KR100785557B1

KR100785557B1 - 알루미늄재와의 이질재료 용접 접합용 강판, 및 이질재료접합체

Info

Publication number: KR100785557B1
Application number: KR1020060049336A
Authority: KR
Inventors: 미카코 다케다; 와타루 우루시하라; 가츠시 마츠모토; 준 가토
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2005-06-01
Filing date: 2006-06-01
Publication date: 2007-12-13
Also published as: US7521129B2; DE602006020954D1; CN1891845A; CN100453680C; KR20060125584A; EP1728578A1; CA2546131C; EP1728578B1; JP4555160B2; US20060275623A1; JP2006336070A; CA2546131A1

Abstract

본 발명은, 질량%로, 0.02 내지 0.3%의 C, 0.2 내지 5.0%의 Si, 0.2 내지 2.0%의 Mn, 및 0.002 내지 0.1%의 Al; 추가로 0.005 내지 0.10%의 Ti, 0.005 내지 0.10%의 Nb, 0.05 내지 1.0%의 Cr, 및 0.01 내지 1.0%의 Mo 중 1종 이상을 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 구성된 강판으로서, 알루미늄재와의 이질재료 용접 접합용 강판을 개시한다. 상기 강판에 있어서, (1) 강판 표면 상의 기존의 산화물층을 일단 제거한 후 새로 형성시킨 상기 강판의 강 생지(生地) 표면 상에 존재하는 외부 산화물층에서, 총 1원자% 이상의 Mn 및 Si를 함유하는 산화물의 비율이, 강 생지와 외부 산화물층 사이의 계면의 거의 수평 방향으로의 길이 1μm에 대하여, 상기 산화물의 총 길이의 평균 비율로서 50 내지 80%이고, (2) 상기 강판의 강 생지 표면으로부터의 깊이가 10μm 이하인 강 영역에 존재하고 총 1원자% 이상의 Mn 및 Si를 함유하는 내부 산화물이 차지하는 비율이, 입계 산화물을 포함하여 상기 강 영역의 10μm²의 시야에서 차지하는 상기 내부 산화물의 평균 면적 비율로서 3% 이상 10% 미만이고, (3) 상기 강판의 강 생지 표면으로부터의 깊이가 10μm를 초과하는 강 영역에 존재하고 총 1원자% 이상의 Mn 및 Si를 함유하는 내부 산화물이 차지하는 비율이, 입계 산화물을 포함하여 상기 강 영역의 10μm²의 시야에서 차지하는 상기 내부 산화물의 평균 면적 비율로서 0.1% 이하이다.

Description

알루미늄재와의 이질재료 용접 접합용 강판, 및 이질재료 접합체{STEEL SHEET FOR DISSIMILAR MATERIALS WELDBONDING TO ALUMINUM MATERIAL AND DISSIMILAR MATERIALS BONDED BODY}

본 발명의 실시태양은 하기 도면에 기초하여 상세히 기술한다.

도 1a 및 1b는 본 발명의 실시태양에 따른 이질재료 접합체용 강판을 도시한 개략도이고;

도 2는 이질재료 접합체를 형성하기 위한 레이저 용접의 실시태양을 도시한 설명도이고;

도 3은 이질재료 접합체를 형성하기 위한 MIG 납땜의 실시태양을 도시한 설명도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 강판과 알루미늄판 사이의 접합면

본 발명은, 높은 접합 강도를 가질 수 있는 알루미늄재와의 이질재료 용접 접합용 강판, 및 알루미늄재에 강판을 용접 접합함으로써 형성된 이질재료 접합체에 관한 것이다.

최근 몇 년간, 환경문제의 관점에서 자동차와 같은 구조에 알루미늄계 재료(순수 알루미늄 및 알루미늄 합금을 총칭한 것, 이하 간단히 '알루미늄재'로 지칭됨)와 같은 경합금을 적용하도록 시도되어 왔다.

그러나, 용접성, 내식성 및 성형성의 관점에서, 알루미늄재는 단지 자동차 부재의 일부에만 사용된다. 이 견지에서, 지금까지 사용되어 온 자동차용 강판 및 알루미늄재는 공존 상태에 있고, 알루미늄재와 강판을 조합함으로써 형성되는 부재로 Fe-Al 이질재료의 접합을 적용시키기 위한 요구가 증가되어 왔다.

Fe-Al 이질재료 접합에서의 문제점으로서는 고경도이고 매우 부서지기 쉬운 Fe 및 Al의 금속간 화합물층이 접합 경계에서 형성된다는 것이다. 따라서, 재료가 외관상 접합될 때조차도, 이러한 화합물층의 형성 때문에 충분한 접합 강도가 보장되지 않는 경우가 많다.

상기 상황을 고려하여, 지금까지 이질재료 접합체(이질금속 부재)의 접합에는 볼트, 리벳, 또는 접착제를 병용한 접합이 채택되어 왔다. 그러나, 이러한 접합부위는 신뢰성, 기밀성, 비용 등의 문제점을 갖고 있다.

이 견지에서, 지금까지 상기 이질재료 접합체를 점 용접시키는 방법에 대해 다양하게 연구되어 왔다. 예를 들어, 알루미늄재와 강재 사이에 알루미늄-강 클래드재(clad material)를 개재하는 방법이 제안되어 있다(특허문헌 1 내지 6 참조). 또한, 강재 측에 저용융점의 금속을 플레이팅하는 방법, 또는 저용융점의 금속을 개재하는 방법이 제안되어 있다(특허문헌 7 내지 9). 또한, 알루미늄재와 강재 사이에 절연입자를 개재하는 방법(특허문헌 10 참조), 및 부재 상에 미리 요철을 형성하는 방법(특허문헌 11 참조)이 제안되어 있다.

추가적으로, 알루미늄재 상의 불균일 산화 피막을 제거한 후, 공기 중에서 200 내지 450℃ 및 8시간 동안 알루미늄재를 가열하여, 균일 산화 피막을 형성하고, 알루미늄 표면의 접촉저항을 증가시킨 상태에서, 알루미늄-강 2층의 복층 강판을 개재재로서 사용하는 점 용접하는 방법도 제공되어 있다(특허문헌 12 참조).

한편, 강판의 고강도화를 위해 산화물을 형성하는 경향이 있는 Si, Mn, Al 등과 같은 원소를 첨가하면, 기재의 표면 상에 상기 Si, Mn, Al 등을 함유하는 산화물이 형성된다는 것이 널리 공지되어 있다. 따라서, 이들 Si, Mn, Al 등을 함유하는 산화물이 아연 도금 등의 표면 피복과 강판 사이의 접착성을 방해한다는 것도 또한 널리 공지되어 있다. 반면에, 강판을 산 세척 등을 하여, 상기 Si, Mn, Al 등을 함유하는 산화물층의 두께를 0.05 내지 1μm 범위로 제어함으로써, 아연 도금 등의 표면 피복과 강판 사이의 밀착성, 및 강판끼리의 점 용접성이 향상된다는 것 또한 널리 공지되어 있다(특허문헌 13 참조).

[특허문헌 1] JP-A 제 1992-55066 호 (전문)

[특허문헌 2] JP-A 제 1992-127973 호 (전문)

[특허문헌 3] JP-A 제 1992-253578 호 (전문)

[특허문헌 4] JP-A 제 1993-111778 호 (전문)

[특허문헌 5] JP-A 제 1994-63763 호 (전문)

[특허문헌 6] JP-A 제 1995-178563 호 (전문)

[특허문헌 7] JP-A 제 1992-251676 호 (전문)

[특허문헌 8] JP-A 제 1995-24581 호 (전문)

[특허문헌 9] JP-A 제 1992-143083 호 (전문)

[특허문헌 10] JP-A 제 1993-228643 호 (전문)

[특허문헌 11] JP-A 제 1997-174249 호 (전문)

[특허문헌 12] JP-A 제 1994-63763 호 (전문)

[특허문헌 13] JP-A 제 2002-294487 호 (전문)

강 및 알루미늄을 포함하는 2층 구조의 클래드재를 사용하여 심(seam) 용접 또는 저항 용접을 적용하는 방법에 있어서, 클래드재가 알루미늄판 및 강판 사이에 개재되기 때문에, 본래 2장을 필요로 하는 판상 부재의 접합에 3장의 판이 사용되어야 한다. 따라서, 실제 시공의 경우에는, 클래드재의 개재, 고정, 및 접합의 공정이 필요하여 작업이 복잡해질 뿐만 아니라 접합부의 품질의 신뢰성도 불충분하다. 또한, 접합에 사용된 글래드재는 알루미늄재를 강판에 접합시킴으로써 제조되기 때문에, 생산 조건상의 제약이 많고, 그 자체가 저가 및 안정적 작업성을 갖는 클래드재를 제조하는데 보다 고도의 기술이 필요하다. 또한, 본 기술의 또 다른 결점으로서, 현상의 접합 라인에 새로운 설비를 조힙시켜야 하고, 이로써 용접 비용이 또한 증가한다는 문제가 있다. 게다가, 용접 조건이 극단적으로 제한된다는 등 작업상의 어려움 또한 존재한다.

한편, 전술한 바와 같이, Si, Mn, Al 등을 함유하는 고강도 강판의 경우에는, 모재의 표면 상에 형성된 Si, Mn, Al 등을 함유하는 산화물이 아연 도금 등의 표면 피복과 강판 사이의 밀착성을 방해한다는 것이 널리 공지되어 왔다. 또한, Si, Mn, Al 등을 함유하는 산화물층의 두께가 전술된 적절한 범위에서 제어되는 경우, 반대로 아연 도금 등의 표면 피복과 강판 사이의 밀착성, 및 강판 사이의 점 용접성이 향상된다는 것 역시 널리 공지되어 왔다.

그러나, Si, Mn, Al 등을 함유하는 고강도 강판의 경우에는, 모재의 표면 상에 형성된, 고강도 강판과 알루미늄재를 용접하여 접합할 때의 Si, Mn, Al 등을 함유하는 산화물의 이질재료 접합체의 접합 강도에 대한 영향은 지금까지 명확하지 않았다.

본 발명은 상기 과제에 비추어 이루어진 것으로, 그 목적은 알루미늄재에 접합될 때 적용 조건 등이 덜 제한적이서 범용성이 우수하고, 부서지기 쉬운 금속간 화합물 등이 접합부에서 형성되어 접합의 신뢰성을 방해하는 것을 방지하며, 높은 접합 강도를 갖는 접합부를 수득할 수 있는, Si, Mn 등을 함유하는 고강도 강판; 및 강판 및 알루미늄재로 제조된 이질재료 접합체를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시태양에 따른 알루미늄재와의 이질재료 용접 접합용 강판의 요지는, 질량%로, 0.02 내지 0.3%의 C, 0.2 내지 5.0%의 Si, 0.2 내지 2.0%의 Mn, 및 0.002 내지 0.1%의 Al; 추가로 0.005 내지 0.10%의 Ti, 0.005 내지 0.10%의 Nb, 0.05 내지 1.0%의 Cr, 및 0.01 내지 1.0%의 Mo 중 1종 이상을 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 구성된 강판에 있어서, 강판 표면 상의 기존의 산화물층을 일단 제거한 후 새로 형성시킨 상기 강판의 강 생지 표면 상에 존재하는 외부 산화물층에서, 총 1원자% 이상의 Mn 및 Si를 함유하는 산화물의 비율이, 강 생지와 외부 산화물층 사이의 계면의 거의 수평 방향으로의 길이 1μm에 대하여, 상기 산화물의 총 길이의 평균 비율로서 50 내지 80%인 강판이다.

여기서, 외부 산화물층에서의 총 1원자% 이상의 Mn 및 Si를 함유하는 산화물 이외의 잔부란, 총 1원자% 미만의 Mn 및 Si를 함유하는 산화물과 공극을 의미하고, 따라서 본 발명에서 언급된 외부 산화물층은 총 1원자% 이상의 Mn 및 Si를 함유하는 산화물, 총 1원자% 미만의 Mn 및 Si를 함유하는 산화물, 및 공극을 포함한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시태양에 따른 강판 및 알루미늄재로 제조된 이질재료 접합체의 요지는, 상기 요지의 강판, 또는 하기 바람직한 실시태양을 포함하는 임의의 강판을 알루미늄재에 용접 접합함으로써 형성되고, 강판과 알루미늄재 사이의 접합된 계면에서의 반응층의 너깃(nugget) 깊이 방향으로의 평균 두께가 0.1 내지 10μm이고, 반응층의 형성 범위가 선 용접의 경우 접합 길이의 50% 이상의 길이, 또는 점 용접의 경우 접합 면적의 50% 이상의 면적인 이질재료 접합체이다.

본 발명은 Si, Mn, Al 등을 함유하는 고강도 강판의 표면 상에 적절한 범위로 Si, Mn, Al 등을 함유하는 산화물을 형성한다는 측면에서 특허문헌 13과 동일한 방향이다.

그러나, 본 발명은, 산 세척 등, 및 산소 분압이 제어된 분위기에서 추가로 적용되는 어닐링, 또는 다른 방법에 의해 강판의 표면 상의 기존의 산화물층을 일단 제거함으로써 새로 형성시킨 강판의 강 생지 표면 상에 존재하는 외부 산화물층을 포함한다.

특허문헌 13에서도 역시, 아연 도금의 밀착성은 강재 표면(산화물층을 보호함) 상에 Mn, Si 및 Al(Mn, Si 및 Al이 농화됨)을 함유하는 산화물층의 두께를 산 세척 등에 의해 0.05 내지 1μm로 제어함으로써 향상된다. 그러나, 특허문헌 13에서는, 강재 표면 상의 산화물층이 본 발명과 동일한 방식으로 산 세척 등에 의해 일단 제거된다 하더라도, 산소 분압이 제어되는 분위기에서 추가로 어닐링함으로써 외부 산화물층의 형성 비율 및 내부 산화물층의 깊이를 적극적으로 제어하는, 본 발명에서 채택된 방법이 실시되지 않는다.

상기 이유로 특허문헌 13에 따른 외부 산화물층의 경우에는, 본 발명에서 규정된 총 1원자% 이상의 Mn 및 Si를 함유하는 산화물이 차지하는 비율이, 강 생지와 외부 산화물층 사이의 계면의 거의 수평 방향으로의 길이 1μm에 대하여 산화물의 총 길이의 평균 비율로서의 상한 80%를 간단히 초과한다.

그 결과, 특허문헌 13에서 규정된 두께의 Si, Mn, Al 등을 함유하는 산화물층을 갖는 강판이 알루미늄재에 용접 접합될 경우, 반응층(Fe 및 Al의 금속간 화합물층, 이하 설명에서 두 표현을 적절히 사용함)의 형성이 불충분하고 이질재료 접합체 내의 야금 접합이 확보될 수 없다.

본 발명자는, Si, Mn 등을 함유하는 고강도 강판의 표면 상의 기존의 산화물층을 일단 제거한 후 새로 형성시킨, Si, Mn 등을 함유하는 외부 산화물층은, 강판과 알루미늄재를 용접 접합함으로써 형성된 이질재료 접합체의 접합 강도를 오히려 향상시킨다는 것을 발견하였다.

즉, 이질재료인 강판 및 알루미늄재를 용접 접합시키는 경우에는, 상기 새로 형성시킨 Si, Mn 등을 함유하는 외부 산화물층은 일정 비율로 존재할 경우, 접합 시의 Fe 및 Al의 확산을 억제하여 Al-Fe 계의 부서지기 쉬운 금속간 화합물층이 과도하게 형성되는 것을 방지한다.

게다가, 본 발명자들은, 상기 강판의 표면 상에 새로 형성시킨 Si, Mn 등을 함유하는 외부 산화물층이 차지하는 비율이 이질재료 접합체의 접합 강도, 및 반응층의 두께 및 분산에 영향을 미친다는 것도 발견하였다. 즉, 본 발명의 전술된 요지와 같이 상기 존재 비율이 규정될 경우에만, 상기 새로 형성시킨 Si, Mn 등을 함유하는 외부 산화물층은 반응층의 과도한 형성을 방지하는 효과를 발휘할 수 있다.

상기 새로 형성시킨 Si, Mn 등을 함유하는 외부 산화물층의 비율은 산 세척 후의 강판의 어닐링 조건(산소 분압)을 조절함으로써 제어될 수 있다.

강판끼리의 점 용접과는 달리, 이질재료인 강판과 알루미늄재를 용접 접합하는 경우에는, 전술한 접합 계면에서 고강도이면서 매우 부서지기 쉬운 Fe 및 Al의 금속간 화합물층이 형성된다. 따라서, 이러한 경우의 용접 메카니즘은 전술한 특허문헌 13에서 과제로 하는 강판끼리의 점 용접의 경우와는 전적으로 상이하며, 이질재료끼리의 용접 접합이 매우 어렵다.

보다 구체적으로는, 이질재료인 강재 및 알루미늄재를 접합시키는 경우, 강재가 알루미늄재보다 높은 용융점, 높은 전기저항 및 낮은 열전도성을 갖기 때문에, 강측의 발열이 증가하여 먼저 보다 낮은 용융점의 알루미늄이 용융한다. 다음으로, 강재의 표면이 용융하고, 그 결과 Al-Fe계의 부서지기 쉬운 금속간 화합물층(반응층)이 계면에 형성된다.

따라서, 높은 접합 강도를 수득하기 위해, Al-Fe계 반응층의 양을 최소필요량만큼으로 억제하는 것이 필요하다. 그러나, 한편으로 Al-Fe계 반응층이 과도하게 억제되어 접합부의 총 면적에 대한 반응층의 형성 면적의 비율이 너무 작은 경우, 야금 접합은 불안정하여 높은 접합 강도가 수득될 수 없다. 따라서, 높은 접합 강도를 얻기 위해, 야금 접합에 필요한 최소한의 두께를 갖는 Al-Fe 반응층을 접합부에 가능한 한 넓은 범위로 형성시키는 것이 필요하다.

전술한 바와 같이, 강판 및 알루미늄재를 용접 접합시키는 이질재료의 접합의 경우에는, 접합 메카니즘은 강판끼리의 점 용접의 경우와 전적으로 상이하며, 이질재료끼리의 높은 접합 강도를 실현하기가 매우 어렵다.

이에 반해, 본 발명의 실시태양에 따라 새로 형성시킨 Si, Mn 등을 함유하는 외부 산화물층은, 상기 요지에서 언급한 바와 같이 일정 비율의 존재하에 전술한 반응층이 과도하게 형성되는 것을 방지하는 효과, 및 야금 접합에 필요한 최소한의 두께를 갖는 Al-Fe 반응층이 접합부에 넓은 면적으로 형성된다는 효과를 발휘한다. 그 결과, 강재 및 알루미늄재의 이질재료 접합체는 높은 접합 강도를 가질 수 있다.

본 발명의 실시태양에 따른 강판을 사용함으로써, 지금까지 반응층이 Fe/Al의 접합 계면에서 과도하게 형성되는 것을 야기하여 불충분한 접합 강도를 생성하였던 용접 공정에서도, 적절한 두께의 반응층을 보다 넓은 범위로 형성하는 것, 및 높은 접합 강도 및 신뢰성을 갖는 이질재료 접합체를 수득하는 것이 가능하다. 그 결과, 본 발명은 클래드재 등의 다른 재료(이는 추가 공정을 필요로 하고, 또한 강재측, 알루미늄재측 및 점 용접측 상의 조건을 크게 변화시킨다)를 개재하지 않고도 높은 접합 강도를 갖는 강재 및 알루미늄재의 이질재료 접합체를 제공하는 것이 가능하게 한다. 이러한 접합체는 자동차 및 기차와 같은 수송 분야, 및 기계부품, 건축 구조물 등의 다양한 종류의 구조 부재 분야에 매우 유용하게 적용될 수 있다.

(강재의 화학적 성분 조성)

우선, 본 발명에 관련된 강재의 성분 조성을 하기에 설명한다. 여기서, 모든 화학적 성분의 단위는 질량%이다.

본 발명은 Si, Mn 등을 함유하는 고강도 강판을 포함한다. 또한, 본 발명은 표면 상의 기존의 산화물층을 산 세척 등에 의해 일단 제거한 후, 산소 분압이 제어되는 분위기에서 강판을 추가로 어닐링하는 등의 경우, 소정량의 Si, Mn 등을 함유하는 외부 산화물층을 새로 형성시킬 수 있는 강판에 관한 것이다.

상기 목적을 위해, 강판의 성분 조성에 대해서는, 소정량의 Si, Mn 등을 함유한다는 전제 하에서, 상기 강판은 0.02 내지 0.3%의 C, 0.2 내지 5.0%의 Si, 0.2 내지 2.0%의 Mn, 0.002 내지 0.1%의 Al; 추가로 0.005 내지 0.10%의 Ti, 0.005 내지 0.10%의 Nb, 0.05 내지 1.0%의 Cr, 및 0.01 내지 1.0%의 Mo 중 1종 이상을 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지도록 규정된다.

강판 내의 각 성분 원소의 한정 이유는 하기와 같다.

(C)

C는 강도를 증가시키는데 필요한 원소이고, C 함량이 0.02% 미만일 경우 강판의 강도가 확보되지 않는다. 그러나, C 함량이 0.3%를 초과할 경우 냉간 가공성이 저하된다. 따라서, C 함량은 0.02 내지 0.3%의 범위로 제한된다.

(Mn 및 Si)

Mn 및 Si는 강판의 표면 상에 소정량의 Si 또는 Mn을 함유하는 외부 산화물층을 형성한다. 이러한 외부 산화물층은 Fe와 Al 사이의 이질재료 접합의 경우 Fe 및 Al이 확산되는 것을 막고, 부서지기 쉬운 금속간 화합물이 형성되는 것을 최소한으로 방지할 수 있다. 또한, 이는 금속간 화합물의 취성을 개선시키는데 유용할 수 있다.

또한, Mn 및 Si는 강판의 내부에 소정량의 Si 및 Mn을 함유하는 내부 산화물층을 형성한다. 이러한 내부 산화물층은, 강판의 표면 상의 외부 산화물층을 파괴함으로써 형성된 Al-Fe 반응층 중에 고용하여, Fe 및 Al이 확산되는 것을 방지하여 반응층이 과도하게 형성되는 것을 억제한다.

따라서, 강판 내의 Mn 및 Si의 함량이 너무 적을 경우, 외부 산화물층 및 내부 산화물층이 불충분하여, 후술하는 바와 같이, 이질재료 접합체의 접합 강도는 향상될 수 없다. 한편, 강판 내의 Mn 및 Si의 함량이 과잉일 경우, 후술하는 바와 같이, 이질재료 접합체의 접합 강도는 다소 저하된다. 상기 이유로, 전술한 바와 같은 적절한 외부 산화물층 및 내부 산화물층을 형성하기 위해서는, 강판 내의 Mn 및 Si의 함량은 본 발명에 규정된 전술한 범위 내이어야 한다.

(Si)

Si는 강판의 연성을 열화시키지 않고 필요한 강도를 확보할 수 있는 원소로서 역시 중요하고, 이를 위해 0.2% 이상의 Si 함량이 필요하다. 한편, Si가 5.0%를 초과하여 함유될 경우 연성이 악화된다. 따라서, Si 함량 또한 상기 이유로 0.2 내지 5.0%의 범위로 제한된다.

(Mn)

Mn은 강판의 강도 및 인성을 확보하기 위한 원소로서 역시 필수적이나, Mn 함량이 0.2% 미만일 경우 그 효과가 수득될 수 없다. 한편, Mn 함량이 2.0%를 초과할 경우 강도가 극히 증가하여 냉간 작업이 곤란해진다. 따라서, Mn 함량 또한 상기 이유로 0.2 내지 2.0%의 범위로 제한된다.

(Al)

Al은 용융된 강의 탈산 원소로서, 고용 산소를 잡아 기포구멍이 형성되는 것을 방지하여, 강의 인성을 향상시키는데 효과적인 원소이다. Al 함량이 0.002% 미만일 경우 그 효과는 충분히 수득되지 않는다. 한편, Al 함량이 0.10% 초과일 경우, 역으로 용접성이 열화되어 알루미나계의 함량의 증가로 인해 강의 인성이 열화된다. 따라서, Al 함량은 0.002 내지 0.10%의 범위로 제한된다.

(Ti, Nb, Cr 및 Mo)

상기 기본 원소 외에 Ti, Nb, Cr 및 Mo 중 1종 이상이 함유될 경우, 이들은 강의 강도 및 인성을 증가시키는데 기여한다.

(Ti 및 Nb)

Ti 및 Nb는 강 중에 탄화질화물로서 석출되어 강도를 증가시키고, 강의 미세조직을 미세화하여, 강도, 인성 등을 향상시킨다. 그러나, 이들이 다량 함유될 경우 인성이 크게 열화된다. 따라서, Nb 및 Ti의 함량은 각각 0.005 내지 0.10%의 범위로 제한된다.

(Cr 및 Mo)

Cr 및 Mo은 강의 담금질성을 향상시켜 강도를 향상시킨다. 그러나, 이들이 다량 함유될 경우 강의 인성은 크게 열화된다. 따라서, Cr 함량은 0.05 내지 1.0%의 범위로, Mo 함량은 0.01 내지 1.0%의 범위로 제한된다.

(강판의 강도)

본 발명에서는, 사용 강판의 강도를 특별히 제한하지는 않으나, 자동차 부재에 대한 적용을 고려할 때, 바람직한 강판의 인장강도는 400MPa 이상이다. 400MPa 미만의 강도를 갖는 강의 경우, 일반적으로 저급한 합금강이고, 이의 산화 피막이 대부분 철 산화물로 구성되기 때문에, Fe 및 Al이 쉽게 확산되어 부서지기 쉬운 금속간 화합물이 형성되기 쉽다. 또한, Si 또는 Mn의 양이 적기 때문에, 강판 표면 및 내부에 본 발명에서 규정된 Si 및 Mn을 함유하는 산화물이 형성되기 어렵고, Si 및 Mn을 함유하는 산화물을 제어할 수 없어, 반응층이 거의 제어되지 않는다. 또한, 예를 들어 점 용접의 경우, 강판은 전극 팁의 가압에 의해 크게 변형되고, 산화 피막이 쉽게 파괴되기 때문에, 알루미늄과의 반응이 촉진된다. 그 결과, 금속간 화합물이 형성되기 쉽다.

(알루미늄재)

본 발명에 사용된 알루미늄재는 그 합금의 종류 및 형상에 관하여 특별히 제한되지 않고, 구조 부재로서 요구되는 특성에 따라 범용되고 있는 판상재료, 형상재료, 단조재료, 주조재료 등 중에서 임의로 선택된다. 그러나, 알루미늄재의 강도에 관해서는, 전술한 강재와 동일한 방식으로 점 용접시 가해지는 압력에 의해 야기된 변형을 회피하기 위해 높은 것이 바람직하다. 상기 관점에서, 알루미늄 합금 중에서, 고강도를 갖고 상기 유형의 구조 부재로서 범용되는 A5000계, A6000계 등의 알루미늄재를 사용하는 것이 최적이다.

(강판 및 알루미늄재의 두께)

강판 및 알루미늄재의 두께는 특별히 제한되지 않고 임의로 선택되며, 자동차 부재 등의 적용 부재에 요구되는 강도 및 강성을 비롯한 설계 조건을 고려하여 결정된다.

단, 자동차 부재 등에의 적용을 가정할 경우, 실용적으로는 강판의 두께 t₁은 0.3 내지 2.5mm의 범위로부터 선택된다. 강판의 두께 t₁이 0.3mm 미만일 경우, 자동차 부재로서 필요한 강도 및 강성이 확보되지 않아 두께는 부적절하다. 또한, 예를 들어 점 용접을 적용하는 경우, 강판은 전극 팁의 가압에 의해 크게 변형되고, 산화 피막이 쉽게 파괴되어, 알루미늄과의 반응이 촉진된다. 그 결과, 금속간 화합물이 형성되기 쉽다. 한편, 두께 t₁이 2.5mm를 초과할 경우 용접 접합 자체가 어려워져 다른 접합 방법이 채택된다.

또한, 알루미늄재의 두께 t₂는 마찬가지로 자동차 부재 등에 대한 적용을 가정할 경우, 0.5 내지 2.5mm의 범위로부터 선택된다. 알루미늄재의 두께 t₂가 0.5mm 미만일 경우, 자동차 부재로서의 강도가 불충분하여 부적절할 뿐만 아니라, 너깃 직경이 확보되지 않아, 알루미늄재의 표면까지 용융되는 경향이 있고, 방출이 야기되는 경향이 있기 때문에, 높은 접합 강도가 수득되지 않을 것이다. 한편, 알루미늄재의 두께 t₂가 2.5mm 초과일 경우, 용접 접합 자체가 어려워져 전술한 강재의 두께의 경우와 마찬가지로 다른 접합 방법이 채택된다.

(강판의 산화물 구조)

이상의 전제적 조건을 기초로, 이하에 본 발명의 본질을 이루는 강판의 산화물 구조(규정 조건)에 대하여 설명한다.

도 1a 및 1b는, 일단 산 세척 후 산소 분압이 제어된 분위기에서 어닐링된, Si 및 Mn을 함유하는 강판의 산화물 구조를 도시한 개략도를 나타낸다. 각각, 도 1a는 낮은 산소 분압(저이슬점)의 분위기에서 강판을 어닐링한 경우를 나타내고, 도 1b는 높은 산소 분압(고이슬점)의 분위기에서 강판을 어닐링한 경우를 나타낸다.

도 1a에 도시된 바와 같이, 낮은 산소 분압의 분위기에서 강판을 어닐링한 경우에는, 일단 산 세척에 의해 기존의 외부 산화물층이 제거된, 상기 Si 및 Mn을 함유하는 강판은, 강판의 강 생지 표면 상에 약 50nm의 얇은 외부 산화물층을 가지며, 강 생지 표면 아래의 강판 내부에 입계 산화물을 함유하는 내부 산화물이 형성되지 않는다. 이 외부 산화물층은 기존의 산화물층이 제거된 후 어닐링에 의해 새로 형성된 산화물층으로, Mn₂SiO₄, SiO₂ 등을 포함하고, 농도로 1원자% 이상의 Si 및 Mn을 함유하는 산화물, 또는 철 산화물(Fe₃O₄)을 포함하는 산화물층이다.

이에 반해, 도 1b에 도시된 바와 같이, 높은 산소 분압의 분위기에서 강판을 어닐링하는 경우에는, 일단 산 세척에 의해 기존의 외부 산화물층이 제거된, 상기 Si 및 Mn을 함유하는 강판은, 전술한 바와 같은 외부 산화물층을 가지며, 또한 강 생지 표면 아래의 강판 내부에 내부 산화물이 형성된다. 이 내부 산화물은 약 1원자% 이상의 Si 및 Mn을 함유하며 SiO₂ 및 Mn₂SiO₄를 포함하는 구형 또는 과립형 산화물이다. 또한, 이 경우, 입계 산화물 역시 강의 입계 상에 형성되고, 상기 산화물 또한 약 1원자% 이상의 Si 및 Mn을 함유하는 과립형 산화물이다.

강판의 표면 상의 외부 산화물층은 일반적으로 αFeOOH, γFeOOH, 무정형 옥시-하이드록사이드, Fe₃O₄ 등과 같은 산화물을 포함한다. 이에 반해, 일단 산 세척된 후, 산소 분압이 본 발명에 규정된 바와 같이 제어된 분위기에서 어닐링된, Si 및 Mn을 함유하는 강판의 표면 상에 형성된 외부 산화물층은, 총 1원자% 이상의 Si 및 Mn을 함유하는 상기 산화물; 총 1원자% 미만의 Mn 및 Si를 함유하는 Fe₃O₄와 같은 산화물 및 공극으로 이루어진 잔부로 구성된다.

(외부 산화물층의 작용)

도 1a 및 도 1b에 도시된 강판이 알루미늄재(판)에 용접 접합될 경우(레이저 용접에 의한 겹침 용접이 예시됨), 도 2에 도시된 바와 같이 용접 방법과 관계 없이, 강판과 알루미늄판 사이의 접합면(1)에, Al-Fe 반응층이 강판의 표면 상의 전술한 외부 산화물층을 파괴하는 방식으로 형성된다.

따라서, 강판의 표면 상의 전술된 외부 산화물층은 접합 시 Fe 및 Al의 확산을 억제하여 Al-Fe계의 부서지기 쉬운 금속간 화합물층(반응층)이 형성되는 것을 억제하는 효과를 갖는다 하더라도, 이의 실질적인 효과는, Mn₂SiO₄, SiO₂ 등과 같은 Si 및 Mn을 함유하는 산화물상이 강판의 표면 상의 전술한 외부 산화물층에서 일정 비율로 존재하는 경우로 제한된다.

상기 이유로, 본 발명은 강판의 강 생지 표면 상에 존재하는 외부 산화물층에 총 1원자% 이상의 Mn 및 Si를 함유하는 산화물이 차지하는 비율이, 강 생지와 외부 산화물층 사이의 계면의 거의 수평 방향으로의 길이 1μm에 대하여, 산화물의 총 길이의 평균 비율로서 50 내지 80%로 규정한다. 전술한 바와 같이, 외부 산화물층의 조성을 제어함으로써, 적절한 용접 조건 하에, 강판과 알루미늄재 사이의 접합 계면에서의 반응층의 평균 두께는 후술하는 바와 같이 0.1 내지 10μm의 최적의 범위로 제어되어, 높은 접합 강도가 수득될 수 있다.

이 비율이 50% 미만일 경우, 접합 시의 Fe 및 Al의 확산을 억제하여 Al-Fe계의 부서지기 쉬운 금속간 화합물층(반응층)이 형성되는 것을 억제하는 효과가 작다. 그 결과, 적절한 용접 조건 하에서도, 또는 용접 조건과 관계 없이, 예를 들어 강판과 알루미늄재 사이의 접합 계면에서 반응층의 평균 두께의 측면에서 10μm를 초과하도록 반응층이 과도하게 형성되고, 이로써 높은 접합 강도가 수득될 수 없다.
한편, 적절한 용접 조건 하에서도 면적 비율이 80%를 초과할 경우, 외부 산화물층을 파괴하여 반응층을 형성하기 어려워, 이로써 반응층은 충분히 형성되지 않는다. 그 결과, 예를 들어 반응층의 평균 두께는 0.1μm 미만이고, 야금 접합은 수득될 수 없다.

(내부 산화물 1의 작용)

도 2에 도시된 바와 같이, 강판이 알루미늄판과 용접 접합될 경우, 총 1원자% 이상의 Mn 및 Si를 함유하고 SiO₂와 같은 구형 산화물을 포함하는 내부 산화물은, 강판의 표면 상의 전술된 외부 산화물층을 파괴함으로써 형성된 Al-Fe 반응층 중에 고용되어, Fe 및 Al의 확산을 억제하며, 반응층이 과도하게 형성되는 것을 억제한다. 또한, 이 내부 산화물은 입계 산화물을 포함한다. 입계 산화물 또한 총 약 1원자% 이상의 Mn 및 Si를 함유하는 산화물이다.

상기 효과를 발휘하기 위해, 상기 강판의 강 생지 표면으로부터의 길이가 10μm 이하인 강 영역에 존재하는 내부 산화물로서, 상기 강 영역의 10μm²의 시야에서 총 1원자% 이상의 Mn 및 Si를 함유하는, 입계 산화물 및 산화물이 차지하는 총 면적 비율이 3% 이상 10% 미만인 것이 바람직하다.

상기 면적 비율이 3% 미만일 경우, 반응층의 성장 억제 효과는 불충분하고, 예를 들어 강판과 알루미늄재 사이의 접합 계면에서의 반응층은, 반응층의 평균 두께가 10μm를 초과하여 과도하게 형성되어, 높은 접합 강도가 수득되지 않는다.

한편, 면적 비율이 10% 이상일 경우, 반응층은 강판과 알루미늄재 사이의 접합 계면에서 다소 국소적으로 불균일하게 성장하여, 적절한 용접 조건 하에서도 야금 접합이 수득될 수 없을 가능성이 높다.

(내부 산화물 2의 작용)

또한, 강판의 표면으로부터의 깊이 10μm 이상의 깊은 내부 영역에서, 총 1원자% 이상의 Mn 및 Si를 함유하는 산화물이 강판의 깊은 내부까지 다량 존재하는 경우, Fe 내로의 Al의 확산이 너무 억제되어, 반응층의 두께는 충분히 수득되지 않으며, 균일한 반응층은 거의 형성되지 않고, 높은 접합 강도가 수득되지 않을 가능성이 있다. 또한, 내부 산화물은 입계 산화물도 포함한다. 또한, 입계 산화물도 총 약 1원자% 이상의 Mn 및 Si를 함유하는 산화물이다.

상기 이유로, 상기 영역의 10μm²의 시야에서 총 1원자% 이상의 Mn 및 Si를 함유하는 산화물 및 입계 산화물이 차지하는 총 면적 비율은 0.1% 이하로 제한되는 것이 바람직하다.

(산화물의 측정 방법)

본 발명에서는, 산화물은 EDX(에너지 분산 X선 분광법)와 병용된 10,000 내지 30,000배의 TEM(투과전자 현미경)으로 측정된다. 즉, 외부 산화물은 EDX에 의해 강판의 두께 방향으로 단면 상에서 강 상재와 외부 산화물층 사이의 계면을 거의 수평 방향으로 분석함으로써 확인되고, 계면 부근의 외부 산화물층 중의 Mn 및 Si의 총량을 구하고, 계면 부근에서 총 1원자% 이상의 Mn 및 Si를 함유하는 산화물(복수의 산화물)의 상을 다른 상과 구별한다. 다음으로, TEM에 의해, EDX 분석에서와 동일한 계면 영역에서, 상기 계면에서의 거의 수평 방향으로의 총 1원자% 이상의 Mn 및 Si를 함유하는 산화물상의 길이를 측정한다. 그 후, 계면의 거의 수평 방향으로의 길이 1μm에 대하여 차지하는 산화물상의 총 길이의 비율을 구한다. 측정은 복수의 위치에서 행하여 평균화한다.

내부 산화물은 강판의 강 생지 표면으로부터의 깊이가 10μm 이하인 강 영역, 또는 강판의 강 생지 표면으로부터의 깊이가 10μm보다 깊은 강 영역에서 복수의 위치에서의 총 1원자% 이상의 Mn 및 Si를 함유하는 산화물을 EDX에 의해 다른 상과 구별함으로써 확인한다. 그 후, 각각의 복수의 위치에서, TEM에 의해, EDX 분석과 동일한 계면 영역에서, 10μm²의 시야에서 총 1원자% 이상의 Mn 및 Si를 함유하는 산화물상의 면적 비율을 구한다. 여기서, 입계 산화물의 면적도 총 1원자% 이상의 Mn 및 Si를 함유하는 산화물의 면적에 포함된다. 측정은 복수의 위치에서 행하여 평균화한다.

(산화물층의 제어)

강판의 외부 및 내부 산화물에 총 1원자% 이상의 Mn 및 Si를 함유하는 산화물의 비율은 전술한 바와 같이 강판의 어닐링 조건(산소 분압)을 조절함으로써 제어될 수 있다.

더욱 구체적으로는, 강판의 어닐링 분위기에서의 산소 분압(이슬점)을 변화시킴으로써 제어할 수 있다. 어떠한 강 종에서도, 산소 분압(이슬점)이 높을 경우, 강판의 표면 상의 외부 산화물층에 Si 및 Mn이 농화되는 산화물의 양은 증가한다. 또한, 강 내부까지 산화되고, 내부 산화 및 입계의 산화가 진전되어, 강 내에 SiO₂, Mn₂SiO₄ 등이 형성되고, 강 내에 차지하는 Si 및 Mn을 함유하는 산화물의 면적 비율이 증가한다.

한편, 어떠한 강 종에서도, 산소 분압(이슬점)이 낮을 경우는, 강판의 표면 상의 외부 산화물층에서 Mn₂SiO₄, SiO₂ 등과 같이 Si 및 Mn이 농화된 산화물이 형성되더라도 그 양 또는 면적 비율이 감소한다. 한편, 강 내의 산화는 거의 진전되지 않고, 강 내에 형성된 SiO₂, Mn₂SiO₄ 등의 양은 감소하여, 강 내의 Si 및 Mn을 함유하는 산화물의 면적 비율은 줄어든다.

(이질재료 접합체의 접합 계면에서의 반응층)

전술한 바와 같이, 강판의 표면 상의 산화물층을 제어한 강판과 알루미늄재를 용접 접합함으로써 형성된 이질재료 접합체의 경우에는, 적절한 용접 조건을 채택함으로써, 높은 접합 강도가 수득된다. 그러나, 용접 소재측의 조건이 본 발명의 실시태양에 따른 강판과 일치하도록 준비하는 경우조차도 일부 용접 조건 하에서는 높은 접합 강도가 달성될 수 없는 경우가 있다.

상기 이유로, 이질재료 접합체측에서 보면, 높은 접합 강도를 확보하는 조건을 한정하여 이질재료 접합체측 상의 조건에 따르도록 용접 조건을 제어 및 최적화하는 것이 필요하다. 따라서, 본 발명은 이질재료 접합체가 또한 높은 접합 강도를 확보할 수 있는 조건을 규정한다.

전술한 바와 같이, 이질재료 접합체측에서 보면, 야금 접합에 필요한 최소한의 두께를 갖는 Al-Fe 반응층을 접합부에 가능한 한 넓은 범위로 형성하는 것이 필요하다. 즉, 우선 야금 접합에 필요한 최소한의 두께를 갖도록 반응층을 제어하고 또한 알루미늄재의 접합 계면에서의 너깃 깊이 방향으로(강판의 두께 방향으로)의 반응층의 평균 두께를 0.1 내지 10μm로 제어하는 것이 필요하다.

강판과 알루미늄재 사이의 용접 접합된 계면에서, 반응층으로서, 용접 방법과 관계 없이, 강판측에는 층상의 Al₅Fe₂계 화합물층을, 알루미늄재측에는 과립형 또는 침상 Al₃Fe계 화합물 및 Al₁₉Fe₄Si₂Mn계 화합물이 공존하는 층을 갖는다.

상기 부서지기 쉬운 반응층의 너깃 깊이 방향으로의 두께가 10μm를 초과할 경우, 접합 강도는 현저히 줄어든다. 한편, 반응층의 너깃 깊이 방향으로의 두께가 0.1μm 미만일 경우, 야금 접합은 불충분하여 충분한 접합 강도가 수득되지 않는다. 상기 이유로, 강판의 표면 상에 산화물층이 제어되는 강판과 알루미늄재와의 접합 계면에서의 반응층의 평균 두께는 0.1 내지 10μm의 범위로 제한된다.

(반응층의 형성 범위)

이하, 이질재료 접합체의 경우에는, 전술한 바와 같은 상기 Al-Fe 반응층을 가능한 한 넓은 범위로 접합부에 형성시키는 것이 필요하다. 즉, 레이저 용접, MIG 용접 등과 같은 선 용접의 경우에는, 접합 후 형성된 반응층의 길이가 용접 접합 길이(강판의 거의 수평 방향으로, 즉 너깃 깊이 방향의 수직 방향으로)의 50% 이상인 것이 바람직하다. 또한, FSW(마찰 교반 용접(friction stir welding))를 비롯한 점 용접의 경우에는 접합 후 형성된 반응층의 면적이 접합 면적(강판의 거의 수평 방향으로, 즉 너깃 깊이 방향의 수직 방향으로)의 50% 이상인 것이 바람직하다.

반응층이 적절한 범위의 두께를 갖는다는 전제 하에, 적절한 범위의 두께를 갖는 반응층이 가능한 한 넓은 범위에서 균일하게 형성되지 않은 경우, 야금 접합은 확실히 달성되지 않을 수 있다. 이에 반해, 적절한 범위의 두께를 갖는 반응층이 50% 이상의 범위에서 형성될 경우, 충분한 접합 강도가 확실히 달성된다.

(이질재료 접합체의 접합 계면에서의 반응층의 측정)

본 발명에서는, 반응층은, 이하 실시예에서 기술되는 바와 같이, 강판 및 알루미늄재의 접합부를 절단하여 SEM으로 접합 계면의 단면을 관찰함으로써 측정된다.

(용접 방법)

한편, 본 발명에서 용접 방법으로서 채택되는 방법은, 점 용접, 레이저 용접, MIG 용접, 초음파 접합, 확산 접합, 점 FSW, 마찰 압접, 납땜 등을 비롯한 방법 중 하나일 수 있다.

본 발명은 이하 실시예를 참조하여 구체적으로 설명된다. 그러나, 본 발명은 하기 실시예에 의해 제한되지 않고, 전술 및 후술하는 본 발명의 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적절히 변경될 수 있으며, 모든 변형이 본 발명의 기술적 범위 내에 포함된다.

실시예

이질재료 접합체를, 실시예 1의 경우 점 용접에 의해, 실시예 2의 경우 레이저 용접에 의해, 실시예 3의 경우 MIG 용접에 의해 이질재료의 접합을 각각 수행하여 제조하였다. 그 후, 이질재료 접합체의 각각의 접합 강도를 측정하여 평가하였다.

(실시예 1 : 점 용접)

표 1에 기재된 성분 조성을 갖는 강을 용융 및 제련한 후 1.2mm의 두께로 압연한 강판을 일단 산 세척하여 기존의 표면 산화층을 제거하였다. 그 후, 표 2에 기재된 조건 A, B, C, D 및 E 하의 어닐링 분위기에서 산소 분압(이슬점)을 다양하게 변화시킴으로써 상이한 산화 구조를 갖는 강판을 제조하였다.

어닐링된 후 강판의 산화 구조는 표 4 내지 7에 나타낸다. 여기서, 각 강판의 접합 대응부에서의 각 산화 구조는 하기 관련 측정법에 의해 측정되었다.

(외부 산화물 형성의 범위)

외부 산화물은 집속 이온 빔 처리기(히타치 리미티드(Hitachi, Ltd.)에서 제조된 FB-2000A)로 단면 시료를 제조하고, 전술한 EDX(타입 : 노란-반타지(NORAN-VANTAGE))로 강판의 두께 방향의 단면에서의 강 생지 및 외부 산화물층 사이의 계면을 거의 수평 방향으로 분석하여, 계면 부근의 외부 산화물층 내의 Mn 및 Si의 총량을 구한 후, 계면 부근의 총 1원자% 이상의 Mn 및 Si를 함유하는 산화물상(복수의 산화물)을 다른 상과 구별함으로써 확인하였다.

다음으로, 단면을 100,000배의 TEM(장 방출 투과전자 현미경; 제올(JEOL)에서 제조된 젬(JEM)-2010F, 가속 전압; 200kv)으로 관찰하고, 전술한 EDX 분석에서와 동일한 계면 영역에서, 총 1원자% 이상의 Mn 및 Si를 함유하는 산화물상의 상기 계면에서의 거의 수평 방향으로의 길이를 구하였다. 그 후, 계면의 거의 수평 방향으로의 길이 1μm에 대하여 차지하는 산화물상의 총 길이의 비율을 구하였다. 상기 과정을 각 시료의 3개의 시야에서 행하여, 평균을 수득하였다.

(내부 산화물의 면적 비율)

내부 산화물은, 강판의 강 생지 표면으로부터의 깊이가 10μm 이하인 강 영역에서, 또는 강판의 강 생지 표면으로부터의 깊이가 10μm를 초과하는 강 영역의 복수의 위치에서, 전술한 EDX를 이용하여 총 1원자% 이상의 Mn 및 Si를 함유하는 산화물을 다른 상과 구별함으로써 확인하였다.

그 후, 단면은 30,000배의 TEM(장 방출 투과전자 현미경; 제올에서 제조된 젬-2010F, 가속 전압; 200kv)으로 관찰하고, 10μm²의 시야 면적(지철 면적)에서 총 1원자% 이상의 Mn 및 Si를 함유하는 산화물상의 면적 비율은 전술한 EDX 분석에서와 동일한 계면 영역에서 구했다. 여기서, 입계 산화물의 면적 또한 총 1원자% 이상의 Mn 및 Si를 함유하는 산화물의 면적에 포함되었다. 상기 과정을 각 시료의 3개의 시야에서 행하여, 평균을 수득하였다.

표 1에 기재된 성분 조성을 갖는 번호 1 내지 4의 모든 강판은 본 발명이 포함하는 고강도 강판이며, 강판의 인장강도는 강 번호 1의 경우에서 450MPa, 강 번호 2의 경우에서 750MPa, 강 번호 3의 경우에서 990MPa이었다.

표 2에 기재된 어닐링 조건에서, 코드 C 및 D는 산소 분압(이슬점)이 양호한 어닐링 조건이었다. 그 결과, 표 2에 기재된 바와 같이, 어닐링 된 후의 강판의 외부 산화물층 및 내부 산화물은 본 발명의 요건을 만족시켰다. 즉, 외부 산화물층 내에 총 1원자% 이상의 Mn 및 Si를 함유하는 산화물이 차지하는 비율은 강 생지와 외부 산화물층 사이의 계면의 거의 수평 방향으로의 길이 1μm에 대하여 차지하는 이 산화물의 총 길이의 평균 비율이 50 내지 80%의 범위에 있었다. 또한, 내부 산화물 1(강판의 강 생지 표면으로부터의 깊이가 10μm 이하인 강 영역에 존재함)에 관해서는, 총 1원자% 이상의 Mn 및 Si를 함유하는 내부 산화물의 비율이, 입계 산화물을 포함하여 강 영역의 10μm²의 시야에서 차지하는 평균 면적 비율로서 3% 이상 10% 미만의 범위에 있었다. 또한, 내부 산화물 2(강판의 강 생지 표면으로부터의 깊이가 10μm를 초과하는 강 영역에서 존재함)에 관해서는, 총 1원자% 이상의 Mn 및 Si를 함유하는 내부 산화물의 비율이, 입계 산화물을 포함하여 강 영역에서 10μm²의 시야에서 차지하는 평균 면적 비율로서 0.1% 이하였다.

이에 반해, 표 2에 기재된 어닐링 조건에서는, 코드 A 및 B는 산소 분압(이슬점)이 너무 낮은 경우였다. 그 결과, 어닐링 후 각 강판의 외부 산화물층에서 전술한 산화물의 총 길이의 평균 비율은 80%를 초과하였다.

한편, 코드 E의 경우에는, 산소 분압(이슬점)이 너무 높았다. 그 결과, 어닐링 후 강판의 외부 산화물층에서 전술한 산화물의 총 길이의 평균 비율은 50% 미만까지 감소하였다. 한편, 내부 산화물 및 입계 산화물의 비율이 너무 높아져서, 반응층이 국소적으로 성장하더라도 반응층의 성장은 불균일하였고 반응층의 형성의 범위는 좁아졌다.

다양한 산화 구조를 갖는 알루미늄재를 포함하는 강판을 JIS A3137에서 규정된 십자(十字) 인장 시험편의 형상으로 절단하였다. 각 강판 및 각 알루미늄재를 겹친 후, 표 3에 기재된 패턴 a, b, c 및 d의 조건 하에 점 용접하여, 이질재료의 접합을 수행하였다.

알루미늄재에 관해서는, 1mm 및 1.6mm의 두께를 갖는 A6022재(1.01%의 S, 0.07%의 Mn을 함유)인 동종의 알루미늄재를 각각의 이질재료의 접합에 사용하였다.

점 용접에 관해서는, 직류 저항 용접 시험기를 사용하여 일점(一點) 용접을 표 3에 기재된 용접 전류, 용접 압력 및 시간의 조건 하에 수행하였다. Cu-Cr 합금으로 제조된 돔형 전극을 사용하고, 양극을 알루미늄재로 하고, 음극을 강재로 하였다.

제조된 각각의 이질재료 접합체의 계면 반응층의 두께 및 형성 범위를 측정하였다. 결과는 표 4 내지 7에 기재되어 있다.

각 계면 반응층의 두께는, 점 용접부의 중심에서 이질재료 접합체를 절단하고, 절단된 이질재료 접합체를 수지에 담그어 연마한 후, SEM으로 전체 접합부로부터 0.5nm의 간격에서 관찰함으로써, 측정하였다. 반응층의 두께는 상기 두께가 1μm 이상인 경우 2,000배의 시야에서 측정하였고, 두께가 1μm 미만인 경우 10,000배의 시야에서 측정하였으며, 그 후 각 점 용접에 대한 평균 두께를 구하여, 30개의 점 용접 부위의 평균값을 계면 반응층의 평균 두께로 하였다.

또한, 계면 반응층의 형성 범위의 비율은 각 점 용접 부위에서 총 스폿 면적당 반응층의 형성 면적 비율을 구하여, 30개의 점 용접 부위의 평균을 수득하여 구하였다.

제조된 각각의 이질재료 접합체의 십자 인장 시험을 수행하여 박리강도를 수득하였다. 그 결과는 역시 표 4 내지 7에 기재되어 있다. 박리강도는, A6022 알루미늄재끼리의 점 용접의 접합 강도가 1.0kN인 사실을 참조하여, 접합 강도가 1.5kN 이상인 경우 우수, 접합 강도가 1.0 내지 1.5kN인 경우 양호, 접합 강도가 0.5 내지 1.0kN인 경우 보통, 접합 강도가 0.5kN 미만인 경우 불량으로서 평가되었다.

표 4 내지 7로부터 분명한 바와 같이, 표 1에 기재된 번호 1 내지 4의 성분 조성을 갖고 표 2에 기재된 바와 같이 적절한 산소 분압(이슬점)의 코드 C 및 D의 어닐링 조건 하에서 처리된 강판을 사용함으로써 제조된 본 발명예의 강판의 경우에는, 어닐링 후 각 강판의 외부 산화물층 및 내부 산화물은 본 발명의 요건을 만족시켰다.

그 결과, 산화물 조건을 만족시키는 강판을 사용하여, 용접 조건을 적절히 제어한 이질재료 접합체의 본 발명예는, 이질재료 접합체의 계면 반응층의 두께 및 형성 범위가 본 발명의 요건을 만족시켰고, 이질재료 접합체의 접합 강도가 증가하였다.

그러나, 본 발명예 중에서도, 각 이질재료 접합체의 계면 반응층의 두께 또는 형성 범위 중 어느 하나가 하한에 가까운 본 발명예 번호 8, 12, 26 및 28의 경우에는, 표 3에 기재된 바와 같이 비교적 긴 용접 시간(400msec)의 용접 패턴인 b 또는 d의 용접 조건 하에서 점 용접하였다. 따라서, 이 경우에는, 각 이질재료 접합체의 접합 강도는, 표 3에 기재된 바와 같이 단지 용접 시간만이 비교적 짧고(40msec) 다른 조건들은 변화시키지 않은 용접 패턴 a 및 c의 용접 조건 하에서 용접된 다른 기타 발명예 번호 7, 11, 25 및 27에 비해 줄어들었다.

또한, 코드 C 및 D의 적절한 동일 어닐링 조건 하에서 처리된 발명예와 비교예 둘다를 비교하면, 발명예 번호 1과 비교예 번호 2, 발명예 번호 3과 비교예 번호 4, 발명예 번호 5와 비교예 번호 6, 발명예 번호 9와 비교예 번호 10(이상은 표 4에 기재됨), 발명예 번호 17과 비교예 번호 18, 발명예 번호 19와 비교예 번호 20, 발명예 번호 25와 비교예 번호 26, 및 발명예 번호 27과 비교예 번호 28(이상은 표 5에 기재됨)은 단지 점 용접 조건(용접 시간)만이 표 3에 각각 기재된 패턴 a 및 b만이 상이하고 기타 조건은 동일한 상태에서 제조되었다. 그 후, 단지 점 용접 시간의 차이에 의해, 계면 반응층의 두께와 형성 범위, 및 이질재료 접합체의 접합 강도까지도 발명예와 비교예 사이에서 대체적으로 서로 상이하였다.

따라서 상기 사실로부터, 이질재료 접합체의 계면 반응층의 두께 및 형성 범위에 대한 본 발명의 요건의 의의를 알 수 있다. 또한, 이질재료 접합체의 계면 반응층의 두께 및 형성 범위에 대한 본 발명의 요건을 만족시키고 이질재료 접합체의 접합 강도를 증가시키기 위해, 산화물의 요건을 만족시키는 강판을 사용하는 것뿐만 아니라 용접 조건을 적절히 제어하는 것이 필요하다는 것을 이해할 수 있다.

한편, 표 6 및 7로부터 분명한 바와 같이, 표 1에 기재된 번호 1 내지 4의 성분 조성을 갖는 강판이 사용되어도, 표 2에 기재된 바와 같이 산소 분압(이슬점)이 부적절한 코드 A, B 및 E의 어닐링 조건 하에서 제조된 비교예의 강판의 경우에는, 어닐링 후 강판의 외부 산화물층 및 내부 산화물은 본 발명의 요건으로부터 벗어났다.

그 후, 산화물 조건이 본 발명 범위로부터 벗어난 강판을 사용한 경우, 적절한 용접 조건이 표 4 및 5에 기재된 발명예와 동일한 방식으로 적용되더라도, 비교예의 경우에는 이질재료 접합체의 계면 반응층의 두께 및 형성 범위는 본 발명의 요건으로부터 벗어나고, 이질재료 접합체의 접합 강도는 현저히 줄어든다는 것을 알 수 있었다. 바꾸어 말하면, 산화물 조건이 본 발명 범위로부터 벗어난 강판이 사용될 경우, 점 용접 조건 및 알루미늄판의 두께에 관계없이 이질재료 접합체의 높은 접합 강도가 수득될 수 없다는 것을 알 수 있었다.

따라서, 상기 사실은 본 발명의 실시태양에 따른 이질재료 접합체용 강판의 산화물 조건의 임계적 의의를 뒷받침한다.

(실시예 2)

실시예 1과 동일한 방식으로, 표 1에 기재된 성분 조성을 갖는 1.2mm의 두께의 강판을 일단 산 세척하여 기존의 표면 산화층을 제거하였다. 이 후, 상이한 산화 구조를 갖는 강판을 표 2에 기재된 조건 하의 어닐링 분위기에서 산소 분압(이슬점)을 다양하게 변화시킴으로써 제조하였다.

강판, 및 실시예 1에서 사용된 것과 동일한 1.6mm의 두께의 알루미늄판을 100mm×300mm의 크기로 절단하였다. 각 강판의 말단부를 각 알루미늄판의 말단부와 겹치고(중첩 폭은 30mm임), 겹쳐진 말단부를 도 2에 도시된 배치로 레이저 용접하여, 이질재료 접합체를 제조하였다.

레이저 용접의 주요 조건은 표 8 및 9에 기재되어 있다. 다른 레이저 용접 조건과 관련하여, 4.0kW의 최대 출력을 갖는 YAG 레이저 용접기를 이용하여 강판측에 레이저를 조사하였다. 아르곤을 보호 기체로서 사용하였다.

제조된 각각의 이질재료 접합체의 계면 반응층의 두께 및 형성 범위를 측정하였다. 측정 결과는 표 8 및 9에 기재되어 있다.

반응층의 두께는 겹침 용접부의 전체 접합 길이로부터 5mm 간격에서 단면 시료를 절단하여 반응층의 임의의 10개의 위치에서의 두께의 평균을 냄으로써 수득되었다. 여기서, 반응층의 두께가 1μm 이상일 경우 2,000배의 시야에서, 또는 반응층의 두께가 1μm 미만일 경우 10,000배의 시야에서 SEM으로 관찰함으로써 두께를 측정하였다.

또한, 반응층의 형성 범위의 비율은, 단면 시료에서 접합 길이 100μm당 반응층이 형성된 접합부의 길이의 비율을 구하고, 임의의 10개의 위치에서 이 비율의 평균을 냄으로써 결정되었다.

또한, 폭 30mm의 인장 시험편을 이질재료 접합체의 겹침 용접부로부터 채취하여 인장 시험을 수행하였다. 접합 강도는 파단 하중이 1kN 이하일 경우 불량으로 평가하였고, 1 내지 3kN일 경우 보통, 3 내지 5kN일 경우 양호, 5kN 초과일 경우 우수로 평가하였다. 그 결과는 역시 표 8 및 9에 기재되어 있다.

표 8 및 9로부터 분명한 바와 같이, 표 1에 기재된 번호 1 내지 4의 성분 조성을 갖는 강판을 사용하고 표 2에 기재된 바와 같이 산소 분압(이슬점)이 적절한 코드 C 및 D의 어닐링 조건 하에서 처리됨으로써 제조된 본 발명예의 강판의 경우에는, 어닐링 후 각 강판의 외부 산화물층 및 내부 산화물은 본 발명의 요건을 만족시켰다.

그 결과, 산화물 조건을 만족시키는 강판을 사용하고 용접 조건을 적절히 제어함으로써 제조된 이질재료 접합체의 본 발명예는, 이질재료 접합체의 계면 반응층의 두께 및 형성 범위가 본 발명의 요건을 만족하고 이질재료 접합체의 접합 강도가 증가된다는 것을 알 수 있었다.

한편, 코드 A, B 및 E의 부적절한 어닐링 조건 하에서 처리된 강판을 사용한 비교예의 경우에는, 각 강판의 표면 산화 구조가 본 발명의 요건을 만족하지 않았다. 그 결과, 레이저 출력을 증가시키고 용접 속도를 감소시켜 입열량을 증가시켜 용접 조건을 제어하여도, 이질재료 접합체의 반응층의 두께는 얇고, 또한 반응층의 형성 범위는 충분하지 않았다. 따라서, 높은 접합 강도가 수득되지 않았다.

또한, 코드 C 및 D의 어닐링 조건 하에서 처리되고 본 발명에 규정된 범위의 표면 산화 구조를 갖는 강판이 사용되어도, 부적절한 용접 조건 하에서 처리된 비교예 번호 70, 72 및 101의 경우에는, 단지 레이저 출력 및 용접 속도가 상이한 발명예 번호 69, 71 및 102에 비해, 각 반응층의 두께 및 형성 범위가 본 발명 범위로부터 벗어나 높은 접합 강도가 수득되지 않았다.

따라서 상기 사실로부터, 이질재료 접합체의 계면 반응층의 두께 및 형성 범위에 대한 본 발명의 요건의 의의를 알 수 있다. 또한, 이질재료 접합체의 계면 반응층의 두께 및 형성 범위에 대한 본 발명의 요건을 만족시키고 이질재료 접합체의 접합 강도를 증가시키기 위해, 산화물의 요건을 만족시키는 강판을 사용하는 것뿐만 아니라 용접 조건을 적절히 제어하는 것까지도 필요하다는 것을 알 수 있다. 또한, 상기 사실은 본 발명의 실시태양에 따른 이질재료 접합체용 강판의 산화물 조건의 임계적 의의를 뒷받침한다.

(실시예 3)

실시예 1과 동일한 방식으로, 표 1에 기재된 성분 조성을 갖는 1.2mm의 두께의 강판을 일단 산 세척하여 기존의 표면 산화물층을 제거하였다. 이 후, 표 2에 기재된 조건 하의 어닐링 분위기에서 산소 분압(이슬점)을 다양하게 변화시킴으로써 상이한 산화 구조를 갖는 강판을 제조하였다.

강판, 및 실시예 1에 사용된 것과 동일한 1.6mm의 두께의 알루미늄판을 100mm×300mm의 크기로 절단하였다. 각 강판의 말단부를 도 3에 도시된 바와 같이 각 알루미늄판의 말단부와 겹쳐 배치하고, MIG 납땜하여 겹침 필릿 용접이음(겹침 폭은 15mm임)을 형성하였다. AC 전력 공급기로 MIG 용접을 수행하였다.

표 10 및 11에 기재된 바와 같이 Al형 와이어를 사용하였고, 이는 예를 들어 JIS에 규정된 A4043-WY, A4047-WY, A5356-WY 및 A5183-WY였다.

제조된 각각의 이질재료 접합체의 계면 반응층의 두께 및 형성 범위를 실시예 2와 동일한 방식으로 측정하였다. 그 결과는 표 10 및 11에 기재되어 있다.

폭 30mm의 인장 시험편을 겹침 용접부로부터 채취하여 인장 시험을 행하였다. 접합 강도는 파단 하중이 1kN 미만일 경우 불량, 1 내지 3kN일 경우 보통, 3 내지 5kN일 경우 양호, 5kN 초과일 경우 우수로 평가되었다. 그 결과는 역시 표 10 및 11에 기재되어 있다.

표 10 및 11로부터 분명한 바와 같이, 표 1에 기재된 번호 1 내지 4의 성분 조성을 갖는 강판을 사용하고 표 2에 기재된 바와 같이 산소 분압(이슬점)이 적절한 코드 C 및 D의 어닐링 조건 하에서 처리된 본 발명예의 강판의 경우에는, 어닐링 후 각 강판의 외부 산화물층 및 내부 산화물이 본 발명의 요건을 만족시켰다.

그 결과, 산화물 조건을 만족시키는 강판을 사용하고 용접 조건을 적절히 제어함으로써 제조된 이질재료 접합체의 본 발명예는, 용접 조건을 적절히 제어하면 이질재료 접합체의 계면 반응층의 두께 및 형성 범위가 본 발명의 요건을 만족시키고 이질재료 접합체의 접합 강도가 증가시킨다는 것을 알 수 있었다.

한편, 어닐링 조건이 부적절한 코드 A, B 및 E의 조건 하에서 처리된 강판을 사용한 비교예 중의 어떤 경우라도, 강판의 표면 산화 구조가 본 발명의 요건을 만족하지 않았다. 그 결과, 본 발명예와 동일한 방식으로 용접 속도를 감소시켜 입열량을 증가시킴으로써 MIG 납땜의 용접 조건을 최상으로 제어할지라도, 이질재료 접합체의 반응층의 두께는 얇고 반응층의 형성 범위는 좁고 불충분하였다. 따라서, 높은 접합 강도가 수득되지 않았다.

또한, 코드 C 및 D의 어닐링 조건 하에서 처리되어 본 발명에 규정된 범위 내의 표면 산화 구조를 갖는 강판이 사용되어도, 비교적 낮은 용접 속도 및 부적절한 용접 조건 하에서 처리된 비교예 번호 109 및 111의 경우에는, 단지 레이저 출력 및 용접 속도만이 상이한 본 발명예 110 및 111에 비해, 각 반응층의 두께 및 형성 범위가 본 발명 범위로부터 벗어나 높은 접합 강도가 수득되지 않았다.

본 발명은 바람직한 실시태양의 관점에서 기술되었다. 그러나, 당업자는 상기 실시태양의 많은 변형이 존재하는 것을 인지할 것이다. 상기 변형은 본 발명 및 하기 특허청구범위의 범주에 포함되는 것으로 의도된다.

본 발명은, 알루미늄재에 접합될 때 적용 조건 등이 덜 제한적이서 범용성이 우수하고, 부서지기 쉬운 금속간 화합물 등이 접합부에서 형성되어 접합의 신뢰성을 방해하는 것을 방지하며, 높은 접합 강도를 갖는 접합부를 수득할 수 있는, Si, Mn 등을 함유하는 고강도 강판; 및 강판 및 알루미늄재로 제조된 이질재료 접합체를 제공한다.

Claims

질량%로, 0.02 내지 0.3%의 C, 0.2 내지 5.0%의 Si, 0.2 내지 2.0%의 Mn, 및 0.002 내지 0.1%의 Al; 추가로 0.005 내지 0.10%의 Ti, 0.005 내지 0.10%의 Nb, 0.05 내지 1.0%의 Cr, 및 0.01 내지 1.0%의 Mo 중 1종 이상을 함유하고; 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 구성된 강판에 있어서,

강판 표면 상의 기존의 산화물층을 일단 제거한 후 새로 형성시킨 상기 강판의 강 생지 표면 상에 존재하는 외부 산화물층에서, 총 1원자% 이상의 Mn 및 Si를 함유하는 산화물의 비율이, 강 생지와 외부 산화물층 사이의 계면의 수평 방향으로의 길이 1μm에 대하여, 상기 산화물의 총 길이의 평균 비율로서 50 내지 80%인

알루미늄재와의 이질재료 용접 접합용 강판.
제 1 항에 있어서,

상기 강판의 강 생지 표면으로부터의 깊이가 10μm 이하인 강 영역에 존재하고 총 1원자% 이상의 Mn 및 Si를 함유하는 내부 산화물이 차지하는 비율이, 입계 산화물을 포함하여, 상기 강 영역의 10μm²의 시야에서 차지하는 상기 내부 산화물의 평균 면적 비율로서 3% 이상 10% 미만인, 알루미늄재와의 이질재료 용접 접합용 강판.
제 1 항에 있어서,

상기 강판의 강 생지 표면으로부터의 깊이가 10μm를 초과하는 강 영역에 존재하고 총 1원자% 이상의 Mn 및 Si를 함유하는 내부 산화물이 차지하는 비율이, 입계 산화물을 포함하여, 상기 강 영역의 10μm²의 시야에서 차지하는 상기 내부 산화물의 평균 면적 비율로서 0.1% 이하인, 알루미늄재와의 이질재료 용접 접합용 강판.
제 1 항에 있어서,

상기 강판이, 일단 산 세척된 후 산소 분압이 제어된 분위기에서 어닐링된 것인, 알루미늄재와의 이질재료 용접 접합용 강판.
제 1 항에 따른 강판을 알루미늄재와 용접 접합함으로써 형성된 이질재료 접합체로서,

상기 강판과 상기 알루미늄재 사이의 접합 계면에서의 반응층의 너깃(nugget) 깊이 방향으로의 평균 두께가 0.1 내지 10μm이고, 상기 반응층의 형성 범위가 선 용접의 경우 접합 길이의 50% 이상의 길이, 또는 점 용접의 경우 접합 면적의 50% 이상의 면적인 이질재료 접합체.