KR100982865B1 - 진공 정밀주조법을 이용한 이종금속 접합방법 및 그에 의해제조된 이종금속 접합체 - Google Patents

Abstract

계면 근처에서 결함을 제거하고, 접합합금의 기계적 특성이 저하되는 것을 방지하며 비평탄한 표면을 가진 모재에 접합할 수 있는 이종금속 접합방법 및 그에 의한 접합체를 제공한다. 그 방법 및 접합체는 먼저 비평탄한 표면을 가진 모재가 내부에 배치된 정밀주조 주형을 진공이 확보된 진공용해로에 배치한다. 그후, 모재에 접합될 접합재를 용해도가니에 의해 접합재의 융점보다 50~250℃ 높은 온도를 유지시면서 주형의 내부에 주입한 다음, 모재의 융점 이하의 온도에서 소정의 시간동안 유지하여 접합재와 모재를 접합한다. 이때, 모재는 상기 접합재보다 융점이 높은 합금이고, 접합재는 모재보다 융점이 낮은 금속이다.

진공 정밀주조, 이종금속, 접합방법, 비평탄한 표면

Description

진공 정밀주조법을 이용한 이종금속 접합방법 및 그에 의해 제조된 이종금속 접합체 {A dissimilar metal joining method using vacuum investment casting and dissimilar joining body fabricated by the same}

본 발명은 이종금속 접합방법 및 이종금속 접합체에 관한 것으로, 특히 진공 정밀주조법을 이용하여 비평탄한(non-planar) 표면을 가진 모재에 접합재를 접합하는 이종금속 접합방법 및 이종금속 접합체에 관한 것이다.

진공 정밀주조법은 주물의 표면의 거칠기가 미려하고 치수정밀도가 우수하며 대량생산에 적합하고 진공용해주조에 의한 고품질의 주물을 생산할 수 있다. 이에 따라 진공 정밀주조법을 이용하여 고부가가치의 항공기 엔진부품이나 의료용 티타늄합금 등을 제조하고 있다.

한편, 엔진의 부싱류 등이나 내산화성이 요구되는 파이프 등은 필요에 의해 이종금속을 접합하여야 하는 경우가 있어, 다양한 이종금속의 접합방법이 개발되고 있다. 즉, 종래의 이종금속 접합방법은 계면접합을 위하여 플럭스를 도포하거나, 열전도율이 낮은 보온재 또는 단열재를 이용하여 용융금속의 온도구배를 주거나, 높은 압력을 가해 밀착성을 향상시키는 등의 방법이 제시되고 있다. 또한, 일반적 인 주조에 의하여 이종금속을 접합시키면, 응고 시에 계면과 계면 근처에서 발생하는 수축결함과 같은 결함을 피하기 위하여 방향성 응고가 필요하고, 이종금속간의 계면에 불필요한 산화물 등이 형성될 수 있다.

그런데, 종래의 접합방법은 별도의 부재와 공정을 부가하여 수축결함과 같은 결함을 제거해야 하고, 접합합금의 기계적 특성에 나쁜 영향을 주는 취약한 상을 회피하기가 어렵다. 또한 결함을 제거하고 기계적 특성을 양호하게 유지하면서, 비평탄한 표면을 가진 모재에 이종금속을 접합하는 방법이 제시되고 있지 않다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 계면 근처에서 결함을 제거하고, 접합합금의 기계적 특성이 저하되는 것을 방지하며 비평탄한 표면을 가진 모재에 접합할 수 있는 이종금속 접합방법을 제공하는 데 있다. 또한 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 접합방법을 이용하여 제조된 접합체를 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 이종금속 접합방법은 먼저 비평탄한 표면을 가진 모재가 내부에 배치된 정밀주조 주형을 제작한다. 그후, 상기 주형을 진공용해로에 배치하고, 상기 진공용해로의 진공을 확보한다. 상기 모재에 접합될 접합재를 용해도가니에 의해 상기 접합재의 융점보다 50~250℃ 높은 온도를 유지시면서 상기 주형의 내부에 주입한다. 상기 모재의 융점 이하의 온도에서 소정 의 시간동안 유지하여 상기 접합재와 상기 모재를 접합한다. 이때, 상기 모재는 상기 접합재보다 융점이 높은 합금이고, 상기 접합재는 상기 모재보다 융점이 낮은 금속이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 모재는 철계 합금이고 상기 접합재는 동합금 또는 알루미늄 합금일 수 있다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 이종금속 접합체는 위의 접합방법을 이용하여 제조되는 이종금속 접합체로서, 상기 이종금속 사이에는 상기 이종금속의 합금으로 이루어진 반응층을 포함한다.

상술한 본 발명의 이종금속 접합방법에 의하면, 진공 정밀주조법에 의하여 비평탄한 표면을 가진 모재에 이종금속을 접합할 수 있으며, 심지어 기계적 가공이 어려운 복잡한 형상의 모재에도 이종금속을 접합할 수 있다. 또한 진공 정밀주조법을 이용하면, 진공 정밀주조 후에 일정시간을 유지하는 단순한 공정에 의해 이종금속을 접합할 수 있다.

나아가, 본 발명의 접합체는 두 금속으로 합금으로 이루어진 반응층이 형성되어 이종금속 사이의 금속간 접합을 잘 이룰 수 있다. 또한 진공 정밀주조법을 이용함으로써, 모재와 접합재 자체의 결함을 방지할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다음에서 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발 명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예들은 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

이하에서는 계면 근처에서 수축결함, 결정립계의 균열 등과 같은 결함이 없고 접합합금의 기계적 특성이 저하되지 않으며, 비평탄한 모재에 이종금속 접합방법을 모재인 철계 합금과 접합재인 동합금을 중심으로 설명할 것이다. 물론 본 발명의 범주에서 모재와 접합재는 다양하게 적용될 수 있다. 비평탄한 모재란 표면의 전체적인 형상에 다양한 굴곡이 있는 것을 말하며, 기계적인 가공이 어려운 것도 포함한다.

본 발명은 이종금속을 접합하는 방법으로 진공 정밀주조법을 이용한다. 진공정밀주조법에서 적절한 주조방안 및 주조공정 조건 설정에 의하여 계면 근처에서의 수축결함 등의 결함을 제거할 수 있으며, 진공에서 진행되므로 불순물이나 산화물의 형성이 억제된 이종금속간의 계면을 얻을 수 있다. 잘 알려진 바와 같이, 상기 적절한 주조방안은 정밀주조법에 의한 접합방법을 설계할 때 구현할 수 있다. 또한 종래와 달리 계면접합을 위하여 플럭스를 도포하거나, 세라믹이나 열전도율이 낮은 보온재 또는 단열재를 이용하여 용융금속에 온도구배를 주거나, 높은 압력을 가하지 않고 진공 정밀주조 후에 일정한 시간을 유지하는 단순한 공정에 의해 두 금속을 접합할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 진공 정밀주조법에 의하여 이종금속을 접합하는 장치(100)를 나타내는 개략도이다.

도 1을 참조하면, 접합장치(100)는 진공용해로(10) 내에 용해도가니(20)와 정밀주조 주형(30)을 포함하여 구성된다. 용해도가니(20)는 모재에 접합될 접합재(22)가 용융된 상태로 만들 수 있으며, 용융된 접합재(22)는 주형(30)에 주입된다. 정밀주조 주형(30) 내에는 비평탄한 표면을 가진 모재(50)가 접합재(22)와 접합되는 공간을 확보하도록 배치된다.

용융된 접합재(22)는 주형(30)의 주입구(32)를 통하여 주형(30) 내부로 주입되며, 주형(30) 내부의 온도는 주형 가열부(40)에 의해 조절된다. 도면에 나타나지 않았지만, 진공용해로(10)의 외부에는 진공용해로(10)의 진공을 유지하기 위한 진공장치가 설치되어 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 의한 진공 정밀주조법에 의하여 이종금속을 접합방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 여기서, 접합방법의 설명에 필요한 장치는 도 1을 참조하기로 한다.

도시된 바와 같이, 접합방법은 먼저 비평탄한 표면을 가진 모재(50)가 내부에 배치된 정밀주조 주형(30)을 제작한다(S10). 여기서 비평탄한 표면이란 모재의 전체적인 형상이 다양한 굴곡을 가진 것을 말하며, 기계적인 가공이 어려운 것도 포함한다. 이어서, 정밀주조 주형(30)을 진공용해로(10)에 배치한다(S20). 이때, 진공용해로(10)에는 모재(50)에 접합될 접합재(22)가 용융된 상태로 만들 수 있는 용해도가니(20)가 주형(30) 상에 설치되어 있다.

그후, 진공용해로(10) 내부의 진공을 상태를 예컨대 약 10^-3torr로 만든 다 음, 이를 유지한다(S30). 진공이 확보되면, 모재(50)는 고체상태로 유지하고, 접합재(22)를 접합재(22)의 융점보다 50~250℃보다 높은 온도에서 유지하면서 주형(30)의 내부에 용융된 접합재(22)를 주입한다(S40). 주입된 접합재(22)가 모재(50)와의 반응에 의하여 접합되도록 모재(50)의 융점 이하의 온도에서 일정한 시간, 예컨대 5~20분 동안 유지하여 모재(50)에 접합재(22)를 접합시킨다.

이때, 모재(50)는 철계 합금과 같이 상대적으로 융점이 높은 합금이며, 접합재(22)는 동합금이나 알루미늄 합금과 같이 융점이 상대적으로 낮은 금속이 바람직하다. 경우에 따라, 본 발명이 적용되는 범위에서 모재와 접합재의 종류를 다양하게 설정할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 의해 제조된 철계 합금과 동합금이 접합한 상태를 나타내는 사진이다. 이때, 철계 합금과 동합금은 도 2를 참조하여 설명한 방법으로 제조되었다.

사진에 나타난 바와 같이, 모재인 철계 합금은 물론 접합재인 동합금에도 수축결함, 결정립계의 균열 등과 같은 결함이 발견되지 않았다. 접합합금의 기계적 특성에 나쁜 영향을 주는 새로운 취약한 상이 형성되지 않았다. 나아가, 두 금속 사이의 계면에 약 100μm 두께의 반응층이 형성되어 금속간 접합이 잘 이루어진 것을 볼 수 있다. 이때 반응층은 모재의 성분인 Fe와 접합재의 성분인 Cu로 이루어진 Fe-Cu의 합금이다.

본 발명에 의하면, 진공 정밀주조법에 의하여 비평탄한 표면을 가진 모재에 이종금속을 접합할 수 있으며, 심지어 기계적 가공이 어려운 복잡한 형상의 모재에 도 이종금속을 접합할 수 있다. 또한 진공 정밀주조법을 이용하면, 진공 정밀주조 후에 일정시간을 유지하는 단순한 공정에 의해 이종금속을 접합할 수 있다.

본 발명의 이종금속 접합법은 두 금속으로 합금으로 이루어진 반응층이 형성되어 이종금속 사이의 금속간 접합을 잘 이룰 수 있다. 또한 진공 정밀주조법을 이용함으로써, 모재와 접합재의 결함을 방지할 수 있다.

이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

도 1은 본 발명에 의한 진공 정밀주조법에 의하여 이종금속을 접합하는 장치를 나타내는 개략도이다.

도 2는 본 발명에 의한 진공 정밀주조법에 의하여 이종금속을 접합방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 3은 본 발명에 의해 제조된 철계 합금과 동합금이 접합한 상태를 나타내는 사진이다.

Claims (3)

1. 비평탄한 표면을 가진 모재가 내부에 배치된 정밀주조 주형을 제작하는 단계;

   상기 주형을 진공용해로에 배치하는 단계;

   진공정밀주조를 이용하여 불순물 또는 산화물의 생성을 방지하기 위하여 상기 진공용해로의 진공을 확보하는 단계;

   상기 모재에 접합될 접합재를 용해도가니에 의해 상기 접합재의 융점보다 50~250℃ 높은 온도를 유지시키면서 상기 주형의 내부에 주입하는 단계; 및

   상기 모재의 융점 이하의 온도에서 소정의 시간동안 유지하여 상기 접합재와 상기 모재를 접합하는 단계를 포함하고,

   상기 모재는 상기 접합재보다 융점이 높은 합금이고, 상기 모재와 상기 접합재 사이에는 상기 모재와 상기 접합재의 성분으로 이루어진 합금인 반응층을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 정밀주조법을 이용한 이종금속 접합방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 모재는 철계 합금이고 상기 접합재는 동합금 또는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 진공 정밀주조법을 이용한 이종금속 접합방법.
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