알루미늄 및 알루미늄 합금의 브레이징

1. 브레이징 가능성

알루미늄 및 알루미늄 합금의 브레이징 특성이 좋지 않은 주된 이유는 표면에 형성되는 산화막을 제거하기 어렵기 때문입니다. 알루미늄은 산소에 대한 친화력이 매우 강하여 표면에 조밀하고 안정적이며 융점이 높은 산화막(Al2O3)을 쉽게 형성합니다. 또한 마그네슘을 함유한 알루미늄 합금은 매우 안정적인 산화막(MgO)을 형성하는데, 이는 납땜의 젖음성과 확산을 심각하게 저해하고 제거하기 어렵게 만듭니다. 따라서 브레이징 공정은 적절한 플럭스를 사용해야만 진행할 수 있습니다.

둘째로, 알루미늄 및 알루미늄 합금 브레이징 작업은 어렵습니다. 알루미늄과 알루미늄 합금의 융점은 사용되는 브레이징 필러 금속의 융점과 크게 다르지 않습니다. 따라서 브레이징에 적합한 온도 범위가 매우 좁습니다. 온도 제어가 조금이라도 잘못되면 모재가 과열되거나 심지어 녹아버릴 수 있어 브레이징 공정이 어려워집니다. 열처리로 강화된 일부 알루미늄 합금은 브레이징 가열로 인해 과시효 또는 어닐링과 같은 연화 현상이 발생하여 브레이징 접합부의 특성을 저하시킬 수 있습니다. 화염 브레이징의 경우, 알루미늄 합금은 가열 중에도 색상 변화가 없기 때문에 온도를 정확하게 판단하기 어렵고, 이는 작업자의 숙련도를 더욱 요구합니다.

더욱이, 알루미늄 및 알루미늄 합금 브레이징 접합부의 내식성은 용가재와 플럭스에 의해 쉽게 영향을 받습니다. 알루미늄 및 알루미늄 합금의 전극 전위는 납땜 전극의 전위와 상당히 다르기 때문에, 특히 연납땜 접합부의 경우 접합부의 내식성이 저하됩니다. 또한, 알루미늄 및 알루미늄 합금 브레이징에 사용되는 대부분의 플럭스는 부식성이 강합니다. 브레이징 후 플럭스를 제거하더라도 접합부의 내식성에 미치는 플럭스의 영향은 완전히 제거되지 않습니다.

2. 브레이징 재료

(1) 알루미늄 및 알루미늄 합금의 브레이징은 브레이징 필러 금속과 모재의 조성 및 전극 전위가 매우 다르기 때문에 접합부의 전기화학적 부식이 발생하기 쉬워 거의 사용되지 않는 방법입니다. 연납땜은 주로 아연계 솔더와 주석납 솔더를 사용하며, 온도 범위에 따라 저온 솔더(150~260℃), 중온 솔더(260~370℃), 고온 솔더(370~430℃)로 나눌 수 있습니다. 주석납 솔더를 사용할 경우, 브레이징을 위해 알루미늄 표면에 구리 또는 니켈을 미리 도금하면 접합 계면의 부식을 방지하여 접합부의 내식성을 향상시킬 수 있습니다.

알루미늄 및 알루미늄 합금의 브레이징은 필터 가이드, 증발기, 라디에이터 및 기타 부품에 널리 사용됩니다. 알루미늄 및 알루미늄 합금의 브레이징에는 알루미늄계 용가재만 사용할 수 있으며, 그중에서도 알루미늄-실리콘 용가재가 가장 널리 사용됩니다. 구체적인 적용 범위와 브레이징 접합부의 전단 강도는 각각 표 8과 표 9에 나타나 있습니다. 그러나 이 용가재의 융점이 모재의 융점과 매우 유사하므로, 과열이나 모재의 용융을 방지하기 위해 브레이징 과정에서 가열 온도를 엄격하고 정확하게 제어해야 합니다.

표 8. 알루미늄 및 알루미늄 합금용 브레이징 충전재의 적용 범위

표 9. 알루미늄-실리콘 필러 금속으로 브레이징된 알루미늄 및 알루미늄 합금 접합부의 전단 강도

알루미늄 실리콘 솔더는 일반적으로 분말, 페이스트, 와이어 또는 시트 형태로 공급됩니다. 경우에 따라 알루미늄을 코어로 하고 알루미늄 실리콘 솔더를 클래딩으로 하는 솔더 복합판이 사용되기도 합니다. 이러한 솔더 복합판은 유압 방식으로 제작되며 브레이징 부품의 일부로 자주 사용됩니다. 브레이징 과정에서 복합판 위의 브레이징 필러 금속이 녹아 모세관 현상과 중력에 의해 흘러 들어가 접합 틈을 채웁니다.

(2) 알루미늄 및 알루미늄 합금 브레이징용 플럭스 및 보호 가스. 특수 플럭스는 피막 제거를 위해 자주 사용됩니다. FS2O4와 같은 트리에탄올아민계 유기 플럭스는 저온 연납에 사용됩니다. 이 플럭스의 장점은 모재에 대한 부식 효과가 적다는 것이지만, 많은 양의 가스를 발생시켜 납땜의 젖음성 및 밀봉성에 영향을 미칩니다. FS2O3 및 FS220A와 같은 염화아연계 반응성 플럭스는 중온 및 고온 연납에 사용됩니다. 반응성 플럭스는 부식성이 매우 강하므로 브레이징 후 잔류물을 제거해야 합니다.

현재 알루미늄 및 알루미늄 합금의 브레이징은 여전히 ​​플럭스 피막 제거에 크게 의존하고 있습니다. 사용되는 브레이징 플럭스에는 염화물계 플럭스와 불화물계 플럭스가 있습니다. 염화물계 플럭스는 산화막 제거 능력이 뛰어나고 유동성이 좋지만, 모재에 부식성이 매우 강하여 브레이징 후 잔류물을 완전히 제거해야 합니다. 불화물계 플럭스는 피막 제거 효과가 우수하고 모재를 부식시키지 않는 새로운 유형의 플럭스입니다. 그러나 융점이 높고 열 안정성이 낮아 알루미늄 실리콘 솔더에만 사용할 수 있습니다.

알루미늄 및 알루미늄 합금을 브레이징할 때는 진공, 중성 또는 불활성 분위기가 흔히 사용됩니다. 진공 브레이징을 사용할 경우 진공도는 일반적으로 10⁻³pa ​​정도에 도달해야 합니다. 질소 또는 아르곤 가스를 보호 가스로 사용할 경우, 가스의 순도가 매우 높아야 하며, 이슬점은 -40℃보다 낮아야 합니다.

3. 브레이징 기술

알루미늄 및 알루미늄 합금의 브레이징은 공작물 표면의 청결도가 매우 중요합니다. 양질의 브레이징 결과를 얻기 위해서는 표면의 기름때와 산화막을 브레이징 전에 제거해야 합니다. 기름때는 60~70℃의 Na2CO3 수용액에 5~10분간 담근 후 깨끗한 물로 헹궈 제거합니다. 산화막은 20~40℃의 NaOH 수용액에 2~4분간 담근 후 뜨거운 물로 세척하여 제거할 수 있습니다. 기름때와 산화막을 제거한 후에는 HNO3 수용액에 2~5분간 담가 광택을 내고 흐르는 물에 헹군 다음 건조시킵니다. 이렇게 처리한 공작물은 접촉하거나 다른 오염물질이 닿지 않도록 하고, 6~8시간 이내에 브레이징해야 합니다. 가능하면 즉시 브레이징하는 것이 좋습니다.

알루미늄 및 알루미늄 합금의 브레이징 방법에는 주로 화염 브레이징, 인두 브레이징, 용광로 브레이징이 있습니다. 이러한 방법들은 일반적으로 브레이징 과정에서 플럭스를 사용하며, 가열 온도와 유지 시간에 대한 엄격한 요구 사항을 가지고 있습니다. 화염 브레이징과 인두 브레이징 시에는 플럭스가 과열되어 손상되는 것을 방지하기 위해 열원에 플럭스를 직접 가열하지 않도록 주의해야 합니다. 아연 함량이 높은 연납은 알루미늄을 용해시킬 수 있으므로, 접합부가 형성되면 모재의 부식을 방지하기 위해 가열을 즉시 중단해야 합니다. 경우에 따라 알루미늄 및 알루미늄 합금의 브레이징에 플럭스를 사용하지 않고 초음파 또는 스크래핑 방법을 이용하여 산화막을 제거하기도 합니다. 스크래핑을 이용하여 산화막을 제거할 때는 먼저 공작물을 브레이징 온도까지 가열한 후, 납땜봉 끝(또는 스크래핑 도구)으로 브레이징할 부분을 긁어냅니다. 이때 표면 산화막이 제거되면서 납땜봉 끝이 녹아 모재를 적시게 됩니다.

알루미늄 및 알루미늄 합금의 브레이징 방법에는 주로 화염 브레이징, 용광로 브레이징, 침지 브레이징, 진공 브레이징 및 가스 차폐 브레이징이 있습니다. 화염 브레이징은 주로 소형 공작물이나 단일 부품 생산에 사용됩니다. 산소-아세틸렌 화염을 사용할 때 아세틸렌의 불순물과 플럭스가 접촉하여 플럭스가 파손되는 것을 방지하기 위해, 모재의 산화를 막기 위해 환원성이 약간 있는 가솔린 압축 공기 화염을 사용하는 것이 적절합니다. 특정 브레이징 과정에서는 브레이징 플럭스와 용가재를 브레이징 부위에 미리 놓고 공작물과 동시에 가열할 수 있습니다. 또는 공작물을 먼저 브레이징 온도까지 가열한 후, 플럭스에 담근 납땜 재료를 브레이징 위치에 넣을 수도 있습니다. 플럭스와 용가재가 녹으면 용가재가 고르게 채워진 후 가열 화염을 천천히 제거해야 합니다.

공기 가열로에서 알루미늄 및 알루미늄 합금을 브레이징할 때, 브레이징 용가재는 미리 선택해야 하며, 브레이징 플럭스는 증류수에 녹여 50%~75% 농도의 고농도 용액을 만들어 브레이징 표면에 도포하거나 분사해야 합니다. 분말 형태의 브레이징 플럭스를 적당량 브레이징 용가재와 브레이징 표면에 도포한 후, 조립된 용접부를 가열로에 넣어 가열 브레이징을 진행합니다. 모재의 과열이나 용융을 방지하기 위해 가열 온도를 엄격하게 제어해야 합니다.

알루미늄 및 알루미늄 합금의 딥 브레이징에는 일반적으로 페이스트 또는 포일 솔더가 사용됩니다. 조립된 공작물은 브레이징 온도에 가깝게 예열한 후 브레이징 플럭스에 담가 브레이징합니다. 브레이징 과정에서 브레이징 온도와 시간을 엄격하게 제어해야 합니다. 온도가 너무 높으면 모재가 쉽게 녹고 솔더가 손실될 수 있으며, 온도가 너무 낮으면 솔더가 충분히 녹지 않아 브레이징 속도가 저하됩니다. 브레이징 온도는 모재의 종류와 크기, 용가재의 조성 및 융점에 따라 결정되며, 일반적으로 용가재의 액상선 온도와 모재의 고상선 온도 사이입니다. 공작물을 플럭스에 담그는 시간은 솔더가 완전히 녹아 흐를 수 있도록 해야 하며, 유지 시간이 너무 길어서는 안 됩니다. 그렇지 않으면 솔더에 함유된 실리콘 성분이 모재로 확산되어 접합부 근처의 모재가 취성해질 수 있습니다.

알루미늄 및 알루미늄 합금의 진공 브레이징에서, 금속 활성제는 알루미늄 표면의 산화막을 개질하고 납땜의 젖음성과 확산성을 확보하기 위해 흔히 사용됩니다. 마그네슘은 입자 형태로 공작물에 직접 사용하거나, 증기 형태로 브레이징 영역에 도입하거나, 알루미늄-실리콘 납땜에 합금 원소로 첨가할 수 있습니다. 복잡한 구조를 가진 공작물의 경우, 마그네슘 증기가 모재에 충분히 작용하여 브레이징 품질을 향상시키기 위해 국부 차폐 공정을 사용하는 경우가 많습니다. 즉, 공작물을 먼저 스테인리스강 상자(일반적으로 공정 상자라고 함)에 넣은 후 진공로에 넣어 가열 브레이징합니다. 진공 브레이징된 알루미늄 및 알루미늄 합금 접합부는 표면이 매끄럽고 접합면이 치밀하며, 브레이징 후 세척이 필요하지 않습니다. 그러나 진공 브레이징 장비는 고가이며, 마그네슘 증기가 로를 심각하게 오염시키기 때문에 잦은 세척 및 유지 보수가 필요합니다.

중성 또는 불활성 분위기에서 알루미늄 및 알루미늄 합금을 브레이징할 때, 마그네슘 활성제 또는 플럭스를 사용하여 피막을 제거할 수 있습니다. 마그네슘 활성제를 사용하여 피막을 제거할 경우, 필요한 마그네슘의 양은 진공 브레이징에 비해 훨씬 적습니다. 일반적으로 w(mg)는 약 0.2% ~ 0.5%입니다. 마그네슘 함량이 높으면 접합 품질이 저하됩니다. 불소 플럭스와 질소 보호막을 사용하는 NOCOLOK 브레이징 방법은 최근 빠르게 개발된 새로운 방법입니다. 불소 플럭스 잔류물은 수분을 흡수하지 않고 알루미늄을 부식시키지 않으므로 브레이징 후 플럭스 잔류물 제거 공정을 생략할 수 있습니다. 질소 보호막 하에서 소량의 불소 플럭스만 코팅하면 되므로 용가재가 모재를 잘 적실 수 있어 고품질의 브레이징 접합부를 쉽게 얻을 수 있습니다. 현재 이 NOCOLOK 브레이징 방법은 알루미늄 라디에이터 및 기타 부품의 양산에 널리 사용되고 있습니다.

불화물 플럭스 이외의 플럭스를 사용하여 알루미늄 및 알루미늄 합금을 브레이징할 경우, 브레이징 후 플럭스 잔류물을 완전히 제거해야 합니다. 알루미늄용 유기 브레이징 플럭스의 잔류물은 메탄올이나 트리클로로에틸렌과 같은 유기 용액으로 세척하고, 수산화나트륨 수용액으로 중화한 후, 마지막으로 온수와 냉수로 세척합니다. 알루미늄 브레이징 플럭스의 잔류물 중 염화물은 다음과 같은 방법으로 제거할 수 있습니다. 먼저 60~80℃의 온수에 10분간 담근 후, 브러시로 브레이징 접합부의 잔류물을 조심스럽게 제거하고 냉수로 헹굽니다. 그런 다음 15% 질산 수용액에 30분간 담근 후, 마지막으로 냉수로 헹굽니다.