KR20020047425A - 표면특성이 우수한 전기아연도금강판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수직형 연속도금라인에서 황화물 도금액에 첨가제를 사용하지 않고 도금액의 성분 및 불순물들의 함량을 조절하여 도금층의 미세구조를 제어함으로써 표면 품질이 우수하며 경도가 높은 전기아연도금 강판을 제공하는데 그 목적이 있다. 이러한 목적을 달성하기 위해서는 수직형 연속도금라인에서 황화물 도금욕의 조건으로는 아연농도를 60∼180g/l, pH를 1∼2.5, 도금액의 온도를 50∼65℃, 초기전류밀도를 60A/d㎡ 이상이 되도록 인가시켜 줌으로써 도금층의 결정구조를 효과적으로 제어할 수 있어 결정립이 미세한 도금층을 얻음으로써 우수한 표면외관특성을 갖는 전기아연도금강판에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

표면특성이 우수한 전기아연도금강판 {Zinc electroplated steel sheet having a good surface appearance and quality}

본 발명은 수직형 연속도금라인에서 황화물 도금욕 중 첨가제를 사용하지 않고 도금액의 성분, 도금조건, 불순물의 성분들을 제어함으로써 표면품질이 우수하며 경도가 높은 전기아연도금강판에 관한 것이다. 보다 상세하게는 도금층의 구조를 제어함으로써 백색도 및 광택도가 우수하고 경도가 높은 도금층을 얻을 수 있는 전기아연도금강판에 관한 것을 그 요지로 한다.

표면처리강판들에서 가장 중요하게 요구되는 특성으로는 표면외관을 들 수 있다. 즉 내식성 및 기타 물성이 아무리 우수하다 하더라도 우수한 표면외관 특성을 갖지 못하면 제품으로서의 가치가 떨어지게 된다.

전기아연도금강판은 표면이 미려하고 연속라인에서 대량 생산이 가능하며 아연의 희생방식 효과에 의해 소지철을 보호하여 부식을 억제시켜 주기 때문에 가전제품, 건자재, 자동차 등의 소재로서 널리 사용되고 있다. 특히 크로메이트 처리, 인산염 처리, 기능성 수지 처리가 가능하여 다양한 제품으로 많은 분야에 적용되고 있다.

일반적으로 전기아연도금 제품들은 고전류밀도에 의한 높은 생산성과 도금액 제조와 조성이 비교적 단순해야 하는 이유로 염산욕과 황산욕을 많이 사용하고 있다. 기존의 전기아연도금 공정들은 대부분이 염산욕에서 가용성 양극을 사용하는 수평형 연속전기도금라인에서 생산되고 있으며 백색도가 낮아 판이 어두운 단점이 있다. 따라서 전기아연도금강판의 표면 외관 특성을 향상시키기 위해 기타 첨가제가 많이 사용된다.

황화물 도금액은 염산욕 대비 전기전도도가 낮아 도금시 과전압이 많이 걸리므로 고속도금에 필요한 고전류밀도 작업이 가능하기 위해서는 염산욕 대비 극간 거리를 짧게 해 주어야 한다. 극간 거리 감소를 위해서는 먼저 불용성 양극을 사용하여 양극의 용해가 일어나지 않도록 해야하며, 기존의 수평형 전기도금설비의 경우 롤 사이에서 강판 하중에 의한 처짐 현상으로 일정한 극간거리를 유지하는 것이 힘들다. 따라서 강판의 하중에 의한 처짐 현상에 의해 고가의 IrO₂가 코팅된 불용성의 양극이 손상 받을 위험이 크다. 그러나 수직형 전기도금라인에서는 이러한 강판의 하중에 의한 처짐 현상이 없기 때문에 극간 거리를 매우 짧게 관리할 수 있는 장점이 있다.

전기아연도금강판이 가지는 미려한 표면외관상 가장 큰 특징은 용융아연도금강판에 비하여 백색도 및 광택도가 매우 우수하다는 점이다. 백색도 및 광택도는 아연 도금층의 결정구조에 많은 영향을 받는다.

일반적으로 염산욕을 사용하는 전기도금의 경우 가용성 양극을 쓰기 때문에 첨가제를 사용하여 이러한 도금층의 특성을 바꾸어 줄 수 있다. 그러나 황산욕을 사용할 경우에는 불용성 양극을 사용하기 때문에 첨가제를 사용하면 고가의 불용성 양극과 반응하여 양극을 손상시킬 수 있어 첨가제의 사용이 매우 제한되어 있다. 따라서 광택도 및 백색도가 우수한 전기아연도금강판을 제조하기 위해서는 최적의 도금작업 조건 설정이 매우 중요하다.

또한 전기아연 도금층의 경도가 매우 연하기 때문에 수요가로부터 도금층의 경도 향상에 대한 요구에 대응하기 위해서는 도금층의 구조를 제어하여 경도를 향상시킬 필요성이 대두되고 있다. 첨가제를 사용하지 않고 표면외관 및 도금층의 경도향상을 위해서는 도금층의 결정 구조 및 형상을 제어해야 한다.

따라서, 상술한 특성 향상을 위해서 본 발명에서는 불용성 양극을 사용하는수직형 연속전기도금 장치에서 도금액 조성 및 온도, pH, 초기인가전류밀도 및 각 도금셀 별 인가전류밀도 등 표면 물성에 큰 영향을 미치는 도금작업조건들을 제어하여 최적의 조건들을 제시하므로써 표면외관 품질이 우수한 전기아연도금강판을 제공하고자 하였다.

제 1 도는 도 1은 도금액 온도에 따른 아연 도금층의 백색도와 광택도의 변화도

제 2 도는 도금액 pH에 따른 아연 도금층의 백색도와 광택도의 변화도

제 3 도는 도금액 중 아연 농도가 95∼120 g/l, 유속이 1.5m/sec, 도금액 온도가 55℃, pH가 1.7일 때 부착량 20g/㎡가 되도록 전기도금을 한 후 도금층의 표면외관을 관찰하여 그 결과를 나타낸 그래프

제 4 도는 본 발명 연속전기도금라인상의 수직도금셀 개략도

제 5 도는 본 발명으로 제조된 전기도금강판의 아연도금층 우선배향성 측정방법 예시도

본 발명은 상기 발명의 목적을 달성하기 위해서 수직형 연속도금라인에서 황화물 도금욕을 사용하여 전기아연도금을 행하는 데 있어, 기본적인 조건으로는 아연농도를 90∼180g/l, pH를 1∼2.5, 도금액의 온도를 48∼65℃, 초기전류밀도를 60A/d㎡ 이상이 되도록 인가시켜 주어 도금층의 결정구조를 효과적으로 제어하므로써 결정립이 미세한 도금층을 얻음으로써 우수한 표면외관특성을 갖는 전기아연도금강판을 제공하고저 한 것이다.

초기 도금셀에 인가되는 전류밀도의 크기는 60A/d㎡ 이상 가해져야 한다. 표 1을 보면, 전반부와 후반부에 인가되는 전류밀도변화에 따라 표면외관특성(백색도, 광택도) 등이 달라지고, 도금층의 경도가 바뀌는 것을 볼 수 있다. 그러나 도금셀 전단부에 걸리는 전류밀도는 클수록 좋다. 다만, 현재 설비상 인가가능한 최대전류밀도는 약 100A/d㎡ 정도가 상한으로 되어 있다.

도 1은 도금액 온도에 따른 아연 도금층의 백색도와 광택도의 변화도이다. 여기에서, 도금액 중 아연 농도는 95∼120 g/l이었으며, 유속은 1.5m/sec, 전류밀도는 40 A/d㎡로 부착량 20g/㎡가 되도록 전기도금을 하였다.

여기에서 도금액의 온도가 대략 50℃이상이 되어야만 백색도가 85이상 광택도가 40이상 확보되는 것을 알 수 있다. 다수의 시험을 통해 측정해 본 결과 최소한 48℃ 이상이 되어야 하고 48℃ 이하에서는 백색도와 광택도가 85이하와 40 이하로 저하되었다. 도 1에서도 고백색도 및 고광택도를 얻기 위해서는 도금액 온도가 대략 50℃ 이상 되어야 하는 것으로 나타나 있다. 도금액온도 40℃ 이하에서는 도금 과전압이 증가하여 도금 후 가장자리에 검게 탄현상(edge burnig)이 관찰되어 도금 물성에 나쁜 영향을 주며 도금효율을 감소시켜 전력원단위를 상승시키기 때문에 전혀 바람직하지 않아 도 1에서는 이를 제외시켰다.

도금액 온도가 감소함에 따라 소재에 대하여 일정한 방위관계를 갖는 아연 결정면들이 감소하고 아연 도금층의 결정립이 미세해지며 기저면이 발달하는 경향을 보였다. 다수의 시험결과 65℃ 이상에서는 더 이상의 백색도 및 광택도 증가가 없고, 또한 온도가 높아짐에 따라 고가의 IrO₂가 코팅된 불용성 양극의 열화가 빨라 수명을 단축시킬 수 있기 때문에 그 이상의 온도는 바람직하지 않다.

도 2는 도금액 pH에 따른 아연 도금층의 백색도와 광택도의 변화도이다. 도금액의 pH가 1이하이거나 2.5를 초과할 때 백색도는 85 이하로 감소되었으며 광택도는 pH 2.5를 초과하는 값에서 35 미만의 값을 보였다. 도금액 pH가 증가함에 따라 아연도금 결정립들은 미세해지는 경향을 보였으며 소재에 대하여 일정한 방위관계를 갖는 아연 결정면들이 감소하였다. 전체적으로 볼 때 백색도는 도금액 pH에 큰 영향을 받지 않으나 광택도는 pH에 큰 영향을 받는 아연도금층의 결정립들이 pH증가에 따라 미세해져서 광택도가 대폭 감소함을 알게 되었다.

한편, pH가 1 미만일 경우에는 수직형 연속전기도금라인에서 전기아연도금강판에 표면 줄무늬가 발생하여 제품의 품질 관리가 어렵다. 따라서 도금액 온도와 pH는 50℃이상, 65℃ 이하, pH는 1∼2.5가 되어야만 85 이상의 고백색도와 35 이상의 고광택도를 갖는 전기아연도금강판을 제조할 수 있음을 알 수 있다.

도 3은 도금액 중 아연 농도가 95∼120 g/l, 유속이 1.5m/sec, 도금액 온도가 55℃, pH가 1.7일 때 부착량 20g/㎡가 되도록 전기도금을 한 후 도금층의 표면외관을 관찰하여 그 결과를 나타낸 것이다. 전류밀도의 변화에 대해서 백색도는 큰 차이가 없었으며 전체적으로 85 이상의 높은 백색도를 보였다.

아연 도금층의 경도는 결정립이 감소함에 따라 증가하기 때문에, 이상의 결과들을 바탕으로 85 이상의 높은 백색도와 35 이상의 우수한 광택성을 가지며 도금층의 경도가 우수한 강판을 개발하기 위해서는 위의 변수들에 대하여 적절한 조합이 맞아야 한다.

아연도금층은 초기에 형성될 때 소재에 대하여 일정한 방향성을 갖고 육방정 조직이 형성되어 성장하게 된다. 이러한 아연 도금층 구조는 표면외관 특성은 좋으나 도금층이 약하다는 단점을 갖는다.

도금 부착량이 증가함에 따라 이러한 도금층의 결정성은 사라지며 도금 강판에 대하여 수직 방향의 미세한 결정들이 임의의 방향으로 성장하게 된다. 따라서 미세한 아연 결정 구조를 갖는 도금층을 얻기 위해서는 도금층의 두께 증가가 수반되어야 한다. 그러나 상업적으로 일정량의 부착량을 도금해주기 때문에 초기부터 미세한 아연 도금층을 얻어야만 한다.

도금액의 온도나 pH는 쉽게 도금셀들에서 제어할 수가 없다. 따라서 초기에형성되는 도금층의 결정구조를 제어하기 위해서는 각 전해셀들의 전류밀도를 바꾸어 주어야 한다. 또한 도 4와 같은 구조로 강판이 내려가고 올라오며 도금이 될 수 있도록 되어 있다. 이 중 앞쪽 4개의 도금셀을 도금 전반부로 하고 뒤의 6개를 도금 후반부로 하여 아래와 같은 실시예를 통해 우수한 표면외관 및 높은 경도를 갖는 전기아연도금강판을 얻을 수 있었다.

이하 실시예를 들어 보다 구체적으로 설명한다.

실시예

두께 0.6∼0.8mm의 일반 저탄소 냉연강판을 사용하여 명세서 첨부도면 도 4에서 개략도시한 연속전기도금라인상의 수직도금셀에서 전기도금을 행하였다. 냉연강판은 연속소둔라인을 거쳐 도유된 상태로 연속전기도금라인에 투입되기 때문에 초기에 알칼리 탈지를 행하며 표면에 존재하는 산화물을 제거하기 위하여 5∼8%의 염산용액에서 산세를 행하고 블러슁 공정을 거쳐 전기도금라인에 투입되었다.

도금액 온도 : 52℃

피막부착량 : 20g/㎡

양극과 음극 간격 : 10mm

pH : 2.0

첨가제 : Na₂SO₄30g/l

첨가제는 통상 사용하지 않으나 여기에서는, 초기의 도금셀에 70A/d㎡의 높은 전류밀도를 인가시키고 그 후에도 도금과전압이 높아졌으므로 이에 따라 발생되는 도금강판의 상승으로 특히 고무로울재질의 열화를 방지하기 위해 도금액에 과전압이 걸리지 않도록 전기전도보조제로 황산나트륨을 첨가하였다.

도금시험 후 전기도금강판의 외관 특성 평가를 위해 백색도와 광택도를 측정하여 평가하였다.

광택도는 광택도계(Tri-Microgloss-60-85)를 이용하여 입사각 60°에서 측정하였고, 백색도는 색차계(Color Quest Ⅱ Hunter Lab.)를 사용하여 각각 측정하였다.

또한 소재에 대하여 일정한 방향성을 갖는 아연 결정면들의 양을 SEM과 화상분석기(Image analyser)를 사용하여 도 5와 같은 방법에 의하여 측정하였다. 아연 도금층의 우선 결정학적 배향성은 아래와 같은 식에 의해 구하였다.

A1, A2 .... : 소재에 대하여 일정한 방향을 갖고 성장한 결정면들의 면적

B : 관찰된 면적

상기의 실시예로부터 평가된 주요결과와 효과에 대하여 설명하면 다음과 같다.

표 1. 인가전류밀도에 따른 표면외관 특성 및 도금층의 경도 결과

상기 표 1에서 나타난 바와 같이 도금셀의 전반부와 후반부의 전류밀도값을 달리함으로써 아연 도금층의 결정학적 배향성 및 광택도, 도금층 경도값이 크게 변화되었다. 초기 전반부의 전류밀도를 40A/d㎡로 인가하고 후반부의 전류밀도를 변화시켰을 때 도금층의 백색도는 큰 차이가 없었고 전체적으로 높은 값을 보였다. 그러나 후반부의 전류밀도가 증가함에 따라 도금층의 결정학적 배향성이 감소하며 경도값이 증가하는 경향을 보였으나 크지는 않았다.

도금전단부의 전류밀도를 변화시켰을 때 인가 전류밀도가 증가함에 따라 광택도는 감소하며 도금층의 경도가 증가하였다. 발명예의 경우 비교예에 비하여 통상 약 3 배 정도 경도값이 증가하였다. 따라서 도금셀 전단부에 초기인가전류밀도를 60A/d㎡ 이상으로 인가해줌으로써 85 이상의 높은 백색도와 35 이상의 고광택을 가지며 기존의 도금층 경도에 비하여 약 3 배 정도 높일 수 있는 효과를 얻을 수 있었다.

상술한 바와 같이 본 발명에서는 수직형 연속전기도금 라인에서 황화물 도금욕 중 도금첨가제를 사용하지 않고도 도금액의 온도와 pH, 각 셀 별로 인가전류밀도를 변화시킴으로써 우수한 표면외관특성을 갖고 경도값이 약 3 배 정도의 우수한 전기아연도금강판을 얻을 수 있었다.

상술한 바와 같이 본 발명에서는 수직형 연속전기도금라인에서 황화물 도금욕 중 도금 첨가제를 사용하지 않고도 도금액의 온도와 pH, 각 셀 별 인가전류밀도를 변화시켜 줌으로써 백색도와 광택도가 매우 높은 우수한 표면외관과 도금층의 경도가 통상 약 3 배 향상된 전기아연도금강판을 생산할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하여 추가 비용 없이 최적 작업조건을 제공함으로써 우수한 품질을 갖는 전기아연도금강판을 생산할 수 있어 제품 경쟁력을 더욱 향상시킬 수 있게 되었다.

Claims (2)

1. 황화물을 사용하는 수직형 연속전기도금라인에서 도금액 온도 50∼65℃, pH 1∼2.5사이에서 초기 도금셀에 60A/d㎡ 이상의 전류밀도를 인가하는 것을 특징으로 하는 우수한 표면외관 및 높은 경도를 가진 전기아연도금강판.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 연속전기도금라인에서의 도금액에서의 인가전류밀도가 증가될 때에는 도금액에 과전압이 걸리지 않도록 황산나트륨 등의 전기전도보조제를 첨가하는 것을 특징으로 하는 우수한 표면외관 및 높은 경도를 가진 전기아연도금강판.