KR20220054384A - 금속 기판 상의 아연 합금 코팅의 성형 특성을 특성화하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 기판 상의 아연 합금 코팅의 성형 특성을 특성화하는 방법 및 아연 합금 코팅을 포함하는 금속 기판에 관한 것이다. 금속 기판 상의 아연 합금 코팅의 성형 특성을 특성화하는 방법으로서, 상기 아연 합금 코팅은 각각 함량이 적어도 0.3 중량%이고, 최대 10 중량%인, Mg, Al, 및 Ni로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 합금 원소, 선택적으로 Si, Sb, Pb, Ti, Ca, Mn, Sn, La, Ce, Cr 또는 Bi로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 추가 원소 - 금속 코팅에서 각각의 추가 원소의 중량 기준 함량은 0.3 중량% 미만임 -, 불가피한 불순물, 및 나머지 아연을 함유하고, 상기 아연 합금 코팅은 1차 아연상 및 2원 공융상 및/또는 3원 공융상을 포함하는 미세구조를 가지며, 이때 아연 합금 코팅 미세구조의 결정학적 배향-의존적 변형 경화 지수(n)를 결정하기 위해 전자 후방 산란 회절(EBSD)이 사용된다.

Description

금속 기판 상의 아연 합금 코팅의 성형 특성을 특성화하는 방법

본 발명은 아연 합금 코팅을 포함하는 금속 기판 및 금속 기판 상의 아연 합금 코팅의 성형 특성(formability property)을 특성화하는 방법에 관한 것이다.

용융 아연 도금(hot-dip galvanization; HDG) 공정을 통해 생산되는 아연 코팅강(zinc-coated steel)은 가정, 건설, 및 자동차 산업의 필수 소재로 각광받고 있다. 기존의 순수 아연 코팅에 알루미늄 및 마그네슘과 같은 요소를 첨가하여 생성된 ZnAlMg 코팅은 우수한 내식성(corrosion resistance) 및 마찰/마모 성능을 제공한다. 그럼에도 불구하고, 이러한 최근의 용융 ZnAlMg 코팅은 현재 일단 성형 공정을 거치면 다소 낮은 내균열성(cracking resistance)을 제공한다. ZnAlMg 코팅의 미세구조적 손상은 심하게 변형된 영역에서 균열을 일으키고 큰 균열을 형성하고 결과적으로 사용 중 내식성을 악화시킨다. 이러한 코팅의 내균열성을 증가시키기 위한 일부 연구가 수행되었다.

예를 들어, EP3369838에는 바람직한 아연 배향 [0001]을 갖는 1차 아연상(primary zinc phase)이 50% 이상 포함된 ZnAlMg 코팅의 미세구조(microstructure)를 갖는 양호한 굽힘 가공성(bending workability)을 갖는 아연 합금 도금된 강판이 개시되었다.

JP2010255084에는, 1 내지 10 중량%의 알루미늄 및 0.2 내지 1 중량%의 마그네슘을 추가로 포함하는 금속 코팅에 0.005 내지 0.2 중량%의 니켈을 첨가하여 합금의 미세구조를 변경함으로써 내균열성이 개선되었다.

이러한 특허는 미세구조에 기반한 균열을 방지하는 방법에 대한 몇 가지 지침을 제공하지만, 이러한 미세구조 손상의 형성 메커니즘 및 이에 따른 예방 조치는 잘 알려져 있지 않다.

이는 미세구조와 관련된 형성 메커니즘을 결정하는 방법이 아직 잘 정의되어 있지 않다는 사실 때문에 지체되고 있다. 따라서, 아연 기반 코팅, 특히 ZnAlMg 코팅의 균열 경향을 평가하고, 미세균열(microcracking) 경향이 낮은 아연 합금으로 금속 기판을 유도하는 방법이 필요하다.

따라서, 본 발명의 목적은 금속 기판 상의 아연 합금 코팅의 성형 특성을 특성화하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 유리한 성형 특성을 갖는 아연 합금 코팅이 있는 금속 기판를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 제1 측면에서, 금속 기판 상의 아연 합금 코팅의 성형 특성을 특성화하는 방법이 제공된다:

ㆍ 상기 아연 합금 코팅은 각각 함량이 적어도 0.3 중량%이고, 최대 10 중량%인, Mg, Al, 및 Ni로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 합금 원소, 선택적으로 Si, Sb, Pb, Ti, Ca, Mn, Sn, La, Ce, Cr 또는 Bi로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 추가 원소 - 금속 코팅에서 각각의 추가 원소의 중량 기준 함량은 0.3 중량% 미만임 -, 불가피한 불순물, 및 나머지 아연을 함유하고,

ㆍ 상기 아연 합금 코팅은 1차상(primary phase) 및 2원 공융상(binary eutectic phase) 및/또는 3원 공융상을 포함하는 미세구조를 가지며,

ㆍ 이때 아연 합금 코팅 미세구조의 결정학적 배향-의존적 변형 경화 지수(crystallographic orientation-dependent strain hardening exponent)(n)를 결정하기 위해 전자 후방 산란 회절(Electron Backscatter Diffraction, EBSD)을 사용한다.

본 발명자들은 놀랍게도, EBSD로부터 얻은 결정학적 배향-의존적 변형 경화 지수(n)를 제공하는 본 발명에 따른 방법이 아연 합금 코팅에서 균열 발생의 형성과 높은 상관관계를 나타내므로 균열에 대한 척도로서 사용될 수 있음을 발견하였다. 결정학적 배향-의존적 변형 경화 지수(n)는 예를 들어 1차 아연상, 2원 공융상 및 3원 공융상의 미세구조의 모든 상에 대해 결정될 수 있다. 바람직하게는, 결정학적 배향-의존적 변형 경화 지수(n)는 적어도 1차 아연상에 대해 결정된다. 아연 합금의 균열 경향은 코팅의 미세 연성(micro ductility)과 관련이 있다. 미세 연성 거동은 아연 합금의 모든 미세구조에 대한 변형 경화 지수(n)로 설명될 수 있으므로, 본 발명에 따른 방법은 균열 발생에 가장 해로운 미세구조 상을 밝히고 분석하는 솔루션이다. 결정학적 배향-의존적 변형 경화 지수(n)는 EBSD로부터 직접 얻을 수 있거나 EBSD와 나노압입 시험(nanoindentation test)의 조합을 통해 얻을 수 있다.

EBSD는 현장에서 잘 알려져 있으며, 관련 실험 설정은 ISO13067:2011에 설명되어 있다. 아연 합금은 육각형 밀집 결정 구조(HPC)를 가지고 있다. 아연 합금의 이러한 HPC 패킹을 통해 EBSD 측정으로부터 결정 배향에 대한 변형 경화 지수(n)가 결정될 수 있으며, 이는 놀랍게도 균열에 대한 양호한 지표를 제공했다.

예를 들어, 2원 공융상은 1차 아연상 또는 3원 공융상보다 평균적으로 더 낮은 변형 경화 지수를 나타내는 것으로 관찰되었으며, 이는 2원 공융상이 균열에 더 취약하다는 일반적인 관찰에 해당한다. 더욱이, 서로 다른 변형 경화 지수를 갖는 1차 아연상 사이의 균열 경향이 또한 본 발명에 따른 방법으로부터 유도될 수 있다. 따라서, 결정학적 배향-의존적 변형 경화 지수(n)는 금속 기판의 아연 합금 코팅에 있는 모든 상에 대한 균열 경향을 설명하는 방법을 제공하며, 낮은 n 값을 갖는 미세구조가 균열을 나타낼 가능성이 더 높음을 보여준다.

원칙적으로 본 발명에 따른 방법은 임의의 금속 기판, 예를 들어 금속 또는 금속 합금 상의 아연 합금 코팅에 사용될 수 있지만, 대부분의 경우 강철 스트립(steel strip) 또는 강철 블랭크(steel blank)일 것이라는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 자동차 외부 패널 제조용 극저탄소(Interstitial Free, IF) 강 및 베이크 하드닝(Bake Hardening, BH) 강, 또는 식품 및 음료 포장용 드로운 앤드 월 아이어닝(Drawn and Wall Ironing, D&I) 응용 분야를 위한 주석판.

바람직한 구현예에서, 아연 합금 코팅 미세구조의 슈미드 계수(Schmid factor)(m)가 결정된다. 슈미드 계수(m)는 미세구조의 모든 상, 예를 들어 1차 아연상, 2원 공융상 및 3원 공융상에 대해 결정될 수 있다. 바람직하게는, 슈미드 계수(m)는 적어도 모든 1차 아연상에 대해 결정된다. 본 발명자들은, 특히 변형 조건 하에서 1차 아연상을 고려할 때, 슈미드 계수가 코팅의 균열 경향에 대한 추가 지표를 제공한다는 것을 발견했다. 높은 슈미드 계수를 갖는 1차 아연상은 균열이 생성되지 않으면서 부과된 변형을 견딜 수 있음을 발견하였다. 따라서 슈미드 계수는 변형을 받는 금속 기판에서 아연 합금의 균열 경향에 대한 추가 지표를 제공한다. 이론에 얽매이지 않고, 본 발명자들은 슈미드 계수가 주요 슬립 시스템(principle slip system)을 나타내고, 낮은 슈미드 계수를 갖는 1차 아연상은 균열 부위로 작용하는 반면, 높은 슈미드 계수를 갖는 1차 아연상은 균열의 전파를 멈추게 하는 변형 메커니즘을 겪는다고 생각한다. 이 구제 메커니즘(rescue mechanism)은 특히 1차 아연상으로 전파되는 균열에 대해 관찰되었다.

슈미드 계수는 EBSD 분석으로부터 결정되었다. 영역들의 슈미드 계수(m) 맵이 계산되었다. 각 아연상과 관련된 슈미드 계수(m)를 얻기 위해, 모든 동등한 결정학적 패밀리를 포함하는 주요 아연 슬립 시스템을 고려하며, 상응하는 슈미드 맵을 계산하고, 하중 방향을 따라 인장 주응력 텐서(tensile principle stress tensor)에 따라 플롯팅했다. 이 과정을 통해, 각각의 균열 및 비균열(non-cracked) 아연상의 슈미드 계수(m)를 결정하였다.

바람직한 구현예에서, 1차 아연상의 hcp 결정의 c-축과 하중 방향 사이의 방위각(orientation angle)(θ)이 결정된다.

방위각(θ)은 아연 합금의 변형 메커니즘에 중요한 요소인 것으로 밝혀졌다. 이 방위각(θ)은 당업자에게 잘 알려진 EBSD 데이터에 대해 생성된 역극점도(Inverse Pole Figure, IPF) 방위 맵(orientation map)으로부터 얻어질 수 있다. 이에 따라 각 1차 아연상에 대해 HCP 아연 결정의 c-축과 하중 방향 사이의 방위각(θ)을 결정하였다. 균열을 줄이기 위해, 1차 아연상의 기저면의 배향은 인장 하중 방향과 평행하게 배향되는 것이 바람직하다는 것이 밝혀졌다.

본 발명의 바람직한 구현예에서, 변형 경화 지수(n)는 나노압입 시험(ISO 14577-4:2016)으로 결정된다. 각 압입(indent)과 관련된 결정학적 배향 의존적 변형 경화 지수(n)는 문헌(참조: Dao et al, Computational modeling of the forward and reverse problems in instrumented sharp indentation, Acta Mater. 49 (2001) 3899-3918. doi:10.1016/S1359-6454(01)00295-6)에 설명된 방법에 의해 EBSD 및 원시 나노압입 데이터를 사용하여 계산되었다. 이와 같이 코팅 내 각 개별 상의 국부적 기계적 특성을 결정할 수 있다.

바람직한 구현예에서, 1차 아연상의 변형 경화 지수(n)는 다음 방정식 n=aθ ⁴-bθ ³+cθ ²-dθ+e를 통해 방위각(θ)으로부터 얻어지며, 이때

ㆍ 1.0Х10^-8 < a < 1.8Х10^-8

ㆍ 1.5Х10^-6 < b < 3Х10^-6

ㆍ 5Х10^-4 < c < 1.5Х10^-3

ㆍ 1Х10^-4 < d < 8Х10^-4

ㆍ 0.27 < e < 0.32

바람직하게는

ㆍ 1.2Х10^-8 < a < 1.6Х10^-8

ㆍ 2.0Х10^-6 < b < 2.5Х10^-6

ㆍ 8Х10^-4 < c < 1.2Х10^-3

ㆍ 3Х10^-4 < d < 6Х10^-4

ㆍ 0.28 < e < 0.30

보다 바람직하게는

n =1.428Х10^-8 θ ⁴-2.233Х10^-6 θ ³+1.027Х10^-4 θ ²-4.631Х10^-4 θ+0.29,

이때 θ는 상기 설명된 EBSD로 결정되는 경우 0 내지 90° 범위이다.

이 4차 방정식을 사용하여, 1차 아연상의 변형 경화 지수(n)를 θ로부터 결정할 수 있으며, 이는 본 발명에 따른 방법을 θ로 상당히 단순화하므로 n은 EBSD 측정만으로 쉽게 얻을 수 있다. 변수 a, b, c, d 및 e는 아연 합금 코팅의 특징을 나타내며, 압입된 샘플로부터 경험적으로 결정될 수 있다. 각각의 압입된 1차 아연상에 대해, EBSD에 의해 결정된 HCP 아연 결정의 c-축과 하중 방향(나노압입에 대한 표면 법선) 사이의 방위각(θ)을 나노압입에 의해 결정된 대응하는 국부 변형 경화 지수(n)에 대해 플롯팅했다. 모든 압입된 아연상에 대해 상기 절차를 반복하였다. 이러한 측정으로부터, 변수 a, b, c, d 및 e의 정확한 수를 얻어 특정 아연 합금 조성에 대한 θ와 n 간의 관계를 확립할 수 있다. 아연 합금 코팅에 대한 변수를 확립한 후, EBSD만으로 샘플에서 n을 쉽게 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 제2 측면에서, 아연 합금 코팅을 포함하는 금속 기판이 제공되며, 상기 아연 합금 코팅은 각각 함량이 적어도 0.3 중량%이고, 최대 10 중량%인, Mg, Al, 및 Ni로부터 선택된 하나 이상의 합금 원소, 선택적으로 Si, Sb, Pb, Ti, Ca, Mn, Sn, La, Ce, Cr 또는 Bi 중에서 선택되는 하나 이상의 추가 원소 - 금속 코팅에서 각각의 추가 원소의 중량 기준 함량은 0.3 중량% 미만임 -, 불가피한 불순물, 및 나머지 아연을 함유하고, 이때 상기 아연 합금 코팅의 미세구조는 1차 아연상 및 2원 및/또는 3원 공융상을 포함하며, 상기 1차 아연상은 상기 기재된 방법에 의해 결정된 바와 같은 결정학적 배향-의존적 변형 경화 지수(n)가 적어도 0.29이다.

더 높은 n을 갖는 1차 아연상을 갖는 아연 합금 코팅이 있는 금속 기판은 균열에 대한 경향이 낮을 뿐만 아니라 다른 1차 아연상 또는 공융상에서 시작된 균열을 구제할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 1차 아연상은 n이 적어도 0.29, 바람직하게는 n이 적어도 0.33, 보다 바람직하게는 n이 적어도 0.34, 가장 바람직하게는 n이 적어도 0.35이다. 특별히 제한되지 않지만, n이 1.00을 초과하는 1차 아연상은 표준 제조 방법에 따라 얻어지기 어려울 것이기 때문에, 1차 아연상의 n에 대한 적합한 상한은 1.00이다.

바람직한 구현예에서, 아연 합금 코팅의 1차 아연상은 슈미드 계수 m이 0.01 내지 0.5, 바람직하게는 0.33 내지 0.5, 보다 바람직하게는 0.34 내지 0.5, 가장 바람직하게는 0.35 내지 0.5이다. 1차 아연상의 균열 경향은 슈미드 계수가 증가함에 따라 감소한다.

바람직한 구현예에서, 아연 합금 코팅의 1차 아연상의 적어도 55%는 θ가 45° 초과, 바람직하게는 θ가 60° 초과, 보다 바람직하게는 θ가 65° 초과이며, θ가 45°를 초과하는 1차 아연상은 균열이 덜 보였고 다른 상에서 개시된 균열을 구제할 수 있는 것으로 관찰되었다. 따라서, 바람직하게는 1차 아연상의 적어도 55%는 아연 합금 코팅의 전체 무결성(overall integrity)이 유지되도록 하기 위해 θ가 45° 초과, 바람직하게는 θ가 60° 초과, 보다 바람직하게는 θ가 65° 초과이며, 보다 바람직하게는 1차 아연상의 적어도 65%는 θ가 45° 초과, 바람직하게는 θ가 60° 초과, 보다 바람직하게는 θ가 65° 초과이고, 가장 바람직하게는 1차 아연상의 적어도 75%는 θ가 45° 초과, 바람직하게는 θ가 60° 초과, 보다 바람직하게는 θ가 65° 초과이다.

바람직한 구현예에서, 아연 합금 코팅의 1차 아연상의 적어도 55%는 결정학적 배향-의존적 변형 경화 지수 n이 0.33 초과, 바람직하게는 n이 0.34 초과, 보다 바람직하게는 n이 0.35 초과이다. n이 0.33 초과인 1차 아연상은 더 적은 균열을 보여주고, 다른 상에서 개시된 균열을 구제할 수 있는 것으로 관찰되었다. 이론에 구속되는 것은 아니지만, 1차 아연상의 상이한 결정학적 배향은 HCP 기계적 이방성의 결과로서 상이한 크기의 국부 변형 경화 지수를 갖는 것으로 믿어진다. 따라서, 아연 합금에서 1차 아연상의 75% 이상이 하중 방향과 관련하여 바람직하지 않은 배향을 갖고, n이 0.33 미만을 나타내는 경우, 인장/굽힘 변형 중에 심각한 균열이 발생할 것이다.

따라서, 바람직하게는 1차 아연상의 적어도 75%는 아연 합금 코팅의 전체 무결성이 유지되도록 하기 위해 n이 0.33 초과, 바람직하게는 n이 0.34 초과, 더욱 바람직하게는 n이 0.35 초과이고, 보다 바람직하게는 1차 아연상의 적어도 80%는 n이 0.33 초과, 바람직하게는 n이 0.34 초과, 보다 바람직하게는 n이 0.35 초과이다.

바람직한 구현예에서, 1차 아연상의 적어도 55%는 슈미드 계수 m이 0.32 초과, 바람직하게는 m이 0.33 초과, 보다 바람직하게는 m이 0.35 초과이다. m이 0.32를 초과하는 1차 아연상은 더 적은 균열을 보여주고, 다른 상에서 개시된 균열을 구제할 수 있는 것으로 관찰되었다. 따라서, 바람직하게는 1차 아연상의 적어도 55%는 아연 합금 코팅의 전체 무결성이 유지되도록 하기 위해 m이 0.32 초과, 바람직하게는 m이 0.33 초과, 보다 바람직하게는 m이 0.35 초과이고, 보다 바람직하게는 1차 아연상의 적어도 65%는 m이 0.32 초과, 바람직하게는 m이 0.33 초과, 보다 바람직하게는 m이 0.35 초과이고, 가장 바람직하게는 1차 아연상의 적어도 75%는 m이 0.32 초과, 바람직하게는 m이 0.33 초과, 보다 바람직하게는 m이 0.35 초과이다. 낮은 슈미드 계수(m＜0.32)를 갖는 1차 아연상은 소성 변형에 대한 전위 운동(dislocation motion)이 부족하여 균열을 겪을 가능성이 더 크다.

바람직한 구현예에서, 아연 합금 코팅은 5 내지 35%의 2원 공융상을 포함한다. 또한, 본 발명자들은 대부분의 균열이 이원 공융상에서 시작된다는 것을 발견하였다. 이원 공융상은 또한 평균 0.10 이하로 낮은 n을 나타내어 크랙 경향이 높고, 인접한 상의 크랙을 구제하는 경향이 낮았다. 따라서, 이원 공융상의 존재는 바람직하게는 5 내지 35%, 보다 바람직하게는 5 내지 20%, 보다 바람직하게는 5 내지 10% 사이에서 유지된다.

이 범위 내에서, 이원 공융상에서 개시된 균열은 금속 기판 상의 아연 합금 코팅의 전체 무결성을 유지하기 위해 주변 상에 의해 여전히 충분히 구제될 수 있다.

대안적인 구현예에서, 아연 합금 코팅은 이원 공융상이 없다. 대부분의 균열은 0.3보다 훨씬 낮은 평균 0.10 미만의 n을 갖는 이원 공융상에서 개시되기 때문에, 이원 공융상이 없는 아연 합금 코팅은 균열이 훨씬 적은 것으로 여겨진다.

바람직한 구현예에서, 아연 합금 코팅은 0.3 내지 5 중량%의 Al 및 0.3 내지 5 중량%의 Mg를 포함하고, 보다 바람직하게는 아연 합금 코팅은 1 내지 2 중량%의 Al 및 1 내지 2 중량%의 Mg를 포함하며, 이러한 코팅은 기존의 아연 코팅과 비교하여 내식성, 스톤 칩핑 저항성(stone chipping resistance)이 개선되었다.

바람직한 구현예에서 아연 합금 코팅은 용융 코팅(hot dip coating)이다. 아연 합금 코팅은 당업자에게 알려진 모든 일반적인 방법으로 금속 기판에 적용될 수 있지만, 본 발명에 따른 금속 기판은 바람직하게는 용융 코팅에 의해 제조된 아연 합금 코팅을 갖는다. 용융 코팅은 당업자에게 잘 알려져 있으며, 금속 기판의 적어도 한 면에 아연 합금 코팅을 적용하는 것이 신뢰할 수 있고 비교적 저렴한 방법이라는 이점을 가지고 있다.

바람직한 구현예에서, 아연 합금 코팅 미세구조는 다양한 변형 경화 지수를 갖는 상들을 포함하며, 이때 결정학적 배향-의존적 변형 경화 지수 n이 0.33 미만인 상들의 적어도 70%는 결정학적 배향-의존적 변형 경화 지수 n이 0.33을 초과하는 갖는 상들로 둘러싸여 있다. 본 발명자들은, 합금 코팅에서 균열의 개시는 균열로 끝날 수 있거나 구제될 수 있어 전체적으로 허용가능한 코팅 층을 유도할 수 있다는 것을 발견되었다. 이미 자세히 설명한 바와 같이, 균열의 전파에는 상 경계(phase boundary)가 포함된다. 따라서, 균열은 n이 낮은 상, 예를 들어 이원 공융상에서 개시될 수 있으며, n이 높은 상, 예를 들어 1차 아연상으로 전파될 수 있다. n이 0.33 미만인 상들이 n이 적어도 0.33인 상들로 둘러싸인 경우, 균열의 전파가 중단되어 균열 형성을 구제하고 전반적으로 양호한 아연 합금 코팅을 유지하는 것으로 밝혀졌다.

본 발명은 이제 도면 및 비제한적 실시예에 기초하여 추가로 설명된다.
도 1은 ZnAlMg 코팅 내 미세구조 균열 거동의 개략도를 보여준다.
도 2는 압연 방향(RD)과 평행한 하중을 갖는 Zn HCP 결정 배향을 보여준다. 도 2a는 m 값이 높은(0.5), 내균열성에 유리한 Zn HCP 결정 배향을 나타내고, 도 2b는 m 값이 중간인(0.32 내지 0.45), 내균열성에 유리한 Zn HCP 결정 배향을 나타내며, 도 2c는 균열을 야기하는 Zn HCP 결정 배향을 나타낸다.
도 3은 이미지 품질(image quality, IQ), IQ 플러스 역극점도(IPF), 대응하는 슈미드 맵 및 임계 번호가 매겨진 상의 HCP 결정을 포함하여, 단축 인장(uniaxial tension)을 겪은 10% 변형 후 균열 영역의 EBSD 결과를 나타낸다.
도 4는 주요 아연 슬립 시스템을 나타낸다.
도 5는 3개의 샘플(I1, I2, C1)에 대한 n-값 분포와 이들의 EBSD 이미지 품질 맵을 도시한다.

도 1은 변형 국부화(strain localization)의 결과로 이원 공융상의 MgZn₂ 소판에서 작은 미세 균열의 핵 생성(nucleation)으로 시작된 균열 경로의 단계 I을 보여준다. 이원 공융상은 약 0.08의 낮은 n을 가지며 따라서 균열이 발생하기 쉽다. 변형이 진행됨에 따라, 이러한 미세 균열이 합쳐지고 이원 공융 소판에 대해 대부분 수직으로 성장한다(예를 들어, 도 1의 단계 II). 균열이 1차 Zn상과 2원 공융상 사이의 계면에 도달하면, 이전에 수행된 인시츄 평가(in-situ evaluation)에 따라 두 가지 상황이 있을 수 있다. 첫 번째 상황은 인접한 Zn상이 청구항들에 따라, θ ＞ 60° 및/또는 m ＞ 0.32를 제공하는 하중 방향에 수직인 [0001]에 가까운 배향을 나타낸다는 것이다. 이 상황에서, Zn상의 주요 슬립 시스템은 쉬운 전위 운동에 의해 활성화되고 이후에 분할 균열(cleavage cracking) 대신 연성 소성 변형(ductile plastic deformation)이 발생한다(힘 방향이 RD와 평행하다고 가정됨). 결과적으로, 균열은 1차 아연상 경계에서 저지된다. 인접한 Zn상이 HCP c-축이 하중 방향과 평행한 배향을 갖고(도 2c 참조) 낮은 m과 n을 포함하는 경우, 균열 전파에 유리한 위치로 작용한다(예를 들어, 단계 III에서 균열된 Zn상 번호 2, 도 1). 특히, θ(하중 방향에 대한 HCP c-축의 방위각)를 0°에서 90°로 높이면, 분할이 덜 지배적이며, 기저 전위 슬립(basal dislocation slip)을 포함한 주요 연성 변형 메커니즘이 효과적으로 활성화되고 균열 전파를 방지한다. 도 1은 ZnAlMg 코팅의 통상적인 균열 메커니즘을 제공하지만, 개별 균열은 이원 공융상에서 사전 핵 생성 없이 바람직하지 않은 배향(m＜0.32)을 갖는 아연상에서도 형성될 수 있음이 언급되어야 한다. 따라서, 본 발명에 따른 방법에 의해, 아연 합금 코팅의 균열 거동은 n을 분석함으로써 쉽게 측정되고 예측될 수 있다. 다른 파라미터인 m과 θ는 완전한 픽처(complete picture)로 이어지는 균열 메커니즘에 대한 추가 정보를 제공한다.

도 3은 이미지 품질(IQ), IQ 플러스 역극점도(IPF), 대응하는 슈미드 맵 및 임계 번호가 매겨진 상의 HCP 결정을 포함하여, 단축 인장을 겪은 10% 변형 후 균열 영역의 EBSD 결과를 나타낸다. EBSD 결과로부터 낮은 m 및 낮은 n을 갖는 Zn상이 인장 시험 동안 입내 균열(transgranular cracking)을 경험하였음을 관찰할 수 있다. 예를 들어, 하중 방향 또는 RD에 거의 평행한 c-축(θ=2.1°)을 갖는 상 번호 1은 매우 낮은 변형 경화 지수(n=0.289)와 또한 낮은 슈미드 계수(m=0.03)를 나타내고, 불리하게 배향되어 결과적으로 균열이 발생했다. 한편, 변형 경화 지수(n=0.368) 및 높은 슈미드 계수(m=0.44)를 갖는 상 번호 3은 균열을 견디지 않고 소성 변형을 수용할 수 있는 유리한 배향으로 노출되었다. 또한, 상 번호 1 및 2에서 형성된 균열은 m-계수가 높은 인접상의 경계에서 정지된다.

이러한 EBSD 결과는 본 발명에 따른 방법에 따라 얻어졌다. 나노압입 및 전자 후방 산란 회절(EBSD)을 위해 아연 합금 코팅(Zn1.6Al1.6Mg)이 있는 금속 기판(HSLA 등급 강)을 준비하였다. 이를 위해, 코팅된 금속 시트에서 정사각형 샘플(1 x 1cm)을 절단했다. 아연 합금 코팅된 샘플의 표면은 Struers MD Nap 디스크에서 3 내지 5분 동안 1 μm 다이아몬드 현탁액과 물이 없는 윤활제를 사용하여 기계적으로 약간 연마되어 비교적 매끄러운 표면을 얻었다. 그 후, 샘플은 양호한 표면 품질을 얻기 위해 이온 연마기(ion polisher)(JEOL IB-19520CCP)를 사용하여 15분 동안 플랫 이온 밀링(flat ion milling)되었다. 인시츄 SEM 인장 및 굽힘 시편도 시험을 수행하기 전에 위와 동일한 절차로 준비되었다.

연속 강성 측정(continuous stiffness measurement, CSM) 모드를 사용하여 Berkovich 팁이 있는 MTS Nano Indenter XP®를 사용하여 나노압입 시험을 수행했다. 3 mN의 힘을 가하고, 압입들 사이의 간격을 8 μm로 하는 하중 제어된 압입을 코팅 미세구조에 대해 수행했다.

n과 세타를 상관시키는 방정식을 얻기 위해, 미세구조의 모든 기존 상(1차 아연, 2원 공융상 및 3원 공융상)을 양호한 통계적 표현으로 충분히 포착하기 위해 무작위로 선택된 3개 영역에서 200개 이상의 압입을 적용했다. 코팅 미세구조 상의 각 압입에 대해 라벨이 지정되었다. 이어서, 각각의 라벨이 붙은 압입과 관련된 변형 경화 지수(n)는 상기 설명된 원시 나노압입 데이터를 사용하여 계산되었다.

코팅의 압입된 영역에 대한 EBSD 측정을 수행했다. 이를 위해 샘플을 70° 기울어진 각도로 SEM 챔버에 넣었다. 관심 영역을 선택하고, 12 내지 15 μm의 작동 거리(working distance)를 적용했다. 200 nm의 스텝 크기와 25 kV의 가속 전압을 사용하여 EBSD 패턴을 획득했다.

인시츄 인장 및 굽힘 시험을 거친 시편의 균열 부위에 대해 EBSD 측정을 수행했다. 얻어진 EBSD 결과를 EDAX-TSL OIM™ Analysis 8 소프트웨어로 분석하였다. 압입된 영역의 EBSD 데이터에 대해 이미지 품질(IQ), 역극점도(IPF) 방위 맵이 생성되었다. 따라서, 각각의 1차 아연상에 대해, HCP 아연 결정의 c-축과 하중 방향(나노압입에 대한 표면 법선) 사이의 배향각(θ)을 결정하고, 나노압입에 의해 이전에 달성된 각 표지된 아연상의 대응하는 국부 변형 경화 지수(n)에 대해 플롯팅했다. 모든 압입된 아연상에 대해 상기 절차를 반복하였다. 궁극적으로, θ와 n 사이의 관계를 확립하기 위해 얻어진 경화물에 대해 4차 다항식을 피팅하였다. Zn, 1.6% Al 및 1.6% Mg를 함유하는 샘플의 합금 코팅의 경우, a=1.428Х10^-8, b=2.233Х10^-6, c=1.027Х10^-4, d=4.631Х10^-4 및 e=0.29인 것으로 밝혀졌으므로 n과 세타의 관계는 n=1.428Х10^-8 θ ⁴-2.233Х10^-6 θ ³+1.027Х10^-4 θ ²-4.631Х10^-4 θ+0.29로 부여된다.

굽힘 및 인장 시험을 거친 미세구조의 균열 부위에 대해 별도의 EBSD 분석을 수행하였다. 이미지 품질(IQ) 및 역극점도(IPF) 맵 외에도, 해당 영역의 슈미드 계수(m) 맵을 계산하였다. 각 아연상과 관련된 슈미드 계수(m)를 얻기 위해, 모든 동등한 결정학적 패밀리를 포함하는 주요 아연 슬립 시스템이 고려되었으며, 대응하는 슈미드 맵이 계산되고, 압연 방향(RD)을 따라 인장 주응력 텐서에 따라 플롯팅되었다. 이 과정을 통해 각각의 균열 및 비균열 아연 상의 슈미드 계수(m)를 얻었다.

EBSD 분석에 의한 굽힘/인장 시험 후 균열상 및 비균열상의 HCP 아연 결정 배향을 사용하여 관련된 상의 θ 값을 계산하였다. θ 값은 RD에 평행한 인장 하중과 관련하여 결정되었다. 이후, 각각의 측정된 θ 값을 사용하여 상기 정의된 식을 사용하여 대응하는 n-값을 계산하였다.

도 4는 문헌(참조: R. Parisot, et al., Deformation and Damage Mechanisms of Zinc Coatings on Hot-Dip Galvanized Steel Sheets: Part I. Deformation Modes, Metall. Mater. Trans. A Phys. Metall. Mater. Sci. 35 A (2004) 797-811 and C. Tome et.al, The yield surface of hcp crystals, Acta Metall. 33 (1985) 603-621)에 또한 기재된 바와 같이, 압연 방향(RD)을 따라 인장 주응력 구배에 따라 플롯팅된, 대응하는 슈미드 맵을 계산하기 위해 고려된 모든 동등한 결정학적 패밀리를 포함하는 주요 Zn 슬립 시스템을 보여준다.

본 발명의 방법에 따라 인장 및 굽힘을 거친 후 아연 합금 코팅된 금속 기판 상의 1차 아연상에 대해 수득된 결과를 하기 표에 나타내었다.

45 초과의 세타, 0.32 초과의 슈미드 계수 및/또는 0.33 초과의 변형 경화 지수를 갖는 1차 아연 상은 균열되지 않음을 표로부터 알 수 있다.

다음으로, 3개의 아연 코팅된 강철 샘플(I1, I2 및 C1)을 460 내지 470℃의 온도에서 용융 아연 도금하여 준비했다. 샘플 C1의 와이핑 속도(wiping speed)는 샘플 I1 및 I2보다 20배 더 높았다. 샘플을 EBSD로 분석하여 n, m 및 θ 값을 얻었고, 실제 변형률이 0.1이 될 때까지 인장 시험을 받았다. 인장 방향에 대해 0 내지 90°로 변하는 θ 값은 EBSD 결과의 후처리를 통해 얻어졌다. 결정립의 n-값 및 분포(도 5에 도시됨)는 방정식 n =1.428Х10^-8 θ ⁴ -2.233Х10^-6 θ ³+1.027Х10^-4 θ ²-4.631Х10^-4 θ+0.29를 통해 얻어졌다.

균열 정량화 및 상들의 분율은 이미지 분석에 의해 측정되었다.

n이 0.33을 초과하는 1차 상 결정을 적어도 75% 갖는 본 발명의 샘플 I1 및 I2는 n이 0.33을 초과하는 1차 상 결정을 75% 미만으로 갖는 샘플 C1보다 훨씬 더 적은 균열 및 더 짧은 평균 균열 길이를 초래한다는 것을 알 수 있다.

Claims (13)

1. 금속 기판 상의 아연 합금 코팅의 성형 특성(formability property)을 특성화하는 방법으로서,
   ㆍ 상기 아연 합금 코팅은 각각 함량이 적어도 0.3 중량%이고, 최대 10 중량%인, Mg, Al, 및 Ni로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 합금 원소, 선택적으로 Si, Sb, Pb, Ti, Ca, Mn, Sn, La, Ce, Cr 또는 Bi로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 추가 원소 - 금속 코팅에서 각각의 추가 원소의 중량 기준 함량은 0.3 중량% 미만임 -, 불가피한 불순물, 및 나머지 아연을 함유하고,
   ㆍ 상기 아연 합금 코팅은 1차 아연상(primary zinc phase) 및 2원 공융상(binary eutectic phase) 및/또는 3원 공융상(ternary eutectic phase)을 포함하는 미세구조(microstructure)를 가지며,
   ㆍ 아연 합금 코팅 미세구조의 결정학적 배향-의존적 변형 경화 지수(crystallographic orientation-dependent strain hardening exponent)(n)를 결정하기 위해 전자 후방 산란 회절(Electron Backscatter Diffraction, EBSD)이 사용되며, 이때 상기 1차 아연상의 hcp 결정의 c-축과 하중 방향 사이의 방위각(orientation angle)(θ)이 결정이 결정되고, 이때 n은 방정식 n =aθ ⁴ -bθ ³+ cθ ²-dθ+e를 통해 방위각(θ)으로부터 결정되며, 이때
   ㆍ 1.0Х10^-8 < a < 1.8Х10^-8
   ㆍ 1.5Х10^-6 < b < 3Х10^-6
   ㆍ 5Х10^-4 < c < 1.5Х10^-3
   ㆍ 1Х10^-4 < d < 8Х10^-4
   ㆍ 0.27 < e < 0.32
   인 것인, 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 아연 합금 코팅 미세구조의 슈미드 계수(Schmid factor)(m)가 결정되는 것인, 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 변형 경화 지수(n)는 나노압입 시험(nanoindentation test)에 의해 결정되는 것인, 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방정식 n =aθ ⁴ -bθ ³+ cθ ²-dθ+e의 a, b, c, d 및 e는 EBSD에 의해 결정된 방위각(θ)을, 나노압입에 의해 결정된 대응하는 국부 변형 경화 지수(n)에 대해 플롯팅함으로써 결정되는 것인, 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1차 아연상의 변형 경화 지수(n)는 방정식 n =aθ ⁴ -bθ ³+ cθ ²-dθ+e를 통해 방위각(θ)으로부터 얻어지고, 이때
   ㆍ 1.2Х10^-8 < a < 1.6Х10^-8
   ㆍ 2.0Х10^-6 < b < 2.5Х10^-6
   ㆍ 8Х10^-4 < c < 1.2Х10^-3
   ㆍ 3Х10^-4 < d < 6Х10^-4
   ㆍ 0.28 < e < 0.30
   보다 바람직하게는 n =1.428Х10^-8 θ ⁴ -2.233Х10^-6 θ ³+ 1.027Х10^-4 θ ²-4.631Х10^-4 θ+0.29인 것인, 방법.
6. 아연 합금 코팅을 포함하는 금속 기판으로서, 상기 아연 합금 코팅은 각각 함량이 적어도 0.3 중량%이고, 최대 10 중량%인, Mg, Al, 및 Ni로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 합금 원소, 선택적으로 Si, Sb, Pb, Ti, Ca, Mn, Sn, La, Ce, Cr 또는 Bi로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 추가 원소 - 금속 코팅에서 각각의 추가 원소의 중량 기준 함량은 0.3 중량% 미만임 -, 불가피한 불순물, 및 나머지 아연을 함유하고, 이때 상기 아연 합금 코팅의 미세구조는 1차 아연상 및 2원 및/또는 3원 공융상을 포함하며, 상기 1차 아연 상은 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 의해 결정된 바와 같이, 결정학적 배향-의존적 변형 경화 지수(n)가 적어도 0.29이고, 상기 1차 아연상의 적어도 75%는 결정학적 배향-의존적 변형 경화 지수 n이 0.33을 초과하는 것인, 금속 기판.
7. 제6항에 있어서, 상기 1차 아연 상은 슈미드 계수 m이 0.01 내지 0.5인 것인, 아연 합금 코팅을 포함하는 금속 기판.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 1차 아연상의 적어도 55%는 θ가 45° 초과이고, 바람직하게는 θ가 60° 초과이며, 보다 바람직하게는 θ가 65° 초과인 것인, 아연 합금 코팅을 포함하는 금속 기판.
9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 1차 아연상의 적어도 55%는 슈미드 계수 m이 0.32 초과이고, 바람직하게는 m이 0.33 초과이고, 보다 바람직하게는 m이 0.35 초과인 것인, 아연 합금 코팅을 포함하는 금속 기판.
10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 아연 합금 코팅은 5 내지 35%의 이원 공융상을 포함하는 것인, 아연 합금 코팅을 포함하는 금속 기판.
11. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 아연 합금 코팅은 2원 공융상이 없는 것인, 아연 합금 코팅을 포함하는 금속 기판.
12. 제6항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 아연 합금 코팅은 0.3 내지 5 중량%의 Al 및 0.3 내지 5 중량%의 Mg를 포함하는 것인, 아연 합금 코팅을 포함하는 금속 기판.
13. 제6항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 아연 합금 코팅은 용융 코팅(hot dip coating)인 것인, 아연 합금 코팅을 포함하는 금속 기판.

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