KR100362084B1 - 선영성이 우수한 아연-니켈 복합 전기아연도금강판의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차용 Zn-Ni 강판을 제조시에 냉간압연과 조질압연에 특정가공 모드를 사용한 방전가공(EDT)로울 가공방법을 적용하며 조질압연에서의 최적 연신율 적용과 이러한 방법으로 제조된 냉연강판을 Zn-Ni 도금한후 상호 상관성을 제어하여 최종 제품인 Zn-Ni강판의 표면조도특성을 파상도(Wca)≤0.4, DOI 90% 이상의 고선영 Zn-Ni 강판을 제조하는데 그 목적이 있다. 상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은 초기 TCM #5 로울(Roll)을 방전가공(EDT)적용하였으며 가공모드는 용량(-)로 하여 상로울 2.0㎛, 하로울 2.0㎛를 적용하고 조질압연에서도 방전가공(EDT)로을을 적용하여 가공모드는 용량(-)로 하여 각각 상로울조도는 2.0㎛, 하로울조도는 2.0㎛으로 하였다. 또한 적용소재는 IF(Interstitial Free)강을 채택하였고 소재 두께 0.8mm에 대해 다수의 시험을 거쳐 조질압연 연신율을 0.7으로 하였다. 전기 용융도금공정에서 극간거리 조절을 통한 전류밀도제어 및 콘덕터(conductor) 로울을 로버(robber) 로울로 교체하고 양면 부착량 기준 20~24g/㎡으로 관리하여 궁극적으로 냉간압연에서의 파상도(Wca)를 0.4㎛ 이하 관리 및 조질압연에서의 파상도 (Wca)를 0.4㎛ 이하 관리한 후 EG Zn-Ni 파상도를 0.4㎛ 이하로 제어하고 DOI 지수를 90% 이상인 고선영성 Zn-Ni 강판의 제조방법에 관한 것이다.

Description

선영성이 우수한 아연-니켈 복합 전기아연 도금강판의 제조방법 {The method of manufacture Zn-Ni alloyed electro-galvanized steel with superior image clarity}

본 별명은 자동차 외판재로 사용되는 전기아연도금(EG) Zn-Ni강판의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 그 중에서도 외판재 적용 및 고선영성 확보를 위해 로울을 EDT(Electro Discharge Texturing, 방전가공)로 가공하여 CR강판과 Zn-Ni 강판의 표면 조도 제어를 통한 고선영 Zn-Ni강판을 제조하는 방법에 관한 것이다.

EG Zn-Ni 강판은 표면이 미려하고 내부식특성 및 도장성이 우수하여 자동차 외판재등에 적용되고 있다. 자동차용 외판재로 사용키 위해서는 표면품질 특성이 가장 중요한 제조조건이 되고 있다. 특히 자동차 외판재는 최종적으로 도장처리를 하게 되는데 소재(여기서는 Zn-Ni 강판)의 흠이나 스크래치는 전혀 없어야 함은 물론 선상굴곡등이 없어야 하는데 이는 이러한 결함들은 도장후 제품 표면에 나타나기 때문이다. 전기아연도금 Zn-Ni강판제조를 위해서는 핫코일을 냉간 압연한후 다시 이 강판을 조질압연하게 되고 EG Line에서 전기 도금처리를 하게 되며 이 과정에서 이물질.흠.스크래치의 외관 결함을 철저히 제거해야 함은 물론 부여된 조도에 따라서 최종 EG재의 조도 패턴도 달라지고 각종 선상 굴곡의 형태도 제어되어야만 한다.

따라서 많은 압연메이커들은 이러한 표면품질확보에 노력을 기울이면서도 자동차용 외판재로 Zn-Ni 공급에 많은 어려움을 격고 있다. 로울 가공방법은 연삭만 한 브라이트로울(Bright Roll)과 조도를 부여하기 위한 가공방법인 숏블라스트 (Shot Blast), 방전가공(EDT : Electro discharge Texturing), 레이저가공(LDT : Laser Dull Texturing), 전자빔가공(EBT : Electron Beam Texturing) 등이 있다. 로울에 조도를 부여하면 소재와의 압하에 의해 로울의 조도가 소재에 전사되는 것을 기초로 하고 있다.

숏블라스트는 가장 널리 적용되는 로울 가공방법이고 방전가공은 최근에 널리 보급되어 생산적용 중이다. 그러나 이러한 가공방법으로는 정밀하게 조도를 제어할 수가 없어 고선영 강판제조에 한계가 있었다. 따라서 최근각광을 받기 시작한 레이져 및 전자빔 가공방법등을 통해 고선영제조방법들이 속속 개발 되었다. 그러나 이러한 레이저가공나 전자빔가공 등은 생산성이 극히 떨어지고 설비의 고가로 말미암마 적용에 많은 문제점이 있는 것이 현실이다. 최근까지 조사된 바로는 고선영 제품을 얻기 위한 방법으로는 레이저가공나 전자빔가공 등의 설비를 이용한 제조방법뿐이었으나 전술한 문제로 숏블라스트 및 방전가공을 이용한 고선영 강판의 제조 기술들에 대해 많은 연구가 진행되고 있다.

일반적인 조도(여기서 Ra라 칭함)는 그 파장이 매우 짧아(0.8mm 이내) 도장을 하게 되면 대부분의 조도는 그 영향을 미치지 못하는 것으로 알려지고 있으나 파상도(여기서 Wca라 칭함)는 파장이 0.8~8mm의 범위를 가지는 조도로서 도장후에도 영향을 미쳐 제품 품질(굴곡 및 선영성)에 많은 영향을 끼치고 있다. 고선영성을 나타내기 위해서는 Wca가 0.5㎛ 이내가 되어야 하는데 레이저가공나 전자빔가공의 경우 Wca가 거의 0~1㎛ 이내가 보장이 되고 선영도(DOI : Distictness of Image )값이 93~97 수준의 높은 값이 얻어진다는 보고가 있다. 전술한 바와 같이 이와 같은 설비는 고가이며 낮은 생산성과 유지관리의 어려움으로 인해 설비 도입이 쉽지 않는 것이 현실이며 숏블라스트와 전자빔가공은 설비의 한계로 고선영성제조가 불가능하였다.

이러한 이유는 숏블라스트의 경우 로울 표면에 무작위로 가해지는 철분말입자로는 로울 표면조도 가공이 가능하나 파상도 제어는 어려운데 이는 가해지는 분말이 조도산과 골을 무작위로 가공하기 때문에 장파장 조도지수인 파상도 제어가 어려운 때문이다. 방전가공의 경우는 높은 산부터 선별 가공되므로 파상도 측면에서는 다소 개선 가능하며 특히 가공모드별로 가공특성이 다르기 때문에 최적 조건을 통해 양호한 파상도를 얻기 위한 노력들이 일부 연구되고 있다. 이러한 사례는 냉간압연로울과 조질압연로울에 방전가공 로울을 적용하고 적정모드선택과 적정조도를 부여하고 조질압연 연신율 등을 조절하는 것 등을 골자로 하고 있다.

통상 이러한 방법을 채택한 배경은 숏블라스트(Shot Blast)의 경우 조도와 파상도가 대체적으로 비례한다는 조사와 소재의 최종조도가 1.3~0.7㎛이어야 하는품질 요구조건의 한계로 파상도(Wca)를 낮추기 위해서는 로울 초기조도를 낮추어야 하는데 이런 경우 낮은 조도로 인해 일부 파상도를 만족할수 있으나 로울 수명이 극히 짧아지는 단점이 있어 실제 상업생산 적용이 불가능하다는 것이며,

방전가공의 경우는 모드와 상관없이 조도와 파상도가 직선적으로 급격히 증가하지는 않으나 역시 조도가 1.0㎛ 이상시는 파상도가 고선영 요구수준에 일부 Over되는 부분이 있어 조도를 낮출 경우 역시 로울 수명이 제한되는 경우가 발생되어 생산제품 전체의 고선영성을 얻는데 한계가 있는데 로울 수명을 연장시키는 방법으로 Cr코팅 등을 행하는 방법이 일부 시행되고는 있으나 공해문제로 또한 적용이 어려운 형편이다.

따라서 방전가공의 경우는 적정모드 선정과 초기로울 조도를 낮추는 방안 그리고 조질 압연에서의 연신율을 1.0% 이하로 하여 선영성을 갖추는 것은 기존까지 알려진 연구들이다.

본 발명은 상술한 문제점을 극복하기 위해 냉간압연 및 조질압연후 전기 아연도금을 실시하는 과정에서의 조도 및 파상도의 엄격제어를 위해 압연단계마다 방전가공 로울 적용 및 모드의 선정, 압연후와 도금재와의 상관성 연구를 통해 파상도가 0.4㎛ 이하이며 DOI가 90% 이상인 고선영 Zn-Ni 자동차용 강판을 제조하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 이와 같은 목적을 달성하기 위해 냉간압연로울 #5 Stand이 EDT로울을 적용하였으며 또한 EDT가공모드를 용량(-)로 한 후 적용로울의 조도는 상로울2.0㎛ 및 하로울 2.0㎛로 기존 2.4㎛ 대비 낮추었으며 이로 인해 냉간압연후 파상도를 0.4㎛ 이내로 제어하였으며 조질압연로울에도 역시 EDT를 적용하였으며 조질압연 연신율을 0.7% 적용하고 또한 EDT가공모드는 용량(-)로 한 후 적용로울의 조도는 상로울 Ra 2.0㎛, 하로울 Ra 2.0㎛으로 하여 이때의 파상도를 0.4㎛ 이내로 제어하였다. 또한 이렇게 제조된 냉연강판으로 Zn-Ni도금을 실시한 후 파상도가 0.4㎛ 이하이고 DOI 값이 90% 이상인 고선영 Zn-Ni 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

제 1 도는 도금공정의 개략도이다.

따라서, 본 발명은 자동차용 Zn-Ni 강판을 제조시에 냉간압연과 조질압연에 특정가공 모드를 사용한 방전가공(EDT)로울 가공방법을 적용하며 조질압연에서의 최적 연신율 적용과 이러한 방법으로 제조된 냉연강판을 Zn-Ni 도금한후 상호 상관성을 제어하여 최종 제품인 Zn-Ni강판의 표면조도특성을 파상도(Wca)≤0.4, DOI 90% 이상의 고선영 Zn-Ni 강판을 제조하는데 그 목적이 있다. 상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은 초기 연속냉간압연(TCM) #5 로울(Roll)을 방전가공(EDT)적용하였으며 가공 모드는 용량(-)로 하여 상로울 2.0㎛, 하로울 2.0㎛를 적용하고 조질압연에서도 방전가공(EDT)로을을 적용하여 가공모드는 용량(-)로 하여 각각 상로울조도는 2.0㎛, 하로울조도는 2.0㎛으로 하였다. 또한 적용소재는 IF(Interstitial Free)강을 채택하였고 소재 두께 0.8mm에 대해 다수의 시험을 거쳐 조질압연 연신율을 0.7으로 하였다. 전기 용융도금공정에서 극간거리 조절을 통한 전류밀도제어 및 콘덕터 (conductor) 로울을 로버(robber) 로울로 교체하고 양면 부착량 기준 20~24g/㎡으로 관리하여 궁극적으로 냉간압연에서의 파상도(Wca)를 0.4㎛ 이하 관리 및 조질압연에서의 파상도 (Wca)를 0.4㎛ 이하 관리한 후 EG Zn-Ni 파상도를 0.4㎛ 이하로 제어하고 DOI 지수를 90% 이상인 고선영성 Zn-Ni 강판의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

EDT 방전가공은 1차 연삭된 로울을 EDT(방전가공) 가공을 한 것으로서 가장 높은 산부터 방전가공됨으로서 깊은 골이 가공되지 않는다. 따라서 전체적으로 로울이 평활하게 되는 특징을 가지고 있다. 이는 장파장 조도지수인 Wca를 낮추는 효과가 있다. EDT가공에는 5가지 가공모드가 있는데 로울에 부여되는 조도 상태는 모드별로 다르다. 다섯가지 모드는 용량(+) , 용량(-) 그리고 Psedo 모드 및 임펄스 (Impulse)(+) 및 임펄스(Impulse)(-) 모드로 작업은 대체로 용량(-)과 임펄스 (Impulse)(+) 모드를 사용한다. TCM 로울은 현재까지 EDT 로울을 적용하지 않고 브라이트 로울만은 적용하거나 숏블라스트를 적용하는 것이 일반적이다.

TEM #5 스탠드에 EDT 가공로울을 적용하는 것은 전술한 바와 같이 파상도 (Wca)를 낮추기 위함이다. 조도는 일반적으로 중심선 평균조도 Ra라 하여 자동차용 강판용으로 사용되기 위해 제품조도 0.7~1.2㎛가 적용된다, 그러나 이러한 조도는 도장시 대부분 소멸되기 때문에 중요하지 않은데 이는 파장이 짧고 조도 높이 또한 최대 1.3㎛(자동차용도)이기 때문이다.

그러나 파상도의 파장 범위는 0.8~8mm로서 눈에 보이기 직전의 조도 크기로서 도장후에도 파상도는 잔류되어 표면에 남게 되므로 표면품질 즉 선영성에 지대한 영향을 미친다. 이와같은 이유로 로울조도 부여시 EDT를 적용하였고 브라이트로울의 경우 조도 및 파상도가 매우 작으나 다소 불규칙하고 조질압연에서 전체 조도 부여에도 무리가 있다. 숏블라스트의 조도는 임의 조절가능하나 파상도 제어는 이론적으로 어렵기 때문에 적용대상이 될 수 없고 파상도 측면에서 유리한 EDT로울을 냉간압연 #5 로울에 적용하였다. 통상의 로울조도는 2.4 Ra ㎛로서 본 발명의 경우 상로울은 2.0㎛, 하로울은 2.0㎛로 적용하였다. 이는 초기로울 조도가 높은 경우 역시 파상도가 다소 높게 나타나는 것을 방지하였고 조도를 너무 낮게 할 경우 로울 수명이 극히 적게 되어 상업적용이 어렵게 된다. 냉간압연에서의 전체 압하율은 60~85% 수준이나 이는 압연로울이 5단계로 가공될 때 4단계까지 대부분 압연되고 #5로울 가공에서는 표면조도부여 및 형상교정 등의 목적으로 압하율이 크지 않다. 따라서 최종 로울에서의 조도부여로 냉간압연후 Wca(파상도)를 0.4㎛ 이하로 관리할 수가 있었다.

냉간압연된 강판은 단단하기 때문에 열처리를 행하고 표면 형상 및 조도제어를 위해 조질압연(skin pass)을 행하는데 역시 통상의 로울 가공 수준인 2.4Ra ㎛를 사용하지 않고 상로울 및 하로울에 각각 2.0Ra ㎛로 가공한다. 역시 EDT 가공 및 적용모드는 용량(capacity)을 적용한다. 이는 조질압연의 로울 조도는 조질압연시 연신율에 비례하여 소재에 전사되는데 로울 조도가 높게 되면 많은 양의 전사로 말미암아 강판조도가 높아지게 되는 것을 방지하기 위함이고 소재조도가 Ra 1.0 이상 높으면 역시 파상도도 일부 0.4㎛를 넘을 수가 있기 때문이다.

일반적으로 임펄스(Impulse)(+)모드를 적용하면 피트카운트가 많아지고 조도가 균일하며 파상도 측면에 양호한 것으로 알려져 있지만 본 발명에서는 냉간압연 및 조질압연 모두 용량(capacity)(-) 모드를 적용하였다. 이는 피크수는 적은 것으로 나타나 있으나 이는 소재의 도금처리와 관계된다. 즉 2~3㎛ 이내의 Zn-Ni도금시에 피크수가 많고 조도폭이 짧을 경우 도금층의 조도 불안정요인을 가져오게 된다. 따라서 냉연강판 자체만 보았을 때 임펄스(+)가 유리하나 도금측면을 고려할 때 조도폭이 크고 피크수가 적은 용량(capacity)(-) 모드를 선택함이 유리하다.

통상 Cr처리되지 않은 로울의 수명은 250km이나 이는 조도로울 Ra 2.4㎛로 가공하였을 경우이며 조도를 Ra 2.0 수준으로 가공시는 로울 수명이 극히 짧아지게 되어 생산에 문제가 있다. 실제로 조도가 낮을 경우 로울 수명은 100㎞를 버티지 못한다. 물론 자동차용도로 공급되기 위한 최소 강판 조도를 만족하기 위함이다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위한 조치로서 재질별, 조질압연연신율별로 연관관계를 조사한 결과 본 발명에 사용된 재질(IF Steel)(C) 20~30ppm, N(16~20ppm), P(80~120ppm), S(40~60ppm) 및 Ti(200~600ppm)의 성분 농도를 가지는 소재에 대해서 소재 두께 0.8mm에 대한 적용연신율을 0.7%로 하였다. 또한 연신율의 비례관계에 따라 초기 연신율은 0.7% 50km에서, 100km에서는 0.8%의 연신율 적용, 100~ 150km 구간에서는 0.9%의 연신율을 적용하였고 150~250km구간에서는 1.0%의 연신율을 적용하여 로울 수명단축없이 소재냉연강판을 제조하였고 도금공정에서는 극간거리를 기존 상부에서 32mm로 하던 것을 16mm로 좁혔고 하부의 경우도 16mm에서 8mm로 좁힘으로서 일정 전류를 흘리면서도 도금전류밀도를 크게 하여 궁극적으로 도금층이 평활하게 도금이 될 수 있도록 하였고 도금시 압착으로 인한 표면결함요인을 가져오는 셀(cell) 13번에 기존 스텐레스로울을 사용하지 않고 고무로울을 사용함으로서 표면 조도품질을 확보할 수 있었다. 이로 인해 도금후에도 강판의 조도(Ra) 및 파상도(Wca)의 변화가 없도록 한 것이 특징이다.

실시예

이하 실시예를 통해 본 발명을 설명한다.

표 1에서 보는 바와 같이 브라이트 로울 적용시는 Ra가 대체적으로 매우 낮으나 다소 불규칙하고 Wca의 경우도 낮고 높은 것의 조절이 부적절한 것으로 발견되고 있다. 숏블라스트의 경우 대체적으로 조도가 0.7~0.99㎛의 범위에 있었고, 파상도(Wca)는 0.55에서 0.75㎛로 대체로 높게 나타남을 알 수 있었다.

방전가공(EDT)의 경우 기존 2.4㎛와 발명재의 2.0㎛를 적용하였다.

2.4 Ra의 경우 소재의 조도는 0.54~0.75로 대체로 높았고 Wca의 경우도 0.32에서 0.57㎛로 높은 대체로 양호하나 일부 높게 나타났다. 이는 초기로울 조도가 높아 일부 파상도 지수에도 영향을 미친 것으로 보인다. 초기로울 조도를 2.0㎛로 낮춘결과 소재 Ra가 매우 낮아졌고 Wca도 0.29에서 0.4㎛로 목표로한 파상도 수준인 0.4㎛를 만족하고 있었으며 냉간 압연단계에서 로울 수명은 큰 차이가 없었다.

표 2는 조질압연후 조도분석결과로서 압연거리별 조도 및 파상도를 나타낸다. 방전가공을 사용하였더라도 초기조도가 높게 되면 전사율과 관련되어 소재의 초기조도가 높게 되고 파상도도 목표로 한 0.4㎛를 넘게 된다. 냉간압연과 조질압연에서 초기조도를 낮춘 결과 초기부터 목표로 한 파상도값 0.4㎛를 만족하였으나 로울폐기 수준인 소재조도 0.7㎛(Ra)에 이르는 거리가 짧아 로울 교체로 이한 로울 수명 단축이 문제가 된다. 따라서 로울수명을 단축시키지 않고 파상도를 유지하는 기술이 요구된다.

표3의 경우 두께에 따른 적용 연신율의 범위를 나타낸다.

보는 바와 같이 두께가 두꺼울수록 연신율이 높게 적용되야 하고 연신율이 적을수록 강판의 전사율은 급속히 떨어지므로 이러한 연신율은 로울 수명과 직접적 관계를 가진다. 재질에 따라서 고장력강은 일반강(IF)강대비 높은 연신율을 적용하여야만 소재 강판의 조도를 유지할 수 있는 것이다. 본 발명에 사용되는 강재는 통상 두께 0.7mmt~0.9mmt로서, 본 실시예에서는 0.8mmt를 기준으로 하고, 적용연신율은 0.7%로 선택하였으나, 표 2에서 보는 바와 같이 지속적으로 연신율을 0.7%로 적용시는 로울 수명이 초기로울 조도가 낮은 관계로 낮게 되므로 지속적으로 연신율은 높일 필요가 필요하다. 따라서 표 4와 같이 연신율은 압연거리대비 증가 시킬 경우 로울 수명 단축없이 원하는 파상도와 조도값을 구할 수 있었다.

도 1에서 보는 바와 같이 도금공정에서 기존 작업시에는 아노드 갭(Anode gap)을 상부 및 하부로울에 각각 32mm 및 16mm를 적용하였으나 본 발명에서는 각각 16mm 및 8mm를 적용함으로 동일전류하에서 전류밀도를 높여 표면 평활도를 높인 도금층을 얻고저 하였고 도금표면에 눌림자국을 발생시킬 수 있는 13번 셀에 스테인레스로울 대신에 고무로울을 적용하여 도금층의 상부/배면의 표면품질차이를 없앴고 색차도 방지하였다.

이러한 제조방법을 통한 결과로서 공정단위별 조도 패턴을 구하여 보면 표 5와 같다.

즉 냉간압연후 조질압연한결과 선영성에 직접 영향을 주는 파상도(Wca)의 경우 0.35㎛로 매우 양호 하였으며 조질압연판과 Zn-Ni 도금후 조도가 동일함으로서 용량(-)모드 적용이 유효했다고 판단되며 또한 최종 제품인 EG Zn-Ni 강판의 선영성을 DOI 기준 90~92% 유지할 수 있었다.

본 발명에 의해서 냉간압연 및 조질 압연단계에서 압연로울의 표면상태를 제어하고 조질압연율의 제어와 방전가공모드를 제어하고 도금과정의 최적화를 통해 선영성이 우수한 Zn-Ni 도금강판을 제조할 수 있는 효과가 있었다.

표 1

표 2

표 3

표 4

표 5

Claims (1)

1. IF 강을 원소재로 하는 전기도금 Zn-Ni 자동차용 외판재의 제조시 냉간압연 및 조질압연에 방전가공(EDT) 용량(-)의 적용과 적용로울의 조도를 각각 Ra 2.0㎛으로 하며 조질압연시 압하율을 압연거리에 따라 0.7%에서 1.2%로 변화시켜서 냉간압연에서 파상도(Wca)를 0.4㎛, 조질압연에서 파상도(Wca)를 0.4㎛이하로 하는 단계와 Zn-Ni 도금시 양극간 거리를 상부로울 및 배면로울의 극간거리를 각각 16mm 및 8mm로하며 13번 셀(cell)에서 고무로울 사용하여 도금 평활성을 향상시켜 최종 Zn-Ni도금강판의 표면을 파상도(Wca) 0.4㎛ 이하 및 선영도(DOI)지수를 90% 이상으로 하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한 선영성이 우수한 Zn-Ni 강판의 제조 방법.