KR19990067341A - 열 교환기 - Google Patents

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Abstract

중량%로, 0.2-0.5 Fe; 0.7-1.2 Si; 1.2-1.6 Mn; 최대 0.3 Mg; 최대 0.5 Cu; 최대 0.2 Zn; 최대 0.1 Ti를 포함하는 신규한 알루미늄 합금은 특히 자동차 라지에이터 (radiators)와 같은 열 교환기의 핀을 제조하는데 사용된다. 상기 핀스톡은 높은 납땜 후 강도 및 열 전도도를 가지며, 충분히 전기 음성적인 전력을 가져서, 상기 열 교환기 튜브의 전기 방식용 에노드로 작용할 수 있다. Sn, In 및 Cr의 부재에 의해, 상기 열 교환기들은 재활용하기 위해 조각화되고 용융될 수 있다.

Description

열 교환기
헤더 플레이트 (header plate), 탱크 유니트 (tank unit), 냉각수용 튜브 (tube) 및 향상된 열 교환을 위한 핀(fins)을 갖는 알루미늄 합금 열 교환기는 자동차 산업 및 기타 분야에서 매우 광범위하게 사용된다. 일반적으로 상기 핀들은 예를 들면 NOCOLOKTM기술 또는 진공 하에서 납땜함으로써 상기 튜브에 연결된다. 냉각수의 계속적인 유출에 의한 상기 튜브의 침식을 감소시키기 위해, 상기 핀을 상기 튜브에 대해 전기 음성적으로 만들어서, 상기 핀들이 전기 방식용 에노드 (sacrificial anode)로 작용하도록 하는 것이 통상적으로 실용화되고 있다. 이는 상기 핀들을 형성하는데 사용되는 금속에 Zn, Sn 또는 In을 첨가함으로써 수행될 수 있다.
수명이 다한 후, 폐기된 열 교환기는 통상적으로 회수되고, 재활용을 위해 공정 조각과 함께 재-용융된다. 그러나, 튜브, 헤더 플레이트 또는 탱크 유니트 내의 Zn, Sn 또는 In의 존재는 이들의 내부식성을 매우 감소시킨다. 그러므로, 상기 용융물은 다소 넓은 조성 범위 및 동일하게 낮은 값의 주조 합금 생성물에만 사용될 수 있다. 유사하게 Cr은 재활용하기 위해 용융되는 Al 합금 금속에는 바람직하지 못하다. 자동차 산업에서는 열 교환기 부품으로 재활용될 수 있는 열 교환기를 제공하는 것이 필요하다. 본 발명의 한 목적은 상기 요구를 충족시키는 것이다.
본 발명의 목적은 하기 조성을 갖는 합금을 제공하는데 있다.
성분 범위 (중량%) 바람직한 범위
Fe 0.2 - 0.5 0.3 - 0.5
Si 0.7 - 1.2 0.8 - 1.0
Mn 1.2 - 1.6 1.25 - 1.5
Mg 최대 0.3 0.07 - 0.13
Cu 최대 0.5 0.27 - 0.4
Zn 최대 0.2 최대 0.1
Ti 최대 0.1 최대 0.05
기타 각각 최대 0.05, 전체 0.15
Al 밸런스 (balance)
상기 합금이 열 교환기 유니트 내의 튜브 바닥, 측면 지지체 및 헤더 탱크용으로 사용될 수 있고, 다른 용도를 가질 수 있을 지라도, 이는 우선적으로 열 교환기용 핀스톡 (finstock) 합금으로 의도된다. 상기 합금은 더 강해질 수 있으므로, 상기 핀스톡은 더 얇고 가벼워질 수 있고, 통상적인 핀스톡 합금보다 더 열 전도율이 좋다.
특히 자동차 산업에서 열 교환기 시장은 핀스톡 합금이 특성들, 즉 강도, 형태형성능 (formability), 내부식성 및 납땜가능성 (brazability)의 균형을 제공할 것을 요구한다. 본 발명의 신규한 합금의 주된 특징은 상당히 높은 Si 함량이다. 이는 납땜 후 강도를 통상적인 핀스톡 합금에 비하여 10% 이상까지 증가시키고, 또한, 납땜 후 열 전도도를 향상시킨다. 또한, 상기 합금 조성의 핀들이 납땜에 의해 튜브에 연결될 때, 결과적인 상기 Si-고함유 고체 용액은 상기 핀을 더 전기 음성적으로 만들고, 상기 튜브를 위한 전기 방식용 에노드로 작용하도록 한다. 상기 Si 함량의 상한가는 상기 합금이 납땜 가능한 매우 높은 솔리더스(solidus)를 갖기 위한 요구에 의해 결정된다.
Mn은 강화시키는 성분이며, 충분히 사용되어야만 이러한 효과가 관찰될 수 있다. 그러나, 만일 Mn이 너무 많이 사용되면, 형태형성능 및 기계적 특성을 감소시키는 현정질의 Mn-Fe 중간금속이 사용될 수 있다. 바람직하게는 상기 (Mn+Fe) 함량은 1.9% 또는 심지어 1.8%보다 크지 않다.
Fe는 일반적으로 2차 Al 합금에 존재한다. 이러한 경우에, 이의 함량은 고 수준의 Mn이 존재하도록 조절되어야 한다. 매우 낮은 수준의 Fe를 함유하는 합금은 상기 Fe 함량을 초과하여 정확히 조절해야 하는 부가된 비용 때문에 덜 바람직하다.
Mg는 강화시키는 성분으로서 바람직하게 존재한다. 고농도에서는 바람직하지 않은 MgO 침적물이 납땜하는 동안 상기 금속 표면상에 형성된다. 상기 Mg 농도는 이것이 문제가 되지 않는 수준으로 조절된다.
Cu는 강화시키는 성분으로서 바람직하게 포함된다. Cu는 이미 보고된 바와 같이, 내부식성을 감소시키지 않는 것으로 여겨진다. 고농도의 구리를 함유하는 합금은 주조하기 어려우나, 만일 이러한 문제들이 극복될 수 있다면, Cu 농도는 최대 0.5% 또는 심지어는 1.0%이 유용하다.
Zn은 상기 합금을 더 전기 음성적으로 만들기 때문에, 상기 Zn 함량은 빠른 부식을 초래하는 것 이하의 수준이어야 한다. 바람직하게 Zn은 일부러 첨가되지 않는다.
Ti는 통사적으로 약 0.02%의 농도에서 결정 정제제 (grain refiner)로 사용된다.
Sn, In 및 Cr을 포함하는 기타 성분들은 상기 합금에 일부러 첨가되지 않지만, 각각 최대 0.05%, 전체 0.15%의 농도로 불순물로서 존재할 수 있다. 상기 합금의 밸런스는 Al로 이루어진다.
또다른 목적으로, 본 발명은 정제된 합금 핀을 갖는 납땜된 열 교환기를 제공한다. 바람직하게 상기 납땜된 열 교환기는 하기 조성을 갖는 합금 튜브 (및 선택적으로 또한 탱크, 헤더 플레이트 등)를 가진다.
성분 중량%
Mn 0.7 - 1.5
Cu 0.1 - 1.0
Fe 최대 0.4
Si 최대 0.2
Mg 최대 0.8
V 및/또는 Cr 최대 0.3
Zn 최대 0.2, 바람직하게는 최대 0.1
Ti 최대 0.1
기타 각각 최대 0.05, 전체 0.15
Al 밸런스
이러한 합금은 미국특허 제 5,037,707호 및 제 5,041,343호 및 WO 94/22633호에 모두 Alcan International Limited의 이름으로 기술되어 있다. 이러한 합금들의 내부식성은 상당히 높은 Mn 및 바람직하게는 Cu 함량에 의하고, Fe, Zn 및 특히 Si의 수준을 초과하는 엄격한 조절을 실행함으로써 강화될 수 있다. 0.5-1.0% Cu를 함유하는 상기 공개된 합금 튜브를 가지며, 상기 핀스톡 합금 핀을 갖는 열 교환기는 우수한 형태형성능, 납땜가능성 및 납땜 후 강도와 함께 우수한 내부식성을 가진다. 상기 핀 상에서 부식 공격의 감소된 속도와 함께, 열 교환능이 유지될 것이다. 더 높은 납땜 후 강도 및 증가된 내함몰성(sag resistance)의 부가된 특성들은 상기 납땜 싸이클 (cycle) 이전에 유니트의 심한 상하요동(jigging)을 감소시키고, 두께를 줄이는 기회를 제공한다.
납땜된 열 교환기 튜브, 탱크, 헤더 플레이트 등을 만드는데 피복 납땜 쉬이트 (sheet)가 종종 사용된다. 상기 피복 납땜 쉬이트는 그 조성이 상기에서 언급된 물질이며, 고농도의 Si를 함유함으로써 낮은 녹는점을 갖는 합금의 일면 또는 양면 상에 피복시킨 코어 (core)를 가진다. 상기 피복 납땜 쉬이트로부터 공정 조각은 재용융될 수 있고, 핀스톡 또는 다른 열 교환기 성분을 만들기 위해 사용될 수 있다.
또다른 목적으로, 본 발명은 폐기된 열 교환기 및/또는 피복 납땜 쉬이트 조각을 포함하는 Al 합금 용융물을 만들고, 상기 용융물의 조성을 조절하며, 결과적인 용융물을 이용하여 열 교환기 부품을 만들 수 있는 열 교환기 부품을 제조하는 방법을 제공하며, 폐기된 열 교환기들은 상술한 바와 같은 납땜된 열 교환기임을 특징으로 한다.
실제로, 알루미늄 합금 용융물은 폐기된 열 교환기를 이용하거나 및/또는 쉬이트 조각 및 가능하게는 다른 조각을 납땜하여 형성된다. 상기 용융물의 조성은 필요한 만큼 Al 금속 또는 다른 성분들을 부가함으로써 조절된다. 그 후, 상기 용융물은 요구되는 열 교환기 성분들을 제공하는 통상적인 방법으로 압연되거나 사출된 주괴 (ingot)로 주조된다. 표준 재활용 기술은 본 발명에 따른 폐기된 납땜 열 교환기 및/또는 피복 납땜 쉬이트 조각의 사용으로부터 발생할 수 있는 증가된 Si 수준에 상당히 적절하게 저항할 수 있다.
A 7000 kg 주괴는 520℃까지 예열되고, 3.5mm의 두께까지 가열 압연되는 통상적인 기술을 이용하여 DC 주조되었다. 그 후, 상기 쉬이트는 0.4mm까지 냉각 압연되었고, 360℃에서 2시간동안 어닐(anneal)된 후, 0.110mm까지 더욱 냉각 압연되었다. 이는 H18 템퍼 (temper)이다.
상기 주괴는 다음 조성을 갖는다: 0.4% Fe; 0.9% Si; 1.3% Mn; 0.1% Mg; 0.3% Cu; 상업적 정제 Al 밸런스.
상기 냉각 압연된 쉬이트는 상업적 납땜 싸이클 (약 605℃에서 5분 및 대기 냉각)을 거친 후 다음의 기계적이고 전기 화학적인 특성을 가졌다.
AA3003은 핀스톡용으로 사용되고, 동일한 납땜 사이클을 거친 상업적 합금이다.
본 발명 AA3003
UTS 162 MPa 135 MPa
프루프 (Proof) 59 MPa 40 MPa
유연성 18% 20%
부식 전위 (ASTM G69) -750 내지 -780 mV -690 내지 -710 mV
상기 부식 전위는 납땜된 열 교환기에서 전기 방식용 에노드로서 유용한 금속을 만들기에 충분히 음성이다. 실질적인 비율의 Zn의 부가 없이, 상기 AA3003 합금은 이러한 의미에서 유용하지 않았다.
동일한 발명 조성의 또다른 주괴는 3mm까지 가열 압연되었고, 0.18mm까지 냉각 압연되며, 360-400℃에서 2시간동안 상호어닐 (interanneal)되었고, 최종적으로 0.110mm까지 냉각 압연되었다. 이는 H14 템퍼이다. 상기 납땜 후 특성들은 필수적으로 상술된 바와 동일하다.
실시예 2
하기 합금들이 조사되었다.
성분(중량%) X800 X900 3003 발명
Fe <0.4 <0.4 <0.7 0.4
Si <0.15 <0.15 <0.6 0.9
Mn 0.7-1.5 0.7-1.5 1.0-1.5 1.3
Mg <0.8 <0.8 - 0.1
Cu 0.1-0.6 0.5-1.0 0.05-0.20 0.3
Zn - - <0.1 -
Ti <0.1 <0.1 - -
V/Cr <0.3 <0.3 - -
상기 0 템퍼 내의 AA3003의 열 전도도는 185 W/mK이다. 본 발명의 합금의 열 전도도는 215 W/mK이다.
ASTM G69 (1994)에 의해 측정된 바와 같이, 납땜 후 상태에서 상기 합금들의 갈바닉 순위 (galvanic ranking)는 하기와 같다:
X800은 -715 mV이고,
X900은 -730 mV이며,
3003은 -730 mV이고,
본 발명의 합금은 -740 mV이다.
X800과 한편으로는 X900 사이의 차이 및 다른 한편으로는 본 발명의 합금과의 차이는 10 - 25 mV의 범위이다. 이러한 차이는 본 발명의 합금 핀들을 전기 방식용 에노드로 작용하도록 하는데 충분하지만, 빠른 전기 방식적 부식을 고무시킬 만큼 좋은 것은 아니다. 이는 본 발명의 합금은 핀스톡용으로 사용되고, 상기 X900은 튜브스톡용으로 사용된 ZRA 갈바닉 호환성 실험에 의해 예시되었다. 부식 전위 (ASTMG 69)에서의 차이는 15mV였다. 하기 수치는 다음 ZRA 실험으로 얻어졌다.
전류 - 8㎂.
부식 속도 - 90㎛/yr.

Claims (4)

  1. 하기 조성을 가짐을 특징으로 하는 합금.
    조성 범위 (중량%) 바람직한 범위
    Fe 0.2 - 0.5 0.3 - 0.5
    Si 0.7 - 1.2 0.8 - 1.0
    Mn 1.2 - 1.6 1.25 - 1.5
    Mg 최대 0.3 0.07 - 0.13
    Cu 최대 0.5 0.27 - 0.4
    Zn 최대 0.2 최대 0.1
    Ti 최대 0.1 최대 0.05
    기타 각각 최대 0.05, 전체 0.15
    Al 밸런스
  2. 제 1항의 합금 핀을 갖는 것을 특징으로 하는 납땜된 열 교환기.
  3. 제 2항에 있어서, 하기 조성을 갖는 합금으로 된 튜브를 갖는 것을 특징으로 하는 납땜된 열 교환기.
    성분 중량%
    Mn 0.7 - 1.5
    Cu 0.1 - 1.0
    Fe 최대 0.4
    Si 최대 0.2
    Mg 최대 0.8
    V 및/또는 Cr 최대 0.3
    Zn 최대 0.2, 바람직하게는 최대 0.1
    Ti 최대 0.1
    기타 각각 최대 0.05, 전체 0.15
    Al 밸런스
  4. 폐기된 열 교환기 및/또는 피복 납땜 쉬이트 조각을 포함하는 Al 합금 용융물을 제조하는 단계, 상기 용융물의 조성을 조정하는 단계 및 최종 용융물을 사용하여 열 교환기 부품을 제조하는 단계를 포함하며, 상기 폐기된 열 교환기는 제 2항 또는 제 3항에 따른 납땜된 열 교환기임을 특징으로 하는 열 교환기 부품의 제조방법.
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