KR101844575B1 - 골드 컬러 강판 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 개질층의 박리 현상 없이 컬러를 발현시킬 수 있는 골드 컬러 강판과, 고비용의 특수 설비 없이도 통상적인 소둔 공정을 통해 컬러 개질층을 형성할 수 있는 골드 컬러 강판의 제조방법을 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 골드 컬러 강판의 제조방법은 티타늄(Ti)을 0.3 내지 1.5중량% 포함하는 강판을 900 내지 1,200에서 30 내지 300초 동안 질소(N2) 분위기에서 소둔 열처리하여 강판 표면에 TiN 개질층을 형성할 수 있다.

Description

골드 컬러 강판 및 그 제조방법{GOLD COLOR STEEL PLATE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 컬러 강판 및 강판의 표면 개질방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 티타늄(Ti)를 포함하는 스테인리스강의 통상적인 소둔 공정을 통해 TiN 개질층을 형성하여 강판의 표면에 미려한 골드 컬러를 발현시킬 수 있는 골드 컬러 강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
현대사회에서 색상을 이용하여 생활 속에서 다양한 미관을 만들어 내고자 하는 욕구가 높아지고 있으며, 이는 생활용품, 가정 및 사무실 용품 등에 널리 사용되는 스테인리스강 등의 강판 또한 마찬가지이다.
이러한 장식용 코팅을 위해 painting, anodizing, electroplating(ECD), diffusion coating, thermal spraying, enamel coating 등과 같은 여러 방법들이 개발되었으며, 스테인리스강에 대한 컬러 형성방법은 chemical and physical vapor deposition(CVD and PVD)법이 주로 사용되고 있다.
CVD법은 화학적 증기에서의 금속 석출법으로, 도금 실내에서 고온을 유지하고 있는 강판에 금속 화합물의 증기를 운송가스와 함께 보내 표면에서 열분해시켜 금속을 석출시킨다. PVD법은 드라이 플레이팅이라고도 하며, 진공 중에 금속을 기화시켜 강판에 증착시키게 되는데 진공 증착법, 스퍼터링법, 이온 플레이팅법으로 분류될 수 있다. PVD법은 티타늄과 같은 고융점 재료의 도금이 가능하고, 진공 중에서 비금속 원자를 이온화하여 반응시키면 질화 티탄(TiN)과 같은 화합물 피막을 도금할 수 있어 강판의 컬러 발현에 주로 사용되고 있다.
이러한 증착법들은 특수한 진공 및 스퍼터링 장치 없이는 불가능하며 공정상의 고비용이 발생하는 문제점이 있다. 또한, 처리대상 모재와 표면에 증착 된 개질층의 낮은 밀착도에 기인한 박리 현상도 문제점으로 지적되고 있다.
대한민국 공개특허공보 제2011-0104631호 (2011.09.23. 공개)
본 발명은 개질층의 박리 현상 없이 컬러를 발현시킬 수 있는 골드 컬러 강판을 제공하고자 하며, 또한 고비용의 특수 설비 없이도 통상적인 소둔 공정을 통해 컬러 개질층을 형성할 수 있는 골드 컬러 강판의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 골드 컬러 강판은, 모재 및 상기 모재의 최외곽 표층에 마련된 개질층을 포함하는 강판에 있어서, 상기 개질층은 Ti: 30중량% 이상 및 N: 10중량% 이상을 포함하는 TiN 개질층이며, 상기 TiN 개질층 내 합금원소 함량이 하기 식 (1)을 만족한다.
(1) 0.1중량% ≤ C+Si+Al+Mn+Cr+Ni+Nb+Zr ≤ 35.0중량%
여기서, C, Si, Al, Mn, Cr, Ni, Nb, Zr은 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 TiN 개질층 표면의 L*a*b* 표색계의 b* 값이 25 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 모재는 N: 0.003중량% 이하 및 C+N: 0.015중량% 이하를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 TiN 개질층의 두께는 10nm 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 TiN 개질층의 두께는 20 내지 120nm일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 강판은 공식전위가 300mV 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 골드 컬러 강판의 제조방법은, 티타늄(Ti)을 0.3 내지 1.5중량% 포함하는 강판을 질소(N2) 분위기에서 소둔 열처리하여 표면에 TiN 개질층을 형성하며, 상기 TiN 개질층 내 합금 원소가 하기 식 (1)을 만족한다.
(1) 0.1중량% ≤ C+Si+Al+Mn+Cr+Ni+Nb+Zr ≤ 35.0중량%
여기서, C, Si, Al, Mn, Cr, Ni, Nb, Zr은 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 소둔 열처리는 광휘소둔 연속처리일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 소둔 열처리는 900 내지 1,200에서 30 내지 300초 동안 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 강판은 N: 0.003중량% 이하를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 강판은 C+N: 0.015중량% 이하를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 골드 컬러 강판의 제조방법은 고비용의 특수 설비 없이 통상적인 소둔 열처리를 통해 컬러 개질층을 형성할 수 있어 경제적이며, 소재 내부에서 표면으로 농화되는 티타늄(Ti)과 질소(N)의 확산에 의한 반응으로 개질층을 형성하여 박리 현상이 없는 골드 컬러 강판을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 제조된 강판은 L*a*b* 표색계의 b* 값이 25 이상인 미려한 골드 컬러를 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 제조된 강판의 TiN 개질층은 높은 공식전위를 나타내어 우수한 내식성을 가질 수 있다.
도 1은 통상의 강에서의 티타늄 및 질소의 거동을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 티타늄 및 질소의 거동을 나타내는 모식도이다.
도 3은 TiN 개질층의 내식성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 L*a*b* 표색계를 나타내는 COLOR SPACE의 모식도이다.
도 5는 최외각 표층의 TiN 개질층을 FIB-TEM 기법으로 촬영한 사진이다.
도 6은 최외각 표층의 합금 원소 거동을 나타내는 그래프이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
본 발명에 따른 골드 컬러 강판의 제조방법은 종래의 물리적 또는 화학적 증착에 의한 티타늄(Ti) 도포가 아닌, 강 조성에 함유되어 있는 티타늄이 내부에서 표면으로 농화되어 TiN 개질층을 형성함에 특징이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 골드 컬러 강판의 제조방법은 티타늄(Ti)을 0.3 내지 1.5중량% 포함하는 강판을 질소(N2) 분위기에서 소둔 열처리하여 표면에 TiN 개질층을 형성할 수 있다.
본 발명에서는 소둔 열처리를 통해 강에 함유되어 있는 티타늄(Ti)을 표층으로 농화시켜 질화(Nitriding) 처리한다. 표층으로 충분히 농화된 티타늄은 강 중에 확산되는 활성화질소(N)와 결합하여 질화층인 TiN 개질층을 형성하며, 이로 인해 강 표면에 미려한 골드 컬러를 발현시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 골드 컬러 강판의 제조방법은, 강 조성 중 티타늄(Ti)을 0.3 내지 1.5중량% 함유하도록 함으로써 소둔 열처리 동안 표층으로의 농화가 원활하도록 할 수 있다. 티타늄(Ti)의 함량이 0.3중량% 미만인 경우 표층으로의 농화가 원활하지 않아 TiN 개질층 형성이 어려우며, 1.5중량% 초과인 경우 제강성이 저하된다.
도 1은 통상의 강에서의 티타늄 및 질소의 거동을 나타내는 모식도이다. 일반적으로 티타늄(Ti)은 강 중에 함유되어 있는 탄소(C) 및 질소(N)와 높은 반응성을 나타내므로, 소둔 열처리 중에 탄소 또는 질소와 결합하여 TiC 또는 TiN으로 기지에 석출된다. 크롬(Cr)보다 높은 탄화물 형성능을 가지는 티타늄은 TiC를 형성함으로써 크롬 결핍현상을 방지하고, TiN을 형성함으로써 내마모성을 향상시킨다. 그러나, 이처럼 강 중에 함유되어 있는 탄소와 질소는 티타늄의 농화 시 TiC 또는 TiN으로 석출되는 문제가 있으므로, 탄소와 질소의 함량을 제어할 필요가 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 골드 컬러 강판의 제조방법은, 0.3 내지 1.5중량%의 티타늄(Ti)과 함께 0.003중량% 이하의 질소(N)를 포함할 수 있다. 질소(N)의 함량이 0.003중량%를 초과하여 포함될 경우, 소둔 열처리 시 TiN이 석출되어 표층으로 농화되는 티타늄의 함량이 저감되므로 TiN 개질층 형성이 어려울 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 골드 컬러 강판의 제조방법은, 강판의 강 조성 중 탄소(C)와 질소(N) 함량의 합(이하, C+N이라 한다.)이 0.015중량% 이하일 수 있다. C+N의 함량이 0.015중량%를 초과하는 경우 소둔 열처리 시 TiC 및 TiN의 석출이 용이해져 표층으로 농화되는 티타늄(Ti)의 함량이 저감되므로, 티타늄의 농화가 원활하도록 강판의 C+N 함량은 0.015중량% 이하인 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 티타늄 및 질소의 거동을 나타낸 모식도이다. 도 2를 참조하면, 소둔 열처리를 통해 강이 재결정 온도 이상으로 가열됨으로써 티타늄(Ti)이 확산하여 움직일 수 있게 된다. 티타늄은 질소와 친화력이 강하여 강 중으로 확산되는 활성화질소(N)와 표층에서 결합하여 TiN 개질층을 형성할 수 있다. 활성화질소는 강 중으로 지속적으로 확산되므로 친화력이 강한 티타늄 또한 지속적으로 표층으로 농화되어 활성화질소와 결합함으로써 TiN 개질층은 충분한 두께를 형성할 수 있다.
소둔 열처리는 질소(N2) 분위기에서 이루어질 수 있다. 표층으로 농화되는 티타늄(Ti)이 TiN 개질층을 형성하기 위해 질소 원자(N)의 침투는 필수적이므로, 질소 분위기에서 소둔 열처리할 수 있다.
또한, 소둔 열처리는 광휘소둔 연속처리(Bright Annealing Line, BAL)일 수 있다. 광휘소둔은 무산소 분위기에서 수행되는 소둔으로, 산소 분위기에서 수행되는 소둔산세에 비하여 고온산화물이 형성되지 않아 고유의 광택 유지가 가능하며 미려한 표면이 요구되는 건축내장재, 가전제품 등에 주로 사용되고 있다. 질소(N2) 분위기에서 광휘소둔을 실시함으로써 TiO2의 분율을 억제하고 TiN의 분율을 최대화할 수 있다.
상기 소둔 열처리는 질소(N2) 분위기의 로(Furnace)에서 900 내지 1,200℃의 온도범위로 30 내지 300초 동안 수행될 수 있다.
소둔 열처리 온도가 900℃ 미만인 경우 질소 분자(N2)가 강 표면으로 농화된 티타늄(Ti)과 반응할 수 있는 활성화질소(N)로 분해되기 어려우며, 1,200℃를 초과하는 경우 입자 크기(Grain Size)가 조대해질 수 있다. 따라서 소둔 열처리 온도범위는 900 내지 1,200℃가 적절하며, 950 내지 1,150℃가 더욱 바람직하다.
또한, 소둔 열처리 시간이 30초 미만인 경우 TiN 개질층의 충분한 두께를 얻기 어려우며, 300초를 초과할 경우 입자 크기(Grain Size)가 조대해져 절곡 등의 성형성 저하가 나타날 수 있다. 따라서 30 내지 300초 소둔 열처리함이 적절하며, 30 내지 100초가 더욱 바람직하다.
상기 질소(N2) 분위기에서의 소둔 열처리를 통해 강판의 표층에 활성화질소(N)가 침투 및 확산될 수 있다.
한편, 활성화질소(N)의 강 중 원활한 확산을 위해, 활성화질소(N)의 침투 및 확산을 방해하는 미량 원소의 함량을 낮게 제어하는 합금성분 설계가 동반될 수 있다. 활성화질소(N)의 침투 및 확산은 강 중 고용되어 있는 합금 원소들의 질소 친화력이 클수록 용이하다. 따라서, 질소 친화력이 상대적으로 낮은 탄소(C), 붕소(B), 실리콘(Si), 코발트(Co), 구리(Cu), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 망간(Mn) 등의 원소 함량은 낮은 것이 유리하다.
TiN 개질층은 소둔 열처리에 의한 강 중 티타늄(Ti)의 농화와 고온에서 생성되는 활성화질소(N)의 침투 및 확산에 의해 형성될 수 있다. 표층으로 농화된 티타늄은 활성화질소와 반응하여 TiN을 형성하며, 소둔 열처리 온도와 시간을 제어하여 그 두께를 제어할 수 있다. 강 표면에 골드 컬러를 나타내기 위해서는 최소 10nm 이상의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 골드 컬러 발현과 함께 경도 향상 등 안정된 TiN 개질층 형성을 위해서는 20 내지 120nm 두께로 형성하는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 골드 컬러 강판의 제조방법은, TiN 개질층을 강 표면에 형성하여 골드 컬러를 발현시킬 수 있다. 소둔 열처리에 의해 강 표면에 형성된 TiN 개질층은 그 특성상 골드 컬러를 나타낸다. 강 표면에 미려한 골드 컬러를 발현하기 위해서는 TiN 개질층의 티타늄(Ti) 및 질소(N)의 함량이 일정 수준 이상이어야 하며, 티타늄의 함량은 최소 30중량% 이상, 질소의 함량은 최소 10중량% 이상이 바람직하다. 또한, TiN 개질층 내 티타늄(Ti)과 질소(N)를 제외한 합금 원소 함량의 합은 하기 식 (1)을 만족할 수 있다.
(1) 0.1중량% ≤ C+Si+Al+Mn+Cr+Ni+Nb+Zr ≤ 35.0중량%
식 (1)의 하한은 일반적인 저합금 탄소강 또는 IF(Interstitial Free) 강의 합금성분에 따른 것이다. 일반적인 저합금 탄소강은 탄소(C)와 질소(N)를 함유하고 있으며, IF 강 또한 탄소와 질소를 제거하기 위해 티타늄(Ti), 니오비움(Nb), 알루미늄(Al) 등이 사용되므로 TiN 개질층 내 미량의 합금 원소가 포함될 수 있기 때문이다. 반대로, 식 (1)의 상한은 크롬(Cr), 니켈(Ni) 등의 합금 원소를 다량 포함하는 스테인리스강이 해당될 수 있다. TiN 개질층 내 합금 원소 함량의 합이 35.0중량%를 초과하는 경우 티타늄(Ti)과 질소(N)의 함량이 낮아 골드 컬러의 발현이 어려울 수 있다.
TiN 개질층은 질화 피막 특성상 높은 경도를 나타낼 수 있으며, 공식전위가 300mV 이상일 수 있다. 공식이란 스테인리스강, 일루미늄 합금 또는 티탄 등과 같은 부동태화 금속이나 합금의 표면에 구멍이나 웅덩이가 생기는 부식으로, 공식전위는 표면의 공식에 대한 저항값을 나타낸다.
도 3은 TiN 개질층의 내식성을 나타내는 그래프이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 골드 컬러 강판의 제조방법에 의해 제조된 강판은 TiN 개질층으로 인해 황산 부식저항성과 염수 부식저항성이 우수한 STS 304 강종 이상의 공식전위를 가질 수 있다. 즉, 강 표면의 TiN 개질층은 강판에 우수한 내식성을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 골드 컬러 강판의 제조방법에 의해 제조된 강판은 L*a*b* 표색계의 b* 값이 25 이상을 나타낼 수 있다. L*a*b* 표색계는 물체의 색을 표현하는데 있어서 현재 모든 분야에서 가장 대중적으로 사용되는 표색계로써, L*는 명도를 나타내며, a*, b*는 각각 색상과 채도를 나타낸다.
도 4는 L*a*b* 표색계를 나타내는 COLOR SPACE의 모식도를 도시하고 있다. 도 4를 참조하면, +a*는 적색(Red) 방향, -a*는 녹색(Green) 방향, +b*는 황색(Yellow) 방향, -b*는 청색(Blue) 방향을 나타내며, 수치가 커질수록 선명한 색을 나타낸다. 미려한 골드 컬러를 가지기 위해서는 황색을 의미하는 b* 값이 높아야 하며, 이를 위해 TiN 개질층의 티타늄(Ti) 및 질소(N)의 함량은 상술한 바와 같이 각각 최소 30중량% 및 10중량% 이상일 수 있다. 더욱 미려한 골드 컬러를 나타내기 위해 L*a*b* 표색계의 b* 값은 27 이상인 것이 바람직하다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 보다 상세히 설명하기로 한다.
실시예
티타늄(Ti) 1.3중량%를 함유하고 있는 3mm의 냉연 강판을 질소 분위기의 로(Furnace)에서 1100℃로 60초간 광휘소둔 연속처리하였다. 소둔처리 종료 후 강 표면의 색도를 ColorQuest XE (Hunter Lab/U.S.A.) 장비를 이용하여 측정하였다. 또한, 강판의 표면을 #600 연마 가공한 후 상온의 3.5% NaCl 용액을 이용하여 공식전위를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
구분 L*a*b* 표색계
b* 값		 TiN 개질층 두께 (nm) 공식전위 (mV)
실시예 1 28.71 65 400
실시예 2 28.10 65 410
실시예 3 29.24 65 420
실시예 4 34.42 75 700
실시예 5 33.88 70 600
실시예 6 34.66 75 700
비교예 1.77 0 40
표 1을 참조하면, 1100℃의 소둔 온도에서 60초 동안 광휘소둔 열처리를 실시하여 65 내지 75nm 두께의 TiN 개질층을 얻을 수 있었다. 실시예 4의 강판을 FIB-TEM 기법으로 촬영하여 도 5에 나타내었다. 약 75nm의 TiN 개질층이 형성된 것을 알 수 있었다.
도 6은 실시예 1 강판의 표면으로부터 깊이에 따른 합금원소의 거동을 분석한 그래프이며, 도 6을 참조할 때 표면으로부터 약 60nm까지 티타늄 및 질소의 함량이 각각 30중량%와 10중량% 이상이며, 기타 합금 원소의 함량의 합이 0.1 내지 35.0중량% 범위에 해당하여 본 발명의 목적하는 TiN 개질층의 성분을 만족하였다.
본 발명에 따른 광휘소둔 연속처리를 거치지 않은 비교예의 경우 황색(Yellow)을 나타내는 b* 값이 1.77로 골드 컬러가 전혀 표현되지 않았으며, 실시예 1 내지 6의 경우 모두 b* 값이 28 이상을 나타내어 미려한 골드 컬러를 발현시킬 수 있었다.
또한, 실시예 1 내지 6은 모두 공식전위가 400mV 이상을 나타내어 내식성이 우수한 것을 알 수 있었다.
상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (11)

  1. 모재 및 상기 모재의 최외곽 표층에 마련된 개질층을 포함하는 강판에 있어서,
    상기 개질층은 Ti: 30중량% 이상 및 N: 10중량% 이상을 포함하는 TiN 개질층이며,
    상기 TiN 개질층 내 합금원소 함량이 하기 식 (1)을 만족하는 골드 컬러 강판:
    (1) 0.1중량% ≤ C+Si+Al+Mn+Cr+Ni+Nb+Zr ≤ 35.0중량%
    여기서, C, Si, Al, Mn, Cr, Ni, Nb, Zr은 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 TiN 개질층 표면의 L*a*b* 표색계의 b* 값이 25 이상인 골드 컬러 강판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 모재는 N: 0.003중량% 이하 및 C+N: 0.015중량% 이하를 포함하는 골드 컬러 강판.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 TiN 개질층의 두께는 10nm 이상인 골드 컬러 강판.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 TiN 개질층의 두께는 20 내지 120nm인 골드 컬러 강판.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 강판은 공식전위가 300mV 이상인 골드 컬러 강판.
  7. 티타늄(Ti)을 0.3 내지 1.5중량% 포함하는 강판을 질소(N2) 분위기에서 소둔 열처리하여 표면에 TiN 개질층을 형성하며,
    상기 TiN 개질층 내 합금 원소가 하기 식 (1)을 만족하는 골드 컬러 강판의 제조방법:
    (1) 0.1중량% ≤ C+Si+Al+Mn+Cr+Ni+Nb+Zr ≤ 35.0중량%
    여기서, C, Si, Al, Mn, Cr, Ni, Nb, Zr은 각 원소의 함량(중량%)을 의미한다.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 소둔 열처리는 광휘소둔 연속처리인 골드 컬러 강판의 제조방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 소둔 열처리는 900 내지 1,200에서 30 내지 300초 동안 수행하는 골드 컬러 강판의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 강판은 N: 0.003중량% 이하를 포함하는 골드 컬러 강판의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 강판은 C+N: 0.015중량% 이하를 포함하는 골드 컬러 강판의 제조방법.
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