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동규 주
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1 연구논문 다이아몬드 흑연 삽입금속진공브레이징접합체의젖음성및계면반응 함종오 이지환 한국화학시험연구원금속재료팀 인하대학교신소재공학부 The Wetting and Interfacial Reaction of Vacuum Brazed Joint between Diamond Grit(graphite) and Cu-13Sn-12Ti Filler Alloy Jong-Oh Ham*, and Chi-Hwan Lee** *Metallic Materials Team, Korea Testing and Research Institute, Ulsan , Korea **School of Materials Science & Engineering, Inha University, Incheon 42-2, Korea Corresponding author : hamjo@ktr.or.kr (Received November 11, 29 ; Revised December 3, 29; Accepted April 19, 21) Abstract Various alloy system, such as Cu-Sn-Ti, Cu-Ag-Ti, and Ni-B-Cr-based alloy are used for the brazing of diamond grits. However, the problem of the adhesion strength between the diamond grits and the brazed alloy is presented. The adhesion strength between the diamond grits and the melting filler alloy is predicted by the contact angle, thereby, instead of diamond grit, the study on the wettability between the graphite and the brazing alloy has been indirectly executed. In this study, Cu-13Sn-12Ti filler alloy was manufactured, and the contact angles, the shear strengths and the interfacial area between the graphites (diamond grits) and braze matrix were investigated. The contact angle was decreased on increasing holding time and temperature. The results of shear strength of the graphite joints brazed filler alloys were observed that the joints applied Cu-13Sn-12Ti alloy at brazing temperature 94 was very sound condition indicating the shear tensile value of 23.8 MPa because of existing the widest carbide(tic) reaction layers. The micrograph of wettability of the diamond grit brazed filler alloys were observed that the brazement applied Cu-13Sn-12Ti alloy at brazing temperature 99 was very sound condition because of existing a few TiC grains in the vicinity of the TiC layers. Key Words : Wettability, Contact angle, Diamond grit, Brazing, graphite 1. 서론 다이아몬드는컷팅 그라인딩 연마 공구로널리사용되고있으며 다이아몬드그릿 의 를브레이징에의해제조하는방식은다이아몬드공구제조방법중의하나로 다이아몬드공구의개발및응용을위한연구가꾸준히진행되어왔다 다이아몬드의브레이징합금으로 계 계 계합금이주로사용되고있는데 이런합금은다이아몬드의열화 흑연화 을막기위해보통 이하의온도에서브레이징을행하여왔다 또한브레이징합금에활성금속 을소량첨가함으로써다이아몬드와접합모재사이의계면층을형성하여계면접합강도를향상시켜왔다 그러나임계값이상의활성금속을첨가할경우계면층에다이아몬드와접합모재사이의열팽창계수및결

함종오 이지환 정격자의차이에의해계면응력이작용하여오히려접합강도를저하시켜다이아몬드와브레이징합금간의접착성에중요한문제로제기되어왔다 접착성혹은접합강도는액상금속과다이아몬드간의젖음성 즉접촉각 측정에의해예측되며

브레이징특성을조사하였다 이를위하여온도및시간에따른접촉각을조사하였고 접합부미세조직분석을통하여계면층반응을분석하였으며또한접합부의전단접합강도를측정하였다 2. 실험방법 2.

구멍을뚫어열전대를고정시켰다 그후고주파가열로에모재를투입하고그위에삽입금속 봉상 Φ 을 올려놓았다 고주파가열로의승온속도는 로하였으며승온시키는동안육안관찰에의하여삽입금속의용해와젖음현상이발견되는시점에서유지시간을 분에서 분사이로하였으며 통전종료후노냉하였다

2 접합방법삽입금속은고순도아르곤가스분위기하에서 법으로제조하였으며균일한조성의합금을얻기위하여시료를뒤집어가면서 회이상용해를반복하였으며용해된삽입금속을 법으로봉상형태로제조하였다 제조한삽입금속은 두께로방전가공하였으며 삽입금속의표면은산화물을최소화하기위하여사포

2 함종오 이지환 정격자의차이에의해계면응력이작용하여오히려접합강도를저하시켜다이아몬드와브레이징합금간의접착성에중요한문제로제기되어왔다 접착성혹은접합강도는액상금속과다이아몬드간의젖음성 즉접촉각 측정에의해예측되며 흑연과브레이징합금간의젖음성연구에의한간접적인방법에의해서연구가시도되어왔다 특히 계삽입금속 에대한접합부계면층의연구는있었지만 많지않은상황이다 따라서본연구에서는모재와다이아몬드와의접합메커니즘을규명하기위해활성금속 을첨가한 합금과흑연 및다이아몬드그릿 브레이징특성을조사하였다 이를위하여온도및시간에따른접촉각을조사하였고 접합부미세조직분석을통하여계면층반응을분석하였으며또한접합부의전단접합강도를측정하였다 2. 실험방법 2.1 삽입금속의접촉각측정방법 은젖음성측정을위하여준비한시험편의모식도를나타낸것이다 젖음성측정은그림에서나타낸바와같이정사각형 초순도흑연 모재을가공하여사용하였으며 젖음성과브레이징접합실험시적정온도와시간의관찰을위하여측면에열전대를삽입할수있는 Φ 구멍을뚫어열전대를고정시켰다 그후고주파가열로에모재를투입하고그위에삽입금속 봉상 Φ 을 올려놓았다 고주파가열로의승온속도는 로하였으며승온시키는동안육안관찰에의하여삽입금속의용해와젖음현상이발견되는시점에서유지시간을 분에서 분사이로하였으며 통전종료후노냉하였다 삽입금속의 형상을실측현미경을이용하여촬영하였으며 형상측정기 를이용하여접촉각을측정하였다 접촉각측정시험편은 개씩제조하여왼쪽및오른쪽각을측정하여총 번의접촉각측정을하였다 2.2 접합방법삽입금속은고순도아르곤가스분위기하에서 법으로제조하였으며균일한조성의합금을얻기위하여시료를뒤집어가면서 회이상용해를반복하였으며용해된삽입금속을 법으로봉상형태로제조하였다 제조한삽입금속은 두께로방전가공하였으며 삽입금속의표면은산화물을최소화하기위하여사포 로 까지연마후아세톤으로초음파세척하고수세하였다 삽입금속의최종두께는평균 로제작하여사용하였다 흑연접합의경우순도 이상의초고순도흑연 을 크기로절단하여접합용시험편으로사용하여으며 접합시가압하중 을일정하게유지하였다 다이아몬드그릿접합의경우 의고순도공업용다이아몬드 와기지금속으로 Φ 를사용하였으며 다이아몬드그릿형태상접합시하중을부여하지않았다 는본접합에사용된장치의계략도를나타낸것이다 가열방식은고주파가열방식으로가압하중은 을일정하게유지할수있도록제작하였다 온도 Drop of filler alloy Filler alloy Graphite

다이아몬드 흑연 삽입금속진공브레이징접합체의젖음성및계면반응 측정은흑연에드릴로 Φ 구멍을뚫어이곳에직경 의 타입열전대를삽입하여고정시켰으며 온도제어는프로그램에의한 제어방식으로실시하였다 2.

의조건으로접합부전단강도를측정하였으며 전단강도측정용접합시편은총 개제작하여평균값을측정하였다 접합부의조직관찰을위해접합체시편을경면연마후삽입금속을중크롬산칼륨 용액으로부식시킨후 가장착되어있는주사전자현미경 을이용하여분석하였으며광학현미경및

3 다이아몬드 흑연 삽입금속진공브레이징접합체의젖음성및계면반응 측정은흑연에드릴로 Φ 구멍을뚫어이곳에직경 의 타입열전대를삽입하여고정시켰으며 온도제어는프로그램에의한 제어방식으로실시하였다 2.3 접합강도및계면특성평가방법흑연과 삽입금속과의최적의접합조건을알아보기위해접합부의전단강도를측정하였다 에나타낸것과같이전단시험용시편 접합면적 을제작하였으며 지그는본시편에적합하도록제작하였다 전단강도는만능재료시험기 를이용해서최대하중 시험속도 의조건으로접합부전단강도를측정하였으며 전단강도측정용접합시편은총 개제작하여평균값을측정하였다 접합부의조직관찰을위해접합체시편을경면연마후삽입금속을중크롬산칼륨 용액으로부식시킨후 가장착되어있는주사전자현미경 을이용하여분석하였으며광학현미경및 분석을병행하였다 여기서 σ 는액상계면에서의합금의표면장력이고 θ 는접촉각이다 σ 에표준상태에서의표면장력값과접촉각값을각각대입하면부착일은 와 에서큰차이가없다 따라서흑연 합금접합시경제성을고려하면 에서가장효율적임을알수있다 는 의진공분위기에서 3. 실험결과및고찰 3.1 흑연과 Cu-13Sn-12Ti 삽입금속과의 Wetting 거동 는유지시간 의진공분위기에서온도에따른 합금과흑연사이의접촉각변화를나타낸것이다 에서 에서는 로온도가증가함에따라접촉각이감소하는경향을보이고있다 이는 의흑연과 합금의접촉각연구결과와일치한다 즉고상표면에서합금의부착일 은다음식에의해구할수있다 cos Graphite Wetting angle( ) Specimen Temperature( ) Filler alloy

함종오 이지환 유지시에는 로급격이감속하는경향을나타내고있다 이는지속시간이길어짐에따라흑연과삽입금속간의탄화물생성반응더욱잘일어나기때문인것으로생각된다 따라서 에서흑연 합금접합시가장알맞은유지시간은

2 흑연 / Cu-13Sn-12Ti 접합부의접합특성 Wetting angle( ) 25 2 15 1 5 접합부미세조직분석 은각각의온도에서 분동안브레이징하였을때흑연

는불규칙하게형성되어있다 이는흑연과 의 거동에서반응온도가증가함에따라 생성반응더잘일어난다 는연구결과를고려할때 반응의활성화에의한것으로생각된다 은 의흑연 접합계면에대한 및 을이용한계면층의

4 함종오 이지환 유지시에는 로급격이감속하는경향을나타내고있다 이는지속시간이길어짐에따라흑연과삽입금속간의탄화물생성반응더욱잘일어나기때문인것으로생각된다 따라서 에서흑연 합금접합시가장알맞은유지시간은 임을예측할수있다 3.2 흑연 / Cu-13Sn-12Ti 접합부의접합특성 Wetting angle( ) 접합부미세조직분석 은각각의온도에서 분동안브레이징하였을때흑연 접합계면에대한광학현미경사진을나타낸것이다 사진에서흑연과접하고있는회색으로나타나는층이반응층으로다른온도에비해 에서가장넓게형성되어있다 접합층 노란색부위 의경우 는일정한두께를유지하고있으나 는불규칙하게형성되어있다 이는흑연과 의 거동에서반응온도가증가함에따라 생성반응더잘일어난다 는연구결과를고려할때 반응의활성화에의한것으로생각된다 은 의흑연 접합계면에대한 및 을이용한계면층의 을나타낸것이다 모든접합온도에서삽입금속과흑연이접하는접합층양쪽에 성분이높게나타났으며 이는활성금속인 가 와결합함으로써 반응층을형성하기때문인것으로판단된다 은 의흑연 접합계면에대한 분석을나타낸것이다 선회절분석 Time(min) 시간에따른 합금과흑연사이의접촉각변화를나타낸것이다 대체적으로시간이증가함에따라접촉각은감소하는경향이나타났다 특히 유지시에는접촉각이 로나타났으나 결과 α

다이아몬드 흑연 삽입금속진공브레이징접합체의젖음성및계면반응 Intensity(arbitary unit) 45 4 35 3 25 2 15 1 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 α-cusu Cu 6 Su 5 Sn 3 Ti 5 SnTi 2 Ti 6 Sn 5 TiC γ-cuti CuTi 2 CuSn 3 Ti 5 Graphite 89 2 3 4 5 6 7

5 다이아몬드 흑연 삽입금속진공브레이징접합체의젖음성및계면반응 Intensity(arbitary unit) α-cusu Cu 6 Su 5 Sn 3 Ti 5 SnTi 2 Ti 6 Sn 5 TiC γ-cuti CuTi 2 CuSn 3 Ti 5 Graphite Degree(2θ) γ 등이관찰되었다 브레이징온도가증가함에따라 회절피크가상대 적으로강하게나타났으며 브레이징온도에 서는 γ 회절피크가나타나지않았다 이는 의사진에서알수있듯이 에서는 반응층및 탄화물 의경우 형성빈도에는 차이가있으나주로접합계면주위에생성되어있어 선회절피크상이유사하게나타난것으로생각된 다 에서는 탄화물 이접합층중앙부위까 지추가로형성되어 내에 조성이감소하게 되어 온도에서는 γ 회절피크가검출 되지않은것으로판단된다 계면층형성메카니즘 는온도에따른흑연 접합계 면의조직적변화를보다세밀하기조사하기위해반응 층및브레이징영역의각지역을 분석한 결과이다 는 에서브레이징한계면조직을분 석한결과이다 여기서 부위는 탄화물층으로써접 합계면주의에 두께로반응층이형성되어있음 을보여주고있으며 부위는또다른 탄화물도메 인 을나타내고있다 부위는 모재기지 를나타내고있으며 의농도가모재의농도와거의 비슷하게존재하고있다 는 에서브레이징한 계면조직을분석한결과이다 부위와 부위는 의 농도의차이는약간있지만 탄화물층으로써접합계면주의에 두께로반응층이형성되어있다 부위와 부위는또다른 탄화물도메인 을나타내고있으며 부위는 모재기지를나타내 고있다 는 에서브레이징한계면조직을분 석한결과이다 부위와 부위는 의농도의차이는약간있지만 탄화물층으로써접합계면주의에 두께로반응층이형성되어있음을나타내고있다 부위는다른 탄화물도메인 을나타낸것으로위치가 의사진에비해접합부 중간부위에까지형성되어있다 는 에서브 레이징한계면조직을분석한결과이다 부위와 부위 는 의농도의차이는약간있지만 탄화물층으로써 접합계면주의에 두께로반응층이형성되어있음을나타내고있다 부위와 부위는또다른 탄화물도메인 을나타낸것으로도메인 의형성빈도가 의사진에비해상당히 증가됨을알수있다 위의결과로브레이징의온도가증가함에따라흑연과접합부 사이 의계면주의에형성되는 탄화물층의두께는크게차 이가없으나또다른 탄화물도메인 의형성이증가하는것을확인할수있었다 이상의결과로 층의형성에대한열역학적고찰 을해보면다음과같다 온도범위에서 격자내의 확산계수는 이고 온도범 위에서 격자내의 확산계 수는 이다 따라서 이 보다확산속도가크기때문에 층은브레 이징합금쪽으로성장하고 탄화물도메인 도브레이징합금쪽으로성장한다 본연구에서는 및 의편석경향 은나타나 지않았지만 층성장에서 및 의편석에대 한열학적분석은다음과같다 서로다른 상의계면 에서용질의편석은아래 식 으로

6 함종오 이지환 설명할수있다 exp 여기서 계면근처의용질농도 또는 의용질농도 용질 당편석자유에너지 을갖는다 따라서온도가증가함에따라계면에서의용질의편석은감소하여일정하게분포하게된다 은흑연 접합계면에서의반응층형성메카니즘을도식적으로나타낸것으로 층이반응층을형성한후온도가증가함에따라또다른 탄화물도메인 이접합부 쪽으로성장하는것을보여주고있다 가 보다향상크기때문에 Δ 는향상음의값

다이아몬드 흑연 삽입금속진공브레이징접합체의젖음성및계면반응 Graphite/ Cu-13Sn-12Ti mechanism Sn-Ti intermetallic compound (domains) 중간부위까지성장하는현상과관련이있는 것으로사료된다 Graphite Cu based matrix 3.

7 다이아몬드 흑연 삽입금속진공브레이징접합체의젖음성및계면반응 Graphite/ Cu-13Sn-12Ti mechanism Sn-Ti intermetallic compound (domains) 중간부위까지성장하는현상과관련이있는 것으로사료된다 Graphite Cu based matrix 3.4 다이아몬드그릿 (grit) 과 Cu-13Sn-12Ti 삽입금속의브레이징특성 Shear strength(mpa) TiC layer TiC layer Sn-Ti Segregation layer TiC domains 3.3 접합강도평가 접합부접합강도평가 는각각의온도에서 분동안브레이징하 였을때흑연 접합체에대한전단강도 결과를나타낸것이다 브레이징온도에서 최대치 최소치 의최고강도가 나타나고있는데 이는 반응층이 두께 로가장넓게형성됨과동시에또다른 도메인 이접합부 중간부위까지 성장하지않았기때문이다 브레이징온도에서 최대치 최소치 로가장낮은전단 강도값을나타나는이유는 반응층두께가다른 온도구역에서보다얇기때문으로생각된다 및 의브레이징온도에서전단강도값이감소 하는경향을보여주고있다 이는브레이징온도가증 가함에따라 도메인 이접합부 Temperature( ) 다이아몬드그릿의열적안정성평가 공업용다이아몬드의열화 흑연화 는보통 이상의온도에서나타난다고보고된다 흑연화가시작 되는온도는다이아몬드의품종및순도 분위기 고온 에서노출되는시간에따라서다르다 은 고주파진공로에서 다이아몬드그릿의유지시간 분 분 분 분 분 에따른흑연화평가를위해 분석을나타낸 것이다 선회절분석결과 분까지는다이이몬드 회절피크만검출되며 분유지시간후흑연의피크가 관찰되었다 는고주파진공로를이용하여각각의온도 에서 분간유 지했을때나타나는다이아몬드그릿의흑연화변화를 분석을통해확인한것이다 선회절분석결 과 까지는다이이몬드회절피크만검출되었으 며 온도에서흑연의피크가관찰된다 이상의 결과로본연구에서다이아몬드그릿브레이징시사용 한유지시간 분및최대온도 는다이아몬드 의열화 흑연화 에영향을주지안음을알수있었다 Intensity (arbitary unit) Diamond Graphite 6min 3min 2min 1min 5min As-received Diamond Degree (2θ)

함종오 이지환 Intensity (arbitary unit) 1 5 1 5 1 5 1 5 1 5 1 5 Diamond Graphite 13 12 11 1 9 As-received Diamond 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Degree (2θ) 다이아몬드그릿과 브레이징특성 삽입금속의 는온도에따른 삽입금속과 다이아몬드그릿의젖음성을나타낸것이다 는 에서

8 함종오 이지환 Intensity (arbitary unit) Diamond Graphite As-received Diamond Degree (2θ) 다이아몬드그릿과 브레이징특성 삽입금속의 는온도에따른 삽입금속과 다이아몬드그릿의젖음성을나타낸것이다 는 에서 분동안진공브레이징한것으로계면근 처에공동이관찰되고있다 이는 삽 입금속이충분히용융되지않는것에서기인한것으로 의연구결과 와일치되는경향을나타내 고있다 에서흑연접합의경우최고의접합강 도값및가장이상적인접합조건을나타냈으나 다이 아몬드그릿의경우위와같이충분한용융이되지않는것은접합시하중을부여하지못하여흑연과다이아몬드그릿사이에브레이징온도조건의차이가나타난것으로사료된다 는 에서 분동안진공브레이징한것으로 모양의다이아몬드그릿면이잘나타나고있으며 다이아몬드그릿과 삽입금속과의젖음성이가장이상적이다 와 는각각 및 에서진공브레이징한것으로다이아몬드그릿과 삽입금속과과반응이일어나다이아몬드그릿이보이지않을정도로잠입 되어있다 은브레이징온도에따른다이아몬드그릿과 삽입금속과의젖음성경향을도식적으로나타낸것으로 에서가장이상적인젖음성을나타내고있다 이의결과는 의연구결과즉 정도젖음성을갖는다이아몬드그릿이그라인딩테스트 결과내구성이가장우수하다는결과와일치하는경향을나타내고있다 은각각의온도에서 분동안진공브레이징한다이아몬드그릿 접합계면에대한 원소 결과를나타낸것이다 다이아몬드그릿과접합계면주의에형성되는반응층은 조성이높음을알수있으며 브레이징온도에서 층이가장넓게존재하는것을확인할수있다 온도가높아짐에따라낮은농도의 탄화물도메인 형성증가로인해 원소 에서

다이아몬드 흑연 삽입금속진공브레이징접합체의젖음성및계면반응 탄화물도메인 형태로 농도감소가뚜렷하게나타나고있다 은각각의온도에서 분동안진공브레이징한다이아몬드그릿 접합계면에대한 분석을나타낸것이다 선회절분석결과 Intensity(arbitary unit) α-cusu Cu 6 Su 5 Sn 3 Ti 5 SnTi 2 Ti

(d) 19 22 2 2 18 18 16 16 14 14 α γ 등이관찰되었으며 브레이징온도가증가함에따라 회절피크가상대적많이검출되었다 브레이징온도에서는 γ 회절피크가검출되지않았다 이는온도가증가함에따라 반응층의활성화로인해기지 내에 조성이감소하기때문으로판단된다 는위의결과를고려하여다이아몬드그릿

9 다이아몬드 흑연 삽입금속진공브레이징접합체의젖음성및계면반응 탄화물도메인 형태로 농도감소가뚜렷하게나타나고있다 은각각의온도에서 분동안진공브레이징한다이아몬드그릿 접합계면에대한 분석을나타낸것이다 선회절분석결과 Intensity(arbitary unit) α-cusu Cu 6 Su 5 Sn 3 Ti 5 SnTi 2 Ti 6 Sn 5 TiC γ-cuti CuTi 2 CuSn 3 Ti 5 Diamond (a) 94 (b) (c) 14 (d) α γ 등이관찰되었으며 브레이징온도가증가함에따라 회절피크가상대적많이검출되었다 브레이징온도에서는 γ 회절피크가검출되지않았다 이는온도가증가함에따라 반응층의활성화로인해기지 내에 조성이감소하기때문으로판단된다 는위의결과를고려하여다이아몬드그릿 접합계면에서반응층형성메카니즘을도식적으로나타낸것이다 온도가증가함에따라먼저 층이다이아몬드그릿 접합계면에형성하면서 와 의편석층이 층을감싸는형태로반응이이루어진다 점차온도가증가함에따라용질이일정한분포를하게되면이런편석층은 Degree(2θ)

10 함종오 이지환 사라지게되며다이아몬드의탄소와기지 내에존재하는 의계속적인확산이이루어지면서 층주위에또다른 도메인 이형성하게된다 또다른 도메인 은온도가증가함에따라 내에서계속성장하게되는데 의확산계수가 의확산계수보다크기때문에기지 쪽으로성장하게된다 4. 결론 본연구에서는다이아몬드와의접합메카니즘유추를위해활성금속 을첨가한 삽입금속과흑연의접합및다이아몬드그릿과의브레이징특성을조사하였다 이에대한결과를요약하면다음과같다 삽입금속과흑연의온도따른접촉각변화는온도가증가함에따라감소하는경향이나타났으며 시간에따른변화역시시간이증가함에따라접촉각은감소하는경향이었다 흑연 접합계면분석결과활성금속인 가 와결합함으로써 반응층을형성하였으며 온도가증가함에따라 반응층은두께의차이는크게없으나또다른 도메인 이접합부 쪽으로성장하였다 흑연 접합체에대한전단강도결과 브레이징온도에서전단강도가 의최고강도를나타냈으며브레이징온도가증가함에따라 이 중간부위까지성장하여전단강도가감소했다 온도별 유지시간별다이아몬드그릿의열적안정성조사결과 유지시간 분에서흑연의 선회절피크가관찰되었다 이로인해본연구에서다이아몬드그릿브레이징시사용한유지시간 분및최대온도 는다이아몬드의열화 흑연화 에영향을주지않음을알수있었다 온도에따른 삽입금속과다이아몬드그릿의젖음성를미시적으로분석한결과 에서가장젖음성이좋았으며 접합계면분석결과도 의브레이징온도에서 층이가장넓게존재 하였으며온도가높아짐에따라낮은농도의 탄화물 도메인 형성이 층주위에증가하게된다 참고문헌

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exp exp exp exp exp exp exp exp exp exp exp exp log 第卷第號 39 4 2011 4 투영법을 이용한 터빈 블레이드의 크리프 특성 분석 329 성을 평가하였다 이를 위해 결정계수값인 값 을 비교하였으며 크리프 시험 결과를 곡선 접합 한 결과와 비선형 최소자승법으로 예측한 결과 사 이 결정계수간 정도의 오차가 발생하였고