KR20110093783A

KR20110093783A - 알루미늄의 플럭스리스 브레이징 방법 및 이 방법에 사용하기 위한 브레이징 시트

Info

Publication number: KR20110093783A
Application number: KR1020117010419A
Authority: KR
Inventors: 아드리아누스 자코부스 비트테브로오드
Original assignee: 알레리스 알루미늄 코블렌쯔 게엠베하
Priority date: 2008-11-10
Filing date: 2009-11-04
Publication date: 2011-08-18
Also published as: EP2382087B1; EP2382087A1; WO2010052231A1; US20110198392A1; CA2740336C; KR101659102B1; CA2740336A1; EP2382087B2; CN102209629A

Abstract

본 발명은 필러 합금 층이 적어도 한 면위에 클래드되는 알루미늄 합금 코어로 구성된 브레이징 시트 제품을 사용하면서 제어분위기하에 플럭스없이 알루미늄 합금을 브레이징하는 단계를 포함하는 제어분위기 브레이징 방법에 관한 것으로서,
상기 필러 클래드 층에는 내면 및 외면이 있으며, 상기 내면은 코어와 대면하고 있고, 상기 외면은 추가의 금속계 층들을 갖고 있지 않으며, 상기 필러 합금은 Na-비함유, Li-비함유, K-비함유 및 Ca-비함유인 조성을 가지며, 하기를 포함하는 것을 특징으로 한다:
Si 3 중량% 내지 15 중량%;
Mg 0.05 중량% 내지 0.5 중량%;
하기로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소들;
{Bi 0.03 중량% 내지 0.2 중량%, Pb 0.03 중량% 내지 0.2 중량%,
Sb 0.03 중량% 내지 0.2 중량%(이들 원소들의 합은 0.2 중량% 이하임)}
Fe 0 내지 0.6 중량%;
Mn 0 내지 1.5 중량%;
잔부 알루미늄 및 부수적인 불순물들.

Description

알루미늄의 플럭스리스 브레이징 방법 및 이 방법에 사용하기 위한 브레이징 시트{PROCESS FOR FLUXLESS BRAZING OF ALUMINIUM AND BRAZING SHEET FOR USE THEREIN}

본 발명은 브레이징 플럭스 재료를 사용하지 않으면서 제어분위기에서 알루미늄 합금을 브레이징하는 방법, 및 제어분위기 브레이징 방법(controlled atmosphere brazing process)에 알루미늄-실리콘 필러 합금을 사용하는 방법에 관한 것이다.

열교환기를 산업적 규모로 제조하기 위해 다양한 브레이징 방법들이 사용되고 있다.

대략 1.10^-5 mbar 이하의 비교적 낮은 대기압력에서 실시되고, 반드시 불연속적 방법이며, 재료 청결에 대한 요구가 높은 진공 브레이징이 있다. 결합이 일어나기 위한 최적의 조건들을 얻기 위해서, 진공 브레이징에 통상적으로 사용되는 알루미늄 합금들은 유의 첨가량인 1% 이상의 Mg을 함유한다. Mg은 브레이징 중에 브레이징 시트로부터 증발할 때 필러 합금의 경질 산화물 막을 파괴하며, 또한 증발된 Mg는 브레이징 노(brazing furnace) 안에 남아 있는 산소와 수분을 제거하는 게터(getter) 역할을 한다. 노 안에는 필요로하는 양 보다 항상 더 많은 마그네슘이 존재한다. 진공 노 내의 차가운 지점 상에는 과량의 마그네슘이 응축되며, 자주 제거해야 한다. 적당한 장비를 위한 자본 투자는 비교적 높다.

NOCOLOK^TM(Alcan의 등록상표명) 플럭스 브레이징은 많은 열교환기 제조사들에 의해 자동 열교환기를 브레이징하기 위한 주된 브레이징 방법으로서 사용되어 왔다. NOCOLOK 방법으로 야기되는 주요 문제점들로는 플럭스 비용, 플럭스 취급 및 플럭스가 노에 미치는 손상이 있다. 또한 복합형 조립체에서 조립체 내부의 브레이징 전에 비부식성 브레이징 플럭스를 사용하기란 흔히 매우 어렵고 문제가 많은 것으로 간주된다. 결과적으로, 대부분의 열교환기 제조사들은 플럭스 소모를 감소시키고자 노력을 해왔다.

다른 브레이징 방법으로는 브레이징 플럭스를 사용하지 않은 제어분위기 브레이징("CAB")이 있으며, 이 방법은 특히 플럭스하기가 매우 어려운 열교환기 내부에서 표면의 브레이징에 의한 결합을 위해 사용된다.

유럽 특허 문헌 EP-1430988-A에는 사용된 브레이징 시트 제품이 필러 합금 층 외에 브레이징 시트를 구성하는 층에 Mg를 적어도 함유하고, 특히 코어 합금은 0.05 % 내지 1.0 중량% 범위의 Mg를 함유하는, 브레이징 플럭스를 사용하지 않는 CAB 방법이 개시되어 있다. 코어 합금과 필러 합금 사이에는 Mg-비함유(Mg-free) AA3003-시리즈 알루미늄 합금과 같은 확산 방지 층이 개재되어 존재한다.

유럽 특허 문헌 EP-1306207-B1에는 1000 ppm 이하 및 바람직하게는 500 ppm 미만의 매우 낮은 산소 함량을 갖는 비활성 가스 대기하에서의 다른 플럭스리스 브레이징 방법이 개시되어 있다. 또한 상기 문헌에는 중간 층으로서 0,1 % 내지 5 %의 Mg 및 0.01 % 내지 0.5 %의 Bi를 함유하는 Al-Si 합금 브레이징 합금으로 클래드된 한 면 또는 두 면 상에 알루미늄 코어 합금 및 Al-Si 합금 브레이징 합금의 외표면 상에 추가의 금속 층으로 구성되는 브레이징 시트 제품이 개시되어 있다. 브레이징 중 온도가 높아짐에 따라 브레이징 작업 중 중간 층내 브레이징 물질은 용융되지만, 브레이징 물질의 표면은 고체로 남아있는 금속 박층으로 덮히기 때문에 표면의 산화는 일어나지 않는다고 개시되어 있다.

유럽 특허 문헌 EP-1430988-A1에는 단락 [0015]에 플럭스를 사용하지 않은 소위 VAW 방법이라고 불리우는 비활성 가스 분위기 브레이징의 또 다른 방법이 개시되어 있다. 상기 방법에서는 미량의 Bi, Sb, Ba, Sr, Be 등을 필러 합금에 첨가하고, 브레이즈 가열 전에 알칼리 에칭 또는 산 에칭에 의해 필러 합금의 표면 상에서 산화물 막을 파괴 및 제거함으로써 비활성 가스 분위기 하에서 브레이징이 가능하게 된다. 그러나, 상기 방법에서 분위기는 -65 ℃ 이하의 이슬점 및 5 ppm 이하의 산소 농도로 엄격하게 제어되어야 한다. 게다가, 재료의 전처리가 필요하며, 분위기의 엄격한 제어가 필요하고, 상기 방법이 실용적인 면에서는 적당하지 않다고 분명하게 개시되어 있다. 상기 문헌에는 브레이징 방법 그 자체에 관해서도, 필러 합금의 정확한 조성에 관해서도 상세한 내용이 전혀 개시되어 있지 않다.

미국 특허 문헌 제US-4,908,184호에는 브레이징하기 위한 고강도 내부식성 코어 합금이 개시되어 있으며, 상기 코어 합금은 0.5-1.0 % Cu, 0.1-0.5 % Mg, 0.2-1.0 % Si, 및 Zr, Cr 및 Mn 중 하나 이상(이들 각각은 0.05-0.5 %의 양임)으로 구성되며, 잔부의 알루미늄 및 필수 불순물들을 포함하고, Si/Mg의 중량비는 1~2.5의 범위내에 있다. 선택적으로, Ni는 0.05-0.5 % 범위로 첨가될 수 있다. 코어 합금에 적용될 수 있는 필러 금속들로는 Al-Si 합금, Al-Si-Bi 합금, Al-Si-Mg 합금, Al-Si-Mg-Bi 합금이 있다.

유럽 특허 문헌 EP-1686343-A2에는 i) 3중층 클래드 물질을 갖는 핀(fin) 물질 및 ii) Zn 농축 표면을 갖는 알루미늄 합금 관으로 구성된 열교환기가 개시되어 있으며, 둘 모두 6.5-13.0 % Si, 0.15-0.60 % Cu 및 선택적으로 0.05-0.30 % Mn을 함유하는 Al-Si 합금으로 조성된 브레이징 물질을 사용하여 서로에게 브레이징된다.

미국 특허 문헌 US-2004/0028940-A1에는 80 마이크론 이하의 두께를 갖고, Al-Si 합금 필러 금속을 통한 브레이징에 의해 제조된 알루미늄 합금으로 제조된 열교환기로 통합되는 열교환기용 알루미늄 합금 핀 물질이 개시되어 있다. 진공 브레이징 방법에 사용되는 경우 Mg는 2.0 % 이하의 양으로 필러 금속에 첨가된다. 플루오라이드 플럭스를 사용하여 비활성 분위기 브레이징을 적용하는 경우 브레이징 플럭스와의 상호작용으로 인해 브레이징 능력을 Mg가 방해하기 때문에 Mg 함량은 0.5 % 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

추가로 개선된 브레이징 방법들 및 적어도 조립체의 내면에 브레이징 플럭스가 구비되지 않아도 되는 브레이징 시트 물질들이 필요하다.

본 발명의 목적은 브레이징 플럭스를 적용하지 않으면서 제어분위기 플럭스리스 브레이징 방법에 적용될 수 있는 대안적인 알루미늄 합금 브레이징 시트 물질을 제공하는 것이다.

상기 및 다른 목적들, 및 추가의 이점들은 필러 합금 층이 적어도 한 면위에 클래드되는 알루미늄 합금 코어를 포함하는 브레이징 시트 제품을 사용하면서 비활성 가스 분위기를 사용하여 제어분위기하에 플럭스없이 알루미늄 합급을 브레이징하는 단계를 포함하는 제어분위기 브레이징에 의해 둘 이상의 알루미늄 합금 소재들을 결합시키는 방법을 제공하는 본 발명에 의해 충족 또는 개선될 수 있으며, 상기 필러 합금 층에는 내면 및 외면이 있으며, 상기 내면은 코어와 대면하고 있고, 외면은 임의의 추가 금속계 층들을 갖고 있지 않고, 상기 필러 합금은 Na-비함유, Li-비함유, K-비함유 및 Ca-비함유인 조성을 가지며, 하기를 포함한다:

Si 약 3 중량% 내지 15 중량%;

Mg 0.05 중량% 내지 0.5 중량%;

하기로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소들;

Bi 0.03 중량% 내지 0.2 중량%, Pb 0.03 중량% 내지 0.2 중량%,

Sb 0.03 중량% 내지 0.2 중량%(이들 원소들의 합은 0.2 중량% 이하임)

Fe 0 내지 약 0.6 중량%;

Mn 0 내지 약 1.5 중량%;

잔부 알루미늄 및 부수적인 불순물들.

상기 이외에 이하에 설명될 바와 같이, 합금 명칭은 알루미늄 연합회에 의해 2008년 발간된 Aluminum Standards and Data and the Registration Records의 알루미늄 연합회 명칭을 인용한다.

합금 조성 또는 바람직한 합금 조성을 기재하기 위해 퍼센트들에 대한 모든 설명은 달리 지시하지 않는한 중량%이다.

본 발명의 목적을 위해, 이하에 사용되는 바와 같이, "제어분위기 브레이징(controlled atmosphere brazing)" 또는 "CAB"라는 용어는 알루미늄 합금 물품들을 브레이징하는데 있어서, 예를 들면 질소, 아르곤 또는 헬륨과 같은 비활성 대기를 사용하는 브레이징 방법을 의미하며, 약간 낮은-압력(예를 들면, 0.1 bar 이상의 압력에서 작업) 또는 약간 높은-압력이 비활성 분위기의 제어를 용이하게 하기 위해, 및 브레이징 노에 산소 함유 가스의 유입을 막기 위해 사용될 수 있음에도 불구하고, 이는 CAB에 의해, 브레이징 작업 중에 노 안의 브레이징 분위기가 대략 일정한 대기 압력에 있다는 점에서 진공 브레이징과 구별된다. "코어(core)"는 필러로서 사용되는 알루미늄 합금에 대한 구조적 지지체인 알루미늄 합금을 의미한다. "필러(filler)"는 코어 또는 다른 알루미늄 물품들을 브레이징하기 위해 사용되는 알루미늄 합금을 의미한다. "클래딩(cladding)"은 확산 장벽으로서 작용하거나, 또는 브레이징 후 제품의 내부식성을 개선시키기 위해, 코어와 클래드 층 사이에 중간 층을 선택적으로 적용하면서, 코어의 한 표면 또는 두 표면 상에 입히는 경우 필러의 사용을 설명하기 위해 사용된다. 따라서 클래드 코어는 소위 복합체 또는 브레이징 시트이다. "필렛(fillet)"은 두 표면들 사이의 오목한 결합부를 의미한다.

본 발명에 따른 방법은 알루미늄 소재들을 포함하는 브레이징된 조립체들을 제조하며, 조립체의 적어도 내면 쪽에 브레이징 플럭스가 제공되지 않는 제어분위기 브레이징 방법이 사용된다. 조립체의 외부 쪽도 브레이징 플럭스가 제공될 필요가 없다는 것이 밝혀졌다.

필러 합금에는 브레이징 작업 중에 Bi 및 Mg에 의한 간섭을 피하기 위해 원소 Na, Li, K 및 Ca가 함유되어 있지 않다(free). "함유되어 있지 않다(free)"는 것은 화학적 조성에 Na, Li, K 및 Ca를 의도적으로 첨가하지 않지만, 그럼에도 불구하고 제조 장비와의 접촉에 의한 유출 및/또는 불순물로 인해 극미량의 Na, Li, K 및 Ca이 필러 합금 제품으로의 과정에서 발견될 수 있음을 의미한다.

본 발명의 또 다른 중요한 특징은 방법에 사용되는 브레이징 시트 제품이 제어분위기 브레이징 작업을 용이하게 하기 위해 선행기술에서 첨가된 필러 합금의 외표면 상에 도포된 추가의 금속 층이 전혀 없다는 점이다. 본 발명에 따라 예를 들면 NOCOLOK 브레이징 방법에서 사용된 것과 같은 브레이징 플럭스 물질을 사용하지 않으면서, 및 AlSi 클래드 층 및 Ni-층 사이의 결합 층을 사용하는 것이 개시된 국제출원 WO-01/068312에 개시된 바와 같이, 플럭스리스 CAB 작업을 용이하게 하기 위해 선행기술에서 사용된 Ni- 또는 Ni-합금 층을 사용하지 않으면서, 제어분위기 브레이징 방법으로 매우 양호한 필러 형성이 달성됨이 밝혀졌다. Fe-층 및 Co-층들이 Ni-층들 보다는 덜 바람직한 기반상에 사용되어도, Ni-층 대신에, Fe-층 또는 Co-층 또는 그의 합금들이 플럭스리스 브레이징 작업을 용이하게 하기 위해 사용될 수 있음은 당 분야에 공지되어 있다고 생각된다. CAB 분위기에서 플럭스리스 또는 플럭스-프리 브레이징을 용이하게 하기 위해 선행문헌에 기재되어 있는 다른 금속 층들은 유럽 특허 문헌 EP-1306207-B1에 개시되어 있으며, 여기에는 AlSi 필러 합금보다 높은 용융점을 갖는 AA1xxx-시리즈 알루미늄 합금의 상부 층이 적용된다. 본 발명의 필러 합금이 제어분위기 브레이징 작업에 사용될 때 상기 금속 층들이 더이상 필요하지 않는 것이 본 발명의 중요한 특징이다. 이로써 브레이징 시트 제품을 제조할 때 비용이 상당히 절감된다. 또한 Ni-층을 사용하면 후-브레이즈 조건에서 생성물의 내부식성이 감소되는데, 본 발명에서는 이러한 단점이 발생하지 않는다.

제어분위기 브레이징 방법에서 존재하는 필러 물질에 의해 여러 이점들이 수득된다. 본 발명은 진공 노, 플루오라이드 플럭스(예를 들면, NOCOLOK^TM)와 같은 브레이징 플럭스 또는 다른 값비싸고 독특한 최고급장비를 필요로 하지 않는 정확히 플럭스리스 알루미늄 브레이징 방법이다. 부품들 또는 소재들은 비활성 가스, 비-산화 가스, 바람직하게는 질소 또는 아르곤을 함유하는 노 안에서 브레이징된다. 바람직한 유입 가스는 약 500 ppm 미만의 산소 및 보다 바람직하게는 100 ppm 미만의 산소를 갖는다. 필러 합금내 Mg 및 Bi의 양을 조심스럽게 제어함으로써 두 원소들을 필러 합금에 의도적으로 첨가하여 플럭스리스 제어분위기 브레이징 방법으로 양호한 필렛 형성이 수득된다. 필러 합금에 Bi를 첨가하는 대안으로서 Bi를 납 또는 안티모니 또는 그의 조합에 의해 부분적으로 또는 전체적으로 대체할 수 있다. 그러나, Pb 및/또는 Sb는 덜 바람직한 기반 상에 사용된다. 이상적으로는 필러 합금에 Bi만 첨가된다.

바람직한 구현예에서, Bi 함량은 0.06 % 이상, 및 보다 바람직하게는 0.08 % 이상이다. Bi 함량을 위한 바람직한 상한은 0.14 %이다. 통상적으로 Bi는 약 0.1 %의 양으로 첨가된다.

필러 합금내 Mg 함량은 조심스럽게 제어되어야 한다. Mg 첨가를 위한 보다 바람직한 상한은 0.30 %, 및 보다 바람직하게는 0.20 %이다. 통상적으로 Mg는 약 0.1 %의 양으로 첨가된다. 현재 알루미늄 브레이징 시트를 제조할 때 품질 및 제어 기작들은 ±0.01 % 또는 그 이상의 정확성내에서 Mg를 목표 및 제어하도록 한다. 필러 합금내에 Mg 함량이 너무 높으면, 제어된 비활성 가스 분위기에서 산소와의 바람직하지 않은 상호작용이 일어나서, 부드럽고 바람직한 필렛의 형성을 방해한다.

필러 합금에 Bi가 첨가되는, 바람직하게는 Bi가 단독으로 첨가되는 구현예에서, Bi₂Mg₃의 화학량적 조성에 관하여 과량의 Mg 함량은 0.07 % 이하 및 바람직하게는 0.05 % 이하, 0 % 이상인 것이 또한 바람직하다. Bi는 알루미늄에 대하여 낮은 용해도를 가지고, 예를 들면 0.1 %의 낮은 수준에서 첨가될 때에도 결정 입계에서 분리되는 경향이 있음을 확인하였다. 이는 장시간 보관하는 경우 브레이징 시트의 바람직하지 않은 백색의 칙칙한 외관을 야기할 수 있다. 이러한 영향을 극복하기 위해 소량의 Mg는 Bi₂Mg₃을 형성할 것이며, 이는 결정 입계에서의 분리를 중지시킬 것이다. 그러나 이러한 Bi₂Mg₃ 상은 용융된 필러의 표면 장력을 낮추기 위해 Bi를 방출시키는 브레이징 재료의 용융시에 필러 합금에 용해될 것이다.

필러 합금내 Si 함량은 약 3 % 내지 약 15 %, 및 바람직하게는 약 6 % 내지 12 %의 범위내에 있어야 한다.

필러 합금내에 존재하는 Fe의 양은 합금 물질의 근원에 일차적으로 의존하며, 약 0.6 % 이하일 수 있으며, 바람직하게는 약 0.4 % 이하이다. 입자 미세화제로서 원소 Ti가 약 0.2% 이하, 바람직하게는 0.15% 이하의 범위로 브레이징 물질내에 존재할 수 있다.

Mn이 0 내지 약 1.5%의 범위로 필러 합금내에 존재할 수 있다. 불순물로서 존재할 때, 0.3%까지 용인될 수 있다. 그러나, 0.3% 내지 1.5%의 범위로 의도적으로 첨가될 수도 있다. Mn 첨가를 위한 보다 바람직한 상한은 1.0%이다.

잔부(balance)는 통상적으로 최대 각 0.05 % 및 최대 전체 0.15 %의 불가피한 또는 부수적인 불순물들, 및 알루미늄에 의해 이루어진다.

한 구현예에서, 필러 합금은 브레이징 시트의 부식 전위를 바람직하게 낮추기 위해, Zn 0 내지 5 %, Sn 0 내지 1 %, In 0 내지 1 %로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 또는 그 이상의 원소들을 추가로 포함할 수 있다.

의도적으로 첨가되지 않는다면, Zn은 0.3 %까지 불순물 원소로서 용인될 수 있다.

한 구현예에서, 필러 합금은 약 5 %까지 Cu를 추가로 함유할 수 있다. 0.3 % 이하의 범위에서의 Cu는 불순물 원소로서 용인될 수 있다. 그러나, 필러 합금의 용융점을 낮추기 위해 약 5 % 이하로 의도적으로 첨가될 수도 있다.

한 구현예에서, 필러 합금은 필러 합금내 실리콘을 변형시키고, 브레이징 작업시에 용융된 필러의 유동성을 개선시키기 위해 0 내지 0.05%의 범위의 Sr을 추가로 함유할 수 있다.

한 구현예에서, 필러 합금은 Na-비함유, Li-비함유, K-비함유 및 Ca-비함유인 조성을 가지며, 하기로 구성된다:

Si 3 중량% 내지 15 중량%;

Mg 0.05 중량% 내지 0.5 중량%, 바람직하게는 0.05 중량% 내지 0.20 중량%;

하기로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소들;

Bi 0.03 중량% 내지 0.2 중량%, Pb 0.03 중량% 내지 0.2 중량%,

Fe 0 내지 0.6 중량%;

Mn 0 내지 1.5 중량%;

Zn 0 내지 0.3 중량%;

Cu 0 내지 0.3 중량%;

Ti 0 내지 0.15 중량%;

Sr 0 내지 0.05 중량%;

잔부 알루미늄 및 부수적인 불순물들.

다른 구현예에서, 필러 합금은 Na-비함유, Li-비함유, K-비함유 및 Ca-비함유인 조성을 가지며, 하기로 구성된다:

Si 3 중량% 내지 15 중량%;

Bi 0.03 중량% 내지 0.2 중량%, 바람직하게는 0.06 중량% 내지 0.14 중량%;

Fe 0 내지 0.6 중량%;

Mn 0 내지 1.5 중량%;

Zn 0 내지 0.3 중량%;

Cu 0 내지 0.3 중량%;

Ti 0 내지 0.15 중량%;

Sr 0 내지 0.05 중량%;

잔부 알루미늄 및 부수적인 불순물들.

필러 물질은 알루미늄 코어 합금에 클래드되어 클래드 핀 스톡(clad fin stock)을 포함하는 브레이징 시트를 형성하며, 바람직하게는 코어 합금은 2xxx, 3xxx, 5xxx, 6xxx 또는 7xxx-시리즈 합금들, 예를 들면 AA3003, AA3005, AA6060 또는 AA6063-타입 합금으로부터의 알루미늄 합금으로 제조되는 것이다.

한 구현예에서, 코어 합금 층과 필러 합금 클래드 물질 사이에 추가의 금속이 끼워질 수 있다. 예를 들면, 추가의 알루미늄 합금 층은 합금 원소들이 코어 층으로부터 필러 층으로 확산하는 것을 제한하거나, 또는 브레이징 시트 제품의 부식 성능을 더욱 개선시키기 위해 도포될 수 있다.

본 발명에 따라 사용되는 브레이징 시트 물질은 여러 기술들에 의해 제조될 수 있다. 예를 들면, 압연 접합(roll bonding)이 당 분야에 잘 알려져 있다. 대안적으로 필러 합금 층은 열 분사 기술(thermal spraying techniques)에 의해 코어 합금 층 상에 도포될 수 있다. 또는 대안적으로 코어 합금 층 및 필러 합금 클래드 물질은 예를 들어 국제출원 WO-2004/112992호에 개시된 주조 기술에 의해 제조될 수 있다.

이상적으로, 비활성 가스 분위기를 사용하는 제어분위기 브레이징에 의해 결합시키기에 적당한 조립체로 부품들을 조립할 때 알루미늄-실리콘 필러를 갖는 본 발명의 브레이징 시트의 한면은 중공 구조(hollow structure)를 구성하기 위해 브레이징 시트를 형성하는 조립체내에 유지되어 있다. 상기 브레이징 시트 제품을 사용하면서 브레이징 작업에 의해 양호한 조인트를 얻기 위해 플럭스를 적용할 필요가 없다. 따라서, 본 발명의 다른 측면에서 하기 단계들을 포함하는 브레이징된 부품들의 조립체를 제조하는 방법이 제공된다:

(ⅰ) 적어도 하나는 본 발명의 일부로서 상기 상세한 설명에 개시된 알루미늄 합금 브레이징 시트로 제조되는 부품들을 형성하는 단계;

(ⅱ) 상기 부품들을 조립체로 조립하는 단계(여기에서, Mg 및 Bi를 균형있게 첨가한 알루미늄-실리콘 필러 합금을 갖는 브레이징 시트의 한면은 조립체 내부에 유지되어 중공 구조를 구성함);

(ⅲ) 중공 구조에 플럭스를 적용시키지 않고, 부품들의 조립체 바깥쪽 상에 플럭스를 적용시키지 않으면서 조립체를 브레이징하고, 필러 물질을 용융시키고 펼치기에 충분히 긴 시간 동안 브레이징 온도에서의 비활성 가스 분위기에서 전체 조립체를 브레이징함으로써 부품들을 결합시키는 단계; 및

(ⅳ) 상기 브레이징된 조립체를 통상적으로 100℃ 이하로 냉각시키는 단계.

본 발명의 또 다른 측면에서 본 발명은 비활성 가스 분위기를 사용한 플럭스리스 제어분위기 브레이징 방법에 상기 필러 합금을 사용하는 방법 또는 이의 새로운 용도에 관한 것이다. 본 발명 및 하기 특허청구범위에 개시된 알루미늄 필러 합금은 하기 바람직한 구현예와 함께 제시된다.

특히, 본 발명은 플럭스를 사용하지 않으면서 제어분위기하에 브레이징에 의해 2개 이상의 알루미늄 합금 소재들을 결합시키는 방법에 알루미늄-실리콘 필러 합금을 사용하는 것에 관한 것으로서, 상기 알루미늄-실리콘 필러는 Na-비함유, Li-비함유, K-비함유, Ca-비함유인 조성을 가지며, 하기를 포함한다:

Si 3 중량% 내지 15 중량%;

Mg 0.03 중량% 내지 0.5 중량%;

하기로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소들;

Bi 0.03 중량% 내지 0.2 중량%, Pb 0.03 중량% 내지 0.2 중량%,

Fe 0 내지 0.6 중량%;

Mn 0 내지 1.5 중량%;

잔부 알루미늄 및 부수적인 불순물들.

또 다른 구현예에서, 본 발명은 플럭스를 사용하지 않으면서 제어분위기하에서의 브레이징에 의해 2개의 알루미늄 합금 소재들을 결합시키는 방법에 알루미늄-실리콘 필러 합금을 사용하는 것에 관한 것으로서, 상기 알루미늄-실리콘 필러는 Na-비함유, Li-비함유, K-비함유, Ca-비함유인 조성을 가지며, 하기로 구성된다:

Si 3 중량% 내지 15 중량%;

하기로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소들;

Bi 0.03 중량% 내지 0.2 중량%, Pb 0.03 중량% 내지 0.2 중량%,

Fe 0 내지 0.6 중량%;

Mn 0 내지 1.5 중량%;

Zn 0 내지 0.3 중량%;

Cu 0 내지 0.3 중량%;

Ti 0 내지 0.15 중량%;

Sr 0 내지 0.05 중량%;

잔부 알루미늄 및 부수적인 불순물들.

Si 3 중량% 내지 15 중량%;

Fe 0 내지 0.6 중량%;

Mn 0 내지 1.5 중량%;

Zn 0 내지 0.3 중량%;

Cu 0 내지 0.3 중량%;

Ti 0 내지 0.15 중량%;

Sr 0 내지 0.05 중량%;

잔부 알루미늄 및 부수적인 불순물들.

이하에서, 본 발명은 하기의 비제한적인 실시예에 의해 설명될 것이다.

실시예

상업용 AA3003-시리즈 합금의 코어 합금 및 표 1에 개시된 조성을 갖는 필러 합금으로 구성되도록 브레이징 시트들을 제조하였으며, 필러 합금 1은 본 발명에 따른 것이며, 필러 합금 2는 비교예이다. 브레이징 시트들은 압연 접합에 의해 제조되었으며, 0.3 mm의 최종 게이지를 갖고, 클래드 층 두께는 30 마이크론이었다. 클래드 필러 합금은 코어 시트의 한면 위에만 적용되며, 클래드 필러 합금의 외표면은 무피복이며, 이에 따라 추가의 금속 층들이 전혀 없었다.

표 1: 필러 합금의 합금 조성(중량%, 잔부는 알루미늄과 불가피한 불순물들)

필러 합금	합금 원소
필러 합금	Si	Fe	Bi	Mg
1	10.8	0.15	0.1	0.1
2	11.1	0.15	-	-

브레이징 시트 제품들의 브레이징성은 소형의 석영 노(small quartz furnace)에서 실험실 규모의 시험으로 평가하였다. 브레이징 시트 제품으로부터 25mm×25mm의 소형 쿠폰들을 절단했다. 30mm×7mm×1mm로 측정되는 AA3003 합금의 소형 스트립을 중앙에서 45°각으로 구부려서 쿠폰들 위에 놓았다. 쿠폰 샘플들 상의 스트립을 대기 압의 질소의 유동 및 20 ppm 미만의 산소 함량 하에서 실온에서 590 ℃로 가열하고, 1 분 간의 590 ℃에서 드웰 시간을 거친 후 590 ℃에서 실온으로 냉각하였다. 브레이징된 샘플들을 브레이징 시트 제품들과 접촉하는 AA3003의 주변에 형성된 필렛(fillet)의 양에 대하여 평가하고, %로 나타냈으며, 예를 들면 만약 필렛이 형성되지 않았으면 필렛의 양은 0 %이며, 필렛이 주변 전체에 걸쳐 형성되었으면 필렛의 양은 100 %이다.

본 발명에 따른 필러 합금을 갖는 브레이징 시트는 플럭스 물질의 부재하에 제어분위기에서 브레이징된 경우 100 %의 우수한 필렛 형성을 가진 반면에 필러 합금 2의 필렛 형성은 0 %라는 것을 확인하였다. 본 실시예는 브레이징 작업을 용이하게 하기 위해 필요한 것으로서 선행기술에 개시된 Ni 또는 Co와 같은 금속층 또는 1xxx-시리즈 클래드 층을 갖지 않으면서, 조심스럽게 제어된 양의 Bi 및 Mg를 갖는 반면, Na, Li, K 및 Ca를 함유하지 않는 필러 합금을 갖는 브레이징 시트를 사용할 때 플럭스리스 제어분위기 브레이징 작업에서 우수한 필렛 형성이 수득될 수 있음을 설명하고 있다.

본 발명을 완전하게 설명하는데 있어서 본 발명의 정신 또는 범주에서 벗어나지 않으면서 본 발명을 다양하게 변경 및 변형시킬 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다.

Claims

제어분위기 브레이징(controlled atmosphere brazing) 방법으로서,
필러 합금 층이 적어도 한 면위에 클래드되는 알루미늄 합금 코어로 구성된 브레이징 시트를 사용하면서, 비활성 가스 분위기를 이용하여 제어분위기하에 플럭스없이 알루미늄 합금을 브레이징하는 단계를 포함하며,
상기 필러 클래드 층에는 내면 및 외면이 있으며, 상기 내면은 코어와 대면하고 있고, 상기 외면에는 임의의 추가 금속계 층들이 없으며,
상기 필러 합금은 Na-비함유, Li-비함유, K-비함유 및 Ca-비함유인 조성을 가지며, 하기를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어분위기 브레이징 방법:
Si 3 중량% 내지 15 중량%;
Mg 0.05 중량% 내지 0.5 중량%;
하기로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소들;
{Bi 0.03 중량% 내지 0.2 중량%, Pb 0.03 중량% 내지 0.2 중량%,
Sb 0.03 중량% 내지 0.2 중량%(이들 원소들의 합은 0.2 중량% 이하임)}
Fe 0 내지 0.6 중량%;
Mn 0 내지 1.5 중량%;
잔부 알루미늄 및 부수적인 불순물들.
제 1 항에 있어서,
상기 필러 합금은 Zn 0 중량% 내지 5 중량%, Sn 0 중량% 내지 1 중량%, In 0 중량% 내지 1 중량%로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소들을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 제어분위기 브레이징 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 필러 합금은 원소들 Bi, Pb 및 Sb로 이루어진 군으로부터 선택되는 Bi를 단독으로 포함하는 것을 특징으로 하는 제어분위기 브레이징 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 필러 합금은 0.06 중량% 내지 0.2 중량%, 바람직하게는 0.06 중량% 내지 0.14 중량% 범위의 Bi-함량을 갖는 것을 특징으로 하는 제어분위기 브레이징 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 필러 합금은 0.05 중량% 내지 0.30 중량%, 바람직하게는 0.05 중량% 내지 0.20 중량% 범위의 Mg-함량을 갖는 것을 특징으로 하는 제어분위기 브레이징 방법.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 필러 합금은 Bi₂Mg₃의 화학량적 조성에 관하여 과량의 Mg를 가지며, 그 함량은 0.07 중량% 이하 및 바람직하게는 0.05 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 제어분위기 브레이징 방법.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 필러 합금은 0 중량% 내지 0.05 중량% 범위의 Sr을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 제어분위기 브레이징 방법.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 필러 합금은 0 중량% 내지 5 중량%의 범위의 Cu를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 제어분위기 브레이징 방법.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 필러 합금은 Na-비함유, Li-비함유, K-비함유 및 Ca-비함유인 조성을 가지며, 하기로 구성되는 것을 특징으로 하는 제어분위기 브레이징 방법:
Si 3 중량% 내지 15 중량%;
Mg 0.05 중량% 내지 0.5 중량%, 바람직하게는 0.05 중량% 내지 0.20 중량%;
하기로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소들;
Bi 0.03 중량% 내지 0.2 중량%, Pb 0.03 중량% 내지 0.2 중량%,
Sb 0.03 중량% 내지 0.2 중량%(이들 원소들의 합은 0.2 중량% 이하임)
Fe 0 내지 0.6 중량%;
Mn 0 내지 1.5 중량%;
Zn 0 내지 0.3 중량%;
Cu 0 내지 0.3 중량%;
Ti 0 내지 0.15 중량%;
Sr 0 내지 0.05 중량%;
잔부 알루미늄 및 부수적인 불순물들.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 필러 합금은 Na-비함유, Li-비함유, K-비함유 및 Ca-비함유인 조성을 가지며, 하기로 구성되는 것을 특징으로 하는 제어분위기 브레이징 방법:
Si 3 중량% 내지 15 중량%;
Mg 0.05 중량% 내지 0.5 중량%, 바람직하게는 0.05 중량% 내지 0.20 중량%;
Bi 0.03 중량% 내지 0.2 중량%, 바람직하게는 0.06 중량% 내지 0.14 중량%;
Fe 0 내지 0.6 중량%;
Mn 0 내지 1.5 중량%;
Zn 0 내지 0.3 중량%;
Cu 0 내지 0.3 중량%;
Ti 0 내지 0.15 중량%;
Sr 0 내지 0.05 중량%;
잔부 알루미늄 및 부수적인 불순물들.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어분위기는 비산화 가스, 바람직하게는 500 ppm 미만의 산소를 함유하는 비산화 가스인 것을 특징으로 하는 제어분위기 브레이징 방법:
플럭스를 사용하지 않으면서 제어분위기에서의 브레이징에 의해 2개의 알루미늄 합금 소재들을 결합시키는 방법에 사용하는 알루미늄-실리콘 필러 합금의 사용방법으로서,
상기 알루미늄-실리콘 필러는 Na-비함유, Li-비함유, K-비함유 및 Ca-비함유인 조성을 가지며, 하기를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄-실리콘 필러 합금의 사용방법:
Si 3 중량% 내지 15 중량%;
Mg 0.03 중량% 내지 0.5 중량%;
하기로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소들;
Bi 0.03 중량% 내지 0.2 중량%, Pb 0.03 중량% 내지 0.2 중량%,
Sb 0.03 중량% 내지 0.2 중량%(이들 원소들의 합은 0.2 중량% 이하임)
Fe 0 내지 0.6 중량%;
Mn 0 내지 1.5 중량%;
잔부 알루미늄 및 부수적인 불순물들.
플럭스를 사용하지 않으면서 제어분위기에서의 브레이징에 의해 2개의 알루미늄 합금 소재들을 결합시키는 방법에 사용하는 알루미늄-실리콘 필러 합금의 사용방법으로서,
상기 알루미늄-실리콘 필러는 Na-비함유, Li-비함유, K-비함유 및 Ca-비함유인 조성을 가지며, 하기로 구성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄-실리콘 필러 합금의 사용방법:
Si 3 중량% 내지 15 중량%;
Mg 0.05 중량% 내지 0.5 중량%, 바람직하게는 0.05 중량% 내지 0.20 중량%;
하기로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 원소들;
Bi 0.03 중량% 내지 0.2 중량%, Pb 0.03 중량% 내지 0.2 중량%,
Sb 0.03 중량% 내지 0.2 중량%(이들 원소들의 합은 0.2 중량% 이하임)
Fe 0 내지 0.6 중량%;
Mn 0 내지 1.5 중량%;
Zn 0 내지 0.3 중량%;
Cu 0 내지 0.3 중량%;
Ti 0 내지 0.15 중량%;
Sr 0 내지 0.05 중량%;
잔부 알루미늄 및 부수적인 불순물들.
플럭스를 사용하지 않으면서 제어분위기에서의 브레이징에 의해 2개의 알루미늄 합금 소재들을 결합시키는 방법에 사용하는 알루미늄-실리콘 필러 합금의 사용방법으로서,
상기 알루미늄-실리콘 필러는 Na-비함유, Li-비함유, K-비함유 및 Ca-비함유인 조성을 가지며, 하기로 구성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄-실리콘 필러 합금의 사용방법:
Si 3 중량% 내지 15 중량%;
Mg 0.05 중량% 내지 0.5 중량%, 바람직하게는 0.05 중량% 내지 0.20 중량%;
Bi 0.03 중량% 내지 0.2 중량%, 바람직하게는 0.06 중량% 내지 0.14 중량%;
Fe 0 내지 0.6 중량%;
Mn 0 내지 1.5 중량%;
Zn 0 내지 0.3 중량%;
Cu 0 내지 0.3 중량%;
Ti 0 내지 0.15 중량%;
Sr 0 내지 0.05 중량%;
잔부 알루미늄 및 부수적인 불순물들.