KR101328488B1 - 알루미늄-구리 하이브리드 판재 및 이의 제조 방법 - Google Patents

알루미늄-구리 하이브리드 판재 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 알루미늄-구리 하이브리드 판재는, 구리(Cu)를 포함하는 금속플레이트를 연속적으로 이송하고, 상기 금속플레이트의 상면에 알루미늄(Al)을 포함하는 용탕을 분사하여 롤링(Rolling) 함으로써 제조된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 알루미늄-구리 하이브리드 판재의 제조 방법은, 구리(Cu)를 포함하는 금속플레이트를 하이브리드 판재 제조 장치의 해권수단에 설치하고, 알루미늄(Al)을 포함하는 용탕을 준비하며, 용탕 및 금속플레이트의 온도와 롤러의 회전속도를 세팅하는 장치세팅단계와, 상기 금속플레이트를 이송하는 플레이트이송단계와, 상기 금속플레이트 상면에 알루미늄(Al)을 포함하는 용탕을 분사하는 용탕분산단계와, 상기 금속플레이트 및 용탕을 동시에 롤링(Rolling)하여 알루미늄-구리 하이브리드 판재를 제조하는 롤링단계와, 상기 알루미늄-구리 하이브리드 판재를 권취하여 보관하는 보관단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

알루미늄-구리 하이브리드 판재 및 이의 제조 방법{A fabricating of sheet-type al-cu hybrid materials and Method for fabricating of it}
본 발명은 알루미늄-구리 하이브리드 판재 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고융점 소재인 구리 플레이트에 상대적으로 저융점 소재인 알루미늄 용탕을 분사한 후 저융점 소재의 용융 및 고융점 소재의 변형을 동시에 제어하여 계면 반응을 정밀 제어함으로써 계면 접합력이 향상되도록 한 알루미늄-구리 하이브리드 판재 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 두 가지 이상의 금속재료의 표면을 금속학적으로 접합하여 일체화시킨 적층형의 복합재료를 클래드재라 한다. 이때 수요자의 요구에 따라 모재를 적절히 조합해 사용하기 때문에 소재의 성능을 극대화시키고 고가의 소재를 절약할 수 있어 경제적으로도 큰 장점이 있다. 따라서, 소재의 조합이 점차 다양해지고 있으며 적용분야도 확대되고 있는 실정이다.
이 같은 클래드재는 가전제품, 자동차 부품, 원자력 및 석유 화학용 압력용기 등의 다양한 분야에 적용되고 있으며, 근래에 와서는 알루미늄, 티타늄, 구리 등 난접합성 소재군과도 클래드하여 사용되고 있고, 이들의 용도도 점차 확대되어 가고 있다.
지금까지 클래드재의 대표적인 제조방법은, 확산접합법, 폭발접합법, 열간롤압연법 등이 있다.
확산접합법은 두 판재를 진공 또는 불활성분위기 속에서 가열·가압하여 계면에서 확산을 일으켜 접합하는 방법으로, 접합부의 성능은 우수하나 시간이 많이 걸리며 제조원가가 매우 높아 경제성이 없다.
또한, 폭발접합법은 폭약이 폭발할 때 발생하는 고압력을 사용하여 접합하는 방법으로, 기술특성(소음문제)상 위험성이 높고 장소에 제약이 따르며 생산성이 낮은 배치(batch)형 공정이라 대량생산이 어려워 제조비용이 매우 높다는 문제점이 있다.
열간롤압연법은 가열로에서 가열된 두 판재를 이송대를 통하여 이송하여 압연기에서 압착하고 후열처리로에서 소둔처리하여 이종의 적층판재를 클래드재로 제조하는 방법으로, 제품을 가장 경제적이고 대량으로 상업 생산할 수 있다는 장점으로 많이 이용되고 있다.
그러나 대면적 연속 계면 접촉시 짧은 시간동안 비평형 반응에 의해 계면 조직과 물성이 결정되는 이종 금속 고유의 특징을 도외시한 채, 성능의 미세한 향상을 위한 다양한 후공정(역기계적 처리)를 수반해야 하는 단점이 있다.
상기 열간압접압연법을 이용한 클래드재를 제조하는 선행기술로는 일본 공개특허공보 소 54-3468호, 동 공보 평 7-303977, 동 공보 평8-118044호 등이 있다.
상기 일본 공개특허공보 소 57-3468호에는 알루미늄과 스테인레스강을 가열로에서 가열하되 스테인레스강을 비산화성분위기에서 보다 더 높은 온도로 가열하여 압연하여 압착하고, 이 압착된 판재를 400℃ 부근에서 소둔하여 스테인레스강/알루미늄 클래드재를 제조하는 방법이 제안되어 있다.
그러나, 이 방법은 비산화성 분위기에서 소재를 가열하므로 상업적으로 제품을 대량생산하는 라인에서는 경제성이 없다.
대한민국 등록특허 제0578511호에는 저항심용접법을 이용하여 제조되는 클래드 판재가 게시되어 있다.
저항심용접법은, 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 대형클래드 판재를 제조할 수 있으며, 설비가격 및 제조원가가 가장 저렴하다는 장점이 있다.
그러나, 이종 금속을 접합하는 경우 접합이 불충분하게 이루어질 뿐만 아니라 접합이 이루어진다고 하더라도 접합강도가 낮은 단점이 있다.
이러한 접합강도를 보완하기 위해 중간접합재를 삽입하여 저융점 공정 반응을 이용한 클래딩 기술이 개발되었으나, 이러한 클래딩 방법은 기존의 접합방법에서 이종 금속을 접합하는데 장시간이 소요되기 때문에 접합공정 중에 클래드금속과 모재의 계면 또는 클래드금속과 중간접합재 계면 또는 중간접합재와 모재의 계면에 취성이 강한 금속간 화합물이 생성될 수 있어서 품질이 낮아지게 되고, 제한적 성능을 갖게 되는 문제점이 있다.
또한 복잡한 공정과 고가의 장비가 요구되므로 비용이 증가하게 되어 적용 가능한 시장의 한계를 갖게 되는 문제점도 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고융점 소재로 이루어진 금속 플레이트에 저융점 소재로 이루어진 용탕을 분사한 후 저융점 소재의 용융 및 고융점 소재의 변형을 동시에 제어하여 계면 반응을 정밀 제어함으로써 높은 계면 접합강도를 갖도록 한 알루미늄-구리 하이브리드 판재 및 이의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명에 의한 알루미늄-구리 하이브리드 판재는, 구리(Cu)를 포함하는 금속플레이트를 연속적으로 이송하고, 상기 금속플레이트의 상면에 알루미늄(Al)을 포함하는 용탕을 분사하여 롤링(Rolling) 함으로써 제조된 것을 특징으로 한다.
상기 용탕과 금속플레이트는 2:1의 두께비를 갖도록 롤링됨을 특징으로 한다.
상기 알루미늄-구리 하이브리드 판재의 내부 계면에는 Al4Cu9, Al2Cu4, Al2Cu 상의 금속간화합물이 존재하는 것을 특징으로 한다.
상기 알루미늄-구리 하이브리드 판재는 7.6 N/㎜의 평균 계면 접합 강도를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 알루미늄-구리 하이브리드 판재의 제조 방법은, 구리(Cu)를 포함하는 금속플레이트를 하이브리드 판재 제조 장치의 해권수단에 설치하고, 알루미늄(Al)을 포함하는 용탕을 준비하며, 용탕 및 금속플레이트의 온도와 롤러의 회전속도를 세팅하는 장치세팅단계와, 상기 금속플레이트를 이송하는 플레이트이송단계와, 상기 금속플레이트 상면에 알루미늄(Al)을 포함하는 용탕을 분사하는 용탕분산단계와, 상기 금속플레이트 및 용탕을 동시에 롤링(Rolling)하여 알루미늄-구리 하이브리드 판재를 제조하는 롤링단계와, 상기 알루미늄-구리 하이브리드 판재를 권취하여 보관하는 보관단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 롤링단계에서, 상기 롤러는 40㎜/s 이상의 선속도로 회전하며, 상기 금속플레이트는 200℃ 이하를 유지함을 특징으로 한다.
상기 롤링단계 중, 상기 알루미늄-구리 하이브리드 판재의 내부 계면에는 Al4Cu9, Al2Cu4, Al2Cu 상의 금속간화합물이 형성됨을 특징으로 한다.
상기 롤링단계에서 상기 알루미늄-구리 하이브리드 판재는 7.6 N/㎜의 평균 계면 접합 강도를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 롤링단계에서 상기 용탕과 금속플레이트는 2:1의 두께비를 갖도록 롤링됨을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 알루미늄-구리 하이브리드 판재는, 고융점 소재로 이루어진 금속 플레이트에 저융점 소재로 이루어진 용탕을 분사한 후 저융점 소재의 용융 및 고융점 소재의 변형을 동시에 제어하여 계면 반응을 정밀 제어함으로써 제조된다.
따라서, 높은 계면접합력을 가지며, 대면적의 하이브리드 판재를 연속적으로 생산 가능한 이점이 있다.
또한 고가의 중간재를 사용하지 않고 공정수를 현저히 단축하여 낮은 제조 비용으로 하이브리드 판재의 제조가 가능한 이점이 있다.
즉, 기존 이종소재 제조 기술인 클래드 공정에 비해 높은 경제성으로 다기능 판재의 산업적 요구에 대응하는데 있어서 소재 가격이 장애 요인으로 작용하지 않도록 하는 산업적 요구에 부응 가능하다.
뿐만 아니라, 저융점 용탕의 온도, 롤러의 회전 속도, 금속 플레이트의 승온 온도 등의 공정 변수 조절에 의해 계면 유해상/확산층을 정밀 제어함으로써 접합강도, 성형성 및 강도가 향상된 하이브리드 판재의 제조가 가능하다.
도 1 은 본 발명에 의한 알루미늄-구리 하이브리드 판재의 실물 사진.
도 2 는 본 발명에 의한 알루미늄-구리 하이브리드 판재의 계면을 나타낸 광학현미경 미세 조직 사진.
도 3 은 본 발명에 의한 알루미늄-구리 하이브리드 판재의 계면 접합력 측정 결과를 나타낸 그래프.
도 4 은 본 발명의 실시예에 채택된 하이브리드 판재 제조 장치의 외관 구성을 보인 사시도.
도 5 는 본 발명의 실시예에 채택된 하이브리드 판재 제조 장치에서 일 구성인 분위기제어챔버의 내부 구성을 보인 종단면도.
도 6 은 본 발명의 실시예에 채택된 하이브리드 판재 제조 장치에서 일 구성인 용탕공급수단의 세부 구성을 보인 조립도.
도 7 은 본 발명의 실시예에 채택된 하이브리드 판재 제조 장치에서 일 구성인 용탕공급수단이 설치된 모습을 보인 결합도.
도 8 은 본 발명의 실시예에 채택된 하이브리드 판재 제조 장치에서 일 구성인 롤러조립체의 구성을 보인 정면도.
도 9 는 본 발명에 의한 알루미늄-구리 하이브리드 판재의 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 10 은 본 발명에 의한 알루미늄-구리 하이브리드 판재에 대한 비교예의 실험조건 및 실물 사진.
도 11 은 본 발명에 의한 알루미늄-구리 하이브리드 판재의 제조 방법에서 롤러의 선속도 및 금속 플레이트의 온도 변화에 따른 용탕의 온도 변화를 예측한 결과.
도 12 는 본 발명에 의한 알루미늄-구리 하이브리드 판재의 제조 방법에서 롤러의 선속도와 금속 플레이트의 온도 사이의 상관 관계를 확인하기 위한 결과.
도 13 은 본 발명에 의한 알루미늄-구리 하이브리드 판재의 제조 방법에서 최적의 실험 조건을 나타낸 표.
도 14 는 본 발명에 의한 알루미늄-구리 하이브리드 판재의 제조 방법에서 용탕 온도를 달리하여 제조된 알루미늄-구리 하이브리드 판재의 계면 광학 현미경 사진.
도 15 내지 도 18 은 발명에 의한 알루미늄-구리 하이브리드 판재의 계면 분석 위치 및 각 위치별 TEM 분석 결과 사진.
이하 첨부된 도 1을 참조하여 본 발명에 의한 알루미늄-구리 하이브리드 판재의 구성을 설명한다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1에는 본 발명에 의한 알루미늄-구리 하이브리드 판재의 실물 사진이 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명에 의한 알루미늄-구리 하이브리드 판재의 계면을 나타낸 광학현미경 미세 조직 사진이 도시되어 있다.
도면과 같이, 본 발명에 의한 알루미늄-구리 하이브리드 판재(H)는 저융점의 소재에 대한 용융 제어와, 고융점 판상 소재의 변형 제어를 고려하여 용융/변형을 동시 제어함으로써 대면적을 갖도록 제조된 것으로서, 본 발명의 실시예에서 금속 플레이트(P)는 구리판재가 채택되고, 저융점의 소재는 알루미늄을 포함하는 용탕이 채택되었다.
그리고, 상기 하이브리드 판재(H)는 금속플레이트(P)의 이송 속도 및 온도, 용탕의 온도 등을 제어함으로써 내부 계면에는 Al4Cu9, Al2Cu4, Al2Cu 상의 금속간화합물이 존재하며, 상기 용탕과 금속플레이트(P)는 2:1의 두께비를 갖도록 롤링된다.
상기와 같은 제어에 따라 상기 하이브리드 판재(H)는 도 3과 같이 7.6 N/㎜의 평균 계면 접합 강도를 갖게 된다.
도 3은 본 발명에 의한 알루미늄-구리 하이브리드 판재(H)의 계면 접합력 측정 결과를 나타낸 그래프로서, Roller Drum Peel Test(ASTM D3167)를 통해 얻어진 테스트 결과이다.
이하 첨부된 도 4를 참조하여 본 발명에 의한 하이브리드 판재(H)를 제조하기 위한 제조 장치의 구성을 설명한다.
도 4에는 본 발명에 의한 하이브리드 판재 제조 장치(이하 '판재 제조 장치'라 칭함)의 외관 구성을 보인 사시도가 도시되어 있다.
본 발명에 의한 판재 제조 장치는 판상의 금속플레이트(도 7의 도면부호 P 참조)를 분위기 및 온도를 정밀 제어하여 압연이 가능한 롤러(520)에 미리 장입해두고, 오버레이될 이종 금속 소재를 진공 상태에서 용해하여 금속플레이트(P)에 분사함과 동시에 롤링하여 하이브리드 판재(도 7의 도면부호 H 참조)의 제조가 가능하도록 하는 장치이다.
이를 위해 상기 판재 제조 장치는 금속플레이트(P)를 권취한 상태로 보관 및 공급하는 해권수단(100)과, 상기 해권수단(100)에서 공급되는 금속플레이트(P)를 내부에 수용하여 표면을 안정화하는 표면안정화수단(800)과, 상기 표면안정화수단(800)으로부터 제공받은 금속플레이트(P) 일면에 이종 금속(알루미늄)으로 이루어진 용탕을 공급하여 하이브리드 판재(H)를 제조하는 판재제조수단(200)과, 상기 판재제조수단(200)에서 제조된 하이브리드 판재(H)를 권취하는 권취수단(900)을 포함하여 구성된다.
상기 해권수단(100)은 금속플레이트(P)를 권취한 상태를 유지하다가 상기 권취수단(900)이 회전시에 당겨져 풀어지도록 구성된 것으로, 상기 해권수단(100)은 표면안정화수단(800)과 판재제조수단(200)에 일정 각도 기울어진 상태로 금속플레이트(P)를 공급하게 된다.
상기 해권수단(100)의 좌측에는 표면안정화수단(800)이 구비된다. 상기 표면안정화수단(800)은 이종 재질로 형성된 금속플레이트(P)와 용탕이 판재제조수단(200)에 의해 가압되어 하이브리드 판재(H)가 될 때 결합력을 향상시키기 위한 구성으로, 고상인 금속플레이트(P)의 표면을 선안정화하여 용탕과의 반응성을 향상시키게 된다.
상기 분위기제어챔버(300)의 좌측에는 권취수단(900)이 구비된다. 상기 권취수단(900)은 표면안정화수단(800)을 통과하면서 제조된 하이브리드 판재(H)를 보관하기 위한 구성으로, 다양한 실시예가 가능하며 본 발명의 실시예에서는 권취하여 보관할 수 있는 구조를 갖도록 하였다.
상기 판재제조수단(200)은 다수의 구성을 포함하여 구성되며, 외부와 단절된 상태를 유지하여 금속플레이트(P)와 용탕을 가압함으로써 하이브리드 판재(H)를 제조하게 된다.
즉, 상기 판재제조수단(200)의 내부는 권취수단(900)과 표면안정화수단(800) 및 해권수단(100)의 내부와 밀폐된 상태로 결합되어 연통하며, 첨부된 도 7과 같이 씰링플랜지(700)에 의해 밀폐 가능하게 된다.
상기 판재제조수단(200)의 구성을 첨부된 도 7을 참조하여 개략적으로 설명하면, 상기 판재제조수단(200)은 분위기제어챔버(300)는 표면안정화수단(800)으로부터 제공받은 금속플레이트(P)의 일면에 내부에서 용융되어 보관 중인 용탕을 분사 및 가압하여 하이브리드 판재(H)를 제조될 수 있도록 하는 공간을 형성하는 구성이다.
따라서, 상기 분위기제어챔버(300)는 내부가 외부로부터 단절된 상태를 유지할 수 있도록 구성되며, 선택적인 개방이 가능하도록 하기 위한 도어(320)가 구비된다.
그리고 도시되진 않았지만 상기 도어에는 내부에 용탕 공급 상태를 확인할 수 있도록 투명하게 구성된 확인창이 구비될 수 있다.
상기 분위기제어챔버(300)의 상측에는 용탕공급수단(400)이 구비된다. 상기 용탕공급수단(400)은 메인모터(540)에서 발생한 회전동력이 기어박스(560)에 의해 분위기제어챔버(300) 내부로 공급됨으로써 작동하는 롤러조립체(도 8의 도면부호 500) 일측에 용탕을 공급할 수 있도록 하는 구성이다.
이하 첨부된 도 8을 참조하여 판재 제조 장치의 세부 구성을 설명한다.
도 8에는 분위기제어챔버(300)의 내부 구성을 보인 종단면도가 도시되어 있다.
도면과 같이, 상기 분위기제어챔버(300) 내부에는 용탕공급수단(400)의 일부가 수용되어 있고, 상기 용탕공급수단(400)의 하측에는 롤러조립체(500)가 구비된다. 상기 롤러조립체(500)는 한 쌍의 롤러(520) 사이로 금속플레이트(P)를 이송하고, 상기 금속플레이트(P)의 상면에 용탕공급수단(400)으로부터 제공받은 용탕을 금속플레이트(P)와 함께 가압하여 하이브리드 판재(H)를 제조할 수 있도록 하는 구성이다.
이를 위해 상기 롤러(520)는 메인모터로부터 회전동력을 제공받을 수 있도록 구성된다. 즉, 상기 롤러(520)는 메인모터로부터 발생한 회전동력이 기어박스(560)에 전달되고, 상기 기어박스(560)는 두 개의 커플러(600)에 전달되어 회전속도가 제어되며, 상기 두 개의 커플러(600)에 각각 축결합된 한 쌍의 롤러(520)는 서로 다른 속도로 회전할 수 있게 된다.
이하 첨부된 도 6을 참조하여 상기 용탕공급수단(400)의 상세 구성을 설명한다.
도 6에는 용탕공급수단(400)의 세부 구성을 보인 조립도가 도시되어 있다.
도면과 같이 상기 용탕공급수단(400)은, 외부로부터 인가된 전원으로 발열하는 발열체(420)와, 상기 발열체(420)로부터 제공받은 열로 용탕을 형성 및 저장하는 도가니(440)와, 상기 도가니(440) 내부에 진공 분위기를 조성하는 진공조성부와, 상기 도가니(440) 내부에 불활성 가스를 제공하는 가스제공부와, 상기 도가니(440) 내부의 용탕을 판제 제조 수단 일측에 공급하는 노즐(460)을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
상기 발열체(420)는 도가니(440) 외측을 둘러싼 상태로 발열하여 도가니(440) 내부에 장입된 소재를 용융시키게 되며, 상기 도가니(440) 내부에 용융된 용탕은 노즐(460)을 통해 상기 롤러조립체(500)로 공급된다.
상기 진공조성부는 도가니(440) 내부에 진공 분위기를 조성하여 금속플레이트(P) 및 용탕의 표면 산화를 최소화하기 위한 구성으로, 상기 진공조성부는 도가니(440) 뿐만 아니라 상기 분위기제어챔버(300) 내부가 진공 상태가 될 수 있도록 구성됨이 바람직하다.
따라서, 상기 진공조성부는 분위기제어챔버(300)의 일측에 설치될 수도 있다.
상기 가스제공부는 진공 상태의 도가니(440) 내부 공간에 불활성 가스를 공급하기 위한 구성으로, 도가니(440)의 내압을 컨트롤하며, 용탕과의 반응이 발생하지 않도록 유지하는 역할을 수행한다.
상기 노즐(460)은 금속플레이트(P)의 상측에 용탕을 공급하기 위한 구성으로, 하단부는 한 쌍의 롤러(520) 사이에 근접하도록 배치되며, 상기 노즐(460)의 일측에는 스토퍼(462)가 구비된다.
상기 스토퍼(462)는 용탕의 주입량, 주입속도 등을 정밀하게 제어할 수 있도록 구성되어 상기 금속플레이트(P) 상면에 일정한 양의 용탕이 일정한 속도로 공급될 수 있도록 한다.
이하 첨부된 도 7를 참조하여 상기 용탕공급수단(400)과 롤러조립체(500)의 결합 관계를 설명한다.
도 7에는 상기 용탕공급수단(400)이 설치된 모습을 보인 결합도가 도시되어 있다.
도면과 같이, 상기 용탕공급수단(400)의 노즐(460)은 하측으로 갈수록 좌측 방향으로 기울기를 갖도록 경사지게 배치되며, 상기 롤러조립체(500)는 수직선에 대하여 상부가 좌측으로 회전한 상태를 유지하게 된다.
즉, 상기 롤러조립체(500)는 한 쌍의 롤러(520)의 회전 중심을 잇는 선분이 수직선에 대하여 일정 각도만큼 좌측으로 회전한 상태로 기울어져 있고, 상기 노즐(460)의 하단부는 한 쌍의 롤러(520)가 접하는 곳에 근접하도록 배치되어 용탕을 공급하게 된다.
그리고, 상기 한 쌍의 롤러(520)는 서로 반대방향으로 회전하여 용탕을 죄측 방향으로 이송하면서 가압하게 되며, 용탕을 가압시에 전도된 열은 냉각부를 구비하여 냉각하게 된다.
즉 상기 냉각부는 롤러(520) 내부를 경유하는 냉각수의 유로를 가리키는 것으로, 상기 냉각수는 유로를 따라 유동하여 롤러(520)의 열을 흡열함으로써 냉각시키게 된다.
그리고, 상기 한 쌍의 롤러(520)는, 상기 금속플레이트(P)와 접촉하는 하부롤러(524)와, 상기 하부롤러(524)의 상측에서 금속플레이트(P) 상면에 공급된 용탕과 접촉하여 가압하는 상부롤러(522)를 포함하여 구성된다.
이하 첨부된 도 8을 참조하여 상기 롤러조립체(500)의 상세 구성을 설명하기로 한다.
도 8에는 상기 롤러조립체(500)의 구성을 보인 정면도가 도시되어 있다.
도면과 같이, 상기 롤러(520)는 상측에 위치하여 상기 용탕을 하방향으로 가압하는 상부롤러(522)와, 상기 상부롤러(522)의 하측에서 상대적으로 큰 직경을 갖도록 구성된 하부롤러(524)를 포함하여 구성된다.
상기 상부롤러(522)와 하부롤러(524)는 서로 이격 거리가 조정 가능하도록 구성되며, 전술한 바와 같이 상기 상부롤러(522)는 하부롤러(524)의 회전 중심을 기준으로 도 7처럼 일정 각도만큼 수직선에 대하여 기울어지게 된다.
그리고, 상기 상부롤러(522)와 하부롤러(524)를 잇는 선분은 수직선에 대하여 일정한 각도 범위 내에서 각도 조정도 가능하도록 구성된다.
이를 위해 상기 상부롤러(522)와 하부롤러(524)는 롤러프레임(530)에 의해 회전 가능한 상태로 지지된다.
상기 롤러프레임(530)은 하부롤러(524)가 회전 가능하도록 지지하고, 상기 하부롤러(524)의 상측에 위치한 상부롤러(522)는 하부롤러(524)에 대하여 일정 높이만큼 직선 왕복운동할 수 있도록 지지하며, 상기 하부롤러(524)의 회전 중심을 기준으로 회전가능하도록 구성된다.
따라서, 상기 상부롤러(522)와 하부롤러(524)는 다양한 두께의 하이브리드 판재(H)의 제조가 가능하게 된다.
상기 상부롤러(522)와 하부롤러(524)의 외주면에는 성형부(526)가 구비된다. 상기 성형부(526)는 서로 형합 가능한 형상을 갖도록 함몰 또는 돌출된 것으로, 상기 성형부(526)가 근접하여 생간 공긴에는 상기 금속플레이트(P)와 용탕이 동시에 수용됨으로써 하이브리드 판재(H)가 제조될 수 있게 된다.
상기 상부롤러(522)와 하부롤러(524)가 인접하는 중앙부 후측에는 가이드(580)가 구비된다. 상기 가이드(580)는 표면안정화수단(800)으로부터 제공받은 금속플레이트(P)가 분위기제어챔버(300) 내부로 유입된 후 하부롤러(524)의 상면을 따라 이동하기 전에 처짐이 방지될 수 있도록 하는 구성으로, 상기 금속플레이트(P)의 하면을 상방향으로 지지한 상태로 회전하도록 구성된다.
이하 상기와 같이 구성되는 판재 제조 장치를 이용하여 알루미늄-구리 하이브리드 판재를 제조하는 방법을 도 9를 참조하여 설명한다.
도 9는 본 발명에 의한 알루미늄-구리 하이브리드 판재의 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
첨부된 도면과 같이, 상기 하이브리드 판재의 제조 방법은, 구리(Cu)를 포함하는 금속플레이트(P)를 하이브리드 판재 제조 장치의 해권수단에 설치하고, 알루미늄(Al)을 포함하는 용탕을 준비하며, 용탕 및 금속플레이트(P)의 온도와 롤러의 회전속도를 세팅하는 장치세팅단계(S100)와, 상기 금속플레이트(P)를 이송하는 플레이트이송단계(S200)와, 상기 금속플레이트(P) 상면에 알루미늄(Al)을 포함하는 용탕을 분사하는 용탕분산단계(S300)와, 상기 금속플레이트(P) 및 용탕을 동시에 롤링(Rolling)하여 알루미늄-구리 하이브리드 판재(H)를 제조하는 롤링단계(S400)와, 상기 알루미늄-구리 하이브리드 판재(H)를 권취하여 보관하는 보관단계(S500)로 이루어진다.
상기 롤링단계(S400)에서 상기 롤러는 40㎜/s 이상의 선속도로 회전하고, 상기 금속플레이트(P)는 200℃ 이하를 유지하도록 함이 바람직하며, 상기 장치세팅단계(S100)에서 용탕 및 금속플레이트(P)가 제어되어질 온도, 롤러의 회전 속도 등은 아래의 실험 결과를 토대로 설명하기로 한다.
그리고 상기 롤링단계(S400) 중에 알루미늄-구리 하이브리드 판재(H)의 내부 계면에는 Al4Cu9, Al2Cu4, Al2Cu 상의 금속간화합물이 형성되어 계면 접합력이 높아지며, 도 3과 같이 7.6 N/㎜의 평균 계면 접합 강도를 갖게 된다.
상기 롤링단계(S400)에서 상기 용탕과 금속플레이트(P)는 하이브리드 판재(H)상에서 2:1의 두께비를 갖도록 롤링됨이 바람직하며, 이러한 두께비의 한정 이유는 아래에서 상세히 하기로 한다.
이하 첨부된 도 10을 참조하여 비교예의 실험 조건 및 실물 사진을 살펴본다.
도 10은 본 발명에 의한 알루미늄-구리 하이브리드 판재(H)에 대한 비교예의 실험조건 및 실물 사진이다.
비교예는 노즐(460)의 슬릿 길이가 12㎜, 금속플레이트(구리 판재(H))의 진행 선속도가 30 ㎜/s, 구리 판재(H)의 온도가 500℃로 높을 때의 제조된 하이브리드 판재(H)로서, 전체적으로 구리 판재(H)가 필요 이상으로 높게 가열되어 표면 산화가 심각하게 발생함과 동시에, 용탕 토출 속도가 금속플레이트(P)의 진행 선속도 대비 너무 빠른 관계로 액상 용탕이 금속플레이트(P)에 잘 접합되지 못하고 alignment도 심각하게 틀어지는 등의 문제가 발생함을 확인할 수 있었다.
이에 따라 금속플레이트(P)의 온도 변화와 롤러의 선속도 변화에 따른 용탕의 온도 변화를 예측하였으며 도 11과 같다.
도 11은 본 발명에 의한 알루미늄-구리 하이브리드 판재(H)의 제조 방법에서 롤러의 선속도 및 금속 플레이트(P)의 온도 변화에 따른 용탕의 온도 변화를 예측한 결과이다.
도면과 같이, 금속플레이트(P)의 폭방향으로의 온도 균일도 및 롤러를 빠져나오는 위치(즉 하부 롤과 분리되는 위치)와 고상선/액상선 예측 결과의 위치를 동시에 고려하면, 금속플레이트(P)의 온도가 높을수록 선속도가 작아지는 경향을 예측할 수 있다.
그리고, 도 12는 본 발명에 의한 알루미늄-구리 하이브리드 판재(H)의 제조 방법에서 롤러의 선속도와 금속 플레이트(P)의 온도 사이의 상관 관계를 확인하기 위한 결과로서, 금속플레이트(P)의 온도가 낮으면 외곽부의 용탕 공급이 다소 원활하지 못할 수 있으나, 상당히 빠른 용탕 주입속도를 고려하면 높은 선속도에서도 응고쉘의 형성이 가능해져 하이브리드 판재(H) 제조에 유리할 수 있다.
따라서 저에너지 투입 연속 생산성 향상을 고려하면, 가능한 금속플레이트(P)의 온도를 낮추고 선속도를 높일 필요가 있다는 결론을 내릴 수 있다.
그리고, 도 12를 토대로 도 13과 같은 최적의 조건을 도출하였다.
즉, 상기 금속플레이트(P)의 온도는 200℃ 이하고 유지하고, 선속도는 70㎜/sec 이상을 유지하여야 하며, 용탕은 760℃의 온도를 유지할 때 도 3과 같은 계면 접합력을 가지는 하이브리드 판재(H)의 제조가 가능하다.
이하 도 14를 참조하여 상기 용탕의 온도 변화에 따른 확산 접합 상태의 변화를 비교해보면, 500℃ 의 접합 온도까지는 확산 접합이 불가능하였고, 550℃에서는 용탕의 용해없이 수㎛ 의 확산 접합 밴드를 형성함을 확인하였다.
즉, 550℃ 부터는 온도 증가에 따라 금속간화합물인 접합 밴드의 두께가 급격히 증가하는 현상을 확인할 수 있으며, 600℃ 부터는 내부 알루미늄(Al)의 국부 용융 현상이 발생하여, 수십㎛ 두께의 넓은 액상 유기 확산 계면이 형성되었다.
따라서, 상기 용탕은 550℃ 이상의 온도로 유지됨이 바람직하다.
도 15 내지 도 18 은 발명에 의한 알루미늄-구리 하이브리드 판재(H)의 계면 분석 위치 및 각 위치별 TEM 분석 결과 사진이다.
첨부된 도면과 같이, 도 15의 A(금속플레이트(P)와 새로 형성된 금속간화합물층의 경계)는 두 개의 다른 결정상 층이 연속적으로 결함 없이 건전하게 확산 접합되어 있음을 확인할 있고, DP 분석 결과 도 16과 같이 Al4Cu9 상으로 index할 수 있다.
도 15의 B에서의 계면 분석 image는 도 17과 같이, 두께 약 20㎛로 형성된 Al4Cu9 상에 접합된 얇은 금속간화합물층은 Al2Cu3 층으로 확인되었다.
반면 도 15의 C에서의 TEM 분석 결과는 도 18과 같이 국부 용융이 발생한 부분과 그렇지 않은 부분 모두 zone axis만 다를 뿐 Al2Cu 금속간화합물층으로 확인되었다.
이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정하지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.
100. 해권수단 200. 판재제조수단
300. 분위기제어챔버 400. 용탕공급수단
420. 발열체 440. 도가니
460. 노즐 462. 스토퍼
500. 롤러조립체 520. 롤러
522. 상부롤러 524. 하부롤러
526. 성형부 530. 롤러프레임
580. 가이드 600. 커플러
700. 씰링플랜지 800. 표면안정화수단
900. 권취수단 H. 하이브리드 판재
P . 금속플레이트 S100. 장치세팅단계
S200. 플레이트이송단계 S300. 용탕분사단계
S400. 롤링단계 S500. 보관단계

Claims (9)

  1. 구리(Cu)를 포함하는 금속플레이트를 연속적으로 경사지게 이송하고, 진공분위기에서 200℃이하로 유지된 금속플레이트의 경사진 상면에 알루미늄(Al)을 포함하는 550℃ 이상의 용탕을 분사하여 롤링(Rolling) 함으로써 용탕과 금속플레이트 사이에 Al4Cu9, Al2Cu4, Al2Cu 상의 금속간화합물을 포함하는 확산 접합 밴드가 구비됨을 특징으로 하는 알루미늄-구리 하이브리드 판재.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 용탕과 금속플레이트는 2:1의 두께비를 갖도록 롤링됨을 특징으로 하는 알루미늄-구리 하이브리드 판재.
  3. 삭제
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 알루미늄-구리 하이브리드 판재는 7.6 N/㎜의 평균 계면 접합 강도를 갖는 것을 특징으로 하는 알루미늄-구리 하이브리드 판재.
  5. 구리(Cu)를 포함하는 금속플레이트를 하이브리드 판재 제조 장치의 해권수단에 설치하고, 알루미늄(Al)을 포함하는 용탕을 준비하며, 용탕 및 금속플레이트의 온도와 롤러의 회전속도를 세팅하는 장치세팅단계와,
    상기 금속플레이트를 경사지게 이송하는 플레이트이송단계와,
    진공분위기에서 200℃이하로 유지된 금속플레이트의 상면에 550℃ 이상의 알루미늄(Al)을 포함하는 용탕을 분사하는 용탕분산단계와,
    상기 금속플레이트 및 용탕을 동시에 롤링(Rolling)하여 용탕과 금속플레이트 사이에 Al4Cu9, Al2Cu4, Al2Cu 상의 금속간화합물을 포함하는 확산 접합 밴드를 형성함으로써 알루미늄-구리 하이브리드 판재를 제조하는 롤링단계와,
    상기 알루미늄-구리 하이브리드 판재를 권취하여 보관하는 보관단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 알루미늄-구리 하이브리드 판재의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 롤링단계에서,
    상기 롤러는 40㎜/s 이상의 선속도로 회전하는 것을 특징으로 하는 알루미늄-구리 하이브리드 판재의 제조 방법.
  7. 삭제
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 롤링단계에서 상기 알루미늄-구리 하이브리드 판재는 7.6 N/㎜의 평균 계면 접합 강도를 갖는 것을 특징으로 하는 알루미늄-구리 하이브리드 판재의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 롤링단계에서 상기 용탕과 금속플레이트는 2:1의 두께비를 갖도록 롤링됨을 특징으로 하는 알루미늄-구리 하이브리드 판재의 제조 방법.
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