KR20120111946A

KR20120111946A - 알루미늄 합금제 열교환기 및 이 열교환기에 사용되는 냉매 튜브의 제조 방법

Info

Publication number: KR20120111946A
Application number: KR1020117030902A
Authority: KR
Inventors: 나오키 야마시타; 야스나가 이토; 유지 히사토미
Original assignee: 스미토모 게이 긴조쿠 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2009-06-24
Filing date: 2010-06-21
Publication date: 2012-10-11
Also published as: US10307813B2; BRPI1011452B1; US9440315B2; BRPI1011452A2; US20120145365A1; CN102803891A; EP2447662B1; MX347665B; KR101709808B1; US20160332209A1; JP2011007382A; EP2447662A4; JP5610714B2; MX2011013670A; EP2447662A1; WO2010150727A1; BRPI1011452B8

Abstract

본 발명에 따른 알루미늄 합금제 열교환기는, 알루미늄 합금제 냉매 튜브의 표면에, Si 분말과 Zn 함유 화합물계 플럭스 분말의 혼합물에 바인더를 첨가하여 마련한 코팅 재료를 도포하고, Al-Mn-Zn계 합금으로 형성된 베어 핀을 상기 냉매 튜브에 조립하며, 상기 냉매 튜브와 상기 베어 핀을 분위기 제어 노 내에서 가열함으로써 납땜하는 것에 의해 제작되며, 상기 냉매 튜브는, Mn을 0.5 내지 1.7%(질량%, 이하 동일한), Cu를 0.10%미만, Si를 0.10% 미만 포함하며, 잔부는 Al과 불가피 불순물인 알루미늄 합금의 압출 제품이고, 상기 Si 분말과 상기 Zn 함유 화합물계 플럭스 분말의 혼합비는 10:90 내지 40:60이며, 상기 바인더는 상기 코팅 재료의 총량 기준 5 내지 40%의 양으로 첨가되고, 상기 코팅 재료는, 상기 Si 분말과 상기 Zn 함유 화합물계 플럭스 분말의 총량이 5 내지 30 g/㎡이도록, 상기 냉매 튜브의 외표면에 도포되며, 납땜을 실시한 냉매 튜브의 표면의 전위가 Si 및 Zn의 확산 깊이보다 깊은 곳에 위치한 냉매 튜브의 심부의 전위보다 20 내지 200 mV 낮고, 핀의 전위가 냉매 튜브의 심부의 전위보다 낮은 것이다.

Description

알루미늄 합금제 열교환기 및 이 열교환기에 사용되는 냉매 튜브의 제조 방법{HEAT EXCHANGER MADE FROM ALUMINUM ALLOY, AND PROCESS FOR PRODUCTION OF COOLANT PASSAGE TUBE FOR USE IN THE HEAT EXCHANGER}

본 발명은 알루미늄 합금제 열교환기 및 이 열교환기에 사용되는 냉매 튜브의 제조 방법에 관한 것이다.

가볍고 열전도성이 우수한 알루미늄 합금이, 자동차용 열교환기(예컨대, 증발기 또는 콘덴서)에 일반적으로 사용되고 있다. 이러한 열교환기는 예를 들어 일반적으로, 알루미늄 합금 압출 튜브(즉, 냉매 튜브)의 표면에 불화물계 플럭스를 부착하고, 이 알루미늄 합금 압출 튜브에 핀 재료(fin material) 등의 부재를 조립해 소정 구조를 형성하며, 불활성 가스 분위기 하의 가열로 내에서 재료를 납땜함으로써 제조되었다.

일반적으로, 자동차용 열교환기의 냉매 튜브는, 복수의 격벽에 의해 형성된 복수의 중공부를 갖는 알루미늄 다공 압출 튜브를 사용하여 형성되고 있다. 최근에는, 환경 영향 저감의 관점에서 자동차의 연료 소비를 줄이기 위해 열교환기의 경량화가 요망되고 있기 때문에, 냉매 튜브의 두께가 줄어들고 있다. 이에 따라, 냉매 튜브의 단면적이 더 감소되고 있고, 수백 내지 수천의 압출비(컨테이너의 단면적/압출 제품의 단면적)가 이용되고 있다. 따라서, 압출성이 우수한 순수 알루미늄 재료가 튜브 재료로서 사용되고 있다.

열교환기는 한층 더 경량화되고, 튜브도 한층 더 경량화될 것으로 예상된다. 이러한 경우, 튜브 재료의 강도를 증대시킬 필요가 있다. 최근에는, 지구 온난화 방지를 위해, 불화탄소 대신에 CO₂(자연 냉매)가 사용되고 있다. CO₂냉매는, 불화탄소계 냉매에 비해 높은 작동 압력을 필요로 한다. 이러한 점에 의해서도, 튜브 재료의 강도를 증대시킬 필요가 있다.

튜브 재료의 강도를 증대시키는 데에는 Si, Cu, Mn, Mg 등을 첨가하는 것이 효과적이다. 납땜 대상 재료가 Mg를 함유하는 경우, 가열 과정에서 용융된 불화물계 플럭스가 상기 재료 내의 Mg와 반응하여, MgF₂ 및 KMgF₃ 등과 같은 화합물을 생성한다. 이로써, 플럭스의 활성도가 저하되어, 납땜성이 현저히 나빠진다. CO₂ 냉매를 사용한 열교환기의 작동 온도는 약 150℃에 이른다. 따라서, 상기 재료가 Cu를 함유하는 경우, 입계 부식 감수성이 현저히 증대된다. 입계 부식이 발생하면, 조기에 냉매가 누출되고, 열교환기의 튜브의 기능이 손상된다.

따라서, 튜브 재료의 강도를 증대시키려면, Si 및 Mn을 반드시 첨가하여야 한다. Mn 및 Si를 합금에 고농도로 첨가한 경우, 모재 중에 고용(固溶)된 Mn 및 Si가 합금의 변형 저항을 증대시킨다. 예컨대, 수백 내지 수천의 압출비가 이용되는 경우(예컨대, 다공 압출관을 제조하는 경우), 합금은 순수 Al 재료에 비해 압출성이 현저히 뒤떨어진다. 높은 압출 램 압력을 필요로 하거나 한계 압출 속도(즉, 다공 튜브의 중공부의 격벽의 파손을 야기하는 일 없이 얻어지는 최대의 압출 속도)가 낮은 합금은, 압출성이 뒤떨어진다. Mn 및 Si를 고농도로 함유한 합금은 순수 Al 재료에 비해 높은 램 압력을 필요로 하므로, 금형이 파손되거나 마모되는 경향이 있다. 또한, 한계 압출 속도의 저하로 인해, 생산성이 저하된다.

예를 들어, 강도를 높이는 Si 및 Mn을 첨가하고, 압출성을 향상시키기 위해 고온 균질화 처리 및 저온 균질화 처리를 행하여, 모재 중에 고용된 용질 원소의 양을 감소시키고 변형 저항을 저하시키는 방법이, 제안되어 있다. 이 경우, 상당한 양의 용질 원소가 첨가되므로, 강도는 증대될 수 있지만, 압출성의 향상(특히 압출 속도의 향상)은 제한된다. 구체적으로, 높은 강도와 높은 압출성(즉, 생산성)을 동시에 달성하기는 곤란하다.

자동차용 열교환기의 냉매 튜브는, 사용 중에 관통 부식이 발생한 경우, 냉매가 누설된다. 따라서, 압출 냉매 튜브의 표면에 용사(溶射) 등에 의해 Zn을 부착시키고, 납땜에 의해 Zn을 확산시킨다. 튜브의 표면에 형성된 Zn 확산층이 심부(深部)에 대하여 희생 양극의 역할을 하고, 두께 방향으로의 부식을 억제하여 관통 수명을 늘린다. 이러한 경우에, 튜브를 압출한 후에, Zn 부착 단계(예컨대, Zn 용사)가 필요하게 된다. 또한, Zn 부착 단계 이후에, 납땜에 필요한 불화물계 플럭스를 도포하는 단계, 또는 전체 열교환기 코어에 플럭스를 도포하는 단계가 행해져야만 한다. 이로써, 제조 비용이 증대된다. 튜브에는 필러 금속이 부여되어 있지 않으므로, 필러 금속이 클래딩된 납땜 핀을 사용할 필요가 있다. 또한 이로써, 필러 금속이 클래딩되어 있지 않은 베어 핀 재료를 사용하는 경우에 비해 비용이 증대된다.

이러한 문제들을 해결하는 방법으로서, 필러 금속 분말과 Zn 함유 플럭스 분말의 혼합물을 알루미늄 합금 압출 냉매 튜브의 표면에 부착하는 방법이 제안되어 있다. 이 경우에는, 필러 금속, Zn 및 플럭스가 단일 단계로 동시에 부착될 수 있으므로, 비용이 저감될 수 있다. 또한, 베어 핀 재료가 사용될 수 있으므로, 비용이 더 저감될 수 있다. 그러나, 전술한 방법이 틀림없이 냉매 튜브에 강도, 압출성 및 내식성을 제공한다고는 할 수 없다. 또한, Si를 0.5% 내지 1.0%, Mn을 0.05% 내지 1.2% 함유하는 냉매 튜브도 제안되어 있다. 이 경우에는, 다량의 용질 원소로 인해 높은 강도는 달성될 수 있지만, 압출성(특히 압출 속도)의 향상은 제한된다. 구체적으로, 높은 강도와 높은 압출성(즉, 생산성)을 함께 달성하기는 곤란하다.

일본 특허 공개 제2005-256166호와, 일본 특허 공개 제2006-255755호와, 일본 특허 공개 제2006-334614호, 그리고 일본 특허 공개 제2004-330233호에는 관련 기술이 개시되어 있다.

본 발명은, 자동차용 열교환기 및 알루미늄 냉매 튜브에 관련된 전술한 문제점들을 해결하려는 것이다. 본 발명의 목적은, 납땜 후의 강도 및 내식성이 우수하며 개선된 압출성을 갖는 알루미늄 합금으로 형성된 냉매 튜브를 이용함으로써, 내식성이 강하고, 중량 및 비용을 한층 더 저감할 수 있으며, 자동차용 열교환기로서 적합한 알루미늄 합금제 열교환기를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은, 상기 열교환기에 사용되는 냉매 튜브를 형성하는 알루미늄 합금의 압출성을 향상시키는 냉매 튜브의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제1 양태에 따르면, 알루미늄 합금제 냉매 튜브의 표면에, Si 분말과 Zn 함유 화합물계 플럭스 분말의 혼합물에 바인더를 첨가함으로써 마련된 코팅 재료를 도포하고, Al-Mn-Zn계 합금으로 형성된 베어 핀을 상기 냉매 튜브에 조립하며, 상기 냉매 튜브와 상기 베어 핀을 분위기 제어 노 내에서 가열함으로써 납땜하는 것에 의해 제작되는 알루미늄 합금제 열교환기로서, 상기 냉매 튜브는, Mn을 0.5 내지 1.7%(질량%, 이하 동일함), Cu를 0.10%미만, Si를 0.10% 미만 포함하며, 잔부는 Al과 불가피 불순물인 알루미늄 합금 압출 제품이고, 상기 Si 분말과 상기 Zn 함유 화합물계 플럭스 분말의 혼합비는 10:90 내지 40:60이며, 상기 바인더는 상기 코팅 재료의 총량 기준 5 내지 40%의 양으로 첨가되고, 상기 코팅 재료는, 상기 Si 분말과 상기 Zn 함유 화합물계 플럭스 분말의 총량이 5 내지 30 g/㎡이도록, 상기 냉매 튜브의 외표면에 도포되며, 납땜된 냉매 튜브의 표면은, 그 전위가 Si 및 Zn의 확산 깊이보다 깊은 곳에 위치한 냉매 튜브의 심부의 전위보다 20 내지 200 mV 낮고, 핀의 전위가 Si 및 Zn의 확산 깊이보다 깊은 곳에 위치한 냉매 튜브의 심부의 전위보다 낮은 것인 알루미늄 합금제 열교환기가 제공된다.

상기 알루미늄 합금제 열교환기에 있어서, 상기 알루미늄 합금 압출 제품은, 0.30% 이하의 Ti, 0.10% 이하의 Sr 및 0.3% 이하의 Zr 중 적어도 1종을 더 포함할 수 있다.

상기 알루미늄 합금제 열교환기에 있어서, 상기 Zn 함유 화합물계 플럭스 분말은 KZnF₃일 수 있다.

상기 알루미늄 합금제 열교환기에 있어서, 상기 Al-Mn-Zn계 합금은 0.1 내지 1.8%의 Mn, 0.8 내지 3.0%의 Zn을 포함하고, 0.1 내지 1.2%의 Si, 0.01 내지 0.8%의 Fe, 0.05 내지 0.5%의 Mg, 0.3% 이하의 Cu, 0.3% 이하의 Cr, 0.3% 이하의 Zr, 0.3% 이하의 Ti 중 적어도 1종을 포함하며, 잔부는 Al과 불가피 불순물일 수 있다.

상기 알루미늄 합금제 열교환기에 있어서, 상기 Al-Mn-Zn계 합금은 0.001 내지 0.10%의 In과 0.001 내지 0.10%의 Sn 중 적어도 1종을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 제2 양태에 따르면, 상기한 알루미늄 합금제 열교환기에 사용되는 냉매 튜브를 제조하는 방법으로서, 상기 냉매 튜브를 형성하는 알루미늄 합금의 잉곳을 400℃ 내지 650℃로 4시간 이상 유지하는 균질화 열처리하는 단계와, 상기 잉곳을 열간 압출하는 단계를 포함하는 냉매 튜브 제조 방법이 제공된다.

본 발명의 제3 양태에 따르면, 상기한 알루미늄 합금제 열교환기에 사용되는 냉매 튜브를 제조하는 방법으로서, 상기 냉매 튜브를 형성하는 알루미늄 합금의 잉곳을 균질화 열처리하는 단계와, 상기 잉곳을 열간 압출하는 단계를 포함하고, 상기 균질화 열처리는 상기 잉곳을 570℃ 내지 650℃로 2시간 이상 유지하는 제1단 열처리와, 상기 잉곳을 400℃ 내지 550℃로 3시간 이상 유지하는 제2단 열처리를 포함하는 것인 냉매 튜브 제조 방법이 제공된다.

본 발명의 제4 양태에 따르면, 상기한 알루미늄 합금제 열교환기에 사용되는 냉매 튜브를 제조하는 방법으로서, 상기 냉매 튜브를 형성하는 알루미늄 합금의 잉곳을 균질화 열처리하는 단계와, 상기 잉곳을 열간 압출하는 단계를 포함하고, 상기 균질화 열처리는 상기 잉곳을 570℃ 내지 650℃로 2시간 이상 유지하는 제1단 열처리와, 그 후에 상기 잉곳을 200℃ 이하까지 냉각하는 것과, 상기 잉곳을 400℃ 내지 550℃로 3시간 이상 유지하는 제2단 열처리를 포함하는 것인 냉매 튜브 제조 방법이 제공된다.

이에 따라 본 발명은, 납땜 후의 강도 및 내식성이 우수하며 개선된 압출성을 갖는 알루미늄 합금으로 형성된 냉매 튜브를 이용함으로써, 내식성이 강하고, 중량 및 비용을 한층 더 저감할 수 있으며, 자동차용 열교환기로서 적합한 알루미늄 합금제 열교환기를 제공한다. 또한, 이에 따라 본 발명은, 상기 열교환기에 사용되는 냉매 튜브를 형성하는 알루미늄 합금의 압출성을 향상시키는 냉매 튜브의 제조 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금제 열교환기의 냉매 튜브를 형성하는 알루미늄 합금의 압출 제품에 있어서의 합금 성분의 영향 및 한정 이유를 이하에 설명한다.

Mn:

Mn은 열교환기를 납땜한 후에 모상 중에 고용되므로, 자동차용 열교환기의 다공 압출 튜브를 형성하는데 사용되고 있는 순수 알루미늄 합금에 비해, 알루미늄 합금의 강도를 증대시킬 수 있다. Mn를 첨가하는 경우에는, 동일한 양의 Si, Cu, 또는 Mg를 첨가한 경우와 비교하여, 압출성(특히 한계 압출 속도)이 조금만 저하된다. 동일한 강도를 확보하기 위해 동일량의 Mn, Si, Cu, 또는 Mg를 첨가해 보면, Mn을 첨가한 경우에 한계 압출 속도의 저하가 가장 작고, 그 결과 높은 강도와 높은 압출성(즉, 생산성)이 함께 달성될 수 있다. Mn 함유량은 0.5 내지 1.7%인 것이 바람직하다. Mn 함유량이 0.5% 미만이면, 강도가 조금만 증대될 수 있다. Mn 함유량이 1.7%를 초과하면, 압출성이 저하될 수 있다. Mn 함유량은 0.6% 내지 1.5%인 것이 더 바람직하다.

Si:

Si 함유량은 0.10% 미만으로 제한된다. 이로써 이하의 효과가 얻어진다. 냉매 튜브의 표면에 도포된 Si 분말은, 납땜 과정에서 냉매 튜브 안으로 확산되어, 냉매 튜브를 형성하는 알루미늄 합금에 포함된 Mn과 Al-Mn-Si계 금속간 화합물을 형성하며 석출된다. 석출로 인해 냉매 튜브의 Si 확산층에서의 Mn 및 Si의 고용도가 저하되어, Si 확산층보다도 깊은 곳에 위치한 심부(즉, Si가 확산되지 않은 영역)와 비교해서, Si 확산층의 전위가 낮아진다. 그 결과, 냉매 튜브에 있어서 그 표면으로부터 Si 확산층의 바닥까지의 영역이, Si 확산층보다 깊은 곳에 위치한 심부에 대하여 희생 양극층의 역할을 하여, 깊이 방향에서의 부식 관통 수명이 향상될 수 있다.

Si 함유량이 0.10% 이상이면, 냉매 튜브를 형성하는 알루미늄 합금에 처음부터 Al-Mn-Si계 금속 화합물이 존재하기 때문에, 합금에서의 Mn의 고용도가 저하된다. 이러한 경우, 표면에 도포된 Si 분말이 납땜 과정에서 합금에 확산되더라도, Al-Mn-Si계 금속간 화합물의 석출이 줄어들고, 그 결과 Si 확산층의 전위 저하 효과가 줄어든다. 따라서, 냉매 튜브에 있어서 그 표면으로부터 Si 확산층의 바닥까지의 영역이, 희생 양극층의 역할을 하지 않는다(즉, 부식 관통 수명이 향상되지 않는다). 상기한 효과를 확실히 얻으려면 Si 함유량이 0.05% 이하인 것이 더 바람직하다.

Cu:

Cu 함유량은 0.10% 미만으로 제한된다. 이로써 이하의 효과 (1) 내지 (3)이 얻어진다.

(1) 납땜된 자동차용 열교환기를 (특히 고온에서) 사용하는 동안에, 입계 부식이 억제될 수 있다. Cu 함유량이 0.10% 이상이면, 특히 CO₂를 냉매로서 사용하는 경우에 열교환기의 작동 온도가 약 150℃까지 높아지므로, 입계에서 Cu 등의 석출이 상당히 일어난다. 그 결과, 입계 부식 감수성이 증대된다.

(2) Cu의 첨가는 Mn과 비교해 현저히 압출성을 저하시킨다. 또한, 압출성의 저하를 감안하여 Cu의 양을 제한해야 한다.

(3) Zn의 첨가로 인해 전위가 줄어들고, Cu의 첨가로 인해 전위가 증대되는 것이 알려져 있다. 발명자들은, Zn과 Cu가 공존하는 경우에(특히 Zn 함유량이 적은 경우에), Cu의 전위 증가 효과가 주로 발생한다는 것을 발견했다. 본 발명에 있어서, Zn 함유 플럭스 분말에 의해 납땜 과정에서 형성되는 Zn 확산층은, Zn 용사 등에 의해 납땜 과정에서 형성되는 Zn 확산층에 비해서 표면 Zn 농도가 낮다. 따라서, 냉매 튜브가 0.10% 이상의 Cu를 함유하는 경우, Zn 함유 플럭스 분말에 의해 형성된 Zn 확산층의 전위 저하 효과가, Cu의 전위 증가 효과에 의해 상쇄된다. 이러한 경우에, Zn 확산층이 존재함에도 불구하고 냉매 튜브의 표면의 전위가 저하되지 않고, 그 결과 냉매 튜브의 두께방향으로 표면의 전위가 낮고 심부의 전위가 높은, 전위 구배가 형성될 수 없다. 이로써, 상기 표면을 희생 양극으로서 이용해 상기 심부의 부식을 방지하여 관통수명을 향상시키기가 곤란해진다. 도포된 Si 분말로 인해 냉매 튜브의 표면에 Si 확산층이 존재하여, 표면의 전위를 증가시킨다. Cu 함유량이 많은 경우에는, Zn 확산층의 전위 저하 효과보다도 Cu의 전위 증가 효과가 완전히 우세하게 되고, 그 결과 상기 Si 확산층의 전위 증가 효과와 더불어, 냉매 튜브의 두께방향으로 표면의 전위가 높고 심부의 전위가 낮은 전위 구배가 형성된다. 이러한 경우에, 냉매 튜브의 표면에 대하여 심부가 양극의 역할을 하므로, 조기에 관통 부식이 일어난다. Zn 함유 플럭스 분말의 부착량을 증가시킴으로써, 표면 Zn 농도가 증가될 수 있다. 그러나, 이로 인해 형성된 막의 두께가 증대된다. 이 경우에는, 납땜 과정에서 Si 및 플럭스의 용융으로 인해 막의 두께가 감소되어, 냉매 튜브와 핀 재료 사이의 거리가 감소된다. 상기한 현상이 코어 전체에 걸쳐 일어나므로, 코어의 외부 치수가 줄어든다. Cu 함유량이 0.10% 미만으로 제한된 경우에는, 저농도의 Zn 확산층으로 인해 냉매 튜브의 표면의 전위가 저하된다. 따라서, 표면의 전위가 낮고 심부의 전위가 높도록 두께방향으로 전위 분포가 형성될 수 있다. 이로써, 냉매 튜브의 표면을 희생 양극으로서 이용함으로써, 상기 심부의 부식이 방지된다. Cu의 함유량은 0.05% 미만인 것이 더 바람직하고, 0.03% 이하인 것이 더 바람직하다.

Ti, Sr 및 Zr:

Ti는 합금에 Ti 고농도 영역과 Ti 저농도 영역을 형성한다. 이들 영역은 재료의 두께방향으로 교대로 층을 이루어 분포되어 있다. Ti 저농도 영역은 Ti 고농도 영역에 비해 우선적으로 부식되므로, 부식은 층상으로 일어난다. 따라서, 재료의 두께방향으로 부식이 진행되지 않고, 그 결과 내공식성 및 내입계부식성이 향상된다. 또한, Ti 첨가를 첨가함으로써, 실온 및 고온에서의 재료의 강도가 향상된다. Ti 함유량은 0.30% 이하인 것이 바람직하다. Ti 함유량이 0.30%를 초과하면, 주조 과정에서 조대한 정출물이 생성될 수 있다. 이로써, 건전한 냉매 튜브의 제조가 곤란해질 수 있다.

Sr로 인하여, 냉매 튜브의 표면에 도포된 Si 분말은 납땜 과정에서 모재의 Al과 반응하여 Al-Si 합금 액상 필러 금속을 생성하게 되고, 정출된 공정(共晶) 조직은 냉각으로 인한 응고 과정에서 미세화되고 분산된다. 재료의 표면 상에서 애노드 사이트의 역할을 하는 공정 조직이 분산되면, 부식이 균일하게 분산되고, 그 결과 부식 형태가 면형으로 된다. 이로써 내식성이 향상된다. Sr 함유량은 0.10% 이하인 것이 바람직하다. Sr 함유량이 0.10%를 초과하면, Al-Si-Sr계 화합물이 정출될 수 있고, 그 결과 공정 조직은 미세화되지 않는다.

Zr은, 냉매 튜브를 형성하는 합금이 납땜 과정에서 재결정화될 때, 재결정립의 크기를 증대시킨다. 이로써, 모재의 입계 밀도가 저하되고, 냉매 튜브의 표면에 도포된 Si 분말에 의해 생성된 Al-Si 합금 액상 필러 금속이 모재의 입계에 침투하는 현상이 억제되며, 우선적인 입계 부식이 억제된다. Zr 함유량은 0.30% 이하인 것이 바람직하다. Zr 함유량이 0.30%를 초과하면, 주조 과정에서 조대한 정출물이 생성될 수 있다. 이로써, 건전한 냉매 튜브의 제조가 곤란해질 수 있다. Ti, Sr 및 Zr을 함께 첨가함으로써, Ti, Sr 및 Zr의 효과를 복합적으로 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금제 열교환기의 냉매 튜브를 형성하는 알루미늄 합금의 압출 제품은 바람직하게는 이하와 같이 제조된다. 상기한 조성을 갖는 알루미늄 합금을 용융하고, 주조하여 잉곳을 얻는다. 이 잉곳은 400℃ 내지 650℃로 4시간 이상 유지하는 균질화 처리를 받은 후, 열간 압출된다. 이 균질화 처리로 인해, 주조 및 응고 과정에서 형성된 조대한 정출물이 분해 또는 입상화되고, 그 결과 주조 과정에서 생성된 불균일한 조직(예컨대, 편석층)이 균질화될 수 있다. 주조 과정에서 생성된 불균일한 조직(예컨대, 편석층), 또는 조대한 정출물이 열간 압출 동안에 잔존하고 있으면, 압출성이 저하될 수 있거나, 혹은 압출 제품의 표면 조도가 저하될 수 있다. 균질화 처리 온도가 400℃ 미만이면, 상기한 효과는 얻어질 수 없다. 균질화 처리 온도가 높을수록, 상기한 효과는 보다 쉽게 얻어진다. 균질화 처리 온도가 650℃보다 높으면, 용융이 일어날 수 있다. 균질화 처리 온도는 430 내지 620℃인 것이 더 바람직하다. 충분한 효과를 얻으려면, 균질화 처리 시간은 10시간 이상인 것이 바람직하다. 균질화 처리를 24시간 넘게 행하더라도, 균질화 처리의 효과는 어느 한도 이상 증가되지 않는다(즉, 비경제적이다). 따라서, 균질화 처리 시간은 10 내지 24시간으로 하는 것이 바람직하다.

잉곳에 고온 균질화 처리와 저온 균질화 처리를 조합하여 실시할 수 있다. 이로써, 열간 압출성이 한층 더 향상되고, 알루미늄 찌꺼기가 줄어든다. 용어 "알루미늄 찌꺼기"는, 압출 과정에서 금형 내에 축적된 알루미늄 조각이 소정 크기에 도달하면 금형으로부터 배출되고, 냉매 튜브의 알루미늄 압출 제품의 표면에 부착되는 결함을 말한다. 고온 균질화 처리(제1단 열처리)는 잉곳을 570 내지 650℃로 2시간 이상 유지한다. 이 처리에 의해, 주조 및 응고 과정에서 형성된 조대한 정출물이 분해, 입상화, 또는 재고용(再固溶)될 수 있다. 처리 온도가 570℃ 미만이면, 재고용이 조금만 진행될 수 있다. 균질화 처리 온도를 높게 하는 것이 효과적이다. 그러나, 균질화 처리 온도가 너무 높으면, 용융이 일어날 수 있다. 따라서, 균질화 처리 온도는 650℃ 이하로 설정한다. 균질화 처리 온도는 580 내지 620℃인 것이 더 바람직하다. 균질화 처리 시간은 5 내지 24시간으로 하는 것이 바람직하다. 균질화 처리를 24시간 넘게 행하더라도, 균질화 처리의 효과는 어느 한도 이상 증가되지 않는다(즉, 비경제적이다).

상기 고온 균질화 처리(제1단 열처리) 이후에, 고온 균질화 처리보다 낮은 온도로 균질화 처리(제2단 열처리)를 행하면, 모재 중에 고용된 Mn이 석출되고, 그 결과 Mn의 고용도가 저하된다. 이로써, 이후의 열간 압출 과정에서 변형 저항이 저하되고, 그 결과 압출성이 향상될 수 있다. 저온 균질화 처리(제2단 열처리)의 온도는 400 내지 550℃으로 하는 것이 바람직하다. 저온 균질화 처리(제2단 열처리)의 온도가 400℃ 미만이면, 소량의 Mn만이 석출되므로, 변형 저항을 저하시키는 효과가 불충분할 수 있다. 저온 균질화 처리(제2단 열처리)의 온도가 550℃을 넘으면, 석출이 조금만 일어날 수 있고, 그 결과 변형 저항을 저하시키는 효과가 불충분할 수 있다. 저온 균질화 처리(제2단 열처리)는 3시간 이상 행해진다. 처리 시간이 3시간 미만이면, 석출이 충분하게 일어나지 않고, 그 결과 변형 저항을 저하시키는 효과가 불충분할 수 있다. 균질화 처리를 24시간 넘게 행하더라도, 저온 균질화 처리(제2단 열처리)의 효과는 어느 한도 이상 증가되지 않는다(즉, 비경제적이다). 저온 균질화 처리(제2단 열처리)는 5 내지 15시간 행해지는 것이 바람직하다. 상기한 제2단 균질화 처리는, 제1단 열처리에 의해 충분히 균질하게 고용된 Mn이 제2단 열처리에 의해 석출되도록 되어 있다. 제1단 열처리와 제2단 열처리는 연속적으로 행해져야 하는 것은 아니다. 구체적으로, 제1단 열처리 직후에 제2단 열처리를 행할 수도 있고, 혹은 제1단 열처리를 받은 잉곳을 200℃ 이하까지 냉각한 후에 제2단 열처리를 행할 수도 있다.

Si 분말, Zn 함유 화합물계 플럭스 분말 및 바인더의 혼합물:

본 발명에 따른 알루미늄 합금제 열교환기를 납땜할 때, 냉매 튜브의 표면에, Si 분말과 Zn 함유 화합물계 플럭스 분말의 혼합물에 바인더를 첨가하여 마련한 코팅 재료를 도포한다. 상기 코팅 재료를 도포함으로써, 이하의 효과가 얻어진다. 구체적으로, Si 분말은 납땜 과정에서 냉매 튜브의 모재의 Al과 반응하여 Al-Si 필러 금속을 생성하게 되고, 그 결과 핀 재료나 헤더 재료가 냉매 튜브에 접합될 수 있다. Zn 함유 플럭스는 납땜 과정에서 플럭스와 Zn으로 분해된다. 플럭스는 납땜을 가능하게 하고, Zn은 냉매 튜브에 확산되어 Zn 확산층을 형성한다. 이에 따라, 냉매 튜브의 표면의 전위가 낮고 냉매 튜브의 심부의 전위가 높도록 전위 구배가 형성될 수 있다. 따라서, 표면 영역을 희생 양극으로서 이용함으로써, 심부의 부식이 방지될 수 있다. 상기 혼합된 분말을 냉매 튜브에 부착시킬 때, 밀착성이 향상된다. Si 분말과 Zn 함유 화합물계 플럭스 분말의 혼합물에 포함된 Si 분말의 입경은 100 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 30 ㎛ 이하인 것이 더 바람직하며, 15 ㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다. Si 분말의 입경이 감소됨에 따라, 납땜 과정에서 생성되는 Al-Si 액상 필러 금속의 유동성이 향상된다. 또한, Si 분말의 입경이 감소됨에 따라, 모재의 침식도 억제된다. Zn 함유 화합물계 플럭스 분말의 평균 입경이 약 5 ㎛인 것이 바람직하다. 예를 들어, Zn 함유 화합물계 플럭스 분말로서 KZnF₃가 사용된다.

Si 분말 대 Zn 함유 화합물계 플럭스 분말의 혼합 비율은 10:90 내지 40:60으로 하는 것이 바람직하다. 상기 혼합 비율이 10:90 미만이면(즉, Si 분말의 양이 10% 미만이면), 납땜 과정에서 충분한 액상 필러 금속이 생성될 수 없고, 그 결과 접합 불량이 발생한다. 상기 혼합 비율이 40:60보다 크면(즉, Si 분말의 양이 40%를 초과하면), 냉매 튜브에 확산된 Zn의 양이 불충분할 수 있다. 또한, 플럭스의 양의 저하로 인해, 납땜성이 나빠질 수 있다.

상기 혼합물을 냉매 튜브의 표면에 도포하는 경우, 바인더(예컨대, 납땜을 위해 가열하는 동안에 휘발하는 수지)를 혼합물에 첨가하여 마련한 코팅 재료로서 상기 혼합물을 도포함으로써, 밀착성이 향상된다. 예를 들어, 아크릴 수지가 바인더로서 사용된다. 상기 바인더는 상기 코팅 재료의 총량 기준 5 내지 40%의 양으로 사용된다. 바인더의 양이 코팅 재료의 총량 기준 5% 미만이면, 상기 혼합물이 냉매 튜브의 표면으로부터 쉽게 분리될 수 있다. 바인더의 양이 코팅 재료의 총량 기준 40%를 초과하면, 납땜성이 나빠질 수 있다.

Si 분말과 Zn 함유 화합물계 플럭스 분말의 혼합물은 5 내지 30 g/㎡의 양으로 도포되는 것이 바람직하다. 혼합물의 도포량이 5 g/㎡ 미만이면, 냉매 튜브의 표면에 부착되는 Zn의 양이 부족할 수 있다. 혼합물의 도포량이 30 g/㎡를 초과하면, 생성된 필러 금속의 양이 증가될 수 있고, 그 결과 핀이나 모재의 용융 혹은 용해가 쉽게 일어날 수 있다. 또한, 냉매 튜브와 핀 재료 사이의 막의 두께가 증가되므로, 납땜 과정에서 막이 용융되어 막의 두께가 줄어든다면, 전체 코어의 치수가 감소될 수 있다. 혼합물은 롤 코팅에 의해 냉매 튜브에 도포될 수 있다.

냉매 튜브의 표면과 심부간의 전위차와 핀 재료의 전위와의 관계:

본 발명에 따른 알루미늄 합금제 열교환기에서는, 냉매 튜브의 표면의 전위가 Si 및 Zn의 확산 깊이보다 깊은 곳에 위치한 냉매 튜브의 심부의 전위보다 20 내지 200 mV 낮고, 핀의 전위가 냉매 튜브의 심부의 전위보다 낮다. 이에 따라, 냉매 튜브의 표면이 심부에 대하여 희생 양극의 역할을 하여, 심부가 음극 방식(防蝕)될 수 있다. 전위차가 20 mV보다 작으면, 충분한 희생 양극 효과를 얻을 수 없다. 전위차가 200 mV보다 크면, 표면 영역의 부식 속도가 증가되어, 희생 양극이 빠르게 소모될 수 있다. 또한, 핀의 전위는 냉매 튜브의 심부의 전위보다 낮은 것도 중요하다. 핀의 전위가 냉매 튜브의 심부의 전위보다 높으면, 핀이 냉매 튜브에 대하여 캐소드의 역할을 하여, 냉매 튜브의 부식이 촉진된다. 따라서, 핀의 전위는 냉매 튜브의 심부의 전위보다 낮아야만 한다.

본 발명에 따른 냉매 튜브를 이용하여 열교환기를 제조한 경우, 냉매 튜브와 헤더 재료간의 결합부에서 발생할 수 있는 납땜 불량이 억제될 수 있다. 구체적으로, 냉매 튜브와 헤더 재료는 주로 헤더 재료에 도포된 필러 금속을 통해 접합된다. 그러나, 냉매 튜브의 표면에는 Si 분말이 부착되고, 상기 결합부는 납땜 과정에서 용융된 Si 분말과 냉매 튜브의 표면 영역에 의해 생성되는 액상 필러 금속으로 덮인다. 따라서, 헤더 재료의 필러 금속은 냉매 튜브의 표면 상의 액상 필러 금속과 통해 있다(즉, 자유롭게 유동한다). 냉매 튜브는 헤더의 반대측에서 핀에 접합되고, 헤더 재료의 필러 금속은 냉매 튜브의 표면을 따라서 이동하여, 표면 장력으로 의해 핀과의 접합부에 이른다. 따라서, 헤더와 냉매 튜브간의 결합부에서 필러 금속의 양이 불충분해지고, 그 결과 납땜 불량이 발생한다. 특히, 순수 알루미늄 합금 또는 순수 알루미늄 합금에 Cu를 첨가함으로써 생성된 합금으로 형성되는 냉매 튜브를 사용한 경우에는, 납땜 불량이 발생한다. 한편, 본 발명에 따른 알루미늄 합금을 이용하여 냉매 튜브를 형성한 경우에는, 전술한 합금으로 형성된 냉매 튜브를 사용한 경우와 동일한 양의 필러 금속이 헤드 재료에 마련되더라도, 냉매 튜브와 헤더 재료간의 결합부에서 납땜 불량은 발생하지 않는다. 구체적으로, 본 발명에 따른 냉매 튜브용 알루미늄 합금의 표면에는 Al-Mn계 석출물(저항)이 존재하므로, 순수 알루미늄 합금이나 순수 알루미늄 합금에 Cu를 첨가하여 만든 합금에 비해, 액상 필러 금속의 알루미늄 합금의 표면에의 습윤 가능성이 억제될 수 있다. 이로써, 헤더 재료의 필러 금속이 냉매 튜브의 표면을 따라서 이동하여, 핀과의 접합부에 유입되는 상황을 막을 수 있게 된다. 본 발명에서는, 냉매 튜브의 표면에 도포되는 Si 분말과 Zn 함유 플럭스의 혼합물을 통해 냉매 튜브가 핀 재료에 접합되므로, 용사 등에 의해 Zn을 냉매 튜브의 표면에 도포하는 경우에 비해, 핀 재료와의 접합부에서 필렛의 Zn 농도를 낮출 수 있다. 따라서, 핀과의 접합부에서의 필렛의 우선 부식이 억제될 수 있고, 그 결과 핀의 분리가 방지될 수 있다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금제 열교환기의 베어 핀 재료를 형성하는 알루미늄 합금의 합금 성분의 영향 및 한정 이유를 이하에 설명한다.

Mn:

Mn은 핀 재료의 강도를 향상시킨다. Mn 함유량은 0.1 내지 1.8%인 것이 바람직하다. Mn 함유량이 0.1% 미만이면, 상기 효과가 불충분할 수 있다. Mn 함유량이 1.8%를 초과하면, 주조 과정에서 조대한 정출물이 생성될 수 있다. 이로써, 건전한 핀 재료 제조가 곤란해질 수 있다. Mn 함유량은 0.8% 내지 1.7%인 것이 더 바람직하다.

Zn:

Zn은 핀 재료의 전위를 저하시킨다. Zn 함유량은 0.8 내지 3.0%인 것이 바람직하다. Zn 함유량이 0.8% 미만이면, 충분한 전위 저하 효과를 얻을 수 없다. Zn 함유량이 3.0%를 초과하면, 핀 재료의 전위는 충분하게 저하되지만, 핀 재료의 자기 내식성이 저하될 수 있다. 또한, 핀과 냉매 튜브의 심부간의 전위차가 증가하므로, 재료가 항상 고도전율의 액체에 노출되는 환경에서, 핀(애노드)이 조기에 부식으로 인해 소모될 수 있다. Zn 함유량은 1.0% 내지 2.5%인 것이 더 바람직하다.

Si, Fe, Cu, Mg, Cr, Zr 및 Ti:

Si는 핀 재료의 강도를 향상시킨다. Si 함유량은 0.1 내지 1.2%인 것이 바람직하다. Si 함유량이 0.1% 미만이면, 상기 효과가 불충분할 수 있다. Si 함유량이 1.2%를 초과하면, 핀 재료의 용융점이 저하될 수 있고, 그 결과 납땜 과정에서 국부 용융이 발생할 수 있다. Si 함유량은 0.2% 내지 0.6%인 것이 더 바람직하다.

Fe는 핀 재료의 강도를 향상시킨다. Fe 함유량은 0.01 내지 0.8%인 것이 바람직하다. Fe 함유량이 0.01% 미만이면, 상기 효과가 불충분할 수 있다. Fe 함유량이 0.8%를 초과하면, Al-Fe계 화합물의 생성량이 증가될 수 있고, 그 결과 핀 재료의 자기 내식성이 저하될 수 있다. Fe 함유량은 0.1% 내지 0.7%인 것이 더 바람직하다.

Mg는 핀 재료의 강도를 향상시킨다. Mg 함유량은 0.05 내지 0.5%인 것이 바람직하다. Mg 함유량이 0.05% 미만이면, 상기 효과가 불충분할 수 있다. Mg 함유량이 0.5%를 초과하면, 불화물계 플럭스를 이용하여 불활성 가스 분위기에서 납땜하는 동안에, Mg가 불화물계 플럭스와 반응하여 불화마그네슘을 생성한다. 그 결과, 납땜성이 저하될 수 있고, 납땜부의 외관이 나빠질 수 있다. Mg 함유량은 0.05 내지 0.3%인 것이 더 바람직하고, 0.05 내지 0.15%인 것이 보다 바람직하다.

Cu는 핀 재료의 강도를 향상시킨다. Cu 함유량은 0.3% 이하인 것이 바람직하다. Cu 함유량이 0.3%를 초과하면, 핀 재료의 전위가 증가될 수 있고, 그 결과 냉매 튜브의 내식성이 나빠질 수 있다. 또한, 핀 재료의 자기 내식성도 저하될 수 있다.

Cr 및 Zr은 납땜 이후에 입경을 증대시키고, 납땜 과정에서 핀의 버클링을 저감시킨다. Cr 함유량과 Zr 함유량은 0.3% 이하인 것이 바람직하다. Cr 함유량 또는 Zr 함유량이 0.3%를 초과하면, 주조 과정에서 조대한 정출물이 생성될 수 있다. 이로써, 건전한 핀 재료 제조가 곤란해질 수 있다.

Ti는 합금에 Ti 고농도 영역과 Ti 저농도 영역을 형성한다. 이들 영역은 재료의 두께방향으로 교대로 층을 이루어 분포되어 있다. Ti 저농도 영역은 Ti 고농도 영역에 비해 우선적으로 부식되므로, 부식은 층상으로 일어난다. 따라서, 재료의 두께방향으로 부식이 진행되지 않는다. 그 결과, 내공식성 및 내입계부식성이 향상된다. 또한, Ti 첨가를 첨가함으로써, 실온 및 고온에서의 재료의 강도가 향상된다. Ti 함유량은 0.3% 이하인 것이 바람직하다. Ti 함유량이 0.3%를 초과하면, 주조 과정에서 조대한 정출물이 생성될 수 있다. 이로써, 건전한 핀 재료 제조가 곤란해질 수 있다.

In 및 Sn:

In 및 Sn은 소량의 첨가로 핀 재료의 전위를 저하시킨다. In 및 Sn은 냉매 튜브에 대하여 희생 양극 효과를 발휘하여, 냉매 튜브의 공식을 방지한다. In 함유량과 Sn 함유량은 0.001 내지 0.1%로 하는 것이 바람직하다. In 함유량 또는 Sn 함유량이 0.001% 미만이면, 상기 효과가 불충분할 수 있다. In 함유량 또는 Sn 함유량이 0.1%를 초과하면, 핀 재료의 자기 내식성이 저하될 수 있다.

본 발명에 따른 열교환기는, 상기한 조성을 갖는 핀 재료 및 냉매 튜브를 조립하고, 통상의 방법으로 냉매 튜브와 핀 재료를 납땜하는 것에 의해 제조될 수 있다. 이러한 제조 방법은 특별히 한정되지 않는다. 본 발명에 따른 열교환기는 내식성이 양호하고, 예컨대 가혹한 부식 환경에 처하게 되는 자동차에 설치되더라도 양호한 내구성을 발휘한다. 냉매 튜브를 형성하는 알루미늄 합금에 균질화 처리를 행할 때에 사용되는 가열 방법 및 가열로의 구조는 특별히 한정되지 않는다. 냉매 튜브를 형성하는 알루미늄 합금의 압출 제품의 형상은 특별히 한정되지 않는다. 압출 형상은 용도(예컨대, 열교환기의 형상)에 따라서 결정된다. 재료의 압출성이 양호하므로, 재료는 중공형의 형상을 갖는 다공 금형을 이용하여 압출될 수 있다. 예를 들어, 열교환기용 냉매 튜브는 통상적으로 다른 부재(예컨대, 핀 재료 또는 헤더 재료)와 조립된 후, 납땜된다. 납땜 분위기, 가열 온도, 가열 시관 및 납땜 방법은 특별히 한정되지 않는다. 일반적으로, 핀 재료는 반연속 주조에 의해 잉곳을 만들고, 이 잉곳에 열간 압연, 냉간 압연, 중간 소둔 및 냉간 압연을 행한다. 중간 소둔은 생략될 수 있음을 유의하라. 열연판이 연속 주조 및 압연에 의해 용융 금속으로부터 직접 얻어질 수 있고, 냉간 압연될 수 있다.

실시예

냉매 튜브용 알루미늄 합금의 압출 제품을 이하와 같이 제조하였다. 표 1에 나타내어진 조성을 갖는 알루미늄 합금(합금 A 내지 L), 또는 표 2에 나타내어진 조성을 갖는 알루미늄 합금(합금 M 내지 T)의 빌렛을 조괴(造塊)했다. 합금 T는 널리 사용되고 있다. 생성된 빌렛에 이하의 시험 1, 2 및 3을 실시했다. 표 2에서는, 본 발명의 요건을 충족시키지 않는 값에 밑줄이 쳐져 있다.

시험 1

조괴된 빌렛을 600℃로 10시간 균질화 처리하고, 다공 튜브를 얻도록 열간 압출하였다. 압출 과정에서의 한계 압출 속도비(합금 T의 한계 압출 속도에 대한 상대비)를 조사하였다. 그 결과를 표 3과 표 4에 나타낸다. 한계 압출 속도비가 1.0을 넘는 경우를 "양호"로 평가하고, 한계 압출 속도비가 1.0 미만인 경우를 "불량"으로 평가했다(압출성 평가).

시험 2

시험 1에서 압출 가공된 다공 튜브를 납땜하였다. 이 다공 튜브를 질소 가스 분위기에서 평균 50℃/min의 승온 속도로 600℃까지 가열하고, 3분 동안 유지한 후, 실온까지 냉각하였다. 그 후에, 상온에서 다공 튜브에 인장 시험을 실시했다. 그 결과(인장 강도)를 표 3과 표 4에 나타낸다. 인장 강도가 합금 T의 인장 강도보다 높은 경우를 "양호"로 평가하고, 인장 강도가 합금 T의 인장 강도보다 낮은 경우를 "불량"으로 평가했다(납땜후 강도 평가).

시험 3

합금 C 및 D의 빌렛을, 표 5와 표 6에 나타내어진 조건하에서 균질화 처리하고, 다공 튜브를 얻도록 열간 압출하였다. 한계 압출 속도비(합금 T의 한계 압출 속도에 대한 상대비)를 조사하였다. 승온 속도는 50℃/h이었다. 제1단 열처리와 제2단 열처리를 연속으로 행하는 경우의 온도 저하 속도가 25℃/h이었다. 제2단 열처리 이후에 빌렛을 냉각시켰다. 그 결과(한계 압출 속도비)를 표 5와 표 6에 나타낸다. 한계 압출 속도비가 1.0을 넘는 경우를 "양호"로 평가하고, 한계 압출 속도비가 1.0 미만인 경우를 "불량"으로 평가했다(압출성 평가).

표 3과 표 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 합금 A 내지 L은, 양호한 압출성 및 납땜성을 나타내었다. 한편, 본 발명의 요건을 충족시키지 않는 합금 M 내지 S는, 불량한 압출성 또는 납땜성을 나타내었다.

본 발명에 따른 합금 C 및 D를 표 5와 표 6에 나타내어진 조건하에서 균질화 처리하는 경우, 본 발명에 따른 조건(표 5에 나타내어지는 조건)하에서 합금을 균질화 처리할 때 압출성이 우수하였다. 한편, 본 발명의 요건을 충족시키지는 조건하에서 합금을 균질화 처리할 때에는, 압출성이 불량하였다.

핀 재료용 알루미늄 합금으로서, 표 7에 나타내어진 조성을 갖는 알루미늄 합금(합금 a 내지 l), 또는 표 8에 나타내어진 조성을 갖는 알루미늄 합금(합금 m 내지 x)의 슬라브를 조괴했다. 이 슬라브에 균질화 처리, 열간 압연 및 냉간 압연을 행하여, 0.1 ㎜ 두께의 핀 재료를 얻었다. 그 후에, 핀 재료에 코러게이트 가공을 실시했다(핀 피치 : 3 ㎜, 핀 높이 : 7 ㎜). 표 7과 표 8에서는, 본 발명의 요건을 충족시키지 않는 값에 밑줄이 쳐져 있다.

Si 분말과 KZnF₃ 분말의 혼합물(혼합비는 표 9와 표 10에 나타내어져 있음)에 아크릴 수지 바인더를 첨가함으로써 코팅 재료를 마련하였다. 이 코팅 재료를, 표 9와 표 10에 나타내어진 양으로 롤 코팅함으로써, 상기한 다공 튜브(냉매 튜브용 알루미늄 합금제 다공 압출 튜브)(표 9와 표 10에 합금 참조 부호로 표시됨)의 표면에 도포하였다. 상기 다공 튜브와 상기 코러게이트 가공을 실시한 핀(표 9와 표 10에 합금 참조 부호로 표시됨)을 조립하고(표 9와 표 10 참조), 납땜하여, 열교환기 코어를 얻었다.

열교환기 코어가 아무런 문제없이 제조된 경우를 "양호"로 평가하고, 열교환기 코어를 제조할 때 문제가 발생한 경우를 "불량"으로 평가하였다(열교환기 코어 제조 평가). 그 결과를 표 9와 표 10에 나타낸다. 상기 다공 튜브를 600℃로 10시간 균질화 처리하였다. 상기 다공 튜브와 상기 핀을 납땜할 때, 다공 튜브와 핀을 질소 가스 분위기에서 평균 50℃/min의 승온 속도로 600℃까지 가열하고, 3분 동안 유지한 후, 실온까지 냉각하였다. 제조된 열교환기 코어에 이하의 시험 4, 5, 6 및 7을 실시했다.

시험 4

헤더와 냉매 튜브간의 결합부에서의 납땜 불량으로 인한 누설의 존재 여부를 조사하는 누설 시험을, 상기 열교환기 코어에 실시했다. 그 결과를 표 11과 표 12에 나타낸다.

시험 5

열교환기 코어를 150℃로 120시간 가열하고(고온 사용 시뮬레이션), ISO11846(방법 B)에 따라 입계 부식 시험을 실시했다. 그 결과를 표 13과 표 14에 나타낸다.

시험 6

열교환기 코어의 냉매 튜브의 표면의 Zn 농도와 Zn 확산 깊이, 냉매 튜브의 표면과 심부의 전위, 냉매 튜브의 표면과 심부간의 전위차, 핀 재료의 전위, 냉매 튜브의 표면과 핀 재료간의 전위차, 냉매 튜브의 심부와 핀 재료간의 전위차를 측정했다. 냉매 튜브의 표면의 Zn 농도와 Zn 확산 깊이는, 코어의 단면을 수지로 충전하고, 두께 방향에서의 EPMA 라인 분석의 결과로부터 Zn 농도와 Zn 확산 깊이를 산출하는 것에 의해 조사하였다. Zn 농도가 0.01%인 깊이를 Zn 확산 깊이로 했다. 냉매 튜브의 표면의 전위와 핀 재료의 표면의 전위는 납땜 직후에 측정하였다. 냉매 튜브의 심부의 전위는, 표면으로부터 150 ㎛의 깊이까지 냉매 튜브를 면삭하고, Zn 확산이 일어나지 않은 영역의 전위를 측정하는 것에 의해 조사하였다. 재료의 전위를 측정할 때, 재료를 5% NaCl 수용액(아세트산을 이용해 pH를 3으로 조정함)에 24시간 침지하였다. 10시간 이상 재료를 침지한 이후에 얻어진 안정적인 측정값의 평균값을 이용하였다. 포화 칼로멜(calomel) 전극을 기준 전극으로서 이용했다. 그 결과를 표 15와 표 16에 나타낸다.

시험 7

열교환기 코어에, ASTM-G85-Annex A3에 규정된 SWAAT 시험과 CCT 시험을 1000시간 실시했다. CCT 시험에서는, 5% 식염수(아세트산을 이용해 pH를 3으로 조정함)를 시험 용액으로 이용하였다. 열교환기 코어에 시험 용액을 35℃(분위기 온도)에서 2시간 분무한 후, 열교환기 코어를 60℃에서 4시간 건조시키고, 95% 이상의 상대 습도로 50℃에서 2시간 습윤시켰다. 상기한 사이클을 반복하였다. 시험 후의 냉매 튜브(튜브)의 최대 부식 깊이와 핀의 부식 상황을 표 17과 표 18에 나타낸다. 냉매 튜브의 최대 부식 깊이가 0.05 ㎜ 이하인 경우를 "매우 양호"로 평가하고, 냉매 튜브의 최대 부식 깊이가 0.05 ㎜ 초과 0.10 ㎜ 이하인 경우를 "양호"로 평가하며, 냉매 튜브의 최대 부식 깊이가 0.10 ㎜ 초과 0.20 ㎜ 이하인 경우를 "보통"으로 평가하고, 냉매 튜브의 최대 부식 깊이가 0.20 ㎜을 초과하는 경우를 "불량"으로 평가했다. 핀이 조금만 부식된 경우를 "매우 양호"로 평가하고, 핀이 약간 부식된 경우를 "양호"로 평가하며, 핀이 다소 부식된 경우를 "보통"으로 평가하고, 핀이 상당히 부식된 경우를 "불량"으로 평가했다.

시험 4 내지 7의 결과는 다음의 같았다. 본 발명에 따라 제조된 열교환기 코어 1 내지 24호는, 납땜 이후에 누설 시험을 실시했을 때, 헤더와 냉매 튜브간의 결합부에서 누설은 나타나지 않았다. 한편, 냉매 튜브용 알루미늄 합금으로서 Mn 함유량이 적은 합금 T를 이용한 열교환기 코어 43 및 44호에서는 누설이 나타났다.

본 발명에 따라 제조된 열교환기 코어 1 내지 24호에서는 입계 부식이 나타나지 않았다. 한편, 냉매 튜브용 알루미늄 합금으로서 Cu를 함유한 합금 T를 이용한 열교환기 코어 43 및 44호에서는 입계 부식이 현저히 나타났다.

본 발명에 따라 제조된 열교환기 코어 1 내지 24호에서는, 냉매 튜브의 표면에 충분한 Zn 확산층이 형성되었다. 따라서, 냉매 튜브의 표면의 전위가 냉매 튜브의 심부의 전위보다 낮았다. 냉매 튜브의 표면과 심부간의 전위차는 95 내지 100 mV였다. 핀 재료의 전위도 냉매 튜브의 심부의 전위보다 낮았다. 본 발명의 요건을 충족시키지 않는 조건하에서 제조된 열교환기 코어 25 내지 44호 중 일부에서는, 냉매 튜브의 표면에 충분한 Zn 확산층이 형성되어 있지 않았다. 이러한 경우에는, 냉매 튜브의 표면과 심부 사이에서 충분한 전위차가 얻어지지 않았다. 충분한 Zn 확산층이 형성되어 있더라도, 냉매 통로용 알루미늄 합금으로서 Cu를 함유하는 합금 T를 이용한 열교환기 코어 43 및 44호에서는, Zn의 전위 저하 효과가 상쇄되므로, 냉매 튜브의 표면의 전위가 냉매 튜브의 심부의 전위와 동일하거나 혹은 그보다 약간 낮았다.

본 발명에 따라 제조된 열교환기 코어 1 내지 24호에 SWAAT 시험을 실시한 경우에는, 냉매 튜브의 표면과 심부 사이에서 충분한 전위차가 얻어지므로, 최대 부식 깊이가 얕았다(즉, 내식성이 매우 양호하였다). SWAAT 시험에서는, 핀이 희생 양극 효과를 발휘하므로, 냉매 튜브의 표면과 핀 재료간의 전위차에 따라 핀 재료의 부식이 달라진다. 본 발명에 따라 제조된 열교환기 코어 1 내지 24호에서는, 냉매 튜브의 표면과 핀 재료간의 전위차가 적정하므로, 핀 재료는 부식되지 않거나 혹은 조금만 부식되었다. 또한, 핀 재료의 전위는 냉매 튜브의 심부의 전위보다 낮았다. 따라서, 핀 재료는 캐소드로서 작용하여 냉매 튜브의 부식을 촉진하지 않는 일이 없었다.

본 발명의 요건을 충족시키지 않는 조건하에서 제조된 열교환기 코어 25 내 44호에 있어서는, 냉매 튜브의 표면과 심부 사이에서 충분한 전위차가 얻어지지 않거나, 혹은 핀 재료의 전위가 냉매 튜브의 심부의 전위보다 높았던 열교환기 코어 25, 28, 31, 37, 43, 44호에서 최대 부식 깊이가 깊었다. 핀 재료로서 Zn 함유량이 많은 알루미늄 합금 n을 사용한 열교환기 코어 26호의 핀은, 핀 재료의 전위가 냉매 튜브의 표면의 전위보다 현저히 낮기 때문에, 현저한 부식이 나타났다. 핀 재료로서 Fe 함유량이 많은 합금 q, Cu 함유량이 많은 합금 s, In 함유량이 많은 합금 w, 또는 Sn 함유량이 많은 합금 x를 이용한 열교환기 코어 29, 31, 35 및 36호에서는, 핀의 자기내식성이 뒤떨어지므로, 핀에서 현저한 부식이 나타났다.

본 발명에 따라 제조된 열교환기 코어 1 내지 24호에 CCT 시험(CCT 시험은 건조 단계로 인해 실제 환경과 유사하지만, 핀이 희생 양극 효과를 발휘할 수 없음)을 실시한 경우에는, 냉매 튜브의 표면과 심부 사이에서 충분한 전위차가 얻어지므로, 냉매 튜브의 최대 부식 깊이가 얕았다(즉, 내식성이 매우 양호하였다). 핀 재료는 부식되지 않거나 조금만 부식되었다.

본 발명의 요건을 충족시키지 않는 조건하에서 제조된 열교환기 코어 25 내 44호에 있어서는, 냉매 튜브의 표면과 심부간의 전위차가 불충분한 경우, 냉매 튜브의 최대 부식 깊이가 깊었다. 핀 재료의 부식에 관해서는 SWAAT 시험과 동일한 경향이 관찰되었다. 열교환기 코어 27, 30, 32 내지 34, 38, 39 및 41호는 내식성 결과가 매우 양호했다. 그러나, 열교환기 코어 제작시에 문제점이 생겼다(표 12 참조).

전술한 교시 내용을 고려하여, 본 발명의 수정 및 변형을 다양하게 실시할 수 있음이 분명하다. 따라서, 첨부된 청구범위의 범위 내에서, 본 발명은 본 명세서에 구체적으로 기술된 것과는 다르게 실시될 수 있음은 물론이다.

Claims

알루미늄 합금제 냉매 튜브의 표면에, Si 분말과 Zn 함유 화합물계 플럭스 분말의 혼합물에 바인더를 첨가함으로써 마련된 코팅 재료를 도포하고, Al-Mn-Zn계 합금으로 형성된 베어 핀을 상기 냉매 튜브에 조립하며, 상기 냉매 튜브와 상기 베어 핀을 분위기 제어 노 내에서 가열함으로써 납땜하는 것에 의해 제작되는 알루미늄 합금제 열교환기로서,
상기 냉매 튜브는, Mn을 0.5 내지 1.7%(질량%, 이하 동일함), Cu를 0.10%미만, Si를 0.10% 미만 포함하며, 잔부는 Al과 불가피 불순물인 알루미늄 합금 압출 제품이고, 상기 Si 분말과 상기 Zn 함유 화합물계 플럭스 분말의 혼합비는 10:90 내지 40:60이며, 상기 바인더는 상기 코팅 재료의 총량에 기초하여 5 내지 40%의 양으로 첨가되고, 상기 코팅 재료는, 상기 Si 분말과 상기 Zn 함유 화합물계 플럭스 분말의 총량이 5 내지 30 g/㎡이도록, 상기 냉매 튜브의 외표면에 도포되며, 납땜된 냉매 튜브의 표면은, 그 전위가 냉매 튜브의 심부(深部)의 전위보다 20 내지 200 mV 낮고, 핀의 전위가 Si 및 Zn의 확산 깊이보다 깊은 곳에 위치한 냉매 튜브의 심부의 전위보다 낮은 것인 알루미늄 합금제 열교환기.
제1항에 있어서, 상기 알루미늄 합금 압출 제품은, 0.30% 이하의 Ti, 0.10% 이하의 Sr 및 0.3% 이하의 Zr 중 적어도 1종을 더 포함하는 것인 알루미늄 합금제 열교환기.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 Zn 함유 화합물계 플럭스 분말은 KZnF₃인 것인 알루미늄 합금제 열교환기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 Al-Mn-Zn계 합금은 0.1 내지 1.8%의 Mn, 0.8 내지 3.0%의 Zn을 포함하고, 0.1 내지 1.2%의 Si, 0.01 내지 0.8%의 Fe, 0.05 내지 0.5%의 Mg, 0.3% 이하의 Cu, 0.3% 이하의 Cr, 0.3% 이하의 Zr, 0.3% 이하의 Ti 중 적어도 1종을 포함하며, 잔부는 Al과 불가피 불순물인 것인 알루미늄 합금제 열교환기.
제4항에 있어서, 상기 Al-Mn-Zn계 합금은 0.001 내지 0.10%의 In과 0.001 내지 0.10%의 Sn 중 적어도 1종을 더 포함하는 것인 알루미늄 합금제 열교환기.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 알루미늄 합금제 열교환기에 사용되는 냉매 튜브를 제조하는 방법으로서, 상기 냉매 튜브를 형성하는 알루미늄 합금의 잉곳을 400℃ 내지 650℃로 4시간 이상 유지하는 균질화 열처리하는 단계와, 상기 잉곳을 열간 압출하는 단계를 포함하는 냉매 튜브 제조 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 알루미늄 합금제 열교환기에 사용되는 냉매 튜브를 제조하는 방법으로서, 상기 냉매 튜브를 형성하는 제1항 또는 제2항에 기재된 알루미늄 합금의 잉곳을 균질화 열처리하는 단계와, 상기 잉곳을 열간 압출하는 단계를 포함하고, 상기 균질화 열처리는 상기 잉곳을 570℃ 내지 650℃로 2시간 이상 유지하는 제1단 열처리와, 상기 잉곳을 400℃ 내지 550℃로 3시간 이상 유지하는 제2단 열처리를 포함하는 것인 냉매 튜브 제조 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 알루미늄 합금제 열교환기에 사용되는 냉매 튜브를 제조하는 방법으로서, 상기 냉매 튜브를 형성하는 제1항 또는 제2항에 기재된 알루미늄 합금의 잉곳을 균질화 열처리하는 단계와, 상기 잉곳을 열간 압출하는 단계를 포함하고, 상기 균질화 열처리는 상기 잉곳을 570℃ 내지 650℃로 2시간 이상 유지하는 제1단 열처리와, 그 후에 상기 잉곳을 200℃ 이하까지 냉각하는 것과, 상기 잉곳을 400℃ 내지 550℃로 3시간 이상 유지하는 제2단 열처리를 포함하는 것인 냉매 튜브 제조 방법.