KR101596515B1 - 철분말과 탄소나노튜브를 이용한 내마모성이 우수한 강판 표면 처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 철분말과 탄소나노튜브를 이용한 내마모성이 우수한 강판 표면 처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 철분말 및 탄소나노튜브의 혼합제를 강판 표면에 도포하여 표면을 발열시키고, 이 저항열에 의해 철분말의 표면의 일부가 녹아 분말이 서로 소결할 때, 분말 사이에 탄소나노튜브가 위치하게 되고, 이 탄소나노튜브가 결정립의 성장을 억제하여 결과적으로 수십 마이크론의 결정립 크기를 가지는 내마모성층을 얻음으로써 미세한 결정립과 결정입계에 위치한 탄소나노튜브에 의해 내마모 특성이 크게 향상할 수 있다.

철분말, 탄소나노튜브, 표면내마모성

Description

철분말과 탄소나노튜브를 이용한 내마모성이 우수한 강판 표면 처리 방법{Surface coating method of steel sheet with improved high abrasion resistance by using iron powder and carbon nano tube}

본 발명은 철분말과 탄소나노튜브를 이용한 내마모성이 우수한 강판 표면 처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 철분말 및 탄소나노튜브의 혼합제를 강판 표면에 도포하여 표면을 발열시키고, 이 저항열에 의해 철분말의 표면의 일부가 녹아 분말이 서로 소결할 때, 분말 사이에 탄소나노튜브가 위치하게 되고, 이 탄소나노튜브가 결정립의 성장을 억제하여 결과적으로 수십 마이크론의 결정립 크기를 가지는 내마모성층을 얻음으로써 미세한 결정립과 결정입계에 위치한 탄소나노튜브에 의해 내마모 특성이 크게 향상된 표면마모층을 갖는 철분말과 탄소나노튜브를 이용한 내마모성이 우수한 강판 표면 처리 방법에 관한 것이다.

강판의 표면의 부식, 강도 등의 특성을 향상시키기 위해 클래딩, 오버레이 용접 및 도금 등의 기술이 개발되어 널리 적용되고 있다(대한민국 공개특허 제 2003-275882호 및 등록특허 제30190호).

최근 탄소나노튜브라는 물질이 개발되어, 폴리머의 전도도 개선, 금속주조재의 강도향상 및 의료용으로 그 적용분야를 넓혀가고 있는 실정이다. 특히 금속주조재의 강도 특성을 향상시키기 위해 용융금속에 탄소나노튜브를 주입하여, 기술이 개발되어 자동차 휠 등의 부품에 적용되고 있다.

하지만 이들 기술은 용융 금속 내에 탄소나노튜브를 첨가하는 방법이 대부분으로써, 용융금속에 비해 상대적으로 비중이 가벼운 탄소나노튜브를 용융 및 응고된 금속 내에 고르게 첨가 및 분포시켜야 하는 기술적 과제가 해결되지 않고 있다. 즉, 표면 개질을 위해 탄소나노튜브와 금속 분말을 도포하여, 저항 seam 용접기로 가열하여 내마모층을 형성시키고자 할 경우, 일반적으로 용접과 같이 금속 분말이 완전히 용융되는 정도의 열이 공급되면, 용융금속 내에서 비중이 가벼운 탄소나노튜브가 전극에 떠오르게 되거나, 또한 용융금속 내에서 가압력과 전기적인 인력에 의해 특정부위로 뭉치게 되는 문제가 발생할 소지가 있다. 이로 인해 표면내마모층의 마모성을 충분히 향상시킬 수 없게 된다.

본 발명의 목적은 표면내마모층내의 탄소나노튜브를 고르게 분포시키기 위해 완전용융 대신 소결을 이용하여 강판 표면의 내마모성을 향상 시키는 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

기재; 및

상기 기재의 적어도 일면에 형성되고 소결을 통해 철분말 사이에 탄소나노튜브가 위치한 결정립을 포함하는 코팅층을

포함하는 표면 처리 강판을 제공한다.

본 발명은 또한

철분말 및 탄소나노튜브의 혼합제를 강판 표면에 도포하는 단계;

상기 도포된 강판 표면을 저항 seam 용접기로 가압 및 통전하여 상기 혼합제를 소결시키는 단계; 및

상기 소결을 통해 형성된 결정립의 코팅층 형성단계를 포함하는 강판 표면 처리 방법을 제공한다.

본 발명은 강판 위에 도포된 철분말과 탄소나노튜브가 소결을 통해 결정립을 형성함으로써 미세한 결정립과 결정입계에 위치한 탄소나노튜브에 의해 내마모성이 향상된 표면층을 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 구성을 구체적으로 설명한다.

본 발명은

기재; 및

상기 기재의 적어도 일면에 형성되고 소결을 통해 철분말 사이에 탄소나노튜브가 위치한 결정립을 포함하는 코팅층을

포함하는 표면 처리 강판에 관한 것이다.

본 발명의 표면 처리 강판은 철분말 및 탄소나노튜브의 소결에 의해 형성된 결정립이 층을 이루고 있어 미세한 결정립과 결정입계에 위치한 탄소나노튜브에 의해 내마모 특성이 현저히 향상된 것을 특징으로 한다.

보다 구체적으로, 상기 철분말과 탄소나노튜브를 포함하는 혼합제를 저항 seam 용접기를 이용하여 발열시킬 경우, 이 저항열에 의해 철분말의 표면의 일부가 녹게 되고, 분말이 서로 소결하는 과정을 거치게 되며, 철분말이 소결할 때, 분말 사이에 탄소나노튜브가 위치하게 되고, 이 탄소나노튜브가 결정립의 성장을 억제하여 결과적으로 수십 미크론 크기의 결정립이 형성될 수 있다.

상기 기재는 강판인 것이 좋으나, 이에 특별히 제한하는 것은 아니다.

상기 철분말은 50 내지 100 ㎛의 크기를 갖는 것을 사용할 수 있으나, 이에 특별히 제한하는 것은 아니다.

상기 탄소나노튜브는 직경이 5 내지 10 nm의 크기를 갖는 것을 사용할 수 있으나, 이에 특별히 제한하는 것은 아니다.

철분말 및 탄소나노튜브의 소결을 통해 형성되는 결정립은 20 내지 100 ㎛의 평균 크기를 가질 수 있다. 상기 결정립의 평균 크기는 철분말의 크기와 관련이 있는바, 저항 Seam 용접기로 가압 및 통전하는 동안 철분말의 표면 일부가 녹기 때문에 철분말 사이에 탄소나노튜브가 트랩된 결정립의 크기는 철분말의 크기보다 다소 작거나 유사할 수 있다.

상기 결정립을 포함하는 코팅층은 2 내지 5 mm 두께로 형성될 수 있으나, 이에 특별히 제한하는 것은 아니다.

본 발명은 또한

철분말 및 탄소나노튜브의 혼합제를 강판 표면에 도포하는 단계;

상기 도포된 강판 표면을 저항 seam 용접기로 가압 및 통전하여 상기 혼합제를 소결시키는 단계; 및

상기 소결을 통해 형성된 결정립의 코팅층 형성단계를 포함하는 강판 표면 처리 방법에 관한 것이다.

본 발명의 강판 표면 처리 방법을 단계별로 구체적으로 설명하면 다음과 같 다.

제1단계는 철분말 및 탄소나노튜브를 적정분율로 혼합하여 철강재 표면에 도포하는 단계이다.

상기 철분말은 50 내지 100 ㎛ 크기를 갖는 것을 사용할 수 있으나, 이에 특별히 제한하는 것은 아니다.

상기 탄소나노튜브는 직경이 5 내지 10 nm인 것을 사용할 수 있으나, 이에 특별히 제한하는 것은 아니다.

상기 탄소나노튜브는 철분말 100 부피부에 대하여 1 내지 10 부피부로 포함되는 것이 바람직한데, 상기 함량이 1 부피부 미만인 경우에는 강판 표면의 내마모성 개선 효과가 적고, 상기 함량이 10 부피부를 초과할 경우에는 균열분산이 어려워지고, 그 자체가 결함이 될 수 있기 때문이다.

상기 철강재 표면에 도포하는 철분말 및 탄소나노튜브의 혼합제는 5 내지 10 mm 두께로 도포할 수 있으나, 이에 특별히 제한하는 것은 아니다.

본 발명의 강판 표면 처리 방법에 있어서, 제2단계는 상기 도포된 강판 표면을 저항 seam 용접기로 가압 및 통전하여 상기 혼합제를 소결시키는 단계이다.

상기 혼합제를 도포한 강판 표면을 300 내지 500kgf로 가압 및 6 내지 8kA에서 통전하는 조건에서 저항 Seam 용접기를 운전할 경우, 발열이 일어나고 이 저항열에 의해 철분말의 표면의 일부가 녹으며, 입자간 접촉저항을 통해 분말이 서로 소결하는 과정을 거치게 된다.

상기 저항 seam 용접기는 포스코 Mech seam 용접기를 사용할 수 있으나, 이에 특별히 제한하는 것은 아니다.

본 발명의 강판 표면 처리 방법에 있어서, 제3단계는 상기 소결을 통해 형성된 결정립의 표면내마모층을 형성하는 단계이다.

상기 단계에서 저항 Seam 용접기에 의한 저항발열에 의해 철분말의 표면부만 용융하게 되고, 응고 후 철분말 사이에 위치하고 있던 탄소나노튜브가 같이 트랩될 수 있다.

철분말 사이에 트랩된 탄소나노튜브는 이후 결정립 성장을 억제하는 역할을 할 뿐만 아니라 사용 중 발생되는 크랙의 성장 및 전파를 막는 역할을 하여 표면내마모층의 마모특성을 향상시킬 수 있다.

상기로부터 형성될 수 있는 표면내마모층의 두께는 2 내지 5 mm 이나 이에 특별히 제한하는 것은 아니다.

이하, 본 발명에 따르는 실시예 및 본 발명에 따르지 않는 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

<실시예 1> 강판의 표면 처리

약 50~100㎛의 철분말과 2, 5, 7 부피비%의 탄소나노튜브(분말)를 혼합기를 사용하여 24시간 이상 혼합하고, 상기 혼합제를 탄소강에 약 7mm 두께 정도로 도포하고, 저항 seam 용접기를 이용하여 400kgf로 가압하고, 7kA에서 통전하는 조건에서 운전시켜 표면내마모층을 형성시켰다.

물성평가는 모래마모시험으로 내마모 특성을 평가하였으며, 조건은 KS 규격에 의거하여 실시하였다(KS D 8335).

표 1에 나타난 바와 같이, 소결 후 결정립 크기는 철분말의 크기와 거의 유사하였다. 상기 결정립의 크기는 철분말의 크기와 관련이 있는바, 저항 Seam 용접기로 가압 및 통전하는 동안 철분말의 표면 일부가 녹기 때문에 철분말 사이에 탄소나노튜브가 트랩된 결정립의 크기는 철분말의 크기보다 작을 수 있다.

또한, 탄소나노튜브를 첨가함에 따라 내마모성이 향상됨을 알 수 있었다.

도 1은 본 발명에 따른 강판의 표면 처리 공정을 간략하게 도시한 것이다.

도 2는 본 발명의 강판 표면 처리 공정에 따른 탄소나노튜브의 내마모성 향상 메커니즘을 도시한 것이다.

Claims (9)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 철분말 및 탄소나노튜브의 혼합제를 강판 표면에 도포하는 단계;

   상기 도포된 강판 표면을 저항 seam 용접기로 가압 및 통전하여 상기 혼합제를 소결시키는 단계; 및

   상기 소결을 통해 형성된 결정립의 코팅층 형성단계를 포함하는 강판 표면 처리 방법.
6. 제5항에 있어서,

   탄소나노튜브는 철분말 100 부피부에 대하여 1 내지 10 부피부로 포함되는 강판 표면 처리 방법.
7. 제5항에 있어서,

   혼합제는 5 내지 10 mm 두께로 도포하는 강판 표면 처리 방법.
8. 제5항에 있어서,

   소결은 300 내지 500 kgf로 가압 및 6 내지 8 kA에서 통전하는 조건에서 저항 Seam 용접기를 운전하여 실시하는 강판 표면 처리 방법.
9. 제5항에 있어서,

   결정립은 철분말 사이에 탄소나노튜브가 위치한 형태를 갖는 강판 표면 처리 방법.

Images