KR101989339B1 - 브레이징 소재용 금속복합분말, 이의 제조방법 및 이를 이용하는 브레이징 소재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저온 성형이 가능하도록 하여 로(furnace) 없이도 공정 절차를 수행할 수 있어 간단한 공정만으로 우수한 물성을 가지는 브레이징 소재용 금속복합분말, 이의 제조방법 및 이를 이용하는 브레이징 소재를 제공한다.
또한, 생산 공정 중 손실되는 재료의 양을 현저히 감소시켜 경제성을 향상시킬 수 있고, 자동차, 항공기, 전기전자제품 등 다양한 분야의 부품 소재로 활용가능한 브레이징 소재용 금속복합분말, 이의 제조방법 및 이를 이용하는 브레이징 소재를 제공한다.

Description

브레이징 소재용 금속복합분말, 이의 제조방법 및 이를 이용하는 브레이징 소재{METAL COMPOSITE POWDER FOR BRAZING MATERIAL, METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME, AND BRAZING MATERIAL USING THE SAME}

본 발명은 브레이징 소재용 금속복합분말, 이의 제조방법 및 이를 이용하는 브레이징 소재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저온에서 성형이 용이하며, 간단한 공정으로 재료의 손실 없이 제조가 가능한 브레이징 소재용 금속복합분말, 이의 제조방법 및 이를 이용하는 브레이징 소재에 관한 것이다.

브레이징(Brazing)은 접합할 모재금속에 비해 낮은 융점(Melting Point)을 갖는 용접재(Filler Metal)를 사용하여 이종 또는 동종의 금속을 접합하는 기술로서, 금이나 은등의 귀금속 접합에서부터 자동차와 냉장고 열교환기의 파이프 접합등에 이르기까지 광범위하게 적용되고 있다. 이와같은 브레이징 접합은, 먼저 접합하고자 하는 부위에 염화물계나 불화물계 플럭스를 도포한 후 외부 열원을 이용하여 금속표면에 형성되어 있던 산화물을 플럭스에 의해서 고용제거하는 한편 용융된 브레이징 선재가 접촉되어 빈 간격을 메꾸면서 응고 접합하는 공정으로 이루어져 있다.

상기 종래의 브레이징 방식은 일차적으로 플럭스를 도포하는 공정과 그 후속 공정으로서 브레이징 선재를 용융시키는 공정을 별도로 수행하여야 하기 때문에 공정이 중복되고 그만큼 비용이 상승한다는 공정상의 문제점과, 접합표면의 산화물을 고용 제거하기 위해 미리 접합부위에 도포된 액상 상태의 플럭스가 금속표면으로부터 흘러내려서 원하는 부위에 적정량의 플럭스를 도포하기가 곤란하다는 두가지의 문제점이 지적되고 있다.

특히, 접합부위에 도포되는 플럭스가 적정량에 미달하는 경우에는 접합부위의 표면산화물을 완전하게 제거하지 못하게 되므로 브레이징이 완료된 후에 접합계면에 산화물이 잔류한 상태로 응고되어 접합면이 취약하게 되거나 파단의 시작점으로 작용하기도 한다.

이와 반대로 플럭스가 적정량을 초과하여 도포되는 경우에는 산화물과 혼합되어 고상으로 부착하게 되는 데, 일예로 파이프 브레이징의 경우에 상기와 같이 파이프의 접합부 내면에 고상의 부착물이 존재하게 되면 이는 세척공정에서 제거가 불가능하게 되는 문제점이 있다. 이같이 파이프 내주면상에 고착된 잔류물은 파이프 내부를 통과하는 기체나 유체의 흐름을 방해하기도 하고 특히 상기 고착 잔류물이 형성된 파이프가 그 내부로 식음료가 지나는 경우라면 고착 잔류물의 용입으로 내용물의 오염이 발생하여 심각한 문제를 초래할 수도 있다.

상기 종래의 브레이징 방식에서 플럭스 도포 공정과 브레이징 선재 가열공정을 분리하여 행함에 따라서 제기되는 문제점을 해결하기 위한 기술로서, 직선상의 브레이징 선재를 구성함에 있어 내부에는 플럭스가 위치하도록 하고 그 외부를 금속성분이 감싸도록 한 2중선재가 알려져 있다.

그러나, 상기 2중선재는 브레이징시 접합면의 표면 산화물을 제거하는 역할을 담당한 플럭스가 브레이징 선재의 내부에 위치하므로 안쪽의 플럭스를 외부로 노출시키기 위해서는 바깥쪽에 위치한 금속이 먼저 용융되어야 하기 때문에 다음과 같은 문제점이 있다. 즉, 금속성분인 외부의 선재가 먼저 용융되어 플럭스가 외부로 노출되었을 때에는 모재의 접합면이 지나치게 가열되어 있고 또한 액상의 플럭스보다 금속성분이 접합면상에 불규칙하게 접합되어 있기 때문에 플럭스를 도포한 후 브레이징하여도 접합면의 산화물을 효과적으로 제거하기가 곤란하게 된다.

한편, 상기 2중선재 방식의 브레이징재에서 나타나는 문제점을 해결하기 위하여 금속성분으로 이루어진 선재의 표면에 액상 플럭스를 일정한 두께로 도포하여 건조시킨 형태가 알려지고 있으나, 이러한 형태의 선재는 브레이징시 상기 2중 선재에서와 같이 금속성분이 먼저 용융됨에 따른 문제점은 발생하지 않으나 접합면의 산화물을 고용제거하여야 하는 플럭스가 접합면의 중심선으로부터 상대적으로 멀리 떨어져 위치하고 접합용 금속성분은 중심선으로부터 가까이 위치하고 있기 때문에 접합면의 산화물과 금속성분의 표면산화물을 효과적으로 제거하지 못하는 단점을 지니고 있다.

이에 한국등록특허 10-0297609에서는 종래의 브레이징재에서 지적되고 있는 플럭스 도포공정과 브레이징 선재 가열공정을 별도로 수행함에 따르는 공정상의 문제점과 플럭스를 적정한 량으로 제어하지 못함에 따르는 접합불량등의 문제점을 해결하기 위여, 플럭스와 브레이징재가 서로 미소거리에 존재하도록 제조한 후 기계적인 성형공정을 통해서 소정의 3차원 형상으로 가공함으로써 브레이징 공정의 단순화와 플럭스 량의 제어가 손쉽게 이루어지도록 하였다.

그러나, 한국등록특허 10-0297609에 의해 브레이징의 소재의 물성을 향상시킴과 동시에 공정의 간단화를 도모하였음에도 불구하고 여전히 고온의 온도조건이 필요하여 공정이 복합하고, 절삭 공정을 수반해야 하므로 재료 손실이 25% 이상 발생하는 단점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명이 해결하려는 과제는 우수한 물성을 유지함과 동시에 저온 성형이 가능하여 공정 절차를 간단히 할 수 있고, 손실되는 재료의 양을 감소시킬 수 있는 브레이징 소재용 금속복합분말, 이의 제조방법 및 이를 이용하는 브레이징 소재를 제공하는 것이다.

본 발명은 연질금속 분말;및 상기 연질금속 분말 내부에 충진된 세라믹 물질;을 포함하는 브레이징 소재용 금속복합분말을 제공한다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 연질금속은 알루미늄, 아연, 구리, 마그네슘, 은 및 이 중 선택된 하나 이상을 기지로 하는 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.

본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 세라믹 물질은 염화물계 또는 불화물계 플럭스일 수 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 금속복합분말의 평균입경은 10 ~ 180μm일 수 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 금속복합분말의 표면에 상기 세라믹 물질 유래의 할로겐이 9.5 ~ 18 중량%로 포함될 수 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 금속복합분말을 이용하여 하기의 조건으로 성형된 링 형상 브레이징 소재의 인장강도가 4MPa이상일 수 있다.

*성형방법

상기 금속복합분말을 링 형상의 몰드에 주입 후 70 ℃ 온도 조건에서 8MPa로 60초 동안 가압하여 바깥지름이 19mm, 안지름이 16mm 이며 폭이 1.5 mm인 링 형상의 브레이징 소재를 제조한다.

또한, 본 발명은 상기의 어느 한 금속복합분말을 가압하여 성형된 브레이징 소재를 제공한다.

또한, 본 발명은 (1) 연질금속 분말 및 세라믹 분말을 혼합하는 단계;및 (2) 볼 밀링 공정을 수행하여 상기 금속 분말 내부에 상기 세라믹 분말이 충진된 복합분말을 얻는 단계;를 포함하는 브레이징 소재용 금속복합분말 제조방법을 제공한다.

본 발명의 바람직한 일실이예에 따르면, 상기 (1) 단계에서 연질금속 분말 100중량부에 대하여 상기 세라믹 분말이 20 ~ 30 중량부로 혼합될 수 있다.

본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 볼 밀링 공정 수행시 하기의 관계식 1을 만족하는 조건에서 수행할 수 있다.

[관계식 1]

1.5 ≤ T_c ⅹ N_c (h) ≤ 8

상기 관계식 1에서 T_c는 볼 밀링 공정의 싸이클(cycle) 1회 당 밀링 시간(hour)이고, N_c는 수행한 총 싸이클의 횟수이다.

본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 볼 밀링 공정은 2 ~ 8mm 직경의 볼을 이용하여 150 ~ 250 rpm의 회전속도로 수행할 수 있다.

나아가, 본 발명은 상기의 어느 한 방법에 따라 제조된 상기 금속복합분말을 가압하여 브레이징 소재를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 브레이징 소재 제조방법을 제공한다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 가압은 65 ~ 100 ℃ 온도범위에서 6 ~ 18MPa의 압력조건으로 30 ~ 300 초 동안 수행될 수 있다.

본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 가압에 의하여 링형, 판상, 각형, 선재형 또는 파이프형 형상의 브레이징 소재를 제조할 수 있다.

본 발명은 저온 성형이 가능하도록 하여 로(furnace) 없이도 공정 절차를 수행할 수 있어 간단한 공정만으로 우수한 물성을 가지는 브레이징 소재용 금속복합분말, 이의 제조방법 및 이를 이용하는 브레이징 소재를 제공한다.

또한, 생산 공정 중 손실되는 재료의 양을 현저히 감소시켜 경제성을 향상시킬 수 있고, 자동차, 항공기, 전기전자제품 등 다양한 분야의 부품 소재로 활용 가능한 브레이징 소재용 금속복합분말, 이의 제조방법 및 이를 이용하는 브레이징 소재를 제공한다.

도 1a는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 볼 밀링 공정을 200rpm 조건에서 2 h/cycle, 8 cycle로 수행하여 제조한 금속복합분말의 SEM 이미지이다.
도 1b는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 볼 밀링 공정을 200rpm 조건에서 2 h/cycle, 8 cycle로 수행하여 제조한 금속복합분말의 표면 성분을 분석한 SEM-EDS 이미지 및 그래프이다.
도 2a는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 4045계열 알루미늄 합금분말의 SEM 이미지이다.
도 2b는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 4045계열 알루미늄 합금분말의 표면 성분을 분석한 SEM-EDS 이미지 및 그래프이다.
도 3a는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 불소계 플럭스 분말의 SEM 이미지이다.
도 3b는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 불소계 플럭스 분말의 표면 성분을 분석한 SEM-EDS 이미지 및 그래프이다.
도 4a는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 볼 밀링 공정을 200rpm 조건에서 0.5 h/cycle, 8 cycle로 수행하여 제조한 금속복합분말의 SEM 이미지이다.
도 4b는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 볼 밀링 공정을 200rpm 조건에서 0.5h/cycle, 8 cycle로 수행하여 제조한 금속복합분말의 표면 성분을 분석한 SEM-EDS 이미지 및 그래프이다.
도 5a는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 볼 밀링 공정을 100rpm 조건에서 0.5 h/cycle, 8 cycle로 수행하여 제조한 금속복합분말의 SEM 이미지이다.
도 5b는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 볼 밀링 공정을 100rpm 조건에서 0.5 h/cycle, 8 cycle로 수행하여 제조한 금속복합분말의 표면 성분을 분석한 SEM-EDS 이미지 및 그래프이다.
도 6a는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 볼 밀링 공정을 250rpm 조건에서 0.5 h/cycle, 20 cycle로 수행하여 제조한 금속복합분말의 SEM 이미지이다.
도 6b는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 볼 밀링 공정을 250rpm 조건에서 0.5 h/cycle, 20 cycle로 수행하여 제조한 금속복합분말의 표면 성분을 분석한 SEM-EDS 이미지 및 그래프이다.
도 7a는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 볼 밀링 공정을 250rpm 조건에서 1 h/cycle, 10 cycle로 수행하여 제조한 금속복합분말의 SEM 이미지이다.
도 7b는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 볼 밀링 공정을 250rpm 조건에서 1 h/cycle, 10 cycle로 수행하여 제조한 금속복합분말의 표면 성분을 분석한 SEM-EDS 이미지 및 그래프이다.
도 8a는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 볼 밀링 공정을 200rpm 조건에서 2 h/cycle, 1 cycle로 수행하여 제조한 금속복합분말의 SEM 이미지이다.
도 8b는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 볼 밀링 공정을 200rpm 조건에서 2 h/cycle, 1 cycle로 수행하여 제조한 금속복합분말의 표면 성분을 분석한 SEM-EDS 이미지 및 그래프이다.
도 9a는 볼 밀링하지 않은 혼합분말을 이용하여 성형한 링 형상 브레이징 소재의 이미지이다.
도 9b는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 볼 밀링한 금속복합분말을 이용하여 성형한 링 형상 브레이징 소재의 이미지이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 볼 밀링한 금속복합분말(우측) 및 볼 밀링하지 않은 혼합분말(좌측)을 이용하여 성형한 링 형상 브레이징 소재의 이미지이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

상술한 바와 같이 종래의 금속분말과 플럭스가 균일하게 혼합된 브레이징 소재 및 그 제조방법은 플럭스와 브레이징재가 서로 미소거리에 존재하도록 제조한 후 기계적인 성형공정을 통해서 소정의 3차원 형상으로 가공함으로써 브레이징 공정의 단순화와 플럭스 량의 제어가 손쉽게 이루어지도록 하고, 접합 불량 등의 문제점을 개선하였다. 그러나 여전히 생산 공정에서 발생하는 재료의 손실이 크고 공정 절차가 복잡한 문제점이 있었다.

이에 본 발명에서는 연질금속 분말 및 상기 연질금속 분말 내부에 충진된 세라믹 물질을 포함하는 브레이징 소재용 금속복합분말을 제공한다.

이를 통해 세라믹 물질이 금속분말의 표면이 아닌 내부에 존재하여 공기 유입을 차단하여 금속의 산화를 방지하는 기능을 수행할 수 있고, 표면에 세라믹 물질이 거의 존재하지 않게 되어 금속분말 간의 접합을 용이하게 하여 성형성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라 저온 성형이 가능하여 로(furnace) 없이도 공정 절차를 수행할 수 있어 간단한 공정만으로 우수한 물성을 가지는 브레이징 소재를 성형할 수 있는 효과가 있다. 또한, 생산 공정 중 손실되는 재료의 양을 현저히 감소시켜 우수한 경제성을 가지므로 자동차, 항공기, 전기전자제품 등 다양한 분야의 부품 소재로 활용 가능한 장점이 있다.

먼저, 본 발명의 금속복합분말을 구성하는 연질금속 분말을 설명한다. 본 발명에 사용되는 연질금속은 비교적 변형이 쉽게 발생하는 경금속으로, 이를 이용하면 용이하게 브레이징 소재를 성형할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 연질금속은 통상적으로 용이하게 브레이징 소재를 성형할 수 있는 금속을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 알루미늄, 아연, 구리, 마그네슘, 은 및 이 중 선택된 하나 이상을 기지로 하는 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. 또한, 보다 바람직하게는 알루미늄의 순금속 및 알루미늄을 기지로 하는 합금 중 어느 하나 이상일 수 있다. 이러한 금속을 이용하는 경우 자동차, 항공기, 전기전자제품 등 다양한 분야의 부품 소재로 활용 가능한 장점이 있다.

다음으로, 상기 연질금속 분말 내부에 충진된 세라믹 물질에 대해 설명한다. 상기 세라믹 물질은 본 발명의 연질금속이 실온 조건에서 산화하여 표면에 산화막이 형성되는 것을 방지하고, 양호한 브레이징 접합면을 형성하는 기능을 한다. 본 발명에서는 상기 세라믹 물질을 연질금속 분말 내부에 충진되도록 하여, 상술한 기능을 수행할 수 있음과 동시에 금속분말의 표면에 세라믹 물질이 거의 존재하지 않아 금속분말 간의 접합을 용이하게 할 수 있어 성형성을 현저히 향상시켜 재료 손실없이 다양한 형상의 브레이징 소재를 제조할 수 있다. 나아가, 저온 성형 용이성이 증진되어 로(furnace) 없이도 공정 절차를 수행할 수 있어 간단한 공정만으로 우수한 물성을 가지는 브레이징 소재를 성형할 수 있는 효과가 있다.

만일 상기 세라믹 물질이 연질금속 분말 내부에 충진되지 않고 표면에만 존재하는 경우, 표면의 세라믹 물질이 금속분말 간의 접합을 방해하여 성형이 용이하지 않아 고온 성형 공정이 필연적이다. 이에 따라 로(furnace)가 필요하여 공정이 복잡화되는 문제점이 발생할 수 있으며, 열간가압 후 압출하여 절삭하는 공정대로 링 형상을 포함한 다양한 형상의 브레이징 소재를 제조하는 경우에는 재료 손실이 발생할 수 있다.

구체적으로 본 발명의 일구현예대로 단순화된 공정을 상기 세라믹 물질이 연질금속 분말 내부에 충진되지 않고 표면에만 존재하는 경우에 적용하는 경우, 금속복합분말의 미세조직에 포함된 기공이 현저히 증가하여 물성이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다. 일반적으로 연질의 금속 분말을 가압 성형하는 경우, 분말의 소성변형과 확산을 통해, 기공이 제거되고 양질의 벌크형 소재를 제조할 수 있다. 그러나 이 때, 연질의 금속 분말의 표면에 소성변형이 어려운 고융점의 세라믹 입자가 존재하게 되면, 분말의 소성변형을 방해할 뿐 아니라, 금속 원자의 확산을 방해하여, 성형 후 재료 내부에 많은 기공을 남기게 되어, 최종 성형체의 취성을 증가시킨다. 또한, 세라믹 입자는 분말 표면에서 대기 및 분말 표면에 존재하는 산화막 등과 반응하여 원하지 않는 개재물을 생성할 수 있으며, 성형체의 특성을 더욱 저하시킬 수 있다. 또한, 가압시 부서짐 또는 깨짐 등이 발생하여 브레이징 소재를 성형할 수 없는 문제점이 발생할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 금속복합분말의 표면에는 상기 세라믹 물질 유래의 할로겐이 9.5 ~ 18 중량%로 포함될 수 있으며, 보다 바람직하게는 10 ~ 17.5 중량%로 포함될 수 있다. 이를 통해 상술한 바와 같이 저온 성형이 용이하여 간단한 공정만으로 재료의 손실없이 우수한 물성의 브레이징 소재를 제조할 수 있다. 상기의 세라믹 물질 유래의 할로겐이란, 세라믹 물질을 구성하는 화합물 내에 원소로 포함되는 할로겐을 의미하며 예를 들어 Cl, F 등을 의미한다.

상기 세라믹 물질 유래의 할로겐은 금속복합분말 표면 상에 적게 포함될수록 본 발명이 목적하는 효과를 달성하기 용이하다. 만일 상기 세라믹 물질 유래의 할로겐이 18 중량%를 초과하여 포함되는 경우엔 금속복합분말의 간의 접합을 방해하여 금속복합분말의 성형성을 저하시키고, 이에 따라 고온 성형 공정을 반드시 수행하여야 하는 문제점이 발생할 수 있다.

구체적으로 도 1a는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 볼 밀링 공정을 200rpm 조건에서 2 h/cycle, 8 cycle로 수행하여 제조한 금속복합분말의 SEM 이미지이다. 도 1b는 상기의 금속복합분말의 표면 성분을 분석한 SEM-EDS 이미지 및 그래프이다. 상기 도면을 통해 알 수 있듯이, 금속복합분말의 표면에서 세라믹 물질 유래의 할로겐이 약 16.75 중량% 포함되며 이를 통해 플럭스 물질이 파쇄되어 대부분 연질금속 내부로 삽입되고, 일부는 표면에 존재하게 된다. 또한 추후 실시예 1을 통해 알 수 있듯이, 이 경우 보다 저온에서 낮은 압력 조건의 간단한 공정만으로 브레이징 소재를 제조할 수 있다.

반면, 도 2a는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 4045계열 알루미늄 합금분말의 SEM 이미지이고, 도 2b는 상기 4045계열 알루미늄 합금분말의 표면 성분을 분석한 SEM-EDS 이미지 및 그래프이다. 또한, 도 3a는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 불소계 플럭스 분말의 SEM 이미지이고, 도 3b는 상기 불소계 플럭스 분말의 표면 성분을 분석한 SEM-EDS 이미지 및 그래프이다. 상기 도면을 통해서, 상기 그래프의 F는 플럭스 물질로부터 유래된 것임을 알 수 있다. 또한, 플럭스를 금속 분말 내부에 삽입하지 않는 경우 일반적으로 표면에 약 46.58 중량%의 과량의 F가 포함됨을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명과 같이 연질금속 내부에 플럭스 물질을 주입하는 경우에는 표면에 포함되는 플럭스 물질 유래의 할로겐을 현저히 줄일 수 있고, 이를 통해 금속분말 간의 접합을 용이하게 할 수 있어 성형성을 증대시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 세라믹 물질은 금속의 산화물을 직접 분해, 제거하거나 생성 자체를 방지하기 위한 붕산염, 염화물계 또는 불소계의 플럭스일 수 있고, 보다 바람직하게는 불소계 플럭스일 수 있다.

구체적으로 염화물계 플럭스란 염소와 염소보다 양성인 원소를 포함하는 화합물로 구성되는 금속의 산화막 형성을 억제하는 물질이며, 불화물계 플럭스란 불소와 불소보다 다른 원소를 포함하는 화합물로 구성되는 금속의 산화막 형성을 억제하는 물질을 의미한다. 예를 들어, 불화물계 플럭스로 KAlF₄를 사용할 수 있다.

한편, 본 발명의 금속복합분말의 평균입경은 바람직하게는 10 ~ 180μm일 수 있고, 보다 바람직하게는 20 ~ 150μm 일 수 있다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 금속복합분말을 이용하여 하기의 조건으로 성형된 링 형상 브레이징 소재의 인장강도가 4 MPa이상일 수 있고, 보다 바람직하게는 5MPa이상일 수 있다.

*성형방법

상기 금속복합분말을 링 형상의 몰드에 주입 후 70 ℃ 온도 조건에서 8MPa로 60초 동안 가압하여 바깥지름이 19 mm, 안지름이 16 mm 이며 폭이 1.5mm인 링 형상의 브레이징 소재를 제조한다.

이 때 상기 폭이란 링의 바깥지름면의 단축의 길이를 의미한다.

한편, 상기 인장강도는 바람직하게는 상기 성형방법에 따라 제조된 링 형상의 브레이징 소재를 세로로 세워 압력을 가하며 파괴하중을 측정하는 방법으로 취급강도를 측정한 것이다.

또한, 본 발명은 상기의 어느 하나의 금속복합분말을 가압하여 성형된 브레이징 소재를 제공한다. 이를 통해 로(furnace) 없이 간단한 공정만으로 재료의 손실없이 우수한 물성을 가지는 브레이징 소재를 제공할 수 있다.

상기 가압은 당해 기술분야에서 활용 가능한 브레이징 소재를 제조하기 위한 방법이면 제한없이 이용 가능하나, 바람직하게는 몰드에 분말을 주입하고 패킹 및 가열 후 압력을 가하여 수행할 수 있다. 즉, 본 발명의 금속복합분말은 분말을 빌렛 형태로 열간가압하고 이를 압출 및 절삭할 필요없이, 몰드에 주입하여 가압하는 간단한 공정만으로 목적하는 용도에 맞는 형태를 가진 브레이징 소재를 제조할 수 있는 효과가 있는 것이다. 또한, 절삭하는 공정을 수반하지 않을 수 있으므로 손실되는 재료의 양을 현저히 절감할 수 있는 장점이 있다

즉, 본 발명에 따른 금속복합분말을 이용하여 브레이징 소재를 제조하는 경우에는 상술한 바와 같이 간단하고 비용을 절감할 수 있는 가압 공정을 이용할 수 있는 것이다.

한편, 본 발명은 (1) 연질금속 분말 및 세라믹 분말을 혼합하는 단계 및 (2) 기계적 에너지를 인가하여 상기 금속 분말 내부에 상기 플럭스가 충진된 복합분말을 얻는 단계를 포함하는 브레이징 소재용 금속복합분말의 제조방법을 제공한다. 이를 통해 저온에서의 간단한 공정만으로, 재료의 손실 없이 우수한 물성을 가지는 브레이징 소재용 금속복합분말을 제조할 수 있다.

이하, 상술한 내용과 중복되는 내용을 제외하고 상세히 설명한다.

먼저, (1) 단계로써, 연질금속 분말 및 세라믹 분말을 혼합하는 단계를 포함한다.

상기 (1) 단계에서 연질금속 분말과 세라믹 분말의 혼합비는 당해 분야에서 활용가능한 브레이징용 소재를 제조하기 위해 선택될 수 있는 범위이면 제한이 없으나, 바람직하게는 연질금속 분말 100중량부에 대하여 상기 세라믹 분말이 20 ~ 30 중량부로 혼합할 수 있고, 보다 바람직하게는 22 ~ 27 중량부로 혼합될 수 있다. 상기 범위 내로 혼합되는 경우, 브레이징 시 공기의 유입을 차단할 수 있는 분위기가 형성되어 금속의 산화를 방지할 수 있다.

만일 연질금속 분말 100중량부에 대하여 상기 세라믹 분말이 20중량부 미만으로 포함되는 경우, 브레이징 시 금속의 산화를 방해하지 못하므로 목적하는 브레이징용 소재를 제공하지 못하는 문제점이 발생할 수 있다. 또한, 만일 상기 세라믹 분말이 30중량부를 초과하여 포함되는 경우엔 일정 플럭스가 분말 표면에 존재하게 되고 성형을 방해하게 되는 단점이 있다. 뿐만 아니라, 플럭스는 일종의 불순물이기 때문에, 모두 기화되지 못하면 개재물로 용접부에 잔존하게 되어 용접 강도를 저하시킬 수 있다.

다음으로, (2) 단계로써, 볼 밀링 공정을 수행하여 상기 금속 분말 내부에 상기 세라믹 분말이 충진된 복합분말을 얻는 단계를 포함한다. 이를 통해 금속 분말 표면에서의 플럭스 함유량을 저하시킬 수 있어 금속분말 간의 접합이 용이하게 되므로 성형성을 향상시킬 수 있다.

상기 볼 밀링 공정 수행시 바람직하게는 유성 볼 밀링(Planetary ball milling) 공정을 이용할 수 있다 이를 통해 연질금속 분말 내부에 혼합되는 세라믹 분말을 주입할 수 있고, 금속 분말 표면에 포함되는 세라믹 분말의 양을 줄일 수 있게 되어 상술한 바와 같이 성형성을 향상시킬 수 있다.

상기 볼 밀링 공정은 금속분말 내부에 세라믹 분말을 주입하여 금속복합분말을 형성할 수 있는 회전 속도 및 볼의 조건으로 수행될 수 있으나, 바람직하게는 2 ~ 8mm, 보다 바람직하게는 3 ~ 7mm 직경의 STS(스테인레스 스틸) 볼 (볼:분말 질량비 = 15:1) 을 이용할 수 있고, 상기 볼은 상기 혼합분말 100중량부에 대하여 총 1000 ~ 2000 중량부로 포함될 수 있다. 또한, 50 ~ 300 rpm의 회전속도로 수행될 수 있다. 구체적으로 분말 대비 볼의 질량비가 증가하거나, 밀링의 회전속도가 증가하게 되면, 더 많은 기계적 에너지를 분말에 인가할 수 있게 되어 세라믹 입자가 연질의 금속 분말 내부로 충분히 장입하는데 걸리는 시간(밀링 시간)이 감소하는 효과가 있다.

한편, 금속분말 표면에 포함되는 세라믹 분말의 양이 적어 저온 성형 공정을 용이하게 하기 위해서는 상기 볼 밀링 공정 수행시 하기의 관계식 1을 만족하는 조건에서 수행할 수 있다.

[관계식 1]

1.5 (h) ≤ T_c ⅹ N_c ≤ 8 (h)

상기 관계식 1에서 T_c는 볼 밀링 공정의 싸이클(cycle) 1회 당 밀링 시간(hour)이고, N_c는 수행한 총 싸이클의 횟수이다.

상기 관계식 1을 만족하는 조건에서 볼 밀링 공정을 수행하는 경우에는 금속분말 내부에 삽입되는 세라믹 물질의 양을 증가시킬 수 있고, 상대적으로 금속분말 표면에 존재하는 세라믹 물질의 양을 감소시킬 수도 있다. 즉, 총 볼 밀링을 수행하는 시간에 따라 금속분말 내에 충진되는 세라믹 물질의 충진 효율을 조절할 수 있는 것이다.

구체적으로, 도 4a는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 볼 밀링 공정을 200rpm 조건에서 0.5 h/cycle, 8 cycle로 수행하여 제조한 금속복합분말의 SEM 이미지이고, 도 4b는 상기 금속복합분말의 표면 성분을 분석한 SEM-EDS 이미지 및 그래프이다. 상기 도면을 통해서 T_c가 0.5 h/cycle이고, N_c가 8 cycle이어서 상기 관계식 1을 만족하는 경우, 플럭스 물질이 파쇄되어 대부분 금속 분말 내부로 삽입되고 일부만 표면에 존재하게 되어 성형성이 증대될 수 있음을 알 수 있다.

나아가, 본 발명은 상기의 어느 한 제조방법에 따라 제조된 상기 금속복합분말을 가압하여 브레이징 소재를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 브레이징 소재의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면 상기 가압은 상술한 바와 같이 몰드를 이용한 간단한 공정으로 수행할 수 있다. 또한, 상기 가압은 65 ~ 100 ℃ 온도범위에서 6 ~ 18MPa의 압력조건으로 30 ~ 300 초 동안 수행될 수 있다. 보다 바람직하게는 65 ~ 90 ℃ 온도범위에서 6 ~ 14MPa의 압력조건으로 30 ~ 150초 동안 수행될 수 있고, 더욱 바람직하게는 65 ~ 90 ℃ 온도범위에서 6 ~ 14MPa의 압력조건으로 30 ~ 150초 동안 수행될 수 있다. 상기 범위 내에서 가압을 수행하는 경우, 보다 저온에서 저압으로 짧은 시간 동안 가압공정을 수행할 수 있으므로 공정을 간단화 할 수 있는 장점이 있다. 특히 저온 공정이 용이한 경우, 로(furnace)의 추가설치 없이 공정을 수행할 수 있어 공정 과정을 단축하고 비용을 현저히 절감할 수 있어 경제적이 효과가 우수하다.

또한, 상기 가압에 의하여 링형, 판상, 각형, 선재형 또는 파이프형 형상의 브레이징 소재를 제조할 수 있고, 이를 통해 다양한 제조분야의 부품으로 용이하게 활용될 수 있다.

결국, 본 발명의 가지는 브레이징 소재용 금속복합분말, 이의 제조방법 및 이를 이용하는 브레이징 소재는 세라믹 물질이 금속분말의 표면이 아닌 내부에 존재하여 공기 유입을 차단하여 금속의 산화를 방지하는 기능을 수행할 수 있고, 표면에 세라믹 물질이 거의 존재하지 않게 되어 금속분말 간의 접합을 용이하게 하여 성형성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라 저온 성형이 가능하여 로(furnace) 없이도 공정 절차를 수행할 수 있어 간단한 공정만으로 우수한 물성을 가지는 브레이징 소재를 성형할 수 있는 효과가 있어 우수한 경제성을 가지므로 자동차, 항공기, 전기전자제품 등 다양한 분야의 부품 소재로 활용이 가능하다.

실시예 1

4045계열 알루미늄 합금분말 24g과 노코락(Nocolock) 플럭스 6g을 혼합한 후, 챔버(chamber)에 5mm 직경의 STS 볼 450g과 함께 넣어 유성 볼 밀링(Planetary ball milling)을 수행하였다. 상기 볼 밀링은 200rpm 조건에서 1 싸이클 당 2 시간의 밀링시간으로 각각의 1 싸이클 수행 후 1 시간동안 정지시간을 두고 총 1 싸이클을 수행하여 금속복합분말을 수득하였다. 링 형태의 몰드를 제작하여 200 ℃ 온도 조건에서 수 초간 가열한 후 BN(Boronitride) 스프레이를 이용하여 BN코팅을 수행하였다. 상기 BN은 몰드 간 맞닿는 부분 및 모드와 시편 간 맞닿는 부분에 코팅되어 윤활역할을 하였다. 상기 몰드에 수득한 금속복합분말을 주입하고 패킹 후 가열하였다. 70℃ 온도 조건에서 1분 동안 8MPa으로 가압하여 바깥지름이 19mm, 안지름이 16mm이며 폭이 1.5mm인 링 형상의 브레이징용 소재를 제조하였다.

실시예 2

볼 밀링 공정 수행시 200rpm 조건에서 1 싸이클 당 0.5 시간의 밀링시간으로 각각의 1 싸이클 수행 후 1.5 시간동안 정지시간을 두고 총 8 싸이클을 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.

실시예 3

볼 밀링 공정 수행시 100rpm 조건에서 1 싸이클 당 0.5 시간의 밀링시간으로 각각의 1 싸이클 수행 후 1.5 시간동안 정지시간을 두고 총 8 싸이클을 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.

실시예 4

볼 밀링 공정 수행시 250rpm 조건에서 1 싸이클 당 0.5 시간의 밀링시간으로 각각의 1 싸이클 수행 후 1 시간동안 정지시간을 두고 총 20 싸이클을 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.

실시예 5

볼 밀링 공정 수행시 250rpm 조건에서 1 싸이클 당 1 시간의 밀링시간으로 각각의 1 싸이클 수행 후 1 시간동안 정지시간을 두고 총 10 싸이클을 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.

실시예 6

볼 밀링 공정 수행시 200rpm 조건에서 1 싸이클 당 1 시간의 밀링시간으로 각각의 1 싸이클 수행 후 1 시간동안 정지시간을 두고 총 1 싸이클을 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.

비교예 1

볼 밀링 공정을 수행하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.

실험예 1. SEM -EDS 관측

상기 실시예 1 내지 실시예 6 및 비교예 1에 따라 제조된 금속복합분말을 SEM-EDS 분석을 통해 관측하였고, 그 결과를 도 1, 도 4 내지 8 및 하기 표 1에 나타내었다.

실험예 2. 광학현미경 관측

상기 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 브레이징 소재의 미세조직을 광학현미경으로 관측하였다.

표 1

상기 표 1은 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예에 대한 볼 밀링 공정, 브레이징 소재 성형 공정의 조건 및 금속복합분말 표면에 존재하는 세라믹 물질 유래의 할로겐 함유량을 나타낸 것이다. 상기 표 1을 살펴보면, 비교예1의 경우 복합금속분말 표면에 현저하게 많은 양의 세라믹 물질이 포함되므로, 본 발명의 브레이징 소재의 성형이 가능한 조건에서 비교예 1에 따른 금속복합분말의 가압성형을 하는 경우 브레이징 소재를 제조할 수 없다.

구체적으로 도 9a는 비교예 1에 따른 볼 밀링하지 않은 혼합분말을 이용하여 성형한 링 형상 브레이징 소재의 이미지이고, 도 9b는 실시예 1에 따른 볼 밀링한 금속복합분말을 이용하여 성형한 링 형상 브레이징 소재의 이미지이다. 이를 통해서 본 발명의 볼 밀링 공정에 제조된 금속복합분말은 저온 및 저압의 가압공정을 통해서도 링 형상의 브레이징 소재를 제조할 수 있음을 알 수 있다. 반면, 비교예 1의 경우 실시예 1의 경우와 동일한 가압 조건에서는 부서지거나 깨진 브레이징 소재가 제조된다. 즉, 비교예 1은 저온 성형만으로는 링 형상의 브레이징 소재를 제조할 수 없는 것이다.

또한, 도 10은 실시예 1에 따른 볼 밀링한 금속복합분말(우측) 및 비교예 1에 따른 볼 밀링하지 않은 혼합분말(좌측)을 이용하여 성형한 링 형상 브레이징 소재의 이미지이다. 상기 도면을 살펴보면, 실시예 1의 경우 미세조직에 기공이 거의 존재하지 않는 반면 비교예 1의 경우엔 다수의 기공이 존재함을 알 수 있다. 즉, 볼 밀링하지 않은 비교예 1의 경우에는 브레이징 소재로의 성형이 용이하지 않음을 알 수 있다.

한편, 상기 표 1을 살펴보면 관계식 1의 1.5 (h) ≤ T_c ⅹ N_c ≤ 8 (h)의 조건을 만족하지 않는 실시예 5는 금속복합분말 표면에 존재하는 세라믹 물질 유래의 할로겐 함유량이 30.70 중량%로 현저하게 높다. 이를 통해 표면의 세라믹 물질이 다량으로 존재하고 있음을 알 수 있고, 이 경우 금속분말간 접합이 용이하지 않아 성형성이 저하되어 본 발명이 목적하는 공정의 간단화 및 손실되는 재료 양의 저감을 달성할 수 없다. 또한, 실시예 3 및 4도 상기 관계식 1을 만족하지 못하는데 이 경우 브레이징 소재의 성형이 고온 및 고압 조건에서만 용이함을 알 수 있다. 즉, 상기 관계식 1을 만족하지 못하는 경우 저온 성형이 용이하지 않아 본 발명이 목적하는 공정의 간단화 및 손실 재료양의 저감을 달성할 수 없는 것이다.

Claims (14)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. (1) 알루미늄을 기지로 하는 합금분말 100 중량부에 대하여, 불화물계 플럭스 분말을 20 ~ 30 중량부로 혼합하는 단계;
   (2) 200 ~ 300rpm의 회전속도 및 하기의 관계식 1을 만족하는 조건으로 볼 밀링 공정을 수행하여 상기 합금분말 내부에 상기 불화물계 플럭스 분말이 충진된 복합분말을 얻는 단계; 및
   (3) 상기 복합분말을 65 ~ 70℃의 온도범위에서 6 ~ 14 MPa의 압력조건으로 30 ~ 150초동안 가압하여 브레이징 소재를 제조하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 브레이징 소재 제조방법.
   [관계식 1]
   1.5 ≤ T_c ⅹ N_c (h) ≤ 8
   상기 관계식 1에서 T_c는 볼 밀링 공정의 싸이클(cycle) 1회 당 밀링 시간(hour)이고, N_c는 수행한 총 싸이클의 횟수이다.
   
9. 삭제
10. 삭제
11. 제8항에 있어서,
    상기 볼 밀링 공정은 2 ~ 8mm 직경의 볼을 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 브레이징 소재 제조방법.
    
12. 삭제
13. 삭제
14. 제8항에 있어서,
    상기 가압에 의하여 링형, 판상, 각형, 선재형 또는 파이프형 형상의 브레이징 소재를 제조하는 것을 특징으로 하는 브레이징 소재 제조방법.

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