KR102197121B1 - 브레이징 합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 브레이징 합금에 관한 것으로, 인(P) 5~6.9wt%와, 가돌리늄(Gd) 0.01~3wt%를 포함하고, 잔부는 구리(Cu)로 이루어져 제조비용을 절감하면서 용접성을 개선할 수 있도록 한 브레이징 합금을 제공한다.

Description

브레이징 합금{Brazing alloy}

본 발명은 브레이징 합금에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제조비용을 낮추면서 우수한 용접성을 가질 수 있도록 한 브레이징 합금에 관한 것이다.

일반적으로 브레이징은 약 600~900℃의 온도에서 접합부의 모재를 녹이지 않으면서 금속을 접합하는 것으로, 접합 대상 금속부재들 사이에 강하고 틈이 없는 용착 결합을 형성하기 때문에 다양한 금속들 간의 접합에 널리 이용되고 있다.

다만, 황동재의 용접에 있어서는 작업온도가 높아지거나 작업시간이 길어질 경우 황동 표면에서 탈아연 현상이 발생하게 되고, 이로 인해 스케일이 형성될 수 있다. 이렇게 형성된 스케일은 용접재의 원활한 흐름을 방해하기 때문에 가스 플럭스, 염화물, 불화물, 붕소화합물 등과 같은 플럭스 보조제를 사용하여 용접 중에 산화물을 제거해야 하는 문제점이 있다.

현재는 상술한 문제점을 해결하기 위해 브레이징재에 은(Ag)이 불가피하게 사용되고 있다. 특히, 배관용접 분야의 경우에는 황동부속의 용접시에 용접재로서 0.5~30wt%의 은(Ag)을 함유한 것이 주로 사용되고 있는데, 이와 같이 은(Ag)을 첨가하는 이유는 융점을 낮추면서 황동 표면에서의 흐름성(flowability)과 젖음성(wetability) 및 접착성을 향상시키기 위한 것이다.

그러나 은(Ag)은 고가의 귀금속으로서 향후 전자산업의 발전추이 등을 고려할 때 그 가격은 계속하여 상승할 것으로 예상되고 있다. 따라서 경제적인 측면에서는 고가의 은(Ag)을 전혀 사용하지 않거나 은(Ag) 함량을 최소화할 필요성이 있으며, 용접성의 측면에서는 흐름성 및 젖음성이 개선된 브레이징 합금의 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 은을 사용하지 않거나 사용량을 최소화하여 제조비용을 절감하면서 우수한 용접성을 얻을 수 있는 브레이징 합금을 제공하는 데 목적이 있다.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서,

본 발명은 인(P) 5~6.9wt%와, 가돌리늄(Gd) 0.01~3wt%를 포함하고, 잔부는 구리(Cu)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 브레이징 합금을 제공한다.

이 경우, 상기 브레이징 합금은 은(Ag) 0.5~1.5 wt%를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 은을 사용하지 않거나 최소한으로 사용하여 제조비용을 절감할 수 있을 뿐 아니라 인 5~6.9wt%와, 가돌리늄 0.01~3wt% 및 잔부 구리를 기본 구성으로 하고, 선택적으로 은 0.5~1.5wt%를 포함하여 구성됨으로써 은을 첨가한 인동 합금과 유사한 젖음성(wetability), 흐름성(flowability) 및 친화성(affinity)을 갖는 우수한 용접성을 얻을 수 있다.

도 1은 종래기술과 본 발명에 따른 브레이징 합금을 이용하여 용접된 황동판을 비교 도시한 사진,
도 2는 종래기술과 본 발명에 따른 브레이징 합금을 이용하여 용접된 황동판과 동소켓을 비교 도시한 사진,
도 3은 본 발명에 따른 브레이징 합금을 이용하여 용접된 황동부속과 동관을 나타낸 사진,
도 4는 종래기술에 따른 브레이징 합금을 황동판재 위에 용접한 후의 표면 조직 사진,
도 5는 본 발명에 따른 브레이징 합금을 황동판재 위에 용접한 후의 표면 조직 사진.

이하 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

본 발명은 브레이징 합금에 관한 것으로, 인(P)과, 가돌리늄(Gd) 및 구리(Cu)를 포함한다.

인(P)은 활성이 매우 강한 금속 성분으로, 구리의 액상선을 현저하게 낮추는 역할을 한다.

인의 경우 브레이징 합금 전체 중량에 대해 5~6.9wt% 포함된다. 인의 함량이 5wt% 미만이면 브레이징 합금의 융점이 상승하여 작업 가능한 온도가 900℃ 이상이 되기 때문에 동합금의 용접에 부적합하고, 인의 함량이 6.9wt% 초과이면 브레이징 합금의 융점은 낮아지나 액상에서의 표면장력이 현저하게 낮아지기 때문에 용접시 용접 모재 표면에서 부착력이 저하되어 용접재가 중력에 의해 흘러내리는 문제점이 있다.

가돌리늄은 융점이 1313℃로 구리보다 높지만 구리에 1wt% 첨가될 경우 융점(liquidus)은 955℃, 응고점(solidus)은 860℃로 낮출 수 있고, 동(Cu)과의 우수한 고용체 특성을 가져 중량비 20%일 경우 860℃에서 공정점(eutectic point)을 보인다.

특히, 황동부속 용접시 은과 동일한 표면 친화력, 젖음성, 흐름성을 가지고, 액상에서의 표면장력도 높아 기존의 보론(B), 스트론튬(Sr) 합금보다 우수한 특성을 나타내며, 기존의 저융점 금속인 주석(Sn), 인듐(In), 갈륨(Ga), 리튬(Li)보다 소량의 첨가로도 응고점을 낮출 수 있다.

또한, 가돌리늄은 희소금속류에 속하나, 은 대비 가격이 1/10 이하로 저렴하고, 소량의 첨가만으로 은과 유사한 효과를 나타낼 수 있어 경제적으로 우수한 경쟁력을 가질 수 있다.

가돌리늄은 브레이징 합금 전체 중량에 대해 0.01~3wt% 포함된다.

가돌리늄의 함량이 0.01wt% 미만이면 브레이징 합금의 융점을 낮추는 효과를 나타내기 어렵고, 가돌리늄의 함량이 3 wt% 초과이면 용접시 가돌리늄 산화물이 급격하게 형성되어 용접 흐름성을 저하시키는 문제점이 있다.

구리(Cu)는 브레이징 합금에 연성, 열전도성, 도전성, 내식성, 침투력 등을 제공하며, 브레이징 합금의 다른 성분들을 제외한 잔부로서 포함된다.

브레이징 합금은 상술한 인, 가돌리늄, 구리 외에 소량의 은(Ag)을 포함할 수 있다.

은(Ag)은 모든 금속과 친화력이 우수한 원소로서 브레이징 합금의 융점을 낮추고, 젖음성, 확산성 등을 향상시키는 기능을 한다. 은의 경우 높은 단가를 고려하여 0.5~1.5wt% 첨가되는 것이 바람직하다. 은의 함량이 0.5wt% 미만이면 용접성 개선 효과를 얻기 어렵고, 1.5wt% 초과이면 제조비용이 상승하여 경제성이 떨어진다. 다만, 은은 제조 여건에 따라 5wt%까지 첨가할 수 있으며, 이 때에는 인의 함량을 낮추게 된다.

또한, 브레이징 합금은 은 외에도 융점을 낮추기 위해 저융점 금속인 인듐(In), 갈륨(Ga), 주석(Sn)을 더 포함하거나, 가돌리늄의 산화물 형성을 억제하기 위해 알칼리 금속을 더 포함할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.

인, 가돌리늄, 은, 구리의 함량을 조절하면서 브레이징 합금의 고상선과 액상선 변화를 측정하였으며, 그 결과를 하기의 [표 1]에 나타내었다.

구분	인	가돌리늄	은	동	고상선 (응고점)	액상선 (융점)
실시예 1	6.2~6.5wt%	2wt%	-	잔량	645~650℃	780~800℃
실시예 2	6.5~6.7wt%	1wt%	-	잔량	645~655℃	780~800℃
실시예 3	6.5~6.7wt%	0.5wt%	0.5~0.6wt%	잔량	650~660℃	790~810℃
실시예 4	6.7~6.9wt%	0.1wt%	1~1.5wt%	잔량	650~660℃	790~810℃

상용되는 KS: BCUP-2(인: 6.9~7.2wt%, 구리: 잔량) 합금(고상선: 710℃, 액상선: 790~800℃)에 가돌리늄을 첨가하면 가돌리늄의 함량이 0.01wt%일 때부터 융점이 낮아지기 시작하여 0.1wt%일 때 20~30℃ 가량 낮아지고, 1wt%일 때에는 30~50℃ 정도 낮아지며, 응고점은 650~660℃로 내려간다. 이러한 브레이징 합금에 인을 6~6.8 wt%로 정도로 가감함으로써 최적의 용접성을 얻을 수 있다.

이 경우, 인의 함량이 6.9wt%를 초과하면 융점은 낮아지나, 용접성의 특징인 액상에서의 표면장력이 현격하게 낮아짐으로써 용접시 용접 모재 표면에서 부착력이 낮아져 용접제가 중력에 의해 흘러내리는 문제가 발생한다.

또한, 가돌리늄은 인과 구리의 2원소 합금에 0.1wt% 첨가시부터 융점이 50℃ 이상 낮아지며, 1wt% 이상 첨가시부터 융점이 100℃ 이상 낮아지므로 이를 고려하여 인의 함량을 6wt% 이하까지 비례하여 액상에서의 표면장력을 유지하며 조성한다.

가돌리늄의 경우 0.05wt% 첨가시부터 황동 표면에서 흐름성과 침투 효과를 보이며, 0.1~1.5wt%의 함량에서 용접성이 극대화 되었다. 한편, 가돌리늄의 함량이 2.5wt% 이상이면 용접 온도 상승에 따라 발생하는 가돌리늄의 산화물로 인해 용접성이 저하되었다. 따라서 가돌리늄의 함량이 2.5wt% 이상일 경우에는 고용성을 높이기 위해 알칼리 금속을 소량 첨가하여 산화물 형성을 억제할 수 있다.

도 1에는 90℃에서 BCUP-3 Ag 5wt% 봉으로 용접한 황동판(두께: 2mm)(도 1의 좌측 사진)과, Gd 0.5wt%, P 6.7wt%, Cu 잔량의 합금 조성을 갖는 용접봉으로 용접한 황동판(두께: 2mm)(도 1의 우측 사진)을 비교하여 나타내었다. 도 1로부터 본 발명에 따른 브레이징 합금이 동일 조건에서 BCUP-3과 거의 동일한 흐름성과 침투성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.

도 2에는 BCUP-3 Ag 5wt% 용접재로 용접한 황동판 및 동소켓(직경: 19mm)(도 2의 (a))과, Gd 0.5wt%, P 6.7wt%, Cu 잔량의 합금 조성을 갖는 용접재로 용접한 황동판 및 동소켓(직경: 19mm)(도 2의 (b))을 비교하여 나타내었다. 도 2로부터 본 발명에 따른 용접재가 BCUP-3과 거의 동일한 용접성과 표면조직을 나타내는 것을 확인할 수 있다.

도 3에는 도 2의 용접재에서 Gd의 함량이 각각 0.1wt%, 0.5wt%, 2wt%인 용접재로 용접한 황동부속과 동관(직경: 19mm)을 나타내었다. 도 3으로부터 본 발명에 따른 용접재를 이용할 경우 흐름성과 표면에 이상이 없음을 알 수 있다.

도 4에는 BCUP-3 Ag 5wt% 용접재를 황동판재 위에 용접한 후의 표면 조직 사진((a)는 100배율, (b)는 1200배율)을 나타내었고, 도 5에는 Gd 0.5wt%, P 6.7wt%, Cu 잔량의 합금 조성을 갖는 용접재를 황동판재 위에 용접한 후의 표면 조직 사진을 나타내었다. 도 4 및 도 5로부터 본 발명에 따른 용접재를 이용할 경우 표면 조직에 이상이 없음을 확인할 수 있다.

Claims (2)

1. 인(P) 5~6.9wt%와, 가돌리늄(Gd) 0.01~3wt%를 포함하고, 잔부는 구리(Cu)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 브레이징 합금.
2. 제 1 항에 있어서,
   은(Ag) 0.5~1.5 wt%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 브레이징 합금.

Images