 따라 다양한 색상의 컬러층을 형성시킬 수 있기 때문에, 그 색상이 다양하고 내식성이 우수하여 건축용 자재, 가로등, 가드레일 등과 같은 공작물, 실내외 장식용품 등의 다양한 분야에 적용될 수 있다.

이하 본 발명에 따른 컬러 강재의 제조방법을 하기의 실시예를 통해 구체적으로 설명하면 다음과 같으며, 본 발명은 하기의 실시예에 의해서만 반드시 한정되는 것이 아니다.

(실시예 1)

로 내에 버핑처리한 탄소 강재(SM20C)를 투입한 다음 질소(N₂) 분위기에서 5 분간에 걸쳐 600℃까지 예열처리한 다음 계속하여 로 내에 암모니아(NH3)-질소(N2)-이산화탄소(CO2)의 혼합가스를 4 m³혼합가스/m³로·hr의 속도로 로 내에 공급시키면서 600℃의 온도로 4 시간 동안 질화처리하였다. 그리고 로 내의 더운 공기를 블로어를 통해 외부로 배출시키면서 질소를 로 내에 투입하여 로 내의 온도를 130℃까지 냉각시킨 후, 로 내에서 120분간을 방치시켜 강재의 표면에 컬러층 두께가 20±2㎛인 화이트 색상의 컬러층을 형성시킨 다음 세라믹 투명도료를 에어 스프레이(air spray) 방식에 의해 코팅한 후 180℃의 온도에서 20분간 소성시켜 코팅층의 건조 도막두께가 7±2 ㎛가 되도록 투명 코팅층을 형성시켜 화이트 색상의 컬러 강재를 제조한 하였다.

(실시예 2)

로 내에 버핑처리한 탄소 강재(SM20C)를 투입한 다음 질소(N₂) 분위기에서 20 분간에 걸쳐 580℃까지 예열처리한 다음 계속하여 로 내에 암모니아(NH3)-질소(N2)-이산화탄소(CO2)의 혼합가스를 4 m³혼합가스/m³로·hr의 속도로 로 내에 공급시키면서 580℃의 온도로 5 시간 동안 질화처리하였다. 그리고 로 내의 더운 공기를 블로어를 통해 외부로 배출시키면서 질소를 로 내에 투입하여 로 내의 온도를 200℃까지 냉각시킨 후, 로 내에서 90분간 방치시켜 강재의 표면에 컬러층의 두께가 20±2㎛인 황금색 색상의 컬러층을 형성시킨 다음 세라믹 투명도료를 에어 스프레이(air spray) 방식에 의해 코팅한 후 200℃의 온도에서 15분간 소성시켜 코팅층의 건조 도막두께가 7±2 ㎛가 되도록 투명 코팅층을 형성시켜 황금색 색상의 컬러 강재를 제조한 하였다.

(실시예 3)

실시예 1과 동일한 방법에 의해 버핑처리한 탄소 강재(SM20C)를 질화처리한 다음 로 내의 더운 공기를 블로어를 통해 외부로 배출시키면서 질소를 로 내에 투입하여 로 내의 온도를 270℃까지 냉각시킨 후, 로 내에서 120분간 방치시켜 강재의 표면에 컬러층의 두께가 20±2㎛인 청색 색상의 컬러층을 형성시킨 다음 세라믹 투명도료를 에어 스프레이(air spray) 방식에 의해 코팅한 후 230℃의 온도에서 10분간 소성시켜 코팅층의 건조 도막두께가 7±2 ㎛가 되도록 투명 코팅층을 형성시켜 청색 색상의 컬러 강재를 제조한 하였다.

참고로 본 발명에 첨부된 도면인 도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 화이트 색상의 컬러 강재를 찍은 사진이고, 도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 황금색상의 컬러 강재를 찍은 사진이며, 도 4는 본 발명의 실시예 3에 따른 청색 색상의 컬러 강재를 찍은 사진에 관한 것이다.

그리고 상기 실시예 1 내지 3의 컬러 강재들을 염수분무시험(KSD 9502)을 실시한 결과, 실시예 1 내지 3과 대비되는 일반 강판은 720시간이 초과되면서 피복 강관의 표면에 녹 발생 현상이 발생하였는데 반해, 실시예 1 내지 3의 컬러 강재는 720시간이 초과되어도 컬러 강재의 표면이 양호함을 확인할 수 있었다.

따라서 본 발명은 상기 실시예 1 내지 3에 의해서 확인되는 바와 같이, 강재를 로 내에 투입하고, 질화처리한 후 냉각온도의 변화에 의한 간단한 방법으로 다양한 컬러를 표출할 수 있고, 내식성이 우수한 컬러 강재를 제조함으로써, 그 색상이 다양하고 내식성이 우수하여 건축용 자재, 가로등, 가드레일 등과 같은 공작물, 실내외 장식용품 등의 다양한 분야에 적용될 수 있는 것이 특징이다.

상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 컬러 강재의 제조방법을 상기한 설명 및 도면에 따라 설명하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

10 : 컬러 강재

Claims (5)

1. 강재를 버핑처리하는 단계;
   버핑처리한 강재를 로 내에 투입하여 질소(N2) 분위기에서 580~600℃의 온도로 5~20분간 예열처리한 다음, 70±2 부피%의 암모니아(NH₃) - 10±1 부피%의 질소(N₂) - 20±1 부피%의 이산화탄소(CO₂)의 혼합가스 분위기에서 580~600℃의 온도로 4~5 시간 동안 질화처리하는 단계;
   로 내의 온도를 100~300℃까지 냉각시킨 후, 로 내에서 90~120분간 방치하여 냉각처리하는 단계;
   세라믹 투명도료 코팅단계: 및
   소성단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 컬러 강재의 제조방법.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   상기 냉각은 로 내로 질소를 투입하면서 로 내의 온도를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 컬러 강재의 제조방법.

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