KR20050004959A - Ａｇ－Ｃｕ를 이용한 고강도 알루미늄 합금의 진공브레이징 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Ag-Cu를 이용한 고강도 알루미늄 합금의 진공 브레이징 방법에 관한 것으로, 구체적으로 충진재를 이용한 고강도 Al6061 알루미늄 합금의 진공 브레이징 방법에 있어서, 상기 충진재로 Ag-Cu 합금을 사용하는 것을 특징으로 하는 브레이징 방법에 관한 것으로, 이때, 상기 Ag-Cu 합금은 70∼72 중량% Ag와 28∼30 중량% Cu로 이루어진 것이다. 본 발명의 브레이징 방법에 의해 제조된 Al6061 알루미늄 합금 접합체는 Ag-Cu 충진 금속과 Al6061 알루미늄 합금의 공정반응에 의한 저온접합으로 제조된 것으로, 접합부의 결함이 없고, 모재강도의 90 % 수준의 인장 강도를 나타내는 우수한 기계적 특성을 갖는 알루미늄 합금의 접합체를 얻을 수 있어 차세대 접합기술의 고성능화, 고기능화와 더불어 고정밀화를 이룰 수 있다.

Description

Ａｇ－Ｃｕ를 이용한 고강도 알루미늄 합금의 진공 브레이징 방법{METHOD FOR VACUUM BRAZING ALUMINUM ALLOY WITH HIGH STRENGTH BY SILVER-COPPER AS FILLER}

본 발명은 알루미늄 합금의 진공 브레이징 방법에 관한 것으로, 구체적으로 고강도 Al6061 알루미늄 합금의 진공 브레이징 방법에 있어서 충진재로 Ag-Cu 합금을 사용하는 것을 특징으로 하는 브레이징 방법에 관한 것이다.

최근 첨단산업의 발전에 따라 신소재의 개발이 필수적이며, 이에 따라 범국가적 차원에서 신소재의 제조기술과 가공기술의 연구개발에 막대한 투자를 하고 있다. 그러나 신소재의 개발과 접합 등의 가공 기술을 분리하여 인식하는 경우가 많아 접합 기술의 개발은 아직 미약한 실정에 있다.

두 개의 물체를 연결한다는 사전적 의미는 접합(joining)으로써, 최근에는 용접(welding)과 접합(bonding)으로 구별하여 사용되고 있다. 용접(welding)은 조선, 토목건축 등 구조물을 제작하는 경우에 많이 사용되는 방법으로써 열 또는 힘을 가하여 용접 부위에서 재료를 접합하는 방법을 말하며, 접합(bonding)은 모재를 용융시키지 않고 두 물체를 연결하는 방법을 말한다. 최근 연구개발되는 신금속의 경우, 용융용접법을 적용시킬 경우 균열 등의 결함 발생은 물론 모재 특유의 강화기구가 사라질 수 있는 문제가 발생하게 된다. 따라서 차세대 접합기술의 고성능화, 고기능화 및 고정밀화가 필요 요인으로 대두되고 있다.

알루미늄은 열전도성이 우수하고 가볍기 때문에 구리를 대체하는 열교환기 재료로 많이 사용되고 있는 것으로, 알루미늄 접합 기술 중 알루미늄 브레이징 기술이 급속히 발전하고 있다.

일반적으로 브레이징(brazing)은 모재보다 융점이 낮은 재료를 접합매체로 하여 450℃ 이상의 온도에서 모재를 녹이지 않고 충진재(filler)만 용융시켜 모재의 틈새에 용융된 충진재를 침투(모세관 유입)시킴으로서 접합하는 방법이다. 이러한 브레이징은 한번에 여러 곳을 접합할 수 있고 대량생산이 가능하며 이종금속간의 접합이 용이하여 복잡한 면이나 대면적의 접합에 용이하다. 또한 기밀이 유지되고 접합강도가 우수하다는 장점을 가지고 있다.

이러한 브레이징을 알루미늄 접합에 이용한 알루미늄 브레이징 기술은 열교환기 이외에도 하니컴 구조를 갖는 수송기기 차체용 공간 프레임(space frame)의 제작에 적용되고 있으며 이들 제품의 고강성, 경량, 휨가공이 가능하다는 특징 때문에 차량, 선박 등의 수송기기 등의 고강도 구조물에 적용이 점차 기대되고 있다.

알루미늄 접합 모재로서 전신용 알루미늄 합금은 합금조성에 따라 1xxx∼7xxx계로 나눌 수 있다(상기에서 x의 표시는 정해지지 않은 수를 나타낸 것으로, 합금의 종류에 따라 다르게 붙여진다). 이 중에서 1xxx계, 3xxx계, 4xxx계, 5xxx계 합금을 비열처리계 합금이라 하며, 그 외 2xxx계, 6xxx계, 7xxx계 합금을 열처리계 합금이라 한다. 이 중 열처리계 알루미늄은 300 ㎫ 이상의 고강도를 갖고 있고, 비열처리계 합금에 비해 절삭성이 뛰어나기 때문에 통상적으로 가공용 합금이라 불리고 있다.

상기 비열처리계 합금은 대부분 접합이 가능한 반면, 열처리계 합금은 일부 6xxx계 합금을 제외하고는 대부분 접합이 불가능한 것으로 보고되고 있다. 이는 고강도 알루미늄 합금의 경우, 고상선 온도가 낮은 것에 기인하는데, 즉 강화를 목적으로 첨가된 합금 원소들로 인해 고상선 온도가 낮아져서 기존의 알루미늄 합금 접합용 충진재(filler) 합금의 융점과 근접해 있거나 대부분 그 이하이기 때문에 접합을 어렵게 하거나 불가능하게 하는 요인이 된다.

이러한 고강도 알루미늄의 접합에서는 고상선 온도가 기존의 Al-Si 충진재 합금계 융점(577℃)보다 낮기 때문에 고상선과 액상선의 응고구간이 길고, 고상선 온도가 매우 낮은 특징을 가지고 있다. 또한 합금계의 종류에 따라서는 강도가 높아지면 고상선 온도가 낮아지는 경향을 나타낸다. 따라서 강도가 강한 알루미늄 합금일수록 브레이징이 어렵고, 577℃ 이하의 고상선을 가지고 있는 알루미늄 합금은 현실적으로 브레이징이 불가능하다고 할 수 있다.

본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 저온접합의 일환으로 Ag-Cu 충진 금속을 이용하여 우수한 접합성 고강도 알루미늄 합금의 진공 브레이징 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 Al6061 알루미늄 합금의 브레이징 방법을 나타낸 공정도이며,

도 2는 본 발명의 Al6061 알루미늄 합금의 모재 사이에 Ag-Cu 충진 금속을 삽입한 것을 나타낸 모식도이며

도 3은본 발명에서 일정 온도에서 유지시간에 따른 접합부위의 조직을 나타낸 광학현미경 사진이며,

도 4는 본 발명에서 일정 시간에 따른 온도의 영향을 나타낸 접합부위의 조직을 나타낸 광학현미경 사진이며,

도 5는본 발명에서 접합온도와 접합시간에 따른 접합강도의 변화를 나타낸 그래프이며,

도 6은 본 발명에서 접합부의 강도를 측정하여 T6열처리 효과를 나타낸 그래프이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 충진 금속을 이용한 알루미늄 합금의 진공 브레이징 방법에 있어서, 상기 충진 금속이 Ag-Cu 합금인 것을 특징으로 하는 Al6061 알루미늄 합금의 진공 브레이징 방법을 제공한다.

즉, Al6061 알루미늄 합금의 진공 브레이징에 있어서, Ag-Cu 합금과 Al6061 알루미늄 합금의 공정반응(eutectic reation)을 이용하여 저온에서 접합시킬 수 있으며 우수한 기계적 특징을 갖는 접합체를 얻을 수 있다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 충진 금속을 이용한 알루미늄 합금의 진공 브레이징 방법에 있어서, 상기 충진 금속이 Ag-Cu 합금인 것을 특징으로 한다.

상기 Ag-Cu 합금은 Al6061 알루미늄 합금과 공정반응(eutectic reation)을 수행하여 저온 접합을 가능케 하는 것으로, 이때 70∼72 중량% Ag 및 28∼30 중량% Cu로 이루어진다.

구체적으로, 상기 Al6061 알루미늄 합금의 진공 브레이징 방법은 도 1에서 보는 바와 같이,

알루미늄 합금과 Ag-Cu 합금의 표면을 처리하는 단계(단계 1);

상기 표면 처리된 알루미늄 합금의 접합부위에 Ag-Cu 합금을 위치시킨 후 진공 상태에서 브레이징하여 접합하는 단계(단계 2); 및

상기 접합된 알루미늄 합금을 열처리하는 단계(단계 3)를 포함한다.

단계 1은 알루미늄 합금과 Ag-Cu 합금의 표면을 처리하는 것으로, 기계적 연마 후 전해연마를 수행한다. 이는 알루미늄 합금과 Ag-Cu 합금의 공정반응에서 접촉부위의 표면조도와 산화피막의 영향 때문인데, 이러한 영향을 낮추기 위해서는 기계적 연마시 600∼1000 메쉬(mesh)가 적당하다. 600 메쉬 이하의 경우 표면조도가 상승하여 접촉부위에 악영향을 끼치고 공정반응에 문제점을 안겨줄 수 있으며, 1000 메쉬 이상의 경우 전해연마 후 1000 메쉬와 비교하여 표면조도에 커다란 차이점을 보이지 않는다. 이후 표면요철의 평탄화와 표면의 산화피막형성을 막기 위해 전해연마를 수행한다. 일예로 전해연마액의 조성은 메틸알콜 600 ㎖, 글리콜 360 ㎖, 과염소산(Perchloric acid) 60 ㎖이고, 연마조건은 12V, 3 min으로 수행한다.

단계 2는 Al6061 알루미늄 합금과 Ag-Cu 합금을 브레이징하는 것으로, Ag-Cu 합금과 Al6061 알루미늄 합금의 공정반응에 의해 접합부가 용융접합된다. 본 발명에서는 진공 중에서 브레이징하는 것으로, 진공 브레이징은 플럭스(flux)가 불필요하므로, 제품의 세정공정이 없고, 플럭스 잔사에 의한 부식이 없으며, 친환경적이며, 진공 브레이징시 탈가스 작용에 의해 접합부에 기공 등 결함의 생성이 억제되어 기밀성과 기계적 특성이 양호한 접합부를 얻을 수 있는 장점이 있다.

특히, 본 발명의 Al6061 알루미늄 합금은 Mg₂Si에 의한 석출경화형 합금으로써 Mg의 함량이 0.8∼1.2 중량%, Si의 함량이 0.4∼0.8 중량%이다. Al6061 알루미늄 합금과 Ag-Cu 충진 금속의 공정반응은 Al 이외에도 Mg, Si 등이 Ag, Cu 등과 공정반응에 참여하게 된다. 따라서 본 발명의 용융접합에서는 Al-Cu의 2원 공정온도 548℃, Al-Ag의 2원 공정온도 567℃, Ag-Cu 충진 금속의 융점 780℃ 보다 낮은 온도에서 공정반응으로 인해 접합부 액상이 형성되고 접합이 이루어진다(도 2 참조). 본 발명에서는 진공분위기 중에서 530∼560℃에서 10∼30분간 유지시키는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 560℃에서 30 분간 유지시킨다. 접합온도가 상기 범위 미만이고, 유지시간이 짧은 경우, 충진 금속의 성분(Ag, Cu)이 모재속으로 확산되지 못하고 접합부에 그대로 남아 접합강도가 낮아지게 된다.

단계 3은 접합된 알루미늄 합금을 열처리하는 것으로, 상기 열처리는 알루미늄 합금의 일반적인 T6열처리를 수행한다. 구체적으로, 상기 열처리는 530℃에서 1 시간 동안 용체화 처리후 175℃에서 8 시간 동안 인공시효 처리를 수행한다. 이때, 용체화 처리 단계를 통하여 확산접합의 최종 단계라 할 수 있는 성분 균질화를 이룰 수 있으며, 인공시효 처리를 통해 최종적으로 우수한 기계적 특성을 가지는 접합부를 형성한다.

이하 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다.

단, 하기 실시예들은 본 발명을 예시하는 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1> 진공 브레이징 방법

Al6061 알루미늄 합금 시편 2개(16 ×16 ×50 ㎜)와 충진 금속인 Ag-Cu 합금을 준비하였다.

표면조도 및 산화물을 최소화하기 위해서, 접합모재의 표면을 600 메쉬 샌드페이터(sand paper)로 연마한후 전해연마하였다. 이때 전해연마액의 조성은 메틸알콜 600 ㎖, 글리콜 360㎖, 과염소산(Perchloric acid) 60 ㎖이고, 연마조건은 12V, 3 min으로 하였다. 충진재의 세정은 아세톤으로 초음파 세척한 후 수세하여 사용하였다.

표면처리 후 하기와 같은 브레이징 열싸이클 조건하에서 브레이징을 수행하여 접합하였다. 접합온도는 530∼560℃, 접합시 가압하중은 1MPa, 분위기는 5x10^-5torr로 하였다.

접합후 용체화 처리를 530℃, 1 시간 동안 유지후 수냉하여 실시하였고, 시효처리를 175℃에서 8 시간 동안 수행하였다. 또한 열처리는 KNO₃+NaNO₃+ETC의 salt bath에서 실시하였다.

<실험예 1> 기계적 특성 측정

(1) 접합부 조직사진 측정

접합부의 조직관찰을 위해, 경면 연마후 Keller용액을 사용하여 에칭을 실시하므로서 조직시편의 처리를 수행하였다. 접합부 조직관찰은 광학 현미경을 이용하여 분석하였다.

(2) 접합강도 측정

접합강도시험을 위한 인장시험편의 형상과 치수는 길이 50 ㎜에 게이지 직경이 φ9 ㎜로 가공하였고, crosshead speed 1 ㎜/min으로 인장시험을 행하였다.

도 3 및 도 4는 접합부의 조직사진으로, 도 3은 일정온도에서 시간에 따른 접합부의 변화를 나타낸 것이다. 열처리 전후에 접합부의 미세조직은 시간이 지날수록 양호한 접합부를 얻는다. 도 3에서 (a),(b)는 10분간 유지하였을 때의 조직사진이며, (c),(d)는 30분간 유지하였을 때의 조직사진이고, (e),(f)는 120분간 유지하였을 때의 조직사진이다. 이때의 온도는 500℃로 동일한 온도조건이다. 이는 유지시간이 길수록 확산의 작용이 더욱 이루어지기 때문이다. 반대로 유지시간이 짧을 경우 확산이 제대로 이루어지지 않으므로 접합부위에서는 접합층이 확연하게 들어나게 된다.

도 4는 30분간 유지시간을 동일 조건으로 하였을 때의 접합부의 조직 사진이다. (a)는 530℃, (b)는 540℃, (c)는 550℃, (d)는 560℃에서의 조직 사진이다. (a),(b),(c)와 달리 온도가 좀더 높은 (d)의 경우 접합부가 양호하다.

도 5는 접합온도와 유지시간에 따른 접합강도의 변화를 나타낸 그래프이다. 접합온도가 증가함에 따라 접합강도가 증가하였다. 접합온도가 낮을 때, 접합유지시간이 짧은 경우 충진 금속의 성분(Ag, Cu)이 모재속으로 확산되지 못하고 접합부에 그대로 남아 접합강도가 낮아지게 된다. 반면, 유지시간이 30분인 조건에서는모든 온도에서 160 ㎫ 정도의 우수한 접합강도를 나타낸다.

도 6은 접합 온도 조건에 따른 접합 시험편의 T6열처리 전과 후의 인장강도 변화를 나타낸 그래프이다. 530℃ 접합조건에서는 T6열처리에 따른 접합강도가 크게 개선되지 않는 반면에 540℃ 이상에서는 용체화 처리에 의해 접합강도가 크게 상승하였다. 또한, 인공 시효 후 모재 강도의 90% 수준인 290 ㎫ 정도의 우수한 접합강도를 나타내었다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 Al6061 알루미늄 합금의 진공 브레이징 방법에 의해 제조된 Al6061 알루미늄 합금 접합체는 Ag-Cu 충진 금속과 Al6061의 공정반응에 의한 저온접합으로 제조된 것으로, 접합부의 결함이 없고, 모재강도의 90 % 수준의 인장 강도를 나타내는 우수한 기계적 특성을 갖는 알루미늄 합금의 접합체를 얻을 수 있어 차세대 접합기술의 고성능화, 고기능화와 더불어 고정밀화를 이룰 수 있다.

Claims (6)

1. 충진 금속을 이용한 Al6061 알루미늄 합금의 진공 브레이징 방법에 있어서, 상기 충진 금속이 Ag-Cu 합금인 것을 특징으로 하는 Al6061 알루미늄 합금의 진공 브레이징 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 Ag-Cu 합금이 70∼72 중량% Ag 및 28∼30 중량% Cu로 이루어진 것을 특징으로 하는 Al6061 알루미늄 합금의 진공 브레이징 방법.
3. 제 1항 내지 2항에 있어서, 상기 Al6061 알루미늄 합금의 진공 브레이징 방법이

   알루미늄 합금과 Ag-Cu 합금의 표면을 처리하는 단계(단계 1);

   상기 표면 처리된 알루미늄 합금의 접합부위에 Ag-Cu 합금을 위치시킨 후 진공 상태에서 브레이징하여 접합하는 단계(단계 2); 및

   상기 접합된 알루미늄 합금을 열처리하는 단계(단계 3)로 이루어진 것을 특징으로 하는 Al6061 알루미늄 합금의 진공 브레이징 방법.
4. 제 3항에 있어서, 알루미늄 합금과 Ag-Cu 합금의 표면을 기계적 연마 후 전해연마로 처리하는 것을 특징으로 하는 Al6061 알루미늄 합금의 진공 브레이징 방법.
5. 제 3항에 있어서, 상기 브레이징을 530∼560℃에서 10∼30분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 Al6061 알루미늄 합금의 진공 브레이징 방법.
6. 제 3항에 있어서, 상기 접합된 Al6061 알루미늄 합금을 530℃에서 용체화 열처리 후 175℃에서 인공시효 처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 Al6061 알루미늄 합금의 진공 브레이징 방법.