무플럭스 브레이징 기술과 전망

최근 자동차의 경량화촉진에 따라 자동차용 열교환기에도 재료의 박육 고강도화가 추구되고 있다. 알루미늄 재료의 고강도화에는 알루미늄합금에 Mg첨가가 대단히 유효하지만, 플럭스를 사용한 브레이징에서는 Mg와 플럭스가 반응하여 고융점의 MgF2를 생성하기 때문에 이것이 브레이징 시에 저해요인이 되고, 재료 중의 Mg를 소비하기 때문에 Mg의 감소로 고강도화에 기여하지 않는다는 문제점이 있다.

플럭스와 진공설비를 필요로 하지 않고, 무플럭스에서의 브레이징을 양호하게 하기 위하여 Mitusbishi Aluminium Co.에서는 브레이징 로내에 승온 시에 적어도 450℃부터 용융 전까지의 온도범위에서 산소농도를 50ppm 이하, 질소가스농도를 10vol.% 이하로 가열하여 플럭스를 사용하지 않고 Al-Si-Mg계 브레이징재에 의해 알루미늄합금재를 함유한 브레이징 대상물을 접합하는 방법으로 종래의 무플럭스 방법에 비해 제조비용 상승을 적극 억제하고, 접합부의 신뢰성을 비약적으로 향상시켰다.

브레이징에 의해 제조되는 열교환기를 구성하는 알루미늄재료는 심재인 알루미늄합금판의 한쪽 면 또는 양면에 브레이징재 등을 클래드한 브레이징시트가 사용되고 있다. 일반적으로 브레이징시트의 심재합금으로서는 용융온도가 600℃ 이상의 알루미늄합금이 사용되고, 클래딩 되는 브레이징재 합금으로서는 용융온도가 600℃ 이하의 Al-Si계합금이 사용되고 있다. 이 브레이징시트에 의해 열교환기의 부재(탱크, 튜브, 핀)를 제조하여, 이것을 조합시켜 600℃전후의 온도로 가열함으로써 브레이징시트의 브래이징재 부분만을 용융하여 타 부재와 브레이징된 열교환기를 제작할 수 있다. 열교환기를 구성하는 다수의 부재를 한 번에 브레이징 할 수 있기 때문에 브레이징시트는 열교환기용 재료로서 널리 이용 된다.

Kanto Yakin Kogyo Co. 는 알루미늄합금의 심재와 심재의 한쪽 혹은 양쪽에 클래드된 알루미늄합금의 브레이징재로 하고, 심재 및 브레이징재의 적어도 어느 한쪽에 Mg을 함유하는 알루미늄 브레이징시트로 하고, 아르곤가스함유 분위기의 로내에서 플럭스를 사용하지 않고 가열해서 브레이징하여, 보다 양호하고 안정된 브레이징성을 지니면서도 고가의 진공가열장치와 플럭스를 이용하지 않고 공업적으로 적용가능한 브레이징방법을 제공하였다. 알루미늄제 열교환기의 제조 시에 Sumitomo경금속(주)에서는 브레이징가열 시에 플럭스를 도포하지 않고 알루미늄합금 브레이징 시트를 이용한 브레이징클래드 기술을 확립하였다. 알루미늄합금 심재의 한쪽 면 혹은 양면에 Al-Si계 알루미늄합금 브레이징재를, 알루미늄합금의 중간재를 삽입하여 클래드로 하고, 심재가 0.1-1.3%의 Mg를 함유한 알루미늄합금, 브레이징재를 Si6-13%함유한 Al-Si계 알루미늄합금, 중간재가 Si 6% 미만을 함유한 알루미늄합금으로 선정하였다.

Furukawa-Sky Aluminum Corp. 는 심재에 브레이징재(25-250㎛ 두께), 박피재의 무플럭스 브레이징시트(5-30㎛ 두께)를 차례로 적층하였는데, 심재는 브레이징재보다 융점을 높게 하고, 브레이징재와 박피재와의 계면에 존재하는 산화물의 함유량을 0.1ppm 이하로 하여 균일한 브레이징성과 안정적인 접합을 가능하게 하였다. 박피재의 재질로서는 Al-Si-Mg합금의 브레이징재의 용융개시온도(약 580℃)와 비교해서 높은 용융개시온도를 가지는 순 Al계 합금 또는 Al-Mn계 합금이 적당하다.

열교환기, 전자기기 냉각용의 구조체 등의 제조에 사용되고 있는 알루미늄합금 브레지징시트는 Al-Mn계 합금으로 된 심재에 Al-Si계 합금으로 된 브레이징재를 배열한 클래드판이 있고, 브레이징재에 의해 접합부재의 접합이 된다. 여기에서 알루미늄합금 브레이징시트를 적용한다. 브레이징방법으로서는 질소 등이 비산화성가스 분위기로 중에서 플럭스를 사용하여 행하는 노코록쿠법이 현재 주류로 되어 있다. 이 방법에 의한 비산화성가스분위기로는 진공로 등과 비교해서 연속식 생산설비로 하기 쉽기 때문에 양산성이 우수한 점이 널리 사용되고 있는 이유이다.

현재 자동차용 열교환기의 많은 부분은 Al-Mn계 심재에 Al-Si계 브레이징재를 클래드한 브레이징시트에 K-Al-F계 화합물로 된 불화물 플럭스, 즉 노코록쿠(Nocorokku) 플럭스를 도포하고 불활성가스 분위기로에서 가열하여 접합한다. 그렇지만, 최근의 자동차부품의 전자화에 따라 일부의 열교환기에서는 브레이징 후의 플럭스잔사가 표면처리성을 저해하는 등의 문제가 지적되고 있으며, 고성능화를 위해서 냉매통로를 미세하게 한 열교환기에서는 플럭스잔사가 냉매통로를 폐쇄하여 열교환성능이 대폭적으로 저하하는 문제점이 발생하고 있다.

노코록쿠법의 문제점은 플럭스에 알루미늄표면의 산화피막을 파괴시킴으로써 브레이징에 의한 접합을 가능하게 하는 것이지만, 이 플럭스는 Mg와 반응하여 고융점의 물질이 되어 그 효과를 상실할 가능성이 있다. 이때문에 Mg를 첨가한 Al합금의 브레이징에는 적당하지 않다는 문제가 있다. 또한 플럭스 및 그 도포공정에 코스트가 높다는 점과, 처리 후의 접합부와 기타의 표면에 플럭스의 잔사가 존재한다는 문제도 있다. 여기에 비산화성 가스분위기로에서 플럭스를 사용하지 않고 브레이징접합을 가능케 하는 무플럭스브레이징 기술이 검토되고 있다. 향후 공업적 규모의 열간압연기를 이용하여 무플럭스 브레이징용 박피의 브레이징시트를 제작하는 것을 검토하고 있다.

Sumitomo경금속(주)는 플럭스와 유해원소(Be)를 사용하지 않고 값싸게 브레이징시트를 제조하기 위해서 Mg 0.2-1.3wt.% 함유한 알루미늄합금의 심재의 한쪽면 혹은 양쪽면에 Si 6-13wt.%, Li 0.004-0.1%함유한 알루미늄합금의 브레이징재를 클래드 하였으며, 자동차용 열교환기(라디에이터, 히터, 콘덴서, 증발기 등)의 브레이징에 사용할 수 있는 알루미늄합금 브레이징시트를 제공하였다.

선 접촉을 기본으로 하는 브레이징기술은 브레이징가열 중에 산화를 억제하기 위해 대기 중 혹은 불활성가스 분위기 중에서 플럭스를 사용하여 브레이징 하는 것이 일반적이었다. 그렇지만 최근에는 박피재와 심재와의 중간재로서 Al-Si계합금 브레이징재를 클래드한 브레이징시트를 불활성가스 중에서 무플럭스 브레이징 하는 방법이 개발되었다. 특히 차량적재용 IGBT 등의 발열을 면접촉으로 냉각하는 열교환시스템의 수요가 높아져 알루미늄판재를 면끼리 접합기술이 더욱 필요하게 되었다.

Nippon경금속(주)은 알루미늄합금부재 사이에 Si3-12wt.%, Mg 0.1-5.0wt.%함유하고, 두께 15-200㎛의 브레이징재인 단층 브레이징시트를 면접촉시켜 불활성가스분위기에서 570℃ 이상으로 유지하고 0.6gf/mm2 이상의 면압으로 무플럭스로 알루미늄합금부재끼리 접합하여 낮은 제조비용으로 품질을 안정화 한 면브레이징 기술을 개발하였다.

Nippon경금속(주)은 브레이징시트에 의해 알루미늄합금부재와 동합금부재를 불활성가스분위기 중에서 무플럭스 면브레이징할 때에 금속간화합물(θ상) 층의 성장을 억제시켜 알루미늄합금부재와 동합금부재 간의 열전도율을 높이고, 브레이징강도(전단력)이 우수한 면브레이징기술을 확립하였다. 면브레이징 방법은 불활성 가스분위기 중에서의 브레이징이 가능하고, 연속로에 의한 생산방식을 채용할 수 있기 때문에 배치로에 의한 진공브레이징에 비해서 생산효율이 높다. 또한 단층형의 브레이징시트를 사용하기 때문에 전체적으로 저비용화가 가능하다.

 

[무플럭스 브레이징기술 전망]

 

최근 전기자동차와 하이브리드카 등에 구동계의 변경에 따라, 예를 들면, 인버터냉각기와 같이 전자부품을 탑재한 열교환기가 등장하여, 플럭스의 잔사가 문제시되는 경우가 증가되고 있다. 이 때문에 인버터냉각기의 일부는 플럭스를 사용하지 않는 진공브레이징법에 의해 제조되지만, 진공브레이징법은 가열로의 설비비와 유지 보수비가 높고, 생산성과 브레이징의 안정성에도 문제가 있기 때문에 질소가스로 내에서 플럭스를 사용하지 않고 접합하는 요구가 증대될 것으로 예상된다.

고온 플럭스를 사용하지 않는 Ni기 초내열합금의 TLP(Transient Liquid Phase) 브레이징기술은 고효율 고온용 열교환기 조립에 중요한 접합법인데, 통상의 브레이징 공정보다 접합시간을 길게 하여 삽입금속 성분(예, Cr, Al, Ti) 중에 특히 융점저하원소를 액상 삽입금속 내로 확산시키는 방법이다. 모재로 사용되는 합금의 종류와 형태(판재, 포일)와 삽입금속의 조성과 형태에 따라 접합현상이 각기 다르기 때문에 앞으로 이에 대한 체계적인 연구가 필요하다.

자동차용 열교환기 등에는 제품의 내식성 확보를 목적으로 Zn이 첨가되지만, 진공가열 하에서는 Zn이 증발하기 때문에 재료 내에 충분한 Zn이 잔존하지 않고, 충분한 내식성을 확보할 수 없다는 단점이 있다. 또한 노의 내벽에는 증발한 Mg와 Zn이 퇴적하므로 정기적인 청소도 필요하다. 최근에는 상기 문제를 해결하는 방법으로 대기압 하의 플럭스 없는 브레이징이 제안되고 있다.

플럭스 도포공정과 진공설비 등의 도입운용 비용과 브레이징 시에 사용되는 피복 등의 부자재 비용, 재료의 산 세정 등의 새로운 공정비용을 발생시키지 않고, 열교환기 등의 형상에 안정적인 접합상태를 얻는 것이 가능한 알루미늄재의 범용적인 무플럭스 방법이 제안되고 있다.

최근 플럭스와 유해원소(예, Be)를 사용하지 않고, 알루미늄을 질소가스로 내에서 값싸게 브레이징 하기위한 알루미늄합금 브레이징시트의 제조기술이 요구되고 있다.

 

출 처 : 최신의 고능률 브레이징 기술개발 동향(Recent Study of Technical Development for High Efficient Brazing) /

         유호천 / 한국과학기술정보연구원 / ReSEAT 프로그램 전문연구위원