KR100262211B1

KR100262211B1 - 스테인레스 클래드강의 열간압연 접합방법

Info

Publication number: KR100262211B1
Application number: KR1019970070980A
Authority: KR
Inventors: 김승태
Original assignee: 김형국; 한전기공주식회사
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1997-12-19
Publication date: 2000-07-15
Also published as: KR19990051623A

Abstract

본 발명은 연강이나 고장력저합금강과 스테인레스강의 접합시에 최적의 접합강도를 갖도록 접합할 수 있는 스테인레스 클래드강의 열간압연접합방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따르면, 큰 압력하에서 순간적으로 접합이 이루어지며 접합면을 통한 접합재료간의 확산이 거의 발생하지 않는 스테인레스강(1)과 고장력저합금강(2)을 접합하는 스테인레스 클래드강의 열간압연접합방법에 있어서, 상기 스테인레스강(1)과 상기 고장력저합금강(2)의 접합면을 각각 연마 및 세정하는 연마세정단계(S1)와, 상기 연마세정단계(S1)에서 각각 연마세정된 상기 스테인레스강(l)과 상기 고장력저합금강(2)의 접합면들이 외부로 노출되지 않도록 접합계면 주위를 아크 용접하는 용접단계(S2)와, 상기 용접단계(S2)에서 결합된 상기 스테인레스강(1)과 상기 고장력저합금강(2)을 압연하여 접합하는 압연단계(S3)를 포함하며, 상기 스테인레스강(1)과 상기 고장력저합금강(2)의 접합이 이루어질 수 있는 최소변형인 임계변형은 소킹온도와 시간이 900℃ 15분 이상이면 압연비가 20%이고, 소킹온도와 시간이 1000℃ 30분 이상이면 압연비가 10%이며, 상기 스테인리스강(1)의 표면거칠기는 10∼20㎛이고, 상기 고장력저합금강(2)의 표면거칠기는 20∼50㎛인 것을 특징으로 하는 스테인레스 클래드강의 열간압연접합방법이 제공된다.

Description

스테인레스 클래드강의 열간압연접합방법

본 발명은 스테인레스 클래드강의 열간압연접합방법에 관한 것이며, 특히, 원자력 발전소의 증기발생기 및 열교환기, 자동차 범퍼, 의료기구, 전기기기 및 가정용기기까지 널리 사용될 수 있도록 연강이나 고장력저합금강에 스테인레스강을 고온·고압하에서 접합시켜 클래드강을 제작하는 스테인레스 클래드강의 열간압연접합방법에 관한 것이다.

현대공업의 급속한 발전에 따라 이에 필요한 재료도 많은 발전을 하였고 재료의 종류도 다양해져서 적당한 재료의 선택이 문제가 될 뿐만 아니라 이에 부응할 수 있는 여러가지 성질들의 재료개발이 필요하게 되었다. 예를 들어, 강도와 연성을 동시에 갖으면서도 무게가 가벼운 재료, 또는 내열성, 전열성 등 기계적·물리적 성질의 성능을 향상시킬 수 있는 신소재가 절실히 요구되고 있는 실정이다. 이런 요구에 따라 이종금속을 서로 결합시켜 각각의 재료가 갖는 장점, 즉, 가공성을 향상시키고 경량화시킬 수 있으며 제조단가를 줄일 수 있는 등의 장점을 동시에 갖는 재료를 제작하기 위한 연구가 진행되고 있다. 이렇게 이종금속을 접합하기 위한 방법에 있어서, 클래딩 접합은 금속재료의 접합부에 열과 압력을 동시에 가하거나 또는 이중 하나만을 가하여 용융상의 출현없이 두 재료를 접합하는 고상상태로 접합하는 공정으로서, 확산접합(diffusion bonding), 열간압연접합(hot roll bonding), 냉간압연접합(cold roll bonding)과 폭발압접(explosive bonding) 등의 접합방법이 있다.

본 발명은 보다 큰 압력하에서 순간적으로 접합이 이루어지며 접합면을 통한 접합재료간의 확산이 거의 발생하지 않는 열간압연접합방법을 이용하여 연강이나 고장력저합금강과 스테인레스강을 서로 접합하여 클래드강을 제작하려는 것이다.

도1은 본 발명의 한 실시예에 따른 스테인레스 클래드강의 열간압연접합방법을 설명하기 위한 흐름도이고,

도2는 도1에 도시된 스테인레스 클래드강의 열간압연접합방법을 수행하기 위해 사용되는 시험편을 도시한 사시도이고,

도3은 도1의 방법에 의해 제작된 스테인레스 클래드강의 소킹온도와 접합강도의 관계를 도시한 그래프이고,

도4는 도1의 방법에 의해 제작된 스테인레스 클래드강의 소킹시간과 접합강도의 관계를 도시한 그래프이며,

도5는 도1의 방법에 의해 제작된 스테인레스 클래드강의 압연비와 접합강도의 관계를 도시한 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 스테인레스강 2 : 고장력저합금강

3 : 용접부 S1 : 연마세정단계

S2 : 용접단계 S3 : 압연단계

앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 큰 압력하에서 순간적으로 접합이 이루어지며 접합면을 통한 접합재료간의 확산이 거의 발생하지 않는 스테인레스강과 고장력저합금강을 접합하는 스테인레스 클래드강의 열간압연접합방법에 있어서, 상기 스테인레스강과 상기 고장력저합금강의 접합면을 각각 연마 및 세정하는 연마세정단계와, 상기 연마세정단계에서 각각 연마세정된 상기 스테인레스강과 상기 고장력저합금강의 접합면들이 외부로 노출되지 않도록 접합계면 주위를 아크용접하는 용접단계와, 상기 용접단계에서 결합된 상기 스테인레스강과 상기 고장력저합금강을 압연하여 접합하는 압연단계를 포함하미, 상기 스테인레스강과 상기 고장력저합금강의 접합이 이루어질 수 있는 최소변형인 임계변형(threshold deformation)은 소킹온도와 시간이 900℃ 15분 이상이면 압연비가 20%이고, 소킹온도와 시간이 1000℃ 30분 이상이면 압연비가 10%인 것을 특징으로 하는 스테인레스 클래드강의 열간압연접합방법이 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 스테인리스강의 표면거칠기는 10∼20㎛이고, 상기 고장력저합금강의 표면거칠기는 20∼50㎛인 것을 특징으로 하는 스테인레스 클래드강의 열간압연접합방법에 제공된다.

아래에서, 본 발명에 따른 스테인레스 클래드강의 열간압연접합방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도면에서, 도1은 본 발명의 한 실시예에 따른 스테인레스 클래드강의 열간압연접합방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도2는 도1에 도시된 스테인레스 클래드강의 열간압연접합방법을 수행하기 위해 사용되는 시험펀을 도시한 사시도이고, 도3은 도1의 방법에 의해 제작된 스테인레스 클래드강의 소킹온도와 접합강도의 관계를 도시한 그래프이고, 도4는 도1의 방법에 의해 제작된 스테인레스 클래드강의 소킹시간과 접합강도의 관계를 도시한 그래프이며, 도5는 도1의 방법에 의해 제작된 스테인레스 클래드강의 압연비와 접합강도의 관계를 도시한 그래프이다.

도1 내지 도5를 참조로 하여, 고장력저합금강(HSLA)과 스테인레스강(stainless steel)을 접합시켜 스테인레스 클래드강을 제조하는 열간압연방법을 설명하겠다.

먼저, C 0.07wt%, Si 0.55, Mn 1.09, P 0.029, S 0.009, Ni 8.49, Cr 18.29 및 그 나머지는 Fe가 함유된 3mm두께의 스테인레스강(1)과, C 0.15wt%, Si 0.06, Mn 1.29, P O.016, S 0.006, Al 0.048, Nb 0.019 및 그 나머지는 Fe가 함유된 6mm두께의 고장력저합금강(2)을 준비한다. 이렇게 고장력저합금강(2)과 스테인레스강(1)이 준비되면, 접합시킬 표면을 폴리싱(polishing)하여 표면을 아주 청정한 상태로 유지하는 연마세정단계(S1)를 수행한다.

그런 다음, 고장력저합금강(2)을 하면에 위치하고 그 상부면에 스테인레스강(1)을 배치한 다음, 접합계면 주위를 아크용접하여 완전히 밀폐시켜 외부와의 공기흐름을 차단시켜서 용접부(3)를 형성하는 용접단계(S2)를 수행한다. 이렇게 외부와의 공기를 차단시키므로써, 열간압연을 위한 고온에서 소킹(soaking)시에 새로운 산화피막의 형성을 막고 접합시킨 기존의 산화피막을 제거할 수 있게 된다.

이렇게 고장력저합금강(2)과 스테인레스강(1)의 접합표면이 용접에 의해 완전히 밀폐되면, 압연기에 넣고 압연하는 압연단계(S3)를 실시하게 된다. 이렇게 압연기에 의해 압연될 때, 여러가지 압연조건을 고려하여 압연을 수행하여야 하는데, 이때, 고려되어야 할 압연조건은 소킹온도, 소킹시간, 압력, 접합될 표면의 표면거칠기 등이 있다. 이런 압연조건을 고려하여 압연한 결과가 도3 내지 도5 및 표1에 도시되어 있다.

[표 1]

표 1에서 RD는 압연방향의 접합강도, TD는 압연 횡방향의 접합강도를 나타내고, X는 스테인레스 클래드강이 접합되지 않음, ⓧ는 저합금강-저합금강은 접합되지만 스테인레스 클래드강은 접합되지 않음, 0는 스테인레스 클래드강이 접합되었지만 접합강도가 존재하지 않음을 나타낸다.

도3 내지 도5 및 표1에 보이듯이, 스테인레스 클래드강의 제조시 소킹온도와 소킹시간 및 압연비가 증가할수록 접합강도가 증가한다는 것을 알 수 있다.

이것은 소킹온도 및 소킹시간이 증가함에 따라 접합시킬 표면에 존재하는 산화피막의 분해 및 소멸이 용이하게 되어 베얼금속(bare metal)의 면적이 증가하고, 또한, 소킹온도와 압연비가 증가할수록 접촉면의 돌기들의 소성변형이 크게 되므로 베얼금속이 접촉계면을 따라 늘어나면서 변형하기 때문에 접합면적이 증가되어 접합강도가 증가하게 된다. 한편, 압연비의 증가에 따라 접합강도의 증가율은 점차 감소하는데 이것은 열간압연접합의 접합강도에 미치는 인자들의 복합작용에 의해 접합면적이 증가하게 되어 접합강도의 최대 임계치, 즉 접합이 이루어질 수 있는 총면적의 80%이상의 접합면적에 근접하게 되기 때문이라 사료된다.

그러나, 도4에 도시된 바와 같이, 소킹온도 900℃, 1000℃에서 60분 유지하였을 때 30분 유지했을 때보다도 접합강도가 낮게 나타난 것은 불균일한 접합계면의 형성과 고장력저합금강의 접합계면부위의 결정립성장으로 인해 접합강도 측정시 파단이 접합계면에서 일어나지 않고 연한 금속인 저합금강에서 일어나기 때문이다.

또한, 고상접합에서 중요한 인자중 하나인 표면거칠기는 거칠기가 클수록 접촉면적이 적어지기 때문에 접합강도가 저하된다. 그럼에도 불구하고 표1에 보이듯이, 소킹온도 800℃, 소킹시간 30분, 압연비 30%에서 표면거칠기가 스테인레스강보다 더욱 큰 저합금강-저합금강은 접합이 이루어졌지만, 스테인레스 클래드강은 압연비가 42%에서도 접합이 이루어지지 않는 것은 표면거칠기에 의한 요인보다는 접합표면의 산화피막에 기인한 것으로 사료된다. 즉, 소킹온도 800℃에서는 저합금강의 산화피막이 자동진공청결처리, 불안정한 산화피막의 분해 등에 의해 소멸되어 접합이 이루어지지만 스테인레스강은 접합이 이루어지지 않고 900℃에서 접합이 이루어진 것으로 미루어 보아 스테인레스강 산화피막의 불안정에 의한 접합임계온도는 900℃임을 알 수 있다.

또한, 표1에 보이듯이, 본 발명의 스테인레스 클래드강의 열간압연접합시 접합이 이루어질 수 있는 최소변형인 임계변형(threshold deformation)은 소킹온도와 시간이 900℃ 15분 이상이면 압연비가 20%이고, 1000℃ 30분 이상이면 압연비가 10%임을 알 수 있다. 즉, 소킹온도가 900℃ 15분 이상이면 최소압연비 20%, 소킹온도가 1000℃ 30분 이상이면 최소압연비 10%에서 접합된다. 이때, 스테인레스강(1)의 표면거칠기는 10∼20㎛이고, 고장력저합금강(2)의 표면거칠기는 20∼50㎛이다. 그리고, 압연방향에 따른 접합강도의 이방성 유무를 조사한 바와 따르면, 압연방향에 0˚방향으로 절단한 면(rolling direction ; RD)과 90˚방향으로 절단한 면(transverse direction ; TD)의 접합강도의 차이는 거의 없음을 알 수 있다.

앞서 설명한 실시예에서는 스테인레스강과 고장력저합금강을 접합시켜 스테인레스 클래드강를 제작하는 방법을 설명하였지만, 스테인레스강과 연강을 상기 실시예와 같은 동일한 조건에서 접합할 경우에도 동일한 스테인레스 클래드강을 얻을 수가 있다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 스테인레스 클래드강의 열간압연접합방법에 의해 제작된 스테인레스 클래드강은 최적의 조건에 의해 제작될 수 있으므로 이로 인한 비용절감 효과가 매우 우수하다.

이상에서 본 발명의 스테인레스 클래드강의 열간압연접합방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims

큰 압력하에서 순간적으로 접합이 이루어지며 접합면을 통한 접합재료간의 확산이 거의 발생하지 않는 스테인레스강(1)과 고장력저합금강(2)을 접합하는 스테인레스 클래드강의 열간압연접합방법에 있어서, 상기 스테인레스강(1)과 상기 고장력저합금강(2)의 접합면을 각각 연마 및 세정하는 연마세정단계(S1)와, 상기 연마세정단계(S1)에서 각각 연마세정된 상기 스테인레스강(1)과 상기 고장력저합금강(2)의 접합면들이 외부로 노출되지 않도록 접합계면 주위를 아크용접하는 용접단계(S2)와, 상기 용접단계(S2)에서 결합된 상기 스테인레스강(1)과 상기 고장력저합금강(2)이 접합되는 압연비 20%가 되도록 소킹온도 900℃에서 15분이상 압연하는 압연단계(S3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 스테인레스 클래드강의 열간압연접합방법.
큰 압력하에서 순간적으로 접합이 이루어지며 접합면을 통한 접합재료간의 확산이 거의 발생하지 않는 스테인레스강(1)과 고장력저합금강(2)을 접합하는 스테인레스 클래드강의 열간압연접합방법에 있어서, 상기 스테인레스강(1)과 상기 고장력저합금강(2)의 접합면을 각각 연마 및 세정하는 연마세정단계(S1)와, 상기 연마세정단계(S1)에서 각각 연마세정된 상기 스테인레스강(1)과 상기 고장력저합금강(2)의 접합면들이 의부로 노출되지 않도록 접합계면 주위를 아크용접하는 용접단계(S2)와, 상기 용접단계(S2)에서 결합된 상기 스테인레스강(1)과 상기 고장력저합금강(2)이 접합되는 압연비 1O%가 되도록 소킹온도 1000℃에서 30분이상 압연하는 압연단계(S3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 스테인레스 클래드강의 열간압연접합방법.