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KR102253406B1 - 이종금속 접합재 및 이를 이용한 이종금속 브레이징 방법 - Google Patents

이종금속 접합재 및 이를 이용한 이종금속 브레이징 방법 Download PDF

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KR102253406B1
KR102253406B1 KR1020200049688A KR20200049688A KR102253406B1 KR 102253406 B1 KR102253406 B1 KR 102253406B1 KR 1020200049688 A KR1020200049688 A KR 1020200049688A KR 20200049688 A KR20200049688 A KR 20200049688A KR 102253406 B1 KR102253406 B1 KR 102253406B1
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KR
South Korea
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metal
layer
base material
titanium
bonding material
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KR1020200049688A
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이진규
박진수
장보훈
홍순직
Original Assignee
공주대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 이종의 제1 금속모재와 제2 금속모재를 브레이징하는 이종금속 접합재에 있어서, 상기 이종금속 접합재는 필러메탈층, 삽입층 및 확산방지층으로 이루어지고, 상기 필러메탈층은 하기 화학식 1을 만족하는 이종금속 접합재에 관한 것이다.
[화학식 1]
ZraTibNicCud
(상기 화학식 1에서 a는 지르코늄(Zr), b는 티타늄(Ti), c는 니켈(Ni) 및 d는 구리(Cu)의 원자%를 의미하며, a는 25 내지 60 원자%이며, b는 20 내지 55 원자%이며, c는 7 내지 21 원자% 및 d는 3 내지 9 원자%이다.)

Description

이종금속 접합재 및 이를 이용한 이종금속 브레이징 방법{Bonding material for dissimilar metal and brazing method using the same}
본 발명은 접합이 곤란한 이종금속 소재를 이종금속 접합재를 이용하여 낮은 온도에서 접합 가능하며, 접합부의 강도와 연신율을 상승시킨 이종금속 접합재 및 이를 이용한 이종금속 브레이징 방법에 관한 것이다.
브레이징(Brazing) 접합이란 접합하고자 하는 모재사이에 상기 모재의 용융점보다 낮은 온도에서 용융하는 소정의 필러메탈층을 삽입하고, 상기 필러메탈층을 용융시켜 상기 모재를 접합하는 접합법을 의미한다. 상기 브레이지 접합은 상기 모재를 용융하여 접합시키는 용접과는 다르게 상기 모재의 용융점보다 더 낮은 온도에서 접합시킴으로써 모재가 변형되지 않는다는 장점과 그라인딩 작업이나 줄질 등 후가공 공정이 없이도 깨끗한 접합 부위를 얻을 수 있으며, 후가공에서 소모되는 비용과 시간을 절감할 수 있다는 장점이 있기에 산업현장에서 폭넓게 사용되고 있다.
특히 브레이징 접합은 이종금속을 접합시키는데 탁월한 장점이 있으며, 그 중 강도가 강하면서 중량이 낮은 티타늄(Ti)과 스테인리스 강(STS)을 접합하는 기술이 주목받고 있다. 이는 상기 티타늄(Ti)는 상대적으로 스테인리스 스틸(STS)에 비해 고강도이면서 경중량이지만, 무게당 단가가 높은 관계로 모든 부위를 티타늄으로 대체하기 어려워 높은 강도가 요구되는 특정 부분에 한해 스테인리스 스틸(STS)를 티타늄(Ti)으로 대체하고, 이를 접합하여 사용하는 방법이 연구되고 있기 때문이다.
상기의 접합방법으로 브레이징(brazing)접합법이 활발히 연구되고 있으나, 접합 온도를 낮추는 동시에 기계적 특성의 손상을 최소화 하기에 많은 어려움이 있다.
특히 일반적인 필러메탈로 사용하는 Zr-Ti 합금은 상기 지르코늄(Zr)의 함량이 증가하면, 상대적으로 티타늄(Ti)함량이 감소하고, 상기 티타늄(Ti)의 함량이 증가하면 상대적으로 지르코늄(Zr)의 함량이 감소하는 특징이 있는데, 상기 지르코늄(Zr)의 함량이 증가하면 금속간화합물이 생성되어 접합부의 기계적 특성이 저하되며, 상기 티타늄(Ti)의 함량이 증가하면, 용융온도가 상승하는 문제점이 있었다.
이를 최소화하기 위해 국내 특허 중 KR10-1054462B1에서는 바나듐(V)층 을 포함한 필러메탈을 개시하였으나, 상기 바나듐 층은 스테인리스 스틸(STS) 중 철(Fe) 성분과 반응하여 금속간화합물이 생성되고, 필러메탈의 지르코늄(Zr)과 반응하여 금속간화합물이 생성되어 접합계면에서의 크랙 발생의 원인이 될 수 있다.
이에, 금속간화합물이 생성을 억제하며 티타늄(Ti)과 스테인리스 스틸(STS)을 접합하는 기술이 요구되고 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1054462호 (2011.07.29.)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti) 니켈(Ni) 및 구리(Cu)로 구성된 필러메탈층을 포함한 이종금속 접합재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 상기 필러메탈과 금속모재 사이의 계면에서 금속간화합물이 생성되는 것을 억제하여 결합강도와 연신율을 향상시킨 이종금속 접합재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태는 이종의 제1 금속모재와 제2 금속모재를 브레이징하는 이종금속 접합재에 있어서, 상기 이종금속 접합재는 필러메탈층, 삽입층 및 확산방지층으로 이루어지고, 상기 필러메탈층은 하기 화학식 1을 만족하는 것에 특징이 있는 이종금속 접합재에 관한 것이다.
[화학식 1]
ZraTibNicCud
(상기 화학식 1에서 a는 지르코늄(Zr), b는 티타늄(Ti), c는 니켈(Ni) 및 d는 구리(Cu)의 원자%를 의미하며, a는 25 내지 60 원자%이며, b는 20 내지 55 원자%이며, c는 7 내지 21 원자% 및 d는 3 내지 9 원자%이다.)
상기 일 양태에 있어, 상기 제1 금속모재는 티타늄(Ti)을 포함하며, 상기 제2 금속모재는 스테인리스 스틸(STS)을 포함할 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 확산방지층은 상기 삽입층과 상기 제2 금속모재의 계면에 삽입되어, 금속간화합물이 생성되는 것을 억제할 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 확산방지층은 구리(Cu), 망간(Mn) 및 니켈(Ni)을 포함하는 구리 합금으로 로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 금속을 포함하는 박판일 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 확산방지층은 구리(Cu)일 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 삽입층은 제2 금속모재와의 열팽창 계수 차이가 하기 관계식 2를 만족시키는 금속으로 제공될 수 있다.
[관계식 2]
0.8 ≤ αi/αm ≤ 1.2
(상기 αi는 삽입층을 형성하는 금속의 열팽창 계수이며, αm는 제2 금속모재의 열팽창 계수이다.)
상기 일 양태에 있어, 상기 삽입층은 바나듐(V)일 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 이종금속 접합재는 상기 제1 금속모재 및 상기 제2 금속모재와 브레이징 후 250 내지 500㎫의 인장강도로 결합할 수 있다.
본 발명의 또다른 일 양태에 따르면, a) 티타늄(Ti)과 스테인리스 스틸(STS)의 표면을 연마하는 단계, b) 상기 티타늄(Ti)과 스테인리스 스틸(STS)을 챔버에 장입하고 중간에 필러메탈층을 삽입하는 단계, c) 상기 필러메탈층과 상기 스테인리스 스틸 사이에 삽입층 및 확산방지층을 순차적으로 삽입한 후 챔버를 일정 압력의 진공으로 하는 단계, d) 챔버에 아르곤을 주입하고 상기 티타늄과 상기 스테인리스 스틸 일 면에 압력을 가하면서 승온하는 단계 및 e) 일정 압력과 온도를 유지한 후 상온까지 노냉하는 단계로 이루어진 이종금속 접합재에 관한 것이다.
상기 일 양태에 있어, 상기 a) 단계는 아세톤 및 에탄올을 사용하여 초음파로 세척 한 후 공기 중에서 건조하는 단계를 더 포함하는, 이종금속 접합재를 이용할 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 c) 단계는 1×10-5Torr 내지 5×10-6Torr에서 수행될 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 d) 단계에서 상기 티타늄(Ti)과 상기 스테인리스 스틸(STS)은 850 내지 900℃에서 20 내지 50kgf/㎠으로 30 내지 60분 동안 가압될 수 있다.
본 발명에 의하면, 지르코늄(Zr)의 양을 25 내지 60 원자%로 한정하여 높은 인장강도를 갖는 동시에 880℃이하의 온도에서 브레이징이 가능한 이종금속 접합재를 제공할 수 있다.
동시에, 상기 필러 메탈층과 금속모재이 계면에 삽입층 및 확산방지층을 삽입하여, 금속간화합물이 생성되는 것을 억제할 수 있다. 이를 통해, 상기 금속간화합물로 인하여 결합부에 취성파괴가 발생되는것을 억제하여, 접합면의 접합강도와 변형율이 우수한 이종금속 접합재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이종금속 접합재의 접합부를 나타낸 도면이다.
도 2는 비교예 1-2로 접합한 접합부의 단면을 분석하기 위한 SEM 및 EDS Line scanning으로 분석한 결과이다.
도 3은 Zr58Ti22Ni14Cu6 / STS 계면을 고배율로 관찰한 사진이다.
도 4는 실시예 1-1로 브레이징 한 접합부의 단면을 분석하기 위한 SEM 및 EDS Line scanning으로 분석한 결과이다.
도 5는 브레이징 이후 V/Cu의 계면과 Cu/STS304 계면의 미세구조를 고배율로 관찰한 사진이다.
도 6은 상기 필러메탈층과 상기 삽입층의 계면을 SEM 및 EDS Line scanning으로 분석한 결과이다.
도 7은 실시예 2-1 내지 2-2 및 비교예 2-1 내지 2-2로 제조된 접합재의 상기 필러메탈층과 상기 삽입층의 계면을 SEM으로 관찰한 사진이다.
이하 본 발명에 따른 이종금속 접합재 및 이를 이용한 브레이징 방법에 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 양태는 이종의 제1 금속모재와 제2 금속모재를 접합시킬 수 있는 다층 이종금속 접합재에 관한 것으로, 더 상세하게는 필러메탈층, 삽입층 및 확산방지층을 포함하는 이종금속 접합재에 관한 것이다. 상기 이종금속 접합재는 상기 제1 금속모재와 상기 제2 금속모재 사이에 삽입되며, 브레이징을 통해 상기 제1 금속모재와 상기 제2 금속모재를 접합시킬 수 있다.
브레이징이란, 접합하고자 하는 한 쌍의 금속모재 사이에 상기 금속모재의 용융온도보다 낮은 소정의 접합물질을 삽입하고 상기 접합물질을 용해시켜 접합하는 방법으로, 경납땜(Hard soldering)으로 부르기도 한다.
즉, 브레이징은 상기 제1 금속모재의 용융점과 상기 제2 금속모재의 용융점 보다 더 낮은 온도에서 상기 금속모재를 접합시킬 수 있으며, 이를 통해 티타늄(Ti), 스테인리스 스틸(Stainless steel; STS) 등 용융점이 높은 금속을 비교적 낮은 온도에서 접합시킬 수 있다. 또한, 높은 용융점으로 인하여 발생되는 열변형, 모재 내부의 잔류응력을 저감할 수 있다.
본 발명에서의 상기 제1 금속모재와 상기 제2 금속모재는 상기 접합재층의 용융점 보다 높은 용융점을 가진 소정의 금속을 포함할 수 있다. 실시 예에 따르면, 상기 제1 금속모재는 티타늄(Ti)을 포함할 수 있으며, 상기 제2 금속모재는 스테인리스 스틸(Stainless steel; STS)을 포함할 수 있다. 더 바람직하게 상기 제2 금속모재는 300계의 스테인리스 스틸(Fe-Cr-Ni Stainless steel)을 포함할 수 있으며, 304 스테인리스 스틸(304 Stainless steel)일 수 있다.
상기 필러메탈층은 상기 제1 금속모재 및 상기 제2 금속모재보다 더 낮은 온도에서 용융되는 소정의 금속물질로 제공될 수 있으며, 바람직하게는 Zr-Ti계 합금으로 제공될 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 필러메탈층은 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti) 니켈(Ni) 및 구리(Cu)를 포함하는 합금일 수 있으며, 바람직하게는 하기 화학식 1로 형성될 수 있다.
[화학식 1]
ZraTibNicCud
(상기 화학식 1에서 a는 지르코늄(Zr), b는 티타늄(Ti), c는 니켈(Ni) 및 d는 구리(Cu)의 원자%를 의미하며, a는 25 내지 60 원자%이며, b는 20 내지 55 원자%이며, c는 7 내지 21 원자% 및 d는 3 내지 9 원자%이다.)
아울러, 상기 필러메탈층의 상기 지르코늄(Zr)의 원자% 및 상기 티타늄(Ti)의 원자%는 하기 관계식 1을 만족하는 범위 내에서 선택될 수 있다.
[관계식 1]
35 ≤ (a + b)/2 ≤ 45
(상기 a는 상기 지르코늄(Zr)의 원자%이며, b는 상기 티타늄(Ti)의 원자%이다.)
다시 말해, 상기 필러메탈층은 상기 니켈(Ni) 및 상기 구리(Cu)의 원자%는 고정된 상태에서 상기 지르코늄(Zr) 또는 상기 티타늄(Ti) 중 어느 하나의 성분의 원자%를 조절하여 제공될 수 있다. 즉, 상기 지르코늄(Zr) 및 상기 티타늄(Ti)의 합이 70원자% 이상 90원자% 이하의 범위 내에서 상기 지르코늄(Zr) 및 상기 티타늄(Ti)의 성분을 조절할 수 있다.
상기 지르코늄(Zr) 및 상기 티타늄(Ti)의 합이 70원자% 미만에서는, 상기 제1 금속모재와 상기 제2 금속모재 사이의 결합력, 다시 말해, Ti-STS의 결합력이 크게 감소하게 된다. 구체적으로, 상기 필러메탈층에 포함된 상기 지르코늄(Zr) 및 상기 티타늄(Ti)의 함량이 일정수준 미만이면, 상기 필러메탈층이 용해되었을 때 상기 제1 금속모재 및 상기 제2 금속모재 내로 확산되어 금속 결합되는 양이 감소한다. 이로 인해, 상기 제1 금속모재 및 제2 금속모재 사이의 결합력이 낮아지게 되는 것이다.
반면에, 상기 지르코늄(Zr) 및 상기 티타늄(Ti)의 합이 90원자%를 초과하면, 상대적으로 고융점인 지르코늄(Zr) 및 티타늄(Ti)의 함량이 높아짐에 따라 상기 필러메탈층을 용융시키기 위한 열 에너지가 증가한다. 이에, 상기 필러메탈층의 고상선(Ts)온도와 액상선(TL)온도가 상승할 수 있다. 이는 제1 금속모재와 제2 금속모재의 열변형 및 결정립 성장을 야기할 수 있다. 아울러, 상술한 구리(Cu)의 함량이 감소하여 일정 함량 이하가 되면 상기 필러메탈층의 연성, 열 전도성, 내부식성 및 젖음성이 저하 될 수 있다. 따라서, 상기 지르코늄(Zr) 및 상기 티타늄(Ti)의 함량은 상기 관계식 1에 해당하는 범위 내에서 선택될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 필러메탈층은 브레이징 시 상기 제2 금속모재와 반응하여 소정의 금속간화합물이 생성될 수 있다. 구체적으로, 브레이징을 위해 상기 필러메탈층을 용융시키면, 용융된 필러메탈층의 일부가 상기 제2 금속모재로 확산될 수 있다. 이 때, 용융된 필러메탈층이 상기 제2 금속모재와 반응하여 상기 필러메탈층과 상기 제2 금속모재 사이의 계면에 금속간화합물이 생성될 수 있다. 더 구체적으로, 상기 필러메탈층의 티타늄(Ti)이 상기 제2 금속모재의 철(Fe)와 반응하여 TiFe 금속간화합물이 생성될 수 있다. 상기 금속간화합물은 상기 계면에 스폴링(Spalling)을 일으켜 취성파괴를 유발할 수 있다. 따라서, 상기 취성파괴를 방지하기 위하여 상기 필러메탈층과 상기 제2 금속모재 사이 계면에 소정의 금속층을 삽입하여 상기 위치에서 금속간화합물이 생성되는 것을 억제할 수 있다. 이하, 상기 필러메탈층과 상기 제2 금속모재 사이 계면에 삽입한 소정의 금속층을 삽입층으로 정의한다.
상기 삽입층은 상술한 바와 같이, 상기 필러메탈층과 상기 제2 금속모재 사이의 계면에서 금속간화합물이 생성되는 것을 방지하기 위하여 삽입된 층을 의미하며, 소정의 금속으로 이루어진 박판으로 형성될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 삽입층의 두께는 20 내지 100㎛일 수 있다. 상기 삽입층의 두께가 20㎛보다 얇으면, 용융된 필러메탈층의 일부가 상기 삽입층을 통과하여 제2 금속모재로 확산할 수 있으며, 상기 삽입층을 통과하여 확산된 필러메탈층의 티타늄(Ti)이 상기 제2 금속모재의 철(Fe)와 결합하여 TiFe 금속간 화합물이 발생한다. 반대로 상기 삽입층의 두께가 100㎛를 초과하면, 상기 필러메탈층과 상기 제2 금속모재 사이의 확산반응이 발생하지 않아 결합력이 감소할 수 있다. 상술한 이유로, 상기 삽입층의 두께는 20 내지 100㎛ 일 수있으며, 더 바람직하게는 40 내지 70㎛일 수 있다.
상기 삽입층은 소정의 열팽창계수(αi)를 갖는 금속으로 제공될 수 있으며, 바람직하게는 바나듐(V), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 하프늄(Hf), 탄탈(Ta), 몰리브덴(Mo) 및 텅스텐(W)으로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 금속으로 제공될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 삽입층의 열팽창 계수와 상기 제2 금속모재의 열팽창 계수는 하기 관계식 2를 만족시킬 수 있다.
[관계식 2]
0.8 ≤ αi/αm ≤ 1.2
(상기 αi는 삽입층을 형성하는 금속의 열팽창 계수이며, αm는 제2 금속모재의 열팽창 계수이다.)
상기 열팽창 계수의 차이(αi/αm)가 관계식 2를 만족하지 못하면, 상기 삽입층과 상기 제2 금속모재 사이 계면에서 열팽창계수의 차이로 인하여 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.
즉, 상기 삽입층은 상기 스테인리스 스틸(STS)의 열팽창계수 17.3 ㎛/mK의 0.8 내지 1.2배의 열팽창 계수를 가지는 금속으로 제공될 수 있으며, 바람직하게는 바나듐(V)으로 제공될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 삽입층은 상기 제2 금속모재와 반응하여 소정의 금속간화합물이 생성될 수 있다. 구체적으로, 상기 삽입층의 바나듐(V)이 브레이징 중에 상기 제2 금속모재에 확산하여 (V-Fe)σ상의 금속간화합물이 생성될 수 있다. 상기 금속간화합물 역시 취성파괴를 유발할 수 있으며, 브레이징 결합부의 기계적 특성을 약화시킬 수 있다. 따라서, 상기 취성파괴를 방지하기 위하여 상기 필러메탈층과 상기 제2 금속모재 사이 계면에 소정의 금속층을 삽입하여 상기 위치에서 금속간화합물이 생성되는 것을 억제할 수 있다. 이하, 상기 삽입층과 상기 제2 금속모재 사이 계면에 삽입한 소정의 금속층을 확산방지층으로 정의한다.
상기 확산방지층은, 상술한 바와 같이, 상기 삽입층과 상기 제2 금속모재의 계면에 삽입되며, 상기 삽입층과 상기 제2 금속모재 사이에 금속간화합물이 생성되는 것을 억제할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 확산방지층의 두께는 5 내지 50㎛일 수 있다. 상기 확산방지층의 두께가 5㎛보다 얇으면, 상기 삽입층과 상기 제2 금속모재 사이 계면에서 금속간화합물이 생성될 수 있으며, 더 바람직하게는 (Fe-Cr)σ상 및 (V-Fe)σ상이 생성될 수 있다. 반대로 상기 확산방지층의 두께가 50㎛를 초과하면, 상기 필러메탈층과 상기 제2 금속모재 사이의 확산반응이 발생하지 않아 결합력이 감소할 수 있다. 상술한 이유로, 상기 확산방지층의 두께는 5 내지 50㎛ 일 수있으며, 더 바람직하게는 10 내지 30㎛일 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 양태에 따른 이종금속 접합재는 필러메탈층, 바람직하게는 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 니켈(Ni) 및 구리(Cu)를 포함하는 필러메탈층, 바나듐(V)으로 제공되는 삽입층 및 구리(Cu)로 제공되는 확산방지층 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 이를 통해, 상기 티타늄(Ti)과 상기 스테인리스 스틸(STS)을 브래이징 할 수 있다.
또한, 상기 삽입층과, 상기 확산방지층을 삽입하여 상기 Ti-STS와 상기 필러메탈층 사이의 계면에서 금속간화합물이 생성되는 것을 방지하여 브레이징 결합부의 결합강도를 증가시킬 수 있다.
이상 본 발명의 실시예들에 따른 이종금속 접합재의 구성에 대해 설명하였다. 이하 본 발명의 일 실시예에 따른 이종금속 접합재의 제조방법 및 이를 이용한 브레이징 방법에 대해 설명하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이종금속 접합재의 제조방법은 a) 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 니켈(Ni) 및 구리(Cu)로 이루어진 필러메탈층 조성물을 준비하는 단계; b) 상기 필러메탈층 조성물을 고진공 후 아르곤 분위기에서 아크-용융하여 금속합금을 제조하는 단계; c) 상기 금속합금을 Ar 분위기에서 용융 방사 하여 고형화시키는 단계; 및 d) 상기 고형화된 필러메탈층 조성물의 일 면에 삽입층 및 확산방지층을 순차적으로 적층하는 단계;를 포함할 수 있다.
우선 a) 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 니켈(Ni) 및 구리(Cu)로 이루어진 필러메탈층 조성물을 준비하는 단계를 수행할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어, 상기 필러메탈층 조성물은 고순도 물질로 준비하는 것이 바람직한데, 상기 필러메탈층에 불순물이 포함되면 접합면에 크랙이 발생할 수 있으며, 상기 크랙으로 인하여 접합강도가 감소될 수 있기 때문이다. 바람직한 일 예시로 상기 필러메탈층 조성물 및 삽입재 조성물은 각각의 원소를 99.9 내지 99.999 원자% 이상 포함하는 고순도 분말로 제공될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이 상기 필러메탈층 조성물은 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti) 및 니켈(Ni) 및 구리(Cu)로 제공될 수 있다. 상기 필러메탈층 조성물들의 역할을 구체적으로 살펴보면, 상기 티타늄(Ti)은 상기 필러메탈층의 모재 역할을 수행할 수 있으며, 상기 지르코늄(Zr)은 상기 티타늄(Ti)과 반응하여 전율 고용체를 형성할 수 있다. 또한 니켈(Ni)은 상기 지르코늄(Zr) 및 상기 티타늄(Ti)과 반응하여 용융점을 감소시키는 역할을 하며 젖음성과 내부식성을 향상시키는 역할을 할 수 있다. 마지막으로 상기 구리(Cu) 또한 상기 니켈(Ni)과 유사하게 상기 브레이징용 필러 메탈의 용융점을 저감하는 역할을 수행할 수 있다. 아울러, 상기 구리(Cu)는 모재인 스테인리스 스틸(STS)에 포함된 철(Fe), 크롬(Cr)과도 특별한 금속간화합물을 생성하지 않으며, 추가적으로 연성, 열 전도성, 내부식성 및 젖음성을 강화시킬 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 지르코늄(Zr)이 20 내지 70원자%, 상기 티타늄(Ti)이 10 내지 60원자%, 상기 니켈(Ni)이 7 내지 21원자% 및 상기 구리(Cu)가 3 내지 9원자%로 구성될 수 있으며, 더 바람직하게는 상기 지르코늄(Zr) 및 상기 티타늄(Ti)이 상술한 관계식 1을 만족하는 범위 내에서 구성될 수 있다.
[관계식 1]
35 ≤ (a + b)/2 ≤ 45
(상기 관계식 1에서 a는 지르코늄(Zr)의 원자%이며, b는 티타늄(Ti)의 원자%이다.)
다음으로, b) 상기 필러메탈층 조성물을 고진공 후 아르곤 분위기에서 아크-용융하여 금속합금을 제조하는 단계를 수행할 수 있다.
구체적으로 상기 필러메탈층 조성물을 10-4 내지 10-5torr의 고진공 후 소정의 아르곤(Ar) 분위기에서 상기 금속에 아크를 방전시켜 용융하는 아크-용융(Arc-melting)을 통해 용융할 수 있다. 이 때, 상기 금속 합금의 균질성 향상을 위해 상기 금속 합금을 용융하고 응고하는 과정을 2회 이상 반복하여 수행할 수 있으며, 바람직하게는 5회 이상 반복하여 수행할 수 있다.
다음으로, c) 상기 금속합금을 Ar 분위기에서 용융 방사 하여 고형화시키는 단계를 수행할 수 있으며, 구체적으로 상기 금속 합금을 용융하고 20 내지 40㎧의 표면 속도로 회전하는 구리-휠(Cu-Wheel)로 방사시킨 후 급속 응고하여 소정의 폭을 가진 리본 형태의 필러메탈층을 제조할 수 있다. 상기 필러메탈층은 20 내지 80㎛의 두께와 10㎜ 미만의 폭을 가질 수 있으며, 더 바람직하게는 40 내지 50㎛의 두께와 3 내지 4㎜의 폭을 가질 수 있다.
마지막으로, d) 상기 고형화된 필러메탈층 조성물의 일 면에 삽입재 조성물을 순차적으로 적층하는 단계를 수행할 수 있다.
구체적으로, 상기 필러메탈층 조성물의 일 면에 상기 바나듐(V)으로 제공되는 삽입층 및 구리(Cu)로 제공되는 확산방지층을 순차적으로 적층할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 삽입층의 두께는 20 내지 100㎛일 수 있으며, 더 바람직하게는 40 내지 70㎛일 수 있다. 마찬가지로 상기 확산방지층의 두께는 5 내지 50㎛일 수 있으며, 더 바람직하게는 10 내지 30㎛일 수 있다. 상기 삽입층 및 확산방지층이 상술한 두께 범위를 만족하지 못하였을 때의 효과는 앞서 설명하였음으로 생략한다.
또한, 상기 이종금속 접합재는 a) 티타늄(Ti)과 스테인리스 스틸(STS)의 표면을 연마하는 단계, b) 상기 티타늄(Ti)과 스테인리스 스틸(STS)을 챔버에 장입하고 중간에 필러메탈층을 삽입하는 단계, c) 상기 필러메탈층과 상기 스테인리스 스틸 사이에 삽입층 및 확산방지층을 순차적으로 삽입한 후 챔버를 일정 압력의 진공으로 하는 단계, d) 챔버에 아르곤을 주입하고 상기 티타늄과 상기 스테인리스 스틸 일 면에 압력을 가하면서 승온하는 단계, e) 일정 압력과 온도를 유지한 후 상온까지 노냉하는 단계를 통하여 브레이징될 수 있다. 상기 브레이징 과정에 대한 구체적인 과정은 후술할 실시예를 통해 설명 한다.
이하, 실시예를 통해 본 발명에 따른 이종금속 접합재 및 이를 이용한 브레이징 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.
1) 이종금속 접합재 제조
[제조예 1]
원료 물질로써 순도 99.9%의 Zr, Ti, Ni, Cu 원소를 준비하였으며, 상기 금속들을 아크-용융(Arc-melting)하여 10g의 모합금을 제조하였다. 구체적으로 상기 Zr, Ti,Ni 및 Cu에 대하여 Zr 58원자%, Ti 22원자%, Ni 14원자% 및 Cu 6원자%를 칭량하였으며, 상기 칭량된 금속을 챔버에 장입하였다. 상기 챔버를 5×10-5torr의 고진공 상태로 조성한 후에 5 내지 10㎪의 99.99% 고순도 아르곤(Ar)가스를 주입하여 산화방지 조건을 만들었으며, 아크-용융(Arc-melting)법으로 상기 금속들을 용융하여 Zr58Ti22Ni14Cu6의 조성을 갖는 모금속 10g을 제조하였다. 이 때, 아크-용융(Arc-melting)과정에서의 편석 발생을 방지하기 위해 상기 금속합금을 5회 반복하여 재용융하여 균질성을 확보하였다.
이 후, 상기 모금속을 50 내지 100㎪의 99.99% 고순도 아르곤(Ar)분위기에서 32㎧로 회전하는 구리(Cu) 휠 상으로 용융 방사 후 응고시켜 리본 모양의 필러메탈층을 제조하였으며, 구체적으로 두께가 40 내지 50㎛, 폭은 3 내지 4㎜이며, Zr30Ti50Ni14Cu6의 조성을 갖는 리본 모양의 필러메탈층을 제조하였다.
상기 필러메탈층의 일 면에 삽입층으로 50㎛두께의 바나듐(V)박판과 확산방지층으로 20㎛ 두께의 구리(Cu)박판을 적층하여 Zr58Ti22Ni14Cu6/V/Cu 구조로 형성된 이종금속 접합재를 제작하였다. 상기 바나듐(V) 박판은 상용 제품(V 000110, Goodfellow)를 사용하였으며, 구리(Cu) 박판은 상용 제품(Cu 000110, Goodfellow)를 사용하였다.
[제조예 2]
상기 확산방지층을 적층하는 과정을 제외한 것 외 모든 과정을 실시예 1과 동일하게 진행하였다.
[제조예 3]
상기 삽입층 및 상기 확산방지층을 적층하는 과정을 제외한 것 외 모든 과정을 실시예 1과 동일하게 진행하였다.
2) 이종금속 접합재를 삽입하여 Ti-STS 접합
[실시예 1-1]
이후, 상기 제조예 1로 제조된 이종금속 접합재를 삽입하여 티타늄(Ti)과 스테인리스 스틸(STS)을 브레이징 접합 하였다.
구체적으로, 상기 티타늄(Ti)과 스테인리스 스틸(STS)을 각각 두께가 15㎜, 너비가 10×30㎜2의 직육면체 형태로 가공 후 표면을 SiC 사포를 사용하여 #1500까지 표면을 연마하였다. 이후 아세톤 및 에탄올을 사용하여 초음파로 세척 한 후 공기 중에서 건조하였다.
이 후, 도 1에서 개시된 바와 같이 상기 표면처리된 티타늄(Ti)과 스테인리스 스틸(STS) 사이에 상기 제조예 1로 제조된 이종금속 접합재를 삽입하였으며, 이를 5×10-5Torr의 고진공 후에 아르곤(Ar) 분위기에서 상기 티타윰(Ti)과 스테인리스 스틸(STS)을 40kgf/㎠로 가압한 상태로 45℃/min의 속도로 860℃까지 온도를 올린 후 50분간 유지하여 접합하였다.
[비교예 1-1]
상기 표면처리된 티타늄(Ti)과 스테인리스 스틸(STS) 사이에 상기 제조예 2로 제조된 이종금속 접합재를 삽입한 것 외 모든 과정을 실시예 1-1과 동일하게 진행하였다.
[비교예 1-2]
상기 표면처리된 티타늄(Ti)과 스테인리스 스틸(STS) 사이에 상기 제조예 3으로 제조된 이종금속 접합재를 삽입한 것 외 모든 과정을 실시예 1-1과 동일하게 진행하였다.
Figure 112020042194466-pat00001
실험예 1. STS 계면에서의 금속간화합물 발생 억제 효과 확인
상기 이종금속 접합재 삽입 후 브레이징 하여 Ti-STS를 접합시켰을 때, STS 계면에서 금속간화합물이 생성되는 것을 분석하기 위해 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope)에 에너지 분광 X선 분석(Energy Dispersive X-ray microanalysis)장치를 설치하여 실시예 1-1과 비교예 1-1 내지 1-2로 제조된 합금의 접합부를 확인하였다.
도 2의 (a)는 비교예 1-2로 접합한 접합부의 단면을 SEM으로 관찰한 사진이며, 도 2의 (b)는 상기 접합부의 단면을 EDS Line scanning으로 분석한 결과이며, 도 3은 Zr58Ti22Ni14Cu6/STS 계면을 고배율로 관찰한 사진이다.
도 2의 (a)를 참조하면, Ti/Zr58Ti22Ni14Cu6/STS 계면의 미세조직을 확인할 수 있다. 이 때, Ti/Zr58Ti22Ni14Cu6 계면은 특별한 금속간화합물 층이 발견되지 않았으나, Zr58Ti22Ni14Cu6/STS 계면에서는 소정의 금속간화합물을 관찰할 수 있고, 도 2의 (b)의 EDS Line scanning 결과로부터 원소들의 상호확산에 의해 이러한 금속간화합물이 생성되었음을 확인할 수 있다.
더 자세히 알아보기 위해 상기 계면을 고배율로 확대한 도 3을 참조하면, Zr58Ti22Ni14Cu6/STS 계면에 원소들의 상호확산에 의해 2개의 층이 확산영역에 따라 연속적으로 형성되었음을 확인하였다. 이하, 상기 2개의 층 중, 필러메탈층과 접하는 층을 A구역, STS와 접하는 B구역 및 중간지역인 square구역으로 정의한다. 상기 A구역, B구역 및 square구역에 포함된 금속의 조성과 형성가능상(potential phase)은 하기 표 2와 같다.
Figure 112020042194466-pat00002
상기 표 2에 따르면, 영역 A는 45.9원자%의 티타늄(Ti), 33.9원자%의 철(Fe), 9.4원자% 크롬(Cr), 7.7원자%의 지르코늄 및 3.0원자%의 니켈(Ni)이 포함되어 있다. 상기 조성과 각 중량비를 분석하면 상기 영역 A는 TiFe 상과 (Ti, Zr)2Ni 상이 혼합되어 있을 것으로 판단된다.
반면에 영역 B는 67.34원자%의 철(Fe), 26.64원자% 크롬(Cr), 3.11원자%의 티타늄(Ti) 및 2.91원자%의 니켈(Ni)이 포함되어 있다. 이 때, B영역에서는 페라이트계 스테인리스인 STS304을 850℃로 가열하게 되면, 상기 STS304의 주성분인 철(Fe)과 크롬(Cr)이 반응하여 금속간화합물이 생성되며, 바람직하게는 (Fe-Cr)σ상이 생성된다. 상기 (Fe-Cr)σ상은 정방정을 가지며 취성이 큰 특징이 있어, 소량이 생성되어도 접합부의 연성과 인성이 크게 감소될 수 있다. 아울러, A와 B 영역을 포함하는 square 영역에서는 상기 TiFe상과 (Fe-Cr)σ상의 금속간화합물이 혼합되어 있을 것으로 판단되고, 상기 비교예 1-2의 접합부의 인장강도 및 연신율이 낮을 것으로 추정된다.
도면으로 개시되지는 않으나, 상기 비교예 1-1로 접합한 접합부는 바나듐(V)으로 제공되는 상기 삽입층으로 인하여 STS 모재와 삽입재 계면에서 상기 TiFe 상이 생성되는 것을 방지할 수 있다.
상기 바나듐(V)은 상기 필러메탈층의 티타늄(Ti)에 대해 높은 고용도를 가지며, 열팽창 계수가 8.4㎛/mK로 상기 티타늄의 열팽창 계수인 8.6㎛/mK와 유사하다. 이는, 상기 바나듐(V)을 필러메탈층으로 사용할 시, 모재 및 필러메탈층에 함유된 금속들과 반응성이 우수하여 잘 용해되며, 용융과정 중에 팽창 정도가 유사하여 필러메탈층으로 인한 열변형 또는 잔류응력 생성을 방지할 수 있다.
하지만, 상기 바나듐(V)은 STS304의 철(Fe)과 반응하여 (V-Fe)σ상이라는 금속간화합물이 형성될 수 있다는 단점이 있다. 상기 (V-Fe)σ상은 상술한 (Fe-Cr)σ상과 마찬가지로 기계적 성질을 감소시킬 것으로 추정된다.
도 4의 (a)는 실시예 1-1로 접합한 접합부의 단면을 SEM으로 관찰한 사진이며, 도 4의 (b)는 상기 접합부의 단면을 EDS Line scanning으로 분석한 결과이며, 도 5는 접합 이후 V/Cu의 계면과 Cu/STS304 계면의 미세구조를 고배율로 관찰한 사진이다.
도 4의 (a)를 참조하면, 실시예 1-1로 접합한 Ti-STS는 상기 삽입층 및 상기 확산방지층으로 인하여 상기 이종금속 접합재와 STS간의 계면에서 금속간화합물이 생성되지 않음을 확인할 수 있다.
이는 도 4의 (b)에서도 알 수 있듯이 삽입층 및 상기 확산방지층으로 인해 금속간화합물을 형성할 수 있는 원소의 확산이 억제됨을 알 수 있다.
도 5를 참조하면 고배율의 SEM 사진에도 V/Cu 중간재 계면에서 금속간화합물이 관찰되지 않았으며, 이는 Cu/STS 계면에서도 마찬가지도 유사한 계면 상태를 확인할 수 있다.
즉, 상기 삽입층의 바나듐(V)으로 인하여 상기 TiFe상이 생성되는 것을 방지하였으며, 상기 확산방지층의 구리(Cu)로 인하여 상기 (V-Fe)σ상이 생성되는 것을 방지할 수 있음을 증명한다.
이는, 확산방지층이 상기 바나듐(V)과 상기 철(Fe)간의 확산을 방지하였기 때문이다. 구체적으로, 상기 확산방지층이 상기 바나듐(V)과 고용체를 형성하였으며, 이에 상기 바나듐(V)이 상기 스테인리스 스틸(STS)의 주성분인 철(Fe), 크롬(Cr) 및 니켈(Ni)과 반응하여 금속간화합물이 생성되는 것을 차단할 수 있다. 따라서 확산방지층을 삽입하였을 때 V/Cu 계면과 Cu/STS 계면에서 금속간화합물 또는 편석이 발생되는 것을 방지할 수 있으며, 이를 통해, 접합부의 기계적 강도를 증가시킬 수 있다.
상기 삽입층 및 상기 확산방지층이 접합부의 기계적 성질에 미치는 영향을 분석하기 위하여 실시예 1-1 및 비교예 1-1 내지 1-2로 브레이징 접합된 접합부의 인장강도 및 변형률을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 3으로 나타내었다.
Figure 112020042194466-pat00003
상기 표 3을 참조하면, 실시예 1-1로 접합된 접합부의 인장강도는 320㎫이나, 비교예 1-1 내지 1-2로 접합된 접합부의 인장강도는 199㎫, 95㎫로 실시예보다 인장강도가 낮은 것을 확인할 수 있다. 변형률 또한, 실시예 1로 접합된 접합부의 연신율이 0.9%로 가장 높으며, 비교예 1-1 내지 1-2로 접합된 접합부의 연신율은 각각 0.2% 및 0.1%인 것을 확인할 수 있다. 이는 앞서 살펴본바와 같이 상기 접합부에서 TiFe 및 (V-Fe)σ의 금속간화합물이 생성되었기 때문이며, 상기 금속간화합물로 인해 접합부에서의 파괴가 촉진되었기 때문이다.
정리하면, 상기 비교예 1-2의 경우, 상술한 바와 같이 접합부에서 TiFe의 금속간화합물이 생성되는 것을 확인할 수 있으며, 상기 접합면은 95㎫의 가장 낮은 인장강도를 기록하였다. 이는 상기 금속간화합물이 생성됨으로써 취성파괴 및 강도저하가 발생되었다는 증거가 된다. 상기 1-1의 경우, 필러메탈층과 STS사이에 바나듐(V)을 포함하는 삽입층을 삽입하여, 비교예 1-2에 비해 결합력이 다소 증가되었다. 이는, 상기 삽입층으로 인하여 상기 TiFe금속간화합물 생성이 억제되었기 때문이다.
하지만, 상기 바나듐(V) 또한, STS의 철(Fe)과 반응하여 (V-Fe)σ로 이루어진 금속간화합물이 생성되어 상기 접합면은 199㎫의 비교적 낮은 인장강도를 기록하였다.
최종적으로, 상기 실시예 1-1과 같이 상기 바나듐(V)과 STS 계면에 구리(Cu)로 제공되는 확산방지층을 삽입하여 (V-Fe)σ상의 생성을 방지할 수 있으며, 320㎫의 가장 높은 인장강도를 가짐을 확인하였다. 이를 통해, 상기 이종금속 접합재는 상기 필러메탈층과 모재 사이 계면에서 금속간화합물이 생성되는 것을 방지할 수 있으며, 결합력을 증가시킬 수 있다.
실험예 2. 필러메탈층 및 삽입층 사이 계면에서의 금속간화합물 발생 억제 효과 확인
도 6의 (a)는 상기 필러메탈층과 상기 바나듐(V)층의 계면을 SEM으로 관찰한 사진이며, 도 6의 (b)는 상기 필러메탈층과 상기 바나듐(V)층의 계면을 EDS Line scanning으로 분석한 결과이다.
상술한 바와 같이 상기 필러메탈층의 일 면에 바나듐(V)으로 제공되는 삽입층과 구리(Cu)로 제공되는 확산방지층을 삽입하여 TiFe 및 (V-Fe)σ로 이루어진 금속간화합물이 생성되는 것을 방지하였다. 하지만 상기 필러메탈층과 상기 삽입층 계면에서 금속간화합물이 발생할 수 있다. 구체적으로, 상기 필러메탈층의 지르코늄(Zr)과 삽입층의 바나듐(V)이 상호 확산되어 상기 바나듐(V)과 상기 지르코늄(Zr)의 금속간화합물인 V2Zr이 생성될 수 있다.
도 6의 (a) 및 (b)를 참조하면, 상기 필러메탈층과 상기 삽입층 계면의 A 및 B구역에서 금속간화합물이 생성된 것을 확인할 수 있다. 아울러 각 영역에 포함된 금속의 조성과 형성가능상(potential phase)은 하기 표 4와 같다.
Figure 112020042194466-pat00004
상기 표 4 및 도 6의 (b)를 참조하면, 영역 A는 47.32원자%의 티타늄(Ti), 25.98원자%의 바나듐(V), 19.69원자%의 지르코늄(Zr), 5.31원자%의 니켈(Ni) 및 1.69원자%의 구리(Cu)가 포함되어 있으며 모재의 조성을 고려하면 이로부터 V2Zr의 금속간화합물이 생성되었음을 확인하였다. 마찬가지로 영역 B 또한 A와 유사한 조성을 가지며, 구체적으로 58.80원자%의 티타늄(Ti), 27.04원자%의 바나듐(V), 12.15원자%의 지르코늄(Zr), 1.57원자%의 니켈(Ni) 및 0.44원자%의 구리(Cu)가 포함되어 있으며, 모재의 조성을 고려하면 이로부터 V2Zr 금속간화합물이이 생성되었다. 상기 V2Zr 금속간화합물은 앞서 설명한 상기 TiFe 상 및 상기 (V-Fe)σ상과 마찬가지로 결합부의 취성을 부여하며, 결합력을 저감시키는 등 기계적 성질에 영향을 미칠 수 있다.
따라서, V2Zr 금속간화합물의 생성을 최소화하기 위해 상기 실시예 1-1에서 상기 지르코늄(Zr)의 함량과 상기 티타늄(Ti)의 함량만을 다르게 하여 하기 표 5와 같은 이종금속 접합재를 제조하였다. 상기 이종금속 접합재를 제조하는 구체적인 방법은 앞서 설명하였으므로 생략하도록 한다.
Figure 112020042194466-pat00005
도면에는 개시하지 않았으나, 상기 티타늄(Ti)의 함량이 50원자%를 초월하고, 지르코늄(Zr)의 함량이 30원자%에 미치지 못하는 경우, 상기 접합층의 고상선(Ts)이 816℃를 초월할 수 있으며, 액상선(TL)이 879℃를 초월할 수 있다. 이는, 상기 접합층을 포함하는 이종금속 접합재를 브레이징하기 위해서는 880℃ 이상의 온도를 가해주어야 한다는 것을 의미한다.
이 경우, 상기 티타늄(Ti)의 동소변태 온도인 882℃에 근접하여 상기 티타늄(Ti) 중 일부가 HCP상(α phase)에서 BCC상(β phase)으로 미세구조가 변할 수 있다. 상기의 미세구조 변화는 상기 접합층을 구성하는 원소들 간 결합력을 감소시켜 브레이징 접합시 상기 필러 메탈합금의 물성 저하의 원인이 될 수 있다. 또한, 고온접합으로 인하여 브레이징 시 모재에 열변형을 유도할 수 있으며, 열간 잔류응력을 유발하여 접합강도가 감소하는 원인이 될 수 있다.
따라서 본 발명에서는 고상선(Ts) 및 액상선(TL)이 모두 880℃미만인 접합재를 대상으로 실험을 수행하였으며, 더 바람직하게는 840℃ 미만의 고상선(Ts) 및 880℃ 미만의 액상선(TL)을 갖는 접합재를 대상으로 실험하였다.
도 7은 실시예 2-1 내지 2-2 및 비교예 2-1 내지 2-2로 제조된 접합재의 상기 필러메탈층과 상기 바나듐(V)층의 계면을 SEM으로 관찰한 사진이다.
도 7을 참조하면, 상기 필러메탈층과 상기 삽입층 사이 계면에서 생성된 금속간화합물 V2Zr를 비교할 수 있다. 구체적으로 상기 지르코늄(Zr)을 58원자% 포함하는 비교예 2-2의 경우, 계면에서 다량의 V2Zr가 생성되었음을 확인할 수 있다(도 7의 (a)). 이와 유사하게 상기 지르코늄(Zr)을 50원자% 포함하는 비교예 2-1 또한 계면에서 V2Zr가 생성된 것을 확인할 수 있다(도 7의 (b)). 반면 상기 지르코늄의 함량이 40원자%인 실시예 2-2(도 7의 (c))는 극 미량의 V2Zr가 생성되었음을 확인하였으며, 상기 지르코늄의 함량이 30원자%인 실시예 2-1(도 7의 (d))은 V2Zr가 생성되지 않음을 확인할 수 있다.
즉, 지르코늄(Zr)의 함량이 증가할수록 다량의 상기 V2Zr 금속간화합물이 생성되며, 지르코늄(Zr)의 함량이 감소할수록 상기 V2Zr 금속간화합물의 생성을 억제할 수 있다. 따라서, 상기 V2Zr 금속간화합물의 생성을 억제하기 위해서는 상기 지르코늄(Zr)의 함량이 50원자% 미만인 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 30원자%를 함유하는 것이 바람직하다.
상기 지르코늄(Zr) 및 상기 티타늄(Ti)의 함량이 접합부의 기계적 성질에 미치는 영향을 분석하기 위하여 실시예 2-1 내지 2-2 및 비교예 2-1 내지 2-2로 브레이징 접합된 접합부의 인장강도 및 연신율을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 6으로 나타내었다.
Figure 112020042194466-pat00006
상기 표 6을 참조하면, 비교예 2-1 내지 2-2로 접합된 접합부의 인장강도가 각각 각각 320, 332㎫로 350㎫ 미만이며, 실시예 2-1 내지 2-2로 접합된 접합부의 인장강도가 441㎫ 및 359㎫로 350㎫을 초과하는 것을 확인하였다. 연신율 또한, 6.6% 및 1.7%로 비교예 2-1 내지 2-2로 접합된 접합부의 0.9% 및 1.1%보다 높은 것을 확인하였다. 이는 앞서 살펴본바와 같이 상기 지르코늄(Zr) 함량이 50원자% 이상인 경우, 상기 필러메탈층과 상기 삽입층 사이 계면 계면에 다수의 V2Zr 금속간화합물이 생성되어 인장강도가 크게 감소하였기 때문인 것으로 보인다.
또한, 실시예 2-1로 접합된 접합부의 인장강도와 연신율이 실시예 2-2로 접합된 접합부에 비해 모두 우수한 것을 확인할 수 있으며, 이는 파단이 발생된 위치 차이로 인한 것으로 해석될 수 있다. 더 바람직하게는 상기 실시예 2-2로 접합된 접합부에서는 상기 필러메탈층과 상기 바나듐(V)사이 계면에서 V2Zr의 금속간화합물 층이 형성되어 상기 금속간화합물 층을 따라 다량의 균열(crack)이 발생하였기 때문이며, 상기 다량의 균열에 의해 파괴가 촉진되었기 때문이다. 반면, 상기 실시예 2-1로 접합된 접합부에서는 금속간화합물로 인한 파괴 촉진현상이 발생하지 않아서 대적으로 계면 결합력이 약한 Cu/STS 계면에서 파단이 일어났기 때문이다.
즉, 상기 필러메탈층에 포함되는 지르코늄(Zr)을 감소시켜 상기 필러메탈층과 상기 삽입층 사이 계면에서 V2Zr 금속간화합물이 생성되는 것을 방지할 수 있으며, 실제 접합부의 물리적 특성이 강화되었음을 확인하였다.
이를 통해, 기존의 브레이징 접합재보다 더 강한 접합력을 갖는 이종금속 접합재를 제공할 수 있으며, 바람직하게는 440MPa이상의 인장강도 및 6.6% 이상의 연신율을 구현하는 이종금속 접합재를 제공할 수 있다.
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 (12)

  1. 이종의 제1 금속모재와 제2 금속모재를 브레이징하는 이종금속 접합재에 있어서,
    상기 이종금속 접합재는 필러메탈층, 삽입층 및 확산방지층으로 이루어지고,
    상기 필러메탈층은 하기 화학식 1을 만족하고, 상기 확산방지층은 구리(Cu), 망간(Mn) 및 니켈(Ni)을 포함하는 합금으로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 금속을 포함하는 박판인 것에 특징이 있는, 이종금속 접합재.
    [화학식 1]
    ZraTibNicCud
    (상기 화학식 1에서 a는 지르코늄(Zr), b는 티타늄(Ti), c는 니켈(Ni) 및 d는 구리(Cu)의 원자%를 의미하며, a는 25 내지 60 원자%이며, b는 20 내지 55 원자%이며, c는 7 내지 21 원자% 및 d는 3 내지 9 원자%이다.)
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 금속모재는 티타늄(Ti)을 포함하며,
    상기 제2 금속모재는 스테인리스 스틸(STS)을 포함하는 것에 특징이 있는, 이종금속 접합재.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 확산방지층은 상기 삽입층과 상기 제2 금속모재의 계면에 삽입되어, 금속간화합물이 생성되는 것을 억제하는, 이종금속 접합재.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 확산방지층은 구리(Cu)인 것에 특징이 있는, 이종금속 접합재.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 삽입층은,
    상기 제2 금속모재와의 열팽창 계수 차이가 하기 관계식 2를 만족시키는 금속으로 제공되는것에 특징이 있는, 이종금속 접합재.
    [관계식 2]
    0.8 ≤ αi/αm ≤ 1.2
    (상기 αi는 삽입층을 형성하는 금속의 열팽창 계수이며, αm는 스테인리스 스틸(STS)의 열팽창 계수이다.)
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 삽입층은 바나듐(V)인 것에 특징이 있는, 이종금속 접합재.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 이종금속 접합재는,
    상기 제1 금속모재 및 상기 제2 금속모재와 브레이징 후 250 내지 500㎫ 의 인장강도로 결합하는 것에 특징이 있는, 이종금속 접합재.
  9. a) 티타늄(Ti)과 스테인리스 스틸(STS)의 표면을 연마하는 단계;
    b) 상기 티타늄(Ti)과 스테인리스 스틸(STS)을 챔버에 장입하고 중간에 필러메탈층을 삽입하는 단계;
    c) 상기 필러메탈층과 상기 스테인리스 스틸 사이에 삽입층 및 확산방지층을 순차적으로 삽입한 후 챔버를 일정 압력의 진공으로 하는 단계;
    d) 챔버에 아르곤을 주입하고 상기 티타늄과 상기 스테인리스 스틸 일 면에 압력을 가하면서 승온하는 단계; 및
    e) 일정 압력과 온도를 유지한 후 상온까지 노냉하는 단계로 이루어지며,
    상기 확산방지층은 구리(Cu), 망간(Mn) 및 니켈(Ni)을 포함하는 합금으로 이루어진 군 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 금속을 포함하는 박판인 것에 특징이 있는, 이종금속 브레이징 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 a) 단계는 아세톤 및 에탄올을 사용하여 초음파로 세척 한 후 공기 중에서 건조하는 단계를 더 포함하는 것에 특징이 있는, 이종금속 브레이징 방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 c) 단계는 1×10-5Torr 내지 5×10-6Torr에서 수행되는 것에 특징이 있는, 이종금속 브레이징 방법.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 d) 단계에서 상기 티타늄(Ti)과 상기 스테인리스 스틸(STS)은 850 내지 900℃에서 20 내지 50kgf/㎠으로 가압되는 것에 특징이 있는, 이종금속 브레이징 방법.
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