KR930005918B1 - 얇은 강판 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

얇은 강판

제1도는 본 발명에 따라 얇은 강판 위에 Fe-Al-Ni 등의 상호확산층을 형성시키는 방법을 설명하는 모식도.

제2도는 본 발명의 얇은 강판을 사용한 배기가스 정화용 촉매를 함유하는 통상(rolled-type)의 금속제담체(carrier body).

제3도는 본 발명의 얇은 강판을 사용한 적층형의 금속체 담체의 사시도.

본 발명은 고온에서 내열성 및 내식성이 있고, 또한 가공성이 우수한 얇은 강판에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 얇은 강판의 표면에 강판, 니켈 및 알루미늄의 구성성분으로 이루어진 상호확산층을 형성시키는 간단한 방법에 의하여 제조되고, 내열성 및 가공성이 우수하고, 용이하게 합금화가 되는 얇은 강판에 관한 것이다.

얇은 강판은 여러분야에서 사용되고 있으나 얇은 강판이 내열성 및 고온에서의 내식성이 요구되는 특정분야에 대해서는 아직 만족스러운 재질의 강판이 보급되어 있지 않다.

이러한 종류의 강판을 사용하는 특정분야로서는 예를 들면 자동차의 배기관, 머플러 등 특히 배기가스 정화용 촉매를 함유하기 위한 금속제의 함유체(이하 "담체"라고 함)가 있다. 지금부터 얇은 강판에 필요한 특성을 금속제의 담체와 관련하여 설명한다.

상기의 배기가스 정화용 촉매를 함유하기에 적합한 금속제 담체는 단위체적당 함유면적을 증가시키기 위하여 즉, 단위체적당 배기가스와 배기가스 정화용 촉매 사이의 유효 접촉면적을 가능한 한 증가시키기 위하여, 또한 금속제 담체 자체 무게를 가능한 한 최소로 하기 위하여, 적어도 하나의 평판상(sheet-like)의 금속강판과 적어도 하나의 파판상 즉, 물결모양의 금속강판을 계층상으로 적층시킨 구조(적층형) 또는 일괄적으로 둥글게 말아서 적층시킨 구조(롤형)를 갖는 것들을 포함하고 있다. 벌집형태로서 이러한 구조를 지금부터 "벌집형구조(honeycomb core structure)"라 칭한다.

예를 들면 20%의 크롬과 5%의 알루미늄을 포함하고, 0.1mm 이하의 두께를 갖는 내열성의 얇은 강판으로 된 평판상 금속강판과 상기의 얇은 강판을 파판상으로 성형시킨 파판상 금속강판은 그들사이에 접촉면적을 갖도록 상호 중첩된다. 다음에, 그들은 배기가스가 통과할 수 있도록 그의 중심축을 따라 다수의 망상형 가스흐름 통로를 규정하는 벌집형구조로 함께 둥글게 말아진다. 이러한 벌집형구조는 필요에 따라 그의 양단이 개방된 단층구조의 관형 금속케이스에 삽입된다. 벌집형구조의 구성부재들, 즉 파판상 강판과 파판상 강판은 상호 고착되어 내진성 구조로 된다. 즉, 둥글게 말아진 벌집형구조는 물론 파판상 강판과 파판상 강판 및 금속케이스는 그들 사이의 접촉면적에서 용접, 경납땜 등에 의하여 함께 고착된다.

벌집형구조에서 얇은 강판의 구성부재들로서 요구되는 특성은 자동차의 배기관이 보통 800℃, 900℃의 고온으로 되고, 매우 부식성이 강한 배기가스에 접하기 때문에 알맞은 내열성 및 고온에서 내식성을 가져야만 한다.

다른 특성으로 얇은 강판(원판)은 압연이 용이하고, 벌집형 구조의 제조중에 파판상 강판의 파형이 변형되지 않도록 강도가 뛰어나야만 한다.

벌집형 구조의 구성부재로서 사용되는 바람직한 얇은 강판으로 산화의 방지를 개선하기 위하여 코발트(Co), 또는 세륨(Ce)이나 이트륨(Y) 등의 희토류를 가한 내열성의 스테인데스강(미국특허 4,661,169와 미국특허 4,414,023)이 제안되었다. 이것이 벌집형 구조의 구성부재로서 사용되려면 0.05mm(50㎛)의 두께와 100mm의 폭을 가져야만 한다.

상기의 평판상 및 파판상의 강판에 대해 요구되는 특성들로부터는 고크롬강, 고니켈강 등의 값비싼 내열강이 사용되어야만 된다. 비용의 면에서는 저판소강, 저크롬강, 저니켈강 등의 비싼 내열강이 사용되어야만 된다.

그러나, 만일 상술한 고가의 내열강이나 저가의 내열강이 구성부재의 재료로서 사용되면, 그것들의 가공성이나 내식성의 문제점 때문에, 만족스러운 벌집형 구조를 얻을 수 없다. 보다 상세히 이 문제점을 설명하면 다음과 같다.

i) 만일 15%-25%의 크롬과 2%-5%의 알루미늄을 포함하는 내열강이 사용되면 충분한 강도의 파판상 강판이 제작되며, 특히 벌집형 구조의 제작중에 파판상 강판의 파형이 변형을 일으키지 않는다. 즉, 평판상 강판과 파판상 강판으로부터 적층형의 벌집형 구조를 제조할 때, 또한 벌집형 구조를 관형 금속케이스에 삽입하고, 관형 금속케이스에 벌집형 구조를 고정할 때에 변형을 일으키지 않는다. 그러나, 이 강철은 매우 강하기 때문에 강판을 벌집형 구조용의 얇은 강판으로 압연하는 것이 곤란하다. 바람직한 두께의 강판을 얻기 위해서는 압연 및 템퍼링이 반복되어야만 되기 때문에 노력과 시간이 소비한다. 그러므로, 벌집형 구조를 제조하는 것은 비용이 많이 든다.

ii) 저가의 벌집형 구조를 얻기 위한 시도로서 0.15% 이하의 탄소를 포함하는 저탄소강의 사용이 제안되었다. 저탄소강으로 형성된 벌집형 구조는 알루미늄 처리(강철 표면과 용융된 알루미늄 피막면 사이의 상호 확산층을 만들기 위해 용융된 알루미늄액에 벌집형 구조를 침지(dipping)하므로써 합금화하거나 고용화 된다. 이와 같이 만들어진 벌집형 구조는 800-900℃의 고온에서 배기가스에 의한 부식성과 제조비용의 문제가 없다. 그러나, 이러한 저탄소강으로부터는 단지 낮은 강도의 파판상 강판이 얻어지기 때문에 벌집형 구조의 제조중에 파판상 강판의 파형이 두드러지게 변형된다.

이러한 파판상 강판의 파형 변형 때문에 필요한 높이의 파형이 만들어질 수 없어서 벌집형 구조의 망상형 가스 흐름 통로의 망사크기가 압력손실(내연기관의 효율을 저하시킴) 등의 문제를 일으키도록 감소된다. 더욱이, 평판상 강판과 파판상 강판 사이의 접촉이 점접촉으로부터 면접촉으로 변화되어 담체에 함유되는 배기가스 촉매량이 감소되어 배기가스 정화 능력이 저하된다.

iii) 다른 시도로서 저크롬강, 예를 들면 SUS410L(크롬함량 : 11-13.5%) 등의 값싼 내열강의 사용이 제안되었다. 이러한 강철은 강도가 상기 i)의 강철보다는 낮고, 상기 ii)의 강철보다는 높다. 그러므로, 벌집형 구조를 제조할 때에 파판상 강판의 파형이 상기 ii)의 강철에 비해 적게 변형된다. 그렇지만, 이러한 종류의 재료의 가장 중요한 문제는 내열성 및 내진성이 부적절하다는 것이다. SUS201과 SUS202등의 저니켈강(니켈함량 : 3-6%)이 내열강으로 사용될 때에도 동일한 문제가 발생한다.

그러므로, 본 발명의 목적은 자동차등의 배기가스 정화용 촉매를 함유하기 위한 금속제 담체의 구성부재에 알맞은 얇은 강판을 제공함에 있다.

발명의 다른 목적은 원재료로서 값싸고 가공성이 우수한 강판으로부터 강판의 표면에 니켈 피막을 형성한다음, 도금된 강판을 알루미늄 용융액에 침지하므로써 내열성, 고온에서의 내식성, 강도 및 가공성이 우수한 저가의 얇은 강판을 제공함에 있다.

본 발명에 따라 얇은 강판과 강판 위에 니켈 피막을 형성한 다음, 코팅된 강판을 알루미늄 용액에 침지하므로써 얇은 강판 위의 표면에 형성되는 상호 확산층으로 이루어지는 얇은 강판을 제공함에 있다.

본 발명의 이상과 같은 목적들과 그밖의 다른 목적들, 특징 및 장점들은 상세한 설명과 본 발명의 원리들에 대한 실시예들이 도시되어 있는 도면들에 의하여 동분야의 기술에 숙력된 사람들에게 명백해 질 것이다.

본 발명에 사용되는 얇은 강판은 값싸고, 가공성이 우수한 0.15% 이하의 크롬함유 저크롬강, 0.15% 이하의 탄소함유 저탄소강, 저니켈강 등으로 이루어질 수 있다. 강판(원판)은 바람직하게 약 0.02-0.1mm의 두께를 갖는 얇은 강판으로 열간 또는 냉간압연된다. 배기관 및 머플러에 사용하기 위해서는 얇은 강판의 바람직한 두께가 보통 2.0mm 이하로 되어야 한다.

다음에, 압연된 얇은 강판은 니켈 도금된다. 예를 들면, 얇은 강판을 탈지 세정한 후에 와트조(Watt bath,예를 들면,조의 구성 성분은 황산니켈 350g/l,염화니켈 50g/l 및 붕산 45g/l이며,PH는 4-4.6이고,조의 온도는 50-60℃이다.)에서 니켈로 전기 도금된다.

니켈 피막의 두께는 원하는 두께로 설정될 수 있다. 상술된 금속제 담체를 구성하는 벌집형 구조의 얇은 강판의 경우, 약 5-10㎛ 정도로도 충분하다. 니켈 도금은 압연 공정 중간에 행해지며 도금된 강판은 원하는 두께를 갖도록 압연될 수 있다.

니켈 피막의 형성은 후술되는 바와 같이 알루미늄 용융액에 코팅된 얇은 강판을 침지 처리하는 것과 관련하여 얇은 강판의 내열성을 향상시키기 위한 것이다. 또한, 이러한 니켈피막은 얇은 강판들을 아주 견고하게 납땜재로 접합할 수 있게 한다.

지금부터 니켈도금된 얇은 강판을 알루미늄 용융액에 침지 처리하는 것에 대해서 서술하기로 한다. 탈지와 세척에 의하여 청정화 처리를 행하고, 표면의 산화를 피막을 제거하기 위하여 용제처리를 한 직후에, 이 니켈도금된 얇은 강판을 약 700℃의 알루미늄 용융액에 침지시킨다. 알루미늄 처리된 얇은 강판을 알루미늄 용액으로부터 들어올린 후에 여분의 알루미늄을 고압공기의 분사(blast)에 의하여 제거한 다음 뜨거운 물로 세척한다.

이 침지처리에서 알루미늄층은 얇은 강판의 전 표면위에 형성되며, 동시에 알루미늄층의 알루미늄은 침지처리시의 열에 의하여 니켈 피칵으로 용융 확산되며, 따라서 철-니켈-알루미늄(Fe-Ni-Al) 등의 합금화층 또는 고용화층(이하부터는 "상호확산층"이라 칭함) 이 형성된다. 알루미늄층의 두께는 니켈 피막의 5-15㎛에 비해 2-20㎛이면 좋다.

이 니켈-알루미늄 상호확산층의 형성은 금속제 담체의 내열성 및 내식성을 향상시키기 위해서 극히 중요하다. 실제로 침지처리는 800℃ 이하의 온도에서 10초동안 특별히는 700-800℃에서 60초 이하 동안, 바람직하게는 720-760℃에서 30초 이하 동안 행하는 것이 좋다.

또한 알루미늄층은 메카니칼(mechanical)도금, 증착 또는 전기도금에 의하여 형성될 수도 있으며, 그후에 이 얇은 강판은 내열성과 내식성이 우수하고 알맞은 경도를 갖는 철-알루미늄-니켈의 상호 확산층을 강판의 표면 위에 형성하기 위하여 확산침투처리된다. 이 확산침투처리는 제1도에 나타나 있다. 당연한 문제로서 만일 평판상 강판(얇은 강판)이 저크롬강으로 만들어지면 상화확산층은 크롬을 함유한다.

본 발명에 따라 얇은 강철판은 압연이 용이하고, 값이 싼 강판으로 만들어지기 때문에 압연 및 어닐링(annealing) 비용을 줄일 수 있다. 강판의 금속성분과 니켈과 알루미늄으로 구성되는 상호확산층을 갖는 본 발명의 얇은 강철판은 다양한 용도로 이용될 수 있다. 도시된 실시예에서, 본 발명의 얇은 강철판은 제2도와 제3도에 도시된 바와 같이 자동차 등의 배기가스 정화용 촉매를 함유하기 위한 금속제 담체에 사용된다.

제2도와 제3도는 배기가스 정화용 촉매를 함유하기 위한 금속제 담체 1, 1'의 사시도이다.

제2도의 벌집형 구조 2는 평판성 금속강판 3과 파판상 금속강판 4가 상호 접촉부를 갖도록 나선형으로 말은 롤형이며, 제3도의 벌집형 구조 2'는 평판상 금속강판 3'와 파판상 금속강판 4'가 계층상으로 적층된 적층형이다. 벌집형 구조 2, 2'는 그의 충심축을 따라 다수의 망상형 배기가스 흐름통로 5, 5'를 갖는다. 제2도와 제3도에서 벌집형 구조 2, 2'는 각각 관형의 금속케이스 6, 6'에 포함된다.

본 발명의 강철판은 압연이 용이하고, 상대적으로 저가인 저크롬강 등의 강판으로부터 제조되기 때문에 경제적이다.

본 발명에 따라 니켈 피막이 얇은 강철판의 표면위에 형성된 다음 알루미늄층이 니켈피막 위에 형성되고, 이들 두 층이 철-니켈-알루미늄, 니켈-알루미늄 등의 니켈 함유 상호확산층을 형성하기 위하여 상호 확산되기 때문에 이들 적층된 층들은 내열성, 고온에서의 내식성 및 충분한 경도를 갖는 얇은 강철판을 구성한다.

더욱이, 만일 얇은 강철판들을 함께 접합하는 경우에 그들의 상호확산층은 납땜재의 기능을 하기 때문에, 특별히 또는 추가의 용접이나 경납땜 단계를 생략할 수 있다.

지금부터, 본 발명을 다음의 실시예들에 의하여 상세히 서술하기로 한다. 본 발명은 다음의 실시예들로만 한정되지는 않는다.

[실시예 1]

저탄소강(JIS G3141,SPCC)으로 만들어지고, 0.035mm의 두께와 74.5mm의 폭을 갖는 얇은 강판의 평판상 강판의 양표면에 6㎛두께의 니켈피막을 형성하였다. 다음에, 니켈 도금된 얇은 강판의 표면으로부터 산화피막을 제거하기 위하여 니켈 도금된 얇은 강판을 혼합용융 염조(염화리튬,염화칼륨,염화나트륨 및 불화나트륨으로 구성됨)에 침지시켜 용제처리(fluxing)을 행하였다.

용제처리 후 니켈 도금관 얇은 강판을 730℃의 용융 알루미늄조에 침지시키고 들어 올렸다. 니켈 도금된 얇은 강판을 위로 들어 올리는 동안, 그것은 송풍기에 노출되어 씻겨진다. 산화피막이 알루미늄조로 용융되었기 때문에 니켈 도금층의 두께는 약 4㎛로 감소되었으며, 4-10㎛의 두께를 갖는 알루미늄층이 니켈층위에 형성되었다.

결과적으로 무산화 또는 환원성 분위기의 가열노에서 평판상 금속강판의 표면에 니켈과 알루미늄이 확산 침투되었다.

따라서, 평판상 금속강판의 표면에 니켈과 알루미늄의 상호 확산층이 형성되었다. 이렇게 얻은 평판상 강철판은 내열성, 고온에서의 내식성 및 높은 강도를 갖는다.

산과 산의 피치(pitch)가 0.5mm, 산의 높이기 2.5mm인 파형으로 가공한 파판상 금속강판을 얻기 위하여, 평판상 금속강판을 성형기어들 사이에 넣었다. 평판상 금속강판과 파판상 금속강판이 그들 사이에 접촉부를 갖도록 서로 중첩한 다음 이들 두 강판을 나선형으로 말은 후, 그들이 느슨해지는 것을 막기 위해 니켈 납땜재에 의하여 원하는 위치에서 접합하였다. 결과적으로 90mm의 외경을 갖는 벌집형 구조가 형성되었으며, 파판상 금속강판의 파형이 롤형으로 가공될 때에 변형되지 않았다. 벌집형 구조는 관형의 금속케이스에 삽입될 수 있으며, 필요에 따라 접합하여도 좋다.

[실시예 2]

저크롬강(JIS G4305,SUS 4101,크롬함량 : 11-13.5%)으로 만들어지고, 0.04mm의 두께와 50.8mm의 폭을 갖는 얇은 강판으로 된 평판상 금속강판의 양 표면 위에 5㎛두께의 니켈피막을 전기도금에 의해 형성하였다. 다음에, 니켈 도금된 평판상 금속강판을 혼합 용융 염조에 침지시켜 용제처리(fluxing)를 행하였다.

용제처리 후, 니켈 도금된 평판상 금속강판을 720℃ 온도의 용융 알루미늄 용액에 침지시켜 들어 올렸다. 니켈 도금된 평판상 금속강판을 위로 들어 올리는 동안 그것은 송풍기에 노출되어 씻겨진다. 산화피막이 알루미늄조에 용융되었기 때문에 니켈 도금된 층은 약 2-3㎛로 감소되었으며, 4-10㎛두께의 알루미늄층이 니켈층 위에 형성되었다. 계속해서 상기 실시예 1의 확산침투 처리를 행하여 70mm의 외경을 갖는 벌집형 구조를 형성하였다. 평판상 금속강판과 파판상 금속강판을 나선형으로 가공하는 동안, 파판상 금속강판의 파형이 변형되지 않았다. 따라서, 원하는 벌집형 구조가 얻어졌다. 이러한 벌집형 구조를 이용하여 실시예 1에서와 같은 방법으로 금속제 담체를 제조하였다.

실시예 1과 2에서 얻은 금속제 담체의 흐름통로 표면에 활성 알루미나(감마-알루미나) 분말과 알루미나 졸(sol)을 배합한 슬러리(Slurry)를 도포한 다음, 이것을 600℃에서 가열처리하여 촉매함 유층을 부착하여 형성하였다. 담체를 실온 700℃에서 50싸이클의 급열 급냉과 진동을 가하는 실험을 실시한 결과, 접합부 또는 피복층 어디에도 균열 또는 박리가 발견되지 않았으며, 우수한 내열 충격성이 확인되었다. 더욱이, 이 담체로는 내열성 및 고온에서 내식성이 우수하였다.

본 발명의 얇은 강판의 표면에는 알루미늄층과 알루미늄 함유 상호확산층에 의거한 알루미늄이 존재하기 때문에 보통 배기가스 정화용 촉매를 함유하기 위한 진공정으로서 행해지는 알루미나를 주성분으로 하는 위시 코팅액(wash coating liguid)의 처리시에 두층 사이에 친화성을 높일 수 있다. 따라서, 촉매 함유층으로서 알루미나층 및 알루미늄 단결정(whiskers)을 안정적으로 형성할 수 있다. 결과적으로 금속제 담체는 고가인 백금 등을 함유하는 3원계 촉매를 확실히 함유시킬 수 있다.

Claims (9)

1. 얇은강판(3)과, 얇은 강판의 표면 위에 형성되고 강판의 금속원소들 및 니켈과 알루미늄으로 형성되는 상호확산층으로 구성되고, 상기 상호확산층은 강철판 위에 니켈 코팅을 하고 용융알루미늄액에서 코팅된 강판(3)을 침지(dipping)시킴으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 얇은 강판.
2. 청구범위 제1항에 있어서, 얇은 강판(3)이 저탄소강, 저크롬내열강 및 저니켈 내열강으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 얇은 강판.
3. 청구범위 제1항에 있어서, 용융알루미늄용액의 온도 및 용융 알루미늄용액엑서의 확산침투 처리온도가 모두 700~800℃의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 얇은 강판.
4. 청구범위 제1항에 있어서, 용융 알루미늄액에서의 침지처리가 60초 이하 동안 행해지는 것을 특징으로 하는 얇은 강판.
5. 얇은 강판(3)과, 얇은 강판의 표면 위에 형성되고 강판의 금속원소들 및 니켈과 알루미늄으로 형성되고 상호 확산층으로 구성되고, 상기 상호확산층은 강철판 위에 니켈 코팅을 하고, 다음 알루미늄 코팅을 하고, 확산침투 처리를 행함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 얇은 강판.
6. 청구범위 제5항에 있어서, 얇은 강판(3)이 저탄소강, 저크롬 내열강 및 저니켈 내열강으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 얇은 강판.
7. 청구범위 제5항에 있어서, 알루미늄층이 메카니칼 도금, 증착 또는 전기도금에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 얇은 강판.
8. 청구범위 제5항에 있어서, 확산침투 처리의 온도가 700~800℃의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 얇은 강판.
9. 청구범위 제5항에 있어서, 확산침투 처리가 60초 이하동안 행해지는 것을 특징으로 하는 얇은 강판.

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