브레이징 합금

[브레이징 합금의 종류]

브레이징 합금은 모재 사이에 접합을 위해 충전되거나 도포되는 것으로 모재와 젖음성(wettability)이 좋아야 하며, 적당한 용융점 (melting point)을 가져야 한다. 브레이징시 모재와 친화력이 있어야 하고, 적당한 물리적/기계적 성질을 가져야 한다. 브레이징 합금 선택시 고려사항으로는 모재의 종류와 브레이징 방법, 합금의 가격, 모재의 형상, 합금의 융점 및 용융 온도 범위, 모재와의 친화력, 브레이징 강도 등을 고려하여야 한다. 브레이징 합금에는 다음과 같은 종류들이 있다.

 

1.  은 (Ag)은 용융점이 960.8℃로 내식성, 전기 전도도, 열 전도도 등이 우수하며, 다른 원소와 결합하여 강한 강도를 가진다. 은계 브레이징 합금의 융점은 보통 600~800℃ 범위이다. 은계 브레이징 합금은 용융할 때 강한 침투력을 가지기 때문에 젖음성, 가공성이 좋다. 선형, 박판형, 분말형 등 여러 가지 형태로 가공이 가능하다. 은계 브레이징 합금에는 Ag를 기반으로 Cu, Zn, Ni, Sn, Cd 등이 함유되며, 조성에 따라 BAg-1에서 BAg-24, 규격 외 은계 합금 등 수 많은 종류가 존재한다. 스테인리스에 대해서는 Cd계는 작업성, Ni계는 강도와 내식성 등의 측면에서 사용되고 있다.

 

2. 동 (Cu)은 1,083℃의 융점을 가진 금속으로 연성, 열전도성, 도전성, 내부식성, 강한 침투력 등 많은 장점을 가지고 있으며, 은에 비하여 상대적으로 저렴하다. 동계 브레이징 합금으로는 동의 융점 저하를 목적으로 Sn, Zn을 첨가하기도 하고, 강도나 젖음성 개선을 목적으로 Ni, Ag, 등을 첨가하기도 하며, 이 외에 미량의 원소가 첨가되기도 한다. 또한 은과 28:72의 비율로 화합하여 780℃의 공정 합금 (eutectic alloy)을 이용한 브레이징 합금도 있다. 황동계 브레이징 합금에 사용되는 아연 (Zn)은 낮은 용융점 (419.5℃)때문에 매우 유용한 금속으로, 젖음성이 우수하며 상대적으로 저가이다. 그러나 Zn의 함량이 높을 경우 취성 파괴 (brittle)와 낮은 기화점 (vapor) 등의 문제점을 가지고 있다. 동계 브레이징 합금은 가공성이 좋아 은 (Ag)계와 같이 선형, 박판형, 분말형 등 여러가지 형태로 가공이 가능하다. 휘발성이 있는 Zn, Ag 등을 함유하지 않은 동이나 동계 합금은 분위기를 이용한 로 브레이징이나 진공 브레이징에 사용된다.

 

3. 니켈 브레이징 합금의 경우 고온강도가 높고, 내식성 및 고온 내산화성이 우수하므로, 항공기 부품, 각종 엔진, 터빈, 원자로 등에 많이 사용되고 있다. 니켈계 브레이징 합금은 융점이 975~1135℃ 정도로 높고 (Ni 융점; 1453℃), 내식성이 우수하며 스테인리스 강이나 니켈계 내열 모재의 브레이징에 많이 사용된다 [1]. 표 1은 니켈 브레이징 합금의 예를 보인 것이다. 니켈 브레이징 합금에는 Cr, B, P, Si, Fe, Cr, W 등이 포함되어 있으며, 경도가 높아서 가공성이 나쁘다. 따라서, 와이어나 판재로는 공급이 어렵고 분말로 공급되는 것이 대부분이다. 다만, 급속냉각에 의한 비정질 박판상으로 제조되는 경우는 있다. 브레이징 접합시 내식 특성의 열화를 방지하기 위해 대부분 진공 (vacuum)이나 환원성 분위기 브레이징용으로 사용된다. 니켈을 함유한 브레이징 합금은 스테인리스 강 브레이징시 브레이징 계면에 부식을 억제하지만, 브레이징 합금의 유동성을 떨어뜨리는 경향이 있다. 이는 오히려 접합부의 간격이 큰 곳의 브레이징에 효과적으로 사용될 수 있다.

스테인리스 부품 접합용 니켈 페이스트는 합금분말, 바인더와 분산제로 구성된다. 분산제의 주요한 특성은 분말의 균일한 분산성을 요구하고, 금속분말의 산화를 방지하며, 브레이징 접합특성에 해를 주지 않도록 브레이징 온도에 도달하기 전에 대부분 분해되어 잔사 (residue)를 최소화해야 한다. 이러한 분산제와 바인더는 고분자를 용매에 분산하여 제조하는데, 사용되는 용매는 대부분 아세톤계열 솔벤트 (solvent)를 사용하고 있다. 한편 진공이나 환원성 분위기에서는 브레이징 공정 전에 고분자의 열분해를 위해 대기 열분해 공정이 필수적으로 요구 된다. 따라서 아세톤 계열의 솔벤트 사용과 유기성 고분자의 사용으로 페이스트 제조 공정 및 브레이징 공정 중에 유해가스 발생과 열분해를 통한 환경오염이 심각한 문제로 대두되고 있다. 이를 개선하고자 수용성 용매와 대기중에서 열분해가 필요없는 분산재 및 바인더의 개발이 브레이징 업계의 최대 이슈로 대두되고 있다.

 

4. 알루미늄 재료는 그 합금계에 따라 비열처리계와 열처리계로 분류된다. 전자 중에서 브레이징용 모재로 적당한 것은 1XXX계(순 Al), 3XXX계(Al-Mn) 및 5XXX계(Al-Mg) 중 Mg첨가량이 1% 이하인 것이다. 이 여러 합금에 대하여 가장 많이 이용되는 것은 염화계 플럭스를 이용하는 노중 브레이징이고, 적게 사용하는 것은 불화계 플럭스를 사용하는 노콜록 브레이징이다. 특히 노콜록법은 Mg가 첨가된 5XXX계 합금에서 브레이징 성능이 열악하다. Al-Si합금에서는 공정점이 Si 12.6%로 약 7%까지의 범위가 기본 브레이징재료로 사용된다. 일반으로는 4343(7.5%Si), 4045(10%Si) 및 4047(12%Si)의 3종류가 있다. 알루미늄 브레이징의 특징 중 하나는 모재 브레이징재료의 융점 차이가 다른 금속의 브레이징에 비하여 적다는 것이다. 실제로 약 50℃ 정도 차이가 난다. 브레이징재료는 선, 판 또는 분말로, 단독으로 사용될 경우도 3003합금을 코어로 하여 표면에 클래딩하는 소위 프레싱 시트로 사용하는 경우가 많다.