KR20030017564A - 핀용 알루미늄 합금 박 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열교환기 핀용 알루미늄 합금 박을 제조방법에 관한 것으로서, 0.27-0.55wt% 철 및 0.06-0.55wt% 실리콘 및 선택적으로 0.05-0.20wt%의 구리를 함유하는 용융 알루미늄 합금을 제공하는 단계; 상기 용융 알루미늄 합금을 알루미늄 합금 스트립으로 연속주조하는 단계; 및 상기 연속주조 알루미늄 합금 스트립을 0.076-0.152mm의 최종 게이지로 냉간압연하는 단계를 포함하며, 상기 알루미늄 합금 박에 재결정이 일어나지 않도록 10℃의 최대 과열로 260℃ 이하의 온도에서 상기 알루미늄 합금 스트립을 부분 어닐링하는 것을 특징으로 한다.

Description

핀용 알루미늄 합금 박 제조방법{METHOD OF MAKING ALUMINUM FOIL FOR FINS}
알루미늄박은 알루미늄이 고열전도성을 갖기 때문에 열교환기에 일반적으로 사용되고 있다. 이들 핀은 통상적으로 구리튜브에 끼워져 기계적으로 조립된다. 공기조화기 유닛의 크기 증가로 인해, 핀은 길어지고 있으며, 이들 핀이 굽힘없이 들어올려질 수 있는 충분한 강도를 갖는 것이 중요하다. 저강도는 코일이 유닛을 형성하기 위해 굽혀질 때 취급 손상을 가져올 수 있다. 코일의 강성을 증가시키기 위한 한가지 방법은 알루미늄 박의 게이지를 증가시키는 것이다. 이는 비용을 증가시키고 무게를 증가시키기 때문에 공기조화기 제조에는 강한 박을 사용하는 것이 바람직하다.
종래 사용된 대부분의 합금은 AA1100이다. 조성은 이하의 표 1과 같다.
성분 중량%
실리콘+철 ＜0.95
구리 0.05 - 0.20
알루미늄 ＞99.00
기타 ＜0.05
완전 어닐링될 때, 이 합금은 대단히 낮은 강도를 가진다. 예를 들면, 전형적으로 항복강도는 20.7-41.4MPa(3-6ksi), 인장강도(UTS)는 96.5-110.3MPa(14-16ksi)이다. 이 합금은 24%를 초과하는 연신율과 0.25in.(6mm) 이상의 올센값을 갖는 고성형성이다. 성형성이 불충분하면, 구리튜브를 통해 이 시트에 형성된 칼라가 리플레어(reflare) 또는 칼라 자체의 본체에서 균열이 생길 수 있다. 이들 균열은 핀을 통과한 구리튜브가 칼라와 튜브사이에 양호한 결합을 형성하도록 팽창하기 때문에 바람직하지 않다. 칼라에 균열이 발생되면, 핀과 튜브사이의 열전달이 악화된다. "0"템퍼, AA1100 시트는 우수한 칼라를 형성하며, 종래에 일반적으로 사용되고 있다. 그러나, 긴 핀에 적용할 때 보다 높은 강도가 요구되는 문제점을 가진다.
전형적으로, AA1100합금은 직접 주조 또는 DC방식, 열간압연후 0.1-0.13mm(0.004-0.005in)의 최종 게이지로 냉간압연된 후 부분 어닐링될 수 있다. 부분 어닐링 단계는 240-270℃의 온도에서 냉간압연된 시트를 가열한다. 이 시간동안, 냉간압연된 시트의 강도는 감소하고 그의 성형성이 증가된다. 냉간압연은 알루미늄 구조를 완전히 파괴시킨다. 가열을 하게 되면, 제 1 단계에서 회복되고 제 2 단계에서 재결정된다. 전형적인 어닐링에 있어서, 회복단계는 강도의 점진적인 감소를 수반하며, 재결정은 강도의 급격한 하락을 수반한다. 부분 어닐링된 시트의 전형적인 소망 기계적 특성은 하기 표 2와 같다.
항복강도(MPa) 96.5 - 110.3
연신율(5%) 20 - 24
UTS(MPa) 110.3 - 124.1
부분 어닐링된 재료는 완전 회복된 구조를 가지며 어떤 초기 입자(초기 재결정)의 형성이 개시된다. 이들 입자는 25미크론 이하의 직경을 가진다. 이 재료는 일반적으로 5% 이하의 칼라 균열로 핀에 우수하게 적용될 수 있다.
그러나, DC주조법은 고비용이다. 최근, 벨트 주조기, 롤 주조기 또는 다른 유사한 설비를 이용하는 연속주조로 가는 경향이 있다. 연속 주조기는 30mm 미만의 두께(일반적으로 25mm 미만의 두께)인 "주방품(as-cast)" 스트립을 생산한다. 롤 주조기는 직접 냉간압연할 수 있는 6mm 이하의 스트립을 생산한다. 벨트 주조기는 직접 냉간압연되거나 또는 냉각전에 고형화된 후 주방품 슬래브의 두께를 감소시킬 수 있는 인라인 압연 밀과 결합되어 사용될 수 있는 스트립을 생산한다. DC주조재료에서의 열간압연단계는 500℃ 주변에서의 예열(균질화)에 의해 진행된다. 이 균질화단계는 연속주조방식에서는 존재하지 않으며, 따라서 2가지 재료의 열이력은 상당히 다르다. 그 결과, DC주조 AA1100 재료는 우수한 부분 어닐링 시트를 생산하는 반면, 대응하는 연속주조기(CC) 주조 시트는 소망 성능을 얻는 것은 훨씬 어렵다. CC 주조재료는 동일 강도에서 DC 주조 재료보다 성형성이 낮다. 어닐링 온도를 증가시키는 것에 의한 성형성(연신율 및 올센값에 의해 특정되는) 개선 시도는 89.6-96.5MPa의 하한 이하의 항복강도의 감소를 가져온다.
단일 롤 주조, 균질화, 냉간압연 및 어닐링할 수 있는 단일 롤 연속주조법과 알루미늄 합금조성을 이용하여 알루미늄박을 제조하는 개선된 방법을 개발하기 위한 다양한 연구 및 시도가 있어 왔다. 예를 들면, 미국특허 제5,466,312호(워드 주니어)에는 약 0.08-0.20중량% 실리콘, 약 0.24-0.50중량% 철, 약 0.21-0.30중량%구리, 나머지는 알루미늄 및 불가결한 불순물로 이루어진 용융 알루미늄합금으로 알루미늄박을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 상기 알루미늄합금 조성은 코일 주조 스트립을 형성하도록 연속적으로 주조된다. 코일 주조 스트립은 균질화, 냉간압연 및 450-650℉의 최종 재결정 어닐링된다. 이 온도범위는 박의 재결정화를 창조한다.
미국특허 제5,554,234호(다케우치)에는 핀제조에 적합한 고강도 알루미늄합금이 제안되어 있다. 이 특허에 따르면, 알루미늄합금은 0.1중량%까지의 실리콘, 0.10-1.0중량% 철, 0.1-0.50중량% 망간, 0.01-0.15중량% 티타늄, 나머지는 알루미늄 및 불가결한 불순물을 함유한다. 이 특허에는 또한 핀제조에 적합한 고강도 알루미늄합금 제조방법이 개시되어 있으며, 이 제조방법은 430-580℃로 알루미늄합금 잉고트를 가열하는 단계, 판재를 얻기 위해 잉고트를 열간압연하는 단계, 금속간화합물이 합금의 금속 조직내에 분산되도록 250-350℃에서의 균질화 어닐링처리 단계를 포함한다.
미국특허 제4,737,198호(샤벨)에는 0.5-1.2중량% 철, 0.7-1.3중량% 망간, 0-0.5중량% 실리콘 조성을 가지며, 미세구조를 제어하도록 1100℉ 이하, 바람직하게는 1050℉ 이하의 온도에서의 균질화처리, 및 최종 게이지로 냉간압연하는 합급주조방법이 개시되어 있다. 냉간압연된 합금은 소망 강도 및 성형성을 얻도록 부분 어닐링된다.
일본특허 제5-51710호에는 알루미늄 박을 350-450℃의 고온에어규션을 따라 이송시키는 고온 에어 노내에서 150-250℃로 알루미늄 박을 어닐링하는 것이 제안되어 있다. 일본특허 제6-93397호에는 박 제조용 알루미늄 합금 및 냉간압연, 400℃까지의 열처리 및 냉간압연에 이은 250-450℃에서의 어닐링을 포함하는 박의 특성 개선을 위한 처리방법이 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 AA1100 합금의 연속주조에 기초한 열교환기 핀용 알루미늄 합금 박의 개선된 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 열교환기, 특히 응축기 및 증발기 코일에 사용되는 알루미늄박 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 열교환기에 사용되는 핀용 알루미늄 합금 박의 제조방법을 제공한다. 상기 합금은 0.27-0.55중량% 철 및 0.06-0.55중량% 실리콘을 함유하는 알루미늄 합금과 같은 AA1100형 알루미늄 합금일 수 있다.
또한, 상기 합금은 바람직하게는 0.05-0.20중량% 구리를 함유한다. 용융상태에서의 이 합금은 알루미늄 합금 스트립으로 연속주조되며, 이 연속주조 스트립은 0.076-0.152mm의 최종 게이지로 냉간압연된다. 냉간압연된 스트립은 약 10℃의 최대 오버히트(overheat)로 약 260℃ 이하의 온도에서 부분 어닐링처리된다. 이 방식에 있어서, 알루미늄 합금 박의 어닐링은 실질적으로 재결정이 일어나지 않는 영역을 취한다.
본 발명은 공기조화기에서 사용되는 응축기와 증발기를 포함하는 열교환기용 핀 제조에 적합한 강하면서 성형성을 갖는 개선된 알루미늄 합금 박을 제공한다.
CC주조 재료와 DC주조 재료의 차이점은 합금 조성으로는 설명하기 어렵다. 예를 들면, 많고 적은 Fe(0.27-0.55중량%), 많고 적은 실리콘(0.06-0.55중량%) 및구리함량의 변화(0.00-0.12중량%)를 포함하는 다양한 조성의 알루미늄 합금이 시도되었지만 그 결과는 항상 동일하지 않았다. CC주조 재료는 DC주조 재료보다 성형성이 낮았다. 예를 들면, DC 주조 재료의 연신율은 항복강도가 96.5MPa일 때 22%이다. CC 주조 재료에 대해 동일 연신율에서의 대응 항복강도는 48.3-62.1MPa였다.
CC 주조 재료와 DC 주조 재료의 차이점은 2개의 부분 어닐링된 재료의 미세구조의 차이로 찾아낼 수 있다. 초기 재결정화 동안, DC 주조 재료는 작은 입자를 형성하지만 CC 주조 재료는 큰 입자를 형성한다. 이는 체적 성형성보다는 이들 대직경 입자의 존재에 의해 CC 주조 재료에서 이용가능한 재결정측이 적다는 사실에 따른 것이다. 칼라 균열이 불충분한 연신율 또는 올센값에 의해 발생되는 것은 산업상에서 항상 느껴지는 문제이기 때문에 이는 뜻밖의 것은 아니다. 이는 단지 부분적으로 올바른 것이다. 부분적으로 재결정된 재료가 5% 이하의 재결정 입자, 바람직하게는 2% 이하의 재결정입자를 함유한다면, 연신율이 16-18% 사이에 있을 때에만 칼라 균열을 발생하지 않았다. 따라서, CC 재료가 핀-적용에 있어서의 충분한 작용을 하기 위해서는 부분 어닐링동안 재료의 유의 수준의 재결정을 방지하는 것이 중요하였다.
또한, CC 주조 재료에서의 대직경 입자의 존재는 어닐링 온도 뿐만 아니라 노에 제공된 과열(overheat)과 서로관련되어 있다. 히트 헤드(heat head) 또는 과열은 금속과 노내의 공기 또는 가스온도 사이의 차이다. 공기 또는 가스 온도는 열공급원 가까이에 있는 열전대에 의해, 및 노내의 공기 흐름에서 직접 측정되며,금속 온도는 노내의 코일내에 매설된 열전대에 의해 일반적으로 측정된다. 회복은 허용하면서 재결정을 방지하기 위해, 어닐링 온도는 260℃를 초과하지 않아야 되며, 바람직하게는 245-255℃이다. 과열은 10℃를 초과하지 않아야 되며, 바람직하게는 7℃ 미만이다. 이들 환경하에서, 재결정을 일어나지 않는다. 어닐링 시간은 금속의 회복을 끝마치도록 제공된다. 본 발명에서 부과된 낮은 과열은 어닐링 처리동안 온도의 균일성을 최대한 보장하며, 회복을 위한 가능한한 고온에서의 조작에서도 재결정된 입자의 작은 양의 형성도 방지한다.
어닐링 실행이 전술한 바와 같을 때, CC 주조 재료에 재결정된 입자가 거의 없는 본질적으로 회복된 조직을 부여한다. 이러한 금속의 전형적인 특성은 표 3과 같다.
항복강도(MPa) 93.1-110.3
인장강도(MPa) 110.3-124.1
연신율(%) 0.10mm 게이지에서 16-19
이 재료의 연신율이 대응 DC 주조 재료보다 상당히 낮지만, 이 재료는 핀 적용에 있어서 우수한 실행성을 가진다.
칼라 성형동안, 알루미늄은 충분한 크기로 연신된다. 이는 칼라의 설계에 의존한다. 그러나, 전형적인 적용에 있어서, 칼라의 리플레어 동안, 방사상 연신이 20%만큼 될 수 있다. 이는 리플레어링 동안 크랙이 나타나는 주 이유이다. 대직경으로 재결정된 입자가 국부적으로 존재하면, 이들 입자는 더욱 연신되어 재료의 나머지 부분과 비교하여 유연해진다. 따라서, 체적 특성은 우수해지더라도 균열이 나타난다. 재결정을 방지하고 최대 가능성의 성형성을 부여하도록 어닐링 실행을 최적화는 것에 의해, 칼라 균열은 방지된다.
현재, 이 적용에 있어서 단지 DC 주조 재료만이 실행되고 있다. CC 주조를 개발하는 것에 의해 본 발명은 더욱 경제적인 선택을 제공한다.
본 발명은 Cu-Fe-Si-Al합금을 연속주조하여, 종래의 기술에 의해 달성될 수 없는 강도와 성형성의 조합을 달성하도록 제어된 부분 어닐링에 의해 약 0.076-0.152mm 두께의 얇은 게이지 시트 또는 박을 제조하는 방법을 포함한다. 부분 어닐링은 코일형태로 냉간압연된 시트를 배치 어닐링한다.
본 발명에 따른 합금의 바람직한 조성범위는 표 4와 같다.
성분 wt%
구리 0.05% - 0.20%
실리콘 0.36% - 0.44%
철 0.39% - 0.47%
나머지는 알루미늄 및 불가결한 불순물
실리콘 0.3-0.5wt%, 바람직하게는 0.36-0.44wt%, 철 0.3-0.5wt%, 바람직하게는 0.39-0.47wt%의 범위는 연속주조동안 단일 금속간화합물상(알파상)이 형성되도록 선택된다. 재료는 어떠한 후속 균질화처리를 받지 않기 때문에 이는 냉간압연공정동안 표면압연결함(스머트(smut))의 형성을 방지한다.
주어진 범위내의 구리는 박 롤링 단계동안 과도한 가공경화없이 최종 제품에 강도를 부가한다.
벨트 주조기와 인라인 압연 밀을 이용하여 1.7mm 게이지로 특정 합금을 주조한다. 그 후, 최종 제품 게이지로 냉간압연된다. 핀 스톡 적용을 위해, 최종 제품 게이지는 0.076-0.152mm 범위에 있다. 그 후, 강도와 성형성을 최적화하기 위해 부분 어닐링된다. 조합된 강도와 성형성의 예는 250℃의 어닐링온도에서 달성될 수 있으며, 아래의 표 5와 같다.
항복강도(MPa) 100.0
UTS(MPa) 119.3
연신 18.5
올센 5.7mm
조합된 강도와 성형성의 다른 예는 248℃의 어닐링온도에서 달성될 수 있으며, 아래의 표 6과 같다.
항복강도(MPa) 111.0
UTS(MPa) 125.5
연신 17.5
올센 5.8mm
상기 두 실시예에서의 리플레어 균열의 퍼센트는 DC 주조 재료의 0.5%와 동일하였다. 단지 2열의 핀에서 DC와 CC 주조 재료에서의 결함이 나타났다. 동일 열의 핀에서의 DC와 CC 주조 재료를 비교하면 다수의 결함이 동일하게 나타났다.
본 발명의 처리로 미세 입자, 양호한 성형성을 갖는 고강도 핀 스톡 합금을 개발할 수 있다는 것을 발견하였다. 특히 핀 스톡용 얇은 게이지 시트 또는 박을제조하는데 유용하다. 본 발명의 처리는 500℃ 주위의 예열에 의해 처리된 열간압연단게를 포함하지 않는다.
이하의 실시예는 본 발명의 특허청구범위의 실시를 기술하는 것으로 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
이하의 조성을 갖는 AA1100 합금을 벨트 주조기 및 인라인 압연 밀을 이용하여 1.7mm 게이지로 주조하였다. 합금의 조성범위는 하기의 표 7과 같다.
성분 wt%
실리콘 0.42%
철 0.41%
구리 0.06%
이들 코일은 3단계를 거쳐 0.10mm 게이지로 냉간압연되었다. 최종 코일은 50℃의 히트 헤드로 서로다른 어닐링 실행으로 어닐링되었다.
어닐링된 코일을 핀 프레스에서 테스트하고 리플레어 균열을 검사하여 DC 주조재료(특성, 항복강도 100.0MPa, 연신율 22%)와 비교하였다. 그 결과를 하기 표 8에 나타내었다.
코일 어닐링실행 UTSMPa YSMPa 연신율% 올센mm DC%이상의과균열
단계 1 단계 2
온도℃ 시간 온도℃ 시간
1 235 2 258 6 119.8 92.8 18.0 6.0 14
2 235 2 262 6 110.3 75.2 22.0 6.1 41.6
3 235 2 262 6.5 106.1 63.4 20.5 6.4 52
4 235 2 262 6.5 101.3 52.4 21 7.0 58
상기 데이터로부터 알 수 있는 바와 같이, 리플레어 균열은 일반적으로 연신율이 증가하고 항복강도가 감소할 때 증가된다. 이들 시료가 선택적으로 시험될 때, 대직경 입자의 존재가 드러난 구조는 부분적으로 재결정화 된 것이다. 한편, DC 구조에서는 단지 매우 작은 입자만이 나타났다. 대직경 입자의 개시는 노내에높은 히트 헤드가 유지되어 코일의 일부분이 입자성장으로 얻어진 타겟보다 상당히 높은 온도에 도달하는 것에 의해 발생된다.
이를 회피하고 어떠한 재결정을 방지하기 위해, 새로운 어닐링 실행이 시도되었다. 이는 10℃, 바람직하게는 7℃ 이하를 초과하지 않는 노내에서의 매우 적은 히트 헤드를 유지하는 것을 수반하다. 또한, 어닐링 온도는 CC 주조 재료의 성능저하의 주 원인인 재결정을 피하도록 낮추었다. 그 결과를 하기 표 9에 도시한다.
코일 어닐링 실행 히트헤드(℃) UTSMPa YSMPa 연신율% 올센mm
온도(℃) 시간(hrs)
1 250 7 5 119.2 100.0 18.5 5.7
2 248 8 5 125.5 111.0 17.5 5.8
리플레어 균열의 퍼센트는 DC 주조 재료의 0.5%와 동일하였다. 단지 2열의 핀에서 DC와 CC 주조 재료에서의 결함이 나타났다. 동일 2열의 핀에서의 DC와 CC 주조 재료를 비교하면 다수의 결함이 동일하게 나타났다.

Claims (7)

  1. (a)0.27-0.55wt% 철 및 0.06-0.55wt% 실리콘을 함유하는 용융 알루미늄 합금을 제공하는 단계;
    (b)상기 용융 알루미늄 합금을 알루미늄 합금 스트립으로 연속주조하는 단계; 및
    (c)상기 연속주조 알루미늄 합금 스트립을 0.076-0.152mm의 최종 게이지로 냉간압연하는 단계를 포함하는 열교환기 핀용 알루미늄 합금 박을 제조하는 방법에 있어서,
    상기 알루미늄 합금 박에 재결정이 일어나지 않은채 상기 알루미늄 합금 박을 어닐링하기 위해 10℃의 최대 과열로 260℃ 이하의 온도에서 상기 알루미늄 합금 스트립을 부분 어닐링하는 것을 특징으로 하는 열교환기 핀용 알루미늄 합금 박 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은 0.05-0.20wt%의 구리를 또한 함유하는 것을 특징으로 하는 열교환기 핀용 알루미늄 합금 박 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은 0.36-0.44wt% 철 및 0.39-0.47wt% 실리콘을 함유하는것을 특징으로 하는 열교환기 핀용 알루미늄 합금 박 제조방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 합금 박은 10시간 이하의 시간으로 부분 어닐링되는 것을 특징으로 하는 열교환기 핀용 알루미늄 합금 박 제조방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 합금 박은 245-255℃의 온도범위에서 부분 어닐링되는 것을 특징으로 하는 열교환기 핀용 알루미늄 합금 박 제조방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
    어닐링 동안의 과열은 7℃ 이하인 것을 특징으로 하는 열교환기 핀용 알루미늄 합금 박 제조방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 생산된 것을 특징으로 하는 열교환기 핀용 알루미늄 합금 박.
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