KR100376555B1 - 스테인레스-알루미늄의 3중 클래드판 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알루미늄 판과 스테인레스 강판을 3중의 적층 구조로 접합한 3중 클래드판의 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명 스테인레스-알루미늄의 3중 클래드판 제조 방법은, 알루미늄 판의 양면에 브러싱 내지는 샌드 블라스팅을 실시하는 단계(100)와, 상기 알루미늄 판의 양면에 스테인레스 강판을 각각 적층 하여 스테인레스 강판/알루미늄 판/스테인레스 강판의 3중 적층판을 구성하는 단계(200)와, 상기 적층판을 대기 중에서 300∼500℃로 가열하는 단계(300)와, 가열된 적층판을 스테인레스 강판 기준으로 1∼3% 연신 되도록 열간 압연하는 단계(400)로 이루어지며, 대기 중에서 가열하므로써 금속판 표면에 산화물층을 생성시키고, 열간 압연을 산화물층에 미세한 균열을 발생시켜 상호 정합 되도록 함에 기술적 특징이 있다.

본 발명 스테인레스-알루미늄의 3중 클래드판 제조 방법은 접합력을 향상시키기 위한 스테인레스 강판 표면의 부식 공정이 생략되고, 가열 단계에서 가열로의 분위기를 환원성 분위기로 조성하기 위한 설비가 생략되어 클래드판 제조 설비가 최소화되고, 설비 투자비용이 현저히 절감되며, 부식 공정과 가열로 분위기 조성 공정이 생략되므로써 생산성이 크게 향상될 뿐 아니라, 생산 원가가 절감되는 이점이 있다.

Description

스테인레스-알루미늄의 3중 클래드판 제조 방법{Manufacturing method of triple clad sheets using stainless steel and Al sheet}

본 발명은 알루미늄 판과 스테인레스 강판을 3중의 적층 구조로 접합한 3중 클래드판의 제조 방법에 관한 것으로, 더 자세하게는 알루미늄 내지는 알루미늄 합금판(이하 '알루미늄 판'이라 함)의 양면에 브러싱(brushing) 내지는 샌드 블라스팅(sand blasting) 처리를 실시하여 표면 이물질을 제거하면서 알루미늄 판의 표면적을 확장시킴과 동시에, 자유 표면(free surface) 에너지의 상승을 통한 타 물질과의 결합 성향을 향상시킨 상태에서 상기 알루미늄 판의 양면에 스테인레스 강판을 적층한 상태에서 이를 일반 대기 중에서 가열한 후 열간 압연을 실시하므로써 열처리시 스테인레스 강판 표면에 형성된 산화 피막에 균열을 발생시키고, 그 균열 틈새를 통하여 스테인레스 강판과 알루미늄 판이 열간 압접 되도록 한 스테인레스-알루미늄의 3중 클래드판 제조 방법에 관한 것이다.

주방 용품인 프라이 팬이나 냄비 등과 같이 뜨거운 불에 직접 접촉되는 그릇들은 돌이나 세라믹 등이 사용되기도 하나, 그러한 재질은 내충격성이 부족한 측면이 있기 때문에 특별한 용도가 아닌 경우에는, 충격에 의해 파손되지 않아 사용상 편리한 스테인레스강, 동 내지는 알루미늄 및 그 합금 등의 금속 판재를 드로잉 가공하여 제작하는 것이 일반적이다.

그러나, 동이나 동 합금은 장시간 방치할 경우 인체에 해로운 녹청이 발생하게 되고, 알루미늄이나 알루미늄 합금의 경우에는 다양한 음식물에 대한 내식성이부족할 뿐 아니라, 끓는 물과 접촉 시에는 수산화알미늄과 같은 화합물이 그 표면에 생성되어 표면 색상이 검게 변색되는 단점이 있으며, 알츠하이머병을 유발한다하여 선진국에서는 직접적인 사용을 금하고 있기도 하다.

더욱이, 프라이 팬이나 냄비와 같은 주방 용품은 주로 판재를 드로잉 가공하여 제조되나, 동 내지는 알루미늄 및 그 합금 판재들은 철강재에 비하여 연질임에도 불구하고 금속의 결정 조직상의 차이로 인하여 철강재에 비하여 드로잉 가공성이 떨어지고 강도가 다소 부족하여 충격에 의한 변형이 쉬울 뿐 아니라, 표면 경도가 낮아 표면 스크래치에 약하여 미관상 불리하며 상대적으로 고가이기 때문에, 적절한 드로잉 가공성과 함께 가격이 상대적으로 저렴하고 강도, 내부식성 및 표면 광택성 등이 우수한 철강계 합금인 스테인레스 강판이 주로 사용되고 있다.

그러나, 에너지 절약의 중요성이 커지면서 음식물에 열을 가하여 조리하는 경우 음식에 열을 신속히 전달해주는 효율 측면에서 볼 때, 상기 스테인레스 강판은 알루미늄이나 동에 비하여 그 열 전달 성능이 떨어져 열 손실이 증가하게 되는 단점이 있다.

따라서, 상기와 같이 열전도성이 떨어지는 스테인레스 강판의 단점을 해결하기 위하여 알루미늄이나 동과 같은 열전도성이 우수한 이종의 금속 판재를 스테인레스 강판에 접합시킨 클래드판이 개발되었다.

상기 클래드판은 폭발 압전법, 용접법, 가열 압접법 및 압연법 등의 방법을 통하여 적층 되어 접촉하고 잇는 서로 다른 이종 금속 판재의 표면과 표면이 밀착 결합된 것이다.

상기 클래드판의 제조 방법들 중에서 대량 생산에 가장 적합한 방법은 압연에 의한 압접 방법으로, 압접을 위한 압연은 냉간 압연과 열간 압연이 있으나, 냉간 압연에 의한 압접의 경우에는 금속간의 접합력이 압연만으로 부족하기 때문에 접합력을 증가시키기 위한 추가적인 수단이 필요하게 된다.

따라서, 일반적인 금속 판재의 압접에는 가열된 상태의 금속 판재를 대상으로 하는 열간 압연 방법이 사용된다.

상기 열간 압연에 의한 압접은, 클래드판의 소재가 되는 이종의 금속 판재를 적절한 온도로 가열한 후, 가열된 이종의 금속 판재를 적층 하여 압연하는 것으로, 소재의 표면에 접착을 판재간의 접합을 방해하는 산화물층이 형성되지 않도록 환원성 분위기 하에서 금속 판재를 가열하는 것이 중요하다.

그리고, 강한 소재와 연질의 소재를 접합시킬 경우에는 두 금속의 접합력을 향상시키기 위하여 강한 금속의 표면을 부식시키고, 강한 금속의 부식 표면을 따라 연질의 금속이 변형되면서 강한 금속의 부식 표면에 밀착된 상태로 압접 되도록 하기도 한다.

프라이 팬이나 냄비 등의 주방 용품에 널리 쓰이는 대표적인 클래드판으로는 스테인레스 강판과 알루미늄 판이 접합된 클래드판을 들 수 있다.

상기 클래드판에 있어서는 클래드판을 구성하는 두 이종 금속간의 접합력이 그 제조 방법에서 고려해야 할 가장 중요한 요소가 되기 때문에, 열과 압력에 의한 접합력 외에도 강한 금속의 표면을 거칠게 하거나 일정한 형상으로 부식시켜 형성되는 강한 금속의 표면 요철들이 접합력을 향상시키는 중요한 역할을 하게 된다.

즉, 강한 금속 표면의 표면 요철 면을 따라 연질의 금속 표면이 변형되면서 두 금속 표면의 정합이 이루어지게 되면 강한 금속 표면의 요철들이 연질의 금속 표면을 고정시키는 앵커의 역할을 수행하게 되어 그 접합력이 향상되는 것이다.

그러나, 두 금속 판재의 표면을 강하게 밀착시키기 위하여 열간 압연시의 압하율을 필요 이상으로 높이게 되면 피압연재인 금속 판재가 가공 경화를 일으켜 압연 후 금속 판재의 가공성이 떨어지게 되어 제조 완료된 클래드판을 최종 용도에 필요한 형상으로 드로잉 가공시 가공 불량이 발생하게 된다.

이러한 경우에는, 응력 제거 소둔을 실시하여 금속 판재에 축적된 가공 스트레스를 제거해야 하는 추가적인 공정이 필요하게 되어 클래드판의 제조 원가가 상승되고 생산성이 떨어지게 되는 문제가 있다.

또한, 상기의 소둔시 가열 온도는 클래드판의 접합력에 영향을 미치게되므로 세심한 주의가 필요한 등 여러 가지 문제가 대두된다.

따라서, 열간 압연 시에는 압연에 의한 가공 경화를 방지하거나 완화시키기 위하여 가능한 열간 압연 온도를 높게 하는 것이 바람직하나, 압연 온도가 너무 높게 되면 에너지의 소모가 과다하게 되고, 판재의 압연 형상 제어도 어렵게 되는 문제가 있기 때문에, 클래드판의 접합력을 향상시키기 위해서는 전술한 바와 같이 표면 부식 등과 같은 표면 처리를 병행하는 것이 일반적이다.

국내특허 제1995-4434호에는 스테인레스 강판의 표면을 브러싱 또는 샌드 블라스팅 처리 후, 화학 및 전해 부식처리를 추가적으로 실시하고, 상기와 같이 표면 처리된 스테인레스 강판과 알루미늄 판을 적층, 가열, 가압 성형 및 풀림 처리 하여 클래드판을 제조하는 방법이 개시되어 있다.

상기 방법은 일반적인 클래드판의 제조 방법과 같이 판재 표면의 산화층 형성 방지를 위하여 판재의 가열을 환원성 분위기에서 실시하기 때문에 환원성 분위기 조성을 위한 특별한 설비 조건이 필요하게 되어 설비가 복잡하게 되며, 스테인레스 강판의 표면에 부식에 의해 형성되는 요철의 형상이 접합력 향상에 도움이 되기는 하지만, 그와 같은 부식처리는 상당한 주의를 요하는 공정으로서 생산성을 떨어뜨리게 되는 단점이 있다.

본 발명은 종래 클래드판의 제조 방법이 갖고 있는 제반 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 클래드판의 소재인 이종 금속 판재를 대기 중에서 가열함으로써 별도의 가열 분위기 조성을 위한 설비가 필요 없으며, 대기 중에서 가열시 금속 표면에 생성되는 산화물 피막층에 미세한 균열을 형성시켜 종래 제조 방법의 부식에 의한 표면 요철이 수행하던 역할을 하도록 함으로써, 제조 공정을 단순화 시켜 제조 원가를 상승시키지 않고 접합력을 떨어뜨리지 않으면서도 생산성을 향상시킬 수 있는 클래드판의 제조 방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 본 발명 방법의 공정 흐름도.

도 2는 가열 온도와 접합력의 상관 관계 그래프.

도 3은 2중 접합판의 접합력 시험 시편 사시도.

도 4는 3중 접합판의 접합력 시험 시편 사시도.

도 5는 접합부의 조직사진.

((도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명))

3. 3중 접합판의 접합력 시험 시편

4. 2중 접합판의 접합력 시험 시편

A. 알루미늄 판 S. 스테인레스 강판

B. 접합 경계

본 발명의 상기 목적은 클래드판 소재를 대기 중에서 가열하여 소재인 금속 판재의 표면에 산화물층을 생성시키는 대기 중에서의 가열과, 금속 판재의 표면에생성된 상기 산화물층에 미세한 균열을 발생시키는 동시에 판재간의 접합을 위해 적정한 압하율로 제어되는 열간 압연에 의하여 달성된다.

본 발명의 클래드판 제조 방법은, 클래드판의 소재인 스테인레스 강판과 알루미늄 판을 환원성 분위기가 아닌 대기 중에서 가열함에 그 기술적 특징이 있으며, 열간 압연에 의해 소재 금속 판재의 가열시 표면에 생성되는 산화물층에 미세한 균열을 발생시키고, 이 균열된 산화물층을, 종래 클래드판의 제조 방법에서 부식에 의해 금속 판재 표면에 형성된 요철부의 역할을 대행토록 하였다.

즉, 금속 판재의 표면에 생성된 산화물층에 균열이 발생하도록 적층된 금속 판재를 적정 압하율로서 열간 압연을 실시하면 상기 산화물층의 틈새를 통하여 이종 금속 판재 표면간의 압접과 확산이 일어나 두 금속 판재 표면이 접합되고, 두 금속 표면의 상기 균열된 산화물층은 서로 엇갈려 정합되므로써 서로 인터록 되어 두 표면의 결합력을 보완하여 주게 된다.

본 발명 스테인레스-알루미늄 3중 클래드판의 제조 방법은, 도 1에 도시된 공정 흐름도와 같이 알루미늄 판의 양면에 브러싱 내지는 샌드 블라스팅을 실시하여 표면에 스크래치와 요철을 형성시키는 단계(100)와, 상기 알루미늄 판의 양면에 스테인레스 강판을 각각 적층하여 스테인레스 강판/알루미늄 판/스테인레스 강판의 3중 적층판을 구성하는 단계(200)와, 상기 적층판을 대기 중에서 300∼500℃로 가열하는 단계(300)와, 가열된 상기 적층판을 스테인레스 강판 기준 1∼3% 연신 되도록 열간 압연하는 단계(400)로 이루어진다.

상기 본 발명의 방법을 단계별로 살펴보면 다음과 같다.

알루미늄 판의 양면에 브러싱 내지는 샌드 블라스팅을 실시하는 것은, 알루미늄 판 표면에 스크래치와 요철을 형성시켜 알루미늄 판의 표면적을 증가시키고 표면의 활성도를 상승시킴으로써 표면 산화물층을 쉽게 생성시키고, 생성된 산화물층에서 균열이 잘 일어나도록 하기 위해서이다.

또한, 상기의 브러싱 내지는 샌드 블라스팅은 알루미늄 판의 계면 에너지를 증가시킴으로써 열간 압연시 계면에서의 확산을 조장하는 역할을 하게 되어 두 금속간의 접합력을 향상시켜 주는 효과가 있다.

그리고, 적층판을 대기 중에서 가열하는 것은, 스테인레스 강판과 알루미늄 판의 표면에 산화물층을 형성시키기 위해서 이며, 이때 가열 온도가 300℃ 미만일 경우에는 산화물층의 생성이 불완전하게 되어 열간 압연 후 접합력이 부족하게 되고, 500℃를 초과하게 되면 산화물층의 생성이 과다하고 필요 이상으로 치밀하게 되어 안정화됨으로써 열간 압연시 산화물층의 균열이 불충분하여 오히려 접합력을 떨어뜨리게 된다.

즉, 본 발명 방법으로 제조되는 클래드판의 접합력은, 가열 온도 300℃ 부근에서부터 적절한 값을 갖게 되며, 온도 상승과 함께 상승되어 400℃부근에서 가장 높은 값을 보인 후 온도 상승에 따라 감소하여 500℃에서 바람직한 접합력의 최소 값을 보인 다음 급격히 감소하게 된다.

상기의 결과를 보인 것이 도 2로서, 이는 도 3과 같이 알루미늄 판(A)과 스테인레스 강판(S)의 2중 접합판(3)을 대상으로 시험한 것으로 폭 20mmm, 길이 150mm되는 상기 2중 접합판(3)의 일측 선단 부를 시험전 30mm의 길이로 분리한 후,분리된 일측 선단부의 일루미늄 판(A)과 스테인레스 강판(S)을 시편 길이 방향에 수직한 방향으로 힘을 가하여 상기 접합판이 분리되는 하중을 측정한 결과이다.

가열된 적층판이 냉각되기전 실시하는 열간 압연은, 두 금속 판재 표면의 산화물층에 미세한 균열을 발생시킴과 동시에 균열 틈새를 통한 두 금속 표면의 압접과 확산에 의해 이종 금속을 접합시키는 단계로서, 스테인레스 강판의 연신율이 1%에 미치지 못하면 산화물층에 발생하는 균열이 적어 접합력이 부족하게 되고, 3%를 초과하게 되면 스테인레스 강판의 가공 경화량이 크게 되어 접합 후 가공성이 떨어지게 된다.

상기와 같은 본 발명 방법에 의해 제조된 스테인레스-알루미늄 클래드판은 열간 압연 후 풀림 처리를 하지 않아도 적절한 기계적 성질을 가지고 있으며, 이는 환원성 분위기에서 가열하는 방법과 열간 압연 후 풀림 처리 등을 행하는 타사 제품과의 기계적 성질을 비교한 다음의 표 1에서도 알 수 있다.

구 분	소 재	Y.S(Kgf/mm2)	T.S(Kgf/mm2)	EL.(%)
일 본 스미토모제 품	SUS304/Al/SUS304	25.1	40.2	54.5
	SUS304/Al/SUS430	30.3	34.1	33.7
본 발명 방법에의한 제품	SUS304/Al/SUS304	17.2	39.7	66.0
	SUS304/Al/SUS430	24.4	32.1	36.9

상기 표 1에서도 알 수 있듯이, 본 발명 방법에 의한 클래드판은 열간 압연율이 적절히 제어되므로써 풀림 과정이 없이도 열간 압연된 상태 그대로도 양호한기계적 성질을 보여주고 있다.

그리고, 본 발명의 가장 큰 특징인 대기 중에서의 가열 단계에서 금속판 표면에 산화물층을 생성시키고, 이를 이용한 본 발명 방법에 의해 제조된 클래드판과 환원성 분위기에서 가열하여 산화물층의 생성을 억제한 상태로 제조된 클래드판의 접합력 비교 결과는 다음의 표 2와 같다.

구분	소재	시료수(개)	접 합 력(Kgf)
			최 대	최 소	평 균
본 발명 방법에의한 클래드판	SUS304/Al/SUS304	10	36.7	20.4	28.5
일본 스미토모클래드판			38.3	18.8	28.6

상기 표2는 도2에 도시된 바와 같이, 중앙부 알루미늄 판(A)의 길이와 폭을 각각 10㎝와 3㎝로 하고, 상기 알루미늄 판(A)의 양면에 접합된 스테인레스 강판(S)의 상호 반대 방향되는 각 일측부를 제거하여 타측단부는 알루미늄 판의 일측단부와 일치되면서 타측단부는 알루미늄 판의 타측단부를 서로 반대 방향으로 5㎝씩 벗어나도록 시편(2)을 채취한 후, 각 시편의 스테인레스 강판 단부를 인장시험기의 그립에 물려 알루미늄 판과 스테인레스 강판이 분리되는 시점의 하중을 측정한 것이다.

본 발명 방법에 의해 제조된 클래드판은, 상기 표 2에서 알 수 있듯이 산화물층이 형성되지 않은 클래드판과 동일한 수준의 접합력을 보여주고 있으며, 이는적절한 산화물층의 미세 균열에 의한 산화물층간의 정합이 이종 금속판 사이의 접합력을 감소시키지 않음을 보여주는 것이다.

도 5는 알루미늄 판과 스테인레스 강판의 접합면 조직사진으로서, 경계면(B)을 중심으로 외쪽이 스테인레스 강판, 오른쪽이 알루미늄 판이며, 상기 사진 하부의 그래프는 알루미늄의 농도를 나타낸다.

즉, 열간 압연시 스테인레스 강판 표면의 산화물층에 형성된 압연 균열 틈새를 통하여 알루미늄이 스테인레스 강판 내부로 확산되었슴을 알 수 있으며, 이로부터 본 발명의 클레드판 제조 방법에서는 스테인레스 강판 및 알루미늄 판의 표면에 생성된 산화물층이 두 금속의 접합에 방해가 되지 않는다고 판단할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명 스테인레스-알루미늄의 3중 클래드판 제조 방법은 접합력을 향상시키기 위한 스테인레스 강판 표면의 부식 공정이 생략되고, 가열 단계에서 가열로의 분위기를 환원성 분위기로 조성하기 위한 설비가 생략되어 클래드판을 제조하기 이한 설비가 최소화되어 설비에 대한 투자비용이 현저히 절감되는 장점이 있다.

또한, 부식 공정과 가열로 분위기 조성 공정이 생략되므로써 생산성이 크게 향상될 뿐 아니라, 생산 원가가 절감되는 이점이 있다.

Claims (1)

1. 스테인레스 강판과 알루미늄 판으로 이루어진 클래드판의 제조 방법에 있어서, 알루미늄 판의 양면에 브러싱 내지는 샌드 블라스팅을 실시하는 단계(100)와, 상기 알루미늄 판의 양면에 스테인레스 강판을 각각 적층 하여 스테인레스 강판/알루미늄 판/스테인레스 강판의 3중 적층판을 구성하는 단계(200)와, 상기 적층판을 대기 중에서 300∼500℃로 가열하는 단계(300)와, 가열된 적층판을 스테인레스 강판 기준으로 1∼3% 연신 되도록 열간 압연하는 단계(400)로 이루어짐을 특징으로 하는 스테인레스-알루미늄의 3중 클래드판 제조 방법.