브레이징과 플럭스 자료

출처 : http://blog.naver.com/supdra/120004698334

 

 

 

브레이징 플럭스와 분위기

브레이징은 접합기술 중 사용범위가 광범위하고 그 응용범위가 넓다고 말할 수 있는데 아직도 국내에서는 그 원리와 사용방법이 제대로 보급되지 않아 널리 사용되지 못하고 있다. 이에 따라 본지에서는 브레이징 전문가로서 10여년 넘게 연구하고, 또 관련분야 기술 전파에 남다른 애정을 갖고 있는 서경 브레이징 신영식 사장의 기술원고시리즈 중 5回에서는 브레이징 플럭스와 분위기에 대해 소개한다.

신영식
서경브레이징 대표

브레이징 플럭스

브레이징 플럭스(Brazing Flux)를 사용하는 주된 목적은 산화(Oxidation)로부터 용가재(Filler Metal)와 모재를 방어함으로써 올바른 브레이징 접합면을 얻게 하는 것이다.
일반적으로 금속이 공기에 노출될 때 화학반응이 진행되며 온도가 올라갈수록 그 정도가  심하다. 따라서 금속과 금속을 접합해야 한다면 자연히 온도를 올려야 되고 공기와 접촉이 되기 때문에 화학적 반응이 이루어질 것이다. 따라서 이러한 현상에 대처하기 위하여 플럭스가 필요하다. 참고로 플럭스란 산화물이나 그밖의 불필요한 물질을 직접 분해하거나 또는 제거시키거나 생성 자체를 방지하기 위하여 사용되는 재료를 칭한다.
플럭스의 주요 기능은 다음과 같다.
- 산화물을 분해하거나 흡수하는 역할
- 가열시 모재표면의 산화 억제
- 용재 유동도 증가
- 온도 지시
- 용가재(Filler Metal)의 젖음성(Wetting Action) 향상
또한 플럭스 선택시 고려해야 할 사항은 다음과 같다.
- 모재의 종류
- 가열시간과 온도
- 용가재의 종류
- 모재의 크기
- 플럭스 형태
- 도포방법
- 플럭스의 가격
- 브레이징후 후처리방법
<표 1>은 플럭스의 주요 종류를 나타낸 것이다.

<표 1> 주요 브레이징 플럭스 종류(Brazing Handbook)

AWS 분류	형태	사용 용가재(AWS규격)	주요 원소	적 용	활동온도구(℃)	사용 모재
FB1-A	Powder	BALSi	Fluoride Chlorides	토치 또는 로 브레이징용	560-615	브레이징 가능한 알루미늄합금
FB1-B	Powder	BALSi	Fluorides Chlorides	로 브레이징용	560-615	〃
FB1-C	Powder	BALSi	Fluorides Chlorides	BALSi 용재와 함께 침지 브레이징용	540-615	〃
FB2-A	Powder	BMg	Fluorides Chlorides		480-620	제한된 마그네슘합금
FB3-A	Paste	BAg and Cup	Borates Fluorides	알루미늄 브론즈를 제외한 철계 및 비철계 범용용	565-870	알루미늄 또는마그네슘을 함유하지 않는 철계 및 비철계용, 카바이드 브레이징용
FB3-C	Paste	BAg and BCup	Borates Fluorides Boron	3A와 비슷하나 더 높은가열시간과 온도요구될 때	565-925	〃
FB3-D	Paste	BAg, BCu,BNi, BAu, and RBCuZn	Borates Fluorides	3C보다 고온용	760-1205	〃
FB3-E	Liquid	BAg and BCup	Borates Fluorides	보석류 접합이나 로 분위기 증진용	565-870	FB3-D와 동일
FB3-F	Powder	BAg and BCup	Borates Fluorides	3A와 유사하나 분살형태임	650-870	〃
FB3-G	Slurry	BAg and BCup	Borates Fluorides	3A와 유사하나 Slurry형태	565-870	〃
FB3-H	Slurry	BAg and BCup	Borates Fluorides Boron	〃	565-925	〃
FB3-I	Slurry	BAg, BCu,BNi, BAu and RBCuZn	Borates Fluorides	〃	760-1205	〃
FB3-J	Powder	BAg, BCu,BNi, BAu and RBCuZn	Borates Fluorides	3A와 유사하나 Slurry형태	760-1205	〃
FB3-K	Liquid	BAg, BCup, and RBCuZn	Borates	토치 브레이징용으로 주로 사용되며 가스와 섞여서 공급됨	760-1205	〃
FB4-A	Paste	BAg and BCup	Chlorides Fluorides Borates	난용성 산화물을 형성하는 금속을 포함한 많은 합금을 위한 범용	595-870	알브라스, 알브론즈,모넬, K500용

브레이징 분위기
(Brazing Atmosphere)

브레이징하는 동안 산화물 생성을 억제시키는 것이 중요하다. 따라서 산화물을 억제시키는 분위기를 형성하면서 가열을 하는 것이 좋은 방법 중의 하나일 것이다.
이러한 점에 착안하여 브레이징 분위기(Brazing Atmosphere)를 형성하여 브레이징하는 방법을 고안하였으며 플럭스와 마찬가지로 산화물, 그리스, 오일 등 불순물을 제거하는 기능을 갖지 못한다.
분위기 브레이징을 하는 경우 소량의 플럭스가 필요한 경우가 있으나 일반적으로 분위기 브레이징제품의 경우 세척(cleaning)이 필요없다. 대부분 분위기 브레이징의 경우 고온에서 행해지며 플럭스를 사용하는 브레이징보다 다음과 같은 이점이 있다.
- 대단히 깨끗한 브레이징 면을 얻을 수 있으며 제품 그 자체로 세척없이 사용 가능하다.
- 대단히 복잡한 제품(예;Heat Exchanger, thrust chamber, honeycomb sandwich structure etc)의 브레이징이 가능하다.
- 플럭스가 잘 빠져 나갈 수 없는 브레이징 면을 가진 제품에도 적합하다.
일반적으로 브레이징 분위기는 다음 3가지로 사용된다.
① 가스 분위기만 사용
② 가스 분위기/플럭스 사용
③ 진공/가스 분위기 사용

●분위기 적용

일반적으로 분위기가 적용되는 곳은 로(Furnace)이다.
물론 유도 가열(Induction Heating) 등 다른 곳에서 서로 국부적으로 사용하나 대부분 분위기 로(Atomsphere furnace)용으로 다용된다.
주요 분위기는 <표 2>와 같다.

<표 2> 브레이징에 사용되는 주요 분위기

원 료	최고 DEW POINT	조성(%)				용 재	모재
		H2	N2	CO	CO2
① 연소연료가스(저수소)	상온	05월 01일	87	05월 01일	11월 12일	BAg, BCup RBCuZn	동, 황동 동, 황동
② 연소연료가스(탈탄)	상온	14-15	70-71	09월 10일	05월 06일	Bcu, BAg, BCup RBCuZn	저니켈 모넬,중탄소강
③ 연소연료가스(건조)	-40℃	15-16	73-75	10월 11일		Bcu, BAg, BCup RBCuZn	저니켈 모넬, 중탄소강 중고 탄소강, 모넬 니켈합금
④ 연소연료가스(탈탄 건조)	-40℃	38-40	41-45	17-19		Bcu, BAg, BCup RBCuZn	저니켈 모넬, 중탄소강 중고 탄소강
⑤ 분해 암모니아	-54℃	75	25			Bcu, BAg, BCup BCuZn, BNi	①, ②, ③, ④에 추가하여 크롬 함유 합금
⑥ N2+H2	-68℃	01월 30일	70-79			〃	③번과 같음
⑦ N2+H2+CO	-29℃	02월 20일	70-79			〃	④번과 같음
⑧ N2	-68℃		100			〃	③번과 같음
⑨ 탈산소	-59℃	100				〃	⑤번, 코발트, 텅스텐
⑩ 건조 수소							합금 카바이드

]●주요 분위기 인자의 역할

■수소(Hydrogen, H2)
고온에서 대부분의 금속 산화물의 생성을 억제하는 강력한 인자이다.
수소는 때론 몇몇 모재에 수소취성(Hydrogen embrittlement)을 일으키기도 한다.

■일산화탄소(Carbon Monoxide, Co)
일산화탄소는 고온에서 철, 니켈, 코발트, 동의 산화물 생성을 억제하는 인자이며 때로는 탄소(Carbon)를 공급하는 인자로도 사용된다. 이 일산화탄소는 독성(Toxic)이 있기 때문에 반드시 배기 및 통풍에 주의해야 한다.

■이산화탄소(Carbon Dioxide, Co2)
이산화탄소는 브레이징 분위기에서 광범위하게 존재하는 인자이며 Co/Co2의 적정한 비율은 강의 브레이징에 있어서 분위기 안정을 위함과 아울러 탈탄을 방지하기 위하여 필요하다. 고온에서는 Co가 더 안정하며 저온에서는 Co2를 형성한다.

■질소(Nitrogen, N2)
질소는 로내의 공기를 치환하기 위하여 사용되어진다. 질소는 대부분의 금속과 불활성(Inert)이나 Cr, Mo, Ti, Zr 등과 같이 질화 가능성이 있는 금속은 고품위 질소를 사용해야 한다. 질소는 대단히 안전하며 폭발성이 없고 가연성도 아니다.

■수증기(Water Vapor, H2O)
수증기의 양은 이슬점(Dew Point)에 의해 표시된다. 이슬점은 가스내의 수분이 응축하는 온도를 나타낸다. <표 3>는 이슬점 온도와 수분함량을 나타낸 것이다.
수증기는 일반적으로 브레이징하는 동안 필요없으며 많은 양의 수증기가 존재할 때 탈탄이나 산화의 원인이 되기도 한다.

<표 3> 이슬점과 수분함량과의 관계

이슬점 온도(℃)	수분함량(체적 %)	수분함량(ppm)
8	0.15	1500
-34	0.0329	329
-51	0.0055	55
-62	0.0014	14
-73	0.0002	2

■산소(Oxygen, O2)
산소는 브레이징 분위기에서 항상 불필요한 인자이다.

■황(Sulfur, S)
황은 분위기에서는 백해 무익하며 여러 경로를 통해서 분위기에 유입된다.

■진공(Vacuum)
<표 4>는 진공 분위기를 나타낸 것이다.

<표 4> 진공 분위기(Vacuum Atmosphere)

AWS 분위기 Type	진공압력	용재	모재
10	2torr 이상	BCup, BAg	동
10A	0.5∼2torr	BCu, BAg	저탄소강, 동
10B	0.001∼0.5torr	BCu, BAg	탄소 및 저합금강, 동
10C	1×10-3torr 이하	BNi, BAg, BALSi, Ti합금	내부식강, 알루미늄, 티타늄, 지르코늄, 난용성 금속

진공 브레이징은 매우 크고 긴 곳의 브레이징에 적합하다. 특히 플럭스가 브레이징후 제거하기 곤란한 곳이나 가스 분위기가 침투하기 곤란한 Tihgt한 곳에 적합하다.
또한 진공 브레이징은 타이타늄, 지르코늄, 니오비늄, 몰리브데늄, 탄탈뮴 등을 포함한 많은 동종 또는 이종 금속의 접합에 적합하다.
이러한 합금의 특징은 소량의 가스 분위기와도 브레이징 온도에서 반응하여 취성을 만들거나 분해된다.
이러한 합금들은 고순도의 활성가스(Inert Gas) 분위기에서도 브레이징이 가능하다.
진공 브레이징은 기본적으로 브레이징부분에 모든 가스를 제거하며 또한 산화가 일어나지 않는 수준으로 유지된다. 상업적으로 사용되는 압력은 10-4∼10-6torr이다.
진공상태에서 몇몇 산화물은 브레이징 온도에서 분해된다. 실제로 스테인리스강, 슈퍼 알로이, 알루미늄합금 및 난용성 합금 등의 브레이징시 광범위하게 사용된다.