KR20170117825A - 고접합강도의 클래드재 제조를 위한 중간재 선정방법, 및 고접합강도 티타늄-철 클래드재의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 티타늄-철 클래드재 - Google Patents
고접합강도의 클래드재 제조를 위한 중간재 선정방법, 및 고접합강도 티타늄-철 클래드재의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 티타늄-철 클래드재 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 이종(異種) 금속을 접합하여 클래드재를 제조할 시에 접합하고자 하는 금속과 금속간 화합물을 형성하지 않거나 금속간 화합물의 형성이 용이하지 않은 금속을 포함하는 중간재를 선정하는 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일실시예는 티타늄-철 클래드재 제조 시에 티타늄과의 금속간 화합물 생성 엔탄피 및 철과의 금속간 화합물 생성 엔탈피 각각이 양수이거나 -20 
△H3 또는 △H4 
0의 값을 가지는 금속을 중간재로 사용하여 접합강도가 500MPa 이상인 고접합강도의 티타늄-철 클래드재 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 고접합강도의 클래드재 제조를 위한 중간재 선정방법 및 고접합강도 티타늄-철 클래드재의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 티타늄과 철을 접합하는데 있어서, 이들 금속과의 금속간 화합물 형성이 용이하지 않은 금속원소를 포함하는 중간재를 금속간 화합물 생성 엔탈피를 산출하여 선정하고 이를 티타늄과 철의 사이에 개재하고 클래딩하여 계면에서의 접합강도가 우수한 클래드재를 제조하는 방법 및 중간재의 선정방법에 관한 것이다.
클래드재는 단일 금속으로 얻을 수 없는 다양한 성질을 동시에 구현하고자 두 개 이상의 이종(異種) 금속재를 접합하여 일체화시킨 복합 금속재료로 이는 특성이 상이한 금속을 적절하게 조합하여 하나의 소재에 다양한 특성을 부여할 수 있으며, 고가의 소재를 절약할 수 있다는 점에 있어서 경제적으로 큰 이점이 있기 때문에 접합하는 금속의 조합이 보다 확장되고 있는 추세이며, 주방용품, 가전제품 및 전자제품, 자동차용 부품, 중·대형 열교환기, 화학 플랜트 설비, 각종 탱크 및 내압용기, 선박 및 담수화 설비, 교량 등의 건축용 자재 등의 각종 산업설비의 소재로 널리 적용되고 있다.
특히, 발전소의 화학반응기나 가스배관 등은 고부식성 가스와 직접 접촉하기 때문에 안정성 확보를 위해 내식성이 우수한 티타늄을 사용하여 제조되어야 하는데, 티타늄은 매우 고가에 속하는 금속재료로 원가절감을 위하여 스테인레스와 같은 고강도 금속재료에 티타늄을 클래딩하여 제조되는 티타늄-철 클래드재가 티타늄을 대체할 소재로 주목 받고 있다.
그러나, 이종(異種) 이상의 금속을 클래딩(clading)하기 위해서는 고온의 접합공정을 필요로 하며, 고온의 접합공정에서 재료의 취성을 증가시키는 금속간 화합물이 형성되며, 이에 의해 계면에서의 접합강도가 열위하는 문제점이 있었다. 논문 “Nippon Steel Technical Report (No.62, p34, 1994년)”에서는 티타늄과 SUS를 클래딩할 시, 고온의 접합공정 중에 접합계면에서 티타늄과 철의 금속간 화합물 형성으로 접합강도가 급격하게 저하된다고 보고하고 있다.
이와 같은 문제점을 해소하기 위하여 이종(異種) 금속의 사이에 중간재(interlayer)를 개재하여 이종 금속을 접합하고자 하는 시도가 이루어지고 있으며, 일례로 논문 “Tran. Nonferrous Me. Soc. of China (24, p2839, 2014년)”는 니오븀을 중간재로 하는 티타늄-니오븀-SUS 클래드재에 관한 기술을 개시한 바 있으나, 티타늄과 니오븀의 접합계면에서는 금속간 화합물이 형성되지 않고 높은 접합강도를 갖는 반면, SUS와 니오븀의 계면에서는 금속간 화합물이 과량 형성되어 접합계면이 파괴된다고 보고하고 있다.
또한, 논문 ”Mater. Sci. & Tech. (25, p914, 2009)”에서는 니켈을 중간재로 하는 티타늄-니켈-SUS 클래드재에 관한 기술을 개시하고 있으나, 열처리 온도가 증가함에 따라 티타늄과 니켈의 접합계면에서 금속간 화합물의 형성이 증가하여 접합계면의 파괴가 발생한다고 보고하고 있다.
또한, 대한민국 등록특허 제10-1054462호(발명의 명칭: 모재의 강도를 초과하는 접합강도를 갖는, 중간층을 이용한 강계열 합금과 티타늄 또는 티타늄 계열 합금 간의 고강도 이종금속 접합방법, 이하 종래기술 1이라고 한다.)는 강계열 합금 모재와 티타늄 또는 티타늄계 합금 모재 사이에 강계열 합금 모재로부터 니켈층, 크롬층 및 바나듐층의 순서로 적층되는 중간층(Ni-Cr-V)과, 상기 중간층의 바나듐층과 티타늄 또는 티타늄계 합금 모재 사이에 티타늄계 또는 지르코늄계 삽입재를 삽입시킨 후, 상기 티타늄계 또는 지르코늄계 삽입재의 용융온도 이상 상기 모재의 용융점 이하의 온도로 가열하여 강계열 합금 및 티타늄 또는 티타늄계 합금을 접합시키는 단계를 포함하는 고강도 이종금속 접합방법에 관하여 개시하고 있다.
그러나, 종래기술 1의 접합방법은 티타늄과 강의 접합부에서 금속간 화합물의 형성을 억제하기 위하여 티타늄과 강의 사이에 니켈층, 크롬층, 바나듐층의 순서로 적층하고, 이의 상부에 삽입재를 더 적층하여 중간재로 적용하고 있는데, 이는 복수개의 금속을 중간층으로 개재함에 따라 공정단계가 복잡하고 제조비용이 높아 대량 양산에 어려움이 있었으며, 최적화된 조건으로 제조된 클래드재의 접합강도가 450MPa 미만으로 고접합강도 특성이 요구되는 분야에 적용하기에는 성능이 다소 열위하다는 문제점이 있었다.
또한, 대한민국 등록특허 제10-0411273호(발명의 명칭: 스테인레스강/티타늄 클래드재 제조방법, 이하 종래기술 2라고 한다.)는 스테인레스강과 티타늄 판재의 사이에 사각형의 중공을 가지는 니켈 박막을 삽입하고 사전 용접한 후, 열간 압연처리 함으로써 양 판재의 계면에서 산소의 침투를 제어하여 고온산화를 방지할 수 있는 스테인레스강/티타늄 클래드재의 제조방법을 개시하고 있다.
그러나, 종래기술 2의 클래드재 제조방법 사각형상의 중공을 가지는 니켈 박막을 티타늄과 스테인레스강의 사이에 개재하여 클래딩함에 따라, 접합계면에서 티타늄과 철의 금속간 화합물이 형성되는 것을 제어할 수 없으며, 니켈과 티타늄 또한 금속간 화합물의 형성이 용이한 소재로 접합계면에서 상대적으로 취성이 약한 금속간 화합물이 형성되어 접합강도가 열위하다는 문제점이 있었다.
클래드재는 플랜트 설비, 발전설비, 배관, 화학반응기, 건축외장재, 주방용품 등을 제조하는데 사용될 수 있으며, 이러한 제품으로 적용될 경우 제품을 사용하면서 반복적으로 가해지는 외부의 요인(충격, 굽힘, 부식성 물질과의 접촉 등)에 의해 크랙이나 기타 변형이 발생하지 않도록 견고한 접합강도가 요구된다. 그러나 종래기술에 따른 클래드재의 경우, 소재의 취성을 증가시키는 금속간 화합물의 생성을 충분히 억제하지 못하여 접합강도 450MPa 이상의 특성을 달성하는데 어려움이 있었으며, 상기와 같은 문제점을 해소하고자 복수개의 중간층을 삽입하거나 복잡한 공정단계를 필요로 하여 대량 양산에 어려움이 있었다. 따라서, 이종(異種) 금속의 계면접합부에서의 신뢰성을 확보하면서도 양산성이 우수한 클래드재의 제조기술이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
Nippon Steel Technical Report. No.62, p34, 1994
Tran. Nonferrous Me. Soc. of China, 24, p2839, 2014
Mater. Sci. & Tech., 25, p914, 2009
종래기술에서는 이종(異種) 금속을 접합하는데 있어서, 경험적으로 선택된 금속을 중간재로서 접합하고자 하는 금속의 사이에 개재하여 클래딩하거나, 별도의 공정 단계를 더 포함하여 접합계면의 신뢰성을 확보하고자 하나, 상기와 같은 방식으로는 소재의 취성을 증가시키는 금속간 화합물의 형성을 충분히 제어하기 곤란하였으며, 공정비용이 높다는 단점이 있었다.
따라서, 본 발명은 이종 금속간의 금속간 화합물 형성에 관한 거동을 열역학적으로 분석하여, 접합하고자 하는 금속의 사이에 금속간 화합물을 형성하지 않거나 금속간 화합물의 형성이 용이하지 않은 중간재를 선정하는 방법에 관한 기술을 제공하며, 이러한 중간재 선정 방법으로 선정된 중간재를 구비하고 접합강도 400MPa 이상의 고접합강도를 가지는 티타늄-철 클래드재의 제조 기술을 제공하는 것을 일목적으로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 중간재를 매개로 제1금속재와 제2금속재를 접합시켜 제조되는 클래드재의 접합강도를 향상시킬 수 있는 중간재의 선정방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 고접합강도 클래드재의 제조를 위한 중간재 선정방법은 i) 제1금속재를 구성하는 금속원소와 후보재를 구성하는 금속원소의 금속간 화합물 생성 엔탈피(△Hfor)를 계산하여 제1생성 엔탈피(△H1)를 산출하는 단계, ii) 제2금속재를 구성하는 금속원소와 후보재를 구성하는 금속원소의 금속간 화합물 생성 엔탈피를 계산하여 제2생성 엔탈피(△H2)를 산출하는 단계, iii) 상기 제1생성 엔탈피 및 상기 제2생성 엔탈피가 소정의 범위 내의 값을 가지는 후보재를 중간재로 선정하는 단계를 포함할 수 있으며, 후보재 중에서 접합하고자 하는 상기 제1금속재 및 상기 제2금속재와 금속간 화합물을 형성하지 않거나 금속간 화합물의 형성이 용이하지 않은 금속을 중간재로 선정하여 클래드재의 접합강도를 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 고접합강도 티타늄-철 클래드재의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 고접합강도 티타늄-철 클래드재의 제조방법은 중간재를 선정하는 제1단계, 제1단계에서 선정된 중간재를 철계 금속재와 티타늄계 금속재의 사이에 개재하여 적층 구조물을 형성하는 제2단계, 적층 구조물을 클래딩(clading)하여 티타늄-철 클래드재를 제조하는 제3단계를 포함할 수 있으며, 상기 철계 금속재 및 티타늄계 금속재는 각각 순금속 또는 그들의 합금이고, 중간재를 구성하는 금속원소는 철 및 티타늄과 금속간 화합물을 형성하지 않거나 금속간 화합물의 형성이 용이하지 않은 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 제1단계에서 선정된 중간재는 망간, 바나듐, 크롬, 텅스텐, 몰리브덴, 이트륨 및 란타늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 중간재를 구성하는 금속원소와 티타늄의 금속간 화합물 생성 엔탈피(△H3) 및 중간재를 구성하는 금속원소와 철의 금속간 화합물 생성 엔탈피(△H4)는 각각 0 이상의 값을 가지거나, 음수 일 경우 그 절대값이 소정의 기준 값 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 중간재를 구성하는 금속원소와 티타늄의 금속간 화합물 생성 엔탈피(△H3) 및 중간재를 구성하는 금속원소와 철의 금속간 화합물 생성 엔탈피(△H4) 값이 음수일 경우에는 -20 
△H3 또는 △H4 
0의 값을 가지는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 제3단계에서 클래딩 공정은 폭발 압점법, 확산 접합법, 오버레이 용접법, 냉간 압연법, 열간 압연법 중에서 선택되는 어느 하나의 방법으로 수행될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 있어서, 제3단계의 이후에 클래딩 공정에서 소재에 가해진 잔류응력을 제거하기 위하여 티타늄-철 클래드재를 소둔하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 티타늄-철 클래드재 제조방법으로 제조된 클래드재는 접합강도가 400MPa 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예는 이종(異種)금속을 접합하여 제조되는 클래드재에 관한 기술을 제공하며, 이는 복수개의 이종(異種) 금속재를 클래딩하여 제조되고, 상호 접합이 이루어지는 각 금속재를 이루는 금속원소간의 금속간 화합물 생성 엔탈피가 각각 0 이상 또는 음수 일 경우 그 절대값이 소정의 기준 값 이하의 값을 가짐으로써 금속간 화합물을 형성하지 않거나 금속간 화합물의 형성이 용이하지 않은 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 이종(異種) 금속을 접합하여 클래드재를 제조할 시에, 상기 금속과 금속간 화합물을 형성하지 않거나 금속간 화합물의 형성이 용이하지 않은 금속을 포함하는 중간재를 선정하는 방법을 제공하고, 상기 방법에 의해 선정된 중간재를 이종(異種) 금속의 사이에 개재하여 클래딩(cladding)시킴으로써 접합강도가 향상된 클래드재를 제조할 수 있다는 이점이 있다. 또한, 본 발명에 따르면 클래드재의 접합강도를 향상시킬 수 있는 열역학적 메커니즘을 제공함에 따라 다양한 조합으로 고접합강도의 클래드재를 제조할 수 있으며, 이는 클래드재의 적용분야 확장 및 소재의 원가절감 등의 효과를 가져올 수 있다.
특히, 본 발명은 상기 중간재 선정방법에 의해서 티타늄 및 철과의 금속간 화합물을 형성하지 않거나, 금속간 화합물의 형성이 용이하지 않은 중간재를 선정하고, 이를 티타늄계 금속재와 철계 금속재의 사이에 개재하여 클래딩시킴으로써 접합강도 400MPa 이상의 고결합강도 티타늄-철 클래드재를 제조할 수 있으며, 이는 각종 화학 플랜트 설비, 가스 배관, 내압용기 등 고강도 및 고내식성을 요구하는 설비 제조에 유용하게 사용될 수 있다. 또한, 화학 플랜트 설비, 가스배관, 내압용기 등의 분야에서는 안정성 확보를 위하여 고내식성 소재인 티타늄을 적용하여야 하는데, 이때, 스테인레스 강을 티타늄과 클래딩하여 제조된 티타늄-철 클래드재를 적용할 시, 소재의 원가 절감에 크게 기여할 수 있다는 경제적인 이점이 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능 한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 3단 클래드재의 단면 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 제조될 수 있는 클래드재의 다양한 형태를 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 클래드재의 미세조직구조 분석 사진이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 제조될 수 있는 클래드재의 다양한 형태를 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 클래드재의 미세조직구조 분석 사진이다.
이하에서는 첨부한 도면, 구체적인 실시예 및 실험예를 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 제1금속재와 제2금속재를 접합시켜 제조되는 클래드재의 접합계면에서 금속간 화합물의 형성을 최소화하여 접합강도를 향상시키기 위한 중간재의 선정방법에 관한 것이다. 종래기술에서는 중간재를 개재하여 제1금속재와 제2금속재를 접합할 시에, 경험적으로 중간재 금속을 선정하였으며, 이에 의해 제1금속재와 중간재의 접합계면 및/또는 제2금속재와 중간재의 접합계면에서 금속간 화합물의 형성을 제어하기에 곤란하였으며, 따라서 클래드재의 접합강도를 향상시키기에 어려움이 있었다. 이에 본 발명자는 이종(異種) 금속을 접합할 시에 접합하는 금속들의 금속간 화합물 형성에 관한 거동을 열역학적으로 분석하여 접합하고자 하는 금속의 사이에 금속간 화합물을 형성하지 않거나 금속간 화합물의 형성이 용이하지 않은 금속을 중간재로 선정하는 방법을 제공하며, 이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 고접합강도 클래드재 제조를 위한 중간재 선정방법에 관하여 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 제1금속재(10)과 제2금속재(30)의 사이에 중간재(20)이 개재된 클래드재의 단면 모식도이다. 본 발명은 i) 제1금속재를 구성하는 금속원소와 후보재를 구성하는 금속원소의 금속간 화합물 생성 엔탈피(△Hfor)를 계산하여 제1생성 엔탈피(△H1)를 산출하는 단계, ii) 제2금속재를 구성하는 금속원소와 후보재를 구성하는 금속원소의 금속간 화합물 생성 엔탈피를 계산하여 제2생성 엔탈피 값(△H2)을 산출하는 단계, iii) 후보재 중에서 제1생성 엔탈피 및 제2생성 엔탈피가 소정의 범위 내의 값을 가질 경우 중간재로 선정하는 단계를 포함하고, 후보재 중에서 제1금속재 및 제2금속재와 금속간 화합물을 형성하지 않거나 금속간 화합물의 형성이 용이하지 않은 금속을 중간재로 선정하여 클래드재의 접합강도를 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제i) 단계와 제ii) 단계는 상호 접합이 이루어지는 금속소재를 구성하는 금속원소간의 금속간 화합물 생성 엔탈피를 산출하는 단계이다. 중간재를 개재하여 제1금속재와 제2금속재를 접합할 시에는 상호 접합이 이루어지는 금속 소재의 접합계면 즉, 제1금속재와 후보재의 접합계면 및 제2금속재와 후보재의 접합계면 모두에서 금속간 화합물의 형성을 제어하여야 고접합강도의 클래드재를 제조할 수 있다. 이에 이종(異種) 금속간의 접합이 이루어지는 각 계면에서의 금속간 화합물 생성 엔탈피를 각각 산출하며, 산출된 값이 0 이상의 값을 가지는 경우, 금속간 화합물을 형성하지 않는 것을 의미하며, 산출된 값이 음수일 경우에는 금속간 화합물을 형성하는 것을 의미한다. 또한, 산출된 값이 음수일 경우에는 그 절대값이 클수록 금속간 화합물의 형성이 더욱 용이한 것을 의미한다.
본 발명의 제 iii) 단계는 후보재 중에서 상기 제 i) 단계 및 제 ii) 단계에서 산출된 제1생성 엔탈피 및 제2생성 엔탈피가 소정의 범위 내의 값을 가지는 경우 중간재로 선정하는 단계이다. 여기서, “소정의 범위 내의 값”은 이종(異種) 금속간의 금속간 화합물을 형성하지 않는 0 이상의 값 또는 음수 일 경우 그 절대값이 소정의 기준 값 이하인 것을 의미한다. 본 발명에서 제1생성 엔탈피 및 제2 생성 엔탈피는 모두 0 이상의 값을 가지는 것이 가장 바람직할 수 있으며, 제1 생성 엔탈피 및/또는 제2생성 엔탈피가 음수 일 경우에는 이의 절대값이 소정의 기준치 이하의 값을 가지는 것이 바람직할 수 있다. 이때, 소정의 기준치 이하의 값은 접합계면에서 금속간 화합물을 형성하더라도 그 정도가 미비하여 취성을 크게 증가시키지 않아 유용한 수준의 접합강도를 가지는 정도를 의미한다. 이에 관하여는 후술하는 티타늄-철 클래드재의 제조방법에서 구체적으로 설명하기로 한다.
이하에서는 전술한 중간재 선정방법에 따라 선정된 중간재를 구비하는 고접합강도 티타늄-철 클래드재의 제조방법에 관하여 설명하기로 한다. 본 발명의 일실시예에서 티타늄-철 클래드재는 전술한 방법에 따라 중간재를 선정하는 제1단계, 선정된 중간재를 철계 금속재와 티타늄계 금속재의 사이에 개재하여 적층 구조물을 형성하는 제2단계, 적층 구조물을 클래딩하여 티타늄-철 클래드재를 제조하는 제3단계를 포함하여 제조될 수 있다.
본 발명의 제1단계는 중간재를 선정하는 단계로, 전술한 바와 같이 후보재를 구성하는 금속원소와 티타늄의 금속간 화합물 생성 엔탈피(△H3) 및 후보재를 구성하는 금속원소와 철의 금속간 화합물 생성 엔탈피(△H4)를 각각 산출하고, 산출된 값이 소정의 범위 내의 값을 가지는 경우 중간재로 선정한다.
본 발명의 실험예에서는 몇 가지 후보재 금속과 티타늄과의 생성 엔탈피 및 후보재 금속과 철과의 생성 엔탈피를 산출(실험예 1)하고, 상기 후보재 금속을 중간재로 하여 티타늄-철 클래드재를 제조한 뒤, 접합강도를 분석(실험예 2)하였으며, 실험결과 금속간 화합물 생성 엔탈피가 양수이거나 0에 가까운 음의 값을 가질 경우 높은 접합강도를 나타내는 것을 확인하였다. 따라서 산출된 △H3 및 △H4는 0 이상의 값을 가지는 것이 가장 바람직할 수 있으며, 음수일 경우에는 그 절대값이 소정의 기준 값 이하의 값을 가지는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 소정의 기준 값은 비록 금속간 화합물 생성 엔탈피가 음수일 지라도 그 절대값이 작아서 금속간 화합물의 형성이 미비하여 목적하는 접합강도를 가지는 경우를 포함한다.
본 발명은 접합강도 400MPa 이상의 티타늄-철 클래드재를 제조하는 것을 일목적으로 하며, 실험을 통하여 이러한 물성을 달성하기 위해 적합한 금속간 화합물 생성 엔탈피는 양수이거나 -20 
△H3 또는 △H4 
0의 값임을 확인하였으며, 보다 바람직하게 금속간 화합물 생성 엔탈피는 양수이거나 -15 
△H3 또는 △H4 
0일 수 있다. 이에 관하여는 후술하는 실험예에서 구체적으로 상술하기로 한다. 또한, 상기와 같은 이유로 접합강도 400MPa 이상의 티타늄-철 클래드재를 제조하기 위해 적합한 중간재는 망간, 바나듐, 크롬, 텅스텐, 몰리브덴, 이트륨 및 란타늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 포함하는 것이 바람직할 수 있으며, 전술한 군으로부터 선택되는 1종의 순금속 또는 1종 이상을 포함하는 합금을 제한없이 사용할 수 있음을 명시한다.
본 발명의 제2단계는 선정된 중간재를 철계 금속재와 티타늄계 금속재의 사이에 개재하여 적층 구조물을 형성하는 단계이다. 본 발명에서 철계 금속재 및 티타늄계 금속재는 각각 순금속이거나 철 또는 티타늄을 주성분으로 포함하는 합금이 될 수도 있다. 또한, 본 발명에서 철계 금속재 및 티타늄계 금속재의 형태는 특별히 제한되지 않고 사용할 수 있으며, 구체적으로는 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 철계 금속재, 티타늄계 금속재 및 중간재 모두 평평한 판상일 수 있으며, 도 2의 (d), (k) 에 도시된 바와 같이 소정의 굴곡부를 가지는 금속재를 사용하여 제조할 수 있다. 또한, 도 2의 (f)에 도시된 바와 같이 하나의 금속재 내부에 중간재와 다른 하나의 금속재가 완전히 삽입된 코어 형태로도 가능할 수 있으며, 도 2의 (h)에 도시된 바와 같이 하나의 금속재 내부에 중간재와 다른 하나의 금속재가 부분적으로 삽입된 형태로도 제조가 가능할 수 있으며, 용도에 맞게 다양한 형태로 실시될 수 있음을 명시한다.
또한, 본 발명의 제2단계에서는 클래딩하고자 하는 금속을 순차적으로 적층하는 것뿐만 아니라, 시편의 움직임을 방지하기 위하여 예비 접합시키는 것도 가능할 수 있다. 예비 접합 방법은 용접, 압연 또는 리벳 등을 이용한 고정방법 등이 있을 수 있으며 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다.
다음으로, 본 발명의 제3단계는 적층 구조물을 클래딩하여 티타늄-철 클래드재를 제조하는 단계로, 일실시예에서 클래딩 공정은 폭발 압점법, 확산 접합법, 오버레이 용접법, 압연법 중에서 선택되는 어느 하나의 방법으로 수행될 수 있다. 본 발명의 제3단계에서 클래딩 공정은 열간 압연법을 이용하는 것이 비용적인 측면에서 보다 바람직할 수 있다. 열간 압연 공정에 관하여는 후술하는 실시예 1을 참조한다.
또한, 티타늄-철 클래드재의 중간재로 란타늄이나 이트륨 등 고가의 금속을 사용하는 경우에는 스퍼터링법(sputtering) 또는 진공증착법을 이용하여 티타늄계 금속재 또는 철계 금속재의 일면에 소정의 두께로 상기 고가의 금속으로 이루어지는 피막을 형성한 뒤, 클래딩하는 방식으로 티타늄-철 클래드재를 제조하는 것도 가능할 수 있음을 명시한다.
또한, 본 발명의 일실시예에서는 상기 3단계의 이후에 클래딩 공정 중에 소재에 가해진 잔류응력을 제거하기 위하여 티타늄-철 클래드재를 소둔하는 단계를 더 포함할 수 있다. 잔류응력은 클래드재의 취성파괴, 피로파괴 등의 변형을 야기 할 수 있으며, 소재의 접합강도 및 내구성을 동시에 확보하기 위하여는 소둔 공정을 수행하는 것이 바람직할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 중간재 선정방법은 전술한 바와 같이 제1금속, 중간재, 제2금속으로 이루어지는 3단 클래드재 뿐만 아니라, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같은 2단 클래드재 혹은 도 2의 (c)에 도시된 바와 같은 4단 이상의 클래드재 및 도 2의 (e), (g), (i), (j), (l)과 같은 특수한 형태의 클래드재 제조에도 적용될 수 있음은 물론이며, 도 2에 도시된 형태로 제한되는 것은 아님을 명시한다. 이때, 상호 접합이 이루어지는 이종(異種)의 금속재를 구성하는 각 금속원소간의 금속간 화합물 생성 엔탈피는 각각 0 이상 또는 음수일 경우 그 절대값이 소정의 기준 값 이하의 값을 가짐으로써 금속간 화합물을 형성하지 않거나 금속간 화합물의 형성이 용이하지 않은 것을 특징으로 할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예 및 실험예를 기재한다.
[티타늄-철
클래드재의
제조]
1. 티타늄-철
클래드재
제조를 위한 중간재 선정
철과 티타늄 사이에 개재되는 중간재를 선정하기 위하여 하기 니켈(Ni), 니오븀(Nb), 코발트(Co), 지르코늄(Zr), 망간(Mn), 바나듐(V), 크롬(Cr), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 이트륨(Y), 란타늄(La)을 후보재로 구성하고, 이들 각각의 후보재 금속과 철의 금속간 화합물 생성 엔탈피 및 각각의 후보재 금속과 티타늄의 금속간 화합물(화학양론: A1B1) 생성 엔탈피를 산출하였다. 산출된 금속간 화합물 생성 엔탈피는 하기 표 1에 기재하였다.
| 금속 |
△Hfor(X↔Ti) [KJ/mol] |
△Hfor(X↔Fe) [KJ/mol] |
| Ni |
-52 |
-2 |
| Nb |
+3 |
-23 |
| Co |
-42 |
-1 |
| Zr |
0 |
-37 |
| Mn |
-12 |
0 |
| V |
-3 |
-11 |
| Cr |
-11 |
-2 |
| W |
-9 |
0 |
| Mo |
-5 |
-3 |
| Y |
+22 |
-2 |
| La |
+28 |
+6 |
상기 표1을 참조하면, 니켈과 코발트는 티타늄과의 금속간 화합물 생성 엔탈피가 각각 -52 KJ/mol과 -42KJ/mol로 다른 후보재 금속들 대비 상대적으로 큰 음의 엔탈피 값을 가짐에 따라 티타늄과 금속간 화합물의 형성이 용이하며, 따라서 이를 티타늄과 접합할 시에는 접합계면에서 금속간 화합물에 의해 취성이 증가하여 접합강도가 열위 할 것으로 예측할 수 있다. 또한, 니오븀과 지르코늄의 경우에는 철과의 금속간 화합물 생성 엔탈피가 각각 -23 KJ/mol과 -37KJ/mol로 이들 금속을 철과 접합할 시에 접합계면에서 금속간 화합물이 형성이 용이하여 접합강도가 열위 할 것으로 예측할 수 있다.
반면에, 망간, 바나듐, 크롬, 텅스텐, 몰리브덴, 이트륨, 란타늄의 경우 티타늄과의 금속간 화합물 생성 엔탈피 및 철과의 금속간 화합물 생성 엔탈피가 0 이상의 값을 가지거나 -12 KJ/mol 이상으로 비교적 작은 음의 값을 가짐에 따라 이들 금속을 티타늄 및/또는 철과 접합할 시에는 금속간 화합물 생성이 용이하지 않음을 확인할 수 있다. 특히, 텅스텐, 몰리브덴, 이트륨, 란타늄의 경우에는 생성 엔탈피가 0 이상의 값을 가지거나 다른 금속 대비 상대적으로 생성 엔탈피가 더욱 작은 음의 값을 가짐에 따라 접합강도가 더욱 우수할 것임을 예측할 수 있다. 이와 같은 표준 생성 엔탈피 값을 토대로 티타늄-철 클래드재 제조를 위해 적합한 중간재로서 망간, 바나듐, 크롬, 텅스텐, 몰리브덴, 이트륨, 란타늄을 선정하였다.
2. 티타늄-철
클래드재의
제조
[
실시예
1]
두께 2mm의 티타늄(Ti-6Al-4V) 판재, 두께 50㎛의 망간 판재, 두께 10mm의 스테인레스강(SUS304/18%Cr-8%-Ni) 판재를 준비하였다. 티타늄 판재와 스테인레스강 판재의 사이에 중간재로서 망간 판재를 개재하고 이들을 접합하기 위하여 1000℃의 온도에서 30분간 가열 후 압연속도 40mm/s, 압연비 20%로 열간 압연하였다. 열간 압연 공정이 완료된 후, 금속에 가해진 잔류응력을 제거하기 위하여 1000℃에서 30분간 열처리하여 티타늄-망간-철 클래드재의 제조를 완료하였다.
[
실시예
2]
중간재로서 두께 50㎛의 바나듐 판재를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건 및 방법으로 티타늄-바나듐-철 클래드재의 제조를 완료하였다.
[
실시예
3]
중간재로서 두께 50㎛의 크롬 판재를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건 및 방법으로 티타늄-크롬-철 클래드재의 제조를 완료하였다.
[
실시예
4]
중간재로서 두께 50㎛의 텅스텐듐 판재를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건 및 방법으로 티타늄-텅스텐-철 클래드재의 제조를 완료하였다.
[
실시예
5]
중간재로서 두께 50㎛의 몰리브덴 판재를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건 및 방법으로 티타늄-몰리브덴-철 클래드재의 제조를 완료하였다.
[
실시예
6]
중간재로서 두께 50㎛의 이트륨 판재를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건 및 방법으로 티타늄-이트륨-철 클래드재의 제조를 완료하였다.
[
실시예
7]
중간재로서 두께 50㎛의 란타늄 판재를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건 및 방법으로 티타늄-란타늄-철 클래드재의 제조를 완료하였다.
[
비교예
1]
중간재를 사용하지 않고 두께 2mm의 티타늄(Ti-6Al-4V) 판재와 두께 10mm의 스테인레스강(SUS304/18%Cr-8%-Ni) 판재를 실시예 1과 동일한 조건 및 방법으로 열간 압연하여 티타늄-철 클래드재의 제조를 완료하였다.
[
비교예
2]
중간재로서 두께 50㎛의 니켈 판재를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건 및 방법으로 티타늄-니켈-철 클래드재의 제조를 완료하였다.
[
비교예
3]
중간재로서 두께 50㎛의 니오븀 판재를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건 및 방법으로 티타늄-니오븀-철 클래드재의 제조를 완료하였다.
[
비교예
4]
중간재로서 두께 50㎛의 코발트 판재를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건 및 방법으로 티타늄-코발트-철 클래드재의 제조를 완료하였다.
[
비교예
5]
중간재로서 두께 50㎛의 지르코늄 판재를 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건 및 방법으로 티타늄-지르코늄-철 클래드재의 제조를 완료하였다.
[
실험예
1] 접합강도 분석
제조된 클래드재의 접합강도를 분석하기 위하여 인장시험(ASTM E8/M-08)을 수행하였고, 측정은 시편 당 5번 측정하고 측정값의 평균값을 측정치로 하였다. 이 값을 하기 표2에 나타내었다.
| 구분 (주요 금속성분) |
접합강도 [MPa] |
| 실시예 1 (Ti-Mn-Fe) |
491 |
| 실시예 2 (Ti-V-Fe) |
485 |
| 실시예 3 (Ti-Cr-Fe) |
511 |
| 실시예 4 (Ti-W-Fe) |
502 |
| 실시예5 (Ti-Mo-Fe) |
536 |
| 실시예 6 (Ti-Y-Fe) |
532 |
| 실시예 7 (Ti-La-Fe) |
529 |
| 비교예 1 (Ti-Fe) |
283 |
| 비교예 2 (Ti-Ni-Fe) |
332 |
| 비교예 3 (Ti-Nb-Fe) |
345 |
| 비교예 4 (Ti-Co-Fe) |
328 |
| 비교예 5 (Ti-Zr-Fe) |
336 |
상기 표 2를 참조하면, 중간재를 개재하지 않고 제조된 비교예 1의 Ti-Fe 클래드재는 접합강도가 283MPa인 것으로 확인되었으며, 상기 중간재 선정 단계에서 선정되지 않은 니켈, 니오븀, 코발트, 지르코늄을 각각 중간재로 개재하여 제조된 비교예 2 내지 비교예 5의 티타늄-철 클래드재는 접합강도가 328 내지 345MPa의 값을 가지는 것을 확인할 수 있다. 반면에, 상기 중간재 선정단계에서 선정된 망간, 바나듐, 크롬, 텅스텐, 몰리브덴, 이트륨, 란타늄을 각각 중간재로 적용하여 제조된 실시예 1 내지 실시예 7의 티타늄-철 클래드재는 접합강도가 485 내지 536MPa으로 비교예 1 내지 비교예 5의 클래드재 대비 매우 높은 값을 가지는 것을 확인할 수 있다.
상기 실험 결과를 종합하면, 금속간 화합물 생성 엔탈피가 양수이거나 -12 
△Hfor(X↔Ti) 또는 △Hfor(X↔Fe) 
0의 값을 가지는 경우에 약 490MPa 이상의 우수한 접합강도를 나타내는 것을 알 수 있다.
이에 본 발명은 중간재를 구성하는 금속원소와 티타늄과의 금속간 화합물 생성 엔탈피(△H3) 및 중간재를 구성하는 금속원소와 철과의 금속간 화합물 생성 엔탈피(△H4) 각각이 양수이거나 -20 
△H3 또는 △H4 
0의 값을 가지는 것을 제안하나 이에 제한되는 것은 아님을 명시한다.
[
실험예
2] 미세조직 분석
상기 실시예 5에 따라 제조된 티타늄-철 클래드재의 미세구조를 관찰하기 위하여 컷팅기를 사용하여 금속판재가 접합된 접합면에 수직인 방향으로 클래드재를 절단하고 표면 연마를 실시한 뒤, 주사전자현미경을 사용하여 절단면 부분의 금속간 화합물 형성거동을 관찰하였다. 절단면의 주사전자현미경 분석 사진은 도 3을 참조한다.
도 3의 (a)는 티타늄과 중간재인 몰리브덴의 접합계면을 보여주는 SEM 사진이고, 도 3의 (b)는 철과 몰리브덴의 접합계면을 보여주는 SEM 사진이다. 이를 참조하면, 티타늄과 철 각각이 중간재인 몰리브덴과 접합하는 계면에서 금속간 화합물이 형성되지 않은 것을 확인할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 제1금속재
20: 중간재
30: 제2금속재
20: 중간재
30: 제2금속재
Claims (11)
- 중간재를 매개로 제1금속재와 제2금속재를 접합시켜 제조되는 클래드재의 접합강도를 향상시키기 위한 중간재의 선정방법에 있어서,
i) 제1금속재를 구성하는 금속원소와 후보재를 구성하는 금속원소의 금속간 화합물 생성 엔탈피(△Hfor)를 계산하여 제1생성 엔탈피(△H1)를 산출하는 단계;
ii) 제2금속재를 구성하는 금속원소와 후보재를 구성하는 금속원소의 금속간 화합물 생성 엔탈피를 계산하여 제2생성 엔탈피 값(△H2)을 산출하는 단계;
iii) 상기 제1생성 엔탈피 및 상기 제2생성 엔탈피가 소정의 범위 내의 값을 가지는 후보재를 중간재로 선정하는 단계; 를 포함하고,
후보재 중에서 상기 제1금속재 및 상기 제2금속재와 금속간 화합물을 형성하지 않거나 금속간 화합물의 형성이 용이하지 않은 금속을 중간재로 선정하여 클래드재의 접합강도를 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 고접합강도 클래드재 제조를 위한 중간재 선정방법.
- 청구항 1에 따른 중간재 선정방법에 따라 선정된 중간재를 구비하는 고접합강도 티타늄-철 클래드재의 제조방법에 있어서,
중간재를 선정하는 제1단계;
상기 제1단계에서 선정된 중간재를 철계 금속재와 티타늄계 금속재의 사이에 개재하여 적층 구조물을 형성하는 제2단계;
상기 적층 구조물을 클래딩(clading)하여 티타늄-철 클래드재를 제조하는 제3단계; 를 포함하고,
상기 철계 금속재 및 티타늄계 금속재는 각각 순금속 또는 합금이고, 상기 중간재를 구성하는 금속원소는 철 및 티타늄과 금속간 화합물을 형성하지 않거나 금속간 화합물의 형성이 용이하지 않은 것을 특징으로 하는 고접합강도 티타늄-철 클래드재의 제조방법.
- 청구항 2에 있어서,
상기 중간재를 구성하는 금속원소와 티타늄의 금속간 화합물 생성 엔탈피(△H3) 및 상기 중간재를 구성하는 금속원소와 철의 금속간 화합물 생성 엔탈피(△H4)는 각각 0 이상의 값을 가지거나, 음수 일 경우 그 절대값이 소정의 기준 값 이하인 것을 특징으로 하는 고접합강도 티타늄-철 클래드재의 제조방법.
- 청구항 3에 있어서,
상기 중간재를 구성하는 금속원소와 티타늄의 금속간 화합물 생성 엔탈피(△H3) 및 상기 중간재를 구성하는 금속원소와 철의 금속간 화합물 생성 엔탈피(△H4) 값이 음수일 경우에는 -20△H3 또는 △H4
0의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 고접합강도 티타늄-철 클래드재의 제조방법.
- 청구항 2에 있어서,
상기 제1단계에서 선정된 중간재는 망간(Mn), 바나듐(V), 크롬(Cr), 텅스텐(w), 몰리브덴(Mo), 이트륨(Y) 및 란타늄(La)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 포함하는 합금인 것을 특징으로 하는 고접합강도 티타늄-철 클래드재의 제조방법.
- 청구항 2에 있어서,
상기 제3단계에서 클래딩은 폭발 압점법, 확산 접합법, 오버레이 용접법, 압연법 중에서 선택되는 어느 하나의 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 고접합강도 티타늄-철 클래드재의 제조방법.
- 청구항 2에 있어서,
상기 제3단계에서 클래딩은 열간 압연법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 고접합강도 티타늄-철 클래드재의 제조방법.
- 청구항 2에 있어서,
상기 제3단계의 이후에 잔류응력을 제거하기 위하여 티타늄-철 클래드재를 소둔(annealing)하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고접합강도 티타늄-철 클래드재의 제조방법.
- 청구항 2에 있어서,
상기 제조방법에 의해 제조된 티타늄-철 클래드재는 접합강도가 400MPa 이상인 것을 특징으로 하는 고접합강도 티타늄-철 클래드재의 제조방법.
- 청구항 2 내지 9 중에서 선택되는 어느 한 항에 따른 제조방법으로 제조되는 고접합강도 티타늄-철 클래드재.
- 이종(異種)금속을 접합하여 제조되는 클래드재에 있어서,
복수개의 금속재를 클래딩하여 제조되고, 상호 접합이 이루어지는 각 금속재를 이루는 금속원소간의 금속간 화합물 생성 엔탈피가 각각 0 이상 또는 음수 일 경우 그 절대값이 소정의 기준값 이하의 값을 가짐으로써 금속간 화합물을 형성하지 않거나 금속간 화합물의 형성이 용이하지 않은 것을 특징으로 하는 고접합강도의 클래드재.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160045746A KR101839422B1 (ko) | 2016-04-14 | 2016-04-14 | 고접합강도의 클래드재 제조를 위한 중간재 선정방법, 및 고접합강도 티타늄-철 클래드재의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 티타늄-철 클래드재 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160045746A KR101839422B1 (ko) | 2016-04-14 | 2016-04-14 | 고접합강도의 클래드재 제조를 위한 중간재 선정방법, 및 고접합강도 티타늄-철 클래드재의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 티타늄-철 클래드재 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20170117825A true KR20170117825A (ko) | 2017-10-24 |
| KR101839422B1 KR101839422B1 (ko) | 2018-03-16 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101839422B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20230067934A (ko) * | 2021-11-10 | 2023-05-17 | 공주대학교 산학협력단 | 계층구조를 이용한 이종금속의 확산접합을 위한 접합재 및 이를 이용한 확산접합 방법 |
-
2016
- 2016-04-14 KR KR1020160045746A patent/KR101839422B1/ko active IP Right Grant
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20230067934A (ko) * | 2021-11-10 | 2023-05-17 | 공주대학교 산학협력단 | 계층구조를 이용한 이종금속의 확산접합을 위한 접합재 및 이를 이용한 확산접합 방법 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR101839422B1 (ko) | 2018-03-16 |
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