KR20130131587A

KR20130131587A - 자동차 열 교환기의 알루미늄 합금 조성물

Info

Publication number: KR20130131587A
Application number: KR1020120055246A
Authority: KR
Inventors: 이영호; 신성종; 박권성; 김종각
Original assignee: 조일알미늄(주)
Priority date: 2012-05-24
Filing date: 2012-05-24
Publication date: 2013-12-04

Abstract

자동차 열교환기용 튜브, 써포트, 또는 헤더용 소재에 적용할 수 있는 소재를 제조하기 위하여 브레이징 후 견딜 수 있는 고 인장 강도를 유지하면서 내식성 및 내압성이 우수한 고기능성 자동차 열교환기의 알루미늄 합금 조성물이 제공된다. 자동차 열교환기의 알루미늄 합금 조성물은 중량으로 Si 0.1 내지 0.5 %, Cu 0.2 내지 0.6 %, Mn 1.0 내지 1.8 %, Ti 0.02 내지 0.1 %, Mg 0.05 내지 0.35 %, Zr 0.01 내지 0.1 %를 함유하고, 잔부가 Al 및 불가피한 불순물로 이루어진다. 상기 자동차 열교환기의 알루미늄 합금 조성물은 자동차 열 교환기의 알루미늄 합금 소재가 가지고 있어야 할 특성 중 무엇보다 중요한 고온 강도가 종래에 비하여 20 ~ 60 Mpa 우수하다.

Description

자동차 열 교환기의 알루미늄 합금 조성물{Aluminium alloy composition for vehicle exchanger}

본 발명은 자동차 열 교환기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고강도, 고부식성, 및 고 성형성을 가지는 자동차 열교환기의 튜브, 써포트, 또는 헤더용 고기능성 알루미늄 합금 조성물에 관한 것이다.

자동차에는 엔진의 냉각과 공조를 목적으로 라디에이터, 오일냉각기, 중간 냉각기, 응축기, 증발기, 히터 코어 등 다수의 열교환기가 사용되고 있으며, 자동차 열교환기에 요구되는 경량화와 높은 열 전도도로 인하여 알루미늄 합금 소재가 적용되고 있다.

종래 기술에서 알루미늄 합금은 열교환기 용도에 따라 선택된다. 모든 소재가 경량화를 위하여 고강도를 가져야 하지만 합금 성분에 있어서는 차이를 보인다. 핀재의 경우 희생 양극 역할을 위하여 Zn 함량이 높고, 튜브 재 등의 경우는 핀 재보다 내식성이 우수하여야 하므로 Cu 함량이 높은 합금이 주로 사용된다. 또한, 튜브 재 등의 경우 핀 재와 브레이징으로 결합되기 때문에 클래드 재로 사용된다.

자동차용 열교환기는 작동 유체의 유로를 형성하는 관인 튜브와 열 교환 성능을 향상시키기 위한 핀으로 구성되고, 열교환기의 소형화 및 경량화를 위하여 핀재와 더불어 튜브 재, 써포트 재, 헤더 재 모두 두께를 점점 줄이고 있으며, 이처럼 두께를 줄이기 위하여 기존 소재에 비하여 인장 강도가 높으면서 열교환 성능이 높은 소재가 필요하다. 특히 튜브 재의 경우 고압의 유체가 관통하므로 우수한 내압성이 보장되어야 하므로 고강도 소재여야 하며, 롤 포밍(roll forming)을 위하여 성형성도 우수하여야 하고, 핀 재와 결합하였을 경우 열교환기의 관통 부식에 의한 기능 상실 문제에 대한 부식성의 제어 기술이 필수적이다.

현재 자동차 열교환기 튜브, 헤더, 또는 써포트용 브레이징 소재로 전 세계적으로 수많은 소재가 개발되었으며 통상 Al-Cu-Mn계가 주로 사용되고 있고, 브레이징 온도 610 ℃ 및 극한 조건에서도 사용되는 자동차의 특성에 대한 다양한 기능을 충족시키기 위하여, 브레이징 후 높은 인장 강도를 유지하면서 고 내식성을 가진 고기능성 소재의 개발이 요구되고 있다.

특허 등록번호 제 10-0358757 호에는 Al-Mg-Si-Cu계의 알루미늄 합금으로 이루어져 알루미늄 합금의 압출성을 향상시킬 수 있도록 하는 압출성이 우수한 고강도 알루미늄 합금이 개시되어 있다. 하지만, 자동차 열 교환기용으로 적당한 인장 강도 및 내식성을 가지지 못한 단점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로,자동차 열교환기용 튜브, 써포트, 또는 헤더용 소재에 적용할 수 있는 소재를 제조하기 위하여 브레이징 후 견딜 수 있는 고 인장 강도를 유지하면서 내식성 및 내압성이 우수한 고기능성 자동차 열교환기의 알루미늄 합금 조성물을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 자동차 열교환기의 알루미늄 합금 조성물은 중량으로 Si 0.1 내지 0.5 %, Cu 0.2 내지 0.6 %, Mn 1.0 내지 1.8 %, Ti 0.02 내지 0.1 %, Mg 0.05 내지 0.35 %, Zr 0.01 내지 0.1 %를 함유하고, 잔부가 Al 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

자동차 열 교환기를 만들 때, 고온에서 브레이징하여 튜브와 알루미늄 핀을 접합한다. 즉, 고온에서 처리하므로 강도가 강해야 하며, 또한 공조기 특성상 고열전도성을 가지는 재질이어야 하므로, 튜브 재료에 있어서, 고강도, 고열전도성을 가지는 합금이 필요하다. 또한, 자동차 열교환기는 사막, 바다, 열대 지역, 극 지방 등의 극한 기후 조건에서 사용되어 지므로 적절한 고 내식성을 필요로 하면서 튜브 및 핀의 희생 양극 효과를 고려한 내식성 조절이 필요하고 공조기의 구조 강화를 위하여 고강도가 요구된다. 즉 자동차 열교환기 튜브 소재는 고온 인장 강도, 고전기 전도도(열 효율성), 고 내식성을 가지면서 튜브 소재가 핀 소재보다 먼저 부식되어 공식이 발생하는 것을 방지하기 위하여 핀 소재보다 높은 내식성을 가짐으로써, 핀 소재가 희생 양극 효과를 가져야 한다.

이는 적절한 합금 조성의 조합과 제조공정의 제어에 의하여 달성될 수 있으며, 나중에 설명할 표 1을 참조하여, 본 발명과 종래의 알루미늄 합금 튜브재를 비교 검토하여 보면, 자동차 열 교환기의 알루미늄 합금 소재가 가지고 있어야 할 특성 중 무엇보다 중요한 고온 강도가 본 발명이 종래에 비하여 20 ~ 60 Mpa 우수하다. 따라서 본 발명은 자동차 경량화 및 에너지 절감 목적에 가장 적절한 자동차 열교환기용 소재 중의 하나이다. 특히 Zr을 함유함으로써 내식성의 저하없이 브레이징 후 인장 강도가 10 % 이상 더욱 향상되고, 성형성도 조직 개선에 의하여 향상됨을 알 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명의 실시 예에 따른 자동차 열교환기의 알루미늄 합금 조성물은 중량으로 Si 0.1 내지 0.5 %, Cu 0.2 내지 0.6 %, Mn 1.0 내지 1.8 %, Zr 0.01 내지 0.1 %, Mg 0.05 내지 0.35 %, Ti 0.02 내지 0.1 %를 함유하고, 잔부가 Al 및 불가피한 불순물로 이루어진다.

자동차 열교환기는 열 교환 성능을 높이기 위하여, 고온에서 소재가 열을 받게 되어도 견딜 수 있게 브레이징 후 인장 강도가 높아야 하고, 높은 전기전도도, 우수한 내 부식성을 가져야 한다. 본 발명은 위와 같은 우수한 특성이 있는 고기능 알루미늄 합금 소재를 제조한다.

본 발명에 따른 자동차 열교환기의 알루미늄 합금 제조 방법은 중량으로 Si 0.1 ~ 0.5 %, Cu 0.2 ~ 0.6 %, Mn 1.0 ~ 1.8 %, Zr 0.01 ~ 0.1 %, Mg 0.05 ~ 0.35 %, Ti 0.02 ~ 0.1 %를 함유하고, 잔부가 Al 및 불가피한 불순물로 이루어진 고상의 알루미늄 합금 원료를 액상으로 용해하여, 용해된 알루미늄 용탕을 연속주조 또는 반 연속 주조 방법으로 주조한다. 바람직하게는 회전하는 상하 롤 사이로 연속으로 주입하여 4~8 mm 두께로 응고시켜 코일 형태로 주조하는 연속주조(3C 주조) 후 압연 가공 경화를 통하여 두께를 박판화하게 된다. 가장 바람직하게는, 상기 연속주조 단계는 700 내지 750℃의 온도 범위에서 행해지고, 상기 소둔 열처리는 380 내지 500℃의 온도 범위에서 행해진다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 자동차 열교환기의 알루미늄 합금 튜브, 헤더, 써포트재 제조방법을 상세히 설명한다. 중량으로 Si 0.1 내지 0.5 %, Cu 0.2 내지 0.6 %, Mn 1.0 내지 1.8 %, Zr 0.01 내지 0.1 %, Mg 0.35 % 이하, Ti 0.02 내지 0.1 %, 잔부가 Al 및 불가피한 불순물로 이루어진 알루미늄 합금을 가열하여 액상으로 용해하여 합금 조성을 만든다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금의 합금 원소 함유량 제한에 대한 이유는 하기에 설명되며, 모든 조성비는 중량 %이다.

본 발명의 실시 예에 의하면, 0.1 ~ 0.5 %의 Si가 첨가되는 것이 바람직하다. 규소(Si)는 고용강화 및 용탕의 유동성 증가를 통한 주조성 개선과 미세 조직 제어를 위하여 첨가한다. 첨가량이 0.1 % 미만일 경우 강화 목적에 불충분하지만 함께 첨가되는 소량의 Mg과 결합하여 Mg₂Si 금속 간 화합물을 만들어 석출 강화 효과를 기대할 수 있다. 규소 성분을 많이 첨가할 경우, 즉 0.5%를 초과할 경우 브레이징 공정 중 입계 침식의 위험성이 높아지기 때문에 적정량으로 제한이 필요하다. 규소를 첨가하지 않을 경우 합금의 미세조직이 불균일하여 강도가 불균일하게 된다.

구리(Cu)는 고온 강도, 열전도성, 내식성 및 전기 전도도를 향상시키기 위하여 첨가한다. 구리는 고온에서 고용되어 저온에서 석출 상을 형성하여 석출 강화 및 고용 강화를 유발한다. 또한, Al 합금에 Cu가 첨가되면 Al₂Cu(θ"상) 중간상 석출물이 형성되고, 고르게 분포된 Al₂Cu(θ"상) 상이 결정립 생성의 핵으로 작용하여 결정립 미세화 및 결정립 성장 억제 역할을 한다. 0.2 내지 0.6 %로 한정하는 이유는, 0.2 % 미만에서는 고온 강도 향상 목적에 불충분하며, 0.6 %를 초과하는 경우 금속 간 화합물에 의한 개재물 발생이 많기 때문이다. 본 발명의 실시 예에 의하면, 0.4 중량 %의 Cu가 첨가되는 것이 바람직하다.

망간(Mn)은 기지 상에 고용된 입자에 의한 고용강화와 금속 간 화합물에 의한 분산강화를 위하여 첨가한다. 1.0 내지 1.8 %로 한정하는 이유는, 1.0 % 미만에서는 고용체 강화 목적에 불충분하며, 1.8 %를 초과할 경우 전기전도도가 저하되며, 매우 높은 Mn 함유량은 유해한 조대 Fe-Mn 금속 간 화합물을 형성시키기 때문이다. 본 발명의 실시 예에 의하면, 1.6 %의 Mn이 첨가되는 것이 바람직하다.

마그네슘(Mg)은 합금의 강도를 증가시키지만, 제공된 플럭스와 상호 작용하는 경향이 있어 브레이징성에 유해한 영향을 미친다. 이러한 이유로 Mg의 최대 함유량은 0.05 내지 0.35%로 제한된다. 본 발명의 실시 예에 의하면, 0.3 %의 Mg이 첨가되는 것이 바람직하다.

티타늄(Ti)은 고용체 강화 및 결정립 미세화를 위하여 첨가한다. Ti는 전기전도도를 감소시키지만 B첨가에 의해서 생성되는 TiB₂에 의해 감소되는 범위를 줄일 수 있으며, 조직을 층상 조직으로 유도하여 내식성을 증가시키는 역할도 있다. 0.02 내지 0.1 %로 한정하는 이유는, 0.02 % 미만에서는 결정립 미세화 효과가 불충분하고, 0.1 %를 초과할 경우 금속 간 화합물 발생량 증가에 의한 품질을 저하하기 때문이다. 본 발명의 실시 예에 의하면, 0.05 %의 Ti가 첨가되는 것이 바람직하다.

지르코늄(Zr)은 냉각과정 중에 Al₃Zr의 준 안정 석출물을 석출시켜 결정립의 성장을 억제함으로써 결정립을 미세화시키고 회복 및 재결정을 방해하는 역할을 하며, 소량의 Zr을 첨가하면 재결정 온도가 상승하여 내열성이 향상된다. 또한, Al₃Zr 석출상의 석출에 의한 고용 강화 및 분산 강화 효과로 합금의 강도가 개선된다. 0.01 내지 0.15 %로 한정하는 이유는, 0.01 % 미만에서는 결정립 미세화 효과 및 석출강화 효과가 불충분하고, 0.15 %를 초과할 경우 결정립 미세화를 위하여 첨가한 Ti의 결정립 미세화 효과를 감소시켜 품질을 저하하기 때문이다. 본 발명의 실시 예에 의하면, 0.09 %의 Zr이 첨가되는 것이 바람직하다.

상기 잔량의 알루미늄(Al)은 Al 주괴로서 순도 99.7% 이상의 알루미늄 원재료를 이용한다.

철(Fe)은 모든 알루미늄 합금에 존재하는 원소로 불순물로서 미량의 Fe가 첨가되어 있다. 소량을 투입할 경우 결정립 크기를 감소시켜 강도를 조금 상승시키지만 그 정도는 미약하다. 그러나 고온 강도를 향상시켜 새그성을 향상시키는 역할을 한다. 철의 경우 인위적으로 첨가하지 않아도 주괴에 어느 정도 함유되어 있으며, 초정 (Fe,Mn)Al₆의 생성을 방지하기 위하여 Fe+Mn 함량을 일정량 이하로 관리해야 하기 때문에 인위적 첨가를 하지 않았다. 철을 첨가할 경우 강도 향상을 위한 망간의 첨가량을 줄여야 하기 때문이다.

그 후, 상기 용해된 알루미늄 용탕을 회전하는 상하 롤 사이로 연속 주입하여 응고시킴으로써 코일 형태로 주조한다. 이어서, 상기 주조된 코일을 압연 가공하여 0.2 내지 2 mm 두께의 코일을 얻는다. 상기 박판화된 알루미늄 합금 튜브, 헤더, 써포트 재에 대하여 610 ℃에서 10분간 고온 열처리 후 인장 강도, 연신율, 및 부식 전위를 측정하였고, 그 결과는 표 1과 같다.

합금		화학조성( wt. %, 나머지 Al )								고온 인장 강도 (MPa)	연신율 (%)	부식 전위 (-mv)
합금		Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Ti	Zr	Zn	고온 인장 강도 (MPa)	연신율 (%)	부식 전위 (-mv)
종래 합금	3003	0.18	0.58	0.17	1.18		0.03			120	18	730
	3917	0.14	0.34	0.44	1.1		0.14		0.04	135	18	708
	3905	0.47	0.28	0.42	1.3	0.23			0.15	160	15	716
본발명	시험 1	0.03	0.40	0.45	1.56	0.28	0.08			155	15	725
	시험 2	0.04	0.41	0.45	1.54	0.27	0.08	0.05		168	16	729
	시험 3	0.03	0.40	0.44	1.55	0.28	0.07	0.09		173	20	729
	시험 4	0.04	0.40	0.46	1.56	0.27	0.08	0.09	0.35	173	20	741
	시험 5	0.05	0.12	0.45	1.55	0.30	0.06			153	15	663
	시험 6	0.05	0.13	0.44	1.54	0.31	0.05	0.09		169	20	663
	시험 7	0.30	0.14	0.43	1.56	0.29	0.05			163	20	635
	시험 8	0.31	0.14	0.44	1.57	0.31	0.05	0.09		180	21	636

표 1에 의하면, 본 발명의 합금은 종래 합금에 비해 고온 인장 강도, 부식위, 성형성 모두 우수함을 알 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예로서 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.

Claims

중량으로 Si 0.1 내지 0.5 %, Cu 0.2 내지 0.6 %, Mn 1.0 내지 1.8 %, Ti 0.02 내지 0.1 %, Mg 0.05 내지 0.35 %, Zr 0.01 내지 0.1 %를 함유하고, 잔부가 Al 및 불가피한 불순물로 이루어지는 자동차 열교환기의 알루미늄 합금 조성물.