알루미늄 브레이징 기술과 그의 응용

1. 개요

 □ 알루미늄 브레이징(brazing-납땜) 기술은 자동차, 철도, 항공기, 산업기 계, 가전, 통신 등의 넓은 분야에 응용되고 있다. 특히 자동차 산업에서 자동차 부품 열교환기의 수요확대에 따라 브레이징 기술도 크게 발전하며 변화하였다. 자동차 열교환기에는 경량성, 열전도성, 가공성의 몇 가지 점에서 알루미늄 재료가 중용되고 있으며, 과거 30년 동안 그 사
용량이 증대되어 왔다. 특히 에어컨용 콘덴서, 증발기 및 그 들의 배관 계통, 엔진 냉각계통 등에 사용되는 라디에이터, 히터 코어 등이 브레 이징 공법으로 만들어지고 있다.

 □ 브레이징 기술의 공업화 주류는 약 10년 간격으로 염화(鹽化)계 플럭스 (flux)를 사용하는 방법으로부터 플럭스를 사용하지 않는 방법으로, 기서 다시 불화(弗化)계 플럭스를 조금 사용하는 방법으로도 개량되어 왔다.

2. 알루미늄 브레이징 방법

 □ 알루미늄은 표면에 생성되는 산화피막은 치밀하고 견고하여 내식성이 우수하다. 한편 이 피막이 브레이징의 젖음성에 나쁜 영향을 줌으로 일반적으로 다른 금속에 비하여 브레이징이 어렵다. 그러나 1930년대 후반에 미국에서 산화피막을 파괴하는 염화계 플럭스의 개발과 Al-Si합금을 브레이징 재료로 하여 조합한 알루미늄 브레이징이 가능하게 되었
다. 당초에는 항공기에 사용하는 부품을 침지(浸漬) 브레이징법으로 제조한 것이 시작이다. 그 후 클래딩한 판이 공업적으로 제조 가능하게 되어 이를 사용하여 많은 접합 점을 동시에 브레이징할 수 있게 되었다.

 □ 일본에서는 전후에 이들의 기술이 도입되어 염화계 플럭스를 기본으로 하는 토치 브레이징, 침지 브레이징으로 노중 브레이징의 응용개발이 이뤄졌다. 당초 목표는 자동차의 라디에이터, 히터 코어였으며 이 기술의 응용으로 소재를 구리(銅)에서 알루미늄으로 변경시키게 되었다. 당 시에는 구리 지금 가격이 불안정하여 가격변동이 적은 알루미늄으로
눈을 돌리게 되었다. 그러나 플럭스 사용에 의한 브레이징 공정이 복잡하고 제품사용 시 냉각수에 의한 부식이 문제가 되었으나 이러한 문제가 해결되면서 자동차 에어컨용 콘덴서를 비롯하여 증발기, 공기용 오일 쿨러 및 인터쿨러 등에 실용화되었다.

 □ 그 후 자동차 산업의 경이적인 발전으로 카 쿨러의 생산도 연 15% 이상 신장하였다. 이에 동반하여 브레이징법은 염화계의 플럭스를 사용하는 방법으로부터 진공법으로, 다시 불화계 플럭스를 사용하는 방법으로 약 10년 간격으로 변화하였다.

 □ 염화계 플럭스 브레이징

 ○ 염화계 플럭스는 미국의 Alcoa사에 의하여 개발된 것이 근본이다. 이는 조해(deliquescence)성이 강하고, 부식성이 강하기 때문에 브레이징 후 제거하여야 하는 결점이 있다. 이 결점을 개량하는 방법으로 진공 브레이징법이나, 불활성가스 분위기에서 브레이징 하는 방법이 개발되었고, 염화계 플럭스 브레이징은 토치 브레이징 용으로만 사용하게 되었다.

 ○ 토치 브레이징
 - 알루미늄의 토치 브레이징은 일본에서도 오래 전부터 실시되었으며 최초는 붕사와 붕산을 혼합한 플럭스를 사용하였다. 이는 수작업으로도 간단히 할 수 있는 장점이 있고, 형상이 일정하고 수량이 많은 경우는 회전식 반자동기계로 양산이 가능하다.

 ○ 침지 브레이징
 - 이 방법은 딥(dip) 브레이징이라고도 부르며 용융 플럭스 욕(浴 약 600℃) 중에서 브레이징한다. 엄격한 온도 관리가 비교적 쉽고, 온도 분포도 대단히 양호하게 제어가 가능하여 접합성능은 다른 방법에 비하여 몇 단계 위라고 볼 수 있다. 용융 플러스로 완전히 피복되므로 산화피막의 파괴가 용이하고, 가열과정에서의 재산화를 방지하는 효과가 있다. 그러므로 마그네슘이 첨가된 6000계 및 7000계 합금의 브레이징에도 사용이 가능하다.

 ○ 노중(爐中) 브레이징
 - 이 방법은 플럭스를 물에 분산시킨 용액(농도 50wt% 이상)을 피 접합품에 부착시켜서, 약 610℃로 유지한 공기로(空氣爐) 중에 넣고 브레이징하는 방법이다. 당초 자동차용 쿨러, 콘덴서 양산에 사용된 방법으로 알루미늄 브레이징 대량 생산의 기초를 구축한 프로세스이다. 이 방법은 상온에서 브레이징할 때도 침식성이 대단히 높아 철강 치구나 노를 부식시켜 장치의 수명을 단축시키는 큰 단점이 있다. 이를 개량한 것이 Alcoa의 A393 브레이징법이다. 이 방법은 수분을 충분히 제거한 건조 공기를 노 내에 넣어서 낮은 노점(露點) 분위기 상태에서 브레이징하는 방법이다. 일반적으로 플럭스 브레이 징에서는 50% 이상의 플러스 수용액을 사용하나 이 방법은 노점을 -40℃ 이하로 관리하면 약 5% 농도의 수용액을 사용하여도 가능하다.

 □ 플럭스리스 브레이징

 ○ 염화계 플럭스를 사용하는 방법은 마지막에 세정으로 플럭스를 제거해야 하기 때문에 폐수처리공정도 필요하다. 일본뿐만 아니라 세계적 으로 대기와 배수의 공해문제로 제조업체는 무공해 프로세스를 요망하게 되었다.

 ○ 진공 브레이징
 - 브레이징의 기본은 브레이징 과정에서의 산화방지와 재료에 발생되는 산화피막의 파괴와 제거가 필요한 것이다. 따라서 노내를 진공으로 하여 산소와 수분 농도를 저하시켜, 브레이징 가열과정에서의 산화를 가능한 적게 해야 한다. 진공 브레이징은 제품 표면의 끝마무리가 깨끗하고, 무공해로 작업환경이 좋다는 점으로 개발 당시에는 크게 주목을 받았다. 그러나 실제 사용함에 있어 노 설비비가 높고 증발한 마그네슘의 스케일 제거에 따른 노 관리 문제가 들어나고 있다.

 ○ 불활성 가스 브레이징

 - 불활성 가스로 분위기를 밀폐하는 방법으로 대표적인 예가 일본에서 개발된 KD206법과 당시 서독에서 개발한 VAW법이 있다. 이 방법 은 피접합품을 기밀성 노내에 넣고, 고순도의 질소 가스를 도입하여 산소, 수소를 치환하면서 승온 브레이징하는 방법이다. Al-Si의 브레 이징재료는 브레이징의 젖음성, 유동성을 개선하는 방법으로 Bi, Sb와 같은 원소를 미량 첨가하면 효과가 있다. 그러나 진공 브레이징 에 비하여 생산성이 낮고 원가 메리트도 별로 없다.

 ○ 노콜록 브레이징
 - 진공 브레이징법이 앞으로 주 프로세스로 기대되었지만, 진공로의 가격이 비싸고 노의 관리 및 수리 등에 의외로 원가가 많이 드는 문제가 있어, 이 진공법 대신 Alcan사가 개발한 노콜록(NOCOLOK®)법이 응용되고 있다. 이는 대표적으로 KAlF4-K3Al6F를 플럭스로 하여 약간을 피접합부에 부착(5~10g/m2)시켜 질소 분위기에서 브레이징하는 방법이다.

３. 브레이징용 알루미늄 재료

 □ 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 브레 이징재료로 사용된다. 일반으로 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. 알루미늄의 열교환기를 브레이징 하는 경우에는 프레싱 시트를 사용하는 것이 가장 많다.

4. 응용제품

 □ 알루미늄 브레이징 제품은 수송부문에서의 사용이 제일 많고 철도 차량에서는 변압기의 절연유 쿨러, 정류기용 프론 콘덴서 등에 이용되고 있다. 그중에서도 자동차에는 가장 많은 알루미늄 열교환기가 사용되고 있다. 또한 산업용에서는 대형 열교환기가 주로 화학 플랜트의 저온 공업용에 사용된다. 알루미늄은 저온 취성이 우수하기 때문에 공기 분리
장치, 베릴륨․수소액화 플랜트나 천연가스 액화 플랜트에 가장 적합하다고 한다.

5. 금후의 동향

 □ 노콜록 브레이징을 다시 개량한 것이 Alcan사에서 개발되어 1993년에 기본기술을 일반에 공개하였다. 이 기술의 기본 개념은 브레이징할 재료에 적어도 한쪽 표면에 알루미늄 및 실리콘 금속 분말과 불화계 플럭스의 균일한 혼합물을 피복 또는 부착시키는 것이다. 이 혼합물을 노콜록실이라 칭한다. 플럭스가 산화 피막을 제거할 뿐만 아니라 그 성분
이 모재의 알루미늄합금과 반응하여 용융 납을 생성하여 브레이징하는 방법이다. 이 방법에는 크게 2가지 문제점이 있다. 그 하나는 재료 표면층이 납땜재가 되어 용융하는 것으로 얇은 재료에서의 침식을 어떻게 할 것인가와, 두 번째는 이 분말을 어떻게 재료에 도포․부착시키느냐이다. 이 방법에서는 별도로 땜납재료를 준비 할 필요도 없고 비교적 고가인 프레싱 시트도 필요치 않아 원가절감이 가능한 방법으로 앞으로 많은 기대가 된다.

6. 결론

 □ 알루미늄 브레이징 방법은 염화계 플럭스를 사용하는 방법으로부터, 1970년대에는 진공 법으로, 또한 1990년대에는 불화계 플럭스를 사용하 게 되었다. 지금은 소위 노콜록법으로 변천하였다. 그러나 이 방법에도 플럭스 고착이 쉽게 제거가 되지 않는 점, 알루미늄 재료에 첨가하는 마그네슘과의 반응에 의한 브레이징성 저하 등의 문제가 남아 있다. 또한 앞으로의 방법으로 기대되는 노콜록실에서도 불화계 플럭스를 이용하는 한 마그네슘 첨가 과제는 남는다. 금후는 이들의 결점을 개량하는 아이디어를 구사하여 획기적인 방법의 개발이 기대되나, 지금까지와 같은 10년 간격의 급속한 변혁은 기대할 수 없다.


◃전문가 제언▹

 □ 알루미늄 브레이징은 자동차의 열교환기를 위시하여 콘덴서, 증발기, 히터 코어 및 IT분야의 방열기 제조에 없어서는 안 될 기본 제조 공법 이다. 그 동안 이 프로세스는 염화계 플럭스를 사용하는 방법, 딥프레 싱법, 노중 브레이징법, 플럭스리스법, 진공법, 불활성 가스법, 노콜록 법, 노콜록실 등의 여러 가지 방법으로 30여년에 걸쳐 발전하여 왔다. 그러나 아직까지도 알루미늄에 함유된 마그네슘의 문제, 열교환기의 설계를 포함하여 브레이징의 저온화 등의 문제가 많이 있다.

 □ 알루미늄 브레이징은 자동차 공업과 가장 밀접하게 동반 발전하여 왔다. 우리나라는 세계에서 자동차를 5위로 많이 생산하는 나라이다. 자동차의 고성능화에는 열교환기 효율 향상과 경량화가 필수적이라고 본 다. 이미 국내에서도 알루미늄 클래드판이 1988년에 개발되었고 열교환 기용 파이프도 시판되는 이 시점에서 열 교환기의 설계와 브레이징 기
술은 아직 미흡한 것으로 판단된다. 또한 브레이징 모재 알루미늄 소재도 다양하게 생산되고 있지 않다. 앞으로의 브레이징 신기술은 지금까지 사용되던 공법에서 전혀 새로운 개념의 공법은 개발되지 않는다 하더라도 좀더 환경 친화적인 방법을 염두에 두고 원가 경쟁력이 있는 공법이 개발되지 않으면 안 될 것이다.

 

* 출처 : RESEAT 알루미늄 브레이징 기술과 그의 응용 / 전문연구위원 이원식