KR20160049540A - 열간 성형 다이 담금질로 고온에서 부품을 제조하기 위한 강판을 위한 아연계 부식 방지 코팅 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 경화를 위해 Ac3 이상의 온도까지 적어도 부분적으로 가열된 후에 임계 냉각 속도 이상으로 소정의 온도에서 적어도 부분적으로 냉각되는 강판 또는 강 대를 위한 아연계 부식 방지 코팅에 관한 것으로, 방식 코팅은 용융 도금으로 형성되는 코팅이다. 코팅은, 적어도 75 중량%의 아연, 0.5 내지 15.0 중량%의 망간, 0.1 내지 10.0 중량%의 알루미늄, 불가피한 불순물을 함유한다.

Description

열간 성형 다이 담금질로 고온에서 부품을 제조하기 위한 강판을 위한 아연계 부식 방지 코팅{ZINC-BASED ANTI-CORROSION COATING FOR STEEL SHEETS, FOR PRODUCING A COMPONENT AT AN ELEVATED TEMPERATURE BY HOT FORMING DIE QUENCHING}
본 발명은 특허 청구항 1 의 특징을 갖는 강판용 아연계 부식 방지 코팅에 관한 것으로, 상기 강판은 열간 성형 공정에서 경화된다.
열간 성형 강판이 특히 자동차 제조에 점점 많이 사용되고 있는 것으로 알려져 있다. 프레스 담금질이라고도 하는 상기 공정으로, 주로 차체에 사용되는 부품이 제조된다. 상기 프레스 담금질은 일반적으로 2개의 다른 공정, 즉 직접 또는 간접 방법으로 수행될 수 있다.
직접 방법에서, 강판은 소위 오스테나이트화 온도 이상으로 가열되고, 이어서, 그렇게 가열된 판은 성형 도구 안으로 전달되어 단단 성형 단계에서 최종 부품으로 성형되고, 동시에, 강의 임계 경화 냉각 속도 보다 높은 냉각 속도로 피냉각성형 도구로 냉각되어, 경화된 부품이 제조된다.
간접 방법에서는, 선택적으로 다단 성형 공정에서 부품이 먼저 거의 완전히 성형된다. 그런 다음, 그 성형된 부품은 또한 오스테나이트화 온도 이상으로 가열되어 성형 도구 안으로 전달되어 삽입되며, 이 성형 도구는 부품의 치수 또는 부품의 최종 치수를 이미 갖고 있다. 특별히 냉각되는 상기 도구를 폐쇄한 후에, 예비 성형된 부품은 임계 경화 냉각 속도 보다 높은 냉각 속도로 이 공구 안에서 냉각되어 경화된다.
이러한 용도의 알려져 있는 열간 성형 가능한 강은, 예컨대 망간 붕소 강 "22MnB5" 및 DE 10 2010 024 664 A1 에 따른 최근의 공기 경화 강이다.
비코팅 강판 외에도, 부식 방지 코팅을 갖는 강판도 자동차 산업에서 점점 많이 요구되어 사용되고 있다. 이 경우의 이점으로서, 최종 부품의 증가된 내부식성 외에도, 또한 노(furnace) 안에서 판 또는 부품에 스케일이 생성되지 않는데, 그래서 분리된 스케일로 인한 프레스 담금질 도구의 마모가 감소되고 또한 추가 처리 전에 부품에 대해 수고스럽게 블라스팅(blasting) 처리를 할 필요가 없다.
용융 도금으로 형성되는 코팅이 현재 프레스 경화 중에 사용되고 있는데, 그 코팅은 알루미늄-규소(AS), 아연-알루미늄(Z), 아연-알루미늄-철(ZF/갈바닐링된(Galvannealed)), 및 아연-니켈로 만들어지는 전해 석출 코팅으로 만들어진다. 이들 부식 방지 코팅은 보통 연속적인 방법으로 고온 또는 저온 스트립에 형성된다.
아연계 부식 방지 코팅의 이점은, 이 코팅은 알루미늄계 코팅 처럼 방벽 효과를 가질 뿐만 아니라, 추가로 부품을 위한 적극적인 음극 부식 방지를 제공한다.
아연계 코팅을 갖는 강판의 프레스 담금질은 DE 601 19 826 T2 에 알려져 있다. 여기서 강판(사전에 800 ∼ 1200℃의 오스테나이트화 온도 보다 높게 가열되고 아연 또는 아연계 코팅의 금속 코팅을 선택적으로 가짐)이 도구(상황에서 따라 냉각될 수 있음) 안에서 부품으로 열간 성형되며, 성형 중에 강판 또는 부품은 급속한 열제거의 결과로 담금질 경화되고(프레스 담금질), 생성된 마르텐사이트 경화 미세 조직의 결과 요구되는 강도 특성을 얻게 된다.
그러나, 아연계는 단점이 있다. 특히, 아연계 부식 방지 코팅의 직접 프레스 담금질에서, 성형 단계 중에 미세 균열(＞100um)이 강에서 표면 근처 영역에 형성될 수 있는 것으로 알려져 있는데, 그 미세 균열은 가끔 강판의 전체 단면에 걸쳐 있을 수 있다. 더욱더 작은 미세 균열은 벌써 강의 내구성을 저하시킬 수 있으며 그래서 그 강의 사용이 제한된다.
균열 발생의 이유는, 아연 상(phase)으로 인한 응력 부식 때문인데, 이를 액체 금속 관련 균열(LMAC) 또는 액체 금속 취화(LME)라고 한다. 그래서, 강의 오스테나이트 입계(grain boundary)가 액체 아연 상의 침투를 받아 약화되는데, 그 액체 아연 상은 특히 높은 장력 또는 성형도를 갖는 영역에서 깊은 균열을 야기할 수 있다.
이 문제를 해결하기 위한 일 방법은, 아연계 코팅의 경우에 간접 프레스 담금질을 사용하는 것인데, 왜냐하면 이 경우 실제 성형 단계는 주변 온도에서의 경화 전에 수행되기 때문이다. 도구 내에서의 경화 및 잔류 성형 동안에도 균열이 발생할 수 있지만, 그 균열의 깊이는 직접 공정에서의 균열과 비교하여 상당히 작으며, 균열은 보통 허용 균열 깊이를 초과하지 않으므로 무해한 것으로 생각된다.
그러나, 간접 방법은 추가적인 작업 단계(냉간 성형)를 필요로 하고 한편 판과는 반대로 부품을 경화 전에 가열할 수 있는 특별한 가열 노가 사용되어야 하므로, 간접 방법이 훨씬 더 수고스럽다.
다른 가능성으로서, DE 10 2010 056 B3에 기재되어 있는 바와 같은, 아연 또는 아연 합금의 코팅으로 경화 강 부품을 제조하기 위한 방법이 있는데, 이 방법에서는, 강과 아연 또는 아연 합금 코팅 사이에 아연-페라이트 방벽층이 형성되어 액체 아연을 흡수하고 또한 액체 아연 상이 성형 중에 강과 반응하는 것을 방지해 주는 두께를 갖도록, 아연 층의 두께 또는 아연 합금 층의 두께에 독립적인 판은 성형 전에 소정의 시간 동안 782℃ 보다 높은 온도로 유지된다.
이와 관련하여 아연-페라이트라는 용어는, 아연 원자가 철 결정 격자 내에 치환적으로 용해되어 있는 철-아연 고용체를 의미하는 것이다. 아연 함량이 낮기 때문에, 아연-페라이트의 융점은 성형 온도 보다 높다. 그러나 실제로는, 이 방법에 따라 제조된 부품에서 합금층 내의 높은 철 함량 때문에 최종 부품의 음극 부식방지가 매우 낮은 것으로 나타났다. 추가로, 가열 시간이 너무 짧으면 액체 금속 취화가 일어날 수 있고 또한 가열 시간이 너무 길 때에는 음극 부식 방지가 존재하지 않기 때문에, 가열을 위한 공정 범위는 매우 좁다.
다른 가능성으로서, EP 2 414 563 B1 에 기재되어 있는 경화 강 부품 제조 방법이 있는데, 이 방법에서는, (감마)ZnNi 상으로 만들어진 단상 아연-니켈 합금 층이 전해 석출되며, 이 합금층은 아연과 불가피적인 불순물 외에도 7 내지 15 중량%의 니켈을 함유하며, 강 제품으로 만들어진 판은 적어도 800℃의 판 온도로 가열되고 그런 다음 성형 도구 안에서 성형되고 열 템퍼링된 또는 경화된 미세 조직이 형성되기에 충분한 냉각 속도로 냉각된다.
상기 니켈은 합금층의 융점을 증가시켜, 열간 성형 중에 액체 아연 상 및 액체 금속 취화가 일어나지 못하게 된다. 그러나, 이 방법은, 니켈 먼지 또는 니켈 증기가 흡입되면 니켈이 건강을 위협한다는 단점을 갖는다.
본 발명의 목적은, 강으로 만들어진 직접 프레스 담금질된 부품을 위한 금속 코팅으로서, 건강에 잠재적으로 위험하다고 생각될 수 있는 원소가 제조 및 처리 중에 함유됨이 없이, 열간 성형 중에 액체 금속 취화를 효과적으로 방지하고 또한 성형된 부품의 높은 음극 부식 방지를 보장하는 상기 금속 코팅을 제공하는 것이다.
본 발명의 교시에 따르면, 상기 목적은 프레스 담금질로 형성되는 강판 또는 강대(steel strip)를 위한 코팅으로서, 적어도 75 중량%의 아연, 0.5 중량%의 망간, 및 0.1 내지 10 중량%의 알루미늄을 함유하는 상기 코팅으로 달성된다.
시험에 의하면, 아연과 알루미늄 외에도 충분한 양의 망간을 추가로 함유하는 코팅을 갖는 판이, 두꺼운 아연-페라이트 층 없이, 즉 매우 짧은 가열 시간 후에 액체 금속 취화의 발생 없이, 직접 프레스 경화될 수 있다는 사실이 놀랍게도 발견되었다. 이러한 효과는 성형 온도 보다 높은 코팅의 융점의 증가로 인한 것이 아니라, 시험에 따르면, 강과 코팅 사이의 계면 영역에 망간이 존재하기 때문에 얻어지는 것이다. 결과적으로, 성형 중에 액체 아연 상이 존재하더라도 액체 금속 취화가 일어나지 않는다.
도 1 은 천이 영역 강 코팅에 있는 Zn-Mn-Al 부식 방지 층의 미세 횡단면의 주사 전자 현미경 이미지를 나타낸다.
도 2 는 900℃까지 가열되는 매우 짧은 가열 시간(180초) 후의 직접 성형된 부품의 90°굽힘 어깨부를 비교를 위해 나타낸다.
도 1 은 천이 영역 강 코팅에 있는 Zn-Mn-Al 부식 방지 층의 미세 횡단면의 주사 전자 현미경 이미지를 나타낸다. 코팅 내에 있는 망간의 취화 억제 효과의 기구가 아직 명확하지는 않지만, 그럼에도, 열간 성형 전의 시작 상태에서 코팅에서 망간 함유 상이 강에 대한 계면에서 검출될 수 있으며, 용융 도금에서 알려져 있는 Fe2Al5ZnX-1 억제 층 및/또는 아연-철 상 대신에 상기 망간 함유 상이 형성된다.
충분히 높은 망간 함량에서는 액체 금속 취화가 일어나지 않기 때문에, 직접 열간 성형 전에 두꺼운 아연-페라이트 층을 형성하기 위한 최소한의 어닐링이 필요치 않으며, 또는 요구되는 성형 온도에 도달하기 위한 시간만 필요하게 된다. 도 2 에는, 900℃까지 가열되는 매우 짧은 가열 시간(180초) 후의 직접 성형된 부품의 90°굽힘 어깨부가 비교를 위해 나타나 있다. 참조 샘플(22MnB5+Zn140)에서 균열이 기재 안으로 깊이 연장되어 있지만, 본 발명에 따른 코팅을 갖는 22MnB5의 경우에는 균열이 합금층과 강 기재 사이의 천이 영역에서 끝난다.
짧은 가열 시간의 결과로, 최종 부품의 합금층에서 높은 아연 함량이 유지될 수 있으며, 그래서 음극 부식 방지가 크게 개선된다. 코팅 내의 망간 함량이 증가함에 따라 융점도 증가하게 되는데, 이렇게 되면, 연속 용융 도금의 공정이 복잡하게 되거나 완전히 비실용적으로 된다. 또한, 음극 부식 방지에 중요한 아연 함량은 감소된다. 그러므로, 액체 금속 취화 억제 효과와 함께 충분한 부식 방지를 보장하기 위해, 코탱 내 아연의 함량은 적어도 75 중량%이고 코팅 내 망간의 함량은 0.5 내지 15 중량%이다. 그러나, 망간 함량이 증가함에 따라, 아연계 아연 부식 방지 층의 융점 및 요구되는 용융 욕 온도 역시 증가하게 되는데, 이렇게 되면, 기술적 노력과 에너지 비용이 커지게 된다. 이러한 이유로, 망간 함량은 0.5 내지 15 중량% 인 것이 유리하고, 0.5 내지 3.0 중량%가 더 바람직하다. 언급된 함량은 평균 값인 것으로 생각되어야 하는데, 왜냐하면, 망간이 풍부한 상은 특히 강 기재에 대한 계면에 형성되기 때문이다.
오스테나이트화 온도까지 가열하는 동안에 코팅의 표면에 산화알루미늄 층이형성되도록 하기 위해서는 0.1 내지 10 중량%의 알루미늄이 첨가될 필요가 있으며, 그 산화알루미늄 층은 증발 또는 대규모의 산화에 대해 코팅(특히, 아연)을 보호해 준다. 또한 알루미늄은 아연계 부식 방지 코팅의 융점 및 요구되는 고온 침지 욕(bath) 온도를 증가시킨다. 추가로, 용융물 내의 알루미늄 함량이 증가함에 따라 욕 고정구의 수명이 감소된다. 이러한 이유로, 알루미늄 함량은 바람직하게는 0.1 내지 2.0 중량% 이고, 더 바람직하게는 0.1 내지 1.0 중량% 이다.
필요하다면, 코팅은 고온 침지 욕을 떠날 때 즉시 가열되어 연속 용융 도금 공정 중에 이미 아연-철-망간-알루미늄 합금층으로 전환될 수 있다(갈바닐링 처리). 이는 열간 성형 전에 예컨대 유도(induction)로 판을 신속히 가열하는 데에 유리할 수 있는데, 왜냐하면 이는 철 함량의 증가로 인한 합금 층의 증발 위험을 감소시켜 주기 때문이다.
코팅의 두께는 부식 방지에 대한 요건에 따라 1 ㎛ 내지 25 ㎛일 수 있는데, 더 큰 두께도 가능하다.
본 발명에 따른 방법은 열간 압연된 또는 냉간 압연된 평평한 강 제품을 코팅하는데에도 적합하다.
자동차 산업에서 프레스 성형 경화된 부품에 사용되는 것 외에도, 본 발명에 따른 부식 방지 코팅은 다른 산업 분야의 강 제품에도 유리하게 사용될 수 있는데, 그 강 제품은 성형 및/또는 템퍼링에 의한 추가 처리 동안에 일반적으로 온도 스트레스에 노출되고 또한 최종 부품에서 충분한 부식 방지를 가져야 한다. 이들은 예컨대 농업용 기계 제조를 위해 보습(plowshare)으로 성형된 다음 경화되는 강판, 및 건축 또는 기계 제조를 위한 담금질 및 템퍼링된 후판 또는 압연 프로파일을 포함할 수 있다.
본 발명의 중요한 이점은 다음과 같이 요약될 수 있다.
- 최종 부품의 합금 층의 철 함량은 알려져 있는 아연계 고온 침지 코팅을 갖는 부품에서 보다 상당히 낮을 수 있고 그래서 아연 함량이 상당히 높을 수 있으며, 그래서 상당히 개선된 음극 부식 방지가 보장된다.
- 최소한의 노 시간이 필요치 않거나 성형 온도에 도달할 때가지의 시간만 필요하므로, 열간 성형 중의 공정 범위는 공지되어 있는 아연계 고온 침지 코팅에 비해 넓다.
- 추가 처리 동안에, 전해 아연-니켈 코팅과 비교하여, 간강에 해로운 니켈 먼지 및/또는 증기가 발생되지 않는다. 제조 중에 니켈 함유 매체가 필요치 않다.

Claims (9)

  1. 담금질을 위해 Ac3 이상의 온도까지 적어도 부분적으로 가열된 후에 임계 냉각 속도 이상으로 소정의 온도에서 적어도 부분적으로 냉각되는 강판(steel sheet) 또는 강대(steel strip)을 위한 아연계 부식 방지 코팅으로서, 상기 부식 방지 코팅은 용융 도금으로 형성되며,
    상기 코팅은, 적어도 75 중량%의 아연, 0.5 내지 15.0 중량%의 망간, 0.1 내지 10.0 중량%의 알루미늄, 및 불가피한 불순물을 함유하는 아연계 부식 방지 코팅.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 망간의 함량은 0.5 내지 5.0 중량%이고, 상기 알루미늄의 함량은 0.1 내지 2.0 중량%인 아연계 부식 방지 코팅.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 망간의 함량은 0.5 내지 3.0 중량%이고, 상기 알루미늄의 함량은 0.1 내지 1.0 중량%인 아연계 부식 방지 코팅.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅은 고온 침지 욕(hot dip bath)을 떠난 후에 즉시 가열됨으로써 아연-망간-알루미늄-철 합금 층으로 전환될 수 있는 아연계 부식 방지 코팅.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅 또는 합금 층은 1 내지 25 ㎛의 두께를 갖는 아연계 부식 방지 코팅.
  6. 담금질을 위해 Ac3 이상의 온도까지 적어도 부분적으로 가열된 후에 임계 냉각 속도 이상으로 소정의 온도에서 적어도 부분적으로 냉각되는 강판 또는 강대를 위한 아연계 부식 방지 코팅을 제조하기 위한 방법으로서,
    상기 부식 방지 코팅은 용융 도금법으로 형성되는 코팅이고, 용융 도금에 의해 코팅이 형성되고, 상기 코팅은, 적어도 75 중량%의 아연, 0.5 내지 15.0 중량%의 망간 및 0.1 내지 10.0 중량%의 알루미늄, 및 불가피한 불순물을 함유하는, 아연계 부식 방지 코팅을 제조하기 위한 방법.
  7. 적어도 부분적으로 담금질되어 있고, 제 6 항에 따른 방법으로 제조되는, 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 따른 부식 방지 코팅을 갖는 부품.
  8. 500℃ 이상의 온도에서 형성되는 강 제품에 사용되고, 0.5 내지 15.0 중량%의 망간 및 0.1 내지 10.0 중량%의 알루미늄을 함유하는 아연계 부식 방지 코팅의 용도.
  9. 제 8 항에 있어서,
    보습(plowshare), 후판 또는 압연 프로파일에 사용되는 아연계 부식 방지 코팅의 용도.
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