KR20160054111A - 점용접성 및 도금성이 우수한 고망간강 합금아연도금강판 및 이의 제조방법 - Google Patents

점용접성 및 도금성이 우수한 고망간강 합금아연도금강판 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차 차체 및 구조재 등에 사용되는 강재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고강도 및 고연성을 가지면서 점용접성 및 도금성이 우수한 고망간강 합금아연도금강판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

점용접성 및 도금성이 우수한 고망간강 합금아연도금강판 및 이의 제조방법 {HIGH MANGANESE ALLOY GALVANIZED STEEL SHHET WITH EXCELLENT SPOT WELDABILITY AND COATABILITY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 자동차 차체 및 구조재 등에 사용되는 강재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고강도 및 고연성을 가지면서 점용접성 및 도금성이 우수한 고망간강 합금아연도금강판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
아연도금강판은 내식성, 용접성 및 도장성이 우수하여 자동차용 강판으로 많이 사용되고 있으며, 이와 더불어 자동차 경량화에 의한 연비 향상 및 승객 안전성의 관점에서 자동차 차체 및 구조재의 고강도화가 요구됨에 따라 다양한 종류의 자동차용 고강도강이 개발되어 왔다.
그러나, 대부분의 강판 또는 강재는 강도가 상승함에 따라 연성이 감소하게 되어, 결과적으로 부품으로의 가공에 있어서 많은 제한을 따르게 된다.
이에, 강재의 고강도화에 따른 연성 저하를 해결하기 위하여 많은 연구가 진행되어 왔으며, 그 결과 강재의 성분 중 망간(Mn)을 5 내지 35 중량%로 포함시켜 강재의 소성변형 시 쌍정(TWIN)이 유기되도록 함으로써 고강도와 함께 연성을 획기적으로 향상시킨 오스테나이트계 고망간강이 제안되고 있다 (특허문헌 1 내지 4).
이러한 고강도 및 고연성을 갖는 고망간강을 자동차용 강판으로 사용하기 위하여 내식성에 대한 요구가 증가하고 있다.
일반적으로, 고망간강 용융아연도금강판을 자동차용 강판으로 사용하는 경우, 프레스 가공에 의해 부품을 가공한 후 점용접 또는 아크용접 등으로 용접하여 조립하게 되는데, 이때 점용접을 행하게 되면 용접 열영향부(Heat Affected Zone; HAZ)가 용접(입)열에 의해 용해되어 액상의 용융 아연으로 잔류하게 되고, 소지 조직은 고망간강의 높은 저항값에 의해 타 강종 대비 고온이 되며, 높은 열팽창 계수에 의한 입계 확장이 일어나게 된다. 이러한 상태로 열영향부에 인장력이 작용하게 되면, 용접 열영향부 조직에서는 액상의 용융아연이 소지 표면의 결정입계에 침입하여 균열을 발생시켜 취성파괴인 용접 액상금속취화(Liquid Metal Embrittlement; LME) 균열을 일으키게 된다.
이러한 용접 LME 현상은 고강도강의 아연도금강판에서 일반적으로 일어나는 것이나, 특히 고망간강 아연도금강판의 경우에는 소지가 높은 저항 강도를 가지며, 소지 표면까지 오스테나이트 조직을 가지고 있기 때문에, 용접 열영향부의 온도가 높고 열팽창 계수가 높아 소지 입계의 균열을 조장하게 되고, 이에 따라 액상 아연의 입계 침투가 용이하게 되어 용접 LME 균열에 민감하게 된다.
이러한 고강도강 아연도금강판의 용접 LME 균열을 방지하기 위한 방법으로는 1) 예비전류펄스(Pre-pulse)로 가접하고, 예비전류펄스 보다 높은 용접전류펄스로 본 용접하여 용접을 완료하는 프리펄스 용접방법(특허문헌 5), 2) 490MPa급 이상의 고강도 용융아연도금강판에서 액상금속취화(LME) 감도 지수인 E값(E= [%C] ＋ [%Si]/17 ＋ [%Mn]/7.5 ＋ [%Ni]/17 ＋ [%Nb]/2 ＋ [%V]/1.5 ＋[%Zr]/2)을 만족하게 하는 성분조정방법(특허문헌 6), 3) 580MPa 이상의 고강도강 용융아연도금강판에서 소지 조직이 면적분율로 40~95%의 페라이트상, 베이나이트상, 퍼얼라이트상 및 마르텐사이트상 중 1종 또는 2종 및 1~10%의 잔류 오스테나이트로 구성되고, 평균 입도가 3~200㎚인 Ti, Nb, Mo, 및 Zr계 석출물 또는 복합 석출물이 분산되도록 미세조직을 조정하는 방법(특허문헌 7) 등이 제안되었다.
그러나, 종래의 방법 1)은 고망간강 대비 점용접 시 입열량이 작은 이상조직(DP)강, TRIP강 등에서는 효과를 나타내지만, 상온에서도 오스테나이트 조직을 가지고 있어 높은 저항값과 높은 입열량을 나타내는 고망간강에서는 효과를 나타내지 못하다.
종래의 방법 2)는 490MPa 이상의 DP강 또는 TRIP강에서의 B 함유량을 조정하여 용접 열영향부의 오스테나이트 입계를 강화하여 용접 LME 균열을 개선하고자 한 것이나, 고망간강은 상온에서도 오스테나이트 조직을 가지고 있고 다량의 Mn을 함유하고 있기 때문에, B에 의한 오스테나이트 입계 강화를 위해서는 많은 양의 B을 첨가하여야 하는 문제가 있다. 그 결과 LME 감도 지수인 E값이 0.24를 넘게 되고, 과잉의 B 첨가는 오히려 LME 균열을 조장하고 소둔 시 계면에 보론 산화물(B2O5)을 형성하여 도금성을 저해하게 되므로 바람직하지 않다.
종래의 방법 3)은 제2상의 퍼얼라이트상 및 마르텐사이트상이 용접 시 형성되는 오스테나이트를 미세하게 분할하므로 오스테나이트 상이 미세하게 되고, 이로 인하여 액상 용융아연의 침입 경로를 복잡하게 하여 점용접 시의 용접 LME 균열발생을 방지할 수는 있으나, 모든 온도에서 오스테나이트 단상인 고망간강에서는 상기 제2상을 형성시킬 수 없으므로 용접 LME 균열을 개선하기 어려운 문제가 있다.
따라서, 고망간강 아연도금강판에 있어서 점용접 시 용접 열영향부에서의 액상금속취화 균열의 발생을 방지할 수 있는 방안이 요구되며, 상기 방안을 통해 점용접성이 우수한 아연도금강판 및 이의 제조방법이 제공되는 경우 관련 분야에서 유용하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
일본공개특허 특개평 4-259325 (JP1992-259325) 국제공개공보 WO93/013233호 국제공개공보 WO99/001585호 국제공개공보 WO02/101109호 한국공개특허 제2012-0017955호 일본공개특허 특개 2006-249521 일본공개특허 특개 2006-265671
본 발명의 일 측면은, 도금층의 성분제어로부터 점용접 시 액상금속취화에 대한 저항성이 우수하여 용접 열영향부 균열 발생을 방지하여 점용접성 및 도금성이 우수한 고망간강 합금아연도금강판 및 이를 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 측면은, 중량%로, 탄소(C): 0.3~1.0%, 망간(Mn): 8~25%, 실리콘(Si): 0.1~3.0%, 알루미늄(Al): 0.1~8.0%, 크롬(Cr): 0.1~2.0%, 티타늄(Ti): 0.01~0.2%, 보론(B): 0.0005~0.01%, 인(P): 0.01~0.3%, 황(S): 0.0005%~0.01%, 니켈(Ni): 0.06~2.0%, 주석(Sn): 0.02~0.2%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 소지강판; 및 상기 소지강판의 적어도 일 면에 아연계 도금층을 포함하고,
상기 아연계 도금층은 망간(Mn)의 함량이 8~23중량%인 점용접성 및 도금성이 우수한 고망간강 합금아연도금강판을 제공한다.
본 발명의 다른 일 측면은, 상술한 성분조성을 만족하는 소지강판을 준비하는 단계; 및 상기 소지강판의 적어도 일면에 아연계 도금층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 아연계 도금층은 망간(Mn): 8~23중량% 및 알루미늄(Al): 0.3~0.5중량%로 포함하는 아연도금욕을 이용하여 형성하는 것인 점용접성 및 도금성이 우수한 고망간강 합금아연도금강판의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 고망간강 합금아연도금강판은 일정 함량의 망간(Mn)을 함유하는 도금욕을 이용하여 합금 도금층을 형성함으로써, 기존 고망간강 아연도금강판에서 문제가 되는 용접 LME 균열 발생을 효과적으로 방지할 수 있는 효과가 있다.
따라서, 본 발명에 의할 경우 점용접성 및 도금성이 우수한 고망간강 합금아연도금강판을 제공할 수 있는 기술적 효과가 있다.
도 1은 Mn-Zn 합금 상태도를 나타낸 것이다.
도 2는 도금층 내 Mn 함량에 따른 변형률(strain) 변화를 750℃에서 평가한 결과를 나타낸 것이다.
본 발명자들은 종래의 고망간강에 있어서, 다량의 망간과 탄소의 첨가에 의해 상온에서 강의 미세조직으로 오스테나이트의 확보가 가능하나, 이를 아연으로 도금처리하여 아연도금강판으로 제조한 다음 용접을 행하는 경우 용접 열영향부의 도금층 용융에 의한 액상금속취화(LME)의 발생으로 용접부 균열이 발생하는 문제점을 인지하고, 이를 해결하기 위하여 깊이 연구하였다.
먼저, 본 발명자들은 고망간강 아연도금강판의 용접 LME 발생 거동을 규명하기 위하여 점용접 시의 도금층 변화를 면밀하게 검토하여 본 결과, 점용접 시 용접 열영향부 어깨부의 아연도금층이 용해되고, 이 액상이 소지의 입계를 침입하여 용접 LME 균열이 발생함을 확인하였다. 이에 따라, 고망간강 아연도금강판의 용접 LME 발생을 억제하기 위해서는 도금층의 융점을 높이거나, 액상아연이 소지 입계로의 침입을 방지하거나, 점용접 시 액상아연 대신 융점이 높은 고상의 석출상이 형성되도록 도금층을 개질하는 방법이 유효함을 알아내었다.
특히, 본 발명자들은 상기의 방법들 중 점용접 시 액상의 아연이 형성되는 아연도금계 대신에 고상의 석출상이 고융점의 석출상으로 천이되는 합금아연도금계로 도금하여 도금층을 형성하는 방법이 용접 LME 발생을 억제하는데에 효과적임을 확인하였다.
이에, 소지강판의 적어도 한 면에 형성되는 도금층의 성분을 제어하여 합금 도금층을 형성하는 경우 점용접 시 액상금속취화에 대한 저항성을 향상시킴으로써 점용접성 및 도금성이 우수한 고망간강 합금아연도금강판을 제공할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 점용접성 및 도금성이 우수한 고망간강 합금아연도금강판은 소지강판 및 상기 소지강판의 적어도 일 면에 도금층을 포함하며, 이때 상기 도금층은 아연계 도금층이며, 망간(Mn)을 8~18중량%로 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 사용되는 상기 소지강판은 고강도강 중 망간(Mn)을 8~25중량%로 포함하는 고망간강인 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
보다 구체적으로, 일 예로 상기 소지강판은, 중량%로 탄소(C): 0.3~1.0%, 망간(Mn): 8~25%, 실리콘(Si): 0.1~3.0%, 알루미늄(Al): 0.1~8.0%, 크롬(Cr): 0.1~2.0%, 티타늄(Ti): 0.01~0.2%, 보론(B): 0.0005~0.01%, 인(P): 0.01~0.3%, 황(S): 0.0005%~0.01%, 니켈(Ni): 0.06~2.0%, 주석(Sn): 0.02~0.2%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것일 수 있다.
상기한 바에 따른 성분조성을 갖는 소지강판의 적어도 일면에는 아연계 도금층을 포함하는 것이 바람직하며, 이때 상기 아연계 도금층은 망간(Mn)-아연(Zn) 합금을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 아연계 도금층으로서 이것의 형성을 위하여 망간(Mn)-아연(Zn) 합금을 이용하는 것은, 용접 시 용접 LME 균열의 발생을 억제하기 위한 것으로서, 특히 본 발명의 아연계 도금층은 점용접 시 일어나는 용접 어깨부의 온도가 급속히 상승하여 최대 800℃까지 올라가는데 반해, 일반적인 아연도금층은 420℃정도에서 용해가 시작되어 액상이 되고, 용접 어깨부의 온도가 더욱 올라갈수록 용융아연의 유동성이 급격히 증가하여 소지의 입계에 침입하여 용접 LME 균열을 발생시키는 문제가 있다.
이에 따라, 본 발명에서는 용접 LME 균열을 방지하기 위해 아연도금층 대신에 용접 어깨부의 온도 증가에 따라 고 융점의 다양한 고상의 석출상을 형성하는 Mn-Zn계 합금 도금층을 고려하였다.
이해를 돕기 위하여, 도 1에는 Mn-Zn 합금 상태도를 나타내었다.
본 발명의 Mn-Zn계 합금 도금층은 도 1의 Mn-Zn 2원 상태도에서 확인할 수 있는 것과 같이, 아연도금층의 Mn 함량이 8% 미만에서는 액상 아연(L)이 고상의 ζ상과 액상의 아연(L)을 생성하는 공정반응(eutetic reaction)이 일어나게 되므로 도금층의 ζ상과 아연의 2상으로 존재하게 된다. 이러한 도금층을 갖는 도금강판을 점용접하게 되면 아연의 융점인 420℃에서 아연이 용해되어 액상아연(L)이 형성되고, 이 액상아연이 고망간강의 소지 입계로 침입하게 되므로 용접 LME 균열을 방지할 수 없다.
반면, 아연도금층의 Mn 함량이 8% 이상이면 고상의 δ상과 고상의 ζ상이 반응하여 또 다른 고상의 δ1상을 형성하는 편석반응(peritectoid reaction)이 일어나게 되며, 이에 따라 도금층은 단상의 δ1상의 Mn-Zn 합금 도금층을 형성하게 된다. 이러한 Mn-Zn 합금 도금층은 아연이 단상으로 존재하지 않고, Mn-Zn 합금상인 석출상으로 존재하기 때문에 점용접 시 용접 어깨부의 온도가 상승하더라도 액상아연(L)이 생성되지 않고, 고상의 δ1상이 소지로부터 확산되는 Fe, Mn과 반응하여 더 높은 융점의 ε2(640℃) → ε1상(740℃) → ε상(MnZn3, 815℃) → β상으로 천이하게 되므로 용접 LME 균열이 발생하지 않게 되는 것이다.
한편, 상기와 같이 소지강판의 적어도 일 면에 망간(Mn)-아연(Zn) 합금을 이용하여 형성되는 아연계 도금층에 함유되는 망간(Mn)의 함량은 적어도 8% 이상이면서 최대 23%로 함유되는 것이 바람직하다.
이해를 돕기 위하여, 실제 점용접 시 발생하는 용접 LME 발생 조건을 가장 유사하게 모사하여 정량적으로 평가하는 것이 가능한 고온인장시험을 통해 Mn-Zn계 합금 도금층 내 Mn 함량에 따른 변형률(strain) 변화를 용접 LME가 발생하는 온도인 750℃에서 평가한 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2를 참조하여 보면, 도금층 내 Mn이 함유되지 않는 순수 아연도금의 경우에는 변형율이 15% 정도로 도금층을 포함하지 않는 고망간강의 변형율인 55% 대비 매우 낮은 변형율에서 파단이 일어나므로 액상 아연에 의한 용접 LME 균열이 발생함을 알 수 있다. 반면, 도금층 내 Mn의 함량이 8% 이상에서는 고망간강의 고유 변형율인 55% 이상의 변형율을 나타내고 있으므로 용접 LME 균열이 발생하지 않음을 알 수 있다.
이와 같이, Mn-Zn계 합금 도금층 내 Mn 함량이 증가할수록 초기 도금층의 융점이 높아지기 때문에 용접 LME 발생을 억제함에는 유리하다. 다만, 그 함량이 너무 과다해지면 Mn-Zn계 합금 도금층의 도금성이 급격히 불량해지는 문제가 있으므로, 그 상한을 23%로 제한하는 것이 바람직하다. 이는, 아연도금계에 첨가되는 Mn의 연성이 Fe 대비 우수하기 때문에 다량으로 첨가하는 것이 가능하나, 그 함량이 23%를 초과하는 경우에는 ε1상이 주요 석출상이 되고, 이 석출상의 경도가 급격히 증가하는 동시에 연성이 급격히 감소함에 따라 가공시 도금 박리가 발생하는 문제가 있다.
따라서, 본 발명에 따른 상기 아연계 도금층에 포함되는 망간(Mn)의 함량은 8~23중량%를 만족하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 아연계 도금층에서 망간(Mn)의 함량이 18중량% 이하인 경우에는 도금층의 밀착성이 보다 우수하므로, 본 발명에서 상기 아연계 도금층에 포함되는 망간(Mn)의 함량은 8~18중량%인 것이 보다 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상술한 범위의 망간(Mn)이 함유된 아연계 도금층은 상기 소지강판 상에 40~100g/m2가의 도금 부착량으로 형성하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 부착량은 소지강판의 일 면을 기준으로 한다.
도금 부착량이 40g/m2 미만이면 에어나이프를 이용한 도금 부착량의 조정이 불가능하고, 내식성의 확보가 어려우며, 반면 100g/m2을 초과하게 되면 짧은 용접시간 내에 도금층을 완전히 합금화시킬 수 없을 뿐만 아니라, 도금층이 액상으로 용융되어 소지 입계로 침투하는 것을 충분히 방지하지 못함에 따라 용접 LME 발생을 억제하지 못하게 된다.
상술한 부착량으로 형성되고, 상술한 범위의 망간(Mn)이 함유된 본 발명의 아연계 도금층은, 점용접 후 합금화도가 10 중량% 이상을 만족하는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로, 본 발명의 아연계 도금층은 망간(Mn)을 8~23중량%로 함유하는 Mn-Zn계 합금 도금층으로서, 이를 점용접할 경우 Fe-Mn-Zn 합금층이 형성되면서, 그 합금화도((Fe+Mn)%)가 10 중량% 이상을 만족하는 것이다.
상술한 Mn-Zn계 합금 도금층이 Fe-Zn-Mn 합금층으로 형성되는 경우, 도금층의 융점이 상승하여 점용접 시 도금층이 용융되어 액상으로 진행되는 것을 방지할 수 있다. 그러나, 상기 Fe-Mn-Zn 합금층의 합금화도((Fe+Mn)%)가 10% 미만이면 도금층의 융점이 500℃ 이하가 되어 도금층이 액상으로 용해됨에 따라 용접 LME 균열을 발생시키는 문제가 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 점용접성 및 도금성이 우수한 고망간강 합금아연도금강판의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 점용접성 및 도금성이 우수한 고망간강 합금아연도금강판은 다음과 같이, 소지강판을 준비하는 단계 및 상기 소지강판의 적어도 일면에 아연계 도금층을 형성하는 단계를 포함하는 제조방법으로 제조되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 제조공정 중 소지강판을 준비하는 단계는 당해 기술분야에 통상으로 알려진 방법을 이용하여 수행될 수 있다. 특별히 한정되는 것은 아니나, 예를들면 강 슬라브를 재가열 - 열간압연 - 권취 - 냉간압연 - 연속소둔 공정을 거쳐 제조될 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 고망간강 합금아연도금강판의 제조를 위한 소지강판의 성분은 앞서 기술한 바와 동일하므로, 생략한다.
상기한 바에 따라 준비된 소지강판의 적어도 일면에 아연계 도금층을 형성하며, 본 발명에서 상기 아연계 도금층의 형성은 상기 소둔 공정을 거친 후 연속하여 수행되는 것이 바람직하다.
이때, 상기 아연계 도금층은 망간(Mn)의 함량이 8~23중량%인 것으로서, 이러한 아연계 도금층을 형성하기 위하여 망간(Mn): 8~23중량%, 알루미늄(Al): 0.3~0.5중량%로 함유하는 아연도금욕을 이용하는 것을 특징으로 한다.
일반적으로, 아연(Zn)을 주체로 하는 도금욕 내 함유되는 알루미늄(Al)은 강판이 상기 도금욕 내에 침적될 때 소지철의 Fe와 우선적으로 반응하여 연성의 Fe-Al-Zn-(Mn)계 피막(계면 억제층(Inhibition Layer) 이라고 함)을 형성하여 취성의 Fe-Zn계 합금층의 형성을 방지하는 역할을 하며, 이를 위해 통상적인 아연도금욕 내에는 0.25% 이하(0%는 제외)의 Al을 첨가한다.
한편, 본 발명의 경우 망간(Mn)을 8~23중량%로 함유하는 아연계 도금층을 형성하기 위해서는 도금욕 내에 8% 이상의 망간(Mn)이 함유되어야 한다.
그런데, 상기와 같이 일정 함량으로 망간(Mn)이 함유된 도금욕 내 Al 농도를 통상의 농도인 0.25% 이하(0는 제외)로 관리하게 되면 도금욕의 Al과 Mn이 반응하여 도금욕의 Al을 소비하게 되고, 이는 결국 계면 억제층 형성에 사용되는 Al 농도가 감소하게 되어 불균일한 계면 억제층이 형성되는 문제가 있다. 이와 같이 계면 억제층이 미형성된 부분에서는 미도금이 발생하거나, 도금이 되더라도 계면 밀착성이 불량하여 가공시 도금층이 박리하는 등의 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 경우 도금욕 내 Al 농도를 0.3% 이상으로 높게 관리하는 것이 바람직하며, 다만 그 농도가 0.5%를 초과하게 되면 다량의 Al이 도금욕에 잔류하여 도금소재의 침적시 두꺼운 계면 억제층을 형성하게 되고, 이는 점용접 시 소지철의 Fe, Mn 등의 도금층 확산을 방해하는 장벽으로 작용하게 됨에 따라 고융점의 Mn-Zn 석출상이 형성되지 못하게 되어, 결국 용접 LME 균열이 발생하게 되는 문제가 있다.
그러므로, 본 발명은 의도하는 아연계 도금층을 형성하기 위하여, 망간: 8~23중량% 및 알루미늄(Al): 0.3~0.5%로 함유하는 아연도금욕을 이용함이 바람직하다.
다른 한편으로, 상기 아연계 도금층을 형성하는 방법으로는 당해 기술분야에 잘 알려진 방법으로 수행될 수 있으며, 특별히 한정되는 것은 아니나 예를들면 전기도금법, 용융도금법, 함금화 용융도금법 등을 이용하여 수행될 수 있다.
상술한 바에 따라 의도하는 아연계 도금층이 형성된 고망간강 합금아연도금강판은 후속하여 점용접을 행할 수 있으며, 상기 점용접 후에는 합금화도가 10 중량% 이상을 만족하는 Fe-Mn-Zn 합금층이 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의해 고망간강 소지강판의 적어도 일면에 망간(Mn)을 8~23중량%로 함유하는 아연계 도금층을 형성하는 경우, 최종적으로 용접 후 전체 도금층의 함금화도가 10% 이상이 되어 융점이 800℃ 이상으로 상승하게 되어 용점 LME가 일어나는 용접부 어깨부의 온도가 680℃까지 용해되지 않고 고상으로 유지되는 사이에 소지강판으로부터 Fe 및 Mn의 확산이 일어나 전체 도금층의 합금화가 더욱 진행되고, 그에 따라 도금층의 융점이 더욱 증가하기 때문에 도금층의 용융 및 액상에 의한 용점 LME 균열을 방지할 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
( 실시예 )
0.55%C-15%Mn-0.6%Si-2%Al-0.1%Ti-0.1%Cr-0.001%B-0.017%P-0.0005%S-0.3%Ni-0.03%Sn의 조성을 가지는 고망간강의 슬라브를 제조한 다음, 상기 슬라브를 1150℃의 재가열 온도에서 균질화 처리하고, 이를 마무리 조압연온도 1080℃가 되도록 고압수 탈스케일한 후 마무리 열간온도 900℃에서 열간압연하여 두께 2.4㎜의 열연강판을 제조하였다.
상기 제조된 열연강판을 권취온도 450℃에서 권취하였으며, 후속하여 열연강판의 스케일을 제거하기 위하여 염산수용액에 침적하여 산세하였다. 이때 염산 수용액의 농도는 13%이고, 산세온도는 80℃였으며, 시간은 50초 동안 수행하였다.
상기 산세 후 압하율 50%로 냉간압연하여 두께 1.2㎜의 냉연강판으로 제조한 다음, 상기 제조된 냉연강판을 수소 5% 및 잔부 질소로 이루어지고, 이슬점 온도가 -40℃인 환원성 분위기에서 소둔온도가 750℃인 소둔조건에서 40초간 유지하여 가열처리하였다.
이후, 상기 소둔 처리된 냉연강판을 도금소재로 사용하기 위하여, 480℃로 냉각한 다음, 도금욕 온도가 460℃인 도금욕에 3~5초간 침적하여 한 면의 도금부착량이 60g/m2 되도록 에어나이프로 조정하여 아연도금강판을 제조하였다. 이때, 상기 도금욕의 조성은 하기 표 1에 나타낸 바에 따라 조정하였으며, 특히 Mn을 함유하는 도금욕을 이용하는 경우 Mn-Zn계 합금아연도금강판을 제조할 수 있었다.
이렇게 제조된 각각의 아연도금강판의 용접 LME 발생 여부를 평가하기 위하여 실제 점용접을 실시하였다. 이때, 점용접은 동일한 소재 2매를 겹쳐서 용접하는 2겹 용접을 실시하였으며, 용접방법은 프리펄스 용접을 실시하고, 전류는 직류 전류를 사용하였다. 이때, 전극 성분은 Cu-Cr합금이고 돔 직경은 6㎜이였다. 프리펄스(첫 번째 사이클)는 용접전류 5.5kA에서 11 사이클 실시한 다음 1 사이클 냉각한 후, 2펄스에서는 약 12 사이클 실시하였다. 이때 가압력은 3.6KN이였다.
이러한 용접된 점용접부의 용접 LME 균열 깊이는 너겟부의 단면을 광학현미경으로 관찰하고, 점용접 열영향부인 어깨부의 표면으로부터 소지 내부로 진전된 균열의 길이로 정의하였다. 이 균열의 길이, 즉 용접 LME 균열의 깊이를 측정하여 표 1에 나타내었으며, 도금층 내 Mn함량에 따른 고망간강 합금아연도금강판의 점용접 LME 평가 기준은 용접 LME 균열 발생 여부로 평가하였다.
상기 점용접 후 합금화도((Fe+Mn)%)는 너겟부의 도금층 단면 중간부를 EDS(에너지분산분광기)로 정량분석하고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
그리고, 각 아연도금강판의 도금품질 평가는 다음과 같은 기준으로 미도금 발생 정도와 도금밀착성 우열 정도를 평가하였다.
미도금 정도는 Mn-Zn 합금아연 도금 후 표면외관을 화상처리하여 미도금 부분의 면적을 구한 다음, 아래의 기준으로 등급을 부여하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.
-1등급 : 미도금 결함 없음
-2등급 : 미도금 평균지름이 1mm 미만
-3등급 : 미도금 평균지름이 1~2mm분포
-4등급 : 미도금 평균지름이 2~3mm 분포
-5등급 : 미도금 평균지름이 3mm이상
또한, 도금밀착성은 0T-굽힘시험 후 굽힘 외권부를 테이핑 테스트 시 도금층의 박리 발생 정도를 다음과 같은 기준으로 평가하여 그 결과를 표 1에 나타내었다.
-1등급 : 박리 없음
-2등급 : 5%미만 박리
-3등급 : 5~10%미만 박리
-4등급 : 10~30%미만 박리
-5등급 : 30%이상 박리
No 도금욕 조성(중량%) 도금성(등급) 점용접성 구분
Mn Al Zn 미도금 도금밀착성 합금화도(중량%) LME 균열깊이(㎛)
1 0 0.3 잔부 1 1 2 300 비교예
2 5 0.3 잔부 1 1 6 50 비교예
3 8 0.3 잔부 1 1 13.25 0 발명예
4 10 0.3 잔부 1 1 14.21 0 발명예
5 12 0.3 잔부 1 1 17.54 0 발명예
6 20 0.3 잔부 1 2 25.35 0 발명예
7 23 0.3 잔부 1 2 28.42 0 발명예
8 25 0.3 잔부 2 3 32.10 0 비교예
9 8 0.25 잔부 2 3 15.73 0 비교예
10 8 0.35 잔부 1 2 12.80 0 발명예
11 8 0.4 잔부 1 1 12.22 0 발명예
12 8 0.5 잔부 1 1 10.54 0 발명예
13 8 0.55 잔부 1 1 9.27 30 비교예
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 도금욕 내 Mn의 함량이 8~23%이고, Al 함량이 0.3~0.5%인 경우(No. 3-7, 10-12), 점용접 시 어깨부의 도금층이 고융점인 Fe-Zn-Mn계 석출상으로 생성되고, 액상의 아연이 생성되지 않아 용접 LME 균열이 발생하지 않음을 확인할 수 있다.
반면, Mn이 전혀 함유되지 않는 도금욕을 이용한 경우(No.1)와 도금욕 내 Mn함량이 8% 미만인 경우(No.2) 고융점의 합금상이 형성되지 않거나 도금층에 액상의 아연이 생성되고, 이 액상의 용융아연이 소지의 입계로 침입함에 따라 용접 LME 균열이 발생하였다.
또한, 도금욕 내 Mn 함량이 과다하여 23%를 초과한 경우(No.8)에는 점용접 시 어깨부의 도금층이 고융점인 Fe-Zn-Mn계 석출상이 생성되어 용접 LME 발생은 억제하였으나 도금층 경도가 크게 증가하게 되어 도금박리가 발생하였다.
한편, 도금욕 내 Mn의 함량이 8~23%를 만족하더라도, Al의 함량이 0.3% 미만인 경우(No.9)에는 계면 억제층이 국부적으로 형성됨에 따라 미도금 또는 도금박리가 발생하였으며, 또한 Al의 함량이 0.5%를 초과한 경우(No.13)에는 두꺼운 계면 억제층이 점용접 시 소지철의 Fe, Mn 등의 도금층 확산을 방해하는 장벽으로 작용함에 따라 고융점의 Fe-Zn-Mn계 석출상이 형성되지 않아 용접 LME 균열이 발생하였다.
한편, 도금층 내 Mn 함량에 따른 아연도금강판의 용접 LME 발생 여부를 평가하기 위한 다른 방법으로서 위하여 고온인장시험기를 사용하였다. 먼저, 각각의 강판을 인장시편으로 제작한 후 상기 시험편의 한쪽 면에 열전대를 부착하여 고온인장 시험기에 장착한 후 통전하여 목표 온도인 750℃로 급속 가열한 다음, 인장하여 인장응력과 변형율 관계를 평가하고, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 도금층 내 Mn이 함유되지 않는 순수 아연도금의 경우에는 변형율이 15% 정도로 도금층을 포함하지 않는 고망간강의 변형율인 55% 대비 매우 낮은 변형율에서 파단이 일어나므로 액상 아연에 의한 용접 LME 균열이 발생함을 알 수 있다. 반면, 도금층 내 Mn의 함량이 8% 이상에서는 고망간강의 고유 변형율인 55% 이상의 변형율을 나타내고 있으므로 용접 LME 균열이 발생하지 않음을 알 수 있다.

Claims (6)

  1. 중량%로, 탄소(C): 0.3~1.0%, 망간(Mn): 8~25%, 실리콘(Si): 0.1~3.0%, 알루미늄(Al): 0.1~8.0%, 크롬(Cr): 0.1~2.0%, 티타늄(Ti): 0.01~0.2%, 보론(B): 0.0005~0.01%, 인(P): 0.01~0.3%, 황(S): 0.0005%~0.01%, 니켈(Ni): 0.06~2.0%, 주석(Sn): 0.02~0.2%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 소지강판; 및
    상기 소지강판의 적어도 일 면에 아연계 도금층을 포함하고,
    상기 아연계 도금층은 망간(Mn)의 함량이 8~23중량%인 점용접성 및 도금성이 우수한 고망간강 합금아연도금강판.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 아연계 도금층의 부착량은 40~100mg/m2인 점용접성 및 도금성이 우수한 고망간강 합금아연도금강판.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 아연계 도금층은 점용접 후 합금화도가 10 중량% 이상인 점용접성 및 도금성이 우수한 고망간강 합금아연도금강판.
  4. 중량%로, 탄소(C): 0.3~1.0%, 망간(Mn): 8~25%, 실리콘(Si): 0.1~3.0%, 알루미늄(Al): 0.1~8.0%, 크롬(Cr): 0.1~2.0%, 티타늄(Ti): 0.01~0.2%, 보론(B): 0.0005~0.01%, 인(P): 0.01~0.3%, 황(S): 0.0005%~0.01%, 니켈(Ni): 0.06~2.0%, 주석(Sn): 0.02~0.2%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 소지강판을 준비하는 단계; 및
    상기 소지강판의 적어도 일면에 아연계 도금층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 아연계 도금층은 망간(Mn): 8~23중량% 및 알루미늄(Al): 0.3~0.5중량%로 포함하는 아연도금욕을 이용하여 형성하는 것인 점용접성 및 도금성이 우수한 고망간강 합금아연도금강판의 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 아연계 도금층을 형성하는 단계는 전기도금법, 용융도금법 또는 합금화 용융도금법에 의해 수행되는 것인 점용접성 및 도금성이 우수한 고망간강 합금아연도금강판의 제조방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 아연계 도금층을 형성하는 단계 후, 점용접하는 단계를 더 포함하고,
    상기 점용접 후 상기 아연계 도금층의 합금화도가 10 중량% 이상인 것을 특징으로 하는 점용접성 및 도금성이 우수한 고망간강 합금아연도금강판의 제조방법.
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