KR101118754B1 - 탄소강-알루미늄-탄소강으로 이루어진 클래드재 - Google Patents

탄소강-알루미늄-탄소강으로 이루어진 클래드재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소강-알루미늄-탄소강으로 이루어진 클래드재를 제공한다. 본 발명에 따른 탄소강-알루미늄-탄소강으로 이루어진 클래드재는 온도의 균일성(evenness)이 우수하고 동시에 열의 전파 속도, 특히 인덕션 히터(Induction Heater: IH)에서의 열 전달 속도가 우수하다.
또한, 본 발명에 따른 클래드재는 기존의 페라이트계 및 오스테나이트계 스테인레스강을 사용하는 기존의 클래드재에 비하여 비용이 1/2 내지 1/3 정도면 제조가 가능하므로 종래 인덕션 히트 등의 용도로 사용되던 고가의 스테인레스강-알루미늄-스테인레스강을 대체할 수 있으면서도 더 좋은 성능을 발휘할 수 있는 우수한 소재이다.

Description

탄소강-알루미늄-탄소강으로 이루어진 클래드재{Clad material comprising carbon steel-aluminum-carbon steel}
본 발명은 탄소강-알루미늄-탄소강으로 이루어진 클래드재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄소강과 알루미늄 소재를 적층시켜 얻어진 클래드로서 온도의 균일성(evenness)이 우수하고 동시에 열의 전파 속도, 특히 인덕션 히터(Induction Heater: IH)에서의 열 전달 속도가 우수한 클래드재에 관한 것이다.
클래드(clad)재란 두가지 이상의 금속 재료의 표면을 금속학적으로 접합하여 일체화시킨 적층형의 복합재료를 말한다. 이와 같은 클래드재를 적절히 조합해 사용하면 소재의 성능을 극대화시키고 고가의 소재를 절약할 수 있기 때문에 경제적으로도 큰 장점이 있어 소재의 조합이 점차 다양해지고 적용분야도 주방용품을 비롯한 가전제품, 자동차 부품, 원자력 및 석유 화학용 압력 용기 등으로 확대되고 있다.
이와 같은 클래드 제품 중에서 대한민국 공개특허 특2003-0052881호에 기재된 바와 같이 스테인레스강-알루미늄 클래드재는 스테인레스강과 알루미늄의 장점을 적절히 조합시켜 사용하기 위한 제품으로, 이러한 클래드를 이용한 제품은 알루미늄의 낮은 비중과 높은 열전도도를 이용하는 동시에 스테인레스강의 우수한 내식성 및 가공성 등의 장점을 동시에 이용할 수 있기 때문에 일반 가정용 조리 용기, 전자 조리용 기구, 건자재, 플랜트에 사용되는 열 교환기 용재, 자동차, 차량, 선박 등에 적용이 가능하다.
좀 더 자세히 설명하면, 상기 스테인레스강-알루미늄으로 이루어진 클래드재는 내식성 및 가공성은 스테인레스강이 좋으나 열전도도가 매우 나쁘기 때문에 열전도도가 우수한 알루미늄을 결합하여 열전도성의 문제를 보완함으로써 열전도도도 좋으면서 내식성, 가공성이 우수한 소재로서 이러한 스테인레스강-알루미늄 클래드재가 최근에는 거의 모든 가열용 주방용기를 대체해 하고 있는 실정이다.
더욱이, 최근에는 열원으로서 가스를 이용하는 대신 위험성도 적고 환경 친화적인 유도가열 장치의 이용이 증가하고 있는데 이러한 유도가열 장치를 이용할 경우에도 스테인레스강-알루미늄 클래드재 또는 스테인레스강-알루미늄-스테인레스강 클래드재가 많이 활용되고 있다.
이러한 기술의 예로는 미국등록특허 7,208,231, 6,267,830, 5,952,112, 5,532,460, 3,966,426, 3,340,597호 등에도 자세히 기재되어 있다.
그러나, 종래에 널리 사용되는 스테인레스강-알루미늄 클래드재 또는 스테인레스강-알루미늄-스테인레스강 클래드재는 스테인레스강으로 사용되는 페라이트계 스테인레스강 및 오스테나이트계 스테인레스강 자체의 가격이 매우 고가이므로 최종적으로 제조되는 제품의 가격이 높을 수 밖에 없고, 또한, 유도가열 장치에 이용될 때 클래드재의 유도가열 성능 차이에 따라 전력사용량이 증가되어 전기비용이 증가하는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 유도가열 속도를 더욱 높일 수 있는 소재를 사용하여 유도가열장치의 동일 소비전력 하에서 원하는 조리시간을 단축할 수 있는 효과를 기대하는 동시에 저렴한 비용으로 주방용기 등에 적용할 수 있는 클래드재에 대한 개발 필요성이 크게 대두되는 실정이다.
이에, 본 발명자들은 저렴한 소재를 활용하여 용기 전체에 걸친 온도의 균일성(일명 이븐니스(evenness))가 우수한 동시에 인덕션 히터(IH)에서의 열 전달 속도가 빠르고 아울러 클래드의 접합강도 또한 우수한 클래드재를 개발하기 위하여 노력하였다. 그 결과, 종래 고가의 스테인레스강을 사용하지 않고도 알루미늄 소재와 접합이 가능한 클래드 소재를 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 과제는 스테인레스강-알루미늄 클래드재에 비하여 인덕션 히터에서의 열 전달 속도가 빠른 동시에(전기료 절감효과) 훨씬 저렴한 비용으로 다양한 용기에 적용될 수 있는 클래드재를 제공하는 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명은
(1) 두께 0.1~ 1.5mm의 탄소강층;
(2) 상기 탄소강층 위에 적층된 두께 0.4~5.0mm의 알루미늄층; 및
(3) 상기 알루미늄층 위에 적층된 두께 0.1~1.5mm의 탄소강층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 클래드재를 제공한다.
본 발명에 따른 클래드재는 종래의 스테인레스강-알루미늄 클래드재와 비교하여 접합강도, 성형성을 동등 수준으로 유지하면서도 유도가열(IH) 열원 사용시 유도가열성이 우수하고, 조리면의 열 균일성(evenness)을 동등 이상 수준으로 유지하며, 종래 고가의 페라이트계 및 오스테나이트계 스테인레스강을 저렴한 소재인 탄소강으로 대체할 수 있으므로 제조비용을 현저히 절감시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소강-알루미늄-탄소강으로 이루어진 3층 구조의 클래드재를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 탄소강-알루미늄-탄소강-알루미늄으로 이루어진 4층 구조의 클래드재를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 탄소강-알루미늄-탄소강-알루미늄-탄소강으로 이루어진 5층 구조의 클래드재를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 탄소강-알루미늄-탄소강-알루미늄-스테인레스강으로 이루어진 5층 구조의 클래드재를 나타내는 도면이다.
도 5는 종래 기술에 따른 스테인레스강-알루미늄-스테인레스강의 3층 구조를 나타내는 도면이다.
도 6은 종래 기술에 따른 스테인레스강-알루미늄-스테인레스강-알루미늄-스테인레스강의 5층 구조를 나타내는 도면이다.
도 7은 실험예 1에 따라 열 전도성을 측정하는 방법을 나타낸 도면이다.
이와 같은 본 발명을 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명을 하면 다음과 같다.
본 발명의 클래드재는
(1) 두께 0.1~ 1.5mm의 탄소강층;
(2) 상기 탄소강층 위에 적층된 두께 0.4~5.0mm의 알루미늄층; 및
(3) 상기 알루미늄층 위에 적층된 두께 0.1~1.5mm의 탄소강층을 기본 구조로 포함한다.
상기 본 발명에 사용되는 탄소강은 종래 기술에서 최하층으로 일반적으로 사용되는 페라이트계 스테인레스강에 비하여 일반적인 가격이 약 50% 정도이다. 또한, 상기 본 발명에 사용되는 탄소강은 종래 기술에서 3층 구조의 상부층으로 일반적으로 사용되는 오스테나이트계 스테인레스강에 비하여 일반적인 가격이 약 30% 정도이다. 따라서 탄소강을 스테인레스강 대신에 사용할 수 있다면 제조비용을 현저히 줄일 수 있기 때문에 그 성능만 유사 정도 이상이라면 종래의 문제점을 해결할 수 있다는 것이 본 발명의 기본 개념이다.
본 발명에서 사용되는 탄소강 소재는 알루미늄의 열전도도(2.37W/cm?K)에 비해서는 그 열전도도가 낮으나(탄소강의 열전도도: 0.51W/cm?K) 스테인레스강의 일반적인 열전도도(0.16W/cm?K)에 비해서는 높다. 이는 열원으로서 가스불을 이용할 경우에도 해당하나, 특히 인덕션 히터를 이용할 경우 열 전달 속도를 더욱 향상시킬 수 있다.
클래드재를 제조하기 위한 결합 조건에 관해서는 종래 기술에서도 자세히 언급하고 있으므로(예를 들어, 대한민국 공개특허 특 2003-0052881, 대한민국 공개특허 2010-0028389 등) 본 발명에서는 이러한 제조방법에 관해서는 별도로 한정하지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야의 통상적 지식을 가진 자라면 본 발명에 속하는 특정 구조를 갖는 클래드재를 종래에 잘 알려진 방법을 사용하여 다양한 방법으로 결합할 수 있다.
이러한 제조방법의 일 예를 들면, 먼저 접합하고자 하는 탄소강과 알루미늄 표면을 산세(acid washing)하여 표면에 존재하는 스케일을 제거하고 금속 브러쉬를 이용하여 표면 요철을 형성시킨 다음, 탄소강과 알루미늄 판재를 가열하여 가열된 판재를 프레스를 이용하여 압하함으로써 복합재료 클래드를 제조할 수 있다.
이 때 탄소강과 알루미늄 간의 결합강도를 높이기 위하여 탄소강을 사용함에 있어 알루미늄과의 결합면이 얇은 알루미늄층으로 미리 코팅된 제품을 사용할 수도 있으며 이 역시 본 발명의 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 상기 (1)의 탄소강층, (2)의 알루미늄층; 및 (3)의 탄소강층을 기본 구조로 포함하며, 그 각층의 두께를 특정 범위로 유지하는 것이 바람직하다. 이렇게 특정 두께로 한정하는 이유는 두께가 지나치게 두꺼울 경우 비중이 큰 탄소강에 의하여 현실적으로 사용하기 어려운 문제를 해결하기 위한 것이고, 두께가 지나치게 얇을 경우에는 본 발명에 따른 알루미늄과 탄소강의 시너지 효과를 보기 어렵기 때문에 적정한 범위로 한정한 것이다.
본 발명에서 알루미늄층이라 함은 순수한 알루미늄뿐만 아니라 알루미늄 합금으로 이루어진 것도 함께 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 상기 탄소강층-알루미늄층-탄소강층의 3층 구조 외에 그 위에 다시 1~3개층의 복합재료를 더 결합하여 얻어지는 클래드재도 범위에 포함한다.
즉, 상기 (3)의 탄소강층 위에 (4)두께 0.4~5.0mm의 알루미늄층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 클래드재도 본 발명의 범위에 포함된다.
또한, 상기 (4)의 알루미늄층 위에 추가로 (5) 0.1~1.5mm의 탄소강층 또는 스테인레스강층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 클래드재도 본 발명의 범위에 포함된다.
또한, 상기 최상부층의 탄소강층 위에 10~80㎛의 알루미늄 코팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 클래드재도 본 발명의 범위에 포함된다.
또한, 본 발명의 범위는 상기 3층구조, 4층구조 및 5층구조의 최상층 표면에 알루미늄 코팅층, 에나멜 코팅층, 테프론 코팅층 또는 세라믹 코팅층 등으로 코팅할 수 있으며 본 발명에서는 이러한 코팅층의 구성에 대해서는 특별히 제한하지 않는다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명에 따른 클래드재에 관하여 더욱 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
[ 제조예 1]
두께 0.5mm의 탄소강을 바닥면으로 하여 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금 A1050(또는 A1100)[제조자:㈜대호에이엘]를 가운데 층으로 적층한 후 두께 0.5mm의 탄소강을 상부 조리면에 적층한 다음 압연하여 최종 두께 2.5mm의 클래드 판재를 제조하였다.
[ 제조예 2]
상기 제조예 1과 동일하게 제조하되, 조리면에 있는 탄소강은 알루미늄 도금 처리를 하여 최종 두께 2.5mm의 클래드 판재를 제조하였다.
[ 비교제조예 1]
두께 0.5mm의 페라이트계 스테인레스강을 바닥면으로 하여 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금 A1050(또는 A1100)[제조자:㈜대호에이엘]를 가운데 층으로 적층한 후 두께 0.5mm의 페라이트계 스테인레스강을 상부 조리면에 적층한 다음 압연하여 최종 두께 2.5mm의 클래드 판재를 제조하였다.
[ 비교제조예 2]
두께 0.5mm의 페라이트계 스테인레스강을 바닥면으로 하여 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금 A1050(또는 A1100)[제조자:㈜대호에이엘]를 가운데 층으로 적층한 후 두께 0.5mm의 오스테나이트계 스테인레스강을 상부 조리면에 적층한 다음 압연하여 최종 두께 2.5mm의 클래드 판재를 제조하였다.
[ 실험예 1] 열 전도성 측정
상기 제조예 1~2 및 비교제조예 1~2에서 제조된 클래드 판재를 지름 350mm로 블랭킹한 다음, 지름 26cm크기의 프라이팬으로 성형한 후에 20℃의 물 1,500ml를 넣고 가스 렌지에서 100℃까지 도달하는데 걸리는 시간을 측정하였다. 온도를 측정하는 위치는 도 7과 같이 각 지점을 정해놓고 각 지점에서 100℃까지 도달하는데 걸리는 시간을 측정하였다. 각 샘플에 대한 측정 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
100℃까지 도달하는데 걸린 시간
구분 제조예 1 제조예 2 비교제조예 1 비교제조예 2
①지점 ②지점 ①지점 ②지점 ①지점 ②지점 ①지점 ②지점
시간(초) 321 400 322 400 335 445 329 435
상기 표 1의 결과에서 보듯이, 본 발명에 따른 제조예 1~2의 경우 100℃까지 도달하는데 걸린 시간이 비교제조예 1~2에 비하여 빠른 것을 알 수 있다. 이는 종래 기술에서의 스테인레스강에 비하여 본 발명에서의 탄소강의 경우가 열전도도가 크기 때문에 기인하는 것이라고 볼 수 있다.
[ 실험예 2] 열 균일성( evenness ) 측정
상기 실시예 1~2 및 비교예 1~2에서 제조된 클래드 판재를 가스렌지 위
거치대에 올려놓고 열원을 충분히 가하면서(가열시간 3분) 열원이 직접 닿는 부분과 열원이 닿지 않는 부분의 클래드 판재 윗쪽면의 온도를 접촉식 온도계를 이용하여 동시에 측정하였다. 온도를 측정하는 위치는 상기 도면의 두개의 지점을 정해놓고 두 개 지점간의 온도차이를 구하였다. 각 샘플에 대한 측정 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
Δt 측정 결과(단위 :℃)
구분 제조예 1 제조예 2 비교제조예 1 비교제조예 2
Δt(①지점온도-②지점온도) Δ 21 Δ 21 Δ22 Δ21
상기 표 2의 결과에서 보듯이, 본 발명에 따른 제조예 1~2의 경우 온도균일성(evenness)이 비교제조예 1~2와 비교하여 동등 수준으로 크게 차이가 없음을 알 수 있다. 이는 종래 기술에서의 스테인레스강에 비하여 본 발명에서의 탄소강의 경우가 열전도도는 크나 이러한 열전도성에도 불구하고 실제 사용시는 크게 실용적인 면에서 차이가 없음을 나타낸다.
[ 실험예 3] IH 열원 사용시 유도가열성 실험
상기 제조예 1~2 및 비교제조예 1~2에서 제조된 클래드 판재를 지름 350mm로 블랭킹한 다음, 지름 26cm크기의 프라이팬으로 성형한 후에 20℃의 물 1,500ml를 넣고 1.4Kw의 유도가열 조리기에서 100℃까지 도달하는데 걸리는 시간을 측정하였다. 온도를 측정하는 위치는 하기 도면의 각 지점을 정해놓고 각 지점에서 100℃까지 도달하는데 걸리는 시간을 측정하였다.
각 샘플에 대한 측정 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
100℃까지 도달하는데 걸린 시간
구분 제조예 1 제조예 2 비교제조예 1 비교제조예 2
①지점 ②지점 ①지점 ②지점 ①지점 ②지점 ①지점 ②지점
시간(초) 521 564 461 502 594 603 598 610
상기 표 3의 결과에서 보듯이, 본 발명에 따른 제조예 1~2의 경우 유도가열 장치를 이용하여 100℃까지 도달하는데 걸린 시간이 비교제조예 1~2에 비하여 현저히 빨라진 것을 알 수 있다. 이는 종래 기술에서의 스테인레스강에 비하여 본 발명에서의 탄소강의 경우가 자성 성분을 많이 함유(99.9%)하여 유도가열성 효과가 우수하기 때문에 일어나는 현상으로 분석된다. 향후 전력사용량 증가 및 전기료 인상이 불가피한 상황에서 본 발명 클래드재는 기존 스테인레스강-알루미늄-스테인레스강 클래드재에 비해 적어도 10%정도의 전기료 절감 효과를 이끌어 낼 것으로 기대된다. 이는 최근 전 세계적으로(특히 일본, EU) 교토 의정서에 의한 CO₂ 등 온실가스 감축이 이슈화되는 상황에서 가스를 열원으로 이용하는 대신 환경친화적인 유도가열 장치의 이용이 증가하고 있으므로 본 발명에 따른 클래드재는 기존 스테인레스강-알루미늄-스테인레스강 클래드재에 비해 전력사용량 감소에 따른 효과가 크다고 할 수 있다.
이상, 본 발명을 도면을 참조하여 그 구조 및 특징에 관하여 구체적으로 설명하였으나, 본 발명은 통상의 기술자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 탄소강층 20: 알루미늄층
30: 탄소강층 40: 알루미늄층
50: 탄소강층 11: 스테인레스강층
31: 스테인레스강층 51: 스테인레스강층

Claims (6)

  1. (1) 두께 0.1~ 1.5mm의 탄소강층;
    (2) 상기 탄소강층 위에 적층된 두께 0.4~5.0mm의 알루미늄층; 및
    (3) 상기 알루미늄층 위에 적층된 두께 0.1~1.5mm의 탄소강층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 인덕션 히터용 클래드재.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 (3)의 탄소강층 위에 (4)두께 0.4~5.0mm의 알루미늄층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인덕션 히터용 클래드재.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 (4)의 알루미늄층 위에 추가로 (5) 0.1~1.5mm의 탄소강층 또는 스테인레스강층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인덕션 히터용 클래드재.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 (3)의 탄소강층 위에 10~80㎛의 알루미늄 코팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인덕션 히터용 클래드재.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 (5)의 탄소강층 또는 스테인레스강층 위에 10~80㎛의 알루미늄 코팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인덕션 히터용 클래드재.

  6. 삭제
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