스크랩 납 용접 관련 글 입니다.

[kJKJKJ]

아까그녀석(신정철)입니다.
새해 복 많이 받으시구요.
납땜용 플럭스 자료를 찾다보니 읽어볼만한 자료가 있어 공유 드립니다.
오래전 기억이 가물가물.......새록새록 허네요.

(참고로 아까그녀석은 공업고등학교 기계과, 육군 중사 전역을 했습니다.
군대 입대시 주특기가...... 여간해서 들어보지 못하셨을듯한.....401......
'용접 및 철물수리' 입지요)

긴 글이라 퍼온곳 링크 겁니다.
https://m.blog.naver.com/suk273185/221423153072

· Brazing(경납땜), Soldering(연납땜)

납땜은 접합하려고 하는 금속을 용융 시키지 않고 이들 금속 사이에 모재보다 용융점이 낮은 땜납(solder)을 용융 첨가하여 접합하는 방법이다.

땜납의 대부분은 합금으로 되어 있으나 단재금속도 사용된다. 땜납은 모재보다 용융점이 낮아야 하고, 표면 장력이 적어 모재 표면에 잘 퍼지며, 유동성이 좋아서 틈을 잘 메울 수 있는 것이어야 한다. 그 외에도 사용 목적에 따라 강인성, 내식성, 내마멸성, 전기전도도, 색채조화, 화학적 성질 등이 요구된다.

피접합물질은 저융점의 금속부터 3,000℃ 이상의 융점을 가진 금속, 비금속, 또는 반도체 등 여러 가지가 있으며, 땜납은 융점이 50∼1,400℃ 정도의 것이 사용되고 있다.

납땜은 땜납의 융점이 450℃ 이하일 때 이를 연납땜(soldering)이라 하고, 450℃ 이상일 때 경납땜(brazing)이라고 한다. 미국에서는 융점이 427℃(800℉)를 한계로 한다.

일반적으로 용접용 땜납으로는 경납을 사용한다.

납땜은 분자간의 흡인력에 의한 결합이므로 본드(bond) 결합이라고도 하며, 이 결합을 만족하게 하기 위하여 피접착 금속의 접착 표면을 깨끗이 하고 산화를 방지하며 불순물을 제거하기 위해 여러 가지 용제(flux)를 사용한다.

¨ 땜납재

⑴ 연납(soft solder)

융점이 450 ℃ 이하인 땜납재를 연납이라 한다. 연납은 일반적으로 주석(Sn), 주석-납(Sn-Pb) 합금, 납(Pb) 또는 필요에 따라 안티몬(Sb), 은(Ag), 비소(As) 및 비스무트(Bi) 등을 함유한다. 연납 중에서 가장 많이 사용되는 것은 주석-납 합금이며(주로 주석-납 합금을 '땜납'이라고 한다.), 알루미늄, 특수강, 주철 등의 일부 금속을 제외하고는 철강, 동, 니켈, 납, 주석 및 이들 합금의 접합에 널리 쓰인다.

연납은 경납(hard solder)에 비해 기계적 강도가 낮으므로 강도를 필요로 하는 부분에는 부적당하다. 그러나 용융점이 낮고 납땜(soldering)이 용이하기 때문에 전기부품의 접합이나 기밀(氣密), 수밀(水密)을 필요로 하는 곳에 널리 사용된다. 보통 연납은 62% Sn-38% Pb에 가까운 조성의 것을 사용하나, 납관 접합용에는 융해 온도 구역이 넓은 성분이 쓰인다. 자기용 땜납에는 주석-납-아연(Sn-Pb-Zn) 합금이 쓰이며, 납-카드뮴(Pb-Cd)계, 아연-카드뮴(Zn-Cd)계도 있다. 또 저융점 납땜으로는 비스무트-카드뮴-납-주석(Bi-Cd-Pb-Sn) 합금은 융점이 60-100℃ 의 것도 있다. 그러나 다른 땜납에 비해 강도가 작고 취약하다. 주로 전기부품의 납땜에 쓰인다.

대규모 일 때에는 토오치 램프(torch lamp)나 가스 토오치 등을 사용하고 땜납의 형상으로는 봉 모양, 선 모양, 실 모양 등이 있으며, 특별한 것은 중공(中空)으로 된 선재 내부에 용제를 꽉 채운 것과 입자상의 땜납재에 용제를 혼합한 페이스트(phaste) 모양의 것이 있다.

⑵ 경납(hard solder)

융점이 450℃ 이상인 땜납재를 경납이라 한다. 경납은 연납에 비하여 용융점이 높고, 기계적 강도도 좋으므로 강도를 필요로 하는 장소든지 내열성, 내식성, 내마멸성을 필요로 하는 장소 또는 색채 등을 가능한 한 충족시키는 곳에 사용된다.

경납은 모재의 종류, 납땜 방법 또는 용도에 따라 여러 가지가 있다. 경납의 종류로는 은납, 황동납, 인동납, 알루미늄납, 니켈납 등이 있으며, 기타 특수 용도의 납이 몇 종 있다. 경납의 형상에는 선 모양, 세편상(?), 분말모양, 페이스트(phaste) 모양이 있고, 알루미늄-규소계의 납은 피복(?) 모양으로 된 것을 사용하고 있다.

① 은납(silver solder)

은납은 은-구리-아연(Ag-Cu-Zn) 합금 또는 카드뮴(Cd), 니켈(Ni) 및 주석(Sn)을 합금한 은 합금으로 경납 중 비교적 용융점이 낮아 작업이 쉽다. 또한 유동성이 좋고 강도 및 연신율이 우수하다. 알루미늄 및 마그네슘을 제외한 비철 합금과 철강과 동, 동합금 등의 납땜에 널리 사용된다.

② 황동납(brass solder)

황동납은 구리(Cu)와 아연(Zn) 60% 이하를 합금한 동합금이며, 동, 동합금과 일부 철강 등의 납땜에 널리 사용된다. 융점은 850∼1050℃정도이다. 황동납의 결점은 전기 전도도가 낮고, 진동에 대한 저항이 적으며, 전해 작용을 받기 쉽다. 또한 아연의 증기압이 높으므로 납땜 작업 중 과열하면 아연이 증발하여, 이음부에 공공이 생겨서 이음부의 강도가 낮아진다. 따라서 1,000 ℃이상으로 가열하면 안 된다.

③ 인동납(Phosphorus copper solder)

인동납은 구리(Cu)에 인(P) 또는 구리(Cu)에 인(P)과 은(Ag)을 합금한 동합금이며, 동이나 동합금의 납땜에 널리 사용된다.

이음부의 전기 전도도 및 기계적 성질이 좋고 황산 등에 대한 내식성도 우수하나, 철강 또는 니켈을 10% 이상 함유한 합금의 땜납에 사용하면 취약하므로 주의해야 한다.

동과 동을 납땜할 때에는 용제가 필요 없으나 동합금에는 용제를 사용하며, 융점은 705-925 ℃ 정도이다.

④ 양은납(german silver solder)

양은납은 구리-아연-니켈(Cu-Zn-Ni) 합금이며, 니켈(Ni) 함유량이 많을수록 융점이 높고 색깔이 희게 된다. 보통 성분은 47% Cu-11 % Zn-42% Ni 이며, 융점이 높고 강인하므로 동, 황동, 니켈 합금 철강 등의 납땜에 널리 사용된다.

⑤ 알루미늄납(Aluminum solder)

알루미늄납은 알루미늄(AL)을 주성분으로 하고 규소(Si), 구리(Cu) 등을 합금한 알루미늄 합금이며, 융점은 600℃ 정도이며, 모재와의 융점의 차이가 작으므로 납땜 작업의 온도관리를 주의해야 한다. 고력 알루미늄 합금은 융점이 낮으므로 납땜을 할 수 없다. 따라서 이들 합금은 보통 아연계 합금 등의 알루미늄 땜납이 사용된다.

⑥ 내열 합금용 납

내열 합금용 납에는 니켈-크롬(Ni-Cr)계, 은-망간(Ag-Mn)계, 구리-금(Cu-Au)계 등이 있으나, Ni-Cr계 납이 가장 좋으므로 많이 사용된다. 니켈 및 코발트계는 내열, 내식재료인 제트 엔진, 가스 터빈, 스텐레스강 등의 납땜에 사용된다.

¨ 용제(flux)

용제는 용가제 및 모재 표면의 산화를 방지하고, 가열 중에 생성되는 금속 산화물을 녹여서 액상화하며, 땜납을 이음면에 침투시키는 역할을 한다. 따라서 융점이 땜납보다 낮고, 용제가 산화물로 되었을 때 땜납보다 가벼우며, 슬랙의 유동성이 좋고 또한 모재 및 땜납을 부식 시키지 않는 것이 좋다. 용제는 이음면을 깨끗이 하고 이음면과 그 근처에 골고루 뿌리던가 또는 페이스트(phaste)로 만들어 칠한다. 또한 납땜 후 잔류 용제나 슬랙은 깨끗이 닦아내지 않으면 이음면의 부식을 촉진시킨다.

⑴ 용접용 용제

① 염화아연(ZnCl2)

가장 많이 사용되는 염화 아연액을 만들려면 염산은 사기 그릇에 넣고 그 속에 아연을 넣어서 포화 용액으로 한다.

② 염산(HCl)

진한 염산을 물로 희석 시킨 것이며, 아연 도금 강판의 납땜에 사용된다.

③ 염화 암모늄(NH4Cl)

산화물을 염화물로 만드는 작용이 있으며, 염화 아연에 혼합하여 사용된다. 이 외에 송진, 인산, 페이스트 등도 사용된다.

⑵ 경납용 용제

① 붕사 (NaB4O7·10H2O)

융점이 낮은 경납용 용제로 사용되며, 그 융점은 760℃정도이다. 붕사는 높은 온도로 가열하면 유리 모양으로 되는데, 이것은 금속 산화물을 용해, 흡수하는 성질을 지닌다.

융해 후의 점성이 비교적 높은 결점이 있으므로, 이밖에 식염, 붕산, 탄산나트륨 등과 혼합하여 사용된다. 알루미늄, 마그네슘, 크롬, 베릴륨 외에는 흔히 사용되고 있다.

② 붕산(H3BO4)

붕산은 백색 결정체로서 융점은 875℃정도이며, 산화물의 제거 능력이 약하기 때문에 일반적으로 붕산 70 %에 붕사 30 % 정도를 혼합하여 철강에 주로 사용한다.

③ 3NaF·AlF3

알루미늄, 나트륨의 불화물이며, 불순물의 용해력이 강하다.

④ Cu2O

붕사와 혼합하여 주철 납땜에 쓰인다. 이것은 탈탄제로 작용하며, 주철면의 흑연을 산화 시켜서 납땜을 쉽게 한다.

⑤ 식염 NaCl

융점이 낮고 단독으로는 못쓴다. 또한 부식성이 강하므로 혼합제로 소량 사용된다.

⑶ 경금속용 용제

알루미늄, 마그네슘과 그 합금의 납땜에서는 모재 표면의 산화물이 대단히 견고하기 때문에 용제는 산화물을 용해하여 슬랙으로 제거하기 위해서는 강력한 산화물의 제거 작용이 필요하다. 대표적인 용제의 성분에는 염화리튬, 염화 나트륨, 염화칼륨, 불화리튬, 염화아연 등이 있으며, 이것을 적절히 배합하여 사용한다.

¨ 납땜 부위의 차폐 분위기: 가스 시일드(shielding atmosphere)

적절한 가스 시일드에서 납땜을 하게 되면 산화방지 또는 산화물의 환원 작용에 의해 땜납의 흐름이 좋아져서 용제를 사용하지 않아도 납땜을 할 수 있다. 이것은 부품의 형상이나 성질상 용제를 사용할 수 없을 때 또는 땜납 후에 잔류 용제의 제거 처리를 할 수 없을 때 이용된다. 가스 시일드로는 불활성 가스, 질소 가스, 도시 가스, 해리 암모니아 가스, 수소 가스, 및 진공 등이 사용된다. 도시 가스는 고온에서 산화물의 환원이 불충분하므로 산화물이 그다지 문제가 되지 않는 연강, 저합금강의 납땜에만 이용된다. 해리 암모니아가스(75 % H2 ＋25 % N2) 및 수소가스는 환원 작용이 강하고, 용제가 필요 없는 스텐레스강의 납땜에도 가능하다. 티타늄, 지르코늄 등과 같은 활성 금속의 납땜에는 진공 납땜이 이용된다.

¨ 납땜 방법

납땜 작업은 이음면의 청정, 조립, 가열 및 후처리로 이루어진다. 이음면은 미리 탈지, 솔질, 약품 청정 등으로 전처리를 하여 깨끗이 하고 적당한 용제를 도포한 후, 미리 선정된 가열 방법을 이용하여 소정 온도로 일정 시간 유지하여 납땜을 한다. 또, 부식성 용제를 사용하였을 때는 납땜 후에 잔류 슬랙을 제거하여야 한다. 그리고, 납땜용 가열 장치를 선택할 때는 납땜하는 이음의 형상, 치수, 수량, 신뢰성 등에 대해서 종합적 견지에서 검토할 필요가 있다. 납땜 작업은 그 가열 방법에 따라서 분류된다.

⑴ 인두납땜(soldering iron brazing)

일반적으로 저온의 연납땜에 널리 사용되는 가장 간단한 장치며, 가열된 인두에서의 열전도에 의해 모재를 가열하고 땜납을 용융하여 납땜하는 방법이다. 납땜 온도가 높은 경납땜이나 열용량이 너무 큰 피용접물 등에는 부적당하다.

땜인두는 대부분 순동을 사용하며, 특수한 것은 소량의 티타늄(Ti), 규소(Si)를 함유한 동합금 또는 니켈(Ni)나 철(Fe) 등으로 도금하여 내식성 내구성을 좋게 한 것도 사용된다.

⑵ 가스 납땜(gas brazing)

토치 램프, 산소-아세틸렌 불꽃, 산소-프로판 불꽃 등으로 가열하여 납땜하는 방법이다. 일반적으로 가스 불꽃은 약간 환원성의 것이 좋으며, 용제는 이음면과 땜납의 양쪽에 도포하여 사용된다. 이음에는 불꽃의 외측을 대고 속불꽃은 닿지 않게 한다.

또 부품의 치수, 형상 및 열용량에 따라서 예열도 한다. 너무 과열하면 납땜의 확산 및 산화를 초래하기 쉬우며, 용제의 녹는 정도를 보고 이음의 온도를 추정할 수 있다.

⑶ 저항 납땜(resistance brazing)

납땜할 이음부에 용제를 바르고, 납땜재를 삽입하여 저항열로 가열하는 방법이다. 구조상 두 종류가 있으며 하나는 전극에 탄소 또는 흑연을 사용하여, 전극에 발생한 저항열로 납땜부를 가열하는 간접가열법과 전극에 텅스텐, 동합금 등을 사용하여 납땜부의 저항열을 이용하여 납땜하는 직접가열법이 있다. 이 방법에서는 스폿 용접이 곤란한 금속의 납땜에 적당하다.

⑷ 로내 납땜(Furnace brazing)

로내 납땜은 전열이나 가스 불꽃 등으로 가열된 로내에서 납땜하는 방법이다. 이 방법은 온도 조절이 균일하므로, 정밀 이음이 가능하며, 납땜재는 미리 이음면에 삽입하여 로내에 넣는다. 비교적 작은 부품의 대량 생산에 적합하며, 또 분위기는 수소와 해리 암모니아 가스를 사용할 때가 많다.

⑸ 침지 납땜(dip brazing)

침지 납땜은 이음면에 땜납을 삽입하여, 미리 가열된 염욕(salt bath)에 침지하여 가열하는 방법과 납땜부를 용제가 들어 있는 용융땜 조에 침지하여 납땜하는 두 방법이 있다.

⑹ 고주파 납땜

땜납과 용제를 삽입한 틈을 고주파 전류를 이용하여 가열하는 납땜법이다. 자성이 있는 금속에서는 유도전류에 의한 가열이 주가 되며, 비자성의 금속에서는 과전류에 의한 가열이 주가 된다. 가열 코일은 부품에 따라서 적당한 형상과 용량이 사용된다. 이 방법은 가열 시간이 짧고 작업이 용이하나, 국부 가열에 의한 변형이 다르기 쉽다.

(참고) 용어설명

용가재(filler metal): 용착부를 만들기 위하여 녹여서 첨가하는 금속, 따라서 용접봉은 용가재에 속한다.

용극(consumable electrode) : 각종 아크 용접 및 아크 절단에서 아크중에서 아크 중에서 용융하여 소모되는 전극

용접금속(weld metal) : 용접부의 일부이며, 용접하는 동안 용융되었다가 응고된 금속

용접부(weld zone) : 용접 금속 및 그 근처를 포함한 부분의 총칭

용착부(weld metal zone) : 용접부 안에서 용접하는 동안에 용융 응고한 부분

용착금속(deposited metal) : 용접 작업에 의하여 용가재로부터 모재에 용착한 금속

용착비드(weld bead) : 용접을 할 때 1회의 패스(지나감)에 의하여 나타난 용착금속

용융(fusion) : 두 개의 금속을 용융하여 완전히 하나게 되게 하는 것

용융지(molten weld pool, puddle) : 아크 또는 불꽃 등의 열원 부근에서 금속의 일부가 용해하여 만들어진, 용융 금속이 고여 있는 곳으로 용가재(즉 용접봉)의 금속과 용접하고자 하는 모재가 같이 녹아 용융지를 형성한다.