KR101453427B1 - 열교환기용 내측 라이너 및 핀 재료 - Google Patents

Abstract

열교환기용 내측 라이너 및 핀 재료가 제공된다.
본 발명은
중량%로, Zn : 0.8~1.3%, Mg: 0.1~0.5%, Si: 0.1~0.5%, Fe: 0.2~0.6%, Mn: 0.05~0.2%, Ti: 0.01~0.2%, 잔여 알루미늄을 포함하여 이루어진 열교환기용 라이너 및 핀재료에 관한 것이다.
본 발명은 기존의 라이너, 핀 소재인 7072합금 대비 강도 및 성형성을 향상시키면서도 열전도도의 손실을 최소화하고 접합특성을 향상시킬 수 있다.

Description

열교환기용 내측 라이너 및 핀 재료{An inner liner and pin material for heat exchanger}

본 발명은 열교환기용 내측 라이너 및 핀 재료에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 열교환기 부품을 경량/고효율화하기 위하여 강성, 성형성, 열전도성이 고루 잘 조합된 알루미늄 클래드 박판의 내측 라이너 소재 및 핀 소재용 재료에 관한 것이다.

알루미늄 합금 중 Al-Zn계의 7xxx 합금은 열교환기 헤더, 튜브, 캡 등 냉매가 접촉하는 부품의 내식성을 향상시키기 위한 라이너 재료 및 핀 소재로 사용되는 핵심 재료이다. 열교환기는 생산성과 내식성을 향상시기 위해 알루미늄 클래드 박판을 재료로 하여 프레스 가공 및 브레이징 공정에 의하여 제조하고 있다. 열교환기를 구성하는 헤더, 튜브, 캡 등 냉매가 접촉하는 부품의 경우에는 성형성, 내식성, 강도가 적절히 조화되어 있는 Al-Mn계의 3003 합금을 코어층으로 하고 냉매가 접촉하는 내측은 부식을 방지하기 위하여 Al-Zn계의 7072 합금을 라이너 층으로 한 클래드 박판을 사용하고 있다. 또한 열교환기의 핀 부품 역시 열전도성, 성형성이 뛰어나면서도 Zn을 주 합금 원소로 포함하여 희생 양극으로 작용할 수 있는 Al-Zn계의 7072 합금을 주 재료로 사용한다.

상기의 알루미늄 클래드 박판은 3xxx 합금을 코어층으로 하고 일면 또는 양면에 4xxx 필러층과 7xxx 라이너층을 샌드위치 형상으로 적층한 후 열간압연법인 Alclad 공정에 의하여 클래드 판재로 접합하고, 프레스 성형을 위한 최종 두께로 냉간압연하여 생산한다.

최근 자동차 경량화 및 편의성 향상에 대한 요구 증대로 인해 열교환기와 같은 기존의 부품들은 소형/경량화되면서 동작특성은 더욱 향상될 것을 요구받고 있다. 따라서 사용 소재는 높은 열전도를 확보함과 동시에 방열에 유리한 복잡 형상의 박육 부품으로 성형가공되기 위해 우수한 냉간성형성을 지녀야 하며, 또한 냉매 및 공기의 흐름을 원활하게 하고 제조공정이나 사용 중에 변형되지 않게 하기 위해 높은 강도 값을 동시에 확보하여야 할 필요성이 제기되고 있다. 하지만 일반적으로 열전도도, 강도, 성형성은 서로 상쇄적인 관계에 있다.
자동차 열교환기의 소형화 및 경량화를 위해 핀재가 지속적으로 박육화 되는 추세가 진행됨에 따라 열교환기의 조립시에 핀이 찌부러지거나 사용중에 라디에이터가 파괴되지 않도록 하기 위하여 강도 향상이 중시되고 있으며, 또한 핀재가 얇아짐에 따라 성형가공시 판단이 발생하는 문제가 발생하고 있어 성형성 향상도 중요시 되고 있다. 또한 핀재가 얇아짐에 따라 핀재의 열수송량이 문제가 되어 핀재 자체의 열전도성의 향상이 요구되고 있는 상황이다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 연속주조압연과 냉간압연에 의해 초정(primary crystal) Si를 두께 방향의 중심부에 존재시키고, 초정 Si의 재결정핵화를 피하여 재결정입자를 거칠고 크게 하여, 이에 따라 결정입자계에의 땜납재의 침입을 억제하고, 피로강도의 저하를 방지한 Al-Mn-Si계 합금핀재가 제안되거나 (특개평8-143998호 공보), 연속주조압연에서의 냉각속도를 규정하여 기계적 강도 및 도전성을 높인 Al-Mn-Fe-Si계 합금핀재가 제안되었지만 (WO 00/05426), Si 또는 Mn계 화합물이 조대하게 형성됨에 따라 성형성 및 내식성에 문제가 있다.
Al-Mn계 합금핀재의 문제점을 해결하기 위해 Al-Fe-Ni계 합금핀재가 제안되어 있지만(일본 특개평7-216485호 공보, 특개평8-104934호 공보등), 이 핀재는 강도와 열전도성은 뛰어나지만 자기내식성이 뒤떨어지기 때문에 박육화에는 알맞지 않은 합금이다. 더욱이 핀재 이외에도 열교환기의 헤더, 튜브, 컵 등 부품용 브레이징 시트에 내식용 라이너 소재로 동시에 쓰이기 위해서는 양극방식에 의한 부식 방지에 효과적이면서도 강도, 성형성, 열전도성이 뛰어나야만 한다.
양극방식 특성과 열전도성이 뛰어나면서도 비교적 양호한 강도와 성형성을 지녀 열교환기의 핀 및 라이너 소재로 동시에 쓰이고 있는 것으로는 Al-Zn계의 라이너 및 핀 소재인 7072합금이 있다. 하지만 열교환기를 더욱 박육 경량화하기 위해서는 7072 합금 수준의 양극방식 특성과 열전도성을 그대로 유지하면서도 강도와 성형성을 더욱 향상시켜야 할 필요성이 있다.

따라서 본 발명은 상기 종래기술의 한계를 해결하기 위한 것으로, 열교환기 부품을 경량/고효율화하기 위하여 기존의 라이너 및 핀 소재인 7072합금 대비 강도 및 성형성을 효과적으로 향상시키면서도 열전도도, 내식성 등 기존의 특성은 동등 수준을 유지할 수 있는 열교환기용 라이너 및 핀 재료를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

중량%로, Zn : 0.8~1.3%, Mg: 0.1~0.5%, Si: 0.1~0.4%, Fe: 0.2~0.6%, Mn: 0.05~0.2%, Ti: 0.01~0.1%, 잔여 알루미늄을 포함하여 이루어진 열교환기용 라이너 및 핀재료에 관한 것이다.

본 발명에서는 상기 조성에서 Mg/Si의 중량비가 1.0 이상으로 함이 바람직하다.

아울러, Zn+Mg+Si+Fe+Mn+Ti: 2~3% 임이 바람직하다.

상술한 바와 같은 구성의 본 발명은 브레이징 특성을 떨어트리며 열전도도 손실 민감도가 큰 Cu는 첨가하지 않는 대신 Fe, Mg, Si 등 열전도도 손실 민감도가 낮은 다른 석출강화형 합금원소를 복합첨가함으로써 기존의 라이너, 핀 소재인 7072합금 대비 강도 및 성형성을 향상시키면서도 열전도도의 손실을 최소화하고 접합특성을 향상시킬 수 있다.

또한 합금원소의 조성비율을 적절히 조절하고 Ti를 첨가함으로써 성형성에 부정적 영향을 미치는 공정 석출상의 생성을 방지하여 냉간성형성을 개선할 수 있다.

아울러, Mg/Si의 조성비를 적정범위로 제어함으로써 취성이 강한 실리콘 상이 공정상으로 정출하는 경향을 억제함으로써 인장강도를 향상시키면서도 성형성을 동시에 향상시킬 수 있어 유리하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 사용된 합금재를 통상적인 라이너 및 핀 제품의 제조공정을 따라가며 측정한 경도 및 열전도도의 변화도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 사용된 합금재들의 연신율과 인장강도를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명의 열교환기용 라이너 및 핀재료는, 중량%로, Zn: 0.8~1.3%, Mg: 0.1~0.5%, Si: 0.1~0.4%, Fe: 0.2~0.6%, Mn: 0.05~0.2%, Ti: 0.01~0.1%, 잔여 알루미늄을 포함하여 이루어진다.

상기 Zn은 양극방식에 의한 부식 방지 효과와 고용강화 및 석출강화에 의한 기지 강화 효과를 위해 첨가되는 원소로서, 그 첨가량이 0.8% 미만이면 방식효과가 약해지고 1.3%를 초과하면 열전도도가 낮아지기 때문에 0.8~1.3% 범위로 첨가하는 것이 바람직하다.

상기 Mg는 고용강화 및 석출강화에 의한 기지 강화 효과를 위해 첨가되는 원소로서 0.1% 미만으로 첨가되면 기지강화 효과가 미비하고 0.5%를 초과하여 첨가되면 열전도도가 낮아지기 때문에 0.1~0.5% 범위로 첨가하는 것이 바람직하다.

상기 Si은 고용강화 및 석출강화에 의한 기지 강화 효과를 위해 첨가되는 원소로서 0.1% 미만으로 첨가되면 기지강화 효과가 미비하고 0.4%를 초과하여 첨가되면 열전도도가 낮아지고 성형성을 떨어뜨리기 때문에 0.1~0.4% 범위로 첨가하는 것이 바람직하다.

상기 Fe는 고용강화 및 석출강화에 의한 기지 강화 효과를 위해 첨가되는 원소로서 0.2% 미만으로 첨가되면 기지강화 효과가 미비하고 0.6%를 초과하여 첨가되면 열전도도가 낮아지고 성형성을 떨어뜨리기 때문에 0.2~0.6% 범위로 첨가하는 것이 바람직하다.

상기 Mn은 내부응력부식균열 저항성을 향상시키기 위해 첨가되는 원소로서 0.05% 미만으로 첨가되면 내부응력부식균열 방지 효과가 미비하고 0.2%를 초과하여첨가되면 열전도도가 낮아지기 때문에 0.05~0.2% 범위로 첨가하는 것이 바람직하다.

상기 Ti는 결정립을 미세화함으로써 냉간 성형성을 향상시키기 위해 첨가되는 원소로서 0.01% 미만으로 첨가되면 결정립 미세화 효과가 감소하고 0.1%를 초과하여 첨가되면 열전도도가 낮아지기 때문에 0.01~0.1% 범위로 첨가하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 상기 조성에서 Mg/Si의 중량비를 1 이상으로 함이 바람직하다. 만일 Mg/Si의 조성 비율이 1 이하인 경우에는 성형성을 떨어뜨리는 취성이 강한 실리콘 상이 공정상으로 정출하는 경향이 있으며, 이에 따라 상기와 같이 조성비를 제한함으로써 취약상의 생성을 방지 또는 최소화함으로써 인장강도를 향상 시키면서도 성형성을 동시에 향상시킬 수 있는 것이다.

아울러, Zn+Mg+Si+Fe+Mn+Ti: 2~3% 임이 바람직하다. Zn, Mg, Si, Fe 등 석출강화형 원소들을 2% 이상 복합첨가하고 주조, 성형, 열처리 등 제조공정을 제어함으로써 열전도도의 손실 없이 기지를 효과적으로 강화시킬 수 있지만, 첨가량이 3% 를 초과하여 첨가되는 경우에는 열전도도의 손실이 커지기 때문에 바람직하지 않다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 브레이징 특성을 떨어트리며 열전도도 손실 민감도가 큰 Cu는 첨가하지 않는 대신 Fe, Mg, Si 등 열전도도 손실 민감도가 낮은 다른 석출강화형 합금원소를 복합첨가함으로써 기존의 라이너, 핀 소재인 7072합금 대비 강도 및 성형성을 향상시키면서도 열전도도의 손실을 최소화하고 접합특성을 향상시킬 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예)

성분	Zn(wt%)	Mg(wt%)	Si(wt%)	Fe(wt%)	Mn(wt%)	Ti(wt%)	Al
합금1	1.0	0.1	0.3	0.4	0.1	0.01	bal.
합금2	1.0	0.3	0.3	0.4	0.1	0.01	bal.
합금3	1.0	0.5	0.3	0.4	0.1	0.01	bal.
A7072	0.8~1.3	0.1	Si+Fe:0.7		0.1	-	bal.

상기 표 1의 조성을 갖도록 합금을 유도로를 이용하여 각각 용해 후, 그 용탕을 750℃로 유지하며 Al-10%Ti 모합금을 접종제로 이용하여 용탕 내 Ti의 함량이 0.01%가 되도록 각각 첨가하였다. 그리고 Ti 첨가 후 5~30분을 유지한 후, 케비티 직경 170 mm의 금형에 주조하여 빌렛 시험편을 제조하였다. 후속하여, 빌렛으로부터 채취한 두께 20 mm 시편을 500℃에서 1시간 균질화 열처리를 수행하고, 이어, 500℃에서 압하율 80~90%로 열간 압연하였다. 계속하여 열간 압연된 소재를 480℃에서 20분간 중간 소둔한 후, 상온에서 압하율 60~70% 수준으로 냉간 압연하였으며, 후속하여 300℃에서 1시간 동안 잔류 응력 제거 열처리를 수행함으로써 두께 1.4 mm의 판재를 제조하였다.

상기 제조공정의 각 단계별 경도와 열전도도를 측정하여 그 변화 추이를 도 1에 나타내었다. 도 1에 나타난 바와 같이, 전 경도가 상승하는 성형공정을 포함하여 제조하면, 일반적으로 균질화시 열전도도가 감소하게 되는데 반하여 본 실험의 합금재 1-3은 열전도도가 증가하고 있다. 또한 경도가 크게 상승한 강한 가공경화 처리 후에도 열전도도 감소 현상이 관찰되지 않았다. 이는 300~500℃ 부근에서 진행된 균질화, 열간압연, 중간소둔, 냉간압연, 어닐링 등 제조공정상에서 석출강화 및 결정립 성장에 따른 전도도 향상 효과가 소성변형 및 균질화에 따른 열전도도 감소 효과를 상쇄하였기 때문인 것으로 보여진다. 결과적으로, 최종 어닐링 처리 후에 열전도도는 합금 1-3 모두에 있어서 200 W/mK 이상의 높은 값을 보이고 있다. 즉, 제조공정 및 합금 함량에 따른 경도 및 열전도도 변화를 비교해 보면, 어닐링 후 경도는 Mg 함량이 증가(합금 2-3)함에 따라 40% 증가하였으나, 열전도도의 손실은 없었다. 즉, 도 1에 나타난 바와 같이, 라이너 및 핀 부품이 최종 제품 상태로 사용되는 어닐링 상태에서 합금 2-3이 합금 1에 비하여 열전도도의 손실이 전혀 없이 강성(경도)을 40% 이상 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

한편 상기와 같이 제조된 각 합금별 판재의 연신율과 인장강도를 측정하여 도 2에 나타내었다. 도 2에 나타난 바와 같이, 일반적으로 합금량이 증가하면 강도는 증가하고 연신율은 감소하지만, 본 실험에서는 전체적인 합금량이 낮은 합금 1의 경우가 합금 2-3에 비교하여 강도가 80% 수준으로 낮으면서도 연신율 역시 30% 수준으로 낮았다. 이는 Mg의 함량에 따라 초정상 및 공정상의 종류에는 변화가 없으나 최종 생성상이 달라지기 때문인데, 구체적으로 화학성분간의 조성비, 특히 Mg/Si의 조성비가 1 보다 낮은 합금 1의 경우에는 최종 불변반응에서 취성이 강한 실리콘 상이 정출하기 때문이다.

Ti을 0.01% 이상 첨가해 주면 전 빌렛에 있어서 등축정의 주조조직이 얻어지고 결정립이 1/20 이하의 수준으로 미세화되는데 이는 냉간 성형성을 향상시키는 효과가 있다. 조대한 주상정 조직의 경우에는 냉간 성형성을 떨어뜨리고 성형공정에서 이방성을 야기하게 된다. 따라서 고 Mg/Si의 조성비가 1 이상이면서 0.01%의 Ti를 접종처리하였던 합금 2-3은 합금 1에 비하여 인장강도 및 연신율을 동시에 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다 할 것이다.

Claims (6)

1. 중량%로, Zn : 0.8~1.3%, Mg: 0.1~0.5%, Si: 0.1~0.4%, Fe: 0.2~0.6%, Mn: 0.05~0.2%, Ti: 0.01~0.1%, 잔여 알루미늄을 포함하여 이루어진 열교환기용 라이너.
2. 제 1항에 있어서, 상기 조성에서 Mg/Si의 중량비가 1.0 이상인 것을 특징으로 하는 열교환기용 라이너.
3. 제 1항에 있어서, 상기 조성에서 Zn+Mg+Si+Fe+Mn+Ti: 2~3중량% 임을 특징으로 하는 열교환기용 라이너.
4. 중량%로, Zn : 0.8~1.3%, Mg: 0.1~0.5%, Si: 0.1~0.4%, Fe: 0.2~0.6%, Mn: 0.05~0.2%, Ti: 0.01~0.1%, 잔여 알루미늄을 포함하여 이루어진 열교환기용 핀재료.
5. 제 4항에 있어서, 상기 조성에서 Mg/Si의 중량비가 1.0 이상인 것을 특징으로 하는 열교환기용 핀재료.
6. 제 4항에 있어서, 상기 조성에서 Zn+Mg+Si+Fe+Mn+Ti: 2~3중량% 임을 특징으로 하는 열교환기용 핀재료.
   

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