KR20130100481A - 금속 부재 및 세라믹 부재를 접합하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 금속 부재 및 세라믹 부재를 접합하는 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 마찰 교반 접합 방식에 의해 금속 부재 및 세라믹 부재를 접합하는 방법에 관한 것이다.

Description

금속 부재 및 세라믹 부재를 접합하는 방법 {METHOD OF BONDING METAL MEMBER AND CERAMIC MEMBER}
본 발명은 금속 부재 및 세라믹 부재를 접합하는 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 마찰 교반 접합 방식에 의해 금속 부재 및 세라믹 부재를 접합하는 방법에 관한 것이다.
신소재인 파인세라믹스는 종래의 세라믹스와 비교하여 정제 합성 분말을 이용하고, 화학조성 및 미세 조직을 정밀하게 제어할 수 있는 성형 소결법으로 제조하거나, 치밀화를 도모할 수 있는 가공법으로 제조한 고기능, 고성능 세라믹스로 정의된다.
파인세라믹스는 기계적, 열적, 원자력, 핵융합 등과 관련된 기능을 주로 가지는 구조용 세라믹스와 전기적, 자기적, 광학적 기능 등을 주로 가지는 기능성 세라믹스로 대별된다. 기능성 세라믹스는 세라믹스 총 수요의 2/3를 차지하고 있지만, 구조용 세라믹스도 적용분야가 다양화되는 추세에 따라 수요가 증가하고 있다. 세라믹스는 금속재료와 비교하여 내열성, 저열팽창성, 저열전도성, 고온고강도, 고경도, 내마모성, 저비중, 화학적 안정성, 경량성 때문에 그 특성을 활용한 금속 대체 재료로서 용도가 확대되고 있다. 더욱이 특수합금에 사용되는 원소의 대부분이 자원 고갈에 직면하고 있지만, 세라믹스의 원료가 되는 많은 원소들은 거의 무한정으로 존재하고 있으므로 세라믹스 개발의 원동력이 되고 있다. 하지만 이런 세라믹스들은 대부분의 세라믹스들이 내화성과 고온강도 및 경도면에서 우수하지만, 열충격 저항성 및 파괴인성이 낮은 것이 큰 문제점이다.
앞에서 진술한 바와 같이 세라믹스는 금속에 비하여 기능성이 매우 우수하므로 여러 분야에 적용할 수 있는 소재로서 기대가 크지만 인성이 부족하고 (주철의 1/2정도) 가공이 곤란하다는 단점을 갖고 있다. 이러한 단점은 세라믹스의 이용범위의 확대에 가장 큰 장애가 되고 있다. 그리고 세라믹스의 인성이 낮은 것은 원자결합 양식에 기인하기 때문에, 인성을 향상시키는 것은 매우 어렵다. 이러한 결점은 금속과의 복합화에 의하여 개선할 수 있다. 세라믹스와 금속과의 복합화 방법으로서는 접합법이 최적으로 알려져 있다. 따라서 금속과 세라믹스의 접합 기술은 세라믹스의 응용 범위를 확대시킬 수 있는 필수 기술이라고 할 수 있다.
세라믹스는 다음과 같은 문제점 때문에 금속재료에 비하여 용융 용접이 곤란한 전형적인 재료이다. ① 열충격 저항성이 낮으므로 용접균열이 발생하기 쉽다. ② 소결체이므로 용융부에 기공이 발생하기 쉽다. ③ 융점에서 점성계수가 높아, 각종 용접결함이 발생하기 쉽다 ④ 열전도율이 낮아서 국부적으로 과열되어 분해 증발하기 쉽다 ⑤ 재료에 따라서 용융부의 결정이 이상 성장하는 경우가 있다.
따라서 용융용접보다는 접합법이 많이 사용되고 있다. 세라믹스/금속의 접합법은 세라믹스 표면 피복법과 유사하므로, 표면 피복법을 이용한 접합법이 많이 개발되어 있는 것이 특징이다. 세라믹스와 금속과의 접합은 금속 간의 접합과 달리 접합현상이 다양할 뿐만 아이라 접합방법도 세라믹스의 종류, 크기, 형상에 따라 다르며 그 접합기구도 다르게 나타난다.
세라믹스와 금속의 접합 방법에는 여러 가지 방법이 현재 산업에서 적용이 되고 있으나 각 접합법에는 그에 따른 단점이 존재하고 있다. 기계적 체결법의 경우 복잡합 구조의 형상에 적용이 어려우며 기계적 체경을 위한 가공이 필요로 하며 볼트 및 너트 체결에 의한 체결부의 응력집중이 일어나 파손이 일어날 가능성이 높다는 문제가 있다.
또한 접착제를 사용하는 경우 취급이 간단하고 빠르게 작업을 할 수 있으나 전반적으로 접합 강도가 낮다는 문제점이 있으며 고온에서 사용할 경우 접착제의 연화로 인하여 접합부의 강도 저하 및 소재에 따라 그 특성에 맞는 접착제를 사용하여야 한다.
브레이징의 경우 현재 가장 많이 사용되는 접합법이지만 각기 소재 특성에 맞는 삽입금속이 필요로 하며 적절한 압력과 온도 등의 최적 접합 조건과 동시에 가스 분위기 혹은 진공 분위기를 유지할 수 있는 고가의 브레이징 장비가 필요로 하다. 고상접합의 경우 현재 많은 연구가 진행이 되고 있으며 산업체에서 적용이 되고 있지만 최적 접합 조건을 확보하기가 어려우며 형상의 제약 문제 그리고 고가의 전용 장비가 필요하다는 문제점이 있다.
따라서, 이처럼 간단한 접합이 어려운 세라믹과 금속을 간단하게 접합하면서도 그 접합 강도가 우수한 방법에 대한 요구가 항상 존재하여 왔다.
본 발명은 고상 접합법 중에 하나인 마찰 교반 접합법을 이용하여 삽입 금속 또는 접착제가 없을 뿐만 아니라 대기 분위기에서 접합이 가능하며 상기 접합법보다 매우 경제적인 세라믹스와 금속을 접합할 수 있는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 금속 부재 및 세라믹 부재를 접합하는 방법으로서, 금속 부재 및 세라믹 부재를 겹쳐놓거나 맞물리도록 놓는 단계; 상기 금속 부재 및 상기 세라믹 부재가 겹쳐진 부분 위에 밀링 머신의 툴을 위치시키는 단계; 및 상기 겹쳐진 부분을 따라 상기 밀링 머신의 툴을 이동시키는 단계를 포함하는, 금속 부재 및 세라믹 부재를 접합하는 방법을 개시한다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따르면, 상기 단계들 이외에 접합면의 버(burr)를 제거하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 접합의 강도를 높이기 위해서는, 강도가 상대적으로 약한 부재를 위에다 배치하고 강도가 강한 부재를 아래에 배치하는 것이 바람직하다.
이 경우에 상기 금속은 비철 재료 및 철강 재료를 포함하고, 상기 세라믹은 탄화계, 질화계 및 산화계 세라믹을 포함한다.
도 1은 세라믹-금속의 마찰교반접합시 겹침 형태로 접합하는 모습을 도시한다.
도 2는 세라믹-금속의 마찰교반접합시 맞물림 형태로 접합하는 모습을 도시한다.
도 3은 세라믹-금속의 마찰교반접합부의 전면 외관을 도시한다.
도 4는 세라믹-금속의 마찰교반접합부의 후면 외관을 도시한다.
도 5는 세라믹-금속의 마찰교반접합부의 저배율 단면 마크로 이미지를 도시한다.
도 6은 세라믹-금속의 마찰교반접합부의 고배율 단면 마크로 이미지를 도시한다.
도 7은 세라믹-금속의 마찰교반접합부의 광학 마이크로 이미지를 도시한다.
도 8은 세라믹-금속의 마찰교반접합부의 인장전단 시험 후 파단 형상을 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
하기 설명은 본 발명의 실시예에 대한 기본적인 이해를 제공하기 위해서 하나 이상의 실시예들의 간략화된 설명을 제공한다. 본 섹션은 모든 가능한 실시예들에 대한 포괄적인 개요는 아니며, 모든 엘리먼트들 중 핵심 엘리먼트를 식별하거나, 모든 실시예의 범위를 커버하고자 할 의도도 아니다. 그 유일한 목적은 후에 제시되는 상세한 설명에 대한 도입부로서 간략화된 형태로 하나 이상의 실시예들의 개념을 제공하기 위함이다.
본 발명은 금속 부재와 세라믹 부재를 접합하는 방법을 개시하고 있고, 이러한 방법은 아래의 단계에 의해 수행된다:
금속 부재 및 세라믹 부재를 겹쳐 놓거나 맞물리도록 놓는 단계(단계 110); 금속 부재 및 세라믹 부재가 겹쳐진 부분 위에 밀링 머신의 툴을 위치시키는 단계(단계 120); 겹쳐진 부분을 따라 밀링 머신의 툴을 이동시키는 단계(단계 130); 및 접합면의 버(burr)를 제거하는 단계(단계 140).
1. 금속 부재 및 세라믹 부재를 겹쳐 놓거나 맞물리도록 놓는 단계(단계 110)
본 발명의 일 실시예에 따르면 금속 부재 및 세라믹 부재를 겹쳐 놓거나 또는 맞물리도록 놓아야 한다. 이를 위해서 도 1에서와 같이 세라믹과 금속 부재들을 겹쳐서 위아래로 놓을 수 있다. 또는 맞물리도록 하기 위해 도 2에서와 같이 세라믹 부재와 금속 부재를 미리 가공하여 맞물릴 수 있는 형상으로 가공할 수 있다. 이 경우 맞물리기 위해서 "ㄱ"자 형상 또는 "ㄴ"자 형상으로 가공되는 것이 바람직하다. 만일 세라믹 부재가 "ㄱ"자 형상으로 가공되었다면, 금속 부재는 이에 대응하여 "ㄴ"자 형상으로 가공되어야 하고, 그 반대가 될 수도 있다.
한편, 겹쳐지거나 맞물리는 부재에서 위 아래를 결정하는 것은 강도에 따라 결정되는데, 강도가 상대적으로 약한 부재를 위에다 배치하고 강도가 강한 부재를 아래에 배치하는 것이 바람직하다.
2. 금속 부재 및 세라믹 부재가 겹쳐진 부분 위에 밀링 머신의 툴을 위치시키는 단계(단계 120)
단계 110에서 금속 부재 및 세라믹 부재를 겹쳐 놓거나 맞물려 놓은 이후, 겹쳐진 부분 위에 밀링 머신의 툴을 위치시키게 된다. 이는 겹쳐진 부분을 이후에 마찰 교반 접합하기 위함이다.
본 발명의 경우 금속 부재의 금속은 비철 재료 및 철강 재료를 포함하고, 세라믹 부재의 세라믹은 탄화계, 질화계 및 산화계 세라믹을 포함한다.
이때 상기 금속이 알루미늄 및 마그네슘 등의 저융점 합금일 경우 툴은 공구강 소재의 툴을 사용할 수 있으며 상기 금속이 철강재료 및 타이타늄 합금 등의 고융점 재료일 경우 다이아몬드 소재 및 세라믹스 계열의 소재로 제작한 툴을 사용하여 접합을 실시한다.
3. 겹쳐진 부분을 따라 밀링 머신의 툴을 이동시키는 단계(단계 130)
단계 130에서는 겹쳐진 부분을 따라 밀링 머신의 툴을 이동시키고, 이에 의해 금속 부재와 세라믹 부재 간에 마찰 교반 접합이 일어나게 된다.
본 기술을 이용한 실제 결합 모습은 도 3 내지 8에서 볼 수 있다. 금속 부재로서 6061 알루미늄 합금과 세라믹 부재로서 WC-Co 판재를 겹치기 형태로 하여 마찰 교반 접합된 접합부 외관을 도 3 및 4에서 확인할 수 있다.
도 3에서 보는 바와 같이 상대적으로 강도가 약한 알루미늄 합금과 같은 금속 부재를 상부에 그리고 강도가 높은 WC-Co와 같은 세라믹 판재는 하부에 배치하였다.
툴 회전속도 1600rpm, 툴 이송속도 80mm/min의 접합 조건에서 접합을 실시하였으며 기타 다른 가스분위기 등을 제어하지 않은 대기 상태에서 접합을 실시하였다.
도 3 및 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이 접합부 외관에는 어떠한 크랙이나 결함 등은 관찰되지 않았으며 상당히 견고히 접합이 된 것을 확인할 수 있었다.
접합부 단면 마크로 이미지를 도 5 및 도 6에 나타내었다. 단면 마크로 이미지에서 관찰할 수 있듯이 접합부 내에는 어떠한 크랙 등은 관찰되지 않았으며 상부의 알루미늄 합금과 하부의 WC-Co 판재가 밀착되어 접합되어 있는 것을 볼 수 있다.
확대된 접합부의 광학 현미경 사진을 도 7에 나타내었다. 도 7에서 볼 수 있는 바와 같이 두 판재 사이에는 아주 미세한 계면에 존재하는 것을 관찰할 수 있으며 이러한 반응층(계면)은 접합 시 알루미늄과 WC-Co가 열 및 압력에 의한 확산에 의하여 생성된 것으로 사료가 된다.
접합부의 강도를 평가하기 위하여 접합부의 인장전단시험(5mm/min으로 당기는 시험)을 실시하였으며 3개의 시편에 대해서 전단 시험을 한 결과 평균 약 3000N의 하중(약 100kg의 성인 남자 3명이 매달려야 분리가 일어날 정도로 높은 강도)이 측정되었으며 파단은 도 8에서 볼 수 있듯이 두 판재의 계면에서 발생하였다.
4. 접합면의 버(burr)를 제거하는 단계(단계 140)
접합면에서 버(burr)가 발생한 경우, 이러한 버를 엔드밀로 제거함으로써 표면을 매끄럽게 한다. 본 단계는 선택적 단계이다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (3)

  1. 금속 부재 및 세라믹 부재를 접합하는 방법으로서,
    금속 부재 및 세라믹 부재를 겹쳐놓거나 맞물리도록 놓는 단계;
    상기 금속 부재 및 상기 세라믹 부재가 겹쳐진 부분 위에 밀링 머신의 툴을 위치시키는 단계; 및
    상기 겹쳐진 부분을 따라 상기 밀링 머신의 툴을 이동시키는 단계를 포함하는,
    금속 부재 및 세라믹 부재를 접합하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    접합면의 버(burr)를 제거하는 단계를 추가로 포함하는,
    금속 부재 및 세라믹 부재를 접합하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 금속은 비철 재료 및 철강 재료를 포함하고,
    상기 세라믹은 탄화계, 질화계 및 산화계 세라믹을 포함하는,
    금속 부재 및 세라믹 부재를 접합하는 방법.
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