연구 목적: 온도 변화에 따른 $ZrO_2$와 Ti-6Al-4V의 접합 특성에 대해 알아보기 위하여 새로운 브레이징 합금을 제조하고, 브레이징 온도가 접합 특성에 미치는 영향에 대하여 조사하고자 하였다. 연구 재료 및 방법: 본 연구에서 사용된 시편으로는 실험용 $ZrO_2$ 모재(ZirBlank-PS, Acucera, Inc., Gyeonggi-do, Korea)는 소결 전의 블록형태($65mm{\times}36mm{\times}12mm(t)$)이며, 이를 잘라 사포(#2400)로 표면연마 후 소결하였다. 소결된 $ZrO_2$ 시편의 크기는 $3mm{\times}3mm{\times}3mm(t)$이다. Ti-6Al-4V 모재(Ti 6Al 4V ELI CG Bar, TMS, Washington, USA)는 직경 $10mm{\times}5mm(t)$를 사용하였다. 소결된 $ZrO_2$와 Ti-6Al-4V의 접합을 위하여 브레이징 합금을 제조하였다. 시편을 3군으로 나누어 A군은 $700^{\circ}C$에서, B군은 $750^{\circ}C$에서, C군은 $800^{\circ}C$에서 각각 브레이징 하였다. 브레이징 부의 두께와 결함율의 측정은 각 군당 하나의 시편으로 각 시편 당 5회씩 반복 측정하여 평균값을 취하였다. 결과: 브레이징 합금을 사용하여 진공 브레이징을 수행한 결과 $ZrO_2$ 와 Ti-6Al-4V 는 $700^{\circ}C-800^{\circ}C$에서 양호한 접합을 보였다. 브레이징 후 브레이징 온도 변화에 따른 브레이징 부의 두께 및 결함율의 변화는 SEM을 사용하여 측정하였다. 브레이징 온도가 $700^{\circ}C$에서 $800^{\circ}C$로 증가함에 따라 CuTi 금속간 화합물 층 및 Ti-Sn-Cu-Ag계 화합물 층의 두께는 각각 $4.5{\mu}m$에서 $10.3{\mu}m$로, $3.1{\mu}m$에서 $5.0{\mu}m$로 증가되었다. 또한 브레이징 온도가 $700^{\circ}C$에서 $800^{\circ}C$로 증가함에 따라 브레이징 접합계면의 결함율은 $ZrO_2$ 및 Ti-6Al-4V 계면에서 각각 25%에서 16.3%, 5%에서 1.5%로 감소되었다. 결론: 브레이징 온도가 $700^{\circ}C$에서 $800^{\circ}C$로 증가됨에 따라, 브레이징 접합계면의 결함율은 $ZrO_2$ 및 Ti-6Al-4V 계면에서 모두 감소되었다. 이는 결함부에서 $ZrO_2$와 활성원소인 Ti과의 반응이 충분히 일어나지 않아서 브레이징 합금이 $ZrO_2$에 웨팅되지 않은 것이 원인이라고 사료된다.
연구 목적: 온도 변화에 따른 $ZrO_2$와 Ti-6Al-4V의 접합 특성에 대해 알아보기 위하여 새로운 브레이징 합금을 제조하고, 브레이징 온도가 접합 특성에 미치는 영향에 대하여 조사하고자 하였다. 연구 재료 및 방법: 본 연구에서 사용된 시편으로는 실험용 $ZrO_2$ 모재(ZirBlank-PS, Acucera, Inc., Gyeonggi-do, Korea)는 소결 전의 블록형태($65mm{\times}36mm{\times}12mm(t)$)이며, 이를 잘라 사포(#2400)로 표면연마 후 소결하였다. 소결된 $ZrO_2$ 시편의 크기는 $3mm{\times}3mm{\times}3mm(t)$이다. Ti-6Al-4V 모재(Ti 6Al 4V ELI CG Bar, TMS, Washington, USA)는 직경 $10mm{\times}5mm(t)$를 사용하였다. 소결된 $ZrO_2$와 Ti-6Al-4V의 접합을 위하여 브레이징 합금을 제조하였다. 시편을 3군으로 나누어 A군은 $700^{\circ}C$에서, B군은 $750^{\circ}C$에서, C군은 $800^{\circ}C$에서 각각 브레이징 하였다. 브레이징 부의 두께와 결함율의 측정은 각 군당 하나의 시편으로 각 시편 당 5회씩 반복 측정하여 평균값을 취하였다. 결과: 브레이징 합금을 사용하여 진공 브레이징을 수행한 결과 $ZrO_2$ 와 Ti-6Al-4V 는 $700^{\circ}C-800^{\circ}C$에서 양호한 접합을 보였다. 브레이징 후 브레이징 온도 변화에 따른 브레이징 부의 두께 및 결함율의 변화는 SEM을 사용하여 측정하였다. 브레이징 온도가 $700^{\circ}C$에서 $800^{\circ}C$로 증가함에 따라 CuTi 금속간 화합물 층 및 Ti-Sn-Cu-Ag계 화합물 층의 두께는 각각 $4.5{\mu}m$에서 $10.3{\mu}m$로, $3.1{\mu}m$에서 $5.0{\mu}m$로 증가되었다. 또한 브레이징 온도가 $700^{\circ}C$에서 $800^{\circ}C$로 증가함에 따라 브레이징 접합계면의 결함율은 $ZrO_2$ 및 Ti-6Al-4V 계면에서 각각 25%에서 16.3%, 5%에서 1.5%로 감소되었다. 결론: 브레이징 온도가 $700^{\circ}C$에서 $800^{\circ}C$로 증가됨에 따라, 브레이징 접합계면의 결함율은 $ZrO_2$ 및 Ti-6Al-4V 계면에서 모두 감소되었다. 이는 결함부에서 $ZrO_2$와 활성원소인 Ti과의 반응이 충분히 일어나지 않아서 브레이징 합금이 $ZrO_2$에 웨팅되지 않은 것이 원인이라고 사료된다.
Purpose: In this study, brazing characteristics of $ZrO_2$ and Ti-6Al-4V brazed joints with increasing temperature were investigated. Materials and methods: The sample size of the $ZrO_2$ was $3mm{\times}3mm{\times}3mm$ (thickness), and Ti-6Al-4V was $10mm(diame...
Purpose: In this study, brazing characteristics of $ZrO_2$ and Ti-6Al-4V brazed joints with increasing temperature were investigated. Materials and methods: The sample size of the $ZrO_2$ was $3mm{\times}3mm{\times}3mm$ (thickness), and Ti-6Al-4V was $10mm(diameter){\times}5mm(thickness)$. The filler metal consisted of Ag-Cu-Sn-Ti was prepared in powder form. The brazing sample was heated in a vacuum furnace under $5{\times}10^{-6}$ torr atmosphere, while the brazing temperature was changed from 700 to $800^{\circ}C$ for 30 min. Results: The experimental results shows that brazed joint of $ZrO_2$ and Ti-6Al-4V occurred at $700-800^{\circ}C$. Brazed joint consisted of Ag-rich matrix and Cu-rich phase. A Cu-Ti intermetallic compounds and a Ti-Sn-Cu-Ag alloy were produced along the Ti-6Al-4V bonded interface. Thickness of the reacted layer along the Ti-6Al-4V bonded interface was increased with brazing temperature. Defect ratios of $ZrO_2$ and Ti-6Al-4V bonded interfaces decreased with brazing temperature. Conclusion: Thickness and defect ratio of brazed joints were decreased with increasing temperature. Zirconia was not wetting with filler metal, because the reaction between $ZrO_2$ and Ti did not occur enough.
Purpose: In this study, brazing characteristics of $ZrO_2$ and Ti-6Al-4V brazed joints with increasing temperature were investigated. Materials and methods: The sample size of the $ZrO_2$ was $3mm{\times}3mm{\times}3mm$ (thickness), and Ti-6Al-4V was $10mm(diameter){\times}5mm(thickness)$. The filler metal consisted of Ag-Cu-Sn-Ti was prepared in powder form. The brazing sample was heated in a vacuum furnace under $5{\times}10^{-6}$ torr atmosphere, while the brazing temperature was changed from 700 to $800^{\circ}C$ for 30 min. Results: The experimental results shows that brazed joint of $ZrO_2$ and Ti-6Al-4V occurred at $700-800^{\circ}C$. Brazed joint consisted of Ag-rich matrix and Cu-rich phase. A Cu-Ti intermetallic compounds and a Ti-Sn-Cu-Ag alloy were produced along the Ti-6Al-4V bonded interface. Thickness of the reacted layer along the Ti-6Al-4V bonded interface was increased with brazing temperature. Defect ratios of $ZrO_2$ and Ti-6Al-4V bonded interfaces decreased with brazing temperature. Conclusion: Thickness and defect ratio of brazed joints were decreased with increasing temperature. Zirconia was not wetting with filler metal, because the reaction between $ZrO_2$ and Ti did not occur enough.
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문제 정의
하지만 티타늄 합금의 경우 접합온도를 제한하는 베타천이온도를 갖고 있는데, 접합 온도가 이 천이 온도에 근접하거나 높게 되면모재 조직의 변화로 인하여 강도 손실이 발생될 우려가 있기 때문에 천이 온도보다 낮은 온도에서의 접합이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 기존의 Ag-Cu-Ti 계열이나Ag-Cu 계열의 브레이징 금속보다 융점이 낮아 더 낮은 온도에서의 브레이징이 가능한 Ag-Cu-Sn-Ti계의 새로운 브레이징 합금을 제조하여, 각각700℃ 750℃, 800℃의 온도에서 지르코니아(ZrO2)와 티타늄합금(Ti6Al-4V)을브레이징하여, 접합특성에미치는브레이징온도의 영향을조사하고자하였다.
본연구에서는온도변화에따른ZrO2와Ti-6Al-4V의접합특 성에 대해 알아보기 위하여 새로운 브레이징 합금을 제조하 고, 브레이징 온도에 따른 접합 특성에 대하여 조사하였다. 그 결과를요약하면다음과같다.
제안 방법
다음은700℃, 750℃, 800℃에서접합단면의XRD 분석결과에 대하여 알아보았다(Fig. 7). XRD 분석 결과 모재인ZrO2, Ti 과 접합계면화합물인CuTi, CuTi3 등을Cu-Ti 이원상태도에서확 인할수있었다(Fig.
접합부 및 계면의 영역 1 - 4에 대해 EDS를 이용하여 조성을 분석하였다. 영역1은700 - 800℃브레이징온도에서Ti과Cu의 조성비(at%)가 약 1 : 1로(예; 800℃에서 Ti : Cu = 47.
도포된 시편은 약5 ×10-6 torr 분위기의 진공로에 장입하여, 3℃/분의 승온속도로 가열하였다. 진공 브레이징시 최고 가열온도는 700, 750, 800℃의 3군으로 하였으며, 각 군당 하나의 시편으로 각 시편당 5회씩 반복 측정하여 평균 값을계산하였다. 유지시간은모두 30분으로 하였다.
대상 데이터
모재의 표면산화와 오염을 막기 위하여 브레이징 전에 아세톤과 에탄올을이용하여 초음파 세척을 한 후, 드라이 오븐에서 건조하였다. ZrO2와 Ti-6Al-4V의 접합을 위하여 브레이징 합금을 제조하였다. 브레이징 합금은 Ag 분말에Cu, Sn, Ti 분말을 첨가하여 Ag-Cu-Sn-Ti계 분말을 제조하였다.
ZrO2와 Ti-6Al-4V의 접합을 위하여 브레이징 합금을 제조하였다. 브레이징 합금은 Ag 분말에Cu, Sn, Ti 분말을 첨가하여 Ag-Cu-Sn-Ti계 분말을 제조하였다. 제조된 브레이징 합금 분말의 균일한 혼합을 위하여 24시간 동안 볼밀링(ball-milling) 하였다.
실험용 ZrO2 모재(ZirBlank-PS, Acucera, Inc., Gyeonggi-do, Korea) 는 소결 전의 블록형태(65 mm ×36 mm ×12 mm (t))이며, 이를 잘라 사포(#2400)로 표면연마 후 소결하였다.
티타늄합금(Ti-6Al-4V) 모재(Ti6Al4V ELICG Bar, TMS, Washington, USA)는 직경10 mm ×5 mm (t)를사용하였다.
성능/효과
1. Ag-Cu-Sn-Ti계 브레이징 합금을 사용하여 진공 브레이징 을수행한결과ZrO2와Ti-6Al-4V는700℃- 800℃에서양호한 접합을보였다.
2. 브레이징부는기지부인Ag-rich 상과Cu-rich상으로구성되 었으며, ZrO2와Ti-6Al-4V의계면에는CuTi, CuTi3등의금속간 화합물 층 및 Ag-Cu-Sn-Ti계 화합물 층이 접합계면을 따라 생성되었다.
지르코니아와티타늄합금은 용융용접 등이 어렵기 때문에, 브레이징을 이용한 접합법이 많이 사용된다.3,7 브레이징법은 모재가 용융되지 않고, 넓은 면적의 이종재료의 접합이 가능하므로 세라믹이나 금속의 접합에도 적합하다.8
3. 브레이징 온도가 700℃에서 800℃로 증가됨에 따라, CuTi, CuTi3등의금속간화합물층및Ag-Cu-Sn-Ti계화합물층의 두께는각각4.5 ㎛에서10.3 ㎛로, 3.1 ㎛에서5.0 ㎛로증가되 었다.
4. 브레이징 온도가 700℃에서 800℃로 증가됨에 따라, 브레 이징 접합계면의 결함율은 ZrO2/브레이징 합금 및 브레이 징 합금/Ti-6Al-4V 계면에서 각각 25%에서 16.3%, 5%에서 1.5%로감소되었다.
Ti-6Al-4V 모재로부터 계면 합금층, 브레이징 합금영역을 가 로질러EDS 선분석결과, 영역1과영역2에서는Ti 이약50%의 거의 일정한 분포를 나타내었는데, 다른 원소로는 영역 1에서 는Cu가많고, 영역2에서는Sn이상대적으로많은함량을보였 다. 영역 4에서는 주로 Ag가 다량 분포하였으며, Sn과 Cu도 소 량존재하였으며, Ti는미량확인되었다(Fig.
7). XRD 분석 결과 모재인ZrO2, Ti 과 접합계면화합물인CuTi, CuTi3 등을Cu-Ti 이원상태도에서확 인할수있었다(Fig. 8). 또한EDS분석으로부터영역1은CuTi, 영 역2는CuTi3임을검증할수있었다(Table 3).
7 at%로감소하였다. 영역4는Ag가주된조성(78% 이 상)인영역으로브레이징온도가증가함에따라Cu, Sn, Ti의양 이미량감소하였으나, 전체적으로Ag-Cu-Sn-Ti 조성은일정하 게 유지되었다. 온도가 증가함에 따라 영역 1과 2의 두께는 증 가하는 반면, 영역 3과 4의 두께는 감소하는 경향을 나타내었 다.
영역4는Ag가주된조성(78% 이 상)인영역으로브레이징온도가증가함에따라Cu, Sn, Ti의양 이미량감소하였으나, 전체적으로Ag-Cu-Sn-Ti 조성은일정하 게 유지되었다. 온도가 증가함에 따라 영역 1과 2의 두께는 증 가하는 반면, 영역 3과 4의 두께는 감소하는 경향을 나타내었 다. 이는 브레이징 온도가 증가함에 따라 브레이징 합금의 웨 팅(wetting)성이증가하여Ti의계면에잘퍼짐과동시에영역3 과4에존재하는Cu와Ag가영역1과2로확산되어CuTi나CuTi3 등의 중간상을 형성하면서 결합하였기 때문에 결함율이 감소 되었다고판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지르코니아의 장점과 응용분야는 어떠한가?
이러한 이종 소재 중 최근 다양한 분야에서 응용이 가능한 소재로지르코니아(ZrO2)와티타늄합금(Ti-6Al-4V)이있다. 지르코니아(ZrO2)는 우수한 경도 및 내마모도, 내부식성과 낮은 열 전도성으로 인하여 절삭공구 등에 사용된다. 또한 온도의 급변에 견디므로 내열재료나 디젤엔진부품, 생체재료등으로도 사용된다.3-6 티타늄합금(Ti-6Al-4V)은 고온강도 및 내식성이 우수하여 항공, 해양, 생체재료 등에서 넓게 사용되는 재료 중 하나이다.
티타늄합금의 장점과 해당 장점으로 인해 티타늄합금을 응용하는 분야에는 어떤 것들이 있는가?
또한 온도의 급변에 견디므로 내열재료나 디젤엔진부품, 생체재료등으로도 사용된다.3-6 티타늄합금(Ti-6Al-4V)은 고온강도 및 내식성이 우수하여 항공, 해양, 생체재료 등에서 넓게 사용되는 재료 중 하나이다.7
본 연구에서 기존 브레이징 금속보다 더 낮은 온도에서 브레이징이 가능한 Ag-Cu-Sn-Ti계 합금을 이종재료 접합을 위한 브레이징법에 활용한 이유는 무엇인가?
이와 같이 지르코니아와 티타늄 합금의 브레이징에 관한 연구가 진행되고 있다. 하지만 티타늄 합금의 경우 접합온도를 제한하는 베타천이온도를 갖고 있는데, 접합 온도가 이 천이 온도에 근접하거나 높게 되면모재 조직의 변화로 인하여 강도 손실이 발생될 우려가 있기 때문에 천이 온도보다 낮은 온도에서의 접합이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 기존의 Ag-Cu-Ti 계열이나Ag-Cu 계열의 브레이징 금속보다 융점이 낮아 더 낮은 온도에서의 브레이징이 가능한 Ag-Cu-Sn-Ti계의 새로운 브레이징 합금을 제조하여, 각각700℃ 750℃, 800℃의 온도에서 지르코니아(ZrO2)와 티타늄합금(Ti6Al-4V)을브레이징하여, 접합특성에미치는브레이징온도의 영향을조사하고자하였다.
참고문헌 (10)
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Botstein O, Schwarzman A, Rabinkin A. Inductionbrazing of Ti-6Al-4Valloy with amorphous25Ti-25Zr-50Cu brazing filler metal. Mater Sci Eng A 1996;206:14-23.
Liu GW, Qiao GJ, Wang HJ, Yang JF, Lu TJ. Pressureless brazing of zirconia to stainless steel with Ag-Cu filler metal and TiH2 powder. J Eur Ceram Soc 2008;28:2701-8.
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