KR20190102497A - 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금 조성물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구리(Cu) 40 내지 85 중량%, 주석(Sn) 10 내지 50 중량%, 및 탄화물 형성재 1 내지 20 중량%를 포함하는, 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금 조성물을 제공한다.
본 발명에 따른 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금 조성물을 이용하여 세라믹 대 세라믹, 세라믹 대 금속, 금속 대 금속을 접합하는 경우 피착재 간의 젖음성과 접합 강도를 향상시키고, 이를 통해 제조된 공구의 수명을 연장시킬 수 있으며, 균일한 접합을 통하여 공구의 연마, 절삭 등의 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금 조성물{Composition of coppor based brazing filler metal alloy}
본 발명은 브레이징시 접합성을 향상시킬 수 있는 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금 조성물에 관한 것이다.
다이아몬드 공구는 금속 및 비금속(세라믹)의 절단 및 연마용 금속 공구의 표면에 연마 입자를 접합하여 절삭 및 연마성능을 향상시킴과 동시에 수명을 향상시킨 공구로써 건설산업, 자동차/정밀기계산업, 반도체/디스플레이산업, 바이오산업 및 임가공산업 등 전후방산업에 필요한 핵심부품이며, 최근에는 난삭재의 사용비중이 높아지면서 절삭 및 연마를 위한 다양한 형태로 제품개발이 이루어지지고 있다.
특히, 화학플랜트, 오일플랜트 및 해양플랜트의 발전과 더불어 배관과 함께 유체 및 기체의 흐름을 제어하는 밸브, 특히 볼 밸브는 기존 금속 볼에서 수명향상을 위한 내마모 코팅된 금속 볼의 수요증가에 따라 상대적으로 금속 볼의 핵심성능인 진원도 및 표면조도를 얻기 위한 고성능 연마용 툴의 개발이 동시에 요구되고 있다.
볼 밸브용 금속 볼은 스틸(Steel), 하스텔로이(Hastelloy), 티타늄(Titanium), 황동 및 텅스텐 등과 같은 고강도 소재로 이루어져 있으며, 이들은 연마지석을 이용하여 진원도 및 표면조도를 확보할 수 있다.
그러나, 최근에는 텅스텐-카바이드와 같은 고경도·고내마모 소재로 코팅된 금속 볼의 수요가 증가하면서 기존 연마지석으로는 연마성능이 낮고 공구의 수명이 짧아 연마생산성 저하 및 임가공비의 상승을 초래한다.
따라서, 텅스텐-카바이드와 같은 고경도 소재로 코팅된 밸브용 금속 볼을 정밀하게 연마하기 위해서는 경도가 텅스텐-카바이드보다 높은 다이아몬드를 활용한 연마공구를 적용하여야 하며 이에 따라, 상기 고강도 소재의 절삭 연마 가공이 용이한 다이아몬드 공구의 수요가 증가하고 있다.
이러한 다이아몬드 공구를 제조하는 기술은 크게 소결법(sintering), 전해도금(electro-plating), 브레이징(brazing)법 등이 있다.
그중에서도, 브레이징법은 진공상태 혹은 분위기에서 열을 가해 삽입합금(filler metal alloy)을 녹여 다이아몬드를 피착기재에 부착시키는 방법으로, 핵심기술은 브레이징 삽입합금(brazing filler metal alloy)으로 다이아몬드 흑연화 온도(약 1000℃이상) 이하의 융점과 다이아몬드 및 피착기재과의 접합성이라 할 수 있다.
주로 사용되는 다이아몬드용 브레이징 접합을 위하여 니켈(Ni)계 삽입합금(filler metal alloy)이 사용되지만, 니켈(Ni)계 삽입합금의 경우 고융점으로 인한 다이아몬드의 열화, 침식 및 고온으로 인한 소재의 변형을 유발하는 문제점이 있다.
또한, 은(Ag)계 삽입합금도 다이아몬드용 브레이징 접합을 위해 사용되지만, 은(Ag)계 삽입합금의 경우 높은 가격으로 인한 가격 경쟁력이 뒤쳐지는 단점이 있다.
따라서, 은(Ag)계 삽입합금에 비하여 저가이면서도 다이아몬드와 피착기재 간의 활성접합이 가능한 삽입합금을 개발하고 이를 적용한 연마재 공구를 개발하는 것이 시급한 실정이다.
한국공개특허 제2017-0022141호(2017.03.02. 공개)
본 발명의 목적은 니켈(Ni)계 또는 은(Ag)계 삽입합금 보다 저가이면서도 낮은 융점을 갖는 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금 조성물을 제공하는 데에 있다.
또한 본 발명의 목적은 연마재와 피착기재 간의 접착성이 향상되어 연마재의 탈착을 방지할 수 있는 연마 공구의 제조방법을 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 구리(Cu) 40 내지 85 중량%, 주석(Sn) 10 내지 50 중량%, 및 탄화물 형성재 1 내지 20 중량%를 포함하는, 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금 조성물을 제공한다.
본 발명은 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금 제조방법에 있어서, 구리(Cu), 주석(Sn), 및 탄화물 형성재를 칭량한 후 불활성 분위기 또는 진공 분위기에서 용융하여 용탕을 생성하는 단계; 및 상기 용탕을 노즐을 통해 냉각 쳄버내로 분무/냉각하는 가스 아토마이징을 통해 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금을 제조하는 단계를 포함하는, 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 방법에 따라 제조된 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금을 분급체(sieve)를 이용하여 사용목적에 맞는 크기로 분급하거나, 또는 첨가 성분을 분말형태로 첨가하는 단계; 상기 분급된 삽입합금 분말을 유기물 바인더 내에 균질하게 분산하여 페이스트 형태의 삽입합금을 제조하는 단계; 상기 얻어진 페이스트 형태의 삽입합금을 피착기재에 도포하는 단계; 상기 페이스트 형태의 삽입합금이 도포된 피착기재 상에 연마재를 도포하는 단계; 및 상기 페이스트 형태의 삽입합금과 연마재가 순차적으로 도포된 피착기재를 진공 또는 불활성 분위기 하에서 브레이징(brazing)하는 단계를 포함하는, 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금을 이용한 연마 및 절삭 공구 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금 조성물을 이용하여 세라믹 대 세라믹, 세라믹 대 금속, 금속 대 금속을 접합하는 경우 피착재 간의 젖음성과 접합 강도를 향상시키고, 이를 통해 제조된 공구의 수명을 연장시킬 수 있으며, 균일한 접합을 통하여 공구의 연마, 절삭 등의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 실시예 1에 따라 제조된 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금분말을 나타낸 도면;
도 2는 실시예 1에 따라 제조된 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금분말의 시차주사열량계(differential scanning calorimeter; 이하 ‘DSC’) 분석결과를 나타낸 도면;
도 3은 상기 실시예 1에 따라 제조된 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금의 피착기재에 대한 젖음성을 나타낸 도면;
도 4는 실시예 1에 따른 다이아몬드 브레이징 완료 후의 상태를 나타낸 도면;
도 5는 브레이징 온도 유지 시간에 따른 흑연판 접합 시편을 나타낸 도면;
도 6은 브레이징 온도 유지 시간에 따른 흑연판 접합 계면을 나타낸 SEM 이미지; 및
도 7은 브레이징 온도 유지 시간에 따른 흑연판 접합 계면을 나타낸 SEM의 EDX-Line Scanning 이미지이다.
이하, 본 발명인 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금 조성물을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 발명자들은 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금을 이용할 경우 다이아몬드와 피착기재 간의 활성접합이 가능하며 공구 성능을 향상시킬 수 있음을 밝혀내어 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 구리(Cu) 40 내지 85 중량%, 주석(Sn) 10 내지 50 중량%, 및 탄화물 형성재 1 내지 20 중량%를 포함하는, 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금 조성물을 제공한다.
상기 탄화물 형성재는 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 규소(Si), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 바나듐(V), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 및 망간(Mn)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 조성물은 은(Ag), 니켈(Ni), 또는 내구성 향상재 중 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 조성물은 조성물 100 중량부에 대하여 내구성 향상재 1 내지 15 중량부를 더 포함할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 내구성 향상재는 탄화규소(SiC), 산화알루미늄(Al2O3), 텅스텐(W), 탄화텅스텐(WC), 산화크롬(Cr2O3), 녹색 탄화 규소(GC), 산화세륨(Ce2O3), 및 탄화티타늄(TiC)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 발명은 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금 제조방법에 있어서, 구리(Cu), 주석(Sn), 및 탄화물 형성재를 칭량한 후 진공 또는 불활성 분위기 하에서 용융하여 용탕을 생성하는 단계; 및 상기 용탕을 노즐을 통해 냉각 쳄버내로 분무/냉각하는 가스 아토마이징 공정을 통해 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금을 제조하는 단계를 포함하는, 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금 제조방법을 제공한다.
상기 용탕을 생성하는 단계는 구리(Cu) 40 내지 85 중량%, 주석(Sn) 10 내지 50 중량%, 및 탄화물 형성재 1 내지 20 중량%를 칭량한 후 용융하여 용탕을 생성하는 단계일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 발명은 상기 방법에 따라 제조된 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금을 분급체(sieve)를 이용하여 사용목적에 맞는 크기로 분급하는 단계; 상기 분급된 삽입합금 분말을 유기물 바인더 내에 균질하게 분산하여 페이스트 형태의 삽입합금을 제조하는 단계; 상기 얻어진 페이스트 형태의 삽입합금을 피착기재에 도포하는 단계; 상기 페이스트 형태의 삽입합금이 도포된 피착기재 상에 연마재를 도포하는 단계; 및 상기 페이스트 형태의 삽입합금과 연마재가 순차적으로 도포된 피착기재를 진공 또는 불활성 분위기 하에서 브레이징(brazing)하는 단계를 포함하는, 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금을 이용한 연마 및 절삭 공구 제조방법을 제공한다.
상기 삽입합금 분말은 평균 입경 크기가 25 내지 120 ㎛일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 페이스트 형태의 삽입합금은 바인더와 분급된 삽입합금 분말이 1 : (1 ~ 20)의 중량비로 혼합된 것일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 피착기재에 도포된 페이스트 형태의 삽입합금은 평균 두께가 100 내지 2000 ㎛일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 연마재는 다이아몬드일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 브레이징(brazing)하는 단계는 1.0 x 10-3 내지 1.0 x 10-5 진공에서, 페이스트 형태의 삽입합금과 다이아몬드가 순차적으로 도포된 피착기재를 5 내지 15 ℃/min의 승온속도로 600 내지 1000℃까지 가열하는 단계, 600 내지 1000℃에 도달한 후 10 내지 30분 동안 온도를 유지하는 단계, 및 10 내지 30분 동안 온도를 유지한 후 상온까지 노 냉각하는 단계로 이루어진 것일 수 있으며, 삽입금속이 충분하게 용융되어 접착될 수 있는 온도와 유지시간이면 충분하다.
이하, 하기 실시예에 의해 본 발명인 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금 조성물을 보다 상세하게 설명한다. 다만, 이러한 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1> 분말 형상의 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금 제조
구리(Cu) 40 내지 85 중량%, 주석(Sn) 10 내지 50 중량%, 및 탄화물 형성재 1 내지 20 중량%를 칭량한 후 650 내지 1000℃에서 용융하여 용탕을 준비한 후 가스 아토마이징 제조장치를 이용하여 분말 형상의 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금을 제조하였다.
< 실험예 1> 분말 형상의 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금의 열물성 평가
상기 실시예 1에 따라 제조된 분말 형상의 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금 분말의 융점을 확인하기 위하여 DSC 분석을 수행하였고, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2를 참조하면, 733℃에서 흡열 및 발열 피크가 나타났고, 이를 통해 실시예 1에 따라 제조된 분말 형상의 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금의 융점은 733℃ 임을 확인하였다.
상기 결과는 종래 알려진 니켈(Ni)계 삽입합금 중 저융점인 BNi-2의 융점(999℃) 보다 266℃ 낮은 수치로서, 융점이 낮을수록 진공 브레이징 공정 처리 시 공정 온도를 낮출 수 있어 다이아몬드 열화 온화를 피할 수 있으므로 공구 성능이 향상될 수 있고, 전력소모를 줄이는 효과를 나타낼 수 있다.
< 실험예 2> 분말 형상의 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금의 접촉각 및 젖음성 평가
상기 실시예 1에 따라 제조된 분말 형상의 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금의 다결정질 흑연 판상에 대한 접촉각 및 젖음성 평가를 수행하였다.
구체적으로, 상기 실시예 1에 따라 제조된 분말 형상의 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금의 다결정질 흑연 판상에서 용융된 단면을 촬영하여 접촉각을 측정한 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3을 참조하면, 실시예 1에 따라 제조된 분말 형상의 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금의 접촉각은 30˚ 이내인 29.2˚를 나타내었고, 이를 통해 젖음성이 양호함을 확인하였다.
< 실시예 2> 분말 형상의 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금을 이용한 연마 공구 제조
상기 실시예 1에 따라 제조된 분말 형상의 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금을 분급체(sieve)를 사용하여 평균 입경 크기(입도)가 약 45 ㎛(325 mesh) 이하의 분말을 분급하여 이를 이용하였다(도 1 참조).
평균 입경 크기 구분을 마친 분말과 아크릴계 바인더를 4 : 1의 중량비로 혼합하여 페이스트(paste)형태로 준비하고, 페이스트 형태의 삽입합금을 피착기재(SM45, 50 A 또는 80 A)에 100 ~ 2000 ㎛의 두께로 도포하였다.
페이스트 형태의 삽입합금이 도포된 피착기재 상에 1000 ~ 2000 ㎛의 간격으로 다이아몬드(규격: ZN 2290, 60 ~ 80 mesh)를 일정 배열로 도포하였다(도 4 참조).
이어 2.8 × 10-4 Torr 진공에서, 10 K/min의 승온속도로 가열하여 브레이징 온도 적정온도인 융점의 약 50℃ 높은 온도인 780℃에 도달한 후 10분 동안 온도를 유지하였고, 상온까지 노 냉각(furnace cooling)하여 다이아몬드 연마 공구를 제조하였다.
< 실시예 3> 분말 형상의 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금을 이용한 다이아몬드 공구 제조
브레이징 온도 적정온도인 융점의 약 50℃ 높은 온도인 780℃에 도달한 후 20분 동안 온도를 유지한 것을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일한 조건으로 다이아몬드 공구를 제조하였다.
< 실시예 4> 분말 형상의 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금을 이용한 다이아몬드 공구 제조
브레이징 온도 적정온도인 융점의 약 50℃ 높은 온도인 780℃에 도달한 후 30분 동안 온도를 유지한 것을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일한 조건으로 다이아몬드 공구를 제조하였다.
<실험예 3> 연마 공구의 구조 분석
1. 브레이징 온도 유지 시간에 따른 다이아몬드와 동일한 화학 성분을 가지고 있고, 결정 구조만 다른 고순도 흑연판 접합부의 결함 유무
브레이징 온도 유지 시간(10분, 20분, 또는 30분)에 따른 흑연판 접합부의 결함 유무를 분석하였고, 이를 도 5에 나타내었다.
도 5를 참조하면, 실시예 2 내지 실시예 4에 따른 흑연판 접합부는 외관상 결함 등이 나타나지 않았다.
2. 브레이징 온도 유지 시간에 따른 흑연판 접합 계면 분석
브레이징 온도 유지 시간에 따른 흑연판 접합 계면을 분석하기 위해 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM)을 이용하였고, 각각의 계면 이미지를 도 6에 나타내었다.
도 6을 참조하면, 흑연판과 접하고 있는 회색부분은 삽입합금의 접합층으로서, 브레이징 온도(780℃)에서 10분(실시예 2), 20분(실시예 3), 및 30분(실시예 4)동안 유지하였을 때 각각의 두께는 27 ㎛, 37 ㎛, 및 91.2 ㎛임을 알 수 있으며, 특히 30분(실시예 4)동안 유지하였을 때 가장 넓게 형성되어 있을 뿐만 아니라 고르게 형성되어 있음을 확인하였다.
또한, 접합 계면에 따른 활성원소의 확산거동을 확인하기 위해 SEM의 EDX-Line Scanning을 이용하였고, 각각의 이미지를 도 7에 나타내었다.
도 7을 참조하면, 티타늄(Ti) 성분이 흑연판의 탄소와 반응하여 탄화티타늄(TiC)을 형성하고 있는 것이 확인되었고, 유지시간이 증가할수록 확산층의 두께가 증가하고 있음을 확인하였다. 확산층의 정량적 두께는 유지시간이 10분(실시예 2)일 때 5 ~ 6 ㎛, 20분(실시예 3)일 때 7 ~ 8 ㎛, 및 30분(실시예 4)일 때 11 ~ 13 ㎛이며, 브레이징 온도(780℃)를 유지하는 시간이 증가할수록 확산층의 두께는 증가함을 알 수 있었다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (5)

  1. 구리(Cu) 40 내지 85 중량%, 주석(Sn) 10 내지 50 중량%, 및 탄화물 형성재 1 내지 20 중량%를 포함하는, 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄화물 형성재는,
    지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 규소(Si), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 바나듐(V), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 및 망간(Mn)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상을 더 포함하는, 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금 조성물.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 조성물은,
    은(Ag), 니켈(Ni), 또는 내구성 향상재 중 어느 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금 조성물.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 조성물은,
    조성물 100 중량부에 대하여 내구성 향상재 1 내지 15 중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금 조성물.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 내구성 향상재는,
    탄화규소(SiC), 산화알루미늄(Al2O3), 텅스텐(W), 탄화텅스텐(WC), 산화크롬(Cr2O3), 녹색 탄화 규소(GC), 산화세륨(Ce2O3), 및 탄화티타늄(TiC)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 구리를 기반으로 하는 브레이징용 삽입합금 조성물.
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