KR19990054142A - 브레이징용 알루미늄-규소 증착 알루미늄판의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 열교환기 등에 이용되는 Al판의 제조방법에 관한 것이며; 그 목적은 품질 특성을 확보하고 제조원가를 절감할수 있는 Al-Si증착 Al판의 제조방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 Al판을 100-450℃로 가열한 다음, 도가니에 장입된 Al과 Si에 전자빔 단일증발원을 입사하여 2-15중량%의 Si가 함유된 Al-Si의 합금증착층을 상기 Al판 두께의 5-15%의 범위로 형성하여 이루어지는 브레이징용 알루미늄-규소 증착 알루미늄판의 제조방법에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

브레이징용 알루미늄-규소 증착 알루미늄판의 제조방법

본 발명은 연교환기 등에 이용되는 Al판의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단일 전자증발원을 이용한 진공증착방법으로 Al-Si합금이 증착된 Al판의 제조방법에 관한 것이다.

알루미늄은 열전도도가 대단히 높고 가공이 용이하여 열교환기로는 최적이 소재이다. 하지만, 알루미늄은 용접이 어려워서 알루미늄 판재를 가공하여 열교환기의 형상을 제조한 후에 마지막 용접공정이 까다롭다는 단점을 가지고 있다. 이러한 어려움을 해결하기 위해서 개발된 것이 Al-Si 합금판을 알루미늄 판재에 압접하는 방법이다.

Al에 압접된 Al-Si 합금은 순수 알루미늄에 비해서 융점이 낮으므로 브레이징(Brazing)을 이용해서 알루미늄 판재의 용접이 가능하도록 한다. 또한 Al-Si 합금은 브레이증한 후에 충분한 접착강도를 유지하는 것으로 알려져 있다. Al-Si 압접 알루미늄 판재는 현재 자동차용 열교환기 소재로서 널리 사용되고 있다, 그러나,

Al-Si 판의 압접공정은 품질과 제조원가라는 두가지 측면에서 단점을 가지고 있다. 먼저, 품질적인 측면에서는 공정의 완성도가 떨어진다는 것이다. 실제로 이러한 압접 공정에서의 불량율은 최대 50%에 이르는 것으로 알려져 있다. 그리고, 열교환기에 가장 널리 사용되는 알루미늄 판재의 두께는 0.2mm 이하의 박판이며, 브레이증을 위해 압접하는 Al-Si 합금판의 두께는 모개의 10% 수준이 적합하다고 알려져 있으므로 20㎛내외의 극박판이 필요하다. 이러한 Al-Si 극박판을 제조하고 압접하는 공정은 원가상승의 요인이 된다.

이에, 본 발명은 상술한 종래문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 진공증착방법으로 Al-Si합금층은 Al판 위에 형성함으로서 Al-Si극박판을 제조할 필요가 없어 압접공정에 따른 불량률이 크게 줄어들고, 제조원가가 절감될 수 있는 Al-Si증착 알루미늄판의 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 Al-Si의 상태도이다;

도 2는 Al-Si증착층을 나타낸 것으로서,

도 2a는 Al-Si의 증착층의 전자현미경사진이고,

도 2b는 Al-Si 증착층에서 Al성분 분포이며,

도 2c는 Al-Si증착층에서 Si의 성분분포이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제조방법은, Al판을 100-450℃로 가열한다음, 도가니에 장입된 Al과 Si에 전자빔 단일 증발원을 입사하여 2-15중량%의 Si가 함유된 Al-Si의 합금증착층을 상기 Al판 두께의 5-15%의 범위로 형성하는 것을 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 전자빔 증발원을 이용하여 Al판위에 Al-Si합금층을 형성하는데, 그 특징이 있다.

본 발명에서 전자빔 증발원을 이용한 진공증착법을 선택한 이유는 빠른 증착속도와 대용량화 및 연속화의 용이성에 있다. 열교환기용등으로 사용되는 본제품을 상업적으로 대량 생산하는데 있어서 생산성은 대단히 중요한 요인이 된다. 또한, 생산성이 높아질수록 제조원가가 낮아지므로 경제성도 함께 향상되는 효과가 있다.

전자빔 증발원은 현재 개발되어 사용되고 있는 증발원 중에서 가장 빠른 증발속도를 얻을 수 있으며, IMW 이상의 대용량 전자빔 증발원도 상용화 되어 있다. 또한, 전자빔 증발원을 이용한 연속진공증착기술도 이미 상업화가 가능한 수준에 도달해있다.

전자빔 증발원으로 합금을 증발시키는 방법은 크게 2가지로서, 하나는 Al과 Si을 각각 별도의 도가니에 장입하여 독립적으로 증발시키면서 각각의 증발량을 조절하여 합금성분을 제어하는 방법이며, 또 하나는 Al 과 Si을 한 도가니에 함께 장입하여 증발시키되 Al과 Si의 장입량을 달리 함으로서 합금조성을 제어하는 방법이다.

본 발명에서는 후자의 방법, 즉 단일 증발원으로 Al과 Si을 함께 증발시키는 방법을 선택한다. 그 이유는 다음과 같다. 독립증발원을 이용하면 합금조성의 제어는 용이해지지만 두 개의 점원(點源)에서 Al과 Si의 증기류가 각각 발생하므로 기하학적인 관점에서 합금층의 조성분포가 불균일해질 우려가 있다. 특히 연속진공증착에서와 같이 정지상태가 아닌 소재가 이동하는 상황에서는 이러한 조성 불균일을 방지하기가 사실상 불가능하다. 반면에 단일 증발원을 이용하여 합금을 증발시키게 되면 두 물질간의 증기압차에 의해 얻을 수 있는 합금조성 범위가 제약을 받기는 하지만 상대적으로 휠씬 균일한 조성을 갖는 증착막을 제조할 수 있기 때문이다.

상기와 같이 전자빔 단일 증발원을 이용하여 진공증착방법은 통상의 방법대로 Al판을 탈지처리한 후 표면의 이물질을 제거하여 진공증착장치의 진공조 안에 장입하고 동시에 증착물질인 Al과 Si을 도가니에 장입한다.

이때, 도가니는 동도가니, 바람직하게는 알루미나 도가니를 사용하는 것인데, 그 이유는 다음과 같다. Al과 Si은 포화 증기압의 차이가 클 뿐 아니라 열전도도에서도 차이가 있다. 예로서 Al은 1270℃에서 10^-1Torr의 포화 증기압을 갖는데 비해 Si은 1830℃에 이르러서야 10^-1Torr의 포화 증기압을 나타낸다. 또한 두 물질의 열전도도를 보면 Al은 237J/m/sec/K, Si은 149J/m/sec/K로 2배 가까운 차이를 보인다. 전자빔 증발에 일반적으로 사용되는 수냉 동 도가니를 사용하는 경우에는 도가니로의 열손실이 활발히 일어나기 때문에 두 물질의 증기압 차이 뿐만 아니라 열전도도의 차이도 고려해야 한다. 실제로 도가니에 접촉된 부분은 거의 용융되지 않기 때문에 Al과 Si을 혼합한 증발물이 완전히 용해되지 않은 상태에서 국부적으로 증발된다. 따라서 조성의 제어 및 재현성 구현의 어려워진다. 알루미나 도가니를 사용하게 되면 열손실이 크게 줄어들게 되어서 증발효율이 향상될 뿐 아니라 증발물의 완전한 용해가 이루어지므로 재현성 있는 조성 제어가 가능해진다. 단 알루미나 도가니를 사용하는 경우의 단점은 수명이 반영구적인 수냉 동 도가니에 비해 사용수명이 짧으므로 수시로 교환해야 한다는 것이다.

상기와 같이 Al과 Si를 한 도가니에 장입한 다음 진공조의 진공도를 일정수준까지 진공배기한 후, 단일 전자빔증발원을 사용하여 Al과 Si을 용융시킨다.이때, Al판의 온도는 100-450℃로 유지하는 것이 좋다. 그 이유는 증착층의 밀착성과 미세조직이 증착중 소재의 온도에 따라 크게 달라지기 때문이며, Al판재에 Al-Si합금을 증착하는 경우에 있어서는 최소 100℃이상으로 소재를 가열해야 양호한 밀착성을 얻을 수 있기 때문이다. 그 이하의 온도로 증착한 경우에는 추후 판재의 가공공정에서 증착층의 박리가 일어나는 문제가 발생한다. 그리고, 450℃이상으로 유지되는 경우 모재의 기계적 성질에 악영향을 미치게 되기 때문이다.

상기와 같은 온도로 유지된 Al판에 Al-Si합금 도금층을 진공증착 할 때, 중요한 것은 합금도금층내에 함유되는 Si의 양이다. 즉, 합금층의 조성은 브레이징성에 결정적인 영향을 미친다. 도 1에서 볼수 있는 바와 같이, Al과 Si은 약 12중량%Si의 공정조성을 갖는 상태도를 나타낸다. 따라서 Al에 12중량%의 Si이 함유될 때까지는 점진적으로 융점이 낮아지다가 공정조성을 넘으면서 융점이 상승하는 현상을 나타낸다, Al-Si 합금피막을 브레이징용으로 사용하기 위해서는 그 융점이 모재인 Al보다 낮아야 한다. 그러므로 이론적으로 적용 가능한 Al-Si 합금조성은 15중량% 이하의 Si조성을 갖는 경우로 제한된다. 실제로 실험적으로 확인한 결과도 이러한 예상을 뒷받침한다. Si의 함유량이 15중량%를 넘는 경우에는 브레이징이 이루어지지 않았다. 또한, Si의 함유량이 2중량% 이하인 경우에는 모재인 Al판과의 융점차가 거의 없어서 브레이징을 할 수 없다.

이와같은 합금층의 조성은 증발물 중의 Al:Si혼합비로서 제어한다. 단일 증발원을 사용하였으므로 같은 온도에서 Al과 Si의 증발이 일어나게 된다. 그런데, 앞서 설명한 바와 같이, Al과 Si은 같은 온도에서의 증기압 차이가 상당히 크기 때문에 증발물의 조성이 증착막의 조성과 일치하지 않을 것이 자명하다. Al이 Si에 비해 증기압이 월등히 높으므로 증발물보다 증착막에서 Al의 함유량이 많을 것으로 예상할 수 있다. 실제로 실험을 실시한 결과에서도 이러한 현상을 발견할 수 있었다. 수냉 동 도가니를 사용한 경우에는 증발물 증의 Si 함량을 60중량%로 하여도 증착막 중의 Si함량은 0.5중량%이하인 결과를 얻었다. Si함량을 70중량%이상으로 하면 증착막 중의 20% 이상의 Si이 함유되는 것으로 나타났다. 즉, 얻을 수 있는 조성범위가 제한될 뿐만 아니라 조성 제어도 대단히 까다롭다는 것을 알 수 있다. 이 경우에는 증발후 증발원의 형상 및 조성분포를 관찰해 보아도 Al과 Si가 다소 불균일하게 혼합되어 있는 것을 확인할 수 있었으며, 결과적으로 조성획득이 재현성이 떨어질 것을 예측할 수 있다. 결과적으로 증착막의 조성도 두께방향으로 크게 변화하는 현상을 나타내었다.

이와는 달리, 알루미나 도가니를 사용하게 되면 증발원이 완전히 용융된 상태에서 증착공정을 시작할 수 있으므로 조성분포가 크게 개선될 뿐만 아니라 조성획득의 재현성도 확보할 수 있다. 이 경우에는 Al-Si의 중량비 30:70으로 조절하여서 Al-10중량% Si의 조성을 갖는 증착막의 제조가 가능하며, 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, Al과 Si의 깊이방향 조성분포도 비교적 균일하였다.

상기와 같이 Al판에 Al-Si합금도금층을 형성할 때, 증착층의 두께도 브레이징성과 관계가 있다. 현재 압접방식으로 사용되는 제품의 두께비는 압접층:모재가 1:10 정도로서 본 발명에서 확인한 결과도 이와 유사하였다. 즉, Al-Si 증착층의 두께가 모재의 5%~15%범위인 경우에 브레이징성이 양호하다.

합금증착층이 형성된후 Al판의 최종온도를 450℃ 이하로 제어하는 것이 바람직하다. 증착과정에서는 용해된 증발원으로부터의 복사열과 증착이 일어나면서 발생하는 증착층의 응고잠열등으로 인하여 소재의 온도가 상승하게 된다. 이때 온도가 지나치게 높아지게 되면 모재의 기계적 성질에 영향을 미치게 되므로 450℃이상 올라가지 않도록 하는 것이 좋다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

하기표 1의 조건으로 Al-Si가 증착된 Al판의 브레이징 특성을 평가하고, 그 결과를 하기표 1에 나타내었다. 이때, 브레이징 특성은 Al-Si합금 도금층이 형성된 Al판을 브레이징하고, 가공한 다음 브레이징된 면의 특성을 평가하였다.

즉, ◎ 균일하게 정합되어 가공후 박리 안생김

○ 가공후 박리가 약간 일어남

△ 브레이징 부분적으로 붙지 않음

X 브레이징시 정합면의 붙지 않음

구분	증착온도(℃)	증착조성(Si, wt%)	소재두께(mm)	증착두께(㎛)	브레이징특성평가
실시예 1	250	2.5	0.2	18	○
실시예 2	270	7		20	◎
실시예 3	265	10		20	◎
실시예 4	150	11		10	◎
실시예 5	420	11		30	◎
실시예 5	320	14		21	○
비교예 1	280	1.8		15	X
비교예 2	255	15.5		17	X
비교예 3	205	9		8	△
비교예 4	425	11		33	△
비교예 5	85	12		15	X
비교예 6	460	10		17	X

상기 표 1에 나타낸 바와같이, 본 발명조건을 만족하는 실시예(1-6)의 경우 브레이증 특성 평가가 양호하였다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 종래의 압접방식과는 달리 전자빔에 의한 진공증착 방식을 이용하기 때문에 불량 발생이 거의 없으며, Al-Si 극박판의 제조에 따른 제조원가가 절감되는 효과가 있다. 특히, 본 발명에 의해 제조되는 Al판은 대량생산이 가능하고, 브레징 특성을 고려할 때, 자동차 열교환기에 적용될 수 있는 유용한 효과가 있다.

Claims (3)

1. 전자빔증발원을 이용한 진공증착방법으로 도금강판을 제조하는 방법에 있어서, Al판을 100-450℃로 가열한 다음, 도가니에 장입된 Al과 Si에 전자빔 단일증발원을 입사하여 2-15중량%의 Si가 함유된 Al-Si의 합금증착층을 상기 Al판 두께의 5-15%의 범위로 형성하는 것을 특징으로 하는 브레이징용 Al-Si 증착 알루미늄판의 제조방법
2. 제 1항에 있어서, 상기 도가니는 알루미나 도가니임을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 Al판은 Al-Si가 합금 증착된 후 그 온도가 450℃이상으로 올라가지 않도록 함을 특징으로 하는 방법.