KR101322068B1

KR101322068B1 - 클래드 강재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101322068B1
Application number: KR1020110143044A
Authority: KR
Inventors: 김정길; 정보영
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2013-10-28
Also published as: KR20130074926A

Abstract

본 발명은 강재와 Cu계 금속층을 포함하는 클래드 강재로서, 상기 강재와 Cu계 금속층의 사이에는, Ni계 금속층이 구비되고, 상기 Ni계 금속층은 P: 15~20중량%를 포함하며, 상기 Ni계 금속층은 Fe-Ni계 확산층, Cu-Ni계 확산층 및 Fe-Ni-Ci계 확산층 중 어느 하나 또는 그 이상인 것을 포함하는 클래드 강재 및 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면 Cu계 금속과 강재가 결합된 클래드 강재를 제공할 수 있을 뿐 아니라 생산 효율의 향상 효과를 기대할 수 있다.

Description

클래드 강재 및 그 제조방법{CALD STEEL MATERIAL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 클래드 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 강판의 내식성 및 내마모성, 충격흡수성 및 미관 등을 향상시키기 위하여 강판의 표면에 구리합금을 클래딩한 강판이 사용되고 있다. 이러한 구리합금 클래드 강판을 제조하기 위한 방법으로 지금까지 산소토치를 이용한 용접기술을 사용하거나, 고온, 압차방식에 의한 클래딩 방법이 적용되고 있다.

그러나, 강재와 구리는 근본적으로 용접이 불가능한 소재이기 때문에 용접을 할 경우에는 건전한 용접부를 형성시키지 못해 클래딩 층의 강도가 떨어지게 되고, 플럭스(flux)를 과다하게 사용해야 하는 문제점이 있다.

압착에 의한 방식 또한 원자간 결합이 아니라 일종의 기계적 체결과 유사한 방법이므로 클래딩 층의 강도가 근본적으로 약하다는 단점이 있다.

본 발명은 근본적으로 접합이 불가능한 Cu계 금속과 강재가 접합된 클래드 강재 및 이를 위한 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일 실시형태는 강재와 Cu계 금속층을 포함하는 클래드 강재로서, 상기 강재와 Cu계 금속층의 사이에는, Ni계 금속층이 구비되고, 상기 Ni계 금속층은 P: 15~20중량%를 포함하며, 상기 Ni계 금속층은 Fe-Ni계 확산층, Cu-Ni계 확산층 및 Fe-Ni-Ci계 확산층 중 어느 하나 또는 그 이상인 것을 포함하는 클래드 강재를 제공한다.

본 발명의 일 실시형태는 강재를 준비하는 단계; 상기 강재에 Ni계 금속층을 형성시키는 단계; 상기 Ni계 금속층이 형성된 강재에 Cu계 금속층을 형성시키는 단계; 및 상기 Cu계 금속층이 형성된 강재를 860~950℃로 가열하는 단계를 포함하며, 상기 Ni계 금속층은 P: 15~20중량%를 포함하는 클래드 강재의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따르면 Cu계 금속과 강재가 결합된 클래드 강재를 제공할 수 있을 뿐 아니라 생산 효율의 향상 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 클래드 강재의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 클래드 강재의 모식도이다.
도 3은 심 용접을 이용하여 제조되는 클래드 강판의 일례를 모식적으로 나타낸 것이며, 도 3 a는 Ni계 금속층이 도금 또는 판재를 적층하여 형성된 경우를 나타내고, 도 3 b는 분말을 도포하여 형성되는 Ni계 금속층을 나타낸다.

본 발명자들은 강재와 Cu계 금속이 일반적인 방법에 의해 클래딩되는 경우, 접합 자체가 이루어지지 않거나, 클래드 층간 결합강도가 낮다는 문제점을 해결하기 위한 방법을 연구하던 중, Ni계 금속을 중간 삽입재로 사용하여 클래드 강재를 제조하는 경우, 접합이 가능하다는 것을 인지하게 되어 본 발명을 제안하게 되었다.

이하, 본 발명의 일 실시형태에 대하여 설명한다.

본 발명의 클래드 강재는 강재와 Cu계 금속층을 포함한다. 이 때, 강재로는 일반 탄소강이나 스테인리스강 등 다양한 종류가 이용될 수 있으며, 합금 원소의 종류나 함량에 대해서 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다. Cu계 금속 또한 합금 원소나 함량에 대해서 특별히 한정되지 않고, 당해 기술분야에서 통상적으로 이용되는 것이라면 모두 사용이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 클래드 강재의 모식도이다. 본 발명은 도 1과 같이, 강재(10)와 Cu계 금속층(30)의 사이에 중간재로서 Ni계 금속층(20)을 형성시키는 것을 특징으로 한다. 상기 Ni계 금속은 강재와 Cu계 금속 모두와 친화력이 강한 물질로서, 최종적으로 제조되는 클래드 강재(100)에 우수한 결합강도를 부여하여 강재와 Cu계 금속이 접합된 클래드 강재로 사용이 가능하다.

다만, 상기와 같이, 강재와 Cu계 금속층 사이에 Ni계 금속층이 삽입된 형태의 클래드 강재를 제조하기 위해서는 상기 클래드 강재 제조시 열원이 제공되어 물리화학적 결합이 이루어지도록 해야하는데, 일반적으로 Cu계 금속은 Ni계 금속보다 용융점이 낮으므로, 상기 Ni계 금속이 상기 강재나 Cu계 금속층보다 우선적으로 용융될 수 있도록 용융점을 낮출 필요가 있다.

따라서, 상기 Ni계 금속층은 중량%로, P: 15~20%를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 P는 Ni계 금속의 용융점을 낮추는데 효과적인 물질이며, 비용도 저렴하다는 장점이 있다. 본 발명에서 제안하는 바와 같이, 상기 P를 Ni계 금속층에 포함시킴으로써, 클래드 강재에 열원이 제공되는 경우, 상기 Ni계 금속층이 우선적으로 용융되어 강재와 Cu계 금속층간 물리화학적 결합이 활발히 이루어지도록 할 수 있다. 다만, Ni계 금속층의 융점을 낮추는 효과를 위해서 상기 P는 15중량% 이상으로 함유될 필요가 있다. 그러나, 상기 P의 함량이 20중량%를 초과하는 경우에는 클래드 강재의 기계적 성질이 저하될 우려가 있고, 오히려 융점을 상승시킬 수 있으므로, 상기 P의 함량은 15~20중량%의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 17~18중량%의 범위를 갖는 것이다.

이 때, 상기 Ni계 금속층은 Ni를 포함하는 확산층을 포함하는 것이 바람직하며, 이를 통해, 클래드 층간 결합강도를 보다 향상시킬 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 상기 Ni계 금속층은 강재와 Cu계 금속층보다 우선적으로 용융되어 상기 강재와 Cu계 금속층을 결합시키는 역할을 한다. 이 때, 용융된 Ni계 금속은 강재와 Cu계 금속층과 각각 또는 복합적으로 반응하여 확산층을 형성시킬 수 있으며, 이 확산층은 강재와 Cu계 금속층이 보다 강력하게 결합할 수 있는 결합력을 제공한다.

도 2는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 클래드 강재의 모식도이다. 도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명이 제안하는 클래드 강재의 일 태양에 따르면, Ni계 금속층(20)이 강재(10)와 Cu계 금속층(30)의 사이에 구비되며, 상기 Ni계 금속층(20)이 용융됨으로써 강재(10)와 Cu계 금속층(30)에 확산하게 된다. 즉, Ni계 금속층(20)과 강재(10)의 사이에는 Fe-Ni계 확산층(22)이 형성되고, Ni계 금속층(20)과 Cu계 금속층(30)의 사이에는 Cu-Ni계 확산층(24)이 형성될 수 있다. 이와 같이 형성되는 상기 Fe-Ni계 확산층(22)과 Cu-Ni계 확산층(24)은 강재(10)와 Cu계 금속층(30)의 결합력을 향상시킨다.

본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, Ni계 금속층이 강재 또는 Cu계 금속층으로 모두 확산되는 경우에, Fe-Ni계 확산층과 Cu-Ni계 확산층이 서로 반응하여 Fe-Ni-Ci계 확산층이 형성될 수 있다. 즉, 본 발명에서 Ni의 확산으로 인하여 형성되는 확산층은 Fe-Ni계 확산층, Cu-Ni계 확산층 및 Fe-Ni-Ci계 확산층 중 어느 하나 또는 그 이상일 수 있다.

한편, 본 발명에서 제안하는 Ni계 금속층은 Fe-Ni계 합금층, Cu-Ni계 합금층 및 Fe-Ni-Ci계 확산층을 포함하는 개념임에 유의할 필요가 있다.

상기 Ni계 금속층은 강재와 Cu계 금속층이 결합할 수 있는 결합력을 제공해주는 역할을 해주기만 하면 되므로, 그 두께가 가능한 얇은 것이 좋으며, 0.01mm 이상인 것이 바람직하다. 그러나, 과도하게 두껍다면 용융금속이 외부로 흘러나와 강재나 Cu계 금속층과 반응함으로써 상기 강재나 Cu계 금속층의 표면에 합금층을 형성하여 제품의 불량을 야기할 수 있고, 제조 비용 또한 증가하게 되는 문제점이 있으므로, 상기 Ni계 금속층의 두께는 1mm이하인 것이 바람직하다. 상기 Ni계 금속층의 두께는 0.01~0.5mm의 범위를 갖는 것이 보다 바람직하다.

한편, 본 발명에서는 일 태양으로서 중간 삽입재에 대하여 Ni계 금속층만을 제안하였으나, 상기 Ni계 금속층 이외에도 강재와 Cu계 금속층 간 결합강도를 향상시킬 수 있는 물질이라면 본 발명의 권리범위로 해석되어야 할 것이다.

상기와 같이, 본 발명의 제공하는 클래드 강재는 400MPa이상의 우수한 결합강도를 확보할 수 있다.

이하, 본 발명의 제조방법의 일 태양에 대하여 설명한다.

우선, 강재를 준비한 뒤, 상기 강재에 Ni계 금속층을 형성시킨다. 이 때, Ni계 금속층을 형성시키는 방법으로는 Ni계 금속을 상기 강재에 도금하여 Ni계 금속층을 형성하는 방법이 있을 수 있다. 상기 도금방법으로는 전해도금 또는 무전해도금을 이용할 수 있다. Ni계 금속층의 다른 형성 방법으로는 미리 제조된 Ni계 금속판을 상기 강재에 적층하거나 Ni계 금속 분말을 도포하는 방법이 있을 수 있다.

이후, 상기 Ni계 금속층이 형성된 강재에 Cu계 금속층을 형성시키는 것이 바람직하며, 미리 준비된 Cu계 금속판과 같은 재료를 적층시키거나 Cu계 금속을 용융시킨 뒤, 이 용융된 Cu계 금속을 상기 강재에 도포하는 등과 같은 방법을 이용할 수 있다.

이후, 상기와 같이, Cu계 금속층이 형성된 강재를 가열함으로써 클래드 층간에 물리화학적 결합이 이루어질 수 있도록 한다. 이 때, 상기 클래드 강재를 860~950℃로 가열하여 주는 것이 바람직한데, 상기 가열시 온도가 860℃ 미만일 경우에는 Ni계 금속층이 용융되지 않을 수 있으며, 950℃를 초과할 경우에는 Cu계 금속층이나 강재가 용융되는 문제가 발생할 수 있다. 한편, 기존에는 강재와 Cu계 금속층을 직접 클래딩하기 위하여 높은 가열 온도가 필요하였고, 이에 따라 제조 비용이 상승한다는 문제가 있었으나, 본 발명에서는 기존의 온도 범위보다 낮은 온도에서 클래딩하기 때문에 제조비용이나 생산 효율이 향상될 수 있다.

이 때, 상기 가열은 가열로를 이용한 분위기 발열이나 심(Seam) 용접기에 의한 저항발열 등에 의해 수행될 수 있다. 도 3은 심 용접을 이용하여 제조되는 클래드 강판의 일례를 모식적으로 나타낸 것이며, 도 3 a는 Ni계 금속층이 도금 또는 판재를 적층하여 형성된 경우를 나타내고, 도 3 b는 분말을 도포하여 형성되는 Ni계 금속층을 나타낸다. 도 3에 나타난 바와 같이, Ni계 금속도금층(20a), Ni계 금속판(20b) 또는 Ni계 금속분말(20c)이 삽입된 강재(10)와 Cu계 금속층(30)에 각각 전극롤러(40)가 접촉되도록 한 뒤, 상기 전극 롤러가 이동하면서 클래드의 각 층이 용접되도록 하여 클래드 강재(100)를 제조할 수 있다. 이 때, 상기 전극롤러(40)는 전원 장치에 연결되어 상기 클래드 강재에 열원을 제공함과 동시에 용접을 수행하는 역할을 한다.

이하, 하기 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 예시일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하지는 않는다.

(실시예)

강판에 18%P-Ni 금속을 도금시킨 후, 이 위에 1%Cr-Cu합금판을 적층한 뒤, 심 용접기를 이용하여 용접시킴으로써 클래드 강재를 제조하였다(발명예). 이 때, 온도는 900℃였다. 이와 같이 제조된 클래드 강재의 인장시험 결과 강도가 400MPa로 측정되었다.

한편, 중간재 삽입없이 강판에 1%Cr-Cu합금판만을 적층한 뒤, 상기와 같은 조건으로 용접함으로써 클래드 강재를 제조하였으며(비교예), 이 클래드 강재를 인장시험한 결과 강도가 3~4MPa 수준으로, 매우 낮은 수준의 결합강도를 가지고 있음을 확인하였다.

즉, 비교예와 대비할 때 발명예 즉, 본 발명이 제안하는 클래드 강재는 강재와 Cu계 금속 간 결합이 가능할 뿐만 아니라, 상당히 우수한 결합강도를 가지고 있음을 알 수 있다.

10 : 강재 20 : Ni계 금속층
22 : Fe-Ni계 확산층 24 : Cu-Ni계 확산층
30 : Cu계 금속층 40 : 전극 롤러
100 : 클래드 강재

Claims

강재와 Cu계 금속층을 포함하는 클래드 강재로서,
상기 강재와 Cu계 금속층의 사이에는, Ni계 금속층이 구비되고,
상기 Ni계 금속층은 P: 15~20중량%를 포함하며,
상기 Ni계 금속층은 Fe-Ni계 확산층, Cu-Ni계 확산층 및 Fe-Ni-Ci계 확산층 중 어느 하나 또는 그 이상인 것을 포함하는 클래드 강재.
청구항 1에 있어서,
상기 Ni계 금속층의 두께는 0.01~1mm인 것을 포함하는 클래드 강재.
청구항 1에 있어서,
상기 클래드 강재의 강도는 400MPa 이상인 것을 포함하는 클래드 강재.
강재를 준비하는 단계;
상기 강재에 Ni계 금속층을 형성시키는 단계;
상기 Ni계 금속층이 형성된 강재에 Cu계 금속층을 형성시키는 단계; 및
상기 Cu계 금속층이 형성된 강재를 860~950℃로 가열하는 단계를 포함하며,
상기 Ni계 금속층은 P: 15~20중량%를 포함하는 클래드 강재의 제조방법.
청구항 4에 있어서,
상기 Ni계 금속층은 Ni계 금속의 도금에 의하여 형성되는 것을 포함하는 클래드 강재의 제조방법.
청구항 4에 있어서,
상기 Ni계 금속층은 Ni계 금속판을 적층하는 방법 및 Ni계 금속 분말을 도포하는 방법 중 어느 하나의 방법에 의하여 형성되는 클래드 강재의 제조방법.
청구항 4에 있어서,
상기 가열은 가열로 또는 심(Seam) 용접기에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 클래드 강재의 제조방법.