KR20060123217A

KR20060123217A - 브레이징용 알루미늄 합금 스트립

Info

Publication number: KR20060123217A
Application number: KR1020067010550A
Authority: KR
Inventors: 샌드린 둘락; 실베인 앙리
Original assignee: 알칸 레날루; 알칸 롤드 프로덕츠-레이븐스우드, 엘엘씨.
Priority date: 2003-11-28
Filing date: 2004-11-24
Publication date: 2006-12-01
Also published as: BRPI0416974A; CN1882407A; WO2005061165A1; EP1687115A1; ATE419945T1; JP2007521396A; JP5701470B2; FR2862894A1; US20110315748A1; US8413876B2; NO20063022L; EP1687115B1; KR101184173B1; CA2547833A1; DE602004018970D1; CA2547833C; NO340339B1; MXPA06005900A; DE04805532T1; CN100581700C

Abstract

본 발명은 80 중량% 이상의 알루미늄, 0.01 내지 0.5 중량%의 이트륨과 0.05 내지 0.5%의 비스무트를 함유하고, 하나 이상의 면이 브레이징 합금에 의해 코팅된 알루미늄 합금 스트립 또는 시트에 관한 것이다. 상기 알루미늄 합금 스트립 또는 시트는 플럭스가 없는 브레이징으로 부재를 제조하는 데에 사용된다.

Description

브레이징용 알루미늄 합금 스트립{ALUMINIUM ALLOY STRIP FOR WELDING}

본 발명은 1개 또는 2개의 면을 브레이징 합금으로 클래딩(cladding)할 수 있고, 브레이징 부품, 구체적으로는 차량 또는 빌딩용 열교환기, 보다 구체적으로는 제어된 분위기하에서 플럭스를 사용하지 않는 브레이징에 의해 조립되는 부품을 제조하기 위한 알루미늄 합금 스트립에 관한 것이다.

차량용 열교환기의 조립을 위해 가장 빈번히 사용되는 방법은 브레이징이다. 이것은 적어도 하나의 조립되는 부품을 위해서 소위 "브레이징" 합금에 의해 하나 또는 2개의 면상에 코팅되는 소위 "코어" 합금으로 구성된 클래딩된 스트립의 사용을 기초로 한다. 이러한 소위 "브레이징" 합금은 코어 합금의 고상선 온도(solidus temperature)보다 약 30℃ 낮은 액상선(liquidus temperature) 온도를 특징으로 갖는다. 적절한 열처리를 적용함으로써, 클래딩만을 용융시킬수 있고, 그 다음 조립체를 냉각한 후에 접촉 허용 양품 조립체의 표면들을 습식 처리한다.

현재, 3개의 다른 브레이징 기법이 있다.

- 조립되는 부품들을 비부식성 "플럭스"로 코팅한 후에, 제어된 질소 분위기 하에 가장 광범위하게 사용되는 방법은 브레이징이며, 비부식성 플럭스로는 Nocolok® 플럭스가 가장 많이 사용된다. 알루미늄 상의 표면 산화층을 용해시키 고, 그 결과 표면의 습윤성(wettability)을 증대시키도록 구성된 이러한 생성물은 제품은 칼륨 플루오로-알루미네이트(potassium fluoro-aluminate) 타입이다. 그것을 사용할 때 야기되는 여러 가지 명백한 문제점들은 다음과 같다. 생성물은 그 자체의 비용을 지닌다. 생성물의 증착은 교환기 생산 라인의 완전한 자동화를 빈번히 방해하는 특정한 설비를 필요로 한다. 마지막으로, 방출 처리부를 배치해야 한다.

특히, 북미에서 여전히 사용되고 있는 보다 오래된 다른 기법은 진공 브레이징이다. 이 방법은 마그네슘을 함유하는 클래딩의 사용을 필요로 한다. 마그네슘은 표면상에서 분리되고 진공에서 증발하여 산소의 잔여 트레이스(trace)를 포획한다. 그것은 산화층이 분리되어 초기에 상이한 팽창에 의해서 파괴되는 것을 방지한다. 어떠한 플럭스도 불필요하지만, 진공 형성 설비가 매우 복잡하고 이와 관련된 유지비가 매우 비싸다. 이들 경제적인 이유로 인해서, 현존하는 라인들을 점차 포기하고 Nocolok® 라인들로 대체하고 있다.

마지막으로, 가장 적게 이용되는 세번째 방법은 플럭스 대신에 니켈층을 증착시키는 단계를 포함한다. 다음에, 질소하에서 브레이징을 실시한다. 클래딩 표면 상에 Al-Ni 상을 형성하는 것에 의해 브레이징 싸이클 동안에 방출되는 에너지는 산화층을 파괴하기에 충분하다.

주요한 문제는 현존하는 Nocolok® 라인들에서 브레이징 작업을 수행하는 것인데, 그 이유는 Nocolok® 라인들이 플럭스 또는 임의의 다른 복잡한 표면 준비 없이, 그리고 이 기법을 사용하여 조립되는 교환기의 최종 특성을 야기시키는 일 없고, 가장 폭넓게 사용되고 경제적이기 때문이다.

이 분야에서 가장 널리 개발되어 온 해결책은 니켈 증착 브레이징 방법의 채택이다. 예컨대, 국제 공보 WO 02/07928에 기술되어 있는 것과 같은 더욱 더 단순화된 증착 기법들을 발견하고 사용하여 왔지만, 이러한 기법들은 문제점에 대한 부분적인 해결책만을 제공하였다. 열교환기 또는 알루미늄 스트립 제조업자들이 이러한 공정을 수행해야 하는 경우, 항상 브레이징 전에 표면을 준비하기 위해서 특정 설비를 추가해야 하며, 이때 니켈 도금 배스(bath)에 의해 생성되는 방출물을 계속해서 처리해야 한다. 더욱이, 국제 공보 WO 02/060639(코러스 명의)에 언급된 내부식성 관점에서 진보가 이루어졌지만, 지적된 성능이 항상 Nololok® 브레이징 제품(예컨대, 빼시니 레날루 명의의 국제 공보 WO 02/40927 참조)에 대해서 요구되는 성능에 도달하지는 않는다.

다른 해결책은, 예컨대 브레이징 합금에 Bi, Sr, Ba 또는 Sb 원소를 첨가하여 표면 장력을 변형시키는 것을 언급한 미국 특허 제3 811 177호(VAW 명의)에서와 같이 브레이징 노에서 클래딩 합금 및/또는 대기 조건을 채택하는 것과 관련된 것이다. 표면 장력에 대한 비스무트의 작용도 또한 유럽 특허 제0004096호(포드사 명의)에서 언급된다. 보다 최근에, 카이저 알루미늄사 명의의 국제 공보 WO 01/98019에는 칼륨 또는 비스무트와 동반 가능한 나트륨을 추가하는 것의 장점이 언급된다. 마지막으로, 유럽 특허 제1306207호(스카이 알루미늄사 명의)에는, Mg 및 Bi를 함유하는 브레이징부를 알루미늄 합금으로 이루어진 박층으로 덮는다. 알루미늄 합금으로 이루어진 박층은 브레이징부가 용융하기 시작했을 때 고상으로 남 아 있고, 이후에 브레이징 싸이클 동안에 파괴되어 다음에 상부 표면을 습식 처리하는 액체 클래딩을 방출하며, 액체 브레이징 합금의 산화는 단기간 동안 대기하에서의 작용에 의해 방지된다. 박층 상에 존재하는 산소는 액체에 의해 둘러싸일 때에 파괴된다.

본 발명의 목적은 특히 제어된 환경하에서 플럭스에 의한 브레이징에 사용되는 것과 동일한 장비를 사용하여, 양호한 경제적인 조건하에서 알루미늄 합금으로 형성된 부품들을 플럭스 없이 브레이징함으로써 생산을 가능하게 하는 것이다.

본 발명의 목적은 하나 이상의 면이 브레이징 합금에 의해 코팅되고, 0.01 내지 0.5%의 이트륨 및/또는 0.05 내지 0.5%의 비스무트를 함유하는 알루미늄 합금 스트립 또는 시트이다. 코팅은, 예컨대 4 내지 15%의 규소를 함유하는 알루미늄 합금과 함께 코-롤링(co-rolling)함으로써 클래딩된 층일수 있다. 코팅은 또한 수지에 코팅 가능한 브레이징 합금 입자, 특히 Al-So 합금 입자를 포함하는 층일 수 있다.

본 발명의 다른 목적은 브레이징 부품, 특히 0.01 내지 0.5%의 이트륨 및/또는 0.05 내지 0.5%의 비스무트를 함유하는 알루미늄 합금 스트립 또는 시트를 사용하여 제조되는 열교환기이다.

도 1a 및 도 1b는 각각 브레이징성을 평가하기 위한 예에서 사용되는 V 테스트 부재의 평면도와 측면도이다.

도 2는 예에서 설명되는 브레이징성 테스트에서 사용되는 브레이징 조인트의 폭의 정의를 나타낸다.

전술한 기법들과는 달리, 본 발명은 코어 합금의 성분을 변경하여 표준 제어 분위기 조건하에서 어떠한 증착물 없이 브레이징하기 위해 안출된 것으로, 이러한 브레이징은 장비 제조업자들이 사용하는 브레이징 설비를 개조하지 않고서도 달성될 수 있다.

놀랍게도, 코어에 0.05% 함량의 이트륨 또는 약 0.15% 함량의 비스무트와 같은 여러 원소들을 첨가함으로써, 질소 분위기 하에서 플럭스 없이 브레이징을 하는 데 있어서 매우 만족스러운 품질의 브레이징 조인트를 얻을 수 있다.

이러한 방법은 80 중량% 이상의 알루미늄을 함유하는 알루미늄 합금과, 특별히 플럭스가 없는 브레이징을 가능하게 하는 원소들을 첨가하기 전에 조성이 다음과 같은 조건(중량%), 즉 Si < 1.0, Fe <1.0, Cu < 1.0, Mn <2.0, Mg < 3.0, Zn < 6.0, Ti < 0.3, Zr < 0.3, Cr < 0.3, Hf < 0.6, V < 0.3, Ni < 2.0, Co < 2.0, In < 0.3, 각각이 0.05 미만이고 총함량이 0.15인 다른 원소들 및 잔부가 알루미늄인 것을 만족시키는 합금에 적용 가능하다.

시트 또는 스트립은 브레이징 알루미늄 합금, 통상적으로 4 내지 15%의 규소를 함유하는 합금과 함께 하나 또는 두개의 면이 코-롤링됨으로써 클래딩될 수 있다. 브레이징 합금은 구리, 마그네슘 또는 아연과 같은 다른 첨가제를 함유할 수도 있다. 브레이징 합금은 또한 Ag, Be, Bi, Ce, La, Pb, Pd, Sb, Y 또는 미슈 메 탈(misch metal), 즉 분리되지 않은 희토류들의 혼합물과 같이, 합금의 표면 장력을 변경시키는 원소들을 함유할 수 있다. 브레이징 합금이 한면에 클래딩되는 경우, 다른 한면은 그 자체로서 공지되어 있고 코어 합금의 내부식성을 향상시키는 방식으로, 통상 Al-Zn 타입의 희생 합금(sacrificial alloy)에 의해 코팅될 수 있다.

브레이징 합금은 또한 , 예컨대 유럽 특허 제0565568호(알칸 인터내셔널 명의)에 기술되어 있는 바와 같이, 입자, 특히 Al-Si 입자 형태로 증착될수도 있다. 제어된 환경하에서의 브레이징에 있어서, 브레이징 합금 입자는 통상적으로 플럭스 입자, 특히 칼륨 플루오로-알루미네이트와 같은 불화물과, 폴리머 수지와 같은 바인더를 주성분으로 하는 플럭스와 결합된다. 이러한 경우에, 본 발명의 특별한 장점은 코팅 내에 플럭스가 존재하는 것을 방지한다는 것이다.

비스무트 및/또는 이트륨이 첨가된 합금 시트는 또한 브레이징 부품의 제조를 위한 브레이징 합금으로 코팅된 다른 시트와 결합되는 경우에는 코팅되지 않은 상태로 사용될 수도 있다.

예

예 1

다음과 같은 조성을 갖는 코어 합금으로 이루어진 2개의 플레이트를 4047 클래딩 합금 플레이트(Al-12% Si)와 함께 주조하였다.

합금	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Ti	Y	Bi	Ca
M	0.40	0.22	0.63	0.57	0.47	0.08	-	-	-
M+Y	0.39	0.24	0.61	0.57	0.47	0.09	0.6	-	-
M+Bi	0.39	0.22	0.62	0.59	0.49	0.09	-	0.15
M+Ca	0.40	0.22	0.63	0.57	0.47	0.08	-	-	0.05

클래딩 합금의 두께가 전체 두께의 10%가 되도록 이들 플레이트들로 이루어진 조립체를 제조하였다. 이들 조립체를 열간 압연한 후에 냉간 압연하여 두께가 0.3 mm인 클래딩된 스트립을 제조하였다. 다음에, 이들 스트립을 260℃에서 10시간 동안 레스토레이션(restoration) 처리하였다.

도 1에 도시된 테스트 부재를 사용하여 이들 재료의 브레이징성(brazability)을 평가하였다. ≪V≫는 H24 온도에서 3003 합금으로 형성된 두께가 0.3 mm인 베어 스트립으로 구성된다. 브레이징할 금속을 250℃에서 15분 동안 탈지 처리하였다. 다른 표면 처리를 사용하지 않았으며, 특히 플럭스가 침전되지 않았다. 처리하는 동안에 액체 브레이징 합금의 이동과 조인트의 형성을 볼 수 있는 이중벽 유리노에서 브레이징을 실시하였다. 열싸이클은 610℃까지 약 20℃/분의 속도로 상승하는 온도 상승 단계로 구성되며, 610℃에서 2분간 유지된 후 약 30℃/분의 속도로 하강한다. 연속적인 질소 배기하에서, 8 l/분의 속도로 완벽한 프로세스가 실시된다.

결과는 다음과 같은 스케일로 A 내지 E로 표기된다.

표기	A	B	C	D	E
총길이의 백분률로 표시된 조인트 길이	100%	90%	75%	50%	0%

표 1에 그 결과를 나타낸다.

[표 1]

코어	클래딩	브레이징성
M	4047	E
M+Y	4047	A
M+Bi	4047	A
M+Ca	4047	E

코어 합금에 Y 또는 Bi의 첨가로 인해 브레이징성이 향상된 것을 알 수 있다.

예 2

다음과 같은 조성을 갖는 2개의 플레이트를 4045 클래딩 합금 플레이트(Al- 10% Si)와 함께 동일한 방식으로 주조하였다.

합금	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Ti	Y
N	0.17	0.18	0.64	1.37	-	0.08	-
N+Y	0.19	0.17	0.67	1.32	-	0.09	0.06

수행되는 절차와 테스트는 예 1과 정확히 동일하다.

표 2에 그 결과를 나타낸다.

[표 2]

코어	클래딩	브레이징성
N	4045	E
N+Y	4045	A

합금 N에 이트륨을 첨가함으로써 브레이징성이 현저히 향상된 것을 알 수 있다.

예 3

합금	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Ti	Y
P	0.15	0.35	0.1	0.1	0.8	0.125	-
P+Y	0.15	0.35	0.1	0.1	0.8	0.125	0.06

수행되는 절차와 테스트는 예 1과 정확히 동일하다.

표 3에 그 결과를 나타낸다.

[표 3]

코어	클래딩	브레이징성
P	4045	E
P+Y	4045	A

합금 P에 이트륨을 첨가함으로써 브레이징성이 현저히 향상된 것을 알 수 있다.

Claims

80 중량% 이상의 알루미늄, 0.01 내지 0.5 중량%의 이트륨과 0.05 내지 0.5 중량%의 비스무트 중 하나 이상, Si < 1.0, Fe <1.0, Cu < 1.0, Mn <2.0, Mg < 3.0, Zn < 6.0, Ti < 0.3, Zr < 0.3, Cr < 0.3, Hf < 0.6, V < 0.3, Ni < 2.0, Co < 2.0, In < 0.3, 각각이 0.05 미만이고 총함량이 0.15인 다른 원소들을 함유하는 알루미늄 코어 합금 스트립 또는 시트로서,

상기 알루미늄 합금 스트립 또는 시트는 한면 이상이 브레이징 알루미늄 합금에 의해 코팅되는 것인 알루미늄 코어 합금 스트립 또는 시트.
제1항에 있어서, 상기 브레이징 알루미늄 합금은 4 내지 15 중량%의 규소를 함유하는 합금인 것을 특징으로 하는 알루미늄 코어 합금 스트립 또는 시트.
제1항에 있어서, 상기 브레이징 알루미늄 합금은 Ag, Be, Bi, Ce, La, Pb, Pd, Sb, Y 또는 다른 미슈 금속(misch metal)과 같은, 합금의 표면 장력을 변경하는 적어도 하나의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 코어 합금 스트립 또는 시트.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 브레이징 알루미늄 코팅은 기본 알루미늄 합금과 함께 코-롤링(co-rolling)함으로써 얻어진 클래드 층인것을 특징으로 하는 알루미늄 코어 합금 스트립 또는 시트.
제1항 내지 제3항에 있어서, 상기 브레이징 알루미늄 합금 코팅은 수지층으로 코팅된 것일 수 있는 입자로 구성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 코어 합금 스트립 또는 시트.
0.01 내지 0.5 중량%의 이트륨과 0.05 내지 0.5 중량%의 비스무트 중 하나 이상, Si < 1.0, Fe <1.0, Cu < 1.0, Mn <2.0, Mg < 3.0, Zn < 6.0, Ti < 0.3, Zr < 0.3, Cr < 0.3, Hf < 0.6, V < 0.3, Ni < 2.0, Co < 2.0, In < 0.3, 각각이 0.05 미만이고 총함량이 0.15인 다른 원소들을 함유하는 알루미늄 코어 합금 스트립 또는 시트를 사용하여 제조된 브레이징 부품.
제6항에 있어서, 사용하는 알루미늄 코어 합금 스트립 또는 시트는 브레이징 합금에 의해 코팅되는 것을 특징으로 하는 브레이징 부품.
제7항에 있어서, 사용하는 알루미늄 코어 합금 스트립 또는 시트는 수지층으로 코팅된 것일 수 있는 브레이징 합금 입자에 의해 코팅되는 것을 특징으로 하는 브레이징 부품.