KR20020079980A - 경납땜 시트 제품 및 상기 경납땜 시트 제품을 이용하여조립체를 제조하는 방법 - Google Patents

경납땜 시트 제품 및 상기 경납땜 시트 제품을 이용하여조립체를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알루미늄 합금으로 만들어진 코어 시트(1), 상기 코어 시트의 적어도 하나의 표면에서 구비되는 알루미늄 클래드층(2) 및 상기 알루미늄 클래드층(2)의 한쪽 또는 양쪽 외부면상에 니켈 함유층(3)을 구비하는 경납땜 시트 제품에 있어서, 상기 알루미늄 클래드층의 상기 외부면과 상기 니켈 함유층(3)사이에서 접합층으로 아연 또는 주석 함유층(4)을 구비하고, 상기 알루미늄 클래드 합금층은 2 내지 18중량% 범위의 Si; 8.0중량% 이하의 Mg; 5.0중량% 이하의 Zn; 5.0중량% 이하의 Cu; 0.30중량% 이하의 Mn; 0.30중량% 이하의 In; 0.80중량% 이하의 Fe; 0.20중량% 이하의 Sr; 0.01 내지 1.0중량% 범위의 Bi, 0.01 내지 1.0중량% 범위의 Pb, 0.01 내지 1.0중량% 범위의 Li, 0.01 내지 1.0중량% 범위의 Sb, 및 0.2 내지 2.0중량% 범위의 Mg으로 구성되는 그룹에서 선택되는 하나 이상의 성분; 각각 0.05중량%이고, 총합이 0.20중량% 이하인 불순물; 및 잔부 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

경납땜 시트 제품 및 상기 경납땜 시트 제품을 이용하여 조립체를 제조하는 방법{BRAZING SHEET PRODUCT AND METHOD OF MANUFACTURING AN ASSEMBLY USING THE BRAZING SHEET PRODUCT}
이러한 본 발명의 목적을 위해, 경납땜 시트는 적어도 한쪽에 경납땜성 알루미늄 합금, 예를 들어 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 가지는 코어 시트로 이해되어야 한다. 그러한 클래드층으로 유용한 전형적인 경납땜성 알루미늄 합금으로는 전형적으로 2 내지 18중량％ 범위내의 Si를 갖는 알루미늄 협회(AA) 4xxx-계열 합금이 있다. 경납땜성 알루미늄 합금은 본 기술 분야에서 알려진 각종 방식으로, 예를 들어 압연 접합법, 클래드법(clading), 반연속주조법 또는 연속주조법에 의해코어 합금에 결합될 수 있다.
제어 분위기 경납땜법(CAB: Controlled Atmosphere Brazing) 및 진공 경납땜법(VB: Vacuum Brazing)은 산업적인 규모의 알루미늄 경납땜용으로 사용되는 2가지 주요 공정이다. 산업적인 진공 경납땜법은 1950년대 이래로 사용되어 온 반면에, CAB는 노콜록(Nocloloc)(상표) 경납땜 플럭스의 도입 이후인 1980년대 초에 인기를 끌게 되었다. 진공 경납땜법은 사실상 불연속 공정이며, 재료 청결성을 크게 요구한다. 존재하는 산화층의 붕괴는 주로 클래드 합금에서의 마그네슘의 증발에 의해 야기된다. 그래서 클래드 합금에서는 필요한 양보다 많은 마그네슘이 항상 존재한다. 과잉 마그네슘은 로내의 냉점(cold spot)에서 응축되어 자주 제거되어야 한다. 적합한 장비를 갖추기 위한 자본 투자가 상당히 높다.
CAB는 VB에 비해 경납땜 전에 부가적인 공정 단계를 필요로 하는데, 그 이유는 경납땜 전에 경납땜 플럭스가 적용되어야 하기 때문이다. CAB는 적절한 경납땜 플럭스가 사용중인 경우에 큰 부피의 경납땜 조립체가 제조될 수 있는 사실상 연속인 공정이다. 경납땜 플럭스는 클래드 합금이 적절하게 유동될 수 있게 해주는 경납땜 온도에서 산화층을 용해한다. 노콜록 플럭스가 사용되면, 표면은 플럭스 적용전에 철저하게 세척될 필요가 있다. 양호한 경납땜 결과를 얻기 위해서 경납땜 플럭스는 경납땜 조립체의 전체면 상에 적용되어야 한다. 이것은 어떤 유형의 조립체에서는 그 디자인으로 인해 곤란성을 야기할 수 있다. 예를 들면, 증발기형 열교환기는 넓은 내부 표면을 갖기 때문에 내부로 접근하기가 불량해서 문제가 야기될 수 있다. 양호한 경납땜 결과를 얻기 위해서 플럭스는 경납땜 전에 알루미늄표면에 부착되어야 한다. 불행히도, 건조 후의 경납땜 플럭스는 작은 기계적 진동에도 쉽게 탈락될 수 있다. 경납땜 사이클 중에는 HF와 같은 부식성 가스가 발생된다. 이것은 로용으로 적용되는 재료의 내부식성을 크게 요구한다.
이상적으로는, CAB용으로 사용될 수 있지만 경납땜 플럭스 적용의 필요성 또는 결함을 갖지 않는 재료가 입수 가능해야 한다. 그러한 재료는 경납땜 조립체의 제조업자에 공급될 수 있으며, 조립체 구성부품의 성형 직후에 사용할 준비가 된다. 부가적인 경납땜 플럭싱 작업을 수행해야 할 필요는 없다. 플럭스가 없는 경납땜을 위한 공정은 현재 한가지만 산업적인 규모로 사용된다. 이 공정용의 재료로는 예를 들어 양쪽에 AA4xxx 계열 합금의 클래딩을 갖는 AA3xxx 계열 코어 합금 클래드로 만들어진 표준 경납땜 시트가 있을 수 있다. 경납땜 시트가 사용될 수 있기 전에 표면은 자연 발생적 산화층이 경납땜 사이클 중에 간섭을 일으키지 않는 방식으로 변경되어야 한다. 양호한 경납땜을 완수하는 방법은 클래드 합금의 표면 상에 보통량의 니켈을 전착시키는 것이다. 니켈은 적절하게 적용된 경우에 하부 배치 알루미늄과 반응한다. 니켈은 니켈 끼움쇠(shim)을 사용함으로써, 접합될 2개의 구성부품들 사이에 적용되거나 또는 전기도금법에 의해 전착될 수 있다. 전기도금법이 사용되면 니켈의 부착성은 예를 들어 열교환기 제조 작업 시에 사용되는 전형적인 성형 작업을 충분히 견딜수 있어야 한다.
알루미늄 경납땜 시트의 니켈 도금 공정들은 비.이. 치들(B.E. Cheadle) 및 케이.에프 독쿠스(K.F. Dockus)에 의한 US-A-3,970,237, US-A-4,028,200, US-A-4,164,454호, 및 SAE 논문 제880446호의 각각으로부터 알려져 있다. 이들 각각의문서에 따르면, 니켈은 바람직하게는 납과 조합해서 전착되는 것이 바람직하다. 대안적으로, 코발트는 납과 조합하여 전착된다. 본 기술분야에서 니켈대신에 코발트 또는 이것의 조합 또는 철이 사용되는 것은 잘 알려져 있다. 납 첨가는 경납땜 사이클 중의 클래드 합금의 습윤성을 향상시키기 위해 사용된다. 이들 도금 공정의 중요한 특징은 니켈이 클래드 합금의 실리콘 입자 상에 우선적으로 전착된다는 것이다. 표면 상에 경납땜용 니켈을 충분히 확보하기 위해서, 클래드 합금은 니켈 전착용 핵으로서 작용하는 비교적 다수의 실리콘 입자를 함유하여야 한다. 산세 처리 전에 충분한 핵형성 장소를 확보하기 위해서 실리콘 입자가 매몰된 알루미늄 부분은 화학적 또는 기계적 전처리에 의해 제거되어야 하는 것으로 생각된다. 이것은 경납땜 또는 클래드 합금의 습윤 작용을 위한 핵으로서 작용하는 니켈 피복 범위를 충분히 확보하기 위해 필요한 조건인 것으로 생각된다. 현미경적 규모에서, 경납땜 시트의 Si 함유 클래딩의 표면의 니켈 소구체로 덮여진다.
종래 기술의 문헌에서 발견되는 Ni 도금법의 몇 가지 다른 개시를 이하에서 언급하기로 한다.
저자가 워닉(Wernick)과 피너(Pinner)인 일반 교과서로서, 책명이 "알루미늄 및 그 합금의 표면 처리 및 마무리 처리(The Surface Treatment and Finishing of Aluminum and its Alloys)"인, 제5판, 제2권, 제1023쪽 내지 제1071쪽을 참조하면, 이 교과서는 알루미늄상에 도금하기 위한 일반적인 침지 공정을 기술하고 있다.
광산 기술국(Bureau of Mines Technology)에 의해 "알루미늄 연납땜법(Aluminium Soft-Soldering)"라는 제목으로 발표된 논문으로서, 1985년 1월에 미국 버지니아주 스프링필드 넘버 1G의 2301 엔.티.아이.에스 테크 노트(N.T.I.S. Tech Notes)(제조업)의 제12쪽 내지 제13쪽을 참조하면, 이 논문은 알루미늄 표면이 종래의 주석-납 땜납에 의해 접합되는 연납땜용 알루미늄 제조 방법을 기술하고 있다. 이 방법은 아연 적용 전에 첫 번째로 알루미늄 표면을 주의깊게 세척하는 것을 포함한다. 두 번째로, 얇은 아연 피복물이 퇴적되고, 후속해서 니켈-구리 합금으로 전기도금된다. 니켈-구리 도금이 달성된 후에 통상의 절차를 이용한 납땜이 달성될 수 있다.
FR-A-2,617,868호는 주석 또는 주석-비스무트 합금의 경납땜성 표면 피복물을 갖는 알루미늄 제품의 제조 방법을 기술하고 있는데, 여기서, 알루미늄 제품은 중간층을 갖는다. 이 중간층은 제 1 아연층과 제 2 니켈층으로 구성되는데, 니켈은 중성 전해질로부터 전기 분해에 의해 전착되었다. 여기서, 하부 배치 알루미늄 또는 알루미늄 합금은 경납땜 공정에서 용융되지 않는다.
본 발명은 니켈 함유층을 2 내지 18중량% 범위내의 Si를 함유하는 Al-Si 합금으로 만들어진 클래드층(clad layer)의 표면 상으로 도금하는 경납땜 시트 제품에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 경납땜 시트 제품으로 만들어진 적어도 하나의 구성부품을 포함하는 경납땜 조립체 및 이 경납땜 구성부품의 조립체를 제조하는 방법에 관한 것이다.
이제 도면을 참조해서 몇몇의 비제한적인 실례에 의해 본 발명을 설명하기로 한다.
도 1은 본 기술 분야의 현재 상태에 따른 경납땜 시트 제품의 구조를 도시한 개략적 종단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 경납땜 시트 제품의 구조를 도시한 개략적 종단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 경납땜 시트 제품의 구조를 도시한 개략적 종단면도이다.
본 발명의 목적은 경납땜 동안에 용융되는 코어 시트 및 충전물 재료를 갖는 경납땜 시트 제품을 제공하는 것으로, 상기 충전물 재료는 Al-Si 합금의 클래드층과 클래드층 상의 니켈층을 포함하여, 클래드층과 니켈층의 양호한 부착이 얻어진다.
본 발명의 목적은 진공 경납땜법 뿐만 아니라 경납땜-플럭스의 부재시에 제어 분위기 경납땜법을 이용하고, 이상적으로 경납땜-플럭스의 부재시에는 CAB법이적합한 경납땜 시트 제품을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 본 발명의 경납땜 시트 제품을 이용하여 경납땜 구성부품의 조립체를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 관점에 따르면, 알루미늄 합금으로 만들어진 코어 시트(1), 상기 코어 시트의 적어도 하나의 표면에서 구비되는 알루미늄 클래드층(2) 및 상기 알루미늄 클래드층(2)의 한쪽 또는 양쪽 외부면상에 니켈 함유층(3)을 구비하는 경납땜 시트 제품에 있어서,
상기 알루미늄 클래드층의 상기 외부면과 상기 니켈 함유층(3)사이에서 접합층으로 아연 또는 주석 함유층(4)을 구비하고,
상기 알루미늄 클래드 합금층은
2 내지 18중량% 범위의 Si,
8.0중량% 이하의 Mg,
5.0중량% 이하의 Zn,
5.0중량% 이하의 Cu,
0.30중량% 이하의 Mn,
0.30중량% 이하의 In,
0.80중량% 이하의 Fe,
0.20중량% 이하의 Sr,
0.01 내지 1.0중량% 범위의 Bi, 0.01 내지 1.0중량% 범위의 Pb, 0.01 내지 1.0중량% 범위의 Li, 0.01 내지 1.0중량% 범위의 Sb, 및 0.2 내지 2.0중량% 범위의Mg으로 구성되는 그룹에서 선택되는 하나 이상의 성분,
각각 0.05중량%이고, 총합이 0.20중량% 이하인 불순물, 및
잔부 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 경납땜 시트 제품이 제공된다.
접합층을 포함하는 아연 또는 주석에 의해 알루미늄 합금 클래드층과 니켈 함유층 사이의 매우 효과적인 접합이 형성되며, 이 접합은 예를 들어 굽힘에 의해 경납땜 시트의 후속 변형 중에도 효과적으로 유지된다. 니켈층의 피복 범위는 더이상 노출(bare) 클래드층의 표면 특성에 좌우되지 않는다. 이 방법에 의해 얻어진 경납땜 시트 제품은 제어 분위기 조건 하의 플럭스가 없는 경납땜에 적합하다.
본 발명은 큰 변형 중에도 접합이 효과적으로 유지되도록 경납땜 시트 제품의 Si 함유 알루미늄 클래드층에 잘 접합된 니켈층을 얻기 위해서, 클래드층의 전처리가 극히 중요하다는 통찰력에 부분적으로 기초하고 있다. 종래 기술의 공정들은 명백히 균일한 니켈층을 얻고자 하는 것이 아닌, 주로 클래드층 표면의 실리콘 입자에 대해 니켈을 분포형으로 적용하는 것을 목표로 했다. 본 발명에서는 Si 함유 클래드 합금의 표면은 니켈 피복 범위가 상기 표면의 실리콘 입자와는 독립된 방식으로 변경된다. 니켈 도금은 실리콘 입자 상에서 발생하지 않고, 아연 또는 주석을 포함하는 인가층에서 발생한다. 따라서, 니켈은 알루미늄 클래드층의 전체 표면 상에 전착되기 때문에 경납땜 전의 필요한 반응이 종래 기술의 공정에 비해 훨씬 더 용이하게 발생할 수 있다. 적용된 아연 또는 주석은 경납땜 공정 중에 전혀 간섭을 일으키지 않으며, 후술하는 바와 같이 경납땜을 도와주는 성분을 함유할수 있다. 니켈은 상기 표면 상에 매끄럽고 균일하게 전착될 수 있기 때문에, 경납땜 중의 습윤을 조장하기 위한 납의 사용이 감소되거나 회피될 수 있으며, 또는 비스무트 등의 다른 성분들이 상기 목적으로 사용될 수 있다. 상기 표면 상에 매끄럽고 균일하게 전착된 니켈 또는 니켈-납의 다른 중요한 이점은 플럭스가 없는 양호한 경납땜을 완수하기 위해서 적용될 니켈의 전체량이 감소될 수 있다는 것이다. 다른 이점은 완전한 표면 피복 범위는 클래드층 표면의 알루미늄 산화물에 의해 야기되는 어떠한 곤란성도 회피한다는 것이다.
또한 본 발명은 알루미늄 클래드층이 각각 0.01 내지 1.0중량%의 비스무트, 납, 리튬 및 안티몬으로 구성되는 그룹에서 선택된 적어도 하나 이상의 성분를 포함하고, 두개 이상의 성분의 결합은 1.0중량%를 초과하지 않으며, 마그네슘은 0.2 내지 2.0중량%로 존재한다는 사실을 기초로 한다. 이러한 그룹에서 하나 이상의 다른 성분을 가지는 마그네슘의 결합은 2.5중량%를 초과하지 않는 것이 바람직하다. 그러면, 마그네슘은 알루미늄 클래드층에서 8.0중량%까지, 바람직하게는 다른 알루미늄 클래드층의 기계적 특성을 강화하기 위하여 하기에서 설명되는 범위로 존재하고, 반면에 0.2 내지 2.0중량% 범위에서 마그네슘은 비스무트, 납, 리튬 및 안티몬으로 구성되는 그룹에서 선택된 성분과 같이 유사한 방법으로 작용한다. 마그네슘이 납이 없는 니켈층과 결합하여 경납땜 합금의 습윤 작용을 증가시키기 위해 필요할때는 클래드층에서 마그네슘 레벨이 2.0중량%를 초과하지 않는 것이 바람직하다. 또한 클래드층의 특정 특성을 향상시키기 위하여 합금 성분이 첨가될 수 있다. 미국특허 제 3,970,237 호에서는 니켈, 니켈-납, 코발트, 코발트-납 또는 이것의 결합체층으로 코팅된 알루미늄 클래드층이 언급된다. 납의 첨가는 경납땜동안 습윤성을 향상시킨다. 그러나, 본 발명에 따르면 니켈 및/또는 코발트층은 합금 첨가와 같이 납을 포함할 필요가 없다. 만일 Bi, Pb, Li, Sb 및 Mg의 그룹에서 선택된 하나 이상의 성분이 알루미늄 클래드층에 소정 범위로 첨가되면, 동등하거나 또는 더 나은 결과를 얻을 수 있다. 알루미늄 클래드층에 이러한 하나 이상의 합금 성분을 첨가하는 것은 주목적인 도금 배드의 조성을 덜 복잡하게 하는 장점을 가지고, 반면에 클래드층을 제조할때 클래드에 첨가되는 합금이 매우 간단해진다. 그 결과 전기도금된 니켈층은 필수적으로 니켈과 불순물로 구성된다. 작용관점에서 비스무트는 알루미늄 클래드층에서 가장 바람직한 합금 성분이다. 또한 비스무트 성분은 습윤성을 향상시키는데 있어 가장 바람직한 합금 성분이고, 그 결과 적은 양으로도 니켈층에 첨가되는 납과 같은 효과를 얻을 수 있다. 비록 클래드층에 소정량의 납과 같은 합금 성분을 첨가하면 소정의 효과를 얻을 수 있지만, 이러한 성분은 환경적 관점에서 매우 바람직하지 않은 성분이기 때문에 이러한 성분의 첨가는 피하는 것이 바람직하다.
물품의 니켈 도금전에 아연층을 적용하는 것은 알려져 있지만, 이것은 니켈 도금된 알루미늄 합금 클래드 경납땜 시트 제품에서는 실행되지 않았던 것으로 생각되며, 상술한 바와 같이 그것은 Si 함유 클래드층 상에 직접 니켈을 도금하는데 필요한 것으로 생각되어져 왔다.
흔히 "치환 도금법(displacement plating)"이라고 일컬어지는, 아연산염 침지 처리 또는 주석산염 침지 처리가 적용되는 결합층에서는 본 발명에 따른 경납땜시트의 양호한 결과가 얻어질 수 있다.
본 발명에 따른 경납땜 시트 제품의 실시예에서 아연 또는 주석을 포함하는 적용된 층은 0.5㎛까지, 보다 바람직하게는 0.3㎛(300㎚)까지, 그리고 가장 바람직하게는 0.01 내지 0.15㎛(10-150㎚) 범위내의 두께를 갖는다. 최상의 결과는 약 30㎚의 두께까지 사용하면 얻을 수 있다. 0.5㎛보다 큰 코팅 두께는 예컨대 치환 도금에 있어서 장시간의 처리 시간을 필요로 하며, 더이상 부착성을 향상시키는 이점을 갖지 않는 것으로 생각된다.
본 발명의 경납땜 시트 제품에서 적용되는 아연 또는 주석층은 사실상 순수 아연 또는 주석층이거나, 또는 주로 아연 또는 주석(예컨대, 적어도 50중량％)일 수 있다. 이하에 보다 상세의 논의되는 바와 같이 소량의 불순물 원소 또는 의도적으로 첨가된 원소가 존재할 수 있다. 전형적으로, 아연 또는 주석층 속에는 불순물 원소가 10중량％ 미만, 보다 통상적으로는 5중량％ 미만이 존재할 수 있다.
상기 니켈 함유층은 바람직하게는 전기도금층이다. 아연 또는 주석을 포함하는 층 상에 적용되는 상기 니켈 함유층의 부착성은 우수하며, 박리가 발생하는 일이 없이 비교적 심한 성형 작업에도 견딜 수 있다.
상기 경납땜 시트 제품에서 니켈 함유층은 두께가 2.0㎛이하, 바람직하게는 1.0㎛이하, 보다 바람직하게는 0.5㎛인 것이 바람직하다. 2.0㎛보다 큰 피복 두께는 도금을 위해 장시간의 처리 시간을 필요로 하며, 니켈층의 주름짐을 초래할 수 있으며, 경납땜 중에 더 이상의 이점을 갖지 않는 것으로 생각된다. 상기 Ni 함유층에 대한 바람직한 최소 두께는 0.3㎛이다. 그러나, 압연 접착, 열 스프레이, 화학 증기 증착 및 물리 증기 증착과 같은 다른 기술들이 사용될 수 있다.
이러한 경납땜 시트 제품에서 각각의 알루미늄 클래드층은 전체 경납땜 시트 제품 두께의 약 2 내지 20%내의 두께를 가지는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 경납땜 시트 제품에서 충전물 재료로 알려져 있고 경납땜 중에 용융되는 재료 특히 니켈층 또는 아연 또는 주석층은 경납땜 중의 용융 경납땜 합금의 표면 장력을 감소시키는 하나 이상의 원소를 포함한다. 본 발명에서는 놀랍게도 종래 기술의 가르침과는 대조적으로, 경납땜 합금의 습윤 작용을 조장시키기 위해서 Ni층에 합금화 원소인 납을 첨가하는 것이 필요치 않은 것으로 판명되었다. 그럼에도 불구하고, 납 또는 다른 적절한 원소(이들 대신에는 비스무트가 가장 바람직함)가 니켈층 또는 아연 또는 주석층 또는 이들 층 양자 모두에 첨가될 수 있다. 이것은 경납땜 시트의 제조 관점에서 다양한 이점을 갖는다.
따라서, 충전물 재료 속에는 전체적으로 이하의 원소(단위는 중량％)중 적어도 하나의 원소가 존재할 수 있다:
0.01 내지 0.5중량%, 바람직하게는 0.05 내지 5중량% 범위내의 Bi,
0.2 내지 2.0중량% 범위내의 Mg,
0.01 내지 0.5중량%, 바람직하게는 0.05 내지 5중량% 범위내의 Li,
0.01 내지 0.5중량%, 바람직하게는 0.05 내지 5중량% 범위내의 Sb
따라서, 아연 또는 주석층 그 자체는 비스무트, 납, 리튬 및 안티몬으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 첨가 원소를 포함할 수 있다. 첨가 원소(들)의 양은 합계 50％까지일 수 있지만, 바람직하게는 25％이하, 예컨대 1 내지 25％의 범위내에 있다.
본 발명에 따른 경납땜 시트 제품의 바람직한 실시예에서 알루미늄 클래드층안에 첨가되는 비스무트는 0.5중량%의 이하의 제한을 갖는다. 비스무트 첨가에 대한 적합한 최소 제한은 0.01중량%, 더욱 바람직하게는 0.05중량%이다.
본 발명에 따른 경납땜 시트 제품의 바람직한 실시예에서 알루미늄 클래드층안에 첨가되는 리튬은 0.5중량%의 이하의 제한을 갖는다. 리튬 첨가에 대한 적합한 범위는 0.01-0.3중량%이다.
본 발명에 따른 경납땜 시트 제품의 바람직한 실시예에서 알루미늄 클래드층안에 첨가되는 안티몬은 0.5중량%의 이하의 제한을 갖는다. 안티몬 첨가에 대한 적합한 범위는 0.01-0.3중량%이다.
실시예에서 알루미늄 클래드층은 2 내지 18중량%, 바람직하게는 7 내지 18중량% 범위내의 Si와, 8.0중량%까지 바람직하게는 5.0중량%까지의 마그네슘을 포함한다. 마그네슘은 0.5 내지 5중량%, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 2.5중량%의 범위인 것이 바람직하다. 또한 Cu, Zn, 및 Sr과 같은 합금 원소가 적합한 범위로 첨가될 수 있지만 이것에 제한되지는 않는다. 경납땜 시트 제품의 사용시에 클래드층에서 마그네슘의 존재는 경납땜중에 치명적인 영향을 주지 않는 것으로 판명되었다. 이것은 공지된 경납땜 시트 제품에 비해 주요한 개선점이다. 이것은 전체 경납땜 시트 제품 또는 시너 클래드층을 가지는 경납땜 시트 제품의 강도에 기여할 수 있는 알루미늄 클래드층의 설계를 허용한다. 또한 이것은 Mg 함유 경납땜 시트가 진공 경납땜법과 플럭스가 없는 제어 분위기 경납땜법의 양자 모두에서 응용될 수 있게해준다. 후자의 가능성은 많은 경제적 및 기술적 이점을 갖는다. 게다가 비스무트와 마그네슘이 첨가되기 때문에 전기도금된 니켈층에서 습윤성 또는 접착성을 향상시키기 위하여 합금 성분을 첨가할 필요가 없어진다. 본 발명에 따른 경납땜 시트 제품은 기존의 경납땜 산업 라인에서 쉽게 사용될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 알루미늄 클래드층은 2 내지 18중량％, 바람직하게는 7 내지 18중량% 범위내의 Si와 5중량％ 이하의 범위내의 합금성분과 아연을 포함한다. 바람직하게는, 아연은 0.5 내지 3중량％ 범위내에 있다. 적절한 범위내의 Mg 및 Cu등의 추가 합금 원소가 첨가될 수 있지만, 이들로 한정되지는 않는다. 본 발명에 따르면, 상기 경납땜 시트 제품이 사용될 때 클래딩 속에 아연이 존재하더라도 경납땜 중에 치명적인 영향을 주지는 않는 것으로 판명되었다. 이것은 공지된 경납땜 시트 제품에 비해 주요한 개선점이다. 그것은 전체 경납땜 시트 제품의 강도에 기여할 수 있는 클래딩의 설계를 허용한다. 또한, 클래딩이 의도적인 합금 원소로서 아연을 함유하는 경납땜 시트 제품은 진공 경납땜법과 플럭스가 없는 제어 분위기 경납땜법의 양자 모두에서 응용될 수 있으며, 상기 처리법들은 산업적인 규모로 이용될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 알루미늄 클래드층은 2 내지 18중량％, 바람직하게는 7 내지 18중량% 범위내의 Si와 5중량％ 이하의 범위내의 합금성분과 구리를 포함한다. 바람직하게는, 구리는 3.2 내지 4.5중량％ 범위내에 있다. 또한 적절한 범위내에서 Mg 및 Zn등의 추가 합금 원소가 첨가될 수 있지만, 이들로 한정되지는 않는다. 본 발명에 따르면, 상기 경납땜 시트 제품이 사용될 때 클래딩 속에 구리가존재하더라도 경납땜 중에 치명적인 영향을 주지는 않는 것으로 판명되었다. 이것은 공지된 경납땜 시트 제품에 비해 주요한 개선점이다. 그것은 전체 경납땜 시트 제품의 강도에 기여할 수 있는 클래딩의 설계를 허용한다. 또한, 클래딩이 의도적인 합금 원소로서 구리를 함유하는 경납땜 시트 제품은 진공 경납땜법과 플럭스가 없는 제어 분위기 경납땜법의 양자 모두에서 응용될 수 있으며, 상기 처리법들은 산업적인 규모로 이용될 수 있다.
알루미늄 클래드층의 모든 실시예에서 알루미늄 코어 합금과 비교하여 알루미늄 클래드 합금이 향상된 음전기 부식 포텐셜에 이르도록 0.3중량% 이하의 범위까지 합금 원소로서 인듐(In)이 존재할 수 있다. 인듐은 아연 첨가와 비교하여 합금의 부식 포텐셜을 감소시키는데 더 나은 효과를 가진다. 일반적으로 0.1중량%의 인듐(In)은 2.5중량%의 Zn과 같은 효과를 가진다.
알루미늄 클래드층의 모든 실시예에서 각각의 마그네슘과 지르코늄은 불순분 성분으로서 0.30중량%이하, 바람직하게는 0.10중량%이하, 더욱 바람직하게는 0.05중량% 이하의 범위내에서 알루미늄 클래드층안에 존재할 수 있다.
알루미늄 클래드층의 모든 실시예에서 철은 일반적인 불순물로서 0.8%이하, 바람직하게는 0.4중량% 이하의 범위내에서 알루미늄 클래드층안에 존재할 수 있다.
알루미늄 클래드층의 모든 실시예에서 스트론듐은 클래드 합금을 주조할때 응고동안에 클래드층에서 존재하는 실리콘을 수정하기 위해 0.20중량%이하의 범위까지 첨가될 수 있다.
본 발명에 따른 경납땜 시트 제품의 실시예에서, 코어 시트는 8중량％ 이하의 범위내의 마그네슘을 포함하는 알루미늄 합금이다. 한 바람직한 실시예에서, 마그네슘은 0.5 내지 5.0중량％ 범위내에 있다. 적절한 범위내의 Cu, Zn, Bi,V, Fe, Zr, Ag, Si, Ni, Co 및 Mn 등의 추가 합금 원소가 첨가될 수 있지만, 이들로 한정되지는 않는다. 본 발명의 경납땜 시트 제품이 사용될 때 알루미늄 클래드층 속에 마그네슘이 존재하더라도 경납땜 중에 치명적인 영향을 주지는 않는 것으로 판명되었다. 이것은 공지된 경납땜 시트에 비해 주요한 개선점이다. 경납땜 시트 제품 그 자체의 제조 및 후속 경납땜 시트 공정에서의 응용 중에 코어에서 클래딩으로의 Mg의 확산은 본 발명에 따른 경납땜 시트의 경납땜성에 치명적인 영향을 주지는 않는 것으로 보인다. 이것은 보강 원소로서 소정 범위내의 마그네슘을 갖는 알루미늄 코어 시트를 구비한 고강도 경납땜 시트 제품의 설계를 허용한다. 그 제품은 진공 경납땜법(VB)과 플럭스가 없는 제어 분위기 경납땜법(CAB)의 양자 모두에서 응용될 수 있으며, 상기 처리법들은 산업적인 규모로 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 경납땜 시트 제품에서 코어 시트는 중간층을 거쳐서 알루미늄 클래드층에 결합될 수 있다. 그러한 중간층 또는 개재층을 갖는 것에 대한 이점은 예를 들어 US-A-2,821,014호에 기술되어 있으며, 그 내용은 본 명세서에 참조로 수록되고 있다.
또한 본 발명에 따라 제조된 상기 및 청구범위에서 기재된 경납땜 시트 제품을 만드는 하나 이상의 성분이 포함된 경납땜 조립체를 제공한다.
본 발명의 다른 관점에서는 본 발명에 따른 경납땜 시트 제품을 이용해서, 다음의 단계를 포함하는 경납땜 조립체의 제조 방법이 제공된다:
(a) 구성부품들 중 적어도 한개는 상술한 본 발명의 경납땜 시트 제품으로부
터 만들어지는 구성부품들을 성형하는 단계;
(b) 구성부품들을 조립체로 조립하는 단계;
(c) 충전 합금의 용융 및 전개를 위한 충분히 긴 시기동안 고온에서 경납
땜 플럭스가 없는 채로 진공 하에서 또는 불활성 분위기 속에서 조립체
를 경납땜하는 단계, 여기서 충전 합금은 클래드 합금(2), 접합층(4) 및
Ni층(3)에 의해 형성된다;
(d) 경납땜 조립체를 냉각하는 단계, 냉각율은 일반적인 경납땜 노 냉각율의
범위이고, 일반적인 냉각율은 적어도 10℃/min 이상, 일반적으로 40℃/m
이상이다.
코어 시트의 알루미늄 합금에 따라서, 상기 공정은 (e) 조립체의 기계적 및 부식 특성을 최적화하기 위해서 경납땜되고 냉각된 조립체를 시효(ageing) 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 경납땜 시트 제품을 사용하면 경납땜의 온도가 약 10℃로 저하된다. 이렇게 감소된 경납땜의 온도는 전체적인 경납땜 사이클에 대한 산업 규모 처리 시간을 20%이상 감소시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점에서는 상기 및 청구범위에서 기재된 경납땜 시트 제품에서 알루미늄 클래드 합금의 이용 방법을 제공한다.
또한 본 발명의 또 다른 관점에서는 경납땜 플럭스가 없는 불활성 분위기 경납땜법(CAB)으로 경납땜 조립체를 제조하는 방법에서 상기 및 청구범위에서 기재된경납땜 시트 제품에 알루미늄 클래드 합금을 이용하는 방법을 제공한다.
도 1은 예를 들어 US-A-3,970,237호에 따른 공정에 의해 얻어지는 종래 기술에 따른 경납땜 시트를 개략적으로 도시하고 있다. 경납땜 시트 제품은 한쪽 또는 양쪽에 Al-Si 합금을 포함하는 알루미늄 클래딩층(6)을 갖는 코어 시트(1)로 이루어진다. 클래드층(6)의 최상부에는 얇은 니켈층(3), 바람직하게는 니켈-납층이 전기도금법에 의해 적용된다.
도 2는 Al-Si-Bi 합금을 포함하는 클래딩층(2)과 Ni층(3) 사이에 아연 또는 주석의 추가 층(4)이 적용되며 그 이점은 상술한 바와 같은, 본 발명에 따른 경납땜 시트를 개략적으로 도시하고 있다. 도 2에서, 층(4)과 층(3)은 경납땜 시트의 한쪽에서만 보여지고 있지만, 당업자는 이들 층이 경납땜 시트 제품의 양쪽에 적용될 수 있음을 즉각적으로 알 수 있을 것이다. 각종 층들의 조합과 그 이점은 상술한 바와 같다.
도 3은 도 2의 층들을 구비하고, 양쪽의 코어 시트(1)와 클래딩층(2) 사이에 추가 중간층을 구비한 본 발명에 따른 다른 경납땜 시트를 개략적으로 도시하고 있다. 도 3에서 층(4)과 층(3)은 경납땜 시트의 한쪽에서만 보여지고 있지만, 당업자는 이들 층이 경납땜 시트 제품의 양쪽에 적용될 수 있음을 즉각적으로 알 수 있을 것이다. 게다가, 중간층(5)은 경납땜 시트의 한쪽에, 바람직하게는 층(4)과 층(3)을 포함하는 쪽에 적용될 수도 있다. 각종 층의 가능한 조합과 이들의 이점은 상술한 바와 같다.
실례
한쪽에 AA4045 계열인 네개의 다른 조성(표 1 참조)의 알루미늄 클래드 합금을 갖고, 전체 두께가 0.5㎜이며, 클래드의 두께가 약 50㎛인 알루미늄 협회(AA) 3003 코어 합금 클래드로부터 제조된 알루미늄 경납땜 시트에 대한 실험실 규모의 시험이 표 2와 같이 수행되었다.
처리는 하기의 공정 단계로 순차적으로 구성된다.
- 켐텍 30014(상업적으로 입수가능한 전해액) 속에서 180초동안 침지에 의해 세척하고, 후속해서 세정하는 단계;
- 켐텍 30203(상업적으로 입수가능한 전해액 성분) 속에서 20초동안 알칼리성 에칭하고, 후속해서 세정하는 단계;
- 선택적으로, 대기 온도에서 켐텍 11093(상업적으로 입수가능한 피클 활성제)을 포함하는 산성 산화 용액 전형적으로는 25-50체적％의 니트릴산 속에서 4초동안 스멋 제거(desmutting)하고, 후속해서 세정하는 단계;
- 실내 온도에서 12초동안 켐텍 024202를 사용해서 아연산염 침지하고, 후속해서 세정하는 단계; 및
니켈 전기도금하는 단계와 세정하는 단계;
니켈 전기도금을 위해서, 납이 없는 기본 배드가 표 2에 "L-"로 표시되는 바와같이 사용된다. 납이 없는 기본 배드는 50g/l의 황산니켈, 50g/l의 염화니켈, 30g/l붕소산 및 75ml/l의 수산화암모늄(30%)을 포함한다. 26℃에서의 도금 조건은 3A/dm2의 전류 밀도를 이용해서 50초의 도금시간 후에 0.5㎛ 두께의 니켈-도금층이 생기게 한다.
니켈 도금 시료는 에릭슨 돔 시험(Erichsen dome test)(5mm)과 T자형 굽힘 시험을 이용하여 부착성에 대해 시험받았다. 부착성에 대한 측정 값의 평가는 다음과 같이, 즉 (-) = 불량, (±) = 보통, (+) = 양호로 제공된다. 경납땜성은 아래와 같이 평가되었다. 실험실 규모의 시험에서, 경납땜 시험은 소형 수정 로에서 수행되었다. 니켈 도금 시트로부터 25mm×25mm의 소형 쿠폰이 절단된다. 치수가 30mm×7mm×1mm인 AA3003 합금의 소형 스트립이 중앙에서 45°각도로 굽혀지고, 쿠폰상에 놓여졌다. 쿠폰 샘플 상의 스트립은 유동 질소 하에서 가열되었는데, 그가열은 실내 온도에서 580℃로 10분동안 이루어지고, 580℃에서의 체류 시간은 1분이고, 냉각은 580℃에서 실내 온도로 이루어졌다. 경납땜 공정은 가능한 주름 형성, 모세관 침하 및 필렛 형성에 대해 판단되었다. 전체적인 평가가 주어졌는데, 여기서 (-) = 경납땜성 불량, (-/±) = 경납땜성 보통, (±) = 경납땜성 양호, 그리고 (+) = 경납땜성 우수이다. 얻어진 결과가 표 2에 요약되어 있다.
표 2의 결과로부터 아연 침지 처리 적용에서는 Ni-납층의 양호한 부착성이 얻어질 수 있다. 1번 클래드 합금의 결과로부터 스멋 제거 단계를 없애도 Ni 도금층은 양호한 부착성을 가져옴을 알 수 있다. 2번 클래드층의 결과로부터 클래드에 Bi를 첨가하면 우수한 경납땜성이 얻어짐을 알 수 있다. 그 결과 본 발명에서는 니켈층에 납을 첨가하는 것이 생략될 수 있다. 3번 클래드층의 결과로부터 마그네슘과 결합된 클래드에 Bi를 첨가하면 우수한 경납땜성이 얻어짐을 알 수 있다. 4번 클래드층의 결과로부터 아연과 결합된 클래드에 Bi를 첨가하면 우수한 경납땜성이 얻어짐을 알 수 있다. 반면에 클래드층에 비스무트나 납이 존재하지 않거나 니켈층에서 납이 존재하지 않으면 낮은 부착성이 얻어진다(1번 클래드 합금 참조).
클래드 합금의 조성(단위: 중량%), 잔부 Al 및 불가피한 불순물(각각 < 0.05%, 총 < 0.20%)
합금 Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Bi
1 10.0 0.3 <0.01 <0.02 <0.02 <0.02 0.003
2 8.5 0.2 <0.01 <0.02 <0.02 <0.02 0.003 0.09
3 9.6 0.25 <0.01 <0.02 1.35 <0.02 0.003 0.13
4 7.6 0.35 <0.01 <0.02 <0.02 1.02 0.003 0.11
적용된 전처리 및 시험 결과
합금 번호 세척 에칭 스멋 제거 아연산염 Ni 도금 부착성 경납땜성
1 예 예 예 예 L- - -
1 예 예 아니오 예 L- + -
2/3/4 예 예 예 예 L- + +
지금까지 본 발명을 충분하게 설명했지만 본 기술 분야에 숙련된 자는 본 명세서에 기술된 본 발명의 정신 및 범주를 이탈하지 않고 많은 변경 및 수정이 이루어질 수 있음을 명백히 이해할 것이다.

Claims (17)

  1. 알루미늄 합금으로 만들어진 코어 시트(1), 상기 코어 시트의 적어도 하나의 표면에서 구비되는 알루미늄 클래드층(2) 및 상기 알루미늄 클래드층(2)의 한쪽 또는 양쪽 외부면상에 니켈 함유층(3)을 구비하는 경납땜 시트 제품에 있어서,
    상기 알루미늄 클래드층의 상기 외부면과 상기 니켈 함유층(3)사이에서 접합층으로 아연 또는 주석 함유층(4)을 구비하고,
    상기 알루미늄 클래드 합금층은
    2 내지 18중량% 범위의 Si,
    8.0중량% 이하의 Mg,
    5.0중량% 이하의 Zn,
    5.0중량% 이하의 Cu,
    0.30중량% 이하의 Mn,
    0.30중량% 이하의 In,
    0.80중량% 이하의 Fe,
    0.20중량% 이하의 Sr,
    0.01 내지 1.0중량% 범위의 Bi, 0.01 내지 1.0중량% 범위의 Pb, 0.01 내지 1.0중량% 범위의 Li, 0.01 내지 1.0중량% 범위의 Sb, 및 0.2 내지 2.0중량% 범위의 Mg으로 구성되는 그룹에서 선택되는 하나 이상의 성분,
    각각 0.05중량%이하이고, 총합이 0.20중량% 이하인 불순물, 및
    잔부 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 경납땜 시트 제품.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 접합층(4)은 전기도금된 층인 것을 특징으로 하는 경납땜 시트 제품.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 접합층(4)은 0.5㎛이하의 두께, 바람직하게는 0.3㎛이하의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 경납땜 시트 제품.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 접합층(4)은 두께가 20 내지 150nm의 범위내에 있는 것을 특징으로 하는 경납땜 시트 제품.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 니켈 함유층(3)은 2.0㎛이하의 두께, 바람직하게는 1.0㎛이하의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 경납땜 시트 제품.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 알루미늄 클래드층(2)은 0.5중량% 내지 5.0중량% 범위의 Mg을 포함하는 것을 특징으로 하는 경납땜 시트 제품.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 알루미늄 클래드층(2)은 0.5중량% 내지 3.0중량% 범위의 Zn을 포함하는 것을 특징으로 하는 경납땜 시트 제품.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 알루미늄 클래드층(2)은 0.01중량% 내지 0.5중량% 범위의 Bi을 포함하는 것을 특징으로 하는 경납땜 시트 제품.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코어 시트(1)는 중간층(5)을 통해 상기 알루미늄 클래드층(2)과 결합되는 것을 특징으로 하는 경납땜 시트 제품.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코어 시트(1)는 그 양이 8.0중량% 이하의 마그네슘을 포함하는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 경납땜 시트 제품.
  11. 경납땜에 의해 접합되는 구성부품들의 조립체로서, 구성부품들중 적어도 하나는 제 1 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 따른 경납땜 시트 제품인 것을 특징으로 하는 경납땜 조립체.
  12. (a) 구성부품들 중 적어도 하나는 제 1 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 따른 경납땜 시트 제품으로부터 만들어진 구성부품들을 성형하는 단계;
    (b) 구성부품들을 조립체로 조립하는 단계;
    (c) 클래딩 합금의 용융 및 전개를 위한 충분히 긴 시기동안 고온에서 경납땜 플럭스가 없는 채로 진공하에서 또는 불활성 분위기 속에서 조립체를 경납땜하는 단계; 및
    (d) 경납땜 조립체를 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 경납땜 구성부품의 조립체를 제조하는 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 따른 경납땜 시트에서 알루미늄 클래드 합금을 이용하는 방법.
  14. 경납땜 플럭스 재료가 없는 불활성 분위기 경납땜 처리에서 제 1 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 따른 알루미늄 클래드 합금을 이용하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 알루미늄 클래드 합금은
    2 내지 18중량%, 바람직하게는 7 내지 18중량% 범위의 Si;
    0.01 내지 1.0중량%, 바람직하게는 0.01 내지 0.5중량% 범위의 Bi;
    각각 0.05중량% 이하이고 총합이 0.20중량% 이하인 기타 성분; 및
    잔부 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 알루미늄 클래드 합금은
    2 내지 18중량%, 바람직하게는 7 내지 18중량% 범위의 Si;
    0.5 내지 8.0중량%, 바람직하게는 0.5 내지 2.5중량% 범위의 Mg;
    0.01 내지 1.0중량%, 바람직하게는 0.01 내지 0.5중량% 범위의 Bi;
    각각 0.05중량% 이하이고 총합이 0.20중량% 이하인 기타 성분; 및
    잔부 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 알루미늄 클래드 합금은
    2 내지 18중량%, 바람직하게는 7 내지 18중량% 범위의 Si;
    5.0중량% 이하, 바람직하게는 0.5 내지 3.0중량% 범위의 Zn;
    0.01 내지 1.0중량%, 바람직하게는 0.01 내지 0.5중량% 범위의 Bi;
    각각 0.05중량% 이하이고 총합이 0.20중량% 이하인 기타 성분; 및
    잔부 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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