WO2014021580A1

WO2014021580A1 - 은납 브레이징 합금

Info

Publication number: WO2014021580A1
Application number: PCT/KR2013/006648
Authority: WO
Inventors: 조주현
Original assignee: (주)알코마
Priority date: 2012-07-30
Filing date: 2013-07-24
Publication date: 2014-02-06
Also published as: US20140030139A1; KR101231550B1

Abstract

본 발명은 은납 브레이징 합금에 관한 것으로, 구체적으로는 구리(Cu), 인(P), 아연(Zn), 은(Ag)으로 구성되며, 여기에 인듐(In), 갈륨(Ga), 붕소(B), 주석(Sn), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 리튬(Li), 니켈(Ni), 망간(Mn)중 어느 하나 또는 둘 이상의 원소를 포함하여 구성되는 브레이징 합금에 관한 것이다. 본 발명은 은(Ag) 1~50 중량%, 아연(Zn) 10~35 중량%, 인(P) 0.01~4 중량% 잔부는 구리(Cu)로로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

은납 브레이징 합금

본 발명은 은납 브레이징 합금에 관한 것으로, 구체적으로는 구리(Cu), 인(P), 아연(Zn), 은(Ag)으로 구성되며, 여기에 인듐(In), 갈륨(Ga), 붕소(B), 주석(Sn), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 리튬(Li), 니켈(Ni), 망간(Mn)중 어느 하나 또는 둘 이상의 원소를 포함하여 구성되는 브레이징 합금에 관한 것이다.

은납 브레이징(brazing)은 황동용접, 인청동용접, 인동용접재보다 낮은 온도에서 작업을 할 때 사용하며, 특히 이종금속(철, 스테인리스, 티탄, 황동, 동)간 용접에 주로 사용되며, 작업온도(융점)가 낮아 널리 사용되는 용접재이다.

이와 같은 브레이징은 은이 함유되는 브레이징 합금을 이용하여 접합(납땜) 작업을 하게 되며, 이러한 납땜 작업은 냉난방장치, 접점, 초경공구 등의 다양한 산업분야에서 중요한 수단으로 사용되어 왔다. 예를 들면, 전형적인 냉난방장치의 컴프레셔의 내외배관 시, 전기개폐기 내의 은접점 용접, 절단, 드릴 해머용 초경용접 등에서 널리 사용되고 있다.

또한, 납땜은 동관에 철관부품 또는 황동부품들을 결합하는데 사용되고 있는데, 작업온도에 따라 브레이징(경납땜)과 솔더링(연납땜)으로 구분된다. 특히 브레이징은 약 500~900℃의 작업온도에서 모재를 녹이지 않으면서 금속을 맞붙이는 방법으로, 두 개의 금속들 사이에 강하고 틈이 없는 용착결합을 형성하는 접합 방법이다.

따라서 브레이징은 동종 또는 유사한 금속, 이종 금속 사이의 결합, 굵은 부분과 가는 부분의 결합이나 녹는점이 크게 다른 금속들 간의 결합에 다양하게 사용된다.

특히, 스테인리스, 철, 티탄 등의 용접 시 작업온도가 850도 이하에서 단시간 내에 용접을 하여야 용접불량을 줄일 수 있다.

현재는 이러한 문제를 해결하기 위한 합금성분으로 은(Ag)이 불가피하게 사용되고 있다. 특히 배관용접 분야의 경우에는 황동부속, 스테인리스, 접점용 단자의 용접시에 용접재로서 18~57 중량%의 은(Ag)을 함유한 것을 사용하고 있는데, 은(Ag)을 첨가하는 이유는 융점을 낮추면서 모재표면에서의 흐름성(flow-ability), 젖음성(wet-ability), 및 접착성, 용접시간단축 등을 향상시키기 위함이다.

그러나 은(Ag)은 고가의 귀금속으로서, 향후 전자산업의 발전추이 등을 고려할 때 그 가격은 계속하여 상승할 것으로 예상된다. 따라서 경제적인 측면에서는 고가의 은(Ag)을 전혀 사용하지 않거나 또는 은(Ag) 함량을 최소화할 필요성이 있으며, 용접성의 측면에서는 브레이징 합금의 셀프 플럭싱(self fluxing) 기능 및 금속간 친화력을 더욱 향상시킬 수 있는 브레이징 합금이 필요하게 되었다.

위와 같이 은(Ag)의 함유를 최소화 하며, 융점을 낮추고, 용접특성을 개선하기 위해 노력과 방안을 물색하던 중 본 발명을 출원하게 되는 것이다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 그 목적은 적은 함량의 은(Ag)을 포함하여 경제성이 있으면서 종래의 은(Ag)을 포함하는 브레이징 합금과 동일하거나 더 우수한 용접성을 나타내도록 구리(Cu), 인(P), 아연(Zn), 은(Ag)으로 구성되며, 여기에 인듐(In), 갈륨(ga), 붕소(B), 주석(Sn), 실리콘(si), 게르마늄(Ge), 리튬(Li), 니켈(Ni), 망간(Mn)중 어느 하나 또는 둘 이상의 원소를 포함하여 구성되는 브레이징 합금을 제공하는데 그 목적으로 한다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 은(Ag) 1~50 중량%, 아연(Zn) 10~35 중량%, 인(P) 0.01~4 중량% 잔부는 구리(Cu)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에 있어서, 상기 합금에, 인듐(In) 1.0~2 중량%, 갈륨(Ga) 1.0~2 중량%, 붕소(B) 0.01~1.6중량%, 주석(Sn) 0.1~2 중량%, 실리콘(Si) 0.1~0.75 중량%, 게르마늄(Ge) 0.01~0.5 중량%, 리튬(Li) 0.01~0.5 중량%, 니켈(Ni) 0.1~2 중량%, 망간(Mn) 0.1~2 중량%로 이루어지는 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 원소를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 은납 브레이징 합금에 의하면, 구리(Cu), 인(P), 아연(Zn), 은(Ag)으로 구성되며, 여기에 인듐(In), 갈륨(ga), 붕소(B), 주석(Sn), 실리콘(Si), 게르마늄(ge), 리튬(Li), 니켈(Ni), 망간(Mn)중 어느 하나 또는 둘 이상의 원소를 포함하며, 기존의 은(Ag) 함량에 비하여 은(Ag)을 낮춤으로써, 제조비용을 낮춤과 동시에 기존의 은납 브레이징 합금보다 더 우수한 용접성 및 작업성이 높아지는 효과가 있다.

또한, 기존에 사용되던 AWS 규격의 카드뮴을 포함한 용접재(Bag-1, Bag-2)를 대체할 수 있어 인체에 무해한 효과가 있다.

도 1은 일반적으로 사용되는 브레이징 합금을 이용하여 Cu-Fe 이종금속관을 접합한 단면의 모습을 나타낸 사진이다.

도 2는 본 발명의 은납 브레이징 합금을 이용하여 Cu-Fe 이종금속관을 접합한 단면의 모습을 나타낸 사진이다.

도 3은 도 1의 브레이징 합금을 이용하여 용접된 단면의 모습을 나타낸 사진으로서, 도 3a는 비교예 1의 단면을 나타낸 사진이고, 도 3b는 도 3a의 조직을 부분확대한 사진이며, 도 3c는 도 3b의 조직을 부분확대한 사진이다.

도 4는 도 2의 은납 레이징 합금을 이용하여 용접된 단면의 모습을 나타낸 사진으로서, 도 4a는 실시예 2의 단면을 나타낸 사진이고, 도 4b는 도 4a의 조직을 부분확대한 사진이며, 도 4c는 도 4b의 조직을 부분확대한 사진이다.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공 되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명의 은납 브레이징 합금을 상세히 설명한다.

본 발명의 일실시예에 따른 은납 브레이징 합금은 구리(Cu)를 중심 원소로 하여 은(Ag), 아연(Zn), 인(P)으로 구성되는 4원 합금에 인듐(In), 갈륨(Ga), 붕소(B), 주석(Sn), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 리튬(Li), 니켈(Ni), 망간(Mn)중 어느 하나 또는 둘 이상의 원소를 첨가한 것으로 이하, 각 원소들의 특징 및 역할에 대해 설명한다.

은(Ag)은 브레이징 합금원소 중에서 가장 유용하고 중요한 원소로서 융점을 낮추고, 젖음성, 가공성 등을 향상시킨다. 은(Ag) 자체로는 내식성, 전기전도도, 열전도도 등이 우수하며 다른 원소와 결합하면 강도가 향상되는 특징이 있다. 또한 은(Ag) 합금은 용융상태에서 침투력이 우수하기 때문에 인성이 우수한 접합면을 얻을 수 있다. 통상적으로 은(Ag)을 18~57 중량% 포함한 브레이징 합금을 사용하고 있다.

그러나 본 발명에 따른 은납 브레이징 합금의 은(Ag) 함유량은 1~50 중량%이다. 이는, 은(Ag)의 함량이 1 중량% 미만인 경우에는 흐름성 및 용접성 등의 개선 효과가 거의 나타나지 않으며, 15 중량%를 첨가하였을 경우에는 통상적으로 30 중량%의 은(Ag)을 함유한 용접재와 동일한 특성을 보이기 때문이다.

아연(Zn)은 융점이 매우 낮고, 합금의 융점을 낮추기 위한 첨가원소로, 용접 시 유동성, 젖음성, 침투력 등을 향상시키는 원소이다.

본 발명에 따른 은납 브레이징 합금의 아연(Zn) 함유량은 10~35 중량%로 첨가되는 것이 바람직하며, 10 중량% 이하 시에는 융점이 올라가며, 35 중량%를 초과할 시에는 용접 시 탈아연 현상이 증가하므로 본 발명에서는 35 중량% 이하로 하였다.

인(P)은 활성이 매우 강한 물질로서, 구리(Cu)의 액상선을 715~800℃까지 현저히 떨어뜨리는 역할을 한다. 또한, 인(P)은 구리(Cu) 표면의 산화물과 쉽게 결합하여 셀프 플럭스 기능을 수행한다.

본 발명에 따른 브레이징 합금의 인(P) 함량은 0.01~4 중량% 이다. 인(P) 함량이 0.01 중량% 미만인 경우에는 탈산제 역할만을 하며, 4 중량%를 초과하는 경우에는 탈아연 현상의 증가 및 취성을 유발하기 때문이다.

인듐(In)은 융점이 150도 정도의 금속으로 저융점 합금에 널리 사용되는 원소로서, 합금의 용융점을 낮추고, 흐름성을 개선하며, 내부인성을 증가시키는 원소이다.

본 발명에 따른 은납 브레이징 합금의 인듐(In) 함량은 1.0~2 중량%이다.

인듐의 경우 가장 낮은 온도에서 용융되는 원소로, 1.0~2 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다.

여기서 상기 인듐을 1 중량%이상 첨가하였을 경우 고온에서(650도~850도) 표면장력이 급격하게 떨어져 용접성을 저해하므로, 2 중량% 미만으로 첨가하는 것이 바람직하다. 또한, 인듐의 함량이 1 중량% 미만인 경우 흐름성의 개선효과가 미약하며, 2 중량 %를 초과하는 경우에는 합금의 취성을 유발시킨다.

갈륨(Ga)은 본 발명의 은납 브레이징 합금의 은을 대체하기 위한 원소이며, 은에 비해 가격이 저렴한 원소이다.

또한, 상기 갈륨은 용융점을 낮추기 위한 원소이며, 고온에서도 표면산화를 막아주며, 용융 시 표면장력을 높인다.

또한, 상기 갈륨은 고온에서 표면산화를 방지하기 위해 0.1 중량%를 첨가 하며, 용융점을 낮추기 위해서는 1~2 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다.

붕소(B)는 동, 철, 스테인리스, 티탄표면에서의 침투확산력을 증가시키며, 인과 대등하며, 환원성 셀프플럭스 역할을 하는 원소로서 특히 철강, 스테인리스 재에서는 셀프플럭스 역할이 인보다 우수하며 인의 취성을 대체하는 원소로 확인되었으며, 응고시 용접응력 및 수축공으로 인한 보이드(void)의 발생을 막기 위하여 첨가하는 합금 성분이다.

본 발명에 따른 브레이징 합금의 붕소(B) 함량은 0.01~1.6 중량% 이다. 붕소(B)함량이 0.01 중량% 미만인 경우에는 흐름성 효과가 미약하며, 1.6 중량%를 초과하는 경우에는 융점이 상승함과 동시에 취성이 발생하기 때문이다.

주석(Sn)은 융점이 매우 낮아, 브레이징 합금의 융점을 저하시키는 첨가원소이다. 또한 용융 브레이징 합금의 유동도, 젖음성, 침투력 등을 향상시킨다.

본 발명에 따른 은납 브레이징 합금의 주석(Sn) 함량은 0.1~2 중량% 이다. 주석(Sn)함량이 0.1 중량% 미만인 경우에는 흐름성 및 용접성 등의 개선 효과가 거의 나타나지 않으며, 2 중량%를 초과하는 경우에는 저온 취성이 유발되기 때문이다.

실리콘(Si)은 황동 용접재, 은납 용접재에서 중요한 첨가원소로 용접재의 흐름성을 증대시키며 탈아연현상을 억제하는 원소이다.

본 발명에 따른 은납 브레이징 합금의 실리콘(Si) 함량은 0.1~0.75 중량%로 첨가하는 것이 바람직하다.

게르마늄(Ge)은 용접 후 용접부위가 응고될 때 조직을 미세화 시켜주며 용접표면에 부식을 막아주는 원소이다.

본 발명에 따른 은납 브레이징 합금의 게르마늄(Ge) 함량은 0.01~0.5 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다.

리튬(Li)은 저융점 합금설계 시 소량(0.01~0.5%)으로 첨가하여 융점을 낮추는 원소이다.

본 발명에 따른 은납 브레이징 합금의 리튬(Li) 함량은 0.01~0.5 중량%이다.

상기 리튬을 0.5 중량%이상 첨가할 경우 고온에서 급격하게 산화피막을 형성하여 용접재의 흐름을 방해하므로 0.5 중량% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.

니켈(Ni)은 통상적으로 사용되는 브레이징 합금에 첨가되는 원소로서 기계적 특성을 향상시키는 원소이다. 특히 니켈(Ni)은 탈아연 현상을 줄이는 원소로 사용된다.

본 발명에 따른 은납 브레이징 합금의 니켈(Ni) 함량은 0.1~2 중량%로 첨가하는 것이 바람직하다.

망간(Mn)은 철강재 용접시 그 표면에 용착성과 기계적 물성을 향상시켜주는 원소이다.

본 발명에 따른 은납 브레이징 합금의 망간(Mn) 함량은 0.1~2 중량%로 첨가하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 브레이징 합금은 상기 합금성분을 제외한 잔부로서 구리(Cu)를 포함한다.

<실시예 1>

다음과 같은 조성으로 은납 브레이징 합금을 제조하였다.

표 1

	Cu	P	Ag	Zn	In	Ga	B	Si	Ge	Li	Mn	Cd
실시예 1	bal.	1.4	12	26			0.01	0.1	0.1		0.1
실시예 2	bal.	3	20	25		0.5	0.02	0.1
실시예 3	bal.	2	30	23	0.5	1.5	0.01	0.15	0.1		0.1
실시예 4	bal.	1	50	20	1	2	0.3	0.21	0.1		1
비교예 1(AWS,Bag-1)	bal.		45	14								25
비교예 2(AWS,Bag-20)	bal.		30	30

(중량%)

위와 같이 제조한 은납 브레이징 합금의 고상선, 액상선을 각각 측정하였으며, 그 결과를 표 2, 도면에 기재하였다.

표 2

	고상선(℃)	액상선(℃)
실시예 1	723	767
실시예 2	712	762
실시예 3	665	731
실시예 4	605	635
비교예 1	607	618
비교예 2	677	716

<용접성 평가 : 동관, 철관의 이종금속 관 접합>

Cu-Fe 이종금속 접합 시편 20개를 다음과 같은 용접조건으로 용접한 후 절개하여 단면을 검사하였다.

- 접합 대상 : 구경 6.3mm 철관, 구경 6.8mm 동관

- 가열조건 : LNG, 가스토치, 가스 플럭스 투입(methyl borate)

- 플럭스 : AWS type/FB3A

- 용접온도 : 830~860℃

- 용접대 공급 : 실시예 2(Ag 20%), 선경 1.8mm 보빈, 일정량 자동공급

- 용접기 : 서경브레이징 자동용접기

상기 표 2에 기재된 바와 같이, 실시예 2의 브레이징 합금은 비교예 1에 비하여 고상선 온도가 높다. 따라서 실시예 2는 비교예 1보다 용접재의 용융시간이 더 걸렸다. 하지만, 실시예 2는 비교예 1보다 Cu-Fe 이종금속 배관에 대한 침투 속도가 빠르기 때문에 용접완료 시간은 실시예 2가 비교예 1보다 1초 빨랐다.

또한, 도 1에 나타난 바와 같이 비교예 1의 브레이징 합금을 사용한 경우 육안으로 확인을 하여도 철관의 내측이 깨끗하지 못하고, 용가재의 분포가 불량한 것을 알 수 있다. 이에 반해 도 2에 나타난 바와 같이 실시예 2의 브레이징 합금을 사용한 경우 철관의 내측이 깨끗하고, 용가재의 분포가 균일한 것을 알 수 있다.

게다가 도 2 및 4에 나타난 바와 같이 비교에 1의 브레이징 합금을 사용한 경우 도 2a 내지 2c에 나타난 바와 같이 용접 조직의 Grain size가 크고, 조직이 조밀하지 못하여 진동 또는 온도차에 의한 시효성 변형에 취약하게 된다.

이에 반해, 실시예 2의 은납 브레이징 합금을 사용한 경우 도 4a 내지 4c에 나타난 바와 같이 용접 조직의 Grain size가 작고, 조직이 조밀(빗살무늬 조직)하여 진동 또는 온도차에 의한 시효성 변형에 강하게 된다. 또한, 이종금속 간의 친화력이 높아 용접 시 용가재의 불필요한 낭비(흘러내림)을 줄이고, 종래에 비해 양호한 비드(bead)를 얻을 수 있다.

따라서 본 발명에 따른 은납 브레이징 합금은 은(Ag)을 적게 함유하면서도 은(Ag)을 많이 함유하는 종래의 합금보다 우수한 용접성을 보인다는 것을 확인할 수 있었다.

이상에서 설명된 본 발명의 은납 브레이징 합금의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims

은(Ag) 1~50 중량%, 아연(Zn) 10~35 중량%, 인(P) 0.01~4 중량% 잔부는 구리(Cu)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 은납 브레이징 합금.
제1항에 있어서,

상기 합금에,

인듐(In) 1∼2 중량%, 갈륨(Ga) 1∼2 중량%, 붕소(B) 0.01∼1.6 중량%, 실리콘(Si) 0.1∼0.75 중량%, 게르마늄(Ge) 0.01∼0.5 중량%, 리튬(Li) 0.01∼0.5 중 량%, 망간(Mn) 0.1∼2 중량%로 이루어지는 군에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 원소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 은납 브레이징 합금.