KR20130075333A - 마그네슘 합금 판재 및 이를 이용한 주방용기 제조방법 - Google Patents

마그네슘 합금 판재 및 이를 이용한 주방용기 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마그네슘 합금 판재 및 이를 이용한 주방용기 제조방법에 관한 것으로, 마그네슘 합금층; 상기 마그네슘 합금층 상부에 형성되는 화성 피막; 및 상기 화성 피막의 상부에 형성되는 코팅층; 을 포함하는 마그네슘 합금 판재 및 마그네슘 합금 판재를 블랭킹 및 성형하여 마그네슘 합금 주방용기를 제조하는 방법에 있어서, 상기 성형된 마그네슘 합금 판재를 블라스팅 처리하는 단계; 상기 처리된 마그네슘 합금 판재를 화성 공정을 거쳐 화성 피막을 형성하는 단계; 상기 화성 피막이 형성된 마그네슘 합금 판재를 가열하는 단계; 및 상기 화성 피막에 마감 코팅하는 단계; 를 포함하는 마그네슘 합금 주방용기 제조방법을 제공하여, 샌드 블라스팅 처리를 한 마그네슘 합금 판재를 화성처리하고 고온 열처리한 다음 마감 코팅을 함으로써, 마그네슘 합금 주방용기의 표면 부식성을 향상시킬 수 있다.

Description

마그네슘 합금 판재 및 이를 이용한 주방용기 제조방법{MAGNESIUM-ALLOYED PLATES AND MANUFACTURING METHOD OF UTENSIL USING THE SAME}
본 발명은 마그네슘 합금 판재 및 이를 이용한 주방용기 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 샌드블라스팅 공정 후에 화성처리하는 마그네슘 합금 주방용기의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 마그네슘 합금 소재가 후라이팬 등의 주방용기로 사용되기 위해서는 소재의 내식성을 확보할 수 있는 표면처리 기술이 필수적이다. 이를 위하여 현재 시판중인 마그네슘 주방용기는 소재와 코팅층 사이에 십수 마이크론 두께의 플라즈마 전해산화(Plasma Electrolytic Oxidation, PEO)층이 형성된 형태로 제조된다. 즉, 마그네슘 주방용기의 생산 공정은 블랭킹-성형-샌드블라스팅-PEO-코팅의 순서로 구성된다.
상기 플라즈마 전해산화는 마그네슘, 알루미늄, 티타늄 등의 경금속의 표면에 사용되는 플라즈마 코팅 기술로 제품 표면의 강도를 강화시켜 외부 요인에 의한 긁힘, 부식 등으로 인한 제품 손상을 막아주고, 균일한 코팅층을 형성해 색상 도료 처리시에 코팅층 사이와의 흡착력을 상승시키는 것을 말한다.
마그네슘 합금 판재를 이용하여 제조되는 주방용기의 표면층은, 마그네슘 상의 PEO 층-코팅층의 2 층으로 단면이 구성된다. PEO 층과 코팅층(테플론 또는 내열코팅)은 내식성을 확보하는 층이며 특히 PEO 층은 다른 소재를 이용한 주방용기의 가공에는 이용되지 않는 피막층이며 마그네슘의 내식성이 취약한 점을 보완하기 위하여 도입되는 층이다.
상기 플라즈마 전해산화(Plasma Electrolytic Oxidation, PEO)은 전기를 인가하여 십수 마이크론의 피막을 형성하는 고가의 공정으로 생산성 및 가격 경쟁력이 떨어지는 단점이 있다.
본 발명의 실시예들은 블라스팅 처리한 마그네슘 합금 판재를 화성처리한 다음 고온 열처리하여 내부식성의 마그네슘 합금 주방용기의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 마그네슘 합금층; 상기 마그네슘 합금층 상부에 형성되는 화성 피막; 및 상기 화성 피막의 상부에 형성되는 코팅층;을 포함하는 마그네슘 합금 판재가 제공될 수 있다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예의 화성 피막은 인산-망간 복합 피막이고, 코팅층은 테플론 또는 세라믹 코팅층인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예에서는 마그네슘 합금 판재를 블랭킹 및 성형하여 마그네슘 합금 주방용기를 제조하는 방법에 있어서, 상기 성형된 마그네슘 합금 판재를 블라스팅 처리하는 단계; 상기 처리된 마그네슘 합금 판재를 화성 공정을 거쳐 화성 피막을 형성하는 단계; 상기 화성 피막이 형성된 마그네슘 합금 판재를 가열하는 단계; 및 상기 화성 피막에 마감 코팅하는 단계; 를 포함하는 마그네슘 합금 주방용기 제조방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예의 화성 공정은 알칼리 탈지, 산세, 탈스머트, 화성처리 공정을 포함할 수 있고, 상기 알칼리 탈지 공정은 수산화나트륨(NaOH): 40~50g/ℓ 및 제3인산소다(Na3PO4ㅇ12H2O): 5~20 g/ ℓ를 이용하여 마그네슘 합금 판재의 표면에 묻은 기름 성분을 제거하는 공정이고, 상기 산세 공정은 질산(HNO3): 10~60 ㎖/ℓ를 이용하여 이형제 및 소재 표면에 석출된 물질을 중화시키는 공정이며, 상기 탈스머트 공정은 수산화칼륨(KOH): 10~30 ㎖/ℓ를 이용하여 상기 산세 공정에 의해 석출된 스머트를 제거하는 공정이며, 상기 화성처리 공정은 과망간산칼륨(KMnO4): 10~30 ㎖/ℓ, 인산일암모늄(NH4H2PO4): 80~120 ㎖/ℓ 를 이용하여 마그네슘 합금 판재의 표면에 화성 피막을 형성하는 공정인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시예의 화성 공정은 상기 화성처리 공정 이후에 증류수 수세 및 건조 공정을 더 포함할 수 있으며, 판재의 가열은 330~370℃에서 수행되며, 상기 코팅은 테플론 또는 세라믹 코팅인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예들은 블라스팅 처리를 한 마그네슘 합금 판재를 화성처리하고 고온 열처리한 다음 마감 코팅을 함으로써, 마그네슘 합금 주방용기의 표면 부식성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마그네슘 합금 주방용기의 전체 공정도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 화성 공정의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 샌드 블라스팅 처리를 한 주방용기의 표면 사진이다.
도 4는 샌드 블라스팅 처리를 하지 않은 주방용기의 표면 사진이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 위주로 설명한다.
이러한 실시예는 본 발명에 따른 일실시예로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현할 수 있으므로, 본 발명의 권리범위는 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다 할 것이다.
본 발명에 따른 실시예는 마그네슘 판재를 이용한 주방용기 생산 공정 중 PEO 공정을 생략하고 이를 화성 공정으로 대체하여 주방용기를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 실시예에서는 성형된 마그네슘 합금 판재를 블라스팅 처리하고, 블라스팅 처리된 마그네슘 합금 판재를 화성 처리하여 화성 피막을 형성한 다음 상기 화성 피막에 코팅층을 형성하는 마그네슘 합금 주방용기 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 실시예의 마그네슘 합금 판재는 AZ31(Mn-Al 3wt%-Zn 1wt%)에 칼슘(Ca)이 0.7wt%가 함유된 난연성의 칼슘재를 사용하였다.
본 발명에 따른 실시예의 마그네슘 합금 주방용기를 제조하기 위하여, 먼저 마그네슘 합금 판재(S10)를 준비하고, 이를 블랭킹(blanking)(S20)한 다음 원하는 모양으로 성형(S30)을 실시한다. 이와 같은 공정을 거친 다음에는 샌드 블라스팅(sand blasting)(S40) 또는 숏 블라스팅(shot blasting) 처리하여 평균 조도가 4~5㎛가 되도록 한다.
이후에는 화성 공정(S50)을 거쳐 화성 피막을 형성하고, 화성 피막이 형성된 마그네슘 합금 판재를 고온에서 열처리(S60)를 실시한다. 이때, 상기 열처리는 330~370℃에서 20분 정도 가열함으로써 수행된다. 상기 열처리에 의하여 고온 가열시 코팅 막이 벗겨지는 것을 방지할 수 있다. 330℃보다 낮은 온도에서는 열처리가 충분히 이루어지지 않고, 370℃보다 높은 온도에서는 화성 피막을 훼손할 수 있기 때문에 가열 온도는 상기 범위로 제한한다.
마지막으로, 열처리된 마그네슘 합금 판재의 표면에 마감 코팅(S70)을 실시하여 주방용기로 사용되는 마그네슘 합금 판재의 표면의 부식성을 향상시킬 수 있도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 화성 공정의 구체적인 공정 순서도인데, 상기의 화성 공정은 알칼리 탈지(S100), 산세(S200), 탈스머트(S300), 화성처리(S400), 증류수 수세(S500) 및 건조(S600) 공정을 포함한다. 상기 알칼리 탈지 공정은 절삭유, 성형유 및 압연유를 제거하고 이형제를 연화하여 제거하기 쉽도록 하는 과정으로 표면에 묻은 잔류 기름 성분을 제거하는 공정이다. 상기 알칼리 탈지 공정에서는 수산화나트륨(NaOH): 40~50g/ℓ 및 제3인산소다(Na3PO4ㅇ12H2O): 5~20 g/ ℓ를 사용한다. 만약, 상기 수산화나트륨 및 제3인산소다의 농도가 각각 40g/ℓ, 5g/ℓ보다 낮다면 표면의 기름 성분이 제대로 제거되지 않을 수 있으며, 상기 수산화 나트륨 및 제3인산소다의 농도가 각각 50g/ℓ, 20g/ℓ보다 높다면 마그네슘 판재 표면을 노랗게 변색시킬 수 있으므로 본 발명에 따른 실시예에서는 상기와 같은 범위로 한정한다.
본 발명에 따른 실시예의 알칼리 탈지 공정은 40~80℃의 온도에서 NaOH: 45g/ℓ(NaOH/물), Na3PO4ㅇ12H2O: 10g/ℓ(Na3PO4ㅇ12H2O /물)에서 10~20분 정도 유지하는 방법으로 이루어진다. 상기 g/ ℓ는 NaOH 및 Na3PO4ㅇ12H2O를 각각 물 1 ℓ당 45g, 10g을 용해시킨 수용액의 농도를 나타내는 단위이다.
본 발명에 따른 실시예에서는 상기 화성처리 공정 전에 블라스팅 처리를 하는데, 이는 SiC를 사용하여 평균조도가 4~5㎛가 되도록 하여 금속 표면에 거칠기를 도입함으로써 코팅 밀착성을 확보하기 위한 공정이다. 즉, 상기 블라스팅은 화성처리 후 세라믹 코팅 후 가열테스트에서 도장이 떨어지는 현상을 방지하기 위한 것으로 표면의 거칠기가 화성 공정 후에도 유지되며 코팅 밀착성을 높이기 위한 공정이다. 본 발명에 따른 실시예에서는 샌드 블라스팅과 숏 블라스팅(shot blasting)에 의해 수행될 수 있다.
또한, 산세(에칭, etching) 공정(S200)은 실온, 질산(HNO3): 10~60 ㎖/ℓ를 이용하여 실온에서 30초 내지 2분 정도로 실시한다. 만약, 에칭 농도가 10 ㎖/ℓ보다 낮거나 에칭 시간이 30초 보다 짧은 경우에는 표면에 잔류하는 산화막을 제거하기가 어려워지며 에칭 농도가 60 ㎖/ℓ보다 높거나 에칭 시간이 2분을 초과하는 경우에는 판재 표면을 과도하게 깎아내어 마그네슘 판재의 표면 특성이 달라질 수 있기 때문에 상기 범위로 한정한다.
본 발명에 따른 실시예의 산세 공정에서는 30㎖/ℓ(HNO3/물) 의 HNO3 에서 1분 30초 정도 유지하여, 이형제 및 소재 표면에 석출된 불균일한 Fe, Ni, Cu 등을 중화시켰다. 상기 산세 공정은 불균일하게 자연적으로 형성된 마그네슘 산화막을 제거하기 위한 것으로, Fe, Ni 및 Cu와 같은 성분들에 의해 갈바닉 부식(galvanic corrosion)이 발생할 수 있으므로 이를 제거한다.
본 발명에 따른 실시예의 탈스머트 공정(S300)은 상기 산세에 의해 석출된 스머트(smut)를 고알칼리로 용해하여 제거하는 공정으로 수산화칼륨(KOH): 10~30 ㎖/ℓ를 이용한다. 만약, 상기 수산화칼륨의 농도가 10 ㎖/ℓ보다 낮으면 산세에 의해 생성된 스머트의 제거가 쉽지 않고, 30 ㎖/ℓ보다 높은 경우에는 마그네슘 판재 표면을 노랗게 변색시킬 수 있다. 본 발명에 따른 실시예에서의 탈스머트 공정은 1%의 KOH 용액 20㎖/ℓ(KOH/물)에서 TEOS(Tetra Ethyl Ortho Silicate) 전처리를 함으로써 시행된다.
또한, 화성처리 공정(S400)은 소재와의 반응에 의해 조밀한 인산-망간 복합 피막을 생성하는 공정으로 과망간산칼륨(KMnO4): 10~30 ㎖/ℓ, 인산일암모늄(NH4H2PO4): 80~120 ㎖/ℓ로 40~80℃, pH 3~4에서 1~10분 정도 실시되는데 소재와의 반응을 통해 인산망간 복합피막을 형성하므로 농도가 작거나 시간이 짧으면 반응이 일어나기 어려우며 농도가 과도하게 높은 경우에는 과반응이 일어나 표면과 인산망간 피막의 밀착성이 나빠지므로 상기 범위로 한정된다.
본 발명에 따른 실시예에서는 40℃, KMnO4 20g/ℓ, NH4H2PO4 100g/ℓ, pH 3.5에서 5분 동안 유지하여 실시하였다.
이때, 상기의 알칼리 탈지와 산세는 수산화나트륨과 질산을 예시로 하여 설명하였으나 이에 한정할 것은 아니고 마그네슘에서 사용되고 있는 다양한 산과 알칼리에서 가능하다. 또한, 본 발명에 따른 실시예에서는 상기 각각의 공정 간에 수세(S110, S210, S310, S410) 공정을 거쳐 다음 공정에 영향을 미치지 않도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 실시예에서는 화성처리된 마그네슘 합금 판재를 증류수로 세척(S500)하여 이물질을 완전히 제거한 다음 건조(S600)하여 상기 인산-망간 복합 피막상에 마감코팅할 수 있도록 한다. 상기 마감코팅은 내면은 세라믹 코팅 또는 테플론으로 할 수 있고, 외면은 세라믹 코팅으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 실시예에 의해 제조되는 마그네슘 합금 판재의 내부식성을 테스트하기 위하여 상기와 같이 샌드 블라스팅 처리 후 화성 공정을 거친 다음 코팅 처리한 마그네슘 합금 판재에 대하여 염수테스트를 하였다. 상기 염수테스트는 80℃, 8%의 NaCl 수용액에서 72시간 동안 침적 후 표면의 변화를 보는 테스트 방법을 적용하였다.
상기 염수테스트는 샌드 블라스팅 처리를 한 경우와 그렇지 않은 경우에 대하여 실시하였는데, 이는 각각 도 1 및 도 2에 도시하였다. 도 1은 샌드 블라스팅 처리를 하지 않고 화성 공정을 도입하여 염수 침적 테스트를 한 후의 테플론 면의 사진이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따라 샌드 블라스팅 후 화성 공정 도입하여 염수 침적 테스트를 한 후의 테플론 면의 사진이다. 상기 도 1 및 도 2에서 알 수 있듯이, 샌드 블라스팅을 한 경우가 샌드 블라스팅 처리를 하지 않은 경우보다 표면이 부드러운 것을 알 수 있었다.
따라서, 본 발명에 따른 실시예에 의하면, 비교적 저가의 화성 공정으로 마그네슘의 내식성을 확보하여 주방용기를 제조할 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

Claims (12)

  1. 마그네슘 합금층;
    상기 마그네슘 합금층 상부에 형성되는 화성 피막; 및
    상기 화성 피막의 상부에 형성되는 코팅층;
    을 포함하는 마그네슘 합금 판재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 화성 피막은 인산-망간 복합 피막인 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 판재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 코팅층은 테플론 또는 세라믹 코팅층인 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 판재.
  4. 마그네슘 합금 판재를 블랭킹 및 성형하여 마그네슘 합금 주방용기를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 성형된 마그네슘 합금 판재를 블라스팅 처리하는 단계;
    상기 처리된 마그네슘 합금 판재를 화성 공정을 거쳐 화성 피막을 형성하는 단계;
    상기 화성 피막이 형성된 마그네슘 합금 판재를 가열하는 단계; 및
    상기 화성 피막에 마감 코팅하는 단계;
    를 포함하는 마그네슘 합금 주방용기 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 화성 공정은 알칼리 탈지, 산세, 탈스머트, 화성처리 공정을 포함하는 마그네슘 합금 주방용기 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 알칼리 탈지 공정은 수산화나트륨(NaOH): 40~50g/ℓ 및 제3인산소다(Na3PO4ㅇ12H2O): 5~20 g/ ℓ를 이용하여 마그네슘 합금 판재의 표면에 묻은 기름 성분을 제거하는 공정인 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 주방용기 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 산세 공정은 질산(HNO3): 10~60 ㎖/ℓ를 이용하여 이형제 및 소재 표면에 석출된 물질을 중화시키는 공정인 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 주방용기 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 탈스머트 공정은 수산화칼륨(KOH): 10~30 ㎖/ℓ를 이용하여 상기 산세 공정에 의해 석출된 스머트를 제거하는 공정인 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 주방용기 제조방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 화성처리 공정은 과망간산칼륨(KMnO4): 10~30 ㎖/ℓ, 인산일암모늄(NH4H2PO4): 80~120 ㎖/ℓ 를 이용하여 마그네슘 합금 판재의 표면에 화성 피막을 형성하는 공정인 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 주방용기 제조방법.
  10. 제5항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 화성 공정은 상기 화성처리 공정 이후에 증류수 수세 및 건조 공정을 더 포함하는 마그네슘 합금 주방용기 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 판재의 가열은 330~370℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 주방용기 제조방법.
  12. 제4항에 있어서,
    상기 코팅은 테플론 또는 세라믹 코팅인 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 주방용기 제조방법.
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