KR100406361B1 - 우수한내고온산화성및굽힘가공성을갖는클래드재의제조장치및그제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이종(異種)의 적층판재를 접합하는 클래드 제조장치에 관한 것이며; 그 목적은 판재의 폭전장에 연속적으로 전류를 인가하면서 순간 가열하고 압착하여 내고온산화성과 굽힘가공성이 우수한 클래드재를 제조할 수 있는 장치 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

이와 같은 목적을 갖는 본 발명은,

이종의 적층판재의 폭전장에 걸쳐 접촉하여 회전하면서 이 적층판재에 전류를 인가하고 이 적층판재를 압착하여 접착시키는 상하부 전극롤,

상기 상하부 전극롤의 적어도 하나 이상에 연설되는 롤 승하강 수단과,

상기 상하부 전극롤에 연설되어 회전력을 부여하는 구동부 및

상기 상하부 전극롤에 전류를 연속적으로 공급하는 전원공급부를

포함하여 구성되는 클래드재의 제조장치: 및

이종의 적층판재를 그 폭전장에 걸쳐 10-100kgf/mm의 압하력으로 압하하고, 압하되는 적층판재에 0.5-2.0kA/mm전류를 연속적으로 인가하여 적층판재의 계면을 가열하여 적층판재의 전면을 압착하는 것을

포함하여 이루어지는 클래드재의 제조방법에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

Description

우수한 내고온산화성 및 굽힘가공성을 갖는 클래드재의 제조장치 및 그 제조방법{APPARATUS FOR CLADDING MATERIAL AND A METHOD OF MANUFACTURING CLADDING MATERIAL BY USING}

본 발명은 이종의 적층판재를 압착 접합하는 클래드 제조장치에 관한 것으로써, 상세히는 기존 열간압접압연법의 클래드 제조장치를 개량한 것으로 전기저항발열을 이용하여 이종의 두판재를 접합하는 클래드 제조장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로 서로 다른 성질을 갖는 소재를 금속조직적으로 접합시킨 적층형의 복합재료를 클래드재(Clad Materials)라 하며, 이러한 재료는 가전, 자동차, 중공업 등에 널리 적용되고 있다. Al, Ti, Cu, 스테인레스강 등과 같이 고온 혹은 산성분위기 등의 가혹한 환경에 사용되는 소재는 가격이 고가일뿐만 아니라, 가공 또한 어렵다. 따라서, 기지(모재)는 상대적으로 가격이 저렴하고 가공성이 우수한 소재를 사용하고, 표면은 특정한 성질이 요구되는 상기와 같은 소재들을 접합한 클래드재를 사용하는 경우 가공성이 우수함과 동시에 경제적이다.

또한, 동일한 재료로 2가지 이상의 기능을 발휘하기 위하여는 서로 다른 성질의 재료를 접합하는 것이 필요하다. 주방용기에 널리 사용되고 있는 알루미늄 혹은 동-스테인레스강 클래드는 표면에는 내식성이 우수한 스테인레스강을 사용하고 중간에는 열전도도가 우수한 알루미늄을 사용하므로서, 용기전체를 균일하게 가열시킬 뿐 아니라 바닥이 눋는 것을 방지하여 준다. 이와 같이 클래드재는 비용면에서 경제적이고 소재의 다기능화가 가능하며, 재료의 효용을 극대화시킴으로서 제한된 지하자원의 낭비를 방지시켜 준다.

클래드재의 대표적인 제조방법은 (1)열간압접압연법, (2)폭발접합법, (3)확산접합법, (3)육성용접법등이 있으며, 이중 열간압접압연법이 주로 이용되고 있으나 실제로는 상기의 공정을 복합하여 제조하고 있다.

(1) 열간압접압연법은 도 1에 그 장치(10)가 나타난 바와 같이, 가열로(11)에서 가열된 두 판재(12)를 이송대(13)를 통하여 이송하여 압연기(14)에서 압착하여 이종의 적층판재를 클래드재로 제조하는 방법이다. 이러한 기술로는 한국 공개특허공보 93-7534호에 알루미늄-스테인레스 클래드재의 제조방법이 제안되어 있으며, 미국특허공보 5060845에 티타늄-강 클래드를 삽입금속 삽입 및 열간압연에 의한 제조방법이 제안되어 있다. 또한, 미국특허공보 4202709에는 알루미늄-강 클래드를 강의 용융아연도금 및 열간압연에 의하여 제조하는 방법이 제안되어 있다.

그러나, 열간압접압연법은 이종(異種)의 두 판재를 가열장치로 가열하여 압연롤로 접합하기 때문에 별도의 가열장치가 필요하여 설비비가 높고 가열에 에너지가 많이 소모되며, 특히, 판재 표면의 산화에 의하여 클래드 제조비용이 높다는 문제가 있다. 예를 들어 티타늄-스테인레스강 클래드재를 제조하는 경우 티타늄은 산화성이 매우 커서 진공에서 압연하여야 하는데, 이 경우에는 제조원가가 너무 높아 경제성이 없고, 특히, 이 경우 접합계면에 금속간 화합물 등이 형성되기 때문에 접합이 어렵다는 문제가 있다. 도 5에는 열간압접압연법으로 티타늄 클래드재의 표면사진으로서, 과도한 표면산화에 의하여 접합이 불가능하다는 것을 알 수 있다.

이런 문제 때문에 티타늄-스테인레스강 클래드재의 경우 두판재를 폴리에스텔계 접착제를 사용하여 접착한 제품이 사용되기도 하였다. 그러나, 이 두 소재의 열팽창 계수가 다르기 때문에 경년열화에 의해서 계면에 균열이 생기기도 하고 접착력의 열화가 일어나고 특히 굽힘가공이 거의 불가능하기 때문에 소재로서의 효용가치가 매우 낮다.

(2) 폭발접합법은 폭약이 폭발할 때 발생하는 고압력을 사용하여 접합하는 방법으로, 기술특성상 장소의 제약이 많고 위험성이 높아 제조비용이 매우 높다는 문제점이 있다. 미국특허공보 4612259에서는 티타늄-강 클래드를 폭발압접 및 압연에 의하여 제조하는 방법이 제안되어 있다.

(3) 확산접합법은 두 판재를 진공 또는 불활성분위기 속에서 가열·가압하여 계면에서 확산을 일으켜 접합하는 방법으로, 접합력이 우수한 재료를 얻을 수는 있으나, 시간이 많이 걸리며 제조원가가 매우 높아 경제성이 없다.

(4) 육성용접은 예를 들어 모재인 강에 Ni와이어로 Ni용접층을 육성하고, 이를 압연하여 클래드재를 얻는 방법으로, 생산성은 낮은 반면 제조원가가 높고 육성용접이 가능한 소재만 클래드재로 제조할 수 있다는 단점이 있다. 특히, 두 판재를 용융하여 육성층을 올리는 것이므로 용접부의 경도가 높아 가공이 어렵다는 단점이 있다.

위에서 열거한 클래드재의 제조방법들은 모두다 나름대로의 장단점이 있으며, 이중 열간압접압법이 효과적이어서 유용하게 널리 이용되고 있다. 따라서, 본 발명자들은 열간압접압연법에 있어 특히 고온산화에 따른 근본적인 문제점을 해결하기 위하여 연구한 결과, 전기저항발열을 이용하면 그 해결이 가능하다는 것을 확인하고 본 발명을 제안하게 이르렀다.

한편, 전기저항발열을 이용하여 판재를 용접하는 기술로는 시임용접법(seam welding process)이 널리 알려져 있다. 이 용접법은 폭의 일부 즉, 5mm이하의 좁은 폭과 두께방향으로 두껍게 판재를 용융시켜 용접하는 방법으로, 본 발명과 같이 서로 다른 성질의 이종재료의 전체면을 용융하지 않고 접합하는 클래드재의 제조방법과는 전혀 다르다. 특히, 시임용접법에 의해 용접된 두 판재는 용접부가 용용되었다가 냉각되어 주조조직(응고조직)을 갖게 되므로 경도가 높고 가공성이 열악하기때문에 우수한 가공성이 요구되는 클래드재의 제조방법에 적용이 어렵다.

본 발명은 선행기술의 열간압접압연장치에 있어 고온산화의 문제를 개선하기 위한 것으로, 이종 판재의 계면에 전기저항발열을 연속적으로 발생시킬 수 있는 상하부 전극롤과 전원공급부를 구비하여 판재의 폭전장을 순간 가열하고 압착하여 고온산화없이 두 판재의 전면이 접합되고 굽힘가공성이 우수한 클래드재를 제조할 수 있는 장치 및 그 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 클래드재를 제조하는 장치의 일례도

도 2는 본 발명의 클래드재 제조장치의 일례도

도 3은 본 발명의 클래드재 제조장치의 접착원리 개략도

도 4는 본 발명의 장치로 클래드재를 제조하는 경우 접합부의 사진으로

도 4(a)는 접합부에서 불꽃이 발생한 사진(비교예)

도 4(b)는 접합부에서 정상적으로 접합이 이루어지는 사진(발명예)

도 5는 종래의 장치로 제조한 클래드재의 사진으로

도 5(a)는 클래드재의 표면사진(재가열온도 1100℃)

도 5(b)는 클래드재의 계면사진(재가열온도 930℃)

도 5(c)는 클래드재 계면의 전자현미경사진(재가열온도 930℃)

도 6은 본 발명의 장치로 제조한 클래드재의 사진으로

도 6(a)는 전류밀도 1.6kA/mm에서 제조한 클래드재(비교예)

도 6(b)는 전류밀도 1.3kA/mm에서 제조한 클래드재(발명예)

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

20...... 본 발명의 클래드 제조장치 21...... 적층판재

22a..... 상부 전극롤 22b..... 하부 전극롤

23a...... 상부롤 승하강수단

24a......상부롤 구동부 24b..... 하부롤 구동부

25...... 전원공급부 26...... 제어부

27...... 부스바 28...... 인가 전류측정센서

29a..... 상부백업롤 29b......하부백업롤

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 클래드재를 제조하는 장치에 있어서,

이종의 적층판재의 폭전장에 걸쳐 접촉하여 회전하면서 이 적층판재에 전류를 인가하고 이 적층판재를 압착하여 접착시키는 상하부 전극롤,

상기 상하부 전극롤의 적어도 하나 이상에 연설되는 롤 승하강수단과,

상기 상하부 전극롤에 연설되어 회전력을 부여하는 구동부 및

상기 상하부 전극롤에 연속적으로 전류를 공급하는 전원공급부; 를

포함하여 구성된다.

또한, 본 발명은 이종의 적층판재를 그 폭전장에 걸쳐 압연하여 접합시키는 방법에 있어서,

상기 적층판재를 0.5-2m/min의 속도로, 그 판재 폭 전장에 걸쳐 접촉하여 회전하는 상하부 전극롤로 이송하는 단계; 그리고

상기 상하부 전극롤에 0.5~2.0kA/mm 전류를 인가하면서 상기 이송된 적층판재를 단위폭당 10~100kgf/mm의 압하력으로 압하함으로써 적층판재의 전면을 전기저항발열로 압착하는 단계;를 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

[클래드재의 제조장치]

본 발명에 부합되는 클래드재 제조장치를 도 2를 일례로 하여 상세히 설명한다. 먼저, 도 2(a)에 나타난 발명의 클래드 제조장치는,

이종의 적층판재(21)의 폭전장에 걸쳐 접촉하여 이 적층판재에 전류를 인가하고 이 적층판재를 압착하여 접착되도록 적어도 둘중 하나가 상하 승강하는 상하부 전극롤(22),

상기 상하부 전극롤(22)의 적어도 하나 이상에 연설되는 롤 승하강 수단(23)과,

상기 상하부 전극롤(22)에 전류를 연속적으로 공급하는 전원공급부(25); 및

상기 상하부 전극롤(22)에 연설되어 회전력을 부여하는 구동부(24)를 포함하여 구성되고, 상기 롤 승하강 수단(23)과 전원공급부(25) 및 구동부(24)는 제어부(26)에 의해 제어된다.

상기 상하부 전극롤(22)은 전기전도도가 우수한 소재이면 가능하며 예를 들어 구리(Cu)계 금속이 좋다. 그리고, 본 발명에서는 적층판재의 전면을 접착시키므로 상하부 전극롤(22)은 인입되는 판재의 폭길이 보다 큰 것이 좋다. 통상의 클래드재를 고려할 때 상하부 전극롤(22)의 길이는 약 10-2000mm가 좋다.

또한, 롤 승하강수단(23)은, 상하부 전극롤(22)을 승강과 하강시켜 적층판재를 압착되도록 한다. 이를 위해 롤 승하강수단(23)은 상기 전극롤(22)이 상하로 승하강되도록 지지하는 지지브라켓트와, 상기 지지브라켓트의 상측으로 연결 설치되어 상기 전극롤을 상하로 승하강시키는 유압실린더로 구성될 수 있다. 이러한 롤 승하강수단(23)은 상하부 전극롤(22)의 어느 하나만 승하강시키는 것이 경제적이다.

또한, 상기 전원공급부(25)는 상하부 전극롤(22)에 전류를 연속적으로 공급하여 적층판재의 계면에 전기저항발열이 발생하도록 하는 것이다. 도 3을 통하여 설명하면, 적층판재(21)에 압력이 가해진 상태에서 상부 전극롤(22a)과 하부 전극롤(22b)에 전류를 흘리면 저항은 적층판재(21)의 계면에서 가장 크기 때문에 적층판재의 계면에서 저항발열이 집중적으로 발생하여 적층판재(21)의 계면의 온도가 높아진다. 결과적으로 판재의 계면에서 접합이 쉽게 일어난다. 이때 전원공급부(25)에서 인가하는 전류밀도는 적층판재의 물리적성질(예를 들어 고상선온도와 열전도도)를 고려하여 정하는 것이 바람직하며, 통상의 적층판재를 고려할 때 단위폭당 0.5-2.0kA/mm의 전류를 인가할 수 있도록 구성하는 것이 좋다.

본 발명의 장치(20)의 구동을 제어장치(26)를 통하여 설명하면 다음과 같다. 상기 제어부(26)에 의하여 가동되는 롤 승하강수단(23)에 의하여 상부 전극롤(22a) 혹은 하부 전극롤(22b)에 압력을 가한상태에서 적층판재(21)를 상부 전극롤(22a)과 하부 전극롤(22b) 사이로 통과시킨다. 이때 제어부(26)에 의하여 제어되는 전원공급부(25)에서 부스바(27)를 통하여 전류를 통전시키면 적층판재(21) 사이의 접촉저항에 의한 주울열이 발생하여 계면이 접합된다. 롤을 회전시키면서 전류를 연속적으로 공급하면 판재의 전체면이 접합된다. 이때, 인가전류측정센서(28)는 전원공급부(25)에서 인가되는 전류가 적절한지 계속적으로 측정하여 제어부(26)로 보내어 인가전류를 관리할 수도 있다.

한편, 상기와 같은 클래드 제조장치로 클래드재를 제조하는 경우 전류 및 압력은 판재의 폭에 비례하여 증가한다. 판폭이 증가하는 경우 큰 전류량 및 높은 압하력을 인가하여야 하는데, 이 경우 연속적으로 회전하는 상하부 전극롤(22)이 큰 전류량 및 높은 압하력을 동시에 인가하는 것은 기술적으로 어려움이 따른다. 따라서, 보다 바람직하게는 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 상하부 전극롤(22)과 롤 승하강수단(23)사이에 위치하여 상하부 전극롤(22)에 압하력과 회전력을 전달하는 상하부 백업롤(29)이 추가로 설치하는 것이다. 이와 같은 장치는 전극롤(22)은 전류만 공급하기 때문에 전류량의 편차가 적게되고 상하부 백업롤(29)은 압하력 및 회전력을 일정하게 공급할 수 있다.

[클래드재의 제조방법]

본 발명은 상기 제조장치를 이용하여 굽힘강도가 우수한 클래드재를 제공하고자 하는 것이다. 먼저, 본 발명의 방법은 적어도 2층이상의 적층판재에 적용될 수 있으며, 그 예로는 티타늄-스테인레스강, 알루미늄-스테인레스강, 탄소강-스테인레스강, 스테인레스강-티타늄의 적층판재가 있다.

이러한 적층판재를 상하부 전극롤에 인입하여 이송하면서 압하하는데, 이때의 이송속도는 0.5-20m/min이 바람직하다. 그 이유는 0.5m/min이하의 경우 과입열에 의해 과도한 용융이 일어나 클래드재의 제조가 어렵고, 20m/min이상의 경우 이송속도가 너무 빨라 접합이 어렵기 때문이다.

상기와 같이 적층판재를 이송하면서 단위폭당 10-100kgf/mm(판재의 단위폭에 대한 하중)의 압하력으로 압하한다. 그 이유는 압하력이 10kgf/mm 보다 작은 경우 판재사이의 접촉저항이 지나치게 커지므로 판재의 계면에서 불꽃이 발생할 뿐만 아니라(도 4(a)) 압착이 충분히 이루어지지 않아 클래드재의 제조가 곤란하다. 또한, 압하력이 100kgf/mm 보다 큰 경우 판재의 계면접촉저항이 감소하여 발열집중이 이루어지지 않아 판재의 접합이 이루어지지 않는다.

상기와 같이 적층판재를 압하하면서 약 0.5-2kA/mm의 전류를 인가하는 것이 바람직하다. 이는 입열량과 계면의 용융에 따른 불꽂의 발생을 고려한 것이고 특히 응고조직을 줄이기 위해 2kA/mm이하로 하는 것이다(도 4(b)). 본 발명의 실시예에 의하면 티타늄과 스테인레스 클래드재의 경우 0.5-1.5kA/mm로 하는 것이 좋다. 이는 두 판재를 접촉하기 위해 최소한 0.5kA/mm의 입열량이 요구되며, 1.5kA/mm를 넘으면 접합계면에 응고조직이 발생하며 응고조직의 중심부에는 편석선이 나타나 결합력을 저하시키기 때문이다. 상기와 같이 전류를 연속적으로 인가하면 적층판재의 계면에 전기저항발열이 연속적으로 발생하면서 적층판재의 전계면이 가열되어 전면이 접착된다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

[실시예]

발명예

티타늄-스테인레스강 적층판재(21)를 본 발명의 클래드재의 제조장치(도 2)의 상하부 전극롤(22)에 인입하여 단위폭당 55kgf/mm압하력을 가하고 상부 전극롤(22a)과 하부 전극롤(22b)에 전류를 흘리고, 상하부 전극롤(22)를 1.0m/min의 속도로 회전시켜 적층판재를 이송하면서 클래드재를 제조하였다.

종래예

접합부의 산화를 방지하기 위하여 진공상태에서 판재의 테두리를 전자빔에 의해서 용접한 다음, 용접된 판재(12)를 도 1의 종래 클래드재 제조장치의 가열로(11)에서 가열한 후 이송대(13)을 통하여 압연기로 이송하고 압연기(14)에서 열간압연하여클래드재를 제조하였다.

상기와 같이 본 발명 및 종래의 장치에서 제조된 클래드재를 cupping test로 굴곡시험하고 표면의 균열, 주름 발생 상태 등을 종합적으로 판단하여 그 결과를 아래 표 1에 나타내는 한편, 클래드재의 표면 및 계면사진을 도 5와 도 6에 나타내었다.

상기 표 1 및 도 5에 나타난 바와 같이, 1000℃이상의 고온에서 재가열처리하여 압연한 종래예1의 경우 티타늄판이 심하게 산화되었으며(도 5(a)), 산화는 티타늄 판재 두께 방향으로 스테인레스 강판의 계면까지 즉 전두께에 걸쳐 진행되었다. 이처럼 산화된 티타늄 판재는 압연후 거북등처럼 균열이 발생하였다.

또한, 종래예 2-3은 일본 공개특허공보 평 3-277541, 3-277542호에 제안된 대로 930℃의 온도로 재가열하고 압연한 것으로서, 표면산화 정도의 차이는 있지만 여전히 표면이 산화되었으며 계면에서는 용융이 일어났다가 재응고한 응고역(화살표)이관찰되고 있다(도 5(b)). 이 응고역은 성분분석결과 Ti-Fe공정상으로 확인되었다. 도 5(c)의 전자현미경 사진에서 알 수 있듯이, 계면을 따라서 미세균열이 존재하고 있어 굴곡시험시 전계면에서 균열이 발생하였다.

이에 반하여 본 발명예3,4,5의 경우 클래드재의 접합부가 건전하였으며(도 6(a)), 굽힙가공성도 우수하였다. 그러나, 전류밀도가 16kA/mm이상의 경우 계면에 응고한 조직이 관찰되었으며 양측에서 성장한 수지상들이 만나는 중심선을 따라서 뚜렷한 중심선 편석(화살표)이 관찰되었다(도 6(b)). 이러한 중심선 편석은 접합력을 저하시키게 되며 실제로 굴곡시험에서 중심선을 따라 단락적인 균열이 발생하였다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 다양한 소재를 저렴하게 클래드재로 제조할 수 있는 클래드 제조장치를 제공할 수 있고, 이러한 본 발명에 의하면 고온산화가 없고 특히 굽힘가공성이 우수한 클래드재를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 이종의 적층판재를 그 폭전장에 걸쳐 압연하여 접합시키는 방법에 있어서,

   상기 적층판재를 0.5-2m/min의 속도로, 그 판재 폭 전장에 걸쳐 접촉하여 회전하는 상하부 전극롤로 이송하는 단계; 그리고

   상기 상하부 전극롤에 0.5~2.0kA/mm 전류를 인가하면서 상기 이송된 적층판재를 단위폭당 10~100kgf/mm의 압하력으로 압하함으로써 적층판재의 전면을 전기저항발열로 압착하는 단계;를 포함하는 클래드재 제조방법
2. 제 1항에 있어서, 상기 이종의 적층판재는 티타늄과 스테인레스 판재이고, 상기 저전류인가량은 판재의 단위폭당 0.5-1.5kA/mm임을 특징으로 하는 방법.