KR20010028935A - 스테인레스강/티타늄 클래드재 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스테인레스강/티타늄 클래드재의 제조방법에 관한 것으로, 스테인레스강과 티타늄 판재사이에 사각 중공형의 Ni기 박막을 삽입시켜 사전 용접한후 열간압연처리함으로써 양 판재계면에서의 고온산화를 방지함으로써 우수한 접합계면을 갖는 스테인레스강/티타늄 클래드재 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

따라서 본 발명은 스테인레스강/티타늄 판재위에 사각 중공형의 Ni기 박막을 적치시키는 단계; 상기 적치된 판재위로 티타늄/스테인레스강 판재를 적층하여 그 테두리를 사전 용접하는 단계; 상기 용접된 판재를 850~1050℃로 가열하여 열간압연하는 단계;및 상기 열간압연되어 얻어진 클래드재에서 상기 사전 용접된 부위를 제거하는 단계;를 포함하는 스테인레스강/티타늄 클래드재 제조방법에 관한 것을 그 기술사상의 요지로 한다.

Description

스테인레스강/티타늄 클래드재 제조방법{A method for cladding Stainless steel and Titanium}

본 발명은 스테인레스강/티타늄 클래드재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스테인레스강과 티타늄 판재사이에 사각 중공형의 Ni기 박막을 삽입하여 판재의 테두리를 따라 사전접합한 후 압연함으로써 티타늄과 스테인레스강 판재의 고온산화를 방지함과 아울러 우수한 접합계면을 나타내는 스테인레스강/티타늄 클래드재의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 클래드재란 두가지 이상의 금속재료의 표면을 금속학적으로 접합하여 일체화시킨 적층형의 복합재료로 정의된다. 이같은 클래드재는 다양한 재료를 적절히 조합하여 사용함으로써 소재의 성능을 극대화시키고 고가의 소재를 절약할 수 있기 때문에 경제적으로 큰 장점이 있다. 따라서, 클래드재를 제조함에 있어 사용되는 소재의 조합이 다양해지고 있으며 그 적용분야도 아울러 확대되고 있다.

클래드재로 사용되는 소재의 종류는 다양하지만 대개의 경우 부식분위기등 가혹한 환경하에서도 성능이 열화되지 않는 고기능성 재료들이며 그 가격도 고가이다. 그 중에서도 티타늄은 내식,내후성이 다른 공업용금속에 비해 대단히 우수한 금속이다. 또한, 가볍고 기계적 성질이 우수할 뿐만아니라 도장등 표면처리를 하지 않아도 외관이 우수하기 때문에 소위 maintenance-free 금속으로 알려져 있다. 이같은 티타늄은 건축물의 외부판넬을 비롯하여 많은 구조물에 사용되고 있지만 가격이 비싸기 때문에 범용재료로 이용되지 못하고 있다. 한편, 스테인레스강은 내식성 , 내후성이 타타늄에 비해 떨어지며, 특히 해수분위기하에 있는 메가 플로트(해상 부유구조물)등의 해양구조물에서는 장시간 사용되면 부식이 문제로 되지만 티타늄에 비하여 그 가격이 훨씬 저렴하면서 일반 철강재에 비해 우수한 내식성을 보유하고 있다.

따라서, 상기한 바와같은 두 소재의 장점만을 취할 수 있도록 고안된 것이 티타늄을 클래드한 스테인레스강/티타늄 클래드재이다. 그러나, 이러한 스테인레스강/클래드재를 제조함에 있어 티타늄은 산화성이 매우 커서 그 접합계면에 금속간화합물등을 형성할 수 있기 때문에 접합이 어려운 것으로 알려져 있다. 종래에는 티타늄과 스테인레스강 판재를 폴리에스텔계 접착제를 사용해 접착된 제품이 사용되어 왔는데, 이 제품은 두 소재의 열팽창계수가 다르기 때문에 경년열화에 의해서 계면에 균열이 생기기도 하고 접착의 열화가 일어난다는 점에서 문제가 있다. 또한, 이러한 클래드재는 굽힘가공이 어렵고 용접이 거의 불가능하기 때문에 현실적으로 그 사용에 제한이 많다.

또한, 클래드재를 제조하는 일반적인 방법들로서 확산접합법, 육성용접법, 폭발접합법 및 열간압접압연법등이 알려져 있으며, 상기의 방법들이 조합되어 사용되는 경우도 있다. 그러나, 상기 확산접합법의 경우 접합력이 우수한 제품을 얻을 수 있으나 그 접합에 많은 시간을 요하여 그 제조원가가 상승한다는 점에서 경제성이 없으며, 육성용접법의 경우 두 소재간의 직접용접이 불가능하기 때문에 스테인레스강/티타늄 클래드재 제조공정으로 적합하지 않다. 상기 폭발접합법으로 스테인레스강/티타늄 클래드재를 제조하는 방법의 예로서 일본 특개평 6-234083과 6-234084가 있다. 이들 방법에 의하면 폭발접합에 의해 클래드를 제조한 후, 제품성형을 위하여 순철(Fe)과 Al₂O₃와 같은 얇은 판을 티타늄측에 접합시켜 열간압연시의 산화를 방지하는 방법에 대해 기술하고 있다. 그러나, 이 방법은 폭약이 폭발할때 발생하는 고압력을 사용하는 방법이므로, 소음문제가 발생하여 장소선택의 제약이 많을뿐만아니라 위험성도 높다. 또한, 그 공정의 복잡성으로 대량생산에 적합하지 않아 제조원가가 매우 높다는 문제가 있다.

상기 열간압접압연법은 도 1에 나타낸 장치(10)에서와 같이, 가열로(11)에서 가열된 두 판재(12)를 이송대(13)을 통하여 이송시켜 압연기(14)에서 압착시켜 클래드재를 제조하는 방법으로, 제품을 가장 경제적이고 대량으로 상업생산할 수 있다는 장점으로 많이 이용되고 있다. 이러한 열간압접압연법에 따라 스테인레스강/티타늄 클래드재를 제조하는 방법의 예로는 일본 특개평 3-277541과 3-277542가 있다. 상기 일본특허공보들은 스테인레스상을 모재로 하고 티타늄을 클래드재로 하는 티타늄 클래드강판을 950℃이하에서 열간압연에 의해 제조하는 방법을 제안하고 있다. 그러나, 이 방법에 의해 스테인레스강/티타늄 클래드재를 제조할 경우 열간압연시 고온산화성이 큰 티타늄의 심한 산화가 초래되어 건전한 접합부를 얻기 힘들며, 아울러 이를 해결하기 위해 진공에서 압연처리하면 제조원가가 대폭 상승된다는 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위한 것으로, 스테인레스강과 티타늄 판재사이에 사각 중공형의 Ni기 박막을 삽입시켜 사전 용접한후 열간압연처리함으로써 양 판재계면에서의 고온산화를 방지함으로써 우수한 접합계면을 갖는 스테인레스강/티타늄 클래드재 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 열간압연압접법에 의한 클래드재 제조방법의 일예도

도 2는 본 발명의 Ni기 박막을 판재사이에 삽입하여 용접하는 개략도로

도 2(a)는 상기 박막을 삽입하는 모습을 나타낸 개략도

도 2(b)는 상기 박막이 삽입된 판재의 테두리를 용접하는 개략도

도 3은 스테인레스강/티타늄 클래드재 계면사진으로

도 3(a)는 접합계면이 우수한 발명재

도 3(b)는 접합계면이 용융됨을 나타낸 비교재

도 3(c)는 접합계면에서 균열이 발생함을 나타낸 비교재

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스테인레스강/티타늄 클래드재 제조방법은, 스테인레스강과 티타늄 판재사이에 사각 중공형의 Ni기 박막을 삽입시키는 단계; 상기 Ni기 박막이 삽입된 판재위로 그 테두리를 따라 사전 용접하는 단계; 상기 용접된 판재를 850~1050℃로 가열하여 열간압연하는 단계;및 상기 열간압연되어 얻어진 클래드재에서 상기 사전 용접된 부위를 제거하는 단계;를 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 스테인레스강/티타늄 클래드 제조방법에 있어서 사각 중공형의 Ni기 박막을 삽입하여 사전 용접함을 그 특징으로 한다. 즉, 열간압연시 초래되는 티타늄과 스테인레스강의 고온산화를 효과적으로 방지하기 위하여 Ni기 박막이 삽입된 스테인레스강/티타늄 판재를 그 테두리를 따라 사전용접하는 것이다.

본 발명에선 두 판재의 테두리용접을 위한 용접재로서 Ni기 박막을 사용하는데, 이는 Ni이 첨가된 용접부는 우수한 연성 및 인성을 나타내기 때문에 열간압연시 용접부 터짐현상이 발생하지 않아 계면부의 산화를 효과적으로 방지할 수 있기 때문이다.

한편, 사전 용접된 스테인레스강/티타늄 판재부분은 그 용접시 용손을 입기 때문에 열간압연에 의해 클래드재를 얻은 후라도 건전한 접합부를 얻기 힘들며, 이에따라 열간압연후 용손을 입은 판재부분을 절단 제거하여야 한다. 따라서 본 발명에선 압연후 제거되는 부분을 최소화하기 위해 삽입재인 Ni기 박막을 사각 중공형으로 하였으며, 이는 또한 고가인 Ni기 박막의 사용량을 절감시킬 수 있다는 점에서도 유리하다. 그러므로 본 발명에선 또한 용접재로서 삽입되는 사각 중공형의 Ni기 박막의 외부 일측모서리와 내부 일측모서리 사이의 폭을 최소화시키는 것이 유리하나 상기 두판재의 사전 용접을 위한 최소공간확보 및 용접신뢰성측면을 고려하여 2~3mm범위에 두는 것이 가장 바람직하다.

상술한 바와같이 사전 용접접합된 판재는 열간압연되어 클래드재로 제조되는데, 그 열간압연온도는 850~1050℃로 제한함이 바람직하다. 왜냐하면, 압연온도가 850℃보다 낮으면 높은 압연하중이 필요하고 접합성도 저하하며, 1050℃를 초과하면 티타늄 판재의 산화가 심하게 발생하기 때문이다.

한편, 상기 열간압연에 의한 소재의 접합은 고상접합이다. 따라서, 소재간 고상접합이 일어나기 위해서는 두 소재의 표면에 존재하는 원자들간 상호인력이 작용할 수 있을 정도로 충분히 가까이 위치해야 한다. 따라서 적정량 이상의 소성변형이 가해질 필요가 있다. 따라서 본 발명에선 상기 압연온도에서 15~45의 압하율로 압연됨이 바람직한데, 이는 15이상의 소성변형을 가해야만 두 판재의 접합이 우수하며, 45는 압연설비의 부하를 고려하여 결정한 것이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.

도 2는 본 발명에 있어 Ni기 박막을 판재사이에 삽입하여 용접하는 것을 나타내는 개략도이다. 도 2(a)에 나타난 바와같이, 먼저 사각 중공형의 Ni기 박막(23)을 펀치 또는 절단등의 방법을 이용하여 판재크기에 맞게끔 가공한 후 스테인레스강 판재(21)과 티타늄 판재(22) 사이에 삽입시킨다. 이때 상술한 바와같이, 이러한 Ni기 박막을 가공함에 있어서 그 박막의 외부 일측모서리와 내부 일측모서리 사이의 폭(h)이 2~3mm범위에 드는 사각 중공형으로 가공처리함이 가장 바람직하다. 그리고 중공형 Ni박막이 삽입된 판재는 도 2(b)에 나타난 바와같은 방법으로 그 테두리가 용접토치(25)에 의해 사전 용접되어 접합계면에서의 티타늄등의 고온산화의 위험을 제거한다.

이렇게 사전 용접된 판재는 열간압연처리되는데, 도 1의 열간압접압연법을 예를들어 설명하면 다음과 같다. 즉, 상기 사전 용접된 판재는 먼저 가열로(11)에서 850~1050℃의 온도범위로 가열된후, 이송대(12)를 통하여 압연기(14)에서 압착되어 클래드재가 제조되는 것이다. 그리고 이렇게 제조된 클래드재에서 상기 사전 용접된 부분은 용접에 따른 용손때문에 건전한 접합부를 형성하지 못하므로 이를 절단제거함으로서 건전한 접합계면을 갖는 우수한 스테인레스강/티타늄 클래드재를 얻을 수 있는 것이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다

(실시예 1)

2mm의 두께를 가진 스테인레스강 판재와 1mm의 두께를 가진 티타늄 판재를 마련하고, 상기 판재사이에 중공형의 Ni기 박막을 삽입하여 상온에서 전자빔으로 사전용접처리하였다. 그리고 사전 용접처리된 판재를 하기 표 1과 같은 조건으로 열간압연하여 클래드재를 제조하여 굴곡시험을 실시하였으며, 그 결과를 하기 표1에 나타내다. 하기 표 1에 나타난 바와같이, 중공형 Ni기 박막을 삽입하여 사전용접처리하여 클래드재를 제조할 경우 압연온도가 850~1050℃일 경우 도 3(a)과같은 우수한 접합부가 얻어짐을 알 수 있다. 그러나, 압연온도가 850℃보다 낮은 비교강 1의 경우 계면을 따라 연속적인 균열을 나타내었으며, 1050℃보다 높은 비교강 6의 경우에는 Ti판재의 산화가 심하게 발생하였으며, 계면을 따라 단락적인 균열이 발생하였다.

	강종	스테인레스강판재 두께(mm)	티타늄 판재두께(mm)	클래드재 두께(mm)	압연조건	굴곡시험
					압연온도(℃)		압하율()
비교강	1	2	1	2.4	800	20	×
발명강	2	2	1	2.4	860	20	○
	3	2	1	2.01	930	33	○
	4	2	1	1.78	970	40.6	○
	5	2	1	2.4	1030	20	○
비교강	6	2	1	2.4	1080	20	△

×: 계면을 따라 연속적인 균열발생

△ 계면을 따라 단락적인 균열발생

○: 균열발생없음

(비교예 1)

상기 실시예 1에서와 동일한 두께를 가진 스테인레스강과 티타늄판재사이에 Ni기 박막을 삽입하지 않은채로 상기 양판재를 겹쳐 그 테두리를 전자빔으로 사전 용접하였다. 그리고 하기 표2와 같은 조건으로 열간압연을 실시하여 클래드재를 제조하고, 굴곡시험을 실시하였다.

강종	스테인레스강 판재 두께(mm)	티타늄 판재 두께(mm)	클래드재 두께(mm)	압연조건	굴곡시험
				압연온도(℃)		압하율()
1	2	1	2.2	1,100	27	△
2	2	1	2.0	930	33	×
3	2	1	1.8	930	40	×

×: 계면을 따라 연속적인 균열발생

△ 계면을 따라 단락적인 균열발생

○: 균열발생없음

상기 표2에서 알수있는바와 같이, Ni기 박막을 삽입하여 사전용접하지 않고 두 판재만을 테두리용접하여 열간압연을 할 경우 건전한 접합계면을 얻을 수 없음을 알 수 있다. 상세하게 설명하면, 상기의 경우 스테인레스강과 티타늄 판재를 직접 용접하였기 때문에 용접부에 매우 취약한 금속간화합물이 형성된다. 따라서, 대부분의 경우 용접직후 용접부가 파단되며, 용접부가 판단되지 않더라도 압연개시와 함께 용집부 터짐현상이 발생한다. 그러므로 비록 사전 용접을 실시할지라도 사전접합에 의한 계면보호 효과를 얻을 수 없음을 알 수 있다.

도 3(b),(c)는 상기 비교예의 강종에서의 계면사진으로서, 도 3(b)는 계면에 산소,질소등의 불순물가스가 침투하여 Ti 용융점 이하인 930℃의 압연하에서 계면의 Ti측에 용융이 일어남을 나타내고 있으며, 도 3(c)는 그 계면을 따라 균열이 발생함을 나타내고 있다. 이러한 계면부근에서 형성된 용융영역은 철과 티타늄이 혼합된 영역으로 입자가 조대하고 취약한 금속간 화합물이 형성되어 있어 성형시 쉽게 균열발생을 초래한다. 이같은 문제는 상술한 바와같이 사전 용접부가 취약하여 그 터짐현상이 발생하므로 클래드 계면의 산화방지 효과를 충분히 얻지 못했기 때문에 야기되는 것이다.

상술한 바와같이, 본 발명은 스테인레스강과 티타늄 판재사이에 사각 중공형의 Ni기 박막을 삽입시켜 사전 용접한 후 열간압연함으로써 우수한 접합계면을 가진 스테인레스강/티타늄 클래드재 제조에 유용한 효과가 있음을 알 수 있다.

Claims (3)

1. 스테인레스강과 티타늄 판재사이에 사각 중공형의 Ni기 박막을 삽입시키는 단계; 상기 Ni기 박막이 삽입된 판재위로 그 테두리를 따라 사전 용접하는 단계; 상기 용접된 판재를 850~1050℃로 가열하여 열간압연하는 단계;및 상기 열간압연되어 얻어진 클래드재에서 상기 사전 용접된 부위를 제거하는 단계;를 포함하여 구성된 스테인레스강/티타늄 클래드재 제조방법
2. 제 1항에 있어서, 상기 사각 중공형의 Ni기 박막의 외부 일측 모서리와 내부 일측모서리 사이의 폭이 2~3mm인 스테인레스강/티타늄 클래드재 제조방법
3. 제 1항 또한 2항에 있어서, 상기 압연은 15~45의 압하율로 행하여 지는 스테인레스강/티타늄 클래드재 제조방법