KR101242249B1 - 이중구조의 봉재를 제조하는 방법 및 이로써 제조된 용접용 팁 - Google Patents

이중구조의 봉재를 제조하는 방법 및 이로써 제조된 용접용 팁 Download PDF

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Abstract

본 발명은 동 분말과 탄소나노튜브 분말을 동 기지 또는 동합금 기지 내에 혼합한 후 열간 진공 가압하여 형성된 소결체를 열간 압출하고 용체화열처리를 하여 얻어진 제1 봉재를 냉간 인발하여 제1 봉재보다 직경이 작은 제2 봉재를 제조하는 실시예로부터 고강도에 도전성이 우수하면서 내열성 및 자기윤활성까지 우수한 동 또는 동합금 봉재를 획득할 수 있도록 하는 이중구조의 봉재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

이중구조의 봉재를 제조하는 방법 및 이로써 제조된 용접용 팁{MANUFACTURING METHOD OF ROD WITH DOUBLE LAYERED TUBE STRUCTURE AND THE WELDING TIP MANUFACTURED BY IT}
본 발명은 이중구조의 봉재를 제조하는 방법 및 이로써 제조된 용접용 팁에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소나노튜브 분말을 이용하여 고강도에 도전성이 우수하면서 내열성 및 자기윤활성까지 우수한 동 또는 동합금 봉재를 획득할 수 있도록 하는 이중구조의 봉재를 제조하는 방법 및 이로써 제조된 용접용 팁에 관한 것이다.
저항용접 또는 아크용접용 전극은 일반적으로 도전성이 우수하면서 내열성 및 고강도의 재질을 사용하는 것이 바람직하며, 이를 위하여 통상 동 또는 동합금을 널리 사용하고 있다.
이러한 전극은 석출경화형 동합금인 동(銅)과 크롬 및 지르코늄의 동합금(이하 'CCZ합금') 또는 동과 크롬의 동합금(이하 'CC합금')을 용해하고 압출한 후, 냉간 인발하고 단조한 후 급냉시켜 시효경화 열처리를 실시하여 제조되는 것이다.
또한, 이러한 전극은 동과 산화알미늄을 가스분무법에 의하여 합금분말 형태로 제조한 후 열간 압출하고 냉간 인발하여 단조함으로써 제조되기도 한다.
그러나, 위에서 열거한 전극들 중 CCZ합금과 CC합금의 경우 도전율과 기계적 성질이 상호 상반되므로, 도전율의 희생을 감수하지 않고는 기계적 성질의 개선을 도모하는 것이 불가능할 뿐만 아니라, 이렇게 만들어진 전극을 이용하여 저항용접을 실시할 경우 피용접물과의 소착 현상을 피할 수 없다는 문제가 있다.
또한, 위에서 열거한 전극들 중 동과 산화알미늄의 합금분말을 이용한 Cu-Al2O3 분산강화동 또한 도전성과 기계적 성질이 상반되는 문제점으로 인하여 현재의 물성을 개선하는 데는 많은 한계가 있는 것 또한 사실이다.
공개특허 제10-1983-0007874호(1983년11월07일) 공개특허 제10-1990-0012719호(1990년09월01일) 등록특허 제10-0332916호(2002년04월03일) 등록특허 제10-0261234호(2000년04월17일) 등록특허 제10-0828007호(2008년04월30일) 등록특허 제10-1027073호(2011년03월29일)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 발명된 것으로, 고강도에 도전성이 우수하면서 내열성 및 자기윤활성까지 우수한 동 또는 동합금 봉재를 획득할 수 있도록 하는 이중구조의 봉재를 제조하는 방법 및 이로써 제조된 용접용 팁을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 동 분말과 탄소나노튜브 분말을 동 기지 또는 동합금 기지 내에 혼합한 후 열간 진공 가압하여 형성된 소결체를 열간 압출하고 용체화열처리를 하여 얻어진 제1 봉재를 냉간 인발하여 제1 봉재보다 직경이 작은 제2 봉재를 제조하는 것을 특징으로 하는 이중구조의 봉재를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 동 분말과 탄소나노튜브 분말을 동 기지 또는 동합금 기지에 삽입하여 기계적합금(mechanical alloying)을 실시하여 동-탄소나노튜브 복합분말을 제조하고 열간 진공 가압하여 소결체를 제조하는 제1 단계와, 소결체를 열간 압출한 후 급냉화시키는 용체화열처리를 실시하여 제1 봉재를 제조하는 제2 단계와, 제1 봉재를 냉간 인발하여 제1 봉재보다 직경이 작은 제2 봉재를 제조하는 제3 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중구조의 봉재를 제조하는 방법을 제공할 수도 있을 것이다.
또한, 본 발명은 전술한 실시예로부터 동 기지 또는 동합금 기지에 삽입된 동 분말과 탄소나노튜브 분말의 기계적 합금 및 열간 진공 가압에 의하여 제조된 소결체가 열간 압출 및 냉간 인발된 봉재를 포함하며, 봉재는 일측이 냉간 단조되어 내부 공간이 형성된 동 또는 동합금의 몸체와, 동 또는 동합금의 몸체 단부가 둥글게 기계 가공과 시효경화 열처리 및 표면 처리되어 동 또는 동합금의 몸체 길이 방향을 따라 중앙에 배치된 동-탄소나노튜브의 복합체를 포함하는 이중 구조의 용접용 팁을 제공할 수도 있음은 물론이다.
우선, 제1 단계에서 동 분말의 입경은 50 내지 200㎛이며, 탄소나노튜브 분말은 동 기지 또는 동합금 기지의 충중량에 대하여 3 내지 8중량%인 것이 바람직하다.
그리고, 제1 단계에서 동-탄소나노튜브 복합분말은 동, 동합금 또는 동99%-크롬1%합금의 용기에 투입되고 열간 진공 가압되어 소결체로 제조되는 것이다.
여기서, 제1 단계에서 동-탄소나노튜브 복합분말은 환원성 진공 또는 중성 진공 분위기 하에서 800 내지 950℃, 0.5 내지 3ton/㎠의 가압력으로 열간 진공 가압되는 것이 바람직하다.
이때, 제1 단계에서 소결체를 포함한 용기는 외경 150 내지 250mm, 길이 400 내지 800mm의 원기둥 형상이며, 용기에 대한 소결체의 비율은 1/2 내지 1/3인 것이 바람직하다.
한편, 제2 단계에서 소결체는 900내지 980℃의 온도하에서 5 내지 10ton/㎠의 압력으로 가압되고, 10 내지 50mm/sec의 속도로 열간 압출되어 제1 봉재로 제조되는 것이 바람직하며, 소결체는 1/30 내지 1/60의 압출비로 열간 압출되어 외경 25 내지 50mm인 제1 봉재가 제조되는 것이다.
또한, 제3 단계에서 제1 봉재는 바람직하게는 1/15 내지 1/50의 단면 감소율에 5 내지 20m/min의 속도로 냉간 인발되어 외경 8 내지 25mm인 제2 봉재가 제조되는 것이다.
상기와 같이 본 발명은 동 분말과 탄소나노튜브 분말을 동 기지 또는 동합금 기지 내에 혼합하여 열간 진공 가압하고, 열간 압출 후 냉간 인발하여 동 또는 동합금 봉의 내부에 동-탄소나노튜브 복합분말이 소결체로 형성된 이중구조의 봉재를 이용하여 고강도에 도전성이 우수하면서 내열성 및 자기윤활성까지 우수한 저항용접용 전극(Cap Tip) 또는 아크용접용 팁(Contact Tip)을 획득할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중구조의 봉재를 제조하는 방법을 나타낸 블록선도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중구조의 봉재를 제조하는 방법으로부터 제조된 봉재의 구조를 나타낸 개념도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중구조의 봉재를 제조하는 방법 중에서 제1 단계를 통하여 제조된 소결체가 포함된 동합금 용기의 구조를 나타낸 단면 개념도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중구조의 봉재를 제조하는 방법 중에서 제2 단계에 따른 열간 압출에 의하여 제1 봉재를 제조하는 상태를 나타낸 단면 개념도
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중구조의 봉재를 제조하는 방법을 통하여 제조된 제2 봉재로부터 추가 공정을 실시한 후 제조된 저항용접용 전극의 구조를 나타낸 단면 개념도
이하, 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중구조의 봉재를 제조하는 방법을 나타낸 블록선도이다.
본 발명은 크게 제1 단계(S1)를 통하여 제조된 소결체로부터 제1 봉재를 제조하는 제2 단계(S2)가 실시된 후, 제1 봉재로부터 제2 봉재를 제조하는 제3 단계(S3)를 포함하는 것을 파악할 수 있다.
제1 단계(S1)에서는 동(銅) 분말과 탄소나노튜브 분말을 동 기지 또는 동합금 기지에 삽입하여 기계적합금(mechanical alloying)을 실시하여 동-탄소나노튜브 복합분말을 제조하고 열간 진공 가압하여 소결체를 제조하게 된다.
제2 단계(S2)에서는 제1 단계(S1)에서 제조된 소결체를 열간 압출한 후 급냉화시키는 용체화열처리를 실시하여 제1 봉재를 제조하게 된다.
이후, 제3 단계(S3)에서는 제2 단계(S2)에서 제조된 제1 봉재를 냉간 인발하여 제1 봉재보다 직경이 작은 제2 봉재를 제조함으로써 제2 봉재를 이용한 저항용접용 전극(Cap Tip) 또는 아크용접용 팁(Contact Tip)을 제조할 준비가 완료되는 것이다.
제2 봉재(20)는 도 2와 같이 동 또는 동합금층(21) 내부에 동-탄소나노튜브 분말로부터 형성된 복합체(22)가 형성된 이중 구조임을 알 수 있다.
제3 단계(S3)가 완료되면, 제3 단계(S3)에서 제조된 제2 봉재를 냉간 단조하고, 기계 가공하여 시효경화 열처리한 후, 표면 처리하여 용접용 팁(Tip)을 제조하는 공정이 추가로 실시될 수 있을 것이다.
본 발명은 상기와 같은 실시예의 적용이 가능하며, 다음과 같은 다양한 실시예의 적용 또한 가능함은 물론이다.
우선, 제1 단계(S1)에서 후술할 소결체의 도전성 및 기계적 강도의 향상을 위하여 동 분말의 입경은 50 내지 200㎛이며, 탄소나노튜브 분말은 동 기지 또는 동합금 기지의 충중량에 대하여 3 내지 8중량%인 것이 바람직하다.
그리고, 제1 단계(S1)에서 동-탄소나노튜브 복합분말은 동, 동합금 또는 동99%-크롬1%합금의 용기에 투입되고 열간 진공 가압됨으로써 소결체로 제조된다.
여기서, 동-탄소나노튜브 복합분말은 구체적으로는 환원성 진공 또는 중성 진공 분위기 하에서 800 내지 950℃, 0.5 내지 3ton/㎠의 가압력으로 열간 진공 가압됨으로써 소결체가 되는 것이다.
이때, 도 3과 같이 소결체(2)를 포함한 용기(1)는 외경 150 내지 250mm, 길이 400 내지 800mm의 원기둥 형상이며, 용기(1)에 대한 동-탄소나노튜브 복합분말로부터 제조된 소결체(2)의 비율은 후술할 제2 단계(S2) 및 제3 단계(S3)로부터 각각 제조될 제1, 2 봉재의 기계적 강도와 도전성 및 내열성 향상을 위하여 1/2 내지 1/3인 것이 바람직하다.
용기(1)의 일단부에는 동-탄소나노튜브 복합분말을 투입한 후 용기(1)와 동일한 재질의 마감편(1")으로 밀봉한 다음, 마감편(1")과 용기(1)의 일단부 가장자리를 용접으로 마무리하며(부호 3은 용접부임), 용기(1)의 타단부에는 제2 단계(S2)의 열간 압출시 용이한 압출을 위하여 경사면(1')을 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 제2 단계(S2)에서 소결체(2)를 포함한 용기(1)는 도 4와 같이 열간 압출용의 컨테이너 슬리브(30)에 투입되고, 컨테이너 슬리브(30)로부터 삽입되는 램(50)의 가압력으로써 내부에 경사면(40')을 구비한 다이스(40)의 압출홀(40")을 통하여 압출되면, 제1 봉재(10)로 제조되는 것이다.
여기서, 소결체(2)를 포함한 용기(1)는 기계적 강도와 도전성 및 내열성 향상을 위하여 900내지 980℃의 온도하에서 5 내지 10ton/㎠의 압력으로 가압되고, 10 내지 50mm/sec의 속도로 압출되는 것이 바람직하다.
이때, 소결체(2)를 포함한 용기(1)는 1/30 내지 1/60의 압출비로 열간 압출되어 외경 25 내지 50mm인 제1 봉재(10)가 되는 것이다.
한편, 제3 단계(S3)에서 제1 봉재(10)는 1/15 내지 1/50의 단면 감소율에 5 내지 20m/min의 속도로 냉간 인발됨으로써 외경 8 내지 25mm인 제2 봉재(20, 도 2 참고)가 되는 것이다.
따라서, 전술한 각 단계(S1, S2, S3)를 통하여 제조된 제2 봉재(20)로부터 추가 공정에 의하여 제조된 전극용 팁 중 저항용접용 전극(Cap Tip, 70)은 도 5와 같이 냉간 단조되어 내부 공간을 형성한 동 또는 동합금의 몸체(71) 중앙에 동-탄소나노튜브의 복합체(72)가 배치된 구조로 되어 있음을 알 수 있다.
본 출원인의 실험에 따르면 저항용접용 전극(70)은 도전율(IACS%)이 75 내지 90%이며, 경도(HBR)는 75 내지 90에, 인장강도(psi)는 70,000 내지 85,000이고, 항복강도(psi)는 70,000 내지 90,000로, 종래의 CCZ합금, CC합금, 또는 Cu-Al2O3 분산강화동을 이용한 전극에 비하여 우수한 물성을 지닌 것을 파악할 수 있었다.
이상과 같이 본 발명은 고강도에 도전성이 우수하면서 내열성 및 자기윤활성까지 우수한 동 또는 동합금 봉재를 획득할 수 있도록 하는 이중구조의 봉재를 제조하는 방법 및 이로써 제조된 용접용 팁을 제공하는 것을 기본적인 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다.
그리고, 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서 당해 업계 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형 및 응용 또한 가능함은 물론일 것이다.
10...제1 봉재 20...제2 봉재
21...동합금층 22...복합체
30...콘테이너 슬리브 40...다이스
50...램 70...저항용접용 전극
71...동합금의 몸체 72...복합체(동-탄소나노튜브)
S1...제1 단계 S2...제2 단계
S3...제3 단계

Claims (10)

  1. 동(銅) 분말과 탄소나노튜브 분말을 동 기지 또는 동합금 기지 내에 혼합한 후 열간 진공 가압하여 형성된 소결체를 열간 압출하고 용체화열처리를 하여 얻어진 제1 봉재를 냉간 인발하여 상기 제1 봉재보다 직경이 작은 제2 봉재를 제조하는 것을 특징으로 하는 이중구조의 봉재를 제조하는 방법.
  2. 동 분말과 탄소나노튜브 분말을 동 기지 또는 동합금 기지에 삽입하여 기계적합금(mechanical alloying)을 실시하여 동-탄소나노튜브 복합분말을 제조하고 열간 진공 가압하여 소결체를 제조하는 제1 단계;
    상기 소결체를 열간 압출한 후 급냉화시키는 용체화열처리를 실시하여 제1 봉재를 제조하는 제2 단계; 및
    상기 제1 봉재를 냉간 인발하여 상기 제1 봉재보다 직경이 작은 제2 봉재를 제조하는 제3 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중구조의 봉재를 제조하는 방법.
  3. 동 기지 또는 동합금 기지에 삽입된 동 분말과 탄소나노튜브 분말의 기계적 합금 및 열간 진공 가압에 의하여 제조된 소결체가 열간 압출 및 냉간 인발된 봉재를 포함하며,
    상기 봉재는,
    일측이 냉간 단조되어 내부 공간이 형성된 동 또는 동합금의 몸체와,
    상기 동 또는 동합금의 몸체 단부가 둥글게 기계 가공과 시효경화 열처리 및 표면 처리되어 상기 동 또는 동합금의 몸체 길이 방향을 따라 중앙에 배치된 동-탄소나노튜브의 복합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중구조의 봉재를 제조하는 방법으로 제조된 용접용 팁.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 단계에서,
    상기 동 분말의 입경은 50 내지 200㎛이며, 상기 탄소나노튜브 분말은 동 기지 또는 동합금 기지의 충중량에 대하여 3 내지 8중량%인 것을 특징으로 하는 이중구조의 봉재를 제조하는 방법.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 단계에서,
    상기 동-탄소나노튜브 복합분말은 동, 동합금 또는 동99%-크롬1%합금의 용기에 투입되고 열간 진공 가압되어 소결체로 제조되는 것을 특징으로 하는 이중구조의 봉재를 제조하는 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 단계에서,
    상기 동-탄소나노튜브 복합분말은 환원성 진공 또는 중성 진공 분위기 하에서 800 내지 950℃, 0.5 내지 3ton/㎠의 가압력으로 열간 진공 가압되는 것을 특징으로 하는 이중구조의 봉재를 제조하는 방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 단계에서,
    상기 소결체를 포함한 상기 용기는 외경 150 내지 250mm, 길이 400 내지 800mm의 원기둥 형상이며,
    상기 용기에 대한 상기 소결체의 비율은 1/2 내지 1/3인 것을 특징으로 하는 이중구조의 봉재를 제조하는 방법.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 단계에서,
    상기 소결체는 900내지 980℃의 온도하에서 5 내지 10ton/㎠의 압력으로 가압되고, 10 내지 50mm/sec의 속도로 열간 압출되어 상기 제1 봉재로 제조되는 것을 특징으로 하는 이중구조의 봉재를 제조하는 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2 단계에서,
    상기 소결체는 1/30 내지 1/60의 압출비로 열간 압출되어 외경 25 내지 50mm인 상기 제1 봉재가 제조되는 것을 특징으로 하는 이중구조의 봉재를 제조하는 방법.
  10. 청구항 2에 있어서,
    상기 제3 단계에서,
    상기 제1 봉재는 1/15 내지 1/50의 단면 감소율에 5 내지 20m/min의 속도로 냉간 인발되어 외경 8 내지 25mm인 상기 제2 봉재가 제조되는 것을 특징으로 하는 이중구조의 봉재를 제조하는 방법.
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