KR20060030910A - 열교환기용 내열 합금 - Google Patents

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KR20060030910A
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울프-디터 핀케른버그
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하이드로 알루미늄 도이칠란트 게엠베하
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Abstract

본 발명은 열교환기용 냉간 경화성(cold-hardened) 알루미늄 합금, 냉간 경화성 알루미늄 스트립 또는 박판 제조 방법과 그 알루미늄 스트립과 박판에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 열교환기 제조를 위한 불활성 가스 용접의 경제적 적용이 가능하고, 용접 후 자연 경화에 의해 고강도를 가지는 열교환기용 냉간 경화성 알루미늄 합금이 제공되는데, 그 알루미늄 합금의 성분은 중량%로 Si ≤ 0.7중량%, 0.1중량% ≤ Mg ≤ 1중량%, Fe ≤ 0.3중량%, 0.08중량% ≤ Cu ≤ 0.2중량%, Ti ≤ 0.2중량%, Mn ≤ 0.1중량%, Cr ≤ 0.1중량%,Zn ≤ 0.1중량%, 기타 불가피한 원소: 각각이 최대 0.1중량% 이하이고 총량이 최대 0.15중량%, 및 잔부: 알루미늄이다.
열교환기, 알루미늄 합금, 냉간 시효 경화

Description

열교환기용 내열 합금 {Resistant Alloy For Heat Exchanger}
본 발명은 열교환기용 냉간 시효 경화성(cold age-hardenable) 알루미늄 합금, 시효 경화성 알루미늄 합금 스트립을 생산하는 방법, 및 알루미늄 스트립 또는 박판(sheet)에 관한 것이다.
알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 구성된 열교환기는 자동차 산업에서 사용이 증가되고 있다. 이 경우에, 전에 널리 사용되었던 비철금속(nonferrous metal) 열교환기 대신에 알루미늄을 사용하면 비슷한 크기와 성능의 열교환기에 비해 무게가 거의 반으로 줄게 된다. 알루미늄 또는 알루미늄 합금 열교환기는 현재 자동차 산업에서 주로 냉각수, 오일의 냉각과 공기 조화 장치(air-conditioning system)에 사용되고 있다. 자동차용 열교환기는 주로 알루미늄 스트립 또는 박판을 사용하여 핀(fin), 튜브(tube), 디스트리뷰터(distributor)와 같은 사전에 제작된 부품(pre-fabricated component)들을 브레이징(brazing) 방법으로 접합하여 제작한다. 실제 자동차에 조립되어 사용될 때 부품들에 가해지는 하중과 부식은 상당하다. 이는 특히 열이 방출되는 부품인 핀의 경우에 더욱 그러하다. 자동차용 열교환기에 가해지는 상당한 하중과 증가하는 작동 압력에도 불구하고, 자동차의 중량 감소 경향은 지속적인 바, 열교환기 벽 두께는 점점 더 감소되고 있다. 이런 결과는 열교환기용 알루미늄 합금의 고강도를 요구하고 있고, 특히 브레이징 후에 더욱 그러하다. 다른 한편, 플럭스(flux)를 사용하지 않는 진공 브레이징과 비부식성(non-corrosive) 플럭스를 사용하는 불활성 가스 브레이징이 열교환기 제작에 이용될 수 있다. 열교환기의 진공 브레이징에 사용되는 냉간 시효 경화성 알루미늄 합금에는 AA6063(AlMgO, 7Si), AA6061(AlMg1SiCu) 또는 AA6951(AlMgO, 6SiCu)가 있다. 이것들은, 한편으로는 진공에서 브레이징 하는 동안의 게터링(gettering)의 결과로써 브레이징된 부품상의 용융 알루미늄 솔더의 산화를 방지할 수 있게 하여 플럭스 없이도 완벽한 브레이징 결합을 할 수 있도록 하고 다른 한편으로는 브레이징 후 자연 시효(natural ageing)중에 브레이징된 열교환기의 고강도가 달성될 수 있도록, 비교적 높은 마그네슘 함량을 가진다. 그러나 이 방법의 단점은 가스의 침투를 방지하고 브레이징될 부품의 청결을 유지함에 있어 많은 비용이 소요된다는 것이다. 또 다른 방법인 불활성 가스 브레이징(CAB:Controlled Atmospere Brazing)은 확실히 이러한 비용 측면에서는 유리하고 또한 브레이징 사이클의 20% 정도를 짧게 할 수 는 있지만, 마그네슘이 브레이징하는 동안 비부식성 플럭스와 반응하기 때문에 진공 브레이징 방법에서 알려진 고마그네슘 함량을 갖는 알루미늄 합금을 사용할 수 없게 된다. 이것은 고가의 세슘(Cs) 함유 플럭스의 사용에 의해서만 방지될 수 있다. 게다가, 구리 함량이 0.5중량% 이상인 고구리 함량 알루미늄 합금을 사용할 수 있는데, 이는 주조하는 동안 열적 균열(thermal crack)을 발생시키는 경향이 있고, 또한 경제적 측면에서 매우 민감한 롤링 바(rolling bar)의 주조 필요성을 증가시키는 부담이 부과된다. 게다가 구리 함량이 증가하면 구리가 조직내에 석출상 (precipitated form)으로 존재하여 점식(pitting) 또는 결정립계 부식(grain boundary corrosion)의 위험이 있다. 마지막으로 불활성 가스 브레이징에 있어서 중간 클래딩(intermediate cladding)을 가진 알루미늄 합금이 확산 장벽 층(diffusion barrier layer)로 사용될 수 있기 때문에 상대적으로 마그네슘이 많이 포함된 냉간 시효 경화성 알루미늄이 코어 재료(core material)로 사용되어야 한다. 그러나, 확산 장벽 층이 있는 중간 클래딩은 추가 비용을 요하는 바, 경제적인 열교환기 생산이 이루어질 수 없다.
전술한 알루미늄 합금의 브레이징법에 의한 열교환기 제작 방법은 미국 특허 제4,214,925호로부터 알 수 있다.
상기의 선행 기술로부터 출발하여, 본 발명의 목적은 열교환기용 냉간 시효 경화성 알루미늄 합금과 열교환기용 알루미늄 스트립 제조 방법 및 브레이징에 이어진 자연 시효 후에 고강도를 가지는 알루미늄 스트립 또는 박판을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 첫 번째 교시 내용에 따르면, 위에 도출되고 나타낸 본 발명의 목적은 중량%를 기준으로 한 다음의 합금 성분을 함유한 알루미늄 합금에 의해 달성된다.
Si ≤ 0.7중량%,
0.1중량% ≤ Mg ≤ 1.0중량%,
Fe ≤ 0.3중량%,
0.08중량% ≤ Cu ≤ 0.2중량%,
Ti ≤ 0.2중량%,
Mn ≤ 0.1중량%,
Cr ≤ 0.1중량%,
Zn ≤ 0.1중량%,
기타 불가피한 원소: 각각이 최대 0.1중량% 이하이고 총량이 최대 0.15중량%, 및
잔부: 알루미늄.
놀랍게도 상기의 알루미늄 합금으로 구성된 열교환기는 브레이징 후 상온에서 자연시효된 후에 더 이상의 열처리없이도 자동차에 필요한 강도, 특히 항복점 RP0.2을 얻을 수 있음을 보여준다. 본 발명에 의하면 Si와 Mg 성분이 상호 작용하여 알루미늄 합금 내에 Mg2Si의 석출상으로 미세하게 분포하게 되는 결과 상온에서 자연 시효 결과 강도가 증가하게 된다. 이러한 강도의 증가는 Cu를 0.08중량% 내지 0.2중량%의 범위로 첨가함으로써 더욱 개선될 수 있다.
Fe 함량을 최대 0.3중량%로 제한하면 Si는 알루미늄 합금 내에 녹아 있는 상태로 나타난다. 게다가, Cu의 함량을 최대 0.2중량% 이하로 하면 자연 시효 시에 강도가 증가되고, 알루미늄 합금의 브레이징 후에 냉각 속도에 대한 강도의 감도(sensitivity)가 작아진다. 마찬가지로, 브레이징 후 냉각 속도에 대한 알루미늄 합금의 강도 의존성을 제한하기 위해 Mn의 함량은 최대 0.1중량% 이하로 제한하여야 한다. 이와 반대로 Cr의 최대 0.1중량% 함량은 본 발명에 따르면 알루미늄 합금의 강도와 내부식성을 증가시킨다. 게다가, Ti의 최대 0.2중량% 함량은 알루미늄 합금의 결정립을 미세하게 하기 때문에 내부식성을 증가시키게 된다. 본 발명에 따라 알루미늄 합금에 대한 Zn의 내부식성에 대한 부정적인 효과를 피하기 위해서는 Zn 함량은 최대 0.1중량%로 제한하여야 한다.
본 발명에 따른 첫 번째 유리한 실시예에 의하면, 알루미늄 합금의 강도는 Si, Mg, Cu를 주요 합금 원소로 하게 되면 브레이징 후의 자연 시효에 의해 더 증가될 수 있다.
브레이징 하는 동안 열교환기 부품의 연화(softening)를 피하기 위해서는 알루미늄 합금의 고상선(solidus temperature)은 610℃를 넘어야 한다. 이는 통상 브레이징 온도가 600℃에 육박하기 때문이다. 본 발명에 의하면 이는 Si, Mg, Cu의 총 함량이 1.2중량%를 초과하지 않으면 이룰 수 있다. 이러한 경우에, 일반적으로 합금 원소는 고상선을 낮추게 되는데, Mg가 Cu에 비해 3.5배의 효과가 있는 반면에 Si은 Mg보다 1.2배가 더 크다.
이는 Ti에 대해서는 적용되지 않으므로 합금 원소로 Ti를 함유하게 되더라도 고상선의 증가를 얻을 수 있다.
청구된 합금에서 Mg의 함량이 최대치에 이르는 경우라면 진공 브레이징이 더 유리하게 된다. Cs 함유 플럭스를 사용하는 불활성 가스 브레이징은 Mg의 합금 함량이 0.8중량%를 초과하지 않는 경우에 특히 간략화 될 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 Mg의 최대 0.3중량% 함유 알루미늄 합금은 비부식성 플럭스를 사용하는 불활성 기체 브레이징에 적합한데, 이는 플럭스와의 반응이 제한된 정도의 범위에서만 일어나고 고가의 Cs 함유 플럭스의 사용이 필요없게 되기 때문이다.
본 발명에 의한 특히 유리한 실시예에 의하면 압연 등의 공정과 브레이징 후 자연 시효를 상온에서 약 30일간 행하면 알루미늄 합금의 특히 고강도를 얻을 수 있다. 이러한 물성에 의해 특히 저비용으로 열교환기 제작이 가능하게 되는데 이는 더 이상의 특별한 조치 없이도 자연 시효가 운반 공정의 일부로서 이루어지기 때문이다.
본 발명의 두 번째 교시 내용에 의하면, 위에 도출되고 나타낸 본 발명의 목적은,
- 본 발명에 따른 알루미늄 합금으로 공지의 바 주조법에 의해 롤링 바(rolling bar)를 주조하고,
- 롤링 바를 500 내지 600℃에서 6시간 이상 특히 12시간 이상 균질화 (homogenising)하고, 적어도 400℃, 바람직하게는 450℃에서 열간 압연하되 열간 압연시 최종 온도를 적어도 300℃로 해서 열간 압연하여 스트립을 제조하고,
- 열간 압연된 스트립을 최종 두께에 맞게 냉간 압연하고 이어서 적어도 300℃, 바람직하게는 350℃에서 연화 어닐링(softening annealing)하는 것을 특징으로 하는 방법에 의해 달성된다.
전통적인 바 주조법에 의해 주조된 롤링 바를 500~600℃에서 6시간 이상 특히 12시간 이상 균질화한 결과, Mn과 Cr같은 확산이 늦은 원소도 용탕이 냉각되는 동안 미세하게 분산되어 석출된다. 적어도 400℃에서의 열간 압연 결과 변형능(deformability)과 내부식성 측면에서 최적화된 조직의 핫 스트립(hot strip)이 생산되고, 열간 압연시 충분한 변형능을 가지고 최적화된 조직을 얻기 위해서는 열간 압연의 최종 온도는 적어도 300℃ 이어야 한다. 열간 압연에 의해 핫 스트립의 최종 두께는 예를 들어 9㎜이하를 얻을 수 있다. 본 발명에 의해 열교환기의 핀, 튜브, 디스트리뷰터와 같은 부품의 제작을 용이하게 하기 위해서는 스트립은 최종적으로 최대 두께가 2㎜가 되도록 냉간 압연되어야 하고, 그 다음에 적어도 300℃, 바람직하게는 350℃에서 연화 어닐링된다.
상기에 기술된 공정의 특성과 연계된 알루미늄 합금의 합금 조성의 조합의 결과로, 전통적으로 사용하는 합금 원소(Mg, Si, Cu)를 기반으로 불활성 기체 브레이징과 상온에서 약 30일간의 자연시효에 의해 항복점 RP0 .2 ≤ 65㎫를 가지는 열교환기, 특히 자동차에 가해지는 큰 하중에 견디는 열교환기 제작이 가능하게 된다. 게다가, Cs 함유 플럭스를 사용하지 않고 불활성 기체 브레이징이 가능함에 따라 경제적인 열교환기 생산이 가능하게 된다.
열간 압연 및/또는 냉간 압연이 단일 또는 다단식 가역 또는 단일 방향으로 행해지면, 본 발명에 의한 방법은 압연 공정을 줄이기 위한 측면에서 기존의 방식과 장치를 사용하여 행해질 수 있다.
열교환기를 브레이징 하는 동안 안전성을 높이기 위해 균질화 후 롤링 바에 알루미늄 솔더를 피복하여 사용할 수 있다. 이러한 롤링 바로 제작된 알루미늄 스트립은 일정한 두께의 알루미늄 솔더층을 가지게 되어, 핀, 튜브와 디스트리뷰터간의 브레이징 부분이 균일하고 일정하게 된다. 본 발명에 따라 알루미늄 스트립의 한쪽 면에만 알루미늄 솔더가 피복된 경우에, 다른 면에는 예를 들어 부식 방지용 합금이 피복될 수 있다.
알루미늄 솔더로서 유리하게 사용되는 것은 Si 함량이 6 내지 13중량%인 알루미늄 합금, 특히 AlSi7, AlSi10합금이다. 이들은 불활성 기체 브레이징하는 동안 무산화 분위기(non-oxidising atmospheres) 하에서 알루미늄 솔더와 산화층간에 특히 좋은 젖음성(wetting capacity)을 가진다.
마지막으로, 위에 도출되고 나타낸 본 발명의 목적은 본 발명의 세 번째 교시 내용, 즉 본 발명에 따른 방법에 의해 제조된 열교환기용 알루미늄 스트립 또는 박판에 의해 달성된다. 이미 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 방법에 의해 제조된 알루미늄 스트립 또는 박판은 브레이징에 이어지는 자연 시효 후에 강도 특히 항복점이 개선됨에 따라 열교환기의 벽 두께를 더 줄일 수 있다. 게다가, 비부식 플럭스(non-corrosive fluxes)를 사용한 불활성 가스 브레이징은 Cs 함유 플럭스를 사용하지 않고서도 열교환기 제작이 가능하다.
알루미늄 스트립 또는 박판은 최대 두께가 2㎜, 특히 1㎜일 수 있다. 기존 재료에 비해 고강도인 결과 본 발명에 의한 알루미늄 스트립을 사용하면 스트립 두께를 더 줄일 수 있고 재료 소모와 열교환기의 중량을 더욱 더 줄일 수 있다. 이 경우에, 알루미늄 합금의 고강도에 의해 더 높은 작동 압력하에서도 열교환기 작동 안전은 손상되지 않는다.
본 발명의 첫 번째 교시 내용에 냉간 시효 경화성 알루미늄 합금 열교환기의 추가 개발과 구성, 두 번째 교시 내용에 열교환기용 냉간 시효 경화성 알루미늄 스트립 제조 방법의 추가 개발과 구성, 세 번째 교시 내용에 열교환기용 알루미늄 스트립 또는 박판의 추가 개발과 구성의 여러가지를 구현 가능하다. 이를 위해서는, 예를 들면, 한편으로는 청구항 1, 청구항 5, 청구항 9의 종속 청구항들이 참고가 되며 다른 한편으로는 두 번째 교시 내용에 따른 냉간 시효 경화성 알루미늄 스트립의 제조 방법에 대한 도면과 연계시킨 예시적이고 실시예에 대한 설명이 참고된다.
도 1은 본 발명의 두 번째 교시 내용에 따른 열교환기용 냉간 시효 경화성 알루미늄 스트립의 제조 방법의 예시적 실시예를 도시한 개략도이다.
도 1에 도시된 제조 과정에는 첫 번째 공정 단계로서 알루미늄 합금으로 바를 주조하는 바 주조 공정(1)이 포함된다. 이 경우에, 본 실시예의 알루미늄 합금은 중량%로 다음의 합금 원소를 함유한다.
0.6중량% ≤ Si ≤ 0.7중량%,
0.12중량% ≤ Fe ≤ 0.3중량%,
0.08중량% ≤ Cu ≤ 0.2중량%,
0.04중량% ≤ Mn ≤ 0.08중량%,
0.12중량% ≤ Mg ≤ 0.3중량%,
Cr ≤ 0.05중량%,
Zn ≤ 0.05중량%,
0.08중량% ≤ Ti ≤ 0.2중량%,
B ≤ 50 ppm,
기타 불가피한 원소: 각각이 최대 0.03중량%이고 총량이 최대 0.1중량%, 및
잔부: 알루미늄.
최대 50ppm인 B의 저함량은 알루미늄 합금의 재활용성(recyclability)을 개선한다. DC법으로 주조된 롤링 바는 균질화 단계(2)에서 균질화된다. 575℃에서 6시간 이상, 특히 12시간 균질화하면 좋은 결과를 얻을 수 있다. 균질화 후, 롤링 바는 탄뎀 압연기(tandem stand)(3a)에서 7㎜ 두께로 열간 압연된다. 여기서 특히, 열간 압연 중의 최종 온도는 300℃ 이상, 바람직하게는 330℃ 이상이어야 압연 중에 최적화된 조직을 얻을 수 있다. 선택적으로는 열간 압연은 탄뎀 압연기(3a)를 사용하지 않고 가역 압연기(3)에서 수행되어 도면상에는 나타나 있지 않은 릴(reel)에 감기게 할 수 있다. 그 다음에 최종 두께를 1㎜ 정도로 하기 위해 단일 또는 다단 롤(4)에서 냉간 압연한다. 냉간 압연 역시 가역 방식의 압연기에서 행할 수 있다. 배치 로(batch furnace)(5)에서 약 350℃에서 최종적으로 연화 어닐링 된 결과 알루미늄 스트립은 열교환기 부품 제작이 용이하도록 강도가 최대한 낮고 연성이 최대인 상태가 된다.
선택적으로, 바로 위에서 설명한 열교환기용 스트립의 제조 방법의 예시적 실시예의 대안으로써, 본 발명에 따른 스트립으로 제조된 열교환기를 브레이징 하 기 전에 알루미늄 솔더를 후속해서 적용하는 것을 피하기 위해, 균질화 단계(2)에서의 균질화 후에 롤링 바에 일례로 AlSi7 또는 AlSi10 합금과 같은 알루미늄 솔더로 피복할 수 있다. 이에 의하면 이를 위해서는 열간 압연 전에 롤링 바를 적어도 400℃, 바람직하게는 450℃ 정도로 가열해야 한다. 본 발명에 따라 알루미늄 스트립 또는 박판으로 제작된 열교환기를 브레이징할 때, 특히 Cs 함유 플럭스를 사용하지 않고 불활성 가스 브레이징을 할 때, 온도가 600℃에 이르고 600℃에서 200℃까지 30℃/분의 냉각 속도로 냉각되고 상온에서 약 30일간 자연 시효된 후에 항복점 RP0 .2 ≥ 65㎫ 이상의 고강도를 얻을 수 있다. 200℃에서 상온으로의 냉각은 정해진 방법으로 행할 필요는 없다.

Claims (13)

  1. 열교환기용 냉간 시효 경화형 알루미늄 합금에 있어서,
    Si ≤ 0.7중량%,
    0.1중량% ≤ Mg ≤ 1중량%,
    Fe ≤ 0.3중량%,
    0.08중량% ≤ Cu ≤ 0.2중량%,
    Ti ≤ 0.2중량%,
    Mn ≤ 0.1중량%,
    Cr ≤ 0.1중량%,
    Zn ≤ 0.1중량% ,
    기타 불가피한 원소: 각각이 최대 0.1중량% 이하이고 총량이 최대 0.15중량%, 및
    잔부: 알루미늄인 합금 성분들을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  2. 제1항에 있어서,
    Si, Mg, Cu를 주요 합금 원소로 함유하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    Si, Mg, Cu의 총 함량은 1.2중량%를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    합금 원소로서 Ti를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    Mg의 함량은 0.8중량%를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    Mg의 함량은 0.3중량%를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    공정과 브레이징 후 실온에서 약 30일 동안 자연 시효한 후에 특히 고강도를 가지는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 알루미늄 합금으로 열교환기용 냉간 시효 경화성 알루미늄 스트립을 제조하는 방법에 있어서,
    - 기존의 바 주조법에 의해 롤링 바를 주조하고,
    - 롤링 바를 500~600℃에서 6시간 이상, 특히 12시간 이상 균질화하고,
    - 롤링 바를 적어도 400℃, 바람직하게는 450℃에서 열간 압연하되 열간 압연시 최종 온도를 적어도 300℃로 해서 열간 압연하여 스트립을 제조하고,
    - 열간 압연된 스트립을 최종 두께로 냉간 압연하고 적어도 300℃, 바람직하게는 350℃에서 연화 어닐링하는 것을 특징으로 하는 냉간 시효 경화성 알루미늄 스트립을 제조하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    열간 압연 및/또는 냉간 압연은 단일 또는 다단의 가역 또는 단일 방향의 롤에서 행해지는 것을 특징으로 하는 냉간 시효 경화성 알루미늄 스트립을 제조하는 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    롤링 바를 균질화한 후에 알루미늄 솔더로 피복하는 것을 특징으로 하는 냉간 시효 경화성 알루미늄 스트립을 제조하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    Si 함량이 6 내지 13중량%인 알루미늄 합금, 특히 AlSi7 또는 AlSi10 합금을 알루미늄 솔더로서 사용하는 것을 특징으로 하는 냉간 시효 경화성 알루미늄 스트립을 제조하는 방법.
  12. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 알루미늄 합금으로 구성되고, 특히 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 의한 방법으로 제조되는 열교환기용 알루미늄 스트립 또는 박판.
  13. 제12항에 있어서,
    알루미늄 스트립 또는 박판의 두께는 최대 2㎜, 바람직하게는 1㎜인 알루미늄 스트립 또는 박판.
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