탄소강 및 저합금강의 브레이징

1. 브레이징 재료

 (1)탄소강 및 저합금강의 브레이징에는 연납 브레이징과 경납 브레이징이 있습니다. 연납 브레이징에 널리 사용되는 땜납은 주석납입니다. 이 땜납은 주석 함량이 증가함에 따라 강철에 대한 젖음성이 향상되므로 접합부 밀봉에는 주석 함량이 높은 땜납을 사용해야 합니다. 주석납 땜납에서는 주석과 강철의 계면에 FeSn2 금속간 화합물 층이 형성될 수 있습니다. 이러한 화합물 층 형성을 방지하기 위해서는 브레이징 온도와 유지 시간을 적절히 제어해야 합니다. 표 1은 몇 가지 대표적인 주석납 땜납으로 브레이징한 탄소강 접합부의 전단 강도를 보여줍니다. 그중 50% w(SN) 주석납 땜납으로 브레이징한 접합부의 강도가 가장 높으며, 안티몬이 없는 땜납으로 용접한 접합부의 강도가 안티몬이 있는 땜납으로 용접한 접합부보다 높습니다.

표 1. 주석납땜으로 접합된 탄소강 접합부의 전단 강도

탄소강 및 저합금강의 브레이징에는 주로 순동, 구리 아연, 은 구리 아연 브레이징 필러가 사용됩니다. 순동은 융점이 높고 브레이징 과정에서 모재를 쉽게 산화시키는 특성이 있어 주로 가스 차폐 브레이징 및 진공 브레이징에 사용됩니다. 다만, 구리의 유동성이 좋아 접합부 틈새를 메울 수 없는 문제가 발생할 수 있으므로 브레이징 접합부 사이의 틈새는 0.05mm 미만으로 유지해야 합니다. 순동으로 브레이징한 탄소강 및 저합금강 접합부는 높은 강도를 나타냅니다. 일반적으로 전단 강도는 150~215MPa, 인장 강도는 170~340MPa 범위에 있습니다.

순수 구리에 비해 아연(Zn) 첨가로 인해 구리 아연 땜납의 융점이 낮아집니다. 브레이징 과정에서 Zn의 증발을 방지하기 위해, 한편으로는 구리 아연 땜납에 소량의 Si를 첨가할 수 있으며, 다른 한편으로는 화염 브레이징, 유도 브레이징, 침지 브레이징과 같은 급속 가열 방법을 사용해야 합니다. 구리 아연 땜납으로 브레이징한 탄소강 및 저합금강 접합부는 우수한 강도와 가소성을 나타냅니다. 예를 들어, b-Cu62Zn 땜납으로 브레이징한 탄소강 접합부의 인장 강도와 전단 강도는 각각 420MPa와 290MPa에 달합니다. 은-구리 스테이션 땜납은 구리 아연 땜납보다 융점이 낮아 니들 용접에 적합합니다. 이 땜납은 탄소강 및 저합금강의 화염 브레이징, 유도 브레이징, 노 브레이징에 적합하지만, 노 브레이징 시에는 Zn 함량을 최대한 줄이고 가열 속도를 높여야 합니다. 은, 구리, 아연 필러 금속을 사용하여 탄소강 및 저합금강을 브레이징하면 강도와 가소성이 우수한 접합부를 얻을 수 있습니다. 구체적인 데이터는 표 2에 나와 있습니다.

표 2. 은, 구리, 아연 땜납으로 접합한 저탄소강 접합부의 강도

(2) 플럭스: 탄소강 및 저합금강의 브레이징에는 플럭스 또는 보호 가스를 사용해야 합니다. 플럭스는 일반적으로 선택된 용가재 및 브레이징 방법에 따라 결정됩니다. 주석납땜을 사용하는 경우 염화아연과 염화암모늄의 혼합액 또는 기타 특수 플럭스를 플럭스로 사용할 수 있습니다. 이 플럭스의 잔류물은 일반적으로 부식성이 매우 강하므로 브레이징 후 접합부를 철저히 세척해야 합니다.

구리-아연 용접봉을 사용할 때는 FB301 또는 FB302 플럭스, 즉 붕사 또는 붕사와 붕산의 혼합물을 선택해야 합니다. 화염 용접의 경우, 메틸 보레이트와 포름산의 혼합물도 용접 플럭스로 사용할 수 있으며, 이 경우 B2O3 증기가 피막 제거 역할을 합니다.

은-구리-아연 브레이징 충전재를 사용할 경우, 붕사, 붕산 및 일부 불화물의 혼합물인 fb102, fb103 및 fb104 브레이징 플럭스를 선택할 수 있습니다. 이 플럭스의 잔류물은 어느 정도 부식성이 있으므로 브레이징 후 제거해야 합니다.

2. 브레이징 기술

용접할 표면은 산화막과 유기물이 완전히 제거되도록 기계적 또는 화학적 방법으로 세척해야 합니다. 세척된 표면은 너무 거칠어서는 안 되며, 금속 조각이나 기타 이물질이 달라붙지 않아야 합니다.

탄소강과 저합금강은 다양한 일반적인 브레이징 방법으로 접합할 수 있습니다. 화염 브레이징 시에는 중성 또는 약환원성 화염을 사용해야 합니다. 작업 중에는 화염에 의한 용접봉과 플럭스의 직접적인 가열을 최대한 피해야 합니다. 유도 브레이징이나 침지 브레이징과 같은 급속 가열 방법은 담금질 및 템퍼링 처리된 강재의 브레이징에 매우 적합합니다. 이때, 모재의 연화를 방지하기 위해 담금질 또는 브레이징 온도는 템퍼링 온도보다 낮게 설정해야 합니다. 저합금 고강도강을 보호 분위기에서 브레이징할 때는 고순도의 가스뿐만 아니라 가스 플럭스를 사용하여 용접봉이 모재 표면에 잘 젖고 퍼지도록 해야 합니다.

잔류 플럭스는 화학적 또는 기계적 방법으로 제거할 수 있습니다. 유기 브레이징 플럭스의 잔류물은 휘발유, 알코올, 아세톤 등의 유기 용제로 닦거나 세척할 수 있습니다. 염화아연이나 염화암모늄과 같은 강부식성 플럭스의 잔류물은 먼저 수산화나트륨 수용액에서 중화시킨 후 온수와 냉수로 세척해야 합니다. 붕산 및 붕산 플럭스 잔류물은 제거하기 어려우며, 기계적 방법이나 장시간 고압 세척을 통해서만 제거할 수 있습니다.