KR100306493B1 - 초경재료의 확산 접합 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초경재료의 확산 접합 방법에 관한 것이다.

초경 공구와 같이 각종 재료의 소성 가공에 널리 이용되고 있는 텅스텐 카바이트계의 초경 재료는 이의 생크(SHANK)부를 구성하는 고속도강 또는 철강재와의 접합을 브레이징 공법으로 접합하고 있는 것이나, 이와 같은 브레이징에는 은을 주 원소로 하는 은납계의 재료를 사용하여 브레이징하고 있기 때문에 접합된 금속과 세라믹(초경재료)과의 접합부는 통상의 700℃이하의 저온 소성 가공 시에는 적합하지만 900℃이상의 고온 소성 가공 시에는 가공온도가 높기 때문에 브레이징부가 용융되므로 초경공구로서는 그 기능이 상실되는 폐단이 있었던 것이다.

본 발명은 이상의 문제점을 해결하고자 발명한 것으로 이의 발명요지는 접합부의 정밀도와 신뢰성과 내구성을 높임에 있어 종래의 은납에 의한 브레이징 방법이 아니고, 초경 재료로 된 하부몸체(3)와 고속도강 또는 철강재료로 된 상부몸체(2) 사이에 두께가 수십㎛∼수백㎛ 정도의 Ni계의 포일(FOIL) 또는 분말을 삽입재로 하여 900℃ 이상의 고온으로 가열하면 원소의 상호 확산에 의해 야금학적 및 현미경적으로 완전한 접합을 가능케 한 것이며, 여기에서 사용하는 삽입재는 니켈(Ni) 함유량이 50% 이상인 각종의 Ni계 재료이면 가능케 한 것이다.

Description

초경재료의 확산 접합방법{DIFFUSION JOINT METHOD OF PUBERTY MATERIAL}

본 발명은 초경재료의 확산 접합 방법에 관한 것이다.

초경공구와 같이 각종 재료의 소성 가공에 널리 이용되고 있는 텅스텐 카바이트계의 초경재료는 이의 생크(SHANK)부를 구성하는 고속 도강 또는 철강재와의 접합을 브레이징 공법으로 접합하고 있는 것이나, 이와 같은 브레이징에는 은을 주 원소로 하는 은납계의 재료를 사용하여 브레이징하고 있기 때문에 접합된 금속과 세라믹 즉, 철강재료와 초경재료의 접합부는 통상의 저온 소성 가공 시에는 적합하지만 900℃이상의 고온 소성 가공 시에는 가공온도가 높기 때문에 브레이징부가 용융되므로 초경공구로서는 그 기능을 상실하는 폐단이 있었던 것이다.

본 발명은 이러한 고온 가공 시에 발생하는 문제점을 해결하기 위한 방안으로 브레이징 방법이 아닌 다른 접합 방법으로서 접합하되, 이때에는 내열성을 높여야할 뿐만 아니라 접합의 정밀도와 신뢰성을 향상시킬 수 있는 확산 접합에 의한 접합 방법을 고려한 것이다.

이렇게 확산 접합 방법을 택하게 되면 브레이징부가 존재하지 않기 때문에 고온 가공 시에 접합부가 용융되는 문제점을 해소할 수 있는 것이며 이의 특징적인 것은 종래의 은납에 의한 브레이징의 경우는 융점이 가장 높은 BAG8의 경우에도 섭씨 799℃이므로 이 이상의 온도에서는 브레이징부가 용융되는 단점이 있었으나 본 발명이 의도하는 확산 접합 방법의 경우에는 초경재료로된 하부몸체와 고속도강 또는 철강재료로 된 상부몸체 사이에 두께가 수십㎛∼수백㎛ 정도의 Ni계의 포일(FOIL) 또는 분말을 삽입재로 하여 900℃ 이상의 고온으로 가열하면 원소의 상호 확산에 의해 야금학적 및 현미경적으로 완전한 접합을 가능케 할 수 있으며, 이때 사용된 삽입재는 니켈(Ni)의 함유량이 50% 이상인 각종의 Ni계 재료이면 가능케 한 것이다.

제 1 도는 본 발명의 방법에 의해 얻어진 제품의 사시도

제 2 도는 제1도의 단면도

* 도면의 중요부분에 대한 부호의 설명

1-제품몸체 2-상부몸체 3-하부몸체 3'-중심홈

3'-주변홈 4-Ni계 포일 4'-Ni계 분말 5-확산접합부

이를 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

제품몸체(1)를 구성함에 있어 고속도강 또는 철강재로 된 상부몸체(SHANK)(2) 하부에 초경재로된 하부몸체(3)가 니켈(Ni)계 분말(4') 및 포일(4)을 삽입재로 개재시켜 고열으로 접합된 확산 접합부(5)가 되게 하부몸체(3)의 표면(단면)에는 중심홈(3')과 이의 동심원상에 다수의 주변홈(3')을 형성하여 이 홈(3')(3')에는 전기한 Ni계 분말(4')을 장입하고 홈(3')(3') 이외에는 포일(4)을 개재하여 900℃ 이상의 고온으로 가열하므로서 접합부(5)가 형성되게 한 것이다.이에 삽입재로 사용하는 Ni의 함유량은 50% 이상이 되어야 하는데 이는 Ni을 함유하고 있는 합금으로된 Invar를 비롯하여 여러 계통의 재료가 있지만, Ni 함유량 50% 이하의 삽입재의 경우에는 접합시의 열응력 흡수가 불충분하여 냉각 과정 중에 미세한 균열이 발생하여 강도가 낮아 신뢰성이 높은 접합부를 형성하지 못하기 때문이다. 따라서 열응력을 충분히 흡수하여 균열이 없는 건전한 접합부를 형성하기 위해서는 Ni 함유량을 50% 이상으로 하여 삽입재의 열성이 충분하게 하기 위함이다.또한 분말이나 포일을 사용하는 이유는 확산층의 두께가 두꺼워지면 접합부의 강도가 Ni 자체의 강도에 의존하게 되어 접합부는 형성되더라도 접합부의 강도가 매우 낮기 때문이다. 이에 따라 열응력 흡수와 접합부의 강도에의 평형을 고려하여 접합부 및 확산층의 두께를 수백 미크론으로 제어하기 위해서는 포일이나 분말을 사용하여야 한다.그리고 확산 접합시의 확산층을 형성하기 위해서는 900℃ 이상으로 가열하여야 하고, 이는 확산을 활성화하기 위한 것이며, 가열온도가 높아질수록 확산 속도는 좋아지지만, 최고 가열온도는 1300℃로 한정된다. 이는 이 이상의 온도로 가열되면 강의 결정립이 크게 성장하여 강의 연성이 나빠지기 때문이다.또한, 가열압력은 확산층의 형성을 위해 최소 3분 이상으로 하여야 확산층이 형성된다. 그러나 가열시간이 길어질수록 결정립의 성장이 문제되므로 최대 5시간을 넘지 않아야 한다.또한, 가열압력은 확산층의 형성에 필수적인 요소로서 접합 대상 계면을 밀착하여 확산이 일어날 수 있는 기본적인 조건을 제공하기 위한 것인데 확산 접합시의 압력은 50MPa 이하로 하였으며, 이 이상의 압력이 가해질 경우에는 강 재료의 변형이 매우 심하기 때문이다.

이상과 같이 구성된 본 발명의 실시 예를 설명하면 먼저 상기한 중심홈(3')과 주변홈(3')의 가공 시에는 열응력의 평형을 고려하여 하부몸체(3)의 상면(단면)의 중심부에 하나의 중심홈(3')을 가공하는 경우와 동심원상에 일정간격을 두고 다수의 주변홈(3')을 가공하는 방법이 요구되며, 이와 같이하여 상하몸체(2)(3)가 Ni계 삽입재를 개재시켜 고온에 의해 확산 접합되는 과정에는 이상의 중심 및 주변홈(3')(3')에 의해 열응력의 완화는 물론 900℃ 이상의 고온 가공시의 가공 열응력의 완화를 도모할 수 있는 등의 복합적인 효과를 기대할 수 있는 것이다.

그리고 실재의 확산 접합 과정 중에는 상기한 중심홈(3') 및 주변홈(3') 내에는 수십㎛∼수백㎛범위의 Ni계의 분말(4')을 채우고 그 나머지 부분은 Ni계의 포일(4)을 개재하여 900℃이상의 고온으로 가열하여 확산 접합하면 확산 접합 시와 접합종료 후 냉각과정 중에 초경재료와 철강재료 사이의 열적, 물리적 특성이 매우 다르기 때문에 이에 기인하여 열응력이 발생하고, 이 열응력에 의해 접합부에 균열이 발생되는 경향이 있으나, 본 발명은 홈(3')(3') 부위에서 연성을 부여하므로서 열응력에 견딜 수 있게 하고, 또한 상하몸체(2)(3)의 접합부에는 전기한 Ni계의 분말(4')과 포일(4) 또는 분말(4')이나 포일(4)만을 삽입재로 사용하므로서 이 삽입재가 고온으로 가열되면서 생기는 원소의 상호 확산에 의해 야금학적 및 현미경적으로 완전한 확산 접합부를 형성할 수 있게 하였기 때문에 신뢰성 향상과 사용시의 내구성을 현저히 상승시킬 수 있는 것이다.

이하 자가실험 결과를 설명하면 다음과 같다.

실험 예

이상과 같이 본 발명은 고속 도강 또는 철강재료로 된 상부몸체(2)의 저면에 텅스텐 카바이트계의 초경재료로 된 하부몸체(3)를 확산 접합함에 있어 Ni의 함유량이 50% 이상인 각종의 Ni계 분말재료 또는 포일을 삽입재로 사용하여 900℃ 이상의 고온으로 가열하여 원소의 상호확산에 의해 야금학적 및 현미경적으로 완전하게 확산 접합된 접합부를 형성하므로서 확산 접합부의 신뢰성과 사용시의 내구성을 현저히 상승시켰기 때문에 산업발전에 크게 기여할 수 있어 매우 유용한 발명이다.

Claims (1)

1. 텅스켄 카바이트계의 초경재료로 된 하부몸체(3)의 표면에 철강재료 또는 고속도강으로 된 상부몸체(2)를 접합시킴에 있어 하부몸체(3)의 표면에는 중심홈(3') 또는 중심홈(3')과 이의 동심원상으로 다수의 주변홈(3')을 형성하여 Ni의 함유량이 50% 이상니 각종 Ni계 재료 분말(4') 또는 포일(4)을 삽입재로 삽입한 후 900℃이상의 고온으로 가열하여 원소의 상호 확산에 의해 상하몸체(2)(3)가 접합되게 한 초경재료의 확산 접합 방법.