본 발명은 탄소강, 상기 탄소강의 한쪽 면에 두께가 10 ∼ 80 ㎛인 알루미늄이 코팅된 탄소강 코팅층이 형성되어 있고, 상기 탄소강 코팅층 상부에 알루미늄이 클래드 접합하여 적층된 알루미늄 층이 형성된 주방용 탄소강-알루미늄 클래드재에 그 특징이 있다.
이하, 본 발명은 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 클래드재는 탄소강의 한쪽 면에 알루미늄이 얇게 코팅되어 탄소강 코팅층을 형성하고, 상기 탄소강 코팅층의 상부에 알루미늄이 클래드 접합하여 알루미늄 층이 적층된 구조의 탄소강-알루미늄 클래드재를 형성하여, 종래 스테인리스강을 사용하는 경우와 유사한 접합강도, 유도가열성(IH)을 가지면서 동시에 성형성을 월등하게 향상시켜 표면처리에 소요되는 비용절감에 효과적이므로 경제적면에서 유용하게 사용된다.
본 발명에 따른 탄소강-알루미늄 클래드재를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 종래의 클래드재로 많이 사용되던 스테인리스가 상변태를 일으키지 않아 이랑을 원인이 되는 주상정이 그대로 표면에 형성되는 문제를 개선하기 위하여 오스테나이트와 페라이트로 상변태를 일으켜 주상정을 소멸하는 탄소강을 사용한 탄소강-알루미늄 클래드재이다. 그러나, 상기 탄소강이 알루미늄과 접합이 용이하지 않은 문제가 있어 탄소강의 접합면을 먼저 알루미늄으로 코팅 처리한 코팅된 탄소강을 사용한다.
상기 탄소강은 당 분야에서 일반적으로 사용되는 것으로, 특별히 제한을 두지 않으나, 유도가열성(IH)의 향상과 열전달 무게 등을 고려해서 탄소강의 두께를 0.2 ∼ 1.2 mm 범위로 제한하는 것이 바람직하며, 상기 두께가 0.2 mm 미만인 경우는 유도가열성 효과가 작고, 1.2 mm를 초과하는 경우에는 열전달이 늦고 무거워지는 문제가 발생한다.
또한, 상기 탄소강의 표면 코팅에 사용하는 알루미늄은 특별히 한정 사용하지는 않으나, 알루미늄 단일 금속 또는 Si가 첨가된 Al-Si 합금 등과 같은 알루미늄 합금이 사용할 수 있으며, 본 발명에서는 구체적으로 Al-8Si를 선택 사용하여 코팅한다.
상기 탄소강의 면에 얇게 코팅되는 코팅층은 탄소강에 알루미늄 또는 알루미늄합금과의 클래드 접합시 탄소강이 산화되어 접합이 어려운 현상을 방지 접합을 용이하게 하고 탄소강의 유통이나 보관시 산화방지를 위하여 미리 탄소강의 표면을 알루미늄으로 얇게 코팅하는 것으로, 10 ∼ 80 ㎛ 정도의 두께를 형성하는 것이 바람직하다. 상기 코팅층의 두께가 10 ㎛ 미만이면 제조가 어렵고, 두께가 80 ㎛를 초과하는 경우에는 코팅층이 박리되기 쉽고 유도가열성이 나빠지는 문제가 발생한다. 상기 코팅층의 형성은 당 분야에서 실시되는 일반적인 것으로 예를 들면 딥코팅, 스프레이 코팅, 용사코팅 등의 여러 표면 코팅법이 사용될 수 있으며, 본 발명에서는 알루미늄 또는 알루미늄합금이 용해된 용탕에 탄소강을 침적하는 방법이 가장 쉽고 경제적이다. 또한, 특정 범위의 두께로 얇게 코팅된 탄소강은 제품으로 시중에 나와 있으며, 본 발명에서는 포항강관의 Alcosta를 사용하였다.
본 발명은 상기 탄소강 코팅층의 상부에 알루미늄을 접합하여 알루미늄 층이 적층된 클래드재를 형성시킨다. 접합에 사용되는 알루미늄은 상기 코팅에 사용된 것과 동일하게 알루미늄 단일 금속 또는 알루미늄 합금이 사용될 수 있으며, 이의 구체적인 예를 들면 AA1050(순수 Al), AA3003(0.8% Mn 함유된 Al-Mn합금) 등이 사용될 수 있다. 접합되는 알루미늄의 두께는 상기 코팅층 형성에 사용되는 알루미늄의 두께와 크게 달라 일반적으로 클래드 재의 주문자의 요구에 따라 달라지며, 대개 1.0 ∼ 5 mm정도의 범위가 사용되며, 접합방법은 당분야에서 수행되는 일반적인 클래드 접합과 같다. 이러한 클래드 접합은 일반적으로 250 ∼ 400 ℃에서 압연과정을 수행한다.
추가적으로 본 발명은 상기 탄소강의 접합이 형성되지 않은 다른쪽 면에 탄소강이 노출되어 부식이 쉽게 일어날 수 있어 이를 방지하기 위하여, 상기 탄소강의 다른쪽 면에 당 분야에서 내부식성 및 내마모성 및 외관의 개선 등을 위하여 사용되는 금속, 금속의 합금 또는 금속 산화물 등이 코팅될 수 있다. 상기 금속, 금속의 합금 또는 금속 산화물에 대해서는 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면 스텐레스, Al2O3 및 Al2O3-TiO2 등이 사용될 수 있다.
상기에서와 같이, 본 발명으로 형성된 탄소강-알루미늄 클래드재는 종래의 스테인리스 강-알루미늄 클래드재의 스테인리스가 상변태를 하지 않아 발생되던 이랑(riding)이 발생되지 않아 성형성이 우수할 뿐만 아니라, 또한, 탄소강의 코팅층이 알루미늄과의 접합력을 보다 우수 향상시키게 되어 여러 산업 분야 중 주방용 소재 특히, 밥솥의 내부재로 널리 사용될 수 있다.
이하, 본 발명을 다음의 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
두께 0.4 ㎜의 탄소강의 한쪽 면에 약 16 ㎛의 Al-8Si 합금을 용융 코팅하였다. 상기 코팅된 탄소강의 표면에 알루미늄 합금인 AA1050 (순수 Al)을 적층한 다음 320 ℃에서 압연하여 최종두께 3.0 ㎜의 Al코팅층/탄소강/Al코팅층/AA1050합금 클래드 판재를 제조하였다. 상기에서 제조된 클래드를 320 ℃에서 15분 소둔한 하였다.
실시예 2 ∼ 4
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 총 두께를 3.0 mm으로 유지하면서 탄소강의 두께를 0.29 ㎜, 0.52 ㎜ 및 0.63 ㎜으로 달리하여 클래드 판재를 제조하였다.
도 6은 상기 두께가 0.29 ㎜인 탄소강의 클래드 접합 후의 조직 사진을 나타낸다.
비교예 1
두께 0.5 ㎜의 페라이트계 스테인리스 강인 sus430J1에, 두께 3.5 ㎜의 알루미늄 합금인 AA1050(순수 Al)을 적층한 다음, 300 ℃에서 압연하여 최종두께 3.0 mm의 클래드 판재를 제조하였다. 상기에서 제작된 클래드 판재를 320 ℃에서 15분 동안 소둔하였다.
비교예 2
상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 한쪽 면에 Al-8Si 합금의 코팅을 하지 않고 탄소강 위에 알루미늄 합금인 AA1050(순수 Al)을 적층하여 클래드 판재를 제조하였다. 그러나, 320 ℃에서 가열중 탄소강이 심하게 산화되어 접합이 이루어지지 않았다.
실험예 1
상기 실시예 1 ∼ 4및 비교예 1 ∼ 2에서 제조된 클래드 판재를 지름 350 ㎜로 블랭킹(blanking)한 다음, 3 ℓ크기의 밥솥 형상으로 딥 드로잉하고, 그 표면외관을 비교하였다.
비교예 1를 이용하여 제조한 밥솥의 표면은 도 7에서 보여지는 바와 같이, 심한 이랑(ridging)이 생기나, 실시예 1을 이용하여 제조한 밥솥의 표면은 도 8에서 보는 바와 같이, 이랑이 전혀 생기지 않았다. 이는 클래드 판재의 제조시 페라이트계 스테인리스 강인 sus430J1은 상변태가 일어나지 않아 이랑(ridging)의 원인이 되는 주상정이 그대로 남아 있으나, 탄소강의 경우 오스테나이트와 페라이트의 상변태를 겪어 주상정들이 소멸하기 때문에 이랑이 생기지 않는다.
또한, 상기 양면 코팅을 배제한 비교예 2의 클래드 판재는 320 ℃에서 가열중 탄소강이 심하게 산화되어 접합이 이루어지지 않아 밥솥 형상을 형성할 수 없었다.
실험예 2
상기 실시예 1 ∼ 4 및 비교예 1 ∼ 2에서 제조된 클래드 판재의 접합강도, 유도가열특성을 측정하여 표 1에 나타내었다.
[측정방법]
1. 접합강도 : T형 테스트로 인장하여 박리시키면서 접합강도를 측정하였다.
2. 유도가열특성 : 밥솥으로 성형한 후에 17 ℃의 물을 1500 ㎖ 넣고 2 kw의 유도가열 조리기에서 100 ℃까지 도달하는데 걸리는 시간을 측정하였다.
구 분 |
접합강도 (N/mm) |
유도가열성 (초) |
실시예 1 |
128 N/5 mm |
430 |
실시예 2 |
125 N/5 mm |
455 |
실시예 3 |
110 N/5 mm |
415 |
실시예 4 |
123 N/5 mm |
396 |
비교예 1 |
130 N/5 mm |
460 |
비교예 2 |
측정불가 |
측정불가 |
상기 표 1에서 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예의 탄소강-알루미늄 클래드의 접합강도와 유도가열성은 종래의 스테인리스강-알루미늄 클래드와 유사하거나 그 이상의 효과를 나타내고 있음을 알 수 있었다. 상기 접합강도의 경우 실제 사용되고 있는 일반적인 규격치인 60 N/5 mm을 크게 상회하고 있는 것으로 나타났으며, 유도가열성은 두께에 따라 약간의 차이를 보일 수 있으나, 종래의 클래드재에 비해 비교적 우수한 효과를 보였다.