KR100515030B1 - 자성 철합금이 함유된 알루미늄 피복용 클래드 및 그제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유도가열 특성 및 성형성이 우수한 주방용 Al 합금을 피복시키기 위한 클래드 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 클래드는, 주방용 Al 합금 피복용 클래드로서, 상기 클래드는 오스테나이트계 스테인리스강/자성 철합금/오스테나이트계 스테인리스강의 적층구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

자성 철합금이 함유된 알루미늄 피복용 클래드 및 그 제조방법{MAGNETIC STEEL-CONTAINING CLAD MATERIAL FOR CLADING Al AND ITS FABRICATION METHOD}

본 발명은 피복용 클래드와 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 유도가열 특성 및 성형성이 우수한 주방용 Al 합금을 피복시키기 위한 클래드 및 그 제조방법에 관한 것이다.

현재 주방용 클래드 판재 중에서 가장 많이 사용되고 있는 것은 가볍고 열전도성이 우수한 알루미늄(Al)에 우수한 내식성과 강도를 갖고 색상이 미려한 스테인리스강을 조합한 Al/스테인리스 클래드 판재이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래에 상기 스테인리스는 색상이 미려하고 내식성이 우수하고 성형이 잘되는 오스테나이트계 스테인리스, 예컨대 대표적으로 SUS 304(JIS 기준)를 사용하였고, 이 경우, SUS 304 사이에 단층 또는 복층의 Al 합금이 삽입된 구조가 대부분이었다(경우에 따라서는 용기 안쪽의 304가 생략되기도 하였다).

한편, 최근에는 냄비 혹은 밥솥 등을 전기에 의한 유도가열(induction heating) 방식으로 가열하는 방식이 선호되고 있다. 이는 유도가열 방식으로는 용기 자체가 발열되므로 높은 화력을 쉽게 얻을 수 있고, 열효율이 높으며 조작이 간편하고 안전하기 때문이다. 유도가열은 자기장의 변화에 따른 이력손실(hysteresis loss)과 와전류 손실(eddy-current loss)에 기인하는 것으로, 전자는 자성물체에서만 발생되지만 후자는 모든 전도체에서 일어날 수 있다. 그러나 가정용 전원의 주파수가 그다지 높지 않아 주로 와전류 손실에 의해 발생되는 열은 미미하여 이력손실에 의해 발생되는 열에 의존할 수밖에 없다.

따라서 종래에 있어, 주방용품이 유도가열 방식으로 동작될 수 있기 위해서는 상기 Al/스테인리스 클래드 판재에서 오스테나이트계 스테인리스인 SUS 304 대신에 자성을 갖는 SUS 430계열의 페라이트계 스테인리스를 써야 했다. 도 2는 SUS 304와 SUS 430 사이에 단층 또는 복층의 Al합금을 삽입하고 자성이 있는 SUS 430을 용기의 외측으로 하여 성형한 것으로 이 또한 용기 내측의 SUS 304는 생략될 수 있었다. 이러한 구조가 현재 IH용 주방용기의 대부분을 차지하고 있다.

그러나 상기 도 2에 도시된 클래드 판재는 페라이트계 스테인리스인 SUS 430의 열악한 성형성으로 인하여 성형시 고질적인 표면결함인 이랑(소위 ridging 또는 roping이라고도 함)이 생기기 때문에, 이를 제거하기 위해서는 수십 내지는 수백 ㎛을 연마해야 하는 등의 추가적인 비용이 많이 소요된다. 또한 상기 페라이트계 스테인리스는 연신율이 30% 정도로 클래드 조건이나 성형조건이 거의 완벽하지 않으면 성형시 파손이 일나나기 쉽다. 또한 SUS 430과 같은 자성재료는 소위 표면 효과(skin effect)가 커서 표면부위에서 열발생이 집중되는데, 이 경우 스테인리스는 열전도성이 나쁘므로 대류에 의한 열손실이 커지게 되어 열효율의 측면에서도 바람직하지 않다.

본 발명은 이러한 기술적 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 주방용 Al 합금을 피복시키는데 사용되는, 유도가열 특성 및 성형성이 우수한 새로운 구조의 클래드 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 요지는 다음과 같다.

(1) 주방용 Al 합금 피복용 클래드로서, 상기 클래드는 오스테나이트계 스테인리스강/자성 철합금/오스테나이트계 스테인리스강의 적층구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 Al 합금 피복용 클래드.

(2) 상기 (1) 에 있어서, 상기 자성 철합금은 일반 탄소강(plain steel)인 것을 특징으로 하는 Al 합금 피복용 클래드.

(3) 상기 (1) 또는 (2)에 따른 클래드가 편면 또는 양면에 피복된 주방용 Al 합금 판재.

(4) 빌렛 형상의 자성 철합금을 제공하는 단계; 상기 빌렛의 상면과 하면 각각에 판상의 오스테나이트계 스테인리스강을 밀착 제공한 후 그 가장자리를 상기 빌렛에 용접하여 단일체를 형성하는 단계; 및 상기 오스테나이트계 스테인리스강을 압연 롤러와의 접촉면으로 하여 상기 단일체를 압연하는 단계를 포함하여 이루어지는, 상기 (1) 또는 (2)에 따른 오스테나이트계 스테인리스강/자성 철합금/오스테나이트계 스테인리스강의 적층구조를 갖는 클래드를 제조하는 방법.

이하에서 본 발명을 상세하게 설명한다.

먼저, 본 발명에 따른 Al 피복용 클래드의 구조에 대하여 설명한다.

본 발명에서 사용되는 Al 합금은 특별히 제한되지 않지만, 대표적으로 많이 쓰이는 합금으로는 AA1050, AA1100, AA3003, AA3004 등이 있다.

도 3은 본 발명에 따른 오스테나이트계 스테인리스강/자성 철합금/오스테나이트계 스테인리스강 적층구조의 클래드 도시한 도면이다. 본 발명에 따른 클래드는 기본적으로 종래 SUS 430만으로 이루어진 클래드가 갖는 단점인 가공성 및 열효율의 문제점을 해결하고, 또한 오스테나이트계 스테인리스강이 갖는 유도가열성의 문제를 보완하여 완성된 것이다. 즉, 본 발명에 따른 Al 피복용 클래드는 오스테나이트계 스테인리스강/자성 철합금/오스테나이트계 스테인리스강으로 이루어진 적층구조를 특징으로 하며, 이중 오스테나이트계 스텐레스강은 내식성과 성형성을 제공하고 자성철합금은 유도가열성 및 성형성을 크게 향상시킨다. 한편, 알루미늄에 접합하는 면의 오스테나이트계 스텐레스강은 완성품 상태에서는 오히려 없는 편이 열효율 등의 면에서 유리하나, 상기의 철 클래드를 Al에 접합할 때 자성 철합금의 산화방지에 필요하다.

상기 자성 철합금은 유도가열 특성을 갖기만 하면 특별히 제한되는 것은 아니나, 제조 비용의 면에서 일반 탄소강을 사용하는 것이 유리하다. 자성이 있는 금속으로는 니켈, 코발트, 철합금 등이 있으나 니켈, 코발트는 너무 고가이므로 경제성이 없다. 철합금은 경제성에서 유리할 뿐 아니라 이력손실이 커서 유도가열성이 우수하다.

본 발명에 따른 적층구조의 클래드 판재를 주방용 Al 합금의 피복재로 사용하는 경우에, 자성체이면서도 가격이 저렴한 일반 강에 오스테나이트계 스테인리스강을 얇게 클래드해서 접합하면 단순한 페라이트계 스테인리스강인 SUS 430 클래드를 피복시키는 경우보다 우수한 유도가열특성, 성형성, 내식성 및 미관을 얻을 수 있어 주방용품으로 사용하기에 적합하다.

다음으로, 상기 Al 피복용 클래드의 제조방법에 대하여 설명한다.

본 발명에 따른 Al 피복용 클래드의 제조방법은 상기 자성 철합금과 오스테나이트계 스테인리스강 사이로 공기 중 산소가 유입되는 것을 억제할 수 있는 조건을 형성한 후 고온에서 열간 압연하는 것을 특징으로 한다. 즉, 자성 철합금과 오스테나이트계 스테인리스강 사이로의 산소 유입이 억제됨으로써 그 계면에서의 고온 산화가 방지되어 30 %의 낮은 압하율로도 용이하게 클래드 접합이 이루어질 수 있어 종래의 일반적인 압연장치를 사용하는 것도 가능하다.

도 4는 산소의 유입을 억제한 상태에서 본 발명에 따른 클래드를 제조하는 또 다른 방법을 개략적으로 도시한 공정도이다.

먼저, 제공된 빌렛 형상의 자성 철합금의 상면과 하면 각각에 판상의 오스테나이트계 스테인리스강 합금을 밀착시킨다. 다음으로, 상기 오스테나이트계 스테인리스강의 가장자리를 상기 빌렛에 용접하여 단일체를 형성시킴으로써, 오스테나이트계 스테인리스강과 빌렛 계면 사이에 공기 중 산소의 유입을 방지함으로써 후속되는 압연 과정에서 접합을 방해하는 산화막이 형성되지 않는다. 압연 과정에서 600℃ 이상에서 30% 정도의 압하율이면 완전한 클래드 접합이 일어난다. 그 이후에는 소정 두께의 클래드 판재를 얻기 위하여 열간 압연 및 냉간 압연을 반복하여 실시할 수 있다.

이상의 도 4에 나타낸 본 발명에 따른 클래드 제조방법은, 오스테나이트계 스테인리스강/자성 철합금/오스테나이트계 스테인리스강 적층구조의 클래드를 대상으로 하여 설명하였지만, 대상 재료가 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 사용되는 스테인리스이나 철합금의 종류는 클래드의 용도에 따라 달라질 수 있으며, 상기 SUS 304 이외에도 SUS 430, 410, 316, 301, 436 등이 사용될 수 있고, 철합금의 종류로는 S30CM-S75CM 등이 사용될 수도 있다.

(실시예)

두께 50mm, 탄소 함량 0.08wt.%의 저탄소강의 상면과 하면에 두께 5mm의 SUS 304를 대고 그 가장자리를 TIG (tungsten inert gas) 용접함으로써 상기 SUS 304/저탄소강 사이에 공기의 유입을 방지했다. 1000℃에서 40%의 압하율로 압연한 결과 SUS 304/저탄소강/SUS 304의 클래드 판을 얻을 수 있었다. 다음, 통상의 열간 압연으로 두께 1.2mm로 제조한 후 다시 두께 0.5mm로 냉간 압연하였다.

상기의 방법을 이용하여 제조한 SUS 304/저탄소강/SUS 304(두께 0.5mm)를 Al 3003 합금(두께 3.0mm)에 적층한 다음 300℃에서 총 두께 2.7mm로 압연해서 접합하였다(이때 SUS 304/저탄소강/SUS 304 클래드의 두께 변화는 거의 없다). 압연접합 후의 미세조직은 도 5와 같다. 비교재로 서는 두께 0.5mm의 SUS 430을 두께 3.0mm의 Al 3003 합금에 적층한 다음 300℃에서 총 두께 2.7mm로 압연해서 접합하였다.

본 발명에 따는 클래드 피복된 Al 합금판과 비교재를 지름 370mm로 블랭킹(blanking)하여 원판형으로 성형한 후 용기 형태로 딥 드로잉(deep drawing)한 결과를 도 6과 도 7에 나타내었다. 도 6에 도시된 바와 같이, SUS 430은 페라이트 계 스테인리스 특유의 리징(ridging)이 나타나나, 본 발명에 따른 클래드 판재를 이용하면 도 7에 도시된 바와 같이 표면에 리징이 전혀 발견되지 않았다. 또한, 비교재의 경우에는 100개에 3개 정도의 파손이 일어났으나, 본 발명에 따른 클래드 판재는 100개를 실험한 결과 하나의 파손도 일어나지 않을 정도로 성형성이 우수함을 확인하였다.

용기 형태로 성형한 후에 그 안에 17℃의 물을 1000㎖ 넣고 2kw의 유도가열 조리기에서 100℃까지 도달하는데 걸리는 시간으로 IH특성을 평가하였다. 비교재가 평균 421초 걸리는 데 비하여 본 발명품은 368초 정도 걸려 IH특성이 우수함을 확인하였다.

일반적으로 염수에서 SUS 304의 부식속도는 SUS 430의 1/3배 정도이고 외관이 미려하다는 것은 이미 잘 알려져 있어 본 발명품이 많은 장점을 갖고 있음을 알 수 있다.

또한 본 발명에 따른 SUS 304/일반강/SUS 304 클래드는 고가의 스테인리스를 1/6 이하로 하고 대부분을 저가의 탄소강으로 구성할 수 있어 경제적인 측면에서도 유리하다.

본 발명에 따른 클래드 구조 및 제조방법을 이용하면, 유도가열 특성 및 성형성이 크게 향상된 주방용 Al 클래드 판재를 경제적으로 제조할 수 있다.

도 1은 유도가열 특성이 없는 종래의 Al/스테인리스 클래드 판재의 단면도.

도 2는 유도가열 특성이 있는 종래의 Al/스테인리스 클래드 판재(본 발명의 비교재)의 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 Al/스테인리스 클래드 판재의 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 스테인리스/자성 철합금/스테인리스 클래드의 제조방법을 도시한 공정도.

도 5은 본 발명에 따른 클래드의 미세조직을 도시한 단면도.

도 6은 도 2의 클래드를 피복한 Al 합금 판재(비교재)를 딥 드로잉한 후 외부에서 관찰한 사진.

도 7은 도 3의 클래드를 피복한 Al 합금 판재를 딥 드로잉한 후 외부에서 관찰한 사진.

Claims (4)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 빌렛 형상의 자성 철합금을 제공하는 단계;

   상기 빌렛의 상면과 하면 각각에 판상의 오스테나이트계 스테인리스강을 밀착 제공한 후 그 가장자리를 상기 빌렛에 용접하여 단일체를 형성하는 단계; 및,

   상기 오스테나이트계 스테인리스강을 압연 롤러와의 접촉면으로 하여 상기 단일체를 압연하는 단계를 포함하여 이루어지는,

   제 1 항 또는 제 2 항에 따른 오스테나이트계 스테인리스강/자성 철합금/오스테나이트계 스테인리스강의 적층구조를 갖는 클래드를 제조하는 방법.