상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, C : 0.001~0.015중량%, Si : 0.05~0.5중량%, Mn : 0.4~1.5중량%, Ti:0.01~0.2중량%, Cr : 0.01~0.5중량%, 가용 Al : 0.1중량% 이하(0중량% 제외), N: 0.001~0.01중량%, S : 0.03중량%이하, P : 0.03중량% 이하 및 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 내열성이 우수한 알루미늄 도금용 고강도 강판이 제공된다.
본 발명의 또다른 일측면에 따르면, C : 0.001~0.015중량%, Si : 0.05~0.5중량%, Mn : 0.4~1.5중량%, Ti:0.01~0.2중량%, Cr : 0.01~0.5중량%, 가용 Al : 0.1중량% 이하(0중량% 제외), N: 0.001~0.01중량%, S : 0.03중량%이하, P : 0.03중량% 이하 및 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 냉연강판에 알루미늄 용융도금하여 제조되는 것을 특징으로 하는 내열성이 우수한 알루미늄 도금강판이 제공된다.
이때, 상기 알루미늄 도금강판의 도금층의 도금 부착량은 50~100g/m2인 것이 바람직하다.
본 발명의 발명자들은 알루미늄 도금용 강판의 성분을 하기하는 바와 같이 적절히 조정할 경우 도금원소와 반응하여 내열성을 가지는 합금층을 용이하게 형성할 수 있다는 사실을 발견하고 본 발명에 이르게 되었다.
이하, 본 발명의 강판을 이루는 각 원소와 이들 원소들을 성분범위에 대하여 설명한다.
C : 0.001~0.015중량%
C는 강판의 강도를 증가시키는 데에 필수적인 원소로서, 인장강도 300MPa이상의 강도를 얻기 위해서는 C 함유량이 0.001중량% 이상이어야 한다. 또한 0.015중량%를 초과하여 함유되게 되면, 심가공용 부품 가공시 강판이 크랙 등을 유발하여 심한 가공부위 제조가 어렵게 된다. 즉, 강판의 강도가 너무 높으면 가공성의 제약이 따르기 때문에, C는 0.001~0.015중량%로 한정한다.
Si : 0.05~0.5중량%
Si는 치환형 고용강화 원소로서 강판의 강도를 상승시킬 뿐만 아니라 도금층의 Al과 Fe간 반응을 촉진하여 내열성을 향상시키는 효과가 있다. 특히Si 함유량이 0.5중량% 초과하면 환원 재결정 열처리시 안정한 산화피막 생성으로 도금밀착성을 저해하며 열연강판에서의 표면 스케일(scale)을 제거하기 어렵고, 0.05중량% 미만에서는 내열성 향상 효과 및 피로특성이 저하되기 때문에 Si는 0.05~0.5중량%로 한정한다.
Mn : 0.4~1.5중량%
Mn는 고용강화 효과가 매우 큰 원소임과 동시에 오스테나이트에서 페라이트 로의 변태를 지연시키는 원소이다. 또한 불가피하게 첨가되는 S에 기인하는 열간취성을 방지하는 역할을 하며 Al도금 후 내열성을 증대시킨다. Mn 함유량이 0.4중량% 미만에서는 강판을 오스테나이트 단상역에서 열처리 하기 위하여 높은 열처리 온도가 필요한데, 이는 강판의 산화를 가속시키고 도금강판을 사용할지라도 도금강판의 내식성을 열화시킨다. 또한 페라이트, 오스테나이트 이상역 열처리에 의해 원하는 높은 강도를 확보할 수 없다. Mn 함유량이 1.5중량% 초과에서는 도금 밀착성, 용접성, 표면외관, 충격특성 등의 문제가 되기 때문에, Mn는 0.4~1.5중량%로 한정한다.
Ti:0.01~0.2중량%
Ti은 강판의 강도 상승, 입경 미세화 및 열처리성을 향상시키는 데에 유효한 원소이며 알루미늄 도금층 내열성에 큰 영향을 미친다. 또한 Ti은 N과 우선 반응하여 TiN형성을 목적으로 첨가하며 0.01중량% 미만에서는 이와 같은 효과를 얻을 수 없고, 0.2중량% 초과에서는 제조비용 상승 및 과다한 탄, 질화물 생성으로 강도 상승으로 가공성 향상 효과를 기대할 수 없다.
Cr : 0.01~0.5중량%
Cr은 알루미늄 도금 후 내열성 개선에 기여하며 경화능을 크게 할 뿐만 아니라, 열처리형 강판의 인성을 증가시키기 때문에 높은 충돌에너지 특징이 요구되는 강판에 첨가하면 그 효과가 크다. Cr의 함유량이 0.01중량% 미만에서는 위와 같은 효과를 기대할 수 없고, 0.5중량% 초과에서는 그 효과가 포화될 뿐만 아니라 제조 비용이 상승하기 때문에 그 상한을 0.5중량%로 한다.
가용 Al(일명 Sol. Al) : 0.1중량% 이하 (0중량% 제외)
Al은 탈산원소로서, 0.1중량%를 초과하게 되면 그 효과는 포화될 뿐만 아니라, 알루미나(Alumina) 등의 개재물을 증가시키고, N과 결합하여 AlN을 형성함으로써 고용 N을 감소시켜 항복강도 상승을 억제하기 때문에, 0.1중량%를 상한으로 하였다.
N: 0.001~0.01중량%
N은 침입형 강화 원소임과 동시에 Ti, Nb, Al 등과 결합하여 질화물을 형성하는 원소로서, 본 발명에서 열처리 후 강도 유지를 위해서는 적정량의 N을 함유해야 한다. N 함유량이 0.001중량% 미만에서는 이러한 효과를 기대할 수 없고, N 함유량이 0.01중량%을 초과하게 되면, 제조 공정상 강판을 용해 및 연주를 하기 어려울 뿐만 아니라, 가공성 열화나 용접시 블로우 홀(blow hall) 발생을 야기할 수 있기 때문에 그 상한을 0.01중량%로 한다.
S : 0.03중량%이하
S는 강 중에 불순물로서 존재하여, 강판의 연성 및 용접성을 저해하는 원소이다. S 함량이 0.03중량% 이하에서는 이러한 악영향이 크지 않기 때문에 그 상한을 0.03중량%로 한다.
P : 0.03중량%이하
P는 강의 고용강화원소로 널리 첨가되는 원소이나 0.03중량% 이상에서는 강도가 너무 높아 가공성이 나빠지며 도금강판 열처리시 합금화도를 촉진하여 변색이 빨리되어 그 상한을 0.03중량%로 한다.
상술한 조성을 가지는 강판은 냉연강판으로서 통상의 냉연강판 제조방법에 준하여 제조하면 된다. 따라서, 이하에서 상기 냉연강판을 제조하기 위한 바람직한 한가지 예를 들고 있으나, 이는 바람직한 예로서 반드시 준수해야 할 원칙은 아니며 상술한 조성을 가진 냉연강판은 모두 본 발명의 강판의 대상이 됨에 유의해야 할 필요가 있다.
상술한 조성을 가지는 냉연강판은, 우선 상기 성분을 만족시키는 슬라브를 주조하고 냉각하는 주조과정, 1100℃이상 1300℃이하의 온도로 상기 슬라브를 재가열하는 재가열과정, 그리고 Ar3 변태점 이상 900℃이하의 온도로 열간마무리 압연을 행한 뒤, 700℃의 온도 범위에서 권취를 행하는 열간압연과정에 의해 제조된 열연강판을 산세 및 냉간압연함으로써 제조될 수 있다. 산세 후 냉간압하율은 크게 한정되지 않지만, 너무 낮으면 원하는 두께를 얻기 어렵고 강판의 형상 교정이 힘들기 때문에 하한을 30%로 한다. 또한 냉간압하율 80% 초과에서는 강판 에지(edge)부 크랙 발생이 쉽고, 냉간압연 부하가 크기 때문에 80%이하로 하는 것이 바람직하다. 이러한 과정으로 제조된 상기 냉연강판은 인장강도 350MPa 이상의 고강도 강 판으로서 높은 강도를 가진 재료의 제조에 이용될 수 있다.
이하, 본 발명의 또다른 일측면인 상기 냉연강판에 알루미늄이 용융도금된 용융 알루미늄 도금강판이 설명된다.
본 발명의 용융 알루미늄 도금강판은 상기 냉연강판에 용융 알루미늄 도금을 실시하여 제조된 강판으로서, 상술한 조성의 강판과 용융 알루미늄 층과 합금층을 보유함으로써 내열성이 우수한 알루미늄 도금강판이 사용된다.
이때, 도금에 사용하는 알루미늄 도금용 도금욕 성분도 반드시 이에 한정하지는 않으나, Si가 8~10중량% 함유되고, 나머지 Al 및 불가피하게 석출된 Fe가 함유된 도금욕을 이용하는 것이 특히 바람직하다. 다만, 상기 알루미늄 도금욕 성분으로 강판을 용융도금하여 용융 알루미늄 강판을 제조하거나 상기 강판을 성형하여 가열할 경우 합금층에 존재하던 Si가 도금층으로 진입하기 때문에 Si 양은 이후 사용조건에 따라 변경될 수 있다는 점에 유의할 필요가 있다.
상기 알루미늄 도금욕을 강판에 도금하는 방법은 반드시 이들로 제한하는 것은 아니며, 통상의 도금방법이라면 어떠한 방법이든 사용할 수 있으나, 바람직한 몇가지 도금방법의 예를 든다면, 용융도금, 전해도금, 진공증착도금 및 클래드 방법 등을 들 수 있다.
상술한 알루미늄 도금층은 사용되는 강판의 종류에 따라 그 부착두께나 부착량이 달라질 수 있는데, 본 발명에서 대상으로 하는 강판의 용도와 사용조건을 감안할 때에는 강판 표면적 1m2당 50~100g 정도 도금되는 것이 바람직하다. 알루미늄 도금층의 부착량이 부족할 경우에는 내열성 확보가 곤란하며, 반대로 알루미늄 도금층이 과다하게 부착될 경우에는 가공성이 불리하다
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기하는 실시예는 본 발명의 일태양을 예시하여 설명하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
(실시예)
구분 |
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Al |
N |
Ti |
Cr |
1 |
0.002 |
0.15 |
0.4 |
0.014 |
0.012 |
0.044 |
0.0028 |
0.15 |
0.30 |
2 |
0.003 |
0.08 |
0.3 |
0.012 |
0.010 |
0.035 |
0.0030 |
0.01
|
0.22 |
3 |
0.004 |
0.5 |
1.5 |
0.015 |
0.010 |
0.041 |
0.0033 |
0.14 |
0.15 |
4 |
0.003 |
0.4 |
0.3
|
0.011 |
0.012 |
0.036 |
0.0040 |
0.13 |
0.18 |
5 |
0.002 |
0.2 |
1.2 |
0.011 |
0.015 |
0.047 |
0.0032 |
0.09 |
0.16 |
6 |
0.003 |
0.01
|
1.0 |
0.014 |
0.013 |
0.050 |
0.0038 |
0.08 |
0.05 |
7 |
0.003 |
0.05 |
1.0 |
0.010 |
0.010 |
0.048 |
0.0045 |
0.05 |
0.25 |
8 |
0.004 |
0.09 |
0.9 |
0.013 |
0.009 |
0.048 |
0.0049 |
0.09 |
0.01
|
9 |
0.002 |
0.08 |
0.8 |
0.015 |
0.008 |
0.057 |
0.0056 |
0.20 |
0.24 |
10 |
0.023 |
0.10 |
1.1 |
0.009 |
0.014 |
0.049 |
0.0035 |
0.10 |
0.23 |
※ 각 성분의 함량은 중량% 단위임, 성분 함량중 밑줄 친 부분은 본 발명의 강판 조성을 벗어나는 경우를 의미함.
진공용해에 의해 상기 표 1에 기재한 조성을 가지도록 조성제어되어 주조된 주괴를 본 발명의 용융 알루미늄 도금용 냉연강판 및 상기 용융 알루미늄 도금강판을 제조하는데 사용하였다. 상기 표 1에서 1, 3, 5, 7, 9번은 모두 본 발명에서 규정하는 강판조성을 충족하는 발명예를 나타내며, 반대로 2, 4, 6, 8, 10번은 본 발명에서 규정하는 강판조성을 충족하지 못하는 비교예를 나타낸다.
상기 주괴를 가열로를 이용하여 1150~1250℃ 온도 범위에서 1시간 재가열하고 열간압연을 실시하였다. 이 때, 열간압연은 890~920℃ 온도범위에서 열간압연을 종료하였으며, 권취온도는 700℃로 하였다.
이후, 열간압연된 강판을 이용하여 산세를 실시하고 냉간 압하율을 75%로 하여 냉간압연을 실시하였다.
냉간압연된 냉연강판에 대하여 용융 알루미늄 도금을 실시하였는데, 도금시 조건은 다음과 같다. 즉 탈지처리된 냉연 시편은 질소-수소 환원 분위기(수소농도 30%)에서 이슬점 온도가 -50℃(Dew point)인 조건에서 환원소둔 열처리되었으며, 이때 최대 환원소둔 열처리 온도는 820℃로 설정하였다. 열처리후 강판은 680℃로 유지되는 노를 통과한 후 680℃로 유지된 도금욕에 침적됨으로써 도금되었다.
이 때 도금욕 조성은 Al-8.5%Si 이었으며, 편면당 30~120 g/m2 두께의 부착량 조절을 위하여 가스 와이핑 처리를 하였다, 그 후 도금된 시편은 냉각장치를 거치면서 용융 알루미늄 도금강판 표면 스팽글이 최소화 되도록 하였다.
상기 과정에 의해 제조된 각 10종의 용융 알루미늄 강판의 내열성 특성을 조사하기 위해서 각 용융 알루미늄 도금강판을 400~500℃로 유지된 머플로(muffle furnace)에서 24시간 가열한 뒤 공냉처리하였다. 열처리된 시편(50mm X 50mm)을 광택도 측정기기에서 광택도를 측정하여 열처리 전 광택도와 비교하였으며 밀착성 시험은 도금된 시편을 180도 벤딩가공(0t Bending)하여 표면을 관찰하였다. 인장시험은 만능 인장시험기를 이용하여 실시하였다.
표 2는 본 발명강과 비교강의 도금 제조조건에 따른 내열성 특성을 광택도와 기계적성질의 변화의 척도로 나타낸 것이다. 하기 표 2에서 표면외관을 나타내는 기준 중 ◎는 표면농화물이 없고 미도금 부위가 전혀 없는 경우를, ○는 표면농화물이 없고 미도금 부위가 일부 관찰되는 경우를, △는 표면농화물이 있고 미도금 부위가 일부 관찰되는 경우를 그리고 ×는 표면농화물이 관찰되고 미도금 부위가 다수 있는 경우를 나타낸다. 또한, 밀착성을 나타내는 기준 중 ◎는 표면에서 크랙이 전혀 없는 경우를, ○는 표면에서 크랙이 1/3 관찰되는 경우를, △는 표면에서 크랙이 1/2 이상 관찰되는 경우를 그리고 ×는 표면에서 크랙이 전면적으로 다수 관찰되는 경우를 각각 나타낸다.
구분 |
도금부착량(g/m2) |
금속 코팅층 잔존율(%) (450℃ 측정) |
광택도 |
표면 외관 |
밀착성 |
기계적 성질 |
450℃ |
500℃ |
TS(MPa) |
n |
1 |
50 |
20 |
550 |
150 |
◎ |
◎ |
365 |
0.22 |
2 |
65 |
25 |
350 |
100 |
○ |
○ |
337 |
0.21 |
3 |
75 |
60 |
680 |
210 |
◎ |
◎ |
432 |
0.22 |
4 |
100 |
70 |
725 |
250 |
◎ |
◎ |
418 |
0.22 |
5 |
50 |
40 |
555 |
160 |
◎ |
◎ |
357 |
0.22 |
6 |
70 |
30 |
490 |
105 |
○ |
○ |
369 |
0.23 |
7 |
80 |
65 |
660 |
180 |
◎ |
◎ |
360 |
0.20 |
8 |
50 |
25 |
480 |
100 |
◎ |
◎ |
370 |
0.21 |
9 |
40 |
25 |
310 |
175 |
◎ |
◎ |
377 |
0.22 |
10 |
30 |
15 |
350 |
105 |
◎ |
◎ |
430 |
0.18 |
4 |
60 |
15 |
320 |
100 |
× |
△ |
378 |
0.21 |
4 |
80 |
20 |
380 |
110 |
× |
△ |
361 |
0.21 |
표 1과 2에서 나타난 바와 같이, 본 발명에 의해 제조된 냉연강판인 강종 1,3,5,7,9번 강은 Al 도금시 표면 외관과 도금 밀착성이 우수하고 450℃와 500℃로 가열한 후에도 도금층 단면 표층부에 Al 코팅층 잔존율이 높아 광택도가 우수함을 알 수 있다. 또한 인장강도가 350MPa이상의 가공성이 우수한 고강도 알루미늄 도금강판 제조가 가능함을 알 수 있다.
그러나, 비교예인 2번강은 인장강도가 낮고 열처리 후 도금층내 Al코팅층 잔존율이 낮아 내열성이 열화됨을 알 수 있고 4번강은 도금 표면외관과 밀착성이 나빠지며 내열특성도 열화되어 부적합하다. 6,8,10번강은 도금표면과 밀착성은 양호하나 내열특성이 열화되어 자동차 배기계 재료등 내열특성이 요구되는 부위에는 사용될 수 없다.
따라서, 본 발명에 의해 제조된 강판과 상기 강판을 알루미늄 용융도금하여 제조된 용융 알루미늄 도금강판의 유리한 물성을 확인할 수 있었다.