KR101814665B1 - Method for Manufacturing and Bonding the Different Composite Materials using Spark Plasma - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 방전 플라즈마를 이용한 이종복합소재의 제조 및 접합방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 우수한 내식성 및 강도를 나타낼 뿐만 아니라 기계적 특성이 우수한 이종복합소재를 제조 및 접합하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a process for producing and bonding a hetero-composite material using discharge plasma, and more particularly, to a process for manufacturing and bonding a hetero-composite material having excellent corrosion resistance and strength as well as excellent mechanical properties.
일반적으로 방전플라즈마를 이용한 소결법(Spark Plasma Sintering, SPS)은 분말을 1축으로 가압하면서 가압방향과 평행한 방향으로 직류펄스전류를 인가하여 소결하는 방법인데, 분체 입자간의 틈새에 압력과 저전압 및 대전류를 투입하고 이때 발생하는 스파크(Spark)에 의해 순식간에 발생하는 플라즈마(Plasma)의 고에너지를 전계확산, 열확산 등에 응용한 소결법이다. 종래의 열간압축법(Hot Press)에 비해서, 소결온도가 200 ~ 500 ℃ 더 낮고, 승온 및 유지시간을 포함하여 단시간에 소결을 완료할 수 있기 때문에 전력소비가 크게 줄며, 취급이 간편하고, 러닝코스트가 저렴하고, 소결기술에 대한 숙련이 필요하지 않고, 난소결재 및 고온에서 가공이 어려운 재료들에 대해서도 적용이 가능하다.In general, Spark Plasma Sintering (SPS) using a discharge plasma is a method of sintering by applying a DC pulse current in a direction parallel to a pressing direction while pressing the powder in one axis. In this method, pressure, low voltage, And the high energy of the plasma generated instantaneously by the spark generated at this time is applied to electric field diffusion, thermal diffusion and the like. The sintering temperature can be lowered by 200 to 500 占 폚 and the sintering can be completed in a short time including the temperature rise and the holding time as compared with the conventional hot pressing method (Hot Press), so that the power consumption is greatly reduced, It is possible to apply it to materials which are inexpensive in cost, do not require skill in sintering technology, and are difficult to process at ovary solubility and high temperature.
최근, 상기 방전 플라즈마를 응용하여 분말의 소결 뿐만 아니라 금속 접합 기술로의 적용이 진행되고 있다. 플라즈마를 이용한 접합은 소결과 같이 접합물을 가압하면서 직접 펄스전류를 통해 발생하는 열을 이용하여 가열함으로써 수행한다. 이 때, 확산한 원자에 의해 재료 간에 새로운 금속 결합이 형성되고 접합된다.In recent years, application of the discharge plasma as well as sintering of powders as a metal bonding technique has been proceeding. Plasma bonding is performed by heating the joint using a heat generated through a direct current while pressing the joint, such as sintering. At this time, new metal bonds are formed and bonded between the materials by the diffused atoms.
한편, 스테인레스강(또는, 스테인레스강)은 내식성과 내열성 등의 특성이 우수하여 원자력산업, 화력발전, 석유화학, 자동차, 토목건축 등 다양한 분야에서 광범위하게 활용되고 있다. 이와 같은 스테인레스강은 사용 환경과 용도에 따른 기계적 성능과 내식성이 개선되었고, 이에 따라 여러 종류의 스테인레스강이 개발되었다.On the other hand, stainless steel (or stainless steel) has excellent properties such as corrosion resistance and heat resistance and is widely used in various fields such as nuclear power industry, thermal power generation, petrochemical, automobile, civil engineering and construction. Such stainless steels have improved mechanical performance and corrosion resistance depending on the environment and application, and accordingly, various kinds of stainless steels have been developed.
그런데, 상기 스테인레스강은 가격이 비싸고, 가공이 어려운 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 보완하기 위해 비교적 가격이 저렴하고, 기계적 특성이 우수한 탄소강과 상기 스테인레스강을 접합하여 사용하기 시작했다.However, the stainless steel is expensive and difficult to process. In order to overcome these problems, carbon steels having relatively low cost and excellent mechanical properties have been used by joining the above stainless steels.
한편, 상기 탄소강은 가격적 측면과 강도적 측면에서 많이 사용되고 있으나, 내식성이 취약한 문제를 가지고 있다. 이에 따라, 상기 스테인레스강과 탄소강은 서로의 단점을 보완하여 주는 역할을 할 수 있으므로, 상기 소재들을 접합하여 사용하기 시작했다.On the other hand, the carbon steel is widely used in terms of cost and strength, but has a problem of poor corrosion resistance. Accordingly, the stainless steel and the carbon steel can complement each other's disadvantages. Therefore, the materials have been joined and used.
그러나, 일반적으로 금속 재료의 표면은 연마나 연삭 등의 가공을 해도 미세한 요철이 잔존하고 있으며, 상기 표면에는 공기 중의 산소로 인한 산화물 층이 형성되기 쉽기 때문에, 금속을 접합할 때 접합 계면에 빈 구멍이나 산화 피막 등의 개재물이 남기 쉬우며 이들은 접합 강도에 크게 영향을 주는 문제점을 가진다.However, in general, the surface of the metal material remains fine irregularities even if it is processed by grinding or grinding, and an oxide layer due to oxygen in the air is easily formed on the surface. Therefore, And oxide inclusions are likely to remain, and these have a problem that greatly affects the bonding strength.
따라서, 이와 같은 접합 문제점을 해결할 수 있는 방법에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.Accordingly, studies on a method for solving such a joining problem have been actively conducted.
일본 공개특허 제2015-120170호에는 스테인리스강 간에 철 또는 철합금, 바람직하게는 탄소강을 중간재로서 삽입하여 스테인리스 강을 접합하는 방법에 관해 개시되어 있으며, 가열 온도가 600 내지 800 ℃에서 수행되는 것이 바람직한 것으로 기재되어 있다.Japanese Laid-Open Patent Application No. 2015-120170 discloses a method for joining stainless steel by interposing iron or an iron alloy, preferably carbon steel, as an intermediate material between stainless steels, and preferably, the heating temperature is 600 to 800 ° C .
그러나, 상기 접합 방법에 의해 제조된 스테인리스 강은 접합면의 강도가 약해 약 1m의 높이에서 낙하시키는 작은 충격에도 쉽게 분리되는 문제점이 있었다.However, the stainless steel produced by the above joining method has a problem that the joint surface is weak in strength and is easily separated even at a small impact dropping at a height of about 1 m.
본 발명의 방전 플라즈마를 이용한 이종복합소재의 제조 및 접합방법에 있어서 상기한 문제점을 해결하고자 예의 연구 검토한 결과,As a result of intensive research to solve the above problems in the production and bonding method of the hetero-composite material using the discharge plasma of the present invention,
스테인레스강과 탄소강, 이종의 성형체가 직접적으로 접합되어 있지 않고, 스테인레스강 분말, 탄소강 분말 또는 이들의 혼합 분말을 포함하는 접합 부를 형성하고, 특정 조건에서 방전 플라즈마를 이용하여 접합소결시킴으로써 견고한 접합 계면을 형성하여 우수한 내식성 및 강도를 나타낼 뿐만 아니라 우수한 기계적 특성을 나타낼 수 있음을 알아내고, 본 발명을 완성하게 되었다. A bonded portion including a stainless steel powder, a carbon steel powder, or a mixed powder thereof is formed without directly joining a stainless steel and a carbon steel or a different molded body, and a bonded interface is formed by bonding and sintering using a discharge plasma under specific conditions To thereby exhibit excellent corrosion resistance and strength as well as excellent mechanical properties. Thus, the present invention has been completed.
따라서, 본 발명의 목적은 우수한 내식성 및 강도를 나타낼 뿐만 아니라 기계적 특성이 우수한 이종복합소재의 제조 및 접합방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a process for producing and bonding a heterogeneous composite material that exhibits excellent corrosion resistance and strength as well as excellent mechanical properties.
한편으로, 본 발명은On the other hand,
스테인레스강 성형체, 탄소강 성형체 및 상기 성형체들 사이에 접합 부를 구비시켜 접합소결하되, A stainless steel formed body, a carbon steel formed body, and a joint portion between the formed bodies,
상기 접합 부는 스테인레스강 분말, 탄소강 분말 또는 이들의 혼합 분말을 포함하며,The joining portion may include a stainless steel powder, a carbon steel powder, or a mixed powder thereof,
상기 접합소결은 방전 플라즈마를 이용하여 20 내지 50 MPa의 압력, 1050 내지 1100 ℃의 온도 및 유지시간 3 내지 5분의 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방전 플라즈마를 이용한 이종복합소재의 제조방법을 제공한다.Wherein the bonding sintering is performed using a discharge plasma at a pressure of 20 to 50 MPa, a temperature of 1050 to 1100 DEG C, and a holding time of 3 to 5 minutes. do.
다른 한편으로, 본 발명은 On the other hand,
스테인레스강 성형체 또는 탄소강 성형체와 구리 성형체 사이에 접합 부를 구비시켜 접합소결하되,A joining portion is provided between the stainless steel formed body or the carbon steel formed body and the copper formed body,
상기 접합 부는 스테인레스강 분말 또는 탄소강 분말, 구리 분말 또는 이들의 혼합 분말을 포함하며,The joining portion may include a stainless steel powder or a carbon steel powder, a copper powder or a mixed powder thereof,
상기 접합소결은 방전 플라즈마를 이용하여 20 내지 50 MPa의 압력, 750 내지 800 ℃의 온도 및 유지시간 1 내지 3분의 조건에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방전 플라즈마를 이용한 이종복합소재의 제조방법을 제공한다.Wherein the bonding sintering is performed using a discharge plasma at a pressure of 20 to 50 MPa, a temperature of 750 to 800 DEG C, and a holding time of 1 to 3 minutes. do.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 스테인레스강은 SUS304, SUS316 또는 SUS316L인 것을 특징으로 한다.In one embodiment of the present invention, the stainless steel is characterized by being SUS304, SUS316 or SUS316L.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 탄소강은 A105인 것을 특징으로 한다.In one embodiment of the present invention, the carbon steel is A105.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 접합소결은 진공 또는 공기 중에서 수행되는 것을 특징으로 한다.In one embodiment of the present invention, the joint sintering is characterized by being performed in vacuum or air.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 스테인레스강 성형체와 상기 접합부의 접합면 및 상기 접합부와 상기 탄소강 성형체의 접합면의 비커스 경도는 185 내지 225 HV인 것을 특징으로 한다.In one embodiment of the present invention, the Vickers hardness of the bonding surface of the stainless steel formed body and the bonding portion and the bonding surface of the bonding portion and the carbon steel formed body is 185 to 225 HV.
본 발명에 따른 이종복합소재는 이종의 벌크(Bulk)형태 재료(스테인레스강 및 탄소강 성형체)를 직접적으로 접합하지 않고, 그 사이에 스테인레스강 분말, 탄소강 분말 또는 이들의 혼합 분말을 삽입하고, 특정 조건에서 방전 플라즈마 접합을 수행하였다.The heterogeneous composite material according to the present invention can be obtained by inserting stainless steel powder, carbon steel powder or a mixed powder of the same without directly bonding different types of bulk material (stainless steel and carbon steel formed body) A discharge plasma bonding was performed.
따라서, 이종 재료 사이에 삽입된 미세한 분말 입자의 넓은 표면적으로 인해 상기 이종 재료간에 보다 많은 접합 영역 또는 경계(Boundary)가 형성될 수 있고, 이에 따라 방전 플라즈마 접합을 수행하면서 확산한 원자에 의해 재료 간에 형성될 수 있는 금속 결합이 보다 증가하여 견고한 접합 계면을 형성할 수 있다.Thus, due to the large surface area of the fine powder particles inserted between the dissimilar materials, more bonding regions or boundaries can be formed between the dissimilar materials, so that by the atoms diffused while performing the discharge plasma bonding, The metal bond that can be formed can be increased to form a solid bonding interface.
또한, 본 발명에 따른 방법을 통해 제조된 이종복합소재는 우수한 내식성 및 강도를 나타낼 뿐만 아니라 우수한 기계적 특성을 나타낼 수 있으므로, 기계, 자동차, 열차, 선박, 우주항공 분야에 적용 가능하고, 특히 해양플랜트 소재 부품에 적용될 수 있다.In addition, since the heterogeneous composite material produced by the method according to the present invention exhibits excellent corrosion resistance and strength as well as excellent mechanical properties, it can be applied to machines, automobiles, trains, ships, and aerospace, It can be applied to material parts.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 스테인레스강-탄소강 이중복합소재를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 스테인레스강 성형체 및 탄소강 성형체를 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 스테인레스강-탄소강 이중복합소재를 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 스테인레스강-탄소강 이중복합소재 및 스테인레스강-구리 이중복합소재를 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 비교예 1의 스테인레스강-탄소강 이중복합소재를 나타낸 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1의 스테인레스강-탄소강 이중복합소재의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1의 스테인레스강-탄소강 이중복합소재의 비커스 경도(Vickers Hardness) 값을 나타낸 사진이다.1 is a cross-sectional view illustrating a stainless steel-carbon steel double composite material according to an embodiment of the present invention.
2 is a photograph showing a stainless steel formed article and a carbon steel formed article according to an embodiment of the present invention.
3 is a photograph showing a stainless steel-carbon steel double composite material according to an embodiment of the present invention.
4 is a photograph showing a stainless steel-carbon steel double composite material and a stainless steel-copper double composite material according to an embodiment of the present invention.
5 is a photograph showing a stainless steel-carbon steel double composite material of Comparative Example 1 of the present invention.
6 is a cross-sectional view showing the structure of a stainless steel-carbon steel double composite material according to Example 1 of the present invention.
7 is a photograph showing the Vickers Hardness value of the stainless steel-carbon steel double composite material according to Example 1 of the present invention.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명의 일 실시형태에 따른 방전 플라즈마(Spark Plasma)를 이용한 이종복합소재의 제조 및 접합방법은 A manufacturing method of a hetero-composite material using a spark plasma according to an embodiment of the present invention,
스테인레스강 성형체, 탄소강 성형체 및 상기 성형체들 사이에 접합 부를 구비시켜 접합소결하되, A stainless steel formed body, a carbon steel formed body, and a joint portion between the formed bodies,
상기 접합 부는 스테인레스강 분말, 탄소강 분말 또는 이들의 혼합 분말을 포함하며,The joining portion may include a stainless steel powder, a carbon steel powder, or a mixed powder thereof,
상기 접합소결은 방전 플라즈마를 이용하여 20 내지 50 MPa의 압력, 1050 내지 1100 ℃의 온도 및 유지시간 3 내지 5분의 조건에서 수행되는 것을 특징으로 한다. The bonding sintering is performed using a discharge plasma at a pressure of 20 to 50 MPa, a temperature of 1050 to 1100 DEG C and a holding time of 3 to 5 minutes.
상기 방전 플라즈마에 대해 상세히 설명하면, 상기 스테인레스강 성형체, 탄소강 성형체 및 상기 성형체들 사이에 이들의 혼합 분말로 구성된 접합 부를 적층한 탄소몰드를 진공챔버 내의 소결다이에 세팅한다. 상기 세팅된 진공챔버를 감압장치에 의해 감압 후 가압장치부에 의해 가압하고 직류전원 공급장치부를 통해 상, 하부 펀치 전극에 전류를 가하여 챔버 내 승온이 이루어진다. 챔버 내의 일정한 압력과 온도 조절은 제어부에서 온도계측기, 감압장치, 가압장치부, 직류전원 공급장치부 등을 제어하여 일정한 소결체가 나오도록 한다. 일정 시간 소결 후, 냉각장치를 이용하여 챔버 내에서 냉각을 실시한다.The discharge plasma will be described in detail. A carbon mold is stacked in a sintering die in a vacuum chamber, in which a stainless steel formed body, a carbon steel formed body, and a bonding portion composed of the mixed powder are laminated between the formed bodies. The set vacuum chamber is depressurized by a depressurizing device and then pressurized by a pressure device, and a current is applied to the upper and lower punch electrodes through a DC power supply device to raise the temperature in the chamber. The control of the constant pressure and the temperature in the chamber controls the temperature measuring instrument, the pressure reducing device, the pressurizing device part, the DC power supply part and the like in the control part so that a certain sintered body is outputted. After sintering for a certain period of time, cooling is performed in the chamber using a cooling device.
상기 스테인레스강은 Fe-Cr-Ni계인 SUS304, Mo를 첨가하여 내공식성을 향상시킨 SUS316 또는 SUS316L를 사용하는 것이 바람직하고, 상기 탄소강은 A105를 사용하는 것이 바람직하다.The stainless steel is preferably Fe-Cr-Ni-based SUS304, SUS316 or SUS316L which is improved in pitting resistance by adding Mo, and the carbon steel is preferably A105.
본 발명에 따른 이종복합소재는 이종 재료의 성형체를 탄소몰드에 장입하는데 있어서, 상기 성형체들 사이에 상기 이종 재료 중 1종 또는 2종의 분말로 구성되는 접합 부를 추가로 장입하는 것을 특징으로 한다.The heterogeneous composite material according to the present invention is characterized in that a junction composed of one kind or two kinds of powders of the dissimilar materials is further charged between the molded bodies in charging the molded body of dissimilar materials into the carbon mold.
상기 접합 부는 접합 부의 양 면에 적층되는 상기 스테인레스강 및/또는 탄소강과 동일한 소재의 분말로 구성됨으로써, 스테인레스강 및 탄소강 각각의 특성을 보완할 수 있으므로 내식성이 더욱 우수해질 뿐만 아니라, 기계적 특성이 향상될 수 있다. The joining portion is composed of the powder of the same material as the stainless steel and / or carbon steel laminated on both sides of the joint portion, so that the characteristics of each of stainless steel and carbon steel can be complemented and thus the corrosion resistance is improved, .
또한, 고가인 스테인레스강 성형체를 상기 탄소강 성형체에 비해 적은 양 사용함으로써 보다 경제적인 소재를 제조할 수 있다(도 2 참조). 또한, 상대적으로 스테인레스강 보다 기계가공이 쉬운 탄소강을 보다 더 많은 함량을 사용함으로써 가공시 소요되는 시간과 에너지를 절약할 수 있다.In addition, a more economical material can be produced by using a stainless steel formed article having a higher price than that of the above-mentioned carbon steel formed article (see FIG. 2). Also, By using more than carbon steel, which is relatively easier to machine than stainless steel, the time and energy required for machining can be saved.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 접합소결은 20 내지 50 MPa의 압력에서 수행되고, 1050 내지 1100 ℃의 온도에서 수행되며, 유지시간은 3 내지 5분인 것이 바람직하다. 상기 접합소결이 1050 ℃ 미만의 온도에서 수행되는 경우, 접합면의 기계적 강도가 저하되어 박리되는 현상이 발생할 수 있고, 1100 ℃ 초과의 고온에서 수행되는 경우, 고온 열화로 인해서 기계적 물성이 저하될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the bonding sintering is performed at a pressure of 20 to 50 MPa, at a temperature of 1050 to 1100 DEG C, and preferably at a holding time of 3 to 5 minutes. If the joint sintering is performed at a temperature lower than 1050 캜, the mechanical strength of the joint surface may be lowered and peeled off. If the joint sintering is performed at a high temperature of more than 1100 캜, mechanical properties may deteriorate due to high- have.
따라서, 본 발명에 따른 온도 조건에서 방전 플라즈마 접합이 수행되는 경우, 접합면의 경도가 상승하여 이종 재료 간에 견고한 접합계면을 형성할 수 있다.Therefore, when the discharge plasma bonding is performed under the temperature condition according to the present invention, the hardness of the bonding surface is increased, and a firm bonding interface can be formed between the different materials.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 접합소결은 진공 또는 공기 중에서 수행될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the bonded sintering can be performed in vacuum or air.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 스테인레스강 성형체 및 탄소강 성형체 사이에 삽입된 접합부를 구성하는 미세한 분말 입자의 넓은 표면적으로 인해 상기 이종 재료간에 보다 많은 접합 영역 또는 경계(Boundary)가 형성될 수 있고, 이에 따라 방전 플라즈마 접합을 수행하면서 확산한 원자에 의해 재료 간에 형성될 수 있는 금속 결합이 보다 증가하여 견고한 접합 계면을 형성할 수 있다.In an embodiment of the present invention, more bonding regions or boundaries can be formed between the dissimilar materials due to the large surface area of the fine powder particles constituting the joints inserted between the stainless steel formed body and the carbon steel formed body, As a result, metal bonds that can be formed between the materials can be increased by atoms diffused while performing the discharge plasma bonding, so that a strong bonding interface can be formed.
본 발명에 따른 이종복합소재는 스테인레스강 및 탄소강의 특성을 모두 가지고 있으므로 우수한 강도와 내식성을 나타낼 수 있어, 기계, 자동차, 열차, 선박, 우주항공 분야에 적용 가능하고, 특히 해양플랜트 소재 부품에 적용할 수 있다. Since the heterogeneous composite material according to the present invention has all the characteristics of stainless steel and carbon steel, it can exhibit excellent strength and corrosion resistance, and thus can be applied to machinery, automobiles, trains, ships, and aerospace, and particularly to marine plant parts can do.
본 발명의 일 실시형태에 따른 이종복합소재는 상기 스테인레스강 또는 탄소강에 구리(Cu)를 접합시켜 제조할 수 있다.The heterogeneous composite material according to one embodiment of the present invention can be produced by bonding copper (Cu) to the stainless steel or carbon steel.
상기 스테인레스강 또는 탄소강의 전기전도성을 향상시키기 위해 전기전도성이 우수한 순수 구리 또는 구리합금을 상기 스테인레스강 또는 탄소강에 접합하였다.In order to improve the electrical conductivity of the stainless steel or carbon steel, pure copper or a copper alloy having excellent electrical conductivity is bonded to the stainless steel or carbon steel.
따라서, 본 발명의 일 실시형태에 따른 방전 플라즈마(Spark Plasma)를 이용한 이종복합소재의 제조 및 접합방법은 Therefore, the manufacturing and bonding method of the heterogeneous composite material using the discharge plasma (Spark Plasma) according to one embodiment of the present invention
스테인레스강 성형체 또는 탄소강 성형체와 구리 성형체 사이에 접합 부를 구비시켜 접합소결하되,A joining portion is provided between the stainless steel formed body or the carbon steel formed body and the copper formed body,
상기 접합 부는 스테인레스강 분말 또는 탄소강 분말, 구리 분말 또는 이들의 혼합 분말을 포함하며,The joining portion may include a stainless steel powder or a carbon steel powder, a copper powder or a mixed powder thereof,
상기 접합소결은 방전 플라즈마를 이용하여 20 내지 50 MPa의 압력, 750 내지 800 ℃의 온도 및 유지시간 1 내지 3분의 조건에서 수행되는 것을 특징으로 한다.The joint sintering is performed using a discharge plasma at a pressure of 20 to 50 MPa, a temperature of 750 to 800 DEG C and a holding time of 1 to 3 minutes.
이하, 실시예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오직 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업자에게 있어서 자명하다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It is to be understood by those skilled in the art that these embodiments are for illustrative purpose only and that the scope of the present invention is not limited to these embodiments.
실시예 1: 스테인레스강-탄소강 이종복합소재의 제조Example 1: Manufacture of stainless steel-carbon steel hybrid materials
직경 3 cm, 높이 3 mm의 원기둥 형태의 스테인레스강(SUS304) 성형체, 직경 3 cm, 높이 7 mm의 원기둥 형태의 탄소강(A105) 성형체 및 상기 성형체들 사이에 상기 스테인레스강 분말과 탄소강 분말을 혼합한 분말을 중간 층으로 하여 적층한 적층물을 Φ30mm의 탄소몰드에 장입하였다. 그런 다음, 탄소몰드를 방전 플라즈마 소결 장치 내부에 세팅한 후 챔버 내부를 진공화시켜 감압하고, 상기 탄소몰드에는 20MPa의 압력을 가해주었다. 1050 ℃에서 5분간 유지하여 탄소몰드 내부의 적층물을 소결하면서 접합시켰다. 그런 다음, 다시 상온까지 온도를 내려주어 스테인레스강-탄소강 이종복합소재를 제조하였다(도 3 및 4 참조).(SUS304) molded body having a diameter of 3 cm and a height of 3 mm, a cylindrical carbon steel (A105) formed body having a diameter of 3 cm and a height of 7 mm and a stainless steel powder and a carbon steel powder And the powder was used as an intermediate layer, the laminate was charged into a carbon mold having a diameter of 30 mm. Then, the carbon mold was set inside the discharge plasma sintering apparatus, and the inside of the chamber was evacuated to reduce the pressure, and a pressure of 20 MPa was applied to the carbon mold. And held at 1050 DEG C for 5 minutes to bond the laminate inside the carbon mold while sintering. Thereafter, the temperature was further lowered to room temperature to prepare a stainless steel-carbon steel heterogeneous composite material (see FIGS. 3 and 4).
실시예 2: 탄소강-구리 이종복합소재의 제조Example 2: Manufacture of Carbon Steel-Copper Dioxide Composite Material
직경 3 cm, 높이 0.7 cm 의 원기둥 형태의 탄소강 (A105) 성형체, 직경 3 cm, 높이 0.3 cm 의 원기둥 형태의 구리 성형체 및 상기 성형체들 사이에 상기 탄소강 분말과 구리 분말을 혼합한 분말을 중간 층으로 하여 적층한 적층물을 Φ30mm의 탄소몰드에 장입하였다. 그런 다음, 탄소몰드를 방전 플라즈마 소결 장치 내부에 세팅한 후 챔버 내부를 진공화시켜 감압하고, 상기 탄소몰드에는 20MPa의 압력을 가해주었다. 750 ℃에서 3분간 유지하여 탄소몰드 내부의 적층물을 소결하면서 접합시켰다. 그런 다음, 다시 상온까지 온도를 내려주어 탄소강-구리 이종복합소재를 제조하였다(도 4 참조).A cylindrical shaped carbon steel (A105) shaped body having a diameter of 3 cm and a height of 0.7 cm, a cylindrical shaped body having a diameter of 3 cm and a height of 0.3 cm and a cylindrical shape having a height of 0.3 cm and a powder obtained by mixing the carbon steel powder and copper powder The stacked laminate was charged into a carbon mold having a diameter of 30 mm. Then, the carbon mold was set inside the discharge plasma sintering apparatus, and the inside of the chamber was evacuated to reduce the pressure, and a pressure of 20 MPa was applied to the carbon mold. And held at 750 DEG C for 3 minutes to bond the laminate inside the carbon mold while sintering. Thereafter, the temperature was further lowered to room temperature to prepare a carbon steel-copper heterogeneous composite material (see FIG. 4).
비교예 1: 스테인레스강-탄소강 이종복합소재의 제조Comparative Example 1: Production of stainless steel-carbon steel composite material
직경 3 cm, 높이 0.7 cm 의 스테인레스강(SUS304) 성형체, 직경 3 cm, 높이0.3 cm의 탄소강(A105) 성형체 및 상기 성형체들 사이에 벌크 형태의 탄소강 성형체를 삽입하여 적층한 적층물을 Φ30mm의 탄소몰드에 장입하였다. 그런 다음, 탄소몰드를 방전 플라즈마 소결 장치 내부에 세팅한 후 챔버 내부를 진공화시켜 감압하고, 상기 탄소몰드에는 20MPa의 압력을 가해주었다. 1000 ℃에서 5분간 유지하여 탄소몰드 내부의 적층물을 소결하면서 접합시켰다. 그런 다음, 다시 상온까지 온도를 내려주어 스테인레스강-탄소강 이종복합소재를 제조하였다(도 5 참조).A stainless steel (SUS304) shaped body having a diameter of 3 cm and a height of 0.7 cm, a carbon steel (A105) shaped body having a diameter of 3 cm and a height of 0.3 cm and a bulk carbon steel compact body inserted between the formed bodies were laminated, And charged into a mold. Then, the carbon mold was set inside the discharge plasma sintering apparatus, and the inside of the chamber was evacuated to reduce the pressure, and a pressure of 20 MPa was applied to the carbon mold. And held at 1000 DEG C for 5 minutes to bond the laminate inside the carbon mold while sintering. Thereafter, the temperature was further lowered to room temperature to prepare a stainless steel-carbon steel hybrid material (refer to FIG. 5).
도 3 내지 5를 참조로, 본 발명에 따른 조건에서 접합, 제조된 실시예 1의 이종복합소재는 박리 없이 우수하게 접합된 반면, 본 발명에 따른 조건이 아닌 1000℃에서 접합, 제조된 비교예 1의 이종복합소재는 접합면의 강도가 저하되어 박리가 일어난 것을 확인하였다. 3 to 5, the heterogeneous composite material of Example 1 bonded and manufactured under the conditions according to the present invention was excellently bonded without peeling, but was bonded at 1000 ° C instead of the conditions according to the present invention, 1 heterogeneous composites showed that the strength of the joint surface decreased and peeling occurred.
실험예 1: 비커스 경도(Vickers Hardness)의 측정Experimental Example 1: Measurement of Vickers Hardness
실시예 1 및 비교예 1의 이종복합소재의 비커스 경도를 측정하여 하기 표 1및 2에 각각 나타내었다. 구체적으로, 이종복합소재의 각 층 및 각 층간의 접합면을 각각 3회씩 측정하였으며 그 평균값을 나타내었다.(단위 : HV). 또한, 하기 표 1에 기재된 데이터를 도 6 및 7에 상세히 나타내었다.The Vickers hardnesses of the heterogeneous composite materials of Example 1 and Comparative Example 1 were measured and shown in Tables 1 and 2, respectively. Specifically, the bonding surface between each layer and each layer of the heterogeneous composite material was measured three times, and the average value thereof was shown (unit: HV). Further, the data shown in the following Table 1 is shown in detail in Figs. 6 and 7.
도 5를 참조로, 비교예 1의 이종복합소재에서 접합면의 강도가 저하되어 박리가 일어난 부분(붉은색 원으로 표시)은 경도 측정이 어려웠으며, 일부 접합된 부분의 경도만을 측정하였다.With reference to FIG. 5, it was difficult to measure the hardness of the portion of the dissimilar composite material of Comparative Example 1 in which the strength of the joint surface decreased and peeling occurred (indicated by a red circle), and only the hardness of the partially bonded portion was measured.
표 1 및 2를 참조로, 벌크 성형체를 접합부로 삽입하여 제조된 비교예 1의 이종복합소재의 각 층 접합면 비커스 경도는 저하되는 반면, 분말로 구성된 접합부를 삽입하여 제조된 실시예 1의 이종복합소재의 각 접합면 비커스 경도는 상승한 것을 확인하였다. 이는 상기 분말 입자들의 넓은 표면적에 의한 확산 접합에 의한 것임을 알 수 있었다.With reference to Tables 1 and 2, while the hardness of each layer joint surface Vickers of the heterogeneous composite material of Comparative Example 1 manufactured by inserting the bulk molded body into the joint portion was lowered, the hardness of each layer joint surface of the heterogeneous composite material of Example 1 It was confirmed that the Vickers hardness of each joint surface of the composite material was increased. This is due to diffusion bonding by the large surface area of the powder particles.
따라서, 본 발명에 따른 실시예 1의 이종복합소재는 본 발명의 조건 하에서 수행됨으로써 보다 견고한 접합면을 가질 수 있으므로 우수한 내식성 및 강도를 나타낼 뿐만 아니라 우수한 기계적 특성을 나타낼 수 있음을 확인하였다.Therefore, it was confirmed that the heterogeneous composite material of Example 1 according to the present invention can have a stronger joint surface by performing under the condition of the present invention, so that it can exhibit excellent corrosion resistance and strength as well as excellent mechanical properties.
이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아님은 명백하다. 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. Do. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.
따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 특허청구범위와 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.Accordingly, the actual scope of the invention is defined by the appended claims and their equivalents.
100: 스테인레스강-탄소강 이종복합소재
110: 스테인레스강 성형체
120: 접합 부
130: 탄소강 성형체100: Stainless steel - Carbon steel composite material
110: Stainless steel formed body
120:
130: carbon steel formed body
Claims (6)
상기 접합 부는 스테인레스강 분말, 탄소강 분말 또는 이들의 혼합 분말을 포함하며,
상기 접합소결은 진공 또는 공기 중에서 방전 플라즈마를 이용하여 20 내지 30 MPa의 압력, 1050 내지 1100 ℃의 온도 및 유지시간 3 내지 5분의 조건에서 수행하고,
상기 스테인레스강은 SUS304, SUS316 또는 SUS316L이며,
상기 탄소강은 A105이고,
상기 스테인레스강 성형체와 상기 접합부의 접합면 및 상기 접합부와 상기 탄소강 성형체의 접합면의 비커스 경도는 185 내지 225Hv인 것을 특징으로 하는 방전 플라즈마를 이용한 이종복합소재의 제조방법.
A stainless steel formed body, a carbon steel formed body, and a joint portion between the formed bodies,
The joining portion may include a stainless steel powder, a carbon steel powder, or a mixed powder thereof,
The bonding sintering is carried out by using a discharge plasma in vacuum or air at a pressure of 20 to 30 MPa, a temperature of 1050 to 1100 DEG C and a holding time of 3 to 5 minutes,
The stainless steel is SUS304, SUS316 or SUS316L,
The carbon steel is A105,
Wherein the Vickers hardness of the bonding surface of the stainless steel formed body and the bonding portion and the bonding surface of the bonding portion and the carbon steel formed body is 185 to 225 Hv.
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