스테인리스강 브레이징

스테인리스강 브레이징

1. 브레이징 가능성

스테인리스강 브레이징의 주요 문제는 표면의 산화막이 납땜의 젖음성과 확산성을 심각하게 저해한다는 것입니다. 다양한 스테인리스강은 상당량의 크롬(Cr)을 함유하고 있으며, 일부는 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 니오븀(Nb) 등의 원소도 함유하고 있어 표면에 다양한 산화물 또는 복합 산화물을 형성할 수 있습니다. 그중에서도 크롬과 티타늄의 산화물인 Cr₂O₃와 TiO₂는 매우 안정적이며 제거하기 어렵습니다. 공기 중에서 브레이징할 경우, 이러한 산화물을 제거하기 위해 활성 플럭스를 사용해야 합니다. 보호 분위기에서 브레이징할 경우, 산화막은 낮은 이슬점과 충분히 높은 온도를 가진 고순도 분위기에서만 환원될 수 있습니다. 진공 브레이징의 경우, 우수한 브레이징 효과를 얻기 위해서는 충분한 진공도와 온도가 필요합니다.

스테인리스강 브레이징의 또 다른 문제점은 가열 온도가 모재의 구조에 심각한 영향을 미친다는 것입니다. 오스테나이트계 스테인리스강의 브레이징 가열 온도는 1150℃를 넘어서는 안 되며, 그렇지 않으면 결정립이 심하게 성장합니다. 오스테나이트계 스테인리스강에 안정 원소인 Ti 또는 Nb가 포함되어 있지 않고 탄소 함량이 높은 경우, 크롬 카바이드 석출로 인해 내식성이 저하되는 것을 방지하기 위해 민감화 온도(500~850℃) 내에서의 브레이징도 피해야 합니다. 마르텐사이트계 스테인리스강의 브레이징 온도 선택은 더욱 엄격합니다. 첫째, 브레이징 온도와 담금질 온도를 일치시켜 브레이징 공정과 열처리 공정을 결합해야 합니다. 둘째, 브레이징 온도는 템퍼링 온도보다 낮아야 브레이징 중 모재의 연화를 방지할 수 있습니다. 석출경화 스테인리스강의 브레이징 온도 선택 원칙은 마르텐사이트 스테인리스강과 동일합니다. 즉, 최상의 기계적 특성을 얻기 위해서는 브레이징 온도가 열처리 시스템과 잘 맞아야 합니다.

위의 두 가지 주요 문제 외에도, 오스테나이트 스테인리스강을 브레이징할 때, 특히 구리-아연 용접봉을 사용할 때 응력 균열이 발생하는 경향이 있습니다. 응력 균열을 방지하기 위해서는 브레이징 전에 공작물을 응력 제거 열처리해야 하며, 브레이징 중에는 공작물을 균일하게 가열해야 합니다.

2. 브레이징 재료

(1) 스테인리스강 용접부의 사용 요구사항에 따르면, 스테인리스강 용접부에 일반적으로 사용되는 브레이징 필러 금속에는 주석납 브레이징 필러 금속, 은계 브레이징 필러 금속, 구리계 브레이징 필러 금속, 망간계 브레이징 필러 금속, 니켈계 브레이징 필러 금속 및 귀금속 브레이징 필러 금속이 포함됩니다.

주석납땜납은 주로 스테인리스강 납땜에 사용되며, 주석 함량이 높은 것이 적합합니다. 땜납의 주석 함량이 높을수록 스테인리스강에 대한 젖음성이 좋아집니다. 표 3은 몇 가지 일반적인 주석납땜납으로 접합한 1Cr18Ni9Ti 스테인리스강 접합부의 전단 강도를 나타냅니다. 접합 강도가 낮기 때문에 이러한 접합부는 하중 지지력이 작은 부품의 납땜에만 사용됩니다.

표 3. 주석납땜으로 접합된 1Cr18Ni9Ti 스테인리스강 접합부의 전단 강도

은계 용가재는 스테인리스강 브레이징에 가장 일반적으로 사용되는 용가재입니다. 그중에서도 은구리아연(SCZ)과 은구리아연카드뮴(SCZC) 용가재는 브레이징 온도가 모재의 특성에 미치는 영향이 적어 가장 널리 사용됩니다. 표 4는 몇 가지 일반적인 은계 용가재를 사용하여 브레이징한 ICr18Ni9Ti 스테인리스강 접합부의 강도를 나타냅니다. 은계 용가재를 사용한 스테인리스강 접합부는 부식성이 매우 강한 환경에서는 거의 사용되지 않으며, 접합부의 사용 온도는 일반적으로 300℃를 넘지 않습니다. 니켈이 없는 스테인리스강을 브레이징할 경우, 습한 환경에서 브레이징 접합부의 부식을 방지하기 위해 B-AG50CuzncdNi와 같이 니켈 함량이 더 높은 용가재를 사용해야 합니다. 마르텐사이트계 스테인리스강을 브레이징할 경우, 모재의 연화를 방지하기 위해 B-AG40Cuzncd와 같이 브레이징 온도가 650℃를 넘지 않는 용가재를 사용해야 합니다. 보호 분위기에서 스테인리스강을 브레이징할 때 표면의 산화막을 제거하기 위해 b-ag92culi 및 b-ag72culi와 같은 리튬 함유 자가 브레이징 플럭스를 사용할 수 있습니다. 진공에서 스테인리스강을 브레이징할 때, 아연(Zn)이나 카듐(CD)과 같이 쉽게 증발하는 원소를 포함하지 않으면서도 용접봉의 젖음성을 유지하기 위해 망간(Mn), 니켈(Ni), RD 등의 원소를 포함하는 은 용접봉을 선택할 수 있습니다.

표 4. 은계 용가재를 사용하여 브레이징한 ICr18Ni9Ti 스테인리스강 접합부의 강도

다양한 강종을 접합하는 데 사용되는 구리계 브레이징 필러는 주로 순수 구리, 구리 니켈, 구리 망간 코발트 브레이징 필러가 있습니다. 순수 구리 브레이징 필러는 주로 가스 보호 또는 진공 상태에서 브레이징에 사용됩니다. 스테인리스강 접합부의 작업 온도는 400℃를 넘지 않지만, 접합부의 산화 저항성이 좋지 않습니다. 구리 니켈 브레이징 필러는 주로 화염 브레이징 및 유도 브레이징에 사용됩니다. 브레이징된 1Cr18Ni9Ti 스테인리스강 접합부의 강도는 표 5에 나타나 있습니다. 접합부는 모재와 동일한 강도를 가지며, 작업 온도 또한 높습니다. 구리 망간 코발트 브레이징 필러는 주로 보호 분위기에서 마르텐사이트계 스테인리스강을 브레이징하는 데 사용됩니다. 접합부 강도와 작업 온도는 금계 필러를 사용한 브레이징과 유사합니다. 예를 들어, b-cu58mnco 솔더로 브레이징한 1Cr13 스테인리스강 접합부는 b-au82ni 솔더로 브레이징한 동일한 스테인리스강 접합부와 동일한 성능을 보이지만(표 6 참조), 생산 비용은 크게 절감됩니다.

표 5. 고온 구리계 용접봉을 사용하여 브레이징한 1Cr18Ni9Ti 스테인리스강 접합부의 전단 강도

표 6. 1Cr13 스테인리스강 브레이징 접합부의 전단 강도

망간계 브레이징 필러 금속은 주로 가스 차폐 브레이징에 사용되며, 가스의 순도가 높아야 합니다. 모재의 결정립 성장을 방지하기 위해 브레이징 온도가 1150℃ 미만인 해당 브레이징 필러 금속을 선택해야 합니다. 표 7에서 볼 수 있듯이, 망간계 솔더를 사용하여 브레이징한 스테인리스강 접합부는 만족스러운 브레이징 효과를 얻을 수 있으며, 접합부의 사용 온도는 600℃에 도달할 수 있습니다.

표 7. 망간계 용접봉으로 접합된 LCR18NI9FI 스테인리스강 접합부의 전단 강도

스테인리스강을 니켈계 용가재로 브레이징하면 접합부는 고온에서 우수한 성능을 나타냅니다. 이 용가재는 일반적으로 가스 차폐 브레이징이나 진공 브레이징에 사용됩니다. 접합부 형성 과정에서 취성 화합물이 많이 생성되어 접합부의 강도와 소성을 심각하게 저하시키는 문제를 해결하기 위해서는 접합 간극을 최소화하여 용가재 내에서 취성상을 형성하기 쉬운 원소들이 모재에 충분히 확산되도록 해야 합니다. 또한, 브레이징 온도에서 장시간 유지 시 모재의 결정립 성장이 발생하는 것을 방지하기 위해, 용접 후 단시간 유지 및 저온(브레이징 온도 대비)에서의 확산 처리를 시행할 수 있습니다.

스테인리스강 브레이징에 사용되는 귀금속 브레이징 필러 금속은 주로 금계 필러 금속과 팔라듐 함유 필러 금속을 포함하며, 그중 가장 대표적인 것은 우수한 젖음성을 지닌 B-Au82Ni, B-Ag54Cupd입니다. 브레이징된 스테인리스강 접합부는 고온 강도와 내산화성이 뛰어나며, 최대 사용 온도는 800℃에 달할 수 있습니다. B-Ag54Cupd는 B-Au82Ni와 유사한 특성을 가지면서 가격이 저렴하여 B-Au82Ni를 대체하는 추세입니다.

(2) 플럭스와 용광로 분위기에서 스테인리스강 표면에는 Cr2O3 및 TiO2와 같은 산화물이 존재하며, 이는 활성이 강한 플럭스를 사용해야만 제거할 수 있다. 스테인리스강을 주석납땜으로 브레이징할 때 적합한 플럭스는 인산 수용액 또는 산화아연 염산 용액이다. 인산 수용액의 활성 시간은 짧으므로 급속 가열 브레이징 방법을 사용해야 한다. 은계 용가재를 사용하여 스테인리스강을 브레이징할 때는 Fb102, Fb103 또는 Fb104 플럭스를 사용할 수 있다. 구리계 용가재를 사용하여 스테인리스강을 브레이징할 때는 높은 브레이징 온도 때문에 Fb105 플럭스를 사용한다.

용광로에서 스테인리스강을 브레이징할 때 진공 분위기 또는 수소, 아르곤, 분해 암모니아와 같은 보호 분위기를 사용하는 경우가 많습니다. 진공 브레이징 시 진공 압력은 10⁻²Pa 미만이어야 합니다. 보호 분위기에서 브레이징할 경우 가스의 이슬점은 -40℃를 넘지 않아야 합니다. 가스 순도가 충분하지 않거나 브레이징 온도가 높지 않은 경우, 삼불화붕소와 같은 소량의 가스 브레이징 플럭스를 분위기에 첨가할 수 있습니다.

2. 브레이징 기술

스테인리스강은 납땜 전에 기름때와 유막을 제거하기 위해 더욱 철저하게 세척해야 합니다. 세척 직후 바로 납땜하는 것이 좋습니다.

스테인리스강 브레이징에는 화염, 유도 및 용광로 매체 가열 방식을 사용할 수 있습니다. 브레이징 용광로는 우수한 온도 제어 시스템(브레이징 온도 편차 ± 6℃ 이내)을 갖추고 신속하게 냉각될 수 있어야 합니다. 수소를 보호 가스로 사용하는 경우, 수소에 대한 요구 사항은 브레이징 온도와 모재의 조성에 따라 달라집니다. 즉, 브레이징 온도가 낮을수록, 모재에 안정제 함량이 높을수록 수소의 이슬점이 낮아져야 합니다. 예를 들어, 1Cr13 및 Cr17Ni2T와 같은 마르텐사이트계 스테인리스강의 경우, 1000℃에서 브레이징할 때 수소의 이슬점은 -40℃ 미만이어야 합니다. 안정제가 없는 18-8 크롬 니켈 스테인리스강의 경우, 1150℃에서 브레이징할 때 수소의 이슬점은 25℃ 미만이어야 합니다. 하지만 티타늄 안정제를 함유한 1Cr18Ni9Ti 스테인리스강의 경우, 1150℃에서 브레이징할 때 수소이슬점은 -40℃보다 낮아야 합니다. 아르곤 보호 브레이징 시에는 더 높은 순도의 아르곤 가스가 요구됩니다. 스테인리스강 표면에 구리나 니켈 도금이 되어 있는 경우에는 보호 가스의 순도 요구 조건을 낮출 수 있습니다. 스테인리스강 표면의 산화막 제거를 위해 BF3 가스 플럭스를 첨가하거나 리튬 또는 붕소를 함유한 자체 플럭스 솔더를 사용할 수도 있습니다. 스테인리스강 진공 브레이징 시 요구되는 진공도는 브레이징 온도에 따라 달라집니다. 브레이징 온도가 높아질수록 필요한 진공도는 낮아집니다.

스테인리스강 브레이징 후 주요 공정은 잔류 플럭스와 잔류 유동 억제제를 제거하고 필요한 경우 후 브레이징 열처리를 수행하는 것입니다. 사용된 플럭스와 브레이징 방법에 따라 잔류 플럭스는 물로 세척하거나 기계적 세척 또는 화학적 세척을 할 수 있습니다. 접합부 근처 가열된 부위의 잔류 플럭스 또는 산화막을 제거하기 위해 연마제를 사용하는 경우, 모래 또는 기타 비금속 미세 입자를 사용해야 합니다. 마르텐사이트계 스테인리스강 및 석출경화형 스테인리스강으로 제작된 부품은 브레이징 후 재질의 특성에 따라 열처리가 필요합니다. NiCrB 및 NiCrSi 필러 금속으로 브레이징된 스테인리스강 접합부는 브레이징 갭 요구 사항을 줄이고 접합부의 미세 구조 및 특성을 개선하기 위해 브레이징 후 확산 열처리를 수행하는 경우가 많습니다.