KR20220130842A

KR20220130842A - 극저온 용융알루미늄 도금 강재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20220130842A
Application number: KR1020210035589A
Authority: KR
Inventors: 김창민; 박문오
Original assignee: 덕산산업주식회사
Priority date: 2021-03-19
Filing date: 2021-03-19
Publication date: 2022-09-27
Also published as: KR102578420B1

Abstract

본 발명에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재 및 그 제조방법은, 비커스 경도 138 내지 141 Hv 인 소지철 모재(10); 상기 소지철 모재(10) 상에 용융 알루미늄이 침투 형성되고, 비커스 경도 398 ~ 426 Hv 이고, Fe 40 ~ 45 중량%, 및 잔부 Al 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 Al-Fe 합금층(20); 및 상기 Al-Fe 합금층(20) 상에 형성되고, 비커스 경도 36 ~ 39 Hv 이고, Fe 2~3 중량% 및 잔부 Al로 이루어지는 Al 코팅층(30);을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

극저온 용융알루미늄 도금 강재 및 그 제조방법{HOT-DIP ALUMINUM COATED STEEL FOR EXTREMELY LOW TEMPERATURE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 극저온 용융알루미늄 도금 강재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일반적으로 탄소강은 극저온 환경에서 연성과 취성이 급격하게 취약해지는 것을 방지하고 우수한 기계적 성질과 내식성을 가질 수 있도록 용융알루미늄 도금 처리 및 그 제조방법에 관한 것이다.

대부분의 금속 탄소강 소재는 온도가 내려감에 따라 금속 성질이 변하게 되며, 주로 BCC 구조의 금속에서 많이 나타나는데, 저온 환경에서 용융알루미늄 도금된 탄소강의 표면은 알루미늄의 FCC 구조로 형성됨으로서 극저의 취성에 있어 상호 보완적 작용이 가능할 것으로 사료되나, Steel의 Carbon 함유량 및 기타 함유 원소에 따른 천이온도가 상이하므로 저온에서의 알루미늄 도금 강의 정확한 취성 특성을 파악하기 위해서는 충격시험을 통한 확인이 필요하다.

저온에서 사용되는 구조물의 경우 극저온 환경 하에서 취성 경향이 커지기 때문에 설계나 제작 시 충분히 고려되어야 한다. 특히 저온에서 가장 중요한 성질은 인성으로 LNG 보관 및 수송 관련한 용기, 운반용 배관 등은 저온 매체에서도 충분한 인성을 가져야 하기 때문에, 알루미늄 합금, 니켈 강, 오스테나이트계 스텐레스 강등이 많이 사용되고 있다.

알루미늄 합금은 친환경적이고, 재생이 용이한 재료로서 가벼운 중량, 높은 강도 대 중량비, 뛰어난 내식성과 가공성 등 다양한 장점을 가진다. 알루미늄 합금 중 5000, 6000 계열은 해수에 노출되는 선박 및 해양플랜트에 사용되고 있다.

이 중에서, Al-Mg 합금인 A5083 알루미늄 합금은 강도가 높고 저온 취성 등이 우수하여, 모스형 LNG선 탱크의 주요 파트인 Spherical shell Equator 및 Skirt 등에 적용되고 있다.

한편, 저온용 알루미늄 소재는 LNG 가스를 보관, 운반 등에 사용하기 위한 소재로 관심을 받고 있다. LNG 가스는 메탄을 주성분으로 하는 천연가스로서 -163℃로 냉각되어 투명한 극저온 액체이며, LNG 가스를 사용하는 LNG운반 선박 및 해양플랜트의 경우, 알루미늄 합금, 스테인리스강, 니켈강, 인바합금 등 저온 영역에서 우수한 기계적 성질과 내식성을 가지는 것으로 알려져 있다.

A5083 및 기타 합금과 관련된 종래 문헌에서 대부분 저온으로 온도가 낮을수록 항복강도, 인장강도는 소폭 증가하는 것으로 확인되었으며, 일부 온도 구간에서는 하중-변위 곡선의 톱니형상(serration)이 진행되면서 국부적으로 가공경화로 강도가 일부 낮게 나타나는 문제점이 있다.

특허문헌 0001에는 규소 및 세륨과 칼슘으로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상의 공융 형성 원소를 함유하고, 합금 구조는 규소 및 임의로 마그네슘, 알루미늄 매트릭스이고, 합금 구조는 주로 규소 및 선택적으로 마그네슘, L12 유형 격자 및 20 nm 이하의 크기를 갖는 Al3 (Zr, Sc)상의 2차 침전물, Al6Mn 및 Al7Cr의 2차 침전물, 입자의 평균 크기가 1μm 이하인 철, 칼슘 및 세륨을 함유하는 공융 상을 주로 함유하는 알루미늄 매트릭스를 포함하는 알루미늄 합금에 관한 기재가 있다.

한편, 가격이 저렴하고, 내식성(내구멍부식)이 우수하며, 표면외관이 미려하여 자동차 내, 외판용으로 그 사용량이 점차 증가하고 있는 아연도금강판에 관한 공지 기술이 있다.

특허문헌 0002에는 소지 강판 위에 형성된 Fe-Al계 금속간 합금상을 포함하는 억제층(inhibition layer); 상기 억제층 위에 형성된 용융아연도금층; 및 상기 억제층과 용융아연도금층 사이에 불연속적으로 형성된 Al-Mn계 합금상을 포함하는 저온 밀착성과 가공성이 우수한 용융아연도금강판에 관한 기재가 있다.

아염도금강판의 문제점으로는 도금시 철이 도금층으로 확산될 수 있기 때문에 용접전극 표면에서 아연과 전극이 합금화되는 현상이 발생한다. 또한, 가공시 다이와의 고압, 고속 마찰에 의해 도금층이 탈락하여 비드부에 부착되고, 그 탈락된 도금층양이 많아지면 강판의 표면으로 떨어져 스크래치나 덴트와 같은 결함을 유발하는 문제점을 가지고 있다.

한국공개특허 제10-2020-0030035호 (공개일 : 2020.03.19.) 한국등록특허 제10-2031454호 (등록일 : 2019.10.04.)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 각 소재별 연성과 취성이 급격하게 변하는 온도를 고려한 연성-취성변이온도(DBTT)를 통해, FCC 구조를 가지도록 하여 극저온 환경에서도 일반 탄소강에서도 취성, 스크래치 특성, 인장 특성, 싸이클 반복 특성, 박리 특성을 이용한 용융 알루미늄 도금 처리 및 그 제조방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 용융 알루미늄 도금 처리 및 그 제조방법을 이용한 극저온 용융알루미늄 도금 강재를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술한 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재는, 비커스 경도 138 내지 141 Hv 인 소지철 모재(10); 상기 소지철 모재(10) 상에 용융 알루미늄이 침투 형성되고, 비커스 경도 398 ~ 426 Hv 이고, Fe 40 ~ 45 중량%, 및 잔부 Al 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 Al-Fe 합금층(20); 및 상기 Al-Fe 합금층(20) 상에 형성되고, 비커스 경도 36 ~ 39 Hv 이고, Fe 2~3 중량% 및 잔부 Al로 이루어지는 Al 코팅층(30);을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재는 하기 관계식 1 및 2를 만족할 수 있다 :

[관계식 1] 48.7 ≤ Lc1 ≤ 71.8

[관계식 2] 64.9 ≤ Lc2 ≤ 85.3

(상기 관계식 1 및 2에서, Lc1 및 Lc2는 상기 극저온 용융알루미늄 도금 강재를 -40℃ 내지 -60℃에서 30분 이상 노출 후, KS L ISO 20502 및 ASTM C1624에 규정된 일정한 속도로 힘을 증가시키면서 긁는 방법(PFST: Progressive Force Scratch Test)을 통해 측정된 값이고, Lc1은 상기 Al 코팅층(30)의 균열이 발생하기 시작하는 임계 수직 힘(N)을 의미하고, Lc2는 상기 Al 코팅층(30)이 벗겨지기 시작하는 힘(N)을 의미한다.)

본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재는 하기 관계식 3을 만족할 수 있다 :

[관계식 3] 48.7 ≤ TS ≤ 71.8

(상기 관계식 3에서, TS는 상기 극저온 용융알루미늄 도금 강재를 -40℃ 내지 -60℃에서 30분 이상 노출 후 측정한 인장강도(N/mm²)이다.)

또한 본 발명은 상술한 극저온 용융알루미늄 도금 강재를 제조하는 방법을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재 제조방법은, 소지철 모재(10)를 알칼리 용제에 침지시키는 탈지 단계(S10); 탈지된 소지철 모재(10)의 표면을 물세척하는 제1 수세단계(S21)와, 상기 제1 수세단계(S21)를 거친 소지철 모재(10)를 산처리하여 소지철 모재(10)의 표면을 활성화시키는 제1 산세단계(S22)와, 상기 제1 산세단계(S22)를 거친 소지철 모재(10)의 표면을 물세척하는 제2 수세단계(S23)로 이루어지는 표면 처리 단계(S20); 표면 처리된 소지철 모재(10)를 염화칼륨 35 ~ 50 중량%, 빙정석 5 ~ 10 중량%, 플루오르화 암모늄 또는 플루오르화 알루미늄 40 ~ 60 중량%의 성분비율로 이루어지는 수용성 플럭스를 물 100 중량%를 기준으로 하여 10 ~ 30 중량%로 첨가시킨 플럭스 용제에 40 ~ 90℃의 온도조건하에서 1 ~ 10분간 침지시키는 플럭스 처리 단계(S30); 플럭스 처리된 소지철 모재(10)를 염화나트륨 25 ~ 35 중량%, 염화칼륨 15 ~ 25 중량%, 빙정석 20 ~ 30 중량%, 플루오르화 수소산 암모늄이나 플루오르화 암모늄 또는 플루오르화 알루미늄 중에서 택일한 플루오르화물 20 ~ 30 중량%의 성분비율로 이루어지는 용융 플럭스를 용융 알루미늄 100 중량%를 기준으로 하여 5 ~ 10 중량%로 첨가시킨 용융도금액 속에 680 ~ 750 ℃의 온도조건 하에서 5 ~ 30분간 침지시키는 도금 단계(S40); 도금된 소지철 모재(10)를 100℃ 이하로 공랭시키는 공랭 단계(S51)와, 상기 공랭 단계(S51)를 거친 소지철 모재(10)를 수냉시켜 잔여열을 제거하는 수냉 단계(S52)와, 상기 수냉 단계(S52)를 거친 소지철 모재(10)를 물 100 중량%를 기준으로 하여 옥살산 0.5 ~ 10 중량%을 첨가시킨 옥살산 수용액에 20 ~ 50℃의 온도조건하에서 5 ~ 20분간 침지시키는 옥살산 처리 단계(S53)와, 상기 옥살산 처리 단계(S53)를 거친 소지철 모재(10)를 산세척하여 도금표면에 부착된 용융플럭스 분말을 제거하고 도금표면의 평활화와 광택을 부여하는 제2 산세 단계(S54)와, 상기 제2 산세 단계(S54)를 거친 소지철 모재(10)의 표면을 물세척한 후 건조시키는 마감처리 단계(S55);로 이루어지는 후처리 단계(S50);를 포함한다.

상술한 본 발명에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재는 극저온 환경에서 취성, 스크래치 특성, 인장 특성, 싸이클 반복 특성, 박리 특성이 우수한 장점을 가진다.

또한 본 발명은, 극저온 환경에서 알루미늄의 FCC 구조를 가지고 있어서 저온 취성이 우수하고, 도금 공정 후 소지철 모재(10); Al-Fe 합금층(20); 및 Al 코팅층(30); 간에 상호 보완적 작용으로 인해 극저온 스크래치 특성이 우수하다.

또한 본 발명은, 최근 수주가 급증하고 있는 LNG운반선과 관련 현재 널리 사용되고 있는 오스테나이트 스테인레스 강재에 대한 고비용 및 용접부 SCC(Stress Corrosion Cracking) 등의 문제를 해소할 수 있고, 비교적 가격이 저렴하고 장시간 기계적 물성 관련 신뢰성이 확보된 도금 강재를 제공할 수 있다.

도 1은 온도에 따른 각 금속의 열충격 에너지를 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재의 단면을 나타낸 SEM 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재의 단면을 EDX 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재의 Al-Fe 합금층(20)의 EDX 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재의 Al 코팅층(30)의 EDX 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재의 사이클 시험 후 용융 알루미늄 도금강재의 단면을 나타낸 SEM 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재 제조방법의 공정 순서도이다.

본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 출원인은 알루미늄 도금 강재를 극저온 환경에 적용하기 위하여 오랜 기간 연구하였다. 도 1은 온도에 따른 각 금속의 열충격 에너지를 도시한 그래프이다. 그 결과, 도 1에 보는 바와 같이, 각 소재별 연성과 취성이 급격하게 변하는 온도인 연성-취성천이온도(DBTT : Ductile Brittle Transition Temperature)가 BCC 구조의 금속에서 주로 가지며, FCC 구조의 금속에서는 잘 나타나지 않음을 확인하였다. 연강(Mild steel)은 BCC 구조를 가지며, DBTT는 -60 ℃인 것으로 나타난 반면, Al 금속은 FCC 구조를 가지며, DBTT가 잘 나타나지 않은 것을 확인하였다. 이를 통해, 본 출원인은 극저온 환경에서 용융 알루미늄 도금강재는 알루미늄의 FCC 구조를 가지고 취성에 있고, 도금시 상호 보완적 작용이 가능할 것으로 판단하여 본 발명을 출원하기에 이르렀다.

본 발명을 상술함에 있어, 용어 "극저온 환경"은 -40 ℃ 이하의 온도, 또는 -40 내지 -200 ℃의 온도에서 강재에 직접, 간접으로 영향을 주는 조건을 의미한다.

본 발명을 상술함에 있어, 용어 "상온"은 가온 또는 감온되지 않은 자연 그대로의 온도를 의미하고, 예를 들면, 약 15℃ 내지 35℃, 보다 구체적으로는 약 20℃ 내지 25℃, 더욱 구체적으로는 약 25℃의 온도를 의미할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재의 단면을 나타낸 SEM 사진이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재의 단면을 EDX 분석 결과를 나타낸 도면이다.

도 2에 보는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재는 기본적으로 소지철 모재(10); 상기 소지철 모재(10) 상에 형성되는 Al-Fe 합금층(20); 및 Al-상기 Fe 합금층(20) 상에 형성되는 Al 코팅층(30);을 포함한다.

상기 소지철 모재(10)는 후술할 극저온 용융알루미늄 도금 강재 제조방법에서 용융 알루미늄이 소지철 모재(10) 내부로 소정 깊이(약 80 ㎛ 이상) 침투할 수 있고, 용융알루미늄 도금 강재 제조방법을 통해 높은 비커스 경도를 가질 수 있다. 상기 소지철 모재(10)는 P 0.05 중량% 이하(0 중량% 제외), S 0.05 중량% 이하(0 중량% 제외), 및 잔부 Fe로 이루어지는 것일 수 있다.

상기 Al-Fe 합금층(20)은 상기 소지철 모재(10) 상에 용융 알루미늄이 침투 형성된 것이다. 도 2 및 도 3에 보는 바와 같이, 상기 Al-Fe 합금층(20)은 약 80 내지 120 ㎛ 두께를 가질 수 있다. 또한, 성분 분석 시 상기 Al-Fe 합금층(20)은 Al 성분과 Fe 성분이 혼재된 구간을 가진다.

도 3에 보는 바와 같이, 상기 Al 코팅층(30)은 Al을 주성분으로 하며, 본 발명에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재의 외곽에 형성된다. 또한, 도 3에 보는 바와 같이, 상기 Al 코팅층(30)은 약 30 내지 50 ㎛ 두께를 가질 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재의 Al-Fe 합금층(20)의 EDX 분석 결과를 나타낸 도면이다.

도 4에 보는 바와 같이, 상기 Al-Fe 합금층(20)은 Fe 40 ~ 45 중량%, 및 Al 55 내지 60 중량%로 이루어질 수 있다. 한편, 상기 Al-Fe 합금층(20)은 후술할 극저온 용융알루미늄 도금 강재 제조방법을 통해 소지철 모재(10)의 일부 미량 성분이 용출되거나 전달될 수 있는 바, P, S 등 기타 불가피한 불순물을 더 포함할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재의 Al 코팅층(30)의 EDX 분석 결과를 나타낸 도면이다.

도 5에 보는 바와 같이, 상기 Al 코팅층(30)은 Fe 2~3 중량% 및 잔부 Al로 이루어질 수 있다.

한편, 상기 Al 코팅층(30)의 알루미늄 도금 부착량은 약 250 내지 290 g/m2 일 수 있다. 상기 Al 코팅층(30)의 알루미늄 도금 부착량은 하기 수학식 1로 표현된다. 상기 Al 코팅층(30)의 알루미늄 도금 부착량은 KS D0229의 7.3 수산화나트륨법에 따라 측정한 것일 수 있다.

[수학식 1]

A = ((W1-W2)/S)×10⁶

(상기 수학식 1에서, A는 알루미늄 도금의 부착량(g/㎡)이고, W1는 도금층 제거 전 무게(g)이고, W2는 도금층 제거 후 무게(g)이고, S는 상기 Al 코팅층(30)의 표면적(㎟)이다.)

또한, 상기 Al 코팅층(30)의 표면거칠기(Ra)는 25 내지 40 ㎛ 일 수 있다. 하기 표 1에 휴대용 표면 조도 측정기 이용하여 본 발명에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재의 Al 코팅층(30)의 표면 조도값을 측정한 결과를 수록하였다.

[표 1]

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재에 있어, 상기 소지철 모재(10)의 비커스 경도는 138 내지 141 Hv 이고, 상기 Al-Fe 합금층(20)의 비커스 경도 398 ~ 426 Hv 이고, 상기 Al 코팅층(30)의 비커스 경도 36 ~ 39 Hv 일 수 있다.

상세하게, 본 발명에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재의 경도 측정은 비커스 경도기를 이용하여 KS B0811의 방법으로 경도를 측정하였고, 측정값을 하기 표 2에 수록하였다.

[표 2]

상기 표 2에 보는 바와 같이, 상기 Al 코팅층(30)은 경도가 상대적으로 낮은 반면에, 상기 Al-Fe 합금층(20)은 특이하게도 소지철 모재(10) 보다 더 높은 강도 값을 가지는 것으로 확인할 수 있다. 이러한 소지철 모재(10); Al-Fe 합금층(20); 및 Al 코팅층(30);을 포함하는 극저온 용융알루미늄 도금 강재는 극저온 환경에서 취성, 인장강도, 굽힘강도, 열충격 등과 같은 극저온 기계적 특성을 현저히 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재는, 하기 관계식 1 및 2를 만족할 수 있다 :

[관계식 1] 48.7 ≤ Lc1 ≤ 71.8

[관계식 2] 64.9 ≤ Lc2 ≤ 85.3

상세하게, 본 발명에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재의 스크래치 시험은 코팅층과 모재와의 접착력을 측정하는 것으로서, 표면에 대한 마찰력과 음파변화에 의해 접착력 정도를 비교 평가하는 시험방법으로 일반적으로 세라믹 코팅에 대한 시험방법이 KS L ISO 20502 및 ASTM C1624에 규정되어 있으며 측정방법에는 일정한 속도로 힘을 증가시키면서 긁는 방법(PFST: Progressive Force Scratch Test)과 매번 다른 위치에서 단계적으로 수직 힘을 증가시키면서 파괴가 일어날 때까지 긁기 시험을 하는 방법 (CFST : Constant Force Scratch Test), 임계 수직 힘 이하의 일정 힘으로 같은 위치에서 반복적으로 긁기 시험하는 다중 긁기 시험(MPST : Multi Pass Scratch Test) 등의 방법이 있으나 일반적인 PFST 방법으로 진행하였으며 시험 조건은 하기 [표 3]에 수록하였다.

[표 3]

우선, 본 발명에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재의 스크래치 시험은 상온에서 측정하였고, 그 결과를 하기 표 4에 수록하였다.

[표 4]

다음으로, 본 발명에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재의 스크래치 시험은 -40℃, -50℃, -60℃ 온도에 30분 이상 충분히 노출한 후 측정하였고, 그 결과를 하기 표 5, 표 6, 표 7에 수록하였다.

[표 5] : -40℃ 스크래치 시험 측정

[표 6] : -50℃ 스크래치 시험 측정

[표 7] : -60℃ 스크래치 시험 측정

상기 표 4 내지 표 7에 보는 바와 같이, 상온에서 측정한 스크래치 시험 결과와, -40℃, -50℃, -60℃ 온도에서 측정한 스크래치 시험 결과는 상온 시험결과 보다 동등 또는 그 보다 좋은 결과값을 가지는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 본 발명에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재가 극저온 환경에서 알루미늄의 FCC 구조를 가지고 있어서 저온 취성이 우수한 것으로 판단되고, 도금 공정 후 소지철 모재(10); Al-Fe 합금층(20); 및 Al 코팅층(30); 간에 상호 보완적 작용으로 인해 극저온 스크래치 특성이 우수하게 나온 결과라고 판단된다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재는, 하기 관계식 3을 만족할 수 있다 :

[관계식 3] 48.7 ≤ TS ≤ 71.8

상세하게, 본 발명에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재의 인장시험은 KS B 0801의 13B 형태의 시험편으로 나비 약 12.5mm 표점거리 50mm의 시험편으로 진행하였으며, 시험방법은 KS B 0802의 방법으로 인장속도 25mm/분으로 진행하였으며, 도금층이 포함되어 있는 형태에서 진행하여 인장강도, 항복강도 값을 산출하였다.

우선, 본 발명에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재의 인장시험은 상온에서 측정하였고, 그 결과를 하기 표 8에 수록하였다.

[표 8]

다음으로, 본 발명에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재의 인장시험은 -40℃, -50℃, -60℃ 온도에 30분 이상 충분히 노출한 후 측정하였고, 그 결과를 하기 표 9, 표 10, 표 11에 수록하였다.

[표 9] : -40℃ 인장시험 측정

[표 10] : -50℃ 인장시험 측정

[표 11] : -60℃ 인장시험 측정

상기 표 8 내지 표 11에 보는 바와 같이, 상온에서 측정한 인장시험 결과와, -40℃, -50℃, -60℃ 온도에서 측정한 인장시험 결과는 상온 시험결과 보다 동등 또는 그 보다 좋은 결과값을 가지는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 본 발명에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재가 극저온 환경에서 알루미늄의 FCC 구조를 가지고 있어서 저온 인성이 우수한 것으로 판단되고, 도금 공정 후 소지철 모재(10); Al-Fe 합금층(20); 및 Al 코팅층(30); 간에 상호 보완적 작용으로 인해 극저온 인장 특성이 우수하게 나온 결과라고 판단된다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재는 저온 박리 특성이 우수할 수 있다. 상세하게, 본 발명에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재의 상온 평균 항복강도 값의 약 95% 수준의 응력과 50N의 하중사이를 100회 반복한 후 -40℃, -50℃, -60℃ 온도에 노출 후 밀착성 시험을 통한 저온 박리 특성을 평가하였다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재의 사이클 시험 후 용융 알루미늄 도금강재의 단면을 나타낸 SEM 사진이다. 도 6에 보는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재는 상기 저온 박리 시험 후에도 어떠한 크랙이나 핀홀 등이 발생하지 않았고, 초기 실험전 온전한 형상, 조직을 유지하는 것을 확인하였다.

또한, 본 발명은 상술한 극저온 용융알루미늄 도금 강재를 제조하는 방법을 포함한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재 제조방법의 공정 순서도이다.

도 7에 보는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재 제조방법은,

소지철 모재(10)를 알칼리 용제에 침지시키는 탈지 단계(S10);

탈지된 소지철 모재(10)의 표면을 물세척하는 제1 수세단계(S21)와, 상기 제1 수세단계(S21)를 거친 소지철 모재(10)를 산처리하여 소지철 모재(10)의 표면을 활성화시키는 제1 산세단계(S22)와, 상기 제1 산세단계(S22)를 거친 소지철 모재(10)의 표면을 물세척하는 제2 수세단계(S23)로 이루어지는 표면 처리 단계(S20);

표면 처리된 소지철 모재(10)를 염화칼륨 35 ~ 50 중량%, 빙정석 5 ~ 10 중량%, 플루오르화 암모늄 또는 플루오르화 알루미늄 40 ~ 60 중량%의 성분비율로 이루어지는 수용성 플럭스를 물 100 중량%를 기준으로 하여 10 ~ 30 중량%로 첨가시킨 플럭스 용제에 40 ~ 90℃의 온도조건하에서 1 ~ 10분간 침지시키는 플럭스 처리 단계(S30);

플럭스 처리된 소지철 모재(10)를 염화나트륨 25 ~ 35 중량%, 염화칼륨 15 ~ 25 중량%, 빙정석 20 ~ 30 중량%, 플루오르화 수소산 암모늄이나 플루오르화 암모늄 또는 플루오르화 알루미늄 중에서 택일한 플루오르화물 20 ~ 30 중량%의 성분비율로 이루어지는 용융 플럭스를 용융 알루미늄 100 중량%를 기준으로 하여 5 ~ 10 중량%로 첨가시킨 용융도금액 속에 680 ~ 750 ℃의 온도조건 하에서 5 ~ 30분간 침지시키는 도금 단계(S40); 및

도금된 소지철 모재(10)를 100℃ 이하로 공랭시키는 공랭 단계(S51)와, 상기 공랭 단계(S51)를 거친 소지철 모재(10)를 수냉시켜 잔여열을 제거하는 수냉 단계(S52)와, 상기 수냉 단계(S52)를 거친 소지철 모재(10)를 물 100 중량%를 기준으로 하여 옥살산 0.5 ~ 10 중량%을 첨가시킨 옥살산 수용액에 20 ~ 50℃의 온도조건하에서 5 ~ 20분간 침지시키는 옥살산 처리 단계(S53)와, 상기 옥살산 처리 단계(S53)를 거친 소지철 모재(10)를 산세척하여 도금표면에 부착된 용융플럭스 분말을 제거하고 도금표면의 평활화와 광택을 부여하는 제2 산세 단계(S54)와, 상기 제2 산세 단계(S54)를 거친 소지철 모재(10)의 표면을 물세척한 후 건조시키는 마감처리 단계(S55);로 이루어지는 후처리 단계(S50);를 포함한다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재 제조방법에 있어, 상기 도금 단계(S40) 시, 상기 소지철 모재(10)를 하기 식 1의 조건으로 침지시키는 것이 상술한 Al-Fe 합금층(20) 내부로 잘 침투시키고, 극저온에서 취성, 스크래치 특성, 인장 특성, 싸이클 반복 특성, 박리 특성을 향상시킬 수 있다.

[식 1]

18,770 < LMP < 20,000

(상기 식 1에서, LMP = T(logt_r + C)이고, 여기서 T는 용융도금액의 온도(K), t_r은 침지시간(hr), C는 상수 20이다.)

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재 제조방법에 있어, 상기 후처리 단계(S50) 시,

상기 공랭 단계(S51)는 상기 도금 단계(S40)를 거친 소지철 모재(10)를 공랭시키는 단계로서, 상기 도금 단계(S40)를 거쳐 알루미늄 용탕 속에서 인양된 소지철 모재(10)는 최저 온도가 500℃ 이상으로 급격한 온도의 변화에 따라 그 기계적 성질이 현저히 달라지게 되므로, 공기중에서 100℃ 이하가 될 때까지 충분히 공랭시키게 된다.

상기 수냉 단계(S52)는 상기 공랭 단계(S51)를 거친 탄소강관을 수냉시키는 단계로서, 상기 공랭 단계(S51)를 거친 소지철 모재(10)의 잔여열을 수냉시켜 제거함으로써 열변형을 최소화하게 된다.

상기 옥살산 처리 단계(S53)는 상기 수냉 단계(S52)를 거친 소지철 모재(10)에 형성된 Al 코팅층(30)의 표면을 선택적으로 용출시키는 단계로서, 상기 수냉 단계(S52)를 거친 소지철 모재(10)를 물 100 중량%를 기준으로 하여 옥살산(C₂H₂O₄) 0.5 ~ 10 중량%을 첨가시킨 옥살산 수용액에 20 ~ 50℃ 이하의 온도조건하에서 5 ~ 20분간 침지시켜 Al 코팅층(30)의 표면에 부착된 용융플럭스 분말을 1차적으로 제거하는 동시에 Al 코팅층(30)의 표면을 선택적으로 용출시키게 된다.

상기 옥살산 수용액에 첨가되는 옥살산의 첨가량을 0.5 ~ 10 중량%로 한정한 이유는, 옥살산의 첨가량이 0.5 중량% 미만일 경우 알루미늄도금층의 표면 용출이 거의 일어나지 않고, 옥살산의 첨가량이 10 중량% 초과할 경우 알루미늄 도금층(30) 자체가 급격히 녹아나오는 현상이 발생하기 때문이다.

또한, 상기 옥살산 수용액의 온도를 20 ~ 50℃로 한정한 이유는, 옥살산 수용액의 온도가 20℃ 이하일 경우 알루미늄도금층의 표면이 선택적으로 용출되는 시간이 많이 소요되고, 옥살산 수용액의 온도가 50℃ 이상일 경우 Al 코팅층(30)의 표면이 선택적으로 용출되는 시간은 단축시킬 수는 있으나, Al 코팅층(30) 자체가 급격히 녹아나오는 현상이 발생하기 때문이다.

상기 옥살산 처리단계(S53)에서 Al 코팅층(30)의 표면을 선택적으로 용출시키게 되면, Al 코팅층(30)의 표면이 다공성을 띠게 되면서 Al 코팅층(30)의 표면에 형성되는 산화알루미늄층의 두께를 더욱더 확대시킬 수 있게 되는데, 이와 같이 Al 코팅층(30)의 표면에 형성되는 산화알루미늄층의 두께를 더욱더 확대시키게 되면 도금 표면의 경도, 내식성, 내마모성 등을 대폭 향상시킬 수 있다.

상술한 바와 같이, 종래의 강재, 아연 도금강재는 극저온 환경에서 연성과 취성이 급격하게 변하므로 극저온 환경의 LNG 선박의 배관, 구조물 등에 적용하기가 매우 어려웠지만, 소지철 모재(10); Al-Fe 합금층(20); 및 상기 Al-Fe 합금층(20) 상에 형성되고, 비커스 경도 36 ~ 39 Hv 이고, Fe 2~3 중량% 및 잔부 Al로 이루어지는 Al 코팅층(30);을 포함하며, FCC 구조를 가지는 극저온 용융알루미늄 도금 강재을 포함함으로써, 극저온 환경에서 취성, 스크래치 특성, 인장 특성, 싸이클 반복 특성, 박리 특성이 크게 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.

이상의 설명에서는 본 발명의 다양한 실시예들을 제시하여 설명하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다.

10 : 소지철 모재 20 : Al-Fe 합금층
30 : Al 코팅층
S10 : 탈지 단계 S20 : 표면 처리 단계
S21 : 제1 수세단계 S22 : 제1 산세단계
S23 : 제2 수세단계 S30 : 플럭스 처리 단계
S40 : 도금 단계 S50 : 후처리 단계
S51 : 공랭 단계 S52 : 수냉 단계
S53 : 옥살산 처리 단계 S54 : 제2 산세 단계
S55 : 마감처리 단계

Claims

비커스 경도 138 내지 141 Hv 인 소지철 모재(10);
상기 소지철 모재(10) 상에 용융 알루미늄이 침투 형성되고, 비커스 경도 398 ~ 426 Hv 이고, Fe 40 ~ 45 중량%, 및 잔부 Al 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 Al-Fe 합금층(20); 및
상기 Al-Fe 합금층(20) 상에 형성되고, 비커스 경도 36 ~ 39 Hv 이고, Fe 2~3 중량% 및 잔부 Al로 이루어지는 Al 코팅층(30);을 포함하는, 극저온 용융알루미늄 도금 강재.
제 1항에 있어서,
하기 관계식 1 및 2를 만족하는, 극저온 용융알루미늄 도금 강재:
[관계식 1] 48.7 ≤ Lc1 ≤ 71.8
[관계식 2] 64.9 ≤ Lc2 ≤ 85.3
(상기 관계식 1 및 2에서, Lc1 및 Lc2는 상기 극저온 용융알루미늄 도금 강재를 -40℃ 내지 -60℃에서 30분 이상 노출 후, KS L ISO 20502 및 ASTM C1624에 규정된 일정한 속도로 힘을 증가시키면서 긁는 방법(PFST: Progressive Force Scratch Test)을 통해 측정된 값이고, Lc1은 상기 Al 코팅층(30)의 균열이 발생하기 시작하는 임계 수직 힘(N)을 의미하고, Lc2는 상기 Al 코팅층(30)이 벗겨지기 시작하는 힘(N)을 의미한다.)
제 1항에 있어서,
하기 관계식 3을 만족하는, 극저온 용융알루미늄 도금 강재:
[관계식 3] 48.7 ≤ TS ≤ 71.8
(상기 관계식 3에서, TS는 상기 극저온 용융알루미늄 도금 강재를 -40℃ 내지 -60℃에서 30분 이상 노출 후 측정한 인장강도(N/mm²)이다.)
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 따른 극저온 용융알루미늄 도금 강재를 제조하는 방법으로서,
소지철 모재(10)를 알칼리 용제에 침지시키는 탈지 단계(S10);
탈지된 소지철 모재(10)의 표면을 물세척하는 제1 수세단계(S21)와, 상기 제1 수세단계(S21)를 거친 소지철 모재(10)를 산처리하여 소지철 모재(10)의 표면을 활성화시키는 제1 산세단계(S22)와, 상기 제1 산세단계(S22)를 거친 소지철 모재(10)의 표면을 물세척하는 제2 수세단계(S23)로 이루어지는 표면 처리 단계(S20);
표면 처리된 소지철 모재(10)를 염화칼륨 35 ~ 50 중량%, 빙정석 5 ~ 10 중량%, 플루오르화 암모늄 또는 플루오르화 알루미늄 40 ~ 60 중량%의 성분비율로 이루어지는 수용성 플럭스를 물 100 중량%를 기준으로 하여 10 ~ 30 중량%로 첨가시킨 플럭스 용제에 40 ~ 90℃의 온도조건하에서 1 ~ 10분간 침지시키는 플럭스 처리 단계(S30);
플럭스 처리된 소지철 모재(10)를 염화나트륨 25 ~ 35 중량%, 염화칼륨 15 ~ 25 중량%, 빙정석 20 ~ 30 중량%, 플루오르화 수소산 암모늄이나 플루오르화 암모늄 또는 플루오르화 알루미늄 중에서 택일한 플루오르화물 20 ~ 30 중량%의 성분비율로 이루어지는 용융 플럭스를 용융 알루미늄 100 중량%를 기준으로 하여 5 ~ 10 중량%로 첨가시킨 용융도금액 속에 680 ~ 750 ℃의 온도조건 하에서 5 ~ 30분간 침지시키는 도금 단계(S40);
도금된 소지철 모재(10)를 100℃ 이하로 공랭시키는 공랭 단계(S51)와, 상기 공랭 단계(S51)를 거친 소지철 모재(10)를 수냉시켜 잔여열을 제거하는 수냉 단계(S52)와, 상기 수냉 단계(S52)를 거친 소지철 모재(10)를 물 100 중량%를 기준으로 하여 옥살산 0.5 ~ 10 중량%을 첨가시킨 옥살산 수용액에 20 ~ 50℃의 온도조건하에서 5 ~ 20분간 침지시키는 옥살산 처리 단계(S53)와, 상기 옥살산 처리 단계(S53)를 거친 소지철 모재(10)를 산세척하여 도금표면에 부착된 용융플럭스 분말을 제거하고 도금표면의 평활화와 광택을 부여하는 제2 산세 단계(S54)와, 상기 제2 산세 단계(S54)를 거친 소지철 모재(10)의 표면을 물세척한 후 건조시키는 마감처리 단계(S55);로 이루어지는 후처리 단계(S50);를 포함하는 극저온 용융알루미늄 도금 강재 제조방법.