KR20210097954A - 산소 용접팁용 동합금조성물 및 이를 이용한 산소 용접팁 - Google Patents

Abstract

본 발명은 우수한 전기전도도 및 강도를 가지는 크롬을 함유하지 않는 산소 용접팁용 동합금조성물 및 이를 이용하여 제조된 산소 용접팁에 관한 것으로, 본 발명에서는 동(Cu)에 망간(Mn)과 은(Ag)을 99:0.02~0.03:0.05~0.15의 중량비로 이루어진 크롬을 함유하지 않는 산소 용접팁용 동합금조성물과;
상기 동합금조성물을 용해로에서 용해시킨 다음, 용탕을 일정온도 및 시간동안 유지하여 탈산 후, 몰드에 유입시켜 빌렛을 주조한 다음, 상기 빌렛을 가공하여 된 것을 특징으로 하는 크롬을 함유하지 않는 산소 용접팁이 개시된다.

Description

산소 용접팁용 동합금조성물 및 이를 이용한 산소 용접팁{Copper alloy composition for oxygen welding tip and oxygen welding tip using the same}

본 발명은 본 발명에서는 환경유해물질인 크롬(Cr)을 함유하지 않는 친환경 산소 용접팁용 동합금조성물에 관한 것이다. 또한, 본 발명에서는 크롬을 함유하지 않는 친환경 동합금조성물을 이용하여 우수한 전기전도도와 강도를 가지며, 종래 용접팁 전극 대비 가격이 저렴한 친환경 산소 용접팁에 관한 것이다.

한편, 본 발명은 중소벤처기업부에서 지원하는 2019년도 산학협력 기술개발사업 NO.S2660185의 연구수행으로 인한 결과물임을 밝힙니다.

일반적으로, 금속재를 용접하거나 절단할 경우에 사용되는 토오치(torch, blow pipe)는 혼합가스를 토오치팁을 통하여 분사하면서 연소하는 고온의 화염을 이용하게 된다.

화염을 생성하기 위한 토오치팁은 가스를 분사하는 분사노즐로서 용접의 효과와 성능을 결정짓는 가장 중요한 역할을 하는 것으로 끊임없는 연구와 개발이 되고 있다.

용접 토오치는 노즐과 인젝터 및 가스와 산소가 혼합되는 혼합부로 이루어지며, 국내 중공업 및 건설사에 쓰이고 있는 GMAW 컨텍트 팁은 인탈산동 위주의 제품으로 국산 제품의 수명은 외산대비 20％ 정도 수준에 머무르고 있다. 외산제품은 내마모성이 우수한 크롬동합금(Cu-Cr alloy), 크롬지르코늄동합금(Cu-Cr-Zr alloy)이 주류를 이루며 반제품 및 완제품 상태로 수입되고 있다. 또한, 수입량은 해마다 급증하고 있다.

현재 사용되고 있는 전극소재로는 크롬동이 약 70％를 차지하고, 용접팁의 약 95％에 해당하며, 타프피치동, 지르코늄동, 크롬지르코늄동, 베릴륨동, 니켈베릴륨동 및 분산강화 동합금인 Cu-Al₂O₃, Cu-SiO₂ 등도 수명향상을 위해 상용화 되어 있다.

크롬동은 용접시 발생하는 아크열에 의한 고온현상으로 크롬(Cr)상의 조대화와 기지 동(Cu)상의 성장으로 인해 전극의 열적 안정성을 떨어뜨려 재료의 수명이 크게 단축되는 단점이 있다. 또한, 산화물상을 포함한 분산강화동합금은 내열성이 뛰어나지만 컨텍트 팁의 가공시 선단의 크랙이 발생하는 단점이 있으며 가격 또한 고가이다.

베릴륨계 동합금의 경우 기계적성질 및 내마모성이 우수하나 고가이고 주조시 베릴륨 흄(fume)이 인체에 매우 유해하기 때문에 널리 사용되지 못하고 있는 실정이다. 또한, 용접속도의 증가로 팁의 사용 환경이 고온 및 가혹한 마모조건으로 변하고 있어 기존의 450℃ 이상의 장시간에서도 내마모성 및 내아크성을 갖는 팁 소재의 개발이 절실한 실정이다.

1. 대한민국공개특허공보 제10-1995-0032663호 2. 대한민국등록특허공보 제10-0828007호 3. 대한민국등록특허공보 제10-0779754호 4. 대한민국공개특허공보 제10-2010-0043464호

본 발명에서는 환경유해물질인 크롬(Cr)을 함유하지 않는 친환경 산소 용접팁용 동합금조성물을 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.

또한, 본 발명에서는 크롬을 함유하지 않는 친환경 동합금조성물을 이용하여 우수한 전기전도도와 강도를 가지며, 종래 용접팁 전극 대비 가격이 저렴한 친환경 산소 용접팁을 제공하는 것을 다른 해결과제로 한다.

상기한 과제를 해결한 본 발명에 따른 크롬(Cr)을 함유하지 않는 동합금조성물은 산소 용접팁 소재에 있어서,

동(Cu)에 망간(Mn)과 은(Ag)을 99:0.02~0.03:0.05~0.15의 중량비로 이루어진 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 합급조성물 100중량부에 대하여, 티타늄(Ti) 또는 니켈(Ni)을 0.01~0.02중량부를 더 혼합하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서는 상기 동합금조성물을 사용하여 제조된 크롬을 함유하지 않는 산소 용접팁을 제공한다.

여기서, 상기 산소 용접팁은 상기 동합금조성물을 용해로에서 용해시킨 다음, 용탕을 일정온도 및 시간동안 유지하여 탈산 후, 몰드에 유입시켜 빌렛을 제조한 다음, 상기 빌렛을 가공하여 된 것을 특징으로 하며,

상기 용해로에서 용해는 1,280℃~1,300℃의 온도범위에서 이루어지는 것을 특징으로 하고,

상기 용탕을 탈산시키는 것은 용해로의 용탕의 온도를 1,300℃를 유지한 상태에서 5~10분간 탈산시키는 것을 특징으로 하는 크롬을 함유하지 않는 산소 용접팁을 제공한다.

여기서, 상기 산소 용접팁은 5.568×10⁵~5.597×10⁵(/Ω·㎝), 비커스 경도(Hv) 138이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 동합금조성물은 환경유해물질로 알려진 크롬을 함유하지 않아 친환경적이며, 우수한 전기전도도 및 강도를 유지하여 종래의 크롬동이 주류인 산소 용접팁을 대체할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 산소 용접팁은 우수한 전기전도도 및 강도를 유지함으로써 안정된 용접 품질과 성능을 제공할 수 있는 장점이 있다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 실시형태는 크롬(Cr)을 함유하지 않는 친환경적인 산소 용접팁용 동합금조성물과 상기 동합금조성물을 용해가공하여 된 동합금으로 제조된 산소 용접팁에 관한것이다.

본 발명의 일실시형태에 사용되는 동합금조성물은 동(Cu)을 주성분으로 하고, 망간(Mu) 및 은(Ag)을 포함하도록 혼합하여 이루어지는 것으로, 보다 구체적으로 동(Cu)에 망간(Mn)과 은(Ag)을 99:0.02~0.03:0.05~0.15의 중량비로 포함하여 이루어진 것이다.

상기 중량비를 벗어날 경우에는 본 발명에서 목적하는 바와 같은, 기존 크롬동 대비 가격경쟁력을 확보할 수 없을 뿐더러, 산소 용접팁의 전기전도도 및 강도를 얻을 수 없는 단점이 있다.

본 발명에 따르면, 필요에 따라서, 상기 동합금조성물에 일정 강도와 전기전도도의 향상을 목적으로 상기 합급조성물 100중량부에 대하여, 티타늄(Ti) 또는 니켈(Ni)을 0.01~0.02중량부를 더 혼합할 수 있다.

이때, 상기 본 발명을 구성하는 상기 각각의 성분들은 바람직하게 분말상으로 가공된 것을 사용하는 것이 좋다.

본 발명에 따르면, 다른 실시형태로서 상기 개시되는 크롬을 함유하지 않는 동합금조성물을 용해가공하여 산소 용접팁을 제공할 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 산소 용접팁은 상기 동합금조성물을 용해로에서 용해시킨 다음, 용탕을 일정온도 및 시간동안 유지하여 탈산 후, 몰드에 유입시켜 빌렛을 주조한 다음, 상기 빌렛을 가공하여 된 것을 특징으로 하며,

바람직하게 상기 용해로에서 용해는 1,280℃~1,300℃의 온도범위에서 이루어지며,

상기 용탕을 탈산시키는 것은 용해로의 용탕의 온도를 1,300℃를 유지한 상태에서 5~10분간 탈산시키는 것이다.

이와 같이 가공된 산소 용접팁은 Cu-Mn-Ag 또는 Cu-Mn-Ag-Ti 또는 Cu-Mn-Ag-Ni 동합금일 수 있다.

이때, 상기 용해로에서 용해된 용해물을 탈산한 다음, 빌렛을 주조하고 가공하는 후공정은 통상의 방법에 따른다. 즉, 몰드에 유입한 다음, 빌렛을 주조시 주조온도, 냉각수 압력/유량, 인출속도 등의 공정조건과, 주조된 빌렛을 산소 용접팁의 다양한 형태로의 후가공하는 공정은 통상의 공정조건을 적용할 수 있는 것이다.

이상에서 설명된 바와 같은, 본 발명에 따라 제공되는 동합금조성물을 사용하여 산소 용접팁을 가공하여 전기전도도 및 비커스 경도를 측정하여 보았다.

이때, 상기 동합금조성물은 하기의 표 1에 나타낸 바와 같이 합금조성하여 산소 용접팁을 가공하였다.

항 목	합금조성	Cu	Mn	Ag	Ti	Ni
동합금1	Cu-Mn-Ag	99	0.02	0.05	-	-
동합금2	Cu-Mn-Ag	99	0.02	0.1	-	-
동합금3	Cu-Mn-Ag	99	0.03	0.15	-	-
동합금4	Cu-Mn-Ag-Ti	99	0.02	0.1	0.01	-
동합금5	Cu-Mn-Ag-Ni	99	0.02	0.1	-	0.02

상기 표 1에서 합금의 구성은 중량비에 따른다. 단, Ti와 Ni는 Cu-Mn-Ag의 총량에 따른 중량비이다. 즉, Cu-Mn-Ag 동합금혼합물 100중량부에 대한 혼합량을 나타낸 것으로, 상기 동합금혼합물 100중량부에 대하여, Ti 0.01중량부, Ni 0.02중량부를 혼합한 것이다.

상기 표 1의 동합금조성물들을 각각 용해가공하여 산소 용접팁을 제조한 다음, 전기 전도도(Electrical conductivity)와 비커스경도(Vickers hardness, Hv)를 측정하여 보았으며, 그 결과는 표 2에 나타내었다.

상기 용해가공은 상기 표 1의 동합금조성물을 용해로에 투입한 다음, 1,280℃~1,300℃의 온도범위에서 용해처리하여 용탕을 형성하고, 용해로의 용탕의 온도를 1,300℃를 유지한 상태에서 5~10분간 탈산시킨다. 탈산시틴 용탕은 몰드에 투입하고, 통상의 주조법(주조온도, 냉각수압력 및 유량, 인출속도 등)으로 주조하여 빌렛(billet)주조물을 제조한다.

이때, 상기 빌렛주조시 주조온도, 냉각수압력 및 유량, 인출속도 등 주조조건은 크게 한정하지 않고, 통상의 동합금주조방법에 따른 것으로, 통상의 기술자라면 누구나 알 수 있는 일반적인 주조공정을 적의 선택하여 실시하였다.

상기 빌렛주조물을 가열로에서 통상의 방법으로 용체화처리한 다음, 냉간압연하여 지름 18mm의 벨타입(bell-type) 전극을 시료로 준비하였다.

항 목	합금조성	Electrical conductivity (/Ω·㎝)	Vickers hardness (Hv)
동합금1	Cu-Mn-Ag	5.568×105	138
동합금2	Cu-Mn-Ag	5.574×105	141
동합금3	Cu-Mn-Ag	5.597×105	145
동합금4	Cu-Mn-Ag-Ti	5.587×105	147
동합금5	Cu-Mn-Ag-Ni	5.572×105	142

상기 전기전도도와 비커스경도의 측정은 통상의 합금용 전기전도도 및 비커스경도 측정장비을 사용하여 측정하였다.

상기 표 2의 결과로 살펴본 바, 종래의 알려진 크롬동의 전기전도도에 대비하여 약간 감소되었으나, 용접용 전극 또는 전극재료 소재로 사용할 수 있는 수준 이상의 전기전도도를 가지고 있음을 알 수 있었고, 경도는 전반적으로 향상되는 것을 알 수 있었다.

따라서, 이상의 결과로 본 발명에서는 환경유해물질로 지정되어 있는 크롬을 사용하지 않으면서도 우수한 물성을 확보한 동합금을 사용하여 산소 용접팁을 제공할 수 있는 것이다.

Claims (7)

1. 산소 용접팁용 동합금 소재에 있어서,
   동(Cu)에 망간(Mn)과 은(Ag)을 99:0.02~0.03:0.05~0.15의 중량비로 이루어진 것을 특징으로 하는 크롬을 함유하지 않는 산소 용접팁용 동합금조성물.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 합급조성물 100중량부에 대하여, 티타늄(Ti) 또는 니켈(Ni)을 0.01~0.02중량부를 더 혼합하는 것을 특징으로 하는 크롬을 함유하지 않는 산소 용접팁용 동합금조성물.
3. 청구항 제1항 또는 제2항의 동합금조성물을 사용하여 제조된 크롬을 함유하지 않는 산소 용접팁.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 산소 용접팁은 상기 동합금조성물을 용해로에서 용해시킨 다음, 용탕을 일정온도 및 시간동안 유지하여 탈산 후, 몰드에 유입시켜 빌렛을 주조한 다음, 상기 빌렛을 가공하여 된 것을 특징으로 하는 크롬을 함유하지 않는 산소 용접팁.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 용해로에서 용해는 1,280℃~1,300℃의 온도범위에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 크롬을 함유하지 않는 산소 용접팁.
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 용탕을 탈산시키는 것은 용해로의 용탕의 온도를 1,300℃를 유지한 상태에서 5~10분간 탈산시키는 것을 특징으로 하는 크롬을 함유하지 않는 산소 용접팁.
7. 제 3 항에 있어서,
   상기 산소 용접팁은 5.568×10⁵~5.597×10⁵(/Ω·㎝), 비커스 경도(Hv) 138이상인 것을 특징으로 하는 크롬을 함유하지 않는 산소 용접팁.