KR102237180B1 - 알루미늄 열교환기 브레이징용 조성물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 알루미늄 열교환기 브레이징용 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내식성을 향상시킬 수 있는 알루미늄 열교환기 브레이징용 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 알루미늄 열교환기 브레이징용 조성물은 플럭스 분말 20 내지 50중량%와, 바인더 40 내지 70중량%와, 아연 분말 5 내지 30중량%와, 리튬 분말 1 내지 20중량%를 혼합하여 형성시킨다.

Description

알루미늄 열교환기 브레이징용 조성물{composition for brazing of aluminum heat exchanger}
본 발명은 알루미늄 열교환기 브레이징용 조성물에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내식성을 향상시킬 수 있는 알루미늄 열교환기 브레이징용 조성물에 관한 것이다.
알루미늄은 가볍고, 비교적 강도가 높으며, 열교환성능이 우수할 뿐만 아니라 가공성이 우수하다는 장점으로 인하여 예컨대 자동차용 공기조화장치를 구성하는 열교환기의 중요한 소재로 사용되고 있다.
열교환기를 제조할 경우 통상적으로 알루미늄 부품들을 모두 조립 또는 적층하여 고정함으로써 알루미늄 부품 어셈블리를 만들고, 이 알루미늄 부품 어셈블리를 노(furnace)에 넣어 소정온도로 가열하는 브레이징을 통하여 알루미늄 부품들을 서로 접합함으로써 열교환기를 제조하게 된다.
알루미늄 부품들을 서로 접합하여 제품을 만들기 위하여, 알루미늄보다 융점이 낮은 브레이징재를 압출에 의하여 선재 형태 또는 링 형태로 만들거나, 압연에 의하여 클래딩처리하거나, 또는 분말의 형태로 만들어 이를 알루미늄 부품들의 접합부에 피복 또는 결합하여 브레이징함으로써 알루미늄 부품들을 서로 접합한다.
이러한 브레이징재로는 Al-Si합금을 주재로 하여 이루어진 것이 주로 사용되지만 브레이징시에는 모재의 표면에 형성되는 산화피막, 즉 산화알루미늄(Al2O3)이 생성되어 브레이징재의 유동성을 방해하기 때문에 미접합부위가 발생하기 쉽고 또 접합상태도 양호하지 못하다.
따라서, 비산화분위기를 조성하여 대기 중에서도 산소와 모재와의 접촉을 차단하여 산화알루미늄막의 생성을 막을 수 있도록 접합부에 플럭스를 공급하여 브레이징하거나 플럭스를 공급하지 않고 진공로에서 브레이징하는 방법이 사용된다.
비산화분위기를 조성하기 위한 플럭스로는 불화물계 플럭스가 가장 많이 사용되며, 이 불화물계 플럭스 중에서도 알칸 인터내셔널 리미티드사에서 시판하고 있는, KF 및 AlF3로 조성된 노콜록(NOCOLOK) 플럭스가 주로 사용되고 있다. 그러나, 브레이징재 및 플럭스를 각각 별도로 공급하여 브레이징하는 방법은 일손이 많이 들어 생산성이 저하되고, 또 접합부에 충분한 플럭스를 도포하기 위해서는 플럭스를 다량으로 사용할 수밖에 없으므로 과잉 플럭스에 의한 각종 문제점이 발생하기 때문에 바람직하지 못하다.
따라서, 브레이징재에 미리 플럭스를 포함시켜 이루어진 플럭스 함유 알루미늄 브레이징재를 만들고 이를 알루미늄 부품들의 접합부에 결합 또는 도포하여 브레이징하는 다양한 방법들이 제안되어 실시되고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2009-0133005호에는 열교환기용 튜브의 플럭스 코팅방법 및 장치와 코팅 조성물이 개시되어 있다.
상기 기술에 개시된 코팅 조성물은 전체중량에 대하여 65 내지 94중량부의 액체상태의 용매와, 전체중량에 대하여 5내지 30중량부의 분말형태의 합금과, PVA 수지로 이루어진 바인더를 전체중량에 대하여 1내지 5중량부를 포함한다.
상기 코팅조성물은 내식성이 낮으며, 특히 수분에 노출되는 경우 부식이 빠르게 진행되는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허 제10-2009-0133005호: 열교환기용 튜브의 플럭스 코팅방법 및 장치와 코팅 조성물
본 발명은 상기의 문제점을 개선하고자 창출된 것으로서, 아연과 리튬 금속을 첨가하여 내식성을 향상시킬 수 있는 알루미늄 열교환기 브레이징용 조성물을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 알루미늄 열교환기 브레이징용 조성물은 플럭스 분말 20 내지 50중량%와, 바인더 40 내지 70중량%와, 아연 분말 5 내지 30중량%와, 리튬 분말 1 내지 20중량%를 혼합하여 형성시킨다.
상기 플럭스 분말은 알루미늄 칼륨 플루오라이드(aluminum potassium fluoride)이다.
상기 바인더는 아크릴 수지에 솔벤트 또는 3-메톡시-3-메틸-1-부탄올(3-methoxy-3-methyl-1-butanol)을 혼합한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 아연과 리튬 금속을 첨가하여 부식을 감소시킴으로써 내식성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 내식성을 향상시킴과 동시에 백청발생을 크게 억제하여 접합부위에 백분이 발생하는 것을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 알루미늄 열교환기 브레이징용 조성물에 대하여 구체적으로 설명한다.
본 발명의 일 예에 따른 브레이징용 조성물은 플럭스 분말, 바인더, 아연 분말, 리튬 분말을 혼합하여 형성시킬 수 있다. 가령, 플럭스 분말 20 내지 50중량%와, 바인더 40 내지 70중량%와, 아연 분말 5 내지 30중량%와, 리튬 분말 1 내지 20중량%를 혼합하여 형성시킨다. 이러한 브레이징용 조성물은 페이스트(paste) 형태로 이루어진다.
플럭스 분말은 브레이징시 용융되어 알루미늄 모재를 접합시킴과 동시에 알루미늄 모재의 표면에 산화 알루미늄(Al2O3) 피막이 형성되는 것을 방지하는 역할을 한다. 플럭스 분말로 불화 알루미늄을 사용할 수 있다. 바람직하게 불화 알루미늄으로 알루미늄 칼륨 플루오라이드(aluminum potassium fluoride)를 사용할 수 있다. 알루미늄 칼륨 플루오라이드로서 KAlF, KAlF4, K3AlF6 중에서 선택된 어느 하나 또는 2이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 이러한 플럭스 분말로 상업화된 제품인 노콜록(NOCOLOK) 플럭스를 이용할 수 있다.
플럭스 분말은 조성물 전체에서 20 내지 50중량%의 비율로 함유되는 것이 적절하다. 플럭스 분말의 함량이 20중량% 미만이면 브레이징 성능이 낮아지고, 50중량%를 초과하면 잔사가 과다하게 생성된다.
바인더는 플럭스 분말, 아연 분말, 리튬 분말의 혼합시 점착성을 갖게 하여모재의 표면에 도포를 용이하게 한다.
본 발명에 적용된 바인더는 아크릴 수지에 솔벤트 또는 3-메톡시-3-메틸-1-부탄올(3-methoxy-3-methyl-1-butanol)을 혼합하여 얻는다. 가령, 바인더로 아크릴 수지와 솔벤트를 1:5~30의 중량비로 혼합하여 조성할 수 있다. 또한, 바인더로 아크릴 수지와 3-메톡시-3-메틸-1-부탄올을 1:5~30의 중량비로 혼합하여 조성할 수 있다. 그리고 필요에 따라 바인더에는 물이 더 첨가될 수 있다.
아크릴 수지는 금속 재료의 확산을 도우며, 브레이징시 증발되어 없어져 모재의 접합면에 영향을 끼치지 않는다. 본 발명에서 사용 가능한 아크릴 수지의 종류는 크게 제한되지 않는다. 예를 들어 아크릴산, 메타크릴산, 아크릴산의 에스테르, 메타크릴산의 에스테르, 아크릴로니트릴, 메타크릴로니트릴, 아크릴아미드 및 메타크릴아미드로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 모노머를 중합하여 형성시킨 것일 수 있다. 가령, 아크릴 수지로 폴리아크릴레이트 또는 폴리메틸메타아크릴레이트 등을 이용할 수 있다.
솔벤트 또는 3-메톡시-3-메틸-1-부탄올은 용제로서 첨가된다. 솔벤트로 아미노에틸에탄올아민, 트리에탄올아민, 톨루엔, 메탄올 중에서 선택된 어느 하나를 이용할 수 있다.
바인더는 조성물 전체에서 40 내지 70중량%의 비율로 함유되는 것이 적절하다. 바인더의 함량이 40중량% 미만이면 점착력이 낮아지고, 70중량%를 초과하면 유동성이 저하된다.
아연(Zn) 분말은 희생 양극 효과에 의해, 알루미늄 보다 먼저 부식됨으로써 열교환기 튜브의 부식을 방지한다. 본 발명에서 아연 분말은 200 내지 400메쉬 입도 크기의 미세한 분말 형태로 사용된다. 이와 같이 아연이 분말 형태로 사용되므로 플럭스 조성물을 모재에 도포시 균일한 분산이 가능하다.
아연 분말은 조성물 전체에서 5 내지 30중량%의 비율로 함유되는 것이 적절하다. 아연 분말의 함량이 5중량% 미만이면 내식성이 저하되고, 30중량%를 초과하면 과도한 부식이 발생할 수 있다.
리튬(Li) 분말은 브레이징 후 접합 부위에서 발생되는 백청현상을 차단하여 부식을 방지하고 접합부위에서의 균열을 막는 역할을 한다.
통상적인 플럭스로 브레이징을 한 후 수분에 노출되는 경우 접합 부위의 표면에 흰색의 물질(백분)이 형성된다. 이 흰색의 물질은 플럭스에 함유된 아연 등과 같은 일부의 물질이 수분과 접촉에 의해 발생되는 수산화물이다. 아연의 경우 수산화아연을 생성한다. 백청현상으로 발생되는 백분은 공기 중에서 비산되어 주위의 환경을 오염시키는 문제점이 발생된다.
본 발명은 리튬 분말을 첨가함으로써 수분에 의한 백청현상을 억제시켜 내식성을 향상시킨다. 리튬 분말은 200 내지 400메쉬 입도 크기의 미세한 분말 형태로 사용된다. 리튬을 분말 형태로 사용되므로 플럭스 조성물을 모재에 도포시 균일한 분산이 가능하다.
리튬 분말은 조성물 전체에서 1 내지 20중량%의 비율로 함유되는 것이 적절하다. 리튬 분말의 함량이 1중량% 미만이면 방청 억제효과가 저하되고, 20중량%를 초과하면 접합성이 저하될 수 있다.
본 발명은 아연과 리튬을 다른 원소와 결합된 화합물 또는 합금의 형태가 아닌 단일의 원소로 이루어진 금속으로 이용한다. 본 발명의 사용되는 아연과 리튬은 순도 99.99% 이상일 수 있다. 본 발명은 아연과 리튬을 분말 형태로 이용하므로 분산성 및 균일성을 높일 수 있다.
본 발명의 브레이징용 조성물은 알루미늄 열교환기를 구성하는 튜브, 탱크, 핀 등에 도포되어 알루미늄 모재간을 접합시킨다. 본 발명은 페이스트 형태로 제공되므로 도포가 용이하다. 본 발명은 알루미늄 모재에 다양한 방법을 코팅될 수 있다. 바람직하게 롤 코팅(roll coating) 방식으로 코팅할 수 있다. 롤 코팅 방식은 균일한 두께로 도포량의 정밀한 조절이 가능하다.
이하, 하기의 실시예를 통하여 본 발명에 대해 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시 예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위를 하기의 실시 예로 한정하는 것은 아니다.
(실시예)
알루미늄 칼륨 플루오라이드 플럭스 분말(NOCOLOK사, CAS No. 60304-36-1) 30중량%와, 바인더 50중량%와, 아연 분말 15중량%와, 리튬 분말 5중량%를 혼합하여 페이스트 형태의 브레이징용 조성물을 제조하였다. 바인더로 아크릴 수지와 3-메톡시-3-메틸-1-부탄올을 1:10의 중량비로 혼합한 것을 이용하였다.
(비교예1)
알루미늄 칼륨 플루오라이드 플럭스 분말(NOCOLOK사, CAS No. 60304-36-1) 35중량%와, 바인더 50중량%와, 아연 분말 15중량%를 혼합하여 페이스트 형태의 브레이징용 조성물을 제조하였다. 바인더로 아크릴 수지와 3-메톡시-3-메틸-1-부탄올을 1:10의 중량비로 혼합한 것을 이용하였다.
(비교예2)
알루미늄 칼륨 플루오라이드 플럭스 분말(NOCOLOK사, CAS No. 60304-36-1) 40중량%와, 바인더 60중량%를 혼합하여 페이스트 형태의 브레이징용 조성물을 제조하였다. 바인더로 아크릴 수지와 3-메톡시-3-메틸-1-부탄올을 1:10의 중량비로 혼합한 것을 이용하였다.
<부식실험>
두께 2mm의 판상의 알루미늄 모재를 준비한 후 모재의 표면에 실시예와 비교예 1 및 2의 브레이징용 조성물을 각각 도포한 다음 브레이징한 후 염수분무테스트를 통해 부식실험을 수행하였다.
브레이징된 알루미늄 모재를 47℃로 유지되는 챔버에 투입한 후 농도 5wt%의 염화나트륨 수용액을 168시간 동안 분무한 후 흐르는 물에 1분간 수세한 다음 건조시켰다. 실시예의 브레이징용 조성물로 브레이징한 알루미늄 모재를 시험시편으로 하고, 비교예 1의 브레이징용 조성물로 브레이징한 알루미늄 모재를 비교시편 1로 하고, 비교예 2의 브레이징용 조성물로 브레이징한 알루미늄 모재를 비교시편 2로 구분하였다.
부식정도는 하기의 계산식과 같이 시편의 시험 전후의 단위면적당 무게감소량(mg/cm2)으로 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 시험시편과 비교시편1 및 2는 각각 5개씩 준비하여 시험하였고, 단위면적당 무게감소량은 평균값으로 나타내었다.
그리고 시험시편과 비교시편 1의 부식억제율은 비교시편 2의 무게감소량을 기준으로 계산하였다. 즉 시험시편의 부식억제율(%)은 {(비교시편2의 단위면적당 무게감소량-시험시편의 단위면적당 무게감소량)/비교시편2의 단위면적당 무게감소량}×100으로 계산하였고, 비교시편 1의 부식억제율(%)은 {(비교시편2의 단위면적당 무게감소량-비교시편 1의 단위면적당 무게감소량)/비교시편2의 단위면적당 무게감소량}×100으로 계산하였다.
구분 단위면적당 무게감소량(mg/cm2) 부식억제율(%)
시험시편 1.27 48.8%
비교시편1 1.65 33.5%
비교시편2 2.48 -
상기 표 1의 결과를 참조하면, 시험시편의 무게감소량은 1.27mg/cm2으로서 비교시편1 및 비교시편 2에 비해 내식성이 더 우수한 것으로 나타났다. 특히, 아연분말과 리튬분말이 첨가되지 않은 비교시편 2와 비교시 부식에 의한 무게감소가 크게 줄었다.
비교시편 2를 기준으로 비교한 부식억제율은 비교시편 1의 경우 33.5%였고, 시험시편의 경우 48.8%로 나타났다. 이를 통해 아연 분말과 리튬분말의 첨가를 통해 내식성을 크게 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
그리고 시험시편과 비교시편 1을 비교시 리튬분말을 더 첨가함으로써 부식억제율을 약 15% 이상 향상시킬 수 있는 것으로 나타났다. 따라서 아연분말만을 첨가하더라도 내식성 향상의 효과는 있으나 리튬분말을 함께 첨가하는 것이 내식성을 더욱 향상시킬 수 있는 것으로 확인되었다.
<백분량측정실험>
상기의 부식실험에서 염수분무를 통해 부식시켜 얻은 시험시편과 비교시편 1에 형성되어 있는 백분의 양을 측정하였다.
각 시편을 1m 높이에서 3회 자유낙하시킨 후 시편에서 분리된 백분의 무게를 측정하여 그 평균값을 하기 표 2에 나타내었다.
구분 백분량(mg)
시험시편 1,955
비교시편1 8,037
상기 표 2의 결과를 참조하면, 비교시편 1의 경우 백분의 발생량이 8,037mg인 반면에 시험시편의 경우 1,955mg으로 나타났다. 시험시편의 백분 발생량은 비교시편 1과 비교하여 약 76% 정도 감소시키는 것으로 확인되었다.
따라서 본 발명은 리튬 분말의 첨가로 인해 내식성을 향상시킴과 동시에 백청발생을 크게 억제하여 접합부위에 백분이 발생하는 것을 효과적으로 감소시킬 수 있을 것으로 기대된다.
이상, 본 발명은 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (3)

  1. 플럭스 분말 20 내지 50중량%와, 바인더 40 내지 70중량%와, 아연 분말 5 내지 30중량%와, 리튬 분말 1 내지 20중량%를 혼합하여 형성시키고,
    상기 리튬 분말은 접합부위의 표면에 흰색의 수산화물인 백분이 발생되는 것을 억제하기 위한 것으로서, 다른 원소와 결합된 화합물이 아닌 단일의 원소로 이루어진 것을 특징으로 하는 알루미늄 열교환기 브레이징용 조성물.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 플럭스 분말은 알루미늄 칼륨 플루오라이드(aluminum potassium fluoride)인 것을 특징으로 하는 알루미늄 열교환기 브레이징용 조성물.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 바인더는 아크릴 수지에 솔벤트 또는 3-메톡시-3-메틸-1-부탄올(3-methoxy-3-methyl-1-butanol)을 혼합한 것을 특징으로 하는 알루미늄 열교환기 브레이징용 조성물.
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