KR20110010311A - 대기 플라즈마를 이용한 용융아연도금강판의 표면처리 방법 및 이를 이용하여 표면처리된 용융아연도금강판 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 철강제조공정 중 강판을 도금욕에 침전하여 용융아연도금강판을 제조한 후 상기 용융아연도금강판의 후처리 공정에 적용할 수 있는 것으로서, 상온, 상압하에서 대기 또는 He, Ar 등의 가스를 방전시켜 대기 플라즈마를 형성하고, 생성된 대기 플라즈마를 상기 용융아연도금강판의 표면에 조사하여 표면 특성을 향상시키거나 또는 변화시킬 수 있는 대기 플라즈마를 이용한 용융아연도금강판의 표면처리 방법 및 이를 이용한 용융아연도금강판에 관한 것이다.
본 발명에 의하여, 플라즈마 표면처리를 인-라인 생산설비에서 수행할 수 있으며, 용융아연도금강판의 용접성을 향상시킬 수 있다. 또한, 기존의 플라즈마 표면처리 기술에 비해 생산성이 높고 처리영역 및 활용 범위가 매우 넓으며, 유지관리비가 저렴하여 경제성이 우수하다.
대기, 상압, 플라즈마, 표면처리, 용융아연도금강판, 도금층
Description
본 발명은 대기 플라즈마를 이용하여 인-라인 생산이 가능하며, 용접성이 우수한 용융아연도금강판의 표면처리 방법 및 이를 이용하여 표면처리된 용융아연도금강판에 관한 것이다.
용융아연도금강판은 Zn의 희생양극으로 인하여 내식성이 우수하여 다양한 곳에서 사용되고 있다. 그러나 용융아연도금강판을 가공할 때, 용접성이 열위한 문제가 발생하고, 이로 인하여 강판의 품질이 열위될 수 있다. 용융도금강판의 용접성과 관련하여 도금층에 포함되는 Al이 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 도금층에 포함된 Al은 대기 중의 산소와 결합하여 산화물을 형성하고 상기 산화물로 인하여 용접성이 불량해진다.
도금층에 포함되는 Al이 강판의 표면에 산화물을 생성함으로써 강판 특성에 영향을 미치는 원인은 다음과 같다.
첫째, 도금층과 소지철의 계면에 생성되는 Al2O3 산화층은 그 두께가 두꺼울수록 소지 기지조직의 Fe가 아연층 쪽으로 확산해 나오는 것을 억제한다. 이로 인하여 용접시 순간적으로 아연층의 용융점이 Fe가 확산된 경우에 비하여 낮은 상태로 지속되어 용접팁과의 합금반응으로 인하여 용접팁이 손상될 수 있으며, 용접타점의 수명도 짧아질 수 있다.
둘째, 도금층 표면에 생성되는 Al2O3 산화층은 전기를 통하지 않는 절연특성을 가지므로 연속적으로 생성될 경우 통전이 원활하게 되지 않아 아연층의 용융점이 낮게 유지될 수 있으며, 또한 용접팁과 아연층 사이에 발생하는 불균일한 합금반응으로 인하여 역시 용접타점의 수명이 짧아질 수 있다.
용융아연도금시 Al 산화물에 의하여 발생할 수 있는 이러한 문제점들을 극복하기 위하여 종래에는 표면의 산화층 제거를 위한 물리 화학적 개질 방법을 통하여 용접성 및 도금특성을 향상시키는 방법이 제시되었다.
상기 물리 화학적 개질 방법은 대상물 표면을 물리적 샌딩(sanding), 화학물 질을 사용한 화학적 반응 또는 프라임 등의 도포를 이용하여 표면구조를 변화시키는 방법이다. 이러한 물리 화학적 개질 방법은 초기 설비비가 저렴하다는 장점은 있으나, 낮은 초기 설비비에 비하여 유지비가 많이 들고 공정이 복잡하며 개질영역과 대상에 제한이 많다는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 극복하기 위하여 플라즈마를 이용하는 기술이 제시되었다. 플라즈마(plasma)는 물질의 제4의 상태를 의미하는 것으로, 공간 내의 분자들이 이온화된 형태로 존재하면서 전체적으로는 중성을 유지하지만, 내부적으로는 양이온과 음이온들이 동수(同數)로 혼재되어 있는 매우 불안정한 상태이다. 특히 플라즈마의 내부는 그 고유한 상태로 인하여 화학적 반응이 매우 활발하게 이루어지고 있는 고에너지 상태로 존재한다.
종래에 이러한 플라즈마를 이용하는 기술은 주로 감압 챔버(chamber) 내에서 방전에 의해 플라즈마를 형성하고, 상기 플라즈마를 대상물 표면의 분자들과 격렬히 반응시켜 표면의 분자구조를 변화시키는 원리를 이용하는 진공 플라즈마 방법이었다. 이러한 진공 플라즈마 개질 방법은 종래의 물리 화학적 개질 방법에 비하여 다양하고 균일한 처리 기능을 구비하고 있었으나, 설비가 복잡하여 인-라인 생산이 불가능하며 설비비 및 유지비가 많이 들고 나아가 생산성도 좋지 않은 단점이 존재하였다.
본 발명은 자동차용 용융아연도금강판(GI)의 플라즈마 표면처리 방법 및 이를 이용하여 표면처리된 용융아연도금강판에 관한 것으로, 용융아연도금강판 제조시 도금욕 침전 이후 강판의 극표층(10nm 이하)에 생성되는 Al2O3 산화층을 제거하고, 극표층에 ZnO층을 형성시켜 용융아연도금강판의 용접성을 향상시킬 수 있는 대기 플라즈마를 이용한 용융아연도금강판의 표면처리 방법 및 이를 이용하여 표면처리된 용융아연도금강판에 관한 것이다.
본 발명은 일구현례로서, 플라즈마 표면처리장치를 이용한 용융아연도금강판의 표면처리 방법에 있어서, 상기 플라즈마 표면처리장치에서 가스를 방전시켜 대기 플라즈마를 형성하는 단계 및 상기 대기 플라즈마를 상기 용융아연도금강판의 표면층에 60초 이상 처리하는 단계를 포함한다.
상기 대기 플라즈마는 100~250℃ 및 대기하에서 형성되는 것이 바람직하다.
상기 가스는 대기, He 및 Ar 중 1종 이상의 기체인 것이 바람직하다.
상기 플라즈마 표면처리장치의 처리속도는 10~150mm/s인 것이 바람직하다.
상기 플라즈마 표면처리장치의 전력(power)은 200~1500W인 것이 바람직하다.
본 발명은 다른 구현례로서, 상기 표면처리 방법을 이용하여 표면처리된 용융아연도금강판에 있어서, 상기 용융아연도금강판은 표면으로부터 ZnO층, ZnO+Al2O3층, Zn층으로 순차적으로 이루어진 도금층을 포함한다.
상기 ZnO층은 상기 도금층의 표면으로부터 10nm 이하 범위에 형성되는 것이 바람직하다.
상기 ZnO층의 하부에서부터 50~100nm 범위 내에 ZnO+Al2O3 층이 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 용융아연도금강판의 도금층 표면의 특성을 향상시켜 용접성을 향상시킬 수 있다. 또한, 플라즈마 표면처리를 인-라인 생산설비에서 수행할 수 있으며, 또한, 처리영역 및 활용 범위가 매우 넓다는 장점이 있다. 더불어, 단시간내에 표면처리가 가능하며, 유지관리비가 기존의 플라즈마 처리 기술에 비해 저렴하여 우수한 경제성을 갖는다.
대기 플라즈마는 상온, 상압하에서 대기중이나 가스내에서 방전에 의하여 형성된 플라즈마로서, 상압 플라즈마 또는 대기압 플라즈마라고도 한다. 상기 대기 플라즈마를 이용한 표면처리장치는 생산설비내에 용이하게 설치할 수 있고, 다양한 종류의 처리가 가능하며, 처리대상이 광범위하다. 또한, 유지 및 관리비가 저렴하고, 폐기물 생성이 없는 환경친화적 방법이라는 장점이 있다. 본 발명은 상술한 대기 플라즈마 장치를 구비한 용융아연도금강판의 표면처리장치를 이용한 용융아연도금강판의 표면처리에 관한 것이다.
용융아연도금강판은 대기와 접촉되면 도금층의 표면에 존재하는 Al과 대기중의 O2가 반응하여 용융아연도금강판 표면의 극표층에 Al2O3의 산화층이 생성된다. 상기 산화층에 의하여 용융아연도금강판의 용접성이 열위될 수 있는데, 본 발명은 대기 플라즈마를 이용하여 상기와 같이 용접성이 열위되는 것을 방지할 수 있다.
대기플라즈마를 이용한 표면처리는 식각, 증착, 그리고 표면활성화 등 다양한 목적으로 사용되며, 사용하는 용도 및 목적에 따라 처리시간 및 power 등의 조건이 달라지게 된다. 그리고, 플라즈마와 도금층 표면의 이물질을 반응시켜 제거하거나, 또는 플라즈마에 의해 활성화된 표면에 물리적인 힘을 가하여 이물질을 제거 또는 분해하는 원리로 작용하게 된다.
또한, 대기 플라즈마 표면처리는 도금층 표면의 반응성을 이용하는 것으로서 가해지는 반응가스와 반응할 수 있는 표면의 성분 및 상기 요소들에 의하여 적절한 반응이 일어나는 최적의 시간을 도출해내는 것이 중요하다.
본 발명에서 상기 반응가스는 대기, He, Ar 가스 또는 이들의 혼합가스가 사용될 수 있다. 100~250℃ 및 대기하에서 대기 플라즈마를 발생시키고 용융아연도금강판을 표면처리하는 것이 바람직하다. 본 발명에 의한 대기 플라즈마 표면처리에 의하면 저온 및 상압 조건에서도 표면처리가 가능하므로 인-라인 처리가 가능하며 조업 온도가 100~250℃ 수준의 낮은 온도에서 실시될 수 있으므로 도금층이 열에 의하여 변형이 일어날 우려가 없어 안정적이다.
표면처리의 속도는 10~150mm/s, 전력은 200~1500W로 제어하는 것이 바람직하다. 표면처리시간은 60초이상이 바람직한데, 도4를 참고하여 보면, 60초 이상이 되는 경우에 바람직한 도금층의 변화를 확인할 수 있다. 다만, 표면처리 시간의 상한은 공정상 표면처리가 완료되는 시점으로 도금층의 성분 등을 고려하여 결정할 수 있다.
이하, 상기 표면처리에 의하여 용융아연도금강판의 도금층의 변화에 대하여 설명한다. 먼저, 상기 대기 플라즈마를 이용하여 Al2O3 산화층을 식각처리하여 제거하고, 나아가 전기적 성질을 가지는 ZnO 산화층을 표층에 고르게 생성시킬 수 있으며, 상기 ZnO층의 하부에 ZnO+Al2O3층을 형성시킬 수 있다. 이때, 상기 ZnO층은 상기 도금층의 표면으로부터 10nm 이하 범위에 형성되는 것이 바람직하고 상기 ZnO층 의 하부에서부터 50~100nm 범위 내에 ZnO+Al2O3 층이 형성되는 것이 바람직하다.
ZnO층은 세라믹임에도 전기를 통하는 특성을 가지므로 도금층 표면에 생성될 경우 용접시 발열에 의한 Zn의 증발을 방지하고, 용접팁 Cu와 Zn의 반응을 억제하여 용접팁의 수명을 향상시킴으로써 연속용접타점수를 상승시키는 효과가 있다. 본 발명에서는 용접성을 열위시키는 Al2O3층 대신에 강판의 표면에 ZnO층을 형성시켜 용접성을 향상시킬 수 있는 것이다.
또한, ZnO+Al2O3층은 도금층 표면의 주성분인 Zn와 도금억제층(Inhibition Layer) 및 도금욕에서 pick-up된 Al이 대기 플라즈마 표면처리에 의해 산소가스와 반응하여 생성되는 생성층이다.
이하, 도면을 참고하여 본 발명을 추가적으로 설명하고자 한다. 도1은 대기 플라즈마를 형성하고 강판의 표면을 개질하는 장치의 개략적인 모식도로서, Ar과 O2를 포함한 가스를 전극(2) 사이에서 방전시켜 플라즈마를 형성한 후 강판(2)의 표면을 개질할 수 있다. 도2는 상기 대기 플라즈마를 발생시킬 수 있는 대기 플라즈마 발생장치의 일실시예를 구비한 용융아연도금강판의 표면처리장치를 개략적으로 나타낸 것으로서, RF전원(5)을 이용하여 유전체(3) 사이에서 가스를 방전시켜 대기 플라즈마(7)를 발생시키고, 이동방향(6)에 따라 상기 대기 플라즈마를 강판에 조사 할 수 있음을 알 수 있다. 도2에서 미설명된 도면부호4는 유전체 또는 도체이다. 더불어 도3은 용융도금장치에 관한 일실시예의 사진이다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
(실시예)
본 실시예에서 사용된 용융아연도금 강판은 Al 농도가 0.1~0.4%인 도금욕에서 도금처리된 것을 사용하였으며, 강판 표면에 생성된 Al2O3 산화층을 Ar 또는 He을 이용하여 발생시킨 플라즈마 내에 주입한 반응가스(O2 단독 or Ar+O2 mixing)와 반응시켜 실험을 수행하였다. 이 때, 표면처리 속도는 140mpm이었으며, 플라즈마 발생의 출력범위는 200~1500W였다. 상기 조건으로 표면처리시간을 달리하여 실험하였고, 그 결과를 하기 표1에 나타내었다. 또한, 강판의 표면의 성분변화를 나타내는 그래프를 도4에 나타내었고, 강판의 표면을 SEM image로 관찰한 결과를 도5에 나타내었다.
| 처리시간 | 표면 변화 |
| 0초 | GI 제조시 표면에 Al2O3 산화층 생성 |
| 20초 | 표면에 Al2O3 산화층이 대기 플라즈마 처리에 의해 일부 제거되며 극표층에는 ZnO가 생성되고, 그 하부층에는 Al2O3와 ZnO가 혼재 되어있는 층 형성 |
| 60초 | 대기 플라즈마 처리에 의하여 극표층에 ZnO 단독 생성되고, 그 하부에 50~100 nm 정도의 ZnO+Al2O3 혼합층이 형성 |
대기 플라즈마 표면처리를 하지 않은 상태(0초)에서는 강판 표면에 Al2O3 산화층이 생성되어 있다. 도4(a) 및 도5(a)를 통하여 이를 확인할 수 있다.
20초간 대기 플라즈마 표면처리를 실시하면 표면이 매끄러운 영역도 식각처리가 되기 시작하여 표면에서 불균일 영역과 매끄러운 영역의 구분이 모호해지기 시작하고, 이는 도5(b)를 통하여 확인할 수 있다. 또한, 극표층에 ZnO이 생성되고 그 하부층에 ZnO 및 Al2O3 혼합층이 생성된 것은 도4(b)를 통하여 확인할 수 있다.
60초간 대기 플라즈마 표면처리를 실시하면 표면 전체에서 식각 처리가 되는 것은 도5(c) 및 (d)를 통하여 확인할 수 있다. 또한, 극표층에 ZnO 단독 생성되고, 그 하부에 50~100nm 정도의 ZnO+Al2O3 혼합층이 형성됨은 도4(c)를 통하여 확인할 수 있다.
도1은 대기 플라즈마를 형성하고 강판 표면에 가하는 단계를 모식적으로 나타낸 개략도;
도2는 대기 플라즈마 표면처리 장치를 인라인으로 구비한 표면처리장치를 나타낸 개략도;
도3은 대기 플라즈마 표면처리 장치를 인라인으로 구비한 표면처리장치를 나타낸 사진;
도4는 대기 플라즈마를 이용하여 표면처리시 처리 시간(0초, 20초, 60초)에 따른 강판 표면의 성분계의 변화를 나타내는 그래프; 및
도5는 대기 플라즈마를 이용하여 표면처리시 처리 시간(0초, 20초, 60초)에 따른 강판 표면의 SEM 사진.
<도면의 주요부호에 대한 설명>
1: 전극(Electrode),
2: 강판,
3: 유전체(Dielectric),
4: 유전체 또는 도체(Dielectric or Conductor),
5: RF 전원,
6: 이동방향,
7: 대기 플라즈마.
Claims (8)
- 플라즈마 표면처리장치를 이용한 용융아연도금강판의 표면처리 방법에 있어서,상기 플라즈마 표면처리장치에서 가스를 방전시켜 대기 플라즈마를 형성하는 단계; 및상기 대기 플라즈마를 상기 용융아연도금강판의 표면층에 60초 이상 처리하는 단계를 포함하는 용융아연도금강판의 표면처리 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 대기 플라즈마는 100~250℃ 및 대기하에서 형성되는 것을 특징으로 하는 용융아연도금강판의 표면처리 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 가스는 대기, He 및 Ar 중 1종 이상의 기체인 것을 특징으로 하는 용융아연도금강판의 표면처리 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 표면처리장치의 처리속도는 10~150mm/s인 것을 특징으로 하는 용융아연도금강판의 표면처리 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 표면처리장치의 전력(power)은 200~1500W인 것을 특징으로 하는 용유아연도금강판의 표면처리 방법.
- 제1항 내지 제5항의 어느 한 항의 표면처리 방법을 이용하여 표면처리된 용융아연도금강판에 있어서, 상기 용융아연도금강판은 표면으로부터 ZnO층, ZnO+Al2O3층, Zn층으로 순차적으로 이루어진 도금층을 포함하는 용융아연도금강판.
- 제6항에 있어서, 상기 ZnO층은 상기 도금층의 표면으로부터 10nm 이하 범위에 형성되는 것을 특징으로 하는 용융아연도금강판.
- 제7항에 있어서, 상기 ZnO층의 하부에서부터 50~100nm 범위 내에 상기 ZnO+Al2O3 층이 형성되는 것을 특징으로 하는 용융아연도금강판.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020160040987A Division KR101631053B1 (ko) | 2016-04-04 | 2016-04-04 | 용접된 용융아연도금강판의 제조방법 및 이를 이용하여 제조되는 용접된 용융아연도금강판 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20110010311A true KR20110010311A (ko) | 2011-02-01 |
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| KR1020090067807A KR20110010311A (ko) | 2009-07-24 | 2009-07-24 | 대기 플라즈마를 이용한 용융아연도금강판의 표면처리 방법 및 이를 이용하여 표면처리된 용융아연도금강판 |
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| KR (1) | KR20110010311A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20230060738A (ko) * | 2021-10-28 | 2023-05-08 | 전북대학교산학협력단 | 아연계 합금도금재의 접착력 향상을 위한 표면처리 방법 |
-
2009
- 2009-07-24 KR KR1020090067807A patent/KR20110010311A/ko active Application Filing
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