KR101786346B1

KR101786346B1 - 클래드강 코팅 방법 및 코팅액

Info

Publication number: KR101786346B1
Application number: KR1020160061891A
Authority: KR
Inventors: 유창열
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2016-05-20
Filing date: 2016-05-20
Publication date: 2017-10-17
Also published as: US10273590B2; CN107400905A; DE102016119190B4; US20190203372A1; US20170335480A1; CN107400905B; US10538851B2; DE102016119190A1

Abstract

본 발명에 의한 클래드강 코팅 방법은, 알루미늄 판재의 양면에 스테인리스 판재를 결합시킨 클래드강을 코팅하는 방법으로서, 클래드강을 준비하는 단계, 아크릴 수지에 에폭시 레진 및 TiO₂ 분말이 첨가된 코팅액을 준비하는 단계, 상기 클래드강과 상기 코팅액의 접착성을 향상시킬 수 있도록 상기 클래드강을 에칭하는 단계, 상기 클래드강을 가열하는 단계 및 상기 클래드강을 상기 코팅액 속에 침지시켜 전착시키는 단계를 포함한다.

Description

클래드강 코팅 방법 및 코팅액{COATING METHOD FOR CLAD METAL AND COATION SOLUTION}

본 발명은 클래드강 코팅 방법 및 코팅액에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스테인리스강과 알루미늄으로 구성된 클래드강을 코팅하는 클래드강 코팅 방법 및 코팅액에 관한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 자동차 도어 스텝은 종래에 주로 스테인리스강(1) 재질로 제조되었고, 여기에 나노 세라믹 코팅재(2)를 롤코팅하여 부식을 방지하고자 하였다.

종래의 나노 세라믹 코팅은 내스크래치성에 있어서는 어느 정도 효과가 있었지만, 부식 환경에서의 내구성이 충분하지 못한 문제가 있었다.

한편, 최근 자동차의 경량화 추세에 따라, 자동차 도어 스텝을 스테인리스강-알루미늄 클래드 재질로 변경하려는 시도가 있었다.

이를 더 구체적으로 살펴보면, 도 2에 도시된 바와 같이, 모재(11)인 알루미늄을 중앙에 두고, 그 양면에 클래드재(12)인 스테인리스강을 배치한 3단 구조의 클래드강(10)을 제조하여, 알루미늄 모재(11)를 통해 경량화를 구현하면서, 양면에 배치된 스테인리스강 클래드재(12)를 통해 내식성, 가공성 등의 향상을 도모할 수 있다.

그러나, 클래드강에 종래에 사용되었던 롤코팅을 적용하면 클래드 접합부의 이종 재질 계면이 코팅되지 않고 그대로 노출되는 문제가 발생하였다.

이렇게 이종 재질 접합부가 외부에 노출될 경우, 갈바닉 부식 등이 발생하여 강성 및 수명을 저하시킬 수 있다.

따라서, 클래드강의 내식성 및 내스크래치성을 향상시킬 수 있는 코팅재 및 코팅 방법과, 코팅재와 클래드강간의 접합력을 향상시킬 수 있는 방법이 요구되고 있는 실정이다.

대한민국 공개특허공보 10-2015-0065548 (2015.06.15.)

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 알루미늄과 스테인리스강으로 구성된 클래드강에 적합한 클래드강 코팅 방법 및 코팅액을 제공하는 데 있다.

위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 클래드강 코팅 방법은, 알루미늄 판재의 양면에 스테인리스 판재를 결합시킨 클래드강을 코팅하는 방법으로서, 클래드강을 준비하는 단계, 아크릴 수지에 에폭시 레진 및 TiO₂ 분말이 첨가된 코팅액을 준비하는 단계, 상기 클래드강과 상기 코팅액의 접착성을 향상시킬 수 있도록 상기 클래드강을 에칭하는 단계, 상기 클래드강을 가열하는 단계 및 상기 클래드강을 상기 코팅액 속에 침지시켜 전착시키는 단계를 포함한다.

상기 코팅액을 준비하는 단계는, 중량%로, 아크릴 수지: 40~50%, TiO₂: 10~15%, 에폭시 레진(Epoxy Resin): 10~15%, 멜라민(Melamine) 경화제: 10~20%, 방향족 용제(Aromatic Solvent): 5~10%, 시클로헥사논(Cyclohexanone): 10~15%을 포함하는 코팅액을 준비하는 것을 특징으로 한다.

상기 클래드강을 준비하는 단계와 상기 에칭하는 단계 사이에, 상기 클래드강을 탈지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 탈지하는 단계는, 상기 클래드강을 25~35g/l의 Na₃PO₄ 수용액에서 30초~3분간 음극 탈지시키되, 전류밀도 1~4A/dm, 전압 4~6V 조건에서 탈지시키는 것을 특징으로 한다.

상기 에칭하는 단계는, 상기 클래드강을 100~200g/l의 NH₄OH와 50~200g/l의 KHP 가 포함된 수용액에서 3~5분간 침지시켜 에칭하되, 에칭시 온도가 20~30℃인 것을 특징으로 한다.

상기 가열하는 단계는, 상기 클래드강을 100~200℃에서 2~3분간 가열하는 것을 특징으로 한다.

상기 전착시키는 단계는, 상기 클래드강을 상기 코팅액에 침지시킨 후, 40~50℃에서 10~20V 전압을 1~5분간 가해 상기 코팅액을 상기 클래드강에 전착시키는 것을 특징으로 한다.

상기 전착시키는 단계 이후에, 80~100℃에서 10~20분간 건조시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 의한 코팅액은, 중량%로, 아크릴 수지: 40~50%, TiO2: 10~15%, 에폭시 레진(Epoxy Resin): 10~15%, 멜라민(Melamine) 경화제: 10~20%, 방향족 용제(Aromatic Solvent): 5~10%, 시클로헥사논(Cyclohexanone): 10~15%을 포함한다.

본 발명에 의한 클래드강 코팅 방법 및 코팅액에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 내구성이 높은 아크릴 수지를 기반으로 하는 코팅액을 사용하여 내스크래치성이 향상될 수 있다.

둘째, 클래드강의 이종 재질 계면의 노출을 방지하여 내부식성이 향상될 수 있다.

셋째, 에폭시 레진으로 TiO₂ 분말을 고르게 분산시켜 코팅액을 투명하게 유지시킬 수 있다.

넷째, 약알칼리 에칭을 통해 코팅액이 스테인리스강-알루미늄에 부착되는 접합력을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래의 나노 세라믹 코팅된 스테인리스강을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전착 코팅된 클래드강을 나타낸 도면,
도 3은 에폭시 레진의 함량별 점성 편차를 측정한 그래프,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전착 코팅된 클래드강의 제조 과정을 나타낸 순서도이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 클래드강 코팅 방법 및 코팅액에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 클래드강 코팅 방법은, 알루미늄 판재의 양면에 스테인리스 판재를 결합시킨 클래드강에 내식성을 부여하기 위한 코팅층을 형성시키기 위한 방법이다.

이를 자세히 살펴보면, 클래드강을 준비하는 단계, 아크릴 수지에 에폭시 레진 및 TiO₂ 분말이 첨가된 코팅액을 준비하는 단계, 클래드강과 코팅액의 접착성을 향상시킬 수 있도록 클래드강을 에칭하는 단계, 클래드강을 가열하는 단계 및 클래드강을 코팅액 속에 침지시켜 전착시키는 단계를 통해 코팅 작업을 수행할 수 있다.

여기에 더해서, 클래드강을 준비하는 단계와 에칭하는 단계 사이에 클래드강을 탈지하는 단계를 더 포함할 수 있고, 전착시키는 단계 이후에 80~100℃에서 10~20분간 건조시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

클래드강을 준비하는 단계는, 알루미늄 모재의 양면에 스테인리스 클래드재를 부착시켜 클래드강을 준비하는 단계로서, 예를 들어, A3003의 알루미늄 합금을 모재로 하고, SUS 304 스테인리스강을 클래드강으로 할 수 있다.

이를 통해, SUS 304 스테인리스강만을 사용할 때에 비해 보다 경량화된 부품을 제조하는 것이 가능해지는 것이다.

그러나, 이렇게 이종 재질을 결합시킨 클래드재는 접합 계면이 측면에 노출되어 있으므로 부식에 비교적 취약하고, 일반적인 롤코팅 공법으로 코팅할 경우 클래드재만 코팅되고 중앙의 모재의 노출된 면은 코팅되지 않는 문제가 생길 수 있다.

따라서, 클래드강의 전면을 코팅할 수 있는 침지 전착 방식의 코팅을 수행할 필요가 있다. 이에 대해서는 더 자세히 후술하도록 한다.

한편, 코팅액을 준비하는 단계는, 중량%로, 아크릴 수지: 40~50%, TiO₂: 10~15%, 에폭시 레진(Epoxy Resin): 10~15%, 멜라민(Melamine) 경화제: 10~20%, 방향족 용제(Aromatic Solvent): 5~10%, 시클로헥사논(Cyclohexanone): 10~15%을 포함하는 코팅액을 준비하게 된다.

아크릴 수지는 코팅액의 핵심 기지 역할을 하는 성분으로서, 아크릴 수지의 함량이 부족하면 다른 성분들의 분산성이 악화되어 코팅 경도가 저하되고, 함량이 지나치게 많을 경우 에폭시 레진과 TiO₂에 의해 발현되는 내부식성 및 경도 향상 효과가 저하되므로, 아크릴 수지의 함량은 40~50%로 한정하는 것이 바람직하다.

시클로헥사논과 방향족 용제는 다른 성분들이 잘 혼합되는 것을 도와주는 용제로서, 이들 성분을 하한 미만의 함량으로 첨가할 경우 용제로서의 역할을 수행할 수 없다. 반면 이들 성분을 상한 초과의 함량으로 첨가할 경우, 코팅액의 점도가 저하되고 일종의 물방울 맺힘 현상을 일으켜 코팅 품질을 저하시키게 된다. 따라서, 시클로헥사논은 10~15%, 방향족 용제는 5~10%만큼의 함량을 각각 첨가하는 것이 바람직하다.

멜라민 경화제는 각 성분 사이의 가교 역할을 한다. 멜라민의 첨가량이 부족하면 경화 및 가교 정도가 불충분해지고, 첨가량이 과도하면 코팅 전체가 취성을 나타내게 된다. 따라서, 멜라민의 함량은 10~20%로 제한하는 것이 바람직하다.

TiO₂는 내스크래치성을 확보하기 위하여 첨가하는 물질로서, 그 첨가량이 부족하면 목표 경도를 달성할 수 없고, 첨가량이 과도하면 코팅을 지나치게 경하게 만들어 부착성 및 성형성을 저하시킨다. 따라서, TiO₂의 함량은 10~15%로 제한하는 것이 바람직하다.

에폭시 레진은 TiO₂의 분산을 위해 첨가되는 물질로서, 첨가량이 부족할 경우 TiO₂의 분산성이 저하되어 고른 품질의 코팅이 불가능하고, 첨가량이 과도할 경우 부착성 및 성형성이 저하된다. 따라서, 에폭시 레진의 함량은 10~15%로 제한하는 것이 바람직하다.

여기에 더해서, 코팅액에는 컬러 발색을 위한 염료와 작업성 개선을 위한 각종 첨가제가 총량 1~5% 더 포함될 수 있다.

TiO₂의 함량에 따라 변화되는 코팅 경도가 표 1에 나타나 있다.

TIO₂ 함량 (%)	연필 경도 등급
5 이하	B
5~10	HB
10~15	2H
15~20	2H
20~25	4H

즉, 본 발명의 범위인 10~15%일 때 연필 경도 등급 2H로서, 충분한 경도를 나타내는 것을 알 수 있다.

종래에는 아크릴 수지에 SiC 등을 첨가하여 내스크래치성을 향상시켰는데, TiO₂를 첨가할 경우 TiO₂가 응집되어 코팅액을 불투명하게 만드는 단점이 있었다. 본 발명에서는 아크릴 수지에 에폭시 레진을 첨가하여, TiO₂의 분산도를 향상시킴으로써 투명한 코팅액을 유지시킬 수 있다.

도 3에 에폭시 레진의 첨가량에 따른 점도 시험 결과가 도시되어 있다. DIN4 점도 측정법으로 컵에 가득 담긴 코팅액이 100% 빠져 나가는 시간을 여러 번 측정하여, 측정되는 시간의 편차가 5초 이내일 때 TiO₂가 잘 분산되었다고 판단할 수 있다.

도 3(a) 내지 도3(d)는 TiO₂ 함량을 10%로 고정하고, 에폭시 레진의 함량을 조절하여 점도를 측정한 것이다. 도 3(a)는 에폭시 0%, 도 3(b)는 에폭시 5%, 도 3(c)는 에폭시 10%, 도 3(d)는 에폭시 15%를 첨가하였다.

이때, TiO₂ 및 에폭시 레진의 함량을 제외한 나머지 성분은, 아크릴 수지: 45%, 멜라민(Melamine) 경화제: 15%, 방향족 용제(Aromatic Solvent): 7%, 시클로헥사논(Cyclohexanone): 12%을 기준으로 하여, 에폭시 레진의 함량의 변화에 따라 아크릴 수지 및 멜라민 경화제의 양을 변화시켜 제조하였다.

도 3(a)는 에폭시를 전혀 첨가하지 않은 것으로서, 점도 측정시 시간 편차가 최대 20초로서 분산도가 매우 낮은 것을 알 수 있다.

도 3(b)에 나타난 바와 같이, 에폭시 함량이 증가함에 따라 분산도가 향상되어 시간 편차가 감소하는 것을 알 수 있는데, 여전히 점도 측정시 시간 편차가 5초를 초과하여 분산도가 좋지 않은 것을 알 수 있다.

도 3(c) 및 도 3(d)는 본 발명의 실시예로서, 에폭시 함량이 본 발명의 한정 범위를 만족함에 따라 분산도가 향상되어, 점도 측정시 시간 편차가 5초 이내를 나타내는 것을 알 수 있다.

이와 같이, 아크릴 수지와 TiO₂에 의해 높은 경도와 내스크래치성을 나타낼 수 있으면서도, 에폭시 레진의 첨가를 통해 TiO₂의 분산성을 향상시켜 투명한 코팅액을 제공할 수 있는 것이다.

탈지하는 단계는, 클래드강을 25~35g/l의 Na₃PO₄ 수용액에서 30초~3분간 음극 탈지시키되, 전류밀도 1~4A/dm, 전압 4~6V 조건에서 탈지시키는 것이 바람직하다.

이러한 전해 탈지는 일반적인 알칼리 탈지에 비해 탈지 시간을 단축시킬 수 있고, 미세한 유분까지 탈지시킬 수 있는 장점이 있다.

탈지 시간, 전류밀도, 전압이 본 발명의 한정 범위 미만일 경우 탈지가 불충분할 수 있고, 본 발명의 한정 범위를 초과할 경우 탈지를 넘어서 클래드강의 부식을 불러올 수도 있다.

에칭하는 단계는, 클래드강을 100~200g/l의 NH₄OH와 50~200g/l의 KHP 가 포함된 수용액에서 3~5분간 침지시켜 에칭하되, 에칭시 온도가 20~30℃인 것이 바람직하다.

이 단계에서 사용되는 에칭액은 약알칼리(PH 8~9)성을 나타내는 것으로서, 알루미늄과 스테인리스강을 동시에 에칭할 수 있는 성질을 가지고 있다.

통상적으로 알루미늄에는 알칼리를, 스테인리스강에는 산성 에칭액을 사용하였는데, 알루미늄과 스테인리스강으로 구성된 클래드강을 한번에 에칭할 수 있도록 약알칼리성의 에칭액을 사용하는 것이다.

스테인리스강은 산성 환경에서 에칭이 잘 되지만 알칼리 환경에서도 에칭이 이루어지고, 알루미늄은 알칼리에서만 에칭이 되기 때문에, 두 소재를 동시에 에칭할 수 있도록 알칼리 환경에서 에칭 작업을 수행할 필요가 있다.

산성 환경에서 에칭할 경우, pH가 약산성, 강산성이지 여부에 무관하게 알루미늄의 에칭은 거의 이루어지지 않고, 스테인리스강만 에칭되게 된다.

또한 알칼리 환경이더라도, 강알칼리 환경에서 에칭을 수행하면 스테인리스강에 비해 알루미늄이 과도하게 에칭되는 문제가 발생하게 된다.

따라서, 스테인리스강-알루미늄 클래드 재질을 동시에 에칭하기 위해서는 약알칼리성의 에칭액을 사용해야만 하는 것이다.

만약 산성 환경에서 에칭하여 스테인리스강만 에칭된다면, 스테인리스강과 코팅액 사이의 부착성이 저하되어 스테인리스강과 코팅층 사이에 수분 및 기타 이물질이 침투하게 되어, 적녹이 발생하는 등 내식성을 악화시키게 된다.

가열하는 단계는, 고주파 가열을 이용하여 클래드강을 100~200℃에서 2~3분간 가열하는 것이 바람직하다.

이러한 가열을 통해 이후 코팅 공정에서 코팅액과 클래드강 사이의 부착성을 향상시킬 수 있다.

전착시키는 단계는, 클래드강을 코팅액에 침지시킨 후, 40~50℃에서 10~20V 전압을 1~5분간 가해 코팅액을 클래드강에 전착시키는 것이 바람직하다.

종래의 롤코팅에 비해, 침지 전착 방식의 코팅법을 사용할 경우 클래드강의 모든 면에 고른 코팅층을 형성시킬 수 있는 장점이 있다. 클래드강은 특히 이종 재질의 접합부가 노출되어 있기 때문에 부식에 취약해질 수 있으므로, 금속의 노출부를 최소화하여 부식을 방지하는 것이 바람직하다. 따라서, 롤코팅 방식보다는 침지 전착 방식의 코팅법을 사용하는 것이 바람직한 것이다.

전착 온도 및 전압이 낮을 경우 코팅액의 부착력이 약해지거나 부착되는 코팅액의 양이 감소하여, 내스크래치성이나 내식성이 저하될 수 있다.

반면 전착 온도 및 전압이 높을 경우 코팅층의 두께가 지나치게 두꺼워질 수도 있고, 높은 전압에 의한 폭발적인 반응으로 코팅액이 기화되면서 비산되는 문제가 발생할 수도 있다.

따라서, 전착 온도 및 전압은 상술한 범위로 한정하고, 이러한 온도 및 전압 조건에서 1~5분간 전착 코팅할 때 가장 바람직한 두께 및 성상의 코팅층이 형성될 수 있다.

상술한 클래드강 코팅 방법에 적용되는 코팅액은, 중량%로, 아크릴 수지: 40~50%, TiO₂: 10~15%, 에폭시 레진(Epoxy Resin): 10~15%, 멜라민(Melamine) 경화제: 10~20%, 방향족 용제(Aromatic Solvent): 5~10%, 시클로헥사논(Cyclohexanone): 10~15%을 포함하는 용액으로서, 이에 대해서는 상술한 코팅 방법에서 자세히 설명하였으므로 여기에서는 그 설명을 생략하기로 한다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1: 종래의 스테인리스강
2: 나노 세라믹 코팅재
10: 클래드강
11: 알루미늄
12: 스테인리스강
20: 코팅액(전착 클리어 코팅재)

Claims

알루미늄 판재의 양면에 스테인리스 판재를 결합시킨 클래드강을 코팅하는 방법으로서,
클래드강을 준비하는 단계;
중량%로, 아크릴 수지: 40~50%, TiO₂: 10~15%, 에폭시 레진(Epoxy Resin): 10~15%, 멜라민(Melamine) 경화제: 10~20%, 방향족 용제(Aromatic Solvent): 5~10%, 시클로헥사논(Cyclohexanone): 10~15%을 포함하는 코팅액을 준비하는 단계;
상기 클래드강과 상기 코팅액의 접착성을 향상시킬 수 있도록 상기 클래드강을 에칭하는 단계;
상기 클래드강을 가열하는 단계; 및
상기 클래드강을 상기 코팅액 속에 침지시켜 전착시키는 단계;를 포함하는, 클래드강 코팅 방법.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 클래드강을 준비하는 단계와 상기 에칭하는 단계 사이에, 상기 클래드강을 탈지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 클래드강 코팅 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 탈지하는 단계는, 상기 클래드강을 25~35g/l의 Na₃PO₄ 수용액에서 30초~3분간 음극 탈지시키되, 전류밀도 1~4A/dm, 전압 4~6V 조건에서 탈지시키는 것을 특징으로 하는, 클래드강 코팅 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 에칭하는 단계는, 상기 클래드강을 100~200g/l의 NH₄OH와 50~200g/l의 KHP 가 포함된 수용액에서 3~5분간 침지시켜 에칭하되, 에칭시 온도가 20~30℃인 것을 특징으로 하는, 클래드강 코팅 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 가열하는 단계는, 상기 클래드강을 100~200℃에서 2~3분간 가열하는 것을 특징으로 하는, 클래드강 코팅 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 전착시키는 단계는, 상기 클래드강을 상기 코팅액에 침지시킨 후, 40~50℃에서 10~20V 전압을 1~5분간 가해 상기 코팅액을 상기 클래드강에 전착시키는 것을 특징으로 하는, 클래드강 코팅 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 전착시키는 단계 이후에, 80~100℃에서 10~20분간 건조시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 클래드강 코팅 방법.
중량%로, 아크릴 수지: 40~50%, TiO₂: 10~15%, 에폭시 레진(Epoxy Resin): 10~15%, 멜라민(Melamine) 경화제: 10~20%, 방향족 용제(Aromatic Solvent): 5~10%, 시클로헥사논(Cyclohexanone): 10~15%을 포함하는, 클래드강 코팅용 코팅액.