KR101414352B1

KR101414352B1 - 금속재 브레이징용 페이스트 대체 코팅 및 그에 따른 금속재 접합 방법

Info

Publication number: KR101414352B1
Application number: KR1020130059440A
Authority: KR
Inventors: 김상권; 이재훈; 여국현
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2013-05-27
Filing date: 2013-05-27
Publication date: 2014-07-02

Abstract

본 발명은 브레이징으로 서로 접합하고자 하는 스테인레스스틸 표면에 브레이징 파우더와 페이스트를 사용하는 대신에, 니켈, 크롬 및 붕소를 함유한 실린더형 타겟을 중공 음극 방전으로 스퍼터링 하여 접합면에 코팅층을 형성하고, 상기 코팅층으로 된 접합면에 다른 스테인레스 스틸을 접합시킨 후, 어닐링 함으로써 스테인레스 스틸의 접합을 완성하는 것을 특징으로 하는 스테인레스 스틸 접합 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 브레이징용 페이스틀 사용하지 않아 매우 친환경적이고 중공 음극 방전 공정에 의해 접합 품질의 향상 및 생산성이 향상되는 장점이 있다.

Description

금속재 브레이징용 페이스트 대체 코팅 및 그에 따른 금속재 접합 방법{METAL COATING FOR REPLACING BRAZING PASTE AND METHOD OF JOINING METAL THEREBY}

본 발명은 금속재 접합 방법에 관한 것으로, 특히, 브레이징으로 접합하여야 하는 스테인레스스틸 부재 간 접합 기술에 관한 것이다.

금속 부재들간 접합이 필요한 경우, 용접이 일반적이나 용접으로 접합 되지 않는 금속 재들 간에는 브레이징으로 금속재들을 접합한다. 대표적으로 실생활에 많이 사용되는 스테인레스 부품의 경우 브레이징으로 접합하고 있으며, 이때 브레이징을 위한 보론 함유 니켈계 브레이징재는 현재 전량 해외 수입된 파우더 소재를 이용하거나, 유기물 계 페이스트(paste)제품이 사용되고 있다. 일본공개특허제2007-245608(2007년 9월27일 공개)에서도 파우더에 의한 스테인레스스틸재의 브레이징 기술을 기재하고 있다.

브레이징을 위해 유기용매를 사용하는 경우 유기물에 의해 제품화하는 과정 중에 유독가스가 발생 되는 문제점이 있어 수용성 바인딩 제품을 개발하고 있다. 그러나, 유기물 바인더는 그 모든 제품이 탄소를 함유하기 때문에 제품화한 경우 브레이징 부위가 취약하다는 것이 문제된다.

이에 따라 보론이 함유된 니켈베이스 브레이징재를 멜트스피닝법을 이용하여 비정질 스트립으로 제조하는 공법도 사용 중이나 이는 원천적으로 보론이 함유된 수입 금속분말을 이용하여 제품을 제작하는 공정이고, 분말의 소모량에 비해 수율이 떨어져 가격이 매우 고가라는 단점이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 금속 부재를 접합하는 브레이징용 페이스트를 대체할 수 있는 새로운 금속재 접합 방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적에 따라 본 발명은 본 발명은 브레이징으로 서로 접합하고자 하는 스테인레스스틸 표면에 브레이징 파우더와 페이스트를 사용하는 대신에, 니켈, 크롬 및 붕소를 함유한 실린더형 타겟을 중공 음극 방전으로 스퍼터링 하여 접합면에 코팅층을 형성하고, 상기 코팅층으로 된 접합면에 다른 스테인레스스틸을 접합시킨 후, 어닐링 함으로써 스테인레스스틸의 접합을 완성하는 것을 특징으로 하는 스테인레스스틸 접합 방법을 제공한다.

즉, 본 발명은, 니켈, 크롬, 보론 및 고체 윤활제를 포함한 중공형 타겟을 제작하고, 할로우 캐소드 방전을 일으켜 스테인레스스틸 표면에 코팅층을 형성하고, 상기 코팅층이 형성된 면을 접합면으로 하여 스테인레스스틸들을 접합시키고 어닐링 함으로써 스테인레스스틸의 접합을 완성하는 것을 특징으로 하는 금속재 접합 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 스테인레스스틸 접합에 사용되던 브레이징용 페이스트나 파우더를 전혀 사용하지 않고 접합면을 코팅층으로 형성하기 때문에 공정이 친환경적이며, 상대적으로 저가공정이 되므로 경제적 유익이 있다.

또한, 본 발명의 방법은 브레이징 페이스트를 도포하는 것에 비해 스퍼터링에 의한 코팅층 형성이 더욱 신속하고 편리하게 처리될 수 있어 생산성이 좋다.

도 1은 본 발명 공정 순서를 설명하는 모식적인 순서도이다.
도 2는 본 발명에 사용되는 중공 타깃의 설계를 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명에 사용되는 중공 타깃의 취급상의 편의를 도모한 단편형 중공 타깃의 설계를 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명에 사용되는 중공 타깃을 사용한 스퍼터 소스 구조를 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명에 사용되는 전자석에 의해 형성되는 마그네틱 필드의 세기를 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 코팅층 형성을 위한 스퍼터링 과정을 보여주는 사진이다.
도 7은 본 발명에 따라 실시한 DSC(differential scanning calorimetry)에 의한 코팅층의 열분석 결과를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해, 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 전체적인 공정을 나타내는 모식적인 순서도 이다.

먼저, 스테인레스스틸 부재 간 접합면에 브레이징용 페이스트 대신 코팅층을 형성하기 위해 타깃을 제작한다. 브레이징을 위해 접합면에 골고루 분포되어야 하는 파우더가 고정되도록 도포 되는 페이스트를 사용하는 대신 파우더와 비슷한 성분의 타깃을 제작한 후, 이를 스퍼터링 하여 접합면에 코팅층을 형성하면 페이스트 없이 물리적인 힘으로 파우더 수준의 스퍼터링 된 입자가 부착고정되기 때문이다.

따라서 코팅층이 형성된 접합면에 다른 스테인레스스틸 부재를 접합시킨 후 가열로 안에서 어닐링 하면 브레이징에 의해 접합 된 것과 동일하게 접합 된다.

이와 같은 새로운 브레이징 방법을 사용하기 위하여 제작되는 타깃은 스퍼터링 후 접합 면에 일정량 이상의 니켈과 크롬 그리고 보론이 함유되어 있어야 바람직하다. 따라서 타겟을 구성할 분말의 조성을 조절하여 재료를 믹싱한 후 성형하고, 이를 소결하여 타겟을 제조한다. 타깃의 형상에 대해서는 후술하겠지만 공정 효율 등을 고려하여 실린더형으로 제작한다.

타깃의 조성은 니켈, 크롬, 붕소, 고체윤활제로 하며, 이중 니켈 함량이 높은 고 니켈 타깃으로 구성하여 80 내지 90 중량부를 차지하게 하고, 크롬은 10 내지 20 중량부, 붕소는 3 내지 10 중량부, 고체윤활제는 1 내지 2 중량부로 한다.

이들은 분말 형태로 혼합하고 실린더형으로 성형하여 보론 8%의 경우 500 내지 540℃, 4%인 경우는 800℃ 내외로 소결하여 제작된다.

타깃 제작의 실시예로서, 붕소 함량이 4중량%인 4% 보론 첨가 타겟으로서는 Ni/Cr/B/SA=1660/240/80/20(g)로 하여 성형 후 14mm두께의 타겟 무게는 87g/ea 정도이며 이때 밀도는 5.2g/cm³였다. 또한, 8중량%보론 첨가 타겟은 Ni/Cr/B/SA=1620/200/160/20(g)의 함유량으로 조성을 맞추어 믹싱하였다.

소결 조건은 질소 5m³/hr + AX가스 13 m³/hr로 흘린 상태에서 800℃, 730, 600, 540, 500℃의 조건으로 시험 되었으며, 4중량%보론 함유 타겟의 경우 800℃로 제작된 것이 최적 성형조건임을 알 수 있었고, 8중량%의 경우 같은 온도에서는 완전히 포러스하면서 밀도변화가 심하며 동시에 일부가 녹아내리는 현상이 발생 되므로 500℃ 내지 540℃에서 제작되는 것이 바람직함을 알았다.

타깃의 형상은 코팅층 형성 공정에서 코팅층 형성의 생산성과 브레이징 품질에 영향을 줄 수 있는 코팅층의 박막 밀도와 균일도 등을 고려하여 결정될 수 있으며, 본 발명에서는 중공 음극방전(hollow cathode discharge)을 위해 실린더형으로 제작되었다. 특히, 고 니켈 크롬이 함유된 타겟은 중공 음극 방전을 위해 길이를 원주보다 크게 하며, 예로서 1.75:1의 비로 설계되었다. 상기 길이: 원주 비율은 1.5~2.5:1일 수 있으며, 도 2에는 타깃 전체로서의 바람직한 길이를 보여주며, 도 3에는 도 2에 비해 짧은 길이의 실린더형 타깃을 보여준다. 고 니켈 및 크롬이 함유된 소재의 경우 도 2와 같은 크기의 타겟(100)을 성형하면 이후 인출이 어려운 문제가 있어, 이를 용이하도록 위해 도 3과 같이 짧은 길이의 타깃 단편(200)을 다수로 하여 총 길이를 도 2의 것과 같게 한다. 타깃은 마그넷 코일 내부에 실린더 타겟이 삽입될 수 있도록 그 내외부를 연마 가공하여 스테인레스 캔(can) 내부에 끼워 넣어(canning) 도 2의 길이와 동일한 길이로 제작된다. 타깃 단편들을 캐닝하여 상기와 같은 비율의 실린더 타깃으로 구성하는 것은 다음과 같은 유익이 있다.

즉, 단편 상태의 타깃을 사용할 경우, 스퍼터링을 일으킬 플라즈마 분포 조절을 위한 마그네틱 필드를 균일하게 형성시키기 어려우며, 타깃의 냉각 또한 용이하지 않아 그로 인해 스퍼터링 도중 타깃이 균열 되거나 깨어질 수 있다. 따라서 타깃 단편을 캔 안에 다수 적재하여 상당한 길이를 갖는 실린더형 타깃으로 제작함은 마그네틱 필드의 균일한 분포 형성과 타깃의 냉각을 모두 용이하게 한다.

이와 같이 캐닝하여 제작된 타깃은 도 4와 같이 전자석(영구자석으로 대체 가능)에 대해 중심부에 배치되어 스퍼터링 소스를 구성한다. 스퍼터링 공정 중 타깃의 외부를 냉각하면서 마그네틱 필드를 형성하여 고밀도의 스퍼터링이 일어나게 한다. 마그네틱 필드의 세기는 코일 길이에 따라 도 5와 같이 변하며, 스퍼터링 공정의 효율을 위해 이러한 변화를 참조하여 코일을 배치할 수 있다. 도 6에는 스퍼터링 공정을 촬영한 사진을 수록하였다.

스퍼터링 소스 맞은 편에 코팅층을 형성할 스테인레스스틸 부재의 접합면이 오도록 부재를 배치하고, 중공 음극 방전으로 스퍼터링을 실시하여 접합면에 코팅층을 형성한다. 여기서 타깃은 음극, 챔버 벽면은 양극으로 작용하게 된다.

중공 음극 방전으로 접합면에 형성되는 코팅층에는 높은 비율의 니켈과 상당한 비율의 크롬 그리고 미량의 붕소가 포함되게 된다. 접합 되는 두 부재의 접합면 중 어느 한 면만 코팅 층을 형성하여도 충분하나 양면에 모두 형성되어도 좋다.

코팅층이 형성된 부재 접합면에 상대부재를 접하게 하고 가압한 후 가열로에 넣어 1000 내지 1200℃, 바람직하게는 1180℃ 부근에서 5~10분 정도를 가열하여 브레이징이 완료된다.

도 7은 본 발명의 코칭층에 대해 실시한 DSC(differential scanning calorimetry)에 의한 열분석 결과를 나타내는 그래프이다.

상기와 같이하여 스테인레스 제품의 브레이징에 있어서 본 발명자들에 의해 설계 및 제작된 HCD 타깃과 HCD 스퍼터링법으로 진공에서 코팅된 각종 공구 및 부품을 유무기 바인더가 없는 코팅층을 접합면으로 함으로써 고가의 보론 함유 니켈계 분말을 사용하지 않는 브레이징 처리가 가능하다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

100: 타깃
200: 타깃 단편

Claims

니켈, 크롬, 붕소 및 고체윤활제를 포함하는 실린더형 타깃을 제작하는 단계;
상기 실린더형 타깃을 중공 음극 방전으로 스퍼터링하여 접합할 스테인레스스틸 부재의 접합면에 코팅층을 형성하는 단계;및
코팅층이 형성된 접합면에 다른 스테인레스스틸 부재를 부착하여 가열로 안에서 브레이징 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속재 접합 방법.
제1항에 있어서, 상기 타깃은, 니켈과 붕소를 포함한 니켈 보론 합금재를 프레스를 이용하여 다수의 실린더형 단편으로 성형되고 캔의 내부에 상기 단편들이 적재되는 캐닝(canning) 과정을 통해 전체로서 실린더형 타깃을 이루며, 상기 타깃 주변에 균일한 전계와 자계를 형성하여 스퍼터링이 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속재 접합 방법.
제2항에 있어서, 상기 캐닝 된 실린더형 타깃의 길이:원주 비율은 1.5~2.5:1인 것을 특징으로 하는 금속재 접합 방법.
제1항에 있어서, 상기 타깃은 니켈; 크롬; 붕소; 고체윤활제의 조성비가 80 내지 90; 10 내지 20 중량부; 3 내지 10 중량부; 1 내지 2 중량부로 되는 것을 특징으로 하는 금속재 접합 방법.
제1항에 있어서, 상기 타깃은 500 내지 800℃에서 소결되며, 붕소 함량이 높아짐에 따라 소결 온도를 낮추는 것을 특징으로 하는 금속재 접합 방법.
제1항에 있어서, 브레이징은 코팅 후 부품과 혹은 코팅된 양면을 접촉하여 진공분위기내에서 1000 내지 1200℃ 정도에서 5 내지 10분 가열하여 실시되는 것을 특징으로 하는 금속재 접합 방법.
니켈; 크롬; 붕소; 고체윤활제의 조성비가 80 내지 90; 10 내지 20 중량부; 3 내지 10 중량부; 1 내지 2 중량부로 되고,
그 형상은 실린더형이며,
스테인레스스틸 브레이징을 위해 접합면에 코팅층을 형성하는 데 사용되는 것을 특징으로 하는 타깃.
제7항에 있어서, 상기 코팅층은 실린더형 타깃을 중공 음극으로 한 중공 음극 방전 스퍼터링에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 타깃.