[ 호주용접취업연계 ] 브레이징 접합기술 (2)
2.2 브레이징의 원리
브레이징 시 일정한 온도(BRAZING TEMPERATURE)에 이르면 브레이징 용재(BRAZING FILLER METAL)가
양 용재 사이로 녹아 스며 들어가서 브레이징이 되어야만 이상적인 브레이징이라 할 수 있다.
이때 양 모재와 용가재(FILLER METAL)의 친화력의 정도를 나타내는 성질을 젖음성(WETTING)으로 표현할 수 있으며 양 모재 접합간격(JOINT GAP) 사이로 흘러 들어가게 하는 현상이 모세관 현상(CAPILLARY ACTION)이라 표현할 수 있다.
이때 물론 중력(GRAVITY)이 작용할 수 있다. 그러나 브레이징의 주된 기본 원리는 모재를 가열한 후 용가재를 가하여접합을 하면 젖음성(WETTING)에 의해 용가재가 양 모재에 녹아서 모세관 현상(CAPILLARY ACTION)에 의해 양 모재
사이로 흘러 들어가는 것이라 할 수 있다.
만일 용가재가 브레이징 해야 할 모재와 젖음성이 나쁘면 접합이 이루어지지 않을 것이며, 접합간격이 크면 양 모재사이에 용가재(FILLER METAL)가 가득 차지 않음에 따라 불완전한 접합이 될 것이다.
일반적으로 브레이징 시 모재가 장시간 대기 중에 방치되었거나 또는 가열시 공기 중의 산소 등과 결합하여 산화물 등이 생겨서 불활성 상태가 되어 있는 경우에는 액상 금속이 젖기(WETTING)가 힘들어질 것이다.
또한 금속을 브레이징할 때 플럭스를 사용하거나 환원성 분위기 또는 진공분위기 중에서 가열함으로써 산화물 생성을억제하여 용가재가 잘 젖게끔 만들어야 할 것이다.
이 일이 끝나면 올바른 모세관 현상에 의해 용가재가 양 모재 사이로 잘 흘러 들어가야 할 것이다.
<그림 2>는 현미경 사진으로 모세관 현상에 의해 모재가 잘 흘러 들어가는 상태를 나타낸 것이다.
특히 모세관 현상은 브레이징하고자 하는 가공품의 정밀도와 연관이 많이 있다.
즉 브레이징에 이상적이게 제품을 설계하지 못할 경우는 작업성이 떨어질 뿐 아니라 원가상승, 불량률 증가의 원인이될 것이다.
<그림 3>은 모세관 현상을 설명하기 위한 간단한 실험이다. <그림 3>과 같이 통속에 잉크 물을 넣고유리를 두 장씩 포개서 세워놓고 잉크의 침투정도를 실험했다.
① 0.04M/M의 간격(GAP)을 유지하였으며, 이때는 모세관 힘에 의해 균일하게 끝까지 침투하는 것을 볼 수 있다.
② 오른쪽은 붙이고 왼쪽은 0.4M/M의 간격을 유지하였을 경우 왼쪽에 기공을 형성함을 볼 수 있다.
③ 밑쪽은 붙이고 위쪽은 0.4M/M의 간격을 유지하였을 경우는 잉크 물이 올라오다가 멈춰 있음을 볼 수 있다.
④ 0.025M/M를 유지하면서 지문자국을 만들어 놓았을 경우 지문자국부위에 많은 기포가 있는 것을 알 수 있다.
상기 사항을 정리하면 <그림 4>와 같다
즉 브레이징을 할 때, 중력은 자연 발생적으로 작용하며 제품을 조립할 때 중력을 고려하여 장착해야 할 것이다. 모세관 현상과 중력은 용재의 흐름에 많은 영향을 미치고 젖음성(WETTING)은 용재의 친화력과 많은 연관이 있다. 상기 그림의 모세관 현상과 젖음성은 대단히 중요하며 이에 대하여 더 자세히 알아보기로 한다.
■ 젖음성(WETTING)
용가재(FILLER METAL)가 녹았을 때 젖음성의 정도에 따라 모재와 친화력이 있느냐 없느냐 또는 플럭스(FLUX)나 분위기(ATMOSPHERE)가 제 역할을 하느냐 하지 않느냐의 척도가 될 것이다. 이 젖음성을 설명하고자 고상의 납작한 평면에 액상의 방울(DROPLET)을 떨어뜨렸을 때 경우를 생각해 보자.
물론 이때 중력은 무시하며, 또한 고상, 액상, 기체상의 화학반응도 무시한다. 이런 경우 <그림 5>와 같이 표현할 수 있을 것이다.
여기에서 고상(모재)의 표면장력을 γSL, 액상(용가재)의 표면장력을 γSU, 고액상의 계면의 표면장력을 γLV로 표시하면 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있을 것이다.
θ는 접촉각이다.
젖음성이 일어나느냐 나지 않느냐의 경계는 90°(θ각)로 생각할 수 있을 것이다.
즉 각이 90° 이하이면 젖음성이 있는 것이며 90° 이상이면 젖음성이 일어나지 않을 것이다. 일반적으로 대부분의 브레이징시 θ각은 10°에서 40° 사이이다. 이것은 대부분 브레이징 모재의 접합간격에 의해 결정된다. 아무튼 <그림 6>은 브레이징 접합부의 단면도를 나타낸 것이다.
이 그림에서 접합간격(JOINT GAP)이 적어지면 적어질수록 접촉각(θ)이 적어지는 것을 알 수 있을 것이다.
<그림 5>에서 보면 (A)의 경우는 젖음성(WETTING)이 일어나지 않는 경우이며 이때는 모재의 표면에 산화물이 있거나 분위기나 플럭스가 적절하게 작용하지 못했을 경우일 것이다.
(B)의 경우는 젖음성(WETTING)이 일어나는 경우이고, (C)의 경우는 표면에 완전하게 퍼져버린 경우이다.
■ 모세관 현상(CAPILLARY ACTION)
모세관 현상은 브레이징 공정에서 대단히 중요한 물리적인 현상이다. 용재 유동도는 모세관 현상에 의한 힘, 점도,
용융금속의 밀도, 접합면의 중력에 대한 위치 등에 의해 좌우된다.
일반적으로 용재의 흐름을 억제시키는 점도는 용융상태에서 온도와 상관관계가 있다.
여기에서 보면 온도가 올라갈수록 점도에 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
즉 온도가 올라갈수록 용재의 유동도는 증가한다고 볼 수 있다. 아무튼 모세관 현상은 브레이징 시 앞서 이야기한 바와같이 대단히 중요한 물리적인 힘이며, 이는 앞의 <그림 3>에서 설명한 바와 같이 접합간격(JOINT GAP)과 대단히 밀접한 관계가 있으며, 아울러 용재종류, 점도, 밀도, 접합면의 증력에 대한 위치, 가열방법 등과도 대단히 밀접한 상관관계를
가지고 있다.
