KR100361616B1 - 내압특성이 우수한 캔제조용 주석 도금원판의 제조방법 - Google Patents

내압특성이 우수한 캔제조용 주석 도금원판의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 2-피스(Piece) 캔(Can)용 소재의 우수한 가공성 및 캔의 안정성을 동시에 확보할 수 있는 주석도금원판의 제조방법에 관한 것으로, 중량%로, C :0.003∼0.006%, S :0.012% 이하, N :0.003% 이하, Mn :0.05∼0.20%, Al :0.03∼0.06%, V :0.005∼0.035%를 첨가하되, V의 첨가량을 (50/14)×(N량) 이상, (50/14)×(N량) + (50/12)×(C량) 이하로 조정하고, 강의 제조시 불가피하게 함유되는 불순물을 포함한 알루미늄 킬드강을 1200∼1250℃ 에서 균질화처리후 마무리열간압연온도를 Ar3변태점 직상인 900∼930℃로하여 마무리압연하고, 620∼680℃에서 열연권취를 실시하며, 통상의 압하율인 85∼90%로 냉간압연한후, 저온 소둔 온도 범위인 690∼730℃에서 연속소둔하여 제조하는 구성이다.

Description

내압특성이 우수한 캔제조용 주석도금원판의 제조방법
본 발명은 가공성 및 내압강도가 우수한 2-피스(piece)캔용 연질 주석도금원판(Black Plate)의 제조방법에 관한것으로, 보다 상세하게는 낮은 소둔온도에서 연속소둔법으로 연질 석도원판을 제조함으로써 생산성을 향상시키고 석도금후의 내식성도 향상시킴과 아울러 제관단계에서 디엔아이(D&I) 가공시의 가공성을 향상시키고, 또한 디엔아이(D&I) 가공후의 소부공정에서 소재의 항복강도를 올려 내압강도를 향상시킴으로써 캔용 소재의 가공성 및 캔의 안정성을 동시에 확보할 수 있는 캔제조용 주석도금원판의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의해 제조된 주석도금원판은 저온소둔에 의해서도 가공성이 우수한 특성을 가지며 또한 캔의 내용물에 대한 내압특성이 우수하므로 심한 가공을 받는 2-피스 용기용 소재강판으로 사용할 수 있다.
일반적으로 주석도금강판의 재질은 로크웰 표면경도(HR30T)에 의한 조질도(Temper Grade)로 평가되며, 조질도 T1(HR30T 49±3), T2(HR30T 53±3)및 조질도 T3(HR30T 57±3)까지의 연질 주석도금강판과, 조질도 T4(HR30T 61±3), T5(HR30T 65±3) 및 조질도 T6(HR30T 70±3)의 경질 주석도금강판으로 구분할 수 있다.
이와같은 석도강판은 표면이 미려할 뿐만아니라 주석을 도금함에 따라 내용물에 대한 내식성이 우수하여 각종 음료 및 식품을 저장하는 용기로 사용되고 있다.
석도원판을 용기로 사용하기 위해서는 원판 표면에 주석을 전기도금하여 내식성을 부여하고 일정한 크기로 절단한 다음 원형 또는 각형으로 가공하여 사용한다.
용기를 가공하는 방법으로는 용기가 뚜껑과 몸통의 2개 부분으로 구성되는 2-피스 캔(Can)과 같이 용접을 하지 않고 캔을 가공하는 방법과, 캔이 몸통과 위 뚜껑 그리고 아래 뚜껑의 3개 부분으로 구성된 3-피스 캔과 같이 용접에 의해 제조하는 방법으로 나눌 수 있다.
용접이 없는 제관(製罐)방법은 석도강판을 인발(Drawing)하거나, 인발(Drawing)후에 아이어닝(Ironing)하여 용기를 가공하는 방법이며, 용접을 실시하는 제관방법은 위 뚜껑과 아래 뚜껑은 각각 가공하여 부착하고 몸통은 원판으로부터 절단된 소재를 와이어 시임(Wire Seam) 용접과 같은 저항용접법에 의해 원형으로 가공하는 방법을 거치게 된다.
또한, 이들 캔의 경우 목표로 하는 색상 및 캔 내용물의 보호측면에서 락카(Lacquer) 등의 유기 피막을 도장하게 되는데, 이의 건조를 위해 약 200℃ 내외에서 소부처리를 행하여 준다.
2-피스 캔을 제조하는 방법의 하나인 디엔아이(D&I)가공은 캔 몸체부를 두께 방향으로 약 50∼60% 정도 아이어닝(Ironning)가공하는 방법이나, 이 경우에도 캔의 밑바닥(Bottom)부는 가공을 크게 받지 않음에 따라 캔의 내압성 측면에서 가장 큰 문제를 일으키는 부분이다.
캔의 내압특성은 소재의 두께 및 항복강도에 의존하므로 소재의 두께를 두껍게 하거나, 항복강도를 높이면 내압강도를 향상시킬 수 있으나, 캔의 두께를 두껍게 하는 것은 소재의 사용량을 증가시켜 제조원가를 올릴뿐만 아니라 캔의 경량화라는 측면에서도 바람직하지 못하다.
한편, 초기 소재의 항복강도를 증가시키는 방법의 경우 항복강도가 높은 소재를 사용함에 따라 디엔아이 가공시 성형성이 나빠지게 된다. 그러므로, 가공시에는 항복강도가 낮고 가공후의 소부공정에서 항복강도를 올리수 있다면 성형성 및 내압강도 향상이라는 면에서 가장 바람직할 것이다.
가공도가 크게 요구되는 용기용 소재로 사용하는 연질 주석도금원판은 주로 상소둔방식에 의해 제조되어 왔으나 이는 소둔시간이 장시간 소요되어 생산성이 떨어지고 강판의 재질이 불균일한 문제점이 있다.
따라서, 근년에 와서는 생산비가 낮고 재질이 균일하며 평탄도와 표면특성이 우수한 연속소둔방식에 의해서도 제조되고 있다.
현재 조질도 T2 이하의 연질 석도원판을 연속소둔법으로 생산하는 주요 방법은, 극저탄소 알루미늄-킬드(Al-killed)강에 강한 탄질화물 형성원소인 니오븀(Nb) 또는 티타늄(Ti)을 소량 첨가한 강을 소둔하여 제조하고 있다.
그러나 니오븀이나 티타늄은 소둔시 페라이트의 재결정을 강하게 억제하여 재결정온도를 상승시키는 원소이므로 가공성이 우수한 냉연강판에 사용하는 정도의 Nb이나 Ti을 첨가시 소둔온도가 800℃ 이상으로 급격히 상승하게 된다.
따라서 제품의 두께가 0.30㎜ 내외에 불과한 주석도금원판을 이러한 고온에서 소둔하는 경우 고온소둔에 의한 히트 버클(Heat buckle)과 같은 결함의 발생이 빈번하며 생산성 악화등의 문제점이 있으므로 연속소둔로에서 연질 석도원판의 제조시 재결정온도를 730℃이하로 낮추는 것이 바람직하다.
그리고 통상의 연속소둔에 의한 연질석도강판의 경우 극저탄소강에 Nb를 첨가함에 따라 주석도금후의 강의 내식성이 열화되어 사용용도가 일부 한정되는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명은 낮은 소둔온도에서 연속소둔법으로 연질석도원판을 제조함으로써 생산성을 향상시키고 석도금후의 내식성도 향상시킴과 아울러 제관단계에서 디엔아이 가공시의 가공성을 향상시키고, 또한 디엔아이 가공후의 소부공정에서 소재의 항복강도를 올려 내압강도를 향상시킴으로써 캔용 소재의 가공성 및 캔의 안정성을 동시에 확보할 수 있는 주석도금원판의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 주석도금원판 제조방법은, 중량%로, C :0.003∼0.006%, S :0.012% 이하, N :0.003% 이하, Mn :0.05∼0.20%, Al :0.03∼0.06%, V :0.005∼0.035%를 첨가하되, V의 첨가량을 (50/14)×(N량) 이상, (50/14)×(N량) + (50/12)×(C량) 이하로 조정하고, 강의 제조시 불가피하게 함유되는 불순물을 포함한 알루미늄 킬드강을 1200∼1250℃ 에서 균질화처리후 마무리열간압연온도를 Ar3변태점 직상인 900∼930℃로하여 마무리압연하고, 620∼680℃에서 열연권취를 실시하여 열연판의 페라이트 결정립을 조대화시킨후 통상의 압하율인 85∼90%로 냉간압연하고, 저온 소둔 온도 범위인 690∼730℃에서 연속소둔하여 제조하는 구성이다.
이하에서는 양호한 실시예와 관련하여 본 발명에 따른 내압특성이 우수한 주석도금원판의 제조방법에 대하여 상세하게 설명한다.
먼저, 본 발명에서 알루미늄 킬드강의 성분 조성 및 제조시의 수치 한정 이유를 설명한다.
탄소(C)는 고용강화와 소부에 의한 경화 효과를 가진다. 탄소 함량이 0.003중량%(이하 %라고 함) 이하로 되면 충분한 내압강도의 상승이 얻어지지 않으며, 0.006% 이상이 되면 과포화 고용탄소가 증가하여 고용경화에 의한 경도 증가의 요인으로 작용하고 또 페라이트 결정립을 미세화시켜 재질을 경화시키게 되므로 0.003∼0.006% 범위로 제한하였다.
질소(N)는 고용경화에 의해 현저히 경도를 상승시킬 뿐만 아니라 과다 첨가시 시효를 일으키며, 또한 바나듐(V)이나 알루미늄(Al)계 질화물로 석출되기 때문에 적정 내압강도 상승 효과를 확보하기 위해서는 질소의 성분 범위를 가능한 좁게 관리할 필요가 있다. 그러므로 안정적 재질 확보를 위해 질소의 첨가량을 0.003% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
망간(Mn)은 0.05% 이하로 첨가하면 황에 의한 적열취성을 방지하기 곤란하며, 0.20% 이상이 되면 고용경화에 의해 재질이 경화되어 가공성을 열화시키므로 0.05∼0.20%로 제한하였다.
알루미늄(Al)은 탈산 목적으로 첨가되며, 또 강중의 질소를 알루미늄나이트라이드(Aluminum Nitride)(AlN) 형태로 석출시켜 고용질소에 의한 경화 효과를 제거한다. 0.03% 이하로 첨가될 경우 강중의 산화성 개재물이 증가하여 가공성이 열화되며, 과다하게 첨가시 오히려 AlN에 의해 페라이트 결정립의 성장이 억제되어 경도 상승의 요인이 되고 소둔온도의 상승을 유발하므로 0.03∼0.06%로 제한하였다.
고용원소의 고착효과를 얻기위해 첨가되는 바나듐(V)의 경우 미세하게 존재하는 니오븀(Nb) 석출물과는 달리 고온에서 다소 조대한 석출물을 형성하여 페라이트 결정립의 성장 억제 효과를 크게 나타내지 않으면서 강중의 고용원소를 일부 고착하여 강의 성형성을 개선하는 효과를 나타낸다.
그러나 바나듐 량이 0.005% 이하에서는 상기와 같은 효과를 얻기 어려워 극저탄소 알루미늄킬드강과 동일한 특성을 나타내어 소부후의 내압강도는 커지지만 가공성이 열화되는 문제점이 있다.
또한, 바나듐 첨가량이 0.035%를 초과할 경우에는 열연판 석출물 분포가 미세화됨에 따라 연속소둔시 페라이트 결정립의 회복 및 재결정을 지연시켜 재결정온도를 상승시킬 뿐만 아니라 강중의 질소는 물론 고용탄소를 모두 탄질화물의 형태로 석출시킴에 따라 내압강도의 상승효과를 기대하기 곤란하다. 따라서 그 첨가범위를 0.005∼0.035%로 제한하였다.
또한, 바나듐은 탄화물등의 석출물을 형성하므로 탄소의 양과 더불어 바나듐의 양을 제어함으로써 바나듐 첨가 효과를 확보할 수 있다. 따라서 저온소둔에 의해서도 안정적으로 연질의 주석도금원판을 제조하고, 또한 제관공정에서의 디엔아이(D&I) 공정후 소부처리에 의한 내압강도의 향상을 위해서 바나듐량은 (50/14)X(N량) 이상, (50/14)X(N량) + (50/12)X(C량) 이하로 제한할 필요가 있다.
본 발명에서는 이상의 조성을 가지는 강슬라브를 1200∼1250℃에서 균질화처리후 Ar3온도 직상인 900∼930℃에서 마무리 열간압연하고 620∼680℃에서 권취하므로써 열연판의 결정립을 현저하게 조대화시켜 준다.
슬라브 재가열온도 1200℃ 이하에서 강은 균일한 오스테나이트 결정립이 되지 못하고 혼립이 발생하며, 1250℃ 이상에서는 표면에 스케일(Scale)층이 과다하게 발생하여 제품의 손실이 크므로 1200∼1250℃로 제한하는 것이 바람직하다.
마무리 열간압연온도가 오스테나이트 단상역 온도보다 낮은 900℃ 이하로 떨어질 경우 페라이트 조직의 혼립화가 촉진되고 열간압연시 압연하중을 증대시켜 생산성에 지장을 줄 뿐만 아니라 열연 코일(Coil)의 톱(Top)및 테일(Tail)부 등이 페라이트 영역으로 되어 가공성이 열화되며, 또한 930℃ 이상인 경우 현저한 조대립이 발생하여 가공성을 열화시키므로 900∼930℃로 한정하였다.
또한, 열연 권취온도가 620℃ 이하인 경우 페라이트 결정립을 미세화시켜 가공성을 열화시키고, 680℃ 이상의 고온권취시는 열연 결정립을 너무 조대화시켜 가공시 오렌지 필(Orange peel)과 같은 결함을 유발시킬 수 있으므로 열연권취 온도를 620∼680℃로 제한하였다.
열간압연이 완료된 강은 주석도금원판용 소재의 통상적인 압하율인 85∼90%로하여 냉간압연후, 과시효영역이 있는 통상의 연속소둔 열처리 사이클(Cycle)을 적용하여 소둔시 소둔온도는 재결정이 완료되고 충분한 결정립 성장이 일어나는 690∼730℃가 적당하다.
소둔온도가 690℃ 이하가 되면 페라이트 결정립의 재결정이 완료되지 않고 일부 변형립이 존재함에 따라 경도값은 높은데 반하여 가공성이 매우 악화되며, 730℃ 이상이 되면 페라이트 결정립 성장에 의한 경도값의 감소가 가능하지만, 주석도금원판의 두께가 0.30mm 내외로 매우 얇기 때문에 연속소둔시 장력제어가 곤란하고, 생산시 고온소둔에 따른 작업성 악화가 예상되므로 소둔온도의 범위는 690∼730℃로 제한하는 것이 바람직하다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
실시예
표 1은 연속소둔시 저온소둔이 가능하고 디엔아이(D&I) 가공시 가공성이 우수하고 소부처리에 의해 내압강도의 상승효과를 나타내는 연질 주석도금원판을 제조하기 위한 본 발명강과 비교강의 화학성분 및 열연조건을 나타낸 것으로, A1∼A3강이 발명강이며, B1∼B5 강이 비교강이다.
한편 표 1에 나타낸 강을 열간압연, 냉간압연하고 각각의 소둔조건에서 소둔시 얻어진 경도(HR30T), 재결정여부 및 디엔아이(D&I) 가공후 200℃에서의 소부처리에 의한 내압강도의 상승효과를 표 2에 나타내었다.
강종 화학 성분(중량%) (50/14)N (50/14)N+(50/12)C 열연마무리온도(℃) 비고
C Mn S S.Al N V Nb Ti
A1 0.0035 0.115 0.008 0.056 0.0022 0.015 - - 0.0079 0.0224 915 발명강
A2 0.0045 0.154 0.010 0.038 0.0016 0.022 - - 0.0057 0.0245 921
A3 0.0057 0.148 0.010 0.042 0.0029 0.031 - - 0.0104 0.0342 919
B1 0.0018 0.148 0.009 0.039 0.0020 - - - - - 910 비교강
B2 0.0210 0.125 0.005 0.036 0.0042 - - - - - 880
B3 0.0058 0.250 0.010 0.056 0.0026 0.045 - - 0.0093 0.0335 915
B4 0.0047 0.130 0.010 0.038 0.0025 - 0.018 - - - 917
B5 0.0020 0.150 0.008 0.038 0.0023 - - 0.031 - - 921
강종 열연권취온도(℃) 냉간압하율(%) 소둔온도(℃) 경도(HR30T) 조질도1)(≤T2) D&I가공성2) 항복강도상승치3)(㎏f/㎟) 비 고
A1 660 88 630 65.0 × × - 비교재1
650 59.4 × × - 비교재2
700 52.3 5.1 발명강1
720 51.5 4.7 발명강2
760 49.8 3.6 비교재3
A2 620 89 600 68.7 × × - 비교재4
690 51.8 4.1 발명강3
730 51.5 3.9 발명강4
A3 680 87 630 64.3 × × - 비교재5
700 52.1 3.9 발명강5
720 50.9 3.7 발명강6
B1 640 87 690 50.5 1.6 비교재6
B2 640 89 690 57.6 × × - 비교재7
B3 640 87 650 72.3 × × - 비교재8
700 67.9 × × - 비교재9
770 51.4 0.8 비교재10
B4 680 88 650 76.7 × × - 비교재11
700 71.3 × × - 비교재12
760 53.7 1.5 비교재13
B5 680 87 730 51.6 0.4 비교재14
1)조질도(≤T2): ○ (조질도 T2 이하 만족), ×(조질도T2 이상)
2)D&I 가공성: ○ (양호), ×(불량)
3)항복강도상승치: 소부처리에 의한 D&I 캔 밑바닥부 항복강도 상승값을 나타내 며 측정치가 없는 것은 D&I 가공불량에 따라 측정할 수 없는 경우임
발명강 A1, A2, A3 는, 중량%로, 탄소(C) 0.003∼0.006%, 망간(Mn) 0.10∼0.20%, 황(S) 0.008∼0.010%, 질소(N) 0.0015∼0.0029%, 바나듐(V) 0.015∼0.031% 이면서, 바나듐(V)의 첨가량이 (50/14)×(N량) 이상, (50/14)×(N량) + (50/12)×(C량) 이하로 제어한 것으로, 소둔온도가 본 발명의 범위보다 낮은 690℃이하(비교재1,2,4,5)에서는 재결정이 완료되지 않아 HR30T 59∼69로 높은 경도를 나타내지만, 본 발명 범위내 소둔온도인 690∼730℃(발명강 1∼6)에서는 재결정이 완료되었으며, 또한 경도도 고용원소의 고착효과 등에 의해 HR30T 51∼53 수준으로 조질도 T2 이하의 연질 석도원판의 제조가 가능하였다.
반면에, 소둔온도가 730℃ 이상(비교재3)에서는 재결정립 성장에 의해 경도값은 감소하나 고온소둔에 따른 작업성 열화 등의 문제점이 있으므로 본 발명의 범위에서는 제외하고, 소둔온도의 범위를 690∼730℃로 제한함으로써 기존의 연질 주석도금원판의 생산시 문제가 되었던 고온소둔에 의한 작업성 열화 등의 문제점을 크게 개선할 수 있었다.
또한, 제관공정에서의 디엔아이(D&I)가공을 실시하고 200℃에서의 소부처리시 캔 밑바닥의 항복강도 상승은 3.5∼5.0kgf/㎟으로서 본 발명강에 의해 성형성과 내압강도가 우수한 냉연강판을 제조할 수 있었다.
비교재인 B1 및 B2는 각각 탄소 함량이 0.0018% 및 본 발명 제조방법의 탄소 범위를 벗어나는 바나듐(V) 무첨가강으로서 B1재(비교재6)는 본 발명 범위내의 소둔온도에서 연질의 석도원판을 제조할 수 있었으나, 탄소 함량이 너무 낮음에 따라 소부처리에 의해 캔 밑바닥의 항복강도 상승이 1.6kgf/㎟ 수준으로 낮아 캔의 안정성을 기대하기 곤란하였다.
또한, 본발명 범위보다 탄소 함량이 높은 B2재의 경우(비교재7), 얻을수 있는 조질도의 하한치가 T3(HR30T 57±3) 수준으로 조질도 T2 이하의 연질 석도원판을 확보할 수 없었다.
그리고, 바나듐의 첨가량이 0.040%로서 본 발명의 범위를 벗어나는 B3재의 경우 본 발명 범위내 소둔온도(비교재9)에서 미재결정 조직을 나타냄에 따라 고온 소둔이 필요한 문제점이 있었으며, 또한 완전한 재결정이 일어나는 760℃ 이상의 소둔온도(비교재10)에서도 바나듐의 첨가량이 높음에 따라 고용 탄소를 모두 고착시킴에 따라 디엔아이 가공후 소부처리에 의한 항복강도의 상승분이 0.5kgf/㎟으로 매우 낮은 수준을 나타내어 캔의 내압강도 향상 측면에서는 부적합하였다.
B4 및 B5재는 타원소의 경우 본 발명강의 범위를 만족하고 있으나 특수원소로서 각각 니오븀(Nb) 및 티타늄(Ti)을 첨가한 강으로서, B4의 경우 Nb 첨가에 따른 미세 석출물 형성에 의해 재결정온도가 급격히 상승하여 목표로 하는 연질의 석도원판을 제조하기 위해서는 760℃ 이상(비교재13)의 고온소둔이 필요함에 따라 연속소둔시 히트 버틀(Heat buckle)과 같은 결함 발생이 용이하여 현저히 작업성을 저하시키는 문제점이 있었다.
Ti를 첨가한 B5의 경우 본발명의 소둔온도 범위(비교재14)인 730℃ 내외에서 연질 석도원판 제조가 가능하였으나, Ti량이 과다하게 첨가되어 Ti가 고용원소를 모두 고착함에 따라 200℃에서의 소부처리에 의한 재질 경화 효과가 얻어지지 않았다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 탄질화물 원소로서 바나듐을 첨가한 극저탄소 알루미늄 킬드강을 사용하여 바나듐의 첨가량을 단독 및 탄소와의 원자비로서 제어하고 슬라브재가열온도 1200∼1250℃, 마무리열간압연 및 열연권취를 각각 900∼930℃와 620∼680℃로 제어함으로써 냉간압연 강판의 재결정온도를 낮추고, 이를 이용하여 저온의 소둔온도에서도 연질의 석도원판을 제조하고, 제관단계에서의 디엔아이(D&I) 가공후의 소부처리에 의해 캔의 내압강도를 상승시킬 수 있다.
특히, 본 발명에 의해 제조된 석도원판의 경우 디엔아이 캔과 같이 가공후 소부처리를 실시하는 용도에 적용시 우수한 가공성 및 내압특성을 얻을 수 있을 뿐 아니라, 기존의 연속소둔법에 의한 연질 주석도금원판의 제조시 고온소둔에 의한 작업성 및 재질의 안정적 확보가 곤란하였던 문제점을 해결함으로써 저온의 소둔온도에서도 가공성 및 내압특성이 우수한 조질도 T2 이하의 주석도금원판을 제조할 수 있다.

Claims (1)

  1. 중량%로, 탄소(C):0.003∼0.006%, 황(S):0.012% 이하, 질소(N): 0.003% 이하, 망간(Mn):0.05∼0.20%, 알루미늄(Al):0.03∼0.06%, 바나듐(V):0.005∼0.035%를 첨가하되, 바나듐의 량을 (50/14)×(N량) 이상, (50/14)×(N량)+ (50/12)×(C량) 이하로 조절하고, 강의 제조시 불가피하게 함유되는 불순물을 포함한 알루미늄 킬드강을 1200∼1250℃에서 균질화처리후, 마무리열간압연 온도를 Ar 변태점 직상의 900∼930℃로하여 마무리압연을 실시하고, 이어 620∼680℃에서 열연권취를 실시하고, 통상의 압하율인 85∼90%로 냉간압연후, 690∼730℃의 저온 소둔온도범위에서 연속소둔하는 것을 특징으로 하는 내압특성이 우수한 연질 주석도금원판의 제조방법.
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