KR100489680B1 - 동과 알루미늄 클래드재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동과 알루미늄의 클래드재를 압연에 의해 제조하는 방법에 관한 것으로, 그 목적은 동판과 알루미늄판의 연화조건을 고려하여 별도의 가열처리조건과 함께 압연조건을 제어하여 클래드재의 가공성을 확보할 수 있는 클래드재의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

동판과 알루미늄판을 산세하여 스케일을 제거하는 단계,

스케일이 제거된 동판과 알루미늄판 표면에 요철을 만드는 단계,

상기 동판을 200℃ - 400℃ 범위로 가열하고 알루미늄판을 350℃ - 450℃로 가열하는 단계,

상기 가열된 동판과 알루미늄판을 적층하여 분당 5미터 이하의 속도와 20 ~ 40%의 압하율로 압연하여 접합하는 단계를 포함하여 이루어지는 동과 알루미늄 클래드재의 제조방법에 관한 것을 그 기술요지로 한다.

Description

동과 알루미늄 클래드재의 제조방법{Method for cladding copper plate on aluminum plate}

본 발명은 동과 알루미늄의 클래드재 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 동판과 알루미늄판의 연화조건을 고려하여 별도의 가열처리조건과 함께 압연조건을 제어하여 클래드재의 가공성을 확보할 수 있는 클래드재의 제조방법에 관한 것이다.

최근 산업 전 분야에 걸쳐서 소재의 성능을 극대화하기 위하여 이종 소재를 조합하여 이용하는 소재 테일러링(tailoring) 기술이 활발히 개발되고 있다. 테일러링한 소재는 일체형 소재와 클래드 재로 구분할 수 있다. 일체형 소재는 금속과 탄소섬유 등의 기능소재를 복합시킨 FRM (Fiber Reinforced Metal), 산화물 분산강화합금 등이 있다. 클래드재는 이종 재료를 압연 또는 용접에 의하여 클래딩한 복합형 소재이다. 일체형 소재는 우주, 항공 등 첨단 산업분야에 주로 적용되고 있으나 제조상의 어려움, 코스트 등의 문제로 인하여 적용 분야 확대에 많은 제한이 있다. 따라서, 비교적 손쉽게 제조할 수 있는 클래드재가 가전, 자동차, 중공업 등의 산업 전반에 폭 넓게 적용되고 있다.

한국산업규격 KS D 0234-1992에 의하면 클래드재는 "어떤금속을 다른 금속으로 전체 면에 걸쳐 피복하고 그 경계 면이 금속 조직적으로 접합되어 있는 것"으로 정의하고 있다. 이 같은 클래드재는 재료를 적절히 조합해 사용함으로서 소재의 성능을 극대화시키고 고가의 소재를 절약할 수 있기 때문에 경제적으로도 큰 장점이 있다. 이러한 장점에 힘입어 소재의 조합이 점차 다양해지고 있으며 적용분야도 확대되고 있는 것이다. 클래드 제품의 용도는 주방용품을 포함한 가전제품, 자동차 부품, 원자력 및 석유 화학용 압력용기 등 다양하나 이들 중 가장 큰 수요는 가전제품 분야이다.

클래드재 중에서 현재 가전제품용 소재로 가장 많이 적용되고 있는 것이 스테인리스강-알루미늄 클래드재이다. 이 소재는 스테인리스강과 알루미늄의 장점을 적절히 조합시켜 사용하기 위하여 것이다. 이들을 클래드한 제품은 알루미늄의 낮은 비중과 높은 열전도도, 스테인리스강의 우수한 내식성 및 가공성 등의 장점을 가지고 있다. 따라서, 일반 가정용 조리 용기와 전자 조리용 기구에 이용되고 있으며 건자재, 플랜트에 사용되는 열 교환기 용재, 자동차, 차량, 선박 등에도 일부 적용이 되고 있다.

이처럼 클래드재는 다양한 용도로 사용될 수 있기 때문에 각 분야에서 기존의 단일 소재를 대체할 가능성이 매우 크다. 근래에 와서는 열원으로 가스를 이용하는 대신 위험성도 적고 환경 친화적인 유도가열 장치의 이용이 점차 증가하고 있다. 이에 적합한 소재로 열을 골고루, 빠르게 전도할 수 있는 스테인리스강/알루미늄 또는 스테인리스강/알루미늄/스테인리스강 클래드재를 이용하고 있다. 유도가열 방식에 의한 가열을 위해서는 소재에 자기가 있어야 하며 이를 위해서 이중 판의 경우 외부는 페라이트계 스테인리스강, 음식물과 접촉하는 내부는 알루미늄에 수지 코팅을 하여 사용하며 삼중 판은 외부는 페라이트계 스테인리스강, 가운데는 알루미늄, 내부는 오스테나이트계 스테인리스강으로 구성되어 있다. 그러나 유도가열 특성을 충분히 활용하기 위해서는 자기특성이 우수한 탄소강을 사용하는 것이 훨씬 효과적이다. 따라서, 스테인리스강/알루미늄/탄소강/알루미늄/스테인리스, 알루미늄/탄소강/알루미늄 등의 탄소강을 포함한 클래드재도 유도가열용 소재로 개발되고 있다.

이 같은 클래드재들과 함께 부가가치가 높으며 외관이 미려하고 열전달 특성이 매우 우수한 동(Cu)/알루미늄 클래드재에 대한 수요가 유럽을 중심으로 서서히 증가하고 있는 추세이다. 클래드재의 외피로 이용되는 동은 기존의 스테인리스강에 비하여 전열성능이나 열확산 성능이 매우 우수하다. 따라서, 동(Cu)/알루미늄 클래드재를 조리기구용 소재로 이용하면 조리시간의 단축이 가능해지며 따라서 에너지 절약도 가능하며 전술한 바와 같이 외관이 미려하여 장식용으로도 가치가 있다. 또한 이 재료는 히트 싱크재로서도 이용이 가능하다.

클래드재의 제조방법으로서는 확산접합, 폭발용접, 열간 압연 등을 들 수 있다. 확산접합은 접합부의 성능은 우수하나 시간이 걸리고 가격이 비싸 경제성이 떨어지는 단점이 있다. 폭발용접은 소음문제로 작업장소를 찾기 어렵고 화약 양 등의 문제로 대량 생산이 어렵다. 따라서, 현재로서 클래드 제품을 가장 경제적이고 대량으로 상업 생산할 수 있는 방법이 열간압연기술이다. 열간 압연에 의해서 클래드재를 제조하는 방법은 일종의 고상접합으로서 접합면에 존재하는 스케일, 기름, 때 등의 이물질을 제거하는 접합전 표면처리가 매우 중요하다. 접합시에도 접합계면에 산화피막이 생기지 않도록 충분히 주의하여야 한다. 그런데, 제품을 대량 생산하는 상업공정에서는 계면을 보호하기 위해서 진공 분위기에서 압연하거나 환원성 가스 분위기에서 압연하는 것이 어렵다. 따라서, 판재 표면처리를 하더라도 판재 가열시 산화피막이 다시 형성되어 접합시 문제를 일으키게 된다.

종래 동과 알루미늄 클래드재 제조기술로는 한국 공개특허공보 2001-091951호가 있다. 이 기술은 무산소동과 알루미늄 합금판의 접합에 있어서 중간재(인서트재, insert metal)인 순 알루미늄을 이용하며 무산소동과 순 알루미늄 판을 압하율 40 ~ 70%의 조건에서 냉간 압연하고 이 클래드재를 다시 알루미늄 합금과 냉간 압연하거나 100 ~ 350℃의 온도 범위에서 열간 압연하는 방법을 설명하고 있다. 또한 접합된 클래드재에 대하여 200 ~ 400℃의 온도 범위에서 열처리를 실시함으로서 접합강도를 향상시키고자 하였다. 한편, Sheet Metal Industry 60권 5호(1983)에 발표된 자료에서는 알루미늄과 동을 100 ~ 150℃의 온도 범위에서 압하율 55% 이상의 조건에서 열간 압연하고 이 열간 압연재를 260 ~ 300℃의 온도범위에서 소둔하는 방법을 기술하고 있다.

그러나, 이들 종래기술에서 제공된 알루미늄/동 클래드재를 주방용기로 제조하기 위해서는 소성가공(드로잉)을 하여야 하는데, 접합압연공정에서 압하율 40 ~ 70%로 소재를 압연하게 되면 주방용기로 소성가공시 판재의 터짐현상이 발생하여 가공이 거의 불가능해지게 된다. 또한, 200 ~ 400℃ 온도의 열처리에서 알루미늄은 가공경화를 완화시키는 효과를 낼 수도 있으나 동은 융점이 1100℃ 정도이기 때문에 동에 대해서는 연화의 효과를 내기가 어렵다.

따라서, 본 발명에서는 소성가공성이 우수한 동과 알루미늄 클래드재의 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 동과 알루미늄 클래드재 제조방법은, 동판과 알루미늄판을 산세하여 스케일을 제거하는 단계,

스케일이 제거된 동판과 알루미늄판 표면에 요철을 만드는 단계,

상기 동판을 200℃ - 400℃ 범위로 가열하고 알루미늄판을 350℃ - 450℃로 가열하는 단계,

상기 가열된 동판과 알루미늄판을 적층하여 분당 5미터 이하의 속도와 20 ~ 40%의 압하율로 압연하여 접합하는 단계를 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 동과 알루미늄을 다른 온도에서 가열하는 것과 함께 가공경화를 유발하지 않는 접합압연조건을 설정하여 동과 알루미늄 클래드재의 가공성을 확보하는데 특징이 있다.

먼저, 본 발명에서는 동판과 알루미늄판의 스케일을 제거한다. 스케일제거는 산세가 가장 바람직하다. 예를 들어 동판은 질산 또는 황산 용액에 일정시간 침적하여 스케일을 제거한다. 그리고, 알루미늄은 수산화나트륨(Sodium Hydroxide) 용액에 침적시킨 후 석유에테르(petroleum ether) 용액으로 세정한다.

스케일이 제거한 동판과 알루미늄판에는 미세한 요철을 형성한다. 미세한 요철의 크기는 0.5mm이하로 하는 것이 바람직하다. 요철의 크기가 0.5mm 보다 크면 압연후 표면에 자국이 남을 수 있다. 요철을 형성하는 방법으로는 와이어 직경이 0.5mm이하의 쇠솔을 이용하는 것이 가장 바람직하다. 쇠 솔질은 접합하려는 소재 표면에 미세한 홈들을 만들게 되는데 이 홈들이 접합면적을 넓혀서 접합을 양호하게 한다.

요철이 형성된 동판과 알루미늄판을 열처리한다. 동판은 200℃ - 400℃로 가열하고 알루미늄판은 350℃ - 450℃로 가열한다. 동판의 가열온도가 400℃를 넘게 되면 표면 산화층의 두께가 급격히 증가하여 접합이 어려워지며 200℃ 미만에서는 소재의 연신에 많은 하중이 필요하기 때문에 상온 접합에서와 마찬가지로 후속의 가공공정에서 판 파단을 야기시키게 된다. 알루미늄판은 주방 용기용 클래드 소재의 특성상 동판에 비해 두께가 두껍다. 따라서, 압연을 용이하게 하기 위해서는 가열이 불가피하나 알루미늄의 융점이 500℃ 정도이기 때문에 450℃ 초과의 경우 알루미늄이 국부적으로 용융하거나 롤에 달라붙는 현상이 발생하여 압연을 어렵게 한다. 또한, 알루미늄 판의 가열온도가 350℃미만에서는 변형저항 완화의 효과가 미미하여 압연에 많은 하중이 필요하기 때문에 가열의 효과가 작다.

상기와 같이 가열된 동판과 알루미늄판을 적층한다. 이 적층판을 열간압연하여 접합한다. 이때의 압연속도는 분당 5미터 이하로 하는 것이 바람직하다. 동과 알루미늄을 클래드재를 만들기 위해서는 두 소재의 표면에 있는 원자들 사이의 확산이 일어나야 하는데 확산은 압연속도에 의해 영향을 받는다. 따라서 압연속도가 분당 5미터 보다 커지면 확산에 필요한 시간이 너무 짧아 접합이 일어나지 않는다. 압하율의 경우 20% 미만에서는 충분한 접합력을 가할 수 없으며 40%초과의 경우에는 판재에 심한 변형을 주게되어 가공경화 현상이 발생하여 제조된 클래드재를 주방용기로 가공하기 어렵다.

본 발명에서 사용하는 동판과 알루미늄판은 통상 클래드재로 사용하는 것이면 가능하며, 동판의 경우에는 무산화동판이 가장 바람직하다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

동판을 질산용액에 10분동안 침적하여 스케일을 제거하였고, 알루미늄은 수산화나트륨(Sodium Hydroxide) 용액에 수초 침적시킨 후 석유에테르(petroleum ether) 용액으로 세정하여 스케일을 제거하였다. 스케일이 제거된 동판과 알루미늄판을 직경이 0.2mm의 와이어를 갖는 쇠솔로 쇠솔질하여 표면에 요철을 형성하였다.

요철이 형성된 강판을 도 1의 클래드 제조장치에서 클래드재로 제조하였다. 즉, 동판은 가열로(11)에서 알루미늄판은 가열로 (12)에서 가열한 후 적층하여 압연기(17)에 접합하여 클래드재로 제조하였다. 표 1에는 가열로에서의 가열온도와 열간압연조건에 따른 가공성(드로잉성)평가 결과가 나타나 있다.

동판 두께(mm)	알루미늄판두께(mm)	압연속도(mpm)	압연조건		드로잉성	비 고
			가열온도동/알루미늄(℃)	압하율(%)
0.4mm	2mm	3	200/400	30.5	O
0.4mm	2mm	1	350/350	28.2	O
0.4mm	2mm	2	400/450	21.6	O
0.4mm	2mm	1	350/500	24.2	O	롤 흡착
0.4mm	2mm	5	200/370	37.5	O
0.4mm	2mm	2	250/350	30.8	O
0.4mm	2mm	7	300/400	33	-	접합불량
0.4mm	2mm	3	상온/상온	59.3	X	모서리 미세균열 발생
0.4mm	2mm	4	250/380	43.2	X
0.4mm	2mm	3	250/350	45.2	X	250℃후열처리
O: 드로잉성 양호 , X: 판 파단 발생

표 1에 나타난 바와 같이, 알루미늄의 가열온도가 500℃의 경우에는 롤에 흡착하는 문제가 있었다. 또한, 압연속도가 7mpm의 경우에는 접합이 매우 불량하였다. 그리고, 가열처리하지 않는 경우에는 모서리에 미세균열이 발생하였고, 드로잉성도 열악하였다. 또한, 압하율이 40%를 초과하는 경우에는 심한 가공경화로 더 이상의 가공이 불가능하였다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 동과 알루미늄을 다른 온도에서 가열하는 것과 함께 가공경화를 유발하지 않는 압연조건을 설정하여 동과 알루미늄 클래드재의 가공성을 확보하는데 특징이 있다.

도 1은 접합압연에 의한 클래드재 제조공정도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

11, 12..... 가열로, 13..... 알루미늄 판

14.... 동 판, 15..... 이송용 롤,

16..... 알루미늄판과 동판의 적층판 17..... 압연기

Claims (2)

1. 동판과 알루미늄판을 산세하여 스케일을 제거하는 단계,

   스케일이 제거된 동판과 알루미늄판 표면에 요철을 만드는 단계,

   상기 동판을 200℃ - 400℃ 범위로 가열하고 알루미늄판을 350℃ - 450℃로 가열하는 단계,

   상기 가열된 동판과 알루미늄판을 적층하여 분당 5미터 이하의 속도와 20 ~ 40%의 압하율로 압연하여 접합하는 단계를 포함하여 이루어지는 동과 알루미늄 클래드재의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 요철은 쇠솔로 형성하는 것을 특징으로 하는 동과 알루미늄 클래드재의 제조방법.