KR100515048B1 - 스틸 2피스 캔용 고강도 석도원판의 제조법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 2피스 캔용 고강도 석도원판의 제조법에 관한 것으로서,특히 종래의 강판두께 보다 얇은 소재를 사용하여 캔의 무게를 감소시키며 소재의 강도 증가에 의하여 가공에 필요한 충분한 가공성을 확보하고 가공 후에는 캔의 압축강도와 내압강도를 동시에 만족하는 2피스 캔용 고강도 강판의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 강중 탄소의 함량이 중량비로 0.09% 이상, 질소 0.010% 이상이고, 철 및 기타 원소 또는 불가피한 불순물로 이루어진 강을, 통상의 방법으로 재가열과 열간압연한 다음, 권취온도를 500℃ 이하, 연속소둔온도를 650℃ 이상으로 처리하는 것을 특징으로 하는 스틸 2피스 캔용 석도원판의 제조법을 제공한다.

Description

스틸 2피스 캔용 고강도 석도원판의 제조법{High strength packaging steel for 2-piece can}

본 발명은 2피스 캔용 고강도 석도원판의 제조법에 관한 것으로서,특히 종래의 강판두께 보다 얇은 소재를 사용하여 캔의 무게를 감소시키며 소재의 강도 증가에 의하여 가공에 필요한 충분한 가공성을 확보하고 가공 후에는 캔의 압축강도와 내압강도를 동시에 만족하는 2피스 캔용 고강도 강판의 제조방법에 관한 것이다.

최근 용기용 철강재는 경제적이며 내용물에 대한 안정적인 특성을 이용하여 식품 및 음료의 저장용기로 가공되어 널리 사용되고 있으며 향후에도 식생활의 변화에 따라 점차 확대될 전망이다.

이들 식음료용 저장용기는 캔의 형태로 가공하여 사용하고 있으며, 소형이므로 운반이 간편하고 이동 중에 손상이 없으며 저장방법에 있어서 고온 또는 저온 보관등 제한이 없는 특징이 있다. 철강재를 이용한 캔의 형태를 살펴 보면 캔의 구성 개체수에 따라 2피스 캔과 3피스 캔으로 구분하며 2피스 캔의 경우는 캔 바닥과 몸통이 일체이고 뚜껑이 있는 두 개의 개체로 구성되어 있고, 3피스 캔의 경우 몸통, 바닥 그리고 뚜껑의 세 개의 개체로 구성되어 있다. 2피스 캔은 3피스 캔에 비하여 내용물과 캔과 접촉하기 쉬운 용접부가 없기 때문에 내용물의 보관 안정성이 우수하며 산업적으로 고속생산이 가능하고, 캔 표면의 색상을 고려한 디자인이 일체형이므로 외관이 우수하고 가공공정이 단순하며 캔 가공공정에서 발생하는 환경 오염물질의 방출이 적으므로 최근에는 3피스 캔 보다 2피스 캔의 적용이 진행되고 있는 실정이다.

2피스 캔의 가공공정은 크게 드로잉(drawing), 리드로잉(redrawing), 아이어닝(ironing) 그리고 도밍(doming)공정으로 구분할 수 있다. 드로잉 공정에서 소재로부터 일정한 컵의 형태로, 리드로잉공정에는 컵의 직경을 감소하게 되며 아이어닝공정에서는 직경의 변화는 없이 두께를 단계적으로 감소하여 캔의 높이를 형성하고 최종적으로 도밍(doming)에 의해 캔의 바닥부를 가공하게 된다.

한편, 철강재 2피스 캔과 알루미늄 2피스 캔의 품질 특성을 비교하여 보면 다음과 같이 큰 차이가 있다. 철강재 캔의 경우 내용물의 종류에 관계없이 충분한 내식성을 가지기 때문에 보관하고자 하는 내용물에 대한 제한이 없으나 알루미늄 캔의 경우는 특히 염분이 함유된 식품에는 국부적 부식에 의해 저장이 곤란하며 현재까지도 염분함유 내용물을 알루미늄 캔에의 적용 실적은 없는 실정이다. 또한 철강재 캔의 경우 알루미늄 캔에 비하여 강도가 높기 때문에 캔의 안정성 즉 캔의 운반 중 캔에 작용하는 압축에 의한 용기의 손상이 적은 특징이 있다. 또 캔에 내용물을 보관하는 특성에 있어서는 내용물의 종류에 따라 캔 내부를 대기의 압력 보다 높게 하는 탄산음료 또는 스포츠음료등의 저장방법과 대기의 압력보다 낮게 하는 과일음료, 차 종류 또는 건강식품등의 저장방법으로 나눌 수 있다. 알루미늄의 경우는 철강재에 비하여 강도가 낮기 때문에 캔의 내부를 대기의 압력 보다 낮게 하는 경우 캔이 손상을 입기 때문에 사용할 수 없다. 그러나 철강재 캔의 경우는 충분한 강도를 가지므로 캔 내부의 압력에 관계없이 사용이 가능하기 때문에 내용물의 종류 또는 보관방법에 제한을 받지 않고 가장 널리 사용되고 있다.

앞에서 설명한 바와 같이 2피스 캔은 3피스 캔에 비하여 경제적이며 우수한 특성을 보이고 있음에도 불구하고 최근에는 2피스 캔에 대해 더욱 이점을 더하기 위하여 캔을 가볍게 가공하고자 하는 경량화 노력과 아울러 캔의 강도를 증가시키기 위하여 고강도의 강판 사용을 확대하고 있는 실정이다. 캔의 경량화는 소재의 두께가 얇은 경우 동일한 소재 무게에 대하여 캔의 생산량이 증가하기 때문이며 이러한 경량화 기술은 소재의 두께와 강도측면을 동시에 고려하게 된다. 즉, 소재의 두께가 얇아지면 캔 가공 후 무게는 감소하게 되지만 캔의 안정성인 수직 압축강도가 저하하고, 내부압력에 견디는 내압강도가 저하하게 된다.

캔을 가공하는 공정에서 소재의 가공성은 매우 중요하며 통상 소재의 재질이 연할 수록 가공에는 유리하지만 압축강도와 내압강도는 저하하게 되며 소재의 재질이 경한 경우에는 캔의 강도는 충분하지만 가공성이 열화하는 경향이 있다. 따라서 캔의 경량화를 위해서는 소재 두께의 감소와 강도의 증가는 불가피하므로 적절한 강도를 부여함으로써 소재의 가공성과 캔의 강도를 동시에 만족하게 하는 강판의 제조기술은 매우 중요하다고 할 수 있다.

한편 캔의 요구특성으로 탄산음료와 같이 내용물 중에 가스를 충진하는 경우 내부의 압력에 의해 캔은 팽창을 일으키며 이러한 경우 캔의 바닥부위에 변형이 생기므로 캔을 저장 적치하는데 어려움이 있어 운반의 편리성이 악화될 뿐 아니라 뚜껑에 부착되어 있는 손잡이(tab)와의 접촉에 의해 뚜껑이 열리게 되고 결국 내용물이 대기와의 산소 교환에 의해 변질될 가능성이 있다. 따라서 캔은 특히 내용물 중에 탄산가스를 주입하는 스포츠음료 및, 탄산음료 캔의 경우 바닥부위의 내압에 대한 변형저항을 크게 하여 운반성이나 내용물의 안정성을 확보할 필요가 있다. 그러나 앞에서 설명한 바와 같이 소재의 두께를 감소하여 캔을 경량화하는 기술은 소재의 두께가 얇기 때문에 캔을 가공한 후에도 바닥부위에서의 내부압력에 의한 변형저항 강도는 저하하게 되므로 두께의 감소에는 제한이 있다. 또한 내용물 충진후 뚜껑을 체결하는 과정에서 기계적으로 압력을 가하게 되지만 캔을 가볍게 하기 위하여 캔의 두께를 감소하는 경우 캔의 수직 압축강도가 낮게 되므로 이때 견디지 못하고 변형이 발생할 수 있다.

상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 종래의 소재의 두께 보다 얇은 강판을 사용하면서도 캔의 압축 및 내압강도를 충분히 확보할 수 있는 강의 화학성분, 열간압연 권취온도 및 소둔 열처리조건 을 적절히 제어하여 캔을 가공하기 전의 강판은 충분한 연신율을 가지며, 가공 캔은 압축강도 및 내압강도가 우수한 특성을 갖도록 하는 스틸 2피스 캔용 고강도 석도원판의 제조법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 강중 탄소의 함량이 중량비로 0.09% 이상, 질소 0.010% 이상이고, 철 및 기타 원소 또는 불가피한 불순물로 이루어진 강을, 통상의 방법으로 재가열과 열간압연한 다음, 권취온도를 500℃ 이하, 연속소둔온도를 650℃ 이상으로 처리하는 것을 특징으로 하는 스틸 2피스 캔용 석도원판의 제조법을 제공한다.

이하는 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 2피스 캔의 압축강도 및 내압강도 향상을 위한 고강도 석도원판의 제조법에 관한 기술로서 소둔 열처리후의 강의 재질은 충분히 강도가 높고 캔 가공에서는 충분한 연신율을 확보해야 하므로 성분원소를 적절히 제어하여 가공성이 확보되는 조건을 만족하도록 하였다. 특히 본 발명에서는 연속소둔 공정을 거쳐 강을 제조하는 기술이므로 소둔 열처리 이전에 충분히 강도를 확보할 수 있도록 강의 화학성분 중에서 탄소, 질소의 함량을 제한한 것이 특징이다.

따라서 강의 화학성분 이외에 열간압연 및 소둔조건이 본 발명기술의 범주내에 있다. 화학성분이 적절하지 않은 경우에는 목적으로 하는 강도를 만족할 수 없으며 마찬가지로 제조공정에서 열간압연 및 소둔온도는 재질을 제어하는 공정인자로서 적절하게 설정되어야 하므로 강의 화학성분 그리고 제조조건으로 열간압연 및 소둔열처리조건이 발명의 주요기술이다.

다음은 본 발명의 한정범위에 대한 이유를 설명한다.

본 발명의 화학성분에 있어서 탄소의 함량이 0.09%이상, 질소 0.010%이상이며, 이 성분을 가진 슬래브를 열간압연공정에서 권취온도를 500℃ 이하로 하고, 소둔 열처리 공정에서는 소둔온도를 650℃도 이상으로 처리를 함으로써 압축강도 및 내압강도가 우수한 스틸 2피스 캔용 석도원판을 제조할 수 있었다.

강중 탄소의 함량을 0.09%이상으로 한정한 사유를 설명한다. 강중에 포함되어 있는 탄소는 함유량이 증가할 수록 강화효과에 의해 강판의 강도는 증가하게 된다. 본 발명에서와 같이 강판의 두께를 감소하고 캔의 두께도 감소시키는 경우에는 소재 강판의 강도가 중요하며 가능한 강도를 증가할 필요가 있다. 본 발명의 실시예로서 비교예 1과 2에 나타난 바와 같이 강중 탄소의 함량이 0.09%이하인 경우 열간압연에서의 권취온도의 저하 또는 강중 질소의 증가만으로는 충분한 강도를 얻기 어려웠으며 캔의 강도도 충분히 얻기 곤란하였으므로 발명강의 목적을 달성하기 위하여 상기 탄소의 함량을 0.09%이상으로 제한하였다.

강중 질소는 탄소와 마찬가지로 침입형 원소로서 소량으로도 강을 강화효과가 있는 것으로 알려져 있다. 본 발명의 실시예로서 비교예 3과 4는 탄소의 함량은 발명강의 수준으로 높지만 질소의 함유량이 0.01%이하로 낮은 강으로 권취온도가 523℃로 종래예에 비하여 훨씬 낮음에도 불구하고 강의 강화에는 효과적으로 작용하지 못하여 충분한 강도를 얻을 수 없었다. 본 발명강에서 화학성분의 특징은 첨가되는 원소를 적절히 제어하여 강화효과를 최대화시키는 기술이며 이를 만족하기 위해서는 강중 질소의 함량이 0.010%이상이 되어야 한다.

한편 열간압연에서의 결정립의 크기와 탄화물의 제어를 목적으로 권취온도를 조절하게 되며 통상 권취온도가 낮을 수록 강판의 강도는 감소하게 된다. 또한 열간압연판에서의 강도는 냉간압연 및 소둔이후에도 영향을 미치게 되며 결정립의 미세화에 의한 재질의 강화는 소둔후 결정립 성장 억제 효과가 있으므로 제품에서의 강도는 증가하게 된다.

본 발명의 실시예중 비교예 5와 6, 종래예(1∼3) 또는 비교예 1과 3과 같이 권취온도를 550℃ 이상으로 하는 경우 재질의 연화에 의해 캔의 강도 증가는 나타나지 않았다. 따라서 본 발명강에서와 같이 캔의 강도를 증가시키기 위해서는 열간압연시 권취온도를 낮게 해야 하므로 500℃ 이하로 한정하였다.

상기의 제조공정에서 최종적으로 재질의 수준을 결정하는 공정은 소둔 열처리 공정으로 주로 온도의 제어에 의해 재질이 다르게 나타난다. 이 공정은 냉간압연에 의한 변형 결정립을 재결정에 의해 변형조직을 재거하고 새로운 재결정립을 형성하며 성장시키는 공정으로 소둔처리온도는 재결정이 진행할 수 있는 온도로 설정되어야 한다.

본 발명의 실시예중 비교예 7과 8은 소둔온도가 본 발명강 보다 낮은 600~620℃ 부근으로 탄소 및 질소의 함량 제어와 낮은 권취온도에 의해 강은 강화되어 있으나 소둔공정에서 재결정이 충분히 진행하지 못하여 일부 변형립이 존재하는 경우로서 캔을 가공하는 공정에서는 잔류하는 변형립의 연신율 부족으로 파단이 발생하는 문제점이 있었다. 따라서 본 발명에서는 소둔공정에서 재결정이 진행되도록 하여 잔류하는 변형립에 의한 가공중 파단을 방지하기 위하여 소둔온도를 650℃ 이상으로 한정하였다.

이하, 본 발명의 실시예를 통하여 상세히 설명한다.

스틸 2피스 캔용 고강도 석도원판의 화학성분과 제조조건의 실시예를 표1에, 그 결과로서 기계적성질과 캔의 가공성과 압축강도 및 내압강도 특성을 표2에 나타내었다.

본 발명의 실시예에서는 강중 탄소와 질소의 함량이 각기 다른 강판을 대상으로 최종 두께를 0.22mm로 하고 기계적 성질(인장강도,연신율,경도)을 평가하였고 2피스캔의 가공성은 상업설비와 동일한 능력을 가지는 파일럿 설비를 이용하여 평가하였다. 캔의 가공조건으로 캔의 크기는 음료캔의 크기로서 용량은 355ml이고 직경은 65.996mm이다. 캔의 가공속도는 분당 350개로 가공하여 상업조건과 동일하게 하였으며 연속적인 조건에서의 캔의 파단여부를 조사하였다.

한편 가공된 캔의 특성을 압축시험기와 내압측정기를 사용하였으며 이때 압축시험은 수직하중에서의 캔이 변형에 필요한 최대하중을 측정하였으며, 내압시험은 캔의 입구를 완전히 밀봉하고 내부에 공기로 압력을 가하여 캔의 바닥부위에서의 초기 변형이 일어나는 하중을 측정하였다. 캔의 가공성은 연속가공조건에서 파단과 같은 작업성의 열화를 일으키지 않아야 하며 상업적으로 이용되는 음료캔의 경우 압축강도는 136kg이상, 내압강도는 압력 90PSI이상인 경우에 만족하는 것으로 평가하였다.

구 분	화학성분(중량비,%)						열간권취온도	소둔방식	소둔온도
	C	Mn	P	S	Al	N
종래예1	0.058	0.30	0.013	0.012	0.035	0.0027	570	상소둔	620
종래예2	0.044	0.25	0.014	0.008	0.048	0.0025	680	연속소둔	650
종래예3	0.0020	0.18	0.011	0.012	0.032	0.0020	〃	〃	680
비교예1	0.073	0.21	0.010	0.008	0.038	0.1050	550	〃	648
비교예2	0.085	0.18	0.009	0.010	0.042	0.1140	545	〃	652
비교예3	0.094	0.19	0.011	0.011	0.046	0.0057	604	〃	655
비교예4	0.095	0.22	0.012	0.015	0.043	0.0083	523	〃	661
비교예5	0.093	0.21	0.008	0.013	0.039	0.0095	602	〃	650
비교예6	0.097	0.19	0.009	0.012	0.045	0.0115	550	〃	652
비교예7	0.098	0.25	0.012	0.011	0.044	0.0106	503	〃	604
비교예8	0.101	0.24	0.011	0.007	0.041	0.0112	502	〃	623
발명예1	0.098	0.23	0.010	0.008	0.038	0.0103	478	〃	653
발명예2	0.094	0.22	0.012	0.012	0.040	0.0115	496	〃	662
발명예3	0.100	0.21	0.009	0.013	0.045	0.0124	488	〃	651

구 분	기계적성질		강판두께(mm)	캔가공성	압축강도(㎏)	내압강도(㎏/㎠)
	인장강도㎏/㎟	연신율(%)
종래예1	27.5	35.6	0.26	양호	301	107
종래예2	35.6	26.2	0.245	양호	322	112
종래예3	29.6	31.1	0.22	양호	298	92
비교예1	42.8	20.9	0.22	양호	335	121
비교예2	41.3	21.0	〃	양호	320	117
비교예3	43.8	23.5	〃	양호	329	120
비교예4	42.5	33.9	〃	양호	320	112
비교예5	44.1	29.5	〃	양호	322	114
비교예6	41.2	23.3	〃	양호	301	105
비교예7	63.6	-	〃	파단	-	-
비교예8	68.1	-	〃	파단	-	-
발명예1	48.5	21.3	〃	양호	432	136
발명예2	47.9	20.8	〃	양호	428	142
발명예3	49.2	22.5	〃	양호	431	143

종래예 1은 탄소의 함량이 0.058%로서 소둔 열처리공정을 상소둔방식으로 하는 경우로서 연속소둔기술의 개발 이전에 사용하였던 강의 제조조건이다. 상소둔 방식은 열처리공정에서 가열 및 냉각시간이 길기 때문에 비교적 연질의 강판을 제조하는데 사용된다. 상소둔방식으로 제조되는 2피스 캔용 강판의 경우는 재질이 연한 경우이므로 비교적 두께가 두꺼운 경우이며 연속소둔방식에 의한 강판 보다 재질이 균일하지 못한 단점이 있다. 또한 본 발명예에 비해 압축강도와 내압강도가 낮은 것을 보여주고 있다.

종래예 2는 연속소둔에 의해 강판을 제조하는 방법으로 탄소의 함량이 0.044%로서 본 발명의 탄소의 함량과는 차이가 있으며 연속소둔 방식이므로 종래예 1보다 강도는 높지만 본 발명예의 수준에는 이르지 못한다.

종례예 3은 극저탄소강을 대상으로 연속소둔에 의해 제조하는 방법으로 연질의 강판을 얻기에 유리하므로 충분한 가공성을 확보할 수 있으나 앞에서 설명한 바와 같이 캔의 경량화를 위하여 강판의 두께를 감소하는 경우 캔의 압축강도 및 내압강도의 저하를 가져오므로 두께를 감소시키는데는 한계가 있다.

비교예 1에서 부터 비교예 8까지는 강중 탄소의 함량이 종래예 보다 훨씬 높은 0.073~0.101% 범위의 탄소강으로 본 발명의 비교강으로 사용하였다.

비교예 1은 강중 탄소와 질소의 함량이 각각 0.073%와 0.0105%로서 열간압연에서 강도 상승을 목적으로 온도를 낮추고 연신율의 확보를 위하여 소둔공정에서 충분히 재결정시킨 강으로 본 발명예의 강도 수준을 만족하지 못하였으며,

비교예 2의 경우도 비교예 1과 마찬가지로 소둔에 의해 캔 가공을 위한 연신율의 확보는 가능하지만 캔의 압축강도와 내압강도 수준은 본 발명예의 수준에 미치지 못한다.

비교예 3과 4는 탄소의 함량이 0.094%와 0.095%이지만 질소의 함량이 0.0057%와 0.0083%의 강으로 열간압연온도의 높고 낮음에 관계없이 소둔열처리 후의 캔의 특성은 발명강 보다 낮은 수준을 보이고 있다.

비교예 5와 6은 강중 탄소의 함량이 0.093%와 0.097%이고 질소의 함량이 0.0095%와 0.0115% 수준으로 강의 강화 원소 함유량이 높은 강종이지만 비교적 열연 권취온도가 높기 때문에 열간압연 상태에서 결정립의 성장에 의해 충분한 강도 확보가 어렵게 되므로 캔의 강도 수준이 낮게 됨을 보이고 있다.

비교예 7과 8은 탄소의 함량이 0.097%와 0.098%, 질소의 함량이 0.0106%와 0.0115%로 본 발명예와 유사하지만 열간압연시 권취온도를 500℃ 부근에서 처리한 강으로 소둔 열처리 이전에 강의 강화를 위한 조건에서 제조되었으므로 강도는 높지만 소둔온도가 냉간압연에 의한 변형 결정립을 완전히 재결정시키는 온도 보다 낮기 때문에 변형 결정립의 잔류에 의해 연신율의 확보가 곤란하여 캔 가공중 파단을 일으키는 문제가 있었다.

따라서 본 발명예 1,2와 3의 경우 탄소의 함량이 0.094~0.10%, 질소 0.0103~0.0124%의 범위인 강으로 열간압연중 권취온도를 478~496℃ 범위로 하고 소둔온도를 651~662℃로 열처리한 강이다. 이러한 본 발명강은 강의 화학성분 또는 열간압연조건에서 충분히 강의 강도를 증가시키는 조건이며, 계속된 소둔공정에서는 재결정에 필요한 온도를 부여하므로써 연신율을 확보하게 되므로 캔 가공성이 우수하며 가공된 캔에서도 압축강도 및 내압강도도 종래예 또는 비교예에 비하여 우수한 특성을 보였다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 강의 화학성분과 제조조건을 적절히 제어함으로써 종래의 강판두께 보다 얇은 소재를 사용하여 캔의 무게를 감소시키며 소재의 강도 증가에 의하여 가공에 필요한 충분한 가공성을 확보하고 가공 후에는 캔의 압축강도와 내압강도를 동시에 만족시킬 수 있는 효과를 가진다..

Claims (1)

1. 강중 탄소의 함량이 중량비로 C: 0.09~0.10%, 질소(N): 0.010~0.0124% 이고, Mn: 0.21~0.23%, P: 0.009~0.012%, S: 0.008~0.013%, Al: 0.038~0.045%, 철 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강을, 통상의 방법으로 재가열과 열간압연한 다음, 권취온도를 500℃ 이하, 연속소둔온도를 650℃ 이상으로 처리하는 것을 특징으로 하는 스틸 2피스 캔용 석도원판의 제조법.