KR20130117190A - 열교환기의 알루미늄 클래드 박판재용 코어 재료 - Google Patents

Abstract

열교환기의 알루미늄 클래드 박판재용 코어 재료가 제공된다.
본 발명은, Al-Mn계 3xxx계 전신재 알루미늄 합금으로서,
상기 합금에 Ti, Zr, V, Cr 중 선택된 1종 이상의 금속을 첨가하여 이루어지고, 상기 각 원소의 첨가량은 각 원소의 포정온도에서의 액상선 조성보다는 크고 접종 후 용탕 유지 온도에서의 액상선 조성보다는 낮게 첨가하는 것을 특징으로 하는 열교환기의 알루미늄 클래드 박판재용 코어 재료에 관한 것이다.

Description

열교환기의 알루미늄 클래드 박판재용 코어 재료{Core material for aluminum clad thin sheet of heat exchanger}

본 발명은 열교환기의 알루미늄 클래드 박판재용 코어 재료에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 열교환기 부품을 경량/고효율화하기 위하여 강성, 성형성, 열전도성, 접합특성 등을 향상시키면서도 이러한 다특성이 고루 잘 조합된 알루미늄 클래드 박판을 제조하기 위한 코어 재료에 관한 것이다.

열교환기는 생산성과 내식성을 향상시키기 위해 알루미늄 클래드 박판을 재료로 하여 프레스 가공 및 브레이징 공정에 의하여 제조하고 있다. 열교환기용 클래드 박판은 일반적으로 코어층, 브레이징 필러층, 방식 라이너층으로 구성된 샌드위치 구조로 되어 있다. 즉, 클래드 박판의 코어 재료는 성형성, 내식성, 강도가 적절히 조화되어 있는 Al-Mn계의 3xxx 합금이 쓰이고 있으며, 박판을 상온 프레스 성형에 의하여 다양한 형상의 부품으로 가공하고 조립한 후, 브레이징 하기 위하여 코어부의 일면 또는 양면에 Al-Si계의 4xxx 브레이징 필러 합금이 피재층으로 적층되며, 그리고 내식성을 향상시키기 위해서는 Al-Zn계의 7xxx 합금을 냉매가 흐르는 내측부의 라이너 재료로 적층한 다층의 클래드 박판이 열교환기 소재로 사용되고 있다.

상기의 알루미늄 클래드 박판은 코어층, 필러층, 라이너층 등을 샌드위치 형상으로 적층한 후 열간압연법인 Alclad 공정에 의하여 하나의 클래드 판재로 접합하고, 프레스 성형을 위한 최종 두께로 냉간압연하여 생산되게 된다. 냉간압연된 클래드 판재는 응력 제거 어닐링 열처리 후 상온에서 헤더, 튜브, 캡 등 다양한 형상의 부품으로 상온에서 프레스 성형공정에 의하여 제조된다. 이렇게 제조된 다양한 형상의 부품들은 최종 제품 형상으로 기계적으로 조립한 후 브레이징 로에 넣어 열처리하면 한 번의 브레이징 공정에 의해 열교환기 제품을 만들 수 있어 생산성이 향상되는 특징이 있다.

클래드 코어부를 구성하는 Al-Mn계의 3xxx 합금은 통상적으로 연속주조법에 의하여 우선 슬라브 형태로 제조하는데, 결정립을 미세화 함으로써 클래드 판재의 프레스 성형 등 냉간 성형성을 향상시키기 위한 목적으로 Al-Ti계의 모합금을 이용하여 용탕 내 Ti 함량이 0.01~0.03% 수준으로 되도록 접종처리한 후 슬라브를 주조한다. 이때, Ti 접종처리 후에 용탕이 로나 레들에서 장시간 유지되면 Al₃Ti 금속간화합물이 분해되어 결정립미세화 효과가 떨어지는 현상이 발생하게 되는데 이를 페이딩 효과라 칭하고 있다. 이러한 페이딩 문제를 해결하기 위하여, Al₃Ti 이외에 알루미늄 용탕 내에서 생존 시간이 긴 TiB₂나 TiC 입자를 포함하고 있는 AlTiB계 또는 AlTiC계 접종제 등 페이딩 시간이 긴 접종제를 개발하려는 연구가 지속적으로 이루어지고 있지만 근본적인 해결책을 제시하고 있지는 못하다.

냉간압연된 클래드 판재는 충분히 어닐링 처리하지 않으면 균열이 발생하게 되어 상온에서 프레스 성형공정에 의하여 캡 등 복잡한 형상의 부품으로 성형할 수 없다. 하지만 너무 높은 온도나 긴 시간 열처리하면 산화나 결정립 성장이 발생하게 되는 문제점이 있다. 또한 클래드 판재의 성형성이 이방성을 띠게 되면 열교환기 형상 및 제조 공정 설계 자유도를 떨어트리는 영향을 미친다.

또한 클래드 판재는 높은 기계적 특성 이외에도 우수한 접합특성을 확보하여야 열교환기 제품의 생산성과 신뢰성을 확보할 수 있다. 우수한 접합특성은 재용융 필러 합금과 코어층간의 우수한 젖음성, 높은 접합강도, 쳐짐 저항성, 브레이징 후 판재의 평탄도 등을 모두 갖춘 것을 의미하며, 그래야만 고압의 냉매 유출이나 브레이징 공정 중이나 사용 도중의 변형 등을 방지할 수 있고 유체의 흐름을 원활하게 하여 냉각 효율을 개선할 수 있다.

따라서 본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 열교환기용 알루미늄 클래드 판재의 성형성, 접합특성을 효과적으로 향상시키면서도 기존의 알루미늄 클래드 판재의 강도 등 다른 특성은 그대로 유지할 수 있으며, 또한 그 슬라브 주조 공정 중에 감쇄 현상을 효과적으로 방지할 수 있으며 재용해 시에도 결정립을 효과적으로 미세화할 수 있는 열교환기의 알루미늄 클래드 박판재용 코어 재료를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

Al-Mn계 3xxx계 전신재 알루미늄 합금으로서,

상기 합금에 Ti, Zr, V, Cr 중 선택된 1종 이상의 금속을 첨가하여 이루어지고, 상기 각 원소의 첨가량은 각 원소의 포정온도에서의 액상선 조성보다는 크고 접종 후 용탕 유지 온도에서의 액상선 조성보다는 낮게 첨가하는 것을 특징으로 하는 열교환기의 알루미늄 클래드 박판재용 코어 재료에 관한 것이다.

상기 첨가원소가 Ti인 경우, 그 첨가량을 포정온도에서의 액상선 조성 구간인 0.1~0.15% 보다 많이 첨가하고 0.4% 보다 적게 첨가함이 바람직하다.

상기 첨가원소가 Ti인 경우, 그 합금의 주조 시 Al₃Ti 입자가 초정으로 석출할 수 있다.

상기 첨가원소가 Zr 인 경우, 그 첨가량을 포정온도에서의 액상선 조성 구간인 0.3% 보다 많이 첨가하고 용탕 유지 온도 구간에서의 액상선 조성인 0.9% 보다 적게 첨가함이 바람직하다.

상기 첨가원소가 V인 경우, 그 첨가량을 포정온도에서의 액상선 조성 구간인

0.26% 보다 많이 첨가하고 용탕 유지 온도 구간에서의 액상선 조성인 0.7% 보다 적게 첨가함이 바람직하다.

상기 첨가원소가 Cr인 경우, 그 첨가량을 포정온도에서의 액상선 조성 구간인 0.14% 보다 많이 첨가하고 용탕 유지 온도 구간에서의 액상선 조성인 1.2% 보다 적게 첨가함이 바람직하다.

상술한 구성의 본 발명은 열교환기용 알루미늄 클래드 판재를 제조하는데 있어서, 코어 재료로서 기존의 Al-Mn계 3xxx 전신재 알루미늄 합금을 사용하되 알루미늄과 용융점 이상에서 금속간화합물을 형성하면서도 알루미늄 기지에 고용도가 낮고 열저항 증가에 둔감한 Ti, Zr, V, Cr 등과 같은 원소를 최소 1종 포정온도에서의 액상선 조성~용탕 유지 온도에서의 액상선 조성 사이의 함량으로 첨가하게 되면, 강도 등 다른 특성은 그대로 유지하면서 냉간 프레스 성형성, 접합성 (접합강도, 젖음성, 브레이징 후 판재 평탄도), 재활용성 등을 효과적으로 향상시킬 수 있다.

도 1은 Al-1.1Mn-0.1Cu-0.1Si-0.4Fe-0.05Zn-xTi 다원계 합금계 상태도의 Al-Ti 수직 단면도이다.
도 2는 4343/3003/4343 알루미늄 클래드 판재를 415℃에서 1시간 동안 열처리한 후의 코어층의 결정립 크기 분포를 Ti의 함량에 따라 도시한 그래프이다.
도 3은 4343/3003/4343 알루미늄 클래드 판재의 상온 프레스 성형성을 나타내는 한계 돔 높이를 Ti의 함량에 따라 도시한 그래프이다.
도 4는 4343/3003/4343 알루미늄 클래드 판재를 브레이징하였을 때의 접합강도를 Ti의 함량에 따라 도시한 그래프이다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명자들은 종래의 열교환기용 알루미늄 클래드 판재의 강도 등 다른 특성은 그대로 유지하면서 상온 프레스 성형성 및 접합특성을 효과적으로 향상시키기 위해 연구와 실험을 거듭하였다. 그 결과, Al-Mn계 3xxx 전신재 알루미늄 합금을 사용하되, 냉간 프레스 성형성과 브레이징 접합성을 향상시키기 위하여, 알루미늄과 용융점 이상에서 금속간화합물을 형성하면서도 알루미늄 기지에 고용도가 낮고 열저항 증가에 둔감한 Ti, Zr, V, Cr 등과 같은 원소를 적정량 첨가함이 효과적임을 확인하고 본 발명을 제시하는 것이다.

먼저, 본 발명의 열교환기의 알루미늄 클래드 박판재용 코어 재료는 Al-Mn계 3xxx 전신재 알루미늄 합금을 기본조성으로 한다.

본 발명은 상기 합금계의 다양한 합금조성을 이용할 수 있으며, 특정 조성에 제한되는 것은 아니다. 예컨대 Al-Mn계 3003 전신재 알루미늄 합금 조성의 경우 하기 표 1과 같다.

성분	Mn	Si	Fe	Cu	Zn	기타	Al
조성(wt%)	1.0~1.5	0.6	0.7	0.05~0.2	0.1	0.15	bal.

Al-Mn계 3xxx 전신재 알루미늄 합금에 Ti, Zr, V, Cr 중 선택된 1종 이상의 금속을 첨가하여 이루어진다.

상기와 같은 Al-Mn계 합금조성에 상기 금속원소를 첨가하면 결정입 및 재결정입 미세화 효과, 페이딩 방지 효과 등에 유리하여 상온에서 프레스 성형성 및 접합특성을 향상시킬 수 있다.

구체적으로, 이러한 금속원소를 함유한 알루미늄 전신재 합금을 용해시, 용해 후 오랜 시간 유지하여도 주조 시 Al₃Ti, Al₃Zr, Al₂₁V₂, Al₇Cr등과 같은 석출물이 초정으로 석출하게 되어 알루미늄 상의 핵생성 싸이트로 작용하여 결정립을 미세화하게 하는 효과가 있다.

또한 상기 합금원소의 첨가에 따라 소재의 재결정 거동에도 영향을 미치게 되는데, Al₃Ti등과 같은 석출물 입자의 밀도가 충분히 높아지게 되면 소재의 냉간가공 후 응력제거 열처리 시 등방성의 미세한 재결정립이 생성되게 되고, 그 결과 상온 프레스 성형성이 향상될 수 있다. 또한 브레이징 처리시에는 용융 필러재와 코어층간의 젖음성 향상되는 효과도 있다.

아울러, 상기 첨가원소는 코어재료에 비교하여 취성이 큰 필러층으로 확산되어 재응고 필러층의 미세조직을 미세화함으로써 브레이징 접합강도가 향상되는 특성을 나타낼 수 있으며, 코어층 강성 증가 효과로 인하여 브레이징 시 쳐짐 저항성도 향상되는 효과가 있다

본 발명에서는 상기 각 합금원소의 첨가량은 각 원소의 포정온도에서의 액상선 조성보다는 크고 접종 후 용탕 유지 온도에서의 액상선 조성보다는 낮게 제어한다. 도 1은 이러한 온도범위를 알 수 있는 Thermo-Calc 프로그램을 이용하여 계산한 3xxx계 합금 상태도의 Al-Ti 단면도이다. Al-Ti 2원계 합금계에서는 합금계에서는 포정온도에서의 액상선 조성이 1.5%였던 것이 Mn 등 합금원소가 첨가됨에 따라 1% 수준까지 감소할 수 있음을 알 수 있다.

이러한 온도범위에서, 상기 합금의 용해시 형성된 시 Al₃Ti와 같은 석출물이 용해되는 페이딩 효과를 효과적으로 방지할 수 있으며, 결정입 및 재결정입 미세화를 도모할 수 있으며, 그 결과로 소재의 상온 프레스 성형성과 접합특성 등을 개선할 수 있다.

만일 상기 합금원소의 첨가량이 각 원소의 포정온도에서의 액상선 조성보다낮은 조성 범위라면, 형성된 석출물들이 용해시 용해되어 후속하는 주조공정에서 시 Al₃Ti 등과 같은 석출물 입자가 초정으로 석출할 수 없게 되므로 결정입 미세화를 도모할 수 없고, 아울러 냉간가공후 재결정입의 미세화도 꾀할 수 없다.이에 따라, 상온에서의 프레스 가공성, 브레이징 처리시 젖음성 및 접합강도가 나빠질 수 있다.

그리고 만일 상기 합금원소의 첨가량이 접종 후 용탕 유지 온도에서의 액상선 조성보다 높다면, 조대한 Al₃Ti등과 같은 석출물이 형성되어 소재의 기계적 특성을 떨어트릴 수 있다.

상기 점을 고려하여, 본 발명에서는 상기 첨가원소가 Ti인 경우, 그 첨가량을 포정온도에서의 액상선 조성 구간인 0.1~0.15% 보다 많이 첨가하고 0.4% 보다 적게 첨가함이 바람직하다.

그리고 상기 첨가원소가 Zr 인 경우, 그 첨가량을 포정온도에서의 액상선 조성 구간인 0.3% 보다 많이 첨가하고 용탕 유지 온도 구간에서의 액상선 조성인 0.9% 보다 적게 첨가함이 바람직하다.

상기 첨가원소가 V인 경우, 그 첨가량을 포정온도에서의 액상선 조성 구간인

0.26% 보다 많이 첨가하고 용탕 유지 온도 구간에서의 액상선 조성인 0.7% 보다 적게 첨가함이 바람직하다.

상기 첨가원소가 Cr인 경우, 그 첨가량을 포정온도에서의 액상선 조성 구간인 0.14% 보다 많이 첨가하고 용탕 유지 온도 구간에서의 액상선 조성인 1.2% 보다 적게 첨가함이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 Al-Mn계 3xxx 전신재 알루미늄 합금에, 알루미늄과 용융점 이상에서 금속간화합물을 형성하면서도 알루미늄 기지에 고용도가 낮고 열저항 증가에 둔감한 Ti, Zr, V, Cr 등과 같은 원소를 적정량 첨가함으로써 상온 프레스 성형성 및 접합특성 등이 우수한 열교환기의 알루미늄 클래드 박판재용 코어 재료를 제조할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예)

상기 표 1의 조성을 갖도록 합금을 유도로를 이용하여 용해 후, 그 용탕을 750℃로 유지하며 Al-10%Ti 모합금을 접종제로 이용하여 용탕 내 Ti의 함량이 0.02%, 0.16%가 되도록 첨가하였다. Ti 첨가 후 30분을 유지한 후, 케비티 직경 170 mm의 금형에 주조하여 빌렛 시험편을 제조하였다. 후속하여, 4343/3003/4343 알루미늄 클래드 판재를 제조하기 위하여, 상기와 같이 제조한 3003 빌렛으로부터 채취한 두께 10 mm의 판재를 코어재로서 가운데 위치시키고, 동일한 주조법으로 제조한 Al-8%Si 조성의 4343 합금 빌렛으로부터 채취한 두께 2 mm의 판재를 양쪽에 샌드위치 형상으로 겹친 후(전체 3겹 판재 두께 14 mm) 480℃에서 2 mm까지 열간압연하여 접합하였다. 열간압연 판재는 480℃에서 중간소둔 후 다시 냉간압연 공정에 의하여 최종두께 0.7mm로 압연하였다.

이후, 상기와 같이 제조한 두께 0.7 mm의 냉간압연판재의 냉간 프레스성형특성을 평가하기 위해서, 그 냉간압연판재를 415℃에서 1시간 동안 잔류응력 제거 어닐링 처리를 수행하였다.

Ti 첨가량에 따른 어닐링 처리 후의 3003 코어층 결정립 분포를 조사한 결과Ti의 접종량이 증가할수록 등방성의 미세한 재결정 조직이 관찰되었으며 Ti 접종량이 낮으면 압연방향으로 길쭉한 모양의 조대한 결정립이 관찰되었다. 이러한 관계를 도 2에 나타내었다.

도 2에 나타난 바와 같이, Ti를 포정온도에서의 액상선 조성 구간인 0.1~0.15% 보다 많이 첨가한 0.16% Ti의 경우가 0.02%Ti에 비하여 결정입이 보다 미세해짐을 알 수 있다. 상세하게 설명하면, Ti의 함량이 포정온도에서의 액상선 조성 구간인 보다 많이 첨가하고 용탕 유지 온도 구간에서의 액상선 조성보다 적은 0.16%Ti로 유지하면, 용해공정 중에 장시간으로 유지하더라도 주조 공정 중 냉각되면서 다수의 Al₃Ti 입자가 초정으로 미세하게 생성되어 a-알루미늄 상의 핵생성 싸이트로 작용하여 주방상태의 결정립을 미세화되고, 또한 냉간압연 후 어닐링 처리시에도 Al₃Ti 입자가 재결정 핵생성 싸이트로 작용하여 등방성의 미세한 재결정 조직을 유발함을 알 수 있다. 그러나 Ti의 함량이 일반적인 용탕 유지 온도에서의 액상성 조성보다 높은 0.4%Ti를 초과하여 첨가하게 되면, Al₃Ti 입자가 용탕 유지 공정 중에 조대하게 생성되어 기계적 특성을 훼손하게 된다.

한편 상술한 Ti함량을 갖는 4343/3003/4343 알루미늄 클래드 판재의 냉간 프레스 성형성을 평가하기 위하여, 직경 50 mm의 돔형상의 펀치를 이용하여 80 mm/min의 펀칭 속도로 돔장출시험을 수행하였으며, 그 결과, 균열의 발생 없이 프레스가 가능하였던 한계 돔 높이를 도 3에 나타내었다.

도 3에 나타난 바와 같이, Ti 접종량이 0.16%Ti로 증가하면서 냉간 프레스 성형성이 증가하는데 이는 1축 인장성질과는 달리 2차원 형상의 판재를 프레스 성형하기 위해서는 등방성의 미세한 결정립 조직이 유리하기 때문이다.

또한 625℃에서 브레이징 공정을 통해 T 형상의 시편을 제조한 후, 인장실험을 수행하여 접합강도를 평가한 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4에 나타난 바와 같이, Ti의 접종량이 0.16%Ti로 증가할수록 접합강도가 증가함을 알 수 있다. 이는 클래드 판재의 접합강도는 균열 발생이 쉽고 취성이 큰 4343 필러층의 미세조직과 연관이 깊은데, Ti의 함량이 높은 경우에는 브레이징 공정 중에 상당량의 Ti이 4343 필러층으로 유입되어 4343 필러층의 공정 실리콘 및 셀 크기 등 재응고 조직을 미세화한 결과로 보여진다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다 할 것이다.

Claims (6)

1. Al-Mn계 3xxx계 전신재 알루미늄 합금으로서,
   상기 합금에 Ti, Zr, V, Cr 중 선택된 1종 이상의 금속을 첨가하여 이루어지고, 상기 각 원소의 첨가량은 각 원소의 포정온도에서의 액상선 조성보다는 크고 접종 후 용탕 유지 온도에서의 액상선 조성보다는 낮게 첨가하는 것을 특징으로 하는 열교환기의 알루미늄 클래드 박판재용 코어 재료.
2. 제 1항에 있어서, 상기 첨가원소가 Ti인 경우, 그 첨가량을 포정온도에서의 액상선 조성 구간인 0.1~0.15% 보다 많이 첨가하고 0.4% 보다 적게 첨가함을 특징으로 하는 열교환기의 알루미늄 클래드 박판재용 코어 재료.
3. 제 1항에 있어서, 상기 첨가원소가 Zr 인 경우, 그 첨가량을 포정온도에서의 액상선 조성 구간인 0.3% 보다 많이 첨가하고 0.9% 보다 적게 첨가함을 특징으로 하는열교환기의 알루미늄 클래드 박판재용 코어 재료.
4. 제 1항에 있어서, 상기 첨가원소가 V인 경우, 그 첨가량을 포정온도에서의 액상선 조성 구간인 0.26% 보다 많이 첨가하고 0.7% 보다 적게 첨가함을 특징으로 하는 열교환기의 알루미늄 클래드 박판재용 코어 재료.
5. 제 1항에 있어서, 상기 첨가원소가 Cr인 경우, 그 첨가량을 포정온도에서의 액상선 조성 구간인 0.14% 보다 많이 첨가하고 1.2% 보다 적게 첨가함을 특징으로 하는 열교환기의 알루미늄 클래드 박판재용 코어 재료.
6. 제 1항에 있어서, 상기 합금의 주조 시 Al₃Ti, Al₃Zr, Al₂₁V₂, Al₇Cr중 선택된 하나의 석출물이 초정으로 석출하는 것을 특징으로 하는 열교환기의 알루미늄 클래드 박판재용 코어 재료.
   

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