KR102455334B1 - 금속 부재의 접합 방법 및 금속 부재 접합체 - Google Patents

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Abstract

금속 부재의 접합 방법은, 탄화물 함유 Ni 합금끼리 또는 탄화물 함유 Fe 합금끼리 형성되어 있는 제1 금속 부재 및 제2 금속 부재의 사이에, 인서트재를 끼워 적층체를 형성하는 적층체 형성 공정(S10)과, 적층체를 가열 가압하는 것에 의해 고상 확산 접합하여 금속 부재 접합체를 형성하는 고상 확산 접합 공정(S12)을 포함하고, 인서트재는, 제1 금속 부재 및 제2 금속 부재가 탄화물 함유 Ni 합금끼리 형성되어 있는 경우에는, 제1 금속 부재 및 제2 금속 부재의 Ni의 함유율보다 큰 함유율의 Ni를 포함하고, 제1 금속 부재 및 제2 금속 부재가 탄화물 함유 Fe 합금끼리 형성되어 있는 경우에는, 제1 금속 부재 및 제2 금속 부재의 Fe의 함유율보다 큰 함유율의 Fe 또는 Ni를 포함한다.

Description

금속 부재의 접합 방법 및 금속 부재 접합체
본 개시는, 금속 부재의 접합 방법 및 금속 부재 접합체에 관한 것이다.
고온에서 운전하는 가스 터빈이나 화학 플랜트 등에 사용되는 금속 부재에는, Ni 합금이나 Fe 합금 등의 내열 합금이 사용되고 있다. 접합 개소가 있는 구조부재에서는, 높은 조인트 강도나 실링성(sealing property)을 확보할 수 있는 확산 접합이 적용되는 경우가 있다(특허문헌 1 참조).
일본공개특허 제2014-161885호 공보
그런데, 상기와 같은 내열 합금에는, 기계적 강도 등을 향상시키기 위하여, 탄화물을 함유하는 탄화물 함유 Ni 합금이나 탄화물 함유 Fe 합금이 사용되고 있다. 한편, 탄화물 함유 Ni 합금이나 탄화물 함유 Fe 합금으로 형성된 금속 부재의 확산 접합에는, 고상(固相) 확산 접합이 적용되는 경우가 있다.
그러나, 탄화물 함유 Ni 합금이나 탄화물 함유 Fe 합금으로 형성된 금속 부재의 각각 접합면을 직접 맞대서 고상 확산 접합하는 경우에는, 탄화물이 접합 계면을 따라 존재하는 것에 의해, 접합 계면이 크랙의 전파 경로가 될 가능성이 있다. 그 결과, 금속 부재 접합체의 기계적 강도가 저하되는 경우가 있다.
이에 본 개시의 목적은, 기계적 강도를 보다 향상시키는 것이 가능한 금속 부재의 접합 방법 및 금속 부재 접합체를 제공하는 것이다.
본 개시에 관한 금속 부재의 접합 방법은, 탄화물 함유 Ni 합금끼리 또는 탄화물 함유 Fe 합금끼리 형성되어 있는 제1 금속 부재 및 제2 금속 부재의 사이에, 인서트재(insert material)를 끼워 적층체를 형성하는 적층체 형성 공정과, 상기 적층체를 가열 가압하는 것에 의해 고상 확산 접합하여 금속 부재 접합체를 형성하는 고상 확산 접합 공정을 포함하고, 상기 인서트재는, 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재가 상기 탄화물 함유 Ni 합금끼리 형성되어 있는 경우에는, 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재의 Ni의 함유율보다 큰 함유율의 Ni를 포함하고, 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재가 상기 탄화물 함유 Fe 합금끼리 형성되어 있는 경우에는, 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재의 Fe의 함유율보다 큰 함유율의 Fe 또는 Ni를 포함한다.
본 개시에 관한 금속 부재의 접합 방법에 있어서, 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재는, 상기 탄화물 함유 Ni 합금끼리 형성되어 있고, 상기 인서트재는, 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재의 Ni의 함유율보다 큰 함유율의 Ni를 포함하도록 해도 된다.
본 개시에 관한 금속 부재의 접합 방법에 있어서, 상기 인서트재는 순Ni로 형성되어 있어도 된다.
본 개시에 관한 금속 부재의 접합 방법은, 상기 금속 부재 접합체를 열처리하여, 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재의 접합부의 결정립을, 상기 접합부의 접합 계면에 걸쳐서 성장시키는 열처리 공정을 포함하고 있어도 된다.
본 개시에 관한 금속 부재 접합체는, 탄화물 함유 Ni 합금끼리 또는 탄화물 함유 Fe 합금끼리 형성되어 있는 제1 금속 부재 및 제2 금속 부재와, 상기 제1 금속 부재와, 상기 제2 금속 부재 사이에 설치되고, 확산층으로 형성되는 접합부를 구비하고, 상기 접합부의 접합 계면은, 탄화물이 석출되어 있지 않다.
본 개시에 관한 금속 부재 접합체에 있어서, 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재는, 상기 탄화물 함유 Ni 합금끼리 형성되어 있어도 된다.
본 개시에 관한 금속 부재 접합체에 있어서, 상기 접합부의 결정립이, 상기 접합 계면에 걸쳐 있어도 된다.
상기 구성에 의하면, 제1 금속 부재와 제2 금속 부재 사이의 접합 계면의 탄화물을 억제할 수 있으므로, 금속 부재 접합체의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
[도 1] 본 개시의 실시형태에 있어서, 금속 부재의 접합 방법의 구성을 나타내는 플로차트이다.
[도 2] 본 개시의 실시형태에 있어서, 적층체의 구성을 나타내는 도면이다.
[도 3] 본 개시의 실시형태에 있어서, 금속 부재 접합체의 구성을 나타내는 도면이다.
[도 4] 본 개시의 실시형태에 있어서, 각 공시체(供試體)의 인장 시험 결과를 나타내는 그래프이다.
[도 5] 본 개시의 실시형태에 있어서, 각 공시체의 크리프 시험 결과를 나타내는 그래프이다.
[도 6] 본 개시의 실시형태에 있어서, 비교예 1의 공시체의 금속 조직 관찰 결과를 나타내는 사진이다.
[도 7] 본 개시의 실시형태에 있어서, 실시예 1의 공시체의 금속 조직 관찰 결과를 나타내는 사진이다.
[도 8] 본 개시의 실시형태에 있어서, 실시예 2의 공시체의 금속 조직 관찰 결과를 나타내는 사진이다.
[도 9] 본 개시의 실시형태에 있어서, 비교예 2의 공시체의 금속 조직 관찰 결과를 나타내는 사진이다.
이하에 본 개시의 실시형태에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 도 1은, 금속 부재의 접합 방법의 구성을 나타내는 플로차트이다. 금속 부재의 접합 방법은, 적층체 형성 공정(S10)과, 고상 확산 접합 공정(S12)을 포함하고 있다.
적층체 형성 공정(S10)은, 탄화물 함유 Ni 합금끼리 또는 탄화물 함유 Fe 합금끼리 형성되어 있는 제1 금속 부재 및 제2 금속 부재의 사이에, 인서트재를 끼워 적층체를 형성하는 공정이다. 도 2는, 적층체(10)의 구성을 나타내는 도면이다. 적층체(10)는, 제1 금속 부재(12)와, 제2 금속 부재(14) 사이에, 인서트재(16)를 끼워 구성되어 있다. 제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)는, 탄화물 함유 Ni 합금끼리 또는 탄화물 함유 Fe 합금끼리 형성되어 있다. 제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)는, 탄화물 함유 Ni 합금끼리 형성되어 있어도 되고, 탄화물 함유 Fe 합금끼리 형성되어 있어도 된다.
탄화물 함유 Ni 합금은 탄화물을 포함하고, 합금의 주성분이 Ni로 구성되어 있는 Ni 합금이다. 합금의 주성분이란, 합금 성분 중에서 가장 함유율이 큰 합금 원소이다(이하 동일). 탄화물 함유 Ni 합금은, 합금 성분으로서 C를 포함하고 있다. C의 함유율은, 예를 들면 0.01 질량%부터 1 질량%로 할 수 있다. 탄화물 함유 Ni 합금에는, Mo나 W 등을 고용(固溶)시킨 고용 강화형의 Ni 합금이나, γ'상을 석출시킨 석출 강화형의 Ni 합금 등을 사용하는 것이 가능이다.
탄화물 함유 Ni 합금에는, 예를 들면 Haynes 230 합금을 사용할 수 있다. Haynes 230 합금은, 탄화물을 포함하는 고용 강화형의 Ni 합금이다. Haynes 230 합금 합금 조성(組成)은, 예를 들면 22 질량%의 Cr(크롬)과, 14 질량%의 W(텅스텐)과, 2 질량%의 Mo(몰리브덴)과, 3 질량% 이하의 Fe(철)과, 5 질량% 이하의 Co(코발트)와, 0.5 질량%의 Mn(망간)과, 0.4 질량%의 Si(규소)와, 0.5 질량% 이하의 Nb(니오븀)과, 0.3 질량%의 Al(알루미늄)과, 0.1 질량% 이하의 Ti(티탄)과, 0.1 질량%의 C(탄소)와, 0.02 질량%의 La(란탄)과, 0.015 질량% 이하의 B(붕소)를 포함하고, 잔부가 Ni(니켈)과 불가피한 불순물에 의해 구성되어 있다. Haynes 230 합금에 포함되는 탄화물은, Cr 탄화물이나 W 탄화물 등이다. 탄화물은, 결정립 내나 결정립계 등에 석출되어 있다.
탄화물 함유 Fe 합금은 탄화물을 포함하고, 합금의 주성분이 Fe로 구성되어 있는 Fe 합금이다. 탄화물 함유 Fe 합금은, 합금 성분으로서 C를 포함하고 있다. C의 함유율은, 예를 들면 0.01 질량%부터 1.2 질량%로 할 수 있다.
탄화물 함유 Fe 합금에는 스테인레스강을 사용하는 것이 가능하다. 스테인레스강에는, 오스테나이트계 스테인레스강, 페라이트계 스테인레스강, 오스테나이트·페라이트계 스테인레스강, 마르텐사이트계 스테인레스강, 석출 경화형 스테인레스강 등을 사용할 수 있다.
제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)가, 탄화물 함유 Ni 합금끼리 형성되어 있는 경우에는, 제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)는, 동일한 탄화물 함유 Ni 합금으로 형성되어 있어도 되고, 상이한 탄화물 함유 Ni 합금으로 형성되어 있어도 된다. 예를 들면, 제1 금속 부재(12)가 Haynes 230 합금으로 형성되어 있는 경우에는, 제2 금속 부재(14)는, Haynes 230 합금으로 형성되어 있어도 되고, Haynes 230 합금과 상이한 탄화물 함유 Ni 합금으로 형성되어 있어도 된다.
제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)가, 탄화물 함유 Fe 합금끼리 형성되어 있는 경우에는, 제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)는, 동일한 탄화물 함유 Fe 합금으로 형성되어 있어도 되고, 상이한 탄화물 함유 Fe 합금으로 형성되어 있어도 된다.
인서트재(16)는, 제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)의 사이에 끼워 설치되어 있다. 보다 상세하게는, 인서트재(16)는, 제1 금속 부재(12)의 접합면과, 제2 금속 부재(14)의 접합면 사이에 삽입되어 있다.
인서트재(16)는, 제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)가 탄화물 함유 Ni 합금끼리 형성되어 있는 경우에는, 제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)의 Ni의 함유율보다 큰 함유율의 Ni를 포함하고, 제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)가 탄화물 함유 Fe 합금끼리 형성되어 있는 경우에는, 제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)의 Fe의 함유율보다 큰 함유율의 Fe 또는 Ni를 포함하고 있다.
인서트재(16)는, 제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)의 Ni 또는 Fe의 함유율보다 큰 함유율의 Ni 또는 Fe를 포함하고 있으므로, 고상 확산 접합 시에, 제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)의 접합 계면 및 그 근방에 있는 탄화물을 인서트재(16)에 고용시킬 수 있다. 이에 의해, 제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)의 접합 계면을 따라 탄화물이 존재하는 것을 억제하는 것이 가능해진다. 이와 같이, 인서트재(16)는, 고상 확산 접합 시에, 접합 계면 및 그 근방에 있는 탄화물을 고용 가능하게 형성되어 있다.
보다 상세하게는, 제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)의 접합 계면을 따라 탄화물이 존재하는 경우에는, 크랙이 발생하는 경우나, 크랙의 전파 경로가 될 가능성이 있다. 또한, 접합 계면을 따라 탄화물이 존재하면, 탄화물이 확산 장벽이 되어 상호의 고상 확산이 저해되는 것에 의해 접합 강도가 저하되는 경우가 있다. 인서트재(16)에 의하면, 고상 확산 접합 시에 탄화물을 고용하는 것에 의해, 제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)의 접합 계면을 따라 탄화물이 존재하는 것을 억제할 수 있다. 이에 의해, 고상 확산을 촉진하고, 또한 크랙의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)가 탄화물 함유 Ni 합금끼리 형성되어 있는 경우에는, 인서트재(16)는, 제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)의 Ni의 함유율보다 큰 함유율의 Ni를 포함하는 Ni 합금으로 형성되어 있어도 되고, 순Ni로 형성되어 있어도 된다. 순Ni에는, 순도가 99% 이상인 것을 사용하면 된다.
제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)가 탄화물 함유 Fe 합금끼리 형성되어 있는 경우에는, 인서트재(16)는, 제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)의 Fe의 함유율보다 큰 함유율의 Fe을 포함하는 Fe 합금으로 형성되어 있어도 되고, 순Fe로 형성되어 있어도 된다. 순Fe에는, 순도가 99% 이상인 것을 사용하면 된다. 또한, 제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)가 탄화물 함유 Fe 합금끼리 형성되어 있는 경우에는, 인서트재(16)는, 제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)의 Fe의 함유율보다 큰 함유율의 Ni를 포함하는 Ni 합금으로 형성되어 있어도 되고, 순Ni로 형성되어 있어도 된다. 순Ni에는, 순도가 99% 이상인 것을 사용하면 된다.
인서트재(16)가 순Ni나 순Fe로 형성되어 있는 경우에는, 인서트재(16)가 Ni 합금이나 Fe 합금으로 형성되어 있는 경우보다, 인서트재(16)가 연질이 되어 소성변형하기 쉬워진다. 그러므로, 고상 확산 접합 시에, 제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)의 접합면에 인서트재(16)를 밀착시킬 수 있다.
인서트재(16)는 시트나 박(箔) 등으로 형성하는 것이 가능하다. 인서트재(16)는, 예를 들면 순Ni박이나 순Fe박 등으로 형성되어 있으면 된다. 인서트재(16)의 두께는 20㎛ 이하로 하는 것이 가능이다. 인서트재(16)의 두께가 20㎛보다 큰 경우에는, 고상 확산에 장시간을 요하는 경우가 있기 때문이다. 인서트재(16)의 두께는, 5㎛ 이상 10㎛ 이하로 하면 된다.
제1 금속 부재(12), 제2 금속 부재(14) 및 인서트재(16)에 대해서는, 적층하기 전에, 표면거칠기의 조정이나, 탈지 세정 등의 전처리를 행하도록 해도 된다.
고상 확산 접합 공정(S12)은, 적층체(10)를 가열 가압하는 것에 의해 고상 확산 접합하여 금속 부재 접합체를 형성하는 공정이다. 도 3은, 금속 부재 접합체(20)의 구성을 나타내는 도면이다. 적층체(10)를 가열 가압하여 고상 확산 접합하는 것에 의해, 제1 금속 부재(12)와 제2 금속 부재(14) 사이에는, 확산층으로 이루어지는 접합부(22)가 형성된다. 접합부(22)의 두께는, 예를 들면 10㎛부터 100㎛로 하는 것이 가능이다.
보다 상세하게는, 적층체(10)를 가열 가압하는 것에 의해, 제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)와, 인서트재(16) 사이에서 금속 원소가 서로 고상 확산하는 것에 의해 확산층으로 이루어지는 접합부(22)가 형성된다. 접합부(22)는, 제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)의 Ni 또는 Fe의 함유율보다 큰 함유율의 Ni 또는 Fe를 포함하여 형성되어 있어도 된다. 예를 들면, 제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)가 탄화물 함유 Ni 합금끼리 형성되어 있는 경우에는, 접합부(22)는, 제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)의 Ni의 함유율보다 큰 함유율의 Ni를 포함하여 형성되어 있어도 된다.
고상 확산 접합 시에는, 제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)의 접합 계면(24) 및 그 근방에 있는 탄화물이 인서트재(16)에 고용하므로, 제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)의 접합 계면(24)에는 탄화물이 석출되어 있지 않다. 이에 의해, 제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)의 접합 계면(24)을 따라 탄화물이 존재하는 것이 억제되므로, 접합 계면(24)이 크랙의 전파 경로가 되는 것을 방지할 수 있다. 이 결과, 접합부(22)의 접합 강도를 향상시킬 수 있다.
제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)가 탄화물 함유 Ni 합금끼리일 때의 접합 조건(접합 온도, 접합 압력, 접합 시간 및 접합 분위기)에 대하여 설명한다. 접합 온도는 1050℃ 이상 1200℃ 이하로 하는 것이 가능하다. 접합 온도가 1050℃보다 저온이면, 제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)의 접합 계면(24) 및 그 근방에 있는 탄화물을 충분히 고용할 수 없는 경우가 있고, 고상 확산이 충분히 행해지지 않아 접합 강도가 저하될 가능성이 있기 때문이다. 접합 온도가 1200℃보다 고온이면, 결정립의 성장이 커지므로, 기계적 강도가 저하될 가능성이 있기 때문이다. 접합 온도는 1050℃ 이상 1150℃ 이하로 하면 된다.
접합 압력은, 5MPa 이상 20MPa 이하로 하는 것이 가능하다. 접합 압력이 5MPa보다 작은 경우에는, 제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)와, 인서트재(16)의 밀착성이 저하되어, 고상 확산이 충분히 행해지지 않을 가능성이 있기 때문이다. 접합 압력이 20MPa보다 큰 경우에는, 제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)에 변형 등이 생길 가능성이 있기 때문이다. 접합 압력은 5MPa 이상 10MPa 이하로 하면 된다.
접합 시간은 4시간 이상 10시간 이하로 하는 것이 가능하다. 접합 시간이 4시간보다 짧은 경우에는, 제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)의 접합 계면(24) 및 그 근방의 고상 확산이 충분히 행해지지 않아 접합 강도가 저하될 가능성이 있기 때문이다. 접합 시간이 10시간 이하인 것은, 접합 시간이 10시간이면 접합 계면(24) 및 그 근방에 있는 탄화물을 충분히 고용시켜 고상 확산 접합이 가능하기 때문이다. 또한, 접합 시간이 10시간보다 길어지면 생산성이 저하되기 때문이다.
접합 분위기는 진공 분위기나, 아르곤 가스 등에 의한 불활성 가스 분위기 등의 비산화성 분위기로 하면 된다. 이에 의해, 제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)나, 인서트재(16)의 접합면의 산화가 억제되므로, 고상 확산을 촉진할 수 있다. 진공 분위기의 경우에는, 1.3×10-2Pa 이하로 하면 된다.
고상 확산 접합 공정(S12) 후에, 금속 부재 접합체(20)를 열처리하여, 제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)의 접합부(22)의 결정립을, 접합부(22)의 접합 계면(24)을 걸쳐서 성장시키는 열처리 공정을 포함하도록 해도 된다. 접합부(22)의 결정립이 접합 계면(24)을 걸쳐서 성장하는 것에 의해, 금속 부재 접합체(20)의 크리프 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 금속 부재 접합체(20)를 열처리하는 것에 의해, 접합부(22)의 조성을 보다 균일하게 하는 것이 가능해진다.
제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)가 탄화물 함유 Ni 합금끼리일 때의 열처리 조건(열처리 온도, 열처리 시간 및 열처리 분위기)에 대하여 설명한다. 열처리 온도는 1050℃ 이상 1200℃ 이하로 하는 것이 가능하다. 열처리 온도가 1050℃보다 저온인 경우에는, 접합부(22)의 결정립이 거의 성장하지 않을 가능성이 있기 때문이다. 열처리 온도가 1200℃보다 고온이면, 제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)의 결정립의 성장이 커지므로, 기계적 강도가 저하될 가능성이 있기 때문이다. 열처리 온도는 1050℃ 이상 1150℃ 이하로 하면 된다.
열처리 시간은 5시간 이상 75시간 이하로 하는 것이 가능하다. 열처리 시간이 5시간보다 짧으면, 접합부(22)의 결정립이 충분히 성장하지 않을 가능성이 있기 때문이다. 열처리 시간이 75시간 이하인 것은, 열처리 시간이 75시간이면, 접합부(22)의 결정립이 접합 계면(24)을 걸쳐서 성장하는 데에 충분한 시간이기 때문이다. 열처리 시간은 50시간 이상 75시간 이하로 하면 된다.
열처리 분위기는 진공 분위기나, 아르곤 가스 등에 의한 불활성 가스 분위기등의 비산화성 분위기로 하면 된다. 이에 의해, 열처리 중에서의 금속 부재 접합체(20)의 산화를 억제할 수 있다. 열처리 분위기는, 접합 분위기와 동일하게 해도 된다.
그리고, 적층체(10)의 고상 확산 접합에는, 진공 확산 접합 장치, 진공 핫 프레스 장치, 열간 등방압 가압(HIP) 장치 등의 일반적인 확산 접합 장치를 사용할 수 있다. 또한, 금속 부재 접합체(20)의 열처리에는, 일반적인 금속 재료의 열처리 장치를 사용하는 것이 가능하다.
다음으로, 상기의 금속 부재의 접합 방법으로 접합한 금속 부재 접합체(20)의 구성에 대하여 설명한다. 금속 부재 접합체(20)는, 탄화물 함유 Ni 합금끼리 또는 탄화물 함유 Fe 합금끼리 형성되어 있는 제1 금속 부재(12) 및 제2 금속 부재(14)와, 제1 금속 부재(12)와, 제2 금속 부재(14) 사이에 설치되고, 확산층으로 형성되는 접합부(22)를 구비하고 있다. 그리고, 접합부(22)의 접합 계면(24)은, 탄화물이 석출되어 있지 않다.
보다 상세하게는, 접합부(22)는 제1 금속 부재(12), 제2 금속 부재(14) 및 인서트재(16)의 금속 원소가 서로 고상 확산된 확산층으로 형성되어 있다. 접합부(22)의 접합 계면(24) 및 그 근방에서는, 탄화물이 고용되어 있다. 그러므로 접합부(22)의 접합 계면(24)은, 탄화물이 석출되어 있지 않다. 이에 의해, 접합 계면(24)을 따라 탄화물이 존재하는 것에 의한 확산 장벽의 형성이 억제되므로, 고상 확산이 촉진되어, 접합부(22)의 접합 강도를 높이는 것이 가능해진다. 또한, 접합부(22)의 접합 계면(24) 및 그 근방에서는, 탄화물이 고용되어 있으므로, 접합 계면(24)을 따라 탄화물이 존재하는 것에 의한 크랙의 전파 경로의 형성이 억제되고 있다. 이에 의해, 접합부(22)에서의 크랙의 발생이나 전파를 억제할 수 있다. 이 결과, 금속 부재 접합체(20)의 인장 특성 등을 향상시킬 수 있다.
또한, 고상 확산 접합 후에 열처리한 금속 부재 접합체(20)에서는, 접합부(22)의 결정립은, 접합부(22)의 접합 계면(24)을 걸치고 있다. 보다 상세하게는, 고상 확산 접합 후의 금속 부재 접합체(20)를 열처리하는 것에 의해, 접합부(22)의 결정립이, 접합 계면(24)을 걸쳐서 성장한다. 접합 계면(24)에서는, 결정립계와 마찬가지로 미끄러짐 등에 의한 크리프 변형이 생기기 쉽지만, 접합부(22)의 결정립이 접합 계면(24)을 걸쳐서 성장하고 있으므로, 크리프 변형을 억제할 수 있다. 이에 의해, 금속 부재 접합체(20)의 크리프 특성 등을 향상시키는 것이 가능해진다.
이와 같이 금속 부재 접합체(20)는, 인장 특성이나 크리프 특성 등의 기계적 강도가 우수하다. 그러므로, 항공기용이나 산업용의 가스 터빈의 터빈 날개 등에 적용하는 것이 가능하다. 또한, 금속 부재 접합체(20)는, 기계적 강도와 함께, 반응 가스 등의 실링성이 우수하므로, 화학 플랜트의 열교환기나 반응기 등에 적용할 수 있다.
이상, 상기 구성에 의하면, 탄화물 함유 Ni 합금끼리 또는 탄화물 함유 Fe 합금끼리 형성되어 있는 제1 금속 부재 및 제2 금속 부재의 사이에, 인서트재를 끼워 적층체를 형성하는 적층체 형성 공정과, 적층체를 가열 가압하는 것에 의해 고상 확산 접합하여 금속 부재 접합체를 형성하는 고상 확산 접합 공정을 포함하고, 인서트재는, 제1 금속 부재 및 제2 금속 부재가 탄화물 함유 Ni 합금끼리 형성되어 있는 경우에는, 제1 금속 부재 및 제2 금속 부재의 Ni의 함유율보다 큰 함유율의 Ni를 포함하고, 제1 금속 부재 및 제2 금속 부재가 탄화물 함유 Fe 합금끼리 형성되어 있는 경우에는, 제1 금속 부재 및 제2 금속 부재의 Fe의 함유율보다 큰 함유율의 Fe 또는 Ni를 포함하여 구성되어 있다. 이에 의해, 제1 금속 부재와 제2 금속 부재의 접합부의 접합 계면을 따라 탄화물이 존재하는 것이 억제되므로, 크랙의 전파 경로의 형성이 억제되고, 또한 고상 확산을 촉진하는 것이 가능해진다. 이 결과, 금속 부재 접합체에 있어서, 인장 특성 등의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
상기 구성에 의하면, 또한 금속 부재 접합체를 열처리하여, 제1 금속 부재 및 제2 금속 부재의 접합부의 결정립을, 접합부의 접합 계면에 걸쳐서 성장시키는 열처리 공정을 포함하고 있다. 이에 의해, 접합부의 결정립이, 접합부의 접합 계면에 걸쳐 있으므로, 크리프 특성 등의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
<실시예>
Ni 합금 부재에 대하여 고상 확산 접합을 행하여 기계적 강도 특성을 평가하였다.
(공시체의 제작)
먼저, 실시예 1의 공시체에 대하여 설명한다. Ni 합금 부재에는, 고용 강화형의 내열 Ni기 합금인 Haynes 230 합금을 사용하였다. Haynes 230 합금은, Cr 탄화물이나 W 탄화물 등의 탄화물을 포함하는 탄화물 함유 Ni 합금이다. Haynes 230 합금에는, 전술한 합금 조성인 것을 사용하였다. Ni 합금 부재의 형상은 블록형으로 하였다. 인서트재에는 순Ni박을 사용하였다. 순Ni박에는, Ni의 순도가 99% 이상인 것을 사용하였다. 인서트재의 두께는, 5㎛부터 10㎛로 하였다. Haynes 230 합금끼리 형성한 Ni 합금 부재와, Ni 합금 부재 사이에 인서트재를 끼워 적층체를 형성하였다.
다음으로, 적층체를 진공 분위기 중에서 가열 가압하여 고상 확산 접합하였다. 고상 확산 접합에는, 진공 확산 접합 장치를 사용하였다. 접합 온도는 1050℃부터 1150℃로 하였다. 접합 압력은 5MPa로부터 10MPa로 하였다. 접합 시간은 4시간부터 10시간으로 하였다. 진공도는 1.3×10-2Pa 이하로 하였다.
실시예 2의 공시체에 대하여 설명한다. 실시예 2의 공시체는, 실시예 1의 공시체에 대하여, 고상 확산 접합 후에 열처리를 행하고 있는 점에서 상이하다. 보다 상세하게는, 실시예 2의 공시체에서는, 먼저, 실시예 1의 공시체와 마찬가지로 하여, 적층체를 형성하여 고상 확산 접합을 행하였다. 그리고, 실시예 2의 공시체에서는, 고상 확산 접합한 금속 부재 접합체를 열처리하였다. 금속 부재 접합체의 열처리에는, 열처리로를 사용하였다. 열처리는 진공 분위기 중에서, 1050℃부터 1150℃로 가열하는 것에 의해 행하였다. 열처리 시간은 50시간으로 하였다. 진공도는 1.3×10-2Pa 이하로 하였다.
실시예 3의 공시체에 대하여 설명한다. 실시예 3의 공시체는, 실시예 1의 공시체에 대하여, 고상 확산 접합 후에 열처리를 행하고 있는 점에서 상이하다. 또한, 실시예 3의 공시체는, 실시예 2의 공시체보다 열처리 시간이 긴 점에서 상이하다. 보다 상세하게는, 실시예 3의 공시체는, 실시예 1, 2의 공시체와 마찬가지로 하여, 적층체를 형성하여 고상 확산 접합을 행하였다. 그리고, 실시예 3의 공시체는, 고상 확산 접합한 금속 부재 접합체를 열처리하였다. 열처리는 진공 분위기 중에서, 1050℃부터 1150℃로 가열하는 것에 의해 행하였다. 열처리 시간은 72시간으로 하였다. 진공도는, 1.3×10-2Pa 이하로 하였다.
비교예 1의 공시체에 대하여 설명한다. 비교예 1의 공시체는 실시예 1의 공시체에 대하여, 인서트재를 사용하지 않고 고상 확산 접합을 행한 점에서 상이하다. 보다 상세하게는, 비교예 1의 공시체는, Ni 합금 부재의 접합면끼리를 직접 맞대어 고상 확산 접합하였다. 비교예 1의 공시체의 접합 조건(접합 온도, 접합 압력, 접합 시간, 접합 분위기 등)은, 실시예 1의 공시체와 동일하다.
비교예 2의 공시체에 대하여 설명한다. 비교예 2의 공시체는 비교예 1의 공시체에 대하여, 고상 확산 접합 후에 열처리를 행하고 있는 점에서 상이하다. 보다 상세하게는, 비교예 2의 공시체는 비교예 1의 공시체와 마찬가지로, 인서트재를 사용하지 않고 고상 확산 접합을 행한 후에, 열처리하여 형성하였다. 비교예 2의 공시체의 열처리 조건은, 실시예 2의 공시체의 열처리 조건(열처리 온도, 열처리 시간, 열처리 분위기 등)과 동일하게 하였다.
(인장 시험)
실시예 1 및 비교예 1의 공시체에 대하여, 상온(常溫)에서 인장 시험을 행하였다. 인장 시험은 ASTM E8/E8M에 준거하여 행하였다. 인장 시험편은, 각 공시체로부터 잘라내어 제작하였다. 시험체 수는, 각 공시체에 대하여 각각 3개로 하였다. 도 4는, 각 공시체의 인장 시험 결과를 나타내는 그래프이다. 도 4의 그래프에서는, 가로축에 각 공시체를 잡고, 세로축에 조인트 효율을 잡고, 각 공시체의 조인트 효율을 막대 그래프로 나타내고 있다. 그리고, 조인트 효율은, 모재인 Haynes 230 합금의 실온 인장 강도의 규격값(760MPa)을 1로 했을 때의 값이다.
비교예 1의 공시체는, 조인트 효율이 1보다 작아지고, 모재 강도보다 낮은 인장 강도가 얻어졌다. 비교예 1의 공시체에서는, 모두 접합부에서 파단되어 있었다. 이에 대하여 실시예 1의 공시체는, 조인트 효율이 1보다 커지고, 모재 강도와 동등한 인장 강도가 얻어졌다. 실시예 1의 공시체에서는, 모두 접합부가 아니고 모재에서 파탄되어 있었다. 이 결과로부터, 순Ni박을 인서트재로서 고상 확산 접합하는 것에 의해, 인장 특성이 향상되는 것을 알 수 있었다.
(크리프 시험)
실시예 1에서 3의 공시체에 대하여, 크리프 시험을 행하였다. 크리프 시험은 JIS Z2271에 준거하여 행하였다. 크리프 시험편은, 각 공시체로부터 잘라내어 제작하였다. 시험체 수는, 각 공시체에 대하여 각각 3개로 하였다. 도 5는, 각 공시체의 크리프 시험 결과를 나타내는 그래프이다. 도 5의 그래프에 있어서, 가로축에 라슨-밀러 파라미터(Larson-Miller parameter) P를 잡고, 세로축에 응력을 잡고, 실시예 1의 공시체를 마름모, 실시예 2의 공시체를 정사각형, 실시예 3의 공시체를 삼각형, 모재를 동그라미로 나타내고 있다. 그리고, 라슨-밀러 파라미터 P는, P=T(C+logtr)로 표시되는 파라미터이다. T는 절대온도(K)이고, tr은 파단 시간(h)이며, C는 재료 상수이다. 그리고, 재료 상수 C는 20으로 하였다.
실시예 2, 3의 공시체는, 실시예 1의 공시체보다 크리프 특성이 향상되었다. 이 결과로부터, 고상 확산 접합 후에 열처리를 행하는 것에 의해, 크리프 특성이 향상되는 것을 알 수 있었다. 또한, 실시예 3의 공시체는, 실시예 2의 공시체보다 크리프 특성이 향상되었다. 이 결과로부터, 고상 확산 접합 후의 열처리 시간을 길게 하는 것에 의해, 크리프 특성이 향상되는 것을 알 수 있었다.
(금속 조직 관찰)
실시예 1, 2의 공시체와, 비교예 1, 2의 공시체에 대하여, 광학현미경에 의해 금속 조직 관찰을 행하였다. 도 6은, 비교예 1의 공시체의 금속 조직 관찰 결과를 나타내는 사진이다. 도 7은, 실시예 1의 공시체의 금속 조직 관찰 결과를 나타내는 사진이다. 도 8은, 실시예 2의 공시체의 금속 조직 관찰 결과를 나타내는 사진이다. 도 9는, 비교예 2의 공시체의 금속 조직 관찰 결과를 나타내는 사진이다. 그리고, 금속 조직 관찰의 배율은 200배로 하였다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 비교예 1의 공시체에서는, Ni 합금 부재끼리의 접합 계면을 따라 탄화물이 존재하는 것이 인지되었다. 접합 계면에는, 탄화물이 밀집한 층이 형성되어 있었다. 이와 같이, 인서트재를 사용하지 않고 고상 확산 접합한 경우에는, 접합 계면을 따라 탄화물이 존재하는 것을 알 수 있었다. 이에 의해, 비교예 1의 공시체에서는, 인장 강도가 저하되었다고 생각된다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 실시예 1의 공시체에서는, Ni 합금 부재끼리의 사이에 확산층으로 이루어지는 접합부가 형성되어 있었다. 실시예 1의 공시체에서는, 접합부의 접합 계면에 탄화물이 인지되지 않았다. 이 결과로부터, 접합 계면 및 그 근방의 탄화물이 고용되는 것에 의해 접합 계면에 탄화물이 석출되어 있지 않으므로, 접합 계면이 크랙의 전파 경로가 되는 것을 방지할 수 있다. 이에 의해, 실시예 1의 공시체에서는, 인장 강도가 향상되었다고 생각된다.
도 8에 나타내는 바와 같이, 실시예 2의 공시체에서는, 접합부의 결정립이 접합부의 접합 계면에 걸쳐서 성장하고 있었다. 이에 대하여 도 7에 나타내는 바와 같이, 실시예 1의 공시체에서는, 접합부의 결정립은 접합 계면에 걸쳐서 성장하지는 않았다. 이 결과로부터, 고상 확산 접합 후에 열처리하는 것에 의해, 접합부의 결정립이 접합 계면에 걸쳐서 성장하므로 크리프 특성이 향상되는 것을 알 수 있었다.
도 9에 나타내는 바와 같이, 비교예 2의 공시체에서는, 접합 계면 및 그 근방의 결정립은 접합 계면에 걸쳐서 성장하지는 않았다. 이 결과로부터, 인서트재를 사용하지 않고 고상 확산 접합한 경우에는, 고상 확산 접합 후에 열처리해도, 접합 계면 및 그 근방의 결정립은 거의 성장하지 않는 것을 알 수 있었다.
[산업상의 이용 가능성]
본 개시는, 금속 부재 접합체의 기계적 강도를 향상시킬 수 있으므로, 항공기용이나 산업용의 가스 터빈의 터빈 날개 등이나, 화학 플랜트의 열교환기나 반응기 등에 적용하는 것이 가능하다.

Claims (7)

  1. 탄화물 함유 Ni 합금끼리 또는 탄화물 함유 Fe 합금끼리 형성되어 있는 제1 금속 부재 및 제2 금속 부재의 사이에, 인서트재(insert material)를 끼워 적층체를 형성하는 적층체 형성 공정; 및
    상기 적층체를 가열 가압하는 것에 의해 상기 인서트재에 탄화물을 고용시켜 고상(固相) 확산 접합하고, 접합부의 접합 계면에 탄화물이 석출되어 있지 않는 금속 부재 접합체를 형성하는 고상 확산 접합 공정
    을 포함하고,
    상기 인서트재는, 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재가 상기 탄화물 함유 Ni 합금끼리 형성되어 있는 경우에는, 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재의 Ni의 함유율보다 큰 함유율의 Ni를 포함하고, 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재가 상기 탄화물 함유 Fe 합금끼리 형성되어 있는 경우에는, 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재의 Fe의 함유율보다 큰 함유율의 Fe 또는 Ni를 포함하는,
    금속 부재의 접합 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재는, 상기 탄화물 함유 Ni 합금끼리 형성되어 있고,
    상기 인서트재는, 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재의 Ni의 함유율보다 큰 함유율의 Ni를 포함하는, 금속 부재의 접합 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 인서트재는 순Ni로 형성되어 있는, 금속 부재의 접합 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 부재 접합체를 열처리하여, 상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재의 접합부의 결정립을, 상기 접합부의 접합 계면에 걸쳐서 성장시키는 열처리 공정을 포함하는, 금속 부재의 접합 방법.
  5. 탄화물 함유 Ni 합금끼리 또는 탄화물 함유 Fe 합금끼리 형성되어 있는 제1 금속 부재 및 제2 금속 부재; 및
    상기 제1 금속 부재와, 상기 제2 금속 부재 사이에 설치되고, 확산층으로 형성되는 접합부
    를 포함하고,
    상기 접합부의 접합 계면은, 탄화물이 고용되어 있고, 탄화물이 석출되어 있지 않는,
    금속 부재 접합체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 금속 부재 및 상기 제2 금속 부재는, 상기 탄화물 함유 Ni 합금끼리 형성되어 있는, 금속 부재 접합체.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 접합부의 결정립이, 상기 접합 계면에 걸쳐 있는, 금속 부재 접합체.
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