KR100578511B1 - 접합강도와 내식성이 우수한 내환경성 클래드 판재 및 그제조방법 - Google Patents

접합강도와 내식성이 우수한 내환경성 클래드 판재 및 그제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내부식특성이 우수한 내환경성 다층 클래드 판재 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 내부식성이 우수한 티타늄, 니오븀, 바나듐, 지르코늄 등의 클래드 금속과 가격이 저렴한 철 또는 구리 또는 니켈 또는 알루미늄 또는 이들의 합금과 접합시킨 내부식성 및 접합강도가 우수한 클래드 판재의 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 내환경성 클래드 판재를 제공한다. 클래드 판재의 접합강도를 향상시키기 위해 클래드금속과 모재 사이에 삽입되는 중간접합재는 클래금금속과 공정반응을 형성하는 순금속들 또는 그 순금속들의 합금이어야 한다. 본 발명에서는 티타늄과 모재 또는 티타늄과 중간접합재의 계면에 생성되는 공정반응층의 두께 및 미세조직을 조절함으로써 접합강도가 우수한 대형 내환경성 클래드 판재를 기존의 방법보다 훨씬 경제적으로 제조할 수 있는 장점이 있다.
내부식특성, 내환경성, 클래드 금속, 모재, 클래드 판재, 용융접합, 저항심용접법, 폭발용접법, 롤접합법

Description

접합강도와 내식성이 우수한 내환경성 클래드 판재 및 그 제조방법{CLAD SHEETS AND PLATES WITH THE HIGH BONDING STRENGTH AND GOOD CORROSION RESISTANCE FOR ANTI-CORROSION AND METHOD OF MAKING THE SAME}
도 1a는 본 발명의 단면 클래드 판재 구조를 도식적으로 나타내는 단면도.
도 1b는 본 발명의 다른 단면 클래드 판재 구조를 도식적으로 나타내는 단면도.
도 1c는 본 발명의 또 다른 단면 클래드 판재 구조를 도식적으로 나타내는 단면도.
도 1d는 본 발명의 양면 클래드 판재 구조를 도식적으로 나타내는 단면도.
도 1e는 본 발명의 다른 양면 클래드 판재 구조를 도식적으로 나타내는 단면도.
도 1f는 본 발명의 또 다른 양면 클래드 판재 구조를 도식적으로 나타내는 단면도.
도 2a는 본 발명에 의해 제조된 Ti/Ni/Fe 클래드 판재의 미세조직 사진.
도 2b는 본 발명에 의해 제조된 Ti/Cu/Fe 클래드 판재의 미세조직 사진.
도 2c는 본 발명에 의해 제조된 Ti/Cu/Ni/Fe 클래드 판재의 미세조직 사진.
도 2d는 본 발명에 의해 제조된 Ti/비정질합금/Ni/Fe 클래드 판재의 미세조 직 사진.
도 3은 가해준 전류량에 따른 티타늄 클래드 강판의 접합강도의 변화를 도식적으로 나타내는 그래프.
도 4a 내지 도 4d는 각각 가해준 전류량에 따른 티타늄 클래드 강판의 미세조직 변화를 나타내는 주사전자현미경 사진.
도 5는 기존 브레이징법에 의해 제조된 티타늄 클래드 강판의 미세조직 사진.
도 6은 공정반응층의 이상적인 미세조직을 모식적으로 나타낸 도면.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
1: 클래드 금속 2: 모재 금속
3: 중간결합재 4: 공정반응층
3(4): 중간결합재 전체가 융해하여 형성된 공정반응층
11: 티타늄과 니켈이 혼합된 티타늄-니켈 고용체
22: 취성이 강한 Ni-Ti 형태의 금속간화합물
본 발명은 내부식성이 우수한 내환경성 대형 클래드 판재의 제조방법 및 그 방법에 의하여 제조된 클래드 판재에 관한 것이다.
다층 클래드 판재의 구조는 클래드금속/모재 또는 클래드금속/중간접합재/모 재로 구성되어 있고, 클래드 금속(Cladder 또는 Clad Metal)은 클래드 판재에 기능성 부여 및 사용 환경으로부터 모재를 보호하는 기능(내부식, 내열, 내마모 등)을 수행하고, 모재는 구조물에 작용하는 하중을 지지하는 역할을 수행한다. 통상적으로 클래드 금속의 두께는 모재 두께의 5% 내지 50% 정도를 차지하고 있다.
가격이 저렴한 철(Fe) 또는 철합금에 내부식성이 우수한 스텐레스강, 니켈합금, 코발트합금, 티타늄 또는 티타늄합금, 탄탈륨 또는 탄탈륨합금, 니오븀 또는 니오븀합금, 바나듐 또는 바나듐합금, 지르코늄 또는 지르코늄합금 등의 내식성 소재가 접합된 다층 복합 클래드 판재는 열교환기, 화학설비의 반응탱크, 선박, 제지, 건설, 교량, 압력용기, 침출설비, 담수화설비, 발전설비, 탈황설비 등 각종 첨단 산업설비의 소재로 널리 사용되고 있다.
상업적으로 널리 사용되고 있는 클래드 판재는 주로 압연접합법, 폭발용접법, 스폿(spot)용접법, 저항용접법, 브레이징법 등에 의해 제조되는 것으로 알려져 있는데, 이들 방법 중 가장 값싸게 대형 클래드 판재를 제조할 수 있는 방법이 저항심용접법이다. 폭발용접법, 압연접합법, 스폿용접법, 저항용접법, 브레이징법의 장단점은 다음과 같다.
폭발용접법: 모재와 클래드 금속이 화약의 폭발 에너지에 의하여 단시간에 접합되기 때문에 중간접합재가 필요치 않으며, 접합강도가 가장 우수하나 제조단가가 고가이고, 화약폭발 시 발생되는 높은 폭발음에 의하여 공장설치 장소가 제한되고, 대형 판재 및 박판재 제조가 불가능하며, 모재가 박판일 경우 화약의 폭발력에 의해 모재가 변형되어 연성이 저하되는 단점이 있다.
압연접합법: 모재와 클래드 금속이 압연기의 압하력과 열에 의해 접합되는 압연접합법은 대형 클래드 판재를 저렴하게 대량으로 제조할 수 있으나 고가의 설비(압연기 및 진공로)가 필요하며, 접합이 고온에서 이루어지기 때문 모재와 클래드 금속 계면에 취성이 강한 탄화물 및 금속간화합물이 생성될 가능성이 높다.
스폿용접법: 모재와 클래드 금속을 접합하기 위해 다수의 스폿용접을 실시하여야 하기 때문에 접합에 많은 시간이 소요되기 때문에 소형 제품 제조에 주로 사용되고 있으며, 접합강도가 낮고, 클래드재와 모재 사이의 완전 밀봉(seal)이 곤란한 단점이 있다.
브레이징법: 모재와 클래드 금속 사이에 용가재(filler metal)를 삽입한 후 적층 판재를 진공 또는 불활성 분위기의 열처리로에 장입한 후 용가재의 융점보다 높은 온도로 가열하여 접합을 행해야 하므로 장시간이 소요되고, 대형 클래드 판재를 제조할 수 없다는 단점이 있다.
저항심용접법: 두 전극 사이에 모재와 클래드 금속을 삽입한 후 전극에 전류와 압력을 동시에 가하여 모재와 클래드 금속을 비교적 단시간에 접합하기 때문에 접합부가 거의 산화되지 않고, 접합강도가 양호한 원형 및 직선 형태의 실형상 대형 클래드 판재를 제조할 수 있으며, 설비가격 및 제조원가가 가장 저렴하다는 장점이 있다.
클래드 판재를 제조하는 기존의 클래딩법에서는 이종금속에 고온의 열 또는 고온의 열과 압력을 동시에 가하여 클래드금속과 모재를 직접 접합해 왔기 때문에 티타늄과 같은 난접합성 소재를 이종금속과 접합하여 클래드 판재를 제조할 경우 접합이 불충분하게 이루어질 뿐만 아니라 접합이 이루어진다고 하더라도 접합강도가 낮다는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 클래드금속과 기지조직 사이에 공정반응을 형성하도록 클래드금속과 모재(기지금속)을 선정하거나 클래드금속과 모재의 계면에 클래드금속 또는 모재와 공정반응을 형성하는 중간접합재를 삽입하여 저융점 공정반응을 이용한 클래딩 기술이 개발되었다. 공정반응을 이용한 클래딩 방법은 기존의 접합방법에서 이종금속을 접합하는 데 장시간이 소요되기 때문에 접합공정중에 클래드금속과 모재의 계면 또는 클래드금속과 중간접합재 계면 또는 중간접합재와 모재의 계면에 취성이 강한 금속간 화합물이 생성되어 접합강도를 저하시키는 단점을 해결할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 목적은 내식성이 우수한 클래드 금속과 기계적 특성이 뛰어난 모재를 접합하여 내식성과 접합 강도가 우수한 다층 내환경성 클래드 판재를 제조하는 방법 및 그 방법에 의해 제조된 내환경성 클래드 판재를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 내환경성 클래드 판재의 접합강도를 증가시키기 위하여 난접합성 클래드금속과 모재 사이에 중간접합재를 삽입하여 클래드금속과 중간접합재 또는 중간접합재와 모재 사이에 저융점 공정반응을 생성시켜 아주 짧은 시간 동안에 접합이 양호하게 이루어지고 제조 비용이 저렴한 클래드 판재를 제조방법 및 그 방법에 의해 제조된 내환경성 클래드 판재를 제공하는 데 있다. 특히 본 발명에서는 난접합성 소재인 티타늄과 중간접합재의 접촉 계면에 생성되는 저융점 공정반응층의 두께 및 미세조직 제어를 통하여 티타늄 클래드 강판재의 접합강 도를 향상시키고자 하였다.
기타 본 발명의 다른 목적 및 특징은 이하의 상세한 설명 및 특허청구 범위에서 구체적으로 나타날 것이다.
본 발명은 내식성 클래드 금속과 모재 사이에 클래드금속 또는 모재와 공정반응을 형성하는 중간결합금속을 한층 또는 다층으로 삽입한 다음 적층판재에 전류와 압력을 동시에 가하는 저항심용접법에 의하여 기계적 특성과 접합강도가 우수한 내환경성 클래드 판재의 제조하는 클래딩 방법 및 그 방법에 의해 제조된 클래드 판재를 제공한다.
본 발명에서는 클래드 금속과 모재 사이의 결합을 증진시키기 위하여 클래드 금속과 모재 계면에 저융점 공정반응을 형성하는 중간결합금속을 삽입하여 클래드 금속과 중간접합재가 융착되도록 하여 단시간(접합 0.005초∼10초 이내) 동안에 접합이 이루어지도록 하였다. 본 발명의 핵심은 열과 압력을 동시에 가하여 클래드금속과 모재, 또는 클래드금속과 모재 사이에 삽입되는 중간접합재와 클래드금속의 계면에 공정반응을 형성시키고, 이 공정반응에 의하여 이종금속간에 합금화를 촉진시켜 양호한 접합을 얻는 것이다. 클래드 금속과 모재 사이에 삽입된 중간접합재는 클래드금속과 반응하여 가능한 저융점 공정반응을 형성하여야 하고, 접합이 양호하게 이루어지도록 하기 위하여 클래드금속과 모재의 종류에 따라 중간접합재가 달라질 수 있다.
본 발명은 크게 네 가지 특징이 있다. 첫째는 클래드 금속과 중간접합재의 계면에 공정반응이 발생될 수 있도록 클래드 판재의 구조 및 합금계를 설계하는 것이고, 둘째는 저항심용접법의 공정변수를 적절히 조절하여 클래드 금속과 중간접합재 또는 클래드 금속과 모재의 계면에 공정반응을 발생시키는 것이고, 셋째는 내식성 클래드금속과 모재 또는 내식성 클래드금속과 중간접합재 계면에 생성되는 공정반응층의 두께 및 미세조직의 제어를 통하여 접합강도가 우수한 내환경성 클래드 판재를 제조하는 것이다. 넷째는 내식성 클래드금속과 중간접합재 계면에 취성이 강한 금속간화합물이 생성되지 않도록 아주 짧은 시간(0.001초∼1초) 이내에 접합을 완료하는 것이다.
내환경성 클래드 판재는 저항심용접법 이외에도 폭발용접법, 압연법, 및 폭발용접법에 의하여 제조된 클래드 판재를 추가로 압연하는 혼합법(폭발용접법 + 압연접합법)에 의하여 제조될 수 있다. 이들 방법 중에서 저항심 용접법은 가장 값싸게 실형상의 대형 클래드 판재를 제조할 수 있어 가격 경쟁력이 우수하다는 장점이 있다.
본 발명에 의해 제조된 내환경성 다층 클래드 판재의 구조는 클래드금속/모재로 구성되어 있는 2층 구조 또는 클래드금속/모재/클래드금속으로 구성되어 있는 3층 구조 또는 클래드금속/중간접합재/모재 또는 클래드금속/중간접합재/모재/중간접합재/클래드금속으로 구성되어 있는 다층 구조로 이루어질 수 있다. 여기서 중간접합재는 한 층 또는 두 층 이상의 다층으로 구성될 수도 있다.
내식성 클래드 금속으로는 티타늄(Ti) 또는 티타늄합금, 니오븀(Nb) 또는 니오븀합금, 바나듐(V) 또는 바나듐합금, 지르코늄(Zr) 또는 지르코늄 합금이 적합하 고, 모재 금속으로는 철(Fe) 또는 철합금, 구리(Cu) 또는 구리합금, 알루미늄(Al) 또는 알루미늄합금, 니켈(Ni) 또는 니켈합금이 적합하다. 클래드 금속과 모재 사이에 삽입되는 중간접합재로는 코발트(Co) 또는 코발트 합금, 구리 또는 구리합금, 철 또는 철합금, 니켈 또는 니켈 합금 등이 사용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 클래드 금속과 모재의 종류에 따라 중간접합재의 선택이 달라질 수 있다. 또한, 금속소재의 브레이징 소재로 널리 사용되고 있는 철계 또는 구리계 또는 지르코늄계 또는 니켈계 또는 알루미늄계 비정질합금, Ag-Cu 합금, Ag-Cu-Zn 합금, Cu-Ni 합금, Cu-Zn 합금, Cu-Ni-Zn 합금, Ti-Ni-Cu 합금 등의 용가재가 중간접합재로 사용될 수 있다.
접합강도가 우수한 내환경성 클래드 판재를 제조하기 위하여 먼저 모재를 숏 피닝(shot peening) 또는 기계적 연마하여 산화피막을 제거 하고, 클래드금속 및 중간접합재를 깨끗하게 세척한다. 단면 클래드 판재인 경우 적층구조는 모재 위에 중간결합재를 적층하고, 모재에 가접합된 중간결합재 위에 클래드금속을 적층하여 클래드금속/중간접합재/모재 순서로 배열하고, 양면 클래드 판재의 경우 모재의 양쪽 접합부에 중간접합재를 가접합한 후 중간접합재가 가접합된 클래드금속 위에 모재를 적층하여 클래드금속/중간접합재/모재/중간접합재/클래드금속 순서로 적층한다. 이상과 같은 구조로 적층된 적층판재에 짧은 시간 동안 전류와 압력을 동시에 가하여 접합강도(평균 300MPa 이상)가 우수한 내환경성 다층 클래드 판재를 제조하였다.
본 발명에 의하여 제조된 다층 단면 클래드 판재의 개략적인 구조는 도 1a 내지 1c와 같다. 클래드금속과 모재가 공정반응을 형성한 경우 클래드 판재는 클래드금속(1)과 모재(2)로 이루어져 있으며, 클래드 판재의 구조는 도 1a에서와 같이 클래드금속(1)과 모재(2)의 계면에서 공정반응층(4)이 생성되어 클래드금속/공정반응층/모재 형태의 3층 구조로 구성된다.
클래드금속과 모재가 직접 공정반응을 형성하지 않는 경우 도 1b에서와 같이 클래드금속(1)과 모재(2)의 계면에 클래드금속과 공정반응을 형성하는 중간접합재(3)를 삽입하여 클래드금속/공정반응층(4)/중간접합재/모재의 4층 구조를 갖게 된다.
한편, 도 1c에서와 같이 클래드금속과 모재 계면에 삽입되는 중간접합재의 구조가 적어도 2층 이상의 다층으로 구성될 수도 있다. 클래드금속(1)과 모재(2)의 계면에 2층 이상의 중간접합재(3a, 3b)가 이 삽입된 경우, 도 1c에 도시된 바와 같이 클래드금속(1)과 중간접합재(3a)의 접촉부에서는 반드시 공정반응층(4)이 형성되어야하나, 중간접합재(3a)와 또 다른 중간접합재(3b)의 계면, 중간접합재(3b)와 모재(2)의 계면에서는 반드시 공정반응이 발생될 필요는 없다. 모재와 접하는 중간접합재(3b)의 경우 1층 또는 2층 이상의 다층으로 구성될 수도 있다.
클래드 금속 또는 모재에 어떤 특정 원소가 혼입되면 취성이 증가되어 기계적 특성이 저하되게 되므로 이러한 단점을 보완하기 위해 클래드 금속과 접촉되는 부위에는 클래드 금속과 친화성이 우수한 중간접합재, 모재와 접촉되는 부위에는 모재와 친화성이 우수한 중간접합재를 삽입하여야 하며, 또한 중간접합재와 중간접합재 사이의 친화성이 낮은 경우에는 이들 중간접합재 사이에 제 3내지 4 또는 5.. 등의 중간접합재를 삽입하여 중간접합재를 여러 층으로 삽입하여 접합강도가 우수한 클래드 판재를 제조할 수도 있다. 저항심용접 조건은 모재와 클래드 금속의 종류 및 두께, 중간접합재의 유무 등 여러 가지 변수에 의해 결정되게 된다.
본 발명에 의하여 제조된 다층 양면 클래드 판재의 개략적인 구조는 도 1d 내지 1f와 같다. 클래드금속과 모재가 공정반응을 형성한 경우 클래드 판재는 클래드금속(1), 모재(2), 클래드금속(1) 순서로 적층되어 있으며, 클래드 판재의 구조는 도 1d에서와 같이 클래드금속(1)과 모재(2)의 계면에서 공정반응층(4)이 생성되어 클래드금속/공정반응층/모재/공정반응층/모재 형태의 5층 구조로 구성된다.
클래드금속과 모재가 직접 공정반응을 형성하지 않는 경우 양면 클래드 판재는 도 1e에서와 같이 클래드금속(1)과 모재(2)의 계면에 클래드금속과 공정반응을 형성하는 중간접합재(3)를 삽입하여 클래드금속/공정반응층/중간접합재/모재/중간접합재/공정반응층/클래드금속의 7층 구조가 형성되도록 하였다.
한편, 양면클래드 판재에서도 단면 클래드 판재와 동일하게 도 1f에서와 같이 클래드금속과 모재 계면에 삽입되는 중간접합재의 구조가 적어도 2층 이상의 다층으로 구성될 수도 있다. 클래드금속(1)과 모재(2)의 계면에 2층 이상의 중간접합재(3a, 3b)가 이 삽입된 경우, 도 1f에 도시된 바와 같이 클래드금속(1)과 중간접합재(3a)의 접촉부에서는 반드시 공정반응층(4)이 형성되어야하나, 중간접합재(3a)와 또 다른 중간접합재(3b)의 계면, 중간접합재(3b)와 모재(2)의 계면에서는 반드시 공정반응이 발생될 필요가 없다. 모재와 접하는 중간접합재(3b)의 경우 1층 또는 2층 이상의 다층으로 구성될 수도 있다.
본 발명에서 내부식성이 우수한 내환경성 다층 클래드 판재 제조에 사용된 판재(클래드금속, 중간접합재, 모재)의 크기 및 저항심용접 조건은 다음과 같다.
- 모재의 크기(길이 폭 두께): 6000×1500×(1 ~ 25)㎜
- 클래드판재 크기: 6000×1500×(0.5 ~ 3.0)㎜
- 중간접합재 크기: 6000×(15 ~ 50)×(0.01 ~ 0.15)㎜
- 전류: 7000 ~ 50000 A
- 용접시간: 0.001 ~ 10초
- 냉각시간: 0.001 ~ 10초
- 가압력: 1 ~ 200 MPa
- 전극의 종류: 구리 또는 구리합금
- 전극두께: 5 ~ 30 ㎜
- 용접속도: 100 ~ 10000 ㎜/min
저항심용접법에 의해 클래드금속과 모재를 양호하게 접합시켜 접합강도가 우수한 내환경성 클래드 판재를 제조하기 위해서는 상기의 공정변수, 즉 용접전류, 용접시간, 냉각시간, 가압력, 용접속도 등과 같은 용접조건을 적절하게 선정하여야 하며, 또한 저항심용접법 과정중에 공정반응을 일으켜 접합시키기 위해서는 적절한 중간접합재 선정이 필수적으로 요구된다. 상기에서 기술한 용접조건 또는 중간접합재가 적정하게 선정되지 않으면 클래드금속과 모재가 전혀 접합이 이루어지지 않을 수도 있고, 접합부가 심하게 손상되는 경우가 발생된다. 따라서 접합강도가 우수한 내환경성 클래드 판재를 제조하기 위해서는 적절한 용접조건 및 재질 선정이 필수 적으로 요구된다.
본 발명에서는 클래드금속과 모재 또는 클래드금속과 중간접합재 사이에 공정반응을 생성시켜 이종금속을 접합하기 때문에 클래드금속과 접촉되는 중간결합재는 클래드금속과 공정반응을 일으키는 순금속 또는 그들의 합금이어야한다. 클래드금속과 모재 사이에 삽입되는 중간접합재는 접합하고자 하는 금속의 종류에 따라 달라질 수 있으나 부식특성이 우수한 내환경성 다층 클래드 판재의 중간접합재로서는 니켈 또는 니켈합금, 코발트 또는 코발트합금, 구리 또는 구리합금, 철 또는 철 합금, 철계 또는 니켈계 또는 구리계 또는 알루미늄계 또는 지르코늄계 비정질합금, Ag-Cu 합금, Ag-Cu-Zn 합금, Cu-Ni 합금, Cu-Zn 합금, Cu-Ni-Zn 합금, Ti-Cu-Ni합금의 용가재가 사용될 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명의 내용 및 특징을 보다 구체적으로 설명한다.
실시예 1. 내식성 클래드 판재
내식성 티타늄(순수 티타늄 또는 티타늄 합금)과 모재(철 또는 철 합금, 구리 또는 구리 합금, 니켈 또는 니켈합금)의 계면에 티타늄과 공정반응을 형성하는 구리(순수 구리 또는 구리 합금) 및 니켈(순수 니켈 또는 니켈 합금)을 각각 단독으로 삽입하거나 구리와 니켈을 복층으로 삽입하여 다층으로 적층한 후 저항심용접법을 이용하여 다층 클래드 판재를 제조하였다.
탄소강 모재의 한쪽 편면에 티타늄을 클래딩한 단면 클래드 판재의 경우 중간접합재를 한 층 사용한 내식성 클래드 판재는 티타늄 클래드금속/니켈중간접합재/탄소강 모재 또는 티타늄 클래드금속/구리중간접합재/탄소강 모재 형태의 3층 구조를 갖고, 중간결합재로서 니켈과 구리를 동시에 사용한 내식성 클래드 판재는 티타늄 클래드금속/(구리/니켈)중간접합재/탄소강 모재 또는 티타늄 클래드금속/(니켈/구리)중간접합재/탄소강 모재 형태의 5층 구조로 이루어져 있다. 본 실시예 1에서 구리는 순수 구리 또는 구리합금을 의미하고, 니켈은 순수 니켈 또는 니켈합금을 의미한다.
탄소강 모재의 양면에 내식성 티타늄을 클래딩한 양면 클래드 판재는 티타늄 클래드금속/니켈중간접합재/탄소강모재/니켈중간접합재/티타늄 클래드금속 또는 티타늄 클래드금속/구리중간접합재/탄소강모재/구리중간접합재/티타늄 클래드금속 형태의 5층 구조 또는 티타늄 클래드금속/(구리/니켈)중간접합재/탄소강모재/(구리/니켈)중간접합재/티타늄 클래드금속 또는 티타늄 클래드금속/(니켈/구리)중간접합재/탄소강모재/(니켈/구리)중간접합재/티타늄 클래드금속 티타늄 형태의 7층 구조로 구성되어 있다.
본 실시예 1에서는 내식성 티타늄 클래드 강판재를 보다 낮은 온도에서 제조하기 위해서 중간접합재를 티타늄 클래드 금속과 공정반응을 일으키는 니켈 또는 구리(순금속들 및 그들 합금)를 중간접합재로 선정하였다. 내식성 클래드 강판재를 제조하기 위한 용접전류는 7 ~ 30 ㎄, 가압력은 1 ~ 200 MPa, 통전시간 0.01 ~ 10초, 휴지시간 0.001 ~ 10초, 용접속도는 100 ~ 10000 ㎜/min 이었다. 그 결과 티타늄 클래드금속/니켈중간접합재/탄소강 모재 또는 티타늄 클래드금속/니켈중간접합재/탄소강모재/니켈중간접합재/티타늄클래드금속 구조를 갖는 내식성 클래드 강판재의 접합강도는 200 ~ 340 MPa, 티타늄 클래드금속/구리중간접합재/탄소강 모재 또는 티타늄 클래드금속/구리중간접합재/탄소강모재/구리중간접합재/티타늄클래드금속 구조를 갖는 내식성 클래드 강판재의 접합강도는 200 ~ 250 MPa, 티타늄 클래드금속/(구리/니켈)중간접합재/탄소강 모재 또는 티타늄 클래드금속/(구리/니켈)중간접합재/탄소강모재/(구리/니켈)중간접합재/티타늄클래드금속 구조를 갖는 내식성 클래드 강판재의 접합강도는 200 ~ 250 MPa, 티타늄 클래드금속/비정질합금/니켈/탄소강모재 또는 티타늄 클래드금속/비정질합금/니켈/탄소강모재/니켈/비정질합금/클래드금속 구조의 클래드 강판재의 접합강도는 150 ~ 250 MPa로써 니켈을 중간접합재로 사용한 클래드 판재의 접합강도가 구리 또는 구리/니켈 또는 비정질합금을 중간접합재로 사용한 클래드 판재의 접합강도보다 높게 나타났다.
도 2a 내지 2d는 각각 본 발명에 의하여 제조된 Ti/Ni/Steel, Ti/Cu/Steel, Ti/Cu/Ni/Steel, Ti/비정질합금/Ni/Steel 구조를 갖는 내식성 티타늄 클래드 판재의 대표적인 미세조직을 나타내는 광학현미경사진이다. 본 발명에 의하여 제조된 Ti/Cu/Steel 또는 Ti/Cu/Ni/Steel 구조의 내식성 클래드 판재는 기존의 발명에 의하여 제조된 클래드 판재와 달리 클래드금속인 티타늄과 중간결합금속의 계면에 공정반응층이 형성되어 있기 때문에 885 ℃의 낮은 온도에서도 티타늄 클래드 금속과 구리 중간접합재의 계면이 녹아서 용착되어 완전한 접합이 이루어지고, Ti/Ni/Steel 구조 및 Ti/비정질합금/Ni/Steel 구조의 내식성 클래드 판재는 940 ℃ 전후의 비교적 낮은 온도에서 티타늄 클래드 금속과 니켈중간접합재의 계면이 녹아 용착됨으로써 완전한 접합이 이루어지는 것을 볼 수 있다.
티타늄 클래드 판재를 제조하기 위해서는 이상에서 언급한 중간접합재 이외에 은을 주성분으로하는 Ag 또는 Ag-Cu 또는 Ag-Cu-Ni 합금, 티타늄을 주성분으로하는 Ti-Cu-Ni 또는 Ti-Zr-Cu-Ni 합금, Fe 또는 Ni 또는 Cu 또는 Zr 또는 알루미늄계 비정질합금 등을 중간접합재로 사용할 수도 있다.
실시예 2. 접합강도가 보다 우수한 티타늄 클래드 판재
실시예 1로부터 여러 가지 중간접합재 중 접합강도가 가장 우수하게 나타난 니켈을 중간접합재로 선정하여 티타늄(순수 티타늄 또는 티타늄 합금)과 모재(철 또는 철 합금, 구리 또는 구리 합금, 니켈 또는 니켈합금)의 계면에 삽입하여 다층으로 적층한 후 저항심용접법을 이용하여 클래드 판재를 제조하였다. 티타늄 클래드 판재를 제조하기 위한 저항심 공정변수로 전류 5 ~ 50 ㎄, 압력 1 ~ 200 MPa, 통전시간 0.001 ~ 1초, 휴지시간 0.001 ~ 1초, 용접속도 500 ~ 10000 mm/min 범위의 값을 각각 사용하였다. 특히, 실시예 2에서는 티타늄과 모재 또는 티타늄과 중간접합재 계면에 취성이 강한 금속간화합물이 생성되는 것을 제어하기 위해 통전시간 및 휴지시간을 1초 이내로 제한하였다.
본 발명에 의해 제조된 티타늄 클래드 판재의 구조는 내식성 티타늄/공정반응층/탄소강 또는 티타늄/공정반응층/탄소강/공정반응층/티타늄 또는 티타늄/공정반응층/중간접합/공정반응층/탄소강 또는 티타늄/공정반응층/중간접합재/탄소강/중간접합재/공정반응층/티타늄 형태로 이루어져 있다.
도 3은 상기의 주어진 저항심용접 조건하에서 전류변화에 따른 접합강도 변 화를 나타내고 있다. 가해준 전류량이 10 kA에서 11.5 kA로 증가됨에 따라 접합강도는 급격히 증가되고, 11.5 ~ 12.5 kA 범위에서는 접합강도가 거의 일정한 값을 유지하였으나 전류량이 13 kA로 더욱더 증가됨에 따라 접합강도가 급격히 감소되었다. 접합강도와 미세조직 사이의 상관관계를 조사하기 위해 도 3의 1(11.5 kA), 2(12 kA), 3(12.5 kA), 4(13 kA) 조건으로 제조된 티타늄 클래드 판재의 미세조직을 조사한 결과 티타늄과 니켈 중간접합재의 계면에 생성된 공정반응층의 두께가 각각 0.5, 6, 17, 45 ㎛로 증가되었다. 티타늄과 니켈의 계면에 공정반응층이 생성되지 않은 경우 티타늄 클래드 강판재의 접합강도는 0 ~ 280 MPa로써 대단히 큰 편차를 나타내었으나 티타늄과 니켈의 계면에 생성된 공정반응층의 두께가 0.5 ~ 20 ㎛ 범위의 값을 가질 경우 접합강도는 250 ~ 300 MPa로 증가되고, 편차로 크게 줄어 들었다. 그러나 공정반응층 두께가 50 ㎛로 증가되면 접합강도는 150 ~ 250 MPa로 저하되고 접합강도의 편차는 증가되었다. 특히, 티타늄과 니켈의 공정반응층의 두께가 약 5 ㎛일 때 접합강도는 280 ~ 320 MPa로 대단히 높고, 접합강도의 편차값이 가장 낮게 나타났다. 이러한 사실로부터 우수한 접합강도를 얻기 위해서는 티타늄과 니켈의 공정반응층의 두께를 0.1 ~ 20 ㎛ 이내로 보다 제어하여야하고, 보다 엄밀하게는 5㎛ 이내로 제어하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.
또한, 가해준 전류량이 증가함에 따라 공정반응층의 두께 증가 이외에 티타늄과 니켈의 계면에 생성되는 금속간화합물의 종류 및 미세구조가 다음과 같이 변화되었다. 공정반응층의 두께가 얇은 경우 티타늄과 니켈의 계면에 생성된 공정반 응층의 미세구조는 도 4b에서와 같이 티타늄 기지상에 NiTi2 상들이 불연속적으로 분산된 복합구조로 이루어져 있고, 공정반응층의 두께가 약 20 ㎛로 증가되면 도 4c에서와 같이 티타늄 클래드 금속에 접촉되어 있는 공정반응층의 미세조직은 티타늄 기지상에 NiTi2 상들이 불연속적으로 분산된 복합구조를 이루고 중간접합재인 니켈과 NiTi2 상들 사이에 NiTi 형태의 금속간화합물이 불연속적으로 생성되었다. 가해준 전류량이 13.5 ㎄로 더욱더 높아지면 티타늄과 니켈의 계면에 생성되는 공정반응층의 두께가 20㎛ 이상으로 증가되고, 계면에 생성되는 NiTi와 NiTi2 상들이 불연속 구조에서 연속 구조 변화되었다(도 4c와 도 4d 참조).
이상의 도 3과 도 4a 내지 도 4d의 결과를 상호 비교하면, 티타늄과 니켈 계면에 생성되는 공정반응층의 두께 증가 및 취성이 강한 금속간화합물이 연속상으로 생성되면 티타늄 클래드 판재의 접합강도가 저하된다는 사실로부터 접합강도가 우수한 티타늄 클래드 판재를 제조하기 위해서는 티타늄과 니켈 계면에 생성되는 공정반응층의 두께 및 미세조직 제어가 필수적이라는 새로운 사실을 알 수 있다. 즉, 접합강도가 우수한 티타늄 클래드 판재를 제조하기 위해서는 티타늄 클래드금속과 중간접합재 계면에 생성되는 공정반응층의 두께를 10 ㎛ 이내로 제어하고, 공정반응층의 미세구조에 있어서 취성이 강한 금속간화합물이 니켈 또는 티타늄 기지에 불연속상으로 분포 하도록 제어할 필요성이 있다.
한편, 가해준 전류량이 너무 낮으면 공정반응층이 생성되지 않아 계면접합이 제대로 이루어지지 않을 가능성이 높으며, 가해준 전류량이 너무 높게 되면 공정 반응층의 두께가 20 ㎛ 이상으로 증가되고, 취성이 강한 금속간화합물이 연속상으로 생성되어 접합강도가 현저히 저하될 가능성이 있기 때문에 접합강도가 우수한 티타늄 클래드 판재를 제조하기 위하여 전류량을 적절히 조절하여 티타늄과 니켈 계면에 생성되는 공정반응층의 두께를 가능한 얇게 제어하여 취성이 강한 금속간화합물들이 티타늄 클래드 금속 또는 중간접합재 니켈의 기지조직 내부에 불연속적으로 분산되도록 제어할 필요성이 있다. 특히, 기존의 브레징 공정에 의해 티타늄 클래드 판재를 제조하는 경우 도 5에서와 같이 티타늄과 니켈 계면에 취성이 강한 NiTi2, NiTi, Ni3Ti 형태의 금속간화합물들이 연속적으로 생성되어 접합강도가 150 MPa 이하로 현저히 저하되는 단점이 존재하는데, 내환경성 클래드 판재를 제조하는 기존 공정의 이러한 단점은 본 발명에 의해 해결되었다. 도 6은 내부식성과 접합강도가 우수한 티타늄 클래드 강판을 구현하기 위한 공정반응층의 이상적인 미세조직을 도식적인 그림으로 나타낸 것이다. 도 6에서 도면부호 11은 티타늄과 니켈이 혼합된 티타늄-니켈 고용체를 나타내고, 도면부호 22는 취성이 강한 Ni-Ti 형태의 금속간화합물을 나타낸다. 특히, 도 6에서와 같이 연성이 우수한 티타늄-니켈 고용체 내부에 경도가 높은 Ni-Ti 형태의 금속간화합물들이 분산된 복합구조를 이루면 기계적특성이 향상되고, 연성도 우수해져 쉽게 파손되지 않게 된다. 따라서 도 6과 같은 공정 반응층 구조를 갖는 티타늄 클래드 강판은 도 5와 같은 구조를 갖는 구조를 갖는 기존의 티타늄 클래드 강판보다 우수한 접합강도를 갖게 된다. 도 4b는 본 발명에서 구현한 연성이 우수한 티타늄-니켈 고용체 내부에 경도가 높은 Ni-Ti 형태의 금속간화합물들이 분산된 복합구조를 이루고 있는 대표적인 실시예 중 하나이다.
본 발명에 의하여 부식 저항성이 우수한 내환경성 클래드 판재를 저렴하게 제조할 수 있는 기술이 확보되었다. 특히, 본 발명에서는 저항심용접법에 의하여 값이 저렴한 철 또는 철계 합금, 구리 또는 구리합금, 니켈 또는 니켈합금 모재에 내부식성이 뛰어난 고가의 얇은 클래드 금속(Ti, Nb, V, Zr)을 접합함으로써 내환경성 판재의 제조원가를 낮출 수 있게 되었고, 기존의 클래딩 공정과는 상이하게 클래드금속과 모재 사이에 공정반응을 일으키는 중간접합재를 삽입하여 클래드금속과 중간접합재가 융착되도록 하였다. 특히, 내환경성 클래드 금속과 모재 또는 클래드 금속과 중간접합재의 계면에 생성되는 공정반응층의 두께 및 미세조직 제어기술을 통하여 접합강도가 300 MPa인 내환경성 티타늄 클래드 강판재의 제조가 가능해졌으며, 본 발명으로 제조된 접합강도가 우수한 클래드 판재(평균 전단강도 300 MPa)는 열교환기, 화학설비의 반응탱크, 선박, 제지, 건설, 교량, 압력용기, 담수화설비, 발전설비, 탈황설비 등 각종 첨단 산업설비의 핵심부품에 널리 사용될 것으로 기대된다.

Claims (13)

  1. 구리, 철, 알루미늄, 또는 니켈 중에서 선택된 어느 하나로 이루어진 판상의 모재 금속과;
    상기 모재의 어느 일면 또는 양면에 적층되며, 티타늄, 바나듐, 니오븀, 지르코늄 중에서 선택된 어느 하나로 이루어진 판상의 클래드 금속; 및
    상기 모재 금속과 클래드 금속 사이의 계면에 형성되어 두 금속층을 접합시키는 공정반응층으로 구성되며,
    상기 각각의 금속은 순수 금속 또는 그들의 합금이고,
    상기 공정반응층의 구조는 연성이 우수한 고용체 기지 조직 내부에 취성이 강한 금속간 화합물 입자들이 불연속으로 분산된 형태로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 내환경성 클래드 판재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 내환경성 클래드 판재의 구성은 클래드금속/공정반응층/모재 또는 클래드금속/공정반응층/모재/공정반응층/클래드금속 구조로 이루어져 있으며,
    상기 각각의 클래드 금속 및 모재는 순수 금속 또는 그들의 합금인 것을 특징으로 하는 내환경성 클래드 판재.
  3. 구리, 철, 또는 니켈 중에서 선택된 어느 하나로 이루어진 판상의 모재 금속과;
    상기 모재의 어느 일면 또는 양면에 적층되며, 티타늄, 바나듐, 니오븀, 지르코늄 중에서 선택된 어느 하나로 이루어진 판상의 클래드 금속과;
    상기 모재 금속과 클래드 금속 사이에 삽입되어 클래드금속과 공정반응을 일으키는 중간접합재; 및
    상기 중간접합재와 클래드 금속 사이의 계면에 생성되어 두 금속층을 접합시키는 공정반응층으로 구성되며,
    상기 각각의 금속은 순수 금속 또는 그들의 합금이고,
    상기 공정반응층의 구조는 연성이 우수한 고용체 기지 조직 내부에 취성이 강한 금속간 화합물 입자들이 불연속으로 분산된 형태로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 내환경성 클래드 판재.
  4. 제3항에 있어서, 상기 중간접합재와 모재 금속 사이에 하나 이상의 다른 중간 접합재가 추가로 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 내환경성 클래드 판재.
  5. 제4항에 있어서, 추가로 삽입되는 하나 이상의 다른 중간접합재는, 클래드 금속과 상기 중간접합재의 계면에서 생성되는 공정반응층의 공정온도보다 높은 융점을 갖는 순수 금속 또는 합금인 내환경성 클래드 판재.
  6. 제4항에 있어서, 상기 중간접합재를 구성하는 물질은 순금속으로서의 구리, 철, 니켈, 코발트, 티타늄, 지르코늄, 은, 금 중에서 선택된 어느 하나 이상의 금속이며, 각각의 금속은 순수금속 또는 합금인 내환경성 클래드 판재.
  7. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 티타늄과 이종금속의 계면에 생성된 공정반응층 구조는 니켈, 구리, 철, 알루미늄, 코발트, 티타늄, 지르코늄, 은, 금 등의 기지조직 내부에 취성이 강한 금속간화합물 입자들이 불연속적으로 분산된 형태로 이루어져 있으며, 중간접합재를 구성하는 물질은 구리, 철, 니켈, 코발트, 티타늄, 지르코늄, 은, 금 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 물질이며, 각각의 금속은 순수금속 또는 합금인 내환경성 클래드 판재.
  8. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 클래드 금속과 중간접합재 사이의 계면에 생성된 공정반응층의 구조는 연성이 우수한 고용체 기지조직 내부에 경도가 높은 금속간화합물들이 분산된 복합구조를 이루어진 것을 특징으로 하는 내환경성 클래드 판재.
  9. 구리, 철, 또는 니켈 중에서 선택되는 어느 하나인 판상의 모재 금속과 티타늄, 바나듐, 니오븀, 지르코늄 중에서 선택되는 어느 하나인 판상의 클래드 금속이 적층된 적층판재를 저항심용접기 두 전극 사이에 삽입하고,
    용접전류 7 ~ 30 ㎄, 가압력 1 ~ 200 MPa, 통전시간 0.01 ~ 10초, 휴지시간 0.001 ~ 10초, 용접속도 100 ~ 10000 ㎜/min의 공정 조건으로 하여 상기 전극에 전류와 압력을 동시에 가하여 상기 모재 금속과 클래드 금속 사이의 계면에, 클래드금속과 고용체금속이 공정반응에 의해 녹아서 생성된 연성이 우수한 고용체 기지조직 내부에 경도가 높은 금속간화합물들이 분산된 복합구조의 공정반응층을 형성시키는 것을 특징으로 하는 내환경성 클래드 판재 제조 방법.
  10. 구리, 철, 또는 니켈 중에서 선택되는 어느 하나인 판상의 모재 금속과, 티타늄, 바나듐, 니오븀, 지르코늄 중에서 선택되는 어느 하나인 판상의 클래드 금속, 및 상기 모재 금속과 클래드 금속 사이에 중간접합재가 삽입된 다층 적층판재를 저항심용접기 두 전극 사이에 삽입하고,
    용접전류 7 ~ 30 ㎄, 가압력 1 ~ 200 MPa, 통전시간 0.01 ~ 10초, 휴지시간 0.001 ~ 10초, 용접속도 100 ~ 10000 ㎜/min의 공정 조건으로 하여 상기 전극에 전류와 압력을 동시에 가하여 상기 클래드 금속과 중간접합재 사이의 계면에, 연성이 우수한 고용체 기지조직 내부에 경도가 높은 금속간화합물들이 분산된 복합구조의 공정반응층을 형성시키는 것을 특징으로 하는 내환경성 클래드 판재 제조 방법.
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