KR101831505B1 - 브레이징 용도를 위한 클래드 시트 합금 - Google Patents

브레이징 용도를 위한 클래드 시트 합금 Download PDF

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Abstract

본 출원은 알루미늄 합금 코어와 알루미늄 합금 클래딩을 가지는 다층 알루미늄 재료를 개시하며, 알루미늄 합금 클래딩은 0.1 내지 1.0 중량%의 Cu, 0.1 내지 0.5 중량%의 Fe, 0.1 내지 1.0 중량%의 Mn, 3 내지 15 중량%의 Si, 0.005 내지 0.15 중량%의 Ti 및 0.1 내지 7 중량%의 Zn, 잔부의 Al을 함유한다. 알루미늄 합금 클래딩은 또한 선택적으로 0.001 내지 0.3 중량%의 Mg, 0.001 내지 0.01 중량%의 Ni 또는 0.001 내지 0.05 중량%의 Sr, Ca 또는 Na 중 적어도 하나 중 하나 이상을 함유할 수 있다. 재료를 제조하는 방법이 또한 기술된다. 재료는 시트 형태로 제조될 수 있고, 브레이징 용도에 적합하다. 브레이징 단계들을 포함하는 다층 알루미늄 재료로 제작된 금속 형태가 또한 기술된다.

Description

브레이징 용도를 위한 클래드 시트 합금{CLAD SHEET ALLOYS FOR BRAZING APPLICATIONS}
관련 출원
본 출원은 그 전체에 있어서 참조에 의해 본원에 통합되는 2013년 3월 15일자 출원된 미국 특허 가출원 제61/789,215호의 이점을 청구한다.
발명의 기술분야
본 발명은 금속 과학, 재료 화학, 야금학, 알루미늄 합금, 알루미늄 제조, 및 관련 분야에 관한 것이다.
브레이징 응용에 적합한 클래드 시트 합금은 Si가 첨가된 상용 순도 스멜터 알루미늄(smelter aluminum)으로 제조된 클래딩 합금을 포함한다. 이러한 종래의 클래드 알루미늄 합금은 7 내지 12%의 Si, <0.25%의 Fe 및 극미량의 다른 원소를 함유한다. 상용 순도 스멜터 알루미늄은 2차 또는 재생 알루미늄보다 비싸다. 이러한 클래드 시트 합금에서 재생 알루미늄 합금의 함유량을 증가시키는 것에 의해 브레이징 응용에 적합한 클래드 시트 알루미늄 합금의 비용을 감축하는 것이 필요하다. 예를 들어, 브레이징 부분들에 의해 생산된 브레이징 접합부(joint) 또는 클래드 시트 알루미늄 합금으로 제작된 물체의 내식성 및/또는 강도를 증가시키기 위하여 브레이징 응용에 적합한 알루미늄 합금의 특성을 개선하는 것이 또한 필요하다.
본 명세서에서 용어 "발명", "본 발명", 및 "이 발명"은 본 특허 츨원 및 다음의 청구항들의 모든 요지를 넓게 인용하도록 의도된다. 이러한 용어를 포함하는 서술은 본 명세서에 기술된 요지를 제한하지 않거나 또는 다음의 특허 청구항들의 의미 또는 범위를 제한하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명의 포함된 실시예들은 이 요약이 아니라 청구항들에 의해 한정된다. 이러한 요약은 본 발명의 다양한 양태의 높은 레벨의 개요이며, 다음의 발명의 상세한 설명에서 추가로 설명되는 개념들 중 일부를 소개한다. 이러한 요약은 청구된 요지의 핵심 또는 본질적인 특질을 확인하도록 의도되지 않고, 청구된 요지의 범위를 결정하도록 별개로 사용되도록 의도되지 않는다. 요지는 전체 명세서의 부분, 도면 및 각 청구항의 일부 또는 전부를 참조하여 이해되어야 한다.
전통적인 클래딩 합금보다 훨씬 높은 레벨의 Fe, Cu, Mg, Mn, Ni, Si, Ti 또는 Zn 중 하나 이상을 함유하는 알루미늄 합금은 전형적으로 클래딩보다 주조를 위해 사용된다. 본 발명자는 이러한 "주조용 합금"이 브레이징 응용에 적합한 주조용 알루미늄 합금에서 클래딩 합금으로서 사용될 수 있다는 것을 발견했다. 본 발명은 알루미늄 합금 코어와 알루미늄 합금 클래딩을 포함하는 다층 알루미늄 재료를 제공한다. "클래드 알루미늄 합금"으로 지칭되는 이러한 재료는 시트 형태로 제조되고 브레이징 응용을 위해 사용될 수 있다. 본 발명은 상기 알루미늄 재료를 제작하기 위한 공정뿐만 아니라 금속 형태를 제작하는 공정 및/또는 상기 알루미늄 재료로 제작된 물체를 또한 제공한다. 그 중 적어도 하나가 다층 알루미늄 재료로 제작된 금속 형태 또는 물체를 브레이징하는 것에 의한 합침(joining)을 포함하는, 상기 다층 알루미늄 재료를 사용하기 위한 공정이 또한 제공된다. 본 발명의 실시예로 통합되는 바와 같은 브레이징은 진공 브레이징, 분위기 제어 브레이징(controlled atmosphere brazing), 보그워너 Ni 도금 공정(Borg-Warner Ni plating process) 또는 용융염 브레이징(molten salt brazing)을 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 하나의 예시적인 실시예는 알루미늄 합금 코어와 알루미늄 합금 클래딩을 포함하는 알루미늄 재료이며, 클래딩은 ≤1.0 중량%의 Cu, ≤0.5 중량%의 Fe, ≤1.5 중량%의 Mg, ≤1.0 중량%의 Mn, ≤0.01 중량%의 Ni, ≤15 중량%의 Si, ≤0.15 중량%의 Ti, ≤7 중량%의 Zn 및 ≤0.05 중량%의 Sr, 잔부의 Al을 포함하는 알루미늄 합금을 포함한다. 본 명세서에 기술된 다양한 실시예에서, 지배 원소는 알루미늄(Al)이며, 때때로 잔부의 Al로 지칭된다는 것을 이해하여야 한다. 본 명세서에 기술된 합금의 다양한 실시예들이 달리 지정되지 않으면 다양한 불가피 불순물을 포함할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 일부 비제한적인 예에서, 각 불순물의 함유량은 0.05 중량%까지일 수 있다. 일부 다른 비제한적인 예에서, 불순물의 전체 함유랑은 0.15 중량%까지일 수 있다. 한 실시예에서, 알루미늄 합금 클래딩은 0.1 내지 1.0 중량%의 Cu, 0.1 내지 0.5 중량%의 Fe, 0.1 내지 1.0 중량%의 Mn, 3 내지 15 중량%의 Si, 0.005 내지 0.15 중량%의 Ti 및 0.1 내지 7 중량%의 Zn, 잔부의 Al을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 알루미늄 합금 클래딩은 0.15 내지 0.6 중량%의 Cu, 0.1 내지 0.4 중량%의 Fe, 0.2 내지 0.7 중량%의 Mn, 5 내지 12 중량%의 Si, 0.01 내지 0.15 중량%의 Ti 및 0.5 내지 5 중량%의 Zn, 잔부의 Al을 포함한다. 여전히 또 다른 실시예에서, 알루미늄 합금 클래딩은 0.15 내지 0.3 중량%의 Cu, 0.2 내지 0.4 중량%의 Fe, 0.3 내지 0.5 중량%의 Mn, 7 내지 10 중량%의 Si, 0.005 내지 0.13 중량%의 Ti 및 0.5 내지 3.5 중량%의 Zn, 잔부의 Al을 포함한다. 상기 실시예 중 임의의 것에서, 알루미늄 합금 클래딩은 선택적으로 0.001 내지 0.3 중량%의 Mg, 0.001 내지 0.01 중량%의 Ni 또는 0.001 내지 0.05 중량%의 Sr, Na 또는 Ca 중 하나 이상을 추가로 포함할 수 있다.
재료는 시트의 형태를 할 수 있으며, 시트의 일측 또는 양측에 있는 클래딩을 포함한다. 본 발명의 또 다른 예시적인 실시예는 알루미늄 합금 코어와 알루미늄 합금 클래딩을 포함하는 알루미늄 재료를 준비하는 공정이며, 클래딩 합금을 주조하는 단계; 요구된 두께로 클래딩 합금을 압연하고, 그러므로 압연된 클래딩 합금을 생산하는 단계; 압연된 코어 합금의 적어도 일측 상에 압연된 클래딩 합금을 조립하는 단계; 및 압연된 코어 합금 상에 압연된 클래딩 합금을 열간 압연 접착시키는 단계를 포함한다. 상기 공정의 변형은 알루미늄 합금 코어와 알루미늄 합금 클래딩의 FUSION(상표명)(Novelis, 미국 애틀랜타에 소재) 공정에 의해 용융 주조(fusion casting)하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 공정은 주조 전에 Si의 첨가와 함께 스크랩 알루미늄(scrap aluminum)으로부터 또는 스크랩 알루미늄과 스멜터 등급 알루미늄의 조합으로부터 클래딩 합금을 준비하는 단계를 포함할 수 있다. 특히, 클래드 알루미늄 합금은 재생 스크랩 알루미늄 금속을 함유할 수 있다.
본 발명의 또 다른 예시적인 실시예는 제2 알루미늄 합금 형태와 본 발명의 실시예에 따른 재료로 제작된 적어도 하나의 알루미늄 합금 형태를 브레이징하는 것에 의해 접합하는 단계를 포함하는 공정이다. 브레이징에 의해 접합하는 단계를 포함하는 공정에 의해 제작된 물체는 또한 본 발명의 실시예들의 범위 내에 포함된다. 이러한 물체의 예는 히터 코어, 증발기, 라디에이터, 응축기, 튜브, 파이프 또는 매니폴드이다.
도 1은 브레이징에 적합한 클래드-시트 알루미늄 합금을 개략적으로 도시한 도면;
도 2는 알루미늄 실리콘 상도(phase diagram)를 개략적으로 도시한 도면;
도 3은 전기 화학 전위 시리즈의 재현을 도시한 도면;
도 4는 일정 범위의 알루미늄 합금의 용융 온도의 서모켈크 계산(ThermoCalc calculation)의 결과를 도시한 막대 그래프;
도 5는 2011년 NSW HSC Online ⓒ NSW 교육 지역 사회부(Department of Education and Communities), 및 찰스 스터트 대학(Charles Sturt University)으로부터 허가를 받고 재현된 시트 알루미늄 합금의 제조에 적합한 일반적인 주조/열간 압연 공정을 도시한 개략도;
도 6은 코일 냉각기의 예의 사진;
도 7은 라디에이터 예의 사진;
도 8은 증발기 플레이트의 예의 사진;
도 9는 증발기의 예의 사진;
도 10은 비 클래드 구성 성분의 브레이징 동안 충전제(filler)로서 사용될 수 있는 가변 크기의 링, 와이어, 와이어의 코일 및 다른 형상을 도시한 사진;
도 11은 패널 A에서 예시적인 다층 알루미늄 시트 단면의 개략적인 이미지, 및 패널 B에서, 패널 A에 도시된 종류의 시트로 형성된 튜브 단면의 개략적인 이미지를 도시한 도면;
도 12는 "생주물(as cast)" 상태로서 2개의 실험적 클래드 알루미늄 합금의 비교를 예시하는 현미경 사진. 패널 A는 Sr로 개질된 종래의 알루미늄 합금 AA4343 + 1% Zn의 "생주물" 잉곳을 통한 종단면을 도시한다. 패널 B는 본 발명의 실시예에 따른 클래드 알루미늄 합금의 "생주물" 잉곳을 통한 종단면을 도시한다;
도 13은 도 12에 도시된 각 클래딩 합금으로 제조된 브레이징 시트의 비교를 도시한 현미경 사진. 패널 A는 Sr로 개질된 종래의 알루미늄 합금 AA4343 + 1% Zn이 X902 코어 합금의 일측 상에 클래딩된 클래드 시트 합금의 종단면을 도시한다. 패널 B는 X902 코어 합금 상에 변형 2 클래딩 합금의 종단면을 도시한다;
도 14는 도 13에 도시된 샘플의 브레이징 후(post braze) 비교를 도시한 현미경 사진;
도 15는 "앵글 온 쿠폰(Angle on Coupon)" 테스팅을 도시한 개략적인 이미지.
본 설명에서, AA 번호와 "시리즈"와 같은 다른 관련 명칭에 의해 확인되는 합금들이 참조된다. 알루미늄과 그 합금을 명명하고 확인하는데 통상적으로 사용되는 번호 지정 체계의 이해를 위하여, 둘다 The Aluminum Association에 의해 간행된 문헌[International alloy Designations and Chemical Composition Limits for Wrought Aluminum and Wrought Aluminum alloys] 또는 문헌[Registration Record of Aluminum Association alloy Designations and Chemical Compositions Limits for Aluminum alloys in the Form of Castings and Ingot]을 참조할 수 있다.
그 중에서도, 이러한 문헌은 알루미늄 합금 코어와 알루미늄 합금 클래딩을 포함하는 획기적인 다층 알루미늄 재료를 설명한다. 이러한 다층 알루미늄 재료는 "클래드 알루미늄 합금"으로서 지칭될 수 있다. 본 명세서에서 설명된 획기적인 다층 알루미늄 재료는 시트의 일측 또는 양측 상에 클래딩을 갖는, 시트로서 제조될 수 있으며, 이 경우에, 이것들은 단수 또는 복수형으로 "클래드 시트 알루미늄 합금", "클래드 알루미늄 시트", "클래드 시트 합금" 또는 다른 관련 용어로서 지칭될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "클래드 알루미늄 합금"과 유사 용어는 용어 "클래드 시트 알루미늄 합금"과 유사 용어보다 범위에서 넓다. 즉, 클래드 시트 알루미늄 합금은 클래드 알루미늄 합금의 부분집합(subset)이다.
클래드 시트 알루미늄 합금을 포함하는 클래드 알루미늄 합금은 다양한 조성과 특성을 소유할 수 있다. 이러한 특성 중 일부는 코어와 클래딩 층의 화학 조성에 의해 부여될 수 있는 한편, 다른 특성은 클래드 알루미늄 합금의 생산 또는 제작에 사용된 제조 또는 제작 공정에 의해 부여될 수 있다.
본 명세서에서 설명된 클래드 시트 알루미늄 합금은 브레이징에 의한 금속 표면의 합침을 요구하는 제작 또는 제조 공정에 적합하다. 브레이징은 충전제 금속(filler metal)이 용융점 이상 가열되어 모세관 작용에 의해 2개 이상의 클로스 피팅(close-fitting) 부분 사이에 분포되는 금속 합침 공정이다. 본질적으로, 본 명세서에서 설명된 클래드 알루미늄 합금이 브레이징 공정에서 사용될 때, 클래딩은 용융하고, 모세관 작용에 의해 브레이징될 구성 성분 사이의 접촉 지점으로 유동하도록 이용할 수 있는 충전제 금속이 된다. 브레이징을 위해 합쳐지는 양쪽 또는 모든 부분이 반드시 클래드 시트 합금으로 만들어질 필요가 없다는 것을 이해하여야 한다. 적어도 일부 경우에, 이러한 합쳐지는 부분 중 단지 한 부분만이 클래드 시트 합금으로 만들어지면 충분하다. 예를 들어, 클래드 튜브 스톡(clad tube stock)은 라디에이터 또는 증발기에서 비클래드 핀 합금(non-clad fin 합금)에 합쳐질 수 있다. 다른 예에서, 클래드 핀은 응축기에 있는 비클래드 압출 튜브에 합쳐질 수 있다. 브레이징 및 관련 공정에서 클래드 합금 시트의 사용과, 브레이징을 수반하는 제조 공정에 따라서 제작된 물체와 같은 결과들은 대체로 "브레이징 응용"으로 지칭된다.
본 발명은 예상밖으로 클래딩이 아니라 주조에 전형적으로 사용되는 특정 합금이 브레이징 응용에 적합한 클래드 알루미늄 합금에서 클래딩 합금으로서 사용될 수 있다는 것을 밝혀내었다. 이러한 전통적인 "주조용 합금"은 종래에 브레이징 응용에서 사용된 클래딩 합금보다 훨씬 높은 레벨의 Fe, Cu, Mg, Mn, Ni, Si, Ti, 또는 Zn 중 하나 이상을 함유한다. 브레이징 응용을 위한 클래드 알루미늄 합금에서 클래딩 합금으로서 이러한 전통적인 "주조용 합금"의 사용은 본 명세서에서 추후의 상세한 설명에서 설명되는 다수의 이점을 유발한다. 본 발명은 클래드 시트 알루미늄 합금을 포함하는 본 명세서에서 설명된 획기적인 클래드 알루미늄 합금과, 획기적인 클래드 알루미늄 합금의 제조 및 용도에 관련한 공정에서 구현된다. 본 발명의 실시예 중 일부는 획기적인 클래드 알루미늄 합금의 제작 또는 제조를 위한 공정들이다. 본 발명의 일부 다른 실시예는 브레이징을 수반하는, 클래드 알루미늄 합금을 사용하기 위한 공정이다. 본 발명은 본 명세서에서 설명된 획기적인 클래드 알루미늄 합금을 사용하여 생산된 브레이징된 접합부들을 갖는 형태 또는 물체를 포함한다.
클래드 알루미늄 합금
본 발명의 실시예에 따른 획기적인 클래드 알루미늄 합금은, 획기적인 클래드 알루미늄 합금이 브레이징 응용에서 종래에 사용된 클래딩 합금보다 높은 레벨의 Fe, Cu, Mg, Mn, Ni, Si, Ti, 또는 Zn 중 하나 이상을 함유하는 알루미늄 합금의 적어도 하나의 클래딩 층을 함유하는 것에서 브레이징 응용에 적합한 종래의 클래드 알루미늄 합금과 다르다. 본 명세서에 설명된 획기적인 클래드 알루미늄 합금은 시트의 일측 또는 양측에 있는 코어와 클래딩을 포함하는 클래드 시트 합금으로 제작될 수 있다.
용어 "클래딩", "클래드", "클래딩 층", 및 관련 용어들은 일반적으로 다층 알루미늄 합금의 비교적 얇은 표면층을 지칭하도록 사용된다. 용어 "코어", "코어층" 및 관련 용어는 다층 알루미늄 합금의 비교적 두꺼운 층을 지칭하도록 사용된다. 클래드 시트 알루미늄 합금은 시트의 양측 상에 클래딩 층들을 가질 수 있으며, 이 경우에, 코어층은 사실 다층재의 내부층이다. 그러나, 클래드 시트 합금은 시트의 일측에만 클래딩을 가질 수 있으며, 이 경우에, 코어층은 표면일 수 있다. 코어층과 클래딩 층 또는 클래딩 층들은 전형적으로 상이한 화학 조성을 가진다. 클래드 시트 합금은 상이한 조성 및 특성을 갖는 2개의 다른 클래딩 층을 가질 수 있다.
브레이징 응용에 적합한 클래드 알루미늄 합금이 반드시 하나의 코어층과 하나 또는 2개의 클래딩층을 함유하지는 않는다는 것을 이해하여야 한다. 클래드 알루미늄 합금은 다른 층을 함유할 수 있으며, 그 중 일부는 "중간층", "외부층", "라이너" 및 다른 관련 용어로 지칭될 수 있다. 이러한 개념은 본 명세서에 달리 설명되고 도시된 일부 예에서 예시된다. 클래드 알루미늄 합금의 일부 예들은 도 1 및 도 11에 예시된다. 클래드 시트 알루미늄 합금은, 각각 특정 기능을 가지는 2, 3, 4, 5, 6 또는 그 이상의 별개의 층들을 가질 수 있다. 보다 일반적으로, 클래드 시트 알루미늄 합금은 하나 이상의 작업에서 서로 적층되고 결합될 수 있는 것과 같은 많은 층을 가질 수 있다. 상업적인 맥락에서, 하나의 가능한 제한 인자는 생산 및/또는 폐기 비용이며, 이는 다층 합금이 상업적으로 실행 가능하기에는 층들의 증가된 수가 너무 많게 될 수 있다. 브레이징 응용에 적합한 클래드 시트 알루미늄 합금의 맥락에서, 클래딩 층 중 하나 이상은 브레이징 사이클 동안 용융되는 시트의 부분이다. 라이너는 브레이징 사이클 동안 용융되는 것으로 예상되지 않는 층일 수 있으며, 다층 알루미늄 합금 상에 내식성 또는 증가된 강도와 같은 다른 이점을 부여할 수 있다. 코어는 주 코어층의 일측 또는 양측 상의 하나 이상의 중간층과 같은 다층을 또한 포함할 수 있다.
"브레이징 알루미늄 합금", "브레이징 클래딩 합금", "브레이징을 위한 클래딩 합금", 및 다른 관련 용어로 지칭될 수 있는 브레이징 응용에 적합한 클래딩의 조성은 표 1(a, b, c)에 예시된다. 표 1에 열거된 원소의 함유량은 표 1에 도시된 하한 및 상한에 의해 정해진 범위 내에 놓일 수 있다. 하한은 "같거나 또는 그 이상"(≥ 기호) 또는 "초과"(> 기호), 또는 다른 관련 기호와 "...로부터", "보다 많은" 등과 같은 설명에 의해 기술될 수 있다. 상한은 "같거나 또는 그 이하"(≤ 기호), "미만"(< 기호) 또는 "..까지", "미만" 등과 같은 설명에 의해 기술될 수 있다. 설명의 다른 형태는 또한 "사이", "..의 범위에 있는" 등과 같이 범위를 설명하도록 또한 사용될 수 있다. 범위가 단지 상한에 의해 설명될 때, 이러한 범위 내에 놓이는 일부 예에서, 당해 원소는 존재하지 않거나, 검출 가능한 양으로 존재하지 않거나, 또는 종래에 알루미늄 합금의 분야에서 중요한 것으로서 인식되지 않는 그러한 양으로 존재할 수 있다. 또한, 용어 "잔부"는 본 명세서에 설명된 알루미늄 합금에 함유된 알루미늄(Al)을 설명하도록 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 표 1에 반드시 열거되지는 않은 일부 다른 첨가제 및/또는 원소가 알루미늄 합금에 존재할 수 있다는 것을 또한 이해하여야 한다. 일반적으로, 알루미늄 합금과 관련 용어 및 명명법은 The Aluminum Association에 의해 발행된 문헌[Registration Record of Aluminum Association alloy Designations and Chemical Compositions in the Form of Castings and Ingot]에 기록되어 있다.
표 1에 포함된 하나 이상의 원소뿐만 아니라 표 1에 필수적으로 열거되지 않은 다른 원소의 존재 및 함유량은 금속공학의 분야에서 공지되고 다음에 간단히 요약된 일반적인 원리에 따라서 알루미늄 합금 클래딩의 특성에 영향을 미칠 수 있다. 그러므로, 원소 중 하나 이상의 존재 및 함유량을 변화시키는 것에 의해, 클래딩 층과, 클래딩 층을 통합하는 클래드 알루미늄 합금의 특성을 변경하는 것이 가능하고, 원소 중 일부는 다음에 설명된다.
Cu: 고용체(solid solution)로 있는 Cu는 알루미늄 합금의 강도를 증가시킨다. 농도에 의존하여, Cu는 알루미늄 합금의 내식성에서의 영향을 가질 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일부 실시예에 따른 클래드 알루미늄 합금에서, 고용체에 있는 Cu는 메트릭스의 부식 전위(corrosion potential)(ASTM G69 SCE)와 공정계(eutectic system)로 있는 Si 입자 사이의 확산을 낮추는 것에 의해 내식성을 증가시킬 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 클래드 알루미늄 합금의 클래딩 층은 일부 비제한적인 예에서 0.1 내지 0.3, 0.1 내지 0.6, 0.1 내지 1.0, 0.15 내지 0.3, 0.15 내지 0.6 0.15 내지 0.1, 0.5 내지 1.0, >0.5이지만 ≤1.0, 0.55 내지 1.0 또는 0.6 내지 1.0 중량%의 Cu를 포함할 수 있다. 클래딩 층에서의 Cu 함유량은 비록 클래딩 층에 여전히 존재할 수 있지만 본 발명의 일부 실시예에서 명시되지 않을 수 있다.
Fe: 비교적 소량의 Fe는 처리 후에 알루미늄 합금에 있는 고용체에서 존재할 수 있다. Fe는 Mn, Si, 및 다른 원소를 함유할 수 있는 금속간 구성 성분(intermetallic constituent)의 일부일 수 있다. 파괴 인성과 같은 합금의 유익한 특성에 기여하지 못하는 큰 구성 성분을 피하도록 알루미늄 합금에서 Fe 함유량을 제어하는 것이 때때로 유익하다. 종래의 클래딩 합금에서, Fe 함유량은 침상(needle form)인 Beta AlFeSi의 형성을 피하도록 낮게 유지된다. 본 발명의 실시예에서 클래딩 층을 위해 사용되는 알루미늄 합금은 Fe의 종래에 수용 가능한 레벨보다 높게 용인할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 클래드 알루미늄 합금의 클래딩 층은 일부 비제한적인 예에서 0.1 내지 0.4, 0.1 내지 0.5, 0.2 내지 0.4 또는 0.2 내지 0.5 중량%의 Fe를 포함할 수 있다. 클래딩 층에서 Fe 함유량은 비록 클래딩 층에 여전히 존재할 수 있지만 본 발명의 일부 실시예에서 명시되지 않을 수 있다.
Mg: Mg는 대체로 알루미늄 합금에서 강도를 위해 첨가된다. 브레이징에서, Mg는 충전제 금속이 인접한 표면을 습윤하도록 표면 산화물을 분해하도록 돕는 것에서 진공 브레이징을 개선하도록 첨가될 수 있다. 그러나, Mg가 브레이징 사이클 동안 K2MgF4 및 MgF2의 고체 침(solid needle)을 생성하도록 플럭스와 반응하는 경우에, 분위기 제어 브레이징(Controlled Atmosphere Brazing: CAB)에 유해하다. 일반적으로, Mg의 포함은 본 발명의 실시예에 따른 클래딩 합금에 대한 필요조건은 아니지만, Mg의 존재는 일부 실시예에서 요구되거나, 필요하거나 또는 선택될 수 있다. 즉, Mg는 본 발명의 실시예에 따른 클래드 알루미늄 합금의 클래딩 층에서 반드시 존재하지 않을 수 있다(즉, 존재하거나 또는 존재하지 않을 수 있거나 또는 선택적으로 존재할 수 있다). 그럼에도 불구하고, 본 발명의 실시예에 따른 클래드 알루미늄 합금의 클래딩 층은 일부 비제한적인 예에서, 0.00 내지 0.1, 0.00 내지 0.2, 0.00 내지 0.3, 0.00 내지 0.5, 0.00 내지 1.5, 0.001 내지 0.1, 0.001 내지 0.2, 0.001 내지 0.3, 0.001 내지 0.5, 0.001 내지 1.5, 0.005 내지 0.1, 0.005 내지 0.2, 0.005 내지 0.3, 0.005 내지 0.5, 0.005 내지 1.5, 0.005 내지 0.1, 0.005 내지 0.2, 0.005 내지 0.3, 0.005 내지 0.5, 0.005 내지 1.5, 0.1 내지 0.2, 0.1 내지 0.3, 0.1 내지 0.5, 0.1 내지 1.5, 0.2 내지 0.3, 0.2 내지 0.5 또는 0.2 내지 1.5 중량%의 Mg를 선택적으로 포함할 수 있다. CAB 브레이징에 적합하도록, 클래딩 합금은 전형적으로 특별한 플럭스가 KMgF2의 침 형성을 제한하거나 또는 제거하도록 사용되지 않으면 ≤0.2 중량%의 Mg를 함유하는 것이 필요하다. 진공 브레이징에 적합하도록, 클래딩 합금은 대략 0.2에서 1.5 중량%의 Mg를 함유하는 것이 필요하다. Borg-Warner 공정에 적합하도록, 클래딩 합금은 전형적으로 대략 0.5 중량%까지의 Mg를 함유하는 것이 필요하다. 클래딩 층에서 Mg 함유량은 비록 클래딩 층에 여전히 존재할 수 있지만 본 발명의 일부 실시예에서 명시되지 않을 수 있다.
Mn: 고용체에 있는 Mn은 알루미늄 합금의 강도를 증가시키고, 부식 전위를 보다 음극 상태를 향하여 움직인다. (FeMn)-Al6 또는 Al15Mn3Si2 디소퍼소드(dispersoid)는 미세 또는 밀집 분산으로 존재할 때 입자 강화에 의해 알루미늄 합금의 강도를 증가시킨다. 본 발명의 실시예에서 사용된 클래딩 합금에 존재하는 Mn은 형상에서 괴상이거나 또는 침상인 Cubic Alpha AlFeMnSi 상의 형성을 촉진할 수 있다. 조성 및 응고율에 의존하여, Fe, Mn, Al 및 Si는 다양한 금속간 구성 성분, 즉 두서너 가지 예를 들면 Al15(Fe Mn)3Si2 또는 Al5FeSi 또는 Al8FeMg3Si6같은 마이크로구조 내에 있는 입자들을 형성하도록 응고 동안 결합한다. 본 발명의 실시예에 따른 클래드 알루미늄 합금의 클래딩 층은 비제한적인 예에서 0.1 내지 0.45, 0.1 내지 0.50, 0.1 내지 0.7, 0.1 내지 1, 0.2 내지 0.45, 0.2 내지 0.5, 0.2 내지 0.7, 0.2 내지 1, 0.3 내지 0.45, 0.3 내지 0.5, 0.3 내지 0.7, 0.3 내지 1, >3이지만 ≤0.1, 0.35 내지 0.45, 0.35 내지 0.5, 0.35 내지 0.7, 0.35 내지 1, 0.4 내지 0.45, 0.4 내지 0.5, 0.4 내지 0.7 또는 0.4 내지 1 중량%의 Mn을 포함한다. 클래딩 층에서 Mn 함유량은 비록 클래딩 층에 여전히 존재할 수 있지만 본 발명의 일부 실시예에서 명시되지 않을 수 있다.
Ni: Ni는 알루미늄 합금에서 고 음극성(cathodic)인 NiAl3을 형성한다. 그러므로, 본 발명의 일부 실시예에서, 클래딩 합금에서 낮은 Ni 레벨을 가지는 것은 유익하다. 표 1(a, b, c)에 도시된 조성 제한에도 불구하고, Ni 함유량은 Borg-Warner 공정을 통해 제조된 브레이징 후 재료에서 또는 NiAl3의 존재가 유해하게 되는 부식 환경을 수반하지 않는 응용물에서 더욱 높다는 것을 이해하여야 한다. Ni의 포함은 본 발명의 실시예에 따른 클래딩 합금을 위한 필요조건이 아니다. 즉, Ni는 본 발명의 실시예에 따른 클래드 알루미늄 합금의 클래딩 층에서 반드시 존재하지 않을 수 있다(즉, 존재하거나 또는 존재하지 않을 수 있거나 또는 선택적으로 존재할 수 있다). 그럼에도 불구하고, 본 발명의 실시예에 따른 클래드 알루미늄 합금의 클래딩 층은 일부 비제한적인 예에서 0.00 내지 0.01, 0.001 내지 0.01, 0.005 내지 0.01 중량%의 Ni을 선택적으로 포함할 수 있다. 클래딩 층에서 Ni 함유량은 비록 클래딩 층에 여전히 존재할 수 있지만 본 발명의 일부 실시예에서 명시되지 않을 수 있다.
Si: Si는 도 2에 도시된 알루미늄 실리콘 상도에 의해 도시된 바와 같이 상이한 브레이징 응용을 위해 필요한 다수의 용융 범위를 허용하도록 상이한 농도로 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 클래드 알루미늄 합금의 클래딩 층은 일부 비제한적인 실시예에서 3 내지 8, 3 내지 10, 3 내지 12, 3 내지 15, 5 내지 7, 5 내지 8, 5 내지 10, 5 내지 12, 5 내지 15, 7 내지 8, 7 내지 10, 7 내지 12, 7 내지 15, 8 내지 10, 8 내지 12 또는 8 내지 15 중량%의 Si를 포함할 수 있다. 클래딩 층에서 Si 함유량은 비록 클래딩 층에 여전히 존재할 수 있지만 본 발명의 일부 실시예에서 명시되지 않을 수 있다.
Ti: Ti는 알루미늄 합금에서 0.1 내지 0.22 중량% 범위로 존재할 때 내식성을 개선할 수 있다. 포정원소(peritectic element)로서, Ti는 합금 재응고 후에 셀의 중심에 집중된다. 본 발명의 실시예에 따른 클래드 알루미늄 합금의 클래딩 층은 일부 비제한적인 예에서 0.005 내지 0.13, 0.005 내지 0.15, 0.01 내지 0.13 또는 0.01 내지 0.15 중량%의 Ti를 포함할 수 있다. 클래딩 층에서 Ti 함유량은 비록 클래딩 층에 여전히 존재할 수 있지만 본 발명의 일부 실시예에서 명시되지 않을 수 있다.
Zn: Zn은 전형적으로 도 3에 도시된 전기 화학 전위 시리즈에 의해 도시된 바와 같이 스케일의 양극 단부를 향하여 부식 전위를 움직이도록 알루미늄 합금에 첨가된다. Zn은 Cu, Mg와 같은 원소가 7000 시리즈 합금에서와 같이 존재할 때 강화 원소일 수 있다. 예를 들어, 가공용(wrought) Al 7000은 3.0 내지 9.7%의 Zn을 함유하고; 7000 시리즈 주조용 합금은 2.7 내지 8%의 Zn을 함유한다. 본 발명의 실시예에 따른 클래드 알루미늄 합금의 클래딩 층은 일부 비제한적인 예에서, 0.1 내지 3.0, 0.1 내지 3.25, 0.1 내지 3.5, 0.1 내지 5, 0.1 내지 7.0, 0.5 내지 3.0, 0.5 내지 3.25, 0.5 내지 3.5, 0.5 내지 5, 0.5 내지 7.0, 1.0 내지 3.0, 1.0 내지 3.25, 1.0 내지 3.5, 1.0 내지 7.0 또는 1.0 내지 5.0, >3이지만 ≤5, 3.25 내지 5, 3.5 내지 5, 3.75 내지 5, 4 내지 5, 4.25 내지 5, 4.75 내지 5, 1.0 내지 7.0, >3이지만 ≤7, 3.25 내지 7, 3.5 내지 7, 3.75 내지 7, 4 내지 7, 4.25 내지 7, 4.75 내지 7, 5 내지 7, 1.0 내지 7.5, >3이지만 ≤7.5, 3.25 내지 7.5, 3.5 내지 7.5, 3.75 내지 7.5, 4 내지 7.5, 4.25 내지 7.5, 4.75 내지 7.5, 5 내지 7.5, 1.0 내지 8.0, >3이지만 ≤8, 3.25 내지 8, 3.5 내지 8, 3.75 내지 8, 4 내지 8, 4.25 내지 8, 4.75 내지 8 또는 5 내지 8 중량%의 Zn을 포함할 수 있다. 클래딩 층에서 Zn 함유량은 비록 클래딩 층에 여전히 존재할 수 있지만 본 발명의 일부 실시예에서 명시되지 않을 수 있다.
Sr, Na, Ca: Sr, Na 또는 Ca은 일반적으로 침상으로부터 미세 구형으로 Si 입자를 개질하도록 AlSi 합금에 첨가된다. Sr과 Na 금속은 응고율이 비교적 낮은 직접 칠 주조(direct chill casting) 동안 가장 유익하다. Sr은 용융된 Al 내에서 긴 시간 남아있어서 보다 많은 주조 전 시간을 허용하며, Na는 용융 금속으로부터 보다 빠르게 증발하기 시작하여서 주조 전 시간을 제한한다. Sr, Na 또는 Ca은 AlSi 합금에 있는 Si를 개질하는데 효과적이다. 일반적으로, Sr, Na 또는 Ca의 포함은 본 발명의 실시예에 따른 클래딩 합금에 대한 필요조건이 아니지만, Sr, Na 또는 Ca 중 적어도 하나의 존재는 일부 실시예에서 요구되거나, 필요하거나 또는 선택적 일 수 있다. 즉, Sr, Na 및/또는 Ca는 본 발명의 실시예에 따른 클래드 알루미늄 합금의 클래딩 층에서 반드시 존재하지 않을 수 있다(즉, 존재하거나 또는 존재하지 않을 수 있거나 또는 선택적으로 존재할 수 있다). 그럼에도 불구하고, 본 발명의 실시예에 따른 클래드 알루미늄 합금의 클래딩 층은 일부 비제한적인 예에서 0.000 내지 0.002, 0.00 내지 0.02, 0.00 내지 0.025, 0.00 내지 0.03, 0.00 내지 0.05, 0.001 내지 0.002, 0.001 내지 0.025, 0.001 내지 0.03, 0.001 내지 0.05, 0.005 내지 0.025, 0.005 내지 0.03, 0.005 내지 0.05 중량%의 Sr, Na 또는 Ca을 선택적으로 포함할 수 있다. Sr, Na 또는 Ca 함유량은 상기 범위에 명시된 것보다 높을 수 있다. 클래딩 층에서 Sr, Na 또는 Ca 함유량은 비록 클래딩 층에 여전히 존재할 수 있지만 본 발명의 일부 실시예에서 명시되지 않을 수 있다.
표 1a에 열거된 원소 중 일부는 본 발명에 따른 브레이징을 위한 클래딩 합금의 예시적인 바람직한 실시예에서 선택적으로 존재한다. 이러한 원소 및 그 예시적인 함유량은 표 1c에 열거된다. 표 1a에 열거된 원소 중 일부는 본 발명에 따른 브레이징을 위한 클래딩 합금의 예시적인 바람직한 실시예에서 필수적으로 존재한다. 이러한 원소 및 그 예시적인 함유량은 표 1b에 열거된다.
클래드 알루미늄 합금의 클래딩 층("알루미늄 합금 클래딩")의 조성의 일부 예시적인 실시예는 다음에 제공된다. 제1 실시예에서, 알루미늄 합금 클래딩은 0.1 내지 1.0 중량%의 Cu, 0.1 내지 0.5 중량%의 Fe, 0.1 내지 1.0 중량%의 Mn, 3 내지 15 중량%의 Si, 0.005 내지 0.15 중량%의 Ti 및 0.1 내지 7 중량%의 Zn을 함유한다. 제2 실시예에서, 알루미늄 합금 클래딩은 0.15 내지 0.6 중량%의 Cu, 0.1 내지 0.4 중량%의 Fe, 0.2 내지 0.7 중량%의 Mn, 5 내지 12 중량%의 Si, 0.005 내지 0.13 중량%의 Ti 및 0.5 내지 5 중량%의 Zn을 함유한다. 제3 실시예에서, 알루미늄 합금 클래딩은 0.15 내지 0.3 중량%의 Cu, 0.2 내지 0.4 중량%의 Fe, 0.3 내지 0.5 중량%의 Mn, 7 내지 10 중량%의 Si, 0.01 내지 0.15 중량%의 Ti 및 0.5 내지 3.5 중량%의 Zn을 함유한다. 제4 실시예에서, 알루미늄 합금 클래딩은 0.15 내지 0.3 중량%의 Cu, 0.2 내지 0.4 중량%의 Fe, 0.3 내지 0.5 중량%의 Mn, 7 내지 12 중량%의 Si, 0.01 내지 0.15 중량%의 Ti 및 0.5 내지 3.5 중량%의 Zn을 함유한다.
제5 실시예에서, 알루미늄 합금 클래딩은 0.1 내지 1 중량%의 Cu, 0.2 내지 0.4 중량%의 Fe, 0.3 내지 0.5 중량%의 Mn, 7 내지 12 중량%의 Si, 0.01 내지 0.15 중량%의 Ti 및 >3이지만 ≤7 중량%의 Zn을 함유한다. 제6 실시예에서, 알루미늄 합금 클래딩은 0.1 내지 1 중량%의 Cu, 0.2 내지 0.4 중량%의 Fe, 0.3 내지 0.5 중량%의 Mn, 7 내지 12 중량%의 Si, 0.01 내지 0.15 중량%의 Ti 및 3.25 내지 7 중량%의 Zn을 함유한다. 제7 실시예에서, 알루미늄 합금 클래딩은 0.55 내지 1.0 중량%의 Cu, 0.2 내지 0.4 중량%의 Fe, 0.3 내지 0.5 중량%의 Mn, 7 내지 12 중량%의 Si, 0.01 내지 0.15 중량%의 Ti 및 >3이지만 ≤7 중량%의 Zn을 함유한다. 제8 실시예에서, 알루미늄 합금 클래딩은 0.55 내지 1 중량%의 Cu, 0.2 내지 0.4 중량%의 Fe, 0.3 내지 0.5 중량%의 Mn, 7 내지 12 중량%의 Si, 0.01 내지 0.15 중량%의 Ti 및 3.25 내지 7 중량%의 Zn을 함유한다. 제9 실시예에서, 알루미늄 합금 클래딩은 0.55 내지 1.0 중량%의 Cu, 0.2 내지 0.4 중량%의 Fe, 0.35 내지 0.5 중량%의 Mn, 7 내지 12 중량%의 Si, 0.01 내지 0.15 중량%의 Ti 및 >3이지만 ≤7 중량%의 Zn을 함유한다. 제10 실시예에서, 알루미늄 합금 클래딩은 0.55 내지 1 중량%의 Cu, 0.2 내지 0.4 중량%의 Fe, 0.35 내지 0.5 중량%의 Mn, 7 내지 12 중량%의 Si, 0.01 내지 0.15 중량%의 Ti 및 3.25 내지 7 중량%의 Zn을 함유한다. 제11 실시예에서, 알루미늄 합금 클래딩은 0.1 내지 1.0 중량%의 Cu, 0.2 내지 0.4 중량%의 Fe, 0.35 내지 0.5 중량%의 Mn, 7 내지 12 중량%의 Si, 0.01 내지 0.15 중량%의 Ti 및 >3이지만 ≤7 중량%의 Zn을 함유한다. 제12 실시예에서, 알루미늄 합금 클래딩은 0.1 내지 1 중량%의 Cu, 0.2 내지 0.4 중량%의 Fe, 0.35 내지 0.5 중량%의 Mn, 7 내지 12 중량%의 Si, 0.01 내지 0.15 중량%의 Ti 및 3.25 내지 7 중량%의 Zn을 함유한다.
제13 실시예에서, 알루미늄 합금 클래딩은 0.1 내지 1 중량%의 Cu, 0.2 내지 0.4 중량%의 Fe, 0.35 내지 1 중량%의 Mn, 7 내지 12 중량%의 Si, 0.01 내지 0.15 중량%의 Ti 및 >3이지만 ≤7 중량%의 Zn을 함유한다. 제14 실시예에서, 알루미늄 합금 클래딩은 0.1 내지 1 중량%의 Cu, 0.2 내지 0.4 중량%의 Fe, 0.35 내지 1 중량%의 Mn, 7 내지 12 중량%의 Si, 0.01 내지 0.15 중량%의 Ti 및 3.25 내지 7 중량%의 Zn을 함유한다. 제15 실시예에서, 알루미늄 합금 클래딩은 0.55 내지 1.0 중량%의 Cu, 0.2 내지 0.4 중량%의 Fe, 0.35 내지 1 중량%의 Mn, 7 내지 12 중량%의 Si, 0.01 내지 0.15 중량%의 Ti 및 >3이지만 ≤7 중량%의 Zn을 함유한다. 제16 실시예에서, 알루미늄 합금 클래딩은 0.55 내지 1 중량%의 Cu, 0.2 내지 0.4 중량%의 Fe, 0.35 내지 1 중량%의 Mn, 7 내지 12 중량%의 Si, 0.01 내지 0.15 중량%의 Ti 및 3.25 내지 7 중량%의 Zn을 함유한다. 제17 실시예에서, 알루미늄 합금 클래딩은 0.55 내지 1.0 중량%의 Cu, 0.2 내지 0.4 중량%의 Fe, 0.35 내지 1 중량%의 Mn, 7 내지 12 중량%의 Si, 0.01 내지 0.15 중량%의 Ti 및 >3이지만 ≤7 중량%의 Zn을 함유한다. 제18 실시예에서, 알루미늄 합금 클래딩은 0.55 내지 1 중량%의 Cu, 0.2 내지 0.4 중량%의 Fe, 0.35 내지 1 중량%의 Mn, 7 내지 12 중량%의 Si, 0.01 내지 0.15 중량%의 Ti 및 3.25 내지 7 중량%의 Zn을 함유한다. 제19 실시예에서, 알루미늄 합금 클래딩은 0.1 내지 1.0 중량%의 Cu, 0.2 내지 0.4 중량%의 Fe, 0.35 내지 1 중량%의 Mn, 7 내지 12 중량%의 Si, 0.01 내지 0.15 중량%의 Ti 및 >3이지만 ≤7 중량%의 Zn을 함유한다. 제20 실시예에서, 알루미늄 합금 클래딩은 0.1 내지 1 중량%의 Cu, 0.2 내지 0.4 중량%의 Fe, 0.35 내지 1 중량%의 Mn, 7 내지 12 중량%의 Si, 0.01 내지 0.15 중량%의 Ti 및 3.25 내지 7 중량%의 Zn을 함유한다.
[표 1a]
Figure 112015099516077-pct00001
[표 1b]
Figure 112015099516077-pct00002
[표 1c]
Figure 112015099516077-pct00003
제1 내지 제20 예시적인 실시예들을 포함하는 상기된 클래딩 합금의 실시예들의 일부 변형에서, 명세서 및 표에서, 클래딩 합금 조성의 잔부는 Al과 불가피 불순물이다. 예를 들어(각각의 실시예에 적용할 수 있는), 제20 실시예는 0.1 내지 1 중량%의 Cu, 0.2 내지 0.4 중량%의 Fe, 0.35 내지 1 중량%의 Mn, 7 내지 12 중량%의 Si, 0.01 내지 0.15 중량%의 Ti 및 3.25 내지 7 중량%의 Zn, 잔부의 Al을 함유하는 알루미늄 합금 클래딩일 수 있다. 그러나, 일부 다른 변형예에서, 실시예가 "잔부의 Al"를 가지는 것으로서 설명될지라도, 상기된 클래딩 합금의 실시예는 다음에 설명되는 예시적인 변형예에서와 같이 추가의 구성 성분을 포함할 수 있다.
제1 내지 제20 실시예의 제1 변형예에서, 클래딩 합금은 0.001 내지 0.3 중량%의 Mg를 선택적으로 함유한다. 제1 내지 제20 실시예의 제2 변형예에서, 클래딩 합금은 0.005 내지 0.5 중량%의 Mg를 선택적으로 함유한다. 제1 내지 제20 실시예의 제3 변형예에서, 클래딩 합금은 0.1 내지 1.5 중량%의 Mg를 선택적으로 함유한다. 제1 내지 제20 실시예의 제4 변형예에서, 클래딩 합금은 0.00 내지 0.1 중량%의 Mg를 선택적으로 함유한다. 제1 내지 제20 실시예의 제5 변형예에서, 클래딩 합금은 0.00 내지 0.01 중량%의 Ni를 선택적으로 함유한다. 제1 내지 제20 실시예의 제6 변형예에서, 클래딩 합금은 0.001 내지 0.01 중량%의 Ni를 선택적으로 함유한다. 제1 내지 제20 실시예의 제7 변형예에서, 클래딩 합금은 0.005 내지 0.001 중량%의 Ni를 선택적으로 함유한다. 제1 내지 제20 실시예의 제8 변형예에서, 클래딩 합금은 0.001 내지 0.05 중량%의 Sr, Na 또는 Ca 중 적어도 하나를 선택적으로 함유한다. 제1 내지 제20 실시예의 제9 변형예에서, 클래딩 합금은 0.001 내지 0.03 중량%의 Sr, Na 또는 Ca 중 적어도 하나를 선택적으로 함유한다. 제1 내지 제20 실시예의 제10 변형예에서, 클래딩 합금은 0.001 내지 0.025 중량%의 Sr, Na 또는 Ca 중 적어도 하나를 선택적으로 함유한다. 제1 내지 제20 실시예의 제11 변형예에서, 클래딩 합금은 0.000 내지 0.002 중량%의 Sr, Na 또는 Ca 중 적어도 하나를 선택적으로 함유한다. 제1 내지 제20 실시예의 제12 변형예에서, 클래딩 합금은 0.01 내지 0.025 중량%의 Sr, Na 또는 Ca 중 적어도 하나를 선택적으로 함유한다. 제1 내지 제20 실시예의 제13 변형예에서, 클래딩 합금은 0.005 내지 0.05 중량%의 Sr, Na 또는 Ca 중 적어도 하나를 선택적으로 함유한다. 제1 내지 제20 실시예의 제14 변형예에서, 클래딩 합금은 0.001 내지 0.05 중량%의 Sr을 선택적으로 함유한다. 제1 내지 제20 실시예의 제15 변형예에서, 클래딩 합금은 0.001 내지 0.03 중량%의 Sr을 선택적으로 함유한다. 제1 내지 제20 실시예의 제16 변형예에서, 클래딩 합금은 0.001 내지 0.025 중량%의 Sr을 선택적으로 함유한다. 제1 내지 제20 실시예의 제17 변형예에서, 클래딩 합금은 0.000 내지 0.002 중량%의 Sr을 선택적으로 함유한다. 제1 내지 제20 실시예의 제18 변형예에서, 클래딩 합금은 0.01 내지 0.025 중량%의 Sr을 선택적으로 함유한다. 제1 내지 제20 실시예의 제19 변형예에서, 클래딩 합금은 0.005 내지 0.05 중량%의 Sr을 선택적으로 함유한다.
실시예의 상기된 변형예가 상기된 실시예들 뿐만 아니라 알루미늄 합금 클래딩의 다른 실시예들에 적용할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 각각의 변형예가 단독으로 또는 다른 변형예와 적합한 결합하여 이용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 즉, 알루미늄 합금 클래딩의 실시예는 Mg 함유량, Ni 함유량, Sr 함유량, Na 함유량, 또는 Ca 함유량의 하나 이상의 변형을 함유할 수 있다. 예시로서, 알루미늄 합금 클래딩은 0.1 내지 1.0 중량%의 Cu, 0.1 내지 0.5 중량%의 Fe, 0.1 내지 1.0 중량%의 Mn, 3 내지 15 중량%의 Si, 0.005 내지 0.15 중량%의 Ti, 및 0.1 내지 7 중량%의 Zn 및 0.001 내지 0.3 중량%의 Mg, 잔부의 Al를 함유할 수 있다. 알루미늄 합금 클래딩의 잔부는 알루미늄일 수 있으며, 불순물 또는 다른 구성 성분이 클래딩 합금에 또한 존재할 수 있다. 예를 들어, 클래딩 합금은 상기 명시된 원소에 추가하여 0.001 내지 0.01 중량%의 Ni 및/또는 0.001 내지 0.005%의 Sr을 함유할 수 있다. 다른 예에서, 알루미늄 합금 클래딩은 0.2 내지 0.3 중량%의 Cu, 0.2 내지 0.3 중량%의 Fe, ≤0.1 중량%의 Mg, ≤0.6 중량%의 Mn, 0.005 내지 0.01 중량%의 Ni, 7 내지 12 중량%의 Si, 0.05 내지 0.15 중량%의 Ti, 0 내지 3.5 중량%의 Zn 및 0.01 내지 0.025 중량%의 Sr, 잔부의 Al을 함유한다. 다른 구성 성분이 클래딩 합금에 또한 존재할 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
일부 경우에, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금 클래딩은 구성 성분 원소의 함유량을 위한 상한만을 사용하여 명시될 수 있다. 예시적인 예에서, 알루미늄 합금 클래딩은 ≤1.0 중량%의 Cu, ≤0.5 중량%의 Fe, ≤1.5 중량%의 Mg, ≤1.0 중량%의 Mn, ≤0.01 중량%의 Ni, ≤15 중량%의 Si, ≤0.15 중량%의 Ti, ≤7 중량%의 Zn, 잔부의 Al을 함유하는 것으로서 설명된다. 다른 예시적인 예에서, 알루미늄 합금 클래딩은 ≤1.0 중량%의 Cu, ≤0.5 중량%의 Fe, ≤0.2 중량%의 Mg, ≤1.0 중량%의 Mn, ≤0.01 중량%의 Ni, ≤15 중량%의 Si, ≤0.15 중량%의 Ti, ≤7 중량%의 Zn 및 ≤0.05 중량%의 Sr, 잔부의 Al을 함유한다. 하나 이상의 에에서, 알루미늄 합금 클래딩은 ≤1.0 중량%의 Cu, ≤0.5 중량%의 Fe, ≤0.2 중량%의 Mg, ≤1.0 중량%의 Mn, ≤0.051 중량%의 Ni, ≤15 중량%의 Si, ≤0.15 중량%의 Ti, ≤7 중량%의 Zn 및 ≤0.05 중량%의 Sr, Na 또는 Ca 중 적어도 하나, 잔부의 Al을 함유하는 것으로서 설명된다. 상기의 예시적인 예에서, 구성 성분 원소 함유량의 하한은 특정 원소에 의존하여 0, 0.00, 또는 0.000 중량%일 수 있거나 아닐 수 있다.
범위의 상기 예가 비제한이라는 것을 이해하여야 한다. 일부 경우에, 상기 원소는 상기 범위 밖에 놓이는 양으로 존재할 수 있거나, 또는 존재하지 않을 수 있다. 원소가 "존재하지 않는" 또는 "부재"로서 지정되거나 또는 원소의 함유량이 "0 중량%," "0.00 중량%," "0.000 중량%"으로서 설명될 때, 당해 원소는 존재하지 않을 수 있거나, 검출 가능한 양으로 존재하지 않을 수 있거나, 또는 종래에 알루미늄 합금의 분야에서 의미있는 것으로서 인식되지 않는 정도로 낮은 양으로 존재할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 일부 경우에, 원소가 합금의 설명에서 명시되지 않을 수 있다는 것을 또한 이해하여야 한다. 이러한 경우에, 원소는 다양한 양으로 존재할 수 있거나 존재하지 않을 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
본 명세서에 설명된 클래드 알루미늄 합금은 코어 알루미늄 합금을 함유한다. 코어 알루미늄 합금은 그 고유 용융 범위로 인하여 용융 또는 용해를 겪는 것이 없이 브레이징될 수 있는 3xxx 또는 6xxx 시리즈 합금일 수 있다. 코어 알루미늄 합금은 통상 "Long Life"로서 설명되는 합금일 수 있으며, 이는 이것이 코어를 통한 부식을 늦추는 메커니즘을 사용하는 것을 의미한다. 이러한 메커니즘의 하나의 예는 미국 특허 제5,041,343호 및 제5,037,707호에 설명되어 있다. 이러한 특허에서 설명된 바와 같이, 조밀 석출대(dense precipitate band)는 코어 합금과 클래드 합금 사이의 경계면에 인접하여 브레이징 사이클 동안 코어에서 형성된다. 이러한 조밀 석출대는 부식 동안 코어에 희생하고, 이에 의해 코어의 부식을 늦춘다. 코어 알루미늄 합금에서 알루미늄과 다른 하나 이상의 원소의 존재 및 함유량은, 금속공학의 분야에서 공지되고 본 명세서의 초기에 간단하게 요약된 일반적인 원리에 따라서 코어 알루미늄 합금의 특성에 영향을 미칠 수 있다. 그러므로, 원소 중 하나 이상의 존재 및 함유량을 변화시키는 것에 의해, 코어와, 코어를 통합하는 클래드 알루미늄 합금의 특성을 변경하는 것이 가능하고, 원소 중 일부는 다음에 설명된다. 본 발명의 실시예에 따른 클래드 알루미늄 합금의 코어 알루미늄 합금은 일부 비제한적인 예에서 0.0 내지 0.7, 0.05 내지 0.7 또는 0.1 내지 0.4 중량%의 Fe를 포함할 수 있다. 코어 알루미늄 합금에서 Fe의 존재는 선택적이며, Fe 함유량은 일부 경우에 불순물로서 특징화될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 클래드 알루미늄 합금의 코어 알루미늄 합금은 일부 비제한적인 예에서 0.005 내지 07, 0.1 내지 0.8 또는 0.4 내지 0.7 중량%의 Cu를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 클래드 알루미늄 합금의 코어 알루미늄 합금은 일부 비제한적인 예에서 0.3 내지 1.5, 0.5 내지 1.8 또는 1.2 내지 1.6 중량%의 Mn을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 클래드 알루미늄 합금의 코어 알루미늄 합금은 일부 비제한적인 예에서 0.001 내지 0.2, 0.1 내지 0.15 또는 0.13 내지 0.3 중량%의 Ti를 포함할 수 있다. 코어에서 Zn의 존재는 선택적이다. 본 발명의 실시예에 따른 클래드 알루미늄 합금의 코어 알루미늄 합금은 일부 비제한적인 예에서 0.00 내지 2.0, 0.00 내지 1.0, 0.001 내지 2.0 또는 0.001 내지 1.0 중량%의 Zn을 포함할 수 있다. 코어에서 Mg의 존재는 선택적이다. 본 발명의 실시예에 따른 클래드 알루미늄 합금의 코어 알루미늄 합금은 일부 비제한적인 예에서 0.0 내지 1.5 중량%의 Mg 또는 0.001 내지 1.5 중량%의 Mg를 포함할 수 있다. 코어 알루미늄 합금의 예는 예를 들어 미국 특허 제4,649,087호에 설명되어 있다. 하나의 예시적인 실시예에서, 코어 알루미늄 합금은 0.005 내지 0.7 중량%의 Cu, 0.0 내지 0.7 중량%의 Fe, 0.3 내지 1.5% 중량%의 Mn, 0.0 내지 1.5 중량%의 Mg, 0.13 내지 0.3 중량%의 Ti, 및 0.0 내지 0.8%의 Si, 잔부의 Al을 함유한다.
특성 및 이점
종래에, 브레이징 응용을 위하여 사용된 클래드 알루미늄 합금에서 클래딩은 Si가 첨가된 상용 순도 스멜터 알루미늄으로 제조된다. 종래의 브레이징 클래딩은 전형적으로 7 내지 12%의 Si, 및 <0.25%의 Fe를 함유한다. Mg는 합금이 진공 브레이징 응용에서 사용될 것이면 존재할 수 있다. 다른 원소들은 <0.05 중량% 또는 0.005 중량% 미만과 같이 극미량 레벨로 이러한 종래의 클래딩 합금에 존재한다. 그 높은 순도로 인하여 상기의 종래 클래딩 합금의 제조를 위해 요구되는 상용 순도 스멜터 금속은 2차 또는 재생 금속보다 훨씬 비싸다.
가공용 알루미늄 합금은 양 및 일관성에서 열등한 것으로 고려될 수 있기 때문에 브레이징 응용을 위한 클래드 합금으로서 사용되지 않는다. 일반적으로, 제한된 수의 브레이징 클래딩 합금은 전형적으로 알루미늄 금속공학의 분야에서 그리고 관련 분야에서 사용된다. 예를 들어, 불활성 분위기 브레이징을 위하여 AA4343, 4045 및 4047과 같은 합금은 가장 일반적으로 사용되는 클래딩 합금이다. 종래의 브레이징 클래딩 합금은 주로 Al, Si 및 가능하게 Zn 또는 Mg을 포함함에 따라서 비교적 널리 공지되고 규정된 용융 범위를 가진다. 상도는 알루미늄 산업에서 브레이징에 적합한 합금의 선택을 결정했다. 예를 들어, 문헌[Multicomponent Phase Diagrams: Applications for Commercial Aluminum Alloys" Elsevier, 2005, ISBN 0-080-44537-3] 참조.
놀랍게, 본 발명은 가공용 알루미늄 합금이 유익하게 재생되고 브레이징 응용을 위해 클래드 알루미늄 합금에서 클래딩 합금으로서 사용될 수 있다는 것을 밝혀내었다. 가공용 알루미늄 합금은 종래의 고순도 스멜터 금속과 또한 유익하게 결합되고, 브레이징 응용을 위하여 클래드 알루미늄 합금에서 클래딩 합금으로서 사용될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 실시예는 스멜터 등급의 알루미늄의 혼합물로부터 파생될 수 있는 클래딩 합금을 다양한 청정 알루미늄 합금 스크랩의 첨가물과 통합한다. 그러므로, 본 발명의 실시예와 통합된 브레이징 클래딩 합금은 또한 필요한 용융 범위를 가지는 합금을 만들도록 Si가 첨가되어 청정 스크랩 알루미늄으로부터 또한 생산될 수 있다. 본 명세서에서 설명된 클래딩 합금은 특히 브레이징-양립 가능한 응용물을 위한 시트재 제작시에 사용될 때 종래의 클래딩 합금 이상의 하나 이상의 다른 이점을 가진다.
본 발명은 상업적인 압연 및 주조 설비가 만드는 가공용 알루미늄의 재생을 허용한다. 용어 "재생하는" 및 관련 용어는 본 명세서에서 이전에 제작된 알루미늄 합금 또는 이러한 합금으로 준비된 물체가 상업적으로, 그리고 기술적으로 유용한 알루미늄 합금을 제작하도록 금속공학적인 공정에 의해 결합되고 처리될 수 있다는 개념을 설명하도록 사용되며, 이는 "재생된"을 특징으로 한다. 본 발명의 실시예에 통합된 클래딩 브레이징 합금은 100%까지 포함되거나 또는 재생 알루미늄, 또는 "스크랩(scrap)"을 함유할 수 있다. 일부 경우에, 재생 클래딩 합금을 제조하도록 스크랩 알루미늄에 첨가되는 추가의 원소는 7.5%의 Si 또는 10%의 Si와 같이, 필요한 용융 범위를 위해 요구되는 Si 함유량을 달성하기 위한 Si이다. 일부 다른 경우에, 다른 추가의 원소가 첨가될 수 있다.
클래딩 합금의 구성 성분으로서 재생된 가공용 알루미늄을 사용하는 것은 브레이징 용용을 위한 획기적인 클래드 시트 알루미늄 합금의 비용을 감축할 수 있다. 다음의 예는 이러한 점을 예시하도록 포함된다. 톤당 $1,500의 가격이 스멜터 등급 알루미늄에 대해 설정되었으면, 스크랩 알루미늄은 상기 가격의 대략 절반에 판매되기 쉽다. 클래드 시트 알루미늄 합금이 상업적으로 만들어졌을 때, 스크랩은 잉곳, 열간 압연된 슬라브, 또는 냉간 압연재의 다양한 부분을 자투리절단(trimming) 및 폐기하는 것에 의해 발생된다. 이러한 스크랩은 재용융 후에 클래딩 및 코어 모두의 혼합물이다. 클래딩이 Si를 더한 스멜터 등급 알루미늄으로 제작되고 코어가 고 Mn, Cu 합금이면, 스크랩은 전체적인 본래의 클래딩 두께와 공정의 어떤 지점에서 재료가 스크랩핑되었는지에 의존하여 클래딩과 코어 합금 사이의 어딘가의 조성을 가진다. 본 발명의 실시예에 따른 클래드 알루미늄 합금에서 이용된 클래딩 합금은 Si의 첨가 후에 이러한 스크랩으로 준비될 수 있으며, 그 결과, 상기 가정의 상황에서의 가격은 스멜터 등급 알루미늄보다 낮게 된다(예를 들어, 대략 10, 20, 30, 또는 40% 아래).
본 발명의 실시예에 통합된 클래딩 합금의 이점은, 브레이징 후 제조된 필렛 또는 잔류 클래딩이 종래의 클래딩 합금에 의해 제조된 필렛 또는 잔류 클래딩보다 우수한 내식성일 수 있다는 것이다. 개선된 내식성은 종래의 클래딩 합금에 비교하여, 본 발명의 클래드 알루미늄 합금에서 사용된 클래딩 합금에서의 추가의 원소의 존재에 기인한다. 브레이징되는 부분 및 물체에서의 보호성 내식성 코팅으로서 작용할 수 있는, 필렛 및 잔류 클래딩의 부식 특성에 유익하게 영향을 미칠 수 있는 이러한 첨가 원소의 두 가지 예는 Cu 및 Mn이다. 알루미늄 합금에 있는 고용체에 존재할 때 Cu 및/또는 Mn은 알파 Al의 부식 전위를 일으킨다. 이러한 것은 매우 음극인 Si 입자와 알파 Al 사이의 확산을 감소시킨다. 증가된 내식성은 그 중 일부가 도 3에서 재현된 부식 다이어그램에 예시된 공지된 원리에 기초한다. 예를 들어, 비교적 순수한 Si가 -170mv의 ASTM G69 개방 결합된 부식 전위(참조)를 가지는 것을 고려하면, Cu가 없는 알파 Al은 -760 내지 -740mv 범위에 있는 개방 결합 부식 전위를 가지며, 그런 다음 알파 Al에 0.1 중량%의 Cu를 첨가하는 것은 부식 전위를 약 50mv만큼 음극 방향으로 더욱 움직인다. 알파 Al에 1중량%의 Mn을 첨가하는 것은 부식 전위를 더욱 음극 방향으로 이동시키고, 그러므로 메트릭스와 Si 입자 사이의 갭을 폐쇄한다. Mg가 아닌 원소는 공지된 전기 화학 원리에 따라서, 클래딩 합금에서 존재할 때, 전위를 한층 더 움직일 수 있다.
본 명세서에 설명된 클래드 시트 알루미늄 합금으로 통합된 개선된 클래딩 합금은 표 1에 예시된 바와 같이 알루미늄에 추가하여 금속 중 하나 이상의 존재로 인하여 종래의 클래딩 합금보다 강하다. 하나 이상의 추가의 원소는 고용체 및/또는 구성 성분 형태에 존재할 수 있다. 필렛의 강도에 영향을 미치는 이러한 추가의 원소의 2개의 예는 Cu와 Mn이다. Si에 대한 첨가와 함께 실질적으로 순수한 Al로 만들어진 통상의 브레이징 클래딩 합금은 본 발명의 실시예에 통합된 클래딩 합금과 비교하여 비교적 무르다. 표 2는 종래의 클래드 알루미늄 합금(4043-0, 4343, 4045-O 및 4047) 및 예시적인 주조 알루미늄 합금(A413.0-F, A356 및 A360.0-F)의 선택의 인장 특성을 도시하고, 그러므로 본 발명의 실시예에 유익하게 통합될 수 있는 조성 및 특성을 예시한다.
본 발명의 실시예에 통합된 클래딩 합금의 개선된 강도는 클래드 시트 합금의 제작시에 전형적으로 이용되는 압연 공정 동안 패키지의 가장자리 상에서 스퀴즈 아웃(squeeze out)에 의해 클래딩의 손실을 최소화한다. 본 발명의 실시예에서 사용된 클래딩 합금은 열간 압연 동안 확산에 저항하고 패스(pass) 당 보다 큰 감소를 가능하게 하고, 이는 일부 경우에 가장자리와 중심 사이의 클래딩 두께에서의 확산, 종래의 클래드 시트 합금의 통상의 결점을 감소시키는 것을 돕는다. 본 발명의 실시예에 따른 클래드 시트 합금에 통합된 클래딩 합금은 클래드 시트의 폭 전역에 걸쳐서 보다 일관적인 클래딩 두께를 보장할 수 있다.
표 2에 예시된 4343 및 4045 합금에서의 강도 데이터는 실험적으로 얻어졌다. 표 2에 예시된 다른 강도 데이터는 알루미늄 합금 하에서, 비철 섹션에서 MatWeb 재료 특성 데이터 웹사이트로부터 얻어졌다. 표 2에 예시된 주조용 합금의 강도는 실온에서 측정되었다. 보다 높은 온도를 겪을 때, Al 합금은 더욱 무르게 된다. 예로서, 실온에서 테스트된 AA1100이 90㎫의 최대 인장 강도(UTS)를 가지는 한편, 371℃에서 테스트된 AA1100은 14.5㎫의 UTS를 가진다. AA3003은 실온에서 대략 110㎫의 UTS를 가지지만, 371℃에서 19㎫의 UTS를 가진다. 그러므로, 표 2가 클래드 알루미늄 합금의 실온 강도 특성의 예시로서 기여한다는 것을 이해하여야 한다. UTS와 같은 강도 특성은 실온에서 측정된 동일 특성과 비교하여 열간 압연 온도에서 85-95%만큼 감소될 수 있다. 다른 온도에서의 인장 데이터는 The Aluminum Association에 의해 발행된 잡지, 즉, [Aluminum Standards and Data 1997, 예를 들어, 2-5, 2-7 및 2-9 페이지]에 예시된다.
본 명세서에 설명된 클래드 알루미늄 합금의 알루미늄 합금 클래딩에 통합되는 알루미늄 합금의 하나 이상의 이점은 종래의 브레이징 클래딩과 비교하여, 이것이 브레이징 또는 유사한 공정 동안 낮은 온도에서 용융될 수 있다는 것이다. 이러한 것은 예를 들어 감소된 에너지 비용으로 인하여 브레이징된 구성 요소 및/또는 부분들의 제조에서 비용 이점을 제공한다. 감축된 용융 온도를 예시하도록, 표 3과 도 4에 도시된 막대 그래프는 ThermoCalc software(Thermo-Calc Software, Inc, McMurray PA)에 의해 발생되었으며, 알루미늄 합금이, 유사한 Si 함유량이지만 보다 낮은 레벨의 하나 이상의 첨가 원소를 가지는 알루미늄 합금보다 상당히 낮은 온도로 용융되는 추가의 원소를 함유하는 것을 보인다. 예를 들어, 7 중량%의 Si에서 합금 4343은 573.5℃(고체, 금속이 용융하기 시작하는 온도를 의미)에서 612.8℃(액체, 재료가 완전히 용융된 온도를 의미)의 온도 범위에서 용융된다. 비교하여, 유사한 레벨의 Si를 함유하는 A356과 같은 주조 합금은 550℃(고체)에서 607℃(액체)의 온도 범위에서 용융된다.
다음의 예들은 상기된 특성 및 이점을 예시하도록 포함된다. 하나의 예에서, 라디에이터를 위한 튜브 스톡(tube stock)은 통상적으로 일측에서 Al-Si 합금(AA4343, AA4045 +/-Zn) 그리고 가능하게 또한 반대측에 라이너 합금을 갖는 전체 두께에 대해 3% 내지 18%에서 클래딩된 코어 합금으로 구성된다. 다른 에에서, 증발기 플레이트는 코어 합금의 양측에서 각각 5% 내지 15%에서 클래딩된 AA4343 합금으로 만들어질 수 있다. 상기 클래드 합금 양자는 본 명세서에 설명된 클래딩으로 유익하게 제조될 수 있다. 일반적으로, 클래딩 합금의 필요 조건은 제조자 요구 브레이징 온도에서 용융되어 유동하고 브레이징 후 특정 요구 강도를 제공하여서, 브레이징된 부분 또는 물체가 파괴 시험 압력(burst pressure), 반복피로, 내식성 등과 같은, 서비스 필요조건을 준수하여 입증하는 다양한 테스트 조건을 견딜 수 있다는 것이다. 저온에서 용융되고 유동하는 브레이징 합금을 가지는 것은 보다 낮은 브레이징 온도에서 시행될 수 있음에 따라서 브레이징의 비용을 낮춘다. 보다 강하고 적은 내식성 경향이 있는 클래딩 합금은 유익하게 라디에이터 또는 증발기와 같은 이러한 합금으로 제작된 물체의 특성을 개선한다.
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공정
본 명세서에 설명된 클래드 알루미늄 합금을 만들거나 또는 제작할 뿐만 아니라 클래드 알루미늄 합금을 사용하는 물체를 제작하기 위한 공정은 본 발명의 범위 내에 또한 포함된다. 하나의 예시적인 공정은 도 5에 개략적으로 예시된다. 본 명세서에 설명된 클래드 알루미늄은 본 명세서에 설명되고 도시된 기술 단계의 적어도 일부를 포함하는 공정에 의해 제작될 수 있다. 본 명세서에 포함된 공정의 설명 및 예시가 비제한적이라는 것을 이해하여야 한다. 본 명세서에 기술된 공정 단계는 다양한 방식으로 결합되고 변경될 수 있으며, 이러한 합금으로부터 클래드 알루미늄 합금 또는 형태 및 물체를 제작하기 위하여 적합하게 이용될 수 있다. 본 명세서에 명확하게 설명되지 않지만 금속공학 및 알루미늄 처리 및 제작 분야에서 통상적으로 이용되는 공정 단계들과 조건들은 본 발명의 범위 내에 놓이는 공정으로 또한 통합될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 공정에 적합히 통합될 수 있는 하나의 기술은 상표명 FUSION(상표명)(Novelis, 미국 애틀랜타에 소재)에 의해 또한 인용될 수 있으며 예를 들어 미국 특허 제7,472,740호에 설명된 "용융 주조"이다. 일반적으로 용융 주조는 복합체 또는 다층 금속 잉곳의 주조의 공정이다. FUSION(상표명)(Novelis, 미국 애틀랜타에 소재) 공정에 의한 주조는 본 명세서에 설명된 주조 알루미늄 합금의 제조를 위해 이용되며, 클래딩 합금은 부분적으로 고화된 코어 합금의 일측 또는 양측 표면 상에서 고화된다. 용융 주조 공정은 전형적으로 공급 단부와 배출 단부를 갖는 몰드를 이용한다. 용융된 금속은 공급 단부에서 추가되고, 고화된 잉곳은 몰드의 배출 단부로부터 추출된다. 분할기 벽은 적어도 2개의 별개의 공급 챔버로 공급 단부를 분할하도록 사용된다. 분할기 벽은 몰드의 배출 단부 위에서 종료한다. 각 공급 챔버는 적어도 하나의 다른 공급 챔버에 인접한다. 각 쌍의 인접한 공급 챔버에 대하여, 제1 합금의 스트림은 제1 챔버에서 금속의 풀(pool)을 형성하도록 상기 쌍의 챔버 중 하나에 공급된다. 제2 합금의 스트림은 제2 챔버에서 금속의 풀을 형성하도록 상기 쌍의 공급 챔버중 두번째 챔버를 통해 공급된다. 제1 금속 풀은 분할기 벽에 인접하여 자체 지지 표면을 형성하도록 제1 풀을 냉각하기 위해 상기 쌍의 챔버 사이에서 분할기 벽을 접촉한다. 제2 금속 풀이 그런 다음 제1 풀과 접촉하여서, 제2 풀은 먼저 자체 지지 표면의 온도가 제1 합금의 고화 온도 아래에서 있는 지점에서 제1 풀의 자체 지지 표면과 접촉한다. 2개의 합금 풀은 2개의 층으로 합쳐지고, 복합체 또는 다층 잉곳을 형성하도록 냉각되며, 이는 또한 "패키지"로 지칭될 수 있다. 용융 주조에 의해 얻어진 다층 잉곳은 본 명세서에 설명된 클래드 알루미늄 합금의 범위 내에 포함된다.
다층 알루미늄 합금이 용융 주조가 아닌 다른 공정에 의해 제조될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들어, 클래딩 합금은 연속 칠(C.C.) 또는 직접 칠(D.C.) 주조에 의해 주조되고, 요구 두께로 열간 압연되며, 그런 다음 열간 압연 접착에 의한 코어 합금의 일측 또는 양측에서 조립되거나 또는 클래딩된다. 그러므로, 제조된 "열간 압연된 밴드"는 중간 치수로 냉간 압연되고, 최종 치수로 다수의 패스에서 어닐링되거나 또는 냉간 압연된다.
열간 압연은 본 발명의 실시예에 따른 공정에 적합하게 통합될 수 있다. 예를 들어, 직접 칠 또는 FUSION(상표명) 공정에 의해 제조된 패키지 또는 잉곳은 450℃ 내지 550℃의 온도로 재가열되고, 2 내지 10 ㎜의 중간 치수로 열간 압연된다. 재가열은 5 내지 10시간 동안 푸셔 로(pusher furnace)에서 또는 15 내지 24 시간에 걸쳐서 피트 로(pit furnace)에서 일어날 수 있다. 예열 공정은 본 발명의 공정에 선택적으로 통합될 수 있다.
냉간 압연은 본 발명의 실시예에 따른 공정에 또한 적합하게 통합될 수 있다. 열간 압연 최종 치수에 의존하여, 주조 알루미늄 합금은 많거나 적은 냉간 압연 공정을 요구할 수 있다. 예를 들어, 냉간 압연은 핫 밀(hot mill)로부터 공급되는 열간 밴드 치수에 의존하여 1 내지 6의 냉간 압연 패스를 포함할 수 있다. 냉간 패스의 이러한 수는 제한되지 않고, 예를 들어 최종 시트의 필요한 두께에 의존하여 적합히 조절될 수 있다. 냉간 압연에 의해 달성되는 두께는 50 ㎛ 내지 1 ㎜까지일 수 있다. 냉간 압연에 의해 달성되는 두께의 일부 예는 50 ㎛(전형적으로 핀 재료를 위해 사용되는), 그리고 스톡 구성 요소를 위해 200 ㎛ 및 1 ㎜이다.
어닐링은 본 발명의 실시예에 따른 공정에 또한 통합될 수 있다. 예를 들어, 클래드 시트 알루미늄 합금은 적합한 성형성 필요조건을 달성하도록 부분적으로 또는 전체적으로 어닐링될 수 있다.
클래드 시트 알루미늄 합금은 브레이징 응용에 적합하다. 따라서, 다양한 브레이징 공정 및 기술 단계들은 본 발명의 실시예에서 적합히 이용될 수 있다. 알루미늄 부분의 브레이징은 미국 특허 제3,970,327호에 일반적으로 설명되어 있다. 브레이징은 염 브레이징, CAB 브레이징, 진공 브레이징 및 Ni-도금 브레이징을 포함한다. 클래드 시트 알루미늄 합금의 브레이징은 코어 합금보다 상당히 낮은 온도에서 용융되는 클래딩 합금을 요구한다. 브레이징 응용을 위해 사용되는 표준의 상업적인 Al-Si 클래딩 합금은 Si 함유량에 의존하여, 통상적으로 약 575℃ 내지 577℃에서 용융하기 시작하며 577℃ 내지 615℃의 온도에서 완전히 액체로 된다. 코어는 전형적으로 645 ℃ 이상에서 용융한다. 본 발명의 클래드 알루미늄 합금은 상기 필요조건에 따라서 거동한다.
또한, 클래딩 층에 존재하는 추가의 원소 때문에, 본 명세서에서 설명된 클래드 알루미늄 합금은 유익하게 브레이징 응용을 위해 사용된 종래의 클래드 알루미늄 합금보다 낮은 용융점의 클래딩을 가질 수 있다. 예를 들어, ThermoCalc 상황은 본 발명의 클래드 알루미늄 합금에 통합된 클래딩이 동일한 Si 함유량의 종래의 알루미늄 합금보다 상당히 낮은 온도에서 용융될 수 있다는 것을 보여주었다.
하나의 예시적인 공정에서, 클래드 시트 알루미늄 합금으로 제작되는 2개의 형태는 조립되고, 고정되고, 선택적으로 플럭싱되고, 그런 다음 브레이징이 불활성 분위기에서 수행되면 브레이징된다. 브레이징 공정은 클래드 시트 알루미늄 합금의 코어와 클래딩이 적합한 레벨의 Mg, 통상적으로 0.25 중량% 내지 1.5중량%의 Mg를 함유하면 진공 브레이징 공정일 수 있다. 예를 들어, 브레이징은 600℃-605℃의 온도에서 수행될 수 있다.
용도 및 응용
본 명세서에 설명된 클래드 알루미늄 합금으로 제작되거나 또는 이를 포함하는 물체, 형태, 장치 및 유사한 것으로서 본 명세서에서 설명된 클래드 알루미늄 합금의 용도 및 응용은 본 발명의 범위 내에 포함된다. 이러한 물체, 형태, 장치 및 유사한 것을 제작, 생산 또는 제조하기 위한 공정은 본 발명의 범위 내에 또한 포함된다.
하나의 예시적인 물체는 열교환기이다. 열교환기는 두서너 가지 예를 들면 튜브, 플레이트, 핀, 및 측부 지지부를 포함하는 부분들의 조립에 의해 생산된다. 예를 들어, 라디에이터는 튜브, 핀, 헤더 및 측부 지지부로 만들어진다. Al-Si 합금으로 클래딩되지 않은 것을 의미하는, 전형적으로 아무것도 안덮인 핀을 제외하고, 열교환기의 모든 다른 부분은 전형적으로 일측 또는 양측에 브레이징 클래딩으로 클래딩된다. 조립되면, 열교환기 유닛은 밴딩에 의해 또는 플럭싱과 브레이징을 통하여 유닛을 서로 홀딩하는 디바이스에 의해 고정된다. 브레이징은 통상적으로 유닛을 터널 로(tunnel furnace)에 통과시키는 것에 의해 실행된다. 브레이징은 용융 염(molten salt) 또는 일괄 또는 세미 일괄 공정에서 침지하는 것에 의해 수행될 수 있다. 유닛은 590℃ 내지 610℃의 브레이징 온도로 가열되고, 접합부들이 모세관 작용에 의해 생성될 때까지 적합한 온도에서 균열처리되고(soaked), 그런 다음 충전제 금속의 고상 온도 아래로 냉각된다. 가열 속도는 노 형태, 생산된 열교환기의 크기에 의존한다.
본 발명의 합금으로 만들어질 수 있는 일부 다른 예시적인 물체는 미국 특허 제8,349,470호에 설명되고 도시되어 있다. 이러한 물체의 일부 예는 증발기 플레이트, 증발기, 라디에이터, 히터, 히터 코어, 응축기, 응축기 튜브, 다양한 튜브 및 파이프, 매니폴드, 및 측부 지지부와 같은 일부 구조적 특징부들이다. 본 발명에 따른 클래딩 브레이징 알루미늄 합금의 용도는 코어 합금 또는 층간 합금으로 브레이징 클래딩 합금을 수반하는 공정으로 한정되지 않는다. 예를 들어, 클래딩 브레이징 알루미늄 합금은 인발된 와이어로 만들어진 필러 링(filler ring)을 위해 생산될 수 있다. 다른 예에서, 시트 형태로 생산된 클래딩 브레이징 알루미늄 합금은 필러 심(filler shim)으로서 사용될 수 있다. 심 재료는 응용에 의존하여 수 미크론 내지 밀리미터까지의 두께를 가질 수 있다. 상기 실시예 중 일부는 도 6 내지 도 11에 예시된다.
동시에, 그러나 다음의 예들은 본 발명의 어떠한 한정을 구성함이 없이 본 발명을 더욱 예시하도록 기여할 것이다. 이와 반대로, 본 명세서의 설명을 읽은 후에, 본 발명의 사상으로부터 벗어남이 없이 당업자에게 제안할 수 있는 그 다양한 실시예, 변형 및 등가물일 수 있는 방편이 있다는 것이 명확히 이해될 것이다. 다음의 예에 설명된 연구 동안, 달리 기술되지 않으면 종래의 절차가 따른다. 절차 중 일부는 예시적인 목적을 위하여 다음에 설명된다.
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예 1
A356와 유사한 주조 합금의 3개의 변형이 만들어졌으며 X902 또는 X912 코어 상에 클래딩되었다. X902는 모두 중량%로 공칭값으로 1.4 내지 1.6 Mn, 0.5 내지 0.65 Cu, ≤0.15 Si, ≤0.02 Mg, ≤0.015 Ti를 함유한 합금이다. X912는 0.1 중량%의 Ti의 첨가와 함께 X902 기반을 갖는 합금이다. X902 및 X912 상의 4343 시리즈 클래드의 4개의 종래의 클래딩 합금은 대조구로서 사용되었다. 클래드 시트 합금은 0.3 및 0.25 ㎜로 처리되었으며, 그런 다음 클래딩 합금이 용융되어 유동한 것을 확인하도록 브레이징 사이클에 노출되었다. ThermoCalc 분석은 구성 성분의 용융 범위와 형태를 체크하도록 수행되었다. 테스트된 합금은 표 3 및 표 4에서 특징된다.
예 2
브레이징 조건 하에서 클래드 시트 알루미늄 합금의 거동
브레이징 조건 하에서 클래드 시트 알루미늄 합금의 거동의 연구가 실시되었다. "변형예 2" 클래딩 합금(표 4)이 테스트되었다. Sr로 개질되고 X902 코어 합금 상에 클래딩된 종래의 알루미늄 합금 AA4343 + 1 Zn이 대조구로서 사용되었다. 도 12는 테스트된 "생주물" 합금의 마이크로구조를 도시한다. 특히, "변형예 2" 합금은 생주물 잉곳에 있는 Si 입자를 침상으로부터 미세 구형상으로 개질하도록 사용되는 Sr을 함유하지 못한다. 패널 B에서 알 수 있는 바와 같이, "생주물" "변형예 2" 합금은 Sr의 부재로 인하여 보다 많은 Si 입자를 함유하였다. Sr의 포함은 브레이징 응용에 적합해지기 위한 클래딩 합금에 대한 필요조건이 아니다. 그러나, 잉곳을 주조하는 상업적인 크기의 추가의 테스트는 Sr 또는 Na의 첨가가 상업적인 주조를 위해 필요한 것인지를 확인하도록 계획된다.
각 클래딩 합금으로 생산된 브레이징 시트의 비교는 도 13에 도시된다. 도 13의 패널 A는 대조구 클래드 시트 합금의 종방향 섹션을 도시한다. 도 13의 패널 B는 변형예 2 주조 합금의 종방향 섹션을 도시한다. 도 13에 도시된 현미경 사진은 변형예 주조 합금이 표준 클래딩 합금의 마이크로구조와 유사한 마이크로구조를 보인다는 결론을 지지한다. 비록 "변형예 2" 합금이 Si 입자를 개질하도록 Sr을 함유하지 못할지라도, 결과적인 마이크로구조는 여전히 비교적 미세하였으며 잘 분산되었다. 실험에 사용된 잉곳은 작은 잉곳 3.75 x 9 x 24 인치로 직접 칠 주조되었다. 응고율은 6 피트 폭 x 24 인치 두께 x 20 피트 길이일 수 있는 상업적인 잉곳에서 전형적으로 관측된 것보다 높다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따른 클래딩 합금이 상업적인 잉곳으로 주조할 때 브레이징 응용에 적합한 마이크로구조를 잘 생성하는 것으로 고려된다.
도 14는 도 13에 도시된 샘플의 브레이징 후 비교를 도시하는 현미경 사진이다. 도 14를 위해 현미경 촬영된 샘플은 도 13에 도시된 샘플 클래드 합금의 쿠폰을 602℃ 내지 606℃에 노출시키고, 그런 다음 온도가 602 내지 606℃에서 "홀딩"되었으며, 노로부터 샘플을 추출하고 실온으로 냉각하기 전에 570℃로 냉각하는 것을 의미하는, 3분 동안 균열처리되는 것에 의해 얻어졌다. 쿠폰은 연구소에서 만들어지고 수직 배향으로 있는 동안 브레이징 사이클에 노출된다. 패널 A는 종래의 AA4343 + 1 Zn 클래드의 종방향 섹션의 현미경 사진을 나타낸다. 패널 B는 X902 코어 합금 상에서 클래딩된 변형예 2 클래딩 합금의 종방향 섹션의 현미경 사진을 나타낸다. 종방향 섹션은 폴리시(polish)의 평면이 압연 방향에 평행하고 도면에서 본 시야가 시트의 두께를 관통하는 것을 의미한다.
도 14에 도시된 현미경 사진의 검사는 두 샘플에서, 유사하게 유동된 클래딩, 및 유사한 레벨의 잔류 충전제 금속이 브레이징 후 표면에 존재하였다는 것을 보여준다. 두 경우에, 조밀한 입자 석출 밴드가 잔류 필러 표면층에 인접하여 코어에 형성되었다. 따라서, 실험적 합금과 대조구 합금 모두는 수직 배향으로 노출될 때 적합한 융용과 쿠폰의 저부로의 유동을 보였다. 테스트의 결과는 본 발명의 합금이 브레이징 사이클 동안 모세관 작용에 의해 2개의 구성 성분을 충전하거나 또는 합칠 수 있다는 결론을 지지한다.
예 3
"앵글 온 쿠폰" 테스트에서 클래드 시트 알루미늄 합금의 거동
"앵글 온 쿠폰" 테스트로서 지칭되는 테스트는 통상적으로 이전의 예에서 설명된 합금에 실행된다. 약 1.25" 정사각형의 쿠폰은 각 클래드 시트 알루미늄 합금으로 제조된다. 굽어진 AA1100의 작은 조각은 각 쿠폰 상에 배치된다. 쿠폰 및 앵글은 계면활성제를 함유하는 물에서 16% NOCOLOK(상표명)(Solvay, 미국 휴스턴에 소재) 플럭스의 슬러리에 침지하는 것에 의해 플럭싱되거나, 또는 대안적으로, 플럭스는 100% 이소프로필 알콜에 혼합된다. 어느 하나의 플럭싱 방법은 앵글과 쿠폰의 표면 상에 약 2 내지 6 g/㎡의 플럭스를 침착한다. 앵글과 쿠폰은 도 15에 도시된 바와 같이 작은 와이어에 의해 한쪽 단부 또는 다른쪽 단부 상에서 리프팅될 수 있으며, 그러므로 브레이징 동안 클래딩 합금에 의해 충전될 수 있는 갭을 형성한다. 테스트는 가변 크기의 갭을 충전하도록 테스트된 클래드 시트 알루미늄 합금의 능력을 검출하기 위해 사용된다. 결과적인 필렛의 길이는 브레이징 후 평가된다. 충전제 금속이 와이어까지 갭을 완전히 충전하는 것이 관측되었다. 충전제 금속의 이러한 능력은 충전제 금속이 2개의 표면 사이에서 전개하는 모세관 작용에 의해 "당겨지는" 적합한 유동성을 가지는 것을 보인다.
예 4
실험적 클래드 시트 합금의 부식 테스트
표 4에 보인 모든 합금은 클래드 시트 합금으로 만들어졌으며, 내식성에 대해 테스트되었다. 실험적 클래드 시트 합금의 부식 테스트가 수행되었고, 클래딩 합금 변형예 1, 변형예 2 및 변형예 3이 동일한 코어 상에 클래딩된 표준 합금과 비교하여, 쿠폰의 표면 상에 보다 많이 잔류하는 재고화된 충전제 합금을 남긴다는 것을 보여주었다. 이러한 결과는 실험적 클래딩 합금 변형예 1, 변형예 2 및 변형예 3이 표준 클래딩 합금보다 코어 합금에 대해 덜 양극성이었다는 것을 보였다. 따라서, 본 발명의 실시예를 예시하는, 실험적 클래딩을 포함하는 클래드 시트 합금은 종래의 합금보다 양호한 브레이징된 접합부에서 부식에 저항할 수 있다. 심험적 합금으로 제작된 브레이징된 물체는 종래의 클래드 시트 합금으로 제작된 물체와 비교하여 부식으로 인한 브레이징된 접합부에서 실패 전에 더 길게 존속할 수 있다.
상기에서 인용된 모든 특허, 공개, 및 요약서는 그 전체에 있어서 참조에 의해 본 명세서에 통합된다. 본 명세서에 기술된 요소 및 특징부의 상이한 배열 및 조합이 가능하다. 유사하게, 일부 특징부 및 서브 조합은 유용하며, 다른 특징부와 서브 조합을 참조함이 없이 이용될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예는 본 발명의 다양한 목적의 실행에서 설명되었다. 이러한 실시예가 단지 본 발명의 예시적이라는 것을 인식하여야 한다. 실시예의 수많은 변형 및 각색은 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어남이 없이 당업자에게 용이하게 자명할 것이다.

Claims (17)

  1. 알루미늄 합금 코어와 알루미늄 합금 클래딩을 포함하는 알루미늄 재료로서, 상기 알루미늄 합금 클래딩은 0.1 내지 0.3 중량%의 Cu, 0.1 내지 0.5 중량%의 Fe, 0.1 내지 1.0 중량%의 Mn, 3 내지 15 중량%의 Si, 0.005 내지 0.15 중량%의 Ti, 0.1 내지 7 중량%의 Zn, 및 0.001 내지 0.3 중량%의 Mg, 그리고 잔부로서 Al 및 불가피한 불순물을 포함하는, 알루미늄 재료.
  2. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 합금 클래딩은 3 중량% 초과 7 중량% 이하의 Zn을 포함하는, 알루미늄 재료.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 알루미늄 합금 클래딩은 Sr, Na 및 Ca 중 적어도 하나를 0.005 내지 0.05 중량%로 포함하는, 알루미늄 재료.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 알루미늄 합금 클래딩은 0.15 내지 0.3 중량%의 Cu, 0.1 내지 0.4 중량%의 Fe, 0.2 내지 0.7 중량%의 Mn, 5 내지 12 중량%의 Si 및 0.01 내지 0.15 중량%의 Ti를 포함하는, 알루미늄 재료.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 알루미늄 합금 클래딩은 0.15 내지 0.3 중량%의 Cu, 0.2 내지 0.4 중량%의 Fe, 0.3 내지 0.5 중량%의 Mn, 7 내지 10 중량%의 Si 및 0.005 내지 0.13 중량%의 Ti를 포함하는, 알루미늄 재료.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 알루미늄 합금 클래딩은 0.001 내지 0.01 중량%의 Ni를 포함하는, 알루미늄 재료.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 재료는, 알루미늄 합금 코어를 포함하고 시트의 일측 또는 양측에 상기 알루미늄 합금 클래딩을 가지는 시트의 형태인, 알루미늄 재료.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 알루미늄 합금 코어는 0.005 내지 0.7 중량%의 Cu, 0.3 내지 1.5 중량%의 Mn 및 0.001 내지 0.2 중량%의 Ti, 그리고 잔부로서 Al 및 불가피한 불순물을 포함하는, 알루미늄 재료.
  9. 제1항 또는 제2항의 알루미늄 재료를 제조하는 방법으로서,
    알루미늄 합금 클래딩을 주조하는 단계;
    상기 알루미늄 합금 클래딩을 필요한 두께로 압연하여, 압연된 알루미늄 합금 클래딩을 생산하는 단계;
    압연된 알루미늄 합금 코어의 적어도 일측에 상기 압연된 알루미늄 합금 클래딩을 조립하는 단계; 및
    상기 압연된 알루미늄 합금 코어에 상기 압연된 알루미늄 합금 클래딩을 열간 압연 접착시키는 단계를 포함하는, 알루미늄 재료의 제조 방법.
  10. 제1항 또는 제2항의 알루미늄 재료를 제조하는 방법으로서, 알루미늄 합금 코어와 알루미늄 합금 클래딩을 용융 주조(fusion casting)하는 단계를 포함하는, 알루미늄 재료의 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서, 주조 전에, Si가 첨가된 스크랩 알루미늄(scrap aluminum)으로 또는 스크랩 알루미늄과 제련된 알루미늄의 조합물로 상기 알루미늄 합금 클래딩을 준비하는 단계를 추가로 포함하는, 알루미늄 재료의 제조 방법.
  12. 제1항 또는 제2항의 알루미늄 재료로 제작된 적어도 하나의 제1 알루미늄 합금 물체를, 제2 알루미늄 합금 물체와 함께 브레이징함으로써 접합하는 단계를 포함하는 2개 이상의 알루미늄 물체들의 접합 방법.
  13. 브레이징에 의해 2개 이상의 알루미늄 물체들을 접합하는 방법으로서, 상기 2개 이상의 알루미늄 물체들 중 적어도 하나는 제1항 또는 제2항의 알루미늄 재료로 제조되고, 상기 방법은,
    상기 2개 이상의 알루미늄 물체들을 서로 조립하고 고정하는 단계;
    접합부(joint)들이 모세관 작용에 의해 상기 2개 이상의 알루미늄 물체들 중에서 생성될 때까지 상기 2개 이상의 알루미늄 물체들을 브레이징 온도로 가열하는 단계; 및
    알루미늄 합금 클래딩의 고상선(solidus) 아래로 상기 2개 이상의 알루미늄 물체들을 냉각하는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 브레이징 온도는 590℃ 내지 610℃인, 2개 이상의 알루미늄 물체들의 접합 방법.
  15. 제12항에 따른 2개 이상의 알루미늄 물체들의 접합 방법을 포함하는 방법에 의해 제작된 물체.
  16. 제15항에 있어서, 상기 물체는 히터, 증발기 플레이트, 증발기, 라디에이터, 히터 코어, 응축기, 튜브, 파이프 또는 매니폴드인, 물체.
  17. 삭제
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