KR101353814B1 - 스테인리스 클래드 강판 및 이의 제조방법 - Google Patents

스테인리스 클래드 강판 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스테인리스강/알루미늄/스테인리스강 클래드 강판으로서, 상기 스테인리스 강판이 내부의 알루미늄판보다 돌출되어 있는 스테인리스 클래드 강판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 조관공정 등에서 용접시 내부의 알루미늄의 용융 및 알루미늄계 금속간화합물의 강판 표면으로의 석출을 최소화하여 용접부의 내식성을 보다 향상시킬 수 있는 스테인리스 클래드 강판을 제공할 수 있다.

Description

스테인리스 클래드 강판 및 이의 제조방법 {STAINLESS CLAD PLATE AND METHOD FOR MAKING THEREOF}
본 발명은 스테인리스강/알루미늄/스테인리스강 클래드 강판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
음용수 배관 소재로 내식성이 높은 스테인리스강을 주로 사용하고 있으며, 기타 상하수도용 배관 소재로도 스테인리스강의 사용이 점차 증가하고 있다. 현재 가장 널리 사용되고 있는 배관용 스테인리스강은 304 오스테나이트계 스테인리스강으로 18 wt%의 크롬과 8 wt%의 니켈로 이루어져 있으며, 이러한 스테인리스강은 높은 내식성과 가공성을 보이며 용접성 또한 우수하다.
그러나, 오스테나이트계 스테인리스강은 고가의 니켈을 함유하고 있어 가격이 높은 단점을 가진다.
이러한 단점을 극복하기 위해, 최근 클래드 강판이 개발되어 사용되고 있다.
클래드 강판(Clad Plate)이란, 두 가지 이상의 금속재료 표면을 금속학적으로 접합하여 일체화시킨 적층형의 복합 강판을 지칭한다. 클래드 강판은 다양한 재료를 적절히 조합하여 사용함으로써 소재의 성능을 극대화할 수 있으며, 고가의 소재를 절약할 수 있으므로 경제적으로도 큰 장점이 있기 때문에, 소재의 조합이 점차 다양해지고 있으며 적용분야도 확대되고 있다. 대표적으로 클래드 강판은 건축, 가전, 자동차, 중공업 등에 널리 적용되고 있다.
클래드 강판의 구조는 클래드 금속/모재 또는 클래드 금속/중간접합재/모재로 구성되는데, 클래드 금속은 통상 모재 두께의 5 내지 20% 정도를 차지하여 강판에 기능성 부여 및 사용 환경으로부터 모재를 보호하는 기능을 수행하고, 모재는 구조물에 작용하는 하중을 지지하는 역할을 수행한다.
클래드 금속으로 사용되는 소재의 종류는 다양하지만, 대부분의 경우 고온 혹은 산성에 따른 부식 분위기 등의 가혹한 환경 하에서도 성능이 열화되지 않는 고기능성 재료들을 이용하며, 이 재료들은 매우 고가의 제품들이다.
따라서, 클래드 강판은 모재로서 상대적으로 가격이 저렴하고 가공성이 우수한 소재를 사용하고, 표면을 이루는 클래드 금속은 특정한 성질이 요구되는 소재들을 사용함으로써 고가의 고기능성 소재의 사용에 비해 비용을 절약할 수 있기 때문에 경제적이다.
통상, 모재로는 가격이 저렴한 철 또는 철합금이 주로 사용되고, 클래드 금속으로 많이 사용되는 재료로는 고탄소강, 스테인리스, 니켈, 코발트, 구리, 동, 알루미늄, 내열합금, 티타늄 등이 있다.
이와 같은 클래드 강판을 제조할 수 있는 방법으로는 열간압접압연법, 폭발접합법, 환산접합법, 육성용접법 등이 알려져 있다.
한편, 스테인리스강/알루미늄/스테인리스강 으로 구성되는 클래드 강판의 경우, 표면에 스테인리스강이 위치하므로 내식성이 높으나, 용접 시 표면의 스테인리스강뿐만 아니라 내부의 알루미늄까지 용융되어 알루미늄계 금속간화합물이 생성되고, 이러한 알루미늄계 금속간화합물이 용접이음부에 형성됨에 따라 내식성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 스테인리스강/알루미늄/스테인리스강 클래드 강판의 용접시 발생되는 문제점을 극복하기 위해 안출된 것으로서, 용접시 내부 알루미늄의 용융 및 알루미늄계 금속간화합물의 석출을 최소화하는 고내식성 클래드 강판 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면은 스테인리스강/알루미늄/스테인리스강 클래드 강판으로서, 상기 스테인리스 강판이 내부의 알루미늄판보다 돌출되어 있는 스테인리스 클래드 강판에 관한 것이다.
본 발명의 다른 측면은 스테인리스강/알루미늄/스테인리스강 클래드 강판을 준비하는 단계; 및 상기 클래드 강판을 산 또는 알칼리 용액으로 전처리하여 내부 알루미늄판을 용해시켜 스테인리스 강판이 내부의 알루미늄판보다 돌출되도록 하는 단계를 포함하는 스테인리스 클래드 강판의 제조방법에 관한 것이다.
상기 강판 제조시, 내부 알루미늄판의 용출 후 수세 및 건조하는 단계를 추가할 수 있다.
본 발명에 의하면, 조관공정 등에서 용접시 내부의 알루미늄의 용융 및 알루미늄계 금속간화합물의 강판 표면으로의 석출을 최소화하여 용접부의 내식성을 보다 향상시킬 수 있는 스테인리스 클래드 강판을 제공할 수 있다.
도 1은 적층된 스테인리스강/알루미늄/스테인리스강 클래드 강판의 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따라 산 또는 알칼리 용액으로 처리함으로써 제조된 스테인리스강/알루미늄/스테인리스강 클래드 강판의 단면 모식도를 나타낸 것이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
본 발명은 기존 스테인리스강/알루미늄/스테인리스강 클래드 강판을 조관공정 등에서의 용접시 발생된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 스테인리스강/알루미늄/스테인리스강 클래드 강판을 조관공정 등에서 용접하기 전에 산 또는 알칼리 용액으로 처리하여 스테인리스 강판이 내부의 알루미늄판보다 돌출되도록 함으로써, 용접시 내부 알루미늄의 용융 및 알루미늄계 금속간화합물의 석출을 최소화하는 고내식성 클래드 강판 및 그 제조방법을 제공한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 스테인리스강/알루미늄/스테인리스강 클래드 강판의 개략도를 나타낸 것이다.
본 발명은 상기 클래드 강판을 산 또는 알칼리 용액으로 처리하여 알루미늄을 용해시켜, 도 2에 나타낸 바와 같이 스테인리스 강판이 알루미늄판보다 돌출된 스테인리스 클래드 강판을 제공하는 것이다.
본 발명에 모재로서 사용되는 스테인리스강/알루미늄/스테인리스강 클래드 강판은 특별히 한정되는 것은 아니며, 통상 당업계 분야에서 사용되는 강판이면 어느 것이나 사용 가능하다.
상기 클래드 강판의 표면에 위치하는 스테인리스 강판은 304, 316 등과 같은 300계 스테인리스 강판과 409, 439, 441 등과 같은 400계 스테인리스 강판이 사용될 수 있다. 또한, 오스테나이트 구조와 페라이트 구조를 모두 가지는 듀플렉스 스테인리스강 및 니켈 함량을 낮추고 망간 및 질소를 첨가한 200계 스테인리스 강판도 사용될 수 있다.
본 발명에서 사용되는 스테인리스 강판의 두께는 0.5 내지 1.0 mm를 갖는 것이 바람직하다. 스테인리스 강판의 두께가 0.5mm 보다 작으면, 두께가 얇아 클래드 강판 제조시 공정상에 어려움이 있으며, 또한 용접시 스테인리스 강판의 용융량이 적기 때문에 내부에 조대한 기공이 형성되게 된다. 반면, 두께가 1.0mm 이상으로 두꺼우면, 고가의 스테인리스 강판의 사용량이 증가하기 때문에 가격이 높아지는 단점이 있다.
또한, 클래드 강판 중앙에 위치하는 알루미늄판은 순수 알루미늄뿐만 아니라, 망간, 실리콘, 마그네슘, 구리, 아연 등의 첨가원소를 하나 이상 함유하는 알루미늄 합금도 포함될 수 있다.
본 발명에서 사용되는 알루미늄판의 두께는 1.0 내지 3.0 mm를 갖는 것이 바람직하다. 알루미늄판의 두께가 1.0mm 보다 얇으면 상하 용접 이음부의 열전도에 의한 알루미늄의 용융이 진행되어 내식성이 저하되며, 반면 두께가 3.0mm 보다 두꺼우면 스테인리스강의 용입량이 상대적으로 부족하여 내부에 기공이 형성된다.
상기와 같은 얇은 판재를 사용함으로써 제조되는 클래드 강판의 전체 두께를 얇게 하게 되면, 높은 내식성을 가질 뿐만 아니라 상기 클래드 강판이 적용되는 용도에 목적하는 강판을 낮은 비용으로 제조할 수 있다.
본 발명에 따라 스테인리스 강판이 알루미늄판보다 돌출된 클래드 강판을 제조하기 위해서는, 상기 클래드 강판을 산 또는 알칼리 용액으로 처리하여 알루미늄만 우선적으로 용해시키는 것이 바람직하다.
즉, 클래드 강판은 양쪽(위, 아래) 표면이 내식성이 높은 스테인리스강으로 이루어지고, 강판 내부는 내식성이 낮은 알루미늄으로 이루어지므로, 상기 스테인리스강/알루미늄/스테인리스강 클래드 강판을 산 또는 알칼리 용액에 침지시키면 절단면에 노출된 내부의 알루미늄이 우선적으로 부식되어 용해되는 원리를 이용한 것이다.
또한, 상술한 스테인리스강들은 알루미늄보다 산화환원전위가 높은 안정한 철을 주 성분으로 함유하기 때문에, 알루미늄과 접합되면 알루미늄에서 우선적으로 부식이 진행된다. 이러한 현상은 예컨대 아연도금강판의 경우, 표면에 도금된 아연이 희생양극으로 작용하여 대기 중에서 아연이 부식되는 동안 철은 방식되는 원리와 유사하다. 클래드 강판을 산 또는 알칼리 용액으로 처리시, 산 또는 알칼리 용액에 접촉된 스테인리스 강판은 내부 알루미늄층이 모두 용해될 때까지 부식이 진행되지 않는다. 특히, 300계 스테인리스강은 산 또는 알칼리 용액에서 모두 전처리가 가능하며, 기타 400계, 듀플레스, 200계 스테인리스강은 알칼리 용액에서 전처리하게 되면 내부 알루미늄층이 모두 용해되어도 스테인리스강의 높은 내식성에 의해 부식이 발생되지 않게 된다.
이때, 사용되는 산 또는 알칼리 용액은 예컨대, 산 용액으로는 H2SO4, HNO3, H3PO4 또는 CH3COOH 용액이 사용될 수 있으며, 알칼리 용액으로는 NaOH 또는 KOH 용액이 사용될 수 있다.
상기와 같이 산 또는 알칼리로 처리하면, 도 2에 나타낸 바와 같이 강판 표면에 위치하는 스테인리스 강판이 돌출된 구조를 가지는 클래드 강판을 제조할 수 있다.
상기 산 또는 알칼리 처리시, 알루미늄이 용해되는 깊이는 하기 관계식을 만족하도록 설정하는 것이 바람직하다.
하기 관계식은 사용된 스테인리스강의 두께(a)와 용해된 알루미늄의 깊이(b) 사이의 관계식으로, 본 발명의 실시예에서는 하기 관계식을 만족하지 않는 경우 용접이음부에 금속간화합물이 석출되는 것을 확인하였다.
<관계식>
1 ≤ b/a ≤ 10
여기서, 용해된 알루미늄의 깊이(b)는 스테인리스 강판이 돌출된 구조를 가지는 클래드 강판에서 스테인리스강이 돌출된 길이와 동일하다.
상기 관계식을 만족하도록 알루미늄판을 용해시키는 방법으로는, 클래드 강판의 용접하고자 하는 부위만 용액에 침지시켜 목표 깊이만큼 알루미늄층이 용출될 때까지 유지하는 방법 등이 있을 수 있다.
상기 산 또는 알칼리 처리 후 클래드 강판을 수세 및 건조하는 것이 바람직하다.
이를 통해, 용해된 알루미늄이 다시 강판 표면의 스테인리스 강판에 알루미늄 수산화물로 석출되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 스테인리스 클래드 강판을 조관공정 등에서 용접 등을 수행하는 경우, 고주파용접(High Frequency Welding)으로 용접하는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로, 스테인리스강/알루미늄/스테인리스강 클래드 강판으로서, 용접 이음부가 되는 양 측면의 전처리를 통해 스테인리스 강판이 내부의 알루미늄 강판보다 돌출된 클래드 강판을 2매 또는 그 이상 준비하고, 상기 준비된 클래드 강판을 조관하여, 상기 클래드 강판의 돌출된 스테인리스 강판끼리 고주파용접으로 접합한다.
용접시 고주파용접을 이용할 경우, 클래드 강판 내부에의 열 전달을 최소화하면서 클래드 강판의 표면에만 열을 집중할 수 있어, 용접효율을 높일 수 있다. 즉, 클래드 강판 표면에 위치하는 스테인리스 강판에만 전류가 집중되므로, 내부의 알루미늄은 용융되지 않으면서 스테인리스 강판만 용융시킬 수 있다. 이때, 측면에서 압력을 가하게 되면 내부로 용융된 금속이 더욱 쉽게 침투할 수 있으므로 응고 후 내부에 기공이 생기는 결함을 최소화할 수 있다.
상기 고주파용접시, 용접입열량은 0.5 내지 2 kW·min/m로 설정하여 용접하는 것이 바람직하다. 용접입열량이 0.5kW·min/m 미만이면, 돌출된 스테인리스 강판의 용융이 적게 진행되어 내부에 기공이 발생하고, 이음부의 미용접이 부분적으로 발생할 수 있다. 반면, 용접입열량이 2kW·min/m를 초과하게 되면, 입열량이 과하게 되어 내부의 알루미늄층까지 용융되며, 이로 인해 내식성이 감소하게 된다.
이하, 실시예를 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
실시예 1. 클래드 강판의 제조 및 알루미늄계 금속화합물 석출 비교
1.0 mm의 두께를 갖는 304 스테인리스강과 1.5 mm의 두께를 갖는 알루미늄판이 순서대로 적층된 클래드 강판을 황산 용액에 침지하여 알루미늄판을 용해시켰다. 이때, 알루미늄판의 용해는 스테인리스강의 두께(a)와 용출되는 알루미늄의 깊이(b)의 관계 즉, a:b 비율이 1:0, 1:1, 1:5, 1:10 및 1:20이 되도록 용해시켰다.
이후, 상기 알루미늄판이 용해된 클래드 강판을 수세 및 건조한 후 고주파용접으로 조관공정을 수행하였다. 이때, 용접입열량은 1 kW·min/m이고, 성형 방식은 연속 롤 성형 방식을 사용하였다.
상기와 같이 조관 후 클래드 강판의 용접 이음부에서의 알루미늄계 금속간화합물의 석출거동 및 내부 공극 크기를 조사하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
a:b 알루미늄계 금속간화합물 석출량 내부 공극 크기
1:0 발생 무
1:1 발생 무
1:5 발생 무 발생 무
1:10 발생 무
1:20 발생 무
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 스테인리스강의 두께(a)와 용출되는 알루미늄의 깊이(b)의 관계가 1:0일 경우, 내부에 공극의 발생은 없지만 용접이음부에서 알루미늄계 금속간화합물의 석출량이 많이 발생되며, 1:20일 경우에는 금속간화합물의 석출 발생은 없으나 내부에 공극이 발생됨을 확인할 수 있다.
그러나, 스테인리스강의 두께(a)와 용해되는 알루미늄의 깊이(b)의 관계가 본 발명에서 제공하는 관계식을 만족하는 경우에는 알루미늄계 금속간화합물 석출량 및 내부 공극 발생이 양호함을 알 수 있다. 특히, 1:5일 경우 금속간화합물의 석출 및 내부 공극의 발생이 전혀 없었다. 따라서, 가장 적합한 비율은 1:5인 것을 확인하였다.

Claims (9)

  1. 스테인리스강/알루미늄/스테인리스강 클래드 강판으로서, 상기 스테인리스 강판이 내부의 알루미늄판보다 돌출되어 있고, 상기 스테인리스강의 두께(a)와 돌출된 스테인리스강의 길이(b) 사이의 관계가 하기 관계식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 조관용접용 스테인리스 클래드 강판.
    <관계식>
    1 ≤ b/a ≤ 10
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 스테인리스강은 0.5 내지 1.0 mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 클래드 강판.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 알루미늄판은 1.0 내지 3.0 mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 클래드 강판.
  5. 스테인리스강/알루미늄/스테인리스강 클래드 강판을 준비하는 단계; 및
    상기 클래드 강판을 산 또는 알칼리 용액으로 처리하여 내부 알루미늄판을 용해시켜 스테인리스 강판이 내부의 알루미늄판보다 돌출되도록 하는 단계를 포함하고,
    상기 산 또는 알칼리 용액의 처리는 스테인리스강의 두께(a)와 돌출된 스테인리스강의 길이(b) 사이의 관계가 하기 관계식을 만족시키도록 행해지는 것을 특징으로 하는 조관용접용 스테인리스 클래드 강판의 제조방법.
    <관계식>
    1 ≤ b/a ≤ 10
  6. 제 5항에 있어서, 상기 산 또는 알칼리 용액 처리 후 수세 및 건조하는 단계를 포함하는 스테인리스 클래드 강판의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 제 5항에 있어서, 상기 스테인리스강은 0.5 내지 1.0 mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 스테인리스 클래드 강판의 제조방법.
  9. 제 5항에 있어서, 상기 알루미늄판은 1.0 내지 3.0 mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 스테인리스 클래드 강판의 제조방법.
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