KR20100108600A - 합금화용융아연도금 열처리 강재 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
자동차용 부재 이용에 알맞는 뛰어난 도장후 내식성 및 고강도를 소유하는 합금화용융아연도금 열처리 강재 및 그 제조 방법을 제공한다. 적어도 한면에 합금화용융아연도금이 행하여진 합금화용융아연도금강재의 적어도 일부를 담금질 가능한 온도영역으로 가열하는 열처리가 행하여진 합금화용융아연도금 열처리 강재이다. 열처리가 행하여진 부분의 적어도 일부의 표면에 잔존하는 피막의 부착량이 한면당 20g/m2 이상 80g/m2 이하이며 피막중의 Fe농도가 15% 이상 35% 이하이며 동시에 피막에 η상이 존재하고 또한 피막 표면에서의 중심선 평균 거칠기 정도 Ra가 1.5㎛ 이하이다.
Description
본 발명은 합금화용융아연도금강재에 열처리를 행한 합금화용융아연도금 열처리 강재 및 그 제조 방법에 관한 것으로서 보다 상세하게 예를 들면, 자동차용 부재로 쓰기에 알맞은 고강도 및 우수한 도장 후 내식성을 소유하고 있는 합금화용융아연도금 열처리 강재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
자동자용 부재 특히 자동차 차체를 구성하는 자동차용 부재에는, 사용 환경에서의 내식성을 필요 충분으로 하기에 용융아연도금강판, 합금화용융아연도금강판 더욱이는 전기아연도금강판 등 비용 면에서 우수한 아연계도금강재가 널리 사용되고 있다. 그 중에서도 합금화용융아연도금강판은 강판을 연속적으로 용융아연도금한 후에 500~550℃ 정도의 온도로 열처리를 해 아연 층과 강철 소지와의 사이에 서로 확산하게 하는 것으로써 도금층 전체를 Fe-Zn의 금속간 화합물층에 변화를 준 것이다. 이 합금화용융아연도금강판은 용융아연도금강판이나 전기아연도금강판과 비교하면, 도금층이 전기화학적으로 다소 귀해지므로 희생방식능력은 약간 저하되지만, 도금층 위에 형성되는 도막과의 밀착성이 향상되므로 화성처리 및 전착도장을 전제로 하는 자동차용 부재용으로써 많이 쓰이고 있다. 또한, 합금화용융아연도금강판의 도금층은 일반적으로 단단하고 무른 Fe-Zn의 금속간 화합물에 의해 형성되므로 굽힘가공이나 드로잉가공을 동반하는 프레스 가공을 행하면 그 일부분이 파우더링하는 경우가 있으므로, 이런 경우에는 용융아연도금강판이나 전기아연도금강판이 대용된다.
근년 충돌 시 차체의 안전성 확보에 대한 요청이 한층 더 강해지고 있고, 그것에 대응하기 위해서 충돌 시에서의 자동차용 부재의 에너지 흡수 특성을 높이는 것이 추진되고 있다. 예를 들어, 강관 등 금속관의 거의 모든 영역에 적당한 굽힌 형태를 부여해 문보강용의 사이드 임팩트 빔으로써 사용되는 것이나 센터 필러의 내부에 배치되는 보강재의 형태나 곡율의 적정화를 도모하는 것 등에 의해 측면 충돌 시에 충돌 에너지의 흡수 능력의 향상이 도모된다. 이러한 관점에서 금속관 특히 강관 소재거나 강판의 예비성형품 소재를 자동차용 부재에 적절한 형태로 굽힘 가공 등을 하는 가공 기술도 개발되고 있다.
또 자동차용 부재에는 지구 온난화 방지를 위한 차체 경량화의 관점에서 경량과 동시에 고강도라고 하는 것도 강하게 요청받고 있다. 이러한 요청에 대응하기 위해 종전과는 전혀 다른 강도 레벨로 이루어진 높은 장력강, 예를 들어 인장강도가 780Mpa 이상, 더욱이는 900MPa 이상이라고 하는 고강도의 강재도 사용되게 되어 있다. 높은 장력 강철로 된 소재는 냉간에서 굽힘 가공 등을 행하는 것은 어렵고 또한, 열간에서 굽힘 가공 등을 행하는 경우에 있어서도 불균일한 일그러짐의 발생으로 인해 형태의 흐트러짐이 불가피하게 발생해 형태동결성에 문제가 있다. 이것에 더해서 위에 적은 관점에서 최적의 형태로 굽힘 가공을 행하기 위해 다기에 이르는 굽힘 형태, 예를 들어 굽힘 방향이 2차원적 더욱이는 3차원적으로 다른 굽힘 형태로 된 강재를 높은 정밀도로 가공하는 굽힘 가공 기술의 개발이 요청되고 있다.
그래서 본 발명자들은 우선 국제출원 (PCT/JP2006/303220호)에 의해 강재의 굽힘 방향이 3차원적으로 다른 연속 굽힘을 행하는 경우에 있어서도 후술하는 바와 같이 다차원으로 가동하는 롤러다이스를 사용하여 피가공재의 굽힘 가공과 담금질을 동시에 또 효과적으로 행하는 것이 가능한 열간 굽힘 가공 방법 및 장치에 관한 발명을 제안했다.
이 발명의 굽힘 가공 방법에서는 고주파가열 코일에 의해 피가공재인 강재를 순차적으로 연속적으로 피가공재의 소성가공(塑性)이 용이한 온도 또는 필요에 의해 피가공재의 담금질 가능한 온도 이상에서 동시에 조직이 조립화(粗粒化) 하지 않는 온도까지 가열하고, 가열된 국부적인 영역을 가동하는 롤러다이스를 사용하여 소성 변형을 시키고 그 직후에 급속도로 냉각시킨다. 이 굽힘 가공법을 실시할 때에는 피가공재를 대기 중에서 가열하는 설비를 사용하는 것이 제조 비용 면에서 현실적이다.
한편, 상술한 바와 같이 자동차용 부재에 사용되는 강재에는 기본적으로 화성처리나 전착도장이 진행되지만 내식성을 강화하는 관점에서 아연계도금강재가 많이 쓰이고 있다. 때문에 이 제안에 관련된 가공방법 등에 있어서 피가공재로 아연계도금강재를 사용하는 것이 가능하다면 소지인 강재의 산화방지를 도모하면서 내식성을 소유한 굽힘가공부재나 담금질부재를 제조하는 것이 가능하게 되므로 자동차용 부재로 적용하도록 강력하게 추진할 수 있다.
하지만, 아연계도금강재를 담금질 가능한 온도영역(예를 들어 A₃변태점 이상)이라고 하는 고온 영역으로 가열하면 (a) 아연의 증기압이 예를 들어 200mmHg:788℃, 400mmHg:844℃로 온도의 상승과 함께 급증하기 때문에 가열되는 과정에서 기화될 가능성이 있다. (b) 대기 중에서의 가열에 기인하여 아연 산화가 발생한다. 또한 (c) 아연계도금강재를 600℃ 이상, 특히 
상 (Fe3Zn10)이 분해되는 660℃를 넘는 온도로 가열하면 소지의 페라이트 속에로의 Zn의 고용현상이 현저해져 도금층이 소실될 가능성이 있다고 하는 문제가 있다. 따라서 도금층으로서의 기능을 상실할 우려가 있다.
특허 문헌 1에는 아연 도금된 고주파 담금질용 강판을 Ar₃점 이상 1000℃ 이하의 담금질 온도에서 동시에 가열 개시부터 350℃로 냉각될 때까지의 히트 사이클 시간을 60초 이내로 제한해서 가열 및 냉각하는 고주파 담금질에 의한 강화부재 제조방법에 관련한 발명이 개시되고 있다. 이 발명에 의하면 고주파 담금질 강화부재로서 담금질용 강판을 재료판으로 하는 용융아연도금강판을 사용하고 강도를 향상시키는 부위에 고주파 담금질을 행하여도 담금질부에 도금피막을 잔존하게 하는 것이 가능하다. 게다가 도금층중의 Fe농도를 35% 이하(본 명세서에는 특별한 설명이 없는 한 「%」는「질량%」을 의미하는 것으로 한다)로 제어하는 것에 의해 도장성 및 내식성이 뛰어난 자동차용 부재를 제공할 수 있다고 기재하고 있다.
특허문헌 1: 일본 특허 특개 2000-248338호 공보
본 발명자들은 특허문헌 1에 의해 제안된 담금질용 강판에 형성되는 아연 도금층의 움직임을 분명히 하기 위해 합금화용융아연도금강재에 고주파 가열에 의한 가열 및 냉각에 의해 열처리를 하는 실험을 행하였다.
통상 정도의 도금 부착량인 한면당의 도금부착량이 60g/m2의 합금화용융아연도금강재를 900℃정도로 가열한 후에 급냉하면 잔존하는 피막은 15% 이상의 Fe를 함유하는 조성이 되어 이 피막중에는 η상(화학식:Zn)이 존재한다.
이것은 합금화용융아연도금강재를 사용한 경우를 예로 해서 고찰하면 고주파에 의한 가열 및 냉각 과정에서 금속간 화합물이 일단 분해되어 재구성되는 것에 의한다. 즉, 900℃의 가열온도는 Fe-Zn계 금속간 화합물인 
상(화학식:FeZn13), 
1상 (화학식:FeZn7), 
1상(화학식:Fe5Zn21) 및 
상(화학식:Fe₃Zn10) 중 어느 것의 용점이거나 분해 온도보다 높기 때문에 가열 과정에서 피막에는 고농도의 Fe를 함유하는 Zn의 액상만이 존재하고 냉각 과정에서는 금속간 화합물을 석출해가며 일부에 액상 Zn을 남긴 채 응고하기 때문이라고 보여진다.
이처럼 가열 및 냉각에 의해 얻어지는 피막 표면 조도는 굉장히 거칠어진다. 이렇게 가열 및 냉각에 의해 피막 표면성상이 열화 된 아연계도금열처리강재는 일차 방청을 위해서 도포되는 방청유의 탈지성이 현저하게 저하되기 때문에 탈지 후에 화성 처리 및 전착 도장을 하는 경우, 도장 후 내식성이 현저하게 저하된다.
즉 아연계도금강재를 Ar₃점 이상과 같은 고온 영역으로 가열 및 냉각을 하면 냉각 후에 표면에 잔존하는 피막의 표면 조도가 커지기 때문에 자동차용 부재로 요구되는 도장 후 내식성을 확보할 수가 없다.
본 발명은 종래 기술이 가지고 있는 이러한 과제에 대해 감안한 것이며 예를 들어 자동차용 부재의 사용에 알맞고 우수한 도장 후 내식성 및 고강도를 소유하고 있는 합금화용융아연도금 열처리 강재 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명자들은 위에 설명한 과제를 해결하기 위해서 합금화용융아연도금강재를 고온에서 가열한 후에 냉각시킬 때에 그 가열 과정에서 균일한 Fe-Zn 반응이 진행되도록 가열 전의 합금화용융아연도금강재의 도금층의 표면 조도 Ra를 작게 한 후 가열을 행하면 냉각 후의 강재 표면에 잔존하는 피막에 과포화 Fe를 용융한 η상(Zn)이 존재하는 것을 지견(知見)하였다.
예를 들어, 원래 합금화용융아연도금 피막의 요철은 Fe-Zn의 불균일한 반응에 기인하여 발생하기 때문에 그 후에 진행되는 가열에 의해서 이러한 요철은 더욱더 심화된다. 이것을 방지하기 위해서 가열 전의 합금화용융아연도금강재의 도금층 표면 조도 Ra를 미리 작은 수치로 설정하는 것에 의해서 냉각 후에 잔존하는 피막 표면 조도를 대폭적으로 저하시킬 수 있다. 또 도금층에 존재하는 η상(Zn)은 잔존하는 피막의 오목부에서 응고하기 때문에 냉각 후 표면 조도를 더욱더 낮게 하여 표면성상을 개선하는 것이 가능하다.
즉 본 발명은 합금화용융아연도금강재에 Ar₃점 이상과 같은 고온 영역에로의 가열 및 냉각을 행하는 경우에 있어서도 가열 전 도금층 표면 조도를 작은 수치로 설정하고 냉각 후에 소정의 부착량의 피막을 잔존하게 함과 동시에 도금층중의 Fe농도를 제어하는 것에 의해 피막에 η상을 존재하게 함으로써 피막의 표면성상(중심선 평균 거칠기 정도 Ra)를 개선하는 것이 가능하며, 이리함으로써 자동차용 부재로 요구되는 도장 후 내식성 및 도막 밀착성을 충분히 확보할 수 있다고 하는 지견(知見)에 의거한 것이다.
본 발명은 적어도 한면에 합금화용융아연도금이 행하여진 합금화용융아연도금강재의 적어도 일부를 담금질 가능한 온도영역으로 가열하는 열처리가 행하여진 합금화용융아연도금 열처리 강재이며, 이 열처리가 실시된 부분의 적어도 일부의 표면에 잔존하는 피막의 부착량이 한면당 20g/ｍ2 이상 80g/ｍ2 이하이며, 이 피막중 Fe농도가 15% 이상 35% 이하이며, 동시에 이 피막에 η상이 존재하고, 더욱이 이 피막 표면의 JIS B 0610에 의해 규정되는 중심선 평균 거칠기 정도 Ra가 1.5㎛인 것을 특징으로 하는 합금화용융아연도금 열처리 강재이다.
본 발명의 합금화용융아연도금 열처리 강재 및 합금화용융아연도금강재는 특정된 형상의 횡단면 형상을 소유하는 것에는 한정되지 않고, 예를 들면, 원형, 구형 더욱이는 태형(台形) 등 횡단면 형상을 소유하는 폐단면 재료, 롤 포밍 등에 의해 제조되는 개단면재료 (예를 들면 채널이나 앵글 등), 압출 가공에 의해 제조되는 이형 단면 재료(예를 들면 채널), 또는 각종 횡단면 형상을 소유하는 봉재(환봉(丸棒), 각봉(角棒), 이형(異型) 봉(棒))이며, 더욱이는 이들 부재이며 횡단 면적이 길이 방향으로 연속적으로 변화하는 소위 테이퍼형 강재라는 것이 예시되어 있다.
본 발명에 있어서 [한면]이라는 것은 합금화용융아연도금 열처리 강재 및 합금화용융아연도금강재가 위에 서술한 폐횡단면 재료일 경우에는 그 안쪽 면 혹은 바깥 면을 의미하고, 상술한 개횡단면 재료일 경우에는 이 개단면을 구성하는 각각의 평면상의 구성부재의 한쪽을 의미하며 더욱이 위에 서술한 봉재인 경우에는 바깥쪽 면을 의미한다.
본 발명에 관련된 합금화용융아연도금 열처리 강재는 열처리 후에 잔존하는 피막중에 0.45% 이하의 Al을 함유하는 것이 바람직하다.
다른 관점에서 본 발명은 도금 부착량이 한면당 30g/m²이상 90g/m²이하이며 Fe농도가 20% 이하인 것과 동시에 표면 조도 Ra가 0.8μm 이하인 도금층을 적어도 한면에 가지고 있는 합금화용융아연도금강재의 적어도 일부를 3.0×10²℃/s 이상의 승온속도로 8.0×10²℃/s 이상 9.5×10²℃/s 이하의 온도 영역으로 가열하고 해당 온도 영역에서의 체재시간을 2초 이하로 하고 1.5×10²℃/s 이상의 냉각 속도로 냉각하는 것을 특징으로 하는 합금화용융아연도금 열처리 강재의 제조 방법이다.
본 발명에 관련한 합금화용융아연도금 열처리 강재의 제조 방법에서는 도금층중에 0.35% 이하의 Al을 함유하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면 합금화용융아연도금강재에 열처리를 행하여 잔존하는 피막을 표면에 가지고 있는 합금화용융아연도금 열처리 강재를 제조할 때에 소정의 부착량의 피막을 잔존하게 함과 동시에 도금층중의 Fe농도를 조정하여 피막에 η상을 존재하게 함으로써 피막의 표면성상(표면 조도 Ra)을 개선하는 것이 가능하며, 이리함으로써 더욱더 고도화하는 자동차용 부재에 대한 요구 레벨을 충분히 만족할 수 있는 도장 후 내식성 및 도막 밀착성을 소유한 합금화용융아연도금 열처리 강재를 제조할 수 있다.
도 1은, 실시 형태의 합금화용융아연도금 열처리 강재 제조 장치의 일 예를 간략화해서 나타내 설명도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 관련된 합금화용융아연도금 열처리 강재 및 그 제조 방법을 실시하기 위한 최선의 형태를 상세하게 설명한다.
본 실시형태의 합금화용융아연도금 열처리 강재는, 적어도 한면에 합금화용융아연도금이 행하여진 합금화용융아연도금강재의 적어도 일부를 담금질 가능한 온도영역으로 가열하는 열처리가 행하여진 합금화용융아연도금 열처리 강재이며, 열처리가 실시된 부분의 적어도 일부의 표면에 잔존하는 피막의 부착량이 한면당 20g/ｍ2 이상 80g/ｍ2 이하이며, 이 피막중 Fe농도가 15% 이상 35% 이하이며, 동시에 이 피막에 η상이 존재하고, 또한 이 피막 표면의 JIS B 0610에 의해 규정되는 중심선 평균 거칠기 정도 Ra가 1.5㎛ 이하이다.
본 실시형태에서도 합금화용융아연도금강재는, 특정된 형상의 횡단면 형상을 소유하는 것에는 한정되지 않고, 예를 들면, 원형, 구형 더욱이는 태형(台形) 등 횡단면 형상을 소유하는 폐단면 재료, 롤 포밍 등에 의해 제조되는 개단면재료 (예를 들면 채널이나 앵글 등), 압출 가공에 의해 제조되는 이형 단면 재료(예를 들면 채널), 또는 각종 횡단면 형상을 소유하는 봉재(환봉(丸棒), 각봉(角棒), 이형(異型) 봉(棒))이며, 또한 이들 부재이고 횡단 면적이 길이 방향으로 연속적으로 변화하는 소위 테이퍼형 강재인 것이 예시된다.
상술한 바와 같이 본 실시형태의 제조 방법에서는, 열처리를 실시하기 전의 합금화용융아연도금강재의 표면 조도(粗度) Ra를 0.8㎛ 이하로 한다. 그리고 이 표면 조도는 합금화용융아연도금강재 소재인 평판[平板]상태, 혹은 롤 포밍시에 부여할 수 있기 때문에 상술한 폐단면재료, 개단면재료, 이형 단면재료 또는 봉재중에서도 각관(角管) 형상을 포함하는 강관 등, 길이 방향에로의 연속성을 소유하는 강재인 것이 바람직하다.
본 실시형태의 합금화용융아연도금강재는, 모재(母材)인 강재에 용융아연 도금 처리 및 합금화 열처리를 실시하여 합금화용융아연도금강재로 한 것이다. 또한, 전기아연도금 강재를 가열하여 합금화용융아연도금강재로 하여도 된다.
본 실시형태의 합금화용융아연도금강재의 소지(素地) 강으로서 고강도 강철을 이용하여 열간 굽힘 가공을 진행하여 합금화용융아연도금 열처리 강재로 하거나, 또는 담금질성을 소유하는 강철을 이용하여 열간 굽힘 가공시에 담금질을 하여 강도를 상승시킴으로써 합금화용융아연도금 열처리 강재로 하고, 이 합금화용융아연도금 열처리 강재에 화성처리 및 전착도장을 행하여 합금화용융아연도금 열처리 강재의 피막 위에 화성피막 및 전착도막을 형성함으로써, 도장 후 내식성 및 도막밀착성을 충분히 소유하는 2차원 또는 3차원의 굽힘 가공 부재인 것이기에 자동차용 부재로 이용하는데 알맞은 합금화용융아연도금 열처리 강재를 제조할 수 있다.
소지강으로 이용되는 담금질성을 소유하는 강철의 화학성분(질량%)으로서, 예를 들면 C:0.1% 이상 0.3% 이하, Si:0.01% 이상 0.5% 이하, Mn:0.5% 이상 3.0% 이하, P:0.003% 이상 0.05% 이하, S:0.05% 이하, Cr:0.1% 이상 0.5% 이하, Ti:0.01% 이상 0.1% 이하, Al:1% 이하, B:0.0002% 이상 0.004% 이하 및 N:0.01% 이하를 포함하고, 필요에 따라서 Cu:1% 이하, Ni:2% 이하, Mo:1% 이하, V:1% 이하 및 Nb:1% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택된 한가지 또는 두 가지 이상, 잔부 Fe 및 불순물이 예시된다.
이 화학성분의 소지강으로 이루어지는, 예를 들면 채널 부재 등 합금화용융아연도금강재라면, 담금질 가능한 온도까지 가열한 후 급냉시키는 것에 의해 인장 강도가 1200MPa 이상의 합금화용융아연도금 열처리 강재를 얻을 수 있다.
이 합금화용융아연도금강재의 소재인 합금화용융아연도금강판은, 상법(常法)에 의해 열간압연 및 산세(酸洗) 후에 용융도금 또는 전기도금 하거나, 냉간압연 후에 용융아연도금 하거나, 또는 냉간 압연 및 소둔(annealing) 후에 전기아연도금 하고, 그 후에 가열하는 것에 의해 제조된다.
본 실시형태의 합금화용융아연도금 열처리 강재는, 이 합금화용융아연도금강재의 적어도 일부를 담금질 가능한 온도영역으로 가열한 후, 이 가열한 부분에 열간 굽힘 가공이나 담금질 또는 이들을 동시에 진행하는 것에 의해 얻을 수 있다. 이때 가열 전 도금층의 표면 조도 Ra를 0.8㎛ 이하로 미리 조절하고, 고온도 영역으로 가열될 때에 아연도금층의 소실을 억제함과 동시에 η상이 레벨링하는 것에 의해, 잔존하는 피막의 표면 조도의 조절을 하는 것에 의해 충분한 탈지성을 확보하여 자동차용 부재로 요구되는 도장 후 내식성을 충분히 확보한다.
본 실시형태의 합금화용융아연도금 열처리 강재에서는 열처리를 진행된 부분의 표면에 잔존하는 피막의 부착량이 한면당 20g/m2 이상 80g/m2 이하이다. 잔존하는 피막의 부착량이 20g/m2 미만이면 자동차용 부재로서의 내식성 관점으로부터 코팅흠집부의 부식 깊이를 억제하는 효과가 부족된다. 한편, 부착량이 80g/m2을 초과하면 가열에 의해 도금층이 액상(液相) 상태로 됨에 따라 적수(滴水)나 Zn 용액의 비말부착이 생성하기 쉬워지고, 외관불량이 생기게 할 우려가 있다. 이 피막의 부착량은 피막중에 Fe나 Al이 함유될 경우에는 이것들도 가산된다.
본 실시형태의 합금화용융아연도금 열처리 강재에서는, 피막 표면에서의 JIS B 0610에 의해 규정되는 중심선 평균 거칠기 정도 Ra가 1.5㎛ 이하이다. 중심선 평균 거칠기 정도 Ra가 1.5㎛을 초과하면, 일차 방청(rust prevention)을 위해 표면에 도포되는 방청유(rust preventing oil)의 탈지성이 불충분해 지고, 발수(撥水)현상이 생기거나 화성피막의 부착량이 부족되기 때문에 그 후에 진행되는 전착도장의 도장 후 내식성이 열화되기 쉽다.
본 실시형태의 합금화용융아연도금 열처리 강재에서는, 열처리가 행하여진 부분의 전체에서 피막 표면의 중심선 평균 거칠기 정도 Ra가 1.5㎛ 이하일 필요는 없고, 열처리가 행하여진 부분 중에서 특히 중요한면이나 부분 등 적어도 일부의 중심선 평균 거칠기 정도 Ra가 1.5㎛ 이하이면 된다.
이처럼 본 실시형태의 합금화용융아연도금 열처리 강재의 피막 표면 거칠기 정도 Ra를 1.5㎛ 이하로 하기 위하여 그 소재인 합금화용융아연도금강재의 도금층의 표면 조도를 0.8㎛ 이하로 한다. 합금화용융아연도금강재의 도금층의 표면 조도가 0.8㎛를 초과하면, 합금화용융아연도금 열처리 강재의 피막 표면 거칠기 정도 Ra가 1.5㎛를 초과한다. 합금화용융아연도금강재의 도금층의 표면 조도를 0.8㎛ 이하로 하기 위하여서는, 예를 들면 합금화용융아연도금강재 소재인 도금 강판에 적용하는 조질압연 롤의 표면 조도나 합금화용융아연도금강재를 롤 성형에 의해 제조할 때 이용되는 금형 표면 조도나 그 억압을 각각 적당히 조절하면 된다.
그리고 본 실시형태의 합금화용융아연도금 열처리 강재의 표면에 잔존하는 피막에는 η상(Zn)이 존재한다. 상술한 바와 같이, 합금화용융아연도금강재의 도금층의 표면 조도를 0.8㎛ 이하에 조절하여도 열처리시의 가열에 의해 표면 조도 Ra는 다시 증장하지만 이때 피막에 η상이 잔존하기에 냉각시에 피막의 오목부에서 응고되는 것에 의해 표면 조도 Ra의 증장을 억제하기 때문이다.
또한, 본 실시형태의 합금화용융아연도금 열처리 강재의 표면에 잔존하는 피막중의 Fe농도는 15% 이상 35% 이하이다. 피막에 η상이 공존하는 중에서 내블리스터성을 확보하기 위하여 피막중의 Fe농도를 15% 이상으로 한다. 한편, 피막중의 Fe농도가 35%을 초과하면 피막이 전기화학적으로 너무 귀해지고 희생방식능력이 저하한다. 바람직하게는 25% 이하이고 더욱 바람직하게는 20% 이하이다.
본 실시형태의 합금화용융아연도금 열처리 강재의 표면에 잔존하는 피막은 Al을 함유할 수 있고 바람직한 함유량은 0.45% 이하이다. 합금화용융아연도금강재의 도금층중의 Al함유량이 0.35%을 초과하면 도금층에 요철이 형성되기 쉽고 다음의 가열 과정에서 Fe－Zn 합금상이 불균일하게 형성되고, 그 후에 냉각되면 Al함유량은 0.45%을 초과하여 농화되기 쉬워지고 합금화용융아연도금 열처리 강재의 피막 표면 조도를 현저하게 열화시키기 때문이다. 때문에 합금화용융아연도금강재의 도금층중의 Al함유량은 0.45% 이하로 하는 것이 바람직하다. Al은 Zn의 산화 방지에 효과가 있고 이 효과는 합금화용융아연도금강재의 도금층에 Al을 0.05% 이상 함유시키는 것에 의해 얻을 수 있다.
또한, 본 실시형태의 합금화용융아연도금 열처리 강재는 합금화용융아연도금강재의 적어도 일부를 담금질 가능한 온도영역으로 가열하는 열처리가 행하여진 것이면 된다. 예를 들면, 자동차용 굽힘 부재에서는 그 일부에 굽힘 가공이나 담금질에 의한 고강도화가 행하여져 있으면 되는 것도 있으며, 예를 들면 길이 방향의 단부에는 굽힘가공도 담금질도 행하여지지 않는 것도 있다. 이 경우에는 합금화용융아연도금 열처리 강재의 일부에 담금질이 행하여지게 되지만 이 부재의 전체에서 본 발명이 규정하는 피막을 가질 필요는 없다.
다음에 본 실시형태의 합금화용융아연도금 열처리 강재의 제조 방법을 설명한다.
본 발명의 제조 방법에서 실용적인 가치가 높은 것은, 소지강판으로 제관된 강관 등의 장척(長尺) 부재로 형성되는 합금화용융아연도금강재로 이용하고, 담금질 혹은 가열 후에 열간 굽힘 가공, 또는 동시에 담금질과 열간 굽힘 가공을 진행하는 것에 의해 합금화용융아연도금 열처리 강재를 얻을 수 있는 점이다.
때문에 본 실시형태에서는 도금 부착량이 한면당 30g/m2 이상 90g/m2 이하이며, Fe농도가 20% 이하임과 동시에 표면 조도 Ra가 0.8㎛ 이하인 도금층을 적어도 한면에 가지는 합금화용융아연도금강재의 적어도 일부를 3.0×102℃/ｓ 이상의 승온 속도로 담금질 가능한 온도영역으로 가열하고, 8.0×102℃ 이상의 온도로 2초 이하 보지한 다음 1.5×102℃/s 이상의 냉각 속도로 냉각시킴으로써 합금화용융아연도금 열처리 강재를 제조한다.
본 실시형태에서는, 이용하는 합금화용융아연도금강재의 도금층의 부착량을 한면당 30g/m2 이상 90g/m2 이하로 한다. 여기에서 규정하는 부착량은 도금층중에 Fe나 Al이 포함될 경우에는 이것들도 가산된다.
본 실시형태에서는 담금질 가능한 온도영역으로서 최고 도달 온도는 약 800℃ 이상이 되고 가열 과정에서 어느 정도 Zn가 증발한다. 가열 후에도 충분한 내식성을 확보하기 위하여서는 합금화용융아연도금 열처리 강재의 표면에 잔존하는 피막의 부착량은 20g/m2 이상이다. 때문에 열처리 전의 합금화용융아연도금강재의 도금층의 부착량을 30g/m2 이상으로 한다. 한편, 상술한 바와 같이 가열에 동반하여 피막이 액상상태로 되면 열처리 후의 피막의 부착량이 80g/m2을 넘을 경우에는, 적수 등이 발생하고 외관불량이 된다. 이것을 방지하기 위하여서는 가열 전의 합금화용융아연도금강재의 도금층의 부착량을 90g/m2 이하로 한다. 이러한 관점으로부터 합금화용융아연도금강재의 도금층의 부착량은 40g/m2 이상 70g/m2 이하인 것이 보다 바람직하다.
그리고 본 실시형태에서는 열처리 전의 합금화용융아연도금강재의 도금층의 Fe농도를 20% 이하로 한다. 열처리 전의 도금층의 Fe농도가 20%을 초과하면 가열 과정에서 Zn가 강철소지에 용해되어 고용(固溶) 상(相)을 형성하기 쉬워지고 냉각 후에 η상이 잔존하기 어려워지기 때문이다. 이러한 관점으로부터는 도금층중의 Fe농도는 15% 이하인 것이 바람직하다. 또한, 통상 양산되는 합금화용융아연도금강판의 도금층의 Fe농도는 15% 미만이다.
그리고 열처리 전의 합금화용융아연도금강재는 도금층중에 Al을 함유해도 되지만 바람직한 함유량은 0.45% 이하이다. 도금층중에 Al을 0.45%를 초과하여 함유시키면 가열 과정에서 Fe－Zn 합금상을 불균일하게 형성시키기 때문에 냉각 후의 합금화용융아연도금 열처리 강재에 잔존하는 피막의 표면 조도가 현저하게 증가하므로 합금화용융아연도금 열처리 강재의 피막의 표면의 중심선 평균 거칠기 정도 Ra를 1.5㎛ 이하로 하는 것이 곤란해진다.
본 실시형태에서는 이 도금층을 적어도 한면에 가지는 합금화용융아연도금강재의 적어도 일부를 3.0×102℃/s 이상의 승온 속도로 8.0×102℃ 이상 9.5×102℃ 이하의 온도영역으로 가열하고 해당 온도영역에서의 체재 시간을 2초 이하로 하고 1.5×102℃/s 이상의 냉각 속도로 냉각시킨다.
승온 속도가 3.0×102℃/s 미만이거나 냉각 속도가 1.5×102℃/s 미만이거나 하면, 열처리의 히트 사이클 시간이 길어지기에 Zn의 증발이나 산화가 촉진되고 도금층중의 합금화가 과잉해지고 소지강에 의해서는 용융 아연이 취화(脆化) 될 위험성도 생기기 때문이다.
본 실시형태에서는 강재가 8.0×102℃ 이상의 온도영역에 있는 체재 시간을 2초 이하로 하여 냉각시킨다. 8.0×102℃ 이상의 온도에 2초 초과하여 보지하면 도금층중에서 과도하게 합금화가 진전되고 아연계 도금층으로서의 내식성이 열화되기 때문이다. 같은 관점으로부터 체재 시간은 1초 이하인 것이 바람직하다.
그리고 가열시의 강재의 최고 도달 온도는 9.5×102℃ 이하로 한다. Fe-Zn 합금의 평형상태도에 의하면 Fe를 약 10% 함유하는 Zn-Fe 합금의 융점(전량이 액상)은 약 930℃ 부근이므로 가열시의 강재온도가 지나치게 높으면 표면의 유동화, 증발이 각별히 진행되고 피막이 소실되게 된다.
본 실시형태의 제조 방법에서는 합금화용융아연도금강재의 피막의 Fe량, 표면 조도 Ra, 열처리시의 승온 속도, 보지 시간 및 냉각 속도를 규정하는 것에 의하여 제조되는 합금화용융아연도금 열처리 강재의 표면에 잔존하는 피막 표면에서의 중심선 평균 거칠기 정도 Ra를 1.5㎛ 이하로 작은 값으로 할 수 있다.
도 1은 본 실시형태의 합금화용융아연도금 열처리 강재의 제조 장치의 일 예를 간략화하여 나타낸 설명도이다.
도 1에 나타낸 제조장치에서는, 피가공재 1은 횡단면형상이 원형인 둥근 관이고 피가공재인 합금화용융아연도금강재 la를 순차적으로 연속적으로 가열하고, 국부적인 가열부에 가동 롤러다이스 4를 이용하여 소성변형시키고 그 직후에서 냉각시킴으로써 합금화용융아연도금 열처리 강재 1b를 제조한다.
때문에 합금화용융아연도금강재 1a를 회전가능하게 보지하기 위한 2쌍의 지지 수단 (구체적으로는 지지 롤) 2와, 그 상류 측에는 합금화용융아연도금강재 1a를 순차적으로 또는 연속적으로 이송시키기 위한 압출장치 3이 배치되며, 한편, 2쌍의 지지 수단(지지 롤, 같음) 2의 하류 측에는 합금화용융아연도금강재 1a를 클램프 하고, 클램프 위치 또는 이 클램프 위치 및 이동 속도를 제어하는 가동 롤러다이스 4가 배치된다.
더욱이 가동 롤러다이스 4의 입측에는 이동하는 합금화용융아연도금강재 1a의 바깥 둘레에 배치되어서 합금화용융아연도금강재 1a의 일부 또는 전부를 가열하기 위한 고주파가열 코일 5와, 고주파가열 코일 5에 의해 급속히 가열된 합금화용융아연도금강재 1a를 급냉시키기 위한 냉각장치(본 실시형태에서는 수냉장치) 6이 배치된다.
가동 롤러다이스 4는 그 배치 위치를 상하 방향으로 시프트하는 상하 시프트 기구, 그 배치 위치를 좌우 방향으로 시프트하는 좌우 시프트 기구, 그 방향을 상하 방향으로 경사지게 하는 상하 틸트 기구, 그 방향을 좌우 방향으로 경사지게 하는 좌우 틸트기구와, 그 배치 위치를 전후 방향으로 이동시키는 이동기구를 구비하고 있다. 이것에 의해 가동 롤러다이스 4는 3차원적으로 이동가능하게 배치되므로 합금화용융아연도금강재 1a를 3차원적으로 클램프하면서 합금화용융아연도금강재 1a의 소망 부분에 굽힘 모멘트(moment)를 부여하는 것에 의해 2차원 또는 3차원으로 굽힘 가공된 합금화용융아연도금강재 1b를 제조할 수 있다.
이렇게 본 실시형태에 의하여 합금화용융아연도금강재에 열처리를 실시하여 잔존하는 피막을 표면에 가지는 합금화용융아연도금 열처리 강재를 제조할 때, 소정의 부착량의 피막을 잔존시키는 동시에 도금층중의 Fe농도를 조절하여 피막에 η상을 존재시키는 것에 의해 피막의 표면성상을 개선할 수 있고 이렇게 함으로써 자동차용 부재로 요구되는 도장 후 내식성 및 도막 밀착성을 충분히 소유하는 합금화용융아연도금 열처리 강재를 제조할 수 있다.
실시예
다음에 실시 예를 참조하면서 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명의 효과를 확인하기 위하여 표 1에 나타낸 화학조성을 가지는 소지강판 (표1에 나타낸 이외의 잔부는 Fe 및 불순물)을 이용하여 용융아연도금 및 합금화 처리를 실시하고 판두께가 1.6mm인 합금화용융아연도금강판을 제조하였다.
[표1]
그리고 이 합금화용융아연도금강판에 UO를 성형 (Uing Press에 의해 U형으로 성형시키고 그 후에 Oing Press에 의해 O형으로 성형시키는 것)을 행한 후에 레이저 용접을 실시함으로써 시험공급용 합금화용융아연도금강재로서 단면형상이 50mm×35mm, 코너 R이 약 5mm, 관 길이 2000mm의 각관을 준비했다.
표 2에 이렇게 준비한 각관의 시료 1～23의 도금층의 부착량 (가열전 부착량), Fe농도(피막중 Fe농도), Al농도(피막중 Al농도) 및 표면 조도 Ra를 나타낸다.
[표２]
그리고 이들 시료의 각관 1～23을 피가공재로 하고, 도 1에 나타낸 제조 장치 O를 이용하여 표 2에 나타낸 열처리 조건(승온 속도, 도달 온도, 보지 시간 및 냉각 속도)으로 가열, 보지 및 냉각하여 각관으로 이루어지는 합금화용융아연도금 열처리 강재 1～23을 제조하였다.
각관 1～23의 가열은 고주파 가열장치를 이용하고, 냉각은 고주파가열 장치의 직후에 설치한 수냉장치 또는 공냉장치에 의해 실시하였다. 또한, 본 발명예에서는 시험 조건을 단순히 하기 위하여 열간 가공 굽힘은 행하지 않았다.
얻어진 각관으로 이루어지는 합금화용융아연도금 열처리 강재 1～23을, 억제제(아사히화학회사 제조 700BK, 1g/L)을 첨가한 10% 염산수용액중에 침지시켜서 도금 피막을 용해시키고, 얻은 용액을 ICP 분광분석법 및 원자흡광법으로 도금 부착량, Fe농도 및 Al농도를 측정하였다. 표 2에 도금 부착량 (가열 후 부착량), Fe농도(피막중 Fe농도) 및 Al농도(피막중 Al농도)의 측정 결과를 함께 나타낸다. 또한, 이 측정값에는 도금 피막 위에 존재하는 Zn 산화물 및 도금 피막과 섞여있는 스케일도 포함된다.
합금화용융아연도금 열처리 강재 1～23의 도금층의 표면 거칠기 정도 Ra는 JIS B 0610의 규정에 준거하여 컷오프(cut-off)값을 0.8mm로 하고, 도쿄정밀(東京精密)제 SURFCOM을 이용하여 측정했다. 측정 결과를 표 2에 나타낸다. 그리고 도금층중의 η상의 유무는 시험편을 잘라내고 X선 회절에 의해 n-Zn(002)면의 피크의 유무로 확인하였다. 표 2에서는 피크를 확인할 수 없는 경우를 [×]로 나타낸다.
합금화용융아연도금 열처리 강재 1～23에서 길이가 150mm의 시험편을 잘라내고 일차 방청으로서 이데미쯔코산(出光興産)제의 SKW92를 2g/m2의 비율로 도유하고 1일간 기대어 세워놓은 후에 니혼파커라이징(Nihon Parkerizing)제 L4380에 의해 탈지시키고 수세 후의 물에 젖은 면적율을 평가하였다. 평가 결과를 표 2에 나타낸다. 평가 기준은 물에 젖은 면적율 80% 이상을 ○로, 물에 젖은 면적율 80% 미만 50% 이상을 △로, 물에 젖은 면적율 50% 미만을 ×로 표시했다.
그리고 통상의 탈지 처리를 한 후 니혼파커라이징(주)제 PBL-3080으로 관용되는 화성처리조건에 의하여 인산아연처리를 진행하고 우에무라공업(上村工業)제의 전착도료 뉴페인트블랙 E FU-NPB를 전압 200V의 슬로프(Slope)방식 통전으로 전착도장하고 베이킹(baking ) 온도 170℃로 20분간 베이킹도장을 실시한 다음 전착도막에 커터나이프로 소지에 도달할때까지 스크래치 흠을 낸 후, JASO M609-91에 규정된 염수분무 (2Hr,35℃,5% NaCI), 건조 (4Hr,60℃,상대습도 30%) 및 습윤 (2Hr, 50℃,상대습도 95%)의 되풀이를 90주기 진행하고 도막 팽창폭 또는 녹 넓이(흠집부 블리스터 넓이), 및 흠집부 최대 부식 깊이를 측정하고 도장후 내식성을 평가하였다.
도장 후 내식성의 평가에서는 흠집부 팽창폭(흠집부 블리스터 넓이)가 3.5mm 이하를 양호로 하고 3.5mm를 초과하면 불량으로 하는 동시에, 흠집부 최대 부식 깊이가 0.43mm 이하를 양호로 하고 0.43mm를 초과하면 불량으로 하였다. 결과를 표 2에 종합해서 나타낸다.
표 2에서의 시료 No.3～7, 10～12, 14～16, 18, 19 및 21은 어느 것이나 모두 본 발명이 규정하는 조건을 모두 만족시키는 본 발명의 실시예이다. 그리고 시료 No. 1, 2, 8, 9, 13, 17, 20, 22 및 23은 어느 것이나 모두 본 발명이 규정하는 조건의 어느 것인가를 만족시키지 못하는 비교예이다.
본 발명인 No. 3～7, 10～12, 14～16, 18, 19 및 21은 어느 것이나 모두 본 발명이 규정하는 열처리 전의 도금층의 특성, 열처리 조건, 그 결과로서의 열처리 후의 피막성상을 모두 만족시키므로, 흠집부 블리스터 넓이가 3.5mm 이하임과 동시에 흠집부 최대 부식 깊이가 0.43mm 이하이며 도장후 내식성 및 외관 평가가 모두 양호하였다.
이와 반대로 시료 No. 1, 2은 모두 가열 전의 도금 피막의 표면 조도가 본 발명이 규정하는 범위의 상한을 초과하기 때문에 가열 후에 잔존하는 피막의 표면 조도가 본 발명이 규정하는 범위의 상한을 웃돌고 흠집부 블리스터 넓이가 6.9mm, 4.8mm로 불량 결과로 되었다.
시료 No.8은 가열 전의 도금 피막중의 Fe농도가 본 발명이 규정하는 범위의 상한을 초과하기 때문에 가열 후에 잔존하는 피막의 Fe농도가 본 발명이 규정하는 범위의 상한을 웃돌고 잔존하는 피막에 η상이 존재하지 않았기에 흠집부 최대 부식 깊이가 0.44mm로 불량 결과로 되었다.
시료 No. 9는 가열 전의 도금 피막의 부착량이 본 발명이 규정하는 범위의 하한을 밑돌기 때문에 가열 후에 잔존하는 피막의 부착량이 본 발명이 규정하는 범위의 하한을 밑돌았으므로 흠집부 최대부식 깊이가 0.49mm로 불량 결과로 되었다.
시료 No. 13은 가열 전의 도금 피막의 부착량이 본 발명이 규정하는 범위의 상한을 웃돌기 때문에 적수를 발생하고 외관 불량이 생기게 하였다. 때문에 도장 후 내식성 평가에 도달하지 못하였다.
시료 No. 17은 가열시의 승온 속도가 본 발명이 규정하는 범위의 하한을 밑돌고 있기 때문에 가열 후에 잔존하는 피막의 표면 조도가 본 발명이 규정하는 범위의 상한을 웃돌고 있고 흠집부 블리스터 넓이가 5.7mm로 불량 결과로 되었다.
시료 No. 20은 가열 후의 냉각 속도가 본 발명이 규정하는 범위의 하한을 밑돌고 있기 때문에 가열 후에 잔존하는 피막의 표면 조도가 본 발명이 규정하는 범위의 상한을 웃돌고 있고 흠집부 블리스터 넓이가 5.7mm로 불량 결과로 되었다.
그리고 시료 No. 22, 23은 모두 가열시의 800℃이상의 온도영역에 있는 체재시간(보지시간)이 본 발명이 규정하는 범위의 상한을 웃돌고 있기 때문에 가열 후에 잔존하는 피막의 표면 조도가 본 발명이 규정하는 범위의 상한을 웃돌고 있고 흠집부 블리스터 넓이가 3.9mm, 4.4mm로 불량 결과로 되었다.
1: 피가공재 1a: 아연계도금강재
1b: 아연계도금열처리강재 2: 지지 수단, 지지 롤
3: 압출 장치 4: 가동 롤러다이스
5: 고주파 가열 코일 6: 냉각 장치
1b: 아연계도금열처리강재 2: 지지 수단, 지지 롤
3: 압출 장치 4: 가동 롤러다이스
5: 고주파 가열 코일 6: 냉각 장치
Claims (4)
- 적어도 한면에 합금화용융아연도금이 행하여진 합금화용융아연도금강재의 적어도 일부를 담금질 가능한 온도 영역으로 가열하는 열처리가 행하여진 합금화용융아연도금 열처리 강재로서, 그 열처리가 행하여진 부분의 적어도 일부의 표면에 잔존하는 피막의 부착량이 한면당 20g/m2 이상 80g/m2 이하이며, 그 피막중의 Fe농도가 질량%로 15% 이상 35% 이하이며, 동시에 그 피막에 η상이 존재하고 또한 그 피막 표면에서의 JIS B 0610에 의해 규정되는 중심선 평균 거칠기 정도 Ra가 1.5㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 합금화용융아연도금 열처리 강재.
- 제 1항에 있어서, 상기 피막중에 질량%로 0.45% 이하의 Al을 함유하는 것을 특징으로 하는 합금화용융아연도금 열처리 강재.
- 도금 부착량이 한면당 30g/m2 이상 90g/m2 이하이며 Fe농도가 질량%로 20% 이하임과 동시에 표면 조도 Ra가 0.8㎛ 이하인 도금 피막을 적어도 한면에 가지는 합금화용융아연도금강재의 적어도 일부를 3.0×102℃/s 이상의 승온 속도로 8.0×102℃ 이상 9.5×102℃이하의 온도영역으로 가열하여 해당 온도영역에서의 체재 시간을 2초 이하로 하고 1.5×102℃/s 이상의 냉각 속도로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 합금화용융아연도금 열처리 강재의 제조 방법.
- 제 3항에 있어서, 상기 도금 피막중에 질량%로 0.35% 이하의 Al을 함유하는 것을 특징으로 하는 합금화용융아연도금 열처리 강재의 제조 방법.
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