KR101159502B1 - 브레이징 합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 브레이징 합금에 관한 것으로, 구체적으로는 구리(Cu), 인(P), 게르마늄(Ge)으로 구성되며, 여기에 인듐(In), 은(Ag), 주석(Sn), 세슘(Cs),하프늄(Hf) 중 어느 하나의 원소를 더 포함하여 동, 철, 스테인리스, 티탄표면에서의 침투확산력을 증가시킬 수 있는 브레이징 합금에 관한 것이다.
본 발명은 인(P) 4.0~7.5 중량%, 게르마늄(Ge) 0.001~10.0중량%를 포함하며, 잔부는 구리(Cu)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 브레이징 합금에 의하면, 기존의 합금원소와는 달리 구리(Cu), 인(P), 게르마늄(Ge)으로 구성되고, 여기에 인듐(In), 은(Ag), 주석(Sn), 세슘(Cr) 및 하프늄(Hf)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소를 합금성분으로 더 포함함으로써, 은(Ag)을 전혀 포함하지 않거나 기존의 은(Ag)을 포함하는 브레이징 합금에 비하여 은(Ag)함량을 월등히 낮춤으로써, 제조비용을 낮춤과 동시에 상기한 효과와 동일하거나 더 우수한 용접성을 제공하는 큰 효과가 있는 것이다.

Description

브레이징 합금{Cu-P-Ge BRAZING ALLOY}

본 발명은 브레이징 합금에 관한 것으로, 구체적으로는 구리(Cu), 인(P), 게르마늄(Ge)으로 구성되며, 여기에 인듐(In), 은(Ag), 주석(Sn), 세슘(Cs), 하프늄(Hf) 중 어느 하나의 원소를 더 포함하여 동, 동합금, 철, 스테인리스, 티탄표면에서의 침투확산력을 증가시킬 수 있는 브레이징 합금에 관한 것이다.

브레이징(brazing)이란 금속(모재:base metal)보다 녹는점이 낮은 별도의 금속 또는 합금을 녹인 상태에서 모재는 상하지 않는 만큼의 열을 가하여 두 모재를 접합하는 기술을 일컫는다.

이와 같은 브레이징은 은이 함유되는 브레이징 합금을 이용하여 접합(브레이징) 작업을 하게 되며, 이러한 브레이징 작업은 냉난방장치 등의 다양한 산업분야에서 중요한 수단으로 사용되어 왔다. 예를 들면, 전형적인 냉난방장치나 냉장설비의 배관설비 등에서 널리 사용되고 있다.

또한, 브레이징은 동관에 동부품 또는 동과황동부품, 동과 스테인리스 부품, 동과 철부품, 기타 티탄 등들을 결합하는데 사용되고 있는데, 작업온도에 따라 브레이징(경납땜)과 솔더링(연납땜)으로 구분된다. 특히 브레이징은 약400~1100℃의 작업온도에서 모재를 녹이지 않으면서 금속을 맞붙이는 방법으로, 두 개의 금속들 사이에 강하고 틈이 없는 용착결합을 형성하는 접합 방법이다. 따라서 브레이징은 동종 또는 유사한 금속, 이종 금속 사이의 결합, 굵은 부분과 가는 부분의 결합이나 녹는점이 크게 다른 금속들 간의 결합에 다양하게 사용된다.

특히, 황동재, 스테인리스, 철강, 티탄 용접에 있어서는 작업온도가 높아지거나 작업시간이 길어지면 표면에서 산화 현상이 발생하게 되고, 이로 인해 스케일이 형성될 수 있다. 이렇게 형성된 스케일은 용접재의 흐름을 막기 때문에, 플럭스 보조제(예컨대, 가스 플럭스, 염화물, 불화물, 붕소화합물 등)를 사용하여 용접 중에 산화물을 제거하여야 하는 문제가 있어왔다.

현재는 이러한 문제를 해결하기 위한 합금성분으로 은(Ag)이 불가피하게 사용되고 있다. 특히 배관용접 분야의 경우에는 황동부속, 스테인리스, 철부속 등의 용접시에 0.5~50 중량%의 은(Ag)을 함유한 것을 사용하고 있는데, 은(Ag)을 첨가하는 이유는 융점을 낮추면서 표면에서의 흐름성(flow-ability), 젖음성(wet-ability) 및 접착성(bonding)을 향상시키기 위함이다.

그러나 은(Ag)은 고가의 귀금속으로서, 향후 전자산업의 발전추이 등을 고려할 때 그 가격은 계속하여 상승할 것으로 예상된다. 따라서 경제적인 측면에서는 고가의 은(Ag)을 전혀 사용하지 않거나 또는 은(Ag) 함량을 최소화할 필요성이 있으며, 용접성의 측면에서는 브레이징 합금의 셀프 플럭싱(self fluxing) 기능 및 금속간 친화력을 더욱 향상시킬 수 있는 브레이징 합금이 필요하게 되었다.

특허문헌 1 : 등록특허 10-1083122호 특허문헌 2 : 등록특허 10-0946936호 상기 특허문헌 1에는 은(Ag)의 함유를 최소화 하려는 필요에 따라 구리(Cu), 인(P)에 스트론튬(Sr)이 함유된 브레이징 합금에 관한 것이다. 또한, 특허문헌 2에는 은(Ag)의 함유를 최소화 하려는 필요에 따라 구리(Cu), 인(P)에 셀레늄(Se)이 함유된 브레이징 합금에 관한 것이다. 상기한 각 특허문헌들은 본 출원인이 2009년 및 2011년에 출원하여 등록받아 실시하고 있으며, 등록받은 브레이징 방법 이외에도 은을 최소화하기 위하여 갖은 노력과 방안을 물색하던 중 본 발명을 또 출원하게 되는 것이다.

본 발명은 상기한 노력과 방안을 물색하던 중 발명된 것으로, 그 목적은 은(Ag)을 포함하지 않거나 적은 함량의 은(Ag)을 포함하여 경제성이 있으면서 종래의 은(Ag)을 포함하는 브레이징 합금과 동일하거나 더 우수한 용접성을 나타내는 구리(Cu), 인(P), 게르마늄(Ge)으로 구성되고, 여기에 인듐(In), 은(Ag), 주석(Sn), 세슘(Cs) 및 하프늄(Hf)로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 원소를 더 포함하는 브레이징 합금을 제공하는데 그 목적으로 한다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 인(P) 4.5~7.5 중량%, 게르마늄(Ge) 0.001~12.0중량%를 포함하며, 잔부는 구리(Cu)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 상기 합금에 세슘(Cs) 0.001~0.1중량%, 하프늄(Hf) 0.01~2.0중량%로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 원소를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 브레이징 합금에 의하면, 기존의 합금원소와는 달리 구리(Cu), 인(P), 게르마늄(Ge)으로 구성되고, 여기에 인듐(In), 은(Ag), 주석(Sn), 세슘(Cr) 및 하프늄(Hf)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소를 합금성분으로 더 포함함으로써, 은(Ag)을 전혀 포함하지 않거나 기존의 은(Ag)을 포함하는 브레이징 합금에 비하여 은(Ag)함량을 월등히 낮춤으로써, 제조비용을 낮춤과 동시에 상기한 효과와 동일하거나 더 우수한 용접성을 제공하는 큰 효과가 있는 것이다.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공 되는 것이다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명의 브레이징 합금을 상세히 설명한다.

본 발명의 일실시에 따른 브레이징 합금은 구리(Cu)를 중심 원소로 하여 Cu-P-Ge으로 이루어지는 3원합금이다. 이하, 각 합금성분의 역할을 설명한다.

인(P)은 활성이 매우 강한 물질로서, 구리(Cu)의 액상선을 715~800℃까지 현저히 떨어뜨리는 역할을 한다. 또한, 인(P)은 구리(Cu) 표면의 산화물과 쉽게 결합하여 셀프 플럭스 기능을 수행한다.

본 발명에 따른 브레이징 합금의 인(P) 함량은 4.5~7.5 중량% 이다. 인(P) 함량이 4.5중량% 미만인 경우에는 플럭스 기능이 미약하며, 융점이 높아지고 7.5 중량%를 초과하는 경우에는 취성을 유발하기 때문이다.

게르마늄(Ge)은 반도체공업에서 널리 사용되며 합금소재, 촉매, 형광체, 적외선장치 등에 사용되는 원소로서 브레이징 합금의 융점을 낮추고, 흐름성을 개선하며 용접후 내부식성이 탁월한 성분이다.

본 발명에 따른 브레이징 합금의 게르마늄(Ge)의 함량은 0.001~12.0중량% 이다. 게르마늄(Ge)은 아크를 안정하게 하여 고품질의 용접효과를 나타내기 위하여 첨가되는 물질이다.

본 발명의 다른 실시에 따른 브레이징 합금은 구리(Cu), 인(P), 게르마늄(Ge) 이외에 인듐(In), 은(Ag), 주석(Sn), 세슘(Cs) 및 하프늄(Hf)로 이루어진 군에서 1종 이상의 원소를 더 포함할 수 있다.

인듐(In)은 브레이징 합금의 융점을 낮추고, 흐름성을 개선하며, 내부인성을 증가시키는 합금 성분이다.

본 발명에 따른 브레이징 합금의 인듐(In) 함량은 0.01~3.0 중량% 이다. 인듐(In)함량이 0.01중량% 미만인 경우에는 융점과 흐름성의 개선효과가 미약하며, 3.0중량%를 초과하는 경우에는 인듐산화피막이 형성되어 용접시의 흐름성이 저하되기 때문이다.

은(Ag)은 브레이징 합금원소 중에서 가장 유용하고 중요한 원소로서 융점을 낮추고, 젖음성, 가공성 등을 향상시킨다. 은(Ag) 자체로는 내식성, 전기전도도, 열전도도 등이 우수하며 다른 원소와 결합하면 강도가 향상되는 특징이 있다. 또한 은(Ag) 합금은 용융상태에서 침투력이 우수하기 때문에 인성이 우수한 접합면을 얻을 수 있다. 다만, 비용적인 문제가 있기 때문에 통상적인 은(Ag) 함량은 0.5~30 중량% 정도이다.

본 발명에 따른 브레이징 합금의 은(Ag) 함량은 0.5~30.0중량% 이다. 은(Ag)함량이 0.5 중량% 미만인 경우에는 흐름성 및 용접성 등의 개선 효과가 거의 나타나지 않으며, 15.0중량%를 첨가하였을 경우에는 통상적으로 30.0중량%의 은(Ag)을 함유한 용접재와 동일한 특성을 보이기 때문이다.

주석(Sn)은 융점이 매우 낮아, 브레이징 합금의 융점을 저하시키는 첨가원소이다. 또한 용융 브레이징 합금의 유동도, 젖음성, 침투력 등을 향상시킨다.

본 발명에 따른 브레이징 합금의 주석(Sn) 함량은 0.1~5.0 중량% 이다. 주석(Sn)함량이 0.1 중량% 미만인 경우에는 흐름성 및 용접성 등의 개선 효과가 거의 나타나지 않으며, 5.0 중량%를 초과하는 경우에는 저온 취성이 유발되기 때문이다.

세슘(Cs)은 석유 시추, 원자시계, 여러 광 및 전자 장치 등에도 사용되는 원소로서 아크를 안정되게 하는 성분이다.

본 발명에 따른 브레이징 합금의 세슘(Cs)의 함량은 0.001~0.1중량% 이다. 역극성 및 정극성이 사용되어 아크를 안정하게 하고, 스패터수준을 감소시켜 고품질의 용접효과를 나타낸다.

하프늄(Hf)은 회색의 광택이 있는 금속이다. 공기 중에서 변하지 않고 특히 스텐과 티탄합금 용접에서 인의취성을 막고 인성을 부여하는 효과를 나타낸다.

본 발명에 따른 브레이징 합금의 하프늄(Hf)의 함량은 0.01~2.0중량% 이다. 아크를 안정하게 하여 고품질의 용접효과를 나타내고, 공기 중에서 변하지 않고 산화 반응을 일으키지 않아 안정적인 용접효과를 나타낸다.

본 발명에 따른 브레이징 합금은 상기 합금성분을 제외한 잔부로서 구리(Cu)를 포함한다.

<실시예>

다음과 같은 조성으로 브레이징 합금을 제조하였다.

	Cu	P	Ge	In	Ag	Sn	Cs	Hf
실시예 1	bal.	6.8	2
실시예 2	bal.	6.2	0.5	0.1
실시예 3	bal.	5.2	2			5
실시예 4	bal.	6.2	1.0		1.0		0.08
실시예 5	bal.	6.0	5				0.05
실시예 6	bal.	5.2	10		5			0.5
비교예 1	bal.	6.25			5
비교예 2	bal.	6.8					0.02

(단위 : 중량%)

비교예 1 : KS-BCIP-3

비교예 2 : KS-BCUP-5

위와 같이 제조한 브레이징 합금의 고상선, 액상선 및 인장강도를 각각 측정하였으며, 그 결과를 표 2에 기재하였다.

	고상선(℃)	액상선(℃)
실시예 1	680	710
실시예 2	685	735
실시예 3	640	680
실시예 4	675	720
실시예 5	645	680
실시예 6	645	700
비교예 1	645	680
비교예 2	645	720

<용접성 평가 : 3방향 황동분배관에 동관용접>

냉각기용 U자형 3방향 황동분배관 시편 32개를 다음과 같은 용접조건으로 용접한 후 절개하여 단면을 검사하였다. 이때 용접재로는 상기 실시예 1과 비교예 1(KS-BCUP-3, Ag 5중량% 함유)을 사용하였다.

- 구경 : 40mm, 24mm

- 가열조건 : LNG, 가스토치, 가스 플럭스 투입(methyl borate)

- 용접온도 : 830~860℃

- 용접대 공급 : 선경 1.8mm 보빈, 일정량 자동공급

- 용접기 : 서경브레이징 자동용접기

상기 표 2에 기재된 바와 같이, 실시예 1의 브레이징 합금은 비교예 1에 비하여 고상선 온도가 높다. 따라서 실시예 1은 비교예 1보다 용접재의 용융시간이 더 걸렸다. 하지만, 실시예 1은 비교예 1보다 황동분배관에 대한 침투 속도가 빠르기 때문에 용접완료 시간은 실시예 1이 비교예 1보다 1초 빨랐다.

따라서 본 발명에 따른 브레이징 합금이 은(Ag)을 함유하지 않으면서도 은(Ag)을 함유하는 종래의 합금보다 우수한 용접성을 보인다는 것을 확인할 수 있었다.

따라서 실시예 1의 용접재를 사용한 경우에 용접 부위에서 우수한 침투성을 보이는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 브레이징 합금의 젖음성, 침투성 등의 용접성이 은(Ag)을 함유하지 않으면서도 은(Ag)을 함유하는 종래의 합금보다 우수한 용접성을 갖는다는 것을 확인할 수 있었다.

상기한 실시예 1과 마찬가지로 실시예 2 내지 6에서도 은(Ag)을 함유하는 종래의 함금보다 우수하거나 비슷한 용접성을 보였으며, 브레이징 합금의 젖음성, 침투성 등의 용접성이 은(Ag)을 함유하지 않으면서도 은(Ag)을 함유하는 종래의 합금과 비슷하거나 우수한 용접성을 갖는 것을 확인할 수 있다.

이상에서 설명된 본 발명의 브레이징 합금의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (2)

1. 인(P) 4.5%~7.5 중량%, 게르마늄(Ge) 0.001~12.0 중량%를 포함하며, 잔부는 구리(Cu)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 브레이징 합금.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 합금에,
   세슘(Cs) 0.001~0.1중량%, 하프늄(Hf) 0.01~2.0중량%로 이루어지는 군에서 선택된 1종 이상의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 브레이징 합금.