1. 서 론

최근, 자동차, 항공 등 다양한 분야에서의 산업 기술의 발전으로 인해 이종의 금속 혹은 합금 소재를 혼합하여 사용하는 부품이 크게 증가하고 있다[1-4]. 특히, 경량화에 대한 관심이 커짐에 따라 알루미늄 합금의 사용량이 증가 하고 있으며, 알루미늄 합금을 다른 금속 소재와 접합하기 위한 방법으로 브레이징, 마찰접합, 확산접합 등이 사용되 고 있다[5-9]. 이 중 브레이징 공정은 모재를 용융시키지 않고 접합할 수 있어 모재의 열화를 최소화 할 수 있을 뿐 아니라 복잡한 형상 및 구조를 지닌 부품에 적용 가능하 며, 대량생산에 적합한 접합공정으로 산업적으로 가장 널 리 사용되고 있다. 알루미늄 브레이징 접합공정 시 산화 방지의 목적으로 염화물(Cl)계 플럭스(Flux)를 사용하고 있지만, 산, 황산 등을 사용하는 전/후 처리 및 세척공정 중 폐액 발생 문제, 접합 중 염화물계의 부식 및 다이옥신 등 환경오염 물질 배출 문제 등이 대두되고 있다[10, 11]. 한편, 비부식성 플럭스를 사용하여 브레이징 공정을 수행 한 사례가 있지만[12-17], 플럭스의 용해온도가 알루미늄 모재의 용해 온도와 큰 차이가 없기 때문에 작업공정이 매우 까다로우며, 생산성과 경제성 측면에서 한계가 있다.

최근, 비부식성 플럭스를 알루미늄 분말과 혼합하여 열 간 성형함으로써 알루미늄 브레이징 소재를 개발한 사례 가 있으며[18], 이처럼 분말 공법을 사용할 경우, 1) 플럭 스와 필러 금속의 양을 자유롭게 조절할 수 있기 때문에 불량률을 줄일 수 있고, 2) 플럭스 도포공정이 생략되어 작업공정을 단순화할 수 있다는 장점이 있다. 특히, 플럭 스의 도포 및 세정, 브레이징 선재 가열 공정을 별도로 수 행할 필요가 없기 때문에, 환경 오염이 적은 비부식성 플 루오린(F)계 플럭스를 사용해도 생산성과 경제성의 한계 가 없다는 장점이 있다. 그러나 브레이징 필러 소재를 제 조하는 분말의 열간 성형 과정에서 플루오린계 플럭스가 알루미늄 분말 간의 접합을 방해하여 높은 성형 온도 및 압력을 요하게 되며, 이로 인한 공정 비용 발생이 문제시 되고 있다.

본 연구에서는 기계적 밀링 공정을 이용하여 연질의 알 루미늄 합금 분말 내부로 경질의 플루오린계 플럭스 분말 을 삽입하여, 플럭스로 인한 알루미늄 합금 분말 간의 접 합 방해를 최소화할 수 있는 새로운 공정을 제시하였고, 금속 분말과 플럭스의 최적 혼합비로 알려진 8:2 조건으 로 20 wt.%의 플럭스가 분산된 4045 알루미늄 합금 분말 을 제조하였다. 개질화된 알루미늄 합금과 플럭스 혼합 분 말을 단순 혼합 분말과 같은 조건에서 압축 성형한 후, 치 밀화도 및 기계적 특성을 비교함으로써 개질화된 혼합 분 말의 우수성을 증명하고자 하였다.

2. 실험 방법

본 연구에서는 그림 1에서와 같이 브레이징용 필러 소 재를 4045 알루미늄 합금 분말(Al-10Si, 순도 99.9%, 직경 : 50 μm, ㈜선광엠파)과 플럭스 분말(K₂SiF₆, 순도 99.9%, ㈜선광엠파)을 혼합 후 열간 혹은 상온 가압하여 제조하 였다. 우선, 플럭스를 연한 재질의 4045 알루미늄 합금 분 말 내부에 삽입하기 위해, 유성 밀(Planetary mill, P.M., Pulverisette 5, Fritsch Co., Germany)을 시행하였으며, 대 조군으로 스펙스 밀(SPEX mill, S.M. 8000D Dual Mixer/ Mill, SPEX Sample Prep Co., UK)로 두 분말을 혼합한 시 료를 함께 준비하였다. 이때, 4045 알루미늄 합금 분말과 플럭스 분말의 혼합 비율은 무게비 8:2로 하였고, 유성 밀 링의 경우 직경 5 mm의 stainless steel(STS) ball을 분말 무게의 15배와 함께 넣고 200 RPM으로 1시간 동안 진행 하였다. 스펙스 밀링은 1000 RPM으로 30분 동안 진행하 였다. 스펙스 밀링된 20 wt.% flux/4045Al 분말(이하 S.M. 분말)과 유성 밀링된 20 wt.% flux/4045Al 분말(이하 P.M. 분말)을 각각 열간 가압하여 최종적으로 링(ring) 형태의 알루미늄 브레이징용 필러 소재로 제조하였다. 열간 가압 은 180°C의 온도에서 5분 동안 유지하였고, 가압 조건에 따른 소재의 특성을 확인하기 위해 1.9 GPa, 2.14 GPa, 2.38 GPa의 압력에서 각각 실험을 진행하여 총 6종류의 샘플을 제조하였다. 또한, 공정 비용 절감 가능성을 시험 하기 위해, 두 종류의 혼합 분말을 상온에서 1.47 GPa의 압력으로 10분 동안 가압하여 링 형태의 상온 가압 샘플 을 제조하였다. 이 때, 최종 링 형태의 샘플 크기는 그림 1에서와 같이 외경, 내경, 두께가 각각 19 mm, 16 mm, 3 mm이다.

Fig. 1

A Schematic for experimental procedure.

두 종류의 밀링 공정에 따른 플럭스의 분산 정도를 확 인하기 위하여 전계방출형 주사전자현미경(FE-SEM: field emission scanning electron microscope, JSM 2001F, JEOL Co., Japan)을 통해 분말의 미세조직을 관찰하였다. 또한, 열간 가압된 샘플들과 상온 가압된 샘플들의 미세조직 관 측은 광학현미경(OM: optical microscope, PME 3, Olympus Optical Co., Japan)을 통해 수행되었다. 그리고, 최종 소재 의 기계적 물성은 비커스 경도기(Vickers hardness tester, HM-211, Mitutoyo Co., Japan)를 이용하여 경도를 측정하 였다. 또한, 상온 가압 전 분말들의 충진율을 탭 밀도 측 정기(Tab density tester, ETD-1020, Elctrolab Co., India)를 이용하여 계산하였고, 상온 가압 및 열간 가압된 샘플들을 아르키메데스 밀도 측정법을 이용하여 상대 밀도를 측정 하였다.

3. 결과 및 고찰

그림 2는 실험에 사용한 4045 알루미늄 합금 분말(a), 플럭스 분말(b)과 스펙스 밀 혹은 유성 밀로 혼합된 분말 (각 (c)와 (d))을 SEM을 통해 관찰한 이미지와 EDS를 통 한 화학적 조성 분석 결과이다. 그림 2(a)에서 실험에 사 용된 4045 알루미늄 합금 분말이 전형적인 수분사 분말의 구형 형상을 지니고 있으며 입자가 약 8 μm에서 50 μm의 크기로 관찰되었고, EDS 분석을 통해 Al 원소가 지배적 으로 존재하는 것을 알 수 있다. 그림 2(b)는 실험에 사용 된 플럭스 분말로 입자의 형상이 불규칙적이며 입자 크기 가 약 5 μm 정도로 관찰되며, 4045 알루미늄 합금 분말과 는 다르게 플루오린(F)와 칼륨(K) 원소가 다량 존재하는 것을 EDS 결과에서 확인할 수 있다. 이 화학 원소는 실험 에 사용된 플럭스 분말의 조성인 K2SiF6과 일치하는 성 분임을 알 수 있다. 그림 2(c)는 스펙스 밀링을 통해 혼합 된 20 wt.% flux/4045Al 분말로 구형의 4045 알루미늄 합 금 분말과 불규칙한 형상의 플럭스 분말이 각각 따로 존 재하는 것을 확인할 수 있고, EDS 결과를 통해 이것들이 각각 4045 알루미늄 합금 분말과 플럭스 분말임을 알 수 있다. 그림 2(d)는 유성 밀링을 통해 혼합된 20 wt.% flux/ 4045Al 분말로 구형의 4045 알루미늄 합금 분말이 따로 관찰되지 않으며, 불규칙한 형상의 혼합 분말이 관찰된다. 이 혼합 분말의 화학 조성이 주로 Al 원소이며, 플럭스의 주성분인 F, K 원소가 함께 관찰됨을 알 수 있다. 이는 유 성 밀링 공정을 통해 플럭스 분말이 4045 알루미늄 합금 분말의 내부 혹은 표면에 균일하게 분산되었음을 보여준 다. 스펙스 밀링은 그림 1처럼 챔버가 분당 수천 번 앞뒤 로 활발히 움직임과 동시에 챔버 양 끝이 8자 형태로 움 직여서 분말이 단순 혼합되는데 매우 용이한 공정이다. 반 면에, 유성 밀링은 챔버에 원심력이 가해져 밀링 매개체가 챔버 내부 벽을 따라 마찰력이 가해질 뿐만 아니라 원심 가속에 의한 전단 응력이 분말에 작용하여 스펙스 밀링보 다 더 높은 기계적 에너지가 가해진다. 따라서, 스펙스 밀 링 시 별도의 밀링 매개체를 투입하지 않아 분말만이 단 순 혼합된 반면, 유성 밀링 시 STS ball을 밀링 매개체로 사용하여 효과적으로 분말에 기계적 에너지를 인가할 수 있었다. 밀링 시 분말에 가해진 기계적 에너지에 의해, 연 질의 알루미늄 분말은 극심한 소성변형을 경험하게 되며, 경질의 플럭스는 이 과정에서 연질의 알루미늄 분말 내부 로 삽입되고 균일하게 분산될 수 있다[19]. 이 과정에서 알루미늄 분말의 평균 입도가 약 50 μm에서 약 10 μm로 작아졌으며, 형상 또한 구형에서 불규칙한 형상으로 변화 함을 알 수 있다. 따라서, 유성 밀링 공정이 플럭스 분말을 4045 알루미늄 합금 분말에 균일하게 분산시키는데 있어서 스펙스 밀링 공정보다 더욱 효과적이라고 할 수 있다.

Fig. 2

SEM images, EDS spectra, and weight and atomic fractions of C, O, Al and Si of the (a) pristine 4045 Al alloy powder, (b) flux (K₂SiF₆), (c) spex-milled mixture and (d) planetary-milled mixture.

그림 3은 스펙스 밀링과(a-c) 유성 밀링된(d-f) 20 wt.% flux/4045Al 분말을 열간 가압하여 만든 샘플들의 OM 이 미지이다. 이 때의 가압 조건은 각각 1.9 GPa(a, d), 2.14 GPa(b, e), 2.38 GPa(c, f)이다. S.M. 분말을 열간 가압한 경우(a-c), 그림 2(a)의 SEM 이미지처럼 구형의 4045 알루 미늄 합금 분말 입자들이 관찰되며, 입자와 입자 사이의 기공이 크게 존재하는 것을 알 수 있다. 열간 가압 전의 분말 상태에서 4045 알루미늄 합금 분말과 플럭스 분말이 서로 따로 존재하고 있었기 때문에 열간 가압을 했더라도 두 종류의 분말들이 서로 균일하게 치밀화되지 않는다. 또 한, 압력 조건이 증가하더라도 기공이 크게 감소하는 경향 을 보이지 않는다. 구형의 알루미늄 합금 분말 사이에 불 규칙한 현상의 플럭스가 분포되어 열간 성형 시 금속 분 말 간의 접합을 방해하고 있음을 알 수 있다. 그림 3(d-e) 는 P.M. 분말을 열간 가압한 샘플들로 S.M. 분말을 열간 가압한 경우와 다른 미세조직이 관찰된다. 열간 가압된 S.M. 샘플들의 미세조직과는 달리 구형의 4045 알루미늄 합금 분말 입자들이 지배적으로 존재하지 않고, 기공 또한 크게 관찰되지 않는다. 이는 유성 밀링 공정에 의해 4045 알루미늄 합금 분말에 플럭스 분말이 균일하게 분산되었 고, 이 혼합 분말들이 열간 가압 동안 서로 맞닿을 때 완 전히 다른 이종 물질이 아니기 때문에 S.M 분말과는 달리 훨씬 더 균일한 치밀화가 발생한 것이다. 전술한 그림 2에 서처럼 유성 밀링 공정을 통해, 알루미늄 합금 분말 내부에 플럭스가 삽입되어 균일하게 분포하고 있으며, 금속 분말 간 면대면 접촉에 의해 접합이 용이해졌음을 알 수 있다.

Fig. 3

Cross-sectional images of the brazing-fillers produced from (a)-(c) spex-milled powders and (d)-(f) planetary-milled powders, which were pressed at 180°C under different pressures of (a), (d) 1.9 GPa, (b), (e) 2.14 GPa, and (c), (f) 2.38 GPa.

그림 4는 20 wt.% flux/4045Al S.M. 분말, P.M. 분말을 열간 가압한 샘플들의 압력 조건에 따른 비커스 경도 및 상대 밀도를 나타낸 그래프이다. 모든 압력 조건에서 P.M. 샘플들이 S.M. 샘플들보다 모두 높은 경도를 갖고 있는데, 이는 P.M. 샘플들이 S.M. 샘플들에 비해 상대 밀도가 약 20% 정도 더 높기 때문이다. 또한, P.M. 샘플의 경우, 볼 밀 공정을 거쳤기 때문에 S.M. 분말보다 더 큰 에너지가 가해져 전위 밀도가 더 높아지고 그에 따라 경도가 더 높 게 측정될 수 있다. 그리고, 열간 가압의 압력이 증가함에 따라 P.M. 샘플과 S.M. 샘플 모두 경도가 점차 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 압력이 증가할수록 샘플의 상대 밀 도가 향상되었고, 압력에 의한 전위 밀도의 증가 때문이라 고 생각할 수 있다. 특히, 다른 샘플들에 비해서 P.M. 분 말을 2.38 GPa의 압력으로 열간 가압하여 제조한 샘플의 경도가 크게 증가한 것을 알 수 있고, 상대 밀도가 96%로 가장 높은 것을 알 수 있다. 이는 유성 밀링에 의해 혼합 된 P.M. 분말이 2.38 GPa의 압력에서 치밀화가 가장 잘 이 뤄졌다는 것을 나타낸다.

Fig. 4

Vickers hardness of hot-pressed brazing-filler rings produced from spex-milled and planetary-milled powders as a function of hot pressing pressures.

그림 5는 스펙스 밀링과(a) 유성 밀링으로(b, c) 제조된 20 wt.% flux/4045Al 분말을 상온 가압하여 만든 샘플들의 OM 이미지이다. S.M. 분말의 경우, 그림 5(a)와 같이 1.47 GPa의 상온 가압하에서는 성형이 되지 않음을 알 수 있고, 본 연구의 가장 높은 압력 조건인 2.38 GPa에서도 성형이 되지 않았다. 이는 스펙스 밀링을 통해 분말이 혼합된 경 우, 4045 알루미늄 합금 분말 사이에 플럭스가 존재함에 따라 상온 압축 성형시 알루미늄 입자들이 서로 치밀화되 는데 방해되기 때문이다. 반면에, 유성 밀링을 통해 분말 을 혼합한 경우에는 같은 조건으로 상온 가압하였어도 그 림 5(b)처럼 성형이 잘 된 것을 확인할 수 있다. 이를 확 대해서 관찰해봤을 때(그림 5(c)), 눈에 띄는 기공이 크게 관찰되지 않으며 S.M. 분말과는 달리 상온에서도 압축 성 형이 굉장히 잘 이루어진 것을 알 수 있다. 이는 그림 2의 SEM 결과와 같이 유성 밀링 공정에 의해 4045 알루미늄 합금 분말 내부에 플럭스가 삽입되어 상온 압축 성형시 금속 분말 간 면대면 접촉으로 인한 접합이 용이해진 것 이라고 할 수 있다. 이러한 결과는 그림 3의 결과와도 같 은 현상으로 볼 수 있다.

Fig. 5

Optical images of cold-pressed brazing-filler rings produced from (a) spex-milled and (b) planetary-milled powders and (c) its magnified image.

그림 6은 S.M. 분말과 P.M. 분말의 상온 가압 전의 충 진율과 1.47 GPa의 압력에서 상온 가압한 후의 상대 밀도 를 나타낸 그래프이다. S.M. 분말의 상온 가압 전 샘플의 충진율은 약 65%로 P.M. 분말의 경우보다 5% 정도 낮으 며, 오차 범위 또한 큰 것을 알 수 있다. 스펙스 밀링을 통 해 분말이 혼합된 경우, 분말의 충진 단계에서부터 불규칙 한 형상과 크기의 플럭스가 분말의 충진을 방해하고 있음 을 알 수 있다. 또한, 단순 혼합된 S.M. 분말의 경우 압축 성형 시 4045 알루미늄 합금 분말 입자 사이에서 플러스 가 방해가 되어 성형이 제대로 이루어지지 않아 최종적으 로 성형에 실패하였다. 그러나 P.M 분말의 경우 플럭스가 대부분 4045 알루미늄 합금 분말의 내부에 존재하고 합금 분말 내에 플럭스가 균일하게 분산됨에 따라, 플럭스의 치 밀화 방해 정도를 최소화 할 수 있으며, 상온 성형에 성공 할 수 있었다. 이 상온 가압된 복합 분말은 플럭스가 20 wt%의 고함량이 포함되었음에도 불구하고 89%의 높 은 상대밀도를 보인다. 본 연구에서 제시한 방법을 통해 고리 형상의 4045 알루미늄 합금 브레이징 필러 소재를 분말 공정 및 상온 성형의 단순 공정만으로 제조할 수 있 음을 증명하였으며, 이는 공정 비용 절감에 지대한 영향을 미칠 수 있으리라 기대된다.

Fig. 6

Packing fraction and relative density of cold-pressed brazing-filler rings produced from spex-milled and planetarymilled powders.

4. 결 론

본 논문에서는 20 wt.%의 플럭스와 4045 알루미늄 합금 분말을 스펙스 밀링과 유성 밀링을 통해 각각 혼합한 후 열간 및 상온 가압 공정을 통해 링 형태의 알루미늄 브레 이징용 필러 소재를 제조하여 미세조직, 기계적 특성, 충 진율 및 상대 밀도를 측정하였다. 스펙스 밀링을 통해 혼 합된 20 wt.% flux/4045Al 분말의 경우, 플럭스 분말과 4045 알루미늄 합금 분말이 서로 따로 존재하여 가압 성 형 시 플럭스의 방해로 인해 4045 알루미늄 합금 분말이 치밀화가 제대로 이루어지지 않고 기공이 많아 기계적 특 성이 낮게 측정되었다. 반면에, 유성 밀링된 분말에서는 플럭스가 4045 알루미늄 합금 분말에 균일하게 삽입되어 가압 성형 시 금속 분말 간 면대면 접촉에 의해 치밀화가 용이해졌고, 스펙스 밀링된 샘플에 비해 상대 밀도 및 기 계적 성질이 높게 측정되었다. 또한, 유성 밀링된 분말은 스펙스 밀링된 혼합 분말에 비해 성형 전 높은 충진율을 보였으며, 상온 성형이 가능함이 증명되었다. 따라서, 초 기 분말의 밀링 공정에 따른 혼합 분말의 미세조직 차이 가 최종적으로 제작된 링 형태의 알루미늄 브레이징용 필 러 소재의 일체화 공정 및 최종 특성에 큰 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.

Acknowledgements

감사의 글

이 논문은 2018년도 정부(중소벤처기업부)의 재원으로 중소기업기술정보진흥원(수출기업기술개발사업)의 지원을 받아 수행된 연구입니다(과제번호: TIPA-S2460523, 주관 기관 (주)선광엠파).

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Figure & Data

References

Citations

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