KR20010022954A - 알루미늄-실리콘계 합금도금강판의 제조방법 및 그 제품 - Google Patents

알루미늄-실리콘계 합금도금강판의 제조방법 및 그 제품 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 알루미늄-실리콘계 합금도금강판의 제조방법과 이에 의해 생산된 제품에 관한 것으로서, 도금욕 용탕에 Cr, Mn, Ti 및 Zr 성분중 어느 하나 또는 하나 이상을 0.3∼1.5중량% 더 포함시켜 도금처리하는 것을 특징으로 하며, 이에 의해 제조된 강판은 그 도금층의 단면상 구조가, 소지강판에서부터 제1 합금층, 제1 오버레이층, 제2 합금층, 제2 오버레이층 그리고 순도금층으로 구성되는 다층형의 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

Description

알루미늄-실리콘계 합금도금강판의 제조방법 및 그 제품{THE METHOD FOR MANUFACTURING STEEL PLATE COATED WITH Al-Si ALLOY AND ITS PRODUCTS}
알루미늄 도금강판은 용융아연 도금강판과 비교하여 내식성과 내열성이 우수하여 자동차 머플러, 가전제품 내열소재 등에 많이 적용되고 있다. 1939년 샌드지마이어(Sendzimir) 라인에서 처음 제조된 알루미늄 도금강판은 1950년대 후반 미국의 자동차 회사에서 머플러용 강재로 적용되면서 일반화되기 시작하였다.
이러한 알루미늄 도금강판은 알루미늄과 철과의 급속한 확산 합금화층 형성으로 가공성이 현저하게 나빠지는 바, 이를 억제하고자 실리콘을 약 5∼ 11중량％ 첨가시켜 가공성을 떨어뜨리는 합금층의 형성을 조절한 제 1형과, 순수한 알루미늄만의 도금층으로 구성되는 제 2형으로 크게 대별된다.
제 1형의 알루미늄 도금강판은 자동차의 머플러, 온수기, 난방기 또는 전기밥솥 내피 등의 내열부품에 많이 사용되고 있으며, 제 2형은 수용액 및 대기 중에서 내식성이 특히 우수하여 건축용 자재와 배관라인의 내식성 강재로 이용되고 있다.
그러나, 상기 제 1형의 알루미늄 도금강판은, 알루미늄과 철과의 합금층 형성에 의한 가공성 저하라는 단점을 보완하기 위해 첨가하는 실리콘이 표면외관을 저해하는 요인으로 작용하여 외관이 선명하지 못한 단점이 발생하게 되며, 제 2형의 알루미늄 도금강판은 이러한 외관 특성은 우수하나 피도금판과 알루미늄이 급격하게 반응하게 되어 두꺼운 금속간화합물층(Intermetalic compound)이 발생하여 성형성이 극도로 나빠지므로 그 용도가 성형을 요구하지 않는 장식재 등의 용도로 국한되어 사용하고 있는 단점이 있다.
또 다른 단점으로는 급속한 알루미늄의 확산반응으로 도금욕내 강판의 진행을 보조하는 싱크롤(Sink roll)의 수명이 떨어져 작업성이 현저하게 떨어지는 문제점이 대두된다.
본 발명은 내식성 및 가공성이 우수한 알루미늄-실리콘계 합금도금강판의 제조방법 및 이에 의해 제조된 강판에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 방법을 설명하기 위한 시뮬레이터의 개략도이다.
도 2a는 종래의 알루미늄 도금강판(제 1형)의 단면 확대현미경 사진이고, 도 2b는 본원 발명의 효과를 설명하기 위한 코팅층의 단면 전자현미경 사진이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 알루미늄과의 합금이 쉽게 형성되면서 내식성 및 내열성이 우수한 것으로 알려진 Cr, Mn, Ti 및 Zr 성분들 중 어느 하나 이상을 첨가하여 합금층의 형성이 다층형으로 구성되는 구조를 갖도록 한 내식성 및 가공성이 뛰어난 알루미늄-실리콘계 합금도금강판의 제조방법 및 그 제품을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 알루미늄-실리콘계 합금도금강판의 제조방법은 통상의 용융도금방법에 있어서, 도금욕 용탕에 Cr, Mn, Ti 및 Zr 성분중 어느 하나 또는 하나 이상을 0.3∼1.5중량% 더 포함시켜 도금처리한 것을 특징으로 한다.
종래의 알루미늄 도금강판의 제조에 있어서는, 욕조성에서 합금층 성장을 제어할 목적으로 실리콘을 5중량％ 이상 함유하도록 하는 것이 필수적이다. 그러나, 반대로 실리콘의 함유량이 11중량％ 이상이 되면, 도금층 내에 판상의 실리콘상이 석출되어 도금층 자신의 가공성을 현저하게 저하시키게 되기 때문에 합금층을 제어하기 위해 다량의 실리콘을 공급할 수 없다.
그러므로 본 발명에 있어서는 일반적으로 용융금속 내에서 결정립 미세화 원소로 잘 알려진 원소 중에서 스팽글 미세화 효과가 큰 것과 Al과의 친화력, 즉 고용도가 안정한 것, 또 공업적으로 다량구매가 용이하고 경제성이 있는 원소일 것이란 조건에 맞는 기준에 의하여 제 3의 합금원소로 Cr, Mn, Ti 및 Zr를 선택하였다.
상기한 미세 첨가원소는 A1- 5∼15중량％Si 용탕 내에서 철판이 도금처리된 이후에 도금층 내에 분산되어 무수한 핵생성을 형성시킴으로써 도금재가 응고하는 과정에서 결정입계간에 상호 간섭하는 작용을 하여 결정립의 성장을 제어하는 역할로 작용하게 된다. 이리하여 미세한 표면외관을 나타내면서 입계간 부식을 억제하여 내식성을 강화시키며, 다층형의 합금도금층이 외부환경의 각종 요소에 의한 침투를 억제하고 블로킹하는 역할을 한다.
아울러, 알루미늄과 철과의 합금층의 형성에 장애 요소로 작용함으로써 합금층의 성장을 억제하게 되어 가공성이 우수한 도금피막층이 형성된다.
여기에서 이들 첨가원소를 0.3∼1.5중량％의 범위 내로 한정 설정하는 것은, 다량이 첨가될 경우, Cr, Mn, Ti 및 Zr의 금속간화합물이 조대화되어 도금층의 표면외관이 손상되기 때문이다. 또한, 알루미늄 용탕 내에서 각종의 첨가원소의 용해도에 따른 문제도 있기 때문이다.
도 2a는 종래에 상용되고 있는 일반 알루미늄도금강판(제1형, 포항도금강판(주) 제품, 상표명 ALCOSTA)의 단면에 대한 전자 현미경 사진이고, 도2b 는 본 발명에 따른 제품의 단면에 대한 전자 현미경 사진이다.
도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 알루미늄-실리콘계 합금도금강판은, 소지강판(11) 상에 순차적으로 제 1합금층(20)과, 제 1오버레이층(21), 제 2합금층(22), 그리고 제 2오버레이층(23)이 순차 형성되고 즉, 다층 합금층이 형성되고, 그 위로 순도금층(30)이 형성된다. 즉, 이와 같이 다층형의 합금 및 도금층은 외부의 환경 조건에 대한 내식성을 월등히 높혀 준다.
본 발명에 따른 알루미늄-실리콘계 합금도금강판의 제조방법은 도금부착량이 편면 기준으로 20∼200g/㎡ 범위인 것이 적당하다. 그 이유는 도금부착량이 20g/㎡ 이하면 부착량을 제어하는 에어 나이프 설비의 공기압력의 과다한 증가로 판면상의 도금부착량의 편차와 함께 용탕내 표면산화물의 급속한 증가로 피막의 외관 손상 및 산화 드로스(Oxidation dross)의 부착이 일어나고, 200g/㎡ 이상이 되면 합금층의 과다 형성으로 가공성이 현저하게 떨어지기 때문이다.
또한, 본 발명에 따른 알루미늄-실리콘계 합금도금강판의 제조방법은 도금욕 용탕의 온도가 섭씨 650∼700도인 것이 적당한 것으로 확인되었다.
그 이유는 소지강판의 입욕온도가 650℃ 이하가 되면 도금피막의 외관이 불량해지고 도막밀착성이 저하하며, 700℃이상이 되면 소지강판의 열적 확산이 빨라져서 합금층의 이상 성장을 초래하게 됨으로써 가공성이 떨어지고 용탕내 산화물층이 과생성되기 때문이다.
본 발명을 위하여 용융도금 시뮬레이터를 사용하였는데, 도 1은 이의 개략도를 나타낸 것이다.
본 장치는 시편 이동장치(1), 열처리로인 적외선 가열로(2), 게이트 밸브(3), 냉각장치(4), 에어 와이퍼(5) 및 도금욕(6) 등으로 구성되어 있다.
가스 공급장치는 본체와 연결되어 자동적으로 각종 가스를 본체에 공급할 수 있으며, 특히 진공펌프(9)와 H2 및 N2 가스를 이용하여 환원성 분위기에서 열처리가 가능하다. 본 실험에 사용된 시편(7)은 실험 전에 탈지된 두께 0.6∼1.0 ㎜T의 냉간압연강판(CQ)이며 크기는 대략 100×200 ㎟로 절단하였다.
시편은 시뮬레이터에 장착하기 전에 아세톤으로 표면을 깨끗이 세척하였다. 시뮬레이터 장착한 후에는 적외선 가열로(2)에서 소둔하여, 시편에 부착된 유기물질 및 산화층을 제거하였다.
실험방법은 우선 전처리가 끝난 시편(7)에 열전대(미도시)를 스폿트 용접기를 이용하여 접합시킨 후 시편 이동장치(1)의 시편 홀더에 시편(7)을 고정시킨다. 시편(7)이 장입된 용기의 문을 닫은 후 진공펌프(9)를 이용하여 진공상태를 조성한 뒤 가스 공급장치를 통하여 상부에 질소가스를 퍼지시킨다.
한편, 시편(7)은 시편이동장치(1)에 의해 적외선 가열로(2) 위치에 놓이게 되고 가스 공급장치에 의해 질소와 수소가 혼합된 가스를 불어넣은 다음, 정해진 사이클에 따라 열처리를 하게 된다.
열처리가 끝난 시편은 게이트 밸브(3)를 통하여 냉각장치(4)로 이동하게 되고 질소 가스에 의해 냉각된 후 도금욕(6)에 침적되어 도금된다. 도금 후의 시편(7)은 에어 와이퍼(5)를 통과하면서 적절한 도금두께로 조정된다. 그 뒤 시편은 냉각대 혹은 시편 용기로 이동해서 냉각된 후, 상온에서 취출된다. 실험 동안 시편(7)의 온도는 시편에 부착된 열전대를 통하여, 도금욕 온도는 도금욕내 설치된 열전대에 의하여 각각 측정되며, 이슬점은 환원가스 분위기를 대상으로 이슬점 측정기(8)에 의해서 각각 연속적으로 기록된다.
하기 실시예는 상기의 시뮬레이터에서 본 발명의 방법으로 제조된 알루미늄-실리콘계 합금도금강판으로서 각종의 첨가원소를 적용하여 그 특성을 평가하였다.
비교재는 첨가원소(Cr, Mn, Ti 및 Zr)가 없는 알루미늄-실리콘계 합금도금강판(제 1형)이다.
특성평가 및 비교항목으로는 염수분무에 의한 초기 적청발생시간 및 밀착가공성을 평가하였다. 내식성은 5％, 35℃ NaCl 염수분무시험 분위기에서 초기 적청발생시간(5％)으로 비교하였으며, 표면외관은 육안에 의한 피막의 균일성을 관찰하였고, 가공성은 180도(0T) 벤딩시험을 가한 후, 파단면의 폭을 30 및 50배율의 입체현미경으로 관찰하여 파단면의 폭 크기를 측정하여 비교하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
각종 용융알루미늄 도금강판 평가결과
실시예 No. 첨가원소(중량%) 강판입욕온도(℃) 도금욕온도(℃) 도금부착량(g/㎡) 내식성(시간) 가공성(파단면폭) 비고
실시예1 Cr 0.3 670 660 40 2,500 10~15㎛
2 0.5 3,000 〃
3 0.6 3,000 〃
4 0.7 3,000 〃
5 Mn 0.5 900 〃
6 0.8 1,000 〃
7 1.0 1,200 〃
8 1.2 1,500 〃
9 Ti 0.3 1,000 〃
10 0.5 1,500 〃
11 0.6 1,600 〃
12 0.7 1,800 〃
13 Zr 0.3 900 〃
14 0.5 1,000 〃
15 1.0 1,200 〃
16 1.2 1,400 〃
비교재1 450 20~30㎛
비교재2 45 900 30~45㎛
(실시예1)
본 실시예는 Cr이 0.3중량％ 첨가된 알루미늄-실리콘계 합금도금강판을 제조한 경우이다. 이때 사용된 시편(7)은 실험 전에 탈지된 두께가 0.9㎜인 냉간 압연강판으로 크기는 100×200㎜인 것을 사용하였다. 도금욕은 순수 A1(99.8％) 금속과 A1-25중량％Si 합금을 무게비로 조정하고, Cr은 A1-5중량％Cr 합금괴를 사용하였다. 도금전의 전처리로 시편(7)을 800℃에서 소둔 열처리하였으며, 강판의 입욕온도는 670℃로 설정하고, 도금욕온도는 620∼680℃ 범위를 유지하여 도금부착량이 40g/㎡(편면기준)이 되도록 강판상에 도금했을 때의 제품이다.
(실시예 2 내지 실시예 4)
실시예 1과 동일하되 Cr의 첨가함량이 각각 0.5, 0.6 또는 0.7중량％가 되도록 처리했을 때의 제품이다.
(실시예 5)
본 실시예는 Mn이 0.5중량％ 첨가된 알루미늄 합금도금강판을 제조한 경우이다. 이때 사용된 시편(7)은 실험 전에 탈지된 두께가 0.9㎜인 냉간 압연강판으로 크기는 100×200㎜인 것을 사용하였다. 도금욕은 순수 A1(99.8％) 금속과 A1-25중량％Si 합금을 무게비로 조정하고, Mn은 A1-20중량％Mn 합금괴를 사용하였다. 도금전의 전처리로 시편(7)을 800℃에서 소둔 열처리하였으며, 강판의 입욕온도는 670℃로 설정하고, 도금욕온도는 620∼680℃ 범위를 유지하여 도금부착량이 40g/㎡(편면기준)이 되도록 강판 상에 도금했을 때의 제품이다.
(실시예 6 내지 실시예 8)
실시예 5와 동일하되 Mn의 첨가함량이 각각 0.8, 1.0 또는 1.2중량％가 되도록 처리했을 때의 제품이다.
(실시예 9)
본 실시예는 Ti이 0.3중량％ 첨가된 알루미늄 합금도금강판을 제조한 경우이다. 이때 사용된 시편(7)은 실험 전에 탈지된 두께가 0.9㎜인 냉간 압연강판으로 크기는 100×200㎜인 것을 사용하였다. 도금욕은 순수 A1(99.8％) 금속과 Al-25중량％Si 합금을 무게비로 조정하고, Ti은 Al-10중량％Ti 합금괴를 사용하였다. 도금전의 전처리로 시편(7)을 800℃에서 소둔 열처리하였으며, 강판의 입욕온도는 670℃로 설정하고, 도금욕온도는 620∼680℃ 범위를 유지하여 도금부착량이 40g/㎡(편면기준)이 되도록 강판 상에 도금했을 때의 제품이다.
(실시예 10 내지 실시예 12)
실시예 9와 동일하되 Ti의 첨가함량이 각각 0.5, 0.6 또는 0.7중량％가 되도록 처리했을 때의 제품이다.
(실시예 13)
본 실시예는 Zr이 0.3중량％ 첨가된 알루미늄 합금도금강판을 제조한 경우이다. 이때 사용된 시편(7)은 실험 전에 탈지된 두께가 0.9㎜인 냉간 압연강판으로 크기는 100×200㎜인 것을 사용하였다. 도금욕은 순수 Al(99.8％) 금속과 A1-25중량％Si 합금을 무게비로 조정하고, Zr은 A1-10중량％Zr 합금괴를 사용하였다.
또한, 도금전의 전처리로 시편(7)을 800℃에서 소둔 열처리하였으며, 강판의 입욕온도는 670℃로 설정하고, 도금욕온도는 620∼680℃ 범위를 유지하여 도금부착량이 40g/㎡(편면기준)이 되도록 강판 상에 도금했을 때의 제품이다.
(실시예 14 내지 실시예 16)
실시예 13와 동일하되 Zr의 첨가함량이 각각 0.5, 1.0 또는 1.2중량％가 되도록 처리했을 때의 제품이다.
(비교재 1)
첨가원소(Cr, Mn, Ti 또는 Zr)가 없는 제 1형의 알루미늄 합금도금강판을 본 시뮬레이터에서 제조한 경우이다. 이때 사용된 시편(7)은 실험 전에 탈지된 두께가 0.9㎜인 냉간 압연강판으로 크기는 100×200㎜인 것을 사용하였다. 도금욕은 순수 A1(99.8％) 금속과 A1-25중량％Si 합금을 무게비로 조정하여 Si성분이 25%가 되도록 사용하였다. 도금전의 전처리로 시편(7)을 800℃에서 소둔 열처리하였으며, 강판의 입욕온도는 670℃로 설정하고, 도금욕온도는 620∼680℃ 범위를 유지하여 도금부착량이 40g/㎡(편면기준)이 되도록 강판 상에 도금했을 때의 제품이다.
(비교재 2)
현재 포항도금강판(주)에서 생산(상표명 ALCOAT)되는 것으로 Si성분이 8∼12%이고 도금부착량이 45g/㎡(편면기준)인 용융알루미늄 도금강판이다.
상기한 실시예들과 표 1의 평가표에 의하면, 비교되는 종래의 제품들에 비해 내식성이 월등히 뛰어난 것으로 판명되었으며, 또한 본 발명에 의한 제품의 가공성이 거의 2배에 가까이 더 좋은 것으로 나타났다.
본 발명에 의하면, 기존의 알루미늄 도금강판 욕조성에, Cr, Mn, Ti 또는 Zr을 첨가함으로써 입계간의 핵생성 제어에 의한 표면 외관이 향상된 알루미늄-실리콘계 합금도금강판의 제조가 가능해진다.
또한, 본 발명에 의하면, 결과적으로 성형가공시에 나타나는 도금층의 박리 및 도금피막의 균열 정도를 감소시켜서 가공 후의 내식성이 우수하기 때문에 자동차용 머플러 또는 내열가전제품 등의 용도에 있어서 내구성을 더욱 향상시킬 수 있다.

Claims (4)

  1. 알루미늄-실리콘계 합금도금강판의 제조방법에 있어서, 도금욕 용탕에 Cr, Mn, Ti 및 Zr 성분 중 어느 하나 또는 하나 이상을 0.3∼1.5중량% 더 포함시켜 도금처리하는 것을 특징으로 하는 알루미늄-실리콘계 합금도금강판의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 도금부착량은 편면기준으로 20∼200g/㎡ 범위로 하는 것을 특징으로 하는 알루미늄-실리콘계 합금도금강판의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 도금욕 용탕의 실리콘 성분은 5∼15중량%이고, 도금욕조의 온도는 섭씨 650∼700도인 것을 특징으로 하는 알루미늄-실리콘계 합금도금강판의 제조방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항중 어느 한 항에 기재된 방법으로 제조된 알루미늄-실리콘계 합금도금강판에 있어서, 상기 알루미늄-실리콘계 합금도금강판은 그 도금층의 단면상의 구조가, 소지강판(11)에서부터 제1 합금층(20), 제1 오버레이층(21), 제2 합금층(22), 제2 오버레이층(23) 그리고 순도금층(30)으로 구성되는 다층형의 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 알루미늄-실리콘계 합금도금강판.
KR1020007001562A 1998-12-09 1999-12-01 알루미늄-실리콘계 합금도금강판의 제조방법 및 그 제품 KR100336424B1 (ko)

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