KR101005805B1 - 티타늄-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법 - Google Patents

티타늄-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 종래에 비해 접합 강도 및 드로잉성이 향상된 클래드판을 제공할 수 있는 티타늄-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이를 위하여, 본 발명은 티타늄판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 세척하는 단계; 티타늄판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 차례로 적층하여 315~325℃에서 25~30분 동안 가열하는 일차 가열 단계; 티타늄판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 적층하여 25~30%의 압하율로 압연하여 접합시키는 단계; 및 상기 접합된 클래드판을 300~330℃에서 45~55분 동안 가열하는 이차 가열 단계를 포함하는 티타늄-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법을 제공한다.

Description

티타늄-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법 {Method of manufacturing titanium-aluminum-stainless steel clad plate}
본 발명은 티타늄-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래에 비해 접합 강도 및 드로잉성이 향상된 클래드판을 제공할 수 있는 티타늄-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법에 관한 것이다.
클래드는 두 가지 이상의 금속재료의 표면을 금속학적으로 접합시켜 일체화한 적층형의 복합재료로 정의된다. 이러한 클래드는 다양한 재료를 적절히 조합하여 사용함으로써 소재의 성능을 극대화할 수 있고 고가의 소재를 절약할 수 있으므로 경제적으로도 큰 장점이 있기 때문에, 소재의 조합이 점차 다양해지고 있으며 적용 분야도 확대되고 있다.
클래드 중에서 현재 가전제품용 소재로 가장 많이 적용되고 있는 것은 스테인리스강-알루미늄 클래드인데 이 소재는 스테인리스강과 알루미늄의 장점을 적절히 조합시켜 사용하기 위한 것으로서 알루미늄의 낮은 비중과 높은 열전도도 그리 고 스테인리스강의 우수한 내식성 및 가공성 등의 장점을 가지고 있다. 이 때문에 이것은 일반 가정용 조리 용기와 전자 조리용 기구 등에 이용되고 있으며, 건자재, 플랜트에 사용되는 열교환기용 소재, 자동차, 선박 등에도 일부 적용되고 있다.
클래드는 다양한 용도로 사용될 수 있기 때문에, 각 분야에서 기존의 단일 소재를 대체할 가능성이 높다. 이 같은 소재의 대체 현상은 주방 용기에서 매우 빠르게 진행되고 있으며, 기존의 스테인리스강이나 알루미늄 등의 단일 소재가 스테인리스강-알루미늄 또는 스테인리스강-알루미늄-스테인리스강 클래드로 급속히 대체되어가고 있다.
또한, 근래에 와서는 열원으로서 가스를 이용하는 대신 위험성도 적고 환경 친화적인 유도가열장치의 이용이 점차 증가함에 따라, 이에 적합한 소재로 열을 고르고 빠르게 전도할 수 있는 오스테나이트계 스테인리스강-알루미늄-페라이트계 스테인리스강 클래드의 이용이 증가하고 있다. 유도가열방식으로 가열을 하기 위해서는, 소재에 자기가 있어야 하기 때문에, 이중판의 경우에는 외부를 페라이트계 스테인리스강으로 하고 음식물과 접촉하는 내부를 알루미늄에 수지 코팅을 하여 사용하는 한편, 삼중판의 경우에는 외부를 페라이트계 스테인리스강으로 하고 가운데를 알루미늄으로 하며 내부를 오스테나이트계 스테인리스강으로 구성하고 있다.
그 외에도 최근에는 유도가열 특성을 충분히 활용하기 위해서 자기특성이 우수한 탄소강을 사용하고 있는데, 스테인리스강-알루미늄-탄소강-알루미늄-스테인리스강 클래드 혹은 알루미늄-탄소강-알루미늄 클래드가 그것이다.
또한, 스테인리스판보다 비강도가 높고 가벼우면서도 가공성과 성형성이 우 수한 티타늄판을 사용한 클래드판이 개발되었다. 종래의 티타늄 클래드판을 살펴보면 다음과 같다.
일본 특개 2002-35959호에는 370∼430℃로 가열된 알루미늄의 양 면에 150∼270℃로 가열된 티타늄 및 스테인리스 강을 각각 적층 압연한 후 350∼430℃의 온도로 확산 소둔하는 티타늄 클래드 기물용 소재의 제조 방법이 개시되어 있는 바, 이 방법은 적층되는 소재를 서로 다른 온도로 가열하기 위하여 다수의 가열로가 필요로 되어 설비 투자비가 증가하게 될 뿐 아니라 압연 후 별도의 확산 소둔을 실시함으로써 생산성이 떨어지는 단점이 있다.
일본 특개 소63-207483호에는 표면을 세정하고 활성화한 티타늄과 알루미늄을 550℃ 이상의 진공 분위기에서 0.3 kgf/mm2 이상의 압력을 부여한 상태에서 가열하여 확산 접합시키는 방법이 개시되어 있으나, 이 방법은 단순한 가압 확산 소둔에 의해 접합이 이루어지기 때문에 접합된 클래드판의 드로링 가공시 접합면이 분리될 수 있으며, 대량 생산이나 크기가 큰 클래드판을 제조하기 위해서는 가열로 내부를 진공 분위기로 만들기 위한 부대 설비 비용이 지나치게 증가되는 문제가 있다.
또한, 상기에서 언급된 일본 특허를 포함하는 종래기술에 따라 제조된 클래드판은 여전히 접합 강도 및 드로잉성이 충분하지 않은 실정이다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 종래에 비해 접합 강도 및 드로잉성이 향상된 클래드판을 제공할 수 있는 티타늄-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 티타늄판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 세척하는 단계; 티타늄판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 차례로 적층하여 315~325℃에서 25~30분 동안 가열하는 일차 가열 단계; 티타늄판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 적층하여 25~30%의 압하율로 압연하여 접합시키는 단계; 및 상기 접합된 클래드판을 300~330℃에서 45~55분 동안 가열하는 이차 가열 단계를 포함하는 티타늄-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법을 제공한다.
상기 세척 단계는 판을 알칼리 용액에 침지하는 것일 수 있다.
상기 일차 가열 단계는 티타늄판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 320℃에서 27분 동안 가열하는 것일 수 있다.
상기 이차 가열 단계는 접합된 클래드판을 315℃에서 50분 동안 가열하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 티타늄-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법에 의하 면 공정 단계들의 조합, 및 각 단계의 공정 조건, 즉, 가열 온도와 시간 및 압하율을 특정함으로써 본 발명에 따른 방법에 의해 제조된 티타늄-알루미늄-스테인리스강 클래드판은 종래에 비해 접합 강도 및 드로잉성이 현저히 향상되는 장점을 갖는다.
이하, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법의 순서를 도시하는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법은 세척 단계(10), 일차 가열 단계(20), 압연 접합 단계(30) 및 이차 가열 단계(40)를 포함한다.
먼저, 세척 단계(10)를 수행한다. 세척 단계(10)에서는 티타늄판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 세척한다. 상기 세척 단계는 판을 알칼리 용액에 침지하는 것일 수 있다.
또한, 판의 세척은 산세에 의해 수행될 수 있는데, 예를 들어 티타늄판의 경우에는 질산 또는 황산 용액에 일정시간 침지하면 스케일을 제거할 수 있으며, 알루미늄의 경우에는 수산화나트륨 용액에 침지한 후 석유에테르 용액으로 세정하면 된다. 한편, 스테인리스강판은 표면 산화에 민감하지 않기 때문에 별다른 처리를 할 필요는 없고, 표면을 세척하는 것만에 의해 수행될 수도 있다.
다음으로, 일차 가열 단계(20)를 수행한다. 본 발명에 따른 일차 가열 단계(20)는 티타늄판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 차례로 적층하여 315~325℃에서 25~30분 동안 가열하는 것이 바람직하다.
본 발명자들은 최종 제조되는 클래드판의 접합강도 및 드로잉성을 개선하기 위해서는 일차 가열 온도 뿐만 아니라 가열 시간도 주요한 변수가 됨을 확인하였으며, 최적 조건은 315~325℃의 온도 및 25~30분의 시간임을 확인하였다.
일차 가열 온도가 315℃ 미만인 경우 충분한 접합강도와 드로잉성을 얻을 수 없고, 일차 가열 온도가 325℃ 초과인 경우에도 충분한 접합강도와 드로잉성을 얻을 수 없다.
가열 온도 뿐만 아니라 가열 시간도 주요한 변수인데, 일차 가열 시간이 25분 미만인 경우 및 30분 초과인 경우에도 충분한 접합 강도를 얻을 수 없었다.
일차 가열 단계는 320℃에서 27분 동안 가열하는 것이 가장 바람직하다.
한편, 티타늄판을 가열하지 않는 경우에 비해 티타늄판을 알루미늄판 및 스테인리스강판과 함께 동일한 온도로 가열해 주는 경우 더 우수한 접합 강도 및 드로잉성을 얻을 수 있었다.
다음으로, 압연 접합 단계(30)를 수행한다. 본 발명에 따른 압연 접합 단계(30)는 티타늄판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 차례로 적층하여 25~30%의 압하율로 압연하여 접합시키는 것을 특징으로 한다.
압하율이 25% 미만인 경우 충분한 접합 강도를 얻을 수 없고, 압하율이 30% 초과인 경우 판재에 심한 변형을 주게 되어 가공경화 현상이 발생할 수 있다.
다음으로, 이차 가열 단계(40)를 수행한다. 본 발명에 따른 이차 가열 단계(40)는 상기 접합된 클래드판을 300~330℃에서 45~55분 동안 가열하는 것을 특징으로 한다.
이차 가열 단계(40)를 수행하는 경우 수행하지 않는 경우에 비해 현저히 우수한 접합 강도 및 드로잉성을 나타내었다.
클래드판의 가열 온도가 300℃ 미만인 경우 접합강도와 드로잉성이 상대적으로 떨어졌고, 클래드판의 가열 온도가 330℃ 초과인 경우에도 접합강도와 드로잉성이 상대적으로 떨어졌다.
또한, 클래드판의 가열 시간이 45분 미만인 경우 및 55분 초과인 경우에도 45~55분인 경우에 비해 충분한 접합 강도와 드로잉성을 얻을 수 없었다.
상기 접합된 클래드판 가열 단계는 접합된 클래드판을 315℃에서 50분 동안 가열하는 것이 가장 바람직하다.
이하, 실시예를 통해 본 발명의 효과를 보다 상세하게 비교한다.
실험예 1 : 일차 가열 온도 및 시간에 따른 클래드판의 비교
티타늄판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 세척하고, 티타늄판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 적층하여 다양한 온도와 시간에서 가열하였다. 또한, 티타늄 판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 27%의 압하율로 압연하여 접합시키고, 상기 접합된 클래드판을 315℃에서 50분 동안 가열하여 티타늄-알루미늄-스테인리스강 클래드판을 제조하였다.
상기에서 티타늄판, 알루미늄판 및 스테인리스강판의 일차 가열 온도 및 시간을 다양하게 조합하여 실험을 수행하였으며, 그에 따른 접합강도와 드로잉성의 결과를 표 1에 나타내었다.
표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 티타늄판, 알루미늄판 및 스테인리스강판의 일차 가열 온도 및 시간은 315~325℃에서 25~30분 동안이 바람직하고, 320℃에서 27분 동안이 가장 바람직하다.
<표 1>
305℃ 310℃ 315℃ 320℃ 325℃ 330℃ 400℃ 500℃
10분 ×× ×× × × △ △ △ △
15분 ×× × △ △ △ △ △ △
20분 ×× △ △ △ △ △ △ ×
25분 × △ ○ ○ ○ △ △ ×
27분 × △ ○ ◎ ○ △ × ××
30분 × △ ○ ○ ○ × × ××
35분 × △ △ △ △ ×× ×× ××
주) ◎: 매우 양호, ○: 양호, △: 보통, ×: 불량, ××: 매우 불량
실험예 2 : 일차 가열 단계에서 티타늄 가열 여부에 따른 클래드판의 비교
티타늄판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 세척하고, 티타늄판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 적층하여 320℃에서 27분 동안 가열하였다. 또한, 티타늄판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 27%의 압하율로 압연하여 접합시키고, 상기 접합된 클래드판을 315℃에서 50분 동안 가열하여 티타늄-알루미늄-스테인리스강 클래드판을 제조하였다(실시예 1).
한편, 티타늄판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 세척하고, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 적층하여 320℃에서 27분 동안 가열하였다. 또한, 티타늄판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 27%의 압하율로 압연하여 접합시키고, 상기 접합된 클래드판을 315℃에서 50분 동안 가열하여 티타늄-알루미늄-스테인리스강 클래드판을 제조하였다(비교예 1).
그에 따른 접합강도와 드로잉성의 결과를 표 2에 나타내었다.
표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 일차 가열에 있어서 티타늄을 다른 알루미늄 및 스테인리스강과 같이 가열하지 않는 경우 접합강도와 드로잉성에서 불리한 효과를 나타내었다.
<표 2>
실시예 1 비교예 1
접합강도/드로잉성 ◎ △
주) ◎: 매우 양호, ○: 양호, △: 보통, ×: 불량, ××: 매우 불량
실험예 3: 이차 가열 단계의 유무, 및 가열 온도 및 시간에 따른 클래드판의 비교
티타늄판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 세척하고, 티타늄판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 적층하여 320℃에서 27분 동안 가열하였다. 또한, 티타늄판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 27%의 압하율로 압연하여 접합시키고, 상기 접합된 클래드판을 다양한 온도와 시간으로 가열하여 티타늄-알루미늄-스테인리스강 클래드판을 제조하였다.
상기에서 티타늄판, 알루미늄판 및 스테인리스강판의 이차 가열 온도 및 시간을 다양하게 조합하여 실험을 수행하였으며, 그에 따른 접합강도와 드로잉성의 결과를 표 3에 나타내었다.
표 3에서 알 수 있는 바와 같이, 접합된 클래드판의 가열 온도 및 시간은 300~330℃에서 45~55분 동안이 바람직하고, 315℃에서 50분 동안이 가장 바람직하다.
한편, 클래드판 가열 단계가 없는 경우 접합강도 및 드로잉성에서 불량(×)의 결과를 얻었다.
<표 3>
270℃ 285℃ 300℃ 315℃ 330℃ 345℃ 360℃
30분 ×× × × △ △ △ △
40분 × × △ △ △ △ △
45분 × △ ○ ○ ○ △ △
50분 △ ○ ◎ ◎ ◎ ○ △
55분 △ △ ○ ○ ○ △ ×
60분 △ △ △ △ △ × ×
70분 △ △ △ △ × × ××
주) ◎: 매우 양호, ○: 양호, △: 보통, ×: 불량, ××: 매우 불량
실험예 4: 실시예와 비교예의 효과 비교
티타늄판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 세척하고, 티타늄판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 적층하여 320℃에서 27분 동안 가열하였다. 또한, 티타늄판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 27%의 압하율로 압연하여 접합시키고, 상기 접합된 클래드판을 315℃에서 50분 동안 가열하여 티타늄-알루미늄-스테인리스강 클래드판을 제조하였다(실시예 1).
한편, 티타늄판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 세척하고, 접합 대상 표면에 페이퍼링을 통해 표면을 거칠게 하였다. 또한, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 적층하여 400℃에서 10분 동안 가열하고, 티타늄판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 25%의 압하율로 압연하여 접합시켜 티타늄-알루미늄-스테인리스강 클래드판을 제조하였다(비교예 2).
실시예 1 및 비교예 2의 접합강도와 드로잉성을 확인하였다.
실시예 1에 있어서, 티타늄판과 알루미늄판의 결합 강도 및 알루미늄판과 스테인리스강판의 결합 강도는 각각 200 N/cm 및 230 N/cm였고 드로잉성은 매우 양호하였다.
비교예 2에 있어서, 티타늄판과 알루미늄판의 결합 강도 및 알루미늄판과 스테인리스강판의 결합 강도는 각각 187 N/cm 및 200 N/cm였고 드로잉성은 보통이었다.
상기 결과로부터 본 발명에 따른 방법이 비교예 2의 방법에 비해 훨씬 우수함 을 확인할 수 있다.
본 발명은 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 티타늄-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법의 순서를 도시하는 흐름도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 세척 단계 20 : 일차 가열 단계
30 : 압연 접합 단계 40 : 이차 가열 단계

Claims (4)

  1. 티타늄판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 세척하는 단계;
    티타늄판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 차례로 적층하여 315~325℃에서 25~30분 동안 가열하는 일차 가열 단계;
    티타늄판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 적층하여 25~30%의 압하율로 압연하여 접합시키는 단계; 및
    상기 접합된 클래드판을 300~330℃에서 45~55분 동안 가열하는 이차 가열 단계를 포함하는 티타늄-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 세척 단계는 판을 알칼리 용액에 침지하는 것임을 특징으로 하는 티타늄-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 일차 가열 단계는 티타늄판, 알루미늄판 및 스테인리스강판을 320℃에서 27분 동안 가열하는 것을 특징으로 하는 티타늄-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 이차 가열 단계는 접합된 클래드판을 315℃에서 50분 동안 가열하는 것을 특징으로 하는 티타늄-알루미늄-스테인리스강 클래드판의 제조 방법.
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