공융반응에 의한 알루미늄 합금의 확산 브레이징에 관한 연구 = A Study on Diffusion Brazing of Aluminium Alloys by an Eutectic Reaction

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 알루미늄 합금을 저온에서 접합하기 위해서 새로운 저융점의 알루미늄 브레이징용 인서트 금속 개발을 통한 저온 확산브레이징을 시도하였다. 알루미늄은 활성금속으로서 금속간화합물의 생성 없이 공융반응을 형성하는 원소로는 Ge, Si등의 극소수의 원소로 제한되며 공정 system을 갖고 있다고 하더라도 대부분 금속간화합물을 형성하고 있다. 이러한 금속간화합물의 생성은 등온응고와 균질화처리를 함으로서 억제할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 알루미늄과 공융반응을 통해 저온에서 확산 브레이징이 가능한 인서트 금속을 이용하여 초기액상의 형성기구와 등온응고조건 등을 조사 분석하고 접합부의 미세조직에 따른 기계적특성을 평가 하였다.
인서트 금속은 Ag-Cu계의 합금을 알곤 분위기, 고주파 유도 가열식 로(furnace)에서 용해 제조한 후, 압연을 하여 박판(foil)형상으로 제조하였다. 접합모재의 표면은 산화물을 최소화 하기 위해서 600mesh sand paper로 연마한 후 전해연마하였다. 접합온도는 510∼580℃, 접합시 가압하중은 1MPa, 분위기는 5x10-5 torr로 하였다. 6061Al 합금의 경우에는 접합후 T6열처리를 수행하였다. 용체화처리는 530℃에서 1hr유지후 수냉하였으며, 시효처리는 175℃에서 8 hrs 행하였다.
본 연구에서 설계 제작된 Ag-Cu계 인서트 금속은 알루미늄과 클래드화 하여 액상생성 온도를 조사한 결과 Ag 첨가량이 증가함에 따라 점차 낮아지는 경향을 나타내었고, Ag28Cu 인서트 금속을 이용하여 확산 브레이징시에는 505℃부근에서 액상이 출현하는 것을 확인하였다. 또한 단시간에 등온응고가 완료되어 접합부에는 Al2Cu등의 금속간화합물을 형성 하지않음으로서 양호한 접합부를 얻을 수 있었다.
최대접합강도는 Al1050 합금의 경우 55.3MPa, Al5052합금의 경우 141MPa, Al6061합금의 경우 300MPa로 각각 모재강도의 95%, 78%, 96%의 접합효율을 나타내었다.
본 연구에서 사용한 Ag-Cu계 인서트 금속을 이용한 Al 합금과의 접합 특성은 저온에서 단시간의 등온응고를 통하여 접합부내의 취약한 금속간화합물의 생성이 억제되었고, 우수한 확산 브레이징 특성을 나타내었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, for the first time, a low temperature diffusion brazing of Al alloy was performed using a new insert metal of low melting point. When desigen of alloy or choice of insert metal, we specially considered whether or not intermetalic compound ought to creat in the joint area.
Therefore, in this study, we investigated formative mechanism of primary liquid phase and conditions of isothermal solidification by eutectic reaction of Al-Ag-Cu below solidus temperature of the base metal and mechanical properties of the brazed joints.
The Ag-Cu insert metal was melted in the high frequency induction heating furnace and then was fabricated to foil. For the fabrication of diffusion brazed bodies, the surface of the base metal to be bonded was polished with #600 grit paper, cleaned with acetone in supersonic cleaner, and then electropolished. Under a static pressure of 0.5Mpa and a vacuum of 5x10-5 torr, the temperature of hot press was raised up to brazing temperature (500∼580℃). The Al6061 brazed specimens were treated in a T6 temper condition, i.e., solution treated at 530℃ for 1hr, water quenched, and then aged at 175℃ for 8hrs.
The Ag-Cu insert metal designed and producted in this study has melting point higher than the liquidus temperature of the Al1050 base metal but the insert metal was melted at about 500℃ result from eutectic reaction of Al-Ag-Cu. The joint area is no intermatalic compound(Al2Cu) for quickly finished isothermal solidification. In DTA results, a absorption peak (502℃)of 3 systems eutectic point(Al-Ag-Cu) in Al1050/Ag-Cu insert metal/Al1050 clad was detected.
The highest bonding strength of the Al1050, Al5052, Al6061 brazed joints were obtained 55.3MPa, 141MPa, 300MPa respectively.
The bonding properties of Al alloy by Ag-Cu insert metal were constraint of intermetalic compound for isothermal solidification rapidly. We believe that a diffusion brazing of Al alloy by the Ag-Cu insert metal be a very useful technique for the joining of Al alloy.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 = 1
• 1.1 알루미늄합금의 접합기술 현황 = 1
• 1.1.1 알루미늄합금의 접합기술 현황 = 1
• 1.1.2 고강도 알루미늄합금의 접합기술 현황 = 7
• 1.2 고강도 알루미늄 접합의 선행연구동향 = 11
• 1.2.1 브레이징에 의한 접합기술 연구동향 = 11
• 1.2.2 확산브레이징에 의한 접합기술 연구동향 = 14
• 1.3 연구 목적 = 19
• 1.4 논문의 구성 및 내용 = 19
• 제 2 장 이론적 배경 = 22
• 2.1 확산접합의 원리 = 22
• 2.2 접합인자 = 27
• 2.2.1 온도 = 27
• 2.2.2 시간 = 28
• 2.2.3 압력 = 28
• 2.2.4 모재표면 = 29
• 2.2.5 분위기의 영향 = 36
• 2.2.6 인서트 금속 = 36
• 제 3 장 Ag-Cu계 Insert Metal 설계 및 제조 = 37
• 3.1 서론 = 37
• 3.2 실험 방법 = 42
• 3.2.1 인서트 금속의 제조방법 = 42
• 3.2.2 인서트 금속의 특성평가 방법 = 46
• 3.3 결과 및 고찰 = 48
• 3.3.1 인서트 금속의 미세조직 및 기계적 특성 = 48
• 3.3.2 Al-Ag2Al-Al2Cu 공융액상 형성 소요시간 = 53
• 3.3.3 공융액상 형성 온도 및 상분석 = 59
• 3.4 결론 = 65
• 제 4 장 Ag-Cu계 Insert Metal을 이용한 Al1050합금의 Diffusion Brazing = 66
• 4.1 서론 = 66
• 4.2 실험 방법 = 67
• 4.2.1 접합모재 및 인서트 금속 = 67
• 4.2.2 접합방법 = 69
• 4.2.3 접합강도 및 계면특성 평가방법 = 73
• 4.3 결과 및 고찰 = 75
• 4.3.1 Al1050합금의 접합초기 액상형성 메커니즘 = 75
• 4.3.2 Al1050합금의 확산브레이징 메커니즘 = 82
• 4.3.3 등온응고 특성 및 접합강도 = 86
• 4.4 결론 = 91
• 제 5 장 Ag28Cu인서트 금속을 이용한 Al5052합금의 Diffusion Brazing = 93
• 5.1 서론 = 93
• 5.2 실험 방법 = 95
• 5.2.1 접합모재 및 인서트 금속 = 95
• 5.2.2 접합방법 = 97
• 5.2.3 접합강도 및 계면특성 평가방법 = 97
• 5.3 결과 및 고찰 = 98
• 5.3.1 Al5052합금의 접합초기 액상형성 메커니즘 = 98
• 5.3.2 온도에 따른 접합부 계면거동 및 접합강도 = 107
• 5.3.3 등온응고 특성 = 111
• 5.4 결론 = 118
• 제 6 장 Ag-Cu인서트 금속을 이용한 Al6061합금의 Diffusion Brazing = 120
• 6.1 서론 = 120
• 6.2 실험 방법 = 121
• 6.2.1 접합모재 및 인서트 금속 = 121
• 6.2.2 접합방법 및 열처리 방법 = 123
• 6.2.3 접합강도 및 계면특성 평가방법 = 125
• 6.3 결과 및 고찰 = 126
• 6.3.1 Al6061합금의 접합초기 액상형성 메커니즘 = 126
• 6.3.2 용체화 처리 온도 이하에서의 접합계면거동 = 136
• 6.3.3 용체화 처리 온도 이상에서의 접합특성 = 142
• 6.3.4 인서트 금속내 Ag함량에 따른 접합특성 = 149
• 6.4 결론 = 153
• 제 7 장 총괄결론 = 155
• 참고문헌 = 158