KR102196078B1 - 높은 망가니즈 함유량의 강 스트립의 용접성을 개선하기 위한 방법 및 코팅된 강 스트립 - Google Patents

높은 망가니즈 함유량의 강 스트립의 용접성을 개선하기 위한 방법 및 코팅된 강 스트립 Download PDF

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Abstract

본 발명은 (중량%로) 6 내지 30%의 망가니즈, 최대 1%의 탄소, 최대 15%의 알루미늄, 최대 6%의 실리콘, 최대 6.5%의 크로뮴, 최대 4%의 구리, 합계로 최대 0.7%의 타이타늄 및 지르코늄의 첨가물, 합계로 최대 0.5%의 니오븀 및 바나듐의 첨가물, 및 불가피한 강에 부수되는 원소를 포함하는 잔부의 철을 포함하고, 아연 함유 부식방지층으로 코팅된 높은 망가니즈 함유 강의 용접성을 개선하기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

높은 망가니즈 함유량의 강 스트립의 용접성을 개선하기 위한 방법 및 코팅된 강 스트립{METHOD FOR IMPROVING THE WELDABILITY OF HIGH-MANGANESE-CONTAINING STEEL STRIPS AND COATED STEEL STRIP}
본 발명은 (중량%로) 6 내지 30%의 망가니즈 외에 최대 1% 탄소, 최대 15% 알루미늄, 최대 6% 실리콘, 최대 6.5% 크로뮴, 최대 4% 구리, 합계로 최대 0.7%의 타이타늄 및 지르코늄의 함유량, 합계로 최대 0.5%의 니오븀 및 바나듐의 함유량, 잔부의 철 및 불가피한 강 트램프(tramp) 원소를 포함할 수 있는 높은 망가니즈 함유량의 아연 코팅된 강 스트립의 용접성을 개선하기 위한 방법에 관한 것이다.
HSD®-강(고강도 및 고전성)으로도 공지되어 있는, 높은 함유량의 망가니즈, 알루미늄 및/또는 실리콘을 갖는 강은 그것의 유리한 신율 및 강도 특성에 기인되어, 수송 차량의 구조, 특히 자동차의 구조에 적합하다.
높은 망가니즈 함유량의 강(예를 들면, HSD®-강)은 종래의 강에 비해 상당히 더 낮은 비중을 특징으로 하고, 이것은 이러한 경량의 강을 차체 구조에 사용한 경우에 상당한 중량 감소에 기여한다.
7 내지 27 중량%의 높은 망가니즈 함유량을 갖는 강은, 예를 들면, DE 199 00 199 A1로부터 공지되어 있고, 9 내지 30 중량%의 망가니즈를 갖는 강은 DE 10 2004 061 284 A1로부터 공지되어 있다. 이러한 강으로 제조된 평판 제품은 고강도와 동시에 높은 균일성의 신율을 갖는다.
그러나, 더 높은 망가니즈 함유량을 갖는 강은 공식(pitting) 및 표면 부식의 경향을 갖고, 알루미늄 및/또는 실리콘을 첨가하지 않으면 수소에 기인된 응력 부식에 대해 더 낮은 저항을 갖는다. 그러므로 부식으로부터 강을 보호해주는 금속 코팅물로 공지된 방식으로 높은 망가니즈 함유량의 강으로 제조된 평판 제품을 또한 코팅하는 것이 제안되었다.
유사한 요구가 부식 저항에 대하여 부과되는 경우, 아연 또는 아연 합금의 방식층(anticorrosion layer)으로 높은 망가니즈 함유량의 강 스트립을 코팅하는 것이 공지되어 있다.
높은 망가니즈 함유량의 강 스트립은 냉간 압연된 상태 또는 열간 압연된 상태일 수 있고, 여기서 아연 또는 아연 합금 층은 일반적으로 전기분해에 의해 또는 용융 아연도금에 의해 형성된다.
DE 199 00 199 A1으로부터 평판 제품의 표면을 알루미늄으로 부화시키는 것 및/또는 코팅하는 것이 공지되어 있다. WO 2007/075006 A1에서 높은 망가니즈 함유량의 강이 제안되었고, 여기서 공지된 방식으로 이러한 강으로부터 제조된 평판 제품은 최종 어닐링 후에 전기분해에 의해 또는 용융 아연도금에 의해 아연 층으로 코팅된다.
그러나 많은 공지된 높은 망가니즈 함유량의 강의 여전히 미해결된 문제는 아연도금된 경우에 불충분하게 용접될 수 있는 것이고, 이것은 재료의 용접 구역에서 액체 금속에 기인된 균열 형성의 발생을 특징으로 한다.
이하에서 용접이라는 용어는 기본 재료 외에 아연 코팅이 액화되는 모든 저항 용접 방법, 용융 용접 방법 또는 빔 용접 방법을 포함하는 것으로 이해된다.
용접 중에 열 영향의 결과로서 코팅부로부터 액화된 아연이 입계를 용침시킨다. 이러한 용침에 의해 기본 재료는, 용접부 또는 이 용접부에 인접하는 기본 재료가 더 이상 요구되는 기계적 요구사항에 부합하지 않는 정도까지, 용접 구역의 인접부에서 그 강도 및 전성을 상실하게 되고, 균열 형성에 기인되어 용접부의 조기 파괴의 위험이 증가한다. 이러한 응력 부식의 형태는 이 경우에 부식성 매체가 액체 금속이므로 액체 금속 취화(LME)라고 한다.
용융 아연도금된 높은 망가니즈 함유량의 경량 강의 용접성을 개선하기 위해, DE 10 2005 008 410 B3은 최종 어닐링 전에 콜드(cold) 스트립에 알루미늄 층을 PVD(물리 증착)에 의해 형성하는 것을 목적으로 한다. 최종 어닐링 후에 그 위에 방식 코팅물이 형성된다. 열처리의 결과로서 형성된 Al/Fe 확산층은 용접 중에 기본 재료 내에 용융된 아연이 유입되는 것 및 액체 금속의 취화를 방지하기 위한 것이다. 그러나, 이러한 공정의 단점은 고비용이다.
높은 망가니즈 함유량의 아연도금된 강의 액체 금속에 기인된 균열 형성을 방지하기 위해 DE 10 2009 053 260 A1은 강 표면 상에 알루미늄 질화물의 형성을 유발하는 N2/H2 함유 분위기 내에서의 어닐링 처리를 제안한다. 이러한 표면 근처의 알루미늄 층은 재료 내로 아연의 유입 및 이것에 의한 취화를 방지하기 위한 것이다. 여기서 단점은 높은 질화 온도가 요구되는 것이고, 이것은 기본 재료의 기계적 특성의 악화를 유발할 수 있다.
설명된 종래 기술에 기초하여 본 발명의 목적은 공지된 방법의 단점을 방지하면서, 한편으로 높은 망가니즈 함유량의 강을 부식으로부터 효과적으로 보호할 수 있고, 다른 한편으로 용접 중에 액체 금속에 기인된 균열 형성의 문제를 방지하는 대안적이고 비용효율적인 방법을 제공하는 것이다. 또한 이것에 따라 코팅된 강 시트가 제공된다.
이 방법에 관하여, 강 스트립이 (중량%로) 6 내지 30% 망가니즈, 최대 1%의 탄소, 최대 15%의 알루미늄, 최대 6%의 실리콘, 최대 6.5%의 크로뮴, 최대 4%의 구리, 합계로서 최대 0.7%의 타이타늄 및 지르코늄, 합계로서 최대 0.5%의 니오븀 및 바나듐, 및 불가피한 강 트램프 원소를 포함하는 잔부의 철을 포함하고, 아연 함유 부식방지층으로 코팅되고, 용접 중에 강 스트립의 액체 금속 취화를 방지하기 위해, 아연/망가니즈, 아연/코발트 또는 아연/철의 합금이 아연 함유 방식층으로서 강 스트립 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 점에서 본 목적이 달성된다.
유리하게 강 스트립(핫 스트립 또는 콜드 스트립)은, 한편으로, 수소에 기인된 응력 부식에 대한 저항을 증가시키기 위해, 다른 한편으로, 망가니즈, 탄소, 실리콘 및 알루미늄 사이의 상호작용의 결과로서, 변형 유기 마르텐사이트 형성 및 이것에 관련된 강화를 억제하기 위해, 적어도 (중량%로) 0.04%의 탄소 함유량 및 각각 적어도 0.05%의 실리콘 및 알루미늄 함유량을 갖는다. 또한, 적어도 (중량%로) 0.02%의 구리 함유량 및 적어도 0.05%의 크로뮴 함유량을 갖는다.
놀랍게도, 시험 결과 아연 외에도 망가니즈, 코발트 또는 철을 포함하는 층으로 재료를 코팅하면 탁월한 부식 방지를 제공할 뿐만 아니라 액체 금속 취화의 방지에 매우 우수한 효과를 갖는다는 것이 밝혀졌다. 이하에서, 이러한 변형례를 단일층 변형례라 한다.
또한 사전에 강 스트립 상에 형성된 아연/망가니즈, 아연/코발트, 또는 아연/철의 얇은 제 1 층 상에 제 2 층으로서 아연계 층이 형성되는 경우, 액체 금속에 기인된 균열 형성이 또한 효과적으로 방지되는 것이 밝혀졌다. 이하에서, 이러한 변형례를 다중층 변형례라 한다. 따라서, 본 발명에 따르면, 아연 함유 방식층은 특히 장벽 층으로서 기능하고, 실제의 음극 부식방지는 아연계의 제 2 층에 의해 제공된다.
본 발명에 따른 강 스트립 상에 형성되는 아연 함유 방식층의 취화 억제 효과는, 한편으로, 접합 공정 중에 표면 근처의 산화 생성물의 형성에 기여할 수 있다(예를 들면, 아연/망가니즈 함금의 경우에 망가니즈 산화물의 형성). 이것은 입계에서 아연의 확산 경로를 봉쇄하는 효과를 갖고, 이것은 아연의 진입 및 이에 따른 재료의 취화를 방지한다.
다른 한편, 아연 층에 망가니즈, 코발트 또는 철의 첨가는 이 층의 융점을 증가시키고, 이것은 접합 공중 중의 코팅부의 용해를 감소시킨다.
충분한 부식방지를 보장함과 동시에 액체 금속 취화를 억제하기 위해, 본 발명에 따르면 단일층 변형례 및 다중층 변형례에서 아연 함유 방식층 내의 각각의 합금 원소의 비는 (중량%로) 적어도 1%임이 제공된다. 용접성의 상당한 개선을 달성하기 위해 각각 5 내지 25%의 최소 함유량이 유리하다. 필요한 경우, 이 함유량은 50% 이상까지 증가될 수 있다.
제 1 아연 함유 부식방지층의 아연 함유량은 30 - 99 중량%, 특히 75-95 중량%일 수 있다.
단일층 실시형태에서, 코팅부의 두께는 부식방지에 부과되는 요건에 따라 0.5 μm 내지 50 μm일 수 있다. 전해 아연도금의 경우, 1 - 12 μm의 층 두께가 유리하고, 용융 아연도금의 경우, 5 내지 35 μm의 층 두께가 유리한 것으로 밝혀졌다.
다중층 변형례의 경우, 강 기재 상에 직접 형성된 아연 함유 방식층은 아연 외에 망가니즈, 코발트 또는 철을 또한 포함하고, 확산 장벽으로서 기능하는 0.1 내지 5 μm 두께의 층, 및 아연 함유 방식층 상에 형성되는 본질적으로 음극 부식 방지를 보장하는 아연계의 제 2 층으로 이루어진다. 제 2 층으로서의 아연 합금의 경우, 이러한 층은 표면의 외관, 바니싱(varnishing) 능력, 부식 방지 등에 관한 고객의 요구에 부합하기 위해 주 원소인 아연 외에 추가의 원소인 알루미늄 및/또는 실리콘 및/또는 망가니즈 및/또는 철을 포함할 수 있다.
이러한 제 2 층의 두께는 요구사항에에 따라 0.5 um 내지 50 μm일 수 있다.
단일층 변형례 및 다중층 실시형태에서, 본 발명에 따른 높은 망가니즈 함유량의 강 스트립은 전기분해에 의해 코팅되는 것이 바람직하지만, 또한 기체상으로부터의 석출과 같은 대안적 방법을 이용하여 코팅을 형성하는 것도 가능하다.
본 발명에 따른 방법은 또한 열간 또는 냉간 압연 강 스트립을 코팅하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 장점은, 한편으로, 아연만으로 코팅된 고-망가니즈-강에 비해 액체 금속에 기인된 균열 형성에 대한 저항이 상당히 증가되는 것이다. 다른 한편, 단일층 또는 다중층 변형례의 경우, 본 발명에 따른 코팅부의 형성은 전기분해에 의해, 또는 기체상으로부터의 석출과 같은 대안적 방법에 의해 공지된 가용의 산업적 규모의 응집괴를 이용하여 비용효율적으로 실현될 수 있다.
도 1의 좌측도는 다중층 구성의 방식층을 갖는 본 발명에 따른 실시형태를 개략적으로 도시하고, 우측도는 단일층 구조를 갖는 제 2 실시형태를 도시한다.
도 2 및 도 3은 저항 점용접된 샘플을 도시한다.
DE 10 2004 061 284 A1으로부터 공지된 스트립 주조 시스템 상에서, X70Mn-Al-Si-15-1.5-2.5, 불가피한 강 트램프 원소를 포함하는 잔부의 철의 조성의 강이 얇은 스트립으로 주조되었고, 다음에 핫 스트립으로 압연되었다. 다음에 이 핫 스트립은 종래의 방식으로 산세되고, 냉간 압연되고, 어닐링되었다. 그 후, 이 스트립은 세척되고, 표면 활성화 처리(스케일 제거)되고, 그 후에 전기분해에 의해 본 발명에 따른 아연 함유 방식층 및 아연계 제 2 층(다중층 변형례)으로 코팅되었다.
강 스트립 상에 형성된 아연 함유 방식층은 12 개의 샘플에서 77/23, 64/36, 30/70 및 40/60의 아연/망가니즈의 비(중량%)를 가졌고, 5 개의 샘플에서 28/72, 89/11 및 91/9의 아연/코발트의 비(중량%)를 가졌다. 단일층 변형례에서 층 두께는 1 내지 5 μm였다. 다중층 실시형태에서, 제 1 층의 두께는 0.5 내지 1 μm였고, 제 2 층의 두께는 1 내지 4 μm였다. 액체 금속에 기인된 균열 형성에 대한 감수성을 시험하기 위해 샘플들은 저항 점용접 공정으로 접합되었다.
아연/망가니즈 층을 갖는 모두 48 개의 샘플과 아연/코발트 층을 갖는 모두 15 개의 용접 샘플은 균열이 없었다. 또한 용접 시험의 결과는 표 1 및 표 2에 요약되어 있다. 본 발명에 따른 아연/철 층의 경우에도 유사하게 우수한 결과가 관찰되었다.
도 1의 좌측의 부분도는 다중층 구성의 방식층을 갖는 본 발명에 따른 실시형태를 개략적으로 보여준다. 제 1 아연 함유 방식층이 전기분해에 의해 높은 망가니즈 함유량의 강 기재 상에 형성되었고, 다음에 제 2 층의 아연(ZE)이 전기분해에 의해 형성되었다. 이 실시형태에서, 아연 함유 방식층의 두께는 0.1 μm 내지 50 μm일 수 있고, 특히 0.5μm 내지 12 μm일 수 있고, 반면에 아연계 층의 두께는 0.5 μm 내지 50 μm일 수 있고, 특히 1μm 내지 12 μm일 수 있다.
도 1의 우측의 부분도는 단일층 구조를 갖는 제 2 실시형태를 보여준다. 이와 같은 구조에서, 0.5 μm 내지 50 μm의 두께를 갖는 아연 함유 방식층이 높은 망가니즈 함유량의 강 기재 상에 형성되다.
도 2 및 도 3은 저항 점용접된 샘플을 보여준다.
도 2는 저항 점용접에 의해 접합된 종래의 아연-코팅된(ZE) 높은 망가니즈 함유량의 강 샘플을 보여준다. 아연 층의 두께는 약 3.5 μm이다. 이 샘플은 열 영향 구역 내에서 액체 금속에 기인된 균열을 보여준다.
도 3은 높은 망가니즈 함유량의 강 샘플을 보여주고, 이것은 23 중량%의 망가니즈를 함유하는 2 μm 두께의 아연 합금 코팅부로 전기분해에 의해 코팅되었고, 다음에 저항 점용접에 의해 접합되었다. 샘플에 균열이 전혀 존재하지 않는다.
Zn/Mn 비[중량%] 77/23 64/36 30/70 40/60
용접 샘플 내의 균열
1 없음 없음 없음 없음
2 없음 없음 없음 없음
3 없음 없음 없음 없음
4 없음 없음 없음 없음
5 없음 없음 없음 없음
6 없음 없음 없음 없음
7 없음 없음 없음 없음
8 없음 없음 없음 없음
9 없음 없음 없음 없음
10 없음 없음 없음 없음
11 없음 없음 없음 없음
12 없음 없음 없음 없음
표 1: 상이한 조성의 아연/망가니즈 방식 코팅을 갖는 강 시트에 대한 용접 시험의 결과
합금 내의 Zn/Co 비[중량%] 28/72 89/11 91/9
용접 샘플 내의 균열
1 없음 없음 없음
2 없음 없음 없음
3 없음 없음 없음
4 없음 없음 없음
5 없음 없음 없음
표 2: 상이한 조성의 아연/코발트 방식 코팅을 갖는 강 시트에 대한 용접 시험의 결과

Claims (12)

  1. 높은 망가니즈 함유량의 강 스트립의 용접성을 개선하기 위한 방법으로서,
    (중량%로) 6 내지 30%의 망가니즈, 0% 초과 및 1% 이하의 탄소, 0% 초과 및 15% 이하의 알루미늄, 0% 초과 및 6% 이하의 실리콘, 0% 초과 및 6.5% 이하의 크로뮴, 0% 초과 및 4% 이하의 구리, 합계로 0% 초과 및 0.7% 이하의 타이타늄 및 지르코늄, 합계로 0% 초과 및 0.5% 이하의 니오븀 및 바나듐, 및 불가피한 강 트램프(tramp) 원소를 함유하는 잔부의 철을 포함하는 강 스트립을 제공하는 단계;
    용접 중에 액체 금속 취화를 방지하기 위해, 전기분해 또는 용융 도금을 통해, 아연/망가니즈, 아연/코발트 및 아연/철 중에서 선택되는 이 성분계 합금으로 이루어진 조성물을 적용하여, 상기 강 스트립에 제 1 아연 함유 부식방지층을 코팅하는 단계; 및
    아연/망가니즈, 아연/코발트 및 아연/철 중에서 선택되는 이 성분계 합금으로 이루어진 상기 제 1 아연 함유 부식방지층 상에 두께가 0.5μm 내지 50 μm인 제 2 아연 함유 층을 전기분해를 통해 코팅하는 단계를 포함하고,
    상기 제 1 아연 함유 부식방지층은 아연을 75 내지 95 중량% 포함하고,
    상기 제 2 아연 함유 층은 아연 외에 추가의 원소인 알루미늄, 실리콘, 망가니즈 및 철 중 1종 이상을 포함하는, 강 스트립의 용접성을 개선하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 아연 함유 부식방지층의 두께는 0.1 μm 내지 50 μm인, 강 스트립의 용접성을 개선하기 위한 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 아연 함유 부식방지층의 두께는 0.5μm 내지 12 μm인, 강 스트립의 용접성을 개선하기 위한 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 아연 함유 층의 두께는 1μm 내지 12 μm인, 강 스트립의 용접성을 개선하기 위한 방법.
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