KR20120074067A

KR20120074067A - 도금 방법 및 아연 도금 공정

Info

Publication number: KR20120074067A
Application number: KR1020100136019A
Authority: KR
Inventors: 정현주; 박노범; 권영섭; 허형준; 장진근
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2012-07-05
Also published as: KR101242953B1; US9321077B2; JP2014506300A; WO2012091409A3; WO2012091409A2; CN103517995B; US20130288073A1; CN103517995A; JP5879365B2

Abstract

본 발명은 레이저와 플라즈마 중 하나 이상을 AHSS의 표면에 조사하여 AHSS 표면의 Si/Mn/Al계 산화물을 제거하거나, 표면을 개질하여, 아연도금과 같은 후처리 공정이 가능한 고강도강의 표면 처리 방법 및 표면 처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 하며, 이를 달성하기 위하여, 고강도강을 가열하는 가열단계; 상기 가열단계에서 형성된 상기 고강도강의 표면에 형성된 Mn계 산화물, Al계 산화물 및 Si계 산화물 중 하나 이상을 제거하도록 강판 표면에 플라즈마를 조사하는 표면 처리 단계; 및 상기 표면 처리된 고강도강을 도금하는 도금 단계를 포함하는 도금 방법을 제공한다.

Description

도금 방법 및 아연 도금 공정{Coating Method and Zinc Coating Using It}

본 발명은 강판의 도금 방법 및 이를 이용한 아연 도금 공정에 대한 것으로, 구체적으로는 고강도강의 소둔 중 표면에 형성되는 Mn계 산화물, Al계 산화물, Si계 산화물 중 하나 이상을 플라즈마 또는 플라즈마와 레이저를 통하여 제거하는 도금 방법 및 이를 이용한 아연 도금 공정에 대한 것이다.

최근 TWIP 강(TWinning Induced Plasticity Steel) 이나 TRIP 강(TRransformation Induced Plasticity Steel) 과 같은 인장강도 490MPa 이상의 고강도강(Advanced High Strength Steel)이 개발되었다.

하지만, 이러한 AHSS는 소둔 열처리시 고강도강에 포함되어 있는 Si/Mn/Al 이 강판표면에 확산되면서 수십~수백nm 수준의 Si/Mn/Al계 산화물을 형성하게 된다. 이러한 Si/Mn/Al계 산화물은 용융아연 도금시 용융아연의 부착을 막아서 미도금의 원인이 된다.

도 1a, b 에 도시된 TWIP 강의 표면 분석 및 깊이 프로파일에서 보이듯이, TWIP 강의 표면에는 아연이 TWIP강에 부착되는 것을 막는 Mn계 산화물과, Al계 산화물이 존재하는 것을 확인할 수 있다.

한편, 도 2a, 2b 에는 TRIP 강의 표면 분석 및 깊이 프로파일이 도시되어 있다. TRIP 강의 표면에는 Si계 산화물과, Mn계 산화물이 존재하는 것을 확인할 수 있으며, 이러한 Si계 및 Mn계 산화물로 인하여 TRIP 강 역시 TWIP 강과 마찬가지로 아연 도금이 곤란하다.

아연도금은 강재의 전기화학적 보호작용을 하므로, 아연도금이 되지 않은 경우, 내식성이 낮아 외부 프레임용 부적합하여, 고강도강인 TWIP강이나, TRIP강이 높은 강성에도 불구하고 외부 프레임으로 사용하지 못한다는 문제가 있다.

이에 AHSS의 표면의 Si/Mn/Al계 산화물을 제거하고자 하는 기술 개발의 요청이 있다. 이와 관련하여, 다양한 방식으로 AHSS의 표면의 Si/Mn/Al계 산화물을 제거하거나 Si/Mn/Al계 산화물의 생성을 막을려는 시도가 있으나, 아직 성과가 나온 것은 없다.

특히, Si/Mn/Al 산화피막은 고강도강 표면에서 아일랜드나 네트워크 형으로 배치되어 있으며, 결합력이 강하여 이를 제거하는데 어려움이 있다.

본 발명은 레이저와 플라즈마 중 하나 이상을 AHSS의 표면에 조사하여 AHSS 표면의 Si/Mn/Al계 산화물을 제거하거나, 표면을 개질하여, 아연도금과 같은 후처리 공정이 가능한 고강도강의 도금 방법 및 도금 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 짧은 시간에 효과적으로 AHSS 표면의 Si/Mn/Al계 산화물을 제거하거나, 표면을 개질하여 도금 연속 공정에 적용될 수 있는 고강도강의 도금방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또, 본 발명은 소둔 후 연속 공정으로 도금이 가능한 도금 방법 및 도금 공정을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 위와 같은 과제를 달성하기 위하여, 다음과 같은 도금 방법 및 아연 도금 공정을 제공한다.

본 발명은 고강도강을 가열하는 가열단계; 상기 가열단계에서 형성된 상기 고강도강의 표면에 형성된 Mn계 산화물, Al계 산화물, 및 Si계 산화물 중 하나 이상을 제거하도록 플라즈마를 조사하는 표면 처리 단계; 및 상기 표면 처리된 고강도강을 도금하는 도금 단계를 포함하는 도금 방법을 제공한다.

이때, 상기 표면 처리 단계에서 상기 플라즈마를 고강도강 표면에서 200~900℃의 온도로 조사할 수 있다.

또한, 상기 표면 처리 단계에서 상기 플라즈마를 200 ~ 800℃ 의 질소 분위기에서 조사하며, 상기 표면 처리 단계에서는 상기 분위기 가스를 플라즈마의 피딩 가스로 공급할 수 있다.

또, 상기 표면 처리 단계에서 상기 고강도강을 음극으로 대전시킨 후 상기 플라즈마와 함께 플라즈마 아크를 상기 고강도강 표면에 조사할 수 있다.

나아가, 상기 표면 처리 단계는 외부와 차단된 챔버에서 수행되며, 상기 표면 처리 단계는 상기 플라즈마의 조사거리를 증대시키도록 상기 챔버 내부의 가스를 흡입하여 챔버 내부의 압력을 낮춘 후 플라즈마를 조사할 수 있다.

또한, 상기 표면 처리 단계는 플라즈마 조사와 함께 상기 산화 피막을 제거하도록 상기 고강도강에 1064nm 이하의 파장을 가지는 씨더블유 레이저를 조사할 수 있다.

이때, 상기 레이저는 1㎜이하의 스폿 사이즈를 가지는 레이저 혹은 1㎜이하의 폭를 가지는 레이저빔일 수 있다.

또, 상기 표면 처리 단계는 상기 레이저를 상기 플라즈마와 동일한 지점으로 조사할 수 있다.

본 발명은 상술한 도금 방법으로 아연 도금된 TWIP 혹은 TRIP 강을 제공한다.

다르게는, 본 발명은 소둔 설비; 소둔 중 강판 표면에 생성된 Mn계 산화물, Al계 산화물, 및 Si계 산화물 중 하나 이상을 제거하도록 소둔 설비 후방에 설치되며, 내부에 200 ~ 800℃ 의 질소 분위기가 형성된 분위기 챔버; 및 상기 산화 피막을 제거하며, 플라즈마를 강판에 조사하도록 상기 분위기 챔버 내부에 배치된 플라즈마 발생 장치;를 포함하는 표면 처리 설비; 및 상기 표면 처리 설비를 통과한 강판을 아연 도금하는 도금 설비를 포함하는 아연 도금 공정을 제공한다.

또한, 상기 분위기 챔버에는 분위기 가스 흡입부가 구비되며, 상기 플라즈마 발생 장치의 피딩 가스로 상기 분위기 가스를 사용하도록 상기 분위기 가스 흡입부는 상기 플라즈마 발생 장치의 피딩 가스 공급부와 연결될 수 있다.

또, 상기 강판의 입출입은 허용하면서 상기 분위기 챔버를 밀봉하는 차단부를 포함하며, 상기 분위기 챔버에는 분위기 가스 흡입부, 분위기 가스를 공급하는 연통구 및 내부 압력을 측정하는 압력 센서가 구비되며, 분위기 챔버 내부 압력을 대기압보다 낮게 유지시킬 수 있다.

나아가, 상기 차단부는 실링롤을 포함하며, 상기 실링롤과 실링롤의 회전축은 도전성 재질로 형성되며, 상기 회전축이 음극에 접지되어, 상기 분위기 챔버 내부를 통과하는 강판을 음극으로 접지하며, 상기 플라즈마 발생장치는 플라즈마와 함께 플라즈마 아크를 조사하도록 강판으로부터 이격될 수 있다.

또한, 상기 플라즈마 발생 장치에서 전방 혹은 후방에 위치하며, 상기 강판 표면으로 레이저를 조사하는 레이저 발생장치를 더 포함하며, 상기 레이저 발생장치는 1064nm 이하의 파장을 가지는 씨더블유 레이저빔 조사장치일 수 있다.

또한, 상기 표면 처리 설비는 상기 소둔설비와 상기 도금 설비 사이의 스나우트 내부에 배치될 수 있다.

본 발명은 레이저와 플라즈마 중 하나 이상을 AHSS의 표면에 조사하여 AHSS 표면의 Si/Mn/Al계 산화물을 제거하거나, 표면을 개질하여, 아연도금과 같은 후처리 공정이 가능한 고강도강의 도금 방법 및 도금 장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 짧은 시간에 효과적으로 AHSS 표면의 Si/Mn/Al계 산화물을 제거하거나, 표면을 개질하여 도금 연속 공정에 적용될 수 있는 고강도강의 도금방법을 제공한다.

또, 본 발명은 소둔 후 연속 공정으로 도금이 가능한 도금 방법 및 도금 공정을 제공한다.

도 1a, b 는 TWIP 강의 표면 분석 및 깊이 프로파일을 도시한 그래프이다.
도 2a, b 는 TRIP 강의 표면 분석 및 깊이 프로파일을 도시한 그래프이다.
도 3 플라즈마 조사장치로 고강도강의 산화피막을 제거하는 표면 처리 장치의 일예가 도시되어 있다.
도 4a, b 는 350W 대기압 플라즈마 조사 장치로 모재와 거리를 3㎜ 두고 1초간 플라즈마를 조사했을 때, TWIP 강의 표면 분석 및 깊이 프로파일을 도시한 그래프이다.
도 5 는 350W 대기압 플라즈마 조사 장치로 모재와 거리를 3㎜ 두고 20초간 플라즈마를 조사했을 때, TWIP 강의 깊이 프로파일을 도시한 그래프이다.
도 6a, b 는 플라즈마와 아크를 함께 조사하는 플라즈마 발생장치의 일예가 도시되어 있다.
도 7a, b 는 대기압 플라즈마 조사 장치로 플라즈마와 아크를 함께 조사했을 때, TWIP 강의 표면 분석 및 깊이 프로파일을 도시한 그래프이다.
도 8a,b 는 대기압 플라즈마 조사 장치로 플라즈마와 아크를 함께 조사했을 때, TRIP 강의 표면 분석 및 깊이 프로파일을 도시한 그래프이다.
도 9 는 레이저 조사장치로 고강도강에 산화피막을 제거하는 표면 처리 장치의 개략도이다.
도 10a, b 는 씨더블유레이저 25W로 TWIP 강의 표면을 조사한 후 TWIP 강의 표면 분석 및 깊이 프로파일을 도시한 그래프이다.
도 11a 는 공기 분위기에서 펄스 레이저를 조사했을 때의 표면 사진이며, 도 11b 는 질소 분위기에서 펄스 레이저를 조사했을 때의 표면 사진이다.
도 12a 는 종래의 아연 도금 공정의 개략도이며, 도 12b 는 본 발명에 따른 아연 도금 공정의 개략도이다.
도 13 은 본 발명에 따른 아연 도금 공정에서 실링롤의 부분 단면도이다.

종래에 레이저를 사용하여 강판 표면의 Fe 산화물층을 제거하는 기술이 제시된 바 있다. 하지만, 강판 표면의 Fe 산화물층과는 달리, 소둔 과정에서 고강도강 표면에 발생하는 산화층은 수십에서 수백㎚ 정도의 얇은 층으로 아일랜드(TWIP강)나 네트워크(TRIP) 형태를 가지며 형성된다. 또한, Si/Mn/Al 계 산화물은 Fe 산화물층보다 결합력이 10 배이상이어서, 산화물을 제거하는데 새로운 방식의 접근이 필요하다.

이에, 플라즈마, 레이저 또는 플라즈마와 레이저를 함께 사용하여 Si/Mn/Al 계 산화물을 제거하는 방법을 발명하였으며, 이하에서는 이에 대하여 첨부된 도면 및 분석자료와 함께 본 발명에 대하여 상세히 설명하도록 한다.

본 발명에서, Si/Mn/Al 계 산화물, 산화피막, 산화물층은 Si계 산화물, Mn계 산화물, Al계 산화물 중 하나 이상을 포함하는 산화물, 산화피막, 산화물층을 의미한다.

플라즈마를 사용한 Si / Mn / Al 계 산화물 제거

본 발명에서 사용한 표면 처리 장치가 도 3 에 도시되어 있다. 플라즈마 발생기(20)는 지지부(25)의 모재(S) 상방에 배치되어, 플라즈마 발생기(20)로부터의 플라즈마(P)가 모재 표면에 조사될 수 있도록 구성하였다.

플라즈마 발생기(20)에서 플라즈마(P)는 플라즈마 발생기(20)로부터의 거리(l)가 멀어질수록 플라즈마(P)의 온도가 내려가며, 플라즈마(P)의 온도가 내려가는 경우에, 플라즈마(P)가 모재(S)에 제공하는 에너지가 감소한다. 본 발명에서는 이러한 점을 이용하여 동일한 출력(350W)의 플라즈마 발생기(20)에서 플라즈마 발생기(20)와 모재(S)사이의 거리(L)을 달리하여 조사하였으며, 조사 결과가 아래의 표 1 에 도시되어 있다. 이 때, 모재(S)는 TWIP 강을 사용하였다.

모델	모재와의 거리(L)	조사시간	플라즈마 조사 후 도금 품질 개선 여부
발명예 1	1mm	1초	○
발명예 2	3mm	1초	△
발명예 3	3mm	20초	○
비교예 1	6mm	1초	×

위 표에서 플라즈마 조사 후 도금 품질 개선 여부는 플라즈마를 조사한 시편을 아연 도금하였을 때, 플라즈마 조사전과 대비하여 아연 도금의 품질이 향상되었는지를 의미하며, '○'는 확연한 개선이 된 것을, '△'는 약간의 개선이 된 것을, '×'는 개선이 되지 않은 것을 의미한다.

위 표에서 보이듯이, 동일 출력의 플라즈마를 조사하더라도, 플라즈마(P)와 모재(S)와의 거리(L)가 가까우면, 플라즈마(P)가 조사된 후에 도금성이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.

그러나, 모재(S)와의 거리(L)이 멀어지면 플라즈마(P)가 조사되더라도 도금성이 향상되지 않았다. 본 실험에서 사용한 플라즈마 발생기(20)에서 모재(S)와의 거리가 6mm 이상이 되었을 때 플라즈마(P)의 온도는 200℃ 이하였으므로, 적어도 모재 표면에서 플라즈마의 온도가 200℃는 되어야 플라즈마(P)를 통하여 모재의 Si/Mn/Al 계 산화물을 제거할 수 있다는 것을 알 수 있다.

다만, 플라즈마의 온도가 900℃를 초과하는 경우에, 플라즈마로 인하여 모재에 손상이 가게 되므로, 적어도 모재 표면에서 플라즈마의 온도는 900℃까지인 것이 바람직하다.

도 4a, b 에는 350W 대기압 플라즈마 조사 장치로 모재와 거리를 3㎜ 두고 1초간 플라즈마를 조사했을 때(상기 [표 1]의 발명예 2), TWIP 강의 표면 분석 및 깊이 프로파일을 도시한 그래프가 도시되어 있다. 조사하기 전의 TWIP 강의 표면 분석 및 깊이 프로파일(도 1a, b 참고)과 차이가 크지는 않지만 표면에서의 Mn 및 Al 산화물의 양이 감소하였음을 확인할 수 있다.

구체적으로, 도 4a 는 도 1a 보다 Mn1 과 Al2 의 진폭이 감소하였으나, Fe3 의 진폭이 성장하였으므로, 대기압 플라즈마 조사 장치로 모재와 거리를 3㎜ 두고 1초간 플라즈마를 조사했을 때 Mn/Al계 산화물은 감소하고 그대신에 Fe 가 표면에 노출된 것을 확인할 수 있다.

또한, 깊이 프로파일인 도 4b 와 1b 를 대비하여 보면 알 수 있듯이, 대기압 플라즈마 조사 장치로 모재와 거리를 3㎜ 두고 1초간 플라즈마를 조사했을 때 스퍼터 타임 초반(표면)의 Mn1과 Al2 의 분율이 감소하였으므로, 이로부터 모재 표면의 Mn/Al계 산화물은 감소하였음을 알 수 있다. 즉, Fe 분율에 비하여 Mn/Al의 분율이 상대적으로 감소하였으므로, 이로부터 모재 표면의 Mn/Al계 산화물이 감소한 것을 알 수 있다.

참고로, 본 발명의 표면 분석 및 깊이 프로파일에서는 20㎛×20㎛ 시편을 분석하였으며, 깊이 프로파일에서 스퍼터 레이트는 0~15분은 1.5nm/분이며, 15~30분은 4.5nm/분으로 본 발명이 모든 표면 분석 및 깊이 프로파일에서 동일하다.

또한, 도 5 에는 350W 대기압 플라즈마 조사 장치로 모재와 거리를 3㎜ 두고 20초간 플라즈마를 조사했을 때(상기 [표 1]의 발명예 3), TWIP 강의 깊이 프로파일을 도시한 그래프가 도시되어 있다. 도 5 의 그래프를 보면 상기 도 4b 에 비하여 Mn/Al계 산화물은 감소한 것을 확인할 수 있다.

즉, 도 5 를 도 1b 와 비교하면, Mn/Al계 산화물은 감소한 것을 명확하게 파악할 수 있는데, Al 산화물의 도 5 에서 볼 수 있듯이 표면에서 대폭 감소하였으며, Mn 산화물 역시 크게 감소한 것을 확인할 수 있다. 반면, 표면에서의 Fe 의 분율이 크게 상승한 것을 볼 수 있다(도 1b 에서는 Fe 가 표면에 거의 존재하지 않으나, 도 5 에서는 15%이상의 Fe 를 확인할 수 있다). 이는 플라즈마의 조사로 인하여, Mn/Al계 산화물이 증발되어 표면에서 제거되고, 내부의 Fe가 드러난 것이다.

본 발명에서 플라즈마 조사시 탄화를 막기 위하여 플라즈마 발생기는 피딩 가스로 질소 가스를 사용하였다. 또한, 별도의 분위기를 조성하지 않고, 대기 분위기에서 실험하였다.

플라즈마와 플라즈마 아크를 사용한 Si / Mn / Al 계 산화물 제거

본 실험에서 플라즈마를 생성하는 과정에서는 노즐 주위로 플라즈마 아크가 발생했다. 일반적으로 플라즈마 아크는 모재 표면에 손상을 줄 수 있으며, 플라즈마 아크는 플라즈마 노즐 주변에만 생성되기 때문에, 플라즈마 발생기와 매우 인접한 경우에만 플라즈마 아크를 조사할 수 있어서, 보통 플라즈마와 함께 사용되지 않는다.

고강도강의 표면의 Si/Mn/Al 계 산화물의 경우, 표면에 아일랜드나 네트워크 형상으로 형성되며, 이는 산화물층이 모재 표면에 비하여 상대적으로 높은 위치에 있다는 점을 의미한다. 플라즈마 아크의 경우에 번개와 유사하게 높은 위치로 공급되므로, 이러한 점을 활용하여 플라즈마 아크 에너지를 Si/Mn/Al 계 산화물의 제거에 활용하였다.

또한, 플라즈마 아크의 경우 실험한 플라즈마 발생 장치(출력: 350W)의 경우, 플라즈마 노즐 주변에만 생성되므로, 모재를 음극 접지시킴으로써, 이온을 가속시켜 이온 충격 효과를 극대화시킬 뿐만 아니라, 플라즈마 아크를 모재 표면으로 끌어내렸다.

도 6a 에는 플라즈마를 조사하기 위한 표면처리장치가 도시되어 있으며, 도 6b에는 플라즈마와 함께 플라즈마 아크를 조사하기 위한 표면처리장치가 도시되어 있다.

도 6a 에서 볼 수 있듯이, 일반 플라즈마 발생기(20)에서 플라즈마 아크(A)는 플라즈마 조사거리에 비하여 짧은 거리(l1)까지만 조사된다. 하지만, 도 6b 에서는 모재(S)를 음극(30)으로 접지하였으며, 그에 따라서, 플라즈마(P)는 가속되며, 플라즈마 가속과 함께 플라즈마 아크가 조사되는 거리(l2)도 증대된다.

이 때, 플라즈마 발생기(20)의 피딩 가스로는 모재 표면에서의 산화를 막기 위하여 질소 가스를 사용하였다.

도 7a, b 는 350W 대기압 플라즈마 조사 장치로 플라즈마와 아크를 함께 10초간 조사했을 때, TWIP 강의 표면 분석 및 깊이 프로파일을 도시한 그래프이다.

도 7a, b 의 결과를 조사 전의 TWIP 강의 표면 분석 결과인 도 1a, b와 대비하여 보면, Mn은 10초간 조사함으로써, 대략 66% 정도 감소된 것을 볼 수 있으며, Al의 경우 10초간 조사함으로써 대략 90% 정도가 감소된 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 7b 에서는 표면에서의 Mn 과 Al의 원자분율이 대폭 감소되었으며, Fe 의 원자 분율이 증대된 것을 볼 수 있다.

이는, 상기 플라즈마 만을 20 초간 조사했을 때의 결과와 비슷한 수준으로, 플라즈마와 함께 플라즈마 아크를 함께 활용하는 경우 조사시간을 대폭 감소시키는 것이 가능함을 알 수 있다. 이는 플라즈마와 플라즈마 아크를 함께 조사하는 경우 짧은 시간의 조사만으로도 충분한 Si/Mn/Al 계 산화물을 제거하는 것이 가능하므로, 연속 공정 중의 스트립에 플라즈마와 플라즈마 아크를 함께 조사하는 장치를 설치하여, 아연 도금까지 연속적으로 수행될 수 있다는 것을 의미한다. 구체적 아연 도금 공정에 대하여는 후술하도록 한다.

도 7a, b와 유사하게 마찬가지로, TRIP 에 플라즈마와 함께 플라즈마 아크를 조사한 결과가 도 8a, 8b에 도시되어 있다.

도 8a, b 의 결과를 조사 전의 TRIP 강의 표면 분석 결과인 도 2a, b와 대비하여 보면, Si, Mn은 플라즈마와 플라즈마 아크를 함께 10초간 조사함으로써, 그래프에서 찾기 힘들 정도로 감소된 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 8b 에서는 표면에서의 Mn 과 Si의 원자분율이 대폭 감소되었으며, Fe의 원자 분율이 증대된 것을 볼 수 있다. 또한, Fe가 표면에 나타남으로 인하여, 조사 후 TRIP강의 도금성이 증대되었다.

모재를 음극으로 접지하기 위하여, 모재를 직접 접지하는 것도 가능하지만, 모재를 지지하는 지지부를 도전성 부재로 구성하고, 지지부를 접지하는 방식이 보다 바람직하다. 이렇게 지지부가 접지되으로써, 모재는 이동 혹은 배치가 자유로워질 수 있다.

레이저를 사용한 Si / Mn / Al 계 산화물 제거

본 발명에서는 Si/Mn/Al 계 산화물을 제거하기 위하여, 모재에 레이저를 조사하였으며, 도 9 에는 본 발명에 따른 레이저 조사 장치를 포함하는 표면 처리 장치가 도시되어 있다.

도 9 에 도시되어 있듯이, 표면 처리 장치는 레이저 발생기(10)를 지지부(25)의 모재(S) 상측에 배치한 후 모재 표면에 레이저를 조사하였으며, 레이저 발생기(10)가 이동되면서 모재 표면의 소정 면적에 대하여 일정한 속도로 레이저(L)를 조사하였다. 레이저가 조사된 후에, 조사된 시편의 표면을 분석한 후, 아연 도금하였다.

아래의 [표 2] 및 도 10a, b에 실험결과를 나타내었다.

모델	레이저 종류	출력(W)	조사 속도 (mm/s)	레이저 조사 후 도금 품질 개선 여부
발명예 4	Pulse laser	35	250	○
발명예 5	Continuous Laser	25	3000	○
비교예 2	Pulse laser	24	3000	×
비교예 3	Pulse laser	22	3000	×
비교예 4	Pulse laser	18	3000	×

레이저로는 Nd YAG 1064nm 펄스 레이저(Pulse)와 씨더블유 레이저(Continuous Laser)를 번갈아 실험하였으며, 출력과 조사속도를 바꿔가면서 실험을 수행하였다.

위 표에서 레이저 조사 후 도금 품질 개선 여부는 레이저를 조사한 시편을 아연 도금하였을 때, 레이저 조사 전과 대비하여 아연 도금의 품질이 향상되었는지를 의미하며, '○'는 확연한 개선이 된 것을, '×'는 개선이 되지 않은 것을 의미한다.

[표 2] 에서 확인할 수 있듯이, 충격량을 줄 수 있어서 Fe 산화물 제거에 사용되는 펄스 레이저의 경우에, 출력이 크고 조사속도가 느린 경우에 산화물을 제거할 수 있었으며, 씨더블유 레이저의 경우에는 출력이 낮고 조사속도가 빠른 경우에도 도금성이 향상된 것을 확인할 수 있었다.

따라서, 고출력의 1064nm Nd YAG 펄스 레이저와 1064nm Nd YAG 씨더블유 레이저로 Si/Mn/Al 산화물 제거가 가능하다는 것을 확인할 수 있다..

특히, 동일한 출력의 레이저를 사용하였을 때, 씨더블유 레이저(발명예 5)는 펄스 레이저(비교예 2)에 비하여 도금성 향상도가 확연하게 차이가 났으며, 따라서 씨더블유 레이저를 사용하는 것이 Si/Mn/Al 산화물 제거에 유리하다.

또한, 씨더블유 레이저의 경우 레이저빔으로 레이저를 조사하는 것이 가능하므로 광폭을 한꺼번에 조사할 수 있다는 강점이 있으며, 따라서, 씨더블유 레이저를 사용하여 연속 공정 중의 스트립에 표면 처리가 가능하다.

도 10a, b 에는 씨더블유 씨더블유 레이저 25W로 TWIP 강의 표면을 조사한 후 TWIP 강의 표면 분석 및 깊이 프로파일을 도시한 그래프가 도시되어 있다.

도 10a, b 의 결과를 조사 전의 TWIP 강의 표면 분석 결과인 도 1a, b와 대비하여 보면, Al 산화물 층은 표면에서 거의 제거되었으며, Mn 역시 큰 폭으로 감소하였다는 것을 확인할 수 있다(도 10a 참고). 또한, 도 10b 에서 보이듯이, 조사 전에 원자분율 5% 수준에 불과하던 10%를 넘어서는 것을 확인할 수 있으며, 따라서, 씨더블유 레이저 조사로 TWIP 강 표면의 Fe 층이 드러나는 것을 확인할 수 있다.

도 11a 에는 레이저를 상온 대기 중에서 조사하였을 때, 강판의 표면이 나타나 있다. 도 11a 보이듯이, 레이저를 대기 분위기에서 조사하면, 탄화로 인하여, 강판 표면에 탄화층이 발생하며, 이는 후에 아연 도금 시 도금 성능에 악영향을 준다.

도 11b 에서는 레이저를 질소 분위기에서 조사하였을 때, 강판 표면이 나타나 있다. 도 11b 에서 보이듯이, 레이저를 질소 분위기에서 조사하였을 때 탄화는 발생하지 않아서, 깨끗한 표면이 나타났으며, 이는 아연 도금에 유리하다.

또한, 레이저의 스폿 사이즈는 1㎜ 이하 혹은 레이저빔의 경우 레이저빔 폭이 1㎜이하로 설정되는 것이 바람직하다. 동일한 분위기, 즉 대기 분위기에서, 레이저의 스폿 사이즈를 달리하여 강판에 조사하였을 때, 1㎜ 이하의 레이저의 스폿 사이즈에서는 대기 분위기임에도 탄화가 발생하지 않았다. 따라서, 질소 분위기가 아니더라도 스폿 사이즈를 1㎜ 이하로 설정하는 경우에는 탄화를 막을 수 있을 것으로 생각된다.

또한, 레이저의 파장을 1064㎚, 532㎚, 355㎚로 변화시켜가면서 실험을 하였으며, 1064㎚, 532㎚, 355㎚ 모두에서 Si/Mn/Al 산화물을 제거하는 것이 확인되었다. 하지만, 에너지 효율적인 면에서 레이저 파장은 1064㎚ 를 사용하는 것이 바람직하다.

아연 도금 공정에 적용

도 12a 에는 종래의 아연 도금 공정이 도시되어 있다.

냉간 압연된 코일의 강판(100)이 페이오프 릴(미도시)과 용접기(미도시)를 통하여 연속 통판되면서, 잔류 응력을 제거하도록 최고온도 700℃~800℃ 까지 올라가는 소둔 설비(110)에서 열처리 되고, 가열된 강판(100)은 아연도금에 적당한 온도로 유지되는 상태에서, 도금액 즉, 용융아연(130a)이 충진된 도금조(130)로 인입된다.

이때, 소둔설비(110)와 아연 도금 설비의 도금조(130)사이에 연계되는 설비는, 고온으로 열처리된 강판이 대기에 노출됨에 따른 표면산화를 방지하기 위하여 제공되는 스나우트(120)(snout)이다. 이와 같은 알려진 스나우트(120)의 내부에는 표면 산화에 의한 강판의 도금불량을 방지하기 위하여 불활성가스가 충진된다.

그리고, 가열로(110), 스나우트(120) 및, 도금조(130)의 싱크롤(132)과 스테빌라이징 롤(134)들을 통과한 도금강판(100)은 도금조 직상부에 배치되는 에어나이프(140)에서 수요가가 원하는 도금량으로 조정된다.

그 다음, 도금량 조정작업이 완료된 도금강판은 조질압연기(미도시)를 거치고, 적정한 표면 조도 부여 및 형상교정을 거쳐 절단기(미도시)에서 절단된 후, 텐션 릴(미도시)에서 권취되어 최종 도금코일 제품으로 생산되는 것이다.

고강도강에서 Si/Mn/Al계 산화피막은 소둔과정에서 열처리 되면서 표면에 형성되므로, 소둔 설비와 아연 도금 설비 사이의 상기 스나우트에 표면 처리 장치를 배치한 본 발명의 고강도강용 아연 도금 공정이 도 12b 에 도시되어 있다. 본 발명의 아연 도금 공정은 스나우트에 배치되므로, 종래의 설비에서 스나우트만 변경하면 적용이 가능하므로, 활용도가 높다.

고강도강(예를 들면, TWIP, TRIP) 코일의 강판(200)이 페이오프 릴(미도시)과 용접기(미도시)를 통하여 연속 통판되면서, 소둔 설비(210)에서 열처리 되면서 Si/Mn/Al계 산화피막이 형성되며, 산화 피막이 형성된 강판(200)은 스나우트(220) 내부에서 배치된 표면 처리 설비를 거친 후 아연 도금 설비의 용융 아연(230a)이 충진된 도금조(230)로 인입된다.

표면 처리 설비(300)는 연속적으로 공급되는 강판(200)의 표면을 연속적으로 표면 처리하여야 하므로, 빠른 시간에 고강도강판의 표면에 형성된 Si/Mn/Al계 산화피막을 제거하도록, 플라즈마 발생장치(310, 311)와 레이저 발생장치(320, 321)를 양면에 각각 배치한다. 레이저 발생장치(320, 321)의 레이저 광이 조사되는 중간에는 윈도우(322, 323)가 설치되며, 플라즈마 발생장치(310, 311)에는 피딩 가스를 공급하는 펌프(336)가 연결된다.

Mn/Al 산화피막이 150~200㎚ 정도 형성되는 TWIP 강과는 달리 TRIP강의 경우 Si/Mn 산화피막의 두께는 50㎚ 이하 수준이므로, 강종과 산화물의 정도에 따라서, 레이저 발생장치(320, 321)는 장착되지 않을 수도 있다.

표면 처리 설비(300)의 양측에는 실링 롤(342) 및 이를 고정하는 차단부(340)가 형성되어, 표면 처리 설비(300)의 내측과 외측의 공간을 분리하며, 도금조(230)로부터 올라오는 아연 증기 및 이물질의 유입을 차단한다.

표면 처리 설비(300)에는 외벽에는 질소 가스 연통구(330)가 형성되며, 질소 가스 연통구(330)에는 펌프(332) 및 질소 가스 저장부(333)가 연결된다. 펌프(332)는 질소 가스 저장부(333)로부터의 질소를 표면 처리 설비(300) 내부로 공급하여, 초기에 질소 분위기를 형성하도록 할 수 있다.

한편, 차단부(340) 혹은 표면 처리 설비(300)의 외벽에는 내부의 질소 가스를 흡입하는 흡입구(335)가 형성되며, 이 흡입구(335)에서는 질소 가스 연통구에서 공급되는 질소가 고온의 강판(200)에 의해서 가열된 고온의 질소 가스를 흡입한다. 흡입구(335)에는 펌프(336)가 연결되어, 질소 가스를 흡입할 수 있으며, 흡입된 질소 가스는 플라즈마 발생장치(310, 311)의 피딩 가스로 공급되거나, 외부로 토출될 수 있다.

또한, 흡입된 가스는 강판(200) 표면에서 증발된 Si/Mn/Al계 산화물 가스를 포함하고 있으므로, 집진을 거친 후 플라즈마 발생장치(310, 311)로 공급될 수 있다. 필요에 따라서는 흡입된 가스는 처리 설비로 보내고, 플라즈마 발생장치에는 질소 가스 저장부(333)로부터의 질소가스가 공급될 수 있다.

흡입구(335)에 연결된 펌프(336)는 플라즈마 발생장치(310, 311)에 고온의 질소 가스를 공급하므로, 플라즈마 발생장치(310, 311)에서는 상온의 질소가스를 피딩가스로 공급했을 때보다 고에너지의 플라즈마를 조사할 수 있다. 따라서, 저출력의 플라즈마 발생장치를 통하여 고출력의 플라즈마 발생장치의 성능을 얻을 수 있다.

흡입구(335)는 플라즈마 발생장치(310, 311)의 피딩 가스를 공급할 뿐만 아니라, 표면 처리 설비(300) 내부의 압력을 대기압보다 낮도록 유지하는 역할을 동시에 수행할 수 있다. 표면 처리 설비(300) 내부의 압력이 대기압 보다 낮도록 유지함으로써, 플라즈마 발생장치(310, 311)의 플라즈마 조사거리 및 플라즈마 아크 조사 거리가 증대되며, 이는 강판(200)의 요동에 의하여 플라즈마 발생장치(310, 311)와 강판(200)이 충돌하거나, 마찰되는 것을 방지한다.

또한, 표면 처리 설비(300) 내부에는 내부 압력을 측정하는 센서(360)가 배치되어, 내부 압력을 실시간으로 측정하여 내부 압력값을 제어부(390)에 제공한다.

제어부(390)는 상기 플라즈마 발생장치(310, 311), 레이저 발생장치(320, 321), 펌프(332, 336) 및 센서(360)에 연결되어 있으며, 센서(360) 및 강종에 대한 입력 정보, 및 사용자의 조작에 따라서, 각 플라즈마 발생장치(310, 311), 레이저 발생장치(320, 321), 펌프(332, 336)를 제어한다.

또한, 실링롤(342)은 대전성 소재로 재작되며, 실링롤(342)의 롤출(341)에 접지 단자(343)를 장착하며(도 13 참고), 접지 단자는 음극으로 접지시킨다. 그에 따라서, 실링롤(340) 및 실링롤(340)과 맞닿으면서 표면 처리 설비(300)로 들어가는 강판(200)은 음극 접지된다.

강판(200)이 음극 접지되지 않는 경우에, 플라즈마 발생장치(310, 311)에서 조사되는 플라즈마 아크의 거리가 접지 했을 때에 비하여 상대적으로 짧게 된다. 따라서, 강판(200) 표면에 플라즈마 아크를 조사하기 위해서는 강판(200)과 플라즈마 발생장치(310, 311)의 거리가 상대적으로 좁은 거리로 유지되어야 하는데 강판(200)은 이송 중 요동이 발생할 수 있어서, 이렇게 좁은 거리로 플라즈마 발생장치(310, 311)가 배치되는 경우 강판(200)과 물리적 마찰 혹은 충돌을 피할 수가 없으며, 따라서, 플라즈마 아크를 강판에 조사하는 것이 곤란하게 된다.

본 발명의 실시예에서는 실링롤(340)을 접지롤로 사용하였으나, 표면 처리 설비 내부에 강판(200)에 접촉하는 롤을 구비하고, 그 롤의 롤축에 접지 단자를 장착하여 강판을 접시시키는 것도 가능하다.

본 표면 처리 설비(300)에서 플라즈마 발생장치(310, 311)는 강판에 조사되는 플라즈마의 온도가 200~900℃가 되며, 플라즈마 아크가 함께 조사될 수 있도록 강판으로부터 이격되어 배치된다. 강판(200)은 음극에 접지되어 있어서, 플라즈마 발생장치(310, 311)로부터 플라즈마와 함께 플라즈마 아크가 강판으로 조사될 수 있다. 따라서, 강판(200) 표면에 형성된 산화피막은 빠르게 제거될 수 있다.

플라즈마 발생장치(310, 311)는 강판의 폭 전체에 플라즈마 및 플라즈마 아크를 한번에 조사할 수 있도록 복수 개가 강판 폭을 따라서 연결되어 배치되는 것이 바람직하다.

또한,본 발명에서는 레이저 발생장치(320, 321)에서는 강판(200)의 폭방향에 평행한 레이저빔을 조사한다. 이때 레이저빔은 강판 표면에 형성된 산화피막은 빠르게 제거하도록 1064㎚ Nd-YAG 씨더블유 레이저로 조사한다. 또한, 탄화를 방지할 수 있도록 레이저빔의 폭은 1㎜ 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서는 레이저 발생장치(320, 321)에서 레이저가 조사되는 부분과 플라즈마 발생장치(310, 311)에서 플라즈마가 발생되는 부분이 일치하도록 배치한다. 따라서, 레이저빔 및 플라즈마, 플라즈마 아크가 강판(200)의 한 지점의 산화피막에 조사되어 빠르게 통과하는 강판 표면에 형성된 산화피막을 연속적으로 제거하는 것이 가능하다.

본 발명에서 표면 처리 설비(300) 내부는 800℃ 이하로 유지되는 것이 바람직한데, 이는 소둔설비에서 최고온도인 800℃ 이상으로 유지하는 경우 추가의 가열장치가 필요하기 때문이다. 또한, 본 발명에서는 표면 처리 설비 (300) 내부는 200℃ 이상의 온도로 유지되는 것이 바람직한데, 이는 아연조(230)로 인입되는 강판(200)은 460℃ 정도의 온도를 가져야 하는데, 표면 처리 설비 (300) 내부의 온도가 낮은 경우 추가의 승온장치를 통하여 아연조(230)로 인입되는 강판(200)의 온도를 승온시켜야 하기 때문이다.

본 발명의 아연 도금 공정의 순서는 다음과 같다.

코일에서 풀어진 강판(200)은 소둔설비(210)를 통과한 후, 표면 처리 설비(300)로 유입된다. 표면 처리 설비(300)의 내외를 분리하는 실링롤(342)을 통과하면서, 실링롤(342)에 의해서 강판(200)은 음극으로 접지된다. 표면 처리 설비(300)의 내부는 흡입구(335)와 질소 가스 연통구(330) 및 센서(360)에 의한 피드백 제어를 통하여 저압(대기압 이하)의 질소 분위기로 유지된다.

저압의 질소 분위기에서, 강판(200)은 양면에 레이저빔 및 플라즈마, 플라즈마 아크가 함께 조사된다. 그에 따라서, 소둔설비(210)에서 강판(200)의 표면에 형성되었던 Si/Mn/Al계 산화피막은 제거되며, 강판(200) 표면은 아연 도금 가능한 상태로 실링롤(342)를 통하여 표면 처리 설비(300)를 빠져 나간다.

그 후, 표면 처리 설비(300)를 통과한 강판(200)은 도금조(230)로 인입되며,도금조(230)의 싱크롤(232)과 스테빌라이징 롤(234)들을 통과한 도금강판(200)은 도금조 직상부에 배치되는 에어나이프(240)에서 수요가가 원하는 도금량으로 조정된다.

그 다음, 도금량 조정작업이 완료된 도금강판은 조질압연기(미도시)를 거치고, 적정한 표면 조도 부여 및 형상교정을 거쳐 절단기(미도시)에서 절단된 후, 텐션 릴(미도시)에서 권취되어 최종 도금코일 제품으로 생산된다.

200: 강판 210: 소둔설비
220: 스나우트 230: 도금조
240: 에어나이프 300: 표면 처리 설비
310, 311: 플라즈마 발생장치 320, 321: 레이저 발생장치
330: 질소 가스 연통구 340: 차단부
342: 실링롤 360: 센서
390: 제어부

Claims

고강도강을 가열하는 가열단계;
상기 가열단계에서 형성된 상기 고강도강 표면에 형성된 Mn계 산화물, Al계 산화물 및 Si계 산화물 중 하나 이상을 제거하도록 플라즈마를 조사하는 표면 처리 단계; 및
상기 표면 처리된 고강도강을 도금하는 도금 단계를 포함하는 도금 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 표면 처리 단계에서 상기 플라즈마를 고강도강 표면에서 200~900℃의 온도로 조사하는 것을 특징으로 하는 도금 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 표면 처리 단계에서 상기 플라즈마를 200 ~ 800℃ 의 질소 분위기에서 조사하며,
상기 표면 처리 단계에서는 상기 분위기 가스를 플라즈마의 피딩 가스로 공급하는 것을 특징으로 하는 도금 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 표면 처리 단계에서 상기 고강도강을 음극으로 대전시킨 후 상기 플라즈마와 함께 플라즈마 아크를 상기 고강도강 표면에 조사하는 것을 특징으로 하는 도금 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 표면 처리 단계는 외부와 차단된 챔버에서 수행되며,
상기 표면 처리 단계는 상기 플라즈마의 조사거리를 증대시키도록 상기 챔버 내부의 가스를 흡입하여 챔버 내부의 압력을 낮춘 후 플라즈마를 조사하는 것을 특징으로 하는 도금 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 표면 처리 단계는 플라즈마 조사와 함께 상기 산화 피막을 제거하도록 상기 고강도강에 1064nm 이하의 파장을 가지는 씨더블유 레이저를 조사하는 것을 특징으로 하는 표면 처리 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 레이저는 1㎜ 이하의 스폿 사이즈를 가지는 레이저 혹은 1㎜ 이하의 폭을 가지는 레이저빔인 것을 특징으로 하는 도금 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 표면 처리 단계는 상기 레이저를 상기 플라즈마와 동일한 지점으로 조사하는 것을 특징으로 하는 도금 방법.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 의해서 아연 도금된 TWIP 혹은 TRIP 강.
소둔 설비;
소둔 중 강판 표면에 생성된 Mn계 산화물, Al계 산화물 및 Si계 산화물 중 하나 이상을 제거하도록 소둔 설비 후방에 설치되며, 내부에 200 ~ 800℃ 의 질소 분위기가 형성된 분위기 챔버; 및 상기 산화 피막을 제거하며, 플라즈마를 강판에 조사하도록 상기 분위기 챔버 내부에 배치된 플라즈마 발생 장치;를 포함하는 표면 처리 설비; 및
상기 표면 처리 설비를 통과한 강판을 아연 도금하는 도금 설비를 포함하는 아연 도금 공정.
제 10 항에 있어서,
상기 분위기 챔버에는 분위기 가스 흡입부가 구비되며,
상기 플라즈마 발생 장치의 피딩 가스로 상기 분위기 가스를 사용하도록 상기 분위기 가스 흡입부는 상기 플라즈마 발생 장치의 피딩 가스 공급부와 연결되는 것을 특징으로 하는 아연 도금 공정.
제 10 항에 있어서,
상기 강판의 입출입은 허용하면서 상기 분위기 챔버를 밀봉하는 차단부를 포함하며,
상기 분위기 챔버에는 분위기 가스 흡입부, 분위기 가스를 공급하는 연통구 및 내부 압력을 측정하는 압력 센서가 구비되며, 분위기 챔버 내부 압력을 대기압보다 낮게 유지시키는 것을 특징으로 하는 아연 도금 공정.
제 12 항에 있어서,
상기 차단부는 실링롤을 포함하며,
상기 실링롤과 실링롤의 회전축은 도전성 재질로 형성되며, 상기 회전축이 음극에 접지되어, 상기 분위기 챔버 내부를 통과하는 강판을 음극으로 접지하며,
상기 플라즈마 발생장치는 플라즈마와 함께 플라즈마 아크를 조사하도록 강판으로부터 이격된 것을 특징으로 하는 아연 도금 공정.
제 13 항에 있어서,
상기 플라즈마 발생 장치에서 전방 혹은 후방에 위치하며, 상기 강판 표면으로 레이저를 조사하는 레이저 발생장치를 더 포함하며,
상기 레이저 발생장치는 1064nm 이하의 파장을 가지는 씨더블유 레이저빔 조사장치인 것을 특징으로 하는 아연 도금 공정.
제 14 항에 있어서,
상기 표면 처리 설비는 상기 소둔설비와 상기 도금 설비 사이의 스나우트 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는 아연 도금 공정.