KR102186771B1 - 알루미늄계 코팅을 포함하는 강판 또는 강재 스트립으로 이루어진 프레스 경화 부품을 제조하기 위한 방법, 및 이로부터 제조된 프레스 경화 부품 - Google Patents

알루미늄계 코팅을 포함하는 강판 또는 강재 스트립으로 이루어진 프레스 경화 부품을 제조하기 위한 방법, 및 이로부터 제조된 프레스 경화 부품 Download PDF

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Abstract

본 발명은 강판 또는 강재 스트립을 위한 강판 또는 강재 스트립에 관한 것이며, 코팅은 용융 도금 코팅 방법으로 적용된 알루미늄계 코트를 포함하며, 산화 알루미늄 및/또는 수산화물을 함유하는 커버 층이 코트에 배열된다. 본 발명의 목적은 열간 성형 또는 냉간 성형에 매우 적합한 알루미늄계 코팅을 제공하는 것이다. 이를 위해, 커버 층은 플라즈마 산화 및/또는 적어도 90℃, 유익하게 적어도 95℃의 온도에서의 열수 처리 및/또는 적어도 90℃, 유익하게 적어도 95℃의 온도에서의 증기 처리에 의해 제조된다. 대안적으로, 산화 알루미늄 및/또는 수산화물을 함유하는 커버 층은 양극 산화에 의해 제조될 수 있으며, 코트는 8 내지 12 wt.%의 Si 함유량, 1 내지 4 wt.%의 Fe 함유량, 및 알루미늄의 잔부를 가지는 용해조에서 제조된다. 본 발명은 이를 위한 방법, 이를 이용하여 프레스 경화 부품을 제조하기 위한 방법, 및 관련 프레스 경화 부품에 관한 것이다.

Description

알루미늄계 코팅을 포함하는 강판 또는 강재 스트립으로 이루어진 프레스 경화 부품을 제조하기 위한 방법, 및 이로부터 제조된 프레스 경화 부품
본 발명은 강판 또는 강재 스트립(steel sheets or steel strips)을 위한 알루미늄계 코팅(aluminium-based coating)을 포함하는 강판 또는 강재 스트립으로 이루어진 프레스 경화 부품(press-hardened components)을 제조하기 위한 방법에 관한 것이며, 코팅은 용융 도금 방법(hot-dipping method)으로 적용된 알루미늄계 코트(aluminium-based coat)를 포함하며, 산화 알루미늄 및/또는 수산화 알루미늄을 함유하는 커버 층이 코트에 배열된다. 또한, 본 발명은 알루미늄계 코팅을 포함하는 강판 또는 강재 스트립으로 이루어지고 상기 방법에 따라 제조된 프레스 경화 부품에 관한 것이다.
열간 성형 강판이 자동차 공학에서 빈번하게 사용되는 것은 널리 공지되어 있다. 프레스 경화로서 정의된 공정에 의해, 차체의 영역에서 주로 사용되는 고강도 부품을 제조하는 것이 가능하다. 프레스 경화는 2개의 상이한 방법 변형, 즉 직접 또는 간접 방법에 의해 근본적으로 수행될 수 있다. 성형 및 경화의 공정 단계가 간접 방법에서 서로 개별적으로 수행되는데 반하여, 이러한 것들은 직접 방법에서 하나의 공구(tool)에서 함께 일어난다. 그러나, 오직 직접 방법만이 이후에 고려될 것이다.
직접 방법에서, 강판 플레이트는 소위 오스테나이트화 온도(austenitization temperature)(Ac3) 초과로 가열되고, 이렇게 가열된 플레이트는 성형 공구로 이송되며, 완성된 부품을 만들도록 단일 스테이지 성형 단계에서 성형되고, 이러한 경우에 경화된 부품이 제조되도록 강의 임계 냉각 속도(critical cooling rate) 초과의 속도로 냉각된 성형 공구에 의해 동시에 냉각된다.
이러한 적용 영역에 대한 공지된 열간 성형 가능한 강은 예를 들어, 망간-붕소 강 "22MnB5" 및 최근에 유럽 특허 EP 2 449 138 B1에 따른 공기-경화성 강이 있다.
코팅되지 않은 강판에 추가하여, 프레스 경화를 위한 스케일링 보호(scaling protection)를 포함하는 강판이 또한 자동차 산업에 사용된다. 여기에서 장점은 완성된 부품의 증가된 내식성에 추가하여, 플레이트 또는 부품이 노에서 스케일링되지 않고, 이에 의해 박리 스케일(flaked-off scale)에 의한 프레싱 공구의 마모가 감소되고, 부품이 종종 추가 가공 전에 값 비싼 블라스팅을 거칠 필요가 없다는 것이다.
캐나다 특허 공개 CA 2 918 863 A1는, 용융 도금 방법에 의해 알루미늄 코팅되고, 1.5 wt.% 내지 최대 6 wt.%의 낮은 Si 함유량을 가지는 용융 도금조(hot-dipping bath)에서 수행되는 용융 도금 공정 후에, 300 내지 460℃에서 열처리되어 코팅에서 Si의 확산을 촉진시키는 강재 스트립을 개시한다. 이러한 처리 동안 자연 산화층이 형성되는 것으로 가정한다. 이러한 방식으로 제조된 강재 스트립은 전반사 및 개선된 내식성의 경우에 우수한 특성을 가져야 한다. 더욱이, 양극 산화 처리에도 불구하고, 강재 스트립의 외관은 전형적인 알루미늄 코팅 강재 스트립의 외관에 필적하는 것이 목적이다.
유럽 특허 출원 EP 0 575 926 A1은 금속 제품, 특히 금속 시트를 위한 알루미늄계 코팅을 개시하고 있다. 알루미늄계 코팅은 용융 도금 방법에 의해 적용되며, 알루미늄조(aluminium bath)는 Si: < 10%, Fe: < 1%, Mn: 0.5-2% 및 알루미늄 잔부를 함유한다. 코팅된 제품을 공기 중에서 300℃로 냉각되고, 또한 40℃의 물로 추가로 냉각된다. 이러한 처리 동안 자연 산화층이 형성되는 것으로 가정할 수 있다. 코팅은 열 산화 및 습식 부식에 대한 제품의 향상된 내성을 보장한다.
유럽 특허 출원 EP 0 204 423 A2는 또한 알루미늄 코팅 철계 포일(aluminium-coated, iron based foils)을 제조하기 위한 방법을 개시하고 있으며, 여기에서, 강재 스트립에 용융 도금 방법으로 알루미늄 코팅이 제공되며, 코팅된 강재 스트립은 이어서 포일 두께로 감소된다. 이어서, 이러한 방식으로 코팅된 포일은 산화 분위기에서 600℃ 내지 1200℃에서 열처리된다. 이러한 경우에, 기본 강 층 내로의 알루미늄의 확산이 촉진되고, 매트, 그레이(mat, grey) 외관을 가지는 다공성 알루미늄 산화물층이 생성된다.
특허 출원 GB 2 159 839은 그 위에서 성장된 산화 알루미늄으로 이루어진 핀 모양의 침상 결정의 두꺼운 층을 가지는데 적합한 고온 용융 알루미늄 코팅 강 포일(hot-dip-aluminium-coated steel foil)을 개시하고 있다. 이러한 방식으로 코팅된 포일은 배기 가스를 정화하기 위한 촉매 컨버터로 자동차 산업에서 사용될 수 있다.
코팅된 강재 스트립을 제조하기 위한 방법은 또한 유럽 특허 출원 EP 2 843 081 A1 및 공개 공보 WO 2014/059476 A1에 개시되어 있다.
현재, 용융 도금에 의해 적용되는 다음의 (합금) 코팅이 프레스 경화를 위해 공지되어 있다: 알루미늄-규소(AS), 아연-알루미늄(Z), 아연-알루미늄-철(ZF/합금화 아연 도금된), 아연-마그네슘-철(ZM) 및 아연-니켈 또는 아연의 전해 도금 코팅, 후자는 열간 성형 전에 철-아연 합금 층으로 전환된다. 이러한 내식성 코팅은 통상적으로 연속 공급 일관 공정(continuous feed-through process)에서 열간 또는 냉간 스트립에 적용된다.
독일 특허 공개 DE 197 26 363 A1은 비철금속으로 이루어진 지지체 물질이 한면 또는 양면에 제공되는 탄소 함유 강으로 이루어진 본체를 포함하는 도금된 금속 스트립을 개시한다. 알루미늄 또는 알루미늄 합금이 지지체 물질로서 제안된다. 또한, 지지체 물질은 지지체 물질의 표면의 내마모성 및 내식성을 증가시키기 위해 질화 또는 양극 산화 처리된다.
특허 문헌 DE 10 2014 109 943 B3은 알루미늄 합금으로 이루어진 금속 내식성 코팅을 포함하는 강재 제품의 제조를 개시한다. 표면의 활성화 후에, 즉 표면으로부터 수동 산화물층(passive oxide layer)의 제거 후에, 냉간 압연 또는 열간 압연된 강 제품은 용융 코팅조(molten coating bath)에 침지되는 것에 의해 코팅된다. 이러한 용융 코팅조는 Al 및 불가피한 불순물 외에, Mn 및/또는 Mg, Fe, Ti 및/또는 Zr를 함유한다. 이러한 것은 AlSi 합금에 비해 내식성을 증가시키도록 의도된다. 이러한 내식성 코팅은 추가로 양극 산화 처리될 수 있다.
성형 공구에서 열간 성형에 의한 프레스 경화 가능 강으로 이루어진 예비-제품의 담금질에 의한 부품의 제조는 독일 특허 DE 601 19 826 T2로부터 공지되어 있다. 이러한 경우에, 사전에 800-1200℃까지 오스테나이트화 온도 초과로 가열되고 가능하게 아연 또는 아연계(basis of zinc)의 금속 코팅이 제공된 시트 플레이트는 부품을 제조하도록 열간 성형에 의해 때때로 냉각된 공구에서 성형되며, 성형 동안, 급속 열 추출로 인하여, 성형 공구에서의 시트 또는 부품은 담금질-경화(프레스 경화)를 거치며, 결과적인 마르텐사이트 경질 구조 때문에 필요한 강도 특성을 얻는다.
알루미늄 합금으로 코팅되고 성형 공구에서 열간 성형에 의해 프레스 경화 가능 강으로 이루어진 예비-제품의 담금질에 의한 부품의 제조는 독일 특허 DE 699 33 751 T2로부터 공지되어 있다. 이러한 경우에, 알루미늄 합금으로 코팅된 시트는 성형 전에 700℃ 초과로 가열되고, 철, 알루미늄 및 규소에 기초한 금속간 합금 화합물이 표면 상에 생성되고, 이어서 시트는 성형되고 임계 냉각 속도 초과의 속도로 냉각된다.
알루미늄계 코트의 이점은, 더욱 큰 공정 윈도우(예를 들어, 가열 파라미터의 관점에서)에 추가하여, 완성된 부품이 추가 가공 전에 블라스팅 처리될 필요가 없다는 사실에 있다. 또한 알루미늄계 코트의 경우에, 액체 금속 메짐성(liquid metal embrittlement)의 위험이 없으며, 10 ㎛보다 깊은 깊이에서 피로 강도에 부정적인 영향을 가질 수 있는 형성자 오스테나이트 결정립계(former austenite grain boundary) 상에서의 근접 표면 기재 영역(near-surface substrate region)에서 미세 균열이 형성되지 않는다.
그러나, 알루미늄계 코트를 사용하는데 있어서의 한가지 어려움은, 열간 성형 전에 롤러 화로(roller hearth furnace)에서 강판을 가열하는 동안, 상기 코트가 세라믹 이송 롤러와 반응할 수 있으며, 이러한 것은 노 롤러의 수명을 상당히 감소시킨다는 것이다. 또한, 열처리 절차의 일부로서 철과 완전히 합금된 알루미늄-규소 코트의 결과로서 프레스 경화 동안 공구의 마모가 매우 크다. 더욱이, 가열 동안 표면 구조 또는 코트의 두께의 불균일한 형성은 부품 표면에서 국부적으로 변하는 전기 저항의 결과로서 유발되는 용접 문제, 특히 자동차 산업에서 자주 사용되는 저항 스폿 용접에서의 문제로 이어진다.
그러나, 알루미늄계 코트의 냉간 성형시에도 문제가 발생한다. 예를 들어, 공구에서 성형 동안의 마모는 표준 아연 코트와 비교하여 상당히 높고, 이러한 것은 공구 마모 및 유지 관리 비용을 증가시키고, 프레싱되는 후속 부품에서 마모에 의해 유발되는 결함으로 이어질 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 강판 또는 강재 스트립으로 이루어지는 프레스 경화 부품을 제조하기 위한 방법, 및 이러한 강판 또는 강재 스트립으로 이루어지는 프레스 경화 부품을 제공하는 것이다.
알루미늄계 코팅이 제공된 강판 또는 강재 스트립으로 이루어지는 부품을 프레스 경화하기 위한 본 발명의 방법이 제공되며, 강판 또는 강재 스트립은 경화를 목적으로 적어도 부분적으로(in regions) Ac3 초과의 온도로 가열되고, 그런 다음 이러한 온도에서 성형되며, 이어서 적어도 부분적으로 임계 냉각 속도 초과의 속도로 냉각되며, 알루미늄계 코팅은 용융 도금 방법으로 적용된 코트이며, 용융 도금 공정 후 및 성형 온도로 가열 전에, 상기 코팅은 양극 산화 처리 조건 및/또는 플라즈마 산화(plasma oxidation) 및/또는 열수 처리(hot water treatment) 및/또는 증기 처리(steam treatment) 하에서 처리되고, 상기 코팅은 표면에서 산화되고 산화물 또는 수산화물이 형성되며, 상기 코트는 8 내지 12 wt.%의 Si 함유량, 1 내지 4 wt.%의 Fe 함유량, 및 알루미늄 잔부를 가지는 용해조에서 제조되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 교시는, 강판 또는 강재 스트립을 위한 알루미늄계 코팅을 포함하며, 코팅은 용융 도금 방법으로 적용되는 코트를 포함하며, 산화 알루미늄 및/또는 수산화 알루미늄을 함유하는 커버 층이 상기 코트에 배열되고, 플라즈마 산화(plasma oxidation) 및/또는 적어도 90℃, 유익하게 적어도 95℃의 온도에서의 열수 처리(hot water treatment) 및/또는 적어도 90℃, 유익하게 적어도 95℃의 온도에서의 증기 처리(steam treatment)에 의해 제조된다. 이러한 경우에, 상기 코트는 유익하게 8 내지 12 wt.%의 Si 함유량, 1 내지 4 wt.%의 Fe 함유량, 및 알루미늄의 잔부를 가지는 용해조에서 제조될 수 있다.
알루미늄계 코트는 이후에 알루미늄이 질량%(mass percent)에서 주성분인 금속 코트이도록 이해되어야 한다. 이러한 알루미늄계 코트의 예로는 알루미늄, 알루미늄-규소(AS), 알루미늄-아연-규소(AZ)이며, 동일한 코트는 예를 들어 마그네슘, 망간, 티타늄 및 희토류와 같은 추가 원소들의 혼합물을 가진다.
또한, 본 발명의 교시는, 강판 또는 강재 스트립을 위한 알루미늄계 코팅을 포함하며, 상기 코팅은 용융 도금 방법으로 적용되는 알루미늄계 코트를 포함하고, 산화 알루미늄 및/또는 알루미늄을 함유하는 커버 층이 상기 코트에 배열되고 양극 산화에 의해 제조되었으며, 상기 코트는 8 내지 12 wt.%의 Si 함유량, 1 내지 4 wt.%의 Fe 함유량, 알루미늄의 잔부를 가지는 용해조에서 제조되는 것을 특징으로 한다. 그러나, 알루미늄계 코팅 상에, 산화 알루미늄 및/또는 수산화 알루미늄을 함유하는 한정된 커버 층의 형성은 알루미늄계 코팅의 상기된 부정적 측면을 상당히 감소시키거나 또는 심지어 완전히 방지할 수 있다.
열간 성형의 경우에, 산화 알루미늄 및/또는 수산화 알루미늄을 함유하는 커버 층은 코트와 세라믹로 롤러(ceramic furnace roller) 사이의 분리층으로서 기능한다. 그러므로, 노 롤러로의 금속 물질의 전달이 효과적으로 방지된다. 또한, 산화 알루미늄 및/또는 수산화 알루미늄을 함유하는 커버 층은 성형 공구의 금속성 공구 표면으로부터, 그 위에 합금된 철을 가지는 강재 스트립의 알루미늄계 코팅을 분리하고, 그러므로 분리 성형 보조제(separating forming aid)로서 작용한다. 이러한 것은, 프레스 경화의 결과로서, 층들이 상당히 적은 정도로 변화되고, 그러므로 종래 기술의 경우보다 상당히 덜 연마되기 때문에, 마모 및 연마를 감소시키고, 그러므로 공구 마모 및 유지 보수 비용을 감소시킨다. 이러한 것은 도 1a 내지 도 1d에 도시되어 있다. 이러한 도면은 AS 코트의 표면의 주사 전자 현미경 이미지(scanning electron microscope image)의 예의 비교를 도시한다: a) 프레스 경화가 없는 미처리 초기 상태, b) 프레스 경화가 없는 양극 산화된 상태(anodised state), c) 프레스 경화 후의 미처리 상태, d) 프레스 경화 후의 양극 산화된 상태.
때때로 후속의 산 탈산(acid deoxidation)에 의한, 예를 들어 황산 또는 질산에 의한 커버 층의 제조에 앞선 알칼리성 전처리 및 알루미늄계 코팅이 제공되는 강판 또는 강재 스트립의 후속의 헹굼은 대기 산화에 의해 이미 생성된 임의적인 성형된 층을 유익하게 제거하고, 이에 의해 후속적으로 생성된 커버 층을 위한 한정된 초기 상태를 제공한다.
그러나 이것은 알루미늄계 코트를 포함하는 강재 스트립 상에, 산화 알루미늄 및/또는 수산화 알루미늄을 함유하는 한정된 커버 층을 생성하는 대량 생산이라는 면에서 도전 과제를 나타낸다.
본 발명에 따라서, 산화 알루미늄 및/또는 수산화 알루미늄을 함유하는 커버 층은 플라즈마 산화에 의해 생성된다. 부가적으로 또는 대안적으로, 열수 처리는 적어도 90℃의 온도, 유익하게 적어도 95℃의 온도에서 수행될 수 있거나, 또는 증기 처리는 적어도 90℃의 온도, 유익하게 적어도 95℃의 온도에서 수행될 수 있다. 코트 또는 커버 층의 이러한 유형의 처리는 압밀(compaction)로 또한 지칭된다. 또한, 산화 알루미늄 및/또는 수산화 알루미늄을 함유하는 커버 층은 양극 산화법(anodic method)으로 제조된다. 이러한 경우에, 코트는 8 내지 12 wt.%의 Si 함유량, 1 내지 4 wt.%의 Fe 함유량, 알루미늄의 잔부를 가지는 용해조에서 제조될 수 있다. 양극 산화법은 화학적 산화법에 비해 상당히 다목적이다. 코팅된 강재 스트립에 대한 연속 공정에서 이러한 방법을 수행하는 것이 특히 유익하다.
알루미늄 (합금) 층의 양극 산화는 직류 방법과 교류 방법 모두에서 수행될 수 있다.
알루미늄 또는 알루미늄 층이 예를 들어 황산 전해질에서 양극 산화 처리되면, 형성되는 전기장에서, 황산의 음으로 하전된 황산염 음이온 및 물의 OH- 이온이 양극으로 이동한다. 양극에서, 이러한 것들은 Al3+ 이온과 반응하여, 산화 알루미늄을 형성한다. 패러데이의 법칙에 따라서, 층 두께는 통과된 전하량에 의존한다. 이러한 것은 각각의 의도된 용도로 맞추기 위하여 한정된 방식으로 산화물층의 두께를 조절하는 것을 가능하게 한다.
알루미늄의 양극 산화를 위해, 문헌에, 약 20 ㎛의 층 두께가 1 Ah/dm2의 전기적 연속성으로 형성된다.
시험에서, 노 롤러와 코트 사이의 분리를 보장하도록 충분히 두꺼운 층이 유익한 것으로 입증되었다. 예를 들어, 적어도 0.05 ㎛ 내지 최대 4.0 ㎛의 평균 층 두께가 유익하고, 동시에 양호한 용접성, 특히 스폿 용접성을 여전히 허용한다는 것이 입증되었다.
이러한 경우에, 공구 마모에서의 감소와 용접 적합성이라는 면에서 전혀 제한이 없는 명백히 긍정적인 효과가 발견되었기 때문에 0.1 내지 1.0 ㎛의 평균 층 두께가 특히 유익한 것으로 입증되었다.
알루미늄 및 알루미늄 합금의 양극 산화를 위하여, 다른 전해질 시스템이 고려된다(예를 들어, 붕산, 시트르산, 황산, 옥살산, 크롬산, 알킬 술폰산, 카르복실산, 알칼리 탄산염, 알칼리 인산염, 인산, 불화 수소산에 근거하여).
공정을 위한 전형적인 전류 밀도는 전해질 시스템에 의존하여 1 내지 50 A/dm²이다. 공정이 일정한 전류에서 작동하기 때문에, 전압이 생성된다. 전압은 전형적으로 10-120 V의 범위에 있다. 전해질 온도는 전해질 시스템에 의존하여 0 내지 65℃이다. 예로서, 층의 경도는 전해질 온도의 선택에 의해 영향을 받을 수 있다. 황산 또는 옥살산에 기초한 전해질에서, 특히 경질 층은 낮은 전해질 온도(예를 들어, 0 내지 10℃)에서 얻어진다.
양극 산화 동안, 전체 표면을 덮는 나노 기공성 산화물층은, 조밀하게 결합되고 육각형 단면을 갖는 산화물 셀(oxide cell)로 형성된다. 이러한 기공은 전해질측을 향해 개방된다. 기공 지름은 사용된 전해질의 종류에 의존한다. 그 아래에 위치된 코트의 국부적인 화학 조성에 의존하여, 산화물층은 상이한 상으로 국부적으로 형성될 수 있다(도 1b 참조). 시험에서, 양극 처리 동안, AS 합금 코트에 포함된 상이 산화물층 두께 및 미시적 수준의 기공 크기와 관련하여 다르게 거동하는 것으로 황산-직류 방법에서 입증되었다. 그러므로, 본래의 금속 표면과 다른 미세 구조가 형성된다. 거시적 수준에서, 층 형성은 매우 균질하게 실행된다.
도 2는 양극 산화 처리된 AS 코트의 나노 기공성 표면 구조의 주사 전자 현미경 이미지를 예시로서 도시한다. 형성된 나노 기공성 층은 그 안에 혼입된 염료(유기 또는 무기) 또는 기능성 안료(예를 들어, 전도성, 금속성 입자, 풀러렌(fullerene), 나노 구조화된 입자)를 가질 수 있으며, 이에 의해, 층의 착색 및 전기 전도성, 경도, 내식성, 항균 속성(bacterial properties)과 같은 특성이 맞추어질 수 있다.
이로부터 유익하게 따르며 "밀봉"으로 또한 지칭되는 압밀 단계는 물의 결정 체의 흡수를 통해 기공 구조를 폐쇄하여, 예를 들어 염료 또는 기능성 안료의 추가 흡수를 방지한다. 압밀은 증기 처리 또는 열수 처리에 의해 달성될 수 있다. 적어도 90℃의 온도, 특히 특히 유익한 방식으로 적어도 95℃의 온도가 이러한 목적을 위해 유익한 것으로 입증되었다. 압밀 시간은 산화물층 두께에 의존한다. 이러한 경우에, 압밀 시간은 또한 산화물층 두께가 증가함에 따라서 증가한다. 예를 들어, 금속염과 같은 첨가제는 압밀 동안 내식성 및 염색 견뢰도(colour fastness)를 유익하게 개선할 수 있다.
일반적으로, 철의 존재는 알루미늄 및 알루미늄 합금의 양극 산화를 방해한다. 그러므로, 강 기재(steel substrate)로 이루어진 철이 전해질과 접촉하지 않는 것을 보장하는 것이 필요하다. 그러므로, 코팅된 플레이트의 경우에, 절삭 날은 복잡한 방식(예를 들어, 플랜지, 에지 마스크(edge mask), 코팅, 페인트 코트, 막에 의해)으로 보호되어야만 한다. 코팅된(비발포된) 강재 스트립이 양극 산화 처리될 때, 강은 용융 도금 공정에서 또한 코팅되기 때문에 스트립 가장자리들에서 노출되지 않는다. 이러한 것은 양극 산화의 공정을 상당히 단순화하고, 동시에 그 안정성을 보호한다.
또한, 예를 들어, 노 롤러의 내구성이라는 면에서 긍정적인 효과만을 달성하기 위하여 오직 한면에서만 알루미늄계 층의 본 발명의 표면 처리를 수행하는 것이 실현 가능하다. 또한 양면에서 상이한 본 발명의 표면 처리를 수행하는 것도 고려될 수 있다.
시험은, 압밀의 목적을 위해 증기 처리된 샘플에 대해, 본 발명에 따라서 사용될 수 있는 얇은 산화물층이 또한 선행의 양극 산화 처리 또는 플라즈마 산화없이 달성되었다는 것을 입증하였다.
유익한 방식으로, 알루미늄계 코트는 열간 성형 또는 냉간 성형을 위한 특별한 적합성을 가진다.
본 발명에 따른 방법은 알루미늄계 코팅을 포함하는 강판 또는 강재 스트립의 제조를 포함하며, 알루미늄계 코트는 용융 도금 방법으로 강판 또는 강재 스트립 상에 코팅으로서 적용되고, 코트를 포함하는 코팅된 강판 또는 강재 스트립은 용융 도금 공정 후 및 열간 성형 또는 냉간 성형의 성형 공정 전에 플라즈마 산화 및/또는 열수 처리 및/또는 증기 처리되며, 산화 알루미늄 및/또는 수산화 알루미늄을 함유하는 커버 층은 코트의 표면 상에 형성되고, 산화물 또는 수산화물이 형성되는 것을 특징으로 한다. 이러한 경우에, 코트는 유익하게 8 내지 12 wt.%의 Si 함유량, 1 내지 4 wt.%의 Fe 함유량, 및 알루미늄의 잔부를 가지는 용해조에서 제조될 수 있다.
유익한 방식으로, 선택적 열수 처리 또는 증기 처리는 적어도 90℃의 온도, 특히 유익하게 적어도 95℃에서 수행된다.
본 발명에 따른 또 다른 방법은 알루미늄계 코팅을 포함하는 강판 또는 강판의 제조를 포함하며, 알루미늄계 코팅은 용융 도금 방법으로 강판 또는 강재 스트립 상에 코팅으로서 적용되고, 코팅을 포함하는 강판 또는 강재 스트립은 용융 도금 공정 후 및 성형 공정 전에 양극 산화 처리되며, 산화 알루미늄 및/또는 수산화 알루미늄을 함유하는 커버 층은 코트의 표면 상에 형성되고, 산화물 또는 수산화물이 형성되며, 코트는 8 내지 12 wt.%의 Si 함유량, 1 내지 4 wt.%의 Fe 함유량, 및 알루미늄의 잔부를 가지는 용해조에서 제조되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 하나의 유익한 실시예에서, 커버 층은 연속 공정으로 코트의 표면 상에 적용된다.
본 발명에 따른 양극 산화는 붕산, 시트르산, 황산, 옥살산, 크롬산, 알킬 술폰산, 카르복실산, 알칼리 카보네이트, 알칼리 인산염, 인산 또는 불화 수소산에 기초하여 매질(medium)에서 유익하게 실행된다.
1 - 50 A/dm²의 전류 밀도, 10 - 120 V의 전압, 및 0 - 65℃의 전해질 온도는 양극 산화 처리를 위한 유익한 방법 파라미터인 것으로 입증되었다.
본 발명의 하나의 유익한 전개에서, 코팅의 양극 산화 처리 및/또는 플라즈마 산화 단계 후 및 열수 처리 및/또는 증기 처리에 의한 코트의 압밀 전에, 커버 층의 기능에 영향을 미치는 착색 안료 및/또는 안료가 코팅의 커버 층 내로 혼입된다. 그 결과, 코팅된 강판 또는 강재 스트립의 표면의 색상을 자유롭게 구성하는 것이 가능하거나, 또는 코팅의 기능적 특성은 상술한 바와 같이 부과된 요구 사항의 관점에서 목표화된 방식으로 조절될 수 있다.
본 발명의 또 다른 유익한 전개에서, 본 발명에 따른 방법에 의해 제조된 알루미늄계의 코트는 열간 성형 또는 냉간 성형에 특별한 적합성을 가진다.
삭제
또한, 본 발명은 전술한 방법에 따라서 제조된, 알루미늄계 코팅이 제공된 강판 또는 강재 스트립으로 이루어진 프레스 경화된 부품을 포함한다.
시험은 냉간 성형 부품에 유익하거나 또는 냉간 성형 공정 자체와 관련된 추가의 특성을 나타내었다:
a) 산화 알루미늄 및/또는 수산화 알루미늄을 함유하는 커버 층은 성형 공구의 금속성 공구 표면으로부터 강재 스트립의 금속성 알루미늄계 코팅을 분리하고, 그러므로 분리 성형 보조제로서 작용한다. 이러한 것은 마찰 저항을 낮추고 소위 스틱 슬립(stick-slip) 효과를 방지하는 것에 의해 용접을 줄이고 성형 영역을 확장시킨다. 이러한 문제는 특히 느린 성형 속도 및 매우 높은 강도의 물질에서 발생하며, 공정 윈도우를 크게 제한할 수 있다. 상기 층에 의해, 공정 윈도우는 느린 속도 및 보다 높은 성형력으로 상당히 개방되고, 그러므로 성형 공정은 상당히 더욱 견고해진다. 또한, 산화 알루미늄 및/또는 수산화 알루미늄을 함유하는 커버 층의 측면 이종 성형(laterally heterogeneous formation)으로 인하여, 표면 접촉이 아니라 대신 공작물과 공구 사이에서 발생하는 접촉을 감소시키는 것으로 성형 공정에 유익하다.
b) 동시에, 산화 알루미늄 및/또는 수산화 알루미늄을 함유하는 커버 층의 다공성 표면은 표면의 오일 흡수를 증가시키고, 오일 변위(oil displacement)의 효과를 크게 감소시킬 수 있다. 롤에 권선된 강 코일, 즉 강재 스트립은 이미 제조업체에서 오일링되어서(oiled), 한편으로 고객에 의해 처리되기 전에 내식성이 보장되고, 다른 한편으로 후속 성형 공정을 예비 오일링(pre-oiling)이 제공된다. 이러한 오일은 오랜 기간 동안 중간에 저장되고 고온에 노출될 때 코일 권선에서 누출될 수 있다. 그러므로, 시트 표면 상에 제공되지 않고, 이러한 것은 고비용의 재오일링의 필요성을 일으킨다. 이러한 것은 커버 층으로 방지될 수 있다.
c) 금속 코트과 비교하여 350 HV 0.025까지, 산화 알루미늄 및/또는 수산화 알루미늄을 함유하는 본 발명의 커버 층의 보다 높은 경도는, 예를 들어 서랍의 베어링 표면, 부싱 또는 풀-아웃 메커니즘(pull-out mechanism)과 같이 최소의 구름 저항을 갖는 매끄러운 표면이 중요한 적용을 위해 이러한 시스템의 사용을 용이하게 한다. 이러한 경우에, 금속 코트의 경우에, 냉간 용접의, 그러므로 슬라이딩 또는 구름 베어링의 기능에 상당히 영향을 주는 베어링 표면 상에서의 물질 축적의 위험이 또한 있다.
d) 산화 알루미늄 및/또는 수산화 알루미늄을 함유하는 커버 층은 부식성 부하를 받을 때 금속 부식 코트 자체를 보호하는 장벽 효과를 생성한다. 금속 코트는, 표면에 대한 손상의 경우에 a) 위험 범위(coverage) 및 b) 음극 부식 보호에 의해 미세 강판을 보호한다. 추가의 장벽 층(예를 들어, 래커(lacquer))과 관련하여, 소위 이중층 시스템(duplex layer system)이 참조된다. 비록 래커가 물에 대하여 강한 수증기 장벽을 가질지라도, 일반적으로 내마모성이 높지 않다. 산화 알루미늄 및/또는 수산화 알루미늄을 함유하는 커버 층은 장벽 효과와 높은 내마모성을 조합하는 것에 의해 이러한 문제를 해결한다. 또한, 상기 층은 모든 공지된 래커보다 상당히 큰 내열성을 가지며, 그러므로 고온에서의 부식성 환경에 사용할 수 있다.
e) 또한, 산화물층의 성장에 필요한 이온 교환이 층의 원자적으로 콤팩트한 구성으로 인하여 표면에 의해 방지되기 때문에, 고온에서의 산화물 성장이 크게 감소된다. 마찬가지로, 코트의 기화가 효율적으로 방지된다.
f) 순수한 금속 표면에 대한 추가의 이점은 산성 및 특히 알칼리성 매체에 대한 증가된 내성에 있다. 이 경우에, 산화 알루미늄 및/또는 수산화 알루미늄을 함유하는 커버 층은 이러한 매질의 부식성 효과(caustic effect)를 방지하는 분리층처럼 기능한다.
g) 동시에, 커버 층은 그 무기 성질로 인하여 이상적인 화학적 가교 결합을 허용하고 큰 표면으로 인하여 효과적인 물리적 가교를 허용하기 때문에(콤팩트하 단계가 생략될 때), 어떠한 선행 인산염 코팅없이도 매우 효과적으로 래커칠될(lacquered) 수 있다.
h) 산화 알루미늄 및/또는 수산화 알루미늄을 함유하는 커버 층은 표면의 전기 저항을 효율적으로 증가시켜서, 층 두께(또한 20 ㎛ 초과)에 의존하여, 보호 래커없이 2 kV까지의 전기 항복 전압이 달성될 수 있다.
i) 산화 알루미늄 및/또는 수산화 알루미늄을 함유하는 커버 층의 다공성으로 인하여, 압밀 공정 전에 안료를 매립하는 것이 가능하다. 밝은 색상의 알루미늄 표면은 알루미늄 성분에 장식용 양극 산화 처리된 코팅의 분야에서 널리 사용되고 있다. 그러나, 색 정보에 더하여, 다른 기술적 특성, 예를 들어, 전기 전도성 또는 항박테리아 효과는 또한 이러한 안료를 사용하여 맞추어질 수 있다.
열간 성형 또는 냉간 성형 공정을 위한 알루미늄계 강판 또는 강재 스트립을 생산하기 위한 일부 가능한 공정 경로가 아래에서 설명된다. 이러한 것들은 도 3에 도시된 일반적인 공정도에서 명확하다.
공정 예 I:
A) 용융 도금 마무리(알루미늄계 코트)
B) 양극 산화 처리
1. 알칼리성 전처리(계면 활성제와 함께/없이)
2. 산성 탈산(예를 들어, 황산, 질산 ...)
3. 헹굼
4. 양극 산화 처리 공정
5. 헹굼
6. 기능성 안료의 착색/적용
7. 헹굼
8. 열수/증기 처리 공정(압밀 공정)
9. 건조
C) 열간 성형 공정
공정 예 II :
A) 용융 도금 마무리(알루미늄계 코트)
B) 양극 산화 처리
1. 알칼리 전처리(계면 활성제와 함께/없이)
2. 산성 탈산(예를 들어, 황산, 질산 ...)
3. 헹굼
4. 양극 산화 처리 공정
5. 헹굼
6. 기능성 안료의 착색/적용
7. 헹굼
8. 열수/증기 처리 공정(압밀 공정)
9. 건조
C) 냉간 성형 공정
공정 예 III :
A) 용융 도금 마무리(알루미늄계 코트)
B) 플라즈마 산화
1. 알칼리 전처리(계면 활성제와 함께/없이)
2. 산성 탈산(예를 들어, 황산, 질산 ...)
3. 헹굼
4. 건조
5. 플라즈마 에칭
6. 플라즈마 산화 공정
C) 열간 성형 공정 또는 냉간 성형 공정
공정 예 IV :
A) 용융 도금 마무리(알루미늄계 코트)
B) 열수/증기 처리
1. 알칼리 전처리(계면 활성제와 함께/없이)
2. 산성 탈산(예를 들어, 황산, 질산 ...)
3. 헹굼
4. 열수/증기 처리 공정
5. 건조
C) 열간 성형 공정 또는 냉간 성형 공정

Claims (21)

  1. 알루미늄계 코팅을 포함하는 강판 또는 강재 스트립으로 이루어지는 부품을 프레스 경화하기 위한 방법으로서, 알루미늄계 코트가 상기 강판 또는 강재 스트립 상에 코팅으로서 용융 도금 방법으로 적용되며, 상기 코트를 포함하는 강판 또는 강재 스트립은 용융 도금 공정 후 및 성형 공정 전에, 플라즈마 산화, 열수 처리, 증기 처리 및 양극 산화 처리 중 하나 이상이 수행되어서, 알루미늄 산화물 및 알루미늄 수산화물 중 하나 이상을 함유하는 커버 층이 상기 코트의 표면에 형성되는, 상기 방법에 있어서,
    상기 강판 또는 강재 스트립은 경화를 목적으로 적어도 부분적으로 Ac3 초과의 온도로 가열되고, 그런 다음 이러한 온도에서 성형되며, 이어서 적어도 부분적으로 임계 냉각 속도 초과의 속도로 냉각되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 코트는 8 내지 12 wt.%의 Si 함유량, 1 내지 4 wt.%의 Fe 함유량, 및 알루미늄의 잔부를 가지는 용해조에서 제조되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 열수 처리 또는 상기 증기 처리는 적어도 90℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 커버 층은 연속 공정으로 코트의 표면 상에 적용되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 커버 층의 평균 층 두께는 4 ㎛ 보다 작고 0.05 ㎛보다 큰 것을 특징으로 하는, 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 커버 층의 평균 층 두께는 1.0 ㎛보다 작고 0.1 ㎛보다 큰 것을 특징으로 하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 양극 산화 처리는 붕산, 시트르산, 황산, 옥살산, 크롬산, 알킬 술폰산, 카르복실산, 알칼리 카보네이트, 알칼리 인산염, 인산 또는 불화 수소산에 기초하여 매질에서 실행되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 양극 산화는 1 - 50 A/dm²의 전류 밀도, 10 - 120 V의 전압, 및 0 - 65℃의 전해질 온도에서 실행되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 코트의 양극 산화 처리 및/또는 플라즈마 산화 단계 후 및 열수 처리 및/또는 증기 처리 전에, 상기 커버 층의 기능에 영향을 미치는 착색 안료 및/또는 안료가 상기 커버 층 내로 도입되는 것을 특징으로 하는, 방법.
  10. 제1항 또는 제2항에 따른 방법에 따라서 제조된, 알루미늄계 코팅을 포함하는 강판 또는 강재 스트립으로 이루어진 프레스 경화된 부품.
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