KR100257785B1 - 입자를 보유하는 금속 표면 형성 방법 및 플럭스를 보유하는 금속 소재 - Google Patents

Abstract

응고된 피막층에 견고하게 용제 입자들이 매립된 그러한 피막층을 구비하는, 미리 용기가 도포된 용제를 보유하는 알루미륨을 기초로한 자재가 제공된다. 그러한 자제를 생산하는 방법은, 알루미늄을 기초로한 자재에 용융 금속 피막을 도포하는 단계와, 그 피막을 응융된 상태로 유지하는 단계와, 용제 입자를 그 피막에 부딪히게 하는 단계와. 그 피막을 응고시켜 입자들을 응고된 피막내에 견고하게 고정하기 위하여 자재를 냉각하는 단계로 이루어진다.

Description

입자를 보유하는 금속 표면 형성 방법 및 플럭스를 보유하는 금속 소재

본 발명은 입자를 보유하는 금속 소재 표면을 형성하는 방법, 특히 알루미늄을 기재로 한 소재를 차후에 접합할 때 그 표면의 산화막 제거를 통해서 그 표면이 깊게 습윤되어 결과적으로 플럭스를 보유한 금속 소재가 될 수 있도록 하는 알루미늄을 기재로 한 소재의 플럭싱(fluxing)에 관한 것이다.

알루미늄 또는 알루미늄 합금(이하, 이들 양자를 포괄하는 의미로 “알루미늄을 기재로 한”이라 표현함) 소재를, 예를 들어 열교환기와 같은 구조물에 조립하는 경우, 통상, 이러한 소재를 대기 또는 질소와 같은 중화 분위기(neutral atmosphere) 중에서 브레이징(brazing) 하기 전에 플럭싱한다. 플럭스는 알루미늄 표면상에 쉽게 형성되는 미세한 알루미늄 산화막을 파열/제거하는데 사용된다.

이러한 산화막은 납땜, 브레이징 또는 용접에 의해 소재를 접합하는 공정 뿐만 아니라 표면에 금속 피막을 도포하는 공정을 방해한다. 금속과 금속의 접합이 이루어지기 위해서는 산화막을 제거하고, 또한 산화막이 재형성되는 것을 막아야 한다.

통상적으로, 산화막 층을 제거할 목적으로 많은 선택적인 플럭스가 사용된다. 염화물을 기재로 한 플럭스는 그러한 산화막을 파괴하기는 하지만, 이 플럭스의 흡습성 및 부식성 때문에 차후에 이 플럭스를 세척해야 한다. 플루오르화물을 기재로 한 플럭스, 예컨대, 포타슘 테트라플루오로 알루미네이트와 헥사플루오로트리포타슘 알루미네이트의 혼합물은 부식성 잔류물을 전혀 남기지 않기 때문에 유리하다.

플럭스는 보통 물이나 다른 용매에 현탁된 상태에서 분무나 침지에 의해 알루미늄을 기재로 한 소재 표면에 도포된다. 플럭스 도포 공정은 보통 접합 작업직전의 온라인(on-line) 공정의 일부이다. 통상적으로, 플럭스 도포 공정은, 2개의 소재를 함께 접합하기 위하여 브레이징 금속이 용융되고 플럭스가 활성화되는 브레이징 가능한 온도로 그 소재를 가열하기 전에, 그 소재로부터 물이나 용매를 제거하기 위한 추가적인 건조 단계가 불가피하다. 그러나, 이러한 건조 공정은 온라인 공정의 효율성을 떨어뜨린다.

더욱이, 조립된 상태의 소재에 플럭스를 도포하면 그 플럭스가 균일하게 분포되지 않으며 접합되는 소재의 전체 표면에 플럭스가 묻지 않는다.

건조 단계를 생략하기 위한 선택적인 방법으로서, 브레이징 전에 소재에 건조한 플럭스 분말을 정전 부착하는 방법(electrostatic deposition)이 있다. 그러나, 정전 부착법에 의하면, 브레이징 전의 어느 정도 상당한 기간 동안 소재의 보관 또는 운반이 허용될 수 있을 만큼 플럭스가 접착되거나 점착되지는 않는다. 결국, 이러한 종래의 기술은 온라인에 의한 플럭싱에 한정된다.

그러나, 산업 및 운반 기술의 발전으로, 하나의 장소 또는 단일의 특정 시간에 소재를 압출하거나 그외의 방법으로 제작하여 예비 플럭싱하고, 다른 장소에서 이 소재를 브레이징하는 것이 매우 바람직할 수 있다.

미국 특허 제4,571,372호에는 부유하는 용융 플럭스의 층을 통해서 알루미늄 파이프를 용융된 브레이징 필러(filler) 금속에 침지하는 방법이 개시되어 있다.

따라서, 소재를 조립함에 있어서 브레이징 시아트의 사용을 피하면서 알루미늄 파이프에 브레이징 필러 금속을 도포하고 플럭스의 층을 도포할 필요가 있다. 그러나, 표면층이 응고되어 있는 용융 플럭스를 통해 피복된 파이프의 수축에 의거한 개시된 방법은 몇 가지 결점이 있다. 우선, 플럭스가 적절히 접착되지 않아 기계적으로 제거될 수 있으므로, 견고하게 접착된 플럭스 물질이 균일하게 분포될 수 없다. 더욱이, 반복된 용융 후에 접착된 플럭스 물질의 작용이 저하하여 브레이징 작업에 앞서 추가의 플럭싱이 필요하게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 피복된 소재의 추후의 운반, 보관 및 조립 중에 플럭스가 적소에 유지되게 하는 방식으로 통상의 브레이징/납땜 플럭스를 도포함으로써 추가로 플럭스를 도포할 필요가 없는, 미리 플럭싱된 알루미늄을 기재로 한 소재를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 하나의 목적은 플럭스가 각각의 접착 지점에 균일하게 분포된 소재를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 하나의 목적은 건조 단계가 필요없는, 알루미늄을 기재로 한 소재의 플럭싱 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 이러한 목적 및 기타의 목적과 특징은, 고체 플럭스 입자를 소재 표면상의 액상 피막층에 충돌시키고, 그 후에 피막층을 응고시켜 이 플럭스를 응고된 피막층 위 또는 내부에 매립하거나 견고하게 고착시킴으로써 달성된다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하는데, 제1도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 순차적인 작업을 개략적으로 나타내고 있다.

본 발명은 소재 표면에 플럭스 입자를 밀접하게 유지 또는 접착시키는 모재(matrix)로서 소재에 도포되는 금속 피막층을 사용하는, 미리 플럭싱되어 플럭스를 보유하는 알루미늄을 기재로 한 소재를 제공하는 것이다. 현재로서는 이들 피막층은, 부식 방지 특성 및 저융점을 고려할 때 아연이나 아연-알루미늄 합금인 것이 바람직한데, 이러한 피막층을 도포하여 부식 방지 특성을 개선하거나, 예컨대 열교환기 제조에 있어서 소재를 접합하기 위한 필러 금속을 재공한다.

공정 조건을 적절히 조작하면, 피막층은 차후의 플럭스 도포 단계를 수행하기에 충분한 기간 동안 용융된 상태로 유지될 수 있는 것으로 판명되었다. 제1도에는 도포 라인 및 플럭스의 도포를 수행하는 데 사용되는 실험용 장비가 개략적으로 도시되어 있다. 알루미늄을 기재로 한 소재, 예컨대 중공의 알루미늄 형재나 튜브(1)를 용융된 금속 피막재(욕)(2)에 통과시키고, 검교정 장치(3)를 지나 과도하게 부착된 피막 재료를 제거한다. 온도를 조절하여 피막 재료를 용융된 상태로 유지시키고, 따라서 노즐(분무장치)(4)을 통해 용융된 표면층을 향하여 분사되는 플럭스 입자를 충돌시켜 분말상의 플럭스 물질이 그 용해된 표면에 접착될 수 있게 한다. 응고된 피막재에 확실하게 고착된 플럭스 입자의 접착층은 최종 냉각 단계에서 얻어진다.

피막재로서 아연-알루미늄 합금(ZnAl 5%)을 도포하는 전술된 피복 라인에서 알루미늄 튜브를 고온 침지식으로 피복하였다. 검교정후의 온도를 385℃ 이상으로 유지하고, 미세하게 분산된 플럭스 입자(포타슘 테트라플루오로 알루미네이트 및 헥사플루오로트리포타슘 알루미네이트의 혼합물)를 용융된 피막층을 향하여 분사하였다.

그 결과, 피막층상에 플럭스 재료의 접착층이 형성되었으며, 이 층은 피막층을 응고시키기에 충분할 정도로 튜브를 냉각시켰을 때에 적소에 고착되었다. 후속하는 수냉 공정에 이어서, 튜브의 표면을 다크닝(darkening)하여 플럭스의 존부를 육안으로 검사한 결과, 플럭스가 표면에 확실하고도 견고하게 붙어 있음을 확인하였다. 주사식 전자 현미경 및 글로우 방전 질량 분광기(glow discharge mass spectrometry : GDMS)를 사용하여 플럭싱된 표면을 측정하였다. 플럭스 재료가 없다면 존재하지 않는 플루오르화물이 검출되었으므로, 피막층 표면상에 플럭스물질이 존재하는 것으로 판명되었다.

3∼4 μ의 ZnAl 5% 층이 피복되어 있고 건 스프레이로 플럭스가 분무되며 핀스톡(finstock)에 연결되어 610℃에서 브레이징된 알루미늄 튜브로 이루어진 시료를 기초로 연속하여 수행된 브레이징 시험 결과, 탁월한 필렛(접합부)이 형성되어 플럭스를 더이상 도포할 필요성이 얼었다.

본 발명은, 입자를 소재 표면 근처 또는 주위의 적소에 밀접하게 유지하거나 접착할 모재로서 응고 중인 피막 층을 이용한다. 플럭스 입자가 피막층에 충돌하여 정지하게 됨에 따라 들러붙는다. 이 플럭스 입자는 피막층의 응고에 의해 적소에 접착되거나 고정된다. 이에 따라, 미리 플럭싱된 소재를 장기간 보관하거나 운반할 수 있을 만큼 충분한 결합력이 제공된다.

예컨대, 침지, 스플래싱(splashing), 분무 등과 같은 어떠한 통상적인 방법으로도 이러한 피막층을 형성할 수 있다. 또한, 별개의 공정 단계로서 플럭스를 부착할 수도 있다. 이러한 경우, 플럭스 입자를 피막층에 충돌시키기 전에, 응고된 피막층을 예열하며 재용융시킬 필요가 있다.

본원 발명자들의 실험에서는 플루오르화물을 기재로 한 플럭스를 이용했으나, 본 발명의 사상에 따라 그 밖의 어떠한 입상의 플럭스를 사용할 수도 있다. 본 발명의 사상은, 예를 들어 할로겐을 기재로 한 플럭스에 의해 잘 구현된다. 이 소재를 수냉해야 하는 경우에는 비교적 물에 잘 녹지 않는 플럭스를 이용해야 한다.

본 발명에 따라 플럭스 입자를 도포하는 방법을 달리할 수도 있다. 플럭스 입자는 피막층 위 또는 그 내부에 연속층 또는 불연속층을 형성할 수도 있다. 그러나, 플럭스의 기능이 가장 신뢰성 있게 발휘되려면, 이 플럭스를 균일하게 분포시키는 것이 바람직하다. 복잡한 외형을 가지는 소재에 플럭스 입자가 균일하게 분포되도록 하기 위해서는 유동상(fluidized bed)으로 도포하는 것이 유리할 수 있다. 플럭스가 조립 전의 소재의 전체 표면에 도포되도록 보장함으로써, 예컨대 열교환기 코어의 제조시 핀(fin) 간격이 더욱 조밀하게 된다.

본 발명의 사상은 고체 입자가 피막층 덩어리내에 견고하게 고정되거나 고착된다는 것이다. 입자 표면과 용융된 피막층과의 표면 접촉만으로도, 피막층이 응고될 때 그 입자와 피막층 사이에 충분히 견고한 연결이 이루어진다. 피막층 내에 입자가 존재하는 깊이의 범위를 조정하기 위하여, 충돌 속도, 입자 크기 및 피막층 밀도와 심지어 그 깊이를 조정할 수 있다.

본 발명의 방법에 따라, 그 밖의 고체 입자, 예컨대 필러 금속의 양을 증대시키는 분말 아연, 실리콘 또는 그들의 알루미늄 합금(AlZnSi)을 추가로 (또는 플럭스 입자 대신에) 부가할 수 있다.

Claims (7)

1. 플럭스 입자를 보유한 표면을 구비하는 금속 소재 형성 방법에 있어서, 알루미늄을 기재로 하는 소재상에 용응된 금속 피막을 형성하는 피복 단계와, 할로겐을 기재로 하는 고체 입자를 상기 용융된 피막에 충돌시키는 충돌 단계와, 이 피막을 응고시켜 이 응고된 피막에 상기 입자가 견고하게 고착되도록 그 소재를 최종적으로 냉각하는 냉각 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 소재 형성 방법.
2. 제1항에 있어서, 고체 입자를 용응된 피막에 충돌시키는 상기 충돌 단계는 분무 장치에 의해 상기 입자를 분사함으로써 수행하는 것을 특징으로 하는 금속 소재 형성 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 고체 입자를 용융 피막에 충돌시키는 상기 충돌 단계에는 상기 소재에 플럭스 입자를 플럭싱하는 단계가 포함되는 것을 특징으로 하는 금속 소재 형성 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 플럭싱을 하는 단계는 소재를 피복하는 상기 피복 단계와 연속된 공정인 것을 특징으로 하는 금속 소재 형성 방법.
5. 플럭스 입자를 보유하는 알루미늄 기재의 소재에 있어서, 상기 소재는 할로겐을 기재로 하는 개개의 플럭스 입자를 포함하는 응고된 금속 피막층을 구비하며, 상기 플럭스 입자를 용융된 상기 금속 피막층에 충돌시킴으로써 상기 입자가 상기 금속 피막층의 일체화된 부분으로 되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 기재의 소재.
6. 제5항에 있어서, 상기 플럭스 입자는 상기 피막층에 매립되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 기재의 소재.
7. 제5항 또는 재6항에 있어서, 상기 피막층은 아연-알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 알루미늄 기재의 소재.