KR20230067934A - 계층구조를 이용한 이종금속의 확산접합을 위한 접합재 및 이를 이용한 확산접합 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이종의 제1 금속모재와 제2 금속모재를 확산접합하는 이종금속 접합재에 있어서, 상기 이종금속 접합재는 제1 금속 삽입층 및 제2 금속 삽입층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 계층구조를 이용한 이종금속의 확산접합을 위한 접합재 및 이종금속의 확산접합 방법에 관한 발명이다.
Description
본 발명은 이종금속 소재를 확산접합하는 방법에 있어서, 제1 금속 삽입층과 제2 금속 삽입층을 위치하여 접합시킨 계층구조를 이용한 이종금속의 확산접합을 위한 접합재 및 이를 이용한 확산접합 방법에 관한 것이다.
확산 접합(Diffusion bonding) 이란 두 모재를 아주 가깝게 밀착시켜 두 물체를 구성하는 원자간에 상호확산이 일어나서 접합이 이루어지는 방법으로, 접합하고자 하는 금속을 용융점 이하의 온도에서 고상으로 접합할 수 있다.
이러한 장점으로 인하여 대한민국 등록특허 제10-0787928호에서는 은 확산 제어층을 포함하여 확산접합시 금속 접합부의 취성을 방지하는 방법을 소개하고 있으며, 대한민국 공개특허공보 제10-2016-0071705호에서는 확산접합을 이용하여 구리-은 합금을 접합하는 방법을 소개하고 있으며, 대한민국 등록특허 제10-0787928호에서는 확산접합을 용이하고 경제적으로 수행하기 위한 금속확산접합분말을 제조하는 방법등 다양한 확산접합 방법이 연구되고 있다.
하지만 티타늄(Ti) 합금과 스테인레스 스틸(Stainless Steel; STS)을 확산접합 하는 경우, 접합 계면에서 취성이 강한 (Fe-Ti)계의 금속간화합물이 생성되어 접합 강도가 낮아지는 문제점이 있었다.
이에, 금속간화합물이 생성을 억제하며 티타늄(Ti)과 스테인리스 스틸(STS)을 확산접합하는 기술이 요구되고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 이종의 금속모재 사이에 금속 삽입층을 포함하여 금속모재 사이의 계면에서 금속간화합물이 생성되는 것을 억제하는 이종금속의 확산접합 을 위한 접합재 및 접합방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히 본 발명은 상기 금속 삽입층을 통해 티타늄 합금과 스테인리스 합금 사이에 금속간화합물이 형성되는 것을 억제하여 티타늄-스테인리스 합금의 확산접합 접합재 및 접합방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는 이종의 제1 금속모재와 제2 금속모재를 확산접합하는 이종금속 접합재에 있어서, 상기 이종금속 접합재는 제1 금속 삽입층 및 제2 금속 삽입층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 계층구조를 이용한 이종금속의 확산접합을 위한 접합재에 관한 것이다.
상기 일 실시예에 있어, 상기 제1 금속모재는 티타늄(Ti) 또는 티타늄(Ti)합금을 포함하며, 상기 제2 금속모재는 스테인리스 스틸(STS)을 포함할 수 있다.
상기 일 실시예에 있어, 상기 제1 금속 삽입층 및 상기 제2 금속 삽입층은 상기 제1 금속모재와 상기 제2 금속모재가 서로 확산되어 계면에 금속간화합물이 생성되는 것을 억제할 수 있다.
상기 일 실시예에 있어, 상기 제1 금속 삽입층의 열팽창 계수(αi)와 상기 제1 금속모재의 열팽창 계수(αm)는 하기 관계식 1을 만족시킬 수 있다.
[관계식 1]
0.8 ≤ αi/αm ≤ 1.2
(상기 αi는 제1 금속 삽입층의 열팽창 계수이며, αm는 제1 금속모재의 열팽창 계수이다.)
상기 일 실시예에 있어, 상기 제1 금속 삽입층의 두께는 20 내지 70㎛일 수 있다.
상기 일 실시예에 있어, 상기 제1 금속 삽입층은 바나듐(V) 및 바나듐(V) 합금으로 제조될 수 있다.
상기 일 실시예에 있어, 상기 제2 금속 삽입층은 상기 제1 금속 삽입층과 상기 제2 금속모재사이에 금속간화합물이 생성되는 것을 억제할 수 있다.
상기 일 실시예에 있어, 상기 제2 금속 삽입층의 두께는 20 내지 70㎛일 수 있다.
상기 일 실시예에 있어, 상기 제2 금속 삽입층은 구리(Cu) 또는 구리(Cu)합금으로 될 수 있다.
상기 일 실시예에 있어, 상기 제1 금속모재, 제1 금속 삽입층, 제2 금속 삽입층 및 제2 금속모재로 이루어진 접합부의 인장강도가 450㎫ 이상일 수 있다.
상기 일 실시예에 있어, 상기 제2 금속 삽입층은 은(Ag) 또는 은(Ag) 합금으로 제조될 수 있다.
상기 일 실시예에 있어, 상기 제1 금속모재, 제1 금속 삽입층, 제2 금속 삽입층 및 제2 금속모재로 이루어진 접합부의 접합온도가 800 내지 880℃일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는 a) 서로 다른 성분으로 이루어진 제1 금속모재 및 제2 금속모재를 준비하는 단계; b) 상기 제1 금속모재와 제2 금속모재 사이에 제1 금속 삽입층을 위치시키는 단계; c) 상기 제1 금속 삽입층과 상기 제2 금속모재 사이에 제2 금속 삽입층을 위치시키는 단계: d) 상기 제1 금속모재와 제2 금속모재 사이에 제1 금속 제1 금속 삽입층과 제2 금속 제1 금속 삽입층이 위치한 상태에서 상기 제1 금속모재와 제2 금속모재에 온도와 압력을 가하여 접합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 이종금속의 확산접합 방법에 관한 것이다.
상기 일 실시예에 있어, 상기 d) 단계는 1×10-5Torr 내지 1×10-6Torr에서 수행될 수 있다.
상기 일 실시예에 있어, 상기 d) 단계는 상기 제1 금속모재, 제1 금속 삽입층, 제2 금속 삽입층 및 제2 금속모재 각각의 용융점보다 낮은 온도에서 수행될 수 있다.
상기 일 실시예에 있어, 상기 d) 단계는 상기 제1 금속모재와 상기 제2 금속모재를 30 내지 80 ㎏f/㎠으로 가압한 상태에서 700 내지 900℃에서 수행될 수 있다.
본 발명에 의하면, 이종의 금속모재 사이에 제1 금속 삽입층 및 제2 금속 삽입층을 삽입하여, 금속간화합물이 생성되는 것을 억제할 수 있다. 이를 통해, 상기 금속간화합물로 인하여 결합부에 취성파괴가 발생되는것을 억제하여, 접합부의 접합강도와 변형율이 우수한 이종금속 접합재 및 접합방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이종금속 접합재의 접합부를 나타낸 도면이다.
도 2는 금속모재가 STS304, Ti6Al4V 일 때의 접합부를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 의해 접합한 접합부의 단면을 SEM으로 촬영한 사진 및 EDS Line scanning으로 분석한 결과이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 의해 접합한 접합부의 단면을 EPMA로 분석한 결과사진이다.
도 5은 본 발명의 실시예 2에 의해 접합한 접합부의 단면을 SEM으로 촬영한 사진 및 EDS Line scanning으로 분석한 결과이다.
도 6는 본 발명의 실시예 2에 의해 접합한 접합부의 단면을 EPMA로 분석한 결과사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1로 접합한 접합부의 단면을 SEM으로 촬영한 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예 3로 접합한 접합부의 단면을 SEM으로 촬영한 사진이다.
도 9는 상기 실시예 2로 접합한 접합부의 단면을 EDS Line scanning으로 분석한 결과이다.
도 10은 상기 비교예 2로 접합한 접합부의 단면을 SEM 및 EDS Line scanning으로 분석한 결과이다.
도 11은 본 발명의 실시예 2로 접합한 접합부의 단면을 SEM으로 촬영한 사진이다.
도 12는 본 발명의 실시예 4로 접합한 접합부의 단면을 SEM으로 촬영한 사진이다.
도 13은 상기 실시예 2로 접합한 접합부의 단면을 EDS Line scanning으로 분석한 결과이다.
도 2는 금속모재가 STS304, Ti6Al4V 일 때의 접합부를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 의해 접합한 접합부의 단면을 SEM으로 촬영한 사진 및 EDS Line scanning으로 분석한 결과이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 의해 접합한 접합부의 단면을 EPMA로 분석한 결과사진이다.
도 5은 본 발명의 실시예 2에 의해 접합한 접합부의 단면을 SEM으로 촬영한 사진 및 EDS Line scanning으로 분석한 결과이다.
도 6는 본 발명의 실시예 2에 의해 접합한 접합부의 단면을 EPMA로 분석한 결과사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1로 접합한 접합부의 단면을 SEM으로 촬영한 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예 3로 접합한 접합부의 단면을 SEM으로 촬영한 사진이다.
도 9는 상기 실시예 2로 접합한 접합부의 단면을 EDS Line scanning으로 분석한 결과이다.
도 10은 상기 비교예 2로 접합한 접합부의 단면을 SEM 및 EDS Line scanning으로 분석한 결과이다.
도 11은 본 발명의 실시예 2로 접합한 접합부의 단면을 SEM으로 촬영한 사진이다.
도 12는 본 발명의 실시예 4로 접합한 접합부의 단면을 SEM으로 촬영한 사진이다.
도 13은 상기 실시예 2로 접합한 접합부의 단면을 EDS Line scanning으로 분석한 결과이다.
이하 본 발명에 따른 계층구조를 이용한 이종금속의 확산접합을 위한 접합재 및 접합방법에 대하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이 때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명의 일 실시예는 이종의 제1 금속모재와 제2 금속모재를 접합하는 접합재 및 접합방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상기 제1 금속모재와 제2 금속모재 사이에 둘 이상의 금속 삽입층을 위치시키고, 상기 금속 삽입층이 삽입된 상태에서 상기 제1 금속모재와 제2 금속모재에 온도와 압력을 가하여 확산접합하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에서 제1 금속모재와 제2 금속모재는 접합하고자 하는 한 쌍의 금속모재를 의미한다. 실시 예에 따르면, 상기 제1 금속모재와 제2 금속모재는 동일한 소재로 제공될 수 있으며, 서로 다른 이종의 금속으로 제공될 수 있다.
본 발명에서 상기 확산접합(Diffusion bonding, Diffusion Jointing)은 접합하고자 하는 한 쌍의 금속모재를 소정 압력으로 가압한 상태에서, 상기 한 쌍의 금속모재의 용융 온도보다 낮은 온도를 소정 시간동안 유지하여 접합부 사이에서 발생하는 원자의 확산을 통해 접합하는 방법을 의미한다. 상기 확산접합은 접합하고자 하는 금속모재가 고체형상을 유지한다는 점에서 고상확산접합으로 부르기도 한다.
상기 확산접합은 접합하고자 하는 금속모재의 용융점 보다 더 낮은 온도에서 상기 금속모재를 접합할 수 있으며, 이러한 특징으로 인하여 티타늄(Ti)등 용융점이 높은 금속을 비교적 낮은 온도에서 접합할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 상대적으로 높은 온도에서 금속재료를 접합시키는 경우 필연적으로 수반되는 열변형과 잔류응력 발생 등을 저감할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 확산접합은 상기 금속모재가 서로 확산되는 과정에서 금속간화합물이 형성될 수 있다. 상기 금속간화합물은 상기 금속모재가 접합한 계면에 주로 형성되어, 상기 금속모재의 접합부에 스폴링(Spalling)을 일으켜 취성파괴의 원인이 된다.
이를 방지하기 위하여 본 발명은, 상기 제1 금속모재와 상기 제2 금속모재 사이에 둘 이상의 금속 삽입층을 삽입하여 금속간화합물의 생성을 억제하고 결합력을 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 본 발명은 상기 제1 금속모재와 제2 금속모재 사이에 제1 금속 삽입층과 제2 금속 삽입층을 위치시켜, 금속간화합물의 생성을 억제, 더 자세하게 말하면 제1 금속모재와 상기 제2 금속모재가 서로 확산되어 계면에 금속간화합물이 생성되는 것을 억제할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 금속 삽입층은 제1 금속모재와 높은 고용도를 가지는 금속을 포함하여 제1 금속모재가 확산접합 할 때 안정된 계면을 형성할 수 있도록 기여할 수 있으며, 상기 제1 금속모재와 제2 금속모재 사이에 취성이 강한 금속간화합물이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
상기 제2 금속 삽입층은 제1 금속 삽입층과 제2 금속모재 사이에 취성이 강한 금속간 화합물이 형성되는 것을 방지하기 위하여 삽입될 수 있다.
만약 상기 제1 금속모재와 제2 금속모재 사이에 제1 금속 삽입층만이 포함되면, 상기 제1 금속 삽입층과 제2 금속모재 사이에 계면에서 금속간화합물이 형성되어 취성 파괴에 원인이 될 수 있다. 반면에, 상기 제1 금속모재와 제2 금속모재 사이에 제2 금속 삽입층만이 포함되면, 상기 제1 금속모재와 제2 금속 삽입층 사이에 결합력이 약화되어 기계적 특성이 감소될 수 있다. 이러한 이유로, 본 발명은 제1 금속모재와 제1 금속모재 사이에 다층의 금속삽입층을 삽입할 수 있다.
다시 말해, 본 발명은 상기 제1 금속모재 와 제2 금속모재 사이에 둘 이상의 금속 삽입층을 계층구조로 삽입하여 제1 금속모재와 상기 제2 금속모재 사이 계면에 금속간화합물이 생성되는 것을 억제할 수 있다.
상기 제1 금속 삽입층은 상기 제1 금속모재와 높은 고용도를 가진 금속 또는 이를 포함하는 합금으로 제공될 수 있으며, 상기 제1 금속모재와 접하는 일 면에 위치할 수 있다. 이를 통해 상기 제1 금속 삽입층은 상기 제1 금속모재와 상기 제2 금속모재 사이에 금속간화합물이 생성되는 것을 방지할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 제1 금속 삽입층은 바나듐(V), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 하프늄(Hf), 탄탈(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 텅스텐(W)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 금속을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
실시 예에 따르면, 상기 제1 금속 삽입층의 열팽창 계수(αi)와 상기 제1 금속모재의 열팽창 계수(αm )는 하기 관계식 1를 만족시킬 수 있다.
[관계식 1]
0.8 ≤ αi/αm ≤ 1.2
(상기 αi는 삽입층을 형성하는 금속의 열팽창 계수이며, αm는 제1 금속모재의 열팽창 계수이다.)
상기 열팽창 계수의 차이(αi/αm)가 0.8 미만이거나 1.2를 초과하면, 열팽창계수의 차이로 인하여 상기 제1 금속 삽입층과 상기 제1 금속모재 사이 계면에서 극심한 열변형이 발생될 수 있다. 아울러, 상기 변형으로 인해 상기 계면에 열응력이 발생하여 상기 이종금속 접합재의 접합강도가 저하될 수 있다. 따라서, 상기 삽입층과 상기 제2 금속모재 사이의 열팽창 계수의 차이(αi/αm)가 0.8이상 1.2이하인 것이 바람직하다.
예를 들어, 상기 제1 모재가 8.6 ㎛/(m·K)의 열팽창계수를 갖는 티타늄(Ti) 또는 티타늄(Ti) 합금(Ti alloy)으로 제공되면, 상기 제1 금속 삽입층은 상기 티타늄(Ti)과 높은 고용도를 가진 금속 중에서, 열팽창 계수가 6.9 내지 10.3 ㎛/(m·K) 인 금속을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 제1 금속 삽입층은 바나듐(V)을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 제2 금속 삽입층은 상기 제1 금속 삽입층과 제2 금속모재 사이에 삽입되어 상기 제1 금속 삽입층과 제2 금속모재 사이에 금속간화합물이 형성되는 것을 억제할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 제2 금속 삽입층은 상기 제1 금속 삽입층과 고용체를 형성하는 금속 또는 이를 포함하는 합금으로 제조될 수 있다. 구체적으로 상기 제2 금속 삽입층은 구리(Cu), 은(Ag), 니켈(Ni), 코발트(Co) 및 금(Au)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 금속을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한 상기 제2 금속 삽입층은 상기 제1 금속모재 및 제2 금속모재보다 상대적으로 융점이 낮은 금속으로 제공되는 것이 바람직하다. 이는 상기 제2 금속 삽입층이 제1 금속모재 및 제2 금속모재보다 상대적으로 융점이 더 높은 경우, 접합 온도가 상기 두 금속모재의 용융점을 초과하여, 금속모재의 용융이 발생할 수 있고, 상대적으로 융점이 낮은 금속의 경우 주어진 확산 온도에서 확산이 활발히 일어나 확산 접합을 수행하기에 용이하다.
예를 들어, 상기 제1 금속모재가 티타늄(Ti)합금, 제2 금속모재가 스테인리스 스틸(STS) 및 제1 금속 삽입층이 바나듐(V)으로 제공되는 경우, 상기 제2 금속층은 상기 티타늄(Ti) 및 스테인리스 스틸(STS)보다 융점이 낮고, 상기 바나듐(V)과 고용체를 형성하는 금속을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 제2 금속 삽입층은 은(Ag) 또는 구리(Cu)를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
실시 예에 따르면 상기 제1 금속 삽입층 및 제2 금속 삽입층은 20 내지 70㎛ 두께로 제조될 수 있다. 상기 제1 금속 삽입층 및 제2 금속 삽입층의 두께에 따른 효과에 대해서는 후술하도록 한다.
이상 본 발명의 실시 예에 따른 이종금속의 확산접합 방법의 기본 구성을 설명하였다. 이하 도 1 및 도 2을 참조하여 상기 제1 금속모재가 티타늄(Ti)계 합금, 상기 제2 금속모재가 스테인리스 스틸(STS)로 제공되었을 때, 본 발명의 실시예를 단계별로 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이종금속 접합재의 접합부를 나타낸 도면이고, 도 2는 금속모재가 STS304, Ti6Al4V 일 때의 접합부를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명은 a) 서로 다른 성분으로 이루어진 제1 금속모재 및 제2 금속모재를 준비하는 단계, b) 상기 제1 금속모재와 제2 금속모재 사이에 제1 금속 삽입층을 위치시키는 단계, c) 상기 제1 금속 삽입층과 상기 제2 금속모재 사이에 제2 금속 삽입층을 위치시키는 단계, d) 상기 제1 금속모재와 제2 금속모재 사이에 제1 금속 제1 금속 삽입층과 제2 금속 제1 금속 삽입층이 위치한 상태에서 상기 제1 금속모재와 제2 금속모재에 온도와 압력을 가하여 접합하는 단계를 통하여 상기 제1 금속모재와 제2 금속모재를 확산접합할 수 있다.
이하, 설명의 편의를 위해 상기 제1 금속모재를 티타늄(Ti)계 합금, 바람직하게는 1 내지 10 원자%의 바나듐, 1 내지 10 원자%의 알루미늄 및 잔부의 Ti와 불가피한 불순물이 포함된 합금, 더욱 더 바람직하게는 Ti6Al4V합금일 수 있으며, 상기 제2 금속모재는 스테인리스 스틸(STS), 더욱 바람직하게는 300계 스테인리스 스틸, 더욱 더 바람직하게는 304 스테인리스 스틸(304 Stainless steel)인 것을 예를 들어 설명한다.
또한, 상기 제1 금속 삽입층이 바나듐(V)을 포함하는 바나듐(V)계 금속 삽입층인 것을 예를 들어 설명하며, 제2 금속 삽입층을 구리(Cu)를 포함하는 구리(Cu)계 금속 삽입층 또는 은(Ag)을 포함하는 은(Ag)계 금속 삽입층 중 선택되는 어느 하나인 것을 예를 들어 설명한다.
상기 a) 단계는 접합하고자 하는 합금을 준비하는 단계로, 더욱 바람직하게는 접합하고자 하는 티타늄(Ti)계 합금과 스테인리스 스틸(STS)를 준비하는 단계이다. 실시 예에 따르면, 상기 a) 단계에서 사포 또는 표면 연마기를 이용하여 상기 티타늄(Ti)계 합금과 스테인리스 스틸(STS)의 표면을 연마할 수 있으며, 아세톤 및 에탄올등의 유기용매에 장입한 후 초음파를 사용하여 초음파로 세척하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 b) 및 상기 c) 단계는 상기 제1 금속모재와 제2 금속모재 사이에 제1 금속 삽입층과 제2 금속 삽입층을 위치시키는 단계이다. 구체적으로, 상기 제1 금속모재 일 면에 상기 제1 금속 삽입층을 적층할 수 있으며, 상기 제1 금속 삽입층 일 면에 제2 금속 삽입층을 적층할 수 있다. 이를 통해 상기 제1 금속모재 / 제1 금속 삽입층 / 제2 금속 삽입층 / 제2 금속모재 순서로 적층한 구조체를 제조할 수 있다. 또는 상술한 적층 방법 외에 공지된 어떠한 기술로 변형하여 상기 제1 금속모재와 제2 금속모재 사이에 제1 금속 삽입층과 제2 금속 삽입층을 위치시킬 수 있다.
실시 예에 따르면 실시 예에 따르면 상기 제1 금속 삽입층 및 제2 금속 삽입층은 20 내지 70㎛ 두께로 제조될 수 있다.
상기 제1 금속 삽입층의 두께가 20㎛보다 얇으면, 상기 제1 금속모재의 티타늄(Ti) 성분과 상기 제2 금속모재의 철(Fe) 성분이 결합하여 (Fe-Ti)계의 금속간화합물이 생성될 수 있다. 상기 (Fe-Ti)계의 금속간화합물은 취성이 강해 제1 금속모재와 제2 금속모재의 접합부의 균열을 유발할 수 있다.
반대로 제1 금속 삽입층의 두께가 70㎛를 초과하면, 상기 제1 금속 삽입층의 두께가 너무 두꺼워 제1 금속모재의 티타늄(Ti) 성분의 확산량이 감소할 수 있으며, 상기 티타늄(Ti)의 확산으로 형성되는 확산층의 두께가 감소될 수 있다. 이는 접합부의 결합력이 감소될 수 있다는 것을 의미한다.
그 결과 상기 접합부의 강도가 감소할 수 있다. 이러한 이유로. 상기 제1 금속 삽입층의 두께는 20 내지 70㎛ 일 수있으며, 더 바람직하게는 40 내지 50㎛일 수 있다.
상기 제2 금속 삽입층의 두께가 20㎛보다 얇으면, 상기 제1 금속 삽입층과 상기 제2 금속모재 사이 계면에서 금속간화합물이 생성될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 금속 삽입층의 바나듐(V)과 상기 제2 금속모재의 철(Fe), 크롬(Cr) 성분이 결합하여 (Fe-Cr)σ상 및 (V-Fe)σ상이 생성될 수 있다.
반대로 상기 제2 금속 삽입층의 두께가 70㎛를 초과하면, 상기 제2 금속 삽입층의 두께가 너무 두꺼워 바나듐(V)의 확산량이 감소될 수 있으며, 상기 바나듐(V)의 확산으로 형성되는 확산층의 두께가 감소될 수 있다. 이는 접합부의 결합력이 감소될 수 있다는 것을 의미한다. 상술한 이유로, 상기 확산방지층의 두께는 20 내지 70㎛ 일 수 있으며, 더 바람직하게는 20 내지 50㎛일 수 있다.
마지막으로 d) 단계는 상기 제1 금속모재와 제2 금속모재에 온도와 압력을 가하여 상기 제1 금속모재와 제2 금속모재를 확산접합 하는 단계이다.
실시 예에 따르면, 상기 상기 d) 단계는 소정의 진공 상태에서 수행될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1 x10-5Torr 내지 1 x10-6Torr의 진공상태로 유지되는 챔버 내에서 수행될 수 있다. 상기 진공도를 유지한 상태에서 챔버 내로 아르곤(Ar) 가스를 주입하여 아르곤 분위기에서 수행될 수 있다.
상기 챔버의 진공도가 1 x10-5 Torr 미만이면, 상기 금속모재 또는 금속 삽입층이 산소에 노출되어 산화될 수 있다. 다만, 상기 진공도가 1×10-6 Torr를 초과하여도 그 효과 상승 정도가 미비하다. 이러한 이유로, 상기 d) 과정은 1×10-5 Torr 내지 1×10-6 Torr의 진공도에서 아르곤(Ar) 가스 분위기에서 수행되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 d) 단계는 제1 금속모재와 상기 제2 금속모재를 30 내지 80 ㎏f/㎠으로 가압한 상태에서 상기 제1 금속모재, 제1 금속 삽입층, 제2 금속 삽입층 및 제2 금속모재 각각의 용융점보다 낮은 온도를 소정시간 유지하여 수행될 수 있다. 더욱 바람직하게는 제1 금속모재와 상기 제2 금속모재를 30 내지 80 ㎏f/㎠으로 가압한 상태에서 700 내지 900℃에서 수행될 수 있다.
상기 접합 온도가 700℃ 미만이면, 고상확산이 충분히 구현되기 어려우며, 상기 접합 온도가 900℃를 초과하면 상기 제2 금속모재가 용융되어 고상에서의 확산이 구현되지 않을 수 있다. 이러한 이유로 상기 접합 온도는 상기 제1 금속모재, 제1 금속 삽입층, 제2 금속 삽입층 및 제2 금속모재 각각의 용융점보다 낮은 온도, 더욱 바람직하게는 700 내지 900℃에서 수행될 수 있다.
또한, 상기 확산접합은 700 내지 900℃의 온도를 30 내지 100분 동안 유지하는 것이 바람직하다. 이하, 700 내지 900℃를 유지하는 시간을 접합 시간으로 정의한다.
상기 접합 시간이 30분 미만이면 각 계면의 원소들이 충분히 확산되지 않아 확산층의 두께가 감소될 수 있다. 그 결과 접합부의 결합력이 감소될 수 있다. 구체적으로 상기 제2 금속모재가 STS인 경우, 상기 STS의 주성분인 철(Fe)에 상기 제2 금속 삽입층의 금속이 일부 고용되어 접합부의 결합력이 향상할 수 있다. 하지만 상기 접합 시간이 30분 미만이면, 상기 제2 금속모재에 고용되는 금속성분이 감소하여 결합력이 감소될 수 있다.
반면에, 상기 접합 시간이 100분을 초과하면 과도한 가열로 인하여 상기 제1 금속모재 및 제2 금속모재 사이에 열변형이 발생될 수 있다. 또한, 상기 열변형으로 인하여 각 계면에 층간 벌어짐(Delamination) 현상이 발생될 수 있다. 이는 접합부의 결합력을 크게 감소시킬 수 있다. 이러한 이유로, 상기 접합 시간은 30 내지 100분이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 50 내지 80분으로 제공될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예는 제1 금속모재 및 제2 금속모재를 확산접합하는데 있어서, 상기 제1 금속모재 및 제2 금속모재 사이에 제1 금속 삽입층 및 제2 금속 삽입층을 위치시켜 각 계면에서 금속간화합물이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
이를 통해 본 발명은 제1 금속 삽입층, 제2 금속 삽입층 및 제2 금속모재로 이루어진 접합부의 인장강도가 350㎫ 이상으로 강화하는 동시에 1.7% 이상의 연신율을 확보할 수 있다.
이상 본 발명의 실시예들에 이종금속의 확산접합 방법에 대해 설명하였다. 이하, 실시예를 통해 본 발명에 따른 이종금속의 확산접합 방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 또한 명세서에서 특별히 기재하지 않은 첨가물의 단위는 원자%일 수 있다.
[실시예 1]
Ti6Al4V 소재의 제1 모재금속과 STS304소재의 제2 모재금속을 준비한다. 상기 제1 모재금속과 제2 모재금속을 두께가 15 너비가 10×30㎟을 갖는 플레이트 형태로 가공 후 표면을 #1500의 SiC 사포를 연마하였다. 이후 아세톤 및 에탄올을 사용하여 초음파로 세척 한 후 공기 중에서 건조하였다.
상기 표면처리한 제1 모재금속과 제2 모재금속 사이에 바나듐(V) 계의 제1 금속 삽입층을 40㎛두께로 적층하였으며, 상기 제1 금속 삽입층 위에 구리(Cu)계의 제2 금속 삽입층을 20㎛ 두께로 적층하여 STS304/Cu/V/Ti6Al4V 구조의 접합부를 제조하였다. 이 때, 상기 제1 금속 삽입층은 99.8% 순도의 바나듐(V) 박막(Goodfellow 社 제조)으로 준비하였으며, 제2 금속 삽입층은 99.99% 순도의 구리(Cu) 박막(Goodfellow 社 제조)으로 준비하였다.
상기 접합부를 챔버에 장입 후 5×10-5Torr의 고진공을 형성하였으며, 아르곤(Ar)가스를 주입하여 아르곤 분위기를 조성하였다.
이 후, 상기 제1 금속모재와 제2 금속모재를 50kgf/㎠로 가압한 상태로 900℃까지 50℃/min로 가열하였으며, 900℃에 도달한 후, 이를 50분 동안 유지하여 접합하였다. 접합이 완료된 이후 아르곤 분위기조건에서 15분에 걸쳐 70℃/min으로 냉각하였다.
[실시예 2]
상기 제2 금속 삽입층을 99.95% 순도의 은(Ag) 박막(Alfa Aesar 社 제조)으로 준비하여, STS304/Ag/V/Ti6Al4V 구조의 접합부를 제조하였으며, 접합온도를 900℃에서 850℃로 낮춘 것 외 모든 과정을 상기 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[실시예 3]
상기 제2 금속 삽입층을 40㎛ 두께로 준비한 것 외 모든 과정을 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[실시예 4]
상기 제2 금속 삽입층을 40㎛ 두께로 준비한 것 외 모든 과정을 실시예 2와 동일하게 수행하였다.
[실시예 5]
상기 확산접합에서 접합 시간을 30분 동안 수행한 것 외 모든 과정을 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[실시예 5]
상기 확산접합에서 접합 시간을 70분 동안 수행한 것 외 모든 과정을 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[비교예 1]
상기 제1 모재금속과 제2 모재금속 사이에 바나듐(V) 계의 제1 금속 삽입층 만을 40㎛두께로 적층한 것 외 모든 과정을 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[비교예 2]
상기 제2 금속 삽입층을 10㎛ 두께로 준비한 것 외 모든 과정을 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[비교예 3]
상기 제2 금속 삽입층을 10㎛ 두께로 준비한 것 외 모든 과정을 실시예 2와 동일하게 수행하였다.
[비교예 4]
상기 제2 금속 삽입층을 80㎛ 두께로 준비한 것 외 모든 과정을 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[비교예 5]
상기 제2 금속 삽입층을 80㎛ 두께로 준비한 것 외 모든 과정을 실시예 2와 동일하게 수행하였다.
[비교예 6]
상기 확산접합에서 접합 시간을 10분 동안 수행한 것 외 모든 과정을 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
| 접합 온도 (℃) |
접합 시간 (min) |
제2 금속 삽입층 두께 (㎛) |
접합부 형태 | |
| 실시예 1 | 900 | 50 | 20 | STS304/Cu/V/Ti6Al4V |
| 실시예 2 | 850 | 50 | 20 | STS304/Cu/Ag/Ti6Al4V |
| 실시예 3 | 900 | 50 | 40 | STS304/Cu/V/Ti6Al4V |
| 실시예 4 | 850 | 50 | 40 | STS304/Cu/Ag/Ti6Al4V |
| 실시예 5 | 900 | 30 | 20 | STS304/Cu/V/Ti6Al4V |
| 실시예 6 | 900 | 70 | 20 | STS304/Cu/V/Ti6Al4V |
| 비교예 1 | 900 | 50 | - | STS304/V/Ti6Al4V |
| 비교예 2 | 900 | 50 | 10 | STS304/Cu/V/Ti6Al4V |
| 비교예 3 | 850 | 50 | 10 | STS304/Cu/Ag/Ti6Al4V |
| 비교예 4 | 900 | 50 | 80 | STS304/Cu/V/Ti6Al4V |
| 비교예 5 | 850 | 50 | 80 | STS304/Cu/Ag/Ti6Al4V |
| 비교예 6 | 900 | 10 | 20 | STS304/Cu/V/Ti6Al4V |
제2 금속 삽입층의 재질에 따른 계면 비교
상기 제2 금속 삽입층을 구리(Cu) 또는 은(Ag)으로 제조하였을 때, 계면에서 의 미세구조 차이를 비교 분석하기 위해, 제2 금속 삽입층이 다른 실시예 1과 실시예 2를 비교하였다.
구체적으로 실시예 1로 접합한 접합부와 실시예 2로 접합한 접합부를 분석주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscope)에 연결된 에너지 분광 X선 분석(EDS, Energy Dispersive X-ray microanalysis)장치와 전자 탐침 미세분석(EPMA, Electron Probe Micro Analyzer)를 설치하여 접합부의 조성정보를 확인하였다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 의해 접합한 접합부의 단면을 SEM으로 촬영한 사진 및 EDS Line scanning으로 분석한 결과이고, 도 4는 본 발명의 실시예 1에 의해 접합한 접합부의 단면을 EPMA로 분석한 결과사진이다.
도 3을 참조하면, STS304/Cu/V/Ti6Al4V에서 각 계면의 형상을 확인할 수 있다. 구체적으로 STS/Cu 계면과 Cu/V 다층계면에서는 어떠한 금속간 화합물이나 균열이 발생하지 않고 건전한 계면을 형성하였으며, V/Ti6Al4V 계면에서는 바나듐(V)과 티타늄(Ti)의 상호 확산된 V-Ti확산층이 형성되었음을 관찰할 수 있다.
이는 상기 제1 금속모재와 제2 금속모재 사이에 바나듐(V)계 제1 금속 삽입층과 구리(Cu)계 제2 금속 삽입층을 삽입함으로써, 금속간화합물 발생을 억제하였음을 확인할 수 있다, 특히, 상기 제1 모재의 티타늄(Ti)이 상기 제2 모재의 철(Fe)과 반응하지 않고, 중간에 삽입된 바나듐(V)과 반응함으로써 취성이 강한 (Fe-Ti)계의 금속간화합물이 생성되는 것을 방지하였다.
계면에서의 효과를 더 자세히 알아보기 위해 도 4를 참조하면, 상기 제2 금속 확산층이 위치한 영역에서는 철(Fe)과 크롬(Cr) 및 바나듐(V)의 원소는 극소량 또는 관찰할 수 없었다. 비록 Cu/V계면에 철(Fe)원자가 집중적으로 분포하는 것이 관찰되었으나, 그 양이 Fe-Cr-V의 금속간화합물을 만들기에는 미비한 양으로, 이는 구리(Ag)중간재가 STS/V 사이에서 상호확산을 방지하고 Fe-Cr-V의 금속간 화합물 생성을 제어하여 건전한 계면을 형성하였다는 것을 보여주는 증거이다.
제1 금속 확산층 또한 Cu/Ti6Al4V 사이에서 구리(Cu)와 티타늄(Ti)의 상호확산을 방지하며 Ti-Cu계의 금속간화합물을 형성하지 않고 건전한 계면을 형성하였다.
한편, V/Ti6Al4V 계면에서는 바나듐(V)이 Ti6Al4V 층으로 확산된 것을 관찰할 수 있다. 이는 바나듐(V) 원소가 티타늄(Ti)에 높은 고용도를 가지기 때문이다. 다만, 상기 바나듐(V)은 상기 티타늄(Ti)의 β-bcc 상을 안정화 시키는 β안정화 원소이기 때문에 금속간화합물이 형성되지 않는 안정한 계면을 형성하였다. STS의 주성분인 Cr(크롬)의 경우 삽입재 구리(Cu)을 지나 바나듐(V)에 확산이 되었다. 이는 Cr(크롬)과 바나듐(V)이 고용체를 형성하기 때문이다.
도 5은 본 발명의 실시예 2에 의해 접합한 접합부의 단면을 SEM으로 촬영한 사진 및 EDS Line scanning으로 분석한 결과이고, 도 6는 본 발명의 실시예 2에 의해 접합한 접합부의 단면을 EPMA로 분석한 결과사진이다.
도 5를 참조하면, STS304/Ag/V/Ti6Al4V의 계면에 형상 또한 도 3 내지 도 4에서 설명한 STS304/Cu/V/Ti6Al4V과 유사하게 어떠한 금속 화합물이나 균열이 발생하지 않고 건전한 계면을 형성한 것을 확인할 수 있다.
구체적으로 STS/Ag 계면과 Ag/V 다층계면에서는 어떠한 금속간 화합물이나 균열이 발생하지 않고 건전한 계면을 형성하였으며, V/Ti6Al4V 계면에서는 바나듐(V)과 티타늄(Ti)의 상호 확산된 V-Ti확산층이 형성되었음을 관찰할 수 있다.
도 6을 참조하면, 제2 금속 삽입층이 형성된 구역에서는 철(Fe)과 크롬(Cr), 바나듐(V)의 원소는 미량 존재하거나 관찰할 수 없었다. 이는 은(Ag)중간재가 STS/V 사이에서 상호확산을 방지하고 Fe-Cr-V의 금속간 화합물 생성을 제어하여 건전한 계면을 형성하였음을 증명해주는 증거이다.
제1 금속 삽입층 또한 Ag/Ti6Al4V사이에서 은(Ag)와 티타늄(Ag)의 상호확산을 방지하며 Ti-Ag계의 금속간화합물을 형성하지 않고 건전한 계면을 형성하였다.
한편 실시예 2에서도 상기 실시예 1과 유사하게 V/Ti6Al4V 계면에서는 바나듐(V)이 Ti6Al4V 층으로 확산된 것을 관찰할 수 있으며, STS의 주성분인 Cr(크롬)이 제2 금속 삽입층을 지나 제1 금속 삽입층에 확산된 것을 관찰할 수 있다.
제2 금속 삽입층의 두께에 따른 기계적 성질 비교
상기 다층 이종금속 삽입재의 두께에 따른 비교를 실시하기 위해 상기 제2 금속 삽입층의 두께의 변화를 주어 고상확산접합을 하여 Ti6Al4V과 STS를 접합시켰다. 다층 계면에서 금속간화합물이 생성되는 것을 분석하기 위해 분석주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscope)에 에너지 분광 X선 분석(EDS, Energy Dispersive X-ray microanalysis)장치를 설치하여 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 6으로 제조한 합금의 인장강도 및 변형률을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 기재한다.
| 제2 금속 삽입층 | 접합 시간 (min) |
제2 금속 삽입층 두께 (㎛) |
인장강도 (㎫) |
변형률 (%) |
|
| 실시예 1 | Cu | 50 | 20 | 535 | 8.1 |
| 실시예 2 | Ag | 50 | 20 | 384 | 1.7 |
| 실시예 3 | Cu | 50 | 40 | 459 | 3.8 |
| 실시예 4 | Ag | 50 | 40 | 376 | 1.9 |
| 실시예 5 | Cu | 30 | 20 | 495 | 7.5 |
| 실시예 6 | Cu | 70 | 20 | 504 | 7.0 |
| 비교예 1 | - | 50 | - | 50 | 0 |
| 비교예 2 | Cu | 50 | 10 | 218 | 0.5 |
| 비교예 3 | Ag | 50 | 10 | 145 | 0.2 |
| 비교예 4 | Cu | 50 | 80 | 313 | 1.0 |
| 비교예 5 | Ag | 50 | 80 | 274 | 1.4 |
| 비교예 6 | Cu | 10 | 20 | 404 | 2.9 |
도 7은 본 발명의 실시예 1로 접합한 접합부의 단면을 SEM으로 촬영한 사진이고, 도 8은 본 발명의 실시예 3로 접합한 접합부의 단면을 SEM으로 촬영한 사진이고, 도 9는 상기 실시예 2로 접합한 접합부의 단면을 EDS Line scanning으로 분석한 결과이고, 도 10은 상기 비교예 2로 접합한 접합부의 단면을 SEM 및 EDS Line scanning으로 분석한 결과이다.
도 7 내지 9를 참조하면, 상기 제2 금속 삽입층으로 구리(Cu)이 삽입되었을 때, 상기 제2 금속 삽입층의 두께에 따른 STS/Cu/V/Ti6Al4V 각 계면의 형상을 비교할 수 있다. 이 때, 상기 제2 금속 삽입층의 두께가 20 내지 70㎛인 실시예 1 및 실시예 3으로 접합한 접합부는 상기 제2 금속 삽입층의 두께가 증가 또는 감소하여도 STS/Cu 및 Cu/V의 다층계면에서의 금속간화합물이 형성되지 않았으며, 균열이 발생하지 않은 건전한 계면이 형성되어 있는 것을 확인하였다. V/Ti6Al4V 계면에서는 바나듐(V)과 티타늄(Ti)의 상호 확산된 V-Ti확산층을 관찰할 수 있다.
그 결과 상기 실시예 1 및 실시예 3으로 접합한 접합부는 450㎫ 이상의 인장강도와 3.8% 이상의 변형률을 가지고 있음을 확인하였다.
하지만 도 10을 참조하면, 상기 제2 금속 삽입층의 두께가 20㎛ 미만인 비교예 2는 상기 제2 금속 삽입층의 두께가 10㎛이하 일 때, Cu/V 계면에 새로운 상이 형성되었다. 상기 도 10에 표시된 영역 1 및 영역 2의 조성을 비교한 결과, 하기 표 3과 같이 영역 1은 52중량%의 바나듐(V), 31중량%의 철(Fe), 15중량%의 크롬(Cr), 2중량%의 니켈(Ni)이 포함되어 있음을 확인하였다. 즉, 상기 제2 금속 삽입층의 두께가 20㎛ 미만이면, Cu/V 계면에 Fe-Cr-V의 σ상이 형성된 것을 알 수 있다.
| V(wt%) | Cr(wt%) | Fe(wt%) | Ni(wt%) | Phase | |
| 영역 1 | 54 | 13 | 31 | 2 | Fe-Cr-V (σ) |
| 영역 2 | 100 | - | - | - | V |
상기 (Fe-Cr-V)σ상은 취성이 크며, 소량 형성되어도 접합면의 연성과 인성을 크게 감소시킬 수 있다. 그 결과 상기 비교예 2는 상기 실시예 1 및 실시예 3과는 다르게 인장강도가 218㎫, 변형률이 0.5%로 인장강도가 241 내지 317㎫, 변형률이 3.3 내지 7.6% 감소하였다.
한편, 상기 제2 금속 삽입층의 두께가 70㎛를 초과하는 비교예 4의 경우, 상기 접합부의 인장강도가 313㎫, 변형률이 1.0%로 감소하였다. 이는, 상기 제2 금속 삽입층의 두께가 70㎛를 초과하면, 삽입재 금속 본래가 가지는 기계적 성질이 접합부 전체의 기계적 성질에 영향을 미치기 때문으로 해석된다. 상기 비교예 5에 삽입된 구리(Cu)의 경우, 순수한 구리(Cu)의 인장강도는 210㎫로 접합부의 인장강도보다 낮은 것을 알 수 있다. 즉, 상기 구리(Cu)의 함량이 증가하여 접합부 전체의 인장강도가 감소될 수 있다.
실제로 비교예 4는 STS/Cu 계면을 따라서 파단이 발생하였고, 반복된 실험에도 동일하게 파단이 발생하였다. 이는 구리(Cu)의 증가로 인하여 파단이 발생되었음을 입증해주는 결과이다.
도 11은 본 발명의 실시예 2로 접합한 접합부의 단면을 SEM으로 촬영한 사진이고, 도 12는 본 발명의 실시예 4로 접합한 접합부의 단면을 SEM으로 촬영한 사진이고, 도 13은 상기 실시예 2로 접합한 접합부의 단면을 EDS Line scanning으로 분석한 결과이다.
도 11 내지 13을 참조하면, 상기 제2 금속 삽입층으로 은(Ag)이 삽입되었을 때, STS/Ag/V/Ti6Al4V 상기 제2 금속 삽입층의 두께가 증가 또는 감소하여도 STS/Ag, Ag/V 및 V/Ti6Al4V 다층계면에서의 금속간화합물이 형성되지 않았으며, 균열이 발생하지 않은 건전한 계면이 형성되어 있는 것을 확인하였다. V/Ti6Al4V 계면에서는 바나듐(V)과 티타늄(Ti)의 상호 확산된 V-Ti확산층을 관찰할 수 있다.
그 결과 상기 실시예 2 및 실시예 4로 접합한 접합부는 350㎫ 이상의 인장강도와 1.5% 이상의 변형률을 가지고 있음을 확인하였다.
하지만 상기 제2 금속 삽입층의 두께가 20㎛ 미만인 비교예 3은 상기 비교예 2와 유사하게 Ag/V 계면에 Fe-Cr-V의 σ상이 형성되었다. 그 결과 상기 비교예 3은 인장강도가 145㎫, 변형률이 0.2%로 급감한 것을 확인하였다.
한편, 상기 제2 금속 삽입층의 두께가 70㎛를 초과하는 비교예 5는 상기 접합부의 인장강도가 274㎫, 변형률이 1.4%로 감소하였다. 이는, 상기 비교예4와 마찬가지로 삽입재 금속이 증가하여 접합부의 강도가 약해진 것으로 해석된다.
실제로 상기 비교예 5에 삽입된 은(Ag)의 인장강도는 140㎫로 상기 은(Ag)의 함량이 증가하여 접합부 전체의 인장강도가 감소되었으며, 그 결과 비교예 5는 반복된 실험에서도 파단 위치가 Ag/V계면에서 동일하게 발생되었음을 확인하였다. 이는 은(Ag)의 증가로 인하여 파단이 발생되었음을 입증해주는 결과이다.
실시 예에 따르면, 상기 제2 금속 삽입층이 구리(Cu)를 포함하는 실시예1, 3, 5 및 6은 450㎫ 이상의 인장강도와 3.8% 이상의 변형률을 가지고 있음을 확인하였다. 반면에 상기 제2 금속 삽입층이 구리(Cu)를 포함하는 실시예 2, 4는 350㎫ 이상의 인장강도와 1.7% 이상의 변형률을 가지고 있다. 이는 상기 구리(Cu)는 상대적으로 은(Ag)에 비해 상기 제2 금속모재의 주성분인 철(Fe)과 고용도가 높고, 니켈(Ni)과 고용체를 형성하기 때문이다.
하지만, 상기 은(Ag)은 접합온도가 상기 구리(Cu)비해 상대적으로 낮은 800 내지 880℃인 장점이 있다. 이러한 이유로 사용자는 각자 자신의 용도에 적합한 금속 삽입층을 선택해서 사용할 수 있다.
마지막으로, 상기 제2 금속 삽입층이 포함되지 않은 비교예 1은 인장강도가 50㎫, 변형률이 0.1% 미만으로 가장 감소되었음을 확인할 수 있다. 이는 상기 제2 금속 삽입층이 포함되지 않아 STS/V 계면에 취성이 큰 (Fe-Cr-V)σ상이 다수 생성되었기 때문이다. 이를 통해, 구리(Cu) 또는 은(Ag)을 포함하는 상기 제2 금속 삽입층이 삽입됨에 따라, 더욱 바람직하게는 상기 제2 금속 삽입층이 20 내지 70㎛ 두께로 삽입됨에 따라 접합면의 기계적 특성을 향상할 수 있음을 알 수 있다.
제2 금속 삽입층의 접합 시간에 따른 기계적 성질 비교
상기 표 2를 참조하면, 동일한 구리(Cu) 삽입층을 포함하는 실시예 1, 실시예 5, 실시예 6 및 비교예 6을 비교하면, 상기 접합 시간이 30분 이상인 실시예 1, 실시예 5 및 실시예 6은 450㎫ 이상의 인장강도, 더욱 바람직하게는 495㎫ 이상의 인장강도와 3.8% 이상의 변형률, 더욱 바람직하게는 7% 이상의 변형률을 가지고 있음을 알 수 있다.
반면에 동일한 조건에서, 상기 접합 시간이 30분 미만인 비교예 6은 인장강도가 404㎫, 변형률이 2.9%로 감소하였다. 이는 접합 시간이 30분 미만이면, 상기 STS의 주성분인 철(Fe)원자가 구리(Cu) 또는 은(Ag)내의 확산되는 양이 적었기 때문에 결합력이 감소되었기 때문이다.
이상과 같이 특정된 사항들과 한정된 실시예를 통해 본 발명이 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 청구범위뿐 아니라 이 청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
Claims (16)
- 이종의 제1 금속모재와 제2 금속모재를 확산접합하는 이종금속 접합재에 있어서,
상기 이종금속 접합재는 제1 금속 삽입층 및 제2 금속 삽입층을 포함하는 것을 특징으로 하는, 계층구조를 이용한 이종금속의 확산접합을 위한 접합재. - 제 1항에 있어서,
상기 제1 금속모재는 티타늄(Ti) 또는 티타늄(Ti)합금을 포함하며,
상기 제2 금속모재는 스테인리스 스틸(STS)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 계층구조를 이용한 이종금속의 확산접합을 위한 접합재. - 제 1항에 있어서,
상기 제1 금속 삽입층 및 상기 제2 금속 삽입층은 금속간화합물의 생성을 억제하는 것을 특징으로 하는, 계층구조를 이용한 이종금속의 확산접합을 위한 접합재. - 제 1항에 있어서,
상기 제1 금속 삽입층의 열팽창 계수(αi)와 상기 제1 금속모재의 열팽창 계수(αm)는 하기 관계식 1을 만족시키는 것을 특징으로 하는, 계층구조를 이용한 이종금속의 확산접합을 위한 접합재.
[관계식 1]
0.8 ≤ αi/αm ≤ 1.2
(상기 αi는 제1 금속 삽입층의 열팽창 계수이며, αm는 제1 금속모재의 열팽창 계수이다.) - 제 1항에 있어서,
상기 제1 금속 삽입층의 두께는 20 내지 70㎛인 것을 특징으로 하는, 계층구조를 이용한 이종금속의 확산접합을 위한 접합재. - 제 1항에 있어서,
상기 제1 금속 삽입층은 바나듐(V) 및 바나듐(V) 합금인 것을 특징으로 하는, 계층구조를 이용한 이종금속의 확산접합을 위한 접합재. - 제 1항에 있어서,
상기 제2 금속 삽입층은 상기 제1 금속 삽입층과 상기 제2 금속모재 사이 계면에 금속간화합물의 생성을 억제하는 것을 특징으로 하는, 계층구조를 이용한 이종금속의 확산접합을 위한 접합재. - 제 1항에 있어서,
상기 제2 금속 삽입층의 두께는 20 내지 70㎛인 것을 특징으로 하는, 계층구조를 이용한 이종금속의 확산접합을 위한 접합재. - 제 1항에 있어서,
상기 제2 금속 삽입층은 구리(Cu) 또는 구리(Cu)합금인 것을 특징으로 하는, 계층구조를 이용한 이종금속의 확산접합을 위한 접합재. - 제 9항에 있어서,
상기 제1 금속모재, 제1 금속 삽입층, 제2 금속 삽입층 및 제2 금속모재로 이루어진 접합부의 인장강도가 450㎫ 이상인 것을 특징으로 하는, 계층구조를 이용한 이종금속의 확산접합을 위한 접합재. - 제 1항에 있어서,
상기 제2 금속 삽입층은 은(Ag) 또는 은(Ag) 합금인 것을 특징으로 하는, 계층구조를 이용한 이종금속의 확산접합을 위한 접합재. - 제 9항 또는 11항에 있어서,
상기 확산접합 시 접합온도가 700 내지 900℃인 것을 특징으로 하는, 계층구조를 이용한 이종금속의 확산접합을 위한 접합재. - a) 서로 다른 성분으로 이루어진 제1 금속모재 및 제2 금속모재를 준비하는 단계;
b) 상기 제1 금속모재와 제2 금속모재 사이에 제1 금속 삽입층을 위치시키는 단계;
c) 상기 제1 금속 삽입층과 상기 제2 금속모재 사이에 제2 금속 삽입층을 위치시키는 단계:
d) 상기 제1 금속모재와 제2 금속모재 사이에 제1 금속 제1 금속 삽입층과 제2 금속 제1 금속 삽입층이 위치한 상태에서 상기 제1 금속모재와 제2 금속모재에 온도와 압력을 가하여 접합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 이종금속의 확산접합 방법. - 제 13항에 있어서,
상기 d) 단계는 1×10-5Torr 내지 1×10-6Torr에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 이종금속의 확산접합 방법. - 제 13항에 있어서,
상기 d) 단계는 상기 금속모재 또는 금속 삽입층 각각의 용융점보다 낮은 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 이종금속의 확산접합 방법. - 제 15항에 있어서,
상기 d) 단계는 상기 제1 금속모재와 상기 제2 금속모재를 30 내지 80 ㎏f/㎠으로 가압한 상태에서 700 내지 900℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 이종금속의 확산접합 방법.
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