KR20010019385A - 코발트가 함유된 초경합금과 구조용강의 접합을 위한 동계 삽입금속 및 이를 이용한 초경합금과 구조용강의 접합방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 아연(Zn)과 실리콘(Si)이 각각 5% 이하 첨가되고 소정 두께로 니켈(Ni)이 도금된 구리박판(Cu plate)을 이용하여 코발트(Co)가 4∼13% 함유된 초경합금(WC)과 구조용강(SM45C)을 접합하기 위한 초경합금(WC)과 구조용강(SM45C)의 접합용 동(銅)계 삽입금속에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 1000 - 1150℃의 온도에서 10분 내지 60분 동안 진공 또는 소정의 불활성가스분위기(Ar가스, Ne가스 등)중에서 상기 삽입금속을 이용하여 코발트를 4∼13% 함유한 초경합금과 구조용강을 접합시키고, 이를 40℃/s 이하의 속도로 냉각시키거나 100 내지 800℃로 가열된 오일 중에서 냉각시키는 것을 특징으로 하는 초경합금과 구조용강의 접합방법에 관한 것이다.

본 발명의 방법에 따르는 상기 접합용 동계 삽입금속을 이용하여 세라믹스인 초경합금과 철계금속인 구조용강을 접합하면 접합체가 정밀하게 됨은 물론, 접합강도가 현저히 향상되고, 그 비용을 절감할 수 있게 된다.

Description

코발트가 함유된 초경합금과 구조용강의 접합을 위한 동계 삽입금속 및 이를 이용한 초경합금과 구조용강의 접합방법{Copper based filler metal ＆joining process for brazing WC/SM45C}

본 발명은 코발트를 4∼13% 포함한 초경합금과 구조용강의 접합체의 우수한 접합강도를 얻기 위하여 사용되는 접합용 삽입금속에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 아연(Zn)과 실리콘(Si)이 각각 5% 이하 함유된 구리 박판(Cu plate)에 니켈(Ni)이 소정 두께로 도금된 접합용 동계삽입금속에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 1000 - 1150℃의 온도에서 10분 내지 60분 동안 진공 또는 불활성가스분위기(Ar, Ne 등)중에서 상기 접합용 동계 삽입금속을 이용하여 상기 초경합금과 상기 구조용강을 접합시키고, 이를 40℃/s 이하의 속도로 냉각시키거나 100 내지 800℃로 가열된 오일 중에서 냉각시키는 것을 특징으로 하는, 초경합금과 구조용강의 접합방법에 관한 것이다.

종래에는 초경합금과 같은 세라믹스와 금속재료를 접합할 때 사용되는 접합용 삽입금속으로서, 접합계면에서 젖음성을 향상시키는 인(P), 구리 삽입금속의 융점을 낮추기 위한 아연, 실리콘, 알루미늄(Al), 은(Ag), 주석(Sn) 등의 원소가 구리 중에 첨가된 인동계 삽입금속이 널리 사용되어 왔다.

그러나, 종래의 인동계 삽입금속이 사용된 초경합금과 구조용강의 접합체는 접합계면에 발생하는 응력감소, 접합계면의 면적 등이 불충분하여 그 접합강도가 높지 않을 뿐만아니라, 상기 인(P)의 첨가로 인해 접합계면의 취성이 발생하기 쉬운 단점이 있다.

둘째, 상기 인동계 삽입금속은 독성이 강한 카드늄(Cd)이 첨가되어 인체에 유해한 영향을 미치는 단점이 있다.

셋째, 상기 인동계 삽입금속은 제조하기가 쉽지 않을 뿐만아니라, 은(Ag) 등이 첨가되어 상당히 값이 비싼 단점이 있다.

넷째, 상기 인동계 삽입금속을 이용하여 접합하면 그 접합체가 정밀하지 못한 단점이 있다.

전술한 문제를 해소하고자 하는 본 발명의 목적은 상기 초경합금과 구조용강이 접합된 접합체의 접합계면에서의 응력감소와 취성발생을 억제하고, 접합체가 정밀하게 되며, 접합강도를 크게 향상시킬 수 있는 초경합금과 구조용강의 접합용 동계삽입금속을 제공함에 있다. 더불어 본 발명의 접합용 동계삽입금속은 인체에 유해한 원소가 첨가되지 않도록 하고, 제조하기 용이하며, 값이 싼 특징이 있도록 한다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 작업공정이 간단하고, 이를 통해 공정비 또는 생산비를 절감할 수 있는 초경합금과 구조용강의 접합방법을 제공함에 있다.

도 1은 본 발명에 따르는 초경합금(WC) 중에 첨가된 코발트(Co)의 함량(4∼13%)별 초경합급(WC)/구조용강(SM45C)의 접합시 접합계면에 생성되는 수지상정(Dendrite)의 폭(두께)의 접합시간에 따른 변화를 나타낸 도이고,

도 2는 본 발명에 따르는 초경합금/구조용강 접합체를 22℃/s의 속도로 공냉한 후 전단시험을 행하였을 때, 초경합금 중에 포함된 코발트의 함량(4∼13%)과 접합시간에 따른 전단강도(Shear strength)를 나타내는 도이고,

도 3은 본 발명에 따르는 초경합금/구조용강 접합체를 4℃/s의 속도로 로냉한 후 전단시험을 행하였을 때, 초경합금 중에 포함된 코발트의 함량(4∼13%)과 접합시간에 따른 전단강도를 나타내는 도이고,

도 4는 본 발명에 따르는 초경합금/구조용강 접합체를 200℃의 오일에서 냉각한 후 전단시험을 행하였을 때, 초경합금 중에 포함된 코발트의 함량(4∼13%)과 접합시간에 따른 전단강도를 나타내는 도이다.

전술한 목적을 달성하고자 하는 본 발명은 아연(Zn)과 실리콘(Si)이 각각 5%이하로 첨가되고 니켈(Ni)이 도금된 구리(Cu)박판으로 된 초경합금(WC)과 구조용강(SM45C)의 접합용 동계삽입금속으로써 달성된다.

이 때 상기 구리박판은 그 두께를 10 내지 300㎛으로 하고, 상기 니켈도금은 정질 또는 비정질 상태의 니켈로써 10∼100㎛의 두께로 도금하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 목적은 아연과 실리콘이 각각 5% 이하 첨가되고 니켈이 소정 두께로 도금된 구리박판을 접합용 삽입금속으로 하여 상기 초경합금과 구조용강을 진공 중에서 온도 1000∼1150℃로 10∼60분 동안 접합하는 단계, 및 상기 접합된 초경합금과 구조용강의 접합체를 40℃/s 이하의 속도로 냉각시키는 단계를 포함하는 초경합금과 구조용강의 접합방법으로써 달성된다.

이 때 상기 접합단계는 진공 대신 Ar가스, Ne가스 등의 불활성가스분위기중에서 수행하여도 무방하다.

또한, 상기 냉각단계에서 냉각방식은 100 - 800℃로 가열된 오일을 이용한 유냉방식으로 수행되는 것이 바람직하고, 그 이외 공냉(空冷) 또는 로냉(爐冷)방식으로 하여도 좋다.

한편, 본 발명의 접합용 동계삽입금속에 있어서, 상기 구리박판에 도금된 니켈은 초경합금의 소결특성을 향상시키기 위하여 첨가된 코발트와 전율고용체 합금을 이루어, 초경합금과 구조용강의 접합계면에서 접합강도를 감소시킬 수 있는 금속간 화합물이 형성되지 않는 장점이 있다. 또한, 니켈은 경도가 낮은 삽입금속이므로 접합 가열시 초경합금과 구조용강의 열팽창계수의 차이에 의해 접합계면에 발생하는 응력을 감소시키는 완충작용을 할 수 있다.

본 발명에 따른 삽입 금속의 구리와 니켈은 초경합금에 포함된 코발트와 전율고용체를 형성하므로, 접합 온도에서 일정한 시간동안 가열하게 되면, 접합계면에서 초경합금 방향으로 상호 확산과 입계확산에 의해 이동하게 되고, 아울러 구조용강의 방향으로도 확산이동하여 접합이 이루어진다.

이때, 구조용강 측의 접합계면은 접합시간의 증가와 더불어 직선형에서 요철모양의 형상으로 변화되어 접합계면의 면적이 증가하는 방향으로 진행되므로 도 2 내지 도 4에서 나타난 바와 같이, 접합계면 면적의 증가로 인한 접합강도의 향상을 보인다. 접합계면에 발생한 요철모양의 접합계면 면적은 접합시간, 온도 및 냉각조건에 따라서 다르지만, 대체적으로 5분 내지 20분의 접합시간일 때 가장 큰 것으로 관찰되었다.

특히, 초경합금 중의 코발트의 양이 증가하면 증가할수록 같은 접합시간일지라도 접합계면의 면적은 증가하는 경향이 있다.

초경합금과 구조용강은 열팽창계수의 차이가 매우 크기 때문에 그 접합계면에 발생하는 응력을 최소화시키기 위하여 공냉, 로냉, 유냉의 방법을 이용하여 40℃/s 이하의 속도로 냉각시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 방법에 따라 초경합금과 구조용강을 1000 내지 1150℃의 온도범위에서 10분 내지 60분 동안 진공 중 혹은 불활성가스분위기(Ar, Ne 등)중에서 접합한 후 냉각시에 접합계면에서 발생하는 응력의 크기가 접합강도에 미치는 영향을 조사한 실험결과의 예를 도 1 내지 도 4를 참고하여 다음에 상세히 설명한다.

본 발명의 하나의 바람직한 구현예로서, 1.0%의 아연과 0.7%의 실리콘을 함유하는 두께 100㎛의 구리 박판을 비정질 니켈을 이용하여 50㎛두께로 도금한 초경합금/구조용강 브레이징용 동계 삽입금속을 제조하였다. 상기 도면 도 1은 본 발명에 따른 삽입금속을 이용하여 초경합금과 구조용강을 1050℃(0.1323K)에서 접합했을 때 접합계면에 발생하는 수지상정의 폭을 시간과 함께 나타낸 것이다. 상기 삽입금속을 이용하여 초경합금과 구조용강의 접합을 1050℃의 온도에서 5∼60분간 수행하고, 22℃/s의 속도로 공냉(도 2), 4℃/s의 속도로 로냉(도 3), 또는 200℃의 오일에서 유냉(도 4)시켜 접합시간에 따른 전단강도의 변화를 관찰하였다.

온도 1050℃에서 5∼60분간 접합한 뒤 초경합금과 구조용강 접합계면에 발생한 수지상의 폭을 나타낸 상기 첨부 도면 도 1에서 보여지는 바와 같이 상기 수지상정은 접합시간의 증가와 더불어 증가하고 있음을 확인할 수 있다.

도 2는 접합 후 공냉한 뒤의 전단 강도를 나타낸 것으로, 초경합금에 13% Co를 첨가한 접합체에서 가장 높은 94MPa의 전단강도 값으로 나타났다. 이것은 초경합금 중의 코발트가 열팽창계수의 차이로서 발생하는 응력의 감소를 위한 완충제의 역할을 하고, 또한 같은 접합시간에서도 초경합금에 13%의 코발트가 포함된 접합체의 접합계면 면적이 가장 크기 때문일 것으로 추정된다.

도 3은 접합한 뒤 로냉했을 때의 전단강도 값을 나타낸 것으로, 접합시간이 같은 WC-8%Co/SM45C와 WC-4%Co/SM45C의 전단강도 값은 각각 110MPa, 99MPa로 나타났다. 초경합금 중 코발트의 첨가량에 관계없이 3종류의 접합체의 전단강도 값은 접합시간이 증가하면 할수록 급격하게 감소하고 있으나 전체적으로 공냉했을 때에 비하여 높은 전단강도 값을 가진다.

도 4는 접합 후 유냉했을 때의 전단강도 값의 변화를 나타낸 것으로, 공냉, 로냉과 마찬가지로 접합시간이 증가할수록 전단 강도 값은 급격히 감소하였다. 초경합금 중에 코발트가 많이 첨가된 것일수록 접합 강도가 증가된 것은 코발트가 열충격 완화제로서의 역할을 하고, 삽입금속의 구리, 니켈과 서로 고용합금화됨은 물론 접합계면의 형상이 요철모양으로 되게 하는 촉매로서의 역할을 하기 때문인 것으로 생각된다.

상기 도면에서 나타나듯이, 냉각속도가 빠르면 빠를수록 전단강도 값은 감소하고 있고, 이때 접합계면에 나타난 수지상정의 폭은 상기 첨부 도면 도 1에서 확인할 수 있듯이 20∼80㎛로 유지되었을 때 접합강도가 가장 크게 된다. 일정한 두께의 수지상정폭은 접합계면의 응력집중을 상쇄시키는 역할을 기대할 수 있으므로, 상쇄되는 응력의 정도가 접합강도의 감소를 최소화시키는 작용을 하게 된다. 즉, 냉각속도가 느릴수록, 또한 접합계면에 일정한 두께의 수지상정의 폭이 유지되었을 때 가장 높은 접합강도를 나타낸다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르는 접합용 동계삽입금속은 상기 초경합금과 구조용강 접합체 접합계면에서의 응력감소와 취성발생을 억제하고, 접합체가 정밀하게 하며, 접합강도를 크게 향상시킬 수 있는 잇점이 있다. 또한, 인체에 유해한 원소의 첨가됨이 없고, 제조하기 용이하며, 값이 싼 잇점이 있다.

또한, 본 발명에 따르는 초경합금과 구조용강의 접합방법은 이종재질의 접합시 그 작업공정을 간소화시킬 수 있도록 하고, 이를 통해 공정비 또는 생산비를 절감시키는 효과를 제공한다.

Claims (6)

1. 코발트(Co)를 함유한 초경합금(WC)과 구조용강(SM45C)의 접합용 동계 삽입금속에 있어서,

   아연(Zn)과 실리콘(Si)이 각각 5%이하로 첨가되고 니켈(Ni)이 도금된 구리(Cu)박판인 것을 특징으로 하는 초경합금(WC)과 구조용강(SM45C)의 접합용 동계삽입금속.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 구리박판은 그 두께가 10∼300㎛인 것을 특징으로 하는 초경합금과 구조용강의 접합용 동계삽입금속.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 니켈도금은 비정질 상태의 니켈을 이용하여 10∼100㎛의 두께로 도금한 것을 특징으로 하는 초경합금과 구조용강의 접합용 동계삽입금속.
4. 접합용 동계삽입금속을 이용한 초경합금과 구조용강의 접합방법에 있어서,

   아연과 실리콘이 각각 5% 이하 첨가되고 니켈이 도금된 구리박판을 접합용 삽입금속으로 하여 상기 초경합금과 구조용강을 진공 중에서 온도 1000∼1150℃로 10∼60분 동안 접합하는 단계; 및

   상기 접합된 초경합금과 구조용강의 접합체를 40℃/s 이하의 속도로 냉각시키는 단계를 포함하는 초경합금과 구조용강의 접합방법.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 접합단계는 불활성가스분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 초경합금과 구조용강의 접합방법.
6. 제 4항에 있어서,

   상기 냉각단계는 100∼800℃로 가열된 오일을 이용한 유냉방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 초경합금과 구조용강의 접합방법.