KR20130118447A - An inner liner and pin material for heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 열교환기용 내측 라이너 및 핀 재료에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 열교환기 부품을 경량/고효율화하기 위하여 강성, 성형성, 열전도성이 고루 잘 조합된 알루미늄 클래드 박판의 내측 라이너 소재 및 핀 소재용 재료에 관한 것이다.
The present invention relates to an inner liner and a fin material for a heat exchanger, and more particularly, to an inner liner material and a fin material for an aluminum clad laminate which are well-combined in rigidity, formability and thermal conductivity in order to lighten / Lt; / RTI >
알루미늄 합금 중 Al-Zn계의 7xxx 합금은 열교환기 헤더, 튜브, 캡 등 냉매가 접촉하는 부품의 내식성을 향상시키기 위한 라이너 재료 및 핀 소재로 사용되는 핵심 재료이다. 열교환기는 생산성과 내식성을 향상시기 위해 알루미늄 클래드 박판을 재료로 하여 프레스 가공 및 브레이징 공정에 의하여 제조하고 있다. 열교환기를 구성하는 헤더, 튜브, 캡 등 냉매가 접촉하는 부품의 경우에는 성형성, 내식성, 강도가 적절히 조화되어 있는 Al-Mn계의 3003 합금을 코어층으로 하고 냉매가 접촉하는 내측은 부식을 방지하기 위하여 Al-Zn계의 7072 합금을 라이너 층으로 한 클래드 박판을 사용하고 있다. 또한 열교환기의 핀 부품 역시 열전도성, 성형성이 뛰어나면서도 Zn을 주 합금 원소로 포함하여 희생 양극으로 작용할 수 있는 Al-Zn계의 7072 합금을 주 재료로 사용한다.The Al-Zn-based 7xxx alloy among aluminum alloys is a core material used as a liner material and a fin material for improving the corrosion resistance of a heat-exchanger header, a tube, a cap, and the like. Heat exchangers are manufactured by pressing and brazing processes using aluminum clad sheet as a material in order to improve productivity and corrosion resistance. In the case of refrigerant contact parts such as headers, tubes and caps constituting the heat exchanger, the core layer of the Al-Mn-based 3003 alloy, in which the formability, corrosion resistance and strength are appropriately harmonized, A clad laminate made of an Al-Zn-based 7072 alloy as a liner layer is used. In addition, the fin part of the heat exchanger also uses an Al-Zn-based 7072 alloy which is excellent in heat conductivity and moldability and contains Zn as a main alloy element and can act as a sacrificial anode as a main material.
상기의 알루미늄 클래드 박판은 3xxx 합금을 코어층으로 하고 일면 또는 양면에 4xxx 필러층과 7xxx 라이너층을 샌드위치 형상으로 적층한 후 열간압연법인 Alclad 공정에 의하여 클래드 판재로 접합하고, 프레스 성형을 위한 최종 두께로 냉간압연하여 생산한다.The aluminum clad thin plate is formed by laminating a 4xxx pillar layer and a 7xxx liner layer in a sandwich form on one or both surfaces with a 3xxx alloy as a core layer, joining the clad sheet material by an Alclad process as a hot rolling method, To produce cold rolled steel.
최근 자동차 경량화 및 편의성 향상에 대한 요구 증대로 인해 열교환기와 같은 기존의 부품들은 소형/경량화되면서 동작특성은 더욱 향상될 것을 요구받고 있다. 따라서 사용 소재는 높은 열전도를 확보함과 동시에 방열에 유리한 복잡 형상의 박육 부품으로 성형가공되기 위해 우수한 냉간성형성을 지녀야 하며, 또한 냉매 및 공기의 흐름을 원활하게 하고 제조공정이나 사용 중에 변형되지 않게 하기 위해 높은 강도 값을 동시에 확보하여야 할 필요성이 제기되고 있다. 하지만 일반적으로 열전도도, 강도, 성형성은 서로 상쇄적인 관계에 있다.
In recent years, due to the increase in demand for light weight and convenience, existing components such as heat exchangers are required to be improved in size and weight, thereby improving the operating characteristics. Therefore, the material to be used must have excellent cold forming property in order to secure high thermal conductivity and to be formed into a thin-walled, complex part having favorable heat dissipation, and also to have excellent cold forming property and to smoothly flow the refrigerant and air, It is necessary to secure a high intensity value at the same time. In general, however, thermal conductivity, strength, and formability are mutually offset.
따라서 본 발명은 상기 종래기술의 한계를 해결하기 위한 것으로, 열교환기 부품을 경량/고효율화하기 위하여 기존의 라이너 및 핀 소재인 7072합금 대비 강도 및 성형성을 효과적으로 향상시키면서도 열전도도, 내식성 등 기존의 특성은 동등 수준을 유지할 수 있는 열교환기용 라이너 및 핀 재료를 제공함에 그 목적이 있다.
Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to improve the strength and formability of the 7072 alloy, which is a conventional liner and fin material, in order to lighten / And to provide a liner and a fin material for a heat exchanger which can maintain the same level.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,According to an aspect of the present invention,
중량%로, Zn : 0.8~1.3%, Mg: 0.05~0.2%, Si: 0.1~0.5%, Fe: 0.2~0.6%, Mn: 0.05~0.2%, Ti: 0.01~0.2%, 잔여 알루미늄을 포함하여 이루어진 열교환기용 라이너 및 핀재료에 관한 것이다.
By weight, Zn: 0.8-1.3%, Mg: 0.05-0.2%, Si: 0.1-0.5%, Fe: 0.2-0.6%, Mn: 0.05-0.2%, Ti: 0.01-0.2%, including residual aluminum It relates to a heat exchanger liner and fin material made.
본 발명에서는 상기 조성에서 Mg/Si의 중량비가 1.0 이상으로 함이 바람직하다.
In the present invention, the weight ratio of Mg / Si in the above composition is preferably 1.0 or more.
아울러, Zn+Mg+Si+Fe+Mn+Ti: 2~3% 임이 바람직하다.
In addition, it is preferable that Zn + Mg + Si + Fe + Mn + Ti: 2 to 3%.
상술한 바와 같은 구성의 본 발명은 브레이징 특성을 떨어트리며 열전도도 손실 민감도가 큰 Cu는 첨가하지 않는 대신 Fe, Mg, Si 등 열전도도 손실 민감도가 낮은 다른 석출강화형 합금원소를 복합첨가함으로써 기존의 라이너, 핀 소재인 7072합금 대비 강도 및 성형성을 향상시키면서도 열전도도의 손실을 최소화하고 접합특성을 향상시킬 수 있다. The present invention having the above-described constitution can reduce the brazing characteristic and does not add Cu having a high sensitivity to heat conduction loss. Instead, It is possible to minimize the loss of thermal conductivity and improve the bonding properties while improving the strength and formability of the 7072 alloy as the liner and pin material.
또한 합금원소의 조성비율을 적절히 조절하고 Ti를 첨가함으로써 성형성에 부정적 영향을 미치는 공정 석출상의 생성을 방지하여 냉간성형성을 개선할 수 있다.Also, by controlling the composition ratio of the alloying elements and adding Ti, it is possible to prevent the formation of a process precipitation phase which adversely affects the formability, thereby improving the cold formability.
아울러, Mg/Si의 조성비를 적정범위로 제어함으로써 취성이 강한 실리콘 상이 공정상으로 정출하는 경향을 억제함으로써 인장강도를 향상시키면서도 성형성을 동시에 향상시킬 수 있어 유리하다.In addition, by controlling the composition ratio of Mg / Si to an appropriate range, it is advantageous to improve the formability at the same time while improving the tensile strength by suppressing the tendency of the silicon phase having high brittleness to crystallize in the process.
도 1은 본 발명의 실시예에 사용된 합금재를 통상적인 라이너 및 핀 제품의 제조공정을 따라가며 측정한 경도 및 열전도도의 변화도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 사용된 합금재들의 연신율과 인장강도를 나타내는 그래프이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a graph showing changes in hardness and thermal conductivity of an alloy material used in an embodiment of the present invention, measured along the manufacturing process of conventional liner and fin products. FIG.
2 is a graph showing elongation and tensile strength of alloying materials used in the examples of the present invention.
이하, 본 발명을 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described.
본 발명의 열교환기용 라이너 및 핀재료는, 중량%로, Zn: 0.8~1.3%, Mg: 0.1~0.5%, Si: 0.1~0.4%, Fe: 0.2~0.6%, Mn: 0.05~0.2%, Ti: 0.01~0.1%, 잔여 알루미늄을 포함하여 이루어진다.
A liner and a fin material for a heat exchanger according to the present invention are characterized by comprising 0.8 to 1.3% of Zn, 0.1 to 0.5% of Mg, 0.1 to 0.4% of Si, 0.2 to 0.6% of Fe, 0.05 to 0.2% of Mn, Ti: 0.01 to 0.1%, and the remaining aluminum.
상기 Zn은 양극방식에 의한 부식 방지 효과와 고용강화 및 석출강화에 의한 기지 강화 효과를 위해 첨가되는 원소로서, 그 첨가량이 0.8% 미만이면 방식효과가 약해지고 1.3%를 초과하면 열전도도가 낮아지기 때문에 0.8~1.3% 범위로 첨가하는 것이 바람직하다.
The Zn is an element added for the corrosion prevention effect by the anode method and the strengthening effect by solid solution strengthening and precipitation strengthening. If the addition amount is less than 0.8%, the effect of the corrosion is weakened. If the addition amount exceeds 1.3%, the thermal conductivity is lowered. To 1.3% by weight.
상기 Mg는 고용강화 및 석출강화에 의한 기지 강화 효과를 위해 첨가되는 원소로서 0.1% 미만으로 첨가되면 기지강화 효과가 미비하고 0.5%를 초과하여 첨가되면 열전도도가 낮아지기 때문에 0.1~0.5% 범위로 첨가하는 것이 바람직하다.
When Mg is added as an element added for the strengthening effect by solid solution strengthening and precipitation strengthening, addition of less than 0.1% is insufficient for strengthening the matrix, and when it is added in excess of 0.5%, the thermal conductivity is lowered. .
상기 Si은 고용강화 및 석출강화에 의한 기지 강화 효과를 위해 첨가되는 원소로서 0.1% 미만으로 첨가되면 기지강화 효과가 미비하고 0.4%를 초과하여 첨가되면 열전도도가 낮아지고 성형성을 떨어뜨리기 때문에 0.1~0.4% 범위로 첨가하는 것이 바람직하다.
If the addition of Si is less than 0.1% as an element added for strengthening the matrix by solid solution strengthening and precipitation strengthening, the base strengthening effect is insufficient. If it is added in excess of 0.4%, the thermal conductivity becomes low and the moldability is lowered. To 0.4%.
상기 Fe는 고용강화 및 석출강화에 의한 기지 강화 효과를 위해 첨가되는 원소로서 0.2% 미만으로 첨가되면 기지강화 효과가 미비하고 0.6%를 초과하여 첨가되면 열전도도가 낮아지고 성형성을 떨어뜨리기 때문에 0.1~0.6% 범위로 첨가하는 것이 바람직하다.
The Fe is an element added for the matrix strengthening effect by solid solution strengthening and precipitation strengthening, when the content is less than 0.2%, the matrix strengthening effect is insufficient. It is preferred to add in the range of ˜0.6%.
상기 Mn은 내부응력부식균열 저항성을 향상시키기 위해 첨가되는 원소로서 0.05% 미만으로 첨가되면 내부응력부식균열 방지 효과가 미비하고 0.2%를 초과하여첨가되면 열전도도가 낮아지기 때문에 0.05~0.2% 범위로 첨가하는 것이 바람직하다.
When Mn is added as an element added to improve the internal stress corrosion cracking resistance, an effect of preventing the internal stress corrosion cracking is insufficient when added less than 0.05%. When Mn is added in excess of 0.2%, the thermal conductivity is lowered. .
상기 Ti는 결정립을 미세화함으로써 냉간 성형성을 향상시키기 위해 첨가되는 원소로서 0.01% 미만으로 첨가되면 결정립 미세화 효과가 감소하고 0.1%를 초과하여 첨가되면 열전도도가 낮아지기 때문에 0.01~0.1% 범위로 첨가하는 것이 바람직하다.
When Ti is added in an amount of less than 0.01% as an element added to improve cold formability by refining the crystal grains, the effect of grain refinement decreases. When Ti is added in an amount exceeding 0.1%, the thermal conductivity is lowered. .
본 발명에서는 상기 조성에서 Mg/Si의 중량비를 1 이상으로 함이 바람직하다. 만일 Mg/Si의 조성 비율이 1 이하인 경우에는 성형성을 떨어뜨리는 취성이 강한 실리콘 상이 공정상으로 정출하는 경향이 있으며, 이에 따라 상기와 같이 조성비를 제한함으로써 취약상의 생성을 방지 또는 최소화함으로써 인장강도를 향상 시키면서도 성형성을 동시에 향상시킬 수 있는 것이다.
In the present invention, the weight ratio of Mg / Si in the above composition is preferably 1 or more. If the composition ratio of Mg / Si is less than 1, the brittleness of the silicon phase which tends to deteriorate the formability tends to be determined in the process. Thus, by limiting the composition ratio as described above, The moldability can be improved at the same time.
아울러, Zn+Mg+Si+Fe+Mn+Ti: 2~3% 임이 바람직하다. Zn, Mg, Si, Fe 등 석출강화형 원소들을 2% 이상 복합첨가하고 주조, 성형, 열처리 등 제조공정을 제어함으로써 열전도도의 손실 없이 기지를 효과적으로 강화시킬 수 있지만, 첨가량이 3% 를 초과하여 첨가되는 경우에는 열전도도의 손실이 커지기 때문에 바람직하지 않다.
In addition, it is preferable that Zn + Mg + Si + Fe + Mn + Ti: 2 to 3%. It is possible to effectively strengthen the matrix without loss of thermal conductivity by controlling the manufacturing process such as casting, molding, and heat treatment by additionally adding 2% or more of precipitation strengthening elements such as Zn, Mg, Si and Fe. However, It is undesirable to increase the loss of thermal conductivity.
상술한 바와 같이, 본 발명은 브레이징 특성을 떨어트리며 열전도도 손실 민감도가 큰 Cu는 첨가하지 않는 대신 Fe, Mg, Si 등 열전도도 손실 민감도가 낮은 다른 석출강화형 합금원소를 복합첨가함으로써 기존의 라이너, 핀 소재인 7072합금 대비 강도 및 성형성을 향상시키면서도 열전도도의 손실을 최소화하고 접합특성을 향상시킬 수 있다.
As described above, according to the present invention, Cu is not added, which is deteriorated in brazing characteristics and has a high sensitivity to heat conduction loss, and other precipitation-strengthening alloying elements having a low sensitivity to thermal conductivity loss such as Fe, Mg, It is possible to improve the strength and formability of the 7072 alloy, which is the liner and the fin material, while minimizing the loss of thermal conductivity and improving the bonding properties.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples.
(실시예)(Example)
상기 표 1의 조성을 갖도록 합금을 유도로를 이용하여 각각 용해 후, 그 용탕을 750℃로 유지하며 Al-10%Ti 모합금을 접종제로 이용하여 용탕 내 Ti의 함량이 0.01%가 되도록 각각 첨가하였다. 그리고 Ti 첨가 후 5~30분을 유지한 후, 케비티 직경 170 mm의 금형에 주조하여 빌렛 시험편을 제조하였다. 후속하여, 빌렛으로부터 채취한 두께 20 mm 시편을 500℃에서 1시간 균질화 열처리를 수행하고, 이어, 500℃에서 압하율 80~90%로 열간 압연하였다. 계속하여 열간 압연된 소재를 480℃에서 20분간 중간 소둔한 후, 상온에서 압하율 60~70% 수준으로 냉간 압연하였으며, 후속하여 300℃에서 1시간 동안 잔류 응력 제거 열처리를 수행함으로써 두께 1.4 mm의 판재를 제조하였다.
The alloys were melted using an induction furnace so as to have the composition shown in Table 1, and the molten metal was maintained at 750 DEG C and Al-10% Ti parent alloy was added as an inoculant so that the content of Ti in the molten metal became 0.01% . After the addition of Ti, it was maintained for 5 to 30 minutes and cast into a mold having a diameter of 170 mm to prepare a billet test piece. Subsequently, a 20 mm thick specimen taken from the billet was subjected to homogenization heat treatment at 500 DEG C for 1 hour and then hot rolled at 500 DEG C with a reduction ratio of 80 to 90%. Subsequently, the hot-rolled material was subjected to intermediate annealing at 480 ° C. for 20 minutes, followed by cold rolling at a reduction rate of 60 to 70% at room temperature, followed by a residual stress relief annealing at 300 ° C. for 1 hour, A plate material was prepared.
상기 제조공정의 각 단계별 경도와 열전도도를 측정하여 그 변화 추이를 도 1에 나타내었다. 도 1에 나타난 바와 같이, 전 경도가 상승하는 성형공정을 포함하여 제조하면, 일반적으로 균질화시 열전도도가 감소하게 되는데 반하여 본 실험의 합금재 1-3은 열전도도가 증가하고 있다. 또한 경도가 크게 상승한 강한 가공경화 처리 후에도 열전도도 감소 현상이 관찰되지 않았다. 이는 300~500℃ 부근에서 진행된 균질화, 열간압연, 중간소둔, 냉간압연, 어닐링 등 제조공정상에서 석출강화 및 결정립 성장에 따른 전도도 향상 효과가 소성변형 및 균질화에 따른 열전도도 감소 효과를 상쇄하였기 때문인 것으로 보여진다. 결과적으로, 최종 어닐링 처리 후에 열전도도는 합금 1-3 모두에 있어서 200 W/mK 이상의 높은 값을 보이고 있다. 즉, 제조공정 및 합금 함량에 따른 경도 및 열전도도 변화를 비교해 보면, 어닐링 후 경도는 Mg 함량이 증가(합금 2-3)함에 따라 40% 증가하였으나, 열전도도의 손실은 없었다. 즉, 도 1에 나타난 바와 같이, 라이너 및 핀 부품이 최종 제품 상태로 사용되는 어닐링 상태에서 합금 2-3이 합금 1에 비하여 열전도도의 손실이 전혀 없이 강성(경도)을 40% 이상 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
The hardness and thermal conductivity of each step of the above manufacturing process are measured and the change of the hardness is shown in FIG. As shown in FIG. 1, when the manufacturing process including the forming process in which the total hardness is elevated is performed, the thermal conductivity generally decreases during homogenization, while the thermal conductivity of the alloy 1-3 of the present experiment is increased. Further, no thermal conductivity decrease phenomenon was observed even after a strong work hardening treatment in which the hardness greatly increased. This is because the improvement in conductivity due to the precipitation strengthening and crystal grain growth in the manufacturing process such as homogenization, hot rolling, intermediate annealing, cold rolling, and annealing proceeded at about 300 to 500 ° C offset the thermal conduction reduction effect due to plastic deformation and homogenization . As a result, the thermal conductivity after the final annealing treatment is higher than 200 W / mK for all of the alloys 1-3. In other words, comparing hardness and thermal conductivity changes according to the manufacturing process and alloy content, hardness after annealing increased by 40% as Mg content increased (alloy 2-3), but there was no loss of thermal conductivity. That is, as shown in FIG. 1, in the annealing state in which the liner and the pin part are used in the final product state, the alloy 2-3 can improve the rigidity (hardness) by 40% or more without any loss of thermal conductivity .
한편 상기와 같이 제조된 각 합금별 판재의 연신율과 인장강도를 측정하여 도 2에 나타내었다. 도 2에 나타난 바와 같이, 일반적으로 합금량이 증가하면 강도는 증가하고 연신율은 감소하지만, 본 실험에서는 전체적인 합금량이 낮은 합금 1의 경우가 합금 2-3에 비교하여 강도가 80% 수준으로 낮으면서도 연신율 역시 30% 수준으로 낮았다. 이는 Mg의 함량에 따라 초정상 및 공정상의 종류에는 변화가 없으나 최종 생성상이 달라지기 때문인데, 구체적으로 화학성분간의 조성비, 특히 Mg/Si의 조성비가 1 보다 낮은 합금 1의 경우에는 최종 불변반응에서 취성이 강한 실리콘 상이 정출하기 때문이다.The elongation and the tensile strength of each of the alloys produced as described above were measured and shown in FIG. As shown in Fig. 2, generally, when the amount of the alloy increases, the strength increases and the elongation decreases. However, in this experiment, the alloy 1 having a lower total alloy amount has a strength as low as 80% And 30%, respectively. This is due to the fact that there is no change in the kind of Mg and the kind of final product depending on the content of Mg. However, in the case of alloy 1 having a composition ratio of chemical component, especially Mg / Si composition ratio of 1, This is because a brittle silicon phase is formed.
Ti을 0.01% 이상 첨가해 주면 전 빌렛에 있어서 등축정의 주조조직이 얻어지고 결정립이 1/20 이하의 수준으로 미세화되는데 이는 냉간 성형성을 향상시키는 효과가 있다. 조대한 주상정 조직의 경우에는 냉간 성형성을 떨어뜨리고 성형공정에서 이방성을 야기하게 된다. 따라서 고 Mg/Si의 조성비가 1 이상이면서 0.01%의 Ti를 접종처리하였던 합금 2-3은 합금 1에 비하여 인장강도 및 연신율을 동시에 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
If 0.01% or more of Ti is added, an equiaxed-defined cast structure is obtained in the former billets and the grain size is reduced to 1/20 or less, which has an effect of improving the cold formability. In case of coarse columnar structure, the cold forming property is lowered and anisotropy is caused in the forming process. Therefore, it can be seen that the alloy 2-3 having the high Mg / Si composition ratio of 1 or more and having been subjected to the inoculation treatment of Ti with 0.01% can improve the tensile strength and elongation at the same time as the alloy 1.
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.
As described above, the present invention is not limited to the above-described specific preferred embodiments, and any person skilled in the art can make various modifications without departing from the gist of the invention claimed in the claims. And it is intended that the present invention covers the modifications and variations of this invention provided they come within the scope of the appended claims.
Claims (3)
The heat exchanger liner and fin material according to claim 1, wherein Zn + Mg + Si + Fe + Mn + Ti in the composition is 2-3 wt%.
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