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KR100453323B1 - 세라믹 고온 발열체의 접합 방법 및 장치 - Google Patents

세라믹 고온 발열체의 접합 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

세라믹 소재의 고온 발열체에서 세라믹 간 접합 부위에 환원성 불꽃을 이용하여 예열하고, 산화분위기를 제거하는 것을 포함하는 본 발명의 세라믹 고온 발열체의 접합 방법은 환원 처리용 버너, 도선이 배설된 발열부 고정 장치와 비발열부 고정 장치, 전원 공급부, 가압 손잡이 및 작업대를 포함하는 본 발명의 세라믹 고온 발열체 접합 장치에 의해 달성된다.
상기 본 발명의 세라믹 고온 발열체의 접합방법 및 장치에 의하면, 세라믹 고온 발열체의 세라믹 간 접합 부위에서 발생되던 미세 균열(Micro crack)을 방지할 수 있고, 산화피막(SiO2) 형성을 억제하여 보다 균일하고 높은 접합 강도를 갖는다. 또한 순간적인 전기 충격에 의한 접합 부위 탈락을 억제하여 수명을 연장할 수 있고, 생산공정에 있어서 용접 후 불량률을 최소화할 수 있으므로 높은 생산성을 기대할 수 있다.

Description

세라믹 고온 발열체의 접합 방법 및 장치 {Method and apparatus for joining high-temperature ceramic heater}
본 발명은 세라믹 고온 발열체의 접합 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 환원 처리용 버너가 부가된 세라믹 접합 장치 및 이를 이용하여 2규화 몰리브덴(MoSi2)과 같은 고온 발열체를 접합하는 방법에 관한 것이다.
소성로, 용융로, 철강의 열처리로나 소결로 등 전기를 열원으로 하는 각종 전기로에는 비금속 발열체로서 세라믹 고온 발열체가 사용되고 있는데, 특히 2규화 몰리브덴(MoSi2)은 높은 열전도도, 낮은 열팽창계수, 높은 융점(2,030℃) 및 내산화성이 우수하여 전기로의 발열체 재료로서 광범위하게 사용되고 있다. 또한 가스 터어빈, 노즐 등의 내열구조 재료로서도 응용되고 있다.
이러한 2규화 몰리브덴(MoSi2) 고온 발열체는 그 구성이 발열부(Heating Zone, LE)와 비발열부(Terminal Zone, LU)로 되어 있고, 또한 형상의 다양화로 인하여 발열부와 비발열부를 각각 별도로 성형하여 추후에 이를 접합하여 제품을 만들고 있다. 따라서, 용접 공정은 2규화 몰리브덴 고온 발열체 제조에 있어서 매우 중요한 공정이 된다.
기존에는 발열부와 비발열부에 각각 (+), (-) 전류를 흘려서 전기저항에 의해 융점에 도달하면 가압하여 단순히 접합하는 방법을 사용하여 왔다.
그러나, 이러한 방법은 수∼수십 초 내에 이루어지는 빠른 공정으로, 급가열 또는 급냉각시 접합 부위에 균열(crack)이 발생할 수 있고, 또한 융점에 도달했을 때 발열체의 성분 중 하나인 규소(Si)가 대기 중에 존재하는 산소(O2)와 반응하여 접합면에 산화층(이산화규소, SiO2)을 형성함으로써 접합 강도가 낮아지는 등의 단점이 있었다.
또한 기존의 고온 발열체는 순간적인 전기 충격이 가해졌을 때 접합 부위가 쉽게 탈락하여 수명이 짧았고, 이로 인해 고온 발열체를 사용하는 전기로의 수명도 단축되고, 발열 효율이 낮아 최종 생산 제품의 불량률도 증가하는 단점도 있었다.
따라서, 접합 부위의 미세 균열(micro crack)을 방지하고, 접합 강도가 향상되어 전기로의 수명을 더욱 연장할 수 있는 고온 발열체의 세라믹 간 접합 방법과 장치에 대한 업계 요구가 꾸준히 있어 왔다.
이에, 본 발명자는 상기와 같은 종래의 접합 방법의 단점을 해결하고자 예의 연구한 결과, 종래의 전기저항 용접장치에 환원 처리용 버너를 부가하여 세라믹 간 접합면을 예열시켜 접합 부위에 발생하는 미세 균열 현상을 억제하고, 환원 분위기를 조성함으로써 접합 강도를 향상시킬 수 있음을 발견하고, 본 발명에 이르렀다.
따라서, 본 발명의 목적은 고온 발열체의 세라믹 간 접합시 균열 현상을 최소화하고, 접합 강도를 향상시킬 수 있는 세라믹 고온 발열체의 접합 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 세라믹 고온 발열체의 접합 방법에 직접 사용되는 접합 장치를 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명에 따라 세라믹 고온 발열체를 접합하기 위한 장치의 이용 상태를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에서 접합 동작을 나타내기 위해 확대한 도면이다.
도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명
1: 가스 공급원, 2: 가스 유량 제어기, 3: 환원 처리용 버너,
4: 고온 발열체, 4': 발열부, 4": 비발열부,
5: 발열부 고정 장치, 6: 비발열부 고정 장치,
7: (+) 도선, 8: (-) 도선, 9: 계기판,
10: 전원 공급부, 11: 가압 손잡이, 12: 작업대.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 세라믹 고온 발열체의 접합 방법은 세라믹 간 접합 부위에 환원성 불꽃을 이용하여 예열하고, 산화분위기를 제거하는 것을 포함한다.
이때, 상기 세라믹 고온 발열체는 규소(Si) 또는 이산화규소(SiO2)를 함유하거나 또는 SiC계, ZrO2계의 세라믹 소재로 이루어지는 고온 발열체를 포함하며, 특히 2규화 몰리브덴(MoSi2)인 것이 바람직하다.
상기 본 발명의 세라믹 고온 발열체의 접합 방법에서 접합 부위를 예열하는 것은, 세라믹 간 접합 전 발열부와 비발열부를 각각 (+), (-) 전류로 통전시키면 융점까지 급격하게 온도가 상승하게 되며, 접합 후 급냉각시에는 급격히 온도가 하강하여 이로 인한 열충격을 완화시키기 위함이다. 이러한 열충격은 접합 부위에 미세 균열을 발생시켜 접합 강도를 약화시킨다.
또한 통전시 전기저항에 의해 세라믹 소재의 융점에 이르게 된 고온 발열체는 그 원료 소재 중에 포함되어 있는 규소(Si)가 대기 중에 존재하는 산소(O2)와 반응하여 접합면에 산화층(이산화규소, SiO2)을 형성하게 되는데, 이때 상기 예열 과정에 의해 이러한 산화층의 형성이 억제된다. 이러한 억제 작용에 의해 세라믹 간 접합 강도가 향상된다.
이러한 예열 및 산화 분위기 제거는 후술하는 본 발명의 또 다른 요지인 세라믹 고온 발열체의 접합 장치의 환원 처리용 버너에 의해 달성된다.
즉, 세라믹 간 접합 부위에 대해 환원성 불꽃을 직접 닿게 하여 환원성 분위기를 조성하는 환원 처리 과정과 가압에 의한 단순 접합 과정을 함께 실시한다. 환원성 분위기란, 프로판 가스, 수소(H2) 가스 등을 사용하여 고온 발열체 중에 함유되어 있는 산소를 제거하거나 또는 외부의 가스, 특히 산소에 의한 영향을 차단하여 조성되는 분위기를 말한다. 본 발명에서는 접합하고자 하는 세라믹 소재에 따라 다르지만, 환원 처리용 버너에 의한 환원 불꽃 온도 범위 500∼1000℃에서 접합 부위를 예열하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 또한 상기 세라믹 고온 발열체의 접합 방법에 직접 사용되는 접합 장치에 관한 것으로, 도 1 및 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따라 세라믹 고온 발열체를 접합하기 위한 장치의 이용 상태를 나타내는 도면으로, 본 발명의 세라믹 고온 발열체의 접합 장치는 기존의 전기 저항 용접장치에 환원 처리용 버너(3)를 부가한 것이다.
본 발명에 의하면, 가스 공급원(1)으로부터 공급되어 산화 분위기를 제거하기 위한 환원 처리용 버너(3), 작업대(12) 상에 평행하게 배치되고 내부에 각각 (+), (-) 도선(7, 8)이 배설된 발열부 고정 장치(5)와 비발열부 고정 장치(6), 상기 도선에 전류를 공급하여 고온 발열체(4)를 발열시키기 위한 전원 공급부(10), 및 상기 작업대(12) 일측에 상기 발열부 고정 장치(5)와 비발열부 고정 장치(6)를 이동시켜 고온 발열체(4)를 접합시키기 위한 가압 손잡이(11)가 설치되는 세라믹고온 발열체의 접합 장치가 제공된다.
상기 고온 발열체(4)는 발열부(4') 및 비발열부(4")로 구분되어 접합이 요구되는 세라믹 소재의 고온 발열체를 말하며, 바람직하게는 규소(Si) 또는 이산화규소(SiO2)를 함유하거나 또는 SiC계, ZrO2계의 세라믹 소재로 이루어지는 고온 발열체이며, 특히 2규화 몰리브덴(MoSi2)인 것이 가장 바람직하다. 또한 상기 고온 발열체(4)는 상기 발열부 및 비발열부 고정 장치(5, 6)의 일단부에 수직 방향으로 세라믹 고온 발열체(4)의 발열부(4') 및 비발열부(4")가 각각 고정된다.
고정된 상기 발열부(4') 및 비발열부(4")를 접합시키기 위해, 본 발명에서는 환원 처리용 버너(3)를 사용하여 예열 및 환원 분위기를 조성한 후, 가압에 의한 접합을 실시한다.
상기 환원 처리용 버너(3)의 헤드와 고온 발열체(4)간의 거리는 가압에 의한 접합 과정에 방해가 되지 않는 한, 근접할수록 외부의 가스로부터 더 많이 차단되고, 환원 분위기가 균일하게 유지되므로 바람직하다.
이러한 환원 분위기는 접합부위를 가스 공급원(1)으로부터 공급되는 가스, 바람직하게는 프로판가스, 수소(H2)가스와 가스 유량 제어기(2)에 의해 500∼1000℃의 온도 범위에서 조성된다.
상기 발열부 고정 장치(5)와 비발열부 고정 장치(6) 내부에 각각 배설된 (+), (-) 도선(7, 8)은 전원 공급부(10)로부터 공급되는 전류와 전압을 작업자가 작업대(12) 상에 설치된 계기판(9)(전류계, 전압계)을 통해 온도가 제어된다. 이때, 세라믹 소재의 융점을 감안하여 적절한 온도를 설정하고, 온도 제어기(미도시)에 의해 1000∼1600℃의 온도 범위에서 제어된다.
상기 가압 손잡이(11)는 통상의 고온 발열체 접합 방법에 따라 당업자에 의해 적절히 조작된다.
본 발명에 따른 상기 구성의 세라믹 고온 발열체 접합 장치에 의하면, 접합하고자 하는 세라믹 소재의 고온 발열체(4)는 보다 균일하고 높은 접합 강도를 갖게 되며, 미세 균열의 생성이 방지된다.
이하, 실시예를 들어 본 발명을 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예
종래의 가압에 의한 단순 접합 장치와 본 발명의 세라믹 고온 발열체의 접합 장치에 의해 접합된 2규화 몰리브덴(MoSi2)의 접합 강도를 직경이 다른 다양한 형상에 따라 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
구분 접합 강도(MPa)
종래의 접합 장치에 의해 접합된 고온 발열체 본 발명의 접합 장치에 의해 접합된 고온 발열체 증감
샘플 1(φ3/6) 243.5 280.0 15% ↑
샘플 2(φ4/9) 247.5 292.05 18% ↑
샘플 3(φ6/12) 247.9 300.0 21% ↑
샘플 4(φ9/18) 259.7 321.5 24% ↑
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 종래의 접합 장치에 비해 본 발명의 접합 장치에 의해 MoSi2의 발열부(4')와 비발열부(4")의 접합 부위에서의 접합 강도가 15∼24% 증가되었고 접합면의 단면적이 증가할수록 접합강도 또한 증가되었음을 알 수 있다.
이상, 고온 발열체(4) 재료로서 2규화 몰리브덴(MoSi2)를 예시하였으나, 본 발명은 다른 소재의 고온 발열체에 대해서도 동일하게 적용됨은 물론이다.
본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
본 발명의 세라믹 고온 발열체의 접합 장치를 이용하여 접합되는 고온 발열체(4)는 접합 부위에서 발생되던 미세 균열(Micro crack)을 방지할 수 있고, 산화피막(SiO2) 형성을 억제하여 보다 균일하고 높은 접합 강도를 갖게 된다.
따라서, 기존의 고온 발열체가 가지고 있던 문제점, 즉 순간적인 전기 충격이 가해졌을 때 접합 부위가 쉽게 탈락하여 그 수명을 다하는 등과 같은 문제점을 해결할 수 있고, 생산공정에 있어서 용접 후에 불량률을 최소화할 수 있으므로 높은 생산성을 기대할 수 있다. 또한 실수요자의 측면에서는 고온 발열체의 불량률을 줄임으로써 전기로의 수명을 연장하고, 이를 이용한 세라믹 제품의 소결시 발생하던 불량률도 상당 부분 줄일 수 있는 이중의 파급효과를 기대할 수 있다.

Claims (9)

1) 2규화 몰리브덴(MoSi2) 세라믹 고온 발열체의 발열부와 비발열부의 각 접합면이 서로 접촉되도록 위치시키는 단계;
2) 수소 가스 또는 프로판 가스에 의한 불꽃을 상기 발열부와 비발열부의 접합부위에 가하여, 접합부위를 500 ~ 1000℃의 온도로 예열하는 단계;
3) 상기 발열부와 비발열부에 전류를 공급하여 상기 접합부위를 1000 ~ 1600℃의 온도로 가열하는 단계;
4) 가열된 발열부와 비발열부에 압력을 가하여 접합시키는 단계;를
포함하며,
상기 수소 가스 또는 프로판 가스에 의한 불꽃은 발열부와 비발열부의 접합이 완료될 때까지 계속하여 가해지는 것을 특징으로 하는 세라믹 고온 발열체의 접합 방법.
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프로판 가스 또는 수소 가스를 분사시키고, 이를 연소시켜 산화 분위기를 제거하는 환원 처리용 버너(3);
작업대(12) 상에 평행하게 배치되고 내부에 각각 (+), (-) 도선(7, 8)이 배설된 발열부 고정 장치(5)와 비발열부 고정 장치(6);
상기 도선에 전류를 공급하여 2규화 몰리브덴(MoSi2) 고온 발열체(4)를 발열시키기 위한 전원 공급부(10); 및
상기 작업대(12) 일측에 마련되며, 상기 발열부 고정 장치(5)와 비발열부 고정 장치(6)를 이동시켜 2규화 몰리브덴(MoSi2) 고온 발열체(4)를 가압하는 가압 손잡이(11); 를
포함하는 세라믹 고온 발열체의 접합 장치.
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