KR101303337B1 - 고강도 강 스트립의 용융 도금 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 아연 및/또는 알루미늄을 포함하여 다양한 합금 성분들을 함유하는 고강도 강 스트립의 용융 도금 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 스트립은 먼저 환원성 분위기의 연속로에서 상기 합금 성분들 중 무시할 수 있는 양만이 스트립의 표면으로 확산되는 온도인 약 650℃로 가열된다. 연속로에 통합되어 있으며 산화성 분위기의 반응 챔버 내에서 750℃에서의 극히 짧은 동안의 열처리에 의해 대부분이 순철로 구성되어 있는 스트립의 표면이 철 산화물 층으로 변환된다.

상기 철 산화물 층은 후속되는 환원성 분위기의 고온에서 어닐링 처리 중에 합금 성분들이 스트립의 표면으로 확산되는 것을 방지한다. 철 산화물 층은 환원성 분위기에서 용융 욕 내에서 도금되는 아연 및/또는 알루미늄과 최적으로 밀착하는 순철 층으로 변환된다.

고강도 강, 용융 도금, 어닐링 처리

Description

고강도 강 스트립의 용융 도금 방법{METHOD FOR HOT DIP COATING A STRIP OF HEAVY-DUTY STEEL}

본 발명은 고강도 강 스트립의 용융 도금 방법에 관한 것이다.

자동차 차체 제작에는 내식성이 요구되므로 열간 압연 또는 냉간 압연, 표면 처리된 강판들이 사용된다. 이런 유형의 강판들은 많은 요구 사항을 만족해야 한다. 한편으로는 강판들은 용이하게 변형되어야 하고, 다른 한편으로는 고강도를 구비해야 한다. 고강도는 철에 Mn, Si, Al 및 Cr 같은 특정한 합금 성분을 첨가하여 달성할 수 있다. 이런 유형의 강의 물성 프로파일을 최적화하기 위해서, 용융 욕 내에서 아연 및/또는 알루미늄을 도금하기 바로 직전에 강을 어닐링하는 것이 통상적이다. 전술한 합금 성분을 단지 소량 함유하는 강 스트립을 용융 도금하는 데에는 문제가 없지만, 합금 성분을 다량으로 함유하는 강판의 용융 도금에는 많은 어려움이 있다. 강판의 표면 위에 도금층 부착에 결함이 발생하고, 심지어 도금되지 않는 부분도 있게 된다.

종래 기술에서, 이러한 문제점들을 방지하기 위한 매우 많은 시도들이 있어 왔다. 그러나 상기 문제에 대한 최적의 솔루션이 되는 것은 아직 나타나고 있지 않다.

강 스트립을 아연으로 용융 도금하는 공지의 방법에서, 피도금 스트립은 직접 방식으로 가열되는 예비가열기(직접 화염로(DFF:direct fired furnace))를 통과한다. 가스 버너가 사용되는 경우, 가스/공기 혼합물의 변화는 스트립 주위 대기의 산화 전위(oxidation potential)를 증가시키게 된다. 증가된 산화 전위는 스트립 표면 위의 철의 산화를 초래한다. 이에 따라 형성된 철 산화물 층은 다음 로 구역(furnace stretch)에서 환원된다. 스트립 표면에서 산화물 층의 두께를 의도적으로 조절하는 것은 매우 어렵다. 스트립 스피드가 느린 경우보다는 빠른 경우에 두께가 얇아진다. 따라서 환원성 분위기에서 스트립 표면의 명확하게 소망하는 구조가 이루어질 수 없다. 다시 말하면, 이는 스트립 표면에 도금층 부착 문제를 초래한다.

전술한 공지 시스템에 비해, 현대의 용융 도금 라인은 가스 가열 버너를 사용하지 않는 방사관로(RTF:radiant tube furnace) 예비가열기를 포함하고 있다. 따라서 철은 가스/공기 혼합물의 변화에 의해 사전-산화되지 않는다. 그 대신에, 본 시스템에서는 스트립의 어닐링 처리의 전체가 불활성 가스 분위기에서 수행된다. 그러나 상대적으로 고 합금 성분을 포함하는 강 스트립의 그러한 어닐링 처리 중에, 이들 합금 성분들은 스트립의 표면으로 확산되어 비-환원성 산화물을 형성한다. 이들 산화물은 용융 욕 내에서 아연 및/또는 알루미늄이 최적으로 도금되는 것을 방해한다.

특허 문헌에는 다양한 도금 재료로 강 스트립을 용융 도금하는 공법이 개시되어 있다.

독일특허공보 제689 12 243 T2호에는 알루미늄으로 강 스트립을 도금하는 데에 있어서, 스트립이 연속로에서 가열되는 연속 용융 도금 공정이 개시되어 있다. 제1 영역에서 표면 불순물들이 제거된다. 이를 위해, 로 대기는 매우 고온이다. 그러나 스트립이 빠른 속도로 이 영역을 통과하기 때문에, 스트립은 단지 대기 온도의 약 절반 정도로만 가열된다. 불활성 가스 분위기의 다음 제2 영역에서, 스트립은 도금 재료인 알루미늄 온도까지 가열된다.

독일특허공보 제695 07 977 T2호에는 스트립의 표면에 철이 많이 함유되도록 하기 위해 스트립이 제1 단계에서 어닐링되고, 크롬 함유 강 합금 스트립을 도금하는 2단계 용융 도금 공정이 개시되어 있다. 그 다음에, 스트립은 비산화성 분위기에서 도금 금속의 온도까지 가열된다.

일본공개특허공보 제02285057 A호에는 다단계 공정으로 이루어진 용융 아연 도금 강 스트립이 개시되어 있다. 이를 위해, 사전에 세정된 스트립은 비산화성 분위기에서 약 820℃의 온도에서 처리된다. 다음에 스트립은 환원성 분위기에서 표면이 환원되기 전에, 연 산화 분위기에서 약 400 내지 700℃에서 처리된다. 그런 다음, 약 420 내지 500℃로 냉각된 스트립은 통상적인 방식에 따라 용융 아연 도금된다.

본 발명의 목적은 아연 및/또는 알루미늄으로 RTF 시스템에서 제조된 최적으로 정제된 표면을 구비하는 고강도 강 스트립을 용융 도금하는 공정을 개발하는 것이다.

상기 목적은,

a) H₂ 성분이 적어도 부피 비율로 2% 내지 8% 함유되어 있는 환원성 분위기에서 상기 합금 성분들이 표면으로 확산되지 않거나 확산되더라도 단지 소량만이 확산되는 온도인 650℃ 내지 750℃로 상기 스트립을 가열하는 단계;

b) 대부분이 순철로 구성되어 있는 스트립의 표면이, 연속로 형태로 통합되어 있으며 O₂ 성분이 부피 비율로 0.01% 내지 1% 함유되어 있는 산화성 분위기의 반응 챔버 내에서 650℃ 내지 750℃의 온도에서 1 내지 10초 동안의 열처리에 의해 철 산화물 층으로 변환되는 단계;

c) 다음으로 H₂ 성분이 부피 비율로 2% 내지 8% 함유되어 있는 환원성 분위기에서 최대 900℃까지 추가 가열한 후 용융 욕 온도로 냉각시키는 것에 의해 적어도 스트립의 표면에서 철 산화물 층이 순철로 환원되는 상기 스트립의 어닐링 단계에 의해 달성된다.

본 발명에 따른 방법에서, 제1 단계는 기본 합금 성분이 가열 공정 중에 스트립의 표면으로 확산되는 것을 방지한다. 실제에서는 합금 성분의 스트립 표면에의 확산이 완전하게 방지될 수는 없지만, 이상적으로는 가능하다. 중요한 것은 후속 단계에서 추가된 합금 성분들이 상승된 어닐링 온도에서 표면으로 확산되는 것을 방지할 수 있는 효과적인 양의 철 산화물 층이 형성될 수 있을 정도로 합금 성분의 표면에의 확산이 억제되어야 한다는 것이다. 따라서 환원성 분위기에서의 어닐링 처리는 아연 및/또는 알루미늄 도금층에 광범위하고 치밀하게 부착되기에 매우 적당한 순철 층을 생성한다.

산화성 분위기에서 생성된 철 산화물 층이 순철로 완전하게 환원되는 경우가 최적인데, 이는 이러한 경우에 도금층의 변형과 강도 물성이 또한 최적화되기 때문이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 산화물 층이 완전하게 환원되도록 하기 위해서, 산화성 분위기의 구역(stretch) 에서 스트립을 처리할 때에, 스트립의 처리 속도, O₂ 성분에 따라 형성되는 산화물 층의 두께가 측정되고 그 두께와 처리 시간에 따라 두께가 조절된다. 따라서 예를 들면, 교란(disturbance)에 의한 스트립의 처리 속도가 변화해도 아무런 흠결이 없는 용융 도금된 스트립의 표면 품질이 되도록 한다.

최대 300 ㎚ 두께의 산화물 층이 생성될 때에, 상기 방법의 수행에 의해 우수한 결과가 달성된다. 또한, 산화에 선행하는 스트립의 650℃ 내지 750℃로의 가열이 최대 250초 동안 이루어지는 때에도 우수한 결과가 얻어진다. 산화 후의 상기 스트립의 냉각 열처리는 50초 보다 길어야 한다.

합금 성분으로서, 상기 고강도 강은 Mn>0.5%, Al>0.2%, Si>0.1%, Cr>0.3%의 성분들로부터 선택되는 적어도 하나의 성분을 함유해야 한다. 또한, 예를 들면 Mo, Ni, V, Ti, Nb 및 P 같은 추가의 성분들이 첨가될 수도 있다.

본 발명의 기본적인 특징은, 가열 공정 및 그 다음의 어닐링 공정 동안에, 산화성 분위기에서의 열처리에 비해 환원성 분위기에서의 스트립의 열처리가 수 배 더 오래 지속된다는 것이다. 그 결과, 산화성 분위기의 볼륨은 그 나머지인 환원성 분위기의 볼륨에 비해 매우 작다. 이는 처리 공정, 특히 처리 속도와 산화물 층의 형성과 같은 처리 공정의 변화에 대한 신속한 대응이 가능하도록 하는 이점이 있다. 이런 맥락에서, 환원성 분위기에서의 스트립의 열처리는 챔버의 볼륨이 연속로의 그 나머지 볼륨보다 수 배 작은 산화성 분위기의 통합된 챔버를 구비하는 연속로에서 수행된다.

본 발명에 따른 방법은 특히 용융 아연 도금에 적합하다. 그러나 용융 욕은 또한 실리콘 첨가물을 포함하는 아연/알루미늄 또는 알루미늄을 함유할 수도 있다. 상기 욕이 아연 또는 알루미늄을 단독으로 또는 혼합하여 함유하는지 여부에 관계없이, 욕에서 형성되어 있는 용탕(melt)의 전체적인 비율은 적어도 85%이어야 한다. 이러한 목적을 위한 특성 도금층의 예는,

Z: 99%Zn

ZA: 95%Zn + 5%Al

AZ: 55%Al + 43.4%Zn + 1.6%Si

AS: 89 내지 92%Al + 8 내지 11%Si를 포함한다.

아연 도금층(Z)의 경우에, 상기 도금층은 열처리(확산 어닐링)에 의해 변형이 가능한 아연/철 층(합금화 용융 도금층)으로 변환될 수 있다.

이하에서는 연속로, 처리량 시간에 걸쳐 작성된 연속로의 온도를 포함하고 있는 용융 아연 도금 시스템을 개략적으로 나타내는 다이어그램을 참고로 하여 본 발명을 설명한다.

Mn, Al, Si 및 Cr 또는 이들 합금 성분들 중의 일부를 함유하며, 선택적으로는 추가적인 합금 성분을 포함할 수도 있는 고강도 강, 특히 트립 강(TRIP steel)의 열간 압연 또는 냉간 압연 스트립(1)이 코일(2)로부터 뽑아진 후 부식액(3)(etchant) 및/또는 표면 세정을 위한 기타 시스템(4)을 통해 안내된다. 그 다음, 세정된 스트립(1)은 연속로(5) 내를 통과한다. 연속로(5)로부터 나온 스트립(1)은 분위기가 갖춰진 밀봉된 통로(6)를 통해 아연이 담겨 있는 용융 욕(7) 내로 들어간다. 용융 욕(7)으로부터 나온 스트립(1)은 냉각 구역(8) 또는 열처리 수단을 통해 코일 형태의 권취 스테이션(9)으로 들어간다. 다이어그램에서 설명한 것과는 달리, 실제로는 스트립(1)은 직선 방식이 아닌 충분히 긴 시간 동안에 열처리 되도록 하기 위해 굽어있는 형태의 실용적인 길이의 연속로(5)를 통과하게 된다.

연속로(5)는 3개의 영역(5a, 5b, 5c)으로 분할되어 있다. 중앙 영역(5b)은 반응 챔버를 형성하고 제1 영역(5a)과 최종 영역(5c)으로부터 분위기상으로 밀봉되어 있다. 그 길이는 연속로(5) 전체 길이의 단지 약 1/100이다. 명확하게 설명하기 위해서 도면은 스케일에 따라 나타낸 것이 아니다. 상기 영역들의 길이가 다름에 따라, 스트립(1)이 각 영역(5a, 5b, 5c)을 통과하는 시간 역시 다르다.

제1 영역(5a)은 환원성 분위기이다. 상기 분위기의 전형적인 성분은 부피 비율로 2% 내지 8% H₂를 함유하고 잔부는 N₂이다. 연속로(5)의 상기 영역(5a)에서, 스트립(1)은 650℃ 내지 750℃로 가열된다. 이 온도에서, 전술한 합금 성분들의 단지 소량만이 스트립(1)의 표면으로 확산한다.

중앙 영역(5b)에서는, 제1 영역(5a)의 온도가 실질적으로 유지된다. 그러나 그 분위기는 산소를 함유하고 있다. 산소 함량은 부피 비율로 0.01%와 1% 사이이다. O₂ 함량은 조절이 가능하고, 처리 시간이 얼마나 긴지에 따라 조절된다. 처리 시간이 짧은 경우에는 O₂ 성분은 높고, 반면에 처리 시간이 긴 때에는 낮다. 상기 처리 중에, 스트립의 표면에 철 산화물 층이 형성된다. 상기 철 산화물 층의 두께는 광학 수단에 의해 측정될 수 있다. 분위기 내의 O₂ 성분은 측정되는 두께와 처리 속도에 따라 조절된다. 로의 전체 길이에 비해 중앙 영역(5b)의 길이가 매우 짧기 때문에, 챔버의 볼륨도 그에 상응하게 작다. 따라서 분위기 조성의 변화를 위한 반응 시간도 짧다.

후속하는 최종 영역(5c)에서, 스트립(1)이 어닐링되는 약 900℃로 추가로 가열된다. 상기 열처리는 H₂ 성분이 부피 비율로 2% 내지 8%이고, 잔부는 N₂인 환원성 분위기에서 수행된다. 상기 어닐링 처리 중에, 철 산화물 층은 합금 성분들이 스트립의 표면으로 확산되는 것을 방지한다. 어닐링 처리가 환원성 분위기에서 수행되기 때문에, 철 산화물 층이 순철 층으로 변환된다. 스트립(1)은 용융 욕(7)을 향하는 추가의 통로에서 추가로 냉각되며, 연속로(5)를 나오자마자 스트립의 온도는 용융 욕(7)의 온도인 대략 480℃에 이른다. 연속로(5)를 떠난 직후, 스트립(1)의 표면은 순철로 되어 있기 때문에, 용융 욕(7)의 아연과 견고하게 결합될 수 있는 최적의 기초를 제공한다.

Claims (9)

1. Mn, Al, Si, Cr 중의 적어도 하나의 합금 성분을 함유하는 고강도 강 스트립을 총량으로 적어도 85%의 아연 또는 알루미늄, 또는 아연과 알루미늄을 함유하는 용융 욕 내에서 용융 도금하는 방법으로서,

   H₂ 성분이 부피 비율로 2% 내지 8% 함유되어 있는 환원성 분위기에서 상기 합금 성분들이 표면으로 확산이 일어나지 않는 650℃ 내지 750℃의 온도로 최대 250초 내에서 상기 스트립을 가열하는 단계;

   순철로 구성되어 있는 스트립 표면이, 연속로에 통합되어 있고 O₂ 성분이 부피 비율로 0.01% 내지 1% 함유되어 있는 산화성 분위기의 반응 챔버 내에서 650℃ 내지 750℃의 온도에서 1 내지 10초 동안의 열처리에 의해, 철 산화물 층으로 변환되는 단계;

   다음으로 H₂ 성분이 부피 비율로 2% 내지 8% 함유되어 있는 환원성 분위기에서 최대 900℃까지 스트립을 추가 가열한 후 용융 욕 온도로 냉각시키는 것에 의해 스트립의 표면에서 철 산화물 층이 순철로 환원되는 상기 스트립의 어닐링 단계를 포함하는 사이클로 이루어지며, 스트립을 추가 가열하고 후속 냉각하는 상기 어닐링 단계는 50초보다 길게 계속되는 것을 특징으로 하는 고강도 강 스트립 용융 도금 방법.
2. 제1항에 있어서,

   생성된 철 산화물 층이 완전하게 순철로 환원되는 것을 특징으로 하는 고강 도 강 스트립 용융 도금 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 고강도 강은 Mn>0.5%, Al>0.2%, Si>0.1%, Cr>0.3%의 합금 성분들 중에서 선택된 적어도 하나의 성분을 함유하는 것을 특징으로 하는 고강도 강 스트립 용융 도금 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 환원성 분위기에서 스트립의 열처리는 산화성 분위기의 챔버가 통합된 연속로 내에서 수행되고, 상기 산화성 분위기의 챔버는 연속로의 전체 길이의 1/100의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 고강도 강 스트립 용융 도금 방법.
5. 제3항에 있어서,

   상기 환원성 분위기에서 스트립의 열처리는 산화성 분위기의 챔버가 통합된 연속로 내에서 수행되고, 상기 산화성 분위기의 챔버는 연속로의 전체 길이의 1/100의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 고강도 강 스트립 용융 도금 방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   용융 아연 도금 공정 후에 상기 스트립이 열처리되는 것을 특징으로 하는 고강도 강 스트립 용융 도금 방법.
7. 제3항에 있어서,

   용융 아연 도금 공정 후에 상기 스트립이 열처리되는 것을 특징으로 하는 고강도 강 스트립 용융 도금 방법.
8. 제4항에 있어서,

   용융 아연 도금 공정 후에 상기 스트립이 열처리되는 것을 특징으로 하는 고강도 강 스트립 용융 도금 방법.
9. 제5항에 있어서,

   용융 아연 도금 공정 후에 상기 스트립이 열처리되는 것을 특징으로 하는 고강도 강 스트립 용융 도금 방법.

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