KR20190077952A - 스테인리스강의 표면처리 방법 - Google Patents

Abstract

스테인리스강의 표면처리 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 스테인리스강의 표면처리 방법에 따르면, 구리를 포함하는 스테인리스강에 교번인가 방식의 전위를 인가하여 전해연마 하는 것을 특징으로 한다.

Description

스테인리스강의 표면처리 방법{METHOD OF SURFACE MODIFICAITON OF STAINLESS STEEL}

본 발명은 Cu 첨가 스테인리스강의 전도성 확보를 위한 표면처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구리를 포함하는 스테인리스강의 전해연마 후 표면의 구리 용출에 의한 전도성 감소 문제를 해결하기 위한 교류방식 전해연마 방법에 관한 것이다.

전해연마(Electro polishing)는 도금의 역과정으로, 최근 반도체 산업 등 청정도를 요구하는 산업의 발달로 재료의 정밀도와 청정도가 동시에 요구되고, 이를 달성하기 위하여 기존의 공구와 공작물이 접촉하는 방식의 가공법에서 탈피한 새로운 비접촉 연마 방식인 전해연마가 필요하게 되었다. 기존의 기계적 가공방법으로는 공작물 표면에 미소한 가공 흔적 등이 남아있어 근복적으로 청정한 표면을 얻을 수가 없었다.

일반적으로 전해연마는 전해액에 용해되는 금속 제품을 양극(Anode)으로 사용하고, 전해액에 불용성인 금속을 음극(Cathode)으로 사용하여, 상기 양극과 음극 사이에 전압을 인가함으로써, 금속 제품의 표면에서 전기분해를 일으켜 금속 제품의 표면을 연마하는 방법이다. 전해연마를 이용하여 금속 제품을 연마하기 위해서는, 전해조에 전해액을 채우고, 연마하고자 하는 금속 제품을 양극으로 설치하고, 전해액에 용해하지 않는 음극을 설치한 다음, 상기 양극과 음극 사이에 직류 또는 펄스파형의 전원을 인가한다. 전해연마에 있어서, 금속 제품이 전해액에 쉽게 용해되지 않는 조건에서도 전류를 인가하면, 금속 제품이 강제적으로 조금씩 용해된다. 전해연마가 진행되면, 양극으로부터 용해된 금속이온을 다량 함유한 고점도 액체층(점성층)이 양극을 둘러쌓고, 금속이온으로 포화된 점성층에서는 더 이상 금속이 용해되지 않고 높은 양극 전위를 형성하므로, 산소와 활발하게 결합하여 산화물 피막을 형성하게 된다. 이때, 용해된 금속이온은 금속 표면의 오목한 부분에 주로 축적되며, 오목한 부분에서는 금속이온의 이동과 확산이 적어, 전기가 잘 통하지 않으므로, 금속이 용해되지 않는다. 반면, 금속 표면의 볼록 부분에서는 금속 이온층이 얇게 형성되므로, 전류가 집중되어 금속 면을 쉽게 용해시켜, 전체적으로 제품 표면이 평활하게 하는 것이다.

상기와 같은 전해연마의 효과를 살펴보면, 첫째는 표면의 평탄화이다. 제품 표면의 미소돌출부를 선택적으로 용해하여 일반 가공 부품 대비 표면 거칠기를 약 50%~90% 정도를 향상시킬 수 있으며, 기존의 치수 공차를 유지하면서 표면 거칠기를 향상시키는 더할 수 없이 좋은 연마 방식이다. 또한, 이렇게 평탄화된 표면은 불순물 입자의 유입을 억제시켜 오염을 방지한다.

둘째는 제품 표면의 부식 저항성이다. 전해연마로 처리된 표면은 산화크롬을 다량 함유한 표면을 갖추게 함으로써, 외부 영향에 의한 산화로부터 매우 강해진다. 따라서, 전해연마는 강한 보호막을 생성하는 공정으로 탁월한 부식 저항성을 갖게 한다. 즉, 전해연마를 통하여 변형층에 포함된 부식 유발성 물질을 제거하기 때문에 내식성을 향상시키는 효과가 있다.

본 발명의 실시예들은 구리를 포함하는 스테인리스강에 있어서 전해연마시 탈착된 Cu 이온을 재부착하여, 스테인리스강 표면의 Cu석출층을 형성함으로써 전도성을 향상시키는 교류방식 전해연마 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 스테인리스강의 표면처리 방법에 따르면, 구리를 포함하는 스테인리스강에 교번인가 방식의 전위를 인가하여 전해연마 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 교번 인가 방식의 전위는 산소 발생 전위 이상 내지 공식전위 이하의 상한 범위 내의 상한 전위와, 수소 발생 전위 초과 내지 구리 석출 전위 미만의 하한 범위 내의 하한 전위 사이의 진폭을 갖는다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 교번 인가 방식의 전위는 분 당 60 내지 6000 펄스로 인가될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전해연마는 2 분 내지 10 분 동안 수행될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전해연마는 40 내지 80 ℃의 온도에서 수행될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전해연마 시 용액은, 황산 및 인산으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 용액일 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 스테인리스강의 표면처리 방법에 의해 표면이 개질된 구리를 포함하는 스테인리스강이 제공된다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스테인리스강의 구리 함량은 1.9 내지 3.0 중량% 이다.

개시된 실시예에 따른 스테인리스강의 표면처리 방법은 전해연마시 탈착된 Cu 이온을 재부착하여, 스테인리스강 표면에 Cu석출층을 형성함으로써 구리를 포함하는 스테인리스강의 전도성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 전해연마 및 전해도금에 따른 Cu 용해반응 및 Cu 석출반응을 나타내는 도면이다.
도 2는 전해연마 방식 및 전해연마의 전기화학적 이론을 설명한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 표면처리 후 스테인리스강 표면의 사진 및 합금 성분의 함량을 나타내는 도면이다.

이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 이하, 본 발명의 일 측면에 따른 구리를 포함하는 스테인리스강의 전도성을 향상시킬 수 있는 스테인리스강의 표면처리 방법에 대하여 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 스테인리스강의 표면처리 방법은, 구리를 포함하는 스테인리스강에 교번인가 방식의 전위를 인가하여 전해연마 하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 구리를 포함하는 스테인리스강을 양극과 연결하고, 상대전극을 음극과 연결하여, 전해연마용액에서 교류전압을 반복인가하여 전해연마하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 전해연마 및 전해도금에 따른 Cu 용해반응 및 Cu 석출반응을 나타내는 도면이다.

본 발명의 구리를 포함하는 스테인리스강의 표면처리 방법은, 구리를 포함하는 스테인리스강의 전해연마 처리 후, 탈락된 구리 석출층이 전해연마용액에 구리 이온, 즉 Cu⁺ 또는 Cu^{2 +}로 용출되므로, 전해연마 제품 표면을 음극으로 대전하여 금속으로 환원시키는 전해도금 원리를 이용하여, 교류전압의 반복인가를 통해 구리 석출층을 표면에 형성하여 전기 전도성을 확보하고자 하였다.

본 발명에 적용될 수 있는 상기 구리를 포함하는 스테인리스강은 구리를 1.9 내지 3.0 중량%의 함량으로 포함하는 스테인리스강이라면 특히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 STS 300계열의 오스테나이트계 스테인리스강일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 교번 인가 방식의 전위는 산소 발생 전위 이상 내지 공식전위 이하의 상한 범위 내의 상한 전위와, 수소 발생 전위 초과 내지 구리 석출 전위 미만의 하한 범위 내의 하한 전위 사이에서 진폭을 갖도록 하는 것이 바람직하다.

즉, 구리를 포함하는 스테인리스강의 전해연마 중 일어나는 전기화학적 반응은 아래와 같으며, 도 2는 전해연마 방식 및 전해연마의 전기화학적 이론을 설명한 도면으로, 종래에 사용되고 있었던 전해연마는 양극분극(DC) 방식이다.

양극분극(DC) 방식에서는 전해연마(산소 산화반응, STS 산화반응)와 함께 구리 용출(Cu 산화반응)이 동시에 일어나므로, 원소재 대비 전해연마 후 전도성이 감소하는 원인이 된다.

1) STS 산화반응: 4Cr + 3O₂ → 2Cr₂O₃

2) Cu 산화반응: Cu → Cu^{2 +} + 2e^-, Cu 환원반응: Cu^{2 +} + 2e^- → Cu

3) 산소 산화반응: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e^-, 산소 환원반응: O₂ + 4H⁺ + 4e^-

→ 2H₂O

4) 수소 환원반응: 2H⁺ + 2e^- → H₂

이러한 문제를 해결하기 위한 본 발명은 산소 발생 전위 이상 내지 공식전위 이하, 바람직하게는 공식전위 미만의 범위 내의 상한 전위와, 수소 발생 전위 초과 내지 구리 석출 전위 미만 범위 내의 하한 전위 사이에서 진폭하는 교번인가 방식의 전위를 제공한다.

하기 표 1은 전해연마용액(20% 황산 + 80% 인산)의 pH에 따른 수소, 산소의 전위 및 Cu^{2 +} 농도에 따른 구리의 전위를 나타낸 결과이며, 해당 전위보다 높은 전위에서는 산화반응이, 낮은 전위에서는 환원반응이 일어난다.

예를 들어, 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이 70℃의 온도 조건에서 상한 전위는 886 mV_SCE 이상 내지 공식전위, 1000 mV_SCE 전위 이하의 범위 내인 것이 바람직하고, 하한 전위는 Cu^{2 +} 농도 1ppm일 때 -241 mV_SCE 초과 내지 -103 mV_SCE 미만인 것이 바람직하다.

또한, 50℃의 온도 조건에서 상한 전위는 892 mV_SCE 이상 내지 공식전위, 1100 mV_SCE 이하의 범위 내인 것이 바람직하고, 하한 전위는 Cu^{2 +} 농도 1ppm일 때 -241 mV_SCE 초과 내지 -91 mV_SCE 미만인 것이 바람직하다.

따라서, 전해연마를 위한 상한 기준은 892 mV_SCE 이상, 구리 용출 방지를 위한 하한 기준은 -103 mV_SCE 이하로 도출될 수 있다.

나아가, 딥드로잉이 적용되는 제품의 경우, 잔류 인장응력에 의한 시효균열이 발생할 수 있으며, 침입형 수소 원자가 존재하는 경우 시효균열의 발생 경향은 증가한다. 따라서, 구리 용출 방지 및 수소 침입에 의한 시효균열 방지를 위한 하한기준은 -241 ~ -103 mV_SCE 로 도출될 수 있다.

	pH 0 수소전위 (mVSCE)	pH 0 산소전위 (mVSCE)	Cu2 + 농도 별 구리전위 (mVSCE)
			1 ppm	100 ppm
50℃	-241	892	-91	-27
60℃	-241	889	-97	-31
70℃	-241	886	-103	-35

이때, Cu^{2 +} 농도는 수소전위 에 의해 변화하는 것으로, 1 내지 100 ppm 범위 내인 것이 바람직하다. Cu^{2 +} 농도가 1 ppm 미만인 경우에는 수소전위에 근접하는 문제가 있고, 100 ppm를 초과하는 경우에는 전해연마액의 오염문제가 있다.

한편, 본 발명의 교번인가 방식의 전위는 분 당 60(1Hz) 내지 6000(100Hz)의 펄스로 인가되는 것이 바람직하며, 분당 60 펄스 미만인 경우에는 층상의 표면층이 형성되는 문제가 있고, 분당 6000 펄스를 초과하는 경우에는 표면층이 단락되는 문제가 있다.

상기 전해연마 하는 단계는 2 분 내지 10 분 동안 수행되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 3 분 내지 7 동안 수행될 수 있다. 이때 상기 전해연마 시간이 2 분 미만인 경우, 전해연마 및 구리도금이 미미한 문제가 있으며, 10분을 초과하는 경우 과전해연마 및 구리도금에 의한 변색 문제가 있다.

상기 전해연마 하는 단계는 40 내지 80 ℃의 온도에서 수행되는 것이 바람직하고, 50 내지 70 ℃ 온도 조건에서 수행되는 것이 보다 바람직하다. 이때, 상기 온도가 40 ℃ 미만인 경우, 이물질 제거 등 전해연마에 따른 효과를 나타내기 어렵고 전해연마의 효율이 감소되며, 구리 이온이 상기 스테인리스강의 표면에 도금층을 형성하기 어려워 표면개질 효과를 나타내기 어렵다. 상기 온도가 80 ℃를 초과하는 경우 고온 조건에 따른 소재의 물성 변형이 유발될 수 있고, 공정 비용이 증가하며, 작업 안정성에 문제가 있다.

한편 전해연마 용액은, 구리를 포함하는 스테인리스강으로부터 전해연마에 의하여 구리 이온이 용출되고, 전해도금에 의하여 구리가 환원될 수 있는 전해연마용액이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 황산 및 인산으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 용액일 수 있고, 보다 바람직하게는 수용액인 것이다. 예를 들어, 20wt% 황산 수용액 및 80wt% 인산 수용액의 혼합 용액일 수 있다.

본 발명의 다른 일 측면에 의하면, 전술한 본 발명의 구리를 포함하는 스테인리스강의 전도성을 향상시킬 수 있는 스테인리스강의 표면처리 방법에 의해 전도성이 향상된 스테인리스강이 제공된다.

이때, 상기 구리를 포함하는 스테인리스강은 구리를 1.9 내지 3.0 중량%의 함량으로 포함하는 것일 수 있다.

스테인리스강 특히 딥드로잉이 적용되는 제품의 경우, 잔류 인장응력에 의한 시효 균열이 발생할 수 있으며, 침입형 수소원자가 존재하는 경우 시효균열의 발생 경향은 증가하는데, 본 발명에 의하면, 이와 같은 구리 용출 및 수소침입에 의한 시효균열이 억제될 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 보다 상세히 설명하기로 한다.

실시예 1 내지 3

싱크대를 제조하는데 사용되는 구리를 포함하는 스테인리스강을 전해연마의 피연마재로 사용하였으며, 피연마재를 양극과 연결하고, 상대전극으로 탄소를 포함하는 소재로 그라파이트(Graphite)를 음극과 연결하였다. 피연마재 및 상대전극을 전해연마용액인 20wt% 황산 수용액 및 80wt% 인산 수용액의 혼합 용액에 침지시켜 60℃ 온도조건에서 주파수를 10Hz, 50Hz, 100Hz로 달리하면서 교류전압을 인가하여 전해연마를 수행하였다.

비교예

실시예와 달리 830mV의 직류전압을 인가하여 전해연마를 수행하였다. 전해연마를 수행한 뒤, 피연마재를 음극과 연결하고, 상대전극을 양극과 연결하여 전류를 인가하였으며, 이때 전해도금은 상기 전해연마용액을 그대로 이용하였으며, 이때 전류의 세기는 -100mA 및 인가 시간은 6000초 였다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전해연마 후 스테인리스강 표면의 사진 및 합금 성분의 함량을 나타내는 도면이다.

도 3에서 알 수 있듯이, 교류전압의 주파수에 따라 표면에 형성된 구리 도금층에 차이가 있으나, 모두 양호한 표면개질 효과를 나타낼 수 있음을 확인할 수 있다. 나아가, 구리 도금율, 구리 도금 표면적 및 도금층의 표면 결함을 고려할 경우, 실시예 1 및 2가 보다 바람직한 형태로 표면 개질 되었음을 알 수 있다.

또한, 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예 1 내지 3의 경우 구리의 함량이 각각 2.64 중량%, 2.74 중량%, 2.55 중량%의 비교예의 2.27 중량%에 비해 높게 측정되어, 교류전압을 반복 인가하는 전해연마 방법에 의하여 전도성이 향상될 수 있음을 확인할 수 있다.

상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

1. 구리를 포함하는 스테인리스강에 교번인가 방식의 전위를 인가하여 전해연마 하는 것을 특징으로 하는 스테인리스강의 표면처리 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 교번 인가 방식의 전위는 산소 발생 전위 이상 내지 공식전위 이하의 상한 범위 내의 상한 전위와, 수소 발생 전위 초과 내지 구리 석출 전위 미만의 하한 범위 내의 하한 전위 사이의 진폭을 갖는, 스테인리스강의 표면처리 방법.
3. 제1항에 있어서,
   교번인가 방식의 전위는 분 당 60 내지 6000 펄스로 인가되는 것을 특징으로 하는 스테인리스강의 표면처리 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 전해연마는 2 분 내지 10 분 동안 수행되는, 스테인리스강의 표면처리 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 전해연마는 40 내지 80 ℃의 온도에서 수행되는, 스테인리스강의 표면처리 방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 전해연마 시 용액은, 황산 및 인산으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 용액인, 스테인리스강의 표면처리 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 표면처리 방법에 의해 표면이 개질된 구리를 포함하는 스테인리스강.
8. 제7항에 있어서,
   상기 구리의 함량은 1.9 내지 3.0 중량%인 표면이 개질된 구리를 포함하는 스테인리스강.

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