KR20020026768A - 이종 금속 판재의 접합방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 서로 다른 두 종류의 금속이 금속학적인 접합을 이루도록 하는 것으로써 특히 비철합금 판재 혹은 튜브를 철합금 부재에 금속접합을 하는 방법이다. 본 발명은 비철합금 판재 혹은 튜브를 접합하고자 하는 형태로 먼저 절단한 후, 접합하고자 하는 철합금 부재에 올려 놓고 융점 이하의 온도에서 일정한 압력을 가함으로 접합부의 밀착성을 향상한 후 환원성 분위기 혹은 비산화성 분위기 중에서 재결정 온도 이상으로 열처리함으로써 비철합금 판재와 철합금 부재간에 금속학적 결합이 이루어지도록 하여 이종금속간 접합을 하는 방법이다.

Description

이종 금속 판재의 접합방법{.}

비철합금 판재와 철합금 부재로 이루어진 이종 금속접합소재는 슬라이딩이 발생하는 부위나 내산화성이 강하게 요구되는 부위에 널리 사용된다. 엔진의 부싱류나 유압펌프의 실린더 블록등은 고속의 회전이 일어나는 부품으로 슬라이딩이 발생하는 접촉 부위에 이러한 이종합금 소재를 사용하며, 그 밖에 내산화성이 요구되는 파이프등에 사용된다.

본 발명은 이종금속간에 금속학적 접합을 이루도록 하는 것으로 특히 비철합금 판재와 철합금 부재간의 금속학적 접합을 이루도록 하는 수단에 관한 것이다. 현재까지 알려진 비철합금 판재와 철합금 부재간의 금속학적 접합을 이루도록 하는 방법은 다음과 같다.

1) 철합금 부재가 평판의 경우는 고압의 롤라를 이용하여 이종금속 판재를압연을 통해서 접합하는 클레딩 방법이 많이 이용되고 있으며,

2) 철합금 부재가 평판이 아니며 접합할 부위가 넓지 않을 경우 브레이징 처리를 사용하여 왔다.

따라서, 철합금 부재가 평판이 아니고 접합부가 넓은 경우, 비철합금 판재의 접합은 앞서의 크레딩 방법으로는 평판만 가능함으로 접합이 곤란하며, 브레이징 처리방법은 접합할 부위가 넓은 경우 브레이징재의 퍼짐이 균일하지 못하여 부분적으로 접합이 이루어지지 않는 경우가 많아 적용하기가 곤란하다.

통상 이러한 경우는 용융 접합법과 반용융 접합법을 사용하는데 용융접합법은 접합하고자 하는 철합금 부재에 비철합금 부재를 용융시켜 접합하는 방법으로 소재의 손실이 많으며, 비철합금 조성에 따라 금속조직상 건전하지 못한 덴드라이트가 발생하여 취약한 조직을 형성하게 된다. 예를 들어 연청동의 경우 윤활제인 Pb의 분산이 고르지 못하며, 덴드라이트 형성과 데드라이트를 따라 금속간 화합물인 취약상의 형성으로 인하여 비철합금 판재의 표면이 갈라지는 등 취약한 조직을 형성하게 되어 요구 특성을 만족하지 못한다.

한편 반용융 접합법의 경우 접합하고자 하는 철합금 부재의 형상에 따라 비철합금 재료를 가공해서 부분적으로 액상이 출현하기 시작하는 온도 이상에서 일정 압력을 가하여 접합을 하는 것으로, 역시 비철합금 소재를 철합금 부재의 형상에 따라 가공함에 따라 소재 손실이 많으며, 철합금 부재와 비철합금 부재간의 틈새관리가 되지 않아 벌어졌을 경우 접합이 되지 않는 등 불량의 소지가 많다.

본 발명은 비철합금 판재 혹은 튜브를 평판이 아닌 철합금 부재에 금속접합을 이루도록 하는 것으로 철합금 부재가 평판이 아니고 접합부가 넓은 경우에도 안정적인 접합이 이루어 지며 철합금 부재에 장공이 있는 경우도 장공 내부를 비철합금 튜브로 안정적인 접합이 이루어지도록 하는 것에 있으며, 소재의 손실과 불량률을 최소화하여 저렴한 가격에 고품질의 이종 금속 접합소재를 얻는데 있다. 이것을 달성하기 위해서는 비철합금 판재를 기계가공이 아닌 가압 프레스 작업을 통하여 철합금 접합부 소재와 일치하는 형상을 얻도록 하며, 실온에서는 소성역이 작아 비철합금 판재에서 발생할 수 있는 크랙을 방지하기 위하여 융점이하의 온도로 가열하도록 하였다.

도1은 상부에 굴곡이 있는 이종금속 접합소재의 개략도

도2는 상부에 구면의 형상이 있는 이종금속 접합소재의 개략도

도3은 홀 구멍에 튜브를 사용하여 제작한 이종금속 접합소재의 개략도

본 발명은 비철합금 판재 혹은 튜브를 평판이 아닌 철합금 부재에 금속접합을 이루도록 하는 것으로 비철합금 판재 혹은 튜브를 접합하고자 하는 형태로 먼저 절단한 후, 접합하고자 하는 철합금 부재에 올려놓고 비철합금 소재의 융점 이하의 온도에서 일정한 압력을 가함으로 접합부의 밀착성을 향상한 후 환원성 분위기 혹은 비산화성 분위기 중에서 재결정 온도 이상의 온도에서 열처리함으로써 비철합금 판재와 철합금 부재간에 금속학적 결합이 이루어지도록 하여 이종금속접합을 하는 방법이다.

비철합금 판재는 구리, 주석, 아연, 알루미늄, 청동, 인청동, 알루미늄청동, 니켈청동, 황동, 고력황동 등 가운데 적어도 한가지 이상으로 이루어진 합금이며, 철합금 부재는 탄소강, 합금강, 주물등의 소재를 말한다.

비철합금 소재의 융점은 첨가원소와 첨가원소의 량에 따라 달라지며, 고상과 액상이 共存하는 고액구간이 존재하는데, 본 발명에서의 융점은 액상선 이하의 온도로써 액상선 이상의 온도의 경우, 가압시 액상의 흘러내림이나 첨가된 저융점의 금속들이 접합계면에서 금속간 산화물들 등을 형성하게 되어 열처리 후 접합면이 매우 취약해진다.

일정한 압력은 비철합금 소재가 고온에서 쉽게 소성변형이 발생하는 압력 이상으로 비철합금 판재의 두께와 철합금 부재의 접합부 형상에 따라 차이가 있다.

비철합금 소재의 재결정온도는 통상 합금소재의 용융온도를 Tm이라고 할 때 0.7×Tm 의 온도로써, 동합금 소재의 경우 650∼ 750℃ 이다. 따라서 본 발명에서의 열처리 온도는 동합금 소재에 따라 차이가 있지만 통상 재결정 온도보다 높게 설정하여야 한다. 재결정 온도 이하에서 열처리하면 접합하고자 하는 면에서의 금속확산이 거의 일어나지 않아 금속접합이 이루어지지 않는다.

또한 상기 분위기는 수소 가스와 같은 환원성 분위기 혹은 질소 가스, 알곤 가스와 같은 비산화성 분위기를 사용할 수 있으며, 환원성 가스와 비산화성 가스를 섞어 사용하여도 무방하다. 분해 암모니아 가스 분위기와 RX, DX등 탄화수소를 분해한 가스분위기에서 열처리하여도 무방하다. 만약 분위기 가스 관리를 실패할 경우 금속 접합계면에서 산화 스케일이 발생하여 접합이 되지 않으며, 가스 관리가 어려울 경우 표면 산화 방지를 위하여 플럭스를 사용할 수도 있다.

열처리가 끝난 이종금속 접합소재의 냉각하는 방법은 노냉, 공냉 및 유냉을 할 수 있으며, 수냉의 경우 비철합금판재의 표면에서 크랙이 발생할 수도 있으므로가급적 피해야 하며, 철합금 부재의 물리적 특성 확보를 수냉을 하여야 하는 경우라면, 비철합금 표면에 열전달 계수가 낮은 세라믹 재료를 덮고 처리하면 크랙을 방지 할 수 있다. 가장 널리 사용하는 세라믹 소재로는 흑연판이나 SiC판이 있다.

(실시예1)

3mm 두께의 청동합금 판재를 이용하여 접합하고자 하는 굴곡이 있는 탄소강(SM45C) 소재의 크기만큼 절단한 다음, 청동합금판재의 접합부와 탄소강 소재의 접합부를 알코올 혹은 벤젠을 사용하여 기름을 제거한 후, 철 부러쉬 혹은 100번 사포를 사용하여 녹과 이물질을 청소하고 용점 직하의 온도인 650℃의 온도로 가열한 후 탄소강 소재의 형상과 유사한 펀치를 사용하여 약 10kgf/cm2의 힘으로 눌러 청동합금 판재가 굴곡이 있는 탄소강 소재에 완전히 밀착하도록 하였다.

이렇게 만들어진 청동합금 판재와 굴곡이 있는 탄소강의 조립품은 10%의 수소와 나머지는 질소인 환원성 분위기에서 Mesh belt type의 연속식 열처리로를 이용하여 열처리를 실시하였다. 열처리 온도는 재결정 온도 이상인 950℃의 온도에서 약 1시간이며, 냉각은 water jacket을 이용한 냉각 챔버에서 냉각하였다.

제작한 이종접합 금속소재에 대한 조직관찰 결과 치밀한 접합면을 확보할 수 있었다.

(실시예2)

3mm 두께의 연청동 합금 판재를 이용하여 굴곡이 있는 저합금강(SCM440) 소재의 크기만큼 절단한 다음 연청동 판재의 접합부와 저합금강 소재의 접합부를 알코올 혹은 벤젠을 사용하여 기름을 제거한 후, 철 부러쉬 혹은 100번 사포를 사용하여 녹과 이물질을 청소하고 용점 직하의 온도인 550℃의 온도로 가열한 후 저합금강 소재의 형상과 유사한 펀치를 사용하여 약 15kgf/cm2의 힘으로 눌러 비철합금 판재가 철합금 부재에 완전히 밀착하도록 하였다.

이렇게 만들어진 연청동 판재와 저합금강 소재의 조립품은 질소만로 이루어진 비산화성 분위기에서 Batch type의 열처리로를 이용하여 열처리를 실시하였다. 열처리 온도는 재결정 온도 이상인 930℃의 온도에서 약 2시간이며, 냉각수단은 공냉을 사용하였다.

제작한 이종접합 금속소재에 대한 조직관찰 결과 치밀한 접합면을 확보할 수 있었다.

(실시예3)

3mm 두께의 고력황동 튜브를 이용하여 굴곡이 있는 홀 내부를 가진 주물(GCD500) 소재의 크기만큼 절단한 다음 고력황동 튜브의 접합부와 주물소재의 접합부를 알코올 혹은 벤젠을 사용하여 기름을 제거한 후, 철 부러쉬 혹은 100번 사포를 사용하여 녹과 이물질을 청소하고 용점 직하의 온도인 400℃의 온도로 가열한 후 철합금부재의 형상과 유사한 펀치를 사용하여 약 20kgf/cm2의 힘으로 눌러 비철합금 판재가 철합금 부재에 완전히 밀착하도록 하였다.

이렇게 만들어진 고력황동 튜브와 주물 소재의 조립품은 분해 탄화수소 분위기인 DX가스 분위기에서 Batch type의 열처리로를 이용하여 열처리를 실시하였다. 열처리 온도는 재결정 온도 이상인 900℃의 온도에서 약 2시간이며, 냉각은 공냉을 사용하였다.

제작한 이종접합 금속소재에 대한 조직관찰 결과 치밀한 접합면을 확보할 수 있었다.

본 발명은 크래딩법과 브레이징법으로는 제작할 수 없는 이종금속 접합소재를 융점 이하의 온도에서 일정한 압력으로 눌러서 소성 변형시켜 밀착성을 향상한 후 재결정온도 이상의 온도에서 금속접합을 실시하는 것으로써, 용융접합법에 비하여 소재의 손실이 없고, 반용융접합법에 비하여 비철합금부재와 철합금 부재 사이의 틈새 관리 불량으로 접합불량 발생 소지가 없어져 안정된 접합 계면을 확보할 수 있다.

Claims (1)

1. 비철합금 판재 혹은 튜브를 철합금 부재에 금속간 접합을 하는 방법으로써, 먼저 비철합금 판재 혹은 튜브를 접합하고자 하는 형태로 제작하는 단계와 접합하고자 하는 철합금 부재에 올려 놓고 융점 이하의 온도에서 일정한 압력을 가함으로 접합부의 밀착성을 향상하는 단계, 그리고 환원성 분위기 혹은 비산화성 분위기 중에서 재결정 온도 이상으로 열처리하는 단계로 구분되는 이종금속간 접합방법.