KR101683077B1 - 내식성 Si 산화물층이 도입된 철계 기재의 세라믹 코팅방법 - Google Patents

내식성 Si 산화물층이 도입된 철계 기재의 세라믹 코팅방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내식성 Si 산화물층이 도입된 철계 기재의 세라믹 코팅방법에 관한 기술로서, 더욱 상세하게는 Si를 포함하는 철계 기재 표면에 특수한 열처리를 하여 세라믹층을 도입하고, 그 위에 세라믹 코팅층을 형성함으로써, 균열, 부식 및 박리를 방지하고 내열성, 내마모성, 내식성, 내변색성 및 비점착성 등의 효과를 가지는 내식성 Si 산화물층이 도입된 철계 기재의 세라믹 코팅방법에 관한 것이다.

Description

내식성 Si 산화물층이 도입된 철계 기재의 세라믹 코팅방법 {Ceramic coating methods of iron-based substrate introduced Si oxide layer for corrosion resistance}
본 발명은 내식성 Si 산화물층이 도입된 철계 기재의 세라믹 코팅방법에 관한 기술로서, 더욱 상세하게는 Si를 포함하는 철계 기재 표면에 특수한 열처리를 하여 세라믹층을 도입하고, 그 위에 세라믹 코팅층을 형성함으로써, 균열, 부식 및 박리를 방지하고 내열성, 내마모성, 내식성, 내변색성 및 비점착성 등의 효과를 가지는 내식성 Si 산화물층이 도입된 철계 기재의 세라믹 코팅방법에 관한 것이다.
세라믹 코팅은 고경도 및 환경친화적인 장점을 가짐에도 불구하고, 세라믹 코팅의 고유 특징인 다공성 구조 때문에 적용될 수 있는 금속재료가 제한되는 문제점을 가지고 있다. 알루미늄이나 티타늄과 같은 금속의 경우, 표면에 치밀한 산화막을 형성하기 때문에 균열이나 부식의 발생 없이 세라믹 코팅을 적용할 수 있으나, 철 소재같이 부식에 민감한 재료에 세라믹 코팅을 적용하는 것은 문제가 되고 있다. 즉, 세라믹 코팅층의 다공성 구조는 부식성 물질 (산소이온, 염소이온 등)들이 쉽게 통과할 수 있는 통로를 제공하기 때문에, 세라믹 코팅을 철강 소재에 적용할 경우, 부식이 발생하여 외관 불량은 물론 코팅층 기능 저하와 코팅층 박리 등의 문제점을 발생시킨다. 기공을 통해 들어온 부식성 물질이 철강 소재와 반응하여 철 산화물을 생성하는데, 이 철 산화물은 부피가 3배 이상 팽창하여 세라믹 코팅층에 인장 응력을 발생시켜 세라믹 코팅층을 균열, 혹은 박리시킨다.
현재 널리 사용되는 세라믹 코팅 기술은 박막 코팅을 위한 것으로서, 주방기구, 반도체, 디스플레이 분야 등에 널리 사용되며, CVD(chemical vapor deposition)나 PVD(physical vapor deposition) 등 내마모, 내부식성을 위한 공정들이 있다. 그러나, CVD와 PVD 등의 박막 코팅 공정에 의한 코팅층은 두께가 수 마이크로미터 이상이면 균열이나 박리현상이 발생하기 때문에, 부식 저항성을 위해 일정 두께 이상을 요구하는 공정에는 적합하지 않다. 한편, 내부식성 코팅을 위해 많이 사용되는 용사공정은 고속으로 수백 마이크로미터 이상의 두께를 코팅할 수 있으나, 코팅층의 기공, 균열 등의 결함이 있으며 두께 제어가 어렵고 표면이 매우 거칠다는 문제점이 있다.
세라믹 코팅을 적용하는 분야 중 가열조리기기는 가격이 싼 소재인 철강재 대신 가격이 비싼 소재인 알루미늄이나 스테인리스 소재를 사용하고 있다. 통상적으로 철강재 소재는 강도, 작업성, 저렴한 가격 및 재사용이 가능하다는 특성 때문에 현대 산업에서 주원료로 사용되고 있지만 철강재 소재를 이용하여 가열조리기기를 제작하지 못하는 가장 큰 이유는 철강재 소재를 공기 중에 방치할 경우 산화되며, 특히 가열조리기구와 같이 열을 가할 경우에는 더욱 심하게 산화되어 녹이 심하게 발생하는 부식성 때문이다.
따라서 철강재 소재의 이러한 결점을 보완하기 위해 표면처리가 도입되었으며, 철강재 소재의 표면 처리방법 중 가장 널리 사용되는 것 중의 하나로 PVD 공정을 이용하여 철강재 표면을 물리적으로 처리하여 고착성과 안정성이 높은 산화피막을 형성시켜 방청성, 내식성, 내고온 산화성 등의 화학적 성질을 향상시키고, 동시에 내마모성을 증가시키는 공정이 수행되고 있다.
이와 관련하여 대한민국 공개특허 제 10-0869711 호(발명의 명칭: 주방용 조리기구의 표면개질을 위한 표면처리방법, 이하 종래기술 1이라고 한다.)는 알루미늄 재질의 주방용 조리기구의 표면처리방법으로 경질공정, 실링공정, 샌드블라스트공정, 코팅공정 및 건조공정을 개시한 바 있다.
상기 종래기술 1은 알루미늄 재질의 주방용 조리기구의 표면처리방법으로 경질공정, 실링공정, 샌드블라스트공정, 코팅공정 및 건조공정을 개시하고 있으나, 공정 단계가 복잡하고 가격이 비싼 알루미늄 소재를 사용하고 있어 제조 비용을 상승시키는 문제점이 있으며, 상기 종래기술에서 개시한 방법은 코팅층의 균열과 부식을 방지하고 코팅의 효율을 증대시키기에는 한계가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 Si를 포함하는 철계 기재 표면에 특수한 열처리를 하여 세라믹층을 도입하고, 그 위에 세라믹 코팅층을 형성함으로써, 균열, 부식 및 박리를 방지하고 내열성, 내마모성, 내식성, 내변색성 및 비점착성 등의 효과를 가지는 내식성 Si 산화물층이 도입된 철계 기재의 세라믹 코팅방법에 관한 기술을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 내식성 Si 산화물층이 도입된 철계 기재의 세라믹 코팅방법은 (i) Si를 포함하는 철계 기재를 전처리하여 준비하는 단계, (ii) 전처리된 철계 기재 표면을 열처리하여 Si 산화물층을 형성하는 단계, (iii) Si 산화물층 상에 세라믹 코팅층을 형성하는 단계 및 (iv) 세라믹 코팅층이 형성된 철계 기재를 건조 및 소성시키는 단계일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (ii) 단계에서의 Si 산화물층은 Fe2SiO4, SiO2 중 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (ii) 단계에서의 Si 산화물층의 두께는 0.1 내지 5㎛일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (ii) 단계에서의 Si 산화물층의 열팽창계수는 0.3 내지 3ppm/K이며, 세라믹 코팅층의 열팽창계수는 Si 산화물층의 열팽창계수 값의 이하일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, Si 산화물층의 탄성계수는 60 내지 80Gpa일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (iii) 단계에서의 세라믹 코팅층의 두께는 30 내지 60㎛일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (iii) 단계에서의 세라믹 코팅층의 임계 하중은 9N 이상일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (iii) 단계에서의 세라믹 코팅층은 습식 분무코팅으로 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (i) 단계에서의 Si를 포함하는 철계 기재의 규소함량은 0.1 내지 20wt%일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (ii) 단계에서의 열처리는 500 내지 900℃에서 20초 내지 300분 동안 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (ii) 단계에서의 열처리 시 H2/H2O는 0.05 내지 0.6인 조건에서 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (ii) 단계에서의 열처리 시 이슬점은 20 내지 60℃인 조건에서 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 (ii) 단계에서의 열처리는 산화 분위기 하에서 수행되는 것일 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 일실시예는 내식성 Si 산화물층이 도입된 철계 기재의 세라믹 코팅방법을 이용하여 제조되는 가열조리기기용 복합 소재를 제공한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 일실시예는 가열조리기기용 복합 소재를 이용하여 제조되는 가열조리기기를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 철계 기재 표면과 세라믹층 간 탄성계수의 차이를 완화시켜 세라믹 코팅층의 균열 및 부식을 방지한다는 제 1효과, 별도의 코팅제를 사용하지 않고, 철계 소재가 함유하는 Si를 이용하여 세라믹층을 형성함으로써, 공정의 간소화 및 제조비용의 감소 효과를 가진다는 제 2효과, 내열성, 내마모성, 내식성, 내변색성, 비점착성 등의 효과가 우수한 세라믹 코팅층을 형성할 수 있다는 제 3효과, 알루미늄, 스테인리스 소재에 비해 상대적으로 가격이 저렴한 철계 소재를 사용하여 제조 원가 절감에 기여할 수 있다는 제4효과, 표면강도가 우수하여 마모 및 긁힘 현상이 발생되지 않아 제품의 수명을 연장할 수 있다는 제 5효과를 갖는다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 세라믹 코팅을 위한 철계 기재의 표면처리 방법의 과정을 보여주는 도면이다.
이하에서는 화학식, 반응식, 구체적인 실시예 및 실험예를 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결 (접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 실시예에서 내식성 Si 산화물층이 도입된 철계 기재의 세라믹 코팅방법은 (i) Si를 포함하는 철계 기재를 전처리하여 준비하는 단계, (ii) 상기 전처리된 철계 기재 표면을 열처리하여 Si 산화물층을 형성하는 단계, (iii) 상기 Si 산화물층 상에 세라믹 코팅층을 형성하는 단계 및 (iv) 상기 세라믹 코팅층이 형성된 철계 기재를 건조 및 소성시키는 단계일 수 있다.
본 발명의 실시예에서 상기 (i) 단계에서의 전처리는 철계 기재 표면의 불순물을 제거하는 세척 및 건조 단계일 수 있다. 철계 기재 표면상에 산화물층을 형성하기 전, 불순물의 제거는 철계 기재 표면상에 산화물층이 높은 밀착성으로 형성될 수 있도록 도와주며, 또한 산화물층 상에 세라믹 코팅층이 견고하게 형성됨으로써 세라믹 코팅의 수율을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에서 상기 (ii) 단계에서의 Si 산화물층은 Fe2SiO4, SiO2 중 하나 이상일 수 있다. 일반적으로 탄소강의 열처리 시에는 표면에 치밀도가 좋지 않은 Fe2O3, Fe3O4 및 FeO 산화층이 형성된다. 이러한 산화층의 경우 산소의 지속적인 유입 시 추가적인 산화반응 진행이 가능할 뿐만 아니라, 철계 기재와의 밀착성이 떨어져 산화층 자체가 박리되어 세라믹 코팅층 파괴의 원인이 된다. 그러나 Si를 포함하는 철계 기재는 열처리 시 Fe2SiO4와 SiO2산화층을 형성하며, 상기 Fe2SiO4와 SiO2 산화층은 H2/H2O에 따라 조절될 수 있다. 일반적으로 열처리 시 철계 기재 표면에 형성되는 SiO2 산화층은 매우 치밀한 구조를 가지고 있어 철계 기재 표면에 얇게 형성되며 철계 기재와 밀착성이 우수한 특징을 가진다.
본 발명의 실시예에서 상기 (ii) 단계에서의 Si 산화물층의 두께는 0.1 내지 5㎛일 수 있다. Si 산화물층의 두께가 0.1㎛ 미만인 경우에는 산화물층의 두께가 얇아 쉽게 훼손될 수 있을 뿐만 아니라 철계 기재와의 밀착성이 감소하여 그 위에 세라믹 코팅층을 형성하더라도 세라믹 코팅층이 박리 및 균열이 생길 수 있으며, Si 산화물층의 두께가 5㎛를 초과하는 경우에는 산화물층이 거칠어져 세라믹이 균일하게 코팅되지 못하고 박리 및 균열이 생길 수 있다.
본 발명의 실시예에서 상기 (ii) 단계에서의 Si 산화물층의 열팽창계수는 0.3 내지 3ppm/K이며, 상기 세라믹 코팅층의 열팽창계수는 상기 Si 산화물층의 열팽창계수 값의 이하일 수 있다. 열팽창계수（coefficient of thermal expansion, CTE）란 유기 재료가 온도가 증가 됨에 따라 분자간 혹은 원자간의 결합 길이의 변화를 수치적으로 나타내는 특성으로 세라믹 코팅층의 열팽창계수가 Si 산화물층의 열팽창계수와 동등하거나 낮은 값을 가질 때, 세라믹 코팅층의 압축 응력을 발생시켜 공정 중 박리 및 균열 발생을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, Si 산화물층의 탄성계수는 60 내지 80Gpa일 수 있다. 세라믹 코팅층을 이루는 실리카의 탄성계수는 73.1GPa로 세라믹 코팅층의 탄성계수가 Si 산화물층의 탄성계수와 유사한 값을 가질 때, 두 층의 탄성계수 차이가 감소하게 되며 균열발생을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 상기 (iii) 단계에서의 세라믹 코팅층의 두께는 30 내지 60㎛일 수 있다.
본 발명의 실시예에서 상기 (iii) 단계에서의 세라믹 코팅층의 임계 하중(critical load)은 9N 이상일 수 있다.
세라믹 코팅층을 형성할 때에는 임계 두께(critical thickness)라는 개념을 도입한다. 임계 두께란 균열발생 없이 세라믹 코팅층을 올릴 수 있는 최대 두께를 말한다. 임계 두께에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 세라믹 코팅층의 강도와 Si 산화물층과 세라믹 코팅층 간 탄성계수(young's modulus) 차이가 있다. 일반적으로 금속 재료와 세라믹 재료 간 탄성계수의 차이가 크기 때문에, 탄성계수의 차이로 인해 금속 소재의 기재 위에 세라믹 코팅층을 형성할 때 균열이 발생하게 된다. 따라서 금속 소재의 기재와 세라믹 코팅층 간 탄성계수를 줄이는 방법으로 두 층 사이에 세라믹 코팅층과 유사한 탄성계수를 가지는 Si 산화물층을 도입하는 방법이 있으며, 도입된 Si 산화물층이 세라믹 코팅층과 유사한 탄성계수를 가질 경우, 균열 발생을 억제할 수 있다. 따라서 Si 산화물층과 세라믹 코팅층의 탄성계수가 유사하며, 세라믹 코팅층의 세라믹 코팅층의 임계 하중이 9N 이상일 경우 세라믹 코팅층의 강도와 응력이 증가하여, 세라믹 코팅층을 균열발생 없이 올릴 수 있는 두께는 30 내지 60㎛가 될 수 있다. 세라믹 코팅층의 두께가 30㎛ 미만인 경우에는 코팅층의 내구성, 내마모성과 같은 기계적 물성과 내식성과 같은 화학적 물성이 저하될 우려가 있고, 세라믹 코팅층의 두께가 60㎛를 초과하는 경우에는 기계적 화학적 물성이 향상되나 열전도율이 저하될 우려가 있다.
본 발명의 실시예에서 상기 (iii) 단계에서의 세라믹 코팅층은 습식 분무코팅으로 수행되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다. 습식코팅은 코팅물질이 용제에 혼합되어 일정한 점도를 갖는 상태에서 소재 표면에 전사된 후 용제 휘발 및 경화 공정을 거쳐 완성되는 방식으로 별도의 용제를 사용하지 않는 건식코팅과 차이점을 가진다.
본 발명의 실시예에서 상기 (i) 단계에서의 Si를 포함하는 철계 기재의 규소함량은 0.1 내지 20wt%일 수 있다. 철계 기재가 함유하고 있는 규소 함량이 상기 범위를 벗어날 경우, 철계 기재 표면 상으로 Si 산화물층이 0.1 내지 5㎛의 두께로 형성되지 못하고 철계 기재와의 밀착성이 감소하여 세라믹 코팅층 형성 후, 박리 및 균열이 발생할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 상기 (ii) 단계에서의 열처리는 500 내지 900℃에서 20초 내지 300분 동안 수행되는 것일 수 있다. 철계 기재 표면에 Si 산화물층을 형성할 때, 열처리의 온도와 시간이 상기 범위를 벗어나는 경우 철계 기재 표면상으로 Si 산화물층의 형성이 저하되어 바람직하지 않을 뿐만 아니라 결합력이 저하될 우려가 있고, 물성이 저하되는 현상이 발생할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 상기 (ii) 단계에서의 열처리 시 H2/H2O(수소 분압/수증기 분압)는 0.05 내지 0.6인 조건에서 수행되는 것일 수 있다. Si 산화물층을 형성할 때, 수증기, 수소, 산소와 같은 운반가스를 포함하며 수증기 분압과 수소 분압의 비에 따라 H2/H2O가 조절된다. H2/H2O에 따라 철계 기재 표면 상에 Fe2SiO4와 SiO2 산화물층의 형성을 조절할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 상기 (ii) 단계에서의 열처리 시 이슬점은 20 내지 60℃인 조건에서 수행되는 것일 수 있다. 이슬점 온도는 공기중의 수분량을 나타내는데 이슬점 온도가 높으면 공기가 포용하고 있는 수분 함량이 높고, 이슬점 온도가 낮으면 공기가 포용하고 있는 수분 함량이 낮은 것을 의미한다. 이슬점 온도가 상기 범위를 벗어나는 경우, 산화성 분위기를 형성하지 못하여 산화물층 형성 시 박리 현상이 발생할 수 있고, 또한 이슬점 온도를 상기 범위를 벗어나는 온도로 유지하기 위해서는 가스의 산소나 수분을 제거하기 위해서 많은 정제 장치를 필요로 하기 때문에 바람직하지 않을 수 있다.
본 발명의 실시예에서 상기 (ii) 단계에서의 열처리는 산화 분위기 하에서 수행되는 것일 수 있다. 열처리에 의해 금속 내 원자들의 이동이 이루어져 상변화가 발생하게 되며, 그로 인해 철계 기재 표면에 Si 산화물층을 형성하게 된다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 일실시예는 내식성 Si 산화물층이 도입된 철계 기재의 세라믹 코팅방법을 이용하여 제조되는 가열조리기기용 복합 소재를 제공한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 일실시예는 가열조리기기용 복합 소재를 이용하여 제조되는 가열조리기기를 제공한다.
이하, 본 발명의 실시예 및 실험예를 기재한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명의 구성 및 효과를 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아님을 명시한다.
[실시예 1]
Si를 포함하는 철계 기재의 표면을 통상적인 방법을 이용하여 전처리 공정을 거친 다음, 850℃에서 수소50% - 질소 50%의 가스를 온도 30℃의 항온조를 통과시켜 분위기를 형성한 후 5분 동안 열처리하여 Si 산화물층을 형성하였고, 상기 Si 산화물층 상에 세라믹 코팅층을 형성한 후 건조 및 소성 단계를 거쳐 Si 산화물층이 도입된 철계 기재의 세라믹 코팅층을 형성하였다.
[실험예 1]
Si 산화물층의 두께에 따른 부식방지 효과를 분석하기 위해, Si 산화물층의 두께 0.1㎛, 0.5㎛, 1㎛로 달리하되, 상기 실시예 1과 동일한 조건 및 방법으로 Si 산화물층이 도입된 철계 기재의 세라믹 코팅층을 형성하였다. Si 산화물층이 도입된 철계 기재를 3.5% 염화나트륨(NaCl) 용액에 5일 동안 부식환경을 조성하여 실험을 실시한 결과, 세라믹 코팅층의 박리 및 균열이 발생하지 않았고 부식이 발생하지 않는 것을 확인하였다.
[비교예 1]
Si 산화물층의 두께에 따른 부식방지 효과를 분석하기 위해, Si 산화물층의 두께 0.01㎛, 0.03㎛, 0.05㎛로 달리하되, 상기 실시예 1과 동일한 조건 및 방법으로 Si 산화물층이 도입된 철계 기재의 세라믹 코팅층을 형성하였다. Si 산화물층이 도입된 철계 기재를 3.5% 염화나트륨(NaCl) 용액에 5일 동안 부식환경을 조성하여 실험을 실시한 결과, 부식이 발생하는 시점이 느려지고 부식발생 정도가 저하되었지만 Si 산화물층이 얇게 형성되어 세라믹 코팅층의 박리 및 균열이 발생하는 것을 확인하였다.
[비교예 2]
Si 산화물층의 두께에 따른 부식방지 효과를 분석하기 위해, Si 산화물층의 두께 2㎛, 3㎛, 5㎛로 달리하되, 상기 실시예 1과 동일한 조건 및 방법으로 Si 산화물층이 도입된 철계 기재의 세라믹 코팅층을 형성하였다. Si 산화물층이 도입된 철계 기재를 3.5% 염화나트륨(NaCl) 용액에 5일 동안 부식환경을 조성하여 실험을 실시한 결과, 부식이 발생하는 시점이 느려지고 부식발생 정도가 저하되었지만 Si 산화물층이 두껍게 형성되어 세라믹 코팅층이 균열하게 코팅되지 못하고 접착력이 저하되어 박리 및 균열이 발생하는 것을 확인하였다.
[비교예 3]
Si 산화물층이 도입되지 않은 철계 기재에 세라믹 코팅층을 형성한 후, 3.5% 염화나트륨(NaCl) 용액에 5일 동안 부식환경을 조성하여 실험을 실시한 결과, 세라믹 코팅층의 기공으로 들어온 부식성 물질이 철계 기재와 반응하여 철 산화물을 형성하고, 이때 철 산화물은 부피가 3배 이상 팽창하면서 세라믹 코팅층에 인장 응력을 발생시켜 세라믹 코팅층을 박리 및 균열을 발생시켰다. 부식이 발생된 시점으로부터 반응이 발생하는 위치가 철 표면으로 변하였으며, 또한 부식저항은 지속적으로 감소하는 것을 확인하였다. 따라서 세라믹 코팅층을 철계 기재에 적용하는데 있어서 부식 문제를 해결하기 위해서는 철계 기재와 세라믹 코팅층 사이에 안정한 산화물층을 도입하는 것이 필요하다는 것을 확인하였다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (15)

  1. (i) Si를 포함하는 철계 기재를 전처리하여 준비하는 단계;
    (ii) 상기 전처리된 철계 기재 표면을 열처리하여 Si 산화물층을 형성하는 단계;
    (iii) 상기 Si 산화물층 상에 세라믹 코팅층을 형성하는 단계; 및
    (iv) 상기 세라믹 코팅층이 형성된 철계 기재를 건조 및 소성시키는 단계;
    를 포함하고,
    상기 (ii) 단계에서의 Si 산화물층은 Fe2SiO4, 및 SiO2 를 포함하며,
    상기 (ii) 단계에서의 Si 산화물층의 두께는 0.1 내지 1㎛이며,
    상기 (ii) 단계에서의 열처리는 500 내지 900℃에서 20초 내지 300분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 내식성 Si 산화물층이 도입된 철계 기재의 세라믹 코팅방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 (ii) 단계에서의 Si 산화물층의 열팽창계수는 0.3 내지 3ppm/K이며, 상기 세라믹 코팅층의 열팽창계수는 상기 Si 산화물층의 열팽창계수 값의 이하인 것을 특징으로 하는 내식성 Si 산화물층이 도입된 철계 기재의 세라믹 코팅방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 Si 산화물층의 탄성계수는 60 내지 80Gpa인 것을 특징으로 하는 내식성 Si 산화물층이 도입된 철계 기재의 세라믹 코팅방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 (iii) 단계에서의 세라믹 코팅층의 두께는 30 내지 60㎛인 것을 특징으로 하는 내식성 Si 산화물층이 도입된 철계 기재의 세라믹 코팅방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 (iii) 단계에서의 세라믹 코팅층의 임계 하중(critical load)은 9N 이상인 것을 특징으로 하는 내식성 Si 산화물층이 도입된 철계 기재의 세라믹 코팅방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 (iii) 단계에서의 세라믹 코팅층은 습식 분무 코팅으로 수행되는 것을 특징으로 하는 내식성 Si 산화물층이 도입된 철계 기재의 세라믹 코팅방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 (i) 단계에서의 Si를 포함하는 철계 기재의 규소함량은 0.1 내지 20wt%인 것을 특징으로 하는 내식성 Si 산화물층이 도입된 철계 기재의 세라믹 코팅방법.
  10. 삭제
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 (ii) 단계에서의 열처리 시 H2/H2O는 0.05 내지 0.6인 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 내식성 Si 산화물층이 도입된 철계 기재의 세라믹 코팅방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 (ii) 단계에서의 열처리 시 이슬점은 20 내지 60℃인 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 내식성 Si 산화물층이 도입된 철계 기재의 세라믹 코팅방법.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 (ii) 단계에서의 열처리는 산화 분위기 하에서 수행되는 것을 특징으로 내식성 Si 산화물층이 도입된 철계 기재의 세라믹 코팅방법.
  14. 청구항 1의 내식성 Si 산화물층이 도입된 철계 기재의 세라믹 코팅방법을 이용하여 제조되는 가열조리기기용 복합 소재.
  15. 청구항 14의 가열조리기기용 복합 소재를 이용하여 제조되는 가열조리기기.
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