저온 Brazing용 Al-Cu-Si 합금의 Sn, Zn 첨가에 따른 미세구조 및 융점 변화 연구

Abstract

알루미늄 및 알루미늄 합금은 비강도가 우수하고 열전도성이 좋아 경량화를 목표로 하는 다양한 분야에 적용이 시도되고 있으며, 우수한 열전도성으로 인해 공조기기에 구리(Cu)를 대체하는 재료로 사용되고 있다. 하지만 알루미늄 및 알루미늄 합금은 660℃이하의 낮은 융점을 나타내어 일반적인 접합방법인 welding을 적용하였을 때, 변형 및 기계적 특성의 감소가 나타나게 된다. 따라서 모재의 융점 이하에서 접합이 진행되는 브레이징(brazing)을 통한 접합이 시도되고 있다. 브레이징은 접합을 목적으로 하는 모재(base metal) 사이에 filler metal을 장입한 뒤 450℃이상, 모재의 융점 이하의 온도에서 filler metal만을 선택적으로 용융시킨 뒤 냉각과정에서 접합하는 방법이다. 브레이징 공정 중 용융된 filler metal은 모재와의 젖음성(wettability)이 우수하여야 하며 및 모재 접합간격 (joint gap) 사이로 모세관 현상(capillary phenomenon)에 의해 균일하게 분포되어야 한다. 만약 모재와 filler metal간의 젖음성이 나쁘면 접합이 이루어지지 않게 되고, 모세관 현상에 의한 joint gap filling 효과가 작게되면 불완전한 접합이 일어나게 된다. Al-12Si, Al-Cu-Si 조성 합금은 알루미늄 합금과 우수한 젖음성 및 joint gap filling 특성을 갖으며 모재로 사용되는 알루미늄 합금에 비해 낮은 융점을 갖아 filler metal로써 사용되고 있다. 하지만 일반적으로 사용되는 filler metal은 모재인 알루미늄 합금과의 융점 차이가 크지 않아 브레이징 공정 이후 모재인 알루미늄 합금의 변형 또는 열화에 의한 기계적 특성의 저하가 동반되게 된다. 따라서 많은 연구에서 이러한 단점을 억제하기 위해 저융점의 filler metal을 개발하여 브레이징 공정 온도의 저하와 유지시간 감소를 통해 모재의 특성 감소를 최소화 하려는 노력이 지속되고 있다. 본 연구에서는 540 ~ 560℃정도의 융점을 갖는 Al-Cu-Si 조성 filler metal에 저융점 금속인 Sn 및 알루미늄과 반응하여 융점감소 효과를 나타내는 Zn를 첨가하여 융점의 변화를 분석하였다. 이후 XRD 분석을 통해 첨가원소의 조성 별 상분석을 진행하였으며, SEM을 통해 미세구조의 변화를 확인하였다. 이후 공조기기의 열교환기에 적용되는 Al 3003 합금과의 젖음성과 Joint gap filling 특성을 분석하여 브레이징 fillier metal로써의 적용 가능성을 평가하였고, 실제 브레이징에 적용하여 접합부의 미세구조와 기계적 특성 분석을 진행하였다.