KR100329686B1 - 열교환기용알루미늄합금핀재료 - Google Patents

Abstract

본 발명은 납땜후 강도가 크고 열전도도가 우수한 열교환기용 알루미늄합금, 핀 재료에 관한 것으로, 이는 0.005 내지 0.8 wt%의 Si 와, 0.5 내지 1.5 wt%의 Fe, 0.1 내지 2.0 wt%의 Ni 및, 잔부가 Al 및 불가피한 불순물들을 포함한다. 그리고 추가로, 0.01 내지 0.2 wt%의 Zr 및/또는 2.0 wt% 이하의 Zn 과 0.3 wt% 이하의 Zn 및 0.3 wt% 이하의 Sn 중 하나 또는 2 종류 이하의 원소들을 포함할 수도 있다.

Description

열교환기용 알루미늄합금 핀재료

본 발명은 열전도도가 큰 열교환기용 알루미늄합금 핀재료에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량용 열교환기인 라디에이터와 히터, 응축기 및 특히 납땜방식으로 제조되는 유사물품의 핀들에 사용되는 알루미늄 핀 재료에 관한 것이다.

차량용 열교환기들중 대부분은 알루미늄(Al) 또는 알루미늄합금을 사용하여 납땜방식으로 제조된다. 보통 땜납으로는 Al-Si계 필러(filler) 합금이 사용되므로, 납땜은 600℃정도의 고온에서 수행된다.

예컨대, 제 1 도에 도시된 바와 같은 라디에이터(radiator)등의 열교환기들에서는 다수의 평평한 튜브(1)들 사이에 주름진 형태로 가공된 벽두께가 얇은 핀 (2)이 일체로 형성되고, 상기 튜브(1)의 양쪽 선단들은 헤더(3)와 탱크(4)로 구성되는 공간들내에 각각 개방되며, 고온의 냉매가 평평한 튜브(1)를 통하여 한쪽 탱크측 공간으로부터 다른쪽 탱크(4)측 공간으로 공급됨으로써, 평평한 튜브(1)의 부위들과 벽두께가 얇은 핀(2)에서 열교환이 일어나고, 저온으로된 냉매는 다시 순환하게 된다.

최근에 들어, 열교환기는 경량화 및 소형화 추세이고, 이를 위해서는 열교환기의 열효율의 향상이 요구되며, 재료의 열전도도의 향상도 요구된다. 특히, 핀재료의 열 전도도 향상 방안이 모색되어 순수한 알루미늄에 가까운 합금 조성을 갖는 합금으로된 핀 재료가 높은 열전도도의 핀으로서 제안되고 있다.

그러나, 핀을 얇게하면 몇 가지 문제점이 제기된다. 즉, 만일 핀의 강도가 불충분하면 열교환기의 조립중에 핀이 파손되거나 또는 열교환기로 사용하는 도중에 파괴되기까지 한다. 특히, 순수 알루미늄계 합금핀의 경우에는 강도가 충분치 못하다는 결점이 있지만, 고강도이면서 개선된 열전도도를 갖는 핀이 아직까지 개발되지 못하고 있다.

그 이유는 망간(Mn)과 같은 합금원소의 첨가가 고강도를 위해서는 효과적이나, 제조 과정이 600℃에 가까운 열로 납땜하는 공정을 포함하기 때문에 합금에 첨가된 원소들이 납땜동안 고용체(solid solution)를 형성하여 열전도도의 향상을 저해시키기 때문이다.

이와 같은 상황을 감안하여, 본 발명자들은 납땜후의 강도 및 열전도도가 큰 핀재료를 개발하기 위하여, Si 및 Fe량을 적절히하여 열전도도를 개선하고 나아가서 열전도도를 해치지 않고 강도에 상당한 개선 효과를 갖는 합금 원소들을 찾아낸다면 상기 문제점들은 해결될 수 있으리라는 점을 고려하였다.

본 발명에 따라 납땜 후 열전도도 및 강도가 우수한 열교환기용 알루미늄 합금 핀 재료들이 개발되었다.

본 발명의 제 1 목적은 0.005 내지 0.8 wt% 의 Si와; 0.5 내지 1.5 wt%의 Fe와; 0.1 내지 2.0 wt%의 Ni와; 0.001 내지 0.3 wt%의 In과; Al 및 불가피한 불순물들을 포함하는 잔여부로 구성되고, Mg, Cu 또는 Mn을 포함하는 경우, 상기 Mg, Cu 또는 Mn은 각각 0.03 wt% 미만의 함량을 가지는 것을 특징으로 하는 열교환기용 알루미늄합금 핀 재료를 제공하는 것이다.

본 발명의 제 2 목적은 0.005 내지 0.8 wt%의 Si와; 0.5 내지 1.5 wt%의 Fe와; 0.1 내지 2.0 wt%의 Ni와; 0.01 내지 0.2 wt%의 Zr과: Al 및 불가피한 불순물들을 포함하는 잔여부로 구성되고, Mg 또는 Mn을 포함하는 경우, 상기 Mg 또는 Mn은 각각 0.03 wt% 미만의 함량을 가지는 것을 특징으로 하는 열교환기용 알루미늄합금 핀 재료를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 제 3 목적은 0.005 내지 0.8 wt%의 Si와; 0.5 내지 1.5 wt%의 Fe와; 0.1 내지 2.0 wt%의 Ni와; 0.001 내지 0.3 wt%의 In과; 2.0 wt% 이하의 Zn과 0.3 wt% 이하의 Sn으로 구성되는 그룹 중 하나 이상의 선택적인 원소와; Al 및 불가피한 불순물들을 포함하는 잔여부로 구성되고, Mg, Cu 또는 Mn을 포함하는 경우, 상기 Mg, Cu 또는 Mn은 각각 0.03 wt% 미만의 함량을 가지는 것을 특징으로 하는 열교환기용 알루미늄합금 핀 재료를 제공하는 것이다.

본 발명의 제 4 목적은 0.005 내지 0.8 wt%의 Si와; 0.5 내지 1.5 wt%의 Fe와; 0.1 내지 2.0 wt%의 Ni와; 0.01 내지 0.2 wt%의 Zr과; 2.0 wt% 이하의 Zn과, 0.3 wt% 이하의 In 및 0.3 wt% 이하의 Sn으로 구성되는 그룹 중 하나 이상의 원소와; Al 및 불가피한 불순물들을 포함하는 잔여부로 구성되고, Mg 또는 Mn을 포함하는 경우, 상기 Mg 또는 Mn은 각각 0.03 wt% 미만의 함량을 가지는 것을 특징으로 하는 열교환기용 알루미늄합금 핀 재료를 제공하는 것이다.

이하 본 발명 핀 재료에 대한 첨가원소들의 역할과 합금 조성들 중에서의 한정 이유에 대해 설명한다.

Si는 그 첨가에 의해 강도를 향상시킨다. Si는 그 자체의 고용 경화(solid-solution hardening)를 통해 강도를 향상시킬 뿐만 아니라, 특히, Fe 및 Ni와 함께 존재하면 Fe 및 Ni의 석출을 촉진하는 작용을 갖기 때문에, 분산(dispersion)을 강화시키는 금속간 화합물(intermetallic compound)들을 증가시켜 강도를 개선한다.

부가적으로, Si는 Fe 및 Ni의 석출을 촉진함으로써 핀 재료에 형성된 Fe 및 Ni 의 고용체량을 감소시키기 때문에, 열 전도도를 향상시킨다. 만일, Si가 0.005 wt% 이하이면, 강도 개선의 효과가 불충분할 뿐만 아니라 고순도의 금속을 사용하여 핀을 제작할 필요가 있기 때문에, 이는 비용상의 측면에서 부적합하다.

또, Si가 0.8 wt% 이상이면, 가열중인 납땜 공정에서 필러의 확산이 심각하게되어 용접성은 물론 열전도도를 감소시킨다.

그리하여, Si의 범위는 0.005 내지 0.8 wt% 로 정해지나, Si의 량은 핀에 대해 요구되는 특성에 따라 다소 변화된다. 첫째 Si량의 적으면, 감소된 Si량에 기인하여 핀의 열전도도가 극히 우수한 핀 재료가 얻어질 수 있고, 또, 핀의 자연 전위(natural potential)가 더 열등해지기 때문에 희생 효과(sacrificial effect)의 측면에서 유리한 핀이 얻어질 수 있다. 그와 같은 특성에 대하여, 특히, 0.05 내지 0.2 wt% 범위의 Si가 안정된 특성을 나타낸다.

한편, Si 량이 많아지면, 핀의 열전도도는 전자(Si량이 적을때) 만큼 크지는 않으나, 납땜후 양호한 강도가 얻어진다. 그와 같은 특성에 대하여, 특히, 0.4 내지 0.6 wt% 범위의 Si가 안정된 특성을 나타낸다.

Fe는 소정량으로 합금내에서 고용 경화를 일으키고, 잔여부는 금속간화합물들로 존재한다. 전자는 강도를 향상시키나, 후자는 열전도도를 상당히 감소시킨다. 후자는 분산 강화를 통해 강도를 약간 향상시키지만, Si와 함께 금속간 화합물을 형성함으로써 Si첨가에 따른 강도향상효과를 감소시키는 역작용을 갖는다. 여기서, 만일 Fe의 첨가량이 0.5 wt% 이하이면, 강도 향상 효과는 불충분하고, 또 1.5 wt% 이상이면 성형성이 나빠져 그결과 핀을 주름 성형하기가 어렵게 된다.

Ni에 대하여는 본 발명자들의 지속적인 연구 결과 Ni가 열전도도를 감소시킴이 없이 강도를 향상시키는 효과를 가짐이 명확해졌다. 이는 본 발명에서 중요한 요소이다. 즉, Ni는 고용 경화를 통해 강도를 향상시키나 이와동시에 Ni고용체의 양에 상당하는 Fe 고용체의 양을 감소시키는 작용을 갖는다.

Fe 및 Ni는 고용체를 형성할 때 강도 향상 측면에서 거의 동일한 효과를 가지나, 열전도도의 감소에 대해서는 Ni가 훨씬 적다. 그러므로, 상기와 같은 양의 Fe를 함유하는 합금에 Ni를 첨가하면, 열전도도를 감소시킴이 없이 강도를 증가시킨다. 그리고, 만일 Ni 첨가량이 0.1 wt% 이하이면 그 효과가 불충분하고, 2.0wt%이상 첨가하면 성형성이 손상되어 핀을 주름 성형하기가 어렵게된다.

여기서, 순수 알루미늄에 Ni가 첨가된 열교환기용 합금으로서, 일본 특허 공개 소 57-60046 호에 게재된 것이 있다. 이 특허는 열교환기용 합금에 관한 것이지만 그 적용에 있어 냉매 통로의 구성 부재를 고려한 것이고 핀을 대상으로 한 것이 아니며, 또 내식성 및 처짐성(sag property)의 개선을 제공하는 것으로 희생 양극효과(sacrifical anode effect; 내식성을 악화시킴)에 관한 기재는 없고, 핀 재료에서 요구되는 열전도도 및 실시예에서 도시된 판 두께는 핀 재료에 비해 훨씬 두껍게 되어 있다.

또한 일본 특허 공개 소 57-60046 호의 발명에는 우수한 열전도도를 갖는 핀 재료용 합금에 대하여 고려한 흔적이 전혀 없고, 또, 본원 발명의 기초를 이루는 Fe 량과 Ni량 사이의 관련성에 대하여도 전혀 기재가 없다. 즉, 상기 공개 발명과 본원 발명은 그 적용 및 사고방식에 있어 현저히 다르다.

나아가서, 합금 조성에 대하여 상기 일본국 특허공개 소 57-60046 호의 발명은 Si 및 Fe를 불순물원소로 취급하고 있어, 이들 원소들을 유효한 첨가원소들로 고려하는 본원 발명과는 전혀 상이하다.

이외에도, 코발트(Co)는 Ni와 같은 동일한 효과를 나타내는 것으로 예상되는 원소인바, 본 발명에서 Ni 이외에 2.0 wt% 이하의 Co가 안전하게 첨가된다.

본 발명의 몇몇 케이스들에 있어서, 0.01 내지 0.2 wt%의 Zr이 더 첨가되는데, Zr은 납땜시 생성된 재결정 입자들을 조대화시키는 기능을 하여 핀의 처짐성 및 핀 내부로 땜납의 확산을 방지한다. 본 발명 합금은 비교적 다량의 Fe를 함유하기 때문에 재결정 입자들은 종종 미세하게 되는바, 이러한 경우 Zr 의 첨가는 유용하다. 그리고, 만일 0.01 wt% 이하의 Zr을 첨가하면, 그 기능이 충분치 못하다. 본 발명자들이 조사한 바에 따르면, Zr은 강도 향상에는 거의 기여하지 못하고 열전도도를 감소시키는 원소이므로, 그 상한은 0.2 Wt%로 결정되었다.

본 발명 합금에 대하여, 2.0 Wt% 이하의 Zn과, 0.3 Wt% 이하의 In 및 0.3 Wt% 이하의 Sn 중 하나 또는 2 종류 이상의 원소들이 몇몇 케이스들에서 첨가된다. 이들은 핀 재료에 희생 양극 효과를 주기위해 첨가되고, 또 만일 상술된 양 이상으로 각각 첨가하면 열 전도도가 감소할 것이다.

다음 상기 이외의 이유로 첨가되는 불가피한 불순물들 및 원소들은 잉곳의 조직을 미세화하기 위해 첨가되는 Ti, B 등을 포함하고, 이들 원소들은 각각 0.03 Wt% 이하이면 안전하게 첨가될 수 있다. 또한, 강도 향상과 잉곳의 균열 방지 및 성형성 증가등의 이유로 Cu, Mn, Mg, Na, Cd, Pb, Bi, Ca, Li, Cr, K 및 V와 같은 원소들을 첨가하고자 한다. 각각 0.03 Wt% 이하로 첨가하는 것이 요구된다. 왜냐하면 만일 0.03 Wt% 이상 첨가하면, 이들 원소들 모두가 열전도도를 감소시키기 때문이다.

본 발명의 합금 조성은 상술한 바와 같다. 본 발명 핀재료는 원료재료(bare material)로 사용될 수 있고 또 납땜 시이트핀의 코어 재료로 사용될 수도 있다. 후자의 경우 땜납 재료로서는, 통상적으로 사용되는 땜납 합금이 그대로 사용될 수도 있다.

본 발명 핀 재료를 사용한 열교환기로서는 차량용 라디에이터, 응축기, 증발기, 오일냉각기등을 들 수 있으나, 열교환기들이 이들에만 한정되는 것은 아니다.

또한 본 발명 핀을 납땜하는 방법으로는, 비부식성 용제(flux) 납땜, 용제 납땜, 진공 납땜등 종래 채용되는 방식 모두가 적용가능하다.

본 발명 핀은 반연속주조에 의한 잉곳 제조와, 열간압연, 냉간 압연 및 어닐링(풀림) 공정을 통해 제조될 수 있고, 또는 연속 주조 및 압연과, 냉간 압연 및 어닐링 공정을 통해 제조될 수도 있다.

이하 실시예들에 기초하여 본 발명을 상세히 설명한다.

실시예

표 1 및 표 2 에 나타낸 합금 조성들을 갖는 알루미늄 합금핀 재료들(시이트두께 : 60 μm, H 14 정련)이 통상적인 방법에 따라 제조된다. 이들 핀 재료들의 강도, 전기전도도 및 Nacl 5% 수용액중에 포화된 칼로멜(Calomel : 염화제 1 수은) 전극을 사용한 자연 전위를, 가열하에 납땜한후 시편들의 일부에 대하여 측정하여 결정하였다. 가열하에서 납땜 조건은 질소 가스중 600℃ 에서 5 분 동안이다. 그 결과들이 표 3 및 표 4 에 도시된다.

여기서 전기전도도는 열전도도의 지표이고, 또 만일 핀의 전기전도도가 5% IACS만큼 향상되면 열교환기의 열효율은 1% 정도 향상된다.

[표 1]

[표2]

[표3]

[표4]

표 3 과 표 4 로부터 명백히 알 수 있는 바와 같이, 인장 강도 및 전기전도도 모두가 우수한 종래예 및 비교예의 핀 재료들은 없고, 이에 반해, 본 발명 실시예들의 핀 재료들은 인장강도 및 전기전도도 양쪽 모두가 우수한 값을 나타내고 있다.

종래예 번호 39는 우수한 열전도도를 갖는 통상적인 알루미늄계 합금의 핀재료에 대한 것이고, 번호 40은 통상적인 Al-Mn 계 합금의 핀 재료에 대한 것이다.

반면에, 실시예 번호 1 내지 20은 비교적 소량의 Si를 갖는 본 발명의 실시예들이다. 이들은 종래 순수 알루미늄계 합금에 비해 열전도도 및 강도가 우수하나, 종래예와 거의 동일한 상쇄효과를 갖고 있고, 또 종래 Al-Mn 계 합금의 강도와 대등한 강도를 가지며 열전도도는 매우 우수한 특성을 갖는다.

또한, 실시예 번호 21 내지 38은 비교적 다량의 Si를 갖는 본 발명의 핀 재료에 대한 것이다. 이들은 종래 순수 알루미늄계 합금의 열전도도와 대등하거나 또는 월등한 열전도도를 갖고 있고 또 강도도 매우 우수하다. 또한, 이들은 종래 Al-Mn 계 합금의 강도와 대등하거나 또는 월등한 강도를 갖고 있고 또 열전도도 매우 우수하다.

소정의 Zn, In 및 Sn 이 첨가된 실시예 번호 21 내지 38 에서는 비록 전위들이 기재되어 있지는 않지만 종래 재료들과 거의 동일한 상쇄 효과를 갖는다. 상기 원소들을 갖지않는 재료들은 상쇄 효과가 미약하므로, 핀과 같이 상쇄 효과를 필요로하지 않는 열교환기용으로만 사용하여야 되고, 이에따라 그 적용분야가 제한된다.

비교예 번호 41은 고순도 금속을 사용한 것으로서, 이는 비용면에서 문제가 있다. 또, 모든 핀들은 주름 성형되므로 번호 47, 49 및 51 의 핀 재료들은 성형시균열이 발생되어 성형이 잘 될수 없음을 알수 있다.

상기 설명에서와 같이, 본 발명 핀 재료들은 높은 강도 및 우수한 열 전도도를 갖고 있어, 특히, 차량의 열 교환기용으로 적합하게 사용될 수 있는바, 이러한 그리고 기타 이유들로 인하여 본 발명은 산업상으로도 현저한 효과를 가져온다.

제 1 도는 라디에이터를 부분 단면으로 도시한 사시도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 튜브 2 : 핀

3 : 헤더 4 : 탱크

Claims (6)

1. 0.005 내지 0.8wt%의 Si와; 0.5 내지 1.5wt%의 Fe와; 0.1 내지 2.0wt%의 Ni와; 0.001 내지 0.3wt%의 In과; Al 및 불가피한 불순물들을 포함하는 잔여부로 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기용 알루미늄 합금 핀 재료.
2. 0.005 내지 0.8wt%의 Si와; 0.5 내지 1.5wt%의 Fe와; 0.1 내지 2.0wt%의 Ni와; 0.01 내지 0.2wt%의 Zr과; Al 및 불가피한 불순물들을 포함하는 잔여부로 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기용 알루미늄 합금 핀 재료.
3. 0.005 내지 0.8wt%의 Si와; 0.5 내지 1.5wt%의 Fe와; 0.1 내지 2.0wt%의 Ni와; 0.001 내지 0.3wt%의 In과; 2.0wt% 이하의 Zn과 0.3wt% 이하의 Sn으로 구성되는 그룹 중 하나 이상의 원소와; Al 및 불가피한 불순물들을 포함하는 잔여부로 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기용 알루미늄 합금 핀 재료.
4. 0.005 내지 0.8wt%의 Si와; 0.5 내지 1.5wt%의 Fe와; 0.1 내지 2.0wt%의 Ni와; 0.01 내지 0.2wt%의 Zr과; 2.0wt% 이하의 Zn과, 0.3wt% 이하의 In 및 0.3wt% 이하의 Sn으로 구성되는 그룹 중 하나 이상의 원소와; Al 및 불가피한 불순물들을 포함하는 잔여부로 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기용 알루미늄 합금 핀 재료.
5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 불순물은 Mg, Cu 또는 Mn을 포함하고,

   상기 Mg, Cu 또는 Mn은 각각 0.03wt% 미만의 함량을 가지는 것을 특징으로 하는 열교환기용 알루미늄 합금 핀 재료.
6. 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 불순물은 Mg또는 Mn을 포함하고,

   상기 Mg 또는 Mn은 각각 0.03wt% 미만의 함량을 가지는 것을 특징으로 하는 열교환기용 알루미늄 합금 핀 재료.