KR102144203B1

KR102144203B1 - Ｈｖａｃ＆ｒ 시스템들에 사용을 위한 고 강도 및 내부식성 합금

Info

Publication number: KR102144203B1
Application number: KR1020187011359A
Authority: KR
Inventors: 지오티 카달리; 아이더 알베르토 시밀리; 케빈 마이클 게튼비
Original assignee: 노벨리스 인크.
Priority date: 2016-05-27
Filing date: 2017-03-03
Publication date: 2020-08-12
Also published as: AU2017269097B2; RU2711394C1; US20170342536A1; ES2818603T3; KR20180056740A; BR112018008641A2; EP3359701A1; CN108138273A; US10889882B2; BR112018008641B1; EP3359701B1; JP6998865B2; MX2018004511A; CN115418533A; AU2017269097A1; CA3001504C; WO2017204877A1; EP3359701B2; ES2818603T5; JP2018536088A

Abstract

열 교환기에 구리를 대체하는데 유용한 새로운 알루미늄 합금 재료들이 본 출원에 제공된다. 알루미늄 합금 재료들은 실내 및 실외 유닛들을 위한 HVAC & R(heating, ventilating, air-conditioning and refrigeration) 시스템들의 컴포넌트들 제조에 또한 유용하다. 합금들은 열 교환기에 배관용으로 적절하다. 합금들은 고 강도 및 양호한 내식성을 보인다. 알루미늄 합금 재료들을 만들기 위한 방법들이 본 출원에 또한 제공된다.

Description

ＨＶＡＣ＆Ｒ 시스템들에 사용을 위한 고 강도 및 내부식성 합금

관련 출원에 대한 상호-참조

본 출원은 2016년 5월 27일에 출원된 U.S. 가출원 번호. 62/342,723의 이익을 주장하고, 이는 그 전체가 본 출원에 참조로서 통합된다.

분야

본 발명은 재료 과학, 재료 화학, 야금학(metallurgy), 알루미늄 합금들, 알루미늄 제조의 분야들 및 관련 분야들에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 한정되는 것은 아니지만, 실내 및 실외 유닛을 위한 HVAC & R(heating, ventilating, air-conditioning and refrigeration) 시스템들의 컴포넌트들의 제조를 포함하는 다수의 애플리케이션들에서 사용될 수 있는 새로운 알루미늄 합금들을 제공한다.

HVAC&R 시스템들의 금속 컴포넌트들은 시간이 흐르면서 부식을 보이는 경향이 있다. 하나의 특정 예가 금속 배관(metal tubing)이다. 거의 백년 동안, HVAC&R 시스템들에 금속 배관은 구리로 만들어 졌고, 구리 배관의 부식 공격은 오랫동안 실질적 비용 영향을 갖는 중요한 문제였다. 튜브들에 부식은 시스템의 축소된 성능으로 이어질 수 있다. 구체적으로, 튜브와 핀 사이의 갈바닉(galvanic) 부식은 튜브 누설로 이어질 수 있고, 이는 유닛 성능 감소를 유발한다.

HVAC&R 컴포넌트들의 성능, 에너지 효율, 및 내구성을 증가시키는 대안 방법들이 바람직하다. 대부분의 HVAC&R 및 냉동 장비 디자인들은 둥근(round) 튜브-플레이트 핀 디자인들에 기초한다. 이 기본 디자인은 거의 100 년동안 사용되어 왔다. 더 높은 열 전송 성능을 달성하기 위해서 개념이 다양한 방식들로 증강되어왔다. 알루미늄기반의 해결책들이, 특별히, 많은 장점들을 제공하는 디자인 장점들을 제시한다. 예를 들어, 알루미늄 열 교환기(heat exchangers)들에서, 튜브 부식은 핀과 튜브 사이의 더 가까운 갈바닉 밸런스(galvanic balance) 때문에 유닛내 혼합된 금속-구리 튜브와 알루미늄 핀들에서 보다 훨씬 더 느리게 일어난다. 그러나, 더 성능에 대한 요구가 여전히 있다.

희망하는 성능은 구리 튜브들을 다른 재료들로 대체함으로써 달성될 수 있다. HVAC&R 구리 배관에 현재 대체품은 알루미늄 클래드(clad) 튜브들 및 아연 코팅된 튜브들을 포함한다. 그러나, 알루미늄 클래드 튜브들은 클래드층 때문에 추가 프로세싱 단계들을 요구하고, 이는 가격을 상승시킨다. 추가 나머지 단계 때문에 아연 코팅된 튜브들에 대하여 유사한 이슈들이 존재한다. 게다가, 서비스 동안에 일단 아연산염된(zincated) 층이 부식된 후에 아연 코팅된 튜브들에 대한 부식 수명(corrosion life)은 격감된다.

본 발명의 커버된 실시예들은 이 과제해결 수단이 아니라 청구항들에 의해 정의된다. 이 과제 해결 수단은 본 발명의 다양한 측면들의 하이 레벨 개요이고 이하의 상세한 설명 섹션에 추가로 설명되는 개념들의 일부를 소개한다. 이 과제해결수단은 청구된 내용의 핵심 또는 본질적인 특징들을 식별하도록 의도되지 않고, 청구된 내용의 범위를 결정하기 위한 격리에 사용되도록 의도되지 않는다. 내용은 상기 전체 명세서, 임의의 또는 모든 도면들 및 각각의 청구항의 적절한 부분들에 대한 참조에 의하여 이해되어야 한다.

배관 애플리케이션들, HVAC&R 애플리케이션들, 자동차 애플리케이션들, 산업용 애플리케이션들, 운송 애플리케이션들, 전자 기기들 애플리케이션들, 항공우주 애플리케이션들, 철도 애플리케이션들, 패키징 애플리케이션들, 또는 다른 것들을 포함하는 여러 가지 애플리케이션들에서 구리를 대체하기에 적절한 새로운 알루미늄 합금들이 본 출원에 제공된다.

본 출원에 개시된 알루미늄 합금들은 통상적으로 실내 및 실외 HVAC&R 유닛들에 사용되는 금속들에 대한 적절한 대용물들이다. 예를 들어, 본 출원에 개시된 알루미늄 합금들은 통상적으로 HVAC&R 시스템들의 컴포넌트들, 예를 들어, 구리 배관에 사용되는 구리에 대한 적절한 대용물들이다. 본 출원에 설명된 알루미늄 합금들은 구리에 비교되어 더 양호한 부식 성능을 제공하고 그리고 재료 비용 절약을 제공한다. 비 제한적인 예들로서, 본 출원에 설명된 알루미늄 합금들을 함유하는 둥근(round) 또는 마이크로-채널 알루미늄 합금 튜브들이 HVAC&R 실내 및 실외 유닛들에 둥근 구리 튜브들을 대체할 수 있다.

본 출원에 제공된 알루미늄 합금들은 고 강도(strength) 및 내식성(corrosion resistance)를 보여준다. 일부 예들에서, 본 출원에 설명된 알루미늄 합금들은 이하를 포함한다, 모두 중량%에서: Cu: 약 0.01 % - 약 0.60 %, Fe: 약 0.05 % - 약 0.40 %, Mg: 약 0.05 % - 약 0.8 %, Mn: 약 0.001 % - 약 2.0 %, Si: 약 0.05 % - 약 0.25 %, Ti: 약 0.001 % - 약 0.20 %, Zn: 약 0.001 % - 약 0.20 %, Cr: 0 % - 약 0.05 %, Pb: 0 % - 약 0.005 %, Ca: 0 % - 약 0.03 %, Cd: 0 % - 약 0.004 %, Li: 0 % - 약 0.0001 %, 및 Na: 0 % - 약 0.0005 %. 다른 원소들은 개별적으로 0.03%의 레벨들에 불순물들로 존재할 수 있고, 총 불순물들은 0.10%를 초과하지 않는다. 상기 나머지는 알루미늄이다. 일부 예들에서, 본 출원에 설명된 알루미늄 합금들은 이하를 포함한다, 모두 중량%에서: Cu: 약 0.05 % - 약 0.10 %, Fe: 약 0.27 % - 약 0.33 %, Mg: 약 0.46 % - 약 0.52 %, Mn: 약 1.67 % - 약 1.8 %, Si: 약 0.17 % - 약 0.23 %, Ti: 약 0.12 % - 약 0.17 %, Zn: 약 0.12 % - 약 0.17 %, Cr: 0 % - 약 0.01 %, Pb: 0 % - 약 0.005 %, Ca: 0 % - 약 0.03 %, Cd: 0 % - 약 0.004 %, Li: 0 % - 약 0.0001 %, Na: 0 % - 약 0.0005 %, 다른 원소들은 개별적으로 0.03% 까지 그리고 총 0.10% 까지이고, 및 상기 나머지는 Al 이다. 일 경우에서, 상기 알루미늄 합금들은: Cu: 약 0.07 %, Fe: 약 0.3 %, Mg: 약 0.5 %, Mn: 약 1.73 %, Si: 약 0.2 %, Ti: 약 0.15 %, Zn: 약 0.15 %, 다른 원소들은 개별적으로 0.03% 그리고 총 0.10% 이고, 및 상기 나머지는 알루미늄이다.

옵션으로, 본 출원에 설명된 알루미늄 합금들은 IACS(international annealed copper standard)에 근거하여 40%를 초과하는 전기 전도도 (예를 들어, IACS에 근거하여 약 41%)를 가진다. 본 출원에 설명된 알루미늄 합금들은 약 -735 mV의 부식 포텐셜을 가질 수 있다. 옵션으로, 본 출원에 설명된 알루미늄 합금들은 약 130 MPa 보다 더 큰 항복 강도(yield strength) 및 약 185 MPa보다 더 큰 최대 인장 강도(ultimate tensile strength)를 가진다. 상기 알루미늄 합금들은 H 템퍼(temper) 또는 O 템퍼에 있을 수 있다.

알루미늄 합금을 생산하는 방법들이 본 출원에 또한 제공된다. 방법들은 주조 알루미늄 합금(cast aluminum alloy)을 형성하기 위해 본 출원에서 설명된 알루미늄 합금을 주조하는 단계; 상기 주조 알루미늄 합금을 균질화하는 단계(homogenizing); 중간 게이지 시트를 생산하기 위해 상기 주조 알루미늄 합금을 열간 압연하는 단계(hot rolling); 최종 게이지 시트를 생산하기 위해 상기 중간 게이지 시트를 냉간 압연하는 단계(cold rolling); 옵션으로 상기 최종 게이지 시트를 어닐링하는 단계(annealing)를 포함한다.

본 출원에서 설명된 알루미늄 합금을 포함하는 알루미늄 물품들이 본 출원에 추가로 제공된다. 상기 알루미늄 물품들은 열 교환 컴포넌트 (예를 들어, 라디에이터, 콘덴서, 증발기, 오일 쿨러, 인터 쿨러, 차지 에어 쿨러, 또는 히터 코어 중 적어도 하나)를 포함할 수 있다. 옵션으로, 상기 열 교환기 컴포넌트는 튜브를 포함한다. 상기 알루미늄 물품은 실내 HVAC&R 유닛 또는 실외 HVAC&R 유닛을 포함할 수 있다. 상기 알루미늄 물품은 컬버트 스탁(culvert stock) 및 관개 파이핑(irrigation piping), 또는 해상 운송수단을 포함할 수 있다.

본 출원에서 설명된 알루미늄 물품으로 형성된 튜브 및 7xxx 시리즈 알루미늄 합금 (예를 들어, AA7072)로 또는 1xxx 시리즈 알루미늄 합금 (예를 들어, AA1100)로 형성된 핀을 포함하는 물품들이 또한 본 출원에 제공되고, 상기 핀은 경납땜(brazing)에 의해 상기 튜브에 접합된다.

추가 측면들, 대상들, 및 장점들이 이하의 비 제한적인 예제들의 상세한 설명의 고려에 기초하여 분명해질 것이다.

도 1은 대표적인 합금 A 및 비교 합금들에 대한 항복 강도 (YS : yield strength), 최대 인장 강도 (UTS : ultimate tensile strength), 및 연신율 (EI : elongation)를 보여주는 챠트이다.
도 2는 일주일 동안 SWAAT(Sea Water Acetic Acid Testing) 노출 후에 대표적인 합금 A 및 비교 합금들의 사진들을 보여준다.
도 3은 일주일 동안 SWAAT노출 후에 대표적인 합금 A 및 비교 합금들의 사진들을 보여준다.
도 4는 일주일 동안 SWAAT노출 후에 대표적인 합금 A 및 비교 합금들의 사진들을 보여준다.
도 5는 4주 동안 SWAAT노출 후에 대표적인 합금 A 및 비교 합금들의 사진들을 보여준다.
도 6은 4주 동안 SWAAT노출 후에 대표적인 합금 A 및 비교 합금들의 사진들을 보여준다.
도 7은 4주 동안 SWAAT노출 후에 대표적인 합금 A 및 비교 합금들의 사진들을 보여준다.
도 8은 4 주 동안 SWAAT 조건들 노출 후에 AA7072 핀에 결합된 구리 (패널 A) 및 AA1100 핀에 결합된 구리 (패널 B)의 사진들을 보여준다.
도 9는 4 주 동안 SWAAT 조건들 노출 후에 AA7072 핀에 결합된 대표적인 합금 A (패널 A) 및 AA1100 핀에 결합된 대표적인 합금 A (패널 B)의 사진들을 보여준다.
도 10 은 Wrap Bend 테스트 뒤에 임의의 크랙(crack)들이 없는 샘플을 보여주는 디지털 이미지이다.
도 11은 Wrap Bend 테스트 뒤에 크랙들을 함유하는 샘플을 보여주는 디지털 이미지이다.

새로운 알루미늄 합금들 및 이 합금들을 이용하는 방법들이 본 출원에서 설명된다. 본 출원에서 설명된 합금들은 구리가 적절한 임의의 애플리케이션에서 합금들이 구리 (Cu)를 대체할 수 있는 특성들을 보인다. 예를 들어, 본 출원에서 설명된 합금들은 실내 및 실외 HVAC&R 유닛들에 튜브들을 포함하는 HVAC&R 시스템들에서 전통적으로 사용되는 구리 튜브들을 대체할 수 있다. 합금들은 또한 현존하는 압출 성형된(extruded) 합금들을 대체하기 위해 사용될 수 있고, 또한 다른 경납땜(brazed) 애플리케이션들 예컨대 라디에이터들, 콘덴서들, 오일 쿨러들, 및 히터 코어들 (예를 들어, 마그네슘 (Mg) 함유량이 0.5 wt. % 보다 작게 유지된 때)를 위해 사용될 수 있다. 본 출원에서 설명된 합금들은 일 측면 또는 양쪽 측면들 상에 클래딩될 수 있고 상기 언급된 애플리케이션들에 사용될 수 있다. 합금들은 구리 배관에 대한 대용품으로 현재 이용 가능한 클래드 및 아연 코팅된 알루미늄 튜브들 보다 더 긴 수명 및 더 고 강도를 가진다. 추가적으로, 본 출원에서 설명된 합금들은 컬버트 스탁(culvert stock) 및 관개 파이핑(irrigation piping)을 포함하는, 일반 산업 애플리케이션들에 사용될 수 있다. 일부 추가 예제들에서, 본 출원에서 설명된 합금들은 운송 애플리케이션들에, 예를 들어, 해상 운송수단들 (예를 들어, 선박 운송수단(water craft vehicles)들), 자동차들, 커머셜 차량들, 항공기, 또는 철도 애플리케이션들에 사용될 수 있다. 또한 추가 예들에서, 본 출원에서 설명된 합금은 전자 기기들 애플리케이션들에, 예를 들어 파워 서플라이들 및 열 싱크들에, 또는 임의의 다른 희망하는 애플리케이션에 사용될 수 있다.

정의들 및 설명들

본 출원에 사용되는, 용어들 “발명,” “상기 발명,” “이 발명” 및 “본 발명”은 본 특허 출원 및 아래의 청구항들의 내용의 전부를 광범위하게 지칭하도록 의도된다. 이들 용어들을 포함하는 서술은 본 출원에서 설명되는 내용을 제한하거나 또는 아래의 특허 청구항들의 범위 또는 의미를 제한하지 않도록 이해되어야 한다.

본 설명에서, AA 번호들 및 다른 관련 지정들 예컨대 “시리즈(series)” 또는 "1xxx"에 의해 식별되는 합금들에 대한 참조가 이루어진다. 알루미늄 및 그것의 합금들을 명명하고 식별하는데 가장 흔하게 사용되는 숫자 호칭 체계의 이해를 위하여, 알루미늄 국제 협회(Aluminum Association)에 의해 공개된 "International Alloy Designations and Chemical Composition Limits for Wrought Aluminum and Wrought Aluminum Alloys" 또는 “Registration Record of Aluminum Association Alloy Designations and Chemical Compositions Limits for Aluminum Alloys in the Form of Castings and Ingot”를 참조하며, 둘 모두는 알루미늄 연합회에 의해 발행된다.

본 출원에서 사용되는, “a,” “an,” 및 “the”의 의미는 문맥상 명확하게 달리 서술되지 않는 한 단일 및 복수 기준들을 포함한다.

본 출원에서 사용되는, “실외(outdoors)”의 의미는 공기, 태양 복사, 바람, 비, 진눈깨비, 눈, 결빙 비(freezing rain), 얼음, 우박, 황사(dust storms), 습기, 건조, 연기(예를 들어, 담배 연기, 가정용 불 연기(house fire smoke), 산업용 소각로 연기 및 야외 불 연기), 스모그(smog), 화석 연료 배출, 바이오 연료(bio-fuel) 배출, 염(salts) (예를 들어, 소금 물의 바디(body) 근처 영역들에 고 염 함량 공기), 방사능, 전자기파들, 부식성 가스들, 부식성 액체들, 갈바닉(galvanic) 금속들, 갈바닉 합금들, 부식성 고체들, 플라즈마, 불(fire), 정전기 방전 (예를 들어,번개), 생물학적 재료들 (예를 들어, 동물 분비물, 침, 배설된 오일들, 초목(vegetation)), 바람 날려온(wind-blown) 미립자들, 기압계의 압력 변화, 및 하루 동안의 온도 변화를 포함하는 지질학 및 기상학상 환경 상태들에 노출되고 인간들에 의해 생산된 임의의 구조내에 완전히 포함되지 않는 배치를 지칭한다.

본 출원에서 사용되는, “실내(indoor)”의 의미는 옵션으로 제어되는 환경 상태들을 갖는 인간들에 의해 생산되는 임의의 구조내 포함된 배치를 지칭한다.

본 출원에서 사용되는, “실온(room temperature)”의 의미는 약 15 ℃ 내지 약 30 ℃의 온도, 예를 들어 약 15 ℃, 약 16 ℃, 약 17 ℃, 약 18 ℃, 약 19 ℃, 약 20 ℃, 약 21 ℃, 약 22 ℃, 약 23 ℃, 약 24 ℃, 약 25 ℃, 약 26 ℃, 약 27 ℃, 약 28 ℃, 약 29 ℃, 또는 약 30 ℃를 포함할 수 있다.

합금 템퍼(alloy temper) 또는 상태에 대한 참조가 본 출원에서 이루어진다. 가장 흔하게 사용되는 합금 템퍼 설명들의 이해를 위해, “American National Standards (ANSI) H35 on Alloy and Temper Designation Systems”를 참조하라. F 상태 또는 템퍼는 제조된 알루미늄 합금을 지칭한다. O 상태 또는 템퍼는 어닐링 후 알루미늄 합금을 지칭한다. 또한 본 출원에서 H 템퍼로서 언급된 Hxx 상태 또는 템퍼는, 열 처리 (예를 들어, 어닐링)를 갖거나 또는 갖지 않는 냉간 압연(cold rolling) 후에 알루미늄 합금을 지칭한다. 적절한 H 템퍼들은 HX1, HX2, HX3 HX4, HX5, HX6, HX7, HX8, 또는 HX9 템퍼들을 포함한다.

출원에 개시된 모든 범위들은 그 내부에 포괄된 임의 및 모든 서브 범위들을 아우르는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, “1 내지 10”의 언급된 범위는 1의 최소값과 10의 최대값 사이에(및 포괄하는) 임의의 및 모든 서브 범위들을 포함하는 것으로; 즉, 모든 서브범위들은 1 또는 그 이상의 최소값으로 시작하고, 예를 들어, 1 내지 6.1, 및 10 또는 그 미만의 최대값, 예를 들어, 5.5 내지 10로 끝난다.

합금 조성물들(Alloy compositions)

고 내식성 및 고 강도를 갖는 알루미늄 합금들이 본 출원에서 설명된다. 알루미늄 합금들 및 그것들의 컴포넌트들은 그것들의 원소 조성물에 면에서 중량 퍼센트 (wt. %)로 설명된다. 각각의 합금에서, 나머지는 알루미늄이고, 모든 불순물들의 합은 0.1 %의 최대 wt. %를 갖는다.

일부 예들에서, 본 출원에 개시된 합금들은 이하를 함유한다, 모두 중량%에서: 구리 (Cu): 약 0.01 % - 약 0.60 % (예를 들어, 약 0.01 % - 약 0.6 %, 약 0.05 % - 약 0.6 %, 약 0.05 % - 약 0.55 %, 약 0.05 % - 약 0.50 %, 약 0.05 % - 약 0.40 %, 또는 약 0.05 % - 약 0.30 %); 철 (Fe): 약 0.05 % - 약 0.40 % (예를 들어, 약 0.1 % - 약 0.4 %, 약 0.2 % - 약 0.4 %, 약 0.05 % - 약 0.33 %, 약 0.2 % - 약 0.33 %, 또는 약 0.27 % - 약 0.33 %); 마그네슘 (Mg): 약 0.05 % - 약 0.8 % (예를 들어, 약 0.1 % - 약 0.8 %, 약 0.3 % - 약 0.8 %, 약 0.3 % - 약 0.6 %, 약 0.3 % - 약 0.52 %, 약 0.46 % - 약 0.52 %, 또는 약 0.46 % - 약 0.8 %); 망간 (Mn): 약 0.001 % - 약 2.0 % (예를 들어, 약 0.1 % - 약 2.0 %, 약 0.5 % - 약 2.0 %, 약 1.0 % - 약 2.0 %, 약 1.5 % - 약 2.0 %, 약 0.5 % - 약 1.8 %, 약 1.0 % - 약 1.8 %, 약 1.5 % - 약 1.8 %, 또는 약 1.67 % - 약 1.8 %); 실리콘 (Si): 약 0.05 % - 약 0.25 % (예를 들어, 약 0.10 % - 약 0.30 %, 약 0.10 % - 약 0.23 %, 약 0.17 % - 약 0.30 %, 또는 약 0.17 % - 약 0.23 %); 티타늄 (Ti): 약 0.001 % - 약 0.22 % (예를 들어, 약 0.01 % - 약 0.20 %, 약 0.05 % - 약 0.20 %, 약 0.1 % - 약 0.20 %, 약 0.12 % - 약 0.20 %, 약 0.01 % - 약 0.17 %, 약 0.5 % - 약 0.17 %, 약 0.1 % - 약 0.17 %, 또는 약 0.12 % - 약 0.17 %); 아연 (Zn): 약 0.001 % - 약 0.22 % (예를 들어, 약 0.01 % - 약 0.20 %, 약 0.05 % - 약 0.20 %, 약 0.1 % - 약 0.20 %, 약 0.12 % - 약 0.20 %, 약 0.01 % - 약 0.17 %, 약 0.5 % - 약 0.17 %, 약 0.1 % - 약 0.17 %, 또는 약 0.12 % - 약 0.17 %); 크롬 (Cr): 0 % - 약 0.05 % (예를 들어, 0 % - 약 0.01 %); 납 (Pb): 0 % - 약 0.01 % (예를 들어, 0 % - 약 0.005 %); 칼슘 (Ca): 0 % - 약 0.06 % (예를 들어, 0 % - 약 0.03 %); 카드뮴 (Cd): 0 % - 약 0.01 % (예를 들어, 0 % - 약 0.004 %, 0 % - 약 0.006 %, 0 % - 약 0.008 %, 약 0.001 % - 약 0.004 %, 약 0.001 % - 약 0.006 %, 약 0.001 % - 약 0.008 %, 또는 약 0.001 % - 약 0.01 %); 리튬 (Li): 0 % - 약 0.001 % (예를 들어, 0 % - 약 0.0001 %, 0 % - 약 0.0004 %, 0 % - 약 0.0008 %, 약 0.00005 % - 약 0.0001 %, 약 0.00005 % - 약 0.0004 %, 약 0.00008 % - 약 0.0001 %, 또는 약 0.00005 % - 약 0.001 %); 및 소듐 (Na): 0 % - 약 0.001 % (예를 들어, 0 % - 약 0.0005 %, 0 % - 약 0.0007 %, 또는 약 0.001 % - 약 0.0005 %, 약 0.001 % - 약 0.007 %). 다른 원소들은 개별적으로 0.03%의 레벨들에 불순물들로 존재할 수 있고, 총 불순물들은 0.10%를 초과하지 않는다. 나머지는 알루미늄이다.

일부 경우들에서, 합금들은 이하를 함유한다, 모두 중량%에서: Cu: 약 0.01 % - 약 0.60 %, Fe: 약 0.05 % - 약 0.40 %, Mg: 약 0.05 % - 약 0.8 %, Mn: 약 0.001 % - 약 2.0 %, Si: 약 0.05 % - 약 0.25 %, Ti: 약 0.001 % - 약 0.20 %, Zn: 약 0.001 % - 약 0.20 %, Cr: 0 % - 약 0.05 %, Pb: 0 % - 약 0.005 %, Ca: 0 % - 약 0.03 %, Cd: 0 % - 약 0.004 %, Li: 0 % - 약 0.0001 %, 및 Na: 0 % - 약 0.0005 %. 다른 원소들은 개별적으로 0.03%의 레벨들에 불순물들로 존재할 수 있고, 총 불순물들은 0.10%를 초과하지 않는다. 나머지는 알루미늄이다.

일부 예들에서, 합금들은 이하를 함유한다, 모두 중량%에서: Cu: 약 0.05 % - 약 0.30 %, Fe: 약 0.27 % - 약 0.33 %, Mg: 약 0.46 % - 약 0.52 %, Mn: 약 1.67 % - 약 1.8 %, Si: 약 0.17 % - 약 0.23 %, Ti: 약 0.12 % - 약 0.17 %, Zn: 약 0.12 % - 약 0.17 %, Cr: 0 % - 약 0.01 %, Pb: 0 % - 약 0.005 %, Ca: 0 % - 약 0.03 %, Cd: 0 % - 약 0.004 %, Li: 0 % - 약 0.0001 %, 및 Na: 0 % - 약 0.0005 %. 다른 원소들은 개별적으로 0.03%의 레벨들에 불순물들로 존재할 수 있고, 총 불순물들은 0.10%를 초과하지 않는다. 나머지는 알루미늄이다.

일 경우에서, 합금들은 Cu: 약 0.07%, Fe: 약 0.3%, Mg: 약 0.5%, Mn: 약 1.73%, Si: 약 0.2%, Ti: 약 0.15%, Zn: 약 0.15%, 다른 원소들은 개별적으로 0.03% 및 총 0.10%을 함유하고, 나머지는 알루미늄이다.

일부 예들에서, 본 출원에서 설명된 합금들은 0.01 % - 0.60 %의 양에 구리 (Cu)를 포함한다. 예를 들어, 합금들은 약 0.01 %, 약 0.02 %, 약 0.03 %, 약 0.04 %, 약 0.05 %, 약 0.06 %, 약 0.07 %, 약 0.08 %, 약 0.09 %, 약 0.10 %, 약 0.11 %, 약 0.12 %, 약 0.13 %, 약 0.14 %, 약 0.15 %, 약 0.16 %, 약 0.17 %, 약 0.18 %, 약 0.19 %, 약 0.20 %, 약 0.21 %, 약 0.22 %, 약 0.23 %, 약 0.24 %, 약 0.25 %, 약 0.26 %, 약 0.27 %, 약 0.28 %, 약 0.29 %, 약 0.30 %, 약 0.31 %, 약 0.32 %, 약 0.33 %, 약 0.34 %, 약 0.35 %, 약 0.36 %, 약 0.37 %, 약 0.38 %, 약 0.39 %, 약 0.40 %, 약 0.41 %, 약 0.42 %, 약 0.43 %, 약 0.44 %, 약 0.45 %, 약 0.46 %, 약 0.47 %, 약 0.48 %, 약 0.49 %, 약 0.50 %, 약 0.51 %, 약 0.52 %, 약 0.53 %, 약 0.54 %, 약 0.55 %, 약 0.56 %, 약 0.57 %, 약 0.58 %, 약 0.59 %, 또는 약 0.60 % Cu를 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 고용체(solid solution)에, Cu는 본 출원에서 설명된 알루미늄 합금들의 강도를 증가시킬 수 있다. Cu는 전형적으로 알루미늄 합금들에 굵은(coarse) 침전물들을 형성하지 않고; 그러나, Cu는 현재 Cu의 농도에 의존하여 열간 압연 또는 어닐링 온도 (예를 들어, 약 300 ℃ - 약 500 ℃)에서 침전할 수 있다. 평형 조건들하에서 그리고 본 출원에서 설명된 Cu 함유량을 가지고 (예를 들어, 약 0.6 wt. %), Cu는 금속간 AlMnCu 상(phase)을 형성함으로써 Mn의 고체 용해도(solid solubility)를 줄인다. AlMnCu 입자 성장은 아래에 추가로 설명된 조건들하에서 주조 알루미늄 합금(cast aluminum alloy)의 균질화(homogenization) 동안에 그리고 열간 압연(hot rolling) 전에 발생한다.

일부 예들에서, 본 출원에서 설명된 합금들은 약 0.05 % - 약 0.40 % 의 양에 철 (Fe)을 포함한다. 예를 들어, 합금들은 약 0.05 %, 약 0.06 %, 약 0.07 %, 약 0.08 %, 약 0.09 %, 약 0.10 %, 약 0.11 %, 약 0.12 %, 약 0.13 %, 약 0.14 %, 약 0.15 %, 약 0.16 %, 약 0.17 %, 약 0.18 %, 약 0.19 %, 약 0.20 %, 약 0.21 %, 약 0.22 %, 약 0.23 %, 약 0.24 %, 약 0.25 %, 약 0.26 %, 약 0.27 %, 약 0.28 %, 약 0.29 %, 약 0.30 %, 약 0.31 %, 약 0.32 %, 약 0.33 %, 약 0.34 %, 약 0.35 %, 약 0.36 %, 약 0.37 %, 약 0.38 %, 약 0.39 %, 또는 약 0.40 % Fe을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, Fe은 Mn, Si 및 다른 원소들을 함유할 수 있는 금속간 구성 성분(intermetallic constituent)들의 일부일 수 있다. 본 출원에서 설명된 양으로 Fe을 통합하는 것이 굵은 금속간 구성 성분의 형성을 제어할 수 있다.

일부 예들에서, 본 출원에서 설명된 합금들은 약 0.05 % - 약 0.8 % 양에 마그네슘 (Mg)을 포함한다. 예를 들어, 합금들은 약 0.05 %, 약 0.06 %, 약 0.07 %, 약 0.08 %, 약 0.09 %, 약 0.10 %, 약 0.11 %, 약 0.12 %, 약 0.13 %, 약 0.14 %, 약 0.15 %, 약 0.16 %, 약 0.17 %, 약 0.18%, 약 0.19 %, 약 0.20 %, 약 0.21 %, 약 0.22 %, 약 0.23 %, 약 0.24 %, 약 0.25 %, 약 0.26 %, 약 0.27 %, 약 0.28 %, 약 0.29 %, 약 0.30 %, 약 0.31 %, 약 0.32 %, 약 0.33 %, 약 0.34 %, 약 0.35 %, 약 0.36 %, 약 0.37 %, 약 0.38%, 약 0.39 %, 약 0.40 %, 약 0.41 %, 약 0.42 %, 약 0.43 %, 약 0.44 %, 약 0.45 %, 약 0.46 %, 약 0.47 %, 약 0.48 %, 약 0.49 %, 약 0.50 %, 약 0.51 %, 약 0.52 %, 약 0.53 %, 약 0.54 %, 약 0.55 %, 약 0.56 %, 약 0.57 %, 약 0.58 %, 약 0.59 %, 약 0.60 %, 약 0.61 %, 약 0.62 %, 약 0.63 %, 약 0.64 %, 약 0.65 %, 약 0.66 %, 약 0.67 %, 약 0.68 %, 약 0.69 %, 약 0.70 %, 약 0.71 %, 약 0.72 %, 약 0.73 %, 약 0.74 %, 약 0.75 %, 약 0.76 %, 약 0.77 %, 약 0.78 %, 약 0.79 %, 또는 약 0.80 % Mg을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, Mg은 고용체 보강(strengthening)을 통하여 알루미늄 합금의 강도를 증가시킬 수 있다. Mg은 시효 경화(age-hardenable) 합금을 제공하는 본 출원에서 설명된 알루미늄 합금들에 존재하는 Si 및 Cu와 조정할 수 있다. 일부 경우들에서, 큰 양의 Mg (예를 들어, 본 출원에 나열된 범위들 초과)은 알루미늄 합금의 내식성을 줄일 수 있고 알루미늄 합금의 용융 온도를 낮출 수 있다. 따라서, Mg은 내식성을 줄이지 않고 그리고 알루미늄 합금의 용융 온도를 낮추지 않고 강도를 증가시키기 위해서 본 출원에서 설명된 양으로 존재하여야 한다.

일부 예들에서, 본 출원에서 설명된 합금들은 약 0.001 % - 약 2.0 % 양에 망간 (Mn)을 포함한다. 예를 들어, 합금들은 약 0.001 %, 약 0.005 %, 약 0.01 %, 약 0.05 %, 약 0.1 %, 약 0.5 %, 약 1.0 %, 약 1.1 %, 약 1.2 %, 약 1.3 %, 약 1.4 %, 약 1.5 %, 약 1.6 %, 약 1.65 %, 약 1.66 %, 약 1.67 %, 약 1.68 %, 약 1.69 %, 약 1.70 %, 약 1.71 %, 약 1.72 %, 약 1.73 %, 약 1.74 %, 약 1.75 %, 약 1.76 %, 약 1.77 %, 약 1.78 %, 약 1.79 %, 약 1.80 %, 약 1.81 %, 약 1.82 %, 약 1.83 %, 약 1.84 %, 약 1.85 %, 약 1.86 %, 약 1.87 %, 약 1.88 %, 약 1.89 %, 약 1.9 %, 약 1.91 %, 약 1.92 %, 약 1.93 %, 약 1.94 %, 약 1.95 %, 약 1.96 %, 약 1.97 %, 약 1.98 %, 약 1.99 %, 또는 약 2.0 % Mn을 포함할 수 있다. Mn은 고용체 보강을 통하여 알루미늄의 강도를 증가시킬 수 있다. Mn은 알루미늄과 금속간 화합물(intermetallic compounds)들의 분산(dispersions)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 본 출원에서 설명된 Fe 양과 조합하여 더 높은 Mn 함유량은 굵은 Mn-Fe 금속간 구성 성분의 형성으로 이어질 수 있다.

일부 예들에서, 본 출원에서 설명된 합금들은 약 0.05 % - 약 0.25 %의 양에 실리콘 (Si)을 포함한다. 예를 들어, 합금은 약 0.05 %, 약 0.06 %, 약 0.07 %, 약 0.08 %, 약 0.09 %, 약 0.10 %, 약 0.11 %, 약 0.12 %, 약 0.13 %, 약 0.14 %, 약 0.15 %, 약 0.16 %, 약 0.17 %, 약 0.18 %, 약 0.19 %, 약 0.20 %, 약 0.21 %, 약 0.22 %, 약 0.23 %, 약 0.24 %, 또는 약 0.25 % Si을 포함할 수 있다. Si 함유량은 본 출원에서 설명된 알루미늄 합금들의 용융 온도를 낮출 수 있기 때문에 Si 함유량은 주의깊게 제어된다. 본 출원에서 설명된 양에 Si을 포함하는 것은 AlMnSi 분산질(dispersoids)의 형성으로 이어질 수 있고, 알루미늄 합금들의 개선된 강도로 귀결된다.

일부 예들에서, 본 출원에서 설명된 합금들은 약 0.001 % - 약 0.20 %의 양에 티타늄 (Ti)을 포함한다. 예를 들어, 합금들은 약 0.001 %, 약 0.005 %, 약 0.010 %, 약 0.05 %, 약 0.10 %, 약 0.11 %, 약 0.12 %, 약 0.13 %, 약 0.14 % 약 0.15 %, 약 0.16 %, 약 0.17 %, 약 0.18 %, 약 0.19 %, 또는 약 0.20 % Ti을 포함할 수 있다. 본 출원에서 설명된 양으로 포함된 때, Ti은 본 출원에서 설명된 알루미늄 합금들의 내식성을 개선시킨다. 일부 경우들에서, Ti은 알루미늄 합금들의 연성(ductility)을 유지하기 위해서 본 출원에서 설명된 양으로 통합된다. 본 출원에서 설명된 것보다 더 많은 양으로 사용된 때, Ti 은 제품들, 예컨대 튜브들의 제조에 필요한 형성된 합금의 연성을 손상시킬 수 있다.

일부 예들에서, 본 출원에서 설명된 합금들은 약 0.001 % - 약 0.20 %의 양에 아연 (Zn)을 포함한다. 예를 들어, 합금들은 약 0.001 %, 약 0.005 %, 약 0.010 %, 약 0.05 %, 약 0.10 %, 약 0.11 %, 약 0.12 %, 약 0.13 %, 약 0.14 % 약 0.15 %, 약 0.16 %, 약 0.17 %, 약 0.18 %, 약 0.19 %, 또는 약 0.20 % Zn을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, 본 출원에서 설명된 농도에서 합금에 포함된 Zn은 고용체에 잔존할 수 있고 내식성을 증가시킬 수 있다. 일부 경우들에서, 약 0.20 %보다 더 큰 농동에서 통합된 Zn은 예를 들어, 갈바닉 커플링 조건들하에서 입자간(intergranular) 부식을 증가시킬 수 있거나 또는 부식을 가속시킬 수 있다.

일부 예들에서, 본 출원에서 설명된 합금들은 0 % - 약 0.05 %의 양에 크롬 (Cr)을 포함한다. 예를 들어, 합금들은 약 0.001 %, 약 0.002 %, 약 0.003 %, 약 0.004 %, 약 0.005 %, 약 0.006 %, 약 0.007 %, 약 0.008 %, 약 0.009 %, 약 0.01 %, 약 0.02 %, 약 0.03 %, 약 0.04 %, 또는 약 0.05 % Cr을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, Cr은 존재하지 않는다(즉, 0 %).

일부 예들에서, 본 출원에서 설명된 합금들은 0 % - 약 0.005 %의 양에 납 (Pb)을 포함한다. 예를 들어, 합금들은 약 0.001 %, 약 0.002 %, 약 0.003 %, 약 0.004 %, 또는 약 0.005 % Pb을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, Pb은 존재하지 않는다(즉, 0 %).

일부 예들에서, 본 출원에서 설명된 합금들은 0 % - 약 0.03 %의 양에 칼슘 (Ca)을 포함한다. 예를 들어, 합금들은 약 0.01 %, 약 0.02 %, 또는 약 0.03 % Ca을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, Ca은 존재하지 않는다 (즉, 0 %).

일부 예들에서, 본 출원에서 설명된 합금들은 0 % - 약 0.004 %의 양에 카드뮴 (Cd)을 포함한다. 예를 들어, 합금들은 약 0.001 %, 약 0.002 %, 약 0.003 %, 또는 약 0.004 % Cd을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, Cd은 존재하지 않는다 (즉, 0 %).

일부 예들에서, 본 출원에서 설명된 합금들은 0 % - 약 0.0001 %의 양에 리튬 (Li)을 포함한다. 예를 들어, 합금들은 약 0.00005 % 또는 약 0.0001 % Li을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, Li은 존재하지 않는다 (즉, 0 %).

일부 예들에서, 본 출원에서 설명된 합금들은 0 % - 약 0.001%의 양에 소듐 (Na)을 포함한다. 예를 들어, 합금들은 약 0.0001 %, 약 0.0002 %, 약 0.0003 %, 약 0.0004 %, 약 0.0005 %, 또는 약 0.001 % Na을 포함할 수 있다. 일부 예들에서, Na은 존재하지 않는다 (즉, 0 %).

합금 특성들

본 출원에서 설명된 합금들은 높은 가공 경화(work hardening) 비율을 가진다. 압연된 상태의 (as-rolled) 템퍼에 합금의 강도는 상당히 더 높고, 성형성(formability)을 요구하지 않는 애플리케이션들에 대하여 유용한 합금을 만든다. 합금은 클래드 층(clad layer)을 가지고 또는 클래드 층을 가지지 않고 사용될 수 있다.

본 출원에 개시된 합금들은 배관 애플리케이션들, HVAC&R 애플리케이션들, 자동차 애플리케이션들, 산업용 애플리케이션들, 운송 애플리케이션들, 전자 기기들 애플리케이션들, 항공우주 애플리케이션들, 철도 애플리케이션들, 패키징 애플리케이션들, 또는 다른 것들을 포함하는 여러 가지 애플리케이션들에서 구리를 대체하기에 적절하다. 본 출원에서 설명된 합금들은 예를 들어, 열 교환기들에서를 포함하여 HVAC&R 장비에서 사용될 수 있다. 튜브들로 형성된 때, 컴포넌트들은 전형적으로 끝단(end) 위 작은 면적에 기계적으로 조립되고, 이는 U자형 곡관 (return bend)에 불꽃 경납땜(flame brazed)된다. 불꽃 경납땜은 튜브가 충진 재료(filler material)보다 상당히 더 높은 고체상선 온도(solidus temperature)를 가질 것을 요구하여서 튜브가 경납땜에 사용되는 충진 재료와 함께 용융되지 않는다. 본 출원에서 설명된 합금은 높은 고체상선 온도를 포함하여 좋은 기계적 및 화학적 특성들을 가져서, 그것을 상이한 유형들의 경납땜 충진제들(brazing fillers)과 사용가능하게 한다.

본 출원에서 설명된 합금들은 28 일 SWAAT(Sea Water Acetic Acid Testing) 부식 테스트를 통과하는데 충분한 내식성을 가진다. 합금들이 마이크로-포트 배관(micro-port tubing)을 포함하여 열 교환기 배관으로 형성된 때, 그것들은 그것들 자체에 충분한 내식성을 생성 함으로써 통상의 아연 서모-스프레이(thermo-spraying) 단계에 대한 임의의 요구를 배제시킨다.

1xxx 시리즈 또는 7xxx 시리즈 알루미늄 합금의 핀 재료와 결합된 때, 본 출원에서 설명된 합금들은 구리 보다 더 나은 내식성을 가진다. 핀 재료는 튜브에 희생(sacrificial)된다. 본 출원에서 설명된 합금들은 SWAAT 부식 테스팅에서 구리를 능가한다. 예들에 도시된 바와 같이, 1xxx 시리즈 또는 7xxx 시리즈 알루미늄 합금으로 형성된 핀을 갖는 창의적인 합금의 샘플들은 창의적인 합금에 부식을 제한하거나 또는 전혀 부식이 없다. 그러나, 1xxx 시리즈 또는 7xxx 시리즈 알루미늄 합금으로 형성된 핀을 갖는 구리의 샘플들은 2 주의 노출 후에 구리에 상당한 부식으로 귀결된다.

준비 및 프로세싱의 방법들

주조(casting)

본 출원에서 설명된 합금은 관련 기술 분야에 통상의 기술자들에 알려진 주조 방법(casting method)을 이용하여 주조될 수 있다. 예를 들어, 주조 프로세스는 DC(Direct Chill) 주조 프로세스를 포함할 수 있다. DC 주조 프로세스는 관련 기술 분야의 통상의 기술자에게 알려진 알루미늄 산업에서 통상 사용되는 표준들에 따라 수행된다. 옵션으로, 주조 프로세스는 CC(continuous casting) 프로세스를 포함할 수 있다. 주조 프로세스는 옵션으로 롤러 주조(roller casting)을 이용하는 임의의 다른 커머셜 주조 프로세스를 포함할 수 있다. 옵션으로, 주조 알루미늄 합금은 스칼프(scalped)될 수 있다. 그런 다음 주조 알루미늄 합금은 추가프로세싱 단계들을 경험하게 될 수 있다. 예를 들어, 본 출원에서 설명된 프로세싱 방법들은 균질화(homogenization), 열간 압연(hot rolling), 냉간 압연(cold rolling), 및/또는 어닐링(annealing)의 단계들을 포함할 수 있다.

균질화

균질화 단계는 약, 또는 적어도 약, 480 ℃의 균질화 온도에 도달하기 위해 본 출원에서 설명된 주조 알루미늄 합금을 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 주조 알루미늄 합금은 적어도 약 480 ℃, 적어도 약 490 ℃, 적어도 약 500 ℃, 적어도 약 510 ℃, 적어도 약 520 ℃, 적어도 약 530 ℃, 적어도 약 540 ℃, 적어도 약 550 ℃의 온도, 또는 그 사이에 임의의 온도까지 가열될 수 있다. 일부 경우들에서, 균질화 온도에 대한 가열 비율은 약 100 ℃/hour 또는 그 미만, 약 75 ℃/hour 또는 그 미만, 약 50 ℃/hour 또는 그 미만, 약 40 ℃/hour 또는 그 미만, 약 30 ℃/hour 또는 그 미만, 약 25 ℃/hour 또는 그 미만, 약 20 ℃/hour 또는 그 미만, 약 15 ℃/hour 또는 그 미만, 또는 약 10 ℃/hour 또는 그 미만일 수 있다.

그런다음 주조 알루미늄 합금은 시간 기간동안 소킹(soak)(즉, 표시된 온도에서 유지되는)하는 것이 허용된다. 일 비 제한적인 예제에서, 주조 알루미늄 합금은 약 10 시간까지 (예를 들어, 약 10 분 내지 약 10 시간, 전부 통틀어서) 소킹하도록 허용된다. 예를 들어, 주조 알루미늄 합금은 10 분, 20 분, 30 분, 1 시간, 2 시간, 3 시간, 4 시간, 5 시간, 6 시간, 7 시간, 8 시간, 9 시간, 10 시간, 또는 그 사이의 임의의 시간동안 적어도 520 ℃의 온도에서 소킹될 수 있다.

열간 압연(hot rolling)

균질화 단계에 이어, 중간 게이지 제품 (예를 들어, 시트 또는 플레이트)을 생성하기 위해 열간 압연 단계가 수행될 수 있다. 어떤 경우들에, 주조 알루미늄 합금은 약 2 mm 내지 약 15 mm 두께 게이지 (예를 들어, 약 2.5 mm 내지 약 10 mm 두께 게이지)로 열간 압연될 수 있다. 예를 들어, 주조 알루미늄 합금은 약 2 mm 두께 게이지, 약 2.5 mm 두께 게이지, 약 3 mm 두께 게이지, 약 3.5 mm 두께 게이지, 약 4 mm 두께 게이지, 약 5 mm 두께 게이지, 약 6 mm 두께 게이지, 약 7 mm 두께 게이지, 약 8 mm 두께 게이지, 약 9 mm 두께 게이지, 약 10 mm 두께 게이지, 약 11 mm 두께 게이지, 약 12 mm 두께 게이지, 약 13 mm 두께 게이지, 약 14 mm 두께 게이지, 또는 약 15 mm 두께 게이지로 열간 압연될 수 있다.

냉간 압연(cold rolling)

냉간 압연 단계는 열간 압연 단계에 이어 수행될 수 있다. 어떤 측면들에서, 열간 압연 단계로부터의 중간 게이지 시트는 최종 게이지 시트로 냉간 압연될 수 있다. 어떤 측면들에서, 압연된 제품은 약 0.2 mm 내지 약 2.0 mm, 약 0.3 mm 내지 약 1.5 mm, 또는 약 0.4 mm 내지 약 0.8 mm의 두께로 냉간 압연된다. 어떤 측면들에서, 중간 게이지 시트는 약 2 mm 또는 그 미만, 약 1.5 mm 또는 그 미만, 약 1 mm 또는 그 미만, 약 0.5 mm 또는 그 미만, 약 0.4 mm 또는 그 미만, 약 0.3 mm 또는 그 미만, 약 0.2 mm 또는 그 미만, 또는 약 0.1 mm 또는 그 미만으로 냉간 압연된다. 예를 들어, 중간 게이지 제품은 약 0.1 mm, 약 0.2 mm, 약 0.3 mm, 약 0.4 mm, 약 0.5 mm, 약 0.6 mm, 약 0.7 mm, 약 0.8 mm, 약 0.9 mm, 약 1.0 mm, 약 1.1 mm, 약 1.2 mm, 약 1.3 mm, 약 1.4 mm, 약 1.5 mm, 약 1.6 mm, 약 1.7 mm, 약 1.8 mm, 약 1.9 mm, 또는 약 2.0 mm, 또는 그 사이에 임의 두께로 냉간 압연될 수 있다.

어닐링 (annealing)

최종 템퍼 요건들에 의존하여, 방법은 옵션의 후속 어닐링 단계를 포함할 수 있다. 어닐링 단계는 냉간 압연 밀(cold rolling mill) 상에 최종 통과 후에 또는 최종 게이지 알루미늄 합금 시트상에서 수행될 수 있다. 어닐링 단계는 실온으로부터 약 230 ℃ 내지 약 370 ℃ (예를 들어, 약 240 ℃ 내지 약 360 ℃, 약 250 ℃ 내지 약 350 ℃, 약 265 ℃ 내지 약 345 ℃, 또는 약 270 ℃ 내지 약 320 ℃)의 온도 까지 시트를 가열하는 단계를 포함할 수 있다. 시트는 시간 기간동안 해당 온도에서 소킹할 수 있다. 어떤 측면들에서, 시트는 대략 6 시간 (예를 들어, 약 10 초 내지 약 6 시간, 전부 통틀어서) 까지 동안 소킹하는 것이 허용된다. 예를 들어, 시트는 약 230 ℃ 내지 약 370 ℃ 온도에서 약 15 초, 약 30 초, 약 45 초, 약 1분, 약 5 분, 약 10 분, 약 15 분, 약 20 분, 약 30 분, 약 1 시간, 약 2 시간, 약 3 시간, 약 4 시간, 약 5 시간, 약 6 시간, 또는 그 사이에 임의의 시간동안 소킹될 수 있다. 일부 예제들에서, 시트는 어닐링되지 않는다.

사용 방법들

본 출원에서 설명된 합금들 및 방법들은 희생 부품(sacrificial parts)들, 열 소산, 패키징, 및 빌딩 재료들을 포함하여 산업용 애플리케이션들에 사용될 수 있다. 본 출원에서 설명된 합금들은 열 교환기들을 위한 산업용 핀 스탁(industrial fin stock)으로서 채용될 수 있다. 산업용 핀 스탁은 그것이 현재 산업용 핀 스탁 합금들에 사용되는 (예를 들어, AA7072 및 AA1100) 더 나은 부식에 대한 내성이 있도록 제공될 수 있고 또한 우선적으로 부식되어, 열 교환기에 통합된 다른 금속 부품들을 보호한다. 본 출원에 개시된 알루미늄 합금들은 통상적으로 실내 및 실외 HVAC&R 유닛들에 사용되는 금속들에 대한 적절한 대용물들이다. 본 출원에서 설명된 알루미늄 합금들은 현재 사용되는 합금들에 비교하여 더 나은 부식 성능 및 더 고 강도를 제공한다.

본 출원에서 설명된 합금들은 구리가 적절한 임의의 애플리케이션에서 구리 (Cu)를 대체할 수 있다. 예를 들어, 본 출원에 개시된 합금들은 클래드 층을 갖거나 또는 클래드 층을 갖지 않고 둥근 구리 튜브들을 대체하기 위해서 둥근 튜브들로서 사용될 수 있다. 대안 접근법은 또한 둥근 구리 튜브들에 대한 마이크로-채널 튜브들로 지칭되는 멀티-포트 압출 (MPE : multi-port extrusion) 알루미늄 튜브들을 대체하는 것이다. 마이크로채널 튜브는 또한 경납땜 알루미늄 열 교환기로서 지칭된다.

이하의 예들은 그러나 본 발명의 임의의 한정을 구성하지 않고 본 발명을 추가로 예시하는 역할을 할 것이다. 그와는 반대로, 수단들은 본 출원의 설명 판독 후에, 발명의 취지에서 벗어나지 않고 당해 기술분야의 통상의 기술자들이 제안할 수 있는 다양한 실시예들, 수정예들 및 그것의 등가물들을 가질 수 있다는 것이 분명히 이해될 것이다. 이하의 예들에 설명된 연구들 동안에, 다른 식으로 언급되지 않으면 통상의 절차들이 뒤따른다. 일부 절차들은 예시적인 목적을 위해 이하에 설명된다.

예제들

재료들

이하의 실험 섹션들에서 사용되는 다섯개의 합금들의 조성물들이 표 1에 제공되고, 나머지는 알루미늄이다. 창의적인 대표적인 합금 A에 대한 조성물 범위는 이하의 사양(specification)내에 있다: 1.7-1.8% Mn, 0.46-0.52% Mg, 0.05-0.07% Cu, 0.27-0.33% Fe, 0.17-0.23% Si, 0.12-0.17% Ti, 0.12-0.17% Zn, 불가피한 불순물들, 나머지는 Al이다.

이하의 제조 절차는 해당 합금들을 위해 사용된다. DC 주조에 의해 생성된 잉곳(ingot)은 스칼프되었고 그 후에 12 시간에 520 ℃ 까지 가열되었다. 잉곳은 6 시간 동안 520 ℃에서 소킹된다. 잉곳은 2.5 mm 게이지로 열간 압연 되었다. 열간 압연된 시트는 이어서 0.4 내지 0.8 mm의 요구된 최종 게이지 두께로 냉간 압연되었다. 모든 샘플들은 완전히 어닐링된 상태에서 테스트되었다. 비교 샘플들은 모두 O 템퍼(temper)에 있었다.

표 1

예제 1: 합금들의 기계적 특성들

기계적 특성들은 대표적인 합금 A 및 몇몇의 비교 합금들의 시트들에 대하여 판단되었다. 테스팅은 O 템퍼에 합금들로 수행되었다. 샘플들은 ASTM B557 표준들에 따라 제조되었다. 세개의 샘플들이 각각의 합금 변형으로부터 테스트되었고 평균 값들이 보고되었다. 일관된 결과들을 획득하기 위해서, 샘플들은 0.5 Ra 에지 조도 (edge roughness)로 제조되었다. 대표적인 합금 A는 ~175 MPa의 최대 인장 강도 (UTS : ultimate tensile strength)를 가졌다. 비교 합금들 중 하나를 제외한 전부는 대표적인 합금 A의 UTS보다 낮은 UTS를 가졌다. 도 1 은 대표적인 합금 A 및 비교 합금들에 대한 UTS를 도시한다. 대표적인 합금 A는 약 75 MPa의 항복 강도 (YS : yield strength)를 가졌다. 비교 합금들 중 하나를 제외한 전부는 대표적인 합금 A의 YS보다 낮은 YS를 가졌다. YS 테스트 결과들이 또한 도 1 에 도시된다. 대표적인 합금 A는 도 1 에 도시된 바와 같이 약 15%의 퍼센트 연신율 (EI : elongation)을 가졌다.

예제 2: 부식 특성들

알루미늄 합금 AA7072의 핀(fin)은 대표적인 합금 A 및 비교 합금들에 대한 부식 값들을 평가하기 위해서 사용되었다. 오픈 회로 포텐셜 부식 값들 (“부식 포텐셜(corrosion potential)들”)이 ASTM G69를 이용하여 측정되었다. 대표적인 합금 A는 - 735 mV의 부식 포텐셜을 가졌고, 이는 테스트된 다른 합금들의 부식 포텐셜들에 유사하였다. 표 2는 모든 합금들에 대한 이 테스트의 결과들을 보여준다. 알루미늄 튜브 합금과 핀 합금 간에 부식 포텐셜에서의 차이는 핀이 희생적으로(sacrificially) 작용하고 부식으로부터 튜브를 보호하기 위해 150 mV 아래에 있는 것으로 예상된다.

전도도가 IACS(International Annealed Copper Standard)에 따라서 테스트되었다. 대표적인 합금 A는 IACS에 근거하여 약 43.4 %의 평균 전도도를 가졌고, 이는 유닛내 양호한 열 전송(heat transfer)을 제공하기에 충분하다. 표 2는 테스트된 모든 합금들에 대한 IACS 데이터를 포함한다.

DSC(Differential scanning calorimetry)가 대표적인 합금 A 뿐만 아니라 비교 합금들 및 알려진 충진 재료(filler material), 718 AlSi에 대한 고체상선(solidus) 및 액체상선(liquidus) 온도를 결정하기 위해 사용되었다. 해당 온도들 뿐만 아니라 합금 고체상선 및 718 AlSi 충진제 액체상선 간의 차이가 표 2에 도시된다. 여기에 보고된 온도는 99.999% 순수 알루미늄 합금에 대비하여 정규화된다. 합금 고체상선과 충진제 액체상선 사이의 차이가 클 수록, 충진 재료를 포함하는 산업용 접합 프로세스(joining process)가 더 안정하다. 열 교환기 유닛의 다른 컴포넌트에 경납땜 동안에 튜브가 용융하지 않도록 대표적인 합금 A의 더 높은 고체상선 온도가 요구된다. 대표적인 합금 A 고체상선과 718 AlSi 액체상선간의 델타(delta)는 65 ℃이고, 이는 접합 프로세스들, 예컨대 불꽃 경납땜에 적절하다.

표 2

예제 3: SWAAT(Sea Water Acetic Acid) 부식 테스팅

대표적인 합금 A 및 비교 합금들 3005M, 3104M, 5052M, 및 3003M이 형성되었고 형성된 대표적인 그리고 비교 합금들에 클램핑된 AA7072 (SWAAT 테스트하에서 합금들의 부식 성능들의 평가를 위해 핀을 생성하기 위해 사용되는)로 테스트되었다. SWAAT는 ASTM G85 Annex 3에 따라 수행되었다. 2.8-3.0 pH (42 g/L syn. 바다 소금(sea salt) + 10 mL/L 빙초산(glacial acetic acid))로 산성화된(acidified) 인조 바다 물이 사용되었다. 샘플들은 이어 1 시간 동안 50% 질산으로 세정되었고, 세개의 상이한 위치들에 대하여 부식이 조사되었다.

도면들 2 - 7은 1 주 (도면들 2, 3, 및 4) 및 4 주 (도면들 5, 6, 및 7)의 노출 후에 대표적인 합금 A 및 비교 합금들에 대한 SWAAT 테스트의 결과들을 보여준다. 도면들 2, 3, 5, 및 6에서, 단지 최상부 표면들이 핀(fin)과 접촉하였다. 단지 핀 아래의 면적들이 부식 평가에 대하여 고려된다. 1 주(도면들 2, 3, 및 4) 후에, 몇몇 합금들은 부식 활동을 보였고, 활동은 클램프(clamp)들로부터 떨어진 면적들에서 더 강렬했다. 4 주 (도면들 5, 6, 및 7)후에, 합금들은 클램프들로부터 떨어진 핀 아래 면적들에서 일부 부식 활동을 보였다. 도면들 2 - 7에 도시된 바와 같이, 대표적인 합금 A는 테스트된 다른 합금들에 비교하여 훨씬 더 적은 점식(pitting corrosion)을 보였다.

질적인 스케일(qualitative scale)이 샘플들이 SWAAT 테스팅을 경험한 후에 부식의 심각도(severity of corrosion)를 평가하기 위해 사용되었다. 검체들은 4 주의 노출 동안 SWAAT (ASTM G85) 부식 테스팅을 경험하였고 1 및 4 주 후에 부식 행위를 특성화하기 위해 조사되었다. 부식 심각도는 제로 내지 10 스케일로 특성화되었고 제로는 높은 부식을 나타내고 10은 낮은 부식 또는 전혀 부식이 없음을 나타낸다. 내식성(corrosion resistance) 및 강도(strength) 결과들이 표 3에 제공된다. 테스트된 합금 조성물들이 표 1에 도시된다.

표 3

기계적 특성들 및 부식 테스팅에 기초하여, 대표적인 합금 A는 강도, 내식성, 화학적 포텐셜, 및 고체상선 온도의 최상의 전체 조합을 가졌다. 합금 3005는 양호한 내식성을 가졌지만, 그러나 낮은 기계적 특성들을 가졌다. 합금 3104는 양호한 강도 및 성형성을 가졌지만, 그러나 7072 핀과의 컨택으로부터 떨어진 면적들에서 낮은 내식성을 가졌다. 합금 3104은 또한 경납땜 동안에 생길수 있는 높은 Mg 함유량 및 낮은 고체상선 온도를 가진다. 합금 5052은 탁월한 조합의 강도 및 내식성을 가졌지만 그러나 불꽃 경납땜 동안에 그것을 용융에 취약하게 만드는 매우 낮은 고체상선(solidus) 및 매우 높은 Mg 함유량을 가졌다. 합금 5052은 또한 열악한 용접부위능력(weldability)을 가진다. 합금 3003는 양호한 내식성을 가졌지만, 그러나 낮은 강도를 가졌다.

(i) 대표적인 합금 A 상에 및 구리상에 AA7072의 핀을 비교하여 및 (ii) 대표적인 합금 A 상에 및 구리상에 AA1100의 핀을 비교하여 SWAAT 테스트들이 또한 수행되었다. 결과들이 도면들 8 및 9에 도시된다. 단지 핀 아래의 면적들이 부식 분석에 대하여 고려되었다. 도 8 패널 A은 AA7072 핀을 갖는 구리의 부식 (810)을 보여준다. 도 8 패널 B는 AA1100 핀을 갖는 구리의 부식 (810)을 보여준다. 도 9 패널 A은 AA7072 핀을 갖는 대표적인 합금 A의 부식을 보여준다. 도 9 패널 B는 AA1100 핀을 갖는 대표적인 합금 A의 부식을 보여준다. SWAAT 용액에 4 주 노출 후에 대표적인 합금 A 상에 7072 및 1100 핀들은 견디었다. 7072 및 1100와 결합된 구리는 SWAAT 용액에 2 주 노출후에 심한 부식 활동을 보였고 핀들은 완전히 부식되었고, 구리 튜브와 알루미늄 핀 사이의 심한 갈바닉 부식 활동을 보였다.

예제 4: 합금들의 벤딩능력 테스팅(Bendability Testing of Alloys)

벤딩능력 테스팅은 Wrap Bend 테스트 및 Flat Hem 테스트를 이용하여 수행되었다. Wrap Bend 테스트들은 벤딩능력을 위하여 0.002 인치 맨드릴(mandrel) (가장 날카로운 반경)상에서 수행되었다. Flat Hem 테스트는 완전한 180° 벤딩에 기초하여 합금의 벤딩능력을 수립하기 위해 사용된다. 샘플들은 벤딩 표면 외관 및 헴(hem) 표면 외관에 기초하여 순위매김(rank)된다; 크랙(crack)들이 없음 (도 10 참조) 또는 크랙(1100)들을 구비함 (도 11 참조). 대표적인 합금 A는 임의의 크랙들이 없이 양호한 표면을 보였고 Wrap Bend 테스트에 대하여 보고된 min R/T는 0.089이고, R은 인치로 맨드릴 반경을 나타내고 T는 인치로 검체 두께이다. 1 내지5의 스케일에 기한 벤딩 표면 등급 (BSR : bend surface rating)이 샘플들에 할당되었다. 이들 결과들에 기초하여, 대표적인 합금 A는 비교 튜브 스탁(stock) 합금들에 비교하여 우수한 벤딩 성능을 보였다.

성형성 테스팅이 또한 Erichsen 테스트를 이용하여 수행되었다. Erichsen 테스트는 3-축 로딩(loading)하에서 합금의 성형성을 측정한다. 펀치(punch)가 크랙들이 발생할 때까지 알루미늄 시트 위에 강제된다. Erichsen 테스트 결과들이 재료가 균열(fracture)되기 전에 재료에 변위(displacement)에 면에서 보고된다.

어닐링된 샘플들이 Erichsen 테스팅을 경험하였고 대표적인 합금 A 및 비교 합금들에 대한 결과들이 표 4에 제시된다. 이들 결과들에 기초하여, 대표적인 합금 A는 벤딩 동작들에서 잘 수행된다. 대표적인 합금 A에 비교를 위한 베이스라인(baseline)은 5052M 합금이다. 5052M은 강도 및 내식성의 양호한 조합을 가지지만, 그러나, 그것의 높은 Mg 함유량 때문에, 경납땜이 문제가 있다. 5052M은 합금 고체상선과 충진제 액체상선 간의 낮은 차이를 가지며, 이는 불꽃 경납땜에서 문제들을 야기하고, 즉, 합금이 충진제와 함께 융용될 것이다. 대표적인 합금 A 및 충진 재료들에 대하여 합금 고체상선와 충진제 액체상선 사이에 더 큰 차이가 있어서, 대표적인 합금 A는 보다 안정한 산업용 프로세스를 제공한다.

표 4

상기에서 인용된 모든 특허들, 특허 출원들, 간행물들 및 요약들은 그것들의 전체가 참조로서 본 출원에 통합된다. 본 발명의 다양한 실시예들이 본 발명의 다양한 목적들의 실현으로 설명되었다. 이들 실시예들은 본 발명의 원리들의 단지 예시이다는 것이 인식되어야 한다. 많은 수정예들 및 그것의 적응예들은 이하의 청구항들에 정의된 본 발명의 범위 및 취지를 벗어남이 없이 당해 기술분야의 통상의 기술자들에 용이하게 명확해질 것이다.

Claims

알루미늄 합금에 있어서, 이하의 조성물: Cu: 0.01 wt. % - 0.6 wt. %, Fe: 0.05 wt. % - 0.40 wt. %, Mg: 0.05 wt. % - 0.8 wt. %, Mn: 1.67 wt. % - 2.0 wt. %, Si: 0.05 wt. % - 0.25 wt. %, Ti: 0.001 wt. % - 0.20 wt. %, Zn: 0.001 wt. % - 0.20 wt. %, Cr: 0 wt. % 초과 0.05 wt. % 이하, Pb: 0 wt. % 초과 0.005 wt. % 이하, Ca: 0 wt. % 초과 0.03 wt. % 이하, Cd: 0 wt. % 초과 0.004 wt. % 이하, Li: 0 wt. % 초과 0.0001 wt. % 이하, Na: 0 wt. % 초과 0.0005 wt. % 이하, 불순물들은 개별적으로 0.03 wt. % 까지 그리고 총 0.10 % 까지, 그리고 나머지는 Al을 포함하며,
상기 알루미늄 합금은 H 템퍼(temper)이고,
상기 알루미늄 합금의 전기 전도도는 IACS(international annealed copper standard)에 근거하여 40% 초과인, 알루미늄 합금.
청구항 1에 있어서, 이하의 조성물: Cu: 0.05 wt. % - 0.10 wt. %, Fe: 0.27 wt. % - 0.33 wt. %, Mg: 0.46 wt. % - 0.52 wt. %, Mn: 1.67 wt. % - 1.8 wt. %, Si: 0.17 wt. % - 0.23 wt. %, Ti: 0.12 wt. % - 0.17 wt. %, Zn: 0.12 wt. % - 0.17 wt. %, Cr: 0 wt. % 초과 0.01 wt. % 이하, Pb: 0 wt. % 초과 0.005 wt. % 이하, Ca: 0 wt. % 초과 0.03 wt. % 이하, Cd: 0 wt. % 초과 0.004 wt. % 이하, Li: 0 wt. % 초과 0.0001 wt. % 이하, Na: 0 wt. % 초과 0.0005 wt. % 이하, 불순물들은 개별적으로 0.03 wt. % 까지 그리고 총 0.10 wt. %까지, 그리고 나머지는 Al을 포함하는, 알루미늄 합금.
청구항 2에 있어서, Cu는 0.07 % 양으로 존재하고, Fe은 0.3 % 양으로 존재하고, Mg은 0.5 % 양으로 존재하고, Mn은 1.73 % 양으로 존재하고, Si는 0.2 % 양으로 존재하고, Ti은 0.15 % 양으로 존재하고, 및 Zn은 0.15% 양으로 존재하는, 알루미늄 합금.
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청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 알루미늄 합금의 전기 전도도는 IACS에 근거하여 41%인, 알루미늄 합금.
청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 알루미늄 합금의 부식 포텐셜(corrosion potential)은 -735mV인, 알루미늄 합금.
청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 알루미늄 합금은 130 MPa 보다 더 큰 항복 강도(yield strength) 및 185 MPa보다 더 큰 최대 인장 강도(ultimate tensile strength)를 포함하는, 알루미늄 합금.
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알루미늄 합금을 생산하는 방법에 있어서,
주조 알루미늄 합금(cast aluminum alloy)을 형성하기 위해 청구항 1에 따른 알루미늄 합금을 주조하는 단계;
상기 주조 알루미늄 합금을 균질화하는 단계(homogenizing);
중간 게이지 시트를 생산하기 위해 상기 주조 알루미늄 합금을 열간 압연하는 단계(hot rolling);
최종 게이지 시트(gauge sheet)를 생산하기 위해 상기 중간 게이지 시트를 냉간 압연하는 단계(cold rolling); 및
상기 최종 게이지 시트를 어닐링하는 단계(annealing)를 포함하는, 알루미늄 합금을 생산하는 방법.
청구항 1의 알루미늄 합금을 포함하는, 알루미늄 물품.
청구항 11에 있어서, 상기 알루미늄 물품은 열 교환기 컴포넌트를 포함하는, 알루미늄 물품.
청구항 12에 있어서, 상기 열 교환기 컴포넌트는 라디에이터, 콘덴서, 증발기, 오일 쿨러, 인터 쿨러(inter cooler), 차지 에어 쿨러(charge air cooler), 또는 히터 코어 중 적어도 하나를 포함하는, 알루미늄 물품.
청구항 12에 있어서, 상기 열 교환기 컴포넌트는 튜브를 포함하는, 알루미늄 물품.
청구항 11에 있어서, 상기 알루미늄 물품은 실내 HVAC&R(heating, ventilating, air-conditioning, and refrigeration) 유닛을 포함하는, 알루미늄 물품.
청구항 11에 있어서, 상기 알루미늄 물품은 실외 HVAC&R 유닛을 포함하는, 알루미늄 물품.
청구항 11에 있어서, 상기 알루미늄 물품은 컬버트 스탁(culvert stock), 관개 파이핑(irrigation piping), 또는 해상 운송수단을 포함하는, 알루미늄 물품.
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