KR100553316B1 - 밥솥 내부재용 탄소강-알루미늄 클래드재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밥솥 내부재용 탄소강-알루미늄 클래드재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄소강과, 상기 탄소강 양쪽면에 특정 두께의 알루미늄-실리콘 합금이 코팅된 탄소강 코팅층이 형성되어 있고, 상기 코팅층 상부에 알루미늄이 클래드 접합하여 적층된 알루미늄 층이 형성되어, 종래 스테인리스강-알루미늄 클래드재와 유사한 접합강도와 유도가열성을 가지면서, 성형성은 월등하게 향상되어 가전제품, 자동차부품, 원자력 및 석유용 압력용기 등의 여러 산업 분야에 적용이 가능하고 특히, 주방용 조리용기에 적합한 밥솥 내부재용 탄소강-알루미늄 클래드재에 관한 것이다.

코팅층, 탄소강-알루미늄, 클래드재, 유도가열, 성형성

Description

밥솥 내부재용 탄소강-알루미늄 클래드재{Structure of Steel/Al Clad for Cooking Jar}

도 1은 종래의 알루미늄/스테인리스 강 클래드재(비교예 2)의 구조를 도식화하여 나타낸 것이다((a)스테인리스강 : 304, (b)스테인리스강 : 430).

도 2는 본 발명에 따른 알루미늄/탄소강 클래드재(실시예 1)의 구조를 도식화하여 나타낸 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 알루미늄/탄소강 클래드재의 한쪽면을 산화물로 코팅처리한 구조를 도식화하여 나타낸 것이다.

도 4는 탄소강에 양면을 Al-8Si합금(16 ㎛ 두께)을 용융 코팅한 탄소강의 구조를 나타낸 사진이다.

도 5는 양면이 Al-8Si합금으로 코팅된 탄소강에 알루미늄을 클래드 접합한 구조를 나타낸 사진이다.

도 6은 종래의 알루미늄-스테인리스 클래드재(a)와 본 발명에 따른 탄소강-알루미늄 클래드재(b)를 딥 드로잉하여 바깥쪽에서 관찰한 사진을 나타낸 것이다.

도 7은 본 발명의 알루미늄과 접합되지 않은 탄소강의 코팅표면을 산화물로 코팅한 구조를 나타낸 사진이다.

본 발명은 밥솥 내부재용 탄소강-알루미늄 클래드재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄소강과, 상기 탄소강 양쪽면에 특정 두께의 알루미늄-실리콘 합금이 코팅된 탄소강 코팅층이 형성되어 있고, 상기 코팅층 상부에 알루미늄이 클래드 접합하여 적층된 알루미늄 층이 형성되어, 종래 스테인리스강-알루미늄 클래드재와 유사한 접합강도와 유도가열성을 가지면서, 성형성은 월등하게 향상되어 가전제품, 자동차부품, 원자력 및 석유용 압력용기 등의 여러 산업 분야에 적용이 가능하고 특히, 주방용 조리용기에 적합한 밥솥 내부재용 탄소강-알루미늄 클래드재에 관한 것이다.

일반적으로, 클래드재란 두 가지 이상의 금속재료의 표면을 금속학적으로 접합하여 일체화시킨 적층형의 복합재료로서, 이와 같은 클래드재를 재료로 적절히 조합해 사용함으로서 소재의 성능을 극대화시키고 고가의 소재를 절약할 수 있기 때문에 경제적으로도 큰 장점이 있어 소재의 조합이 점차 다양해지고 있으며 적용분야도 확대되고 있다.

이와 같은 클래드 제품 중에서 스테인리스강 또는 탄소강 알루미늄 클래드재를 이용하는 분야로서는 주방용품을 포함한 가전제품, 자동차부품, 원자력 및 석유화학용 압력용기 등을 들 수 있으며 이들 중 가장 큰 수요는 가전제품이다.

클래드재 중에서 스테인리스강-알루미늄 클래드재는 스테인리스강과 알루미 늄의 장점을 적절히 조합시켜 사용하기 위하여 고안되었는데 이들을 클래드한 제품은 알루미늄의 낮은 비중과 높은 열전도도, 스테인리스강의 우수한 내식성 및 가공성 등의 장점을 가지고 있기 때문에 일반 가정용 조리 용기, 전자 조리용 기구, 건자재, 플랜트에 사용되는 열 교환기 용재, 자동차, 차량, 선박 등에 그 적용이 가능하다.

스테인리스강-알루미늄 클래드재는 이처럼 다양한 용도를 가지고 있으며 각 분야에서 기존의 소재를 대체할 가능성이 매우 크다. 현재 이 클래드재의 용도가 구체적으로 가시화되어 있고 가장 많이 사용되고 있는 분야는 주방기기로서 스테인리스강은 내식성, 가공성은 좋으나 열전도도가 매우 나쁘기 때문에 열전도도가 우수한 스테인리스강-알루미늄 클래드재가 거의 모든 가열용 주방용기를 대체해 가고 있는 실정이다.

최근에 와서는 열원으로서 가스를 이용하는 대신 위험성도 적고 환경친화적인 유도가열(Induction Heating) 장치의 이용이 점차 증가하고 있으며, 이에 적합한 소재로 열을 골고루 빠르게 전도할 수 있는 스테인리스강-알루미늄 또는 스테인리스강-알루미늄-스테인리스강 클래드재를 이용하고 있는데 유도가열 방식에 의한 가열을 위해서는 소재에 자성이 있어야 하며 이를 위해서 이중판의 경우 외부는 페라이트계 스테인리스강, 음식물과 접촉하는 내부는 알루미늄에 수지 코팅을 하여 사용하며 삼중판일 경우 외부는 페라이트계 스테인리스강, 가운데는 알루미늄, 내부는 오스테나이트계 스테인리스강으로 구성되어 있다.

페라이트계 스테인리스강의 경우 성형시 고질적인 표면결함인 이랑(ridging, roping)이 생기고 이를 제거하기 위해서는 수십 ㎛을 연마해야 하는 등의 공정 추가로 비용이 많이 들며, 신율이 30% 정도로 낮아 클래드 또는 성형조건이 거의 완벽하지 않으면 성형시 파손이 일어나기 쉽다.

이에 본 발명자들은 상기와 같은 종래 클래드재 성형시 이랑과 같은 성형결함, 파손 및 유도가열성 등의 문제를 개선하기 위하여 연구 노력한 결과, 탄소강의 알루미늄-실리콘 합금이 코팅된 탄소강 코팅층을 형성하고, 상기 코팅된 탄소강 층의 상부에 알루미늄이 클래드 접합하여 적층된 알루미늄 층이 형성된 탄소강-알루미늄 클래드재가 종래의 클래드재에 비해 유도가열성과 접합강도는 유지하면서, 동시에 성형성은 월등히 향상시킨다는 것을 알게되어 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명은 유도가열성, 접합강도가 우수하고, 특히 성형성이 월등하게 향상된 새로운 구조의 탄소강-알루미늄 클래드재를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 두께가 0.2 ∼ 1.2 ㎜인 탄소강, 상기 탄소강의 양쪽 면에 두께가 10 ∼ 80 ㎛인 알루미늄-실리콘 합금이 용융코팅된 탄소강 코팅층이 형성되어 있고, 상기 탄소강 코팅층 한쪽 면에 알루미늄이 클래드 접합하여 적층된 알루미늄 층이 형성된 탄소강-알루미늄 클래드재로,
접합강도(T형 테스트)가 110 ∼ 128 N/5 ㎜이고, 유도가열성(17 ℃의 물 1500 mL를 2 ㎾의 유도가열조리기에서 100 ℃까지 도달하는데 걸리는 시간)이 396 ∼ 455 초인 밥솥 내부재용 탄소강-알루미늄 클래드재에 그 특징이 있다.

이하, 본 발명은 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 클래드재는 탄소강의 양쪽 면에 알루미늄-실리콘 합금이 얇게 코팅되어 탄소강 코팅층을 형성하고, 상기 탄소강 코팅층의 상부에 알루미늄이 클래드 접합하여 알루미늄 층이 적층된 구조의 탄소강-알루미늄 클래드재를 형성하여, 종래 스테인리스강을 사용하는 경우와 유사한 접합강도, 유도가열성(IH)을 가지면서 동시에 성형성을 월등하게 향상시켜 표면처리에 소요되는 비용절감에 효과적이므로 경제적면에서 유용하게 사용된다.

본 발명에 따른 탄소강-알루미늄 클래드재를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 종래의 클래드재로 많이 사용되던 스테인리스가 상변태를 일으키지 않아 이랑을 원인이 되는 주상정이 그대로 표면에 형성되는 문제를 개선하기 위하여 오스테나이트와 페라이트로 상변태를 일으켜 주상정을 소멸하는 탄소강을 사용한 탄소강-알루미늄 클래드재이다. 그러나, 상기 탄소강이 알루미늄과 접합이 용이하지 않은 문제가 있어 탄소강의 접합면을 먼저 알루미늄으로 코팅 처리한 코팅된 탄소강을 사용한다.

상기 탄소강은 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로, 특별히 제한을 두지 않으나, 유도가열성(IH)의 향상과 열전달 무게 등을 고려해서 탄소강의 두께를 0.2 ∼ 1.2 mm 범위로 제한하는 것이 바람직하며, 상기 두께가 0.2 mm 미만인 경우는 유도가열성 효과가 작고, 1.2 mm를 초과하는 경우에는 열전달이 늦고 무거워지는 문제가 발생한다.

또한, 상기 탄소강의 표면 코팅에 사용하는 알루미늄은 특별히 한정 사용하지는 않으나, Si가 첨가된 Al-Si 합금 등과 같은 알루미늄 합금이 사용할 수 있으며, 본 발명에서는 구체적으로 Al-8Si를 선택 사용하여 코팅한다. 상기 Si가 알루미늄의 확산을 방지하여 FeAl 등과 같은 화합물의 생성을 억제하게 되는 바, 상기 화합물이 존재하는 경우 다음 단계의 알루미늄 접합시 압연과정에서 탄소강과 코팅층이 박리되는 문제가 발생하게 됩니다.

상기 탄소강의 면에 얇게 코팅되는 코팅층은 탄소강에 알루미늄 또는 알루미늄합금과의 클래드 접합시 탄소강이 산화되어 접합이 어려운 현상을 방지 접합을 용이하게 하고 탄소강의 유통이나 보관시 산화방지를 위하여 미리 탄소강의 표면을 알루미늄으로 얇게 코팅하는 것으로, 10 ∼ 80 ㎛ 정도의 두께를 형성하는 것이 바람직하다. 상기 코팅층의 두께가 10 ㎛ 미만이면 제조가 어렵고, 두께가 80 ㎛를 초과하는 경우에는 코팅층이 박리되기 쉽고 유도가열성이 나빠지는 문제가 발생한다. 상기 코팅층의 형성은 당 분야에서 실시되는 일반적인 것으로 예를 들면 딥코팅, 스프레이 코팅, 용사코팅 등의 여러 표면 코팅법이 사용될 수 있으며, 본 발명에서는 알루미늄 또는 알루미늄합금이 용해된 용탕에 탄소강을 침적하는 방법이 가장 쉽고 경제적이다. 또한, 특정 범위의 두께로 얇게 코팅된 탄소강은 제품으로 시중에 나와 있으며, 본 발명에서는 포항강관의 Alcosta를 사용하였다.

본 발명은 상기 탄소강 코팅층의 상부에 알루미늄을 접합하여 알루미늄 층이 적층된 클래드재를 형성시킨다. 접합에 사용되는 알루미늄은 상기 코팅에 사용된 것과 동일하게 알루미늄 단일 금속 또는 알루미늄 합금이 사용될 수 있으며, 이의 구체적인 예를 들면 AA1050(순수 Al), AA3003(0.8% Mn 함유된 Al-Mn합금) 등이 사용될 수 있다. 접합되는 알루미늄의 두께는 상기 코팅층 형성에 사용되는 알루미늄의 두께와 크게 달라 일반적으로 클래드 재의 주문자의 요구에 따라 달라지 며, 대개 1.0 ∼ 5 mm정도의 범위가 사용되며, 접합방법은 당분야에서 수행되는 일반적인 클래드 접합과 같다. 이러한 클래드 접합은 일반적으로 250 ∼ 400 ℃에서 압연과정을 수행한다.

추가적으로 본 발명은 상기 탄소강의 접합이 형성되지 않은 다른쪽 면에 탄소강이 노출되어 부식이 쉽게 일어날 수 있어 이를 방지하기 위하여, 상기 탄소강의 다른쪽 면에 당 분야에서 내부식성 및 내마모성 및 외관의 개선 등을 위하여 사용되는 금속, 금속의 합금 또는 금속 산화물 등이 코팅될 수 있다. 상기 금속, 금속의 합금 또는 금속 산화물에 대해서는 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면 스텐레스, Al₂O₃ 및 Al₂O₃-TiO₂ 등이 사용될 수 있다.

상기에서와 같이, 본 발명으로 형성된 탄소강-알루미늄 클래드재는 종래의 스테인리스 강-알루미늄 클래드재의 스테인리스가 상변태를 하지 않아 발생되던 이랑(riding)이 발생되지 않아 성형성이 우수할 뿐만 아니라, 또한, 탄소강의 코팅층이 알루미늄과의 접합력을 보다 우수 향상시키게 되어 여러 산업 분야 중 주방용 소재 특히, 밥솥의 내부재로 널리 사용될 수 있다.

이하, 본 발명을 다음의 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

두께 0.4 ㎜의 탄소강의 양쪽 면에 약 16 ㎛의 Al-8Si 합금을 용융 코팅하였다. 상기 코팅된 탄소강의 표면에 알루미늄 합금인 AA1050 (순수 Al)을 적층한 다음 320 ℃에서 압연하여 최종두께 3.0 ㎜의 Al-8Si 합금 코팅층/탄소강/Al-8Si 합금 코팅/AA1050합금 클래드 판재를 제조하였다. 상기에서 제조된 클래드를 320 ℃에서 15분 소둔한 하였다.

실시예 2 ∼ 4

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 총 두께를 3.0 mm으로 유지하면서 탄소강의 두께를 0.29 ㎜, 0.52 ㎜ 및 0.63 ㎜으로 달리하여 클래드 판재를 제조하였다.

도 6은 상기 두께가 0.29 ㎜인 탄소강의 클래드 접합 후의 조직 사진을 나타낸다.

비교예 1

두께 0.5 ㎜의 페라이트계 스테인리스 강인 sus430J1에, 두께 3.5 ㎜의 알루미늄 합금인 AA1050(순수 Al)을 적층한 다음, 300 ℃에서 압연하여 최종두께 3.0 mm의 클래드 판재를 제조하였다. 상기에서 제작된 클래드 판재를 320 ℃에서 15분 동안 소둔하였다.

비교예 2

상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 한쪽 면에 Al-8Si 합금의 코팅을 하지 않고 탄소강 위에 알루미늄 합금인 AA1050(순수 Al)을 적층하여 클래드 판재를 제조하였다. 그러나, 320 ℃에서 가열중 탄소강이 심하게 산화되어 접합이 이루어지지 않았다.

실험예 1

상기 실시예 1 ∼ 4및 비교예 1 ∼ 2에서 제조된 클래드 판재를 지름 350 ㎜로 블랭킹(blanking)한 다음, 3 ℓ크기의 밥솥 형상으로 딥 드로잉하고, 그 표면외관을 비교하였다.

비교예 1를 이용하여 제조한 밥솥의 표면은 도 7에서 보여지는 바와 같이, 심한 이랑(ridging)이 생기나, 실시예 1을 이용하여 제조한 밥솥의 표면은 도 8에서 보는 바와 같이, 이랑이 전혀 생기지 않았다. 이는 클래드 판재의 제조시 페라이트계 스테인리스 강인 sus430J1은 상변태가 일어나지 않아 이랑(ridging)의 원인이 되는 주상정이 그대로 남아 있으나, 탄소강의 경우 오스테나이트와 페라이트의 상변태를 겪어 주상정들이 소멸하기 때문에 이랑이 생기지 않는다.

또한, 상기 양면 코팅을 배제한 비교예 2의 클래드 판재는 320 ℃에서 가열중 탄소강이 심하게 산화되어 접합이 이루어지지 않아 밥솥 형상을 형성할 수 없었다.

실험예 2

상기 실시예 1 ∼ 4 및 비교예 1 ∼ 2에서 제조된 클래드 판재의 접합강도, 유도가열특성을 측정하여 표 1에 나타내었다.

[측정방법]

1. 접합강도 : T형 테스트로 인장하여 박리시키면서 접합강도를 측정하였다.

2. 유도가열특성 : 밥솥으로 성형한 후에 17 ℃의 물을 1500 ㎖ 넣고 2 kw의 유도가열 조리기에서 100 ℃까지 도달하는데 걸리는 시간을 측정하였다.

구 분	접합강도 (N/mm)	유도가열성 (초)
실시예 1	128 N/5 mm	430
실시예 2	125 N/5 mm	455
실시예 3	110 N/5 mm	415
실시예 4	123 N/5 mm	396
비교예 1	130 N/5 mm	460
비교예 2	측정불가	측정불가

상기 표 1에서 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예의 탄소강-알루미늄 클래드의 접합강도와 유도가열성은 종래의 스테인리스강-알루미늄 클래드와 유사하거나 그 이상의 효과를 나타내고 있음을 알 수 있었다. 상기 접합강도의 경우 실제 사용되고 있는 일반적인 규격치인 60 N/5 mm을 크게 상회하고 있는 것으로 나타났으며, 유도가열성은 두께에 따라 약간의 차이를 보일 수 있으나, 종래의 클래드재에 비해 비교적 우수한 효과를 보였다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 한쪽 표면이 코팅된 탄소강에 알루미늄이 접합하여 형성된 탄소강-알루미늄 클래드재는 접합강도와 유도가열성은 종래의 클래드재와 유사하게 유지하면서 동시에 성형성을 월등하게 향상시켜, 표면처리 에 소요되는 비용 등의 원가를 절감으로 가전제품, 자동차부품, 원자력 및 석유용 압력용기 등의 여러 산업 분야에 적용이 가능하고 특히, 주방용 조리용기에 적합하게 사용될 수 있다.

Claims (4)

1. 두께가 0.2 ∼ 1.2 ㎜인 탄소강, 상기 탄소강의 양쪽 면에 두께가 10 ∼ 80 ㎛인 알루미늄-실리콘 합금이 용융코팅된 탄소강 코팅층이 형성되어 있고, 상기 탄소강 코팅층 한쪽 면에 알루미늄이 클래드 접합하여 적층된 알루미늄 층이 형성된 탄소강-알루미늄 클래드재로,

   접합강도(T형 테스트)가 110 ∼ 128 N/5 ㎜이고, 유도가열성(17 ℃의 물 1500 mL를 2 ㎾의 유도가열조리기에서 100 ℃까지 도달하는데 걸리는 시간)이 396 ∼ 455 초인 것을 특징으로 하는 밥솥 내부재용 탄소강-알루미늄 클래드재.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 접합하는 알루미늄은 알루미늄 단일 금속 또는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 밥솥 내부재용 탄소강-알루미늄 클래드재.
4. 삭제

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