1. Introduction

알루미늄은 대표적인 경량 금속으로 밀도가 낮고 열전 도성이 뛰어나 일반적으로 자동차의 라디에이터, 오일 쿨 러 혹은 배터리 냉각판 등에 적용되고 있다[1,2]. 일반적 으로 라디에이터와 쿨러같이 열 교환이 일어나는 제품의 경우 표면적이 넓을수록 효율이 우수하기 때문에 주로 판 상의 형태로 제조되며 표면적을 향상시키기 위해 복잡한 형태를 가지고 있다[3,4]. 따라서 이러한 복잡한 형태를 갖는 판재를 접합하기 위한 공정이 필수적이며, 산업현장 에서는 브레이징 공정이 가장 널리 적용되고 있다. 브레이 징 공정은 모재보다 낮은 융점을 갖는 용가재(filler metal) 를 용융 시켜 액체 상태의 용가재가 모세관 현상에 의해 모재의 틈새로 스며들어가 침투하여 접합하는 방식으로 알루미늄 합금의 접합에 사용된다[5].

이러한 브레이징 공정에서 가장 중요한 요소 중 하나가 용가재의 융점이다. 일반적으로 알루미늄 합금의 브레이 징 공정에는 Al-12Si 합금이 용가재로써 가장 보편적으로 사용되고 있다[6]. Al-12Si 합금은 내마모성과 열팽창계수, 부식 저항성이 높으며 577°C의 융점을 가지고 있다. 하지 만 실제 브레이징 공정에 적용할 시에는 융점보다 20~ 30°C 높은 온도인 590~610°C의 온도 범위에서 용융되어 용가재로 작용하게 되는데[7], 이처럼 용가재와 모재로 사 용되는 알루미늄 합금의 융점 차가 적을 경우 브레이징 공정 온도 하에서 모재의 손상이나 변형이 발생할 수 있 다. 따라서 브레이징 공정 온도를 감소시켜 모재인 알루미 늄의 기계적 특성 저하나 변형으로 인한 불량률을 줄이기 위해 용가재가 되는 알루미늄 합금에 다양한 첨가 원소를 넣어 융점을 감소시키는 연구가 다양하게 진행되고 있는 상황이다[8-11]. 일반적으로 융점을 감소시키기 위해 알루 미늄에 첨가되는 원소로는 Cu, Si, Sn, Mn 등이 있으며, 이러한 원소가 첨가됨에 따라 알루미늄 합금의 특성이 달 라지게 된다. Al에 Cu가 첨가되면, Cu의 함량이 증가할수 록 경도가 증가하고 특히 Cu가 Al₂Cu의 금속화합물 형태 인 θ 상으로 존재할 경우에는 알루미늄 합금의 융점 및 공 정온도를 감소시키는 효과가 있다[12,13]. Al에 Si를 첨가 할 경우에는 상대적으로 밀도가 낮아지므로 재료의 경량 화에 도움이 될 뿐만 아니라 유동성, 용접성, 내식성이 좋 아지는 효과가 있고 응고 범위가 좁고 응고 수축이 적어 열간 균열에 대한 저항성이 매우 높아지게 된다[14]. Sn을 알루미늄 합금에 첨가할 경우에는 Sn의 낮은 융점으로 인 하여 합금의 융점을 감소시킬 수 있고 강도와 내부식성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다[15-17].

따라서 본 연구에서는 저융점을 갖는 용가재를 개발하 기 위하여 Al-Si-Cu-Sn 사원계 합금을 설계 및 제조한 후, 조성별 합금의 융점을 분석하고 브레이징 재료로써의 기 계적 특성을 평가하였다. 이후 분석 결과를 통해 최적의 조성을 택하여 해당 조성의 주조 시편을 제작 후 파쇄하 여 분말을 제조한 후 융점을 평가하여 실제 저융점 알루 미늄계 브레이징 재료로써 적합한지 확인하였다.

2. Experimental

저융점 브레이징용 용가재를 제조하기 위해 본 연구에 서는 평형상태도를 근거로 하여 A l-Cu -Si 3원계 합금의 조성을 설계하고 DSC(Differential scanning calorimeter, SDT Q600, TA Instruments)를 이용하여 조성에 따른 융점 을 분석하였다. DSC 분석 조건은 Ar 분위기 하에서 승온 및 냉각을 5°C/min의 속도로 진행하였고, 700°C까지 승온 하여 진행하였다. Al-Cu-Si 합금의 DSC 분석 결과를 토대 로 융점이 낮은 조성을 택하여 Sn이 첨가된 A l-Cu -Si-Sn 4원계 합금의 조성을 설정하였고 이를 DSC를 통하여 융 점 분석을 실시하였다. 이후 융점이 낮은 조성을 후보군으 로 선정하였고, 선정된 후보군 조성의 합금은 유도가열로 (MC50, INDUTHERM)를 이용하여 Ar 분위기하에 1150°C 에서 1분간 유지한 후 카본 도가니에 주조하여 제조하였 다. 제조된 주조 시편은 균질화를 위해 튜브로를 이용하여 480°C에서 5시간 동안 열처리를 실시하였다. 이후 균질화 가 완료된 시편은 미세구조를 유지시키기 위하여 급랭 (quenching)을 실시하였다.

제조된 합금은 열처리 전과 후로 나누어 XRD(X-ray Diffractometer, D/Max 2500, RIKAGU)를 통해 상분석을 실시하였고, SEM(Scanning Electron Microscope, JSM- 6360, JEOL)을 이용하여 시편의 미세구조를 확인하였다. 또한 제조된 합금의 조성별 기계적 특성을 확인하기 위해 비커스 경도시험기(Vickers hardness tester, HMV-2, Shimadzu) 를 이용하여 경도 측정을 실시하였다. 경도 측정 시 압축 하중은 4.903N으로 하였으며, 압입 후 10초간 유지 하여 경도 값을 30회 측정하였다. 이후 용가재의 유동성을 평가하기 위해 Ar 분위기하에 570°C에서 5분간 열처리하여 Joint gap filling test를 진행하였다. 이후 조성별 특성평가 결과를 기반으로 우수한 합금 조성을 택하여 주조 시편을 죠 크러셔(Jaw crusher, PULVERISETTE 1, FRITSCH)와 햄 머 밀(Hammer mill, CHM 210/150-S, NETZSCH) 을 이용 하여 조분으로 파쇄하였다. 해당 분말은 체로 분급하여 150 μm 미만의 분말 만을 사용하였고, 고에너지 볼밀인 스펙스 밀(SPEX mill)을 5분에서 3시간까지 시간별 밀링 을 추가로 실시하여 미분을 제조하고 SEM으로 분말의 미 세구조를 관찰하였다. 이후 밀링 분말은 튜브로를 이용하 여 200°C에서 10시간, 30시간, 60시간 균질화 열처리를 진행 후 내부에 형성된 상을 확인하기 위하여 XRD를 통 해 상분석을 진행하였다. 이후 DSC 분석을 실시하여 열 처리 시간에 따른 분말의 융점을 분석하였다.

3. Results and Discussion

Al-Cu-Si 3원계 합금의 조성 별 융점 분석 결과는 DSC 분석을 통해 확인하였으며 그 결과는 Table 1과 같다. 분석 결과 Al-15Cu-5Si, Al-20Cu-5Si, Al-15Cu-10Si, Al-20Cu- 10Si 조성의 융점은 각각 576°C, 549°C, 549°C, 548°C로 확인되었으며, Si의 함량이 동일할 경우 Cu의 함량이 늘 어날수록 융점이 감소하는 것을 확인하였다. 또한 Cu가 15 wt.% 첨가된 경우에도 Si의 함량이 증가함에 따라 융 점이 감소하는 경향을 보이나 Cu가 20 wt.% 이상 첨가될 경우 Si에 의한 융점 감소 효과는 확인되지 않으므로 융 점 감소의 효과는 주로 Cu의 첨가량에 기인하는 것으로 판단된다. Al-Cu-Si 3원계 합금에 Sn을 첨가하여 실시한 Al-Cu-Si-Sn 4원계 합금의 DSC 분석 결과는 Table 2와 같 다. Al-Cu-Si-Sn의 4원계 합금의 경우 전체적으로 Sn의 함 량이 증가할수록 합금의 융점이 감소하는 경향을 보이나, Al-20Cu-10Si의 경우 Sn이 첨가되어도 융점에 큰 차이점 이 확인되지 않고 첨가량과 무관하게 약 520°C 수준의 융 점을 갖는 것을 확인하였다. 또한 Cu, Si의 함량이 증가할 수록 융점은 감소하는 경향을 확인하였다. 4원계 합금의 융점 분석 결과, Al-20Cu-5Si-5Sn, Al-20Cu-10Si-1Sn, Al- 20Cu-10Si-3Sn, Al-20Cu-10Si-5Sn 4개의 조성의 융점이 가장 낮은 것으로 확인되었으며 해당 조성이 브레이징 재 료로 적용하기에 가장 적합하다 판단되었다. 해당 조성의 합금은 주조 후 균질화 열처리를 실시하였다. 균질화 열처 리 전 과 후 시편은 XRD를 통해 상 분석을 진행하였으며 그 결과는 Fig. 1과 같다. XRD 분석 결과 열처리 여부와 상관없이 Si, Cu, Al, Al₂Cu peak가 확인되며 열처리 과정 에서 중간상의 형성은 없는 것을 확인하였다. 다만 열처리 이후 Al 및 Al₂Cu peak의 intensity가 증가한 것을 확인할 수 있었다.

Table 1

Chemical compositions and thermal properties of Al- Cu-Si filler metals

Chemical Compositions (wt.%)	Melting point (°C)
Al-15Cu-5Si	576
Al-15Cu-10Si	549
Al-20Cu-5Si	549
Al-20Cu-10Si	548

Table 2

Chemical compositions and thermal properties of Al- Cu-Si-Sn filler metals

Chemical Compositions (wt.%)	Melting point (°C)
Al-15Cu-5Si-1Sn	574
Al-15Cu-5Si-3Sn	574
Al-15Cu-5Si-5Sn	558
Al-15Cu-10Si-1Sn	550
Al-15Cu-10Si-3Sn	543
Al-15Cu-10Si-5Sn	541
Al-20Cu-5Si-1Sn	553
Al-20Cu-5Si-3Sn	557
Al-20Cu-5Si-5Sn	521
Al-20Cu-10Si-1Sn	525
Al-20Cu-10Si-3Sn	523
Al-20Cu-10Si-5Sn	520

Fig. 1

XRD peaks of Al-Cu-Si-Sn brazing filler metals (a) before heat treatment and (b) after heat treatment.

균질화 열처리에 따른 합금의 미세구조를 확인하기 위 하여 SEM 분석을 실시한 결과는 Fig. 2와 같다. 균질화 열처리를 실시하지 않은 시편의 미세구조 분석 결과 Al₂Cu 상인 θ 상을 포함하여 전체적으로 상들이 미세하게 존재하는 것을 확인할 수 있었으며 모든 조성에서 주조 시편에서 확인할 수 있는 주상정 조직(dendrite)이 형성된 것을 확인하였다. 반면 균질화 열처리를 실시한 Fig. 3의 경우 각 상의 성장이 일어난 것을 확인할 수 있으며 특히 미세하게 존재하였던 θ 상이 성장하여 결정립을 균일하게 형성하고 있는 것을 확인하였다. 또한 조성에 따라 상의 분율의 차이가 존재하나 전체적으로 유사한 형태의 상이 형성된 것을 확인하였다.

Fig. 2

Microstructure of Al-Cu-Si-Sn brazing filler metals before heat treatment : (a) Al-20Cu-10Si-1Sn, (b) Al-20Cu-10Si-3Sn, (c) Al-20Cu-5Si-5Sn and (d) Al-20Cu-10Si-5Sn.

Fig. 3

Microstructure of Al-Cu-Si-Sn brazing filler metals after heat treatment : (a) Al-20Cu-10Si-1Sn, (b) Al-20Cu-10Si-3Sn, (c) Al-20Cu-5Si-5Sn and (d) Al-20Cu-10Si-5Sn.

합금의 기계적 특성을 확인하기 위하여 비커스 경도시 험기를 이용하여 조성에 따른 경도 측정을 실시하였으며 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 경도 측정 결과 약 126 H_v 로 각 조성에 따른 경도는 큰 차이는 확인되지 않으며 이 는 조성에 따른 상의 분율 차이만 있을 뿐 다른 상의 형 성이 없기 때문으로 판단된다. Al-Cu 합금인 2000계 알루 미늄의 경우 약 50 H_v의 경도를 갖고[18], 기계적 특성이 우수하다고 알려진 Al-Si 합금인 7000계 알루미늄의 경우 124 H_v로[19] 제조된 합금의 기계적 특성이 매우 우수한 것을 확인하였다.

Fig. 4

Vickers hardness values of Al-Cu-Si-Sn brazing filler metals.

브레이징 재료는 유동성이 중요하기 때문에 이를 평가 하기 위하여 시편을 디스크 형태로 가공하여 Joint gap filling test를 실시하였으며, 그 결과는 Fig. 5와 같다. Sn 함량이 적은 Al-20Cu-10Si-1Sn과 Al-20Cu-10Si-3Sn 조성 은 유동성이 낮아 filling 현상이 일어나지 않았으며 Sn이 5 wt.%가 첨가된 Al-20Cu-5Si-5Sn, Al-20Cu-10Si-5Sn 조 성은 각각 19.2, 22.8 mm의 침투 깊이로 우수한 모세관 특 성을 갖는 것을 확인하였다. 결과적으로 유동성과 경도 등 을 고려하였을 때 Al-20Cu-10Si-5Sn이 브레이징 재료로 적용하기 최적의 조성으로 판단하였고, 해당 조성의 분말 을 제조하기 위해 죠 크러셔와 햄머 밀로 파쇄를 진행 한 후 150 um 미만의 분말만을 사용하여 스펙스 밀로 밀링을 진행하여 미분으로 제조하였다. 밀링 시간에 따른 분말의 미세구조는 Fig. 6과 같다. 죠 크러셔와 햄머 밀로 파쇄를 진행한 분말의 경우 평균 50 μm의 크기를 갖고 전체적으 로 불균일한 분포를 갖는 것을 확인하였다. 해당 분말을 밀링 시간에 따라 분석한 결과 초기에는 큰 차이가 확인 되지 않으나 20분 밀링을 진행한 이후부터 미세화가 시작 되고 1시간 밀링을 진행한 분말의 경우 전체적으로 균일 하며 미세한 크기를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 이후 3 시간 까지 밀링을 진행하였으나 1시간 밀링을 진행한 분 말과 큰 차이점은 확인하지 못하였다.

Fig. 5

Joint gap filling test : (a) Al-20Cu-5Si-5Sn and (b) Al- 20Cu-10Si-5Sn.

Fig. 6

SEM Images of the milling powder, according to milling time : (a) raw, (b) 5 min, (c) 10 min, (d) 20 min, (e) 30 min, (f) 1 h, (g) 2 h and (h) 3 h.

이후 밀링 분말 및 열처리 분말의 상분석을 실시한 결 과는 Fig. 7과 같다. 밀링 분말의 경우 Al, Cu, Sn, Si 상 만이 확인되며 Al₂Cu 상은 확인되지 않았다. 이는 고에너 지의 밀링 과정에서 기계적 에너지에 의하여 합금상의 미 세화 및 파쇄로 인해 결정성이 상실되었기 때문으로 판단 된다. 이후 열처리 시간에 따른 분말의 상분석 결과 10시 간부터 60시간 까지 실시한 결과 모두 합금상인 Al₂Cu 상 이 확인되었으며, RIR(Reference Intensity Ratio)을 이용한 상분석 결과에서도 Al 상은 약 55%, Al₂Cu 상은 약 25%, Si 상은 16%, Sn 상은 4%로 거의 유사하게 확인되었다. 따라서 밀링 분말의 열처리는 10시간을 진행하여도 충분 한 것으로 확인되었다.

Fig. 7

XRD peaks of the milling powder, according to heat treatment time.

열처리 분말의 융점을 분석하기 위하여 DSC 분석을 실 시하였으며, 그 결과를 Fig. 8에 나타내었다. 열처리 시간 에 따른 분말의 융점 분석 결과 514.88 ~ 515.08°C로 유 사한 온도를 갖는 것을 확인하였으며, 이는 기존에 사용되 고 있는 알루미늄계 브레이징 재료의 융점보다 상당히 낮 은 온도임을 확인하였다.

Fig. 8

DSC data of the milling powder, according to heat treatment time.

4. Conclusion

본 연구에서는 알루미늄 브레이징 공정의 상용 용가재 인 Al-12Si의 높은 융점으로 인한 모재 손상 문제를 해결 하고자 A l-Cu -Si-Sn 4원계 합금의 조성을 설계하고 제조 하여 상용 소재 대비 약 30°C 이상의 낮은 융점을 갖는 브 레이징용 용가재를 개발하였다. 설계한 합금의 조성 중 Al-20Cu-10Si-Sn 합금의 융점이 약 520°C 수준인 것을 확 인하였으며 경도 측정 결과는 조성에 따른 큰 차이 없이 약 126 Hv로 확인되었다. 이 중에서도 5 wt.% Sn을 첨가 한 Al-20Cu-10Si-5Sn 합금은 낮은 융점뿐만 아니라 joint gap filling test를 통해 매우 우수한 모세관 특성 등을 확 인하여 브레이징을 위한 다양한 특성을 만족시키는 것으 로 확인하였다. 해당 Al-20Cu-10Si-5Sn 조성 합금을 파쇄 공정을 거쳐 분말을 제조하여 열처리를 진행하였고 약 515°C의 융점을 가지는 것을 확인하였으며, 이는 기존 상 용 알루미늄계 브레이징 재료 Al-12Si의 융점인 577°C 보 다 상당히 낮은 융점과 우수한 브레이징 특성을 가진다. 따라서 본 연구에서 개발된 Al-20Cu-10Si-5Sn 조성의 합 금을 실제 산업에 적용하게 될 경우 브레이징 공정중 발 생할 수 있는 모재의 손상을 방지하고 불량률을 감소시켜 보다 공정의 효율성을 증대시킬 수 있을 것으로 기대된다.

Acknowledgements

Acknowledgement

이 논문은 2016년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구 재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(2016R1A6A1 A03013422). 또한 이 논문은 2023년도 4단계 두뇌한국21 사업(4단계 BK21 사업)에 의하여 지원되었음.

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Figure & Data

References

Citations

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