KR102273204B1 - 결합력 및 경제성이 향상된 이종 판재 접합방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 결합력 및 경제성이 향상된 이종 판재 접합방법에 관한 것으로서, 상기 기저소재 또는 상기 접합소재 중 적어도 어느 하나의 접합계면에 금속재질의 바인더 분말을 분사 코팅하여 그 표면에 요철형 코팅층을 형성하는 코팅층 형성단계와, 상기 기저소재와 상기 접합소재간 접합대상영역이 상호 겹쳐지게 배치하는 적층단계 및 상기 기저소재와 상기 접합소재를 함께 압연하여 상기 기저소재와 상기 접합소재를 접합하는 압연단계를 포함하되, 상기 바인더 분말은 상기 기저소재 또는 접합소재의 금속 분말 중 어느 하나가 사용되는 것을 특징으로 하는 결합력 및 경제성이 향상된 이종 판재 접합방법을 제공한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 접합하고자 하는 이종의 각 소재 계면에 바인더 분말을 분사 코팅하여 코팅층을 형성한 후 이를 압연하여 각 소재 접합계면의 국소변형에 의해 접합되도록 함으로써 간단한 공정으로 이종 소재간 충분한 결합강도를 얻을 수 있으면서도 저렴한 비용으로 이종 소재 접합이 가능한 효과가 있다.

Description

결합력 및 경제성이 향상된 이종 판재 접합방법{Bonding method of dissimilar sheet with improved bonding and economical efficiency}

본 발명은 결합력 및 경제성이 향상된 이종 판재 접합방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 간단한 공정으로 이종 소재간의 충분한 결합강도를 얻을 수 있으면서도 저렴한 비용으로 이종 소재 접합이 가능한 이종 판재 접합방법에 관한 것이다.

이종 이상의 금속이 접합된 금속 접합체를 클래드재(clad metal)이라고 하며, 통상 2종의 판재를 압연하여 제조하나, 접합하고자 하는 2개의 소재가 각기 상이한 결정구조를 가지거나 표면 산화층의 존재로 인하여 물리적인 결합이 약한 경우 충분한 접합강도를 가진 클래드재를 제조하는 것이 곤란하다.

일예로, 알루미늄-스테인리스 스틸을 접합한 주방용품은 압연을 통해 생산하므로 생산성이 높고 성형가공에도 접합이 유지될 정도의 접합강도를 가지는데 반해, 타이타늄-탄소강 혹은 타이타늄-스테인리스 스틸과 같은 조합을 갖는 접합판재는 두 소재간의 결정구조상의 차이 및 접합면의 산화피막으로 인해 접합이 잘 이루어지지 않고, 두 소재 모두 알루미늄 등 고연성 소재에 비해 연성이 상대적으로 부족하여 충분한 접합강도를 얻기 어려워 난접합 소재로 분류된다.

이러한 클래드재 제조의 어려움은 특허문헌에서도 확인해 볼 수 있다. 종래 기술로서 일본공개특허 1989-224184호 공보(이하, 특허문헌 1)에는 이종 금속판의 접합면을 미리 스퍼터 에칭 처리에 의해 활성화 처리한 후, 이러한 이종 금속판을 중합하여 냉간 압연 접합을 행하는 클래드 금속판의 제조 방법이 개시되어 있다.

그러나, 상기 특허문헌 1의 제조 방법은 금속 적층재로서의 충분한 접합력을 얻기 위해 접합면의 표층에서의 산화막을 완전히 제거할 필요가 있고, 이를 위한 스퍼터 에칭 처리에 상당한 시간이 요구된다. 그 때문에 특히 금속 적층재를 연속적으로 제조하는 경우에는 생산 효율이 저하되는 문제가 있어 추가적인 개량의 여지가 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위해 화약의 폭발력을 통해 매우 빠른 속도로 이종 금속간 결합을 진행하는 폭착방식이 고려된 바 있으나, 이는 취급상 위험성이 높은 폭약을 사용해야 하는 바 실제로 일반적인 제조 시설에서는 구현이 어려운 문제점이 있었다.

이에 최근에는 접합하고자 하는 이종 금속 사이에 금속박판을 개재하고, 이를 통해 이종 금속간의 결합력을 향상시키고자 하는 방법이 시도되고 있다.

그러나, 이 또한 금속박판을 개재하는 추가적인 공정이 요구되어 생산 효율 향상에 한계가 있을 뿐 아니라 금속박판을 구입하기 위한 추가비용으로 인한 제조단가 상승의 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 접합하고자 하는 이종의 각 소재 계면에 바인더 분말을 분사 코팅하여 코팅층을 형성한 후 이를 압연하여 각 소재 접합계면의 국소변형에 의해 접합되도록 함으로써 간단한 공정으로 이종 소재간 충분한 결합강도를 얻을 수 있으면서도 저렴한 비용으로 이종 소재 접합이 가능한 결합력 및 경제성이 향상된 이종 판재 접합방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따르면, 타이타늄인 기저소재와, 저연성의 접합소재를 접합하기 위한 이종 판재 접합방법에 있어서, 상기 기저소재 또는 상기 접합소재 중 적어도 어느 하나의 접합계면에 금속재질의 바인더 분말을 분사 코팅하여 그 표면에 요철형 코팅층을 형성하는 코팅층 형성단계와, 상기 기저소재와 상기 접합소재간 접합대상영역이 상호 겹쳐지게 배치하는 적층단계 및 상기 기저소재와 상기 접합소재를 함께 압연하여 상기 기저소재와 상기 접합소재를 접합하는 압연단계를 포함하되, 상기 바인더 분말은 상기 기저소재 또는 접합소재의 금속 분말 중 어느 하나가 사용되는 것을 특징으로 하는 결합력 및 경제성이 향상된 이종 판재 접합방법을 제공한다.

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또한, 상기 코팅층 형성단계는 상기 기저소재의 접합계면과 상기 접합소재의 접합계면에 코팅층을 형성하되, 각 접합계면에 서로 다른 재질의 바인더 분말이 사용하여 코팅층을 형성하는 것이 바람직하다.

아울러, 상기 압연단계 이후 상기 기저소재와 상기 접합소재가 접합된 접합판재를 열처리하는 열처리 단계와, 상기 열처리 단계 이후 상기 접합판재를 재압연하는 재압연 단계를 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 코팅층 형성단계는 복수의 바인더 분말이 사용될 수 있으며, 코팅대상판재의 접합계면으로부터 코팅층 표면에 이르기까지 상기 복수의 바인더 분말에 의한 코팅층이 점진적으로 변화하도록 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 코팅층 형성단계는 상기 바인더 분말의 입도가 달라지도록 하거나 그 성분을 코팅대상판재의 접합계면으로부터 코팅층 표면에 이르기까지 변화시켜 상기 코팅층 중에서 코팅 기저면은 상기 기저소재와의 결합력을 위주로 하고, 코팅표면은 이종접합시 물리적 결합 용이성을 더 지닐 수 있다.

아울러, 상기 바인더 분말은 브레이징용 합금 분말이 사용되며, 상기 압연단계 전에 상기 기저소재와 상기 접합소재를 브레이징하는 브레이징 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 접합하고자 하는 이종의 각 소재 계면에 바인더 분말을 분사 코팅하여 코팅층을 형성한 후 이를 압연하여 각 소재 접합계면의 국소변형에 의해 접합되도록 함으로써 이종 소재간 충분한 결합강도를 얻을 수 있으면서도 저렴한 비용으로 이종 소재 접합이 가능한 효과가 있다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 결합력 및 경제성이 향상된 이종 판재 접합방법의 순서도,
도2a는 본 발명의 일실시예에 따른 기저소재 표면에 바인더 분말을 코팅하는 상태를 도시한 도면,
도2b는 본 발명의 일실시예에 따른 기저소재 표면에 바인더 분말이 코팅된 상태를 도시한 도면,
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 기저소재 및 접합소재를 압연하는 상태를 도시한 도면,
도4는 본 발명의 일실시예에 따른 기저소재 및 접합소재를 열처리하는 상태를 도시한 도면.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

도1은 본 발명의 일실시예에 따른 결합력 및 경제성이 향상된 이종 판재 접합방법의 순서도이고, 도2a는 본 발명의 일실시예에 따른 기저소재 표면에 바인더 분말을 코팅하는 상태를 도시한 도면이며, 도2b는 본 발명의 일실시예에 따른 기저소재 표면에 바인더 분말이 코팅된 상태를 도시한 도면이고, 도3은 본 발명의 일실시예에 따른 기저소재 및 접합소재를 압연하는 상태를 도시한 도면이며, 도4는 본 발명의 일실시예에 따른 기저소재 및 접합소재를 열처리하는 상태를 도시한 도면이다.

도1에서 보는 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 결합력 및 경제성이 향상된 이종 판재 접합방법은 코팅층 형성단계(S10)와, 적층단계(S20)와, 압연단계(S30)와, 열처리단계(S40) 및 재압연단계(S50)를 포함하여 구성된다.

코팅층 형성단계(S10)는 준비된 기저소재(10) 및 접합소재(20) 표면에 잔존하는 이물질등을 제거하는 전처리 작업이 수행된다(S11-1,S11-2). 본 실시예에서 기저소재(10)는 스테인리스 스틸, 접합소재는 타이타늄 접합일 수 있다.

그 다음, 기저소재(10) 또는 접합소재(20) 중 어느 하나의 접합면에 계면 접합 상대소재 분말을 분사 코팅하여 요철형 코팅층(11)을 형성한다.(S12-1,S12-2).

도2b에는 기저소재(10)의 표면에 접합소재 분말을 분사코팅하여 요철형 코팅층(11)이 형성된 경우가 예시되어 있다. 이때, 코팅층(11)의 피막은 50㎛ 이내로 형성함으로써 코팅층(11) 형성에 따른 비용상승을 최소화하는 것이 바람직하다.

한편, 본 실시예의 코팅층 형성단계에서는 저온 분사 코팅 방식이 사용되는데, 이러한 저온 분사 코팅 방식은 불활성 가스를 고온고압으로 가열한 후 초음속 노즐(N)을 통해 코팅분말과 함께 피도물에 분사함으로써 코팅분말이 강한 속도로 피도물에 충돌하여 고상접합되도록 하는 코팅방법으로, 초음속으로 분사되는 제트의 온도가 피도물에 열영향을 주지 않을 정도로 충분히 낮아 타이타늄 분말을 코팅할 수 있는 유일한 수단으로 주목되고 있다. 접합을 이루는 각 소재의 계면에 접합 상대 소재의 분말을 저온분사를 통해 얇게 코팅층을 형성하면 두 소재간 강한 결합을 얻을 수 있고, 이를 적층 압연하여 실질적인 압연에 의한 접합이 동종의 소재간에 이루어지도록 유도할 수 있게 된다.

그리고, 기저소재(10)와 접합소재(20)의 계면 양측에 접합소재 분말을 모두 코팅하는 것도 가능하다.

본 실시예에 따른 바인더 분말은 기저소재(10)와 동일한 재질의 금속 분말 또는 접합소재(20)와 동일한 재질의 금속 분말 중 어느 하나의 금속 분말이 사용되는데, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 기저소재(10)와 접합소재(20)가 결합력을 향상시킬 수 있는 바인더 분말이면 각각 서로 다른 재질의 바인더 분말이 사용될 수 있다. 일예로, 기저소재는 스테인리스 스틸, 접합소재는 타이타늄 접합인 경우 니켈분말을 기저소재 또는 접합소재의 계면 또는 기저소재 및 접합소재의 각 계면에 코팅할 수도 있다.

나아가, 본 발명의 일실시예에 따른 바인더 분말은 복수의 바인더 분말이 사용될 수 있으며, 코팅대상판재의 접합계면으로부터 코팅층(11) 표면에 이르기까지 상기 복수의 바인더 분말에 의한 코팅층(11)이 점진적으로 변화하도록 형성할 수도 있다.

이는 분사코팅의 두께 방향으로 점차 분말성상이나 성분이 점진적으로 변하도록 하여 코팅접합면과 코팅 표면층이 다른 특성을 지니도록 하는 방법으로서, 분말의 입도나 조성물 달리하여 코팅층 중에서 코팅기저면은 기저소재(10)와의 결합력을 위주로 하고, 코팅표면에서는 이종접합 시 물리적 결합 용이성을 더 지니도록 하는 것도 가능하다.

본 발명에서 코팅층을 요철형으로 형성하는 이유는 다음과 같다. 코팅층이 요철형으로 되어 있으면, 2개의 소재가 압연될 때, 압연 전에 기 형성되어 있는 산화피막이 가압에 의한 계면의 국소변형에 의해 충분히 파괴되므로 두 소재 사이의 강한 결합을 얻을 수 있게 된다.

아울러, 본 실시예에 따른 코팅층 형성단계(S10)는 후술하는 압연단계(S30)에서 압연에 의해 기저소재(10) 및 접합소재(20)의 접합이 보다 용이하게 이루어질 수 있도록 이들을 각각 가열하는 공정(S13-1,S13-2)이 수행될 수 있다.

적층단계(S20)는 코팅층(11)이 형성된 기저소재(10)의 계면과 접합소재(20)의 계면이 서로 겹쳐지도록 배치하는 단계로서, 기저소재(10)와 접합소재(20)을 압연하기 전 사전준비 단계에 해당된다.

압연단계(S30)는 한 쌍의 가압롤러를 구비한 압연장치(A)를 이용하여 기저소재(10) 및 접합소재(20)를 압연하여 2개의 이종소재의 계면 간을 결합시킨다.

그리고, 본 실시예에 따른 압연단계(S30)는 기저소재(10)에 다수의 접합소재(20)를 접합하고자 하는 경우 이들을 순차적으로 단방향 혹은 양방향으로 압연함으로써 다층의 접합판재를 제조할 수 있다.

열처리단계(S40)는 압연공정시 발생한 잔류응력을 제거하고, 계면 접합성을 향상시키기 위한 후열처리 공정이다. 예를 들어, 질소가스 분위기하의 500~850℃에서 10분간 유지하는 형태로 열처리를 할 수 있다.

재압연단계(S50)는 압연단계(S30)에서 사용된 압연장치(A)가 사용될 수 있으며, 접합판재를 재압연, 즉 2차 압연함으로써 기조소재와 접합소재(20)의 결합력을 향상시키는 역할을 한다.

도5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 결합력 및 경제성이 향상된 이종 판재 접합방법을 순서대로 도시한 순서도이다.

도5 실시예의 기본적인 단계는 도1 내지 도4의 실시예와 동일하나, 바인더 분말로 브레이징 금속 분말이 사용되고, 압연단계(S30) 전에 브레이징 단계를 더 포함하여 이루어진다.

이와 같이 기저소재(10) 또는 접합소재(20) 중 어느 하나의 접합계면에 브레이징 금속 분말을 코팅하고, 기저소재(10) 또는 접합소재(20)간 접합계면이 겹쳐지도록 배치한 후 이를 브레이징 처리함으로써 브레이징 금속 분말을 통해 기저소재(10) 및 접합소재(20)가 브레이징되어 이들의 결합력을 현저하게 향상시킬 수 있다.

즉, 본 실시예는 기저소재(10) 및 접합소재(20) 표면에 브레이징 분말을 코팅한 후 이를 접합수단으로 이용하여 기저소재(10) 및 접합소재(20)를 용접결합함으로써 이들의 결합력을 보다 향상시킬 수 있는 기술이다.

그 외의 구조는 전술한 기본 실시예와 동일하므로 나머지 설명은 생략하기로 한다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

10 : 기저소재 20 : 접합소재

Claims (7)

1. 타이타늄인 기저소재와, 저연성의 접합소재를 접합하기 위한 이종 판재 접합방법에 있어서,
   상기 기저소재 또는 상기 접합소재 중 적어도 어느 하나의 접합계면에 금속재질의 바인더 분말을 분사 코팅하여 그 표면에 요철형 코팅층을 형성하는 코팅층 형성단계와;
   상기 기저소재와 상기 접합소재간 접합대상영역이 상호 겹쳐지게 배치하는 적층단계; 및
   상기 기저소재와 상기 접합소재를 함께 압연하여 상기 기저소재와 상기 접합소재를 접합하는 압연단계를 포함하되,
   상기 바인더 분말은 상기 기저소재 또는 접합소재의 금속 분말 중 어느 하나가 사용되는 것을 특징으로 하는 결합력 및 경제성이 향상된 이종 판재 접합방법.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 코팅층 형성단계는 상기 기저소재의 접합계면과 상기 접합소재의 접합계면에 코팅층을 형성하되, 각 접합계면에 서로 다른 재질의 바인더 분말이 사용하여 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는 결합력 및 경제성이 향상된 이종 판재 접합방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 압연단계 이후 상기 기저소재와 상기 접합소재가 접합된 접합판재를 열처리하는 열처리 단계와;
   상기 열처리 단계 이후 상기 접합판재를 재압연하는 재압연 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 결합력 및 경제성이 향상된 이종 판재 접합방법.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 코팅층 형성단계는 복수의 바인더 분말이 사용될 수 있으며, 코팅대상판재의 접합계면으로부터 코팅층 표면에 이르기까지 상기 복수의 바인더 분말에 의한 코팅층이 점진적으로 변화하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 결합력 및 경제성이 향상된 이종 판재 접합 방법.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 코팅층 형성단계는 상기 바인더 분말의 입도가 달라지도록 하거나 그 성분을 코팅대상판재의 접합계면으로부터 코팅층 표면에 이르기까지 변화시켜 상기 코팅층 중에서 코팅 기저면은 상기 기저소재와의 결합력을 위주로 하고, 코팅표면은 이종접합시 물리적 결합 용이성을 더 지니는 것을 특징으로 하는 결합력 및 경제성이 향상된 이종 판재 접합 방법.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 바인더 분말은 브레이징용 합금 분말이 사용되며,
   상기 압연단계 전에 상기 기저소재와 상기 접합소재를 브레이징하는 브레이징 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 결합력 및 경제성이 향상된 이종 판재 접합 방법.

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