5-2. 로 브레이징 방법

로 브레이징(Furnace brazing)법은 브레이징 하고자 하는 제품에 미리 용가재를 넣은 후 가열로에 넣거나 통과시키며 브레이징하는 방법이다. 브레이징 로는 일반적으로 연소열이나 전기 저항열을 사용하여 가열하는 장치를 사용 하는데, 직접 가열 방식이나 간접 가열 방식을 사용한다. 브레이징 중 제품 표면의 산화물을 환원시키거나 산화를 막기 위하여 아래와 같이 다양한 산화 억제 분위기를 사용한다.

로 브레이징에 많이 사용되는 분위기 가스에 대해 간단히 정리해 보면 다음과 같다. 탄소강 등 일반적인 철강 재료를 브레이징하는 경우에는 연료가스나, 분해 암모니아 가스 분위기를 많이 사용한다. 이 때, 분위기의 종류에 따라 탈탄 및 침탄이 일어나기도 하는데, 일반적으로 CO는 침탄성, CO2 와 H2O는 탈탄성의 가스이다. 질소 가스는 환원 능력이 없으며 환원성가스의 희석용이나 치환용 가스로서 사용되는데, 고온에서는 Mo, Cr, Ti 등과 질화물을 만들기 때문에 사용에 주의가 필요하다.

노점 (이슬점)이 특히 낮은 H2나 분해 암모니아가스는 2 ~ 3% 이상의 Cr, Mn, Al, Si이 포함된 합금의 양호한 브레이징을 위해 사용한다. 이 때, 경우에 따라 플럭스를 사용하거나 니켈 도금을 하기도 한다. 수소가스는 고순도 (이슬점이 낮은)의 경우, 금속산화물에 대하여 강한 환원성을 가지고 있다. 철, 동, 니켈의 산화물은 수소에 의해 환원되기 쉽지만 Ti 이나 Al을 함유한 금속의 산화물은 환원되기 어렵다.  동 산화물 CuO가 함유되어 있는 터프피치동(tough pitch copper, 전해인성 동)을 수소 분위기 중에서 가열하면 아래의 식과 같이 CuO가 환원되어 H2O가 발생된다.

즉, 브레이징 시 모재로 수소(H2)가 침투하여 동 모재 중의 산소와 반응하여 수증기(H2O) 기포가 결정립계에 발생하여 균열을 일으킨다. 이러한 현상을 수소취성 (Hydrogen embrittlement)이라고 한다. 따라서 터프 피치 동의 경우 수소나 분해 암모니아 분위기에서 브레이징 하는 것을 피해야 한다.

(1) 브레이징 로의 형태

일반적으로 브레이징 로는 용도에 따라 다양하게 제작될 수 있지만, 대부분  아래와 같은 3가지 형으로 나눌수있다.

(가) 연속 로

연속 로(Continuous Furnace)는 컨베이어 시스템을 갖추고, 브레이징 될 제품을 로 속에 연속적으로 장입하는  형태를 말한다. 브레이징 로 중에서 가장 많이 사용되는 로로서 대개 분위기 가스를 사용한다.  진공로의 경우에도 연속타입이 있으나 이는 완전한 연속형이라고는 보기 어렵다. 연속 로의 종류는 아래 그림 2-125)와 그림 2-126)에 보인 바와 같이 수평이동 타입과 험프백 타입 크게 두가지 형태로 나눌 수 있다. 수평타입 연속 로는 분위기가 안정되어 있는 변성가스(LPG, LNG)에 많이 사용된다.

일반적으로 수소나 암모니아 분위기의 경우 수소가스가 공기 중에 노출되면 폭발 위험성이있기 때문에, 험프백 타입은 이러한 분위기의 경우에 많이 사용된다.

연속 로는 브레이징 제품을 대량 생산하는데 적합하다.  그러나 컨베이어 상의 제품이 움직이기 때문에 정확한 치수가 요구되는 경우와, 브레이징 중 제품의 형상이나 위치를 일정하게 유지해야 하는 경우에는 고정대의 비용이 많이 들어가는 단점이 있다.
 
아래 그림 2-127)는 연속로의 실제 모습을 보인 것이다.

(나) 도어 타입 로

도어 타입 로(Door Type Furnace)는 연속적으로 이동하는 컨베이어가 없으며, 로에 도어를 달아 개폐하며 제품을 장입하는 형태이다. 이 형태의 로는 일반적으로 진공로의 경우에 많이 사용된다. 그림 2-128)는 전형적인 도어타입 진공로를 보인 것이다.

그림 2-129)는 진공로에 제품을 장입하고 있는 모습을 나타낸 것이다.

아래 그림 2-130)은 진공로에 브레이징 제품이 장입되어 가열 대기하고 있는 장면이다.

(다) 벨 타입 로

이 형식은 로 내부가 종(bell)처럼 생겼다고 해서 벨 타입 로(Bell Type Furnace)라고 불린다. 이 로는 물건이 고정 된 상태에서 상부 로가 이동하는 방식인데, 정밀한 브레이징부의 치수를 얻고자 하거나 조립한 후 제품 이동이 용이하지 않을 때에 적당하다. 그림 2-131)은 벨 타입 로를 보인 것이다.

(2) 로 브레이징의 특징

분위기 가스 및 진공 분위기를 중심으로 한 로 브레이징의 특징은 다음과 같다.

  ⓐ 로 내에서 제품전체가 가열되며 국부적으로 가열하기는 곤란하다. 따라서 복잡하고 많은 제품을 동시에 브레이징하기에 적합하다.

  ⓑ 정밀한 온도제어가 비교적 용이하며, 균일한 품질을 얻을 수 있다.

  ⓒ 대량 생산에 적합하다.

  ⓓ 브레이징 시 제품이 산화되지 않기 때문에 산세척, 그라인딩 등 플럭스를 제거 하거나 산화물을 제거하는 공정이 필요 없다. 따라서 깨끗한 제품을 얻을 수 있다.

  ⓔ 밀봉 제품의 경우 플럭스 제거가 곤란하므로 로 브레이징이 좋다.

  ⓕ 다른 브레이징 방법보다 고강도를 갖는 양호한 브레이징 부를 얻을 수 있다.

  ⓖ 복잡한 제품의 브레이징이 용이하다.

  ⓗ 모든 부분이 동시에 균일하게 가열되므로 열 변형이 적다.

  ⓘ 설치비가 비싸다.

  ⓙ 제품을 로에 장입하기 전에 용가재를 브레이징 해야 할 제품에 넣어야 한다.

  ⓚ 토치 브레이징 등 대기 중에서 브레이징 하기 힘든 Ti, Zr, Ta, Mo, Inconel, 세라믹이나 합금의 브레이징이 가능하다.

  ⓛ 기공이 비교적 적은 접합면을 얻을 수 있고, 이로 인해 브레이징 강도도 향상시킬 수 있다.

  ⓜ 브레이징과 동시에 열처리가 가능하다.

  ⓝ 작업 환경은 좋지만, 브레이징부를 육안으로 관찰하면서 작업할 수 없다.

  ⓞ 저온에서는 브레이징 분위기가 충분치 않으므로 비교적 고온에서 작업해야 한다.  고온에서 가열할 때, 가열시간이 길기 때문에 제품이 연화될 가능성이 있다.

  ⓟ 증기압이 높은 재료 (예 Cd, Zn 등)를 함유한 제품이나 용가재를 브레이징하기가 곤란하다.

  ⓠ 수소 가스를 함유한 분위기의 경우 폭발 위험성을 내재하고 있다.

(3) 로 브레이징 가능 품목

아래 <표 2-22>는 각 분야별로 로 브레이징 가능한 품목을 예시한 것이며, 그림 2-132)는 로 브레이징 제품 사례를 모은 것 이다.

그림 2-133)은 로 브레이징이 완료된 각종 제품을 보인 것이다. 간단한 파이프류에서부터, 용기, 열교환기, 기어, 터빈 등 다양한 제품이 제조 가능함을 알 수 있다.

(4) 로 브레이징의 문제점과 해결책

로 브레이징의 경우 일반적인 브레이징법과 마찬가지로 작업환경에 따라 다양한 문제점이 발생한다. 특히, 사람이 직접 보며 대처할 수가 없기 때문에, 항상 최적의 작업 조건을 유지하지 않으면, 막대한 불량과 손실을 유발할 수 도 있다. <표 2-23>는 로 브레이징 시 발생할 수 있는 각종 문제점들에 대한 대처 사항을 기술한 것이다.

(5) 로 브레이징의 기술적인 사항

(가) 로 분위기

본 절에서는 로 브레이징시 수반되는 기술적인 사항을 언급하고자 한다. 브레이징 분위기는 앞에서도 일부 언급 하였으나, 보다 상세히 설명하고자 한다.

<표 2-24> 는브레이징 시 사용되는 주요 분위기 가스를 나타낸 것이다. 분위기로는 연료가스, 분해 암모니아, 수소, 질소, 정제 불활성 가스 등이 브레이징 될 모재 및 용가재에 따라 다양하게 추천되고 있다.   올바른 로 브레이징을 위해서는 분위기의 선택에 유의해야 한다.

* 참고 : 밑줄 친 부분은 기화성 재료를 사용할 때 플럭스를 사용해야 한다.    

<표 2-25>은 브레이징 시 사용되는 진공 분위기를 나타낸 것이다. 알루미늄, 티타늄 등 산화물이 안정된 모재 일수록 고진공도를 필요로 한다.  

(나) 증기압

로 브레이징시 간과해서는 안 될 중요한 사항 중의 하나가 브레이징해야 할 모재나 브레이징 용가재내 원소의 기화온도 (vaporization temperature)이다. 모든 금속은 기화되며, 일부가 기체 상태로 존재하고 있다. 다만, 일상적인 온도에서는 금속의 기체상태의 압력(증기압)이 너무 작기 때문에, 기체 상태로 존재하지 않는 것처럼 느낄뿐이다. 그림 2-134)에서 보듯이 금속의 증기압은 온도에 따라 변하며, 온도가 높아지면 이들 금속의 기체 압력은점점 증가한다.

아래 <표 2-27>은 주요 원소의 기화 온도를 나타낸 것이다.

<표 2-26>에서 보는 바와 같이 카드뮴이나 아연 같은 경우는 기화온도가 각각 754, 906℃로 낮기 때문에, 로 브레이징시 이러한 원소는 쉽게 기화되므로 이러한 원소를 함유한 용가재나 모재는 가능한한 로에 장입되는 것을 피해야 한다. 특히 그림 2-134)에서 보는 바와 같이 압력이 낮아질 경우 기화온도가 급속히 감소하는 것을 볼 수 있다.

진공 브레이징의 경우 이 금속의 기화현상(증발현상) 때문에 많은 제약이 따를 수 있으므로 주의한다. 진공 브레이징에 사용될 모재 및 브레이징 합금 원소 하나 하나의 기화점을 체크해야 한다. 또 브레이징시 기화하는
온도가 낮은 금속은 기화하여 인체에 흡입되면 작업자의 건강을 해칠 수도 있으므로 배기에 유의한다.

로 브레이징에서 금속의 기화현상은 브레이징을 방해하며, 로 벽에 응축되어 불순물을 만들기도 한다. 일예로 황동제품을 암모니아 분해로에서 BCuP 용가재로 브레이징할 때, 모재가 손상되어 나오는 이유 중의 하나가
아연의 기화현상 때문이다. 따라서 기화를 억제하면서 로 브레이징을 하고자 할 때 플럭스를 사용해야 하는 경우가 있으며, 이 기화현상을 억제하고자 한다면 제품을 빨리 가열하는 방법 (예: Induction Heating, 강한 가스 급가열 등)도 좋은 대책 중 하나이다.

(다) 산화물 (Oxides)

브레이징에 있어서 산화막을 이해하는 것은 매우 중요하다. 대부분의 금속의 경우 표면에 산화막을 형성하고 있으며 산화막이 존재하면 용가재가 퍼지지 않아 브레이징이 어렵다.  산화막이 형성되는 반응식은 아래와 같다.

여기에서 M 은 금속을 의미하며 m은 1 몰 (Mole)의 산소를 의미한다.

<표 2-27>은  각종 금속의 산화물 생성열을 나타낸 표이다. 산화물 생성열이 클수록 금속의 표면에 산화물이 형성되기 쉽거나 안정된 산화물이 형성됨을 의미한다. 이 표에서 금(Au)은 산화물 생성열이 음수이므로 산화가 일어나기 어려움을 알 수 있다. 또, 은(Ag), 팔라듐(Pd)의 경우 산화물 생성열이 낮은데, 이는 산화물이 안정하지 않은 상태를 의미하며, 쉽게 제거될 수 있다.  동, 니켈, 코발트, 카드뮴 등은 안정한 상태의 산화물을 생성하며 제거하기가 조금 어렵다. 크롬, 탄탈륨, 알루미늄, 베릴늄 등은 더 강력한 산화물을 형성하며, 제거가 더욱 어렵다.

<표 2-28>는 단순히 금속 원소별 생성열을 비교한 것이고, 실제 브레이징시에는 원소가 아닌 합금을 많이 사용한다. 따라서, 산화물 제거의 어려운 정도가 원소일 때와는 약간 달라진다. 예를 들어 크롬의 경우 Cr2O3 층은 대단히 강한 산화층이다. 그러나 스텐레스 강의 크롬 산화물의 경우 FeCr2O3나  FeOCr2O3로 존재하며, 이 산화막은 순수 크롬산화막 (Cr2O3) 보다 제거하기가 쉽다.

그림 2-135)는 각종 산화물의 온도에 따른 자유에너지 값을 나타낸 것이다. 그림에서 산화물의 자유에너지 값이 -로 될 수록 (즉, 작아질수록) 신화물이 안정함을 의미한다. 이 그림에서 온도가 증가될수록 산화물의 자유에너지 값이 증가하여 불안정해지므로 그 제거가 용이함을 알 수 있다.  즉 브레이징 온도처럼 가열된 상태에서는 보다 쉽게 산화물이 모재표면으로부터 제거된다.

그림 2-136)은 수소분위기에서 금속과 금속산화물의 평형도이다. 그림에 나타낸 산화물 이름이 적혀 있는 평형곡선으로부터 좌측으로 갈수록 산화물의 생성이 쉽고, 우측으로 갈수록 산화물의 환원이 용이하다.

그림에서, 동일한 온도에서는 분위기의 이슬점이 낮을수록 환원되는 영역으로 가며, 동일한 이슬점에서는 온도가 높을수록 환원되는 영역으로 가는 것을 알 수 있다.

그림 2-136)의 이해를 위하여, 아래 그림 2-137)는 크롬의 산화물 평형도를 보며 좀 더 자세히 공부해 보자.
그림 2-137)의 평형곡선의 좌측은 Cr의 산화상태 (즉, 크롬이 산화물로 존재함)를 나타내고, 우측은 Cr의 환원상태를 나타낸다.

크롬의 산화물 평형도를 참고하며, 스테인레스 강을 로 브레이징 할 때를 예로 들어보자.

① Case A

이슬점이 -40℃이고 로내의 온도는 750℃라고 하면 (그림 2-109의 점 A에 해당), 이 경우 크롬은 Cr2O3로 존재하는 산화상태이다. 따라서, 산화 크롬 상태인 스테인레스 강 위에서의 브레이징 합금은 유동도가 나쁘고, 젖음이 일어나기 어렵다. 즉, 스테인레스 강 표면에 강력한 크롬 산화물 (Cr2O3) 때문에 브레이징이 될 수 없다. 이 경우 굳이 750℃에서 브레이징을 하고자 한다면 이슬점을 -60℃이하로 내려 환원영역(곡선의 아래쪽)으로 가져오면 크롬은 환원되어 브레이징이 가능할 것이다.

② Case B

이슬점이 -40℃이고 로내의 온도는 950℃라고 하면 (그림 2-109의 점 B에 해당), 이 경우 크롬은 완전한 환원상태도, 완전한 산화 상태도 아니다.  따라서 브레이징을 하기에 좋은 분위기라고 할 수는 없다.

③ Case C

이슬점이 -40℃이고 로내의 온도는 1100℃라고 하면 (그림 2-109의 점 C에 해당), 이 경우 크롬은 환원상태가 되어 브레이징에 적절하다.

(6) 로 브레이징 공정

본 절에서는 실제 브레이징 상황을 참고로 하여, 로 브레이징 공정에 대해 기술하고자 한다. 

(가) 부품준비

먼저 브레이징을 하고자 하는 부품을 준비하여, 이 부품들을 세척한다. 부품가공 중 사용된 오일이나 윤활유 등은 반드시 제거하고, 부품표면에 산화 스케일이 있다면 이것도 제거한다.

(나) 부품조립

로 브레이징의 경우 지그 등을 사용하기 곤란하기 때문에 대개 자기고정(self-fixturing) 방법을 많이 사용한다. 에어 프레스나 고무 망치 등으로 끼워 맞추는 경우가 많이 있으며, 브라켓 등 자체고정이 되지 않는 것은 티그 용접기나 저항 용접기 등으로 가접하는 경우가 많다. 아래 그림 2-138)의 경우는 가접장면을 나타낸 것이다.

(다) 용재 공급

아래 그림 2-139)은 컨베이어 상에서 브레이징 페이스트를 공급하는 장면을 나타낸 것이다.

아래 그림 2-140)는 용가재 공급이 완료된 상태에서 브레이징 로의 컨베이어 장입을 기다리고 있는 부품들을 보인 것이다.

(라) 제품 장입

브레이징 용가재(Filler metal)를 공급한 후 브레이징 로로 장입해야 한다. 아래 그림 2-141)은 브레이징될 부품이 브레이징 로 속으로 컨베이어를 타고 장입되는 장면이다.

아래 그림 2-142)는 브레이징 로의 컨트롤러를 나타낸 것이다. 좌측 두 컨트롤러는 전기 컨트롤용이며 우측은 가스 컨트롤러 이다.

아래 그림 2-143)는 암모니아 분해 장치를 나타낸 것인데, 브레이징시 분위기 가스를 공급하기 위하여 암모니아 (NH3)를 75%의 수소(H2)와 25%의 질소(N2) 로 분해시키는 장치이다.  

(마) 부품 브레이징

부품이 로 속을 통과하면서 브레이징이 완료되면 입구 반대편 컨베이어 출구로 브레이징이 완료된 제품이 나온다. 아래 그림 2-144)은 브레이징이 완료되어 나온 제품의 예를 보인 것이다.

(바) 제품검사

브레이징 완료되면 품질검사를 해야 한다. 대개 외관검사와 리크(leak)검사를 실시한다. 그림 2-145)은 리크 검사기를 보인 것이다. 이에 대해서는 7장에서 보다 상세히 설명한다.

그림 2-146)은 리크 검사 장면을 나타낸 것이다.