스테인리스강의 브레이징

스테인리스강의 브레이징

1. 납땜성

스테인리스강 브레이징의 주요 문제점은 표면 산화막이 땜납의 젖음성과 확산에 심각한 영향을 미친다는 것입니다. 다양한 스테인리스강에는 상당한 양의 Cr이 함유되어 있으며, 일부는 Ni, Ti, Mn, Mo, Nb 및 기타 원소를 함유하여 표면에 다양한 산화물 또는 복합 산화물을 형성할 수 있습니다. 그중 Cr과 Ti의 산화물인 Cr2O3와 TiO2는 매우 안정적이어서 제거하기 어렵습니다. 공기 중 브레이징 시에는 활성 플럭스를 사용하여 제거해야 합니다. 보호 분위기 브레이징 시에는 이슬점이 낮고 온도가 충분히 높은 고순도 분위기에서만 산화막을 줄일 수 있습니다. 진공 브레이징에서는 양호한 브레이징 효과를 얻기 위해 충분한 진공과 온도가 필수적입니다.

스테인리스강 브레이징의 또 다른 문제점은 가열 온도가 모재의 구조에 심각한 영향을 미친다는 것입니다.오스테나이트계 스테인리스강의 브레이징 가열 온도는 1150℃를 넘지 않아야 하며, 그렇지 않으면 입자가 심각하게 성장합니다.오스테나이트계 스테인리스강이 안정적인 원소 Ti 또는 Nb를 함유하지 않고 탄소 함량이 높은 경우, 예민화 온도(500~850℃) 내에서의 브레이징도 피해야 합니다.크롬 탄화물의 석출로 인한 내식성 저하를 방지하기 위해서입니다.마르텐사이트계 스테인리스강의 브레이징 온도 선택은 더욱 엄격합니다.하나는 브레이징 온도와 담금질 온도를 일치시켜 브레이징 공정과 열처리 공정을 결합하는 것입니다.다른 하나는 브레이징 중 모재가 연화되는 것을 방지하기 위해 브레이징 온도가 템퍼링 온도보다 낮아야 합니다. 침전 경화 스테인리스 강의 브레이징 온도 선택 원리는 마르텐사이트 스테인리스 강의 브레이징 온도 선택 원리와 동일합니다. 즉, 최상의 기계적 특성을 얻으려면 브레이징 온도가 열처리 시스템과 일치해야 합니다.

위의 두 가지 주요 문제 외에도, 오스테나이트계 스테인리스강, 특히 구리 아연 용가재를 브레이징할 때 응력 균열이 발생하는 경향이 있습니다. 응력 균열을 방지하려면 브레이징 전에 소재를 응력 완화 어닐링하고, 브레이징 중에 소재를 균일하게 가열해야 합니다.

2. 브레이징 재료

(1) 스테인리스강 용접부의 사용요건에 따라 일반적으로 사용되는 스테인리스강 용접부에 사용되는 브레이징 필러금속에는 주석납 브레이징 필러금속, 은계 브레이징 필러금속, 구리계 브레이징 필러금속, 망간계 브레이징 필러금속, 니켈계 브레이징 필러금속 및 귀금속 브레이징 필러금속이 포함됩니다.

주석납 솔더는 주로 스테인리스강 납땜에 사용되며, 주석 함량이 높은 것이 적합합니다. 솔더의 주석 함량이 높을수록 스테인리스강에 대한 젖음성이 향상됩니다. 몇 가지 일반적인 주석납 솔더로 브레이징한 1Cr18Ni9Ti 스테인리스강 접합부의 전단 강도는 표 3에 나와 있습니다. 접합부의 강도가 낮기 때문에 지지력이 작은 부품의 브레이징에만 사용됩니다.

표 3 주석납땜으로 브레이징한 1Cr18Ni9Ti 스테인리스강 접합부의 전단강도

은계 용가재는 스테인리스강 브레이징에 가장 일반적으로 사용되는 용가재입니다. 그중에서도 은-구리-아연 및 은-구리-아연-카드뮴 용가재가 가장 널리 사용되는데, 이는 브레이징 온도가 모재의 특성에 미치는 영향이 적기 때문입니다. 여러 가지 일반적인 은계 솔더로 브레이징된 ICr18Ni9Ti 스테인리스강 접합부의 강도는 표 4에 나와 있습니다. 은계 솔더로 브레이징된 스테인리스강 접합부는 부식성이 높은 매체에서는 거의 사용되지 않으며, 접합부의 작동 온도는 일반적으로 300℃를 넘지 않습니다. 니켈을 함유하지 않은 스테인리스강을 브레이징할 경우, 습한 환경에서 브레이징 접합부의 부식을 방지하기 위해 니켈 함량이 높은 브레이징 용가재(예: b-ag50cuzncdni)를 사용해야 합니다. 마르텐사이트계 스테인리스강을 브레이징할 경우, 모재의 연화를 방지하기 위해 브레이징 온도가 650℃를 넘지 않는 브레이징 용가재(예: b-ag40cuzncd)를 사용해야 합니다. 스테인리스강을 보호 분위기에서 브레이징할 경우, 표면의 산화막을 제거하기 위해 b-ag92culi 및 b-ag72culi와 같은 리튬 함유 자가 브레이징 플럭스를 사용할 수 있습니다. 스테인리스강을 진공 브레이징할 경우, 증발하기 쉬운 Zn이나 Cd와 같은 원소를 포함하지 않더라도 용가재의 젖음성을 유지하기 위해 Mn, Ni, RD와 같은 원소를 함유한 은 용가재를 선택할 수 있습니다.

표 4 은 기반 필러 메탈로 브레이징된 ICr18Ni9Ti 스테인리스강 접합부의 강도

다양한 강종의 브레이징에 사용되는 구리계 브레이징 용가재는 주로 순수 구리, 구리 니켈, 구리 망간 코발트 브레이징 용가재입니다. 순수 구리 브레이징 용가재는 주로 가스 보호 또는 진공 브레이징에 사용됩니다. 스테인리스강 접합부의 작동 온도는 400℃ 이하이지만, 내산화성이 낮습니다. 구리 니켈 브레이징 용가재는 주로 화염 브레이징 및 유도 브레이징에 사용됩니다. 브레이징된 1Cr18Ni9Ti 스테인리스강 접합부의 강도는 표 5에 나와 있습니다. 접합부는 모재와 동일한 강도를 가지며 작동 온도가 높음을 알 수 있습니다. Cu Mn Co 브레이징 용가재는 주로 보호 분위기에서 마르텐사이트계 스테인리스강을 브레이징하는 데 사용됩니다. 접합부 강도와 작동 온도는 금계 용가재로 브레이징한 경우와 유사합니다. 예를 들어, b-cu58mnco 솔더로 브레이징한 1Cr13 스테인리스 스틸 조인트는 b-au82ni 솔더로 브레이징한 동일한 스테인리스 스틸 조인트와 동일한 성능을 보이지만(표 6 참조), 생산 비용은 크게 절감됩니다.

표 5 고온 구리 베이스 필러 메탈로 브레이징된 1Cr18Ni9Ti 스테인리스강 접합부의 전단 강도

표 6 1Cr13 스테인리스강 브레이징 접합부의 전단강도

망간계 브레이징 용가재는 주로 가스 차폐 브레이징에 사용되며, 가스 순도가 높아야 합니다. 모재의 입자 성장을 방지하기 위해 브레이징 온도가 1150℃ 미만인 브레이징 용가재를 선택해야 합니다. 표 7에서 볼 수 있듯이, 망간계 솔더로 브레이징된 스테인리스강 접합부는 만족스러운 브레이징 효과를 얻을 수 있습니다. 접합부의 작동 온도는 최대 600℃까지 가능합니다.

표 7 망간계 필러메탈로 브레이징한 lcr18ni9fi 스테인리스강 접합부의 전단강도

스테인리스강을 니켈계 용가재로 브레이징하면 접합부의 고온 성능이 우수합니다. 이 용가재는 일반적으로 가스 차폐 브레이징이나 진공 브레이징에 사용됩니다. 접합부 형성 과정에서 브레이징 접합부에 더 많은 취성 화합물이 생성되어 접합부의 강도와 가소성이 심각하게 저하되는 문제를 해결하기 위해서는 접합부 간극을 최소화하여 솔더에서 취성상을 형성하기 쉬운 원소가 모재로 충분히 확산되도록 해야 합니다. 브레이징 온도에서 장시간 유지로 인한 모재 입자 성장을 방지하기 위해, 용접 후 단시간 유지 및 브레이징 온도보다 낮은 온도에서 확산 처리와 같은 공정 조치를 취할 수 있습니다.

스테인리스강 브레이징에 사용되는 귀금속 브레이징 용가재는 주로 금 기반 용가재와 팔라듐 함유 용가재로 구성되며, 그중 가장 대표적인 것으로는 젖음성이 우수한 b-au82ni, b-ag54cupd, b-au82ni가 있습니다. 브레이징된 스테인리스강 접합부는 고온 강도와 내산화성이 우수하며, 최대 사용 온도는 800℃에 달합니다. B-ag54cupd는 b-au82ni와 유사한 특성을 가지고 있으며 가격이 저렴하여 b-au82ni를 대체하는 경향이 있습니다.

(2) 플럭스 및 용광로 분위기에서 스테인리스강 표면에는 Cr₂O₃, TiO₂와 같은 산화물이 포함되어 있으며, 이는 활성이 강한 플럭스를 사용해야만 제거할 수 있습니다. 스테인리스강을 주석-납 땜납으로 브레이징할 경우, 인산 수용액 또는 산화아연 염산 용액이 적합한 플럭스입니다. 인산 수용액은 활성 시간이 짧기 때문에 급속 가열 브레이징 방법을 채택해야 합니다. 은계 용가재와 스테인리스강을 브레이징할 때는 Fb102, Fb103 또는 Fb104 플럭스를 사용할 수 있습니다. 구리계 용가재와 스테인리스강을 브레이징할 때는 브레이징 온도가 높으므로 Fb105 플럭스를 사용합니다.

스테인리스강을 노에서 브레이징할 때는 진공 분위기 또는 수소, 아르곤, 분해 암모니아와 같은 보호 분위기가 흔히 사용됩니다. 진공 브레이징 시 진공 압력은 10-2Pa 미만이어야 합니다. 보호 분위기에서 브레이징할 경우, 가스의 이슬점은 -40℃를 초과해서는 안 됩니다. 가스 순도가 충분하지 않거나 브레이징 온도가 높지 않은 경우, 삼불화붕소와 같은 소량의 가스 브레이징 플럭스를 분위기에 첨가할 수 있습니다.

2. 브레이징 기술

스테인리스강은 브레이징 전에 그리스와 유막을 제거하기 위해 더욱 엄격하게 세척해야 합니다. 세척 후 즉시 브레이징하는 것이 좋습니다.

스테인리스강 브레이징은 화염, 유도 및 퍼니스 중간 가열 방법을 채택할 수 있습니다. 퍼니스 내 브레이징을 위한 퍼니스는 양호한 온도 제어 시스템(브레이징 온도 편차는 ±6℃이어야 함)을 가져야 하며 빠르게 냉각될 수 있어야 합니다. 브레이징을 위한 보호 가스로 수소를 사용하는 경우, 수소에 대한 요구 사항은 브레이징 온도와 모재의 구성에 따라 달라집니다. 즉, 브레이징 온도가 낮을수록 모재에 안정제가 많이 포함되어 수소의 이슬점이 낮아야 합니다. 예를 들어, 1Cr13 및 Cr17ni2t와 같은 마르텐사이트계 스테인리스강의 경우 1000℃에서 브레이징할 때 수소의 이슬점은 -40℃보다 낮아야 합니다. 안정제가 없는 18-8 크롬 니켈 스테인리스강의 경우 1150℃에서 브레이징할 때 수소의 이슬점은 25℃보다 낮아야 합니다. 그러나 티타늄 안정제를 함유한 1Cr18Ni9Ti 스테인리스강의 경우, 1150℃에서 브레이징할 때 수소 이슬점은 -40℃ 미만이어야 합니다. 아르곤 보호 브레이징 시에는 더 높은 아르곤 순도가 요구됩니다. 스테인리스강 표면에 구리나 니켈을 도금하는 경우, 차폐 가스 순도 요건을 낮출 수 있습니다. 스테인리스강 표면의 산화막 제거를 위해 BF3 가스 플럭스를 첨가하거나, 리튬 또는 붕소를 함유한 자용 솔더를 사용할 수도 있습니다. 스테인리스강을 진공 브레이징할 경우, 브레이징 온도에 따라 진공도가 요구됩니다. 브레이징 온도가 높아질수록 필요한 진공도는 낮아질 수 있습니다.

브레이징 후 스테인리스강의 주요 공정은 잔류 플럭스와 잔류 유동 억제제를 세척하고, 필요한 경우 브레이징 후 열처리를 실시하는 것입니다. 사용하는 플럭스와 브레이징 방법에 따라 잔류 플럭스는 물로 세척하거나, 기계적 세척 또는 화학적 세척을 할 수 있습니다. 접합부 근처의 가열된 부위에 있는 잔류 플럭스나 산화막을 연마제를 사용하여 세척하는 경우, 모래 또는 기타 비금속 미립자를 사용해야 합니다. 마르텐사이트계 스테인리스강과 석출 경화 스테인리스강으로 제작된 부품은 브레이징 후 재료의 특수 요구 사항에 따라 열처리가 필요합니다. Ni Cr B 및 Ni Cr Si 필러 금속으로 브레이징된 스테인리스강 접합부는 브레이징 간격을 줄이고 접합부의 미세 구조와 특성을 개선하기 위해 브레이징 후 확산 열처리를 하는 경우가 많습니다.