1. 서 론
알루미늄은 대표적인 경량금속으로써 비강도가 우수하 므로 항공 및 자동차 분야에서 합금 등의 형태로 폭넓 게 응용되고 있으며,1-5) 뛰어난 열전도성으로 인해 자동 차의 라디에이터 및 오일 쿨러 등에도 사용되고 있다. 일반적으로 자동차의 라디에이터 및 오일 쿨러는 단위 면적당 표면적이 클수록 효과적인 열교환이 가능하므로 이 들에 적용되는 알루미늄 합금은 주로 판재 형태이며, 또 한 매우 복잡한 구조를 가진다. 따라서 이러한 복잡한 형상을 구현하기 위해 각각의 판재를 접합하는 공정이 필수적으로 요구되므로 오늘날에는 주로 브레이징(brazing) 공정이 적용되고 있다. 브레이징 공정이란 모재보다 낮 은 융점을 갖는 용가재(filler metal)를 용융시켜 해당 온 도에서 고체상태로 존재하는 모재 틈새로 용융된 용가 재가 모세관 현상에 의한 침투를 이용해 접합하는 방법 이다.6) 알루미늄 합금의 브레이징 공정에서 가장 보편적 으로 사용되는 용가재는 Al-12Si 합금으로7) 융점은 577 °C이며, 실제 공정에서는 융점보다 20~30 °C 높은 온도 인 590~610 °C8)의 온도범위에서 용융되어 접합재로 작 용하게 된다. Al-12Si 용가재를 사용하였을 때 우수한 접 합특성은 얻을 수 있지만, 모재로 사용되는 알루미늄 합 금의 녹는점과 브레이징 공정 온도사이에 큰 차이가 없 어 열화에 의한 모재의 기계적 특성 저하 및 휨 현상 등 변형의 문제점이 발생하게 된다. 또한 2024, 5083, 7075 알루미늄 합금의 융점은 Al-12Si 용가재의 융점보 다 낮아9) 브레이징 공정에 Al-12Si 조성의 용가재 사용 에 제한이 따르게 된다. 따라서 이러한 열화에 의한 모 재의 손상 및 다양한 알루미늄 합금에 브레이징을 통한 접합을 적용하기 위해 새로운 조성의 저융점 용가재의 필요성이 대두되었고, 이를 위해 Al-Si 합금에 다양한 첨 가원소를 첨가하여 융점을 낮추며 접합부의 기계적 특 성 향상을 위한 다양한 연구들이 진행되었다.10-13) 이와 관 련하여 Tsao 등14)은 Al-Si 합금에 Cu를 첨가함에 따른 기계적 특성의 변화를 평가하기 위해 Al6061 합금으로 제조된 인장시편을 Al-Si-Cu 용가재로 접합 후 인장테 스트를 진행하여 접합부의 기계적 특성을 평가하였고, 그 결과 첨가된 Cu는 Al 기지상과 반응하여 Al2Cu상을 형 성하고 고용강화 효과를 나타내어 기계적 특성을 향상 시키는 것으로 보고하였다. 또한 Chuang 등15)은 Al-Si 합금에 Cu 첨가량에 따른 융점의 변화를 평가하기 위 해 0-40 wt% Cu를 첨가 후 DSC를 통해 융점 변화를 관찰하였고, 그 결과 Cu첨가량이 30 %가 될 때 까지는 융점이 577 °C에서 534 °C까지 감소하여 융점 감소 효 과가 나타났지만 30 % 이상 첨가하였을때는 더이상의 융 점 감소 효과가 없다고 보고하였다. 하지만 Cu 첨가에 따른 융점 감소 효과에도 불구하고 실제 브레이징 공정 은 재료의 융점보다 20~30 °C 높은 온도에서 진행되어 Al-Si-Cu 조성의 용가재 또한 모재의 기계적 특성 및 변 형의 문제를 해결하기엔 여전히 융점이 높다는 문제가 있어 보다 낮은 융점의 용가재 개발이 요구되고 있다.
따라서 본 연구에서는 Al-Cu-Si 합금에 융점이 낮은 Sn을 첨가하여 융점의 감소 및 브레이징 재료로써의 적 용 가능여부를 확인하고자 하였다. 따라서 Sn이 첨가된 4원계 용가재를 사용하여 Sn함량에 따른 융점의 감소를 평가하고 젖음성을 분석하여 브레이징 용가재로의 사용 가능 여부를 확인하였다. 또한 이러한 용가재를 사용하 여 모재를 접합시켰을때의 기계적 특성 평가를 진행하 여 접합부의 기계적 특성을 확인하였다.
2. 실험 방법
저융점 브레이징용 용가재를 제조하고자 본 연구에서 는 진공유도로(10−3 torr)를 이용하여 Al-20Cu-10Si(wt%) 조성의 합금 및 Al-20Cu-10Si-(1,3,5)Sn 조성의 합금을 1150 °C에서 1분간 유지 후 graphite 몰드에 주조하여 제 조하였고, 이후 균질화를 위한 열처리를 470 °C에서 5시 간 동안 진행하였다.
제조된 시편에서 Sn 첨가량에 따른 내부에 형성된 상 (Phase) 변화 및 미세구조 관찰을 위해 #400 ~ #2000 까 지 폴리싱 및 미세연마 후 XRD(RIKAGU D/Max 2500) 를 통해 상분석을 진행하였다. 이후 EDS를 통해 형성 된 상의 조성을 관찰하고 SEM을 통해 미세구조를 확 인하였다. 또한 Al-20Cu-10Si 합금에 Sn 첨가량에 따른 융점을 파악하기 위해 DSC(SDT Q600)를 이용하여 상 온에서 600 °C까지 Ar 분위기에서 승온속도는 10 °C/min 으로 진행하여 각 조성에 대한 융점을 파악하였다. 이 후 실제 브레이징 공정 온도에서의 젖음성을 측정하기 위해 각 조성의 합금을 와이어 커팅을 통해 지름 5 mm, 높이 1 mm의 디스크 형태로 가공하였다. 가공된 시편을 Al 3003 plate 위에 위치시키고 표면 산화막 제거를 위 해 Al-flux를 증류수와 1:9로 혼합하여 가공시편 위에 도 포 후 실험을 진행하였다. 실험조건은 Ar 분위기에서 570 °C까지 승온속도는 5 °C/min으로 진행하였고 5분간 유지시간을 두어 젖음성을 평가하였다. 각 조성에 대한 젖 음성 실험 후 Image analyzer(UTHSCASA Image Tool) 프로그램을 이용하여 재료의 초기 면적 및 퍼진 면적을 계산하여 조성별 젖음성을 비교하였다. 융점 및 조성에 따른 젖음성 테스트 후 실제 브레이징 공정을 통해 제 조된 시편의 인장테스트를 진행하였다. 모재는 Al 3003 을 사용하여 와이어커팅을 통해 100 × 25 × 1 mm3으로 가 공하였고, 인장테스트 시편제조에 용가재로 사용된 Al- 20Cu-10Si-5Sn 합금은 와이어커팅을 통해 25 × 25 ×1mm3 으로 가공하여 젖음성 테스트에 사용된 Al-flux : 증류 수 혼합(1:9) 용액을 도포 후 접합을 진행하였다. 제조 된 인장시편을 이용하여 인장속도 5 mm/min 으로 파단 이 일어날 때 까지 인장테스트를 진행하였다.
3. 결과 및 고찰
Al-Cu-Si 합금 및 Al-Cu-Si 합금에 Sn을 첨가한 시편 에 대해 XRD를 통해 상 분석을 진행하고 Fig. 1에 나 타내었다. XRD 분석을 통해 Al-20Cu-10Si 조성의 3원 계 합금 내에 Al, Al2Cu, Si 상이 존재한다는 것을 Fig. 1의 XRD 패턴을 통해 확인하였고, Sn 이 첨가된 4원 계 합금에서는 Al, Al2Cu, Si, Sn 상의 피크를 확인하였 다. 이를 통해 첨가된 Sn은 다른 원소와의 반응을 통한 2차상의 형성 없이 존재함을 XRD 분석을 통해 확인하 였고, 이는 Al-Cu-Sn 3원계 상태도와 유사한 결과로 판 단된다.16)
이후 Sn 첨가량 별 미세구조 및 각 상의 조성을 확 인하기 위해 SEM-EDS 분석을 진행하였고, EDS 분석 결과를 Fig. 2, Sn 첨가량 별 미세구조는 Fig. 3에 각각 나타내었다. EDS분석은 Sn 상의 용이한 관찰을 위해 Sn 이 가장 많이 첨가된 Al-20Cu-10Si-5Sn 조성의 시편을 이용하여 분석하였고, 미세구조 이미지에 표시된 부분에 대한 EDS 분석결과를 나타내었다. 1번 부분의 경우에는 98 % 이상의 Si와 미량의 Al, Cu로 구성된 것으로 보 아 Si상으로 판단되며, 2번 부분은 96 % 이상의 Al과 소 량의 Cu, Si이 확인되었는데, 이는 Al-Cu-Si 3원계 상태 도를 통해 확인한 결과 Cu와 Si는 Al에 고용도를 가지 므로 Cu와 Si를 고용한 형태의 Al 기지상(matrix)으로 판단된다. 또한 3번 부분은 Cu와 Al의 atomic ratio가 1:2를 보이므로 θ상 (Al2Cu)으로 판단된다. 이 부분에서 밝게 나타난 4번 부분의 상은 Sn 상으로 확인되었다. EDS분석을 통해 Fig. 1에 나타낸 XRD 분석과 동일하 게 Al-Cu-Si-Sn 4원계 합금은 Al, Al2Cu, Si, Sn 상으 로 형성되어 있으며 Sn이 다른 원소와의 반응 없이 존 재함을 확인할 수 있었다. EDS 분석결과를 바탕으로 Fig. 3에 SEM 이미지에 분석된 상을 표시하여 나타내었 다. 모든 조성에서 미세구조는 Al 기지 내에 Si, Al2Cu, Sn상이 존재하는 구조를 가지고 있음을 확인하였다. 또 한, Sn 첨가량이 증가함에 따른 미세구조 변화는 크게 나타나지 않았지만 θ상 주변에 존재하는 Sn상의 분율이 증가함을 SEM을 통해 확인할 수 있었다.
Fig. 2
SEM images of Al-20Cu-10Si-5Sn alloys and Component analysis through energy dispersive spectrometer(EDS).
Fig. 3
Microstructure of heat treated (a) Al-Cu-Si ternary alloy and (b) Al-20Cu-10Si-1Sn, (c) Al-20Cu-10Si-3Sn, (d) Al-20Cu-10Si-5Sn quaternary alloys.
이는 시편 제조 과정에서 용융된 Sn이 Cu에 고용되 고, 냉각 과정에서 θ상이 형성될 때 Sn이 석출되어 나 타난 현상으로 판단된다.
Fig. 4에는 기존 브레이징용 용가재로 사용되는 Al-Cu- Si 3원계 합금에 저융점 금속인 Sn을 1, 3, 5 wt%를 첨 가하였을 때의 융점 변화를 확인하기 위해 DSC 곡선을 통해 각 시편의 융점을 분석하여 나타내었다. DSC 곡 선을 통해 기존에 브레이징 용가재로 사용되던 Al-20Cu- 10Si 조성을 갖는 합금의 흡열피크는 524 °C, 548 °C에 서 확인되었으며, 548 °C정도의 흡열피크를 나타내는 3 원계 합금에 Sn을 첨가하였을 때, Sn의 첨가량에 따라 흡열피크가 나타나는 온도가 520 °C까지 감소되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 Sn 첨가량이 증가할수 록 브레이징 공정 중 나타나는 Sn 액상량이 증가하게 되 고, Sn 액상량이 증가함에 따라 기지상으로 존재하는 Al 의 융점이 감소하여17) 나타난 결과로 판단된다.
이후 제조된 합금의 브레이징 특성 평가를 목적으로 각 조성에 대해 젖음성 테스트를 진행하였다. 젖음성이 높 을수록 접합과정에서 모재사이로 모세관 현상에 의한 침 투가 일어나기 용이하므로 각 조성의 젖음성을 평가하 여 그 결과를 Fig. 5에 나타내었다. Fig. 5의 (a)는 Al- Cu-Si-Sn 조성 용가재의 브레이징 전, 후의 형상을 모식 도로 나타내었고, Fig. 5(b)는 실제 젖음성 실험 후의 이 미지, (c)에는 Fig. 5의 (b)를 바탕으로 초기 용가재의 위 치 및 퍼진 면적(spread area), 퍼진 면적의 외접한 원을 나타내었다. 이후 Image analyzer 프로그램을 이용하여 퍼진 면적을 계산하여 Table 1에 나타내었다. Sn이 첨 가된 Al-Cu-Si 3원계 합금은 Ar분위기 하 570 °C에서 5 min간 열처리 결과 모든 조성에서 용융이 발생하였고, Table 1에 나타나듯이 Sn의 첨가량이 1, 3, 5 wt%로 증 가할수록 퍼진 면적은 각각 평균 1.71, 2.46, 3.34 cm2로 나타났다. 이는 Sn 함량이 증가할수록 융점 감소에 의 해 액상 출현 시기가 빨라져 동일 열처리 시간 동안 더 넓은 면적으로 퍼져나간 것으로 판단된다.
Fig. 5
(a) Schematic information of measuring the wettability, (b) Image of spread area of Al-Cu-Si-Sn filler metal, (c) Analyzed image of initial location of specimens, spread area, circumscribed circle of spread area.
Table 1
Calculated spread area via Image analyzer program.
| No. | Composition | Spread area | Average | ||
|---|---|---|---|---|---|
| ① | Al-20Cu-10Si-1Sn | 1.72 cm2 | 1.68 cm2 | 1.74 cm2 | 1.71 cm2 |
| ② | Al-20Cu-10Si-3Sn | 2.51 cm2 | 2.44 cm2 | 2.42 cm2 | 2.46 cm2 |
| ③ | Al-20Cu-10Si-5Sn | 3.52 cm2 | 3.13 cm2 | 3.38 cm2 | 3.34 cm2 |
Fig. 6에는 Sn첨가량에 따른 Al-Cu-Si-Sn 합금의 로크 웰경도를 측정하여 나타내었다. 로크엘경도는 Rockwell C scale (하중 150 kg)으로 설정하여 모든 시편에 대해 20회 측정 후 평균값으로 나타내었다. 기존 Al-20Cu-10Si 조성과 비교하여 1 wt% Sn이 첨가되었을 때의 평균 경 도값은 각각 14.23, 7.68 HRc로 나타났고, Sn이 첨가됨 에 따라서 기계적 특성은 절반 정도의 값으로 감소하는 것을 확인하였다. 또한 Sn의 첨가량이 증가함에 따라서 기계적 특성 또한 지속적으로 감소하는 경향을 확인하 였다. 이러한 결과는 Sn첨가량 증가에 따라 Fig. 3의 미 세구조와 같이 경도가 낮은 Sn상(Sn-cluster)의 분율이 증 가하여 전체적인 기계적 특성의 감소를 가져온 것으로 판단된다.
위와 같은 실험 통해 본 연구에서는 Al-20Cu-10Si 조 성의 용가재용 합금에 Sn을 첨가하였을때, 융점의 감소 및 동일 온도에서 우수한 젖음성을 확인하였다. 이러한 Sn이 첨가된 4원계 용가재를 실제 브레이징 공정에서 접 합시켰을때의 접합도를 확인하기 위해 앞서 가장 낮은 융점을 나타내며 높은 젖음성을 보인 Al-20Cu-10Si-5Sn 합금을 이용하여 모재로 사용된 Al3003 합금을 접합 후 인장테스트를 진행하였다. 인장테스트의 모식도 및 인장 테스트 후 파단모양을 Fig. 7의 (a), (b)에 각각 나타내 었다. 인장테스트 결과 접합면이 아닌 모재(Al 3003)에 서 파단이 일어났으며(Fig. 5(b)), 이를 통해 접합면의 인 장강도가 모재의 인장강도보다 높아 실제 브레이징 공 정에 적용이 가능할 것으로 판단된다.
4. 결 론
기존 Al-20Cu-10Si 3원계 용가재에 1, 3, 5 wt% Sn 을 첨가하였을 때 Sn은 다른 원소와의 반응 없이 존재 하는 것을 SEM 및 XRD를 통해 확인하였다. 또한 Sn 첨가량이 증가할 수록 재료의 융점이 하락하는 것을 DSC 곡선을 통해 확인할 수 있었고, 이는 융점이 낮은 (232 °C) Sn의 첨가량이 증가함에 따라 Sn상의 분율이 증가 하고 열처리 후 급속냉각 과정에서 일부의 Sn이 Al-Cu 상에 고용되어 전체적인 융점이 감소한것으로 판단된다. 또한 각 조성의 융점과 함께 브레이징 특성에 영향을 미 치는 젖음성을 동일 조건 하에서 측정한 결과, Al-Cu- Si 3원계 시편은 용융되지 않았지만, Sn이 첨가된 모든 시편은 용융되어 일정 면적의 퍼짐성을 나타내었으며, 5 wt% Sn 이 첨가된 시편의 평균 면적 3.34 cm2 으로 가장 젖음성이 좋은것으로 확인되었다.
또한 Sn첨가에 따른 기계적 특성의 변화를 확인하기 위해 로크웰경도를 측정하여 기계적 특성을 평가한 결 과, Sn첨가량이 증가할수록 기계적 특성이 감소함을 확 인할 수 있었다. 이러한 이유는 경도가 낮은 금속이 다 른 원소와의 2차상 형성 없이 존재하여 Sn첨가량이 증 가할수록 경도가 감소한 것으로 판단된다. 실제 브레이 징 공정에 적용 가능성 판단을 위해 가장 낮은 융점 및 높은 젖음성을 나타낸 Al-20Cu-10Si-5Sn 조성의 용가재 를 이용하여 모재(Al 3003)를 접합 후 인장테스트를 이 용하여 인장강도를 측정한 결과, 접합부의 인장강도가 모 재의 인장강도보다 우수하여 모재에서 파단이 일어나는 것을 확인하였다. 따라서 5 wt% Sn을 첨가하였을 때, 우 수한 브레이징 특성을 나타내는 것을 확인하였고, 접합 부에서의 기계적 특성이 모재보다 우수하여 브레이징 용 가재로 사용이 가능하다고 판단된다.
