KR100946936B1 - 브레이징 합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인(P) 5.0~7.5 wt%,및 셀레늄(Se) 0.001~3.0 wt%를 포함하며, 잔부는 구리(Cu)로 이루어진 브레이징 합금 및 상기 브레이징 합금에 인듐(In) 0.01~3.0 wt%, 붕소(B) 0.001~0.5 wt%, 은(Ag) 0.5~15.0 wt% 및 주석(Sn) 0.5~5.0 wt%로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소를 더 포함하는 브레이징 합금을 제공한다. 본 발명에 따른 브레이징 합금은 은(Ag)을 전혀 포함하지 않거나 기존의 은(Ag)을 포함하는 브레이징 합금에 비하여 은(Ag)함량을 낮춤으로써, 제조비용을 낮추면서도 동일하거나 더 우수한 용접성을 제공할 수 있다.

인동합금, 브레이징, 납땜

Description

브레이징 합금{Cu-P-Se BRAZING ALLOY}

본 발명은 브레이징 합금에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구리(Cu), 인(P), 셀레늄(Se)으로 구성되어 있거나, 여기에 인듐(In), 붕소(B), 은(Ag) 및 주석(Sn)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소를 더 포함하는 브레이징 합금에 관한 것이다.

오랫동안 은납땜은 냉난방장치 등의 다양한 산업분야에서 금속결합의 중요한 수단으로 사용되어 왔다. 예컨대 전형적인 냉난방장치나 냉장설비의 배관설비 등에는 적게는 수십에서 많게는 수백 개의 납땜결합이 형성되어 있다.

또한, 납땜은 동관에 동관부품 또는 황동부품들을 결합하는데 사용되고 있는데, 작업온도에 따라 브레이징(경납땜)과 솔더링(연납땜)으로 구분된다. 특히 브레이징은 약400~900℃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 사 용된다.

특히, 황동재의 용접에 있어서는 작업온도가 높아지거나 작업시간이 길어지면 황동표면에서 탈아연 현상이 발생하게 되고, 이로 인해 스케일이 형성될 수 있다. 이렇게 형성된 스케일은 용접재의 흐름을 막기 때문에, 플럭스 보조제(예컨대, 가스 플럭스, 염화물, 불화물, 붕소화합물 등)를 사용하여 용접중에 산화물을 제거하여야 하는 문제가 있어왔다.

현재는 이러한 문제를 해결하기 위한 합금성분으로 은(Ag)이 불가피하게 사용되고 있다. 특히 배관용접 분야의 경우에는 황동부속의 용접시에 용접재로서 0.5~30 wt%의 은(Ag)을 함유한 것을 사용하고 있는데, 은(Ag)을 첨가하는 이유는 융점을 낮추면서 황동표면에서의 흐름성(flowability), 젖음성(wetability), 및 접착성을 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.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 은(Ag)을 포함하지 않거나 적은 함량의 은(Ag)을 포함하여 경제성이 있으면서 종래의 은(Ag)을 포함하는 브레이징 합금과 동일하거나 더 우수한 용접성을 나타내는, 구리(Cu), 인(P), 셀레늄(Se)으로 구성되어 있거나, 여기에 인듐(In), 붕소(B), 은(Ag) 및 주석(Sn)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소를 더 포함하는 브레이징 합금을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 인(P) 5.0~7.5 wt%,및 셀레늄(Se) 0.001~3.0 wt%를 포함하며, 잔부는 구리(Cu)로 이루어진 브레이징 합금을 제공한다.

또한 본 발명은 상기 브레이징 합금에 인듐(In) 0.01~3.0 wt%, 붕소(B) 0.001~0.5 wt%, 은(Ag) 0.5~15.0 wt% 및 주석(Sn) 0.5~5.0 wt%로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소를 더 포함하는 브레이징 합금을 제공한다.

본 발명에 따른 브레이징 합금은 기존의 합금원소와는 달리 구리(Cu), 인(P), 셀레늄(Se)으로 구성되거나, 여기에 인듐(In) 및 붕소(B), 은(Ag) 및 주 석(Sn)으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소를 합금성분으로 더 포함함으로써, 은(Ag)을 전혀 포함하지 않거나 기존의 은(Ag)을 포함하는 브레이징 합금에 비하여 은(Ag)함량을 낮춤으로써, 제조비용을 낮추면서도 동일하거나 더 우수한 용접성을 제공할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예로 한정되는 것으로 해석돼서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

본 발명의 일양태에 따른 브레이징 합금은 구리(Cu)를 중심 원소로 하는 Cu-P-Se 3원합금이다. 이하 각 합금성분의 역할을 설명한다.

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 5.0~7.5 wt% 이다. 인(P) 함량이 5.0 wt% 미만인 경우에는 플럭스 기능이 미약하며, 7.5wt%를 초과하는 경우에는 취성을 유발하기 때문이다.

셀레늄(Se)은 용접성의 향상을 위하여 첨가하는 합금 원소로서, 셀레늄(Se) 은 황동표면에서 침투확산이 매우 빠른 원소이기 때문에 용접시에 용접재를 단시간 내에 확산시키는 역할을 한다.

본 발명에 따른 브레이징 합금의 셀레늄(Se) 함량은 0.001~3.0 wt% 이다. 셀레늄(Se)함량이 0.001wt% 미만인 경우에는 용접성의 향상이 미약하며, 3.0 wt%를 초과하는 경우에는 셀레늄(Se)의 낮은 비등점으로 인하여 기포 발생이 심해짐과 동시에 인산화물과 화합물을 형성하여 표면에 잔류물을 발생시키기 때문이다.

본 발명의 다른 양태에 따른 브레이징 합금은 구리(Cu), 인(P), 셀레늄(Se) 이외에 인듐(In), 붕소(B), 은(Ag) 및 주석(Sn) 으로 이루어진 군에서 1종 이상의 원소를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

인듐(In)은 브레이징 합금의 융점을 낮추고, 흐름성을 개선하며, 내부인성을 증가시키는 합금 성분이다.

본 발명에 따른 브레이징 합금의 인듐(In) 함량은 0.01~3.0 wt% 이다. 인듐(In)함량이 0.01wt% 미만인 경우에는 흐름성의 개선효과가 미약하며, 3.0wt%를 초과하는 경우에는 인듐산화피막이 형성되어 용접시의 흐름성이 저하되기 때문이다.

붕소(B)는 황동표면에서의 침투확산력을 증가시키며, 응고시 용접응력 및 수축공으로 인한 보이드(void)의 발생을 막기 위하여 첨가하는 합금 성분이다.

본 발명에 따른 브레이징 합금의 붕소(B) 함량은 0.001~0.5wt% 이다. 붕소(B)함량이 0.001wt% 미만인 경우에는 보이드 억제 효과가 미약하며, 0.5wt%를 초과하는 경우에는 융점이 상승함과 동시에 흐름성이 저하되기 때문이다.

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. 다만, 비용적인 문제가 있기 때문에 통상적인 은(Ag) 함량은 0.5~30 wt% 정도이다.

본 발명에 따른 브레이징 합금의 은(Ag) 함량은 0.5~15.0 wt% 이다. 은(Ag)함량이 0.5 wt% 미만인 경우에는 흐름성 및 용접성 등의 개선 효과가 거의 나타나지 않으며, 15.0 wt%를 첨가하였을 경우에는 통상적으로 30 wt%의 은(Ag)을 함유한 용접재와 동일한 특성을 보이기 때문이다.

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

본 발명에 따른 브레이징 합금의 주석(Sn) 함량은 0.5~5.0 wt% 이다. 주석(Sn)함량이 0.5 wt% 미만인 경우에는 흐름성 및 용접성 등의 개선 효과가 거의 나타나지 않으며, 5.0 wt%를 초과하는 경우에는 저온 취성이 유발되기 때문이다.

마지막으로, 구리(Cu)는 브레이징 합금에 있어서 은(Ag)과 유사한 유용한 특징을 갖는 원소이다. 연성, 열전도성, 도전성, 내식성, 강한 침투력 등 많은 장점이 있다.

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

<실시예>

다음과 같은 조성으로 브레이징 합금을 제조하였다.

	Cu	P	Se	In	B	Ag	Sn
실시예1	bal.	7	0.1
실시예2	bal.	6.8	0.1	0.5
실시예3	bal.	6.8	0.5		0.05
실시예4	bal.	6.5	0.05			2
실시예5	bal.	6.8	0.5				5
비교예1	bal.	6.25				5
비교예2	bal.	5.05				15

(단위: wt%)

비교예1: KS-BCUP-3

비교예2: KS-BCUP-5

위와 같이 제조한 브레이징 합금의 고상선, 액상선 및 인장강도를 각각 측정하였으며, 그 결과를 표 2에 기재하였다.

	고상선 (℃)	액상선 (℃)		인장강도 (N/㎟)
실시예1	710	760		998
실시예2	690	760		1100
실시예3	710	780		1100
실시예4	645	765		1150
실시예5	670	695		950
비교예1	645	815
비교예2	645	800

<용접성 평가: 3방향 황동분배관에 동관용접>

냉각기용 U자형 3방향 황동분배관 시편 20개를 다음과 같은 용접조건으로 용접한 후 절개하여 단면을 검사하였다. 이때 용접재로는 상기 실시예 1과 비교예 1(KS-BCUP-3. Ag 5wt% 함유)을 사용하였다.

- 구경: 40mm, 24mm

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

- 용접온도: 830~860℃

- 용접재 공급: 선경 1.8mm 보빈, 일정량 자동공급

- 용접기: 서경브레이징 자동용접기

상기 표 2에 기재된 바와 같이, 실시예 1의 브레이징 합금은 비교예 1에 비하여 고상선 온도가 높다. 따라서, 실시예 1은 비교예 1보다 용접재의 용융시간이 더 걸렸다. 하지만, 실시예 1은 비교예 1보다 황동분배관에 대한 침투 속도가 빠르기 때문에 용접완료 시간은 실시예 1이 비교예 1보다 1초 빨랐다.

따라서, 본 발명에 따른 브레이징 합금이 은(Ag)을 함유하지 않으면서도 은(Ag)을 함유하는 종래의 합금보다 우수한 용접성을 보인다는 것을 확인할 수 있었다.

도 1의 사진을 참조하면, 실시예 1의 용접재를 사용한 경우에 용접 부위에서 우수한 침투성을 보이는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 브레이징 합금의 젖음성, 침투성 등의 용접성이 은(Ag)을 함유하지 않으면서도 은(Ag)을 함유하는 종래의 합금보다 우수한 용접성을 갖는다는 것을 확인할 수 있었다.

도 1은 본 발명의 실시예 1을 사용하여 브레이징된 냉방기기용 구리배관의 단면도이다.

Claims (2)

1. P: 5.0~7.5 wt%, 및 Se: 0.001~3.0 wt%를 포함하며, 잔부는 Cu로 이루어진 브레이징 합금.
2. 제 1 항에 있어서,

   In: 0.01~3.0 wt%, B: 0.001~0.5 wt%, Ag: 0.5~15.0 wt% 및 Sn: 0.5~5.0 wt%로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 브레이징 합금.

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