KR100875440B1 - Ｐｒｄ용 가용합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 PRD용 가용합금에 관한 것으로,본 발명에 의하면,wt%로, Bi : 29.0∼33.0, Sn : 14.0∼21.0, In : 2.0∼5.0, 그리고 잔부가 실질적으로 Pb로 이루어지는 PRD용 4원계 가용합금이 제공된다.

이러한 본 발명의 PRD용 가용합금은 110℃ 급 규격에 사용하기에 적합한 용융점을 가지며 용융시 젖음성이 우수하다.

Description

ＰＲＤ용 가용합금{Fusible Alloys for Pressure Relief Device}

도 1은 본 발명 및 종래의 PRD 가용합금에 있어서의 젖음성 평가에서 측정된 접촉각을 나타내는 사진,

도 2는 본 발명의 PRD 가용합금 제작시 사용되는 보강재의 일례를 나타내는SEM 사진,

도 3은 본 발명의 PRD 가용합금의 내구성 평가에 이용하는 장치의 일례를 나타내는 사진,

도 4는 본 발명의 PRD 가용합금의 내구성 평가결과를 나타내는 PRD 샘플사진이다.

본 발명은 PRD용 가용합금에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 110℃ 급 규격에 사용하기에 적합하며 용융시 젖음성이 우수한 PRD용 가용합금에 관한 것이다.

PRD(Pressure Relief Device ; 압력해제 장치)는 자동차 등의 가스실린더 밸브에 부착된 안전장치로서 화재와 같이 주변환경의 온도가 특정온도 이상으로 비정상적으로 높아졌을 때 실린더 내부의 가스를 외부로 신속히 방출시켜 가스폭발을 방지하는 역할을 한다.

따라서 개념적으로 이상적인 PRD는 특정온도에 이를 때까지는 가스의 유출을 완벽하게 차단하고 있다가 특정온도가 되면 빠른 시간내에 가스를 전량 유출시키는 역할을 해야 하며 이를 위해 엄격한 테스트를 거친 검증된 제품만이 사용되고 있다.

이를 위하여, 예를 들면 유럽규격에서는 110℃ 급(110℃±10℃)의 용융점을 갖도록 한 것으로 정하여 가스폭발로 인한 안전사고에 대비하고 있다.

종래 이러한 PRD 가용합금으로는 Bi-Pb-Sn이나 Bi-Cd-Sn 등의 3원계 합금이 사용되어 왔으나, 일단 용융시 젖음성(wettability)이 충분치 못하여 실린더 내부의 가스를 외부로 신속히 배출하는데 한계가 있었다.

따라서, 본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 제거하여 특정온도에서 용융시 우수한 젖음성을 확보할 수 있도록 함과 동시에 110℃ 급의 유럽 규격에 부합할 수 있도록 4원계 합금으로 구성한 새로운 PRD용 가용합금을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면, wt%로, Bi : 29.0∼33.0, Sn : 14.0∼21.0, In : 2.0∼5.0, 그리고 잔부가 실질적으로 Pb로 이루어지는 PRD용 4원계 가용합금이 제공된다.

본 발명에서 4원계 합금을 선택한 이유는 저융점 합금원소인 Pb, Bi, Sn, In 은 각 원소의 용융점 자체도 낮지만 이들이 다원계로 합금을 형성했을 경우, 공정점(Eutectic Point)을 형성하기 때문에 용융점을 더욱 낮추는 것이 가능하기 때문이다. 예를 들어 solder(납땜) 재료의 대표격인 Pb-Sn의 경우, Pb의 용융점은 327℃, Sn의 용융점은 232℃이지만 Pb에 61.9%의 Sn이 섞인 경우 공정점에서 183℃의 용융점을 갖는다. 이러한 경향을 바탕으로 합금원소가 증가해서 3원계, 4원계 등으로 갈수록 합금의 용융점을 더욱 낮출 수 있는 것이다.

한편, 본 발명에서 합금원소의 적정한 조성비를 위해서는 열역학적 계산에 의한 결과를 주요 합금설계의 근거로 사용하였다. 즉, 다양한 조성의 3성분계, 4성분계, 5성분계 합금에서의 용융점을 열역학적 데이터를 이용한 계산을 통해 예측하고 가장 최적으로 판단되는 Bi-Sn-In-Pb의 4성분계를 본 발명 합금의 구성성분으로 결정하였고, 실제 실험을 통하여 특정범위의 조성을 결정하게 되었다.

이에 따라 본 발명에서는 합금을 구성하는 원소를 각각 Bi는 29.0∼33.0, Sn은 14.0∼21.0, In은 2.0∼5.0, 그리고 나머지를 Pb로 하였다. 즉, 본 발명의 합금에서 각 성분원소가 상기 조성영역을 벗어나게 되면 용융점(특히, 용융 개시점)이 100℃ 미만으로 되어 임계온도 아래에서 합금이 용융되는 경우가 발생하거나, 또는 120℃를 초과하게 됨으로써 적정온도에서의 원활한 가스방출이 억제되어 가스가 폭발하는 안전사고를 방지하지 못하게 되어 110℃ 급 PRD용 가용합금으로서의 기능을 상실하게 되어 바람직하지 못하다.

(실시예)

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

PRD 용 가용합금의 주요 특성평가

PRD용 가용합금으로 사용되기 위해 필요한 특성은 용융점, 젖음성, PRD 내구성 등이다.

용융점 평가

원하는 조성의 합금을 제조하기 위하여 무게비를 계산하여 각 원소의 질량을 측정한 후 이들을 함께 혼합하여 용융한 후 가용합금으로 약 1㎏의 모합금 잉곳을 각각 제조하였다. 그런 후, 황동재질의 기판에 가용합금을 위치시킨 후 글리세린용액을 매개체로 하여 원하는 온도에서 10분간 유지시킨 후 용융여부를 확인하였다. 합금의 조성은 EDS로 분석(3 point 평균) 하였으며, 그 결과를 합금의 조성에 따른 용융점으로 표 1에 나타내었다.

		조성(무게비, wt%)				용융시작점 (℃)	용융종료점 (℃)
		Pb	Bi	Sn	In
실시예	1	48.85	29.38	18.85	2.92	113.0	118.0
	2	48.36	29.25	19.45	2.94	109.0	117.0
	3	46.81	30.96	18.28	3.95	106.0	116.0
	4	45.77	30.86	19.87	3.50	112.0	120.0
비교예	1	42.15	28.41	25.97	3.47	98.4	117.0
	2	17.31	71.08	9.90	1.70	98.0	100.0
	3	22.62	60.71	13.08	3.59	99.2	107.0
	4	30.43	47.19	16.03	6.36	99.4	116.0

표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 조성합금(실시예 1 내지 4)에서는 모두 용융시작점이 100℃를 초과하는 것으로 나타나서 110℃ 급 PRD용 가용합금에 관한 유럽규격을 잘 만족하고 있었으며, 이에 반하여 비교예들에서는 모두 용융시작점이 99.4℃ 이하에 머물러 요구하는 최저온도(110℃ 급인 경우 110℃±10℃ 이므로 100℃가 최저온도임) 보다 저온에서 용융이 개시되어 바람직하지 않다는 것을 알 수 있다.

젖음성 평가

한편, 가용합금이 PRD의 내벽 및 내부 보강재와 강인한 접합을 이루기 위해서는 합금의 젖음성(wettability)이 우수해야 한다. 젖음성 시험은 동일한 무게의 합금을 용융한 후 차지하는 면적을 측정하거나 도 1과 같이 용융 및 급냉시킨 시험편의 단면을 관찰하여 접촉각(wetting angle)을 측정함에 의해 수행된다. 접촉각이 작은 경우가 젖음성이 더 우수한 것이다. 도 1에서 상부의 사진(a)이 종래의 Bi-Cd-Sn 3원계 합금의 경우이고, 하부의 사진(b)이 본 발명의 Pb-Bi-Sn-In 4원계 합금(실시예 4)의 경우이다.

도 1에서 보는 바와 같이, Bi-Cd-Sn 3원계의 경우 접촉각이 52.78°로 측정되는 것에 비하여 본 발명의 Pb-Bi-Sn-In 4원계에서는 접촉각이 47.25°로 본 발명 합금에서 접촉각이 더 작다는 것을 알 수 있다.

PRD 내구성 평가

PRD의 내구성을 평가하기 위해서는 가용합금으로 실제 PRD를 제작하여야 한다. 복합재를 사용한 PRD는 도 2에 도시한 바와 같은 보강재를 가용합금에 혼합하여 PRD 외형 내부에 채우게 된다. 본 발명에서 사용된 보강재는 지름 약 600㎜의 구형 스틸(도 2의 (a))과 길이 약 900㎜의 원통형 스틸(도 2의 (b))을 혼합하여 사용하였는데, 실험결과에 의하면 이들이 약 50:50의 비율로 혼합되었을 때 최적의 내구성을 나타내었다.

이와 같은 방법으로 본 발명의 4성분계 가용합금을 이용하여 PRD를 제작한 후, 도 3에 도시한 장치에서 내구성 시험을 수행하였다. ISO 국제규격에 의한 시험 조건에 따라 시험온도는 91℃, 시험압력은 325bar, 시험시간은 500시간으로 하였고, 500시간 경과 후 내부의 용융합금이 외부로 유출되지 않은 경우 시험 합격으로 하였다. 시험 절차는 다음과 같다.

① 시험샘플을 테스트 Block에 체결 후 오븐 속에 넣는다.

② 공기를 이용하여 시험샘플에 325bar의 압력을 가한다.

③ 오븐 속의 온도를 91℃로 맞춘 후 500 시간을 유지한다.

④ 500 시간 동안 PRD의 변형 및 작동이 없을 것.

위와 같은 방식으로 시험한 결과, 본 발명의 합금을 적용한 PRD는 모두 시험에 통과해(도 4) 기존의 합금과 비교하여 내구성 면에서 적어도 동등한 특성을 가진다는 것을 확인하였다. 참고로, 도 4에서 시료에 도시된 번호는 표 1의 각 실시예의 번호를 나타낸다.

상술한 바와 같이 본 발명의 PRD용 4원계 가용합금은 110℃ 급 규격에 사용하기에 적합한 용융점을 가지고 있으며, 또한 용융시에 접촉각이 작아 젖음성이 우수하여 빠른 시간내에 가스를 유출시키는 것을 기대할 수 있어 종래의 3원계 합금을 충분히 대체할 수 있는 소재이다.

Claims (2)

1. wt%로, Bi : 29.0∼33.0, Sn : 14.0∼21.0, In : 2.0∼5.0, 그리고 잔부가 실질적으로 Pb로 이루어지는 PRD용 4원계 가용합금.
2. 제1항에 있어서,

   상기 PRD용 4원계 가용합금은 용융점이 110℃±10℃로서 110℃급 유럽규격을 만족하는 것을 특징으로 하는 PRD용 4원계 가용합금.

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