KR101451297B1 - 알루미늄-구리 이종금속 판재의 제조방법, 이에 따라 제조되는 알루미늄-구리 이종금속 판재 및 이를 포함하는 열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알루미늄-구리 이종금속 판재의 제조방법, 이에 따라 제조되는 알루미늄-구리 이종금속 판재 및 이를 포함하는 열교환기에 관한 것으로, 상세하게는 알루미늄 판재와 구리 판재의 표면 산화물을 세척하는 단계(단계 1); 상기 단계 1의 세척한 알루미늄 판재를 300 내지 400 ℃ 로 예열하는 단계(단계 2); 및 상기 단계 1의 구리판재와 상기 단계 2에서 예열된 알루미늄판재를 적층한 후, 이를 60 내지 70 %의 압하율로 롤 본딩(roll bonding) 하는 단계(단계 3); 를 포함하는 알루미늄-구리 이종금속 판재의 제조방법, 이에 따라 제조되는 알루미늄-구리 이종금속 판재 및 이를 포함하는 열교환기를 제공한다.
본 발명은 후속열처리 공정이 없고, 최적의 압하율로 압연한다. 이때 알루미늄-구리 이종금속 판재의 계면에 생성되는 금속간 화합물이 상대적으로 경도가 낮고 취성이 약하기 때문에, 이종금속간 접합강도가 향상되며 계면 박리 현상이 없고, 성형성이 우수하다. 또한, 이 금속간 화합물은 계면 취화(embrittlement) 현상을 쉽게 야기하는 것으로 알려져 있는 두께보다 훨씬 얇은 수십 nm 이기 때문에, 이로 인해 우수한 접합강도를 보일 수 있다. 나아가, 이종금속 사이에 접합재가 필요치 않아 단순한 롤 본딩 공정만으로 우수한 계면특성과 성형성을 가질 수 있는 효과가 있다.

Description

알루미늄-구리 이종금속 판재의 제조방법, 이에 따라 제조되는 알루미늄-구리 이종금속 판재 및 이를 포함하는 열교환기 {Method for manufacturing of Al-Cu dissimilar metal plate, Al-Cu dissimilar metal plate thereby, and a heat exchanger including Al-Cu dissimilar metal plate}

본 발명은 알루미늄-구리 이종금속 판재의 제조방법, 이에 따라 제조되는 알루미늄-구리 이종금속 판재 및 이를 포함하는 열교환기에 관한 것으로, 상세하게는 알루미늄 판재만을 예열하여 본딩함으로써 후속열처리 없이도 접합강도와 성형성이 향상된 알루미늄-구리 이종금속 판재를 제조할 수 있는 제조방법, 이에 따라 제조되는 알루미늄-구리 이종금속 판재 및 이를 포함하는 열교환기에 관한 것이다.

이종 금속간 접합 기술은 다기능 경사 재료 제조의 한 방법으로 주목받고 있는데, 전통적인 용접(fusion welding) 방식은 상호간의 화학적, 물리적, 기계적 물성의 급격한 차이를 수반하기 때문에 건전한 접합 계면을 얻기 위한 조건이 까다롭고 작업자의 용이성이 떨어지는 단점이 있다.

따라서, 고상 기반 접합 혹은 저융점 금속만의 용융을 통한 액상 유기 접합 방식이 대안으로 받아들여지고 있다. 이 중 고상 기반 접합 이종 금속 판재 제조 방법으로는 롤 본딩(roll bonding), 마찰 접합(friction stir welding), 확산 접합(diffusion bonding), 폭발 압접(explosive welding) 등이 있는데, 이 중 기존의 공정을 이용할 수 있다는 공정의 편의성, 연속적인 생산성 및 소재 조합의 용이함을 고려한 경제성 등을 동시에 감안하여 롤 본딩법이 가장 많이 이용되고 있는 추세이다.

고상 접합 공정을 선택할 때 피접합 금속 모재의 조합은 주요 고려 요소가 된다. 롤 본딩을 위한 모재로는 주로 스테인리스강, 티타늄, 구리 등이 적용되는데, 스테인리스강은 내부식 및 강도 특성이 우수하나 고밀도로 인해 경량화가 요구되며, 티타늄의 경우 뛰어난 내부식 특성에도 낮은 성형성 및 높은 가격으로 인해 응용처가 제한되고 있다. 또한 구리의 경우도 높은 전기 전도도 및 열전도도 특성을 보이나 가격이 비싸고 무거운 단점이 있다.

이러한 이유로 상대적으로 가벼운 알루미늄 및 마그네슘 합금이 클래딩 소재로 적용되는 추세이다. 일례로 알루미늄/구리 이종 금속 조합의 경우 상대적으로 저가인 알루미늄 합금의 경량, 저밀도, 내부식 특성과 구리의 고전도도 특성을 배타적으로 조합할 수 있는 장점으로 인해 전기자동차 배터리 등의 각종 부스바(busbar), TV 요크 코일(yoke coils), 냉각 핀 등 경량/고전기전도도 조합이 필요한 기능재 분야로 응용 분야가 확대되고 있다.

반면 구조 재료로의 동시 적용을 위한 건전한 계면을 갖는 금속학적 접합에는 어려움이 따른다. 그 이유로는 알루미늄 표면이 쉽게 산화되는 문제와 더불어 알루미늄의 융점 근처에서의 접합 공정시 알루미늄-구리 계면에 Al₂Cu (θ), AlCu (η₂), Al₃Cu₄ (ζ₂), Al₂Cu₃ (δ) 및 Al₄Cu₉ (γ₂)로 대표되는 다양한 금속간 화합물이 매우 쉽게 형성되어 기계적 물성 및 전기 전도도를 저하시키는 문제점 등이 알려져 있다.

한편, 알루미늄-구리 이종금속 접합과 관련된 종래의 기술로서, 대한민국 공개특허 제10-2012-0140258호에서는 알루미늄 구리 클래드재의 제조방법이 개시된 바 있다. 구체적으로는 알루미늄층과 구리층이 Al-Cu계 금속간화합물층을 통해 접합된 알루미늄 구리 클래드재의 제조방법으로서, 상기 알루미늄층의 바탕이 되는 알루미늄판과 상기 구리층의 바탕이 되는 구리판을 준비하는 준비 공정과, 준비한 알루미늄판과 구리판을 중첩하여 압접(壓接)하는 압접 공정과, 압접한 압접재를 확산 소둔하는 확산 소둔 공정을 구비하는 알루미늄 구리 클래드재의 제조방법이 개시된 바 있다.

그러나, 상기 접합방법은 압연접합 이후 계면 원자간 확산에 의한 금속학적 접합(metallurgical bonding)을 위해 후처리 공정인 소둔 공정을 수행할 경우, 취성 금속간 화합물을 너무 쉽게 형성하게 된다. 이는 궁극적으로 계면접합강도의 저하 혹은 계면 박리(interface delamination) 현상의 주요인이 된다.

또한, 알루미늄과 구리의 원자비가 1:1에 가까운 금속간 화합물이 계면에 형성되는 경우 여타 금속간 화합물상 대비 상대적으로 경도가 높아 쉽게 계면 박리가 진행되거나 전체 이종금속 판재의 성형성을 저하시키는 요인이 된다.

또한, 대한민국 등록특허 제10-0744271호에서는 알루미늄-구리 클래드재 및 그 제조방법이 개시된 바 있으며, 구체적으로는, 알루미늄-구리 클래드재의 제조방법에 있어서, 구리계 부재에 순 알루미늄 또는 JISA1xxx계 알루미늄 합금으로 이루어지는 인서트재를 냉간압연에 의해 접합하여, 접합된 2부재를 얻는 단계; 상기 인서트재에 알루미늄계 부재를 냉간 또는 열간압연으로 접합하여, 접합된 3부재를 얻는 단계; 및 상기 인서트재에 알루미늄계 부재를 냉간 또는 열간압연으로 접합하기 전의 상기 접합된 2부재에 열처리를 실시하거나, 또는 상기 인서트재에 알루미늄계 부재를 냉간 또는 열간압연으로 접합한 후의 상기 접합된 3부재에 열처리를 실시하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 알루미늄-구리 클래드재의 제조방법이 개시된 바 있다.

그러나, 상기 제조방법에 따를 경우 인서트재를 따로 제조하고, 이를 알루미늄과 구리 사이에 접합시키는 공정을 추가시켜야 하는 단점이 있다.

이에, 본 발명의 발명자들은 고온의 소둔 공정에 의한 이종금속 판재의 계면접합강도의 저하, 계면 박리, 성형성 저하, 추가 공정이 필요한 문제점을 해결하기 위해 연구를 수행하던 중, 알루미늄 판재만을 예열한 후, 비교적 저온에서 적절한 압하율의 롤 본딩 공정 자체만으로 알루미늄-구리 이종금속 판재를 제조함으로써, 단순한 공정으로 접합강도와 성형성이 우수한 알루미늄-구리 이종금속 판재를 제조하는 방법을 개발하고 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은

알루미늄-구리 이종금속 판재의 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은

상기 방법에 따라 제조되는 알루미늄-구리 이종금속 판재를 제공하는 데 있다.

나아가, 본 발명의 또 다른 목적은

알루미늄-구리 이종금속 판재를 포함하는 열교환기를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

알루미늄판재와 구리판재의 계면 산화물을 세척하는 단계(단계 1);

상기 단계 1의 세척한 알루미늄 판재를 300 내지 400 ℃ 로 예열하는 단계(단계 2); 및

상기 단계 1의 구리판재와 상기 단계 2에서 예열된 알루미늄판재를 적층한 후, 이를 60 내지 70 %의 압하율로 롤 본딩(roll bonding) 하는 단계(단계 3); 를 포함하는 알루미늄-구리 이종금속 판재의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은,

상기 제조방법에 따라 제조되는 알루미늄-구리 이종금속 판재를 제공한다.

나아가, 본 발명은,

상기 알루미늄-구리 이종금속 판재를 포함하는 열교환기를 제공한다.

본 발명에 따른 알루미늄-구리 이종금속 판재의 제조방법은 종래기술과 달리 후속열처리 공정을 수행하지 않더라도, 최적의 압하율로 압연을 수행함에 따라, 접합강도와 성형성이 우수한 알루미늄-구리 이종금속 판재를 제조할 수 있다. 이때 알루미늄-구리 이종금속 판재의 계면에 생성되는 금속간 화합물이 상대적으로 경도가 낮고 취성이 약하기 때문에, 이종금속간 접합강도가 향상되며 계면 박리 현상이 없고, 성형성이 우수하다. 또한, 상기 금속간 화합물은 계면 취화(embrittlement) 현상을 쉽게 야기하는 것으로 알려져 있는 두께보다 훨씬 얇은 수십 nm 의 두께이기 때문에, 이로 인해 우수한 접합강도를 보일 수 있다.

나아가, 이종금속 사이에 접합재가 필요치 않아 단순한 롤 본딩 공정만으로 우수한 계면특성과 성형성을 가질 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 알루미늄-구리 이종금속 판재 제조 공정을 개략적으로 나타낸 그림이고;
도 2는 본 발명의 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2에서 제조된 알루미늄-구리 이종금속 판재의 계면을 방사형 주사전자현미경으로 관찰한 사진이고;
도 3은 본 발명의 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2에서 제조된 알루미늄-구리 이종금속 판재의 계면의 성분을 에너지분산형 X-선 분석기로 분석한 표이고;
도 4는 본 발명의 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2에서 제조된 알루미늄-구리 이종금속 판재의 계면을 투과전자현미경으로 관찰한 사진이고;
도 5의 (a) 및 (b)는 각각 필름이론(film theory)의 모식도와 롤 본딩시 알루미늄과 구리 계면의 미세조직 변화를 나타낸 모식도이고;
도 6은 본 발명의 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2에서 제조된 알루미늄-구리 이종금속 판재의 1축 인장 곡선 그래프(도 6의 (a)), 인장 시험 후 실제 사진(도 6의 (b)), 제조된 판재와 이로부터 분리된 알루미늄 및 구리 판재의 1축 인장 시험결과를 나타낸 그래프(도 6의 (c))이고;
도 7은 본 발명의 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2에서 제조된 알루미늄-구리 이종금속 판재의 박리 시험 후, 알루미늄-구리 이종금속 판재의 접합강도 그래프(도 7의 (a))와 박리시험 편의 매크로(macro) 형상(도 7의 (b))을 나타낸 사진이고;
도 8은 본 발명의 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2에서 제조된 알루미늄-구리 이종금속 판재의 박리시험 편 중앙부위로부터 관찰한 알루미늄 파면을 방사형 주사전자현미경으로 관찰한 사진이고;
도 9는 본 발명의 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2에서 제조된 알루미늄-구리 이종금속 판재의 박리시험 편 중앙부위로부터 관찰한 구리 파면을 방사형 주사전자현미경으로 관찰한 사진이고;
도 10은 본 발명의 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2에서 수행한 3점 굽힘 시험방법을 개략적으로 도시한 그림이고;
도 11은 본 발명의 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2에서 제조된 알루미늄-구리 이종금속 판재의 3점 굽힘 시험 조건에서 case A의 변위-응력곡선 그래프(도 11의 (a)), case B의 변위-응력곡선 그래프(도 11의 (b)), case A에서 실시예 1의 변위-응력곡선 그래프(도 11의 (c))이고;
도 12는 본 발명의 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2에서 제조된 알루미늄-구리 이종금속 판재(case A)의 3점 굽힘 시험 수행 후, 방사형 주사전자현미경으로 관찰한 사진이고;
도 13은 본 발명의 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2에서 제조된 알루미늄-구리 이종금속 판재(case B)의 3점 굽힘 시험 수행 후, 방사형 주사전자현미경으로 관찰한 사진이고;
도 14는 본 발명의 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2에서 제조된 알루미늄-구리 이종금속 판재(case A)의 에릭슨 시험 후 하중-변위 곡선 그래프(도 14의 (a))와 성형 후 매크로(macro) 형상(도 14의 (b))을 나타낸 사진이고;
도 15는 본 발명의 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2에서 제조된 알루미늄-구리 이종금속 판재(case B)의 에릭슨 시험 후 하중-변위 곡선 그래프(도 15의 (a))와 성형 후 매크로(macro) 형상(도 15의 (b))을 나타낸 사진이다.

본 발명은

알루미늄 판재와 구리 판재의 표면 산화물을 세척하는 단계(단계 1);

상기 단계 1의 세척한 알루미늄 판재를 300 내지 400 ℃ 로 예열하는 단계(단계 2); 및

상기 단계 1의 구리판재와 상기 단계 2에서 예열된 알루미늄판재를 적층한 후, 이를 60 내지 70 %의 압하율로 롤 본딩(roll bonding) 하는 단계(단계 3);를 포함하는 알루미늄-구리 이종금속 판재의 제조방법을 제공한다.

이때, 본 발명에 따른 알루미늄-구리 이종금속 판재의 제조방법을 도 1의 그림을 통해 개략적으로 도시하였으며,

이하, 본 발명에 따른 알루미늄-구리 이종금속 판재의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 알루미늄-구리 이종금속 판재의 제조방법에 있어서, 단계 1은 알루미늄 판재와 구리 판재의 표면 산화물을 세척하는 단계로서,

상기 단계 1의 표면 산화물 세척은 알루미늄 판재와 구리 판재의 피접합 표면을 브러싱함으로써 수행될 수 있다.

일반적으로 순금속의 표면은 열역학적으로 대단히 불안정하기 때문에 아무리 주의를 하더라도 산화피막의 형성을 방지할 수 없고, 거의 순간적으로 형성된 산화층 위에는 또다시 흡착가스, 증기, 기름기 등과 같은 흡착층이 자리 잡게 되어 금속의 표면은 산화층과 그외의 다른 불순물로 항상 오염되어 있다고 볼 수 있다.

이에, 상기 단계 1에서는 상기와 같은 금속판재 표면의 산화층이나 기타 불순물을 제거하기 위하여 유기용제로 탈지작업을 한 후, 즉시 환형 와이어 브러시를 이용하여 브러싱을 수행할 수 있으며, 이를 통해 산화물을 세척해 낼 수 있다.

그러나, 상기 단계 1의 세척이 이에 제한되는 것을 아니며, 표면에 존재하는 산화물 등을 용이하게 제거할 수 있는 방법을 선택하여 사용할 수 있다.

한편, 상기 단계 1에서 산화물을 세척하는 것은 접합 면적을 증가시키기 위함이다. 압하율이 증가함에 따라 접합 면적이 증가하는 현상은 상기 세척 후 표면에 남아있는 산화물로 설명될 수 있기 때문이다.

첸(Chen et al.)에 따르면 알루미늄-구리 롤 본딩시 판재 계면의 접합 메커니즘은 도 5(a)와 같은 '필름 이론(film theory)'으로 설명할 수 있다. 즉, 브러싱 등으로 피접합 표면의 산화물을 1차적으로 제거한 뒤 롤 본딩을 수행하면 롤 압력이 판재 두께 방향으로, 인장력이 압연 방향(rolling direction)으로 작용하게 되면서 피접합 모재 부분이 상호 두께 방향으로 밀려 나와 물리적으로 접합하기 직전의 단계, 피접합 모재 표면들의 활성화가 일어나는 단계, 최종적으로 접합하는 단계를 거치게 된다. 이때 접합 계면에서의 큰 소성 변형이 계면에 존재하는 나머지 산화층을 효과적으로 깨뜨려 큰 접합 면적을 형성하는 데 도움을 주는 것으로 알려져 있다. 즉, 상기 단계 1에서 판재들의 표면 산화물을 세척함에 따라 큰 접합 면적을 형성시킬 수 있어, 궁극적으로 기계적 물성이 향상되는 효과를 나타낼 수 있다.

한편, 상기 단계 1의 알루미늄 판재로는 순 알루미늄 계열인 Al 1XXX 등을 사용할 수 있으며,

상기 단계 1의 구리 판재로는 순동(UNS C1100), 무산소 구리(Oxygen Free Copper OFC), 인탈산 구리 등을 사용할 수 있고, 상기 구리판재로 무산소 구리, 인탈산 구리를 사용할 경우 산화물 생성의 억제효과가 크고, 뛰어난 접합력이 얻어진다.

그러나 상기 알루미늄 판재와 구리 판재가 이에 제한되는 것은 아니며, 알루미늄-구리 이종금속 판재로 적용될 수 있는 판재를 적절히 선택하여 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 알루미늄-구리 이종금속 판재의 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1의 세척한 알루미늄 판재를 300 내지 400 ℃ 로 예열하는 단계이다.

종래기술에 따르면, 알루미늄-구리 판재를 압연한 후 확산소둔 처리를 수행하였으며, 이와 같이 고온의 소둔처리를 하는 경우에는 취성 금속간 화합물이 너무 쉽게 형성되고, 이로 인하여 궁극적으로 계면접합강도의 저하 혹은 계면 박리(interface delamination) 현상의 주요인이 되었다. 또한, 알루미늄과 구리의 원자비가 1:1에 가까운 금속간 화합물이 계면에 형성되는 경우, 여타 금속간 화합물상 대비 상대적으로 경도가 높아 쉽게 계면 박리가 진행되거나 전체 이종금속 판재의 성형성을 저하시키는 요인이 되었다.

반면, 본 발명에 따른 알루미늄-구리 이종금속 판재의 제조방법에서는 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 롤 본딩을 수행하기에 앞서, 알루미늄 판재만을 300 내지 400 ℃ 로 예열한다.

이 경우 추후 롤 본딩이 수행됨에 따라 알루미늄-구리 이종금속 판재의 계면에 생성되는 금속간 화합물이 상대적으로 경도가 낮고 취성이 약하며 두께가 수십 nm 이기 때문에, 우수한 접합강도와 성형성을 가진 알루미늄-구리 이종금속 판재의 제조가 가능하다.

한편, 상기 단계 2의 알루미늄 판재의 예열은 300 내지 400 ℃ 에서 수행되는 것이 바람직하다.

만약, 상기 단계 2의 예열 온도가 300 ℃ 미만인 경우에는 알루미늄-구리 간 결합에 필요한 원자의 활성화 에너지가 부족하게 되어, 알루미늄-구리 이종금속 판재를 제조하기 위해 필요한 정도의 금속간 화합물 두께가 얻어지지 않는 문제점이 있다. 또한, 예열 온도가 400 ℃ 를 초과하는 경우에는 금속간 화합물의 성장이 현저해지기 때문에, 두께의 제어가 곤란해지며, 접합 계면에서의 결정립이 조대화되는 문제점이 발생할 수 있다.

본 발명에 따른 알루미늄-구리 이종금속 판재의 제조방법에 있어서, 단계 3은 단계 1의 구리 판재와 단계 2에서 예열된 알루미늄 판재를 적층한 후, 이를 60 내지 70 %의 압하율로 롤 본딩(roll bonding) 하는 단계로서, 상기 단계 3의 롤 본딩을 통해 알루미늄-구리 이종금속 판재를 제조할 수 있다.

롤 본딩시의 압하율이 70 % 를 초과하는 경우에는 너무 높은 압하율로 인해 알루미늄-구리 모재간 롤 본딩 자체가 불가능한 문제점이 있다.

반면, 압하율이 60 % 미만이면 접합하고자 하는 알루미늄과 구리 두 재료 사이의 원자접근이 어렵기 때문에 접합력이 낮아진다.

구체적으로, 압하율이 60 % 미만의 조건에서 롤 본딩된 경우 기계적 맞물림에 의한 접합 메커니즘만 일어나기 때문에 상대적으로 등축정상의 계면 결정립 형상을 가지며, 일부 기공이 형성된다. 반면, 압하율이 60 % 이상일 경우, 기계적 맞물림 현상과 함께 50 내지 70 nm 의 금속학적 접합을 야기하는 확산 반응층도 형성되며, 계면 크랙이나 기공 없이 결정립 미세화가 일어나기 때문에 압하율이 60 % 미만인 경우보다 향상된 접합강도와 성형성을 가질 수 있다.

본 발명에 따른 알루미늄-구리 이종금속 판재의 제조방법에 있어서, 단계 2의 예열과, 단계 3의 롤 본딩은 연속적으로 수행될 수 있다.

도 1을 참조하면, 알루미늄 판재만을 예열하는 부분과, 알루미늄 판재와 구리 판재를 롤 본딩하는 부분이 연속적으로 구비될 수 있다. 예를 들어, 알루미늄 판재의 예열을 목적으로 설치된 400 내지 450 ℃ 로 가열된 가이드 롤러에 알루미늄 판재를 통과시키고 뒷부분에 위치한 압연롤 부분으로 이를 이동함으로써 롤 본딩을 연속적으로 수행할 수 있다.

이러한 연속처리공정은 별도의 열처리 공정 적용 없이 알루미늄-구리 이종금속 판재의 접합강도 향상을 구현할 수 있어, 공정의 효율성 제고할 수 있으며 원가를 절감할 수 있다.

또한 본 발명은,

상기 알루미늄-구리 이종금속 판재의 제조방법에 따라 제조되는 알루미늄-구리 이종금속 판재를 제공한다.

본 발명에 따른 알루미늄-구리 이종금속 판재는 상기 제조방법을 통해 제조된 것으로서, 알루미늄-구리 계면에 상대적으로 경도가 낮고 취성이 약한 금속간 화합물인 Al₄Cu₉ 반응상을 포함할 수 있다.

또한, 상기 알루미늄과 구리의 계면에 생성되는 Al₄Cu₉ 반응상은, 계면 취화(embrittlement) 현상을 쉽게 야기하는 것으로 알려져 있는 마이크로 스케일보다 훨씬 얇은 50 내지 70 nm 의 두께일 수 있으며, 이에 따라, 이종 금속간 접합강도가 향상되며 계면 박리 현상이 없고, 본 발명에 따른 알루미늄-구리 이종금속 판재가 성형성이 우수한 특성을 나타낼 수 있다.

나아가,

상기 알루미늄-구리 이종금속 판재를 포함하는 열교환기를 제공한다.

상기 알루미늄-구리 이종금속 판재는 우수한 성형성, 접합강도를 가질 뿐만 아니라, 알루미늄의 경량성과, 구리의 전열성, 열확산성 및 내식성을 함께 가지고 있기 때문에, 열교환기 재료로서 사용하면 구리재료로부터 기인하는 중량 증대를 억제하면서, 알루미늄을 초과하는 전열성능을 얻을 수 있다. 또한, 부식하기 쉬운 부분에 구리판재를 배치하도록 사용함으로써, 구리와 동일한 내식성이 얻어진다.

나아가, 압연에 의해 접합하는 것이기 때문에 대면적의 접합이 용이하고, 또한 광폭, 장척의 알루미늄-구리 이종금속 판재의 제조가 가능하다.

따라서, 상기 제조방법에 따라 제조되는 알루미늄-구리 이종금속 판재를 이용하여 경량성, 전열성능, 내식성을 요하고, 또한 대면적을 요하는 열교환기용 재료를 제조할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1> 알루미늄-구리 이종금속 판재의 제조 1

단계 1: 알루미늄 판재와 구리 판재의 표면을 탈지작업 한 후, 즉시 환형 와이어 브러시를 전동 모우터축에 끼워 회전시켜 와이어 브러싱하여 표면 세척하였다.

단계 2: 상기 단계 1에서 세척된 알루미늄 판재를 400 내지 450 ℃ 로 가열된 가이드 롤러에 통과시켜 380 ℃ 로 예열하였다.

단계 3: 상기 단계 1에서 세척된 구리 판재와, 상기 단계 2에서 예열된 알루미늄 판재를 적층한 후, 65 % 의 압하율로 롤 본딩하여, 총 두께 3.2 mm, 두께 비는 7.25:1(알루미늄:구리) 인 알루미늄-구리 이종금속 판재를 제조하였다.

<비교예 1> 알루미늄-구리 이종금속 판재의 제조 2

상기 실시예 1의 단계 3에서 50 % 의 압하율로 롤 본딩하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 알루미늄-구리 이종금속 판재를 제조하였다.

<비교예 2> 알루미늄-구리 이종금속 판재의 제조 3

상기 실시예 1의 단계 3에서 30 % 의 압하율로 롤 본딩하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 알루미늄-구리 이종금속 판재를 제조하였다.

<실험예 1> 전계 방사형 주사전자현미경 관찰

상기 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2에 따라 제조된 알루미늄-구리 이종금속 판재들의 계면 미세 조직을 관찰하기 위해 각각의 시편들을 압연 방향(rolling direction, RD)에 대하여 수직으로 절단한 후 연마하여 전계방사형 주사전자현미경(field-emission scanning electron microscope, FE-SEM, 모델명: TESKAN MIRA II)을 이용한 계면 미세조직 관찰하고, 그 결과를 도 2에 도시하였다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 경우 알루미늄-구리 이종금속 판재의 계면에 쐐기 모양의 층이 두께 2 ㎛, 비교예 1의 경우 4 ㎛ , 비교예 2의 경우 1 ㎛ 로, 50 % 의 압하율로 압연하였을 경우 가장 두껍고 30 % 의 압하율인 경우 가장 얇게 나타났다. 이 쐐기 모양의 층은, 시편 준비 과정에서의 기계적인 덮음 현상에 의한 인위적 효과가 반영된 것이다.

이 외에는 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2 의 모든 결과에서 특별한 결함이나 산화층이 관찰되지 않았고, 이는 압하율과 관계없이 건전한 알루미늄-구리 이종금속 판재의 롤 본딩이 가능했음을 나타낸다.

<실험예 2> 에너지 분산형 X-선 분석기 분석

상기 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2에 따라 제조된 알루미늄-구리 이종금속 판재들의 계면 미세 조직을 관찰하기 위해 각각의 시편들을 압연 방향(rolling direction, RD)에 대하여 수직으로 절단한 후 연마하여 에너지분산형 X-선 분석기(energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDS)를 이용한 성분 분석을 실시하고, 그 결과를 도 3에 도시하였다.

도 3(a)에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 경우, 알루미늄이 72.08 중량 %(85.87 원자 %), 구리가 27.92 중량 %(14.13 원자 %) 이었으며, 도 3(b)에 나타낸 바와 같이 비교예 1의 경우, 알루미늄이 56.03 중량 %(75.00 원자 %), 구리가 43.97 중량 %(25.00 원자 %)를 나타냈고, 도 3(c)에 나타낸 바와 같이, 비교예 2의 경우, 알루미늄이 58.26 중량 %(76.67 원자 %), 구리가 41.74 중량 %(23.33 원자 %)로 측정되었다.

이와 같이, 알루미늄-구리 이종금속 판재의 계면의 조성을 분석한 결과, 알루미늄과 구리의 조성만으로 이루어져 있고, 이를 통해, 압하율과 관계없이 알루미늄-구리 이종금속 판재의 계면에서는 특별한 결함이나 산화층이 형성되지 않고, 알루미늄-구리 화합물이 형성되는 것을 확인할 수 있었다.

<실험예 3> 투과전자 현미경 관찰

상기 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2에 따라 제조된 알루미늄-구리 이종금속 판재들의 계면을 관찰하기 위해 집속 이온 빔(focused ion beam, FIB) 장치를 이용하여 시편을 가공한 후 200 kV 투과전자현미경(transmission electron microscope, TEM, 모델명: JEOL JEM-2100F)을 이용하여 계면 반응상, 즉 금속간 화합물층의 형성 여부 및 계면 근방에서 높은 전단 변형을 겪은 모재들의 결정립 미세화(grain refinement)를 확인하였고, 그 결과를 도 4 및 도 5에 도시하였다.

도 4(a)에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 경우 알루미늄 모재 뿐만 아니라 구리 모재에서도 접합 계면에 결정립 미세화가 집중되는 현상과 더불어, 일부 확산 반응상도 60 내지 70 nm 두께로 관찰되었으며, 특히 회절 패턴(selected area diffraction pattern) 관찰 결과 상기 반응상은 Al₄Cu₉ (γ₂) 금속간 화합물인 것을 알 수 있다.

반면, 도 4(b) 및 도 4(c)에 나타낸 바와 같이, 비교예 1과 비교예 2에서 압하율이 50 %를 거쳐 35 %로 낮아지면서 계면에 반응상이 형성되지 않고 결정립 미세화 현상도 심하게 집중되지 않아, 결과적으로 결정립의 형상이 압연 방향으로 늘어나지 않고 sub-㎛ 크기의 등축정 형상을 유지하였음을 확인할 수 있다. 더불어 계면에 인접한 알루미늄 내부에 기공(voids)도 일부 형성되는 현상도 추가로 확인하였다.

압하율이 클 경우 알루미늄-구리 이종금속 판재의 계면에서 상대적으로 큰 압연 변형(rolling strain)을 겪기 때문에, 낮은 유동 응력에 의해 변형이 집중되는 알루미늄 모재 뿐만 아니라 구리 모재에서도 결정립 미세화 현상이 일어난다.

이와 같은 현상은 도 5(b) 및 도 5(c)에 나타낸 바와 같이, 첸(Chen et al.)의 '필름 이론(film theory)'을 고려한 계면 접합 메커니즘으로 설명할 수 있다.

먼저, 도 5(b)와 같이 낮은 압하율에서는 피접합 모재의 산화층이 약하게 분리되면서 계면 기공을 일부 제거하게 되나, 롤 본딩 후 계면에 인접한 근방에서 일부 기공들이 남게 된다. 이와 같은 기공의 존재는 낮은 압하율로 접합된 이종 금속 판재의 접합 강도 하락을 야기하는 주요 요인이다.

또한, 알루미늄 모재는 높은 압하율에서 접합되는 경우에 대비하여 부족한 계면에서의 전단 변형량으로 인해 상대적으로 연신이 덜 되고 등축정의 결정립 형상을 보인다. 구리 모재도 마찬가지로 계면에서 sub-㎛ 크기의 등축정상의 결정립들이 관찰된다.

반면, 도 5(c)에 도시한 바와 같이 압하율이 높은 경우, 계면에 인접한 영역에서 알루미늄 모재는 압연 방향으로 상당히 연신된 sub-㎛ 크기의 결정립을 갖게 됨과 동시에, 상대적으로 높은 전단 변형에 의해 계면 기공이 억제된다. 특이한 점은 Al₄Cu₉ 금속간화합물층이 ~70 nm 두께로 모재 알루미늄-구리간 계면에 형성되는 현상으로, 이는 높은 압하율로 인해 롤 본딩시 큰 하중이 계면에 집중되어 국부적인 발열에 의한 결과다. 구리 모재는 여전히 계면 근방에서 sub-㎛ 크기의 등축정상의 결정립들이 형성되는데, 특히 낮은 압하율의 경우와 대비되는 점은 금속간화합물층과 구리 모재 사이의 수십 nm 폭 영역에서 국부적인 전단 응력 집중에 의한 결정립 초미세화 현상이 발생하는 현상이다.

결과적으로, 65 % 의 높은 압하율에서는, 30, 50 % 의 낮은 압하율에서와 달리 결정립이 미세화되는 현상이 일어나고, 취성과 경도가 낮은 금속간 화합물 층이 생기며, 계면에 기공이 생기지 않기 때문에 낮은 압하율에서의 알루미늄-구리 이종금속 접합보다 더 나은 접합 강도를 나타낼 수 있다.

<실험예 4> 단축 인장 시험

상기 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2에 따라 제조된 알루미늄-구리 이종 금속 판재에 대하여, 롤 본딩시 압하율이 기계적 물성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 우선 2-ply 소재의 단축 인장 시험편을 ASTM standard E8M-01 sub-size에 따라 표점 거리(gauge length)가 20 mm가 되도록 압연 방향과 수직으로 방전 가공하였다. 단축 인장 시험은 100 kN 용량의 로드 셀(load cell)이 장착된 기계식 인장시험기(Universal Testing Machine)에서 초기 변형률 속도 10^-3 s^-1로 상온에서 실시하고, 그 결과를 도 6에 도시하였다.

도 6(a)에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 경우 약 16.8 % 의 진변형률에서 152.5 MPa의 최대 응력을 보인 뒤 두 단계의 응력 감소 현상을 겪게 되는데, 첫 번째 응력 감소 단계는 구리 모재의 네킹 후 진변형률 23.6 % 에서 시작되는 파단, 두 번째 응력 감소 단계는 바로 이은 알루미늄 모재의 네킹 후 파단에 해당한다.

반면, 비교예 1, 비교예 2와 같이 압하율이 50 % 및 35 % 로 낮아질수록 최대 응력값이 138.8 MPa 및 130.3 MPa으로 감소하였으며, 최대 응력값을 보이는 진변형률 또한 9.2 % 및 8.6 % 로 급격히 감소하는 현상을 보였다. 또한 비교예 1, 비교예 2와 같이 압하율 50 % 및 35 % 로 롤 본딩된 인장 시험편의 경우, 구리 모재가 상대적으로 16.8% 및 13.5%의 진변형률에서 이른 파단을 겪은 후 알루미늄 모재가 네킹 파단을 겪는다.

이는 알루미늄-구리 이종금속 판재의 경우 상대적으로 연신율이 낮은 구리 모재의 파단을 두꺼운 알루미늄이 우수한 접합 특성을 기반으로 지연시켜 주는 효과를 가지며, 이와 같은 효과는 롤 본딩시 압하율이 클수록 극대화되었음을 의미한다.

한편, 도 6(c)에 나타낸 바와 같이, 우선 이종 금속 판재의 최대 응력값(σ_{2-ply, exp})은 두 구성 모재들의 최대 응력값들 사이로 측정되었으며, 잘 알려진 혼합 법칙(rule of mixture, σ_{2- ply , ROM} = f _Alσ_Al + f _Cuσ_Cu)에 의거한 계산 결과와도 잘 따르는 결과를 보였다.

또한, 압하율이 높은 조건에서 제조된 이종금속 판재가 상대적으로 우수한 연신율(δ_{2- ply})을 보이는 반면, 압하율이 낮은 조건에서 접합된 이종금속 판재로부터 분리한 구리 모재의 경우 변형률 특성이 급격히 낮아지고, 결과적으로 알루미늄 모재와의 변형률 차이가 매우 커지므로 이종금속 판재 인장시 계면 박리에 의한 구리 모재 파단이 빠르게 발생하게 된다.

이종금속 판재는 각 구성 모재군들(δ_Al 및 δ_Cu)과 대비해서도 상대적으로 우수한 연신율(δ_{2- ply})을 보이는데, 이는 단상 모재만이 존재할 경우 대비 이종 금속 판재의 경우 네킹이 시작되는 현상을 상호간의 접합에 의해 지연되기 때문으로, 이는 단상 모재가 갖지 못하는 기계적 특성을 개선함에 있어 이종 금속간 롤 본딩의 필요성을 설명하여 주는 결과이다.

결과적으로, 실시예 1에서 65 %의 높은 압하율로 압연하여 제조하는 경우, 비교예 1 및 비교예 2의 50 % 미만의 낮은 압하율에서보다 접합력이 좋기 때문에, 이에 따라 구리 모재의 파단으로 인해 알루미늄 모재가 파단되는 현상이 지연되어, 상대적으로 더 나은 기계적 특성을 가질 수 있다는 점을 알 수 있다.

<실험예 5> 박리 시험

상기 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2에 따라 제조된 알루미늄-구리 이종 금속 판재 계면부의 접합 강도를 측정하기 위해 폭 20 mm, 길이 30 cm 전후의 박리 시험(peel test)용 시편을 압연 방향과 수직으로 방전 가공하였다. 박리 시험은 플로팅 롤러 드럼(floating roller drum) 형식의 ASTM-D3167 규격을 적용해 수행하였으며, 두꺼운 알루미늄 모재층을 고정시킨 후 얇은 구리층을 분당 6 mm의 크로스헤드(crosshead) 속도로 알루미늄 모재로부터 제거해 나가는 방식으로 수행하고, 그 결과를 도 7에 도시하였다.

도 7(a)에 나타낸 바와 같이, 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2에서 압하율 65, 50 및 30 %로 롤 본딩된 이종금속 판재의 평균 접합 강도는 각각 13.4, 7.6 및 0.1 N/mm로, 압하율이 높을수록 큰 접합 강도를 보였다. 이는 압하율이 실시예 1, 비교예 1과 같이 높은 조건에서 롤 본딩된 알루미늄-구리 이종금속 판재는 계면에서의 결정립 미세화와 계면 접합 면적의 향상, 미세 기공 및 크랙의 부재 등의 요인이 복합적으로 작용해 우수한 접합 강도를 보이는 반면, 비교예 2와 같이 압하율이 30 %로 낮은 경우 박리 시험에 의한 데이터로는 거의 0에 가까운 무의미한 수준의 낮은 접합 강도를 보였다.

또한, 실시예 1의 65 %의 압하율 조건에서 알루미늄-구리 이종금속 판재 계면에 형성된 Al₄Cu₉ (γ₂) 확산층은 여타 Al-Cu 금속간 화합물상들, 예를 들어 알루미늄과 구리의 화학 조성비가 1:1에 가까운 AlCu (η₂)이나 Al₃Cu₄ (ζ₂) 대비 상대적으로 경도가 낮은 약한 취성상으로, 그 두께 또한 계면 취화(embrittlement) 현상을 쉽게 야기하는 것으로 알려져 있는 ㎛-order보다 훨씬 얇은 수십 nm 정도로 금속학적 접합(metallurgical bonding)을 활성화하여, 단지 기계적 맞물림(mechanical interlocking)만 발생한 비교예 2의 50 % 이하의 압하율 조건에서 제조된 이종금속 판재 대비 우수한 접합 강도를 보이는데 관여한다.

<실험예 6> 전계 방사형 주사전자현미경 관찰 (박리시험편)

상기 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2에 따라 제조된 알루미늄-구리 이종 금속 판재 계면부의 접합 강도를 측정하기 위한 박리 시험편의 계면 파단 및 균열 특성은 FE-SEM으로 관찰하였고, 그 결과를 도 8 및 도 9에 도시하였다.

도 8에 나타낸 바와 같이, 실시예 1, 비교예 1과 같이 압하율이 높을수록 박리 방향, 즉 박리 시험편의 길이 방향으로 길게 연성 파면(ductile fracture)이 발생하였으며, 폭 방향으로의 연성파면 밀도도 높은 결과를 보였다.

반면 비교예 2와 같이 압하율이 30%로 낮은 경우 연성 파면이 길이 방향으로 짧게 형성되며 그 밀도도 낮고 취성 전단(brittle shear)이 발견되었다.

또한, 도 9에서 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 압하율이 65 % 인 경우 비교예 1의 압하율 50 %, 비교예 2의 압하율 30 % 인 경우보다 어두운 부분이 많이 나타나 있음을 확인할 수 있다. EDS 분석 결과 어두운 부분은 알루미늄, 밝은 부분은 구리로 판명되었다.

따라서 압하율이 높을수록 구리 파면에 남아 있는 알루미늄의 분율이 매우 높은 결과를 확인할 수 있고, 이는 결국 압하율이 높을수록 이종 금속간 금속학적 접합 면적을 넓다는 것을 의미한다. 또한, 실험예 4 및 실험예 5에서 볼 수 있듯이, 압하율이 높을수록 계면 접합 강도가 높기 때문에, 결국 이종 금속간 큰 금속학적 접합 면적이 높은 계면 접합 강도와 직접적인 관련이 있음을 의미한다.

<실험예 7> 3점 굽힘 시험

상기 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2에 따라 제조된 알루미늄-구리 이종 금속 판재에 있어서, 롤 본딩 공정의 압하율이 알루미늄-구리 이종 금속 판재의 성형성에 미치는 영향을 확인하기 위해 3점 굽힘 시험(three-point bending test)을 하기와 같이 수행하였다. 우선 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2의 시험편은 폭 10 mm, 길이 55 mm로 압연 방향과 수직으로 방전 가공하였고, 추가 연마를 통해 시험편의 두께를 알루미늄이 0.7 mm, 구리가 0.3 mm, 전체 2-ply 이종금속 판재 굽힘 시험편의 두께가 1.0 mm가 되도록 연마하였다. 상온 굽힘 시험은 두 하부 받침대간 거리(span length)가 25 mm인 지그에 알루미늄이 상단, 구리가 하단으로 배치된 조건(case A) 및 알루미늄이 하단, 구리가 상단으로 배치된 조건(case B)으로 분리, 수행하였으며, 개요도는 도 10과 같다. 이때 변형 속도(deformation rate)는 초당 0.1 mm였으며 최대 변위 13.5 mm까지 두께 방향으로 벤딩하여 시험을 수행하였다. 그 결과를 도 11에 도시하였다.

알루미늄 모재를 상부에, 구리 모재를 하부에 위치시킨 case A의 경우 변위-응력 곡선은 도 11(a) 및 도 11(c)에 나타낸 바와 같이, 상부 천이 응력(upper transition stress)는 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2의 시편들이 각각 510.7, 431.8, 403.4 MPa로, 압하율이 높을수록 소성 변형의 시작을 위해 높은 굽힘 응력이 필요함을 유추할 수 있다.

더불어 최대 굽힘 강도(flexural strength)는 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2인 시편들이 각각 783.6, 719.5, 721.6 MPa로 측정되었다. 실시예 1의 압하율이 65%로 높은 조건에서 롤 본딩된 알루미늄-구리 이종 금속 판재가 가장 높은 굽힘 강도 값을 나타냈으나, 비교예 1과 비교예2 와 같이 압하율이 50% 이하일 경우 최대 굽힘 강도에 큰 차이가 없었으며, 실제로 변위-응력 곡선 자체가 거의 유사하였다.

구리 모재를 상부에, 알루미늄 모재를 하부에 위치시킨 case B의 경우 변위-응력 곡선이 도 11(b)와 같다. 우선 굽힘 변형량이 늘어남에 따른 가공 경화 현상이 거의 나타나지 않는 점이 case A와 가장 다른 점으로, 이는 인장 응력이 걸리는 알루미늄 모재의 두께 방향으로 최하부, 길이 방향으로의 중심부 위치에서 국부적으로 응력이 크게 걸려 변형이 집중되는 현상 때문으로 판단된다.

상부 천이 응력(upper transition stress)은 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2의 시편들이 각각 581.4, 440.4 및 434.6 MPa로 압하율에 비례하였다.

또한 최대 굽힘 강도(flexural strength)는 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2의 시편들이 각각 820.6, 586.8 및 581.4 MPa로 측정되었는데, 실시예 1의 압하율이 65%로 높은 경우와 비교예 1 및 비교예 2와 같이 50% 이하로 낮은 경우 굽힘 강도의 차이가 case A에 비해 매우 크게 나타났다.

결과적으로, 알루미늄-구리 이종금속 판재는 65 %의 높은 압하율에서 기계적 맞물림에 의한 접합력과 금속학적 접합을 동시에 가지기 때문에, 50 % 이하의 낮은 압하율에서 제조된 알루미늄-구리 이종금속 판재보다 연신율 및 최대 인장강도로 대표되는 기계적 물성이 상대적으로 우수하다는 것을 확인할 수 있다.

<실험예 8> 전계 방사형 주사전자현미경 관찰 (3점 굽힘 시험편)

상기 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2에 따라 제조된 알루미늄-구리 이종 금속 판재의 성형성을 측정하기 위한 3점 굽힘 시험편의 계면 파단 및 균열 특성은 FE-SEM으로 관찰하였고, 그 결과를 도 12 및 도 13에 나타내었다.

도 12에 나타낸 바와 같이, 알루미늄 모재를 상부에, 구리 모재를 하부에 위치시킨 case A의 경우, 실시예 1의 압하율이 65 %로 높은 조건에서 접합된 이종 금속 판재의 경우 알루미늄-구리 계면에 많은 수의 기공(voids)들이 형성되나 비교적 균일하게 분포하고 있으며, 그 크기가 200 내지 500 nm로 상대적으로 미세하였다. 또한 응력 방향으로 수직하게, 즉, 압연 방향으로 평행하게 크랙이 전파되지 않고, 구리 모재가 많은 수의 전단 밴드(shear bands)를 45°방향으로 형성시켜 급격한 박리를 지연시킴을 확인할 수 있다.

반면, 비교예 1 및 비교예 2와 같이 압하율이 50 % 이하로 낮은 경우 상대적으로 큰 기공이 불균일하게 형성되고, 더불어 하중 방향으로 5 mm 전후의 크랙 전파 및 압연 방향으로의 국부 박리(lateral delamination) 현상을 관찰할 수 있다.

또한, 도 13에 나타낸 바와 같이, 구리 모재를 상부에, 알루미늄 모재를 하부에 위치시킨 case B의 경우, 실시예 1의 압하율이 65 %로 높은 조건에서 접합된 이종 금속 판재의 경우 case A의 경우와 유사하게 알루미늄-구리 계면에 많은 수의 기공(voids)들이 형성되나 비교적 균일하게 분포하고 있다.

반면 비교예 1 및 비교예 2의 압하율이 50 % 이하로 낮은 경우 알루미늄 모재에 두께 방향으로의 미세 크랙이 형성될 뿐 아니라, 압연 방향과 평행하게 계면 전체적으로 국부 박리 현상이 관찰되었다.

이는 결국 압하율이 50 % 이하의 낮은 조건에서 접합된 이종 금속 판재의 굽힘 강도는 3점 굽힘 시험을 수행시 판재의 위치와 무관하게 상대적으로 좋지 않은 결과를 나타냄을 입증하는 것이다.

결과적으로, 65 % 의 높은 압하율로 제조된 시편이 알루미늄-구리 모재의 위치와 무관하게 가장 높은 상부 천이 응력 및 최대 굽힘 강도 값을 보였으며, 굽힘 계면 관찰 결과 두께 방향으로의 굽힘력에 수직으로 급격히 퍼지는 박리 현상 없이 일부 기공만 균일하게 분포하여 우수한 성형성을 보였다.

<실험예 9> 에릭슨 시험

상기 실시예 1, 비교예 1, 비교예 2에 따라 제조된 알루미늄-구리 이종 금속 판재의 성형성 평가를 위해 직경 52 mm의 시편을 방전 가공한 뒤, 변형속도 0.5 mm/s, holding force 20 kN, case A 및 case B 배치 조건에서 에릭슨 시험(Erichsen test)을 실시하고, 그 결과를 도 14 및 도 15에 도시하였다.

도 14(a)에 나타낸 바와 같이, 알루미늄 모재를 상부에, 구리 모재를 하부에 위치시킨 case A의 경우, 압하율이 높은 시편일수록 상대적으로 변형에 높은 하중이 필요하였음을 알 수 있다.

또한, 비교예 1 및 비교예 2와 같이 50 % 이하의 압하율로 접합된 알루미늄-구리 이종 금속 판재의 경우 실시예 1의 65 %의 압하율로 접합된 이종 금속 판재 대비 최종 변위가 작았음에도 불구하고, 도 14(b)와 같이, 구리 모재의 원주 부위에 응력 집중으로 인한 파단이 발생하였는데, 이로부터 상대적으로 높은 압하율로 제조된 알루미늄-구리 이종 금속 판재가 우수한 성형성을 보임을 예측할 수 있다.

도 15(a)에 나타낸 바와 같이, 구리 모재를 상부에, 알루미늄 모재를 하부에 위치시킨 case B의 경우, case A와 마찬가지로 압하율이 높은 시편일수록 높은 변형 하중이 측정되었다. 또한, 비교예 2와 같이 압하율이 30 %로 낮은 경우 국부적으로 응력이 증가하지 않는 현상이 5 mm의 변위에서 나타났는데, 이는 구리의 초기 파단이 상대적으로 일찍 시작되었기 때문으로 예측된다.

도 15(b)에 나타낸 바와 같이, 압하율이 낮은 조건에서 제조된 이종 금속 판재의 구리 모재가 심하게 파단되는 현상이 나타나는데, 이는 상기한 구리의 초기 파단이 일찍 시작되는 현상과 일치한다.

따라서 압하율이 적어도 50 % 이상의 조건, 더욱 바람직하게는 60 % 이상인 조건에 해당하는 실시예 1의 판재는 더욱 우수한 상온 성형성을 갖는 것을 알 수 있다.

Claims (9)

1. 알루미늄 판재와 구리 판재의 표면 산화물을 세척하는 단계(단계 1);
   상기 단계 1의 세척한 알루미늄 판재를 300 내지 400 ℃ 로 예열하는 단계(단계 2); 및
   상기 단계 1의 구리판재와 상기 단계 2에서 예열된 알루미늄판재를 적층한 후, 이를 60 내지 70 %의 압하율로 롤 본딩(roll bonding) 하는 단계(단계 3);로 이루어지며, 이에 따라 제조되는 알루미늄-구리 이종금속 판재는 계면에 50 내지 70 nm 두께의 Al₄Cu₉ 반응상을 포함하며,
   6 mm/min의 크로스헤드 속도 조건에서 13.4 N/mm의 평균 접합 강도, 0.25 내지 0.3 %의 연신율, 11.4 mm의 최대 변위를 갖는 것을 특징으로 하는 알루미늄-구리 이종금속 판재의 제조방법.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄판재는 Al 1XXX 계 알루미늄판재인 것을 특징으로 하는 이종금속 판재의 제조방법.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 구리판재는 순동(UNS C1100), 무산소 구리, 인탈산 구리로 이루어진 군으로부터 선택되는 구리판재인 것을 특징으로 하는 이종금속 판재의 제조방법.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 단계 1의 산화물 세척은 알루미늄판재와 구리판재의 피접합 표면을 브러싱함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 이종금속 판재의 제조방법.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 단계 2의 예열과, 상기 단계 3의 롤 본딩은 연속적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 이종금속 판재의 제조방법.
   
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