KR20050080719A

KR20050080719A - 강제산화법에 의한 스텐레스 표면 착 발색 처리기술

Info

Publication number: KR20050080719A
Application number: KR1020040017474A
Authority: KR
Inventors: 김병일
Original assignee: 김병일
Priority date: 2004-02-10
Filing date: 2004-02-10
Publication date: 2005-08-17

Abstract

본 발명은 지금까지 주로 무 표면처리 상태의 금속이 갖고 있는 고유한 화학적, 물리적 특성에 맞는 산업용 소재 등에 한정적으로 사용되어 온 금속재를 표면처리하기 위함이다. 이는 산업이 발달하고 생활이 윤택해지면서 금속의 고유한 특성을 갖으면서도 고기능, 고부가가치를 얻을 수 있는 신소재와 더불어 다양한 색조개념을 반영한 칼라금속에 대한 수요가 증가되고 때문이다. 이로서 각종 생활용품이나 장신, 장식, 금속공예품 등에 적용이 가능하다. 이를 위하여 스테인레스강 소재에 표면처리기술을 응용하여 다양한 색상을 착·발색시킨 소재를 개발하게 되었다. 칼라금속의 안정적 생산을 위한 재현성있는 실험데이타를 필요하게되었고, 위의 필요성에 의해서 실험을 실시하게 되었다.

종래의 연구는 영국의 INCO법(UK pat, 275, 781)으로 스테인레스를 산성Cr용액에 침지시켜서 Fe, Ni, Cr의 산화물로 이루어진 1㎛전후의 산화물 층을 형성시키고 이 산화물 층의 두께,높이 차에 의한 빛의 간접작용에 의해서 여러 가지 색이 나타나게 된다. 이와 같이 처리한 스테인레스의 표면에는 무수한 미세 동공들이 형성되므로 이를 Cr도금액에 침지시켜서 음극 처리함으로서 동공 속에 Cr을 석출시켜 메워주고 아울러 산화물 층에 대한 부착력을 증가시켜준다. 이 후에는 Auto INCO법의 발전으로 산화전위차에 따라서 표면의 색이 달라지는 현상을 알게 되었다. 이로서 스테인레스의 표면색을 monitor하고, 변화양상을 조사할 수 있게 되었다. 그러나 앞의 방법들은 산성Cr용액의 농도와 조성이 시험시 마다 변화되기 쉬우므로 제어가 어려웠다. 또한, 스테인레스의 조성과 입자의 크기(grain size)등에 따라서 재현성이 있는 실험이 불가능했다. 즉 재현성 있는 실험 수행을 위한 정확한 실험데이타와 고도의 숙련된 기술이 중요한 변수가 되었다.

앞세대의 착색법의 재현성부족의 문제점 해결과 더불어 다양한 착·발색을 이끌어내기 위해서 실험을 단색 착색법에서 실시하여 그 결과로 얻은 Data를 기초로 다색착발색법으로 진행하였다. [도1] 단색착색법에서는 2가지 처리액인 산화액과 Cr도금액을 사용하였다. [도2] 다색 착색법은 단색착색법의 주 변인이였던 처리시간 이외에도 각 처리액의 처리순서가 덧붙여졌다.

위의 두 착색법을 통하여, 단색 착색법에서는 Cr도금처리에 의해 얻어진 붉은색계열의 시험편을 열처리하여 얻어진 색이 거의 유사한 계열의 색으로 발현 됨 을 알 수 있었다. 좀 더 많은 변인을 준 다색 착색법에서는, 방법(A)에서는 연두색과 황금색을, 방법(B)에서는 붉은색에서 황금색과 보라색으로 시간에 따라 변화함을 알수있었다. 방법(C)에서는 음극처리 후 열처리에 따라 보라색, 청색, 노란색등으로 발현되었다. 방법(D)에서는 다양한 종류의 보라색과 금색계열의 색변화를 관찰할 수 있었다.

금속 모재에 표면 처리를 이용한 기술은 국내, 국외적으로 상당한 연구결과가 있다고 판단된다. 그러나 이러한 연구 결과는 주로 금속 소재의 화학, 물리, 기계적 특성을 향상시키는데 주안점을 두고 있어, 그 이용 범위가 주로 산업용 부품이나 소재등에 한정 되어왔다. 특히, 금속 소재에 다양한 표면 처리 기법을 응용하여 착·발색시킨 금속소재를 각종 생활용품이나 금속공예품 즉, 주방용기를 비롯한 장식 및 장신용품 등에 접목시킨 예는 많지 않았다. 이에 특허, 스테인레스의 착발색방법건은 컬러 금속의 상용화에 기여하리라 생각된다.

Description

강제산화법에 의한 스텐레스 표면 착 발색 처리기술 {Technology of coloring for stainless steel surface by enforced oxidation}

본 발명은 스테인레스재에 산성Cr용액에 침지시켜서 Fe, Ni, Cr의 산화물로 이뤄진 1㎛전후의 산화물층을 형성시키고, 이 산화물층의 두께차에 의한 빛의 간섭작용에 의해서 여러 가지 색이 나타나게 된다. 이와같이 처리한 스테인레스의 표면에는 무수한 미세동공들이 형성되므로 이를 Cr도금액에 침지시켜서 음극처리함으로서 동공속에 Cr을 석출시켜 메꾸어주고 아울러 산화물층에 대한 부착력을 증가하여 발현된 색의 지속성을 줄 수 있다. 또한 Auto INCO법의 발전으로 Potentiostat 이용, 스테인레스의 기준전극(보통Pt를 사용)에 대한 표면 산화전위차를 알고 제어함으로 스테인레스 표면의 색이 달라지고 스테인레스 표면의 색이 변화되는 양상을 조사하여, 각 색에 따른 실험데이터(처리액의 제조, 처리액의 순서, 처리시간)를 얻어 원하는 색의 스테인레스 재를 재현성있게 얻기 위함이다. 이를 통해서 헤어라인, Super mirrer 계열 강판에 다채로운 착·발색을 유도하고 재현성을 두고 생산가능케 하여 각종 생활용품이나 금속공예품 즉, 주방용기를 비롯한 장식 및 장신용품 등에 접목시켜 고부가가치의 소재산업을 육성시킬 수 있다.

본 발명은 금속 모재의 한정적 쓰임을 표면 처리를 통해 고부가가치의 상품으로 탈바굼 시키는 데 주 목적이 있다. 그러나 산성Cr용액의 농도와 조성이 매 사용시 변화되기 쉬워 제어가 어려운점이 있다. 또한 스테인레스 조성 및 grain size등에 따라서 발현색의 정도가 차이나기 때문에 금속모재 선정에도 유의해야 한다. 스테인레스 처리액인 에칭용액, 전해 연마용액 , 활성화용액, Cr도금액의 제조시 각 처리액마다 단계별로 적정량의 용매를 첨가해 처리액 액성의 정확히 제어에 해야 한다. 위의 모든 실험시의 상황을 적절하게 제어하는 방법을 제공하는데 있다.

단색착색법과 다색착색법의 두가지 실험을 통하여 발현 가능한 색을 고안하고, 얻을 수 있는 색의 범위를 넓혔다.

기본적인 실험인 단색착색법에서는 산화액과 Cr도금액을 제조하여 산화처리 및 Cr도금처리와 열처리를 스테인레스재에 시간에 따라 처리해줌으로서 색변이를 알아보았다. [도 1] 스테인레스 재를 침적시간을 달리한 상태로 산화처리, 즉 활성화처리를 하고, 이를 도금시간을 달리줘 Cr도금처리를 뒤이어 시행한후 얻어진 시험편을 공기중에서 약 500℃정도로 열처리를 해주어 착발색을 일으켰다. 위의 공정에서 가장 중요한 요인은 시간이며 이에 따른 결과는 표를 통하여 잘 알 수 있다. 위의 단색착색법을 근간으로 두고 에칭용액과 전해연마용액인 처리액을 늘려서 실험을 시행하였다. [도 2] 처리액의 종류가 늘어남에 따라서 대조군을 4가지로 설정하여 그 시험법에 다양성을 줄 수 있었다. 방법(A)에서는 활성화처리→Masking처리→활성화처리→Masking off→Cr도금처리→열처리, 방법(B)에서는 활성화처리→Masking처리→에칭처리→Masking off→활성화처리→Cr도금처리→열처리, 방법(C)에서는 활성화처리→Masking처리→전해연마→Masking off→활성화처리→Cr도금처리→열처리, 방법(D)에서는 Masking처리→에칭처리→Masking off→활성화처리→Cr도금처리→열처리 순으로 진행했으며, 재료표면의 청정을 위하여 실험단계마다 수세와탈지, 건조의 단계를 거친다. 다색착색법에서는 실험방법을 (A), (B), (C), (D) 의 4가지 방법으로 시험시 얻을 수 있는 색의 종류를 더 넓히고 재현성을 견고히 했다.

-처리액의 제조

에칭용액의 제조

1) 염화제이철 또는 황산제이철 20g을 증류수에 첨가하여 용해

2) 진한 염산, 황산, 질산 등을 적당량 첨가하여 산성용액이 되도록 함

3) 위 용액을 증류수로 1ℓ가 되도록 함.

전해 연마용액의 제조

1) 소량의 증류수에 황산 50g 과 인산 50g을 첨가

2) 유기첨가제와 계면활성제 첨가

3) 위 용액을 증류수로 1ℓ가 되도록 함.

활성화용액의 제조

1) 무수크롬산 (CrO₃) 250g을 소량의 증류수에 용해

2) 여기에 진한 황산 500g을 냉각하면서 서서히 첨가

3) 위의 용액을 증류수로 1ℓ가 되도록 함.

4) 중크롬산칼륨(K₂Cr₂O₇) 5g과 과망간산칼륨(KMnO₄) 5g을 첨가하여 용해

Cr도금액의 제조

1) 무수크롬산 (CrO₃) 250g을 소량의 증류수에 용해

2) 여기에 진한 황산 500g을 냉각하면서 서서히 첨가

3) 위의 용액을 증류수로 1ℓ가 되도록 함.

4) 중크롬산칼륨(K₂Cr₂O₇) 5g과 황산크롬[Cr(SO₄)₃] 5g을 첨가하여 용해

위의 기술적 문제 뿐아니라, 실험을 전체적으로 제어하고 결과에 재현성을 주는 고도의 숙련된 기술이 가장 중요한 문제이다.

단색착색법에서는 산화액 침지시간을 두 단계 2∼3분, 6분으로 시행하여 얻은 엷은갈색과 엷은 청색의 스테인레스를 Cr도금처리를 시간에따라 해준후, 가장 균질하게 표면에 발색된 것(1O분간 Cr도금처리 후(갈색), 15분간 Cr도금처리 후 (엷은 붉은색))을 열처리해주어서 다음의 결과를 얻을 수 있다.

산화액 침지 2∼3분 침지 : 엷은 갈색

- Cr도금처리 시간에 따른 색의 변화

- 10분간 Cr도금처리 후(갈색), 열처리 시간에 따른 색의 변화

산화액 6분 침지 : 엷은 청색

- Cr도금처리 시간에 따른 색의 변화

- 15분간 Cr도금처리 후 (엷은 붉은색), 열처리 시간에 따른 색의 변화

다음으로 다색착색법에서는 여러 처리액단계와 처리단계에 의해서 실험방법을 4가지- 방법(A), 방법(B), 방법(C), 방법(D)로 나누어 실행해 얻은 결과 값이다.

각 방법에서 얻을 수 있는 최종 표면색이 다양하게 나타남을 표를 통하여 알 수 있다.

방법 (A)

- 약 15분간 Cr도금처리: (마스킹처리 → 엷은 연두색, 잔여부분 → 붉은 청색)

- Cr도금처리 후 500℃ 7분 가열처리 : 연두색과 황금색

방법 (B)

- Cr도금처리 시간에 따른 색의 변화

- 15분간 Cr도금처리 후, 약 500℃ 공기중에서 가열처리 시간에 따른 색의 변화

방법 (C)

- 음극처리 시간에 따른 색의 변화

- 열처리 시간에 따른 색의 변화

방법 (D)

- 15분, Cr도금처리에 따른 색의 변화: 마스킹면→보라색, 에칭면→금색

- 열처리 시간에 따른 색의 변화

도 1. 본 발명의 단색착색법 실험공정도

도 2. 본 발명의 다색착색법내에서의 종류별 실험공정도

Claims

헤어라인 스테인레스 계열의 강판의 착·발색
Super mirrer 계열 강판의 착·발색