KR20190095536A - 써멀 플럭스-프리 접합 방법에 사용하기 위한 알루미늄 복합 재료 및 그러한 알루미늄 복합 재료를 제조하는 방법 - Google Patents

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올라프 귀스겐
토르스텐 리흐터
하르트무트 얀센
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하이드로 알루미늄 롤드 프로덕츠 게엠베하
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Abstract

본 발명은 알루미늄 코어 합금으로 구성된 적어도 하나의 코어 층과 알루미늄 솔더 합금으로 구성된 코어 층의 한쪽 또는 양쪽에 제공되어 있는 적어도 하나의 외각 솔더 층을 포함하며, 써멀 플럭스-프리 접합 방법에 사용하기 위한 알루미늄 복합 재료에 관한 것이다. 종래 기술로부터 알려져 있는 단점이 방지되면서도 진공 및 플럭스를 사용하지 않는 보호 가스 분위기 모두에서 솔더링 특성이 더욱 최적화될 수 있는 써멀 플럭스-프리 접합 방법에 사용하기 위한 알루미늄 복합 재료를 제안하는 목적은, 성분조성으로, 6.5%≤Si≤13%, Fe≤1%, 230ppm≤Mg≤450ppm, Bi<500ppm, Mn≤0.15%, Cu≤0.3%, Zn≤3%, Ti≤0.30%, 잔부는 Al과 개별적으로 최대 0.05%, 총량이 최대 0.15%의 불가피한 불순물을 구비하고(단위는 중량%), 알루미늄 솔더 층 표면은 알칼리 세척 또는 산 세척되는, 알루미늄 솔더 합금에 의해 달성된다. 본 발명은 알루미늄 복합 재료 특히 본 발명에 따른 알루미늄 복합 재료를 제조하는 방법에도 관한 것으로, 상기 알루미늄 복합 재료는 알루미늄 코어 합금으로 구성된 적어도 하나의 코어 층과 알루미늄 솔더 합금으로 구성된 코어 층의 한쪽 또는 양쪽에 제공되어 있는 적어도 하나의 외각 솔더 층을 포함한다. 본 발명은 컴포넌트들을 열적으로 접합하는 방법과 열적으로 접합된 구조물에도 관한 것이다.

Description

써멀 플럭스-프리 접합 방법에 사용하기 위한 알루미늄 복합 재료 및 그러한 알루미늄 복합 재료를 제조하는 방법{ALUMINUM COMPOSITE MATERIAL FOR USE IN THERMAL FLUX-FREE JOINING METHODS AND METHOD FOR PRODUCING SAME}
본 발명은 알루미늄 코어 합금으로 구성된 적어도 하나의 코어 층과 알루미늄 솔더 합금으로 구성되어 상기 코어 층의 일 측 또는 양 측에 제공되는 적어도 하나의 외각 솔더 층을 포함하는, 써멀 플럭스-프리 접합 방법에 사용하기 위한 알루미늄 복합 재료에 관한 것이다. 본 발명은 또한 알루미늄 코어 합금으로 구성된 적어도 하나의 코어 층이 제공되고, 상기 코어 층의 일 측 또는 양 측에 알루미늄 솔더 합금으로 구성된 적어도 하나의 외각 솔더 층이 부착되어 있는 알루미늄 복합 재료, 특히 본 발명에 따른 알루미늄 복합 재료를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 열적으로 접합된 구조물뿐만 아니라 열적으로 컴포넌트를 접합하는 방법에도 관한 것이다.
알루미늄 코어 합금으로 구성된 적어도 하나의 코어 층과 상기 코어 층의 일 측 또는 양측 위에 제공되어 있는 적어도 하나의 솔더 층을 구비하는 알루미늄 복합 재료는 솔더링되는 구조물을 제조하는 데에 사용된다. 솔더링된 구조물은 종종 복수의 솔더링 지점을 구비하며, 그러한 케이스의 일 예시가 열교환기이다. 이 경우, 금속 컴포넌트를 솔더링하기 위해 다양한 솔더링 기법이 사용된다.
가장 널리 사용되는 방법 중 한 방법이 제어된 분위기 브레이징(CAB: controlled atmosphere brazing) 법으로, 이 방법에서 알루미늄 컴포넌트들은 플럭스 용제(fluxing agent)를 사용하여 솔더링 되며, 솔더링 작업은 불활성 가스 분위기에 예컨대 질소 분위기에 노출되는 것이 일반적이다. 다른 써멀 접합법도 용제를 사용하고, 보호성 가스가 있는 상태에서 알루미늄 솔더를 연화시킨다. 그러나 부식성 또는 내식성 용제를 사용하는 것은, 예컨대 설비 비용을 증가시키고, 용제 잔부와 예컨대 열교환기 내의 냉각 첨가제가 반응하는 중에 나타나는 기술적 문제와 같은 단점을 내재하고 있다. 또한, 용제를 사용하는 것은 환경 영향을 방지하거나 작업 안전 관점에서 문제가 있다. 최근, CAB 공법에서, Mg-함유 솔더 합금의 사용이 문제가 되는데, 이는 마그네슘이 보호성 가스 분위기에서 솔더 특성에 좋지 않은 영향을 주기 때문이다. 마그네슘은 용제와 강력하게 반응한다. 이것이 상기 용제가 용제의 실제적인 기능을 더 이상 수행할 수 없으며, Mg가 다량인 경우 궁극적으로 솔더링이 더 이상 수행될 수 없는 이유이다. 반응 생성물이 솔더링 슬리브 외피를 덮어서, 더 자주 교환되어야 한다. 또한 솔더링 필렛 내에 기포가 발생할 수도 있으며, 솔더링된 컴포넌트가 변색될 수도 있다.
광범위하게 사용되는 두 번째 방법은 진공 솔더링이다. 이 방법은, 예컨대 대략 10-5 mbar 이하의 저압 분위기에서 컴포넌트들을 솔더링한다. 진공 솔더링은 용제를 사용하지 않으면서 실시될 수 있다. 이러한 이유로, 진공 솔더링된 컴포넌트들은 솔더링 공정이 끝난 후에 표면 청정도가 상당히 높은 것으로 간주될 수 있다. 이 방법으로 솔더링된 컴포넌트들의 솔더링 품질은 통상 매우 우수하다.
그러나 진공 솔더링 설비는 투자와 운용 측면에서 매우 고가이다. 또한 보호성 가스 솔더링에 비해 작업처리 성능이 상당히 낮다.
그러나 진공 솔더링에서, 솔더링 노 분위기의 잔류 가스와 불순물들이 솔더 층과 반응함에 따라, 솔더 품질이 떨어질 수 있다. 솔더 층은 산화물 층을 구비한다. 산화물 층 표면에서는 솔더의 젖음(wetting) 물성이 떨어질 수 있다. 솔더 품질을 개선하기 위해, 개선된 솔더 결과를 얻기 위해, 일반적으로 결정된 비율의 마그네슘이 알루미늄 솔더에 첨가된다. 솔더 층 내의 마그네슘은 솔더 용융 온도 미만에서 벌써 증발하기 시작하여 솔더링에 도움이 되는 방식으로 산화물 층이 붕괴된다. 솔더 층이 용해되면, Mg 증발이 용탕 표면 위의 산화물 층에 대한 부정적인 효과를 줄일 수 있다. 또한, 증발된 마그네슘은 게터 재료로 기능하며, 예를 들면 노 분위기 내의 산소 및 수분과 반응한다. 이에 따라 이러한 잔류 가스가 솔더 층에서 제거될 수 있다.
DVS 미디어 출판사에서 출판된, H. Schoer이 쓴 서적 Schweißen und Hartloeten von Aluminiumwerkstoffen에, 진공 솔더링에서 Mg 함량이 초기에 2-3%라는 것이 기재되어 있다. 진공 솔더링에 대한 후속 개발을 통해, 솔더 함금의 Mg 함량이 최대 1.2%로 감소될 수 있다. 재료 내의 다른 합금들이 이에 대응하는 현저하게 높은 Mg 함량을 구비할 때, 진공 솔더링은 이 Mg 함량 이하에서만 가능하다.
이에 따라, 일반적으로, 상대적으로 Mg 함량이 높은 솔더 합금이 진공 솔더링에 사용된다. Mg 함량이 적어도 1.0 중량% Mg인 이들 솔더 합금은 통상적으로 AA 4004 또는 AA 4104이다.
그러나 이렇게 통상적으로 사용되는 고 Mg 함량은 증발된 Mg 응축물이 노 내에 잔류물로 침전될 수 있다는 단점이 있다. 그 결과, 이러한 잔류물을 제거하기 위해 짧은 주기로 노를 고가의 비용을 들여 세척해야 한다. 이는 비용을 추가로 들게 하며, 노 설비 생산성을 떨어뜨리게 된다.
이에 따라 CAB법에 대한 플럭스-프리 대안으로 진공 솔더링이 제공되지만, 진공 솔더링은 설비 측면에서 매우 복잡해서 비용이 매우 많이 든다. 또한, Mg 함량이 많아야 한다는 요건으로 인해 이전에는 재료 선택이 제한적이었다. 결정된 써멀 접합법에서의 사용은, 재료의 성분조성으로 인해 이미 통상적으로 사전에 결정된다. Mg 함량이 낮은 솔더 합금은 특히 플럭스 용제를 사용하는 CAB 방법에 사용된다. 그러나 Mg 함량이 낮은 솔더 합금은 이전에 진공 솔더링 방법에서 신뢰성 있으면서 경제적인 접합을 하기에는 적당하지 않다. 대략 1.0 중량% Mg 이상의 고 Mg 함량의 솔더 합금은 진공 솔더링에 사용되어 우수한 솔더 결과를 나타낼 수 있지만, 전체적으로 CAB 방법에는 적당하지 않다. 이에 따라 재료 사용자는 재료 또는 컴포넌트 내 솔더 층의 성분조성을 갖는 정해진 접합 방법에 이미 고정되는 것이 보통이다.
진공 솔더링 방법에서 알칼리성 피클링된 알루미늄 복합 재료 또는 CAB 솔더링 방법에서 플럭스 용제와 함께 알칼리성 피클링된 알루미늄 복합 재료를 사용하는 것이, 일본 특허공개공보 JP04-1000696호, JP04-100674호 및 JP05-154693호로부터 공지되어 있다.
CAB 솔더링 방법을 이용한 플럭스-프리 솔더링 방법이 국제 특허 출원 공개공보 WO2010/000666 A1호에 공지되어 있는데, 이 방법에서 알루미늄 솔더 층은 제1 알루미늄 솔더 층과 제2 알루미늄 솔더 층으로 구성되어 있다. 제2 알루미늄 솔더 층은 5 중량% 내지 20 중량%의 실리콘 외에도 0.01 중량% 내지 3 중량%의 마그네슘을 함유하는 Al-Si 알루미늄 합금으로 구성된다. 이와는 대조적으로, 제1 알루미늄 솔더 층은 2 중량% 내지 14 중량%의 실리콘과 0.4 중량% 미만의 마그네슘을 함유한다. 그러나 2-층 구조의 알루미늄 솔더 층은 2-층 구조의 알루미늄 솔더 층을 제조하는 중에 비용이 많이 소요된다는 단점이 있다. 또한, 예를 들어 외부에 순수 알루미늄이 클래딩되어 있는 통상의 2-층 구조의 중요한 단점은 그 용도가 플러스 용제와 양립될 수 없다는 것일 수 있다. 예를 들어 분위기 내의 과도한 산소 분압 또는 과도한 수분에 의해 일시적으로 노 분위기가 불량함으로 인해, 솔더 결과가 충분치 못한 경우 필요에 따라 플럭스 제를 사용하여 이를 보상할 수 없다.
이와 대조적으로, 미국 특허 문헌 US5,102,033호는, 알루미늄 코어 합금과 질산 및 플루오르화수소산의 혼합물을 함유하는 산 세척 용액으로 피클링한 후, 진공 솔더링으로 솔더링된 알루미늄 솔더 함금 층으로 구성된 알루미늄 복합 재료 제조 방법이 기재되어 있다. 이 미국 특허 문헌은 통상의 솔더링 방법도 언급하고 있다. 그러나 일반적으로 이들 방법이 진공에서 실시되지 않은 한은 이들 방법은 플럭스 용제를 사용하는 것을 특징으로 한다.
다른 국제특허공개공보 WO2013/164466 A1호는 플러스-프리 써멀 접합 방법에서 산 또는 알칼리 세척된 알루미늄 복합 재료를 사용하는 원리를 기재하고 있다.
이러한 배경에 대해, 본 발명의 목적은 플럭스 용제를 사용하지 않으면서도 기존에 알려져 있는 단점이 방지되어 솔더 물성이 더 최적화될 수 있는 동시에 다양한 솔더링 방법 특히 진공 및 보호성 가스 분위기 모두에서 알루미늄 복합 재료가 신뢰성 있게 접합될 수 있는 써멀 플럭스-프리 접합 방법에 사용하기 위한 알루미늄 복합 재료를 제공하는 것이다. 이 목적을 위해, 알루미늄 복합 재료 제조 방법, 컴포넌트의 써멀 접합 방법 및 열적으로 접합된 구조물이 적시된다.
제1 교시에 따르면, 알루미늄 복합 재료와 관련된 전술한 목적은 다음의 성분조성을 구비하는 알루미늄 솔더 합금에 의해 달성된다(단위는 중량%).
6.5%　　　≤　　　　　Si　　　　　≤　　　　　13%
Fe　　　　　≤　　　　　1%
230ppm　　≤　　　　　Mg　　　　　≤　　　　　450ppm
Bi　　　　　<　　　　　500ppm
Mn　　　　　≤　　　　　0.15%
Cu　　　　　≤　　　　　0.3%
Zn　　　　　≤　　　　　3%
Ti　　　　　≤　　　　　0.30%
잔부는 Al과 개별적으로 최대 0.05%, 총량이 최대 0.15%의 불가피한 불순물이고, 알루미늄 솔더 층 표면은 알칼리 또는 산 세척된다.
알루미늄 솔더 합금의 전술한 Si 함량 사양에 의해, 솔더링되는 컴포넌트가 알루미늄 코어 합금의 고상선 미만의 온도로 가열될 때 알루미늄 솔더 층이 유체 상태 또는 부분적으로 유체 상태가 되도록, 상기 합금의 용융점이 알루미늄 코어 합금의 용융점보다 더 낮을 수 있다. 이와 대조적으로 알루미늄 코어 합금은 용융되지 않는다.
알루미늄 솔더 합금의 Si 함량은 적어도 6.5 중량% 내지 최대 12 중량%인 것이 바람직하고, 적어도 6.8 중량% 내지 최대 11 중량%이면 특히 바람직하다. 최대 Si 함량의 범위를 정함으로써, 써멀 접합하는 중에 나타날 수 있는 불리한 효과 예컨대 Si이 접합된 컴포넌트 내로 확산하여 일어나는 침식이 방지될 수 있다.
알칼리 세척된 표면 또는 산 세척된 표면과 전술한 범위의 Mg 함량의 특수하고 독특한 조합을 통해, 알루미늄 복합 재료가 플럭스-프리 방식으로 써멀 접합 방법에 사용될 수 있으며, 이 경우 뛰어난 솔더 결과를 얻을 수 있다. 이는 진공 솔더링 방법과 보호성 가스 분위 하에서의 플럭스-프리 써멀 접합 예컨대 통상적으로 플럭스 용제를 사용하지 않고서는 실시될 수 없는 또는 매우 제한된 방식으로만 실시될 수 있는 CAB 방법 모두에 적용된다. 알루미늄 복합 재료를 사용하면, 솔더 결합의 품질에 대해 높은 요구사항이 있는 경우에도, 안전성과 생산성 관점에서 까다롭고 비용-집약적인 플럭스 용제를 사용하지 않을 수 있다. 놀랍게도, 이 특별하게 설정된 Mg 함량은, Mg 함량이 1%를 상회하는 공지의 솔더 합금만으로 가능했던 진공에서의 써멀 접합을 알칼리 또는 산 세척과 조합하는 것으로 이미 진공에서 써멀 접합하기에 충분하다는 것이 판명되었다.
Mg 함량을 최대 450ppm으로 하면, 플럭스-프리 접합(CAB 방법)에서 매우 우수한 솔더 결과를 얻을 수 있음이 판명되었다. 언급된 Mg 함량은, 한편으로는, 과잉의 Mg 함량에 의한 공지된 단점들 예를 들어 CAB 방법에서 솔더 연결부의 품질이 열화되고, 표면이 변색되며, Mg 화합물로 써멀 접합하기 의한 장치의 오염을 적어도 저지하는 데에 충분할 정도로 낮다.
다른 한편으로는, Mg 함량을 적어도 230ppm으로 하면, 특히, 예를 들어 솔더 층이 얇은 경우 및/또는 알루미늄 코어 합금에서 Mg 함량이 낮은 경우와 같이 솔더 절대량이 적은 경우에도 신뢰성 있는 공정과 믿을 수 있는 솔더링이 달성될 수 있다. 이에 따라 Mg의 최소 함량은 코어 층의 두께와 알루미늄 코어 합금의 종류 그리고 다량한 접합 방법에서 솔더 층의 두께와 거의 관계없이 솔더 능력이 보증될 수 있게 된다.
기재되어 있는 알루미늄 복합 재료를 사용함으로써, 표면 청정도 및 솔더 이음부의 안정성에 대한 높은 요구로 인해 이전에는 진공에서만 솔더링 될 수 있었던 컴포넌트들이 이제는 플럭스-프리로 비용-효율적인 CAB 방법으로도 접합될 수 있게 되었다. 알루미늄 복합 재료 사용자는 필요에 따라 또는 가용 생산 능력에 기초하여, 특히 알루미늄 복합 재료의 사양 또는 표면을 변경하지 않고 사용되는 써멀 접합 방법을 선택할 수 있다.
Bi는 표면 장력과 용융된 알루미늄 솔더 합금의 유동 거동을 감소시켜 솔더 특성을 개선시킬 수 있다. Bi 함량을 최대 500ppm으로 하면, 알칼리 세척된 표면 또는 산 세척된 표면뿐만 아니라 Si 함량과 Mg 함량에 대한 전술한 사양과 관련되어 솔더 특성을 추가로 최적화할 수 있음이 판명되었다. Bi는 전술한 농도 범위에서 목표로 하는 방식으로 알루미늄 솔더 합금에 첨가되는 것이 바람직하다.
Fe는 통상적으로 불순물 또는 알루미늄 합금 내의 첨가제로 함유된다. 알루미늄 솔더 합금 내 Fe 함량은 최대 1 중량%, 바람직하기로는 최대 0.8 중량%이다. Mn과 Cu도 종종 불순물, 알루미늄 합금 내의 합금 원소나 마이너한 첨가제로 발견된다. 알루미늄 솔더 합금에서 Mn 함량은 최대 0.15 중량%이고, Cu 함량은 최대 0.3 중량%이다. Ti은 불순물 또는 결정립 미세화를 위한 첨가제로 포함될 수 있으며, 알루미늄 솔더 합금의 Ti 함량은 최대 0.30 중량%이다.
알루미늄 합금의 Zn 함량은 최대 3 중량%, 바람직하기로는 최대 1.2 중량%로 제한된다. Zn은 재료 또는 생산되는 컴포넌트의 다른 영역에 비해 솔더 합금의 전기화학적 전위를 감소시키고 이들 다른 영역의 내부식성을 개선시키기 위해 추가적인 합금 원소로 제공될 수 있다. 전기화학적 전위를 감소시키기 위해, Zn은 적어도 0.8 중량% 내지 최대 3 중량%, 바람직하기로는 최대 1.2 중량%가 알루미늄 솔더 합금 내에 제공되는 것이 바람직하다.
일반적으로, Zn 함량이 많을수록 알루미늄 솔더 합금의 부식에 대한 민감성이 증가된다. 솔더 합금의 전기화학적 전위를 감소시킬 필요가 없거나 혹은 감소시키는 것이 바람직하지 않은 경우에는, Zn 함량이 더 낮은 양으로 제한될 수 있다. 알루미늄 솔더 합금의 부식에 대한 민감성을 개선하기 위해, Zn 함량은 바람직하기로는 최대 0.2 중량%, 바람직하기로는 최대 0.1 중량% 또는 불순물로 최대 0.05 중량%이다.
알루미늄 복합 재료의 일 구성에서, 알루미늄 솔더 합금의 Mg 함량은 중량%로
230ppm　　≤　　　　　Mg　　　　　≤　　　　　400ppm이다.
Mg 최대 함량을 추가로 제한함으로써, Mg 함량에 의한 부정적인 효과들 예컨대 CAB 방법에서 사용하는 중에 나타나는 문제들이 추가로 포함될 수 있다. 또한 Mg 함량에 의한 부정적 효과를 제한하기 위해 알루미늄 솔더 합금 내 Mg 함량은 중량%로
250ppm　≤　　　　　Mg　　　　　≤　　　　　350ppm을 구비할 수도 있다. Mg의 최소 함량을 250ppm으로 특히 300ppm으로 높이면, 솔더 물성이 또한 개선된다. 그러나, 이 영역에서, 알루미늄 복합 재료의 세척된 표면의 솔더 특성은 우수해서 Mg 함량이 낮고 솔더의 절대량이 낮은 경우에도 다양한 알루미늄 코어 합금들이 신뢰서 있게 솔더링될 수 있다.
알루미늄 복합 재료의 다른 구성에 따르면, 알루미늄 솔더 합금의 Bi 함량이 중량%로
Bi　　　　　≤　　　　　280ppm이다.
다량의 Bi가 첨가되지 않고서도 알루미늄 복합 재료의 솔더 특성을 상당히 최적하기에는 이 정도의 Bi 함량이면 충분하다.
솔더 결과를 향상시키기 위해, 알루미늄 솔더 합금의 Bi 함량은 중량%로
100ppm　　　　　　　　　≤　　　　　Bi　　　　　≤　　　　　280ppm이고, 특히
200ppm　　　　　　　　　≤　　　　　Bi　　　　　≤　　　　　280ppm이다.
특히, 이 정도 양의 Bi를 첨가함으로써, 솔더 능력이 추가로 증가된다. Bi의 최소 함량은 알칼리 세척된 표면과 결합되는 것이 바람직하다. 알루미늄 솔더 합금 내에서 Bi의 유리한 효과는 알칼리 세척된 표면에 의해 특별한 방식으로 지지된다.
또한, Bi의 첨가가 진공과 보호성 가스 분위기 양쪽에서 솔더 능력에 기여하는 Mg 성분의 효과를 부분적으로 포함할 수도 있음이 판명되었다. 이는 Bi의 첨가가 Mg 성분의 일부와 결합하여 Mg와 금속간상 예컨대 Mg3Bi2로 진입하는 것으로 생각된다. 이에 따라, 알루미늄 솔더 합금 내에 Bi가 100ppm 보다 많이 또는 200ppm 상회하게 존재하는 경우, Mg 함량 범위의 한계 값이 상승되는 것이 유리할 수 있다. 특히 알루미늄 솔더 합금의 Mg 성분의 전술한 최소값이 50ppm 특히 70ppm 증가될 수 있다. 알루미늄 솔더 합금의 Mg 성분의 전술한 최대값이 50ppm 특히 70ppm만큼 상승되는 것을 알 수 있다.
알루미늄 복합 재료의 다른 구성에 따르면, 알루미늄 솔더 합금의 Bi 함량은 최대 50ppm으로 제한된다. 특히, Bi는 알루미늄 솔더 합금 내에 불순물로만 존재한다. Mg 함량과 표면 처리의 전술한 조합에 의해 이미 정당화된 우수한 솔더 특성에 의해, 이러한 제한을 이용하여 Bi가 첨가되지 않을 수 있다.
알루미늄 복합 재료의 다른 바람직한 구성에서, 알루미늄 솔더 합금은 예를 들면 AA 4045 또는 AA 4343 계열의 사양을 충족한다. AA 4045 또는 AA 4343 계열로 한정함으로써, 목표로 하는 선택 및 이 합금 사양 내의 Mg 함량과 알칼리 세척된 표면 또는 산 세척된 표면을 조합하여 알루미늄 복합 재료의 솔더 층에 표준 솔더 합금으로부터 목표로 하는 섹션이 제공될 수 있다.
AA 4343 계열의 합금 성분조성은 중량% 단위로 다음의 합금 원소들을 구비하는 것이 바람직하다.
6.8%　　　≤　　　　　Si　　　　　≤　　　　　8.2%
Fe　　　　　≤　　　　　0.8%
230ppm　　≤　　　　Mg　　　　　≤　　　　　450ppm
　　　　　　　　　　　　　　Cu　　　　　≤　　　　　0.25%
　　　　　　　　　　　　　　Mn　　　　　≤　　　　　0.10%
　　　　　　　　　　　　　　Zn　　　　　≤　　　　　0.20%
잔부는 Al 및 개별적으로 최대 0.05%이고 총량은 최대 0.15%의 불가피한 불순물이다.
AA4045 계열의 합금 성분조성은 중량% 단위로 다음의 합금 원소들을 구비하는 것이 바람직하다.
9.0%　　　≤　　　　　Si　　　　　≤　　　　　11.0%
　Fe　　　　　≤　　　　　0.8%
230ppm　　≤　　　　Mg　　　　　≤　　　　　450ppm
　　　　　　　　　　　　　　Cu　　　　　≤　　　　　0.30%
　　　　　　　　　　　　　　Mn　　　　　≤　　　　　0.05%
　　　　　　　　　　　　　　Zn　　　　　≤　　　　　0.10%
　　　　　　　　　　　　　　Ti　　　　　≤　　　　　0.20%
잔부는 Al 및 개별적으로 최대 0.05%이고 총량은 최대 0.15%의 불가피한 불순물이다.
AA 4343 및 AA 4045 계열로부터 이탈하여 전기화학적 전위를 감소시키기 위해 최대 3 중량%의 Zn 성분이 추가로 선택적으로 제공될 수 있다. 이를 위해, Zn 함량은 0.8 중량% 내지 1.2 중량%인 것이 바람직하다.
알루미늄 복합 재료는 예를 들면 알루미늄 코어 합금으로 제공되는 AA1xxx, AA2xxx, AA3xxx, AA5xxx 또는 AA6xx 계열의 알루미늄 합금에 의해 추가로 개선된다. 적시되어 있는 알루미늄 코어 합금들 내의 Mg 함량은 최대 1.0 중량%, 바람직하기로는 최대 0.8 중량%일 수 있다. 보호성 가스 분위기 하에서 써멀 접합에 사용될 수 있는 알루미늄 코어 합금들 특히 Mg-함유 알루미늄 코어 합금들로 인해, 솔더링되는 구조물의 사용 영역 스펙트럼이 눈에 띄게 광범위해진다. 다른 구성에 따르면, 예를 들어, Mg 함량이 최대 1.0 중량% 내지 0.8 중량%인 AA5xxx 또는 AA6xxx 계열 합금 같이 솔더링하기 어려운 Mg-함유 알루미늄 합금이 보호성 가스 분위기 하에서 써멀 접합 방법(CAB)에서 플럭스-프리로 접합될 수 있다. 예를 들어, AA6063 또는 AA6060 계열의 알루미늄 코어 합금을 구비하는 본 발명에 따른 알루미늄 복합 재료는 진공 및 CAB 솔더링 모두에서 매우 우수한 솔더 결과를 달성한다.
알루미늄 복합 재료의 일 구성에서, 알루미늄 코어 합금은 AA3xxx 계열의 사양을 충족한다. 이 계열의 알루미늄 코어 합금은 다양한 Mg 함량으로 사용된다. 이 유형의 바람직한 합금의 Mg 함량은 적어도 0.2 중량% 내지 최대 1.0 중량% 또는 최대 0.8 중량% 또는 바람직하기로는 0.2 중량% 내지 0.6 중량%이다. Mg 함량이 높음으로 인해 강도가 높아진다. 이에 해당하는 AA3xxx 합금의 예시는 AA3005 계열의 합금이다.
CAB 방법에서 본 발명에 따른 알루미늄 복합 재료 내의 플럭스 용제가 더 이상 사용되지 않기 때문에, 전술한 모든 마그네슘-함유 합금 계열들이 CAB 방법에서 마그네슘 확산 장벽으로 작용하는 중간 클래딩 없이 솔더링될 수 있다.
알루미늄 코어 합금 특히 AA3xxx 알루미늄 코어 합금의 Mg 함량은 중량%로
500ppm　≤　　　　　Mg　　　　　≤　　　　　0.30%이다.
이 Mg 함량의 AA3xxx 코어 합금들은 광범위하게 인기가 있으며, 다양한 분야에 사용되고 있다. 선택되는 솔더링 방법에 따라, 이들은 진공 방법 또는 CAB 방법에 맞춰져서 사전에 다양한 솔더들로 제조된다. 이제 알루미늄 솔더와 알루미늄 코어 합금의 단일 조합이 많은 분야에 사용될 수 있으며 생산 비용이 절감된다. 이는 솔더링된 컴포넌트들의 재활용 능력을 상당히 개선시킬 수도 있다.
이들 Mg 함량을 구비하는 특히 바람직한 합금들은 AA3003 또는 AA3017 계열의 알루미늄 합금이다. 적시된 알루미늄 코어 합금들은 특히 자동차 분야 예컨대 열교환기 구조물에 사용된다.
알루미늄 코어 합금의 Mg 함량이 최대 0.1 중량% 바람직하기로는 최대 0.05 중량% 또는 0.05 중량% 미만인 경우에도, 알루미늄 복합 재료의 솔더 능력은 영향을 받지 않는다. 알루미늄 솔더 합금의 Mg 함량과 산 또는 알칼리 세척된 표면이 특정 조합된 알루미늄 복합 재료는 Mg 함량이 매우 낮은 알루미늄 코어 합금이 신뢰성 있게 처리될 수 있도록 한다. 알루미늄 코어 합금의 Mg 함량은 최대 250ppm 또는 최대 100ppm까지로 제한될 수 있다. 심지어 마그네슘-프리 알루미늄 코어 합금이 만족스럽게 솔더링될 수 있다.
알루미늄 복합 재료의 다른 구성에 따르면, 알루미늄 코어 합금은 다음의 성분조성 중 하나를 구비하는 것이 바람직하다.
0.25%　　≤　　　　　Cu　　　　　≤　　　　　0.60%
0.25%　　≤　　　　　Fe　　　　　≤　　　　　0.4%
　　　　　　　　　　　　　　Mg　　　　　≤　　　　　0.10%
0.9%　　　≤　　　　　Mn　　　　　≤　　　　　1.5%
　　　　　　　　　　　　　　Si　　　　　≤　　　　　0.25%
　　　　　　　　　　　　　　Ti　　　　　≤　　　　　0.25%
　　　　　　　　　　　　　　Zn　　　　　≤　　　　　0.10%
　　　　　　　　　　　　　　Cr　　　　　≤　　　　　0.15%
잔부는 Al 및 개별적으로 0.05% 이하이고 총량은 0.15% 이하의 불가피한 불순물, 또는
0.1%　　　≤　　　　　Cu　　　　　≤　　　　　0.6%
　　　　　　　　　　　　　　Fe　　　　　≤　　　　　0.7%
0.2%　　　≤　　　　　Mg　　　　　≤　　　　　0.60%
1.0%　　　≤　　　　　Mn　　　　　≤　　　　　1.6%
　　　　　　　　　　　　　　Si　　　　　≤　　　　　0.7%
　　　　　　　　　　　　　　Ti　　　　　≤　　　　　0.10%
　　　　　　　　　　　　　　Zn　　　　　≤　　　　　0.25%
　　　　　　　　　　　　　　Cr　　　　　≤　　　　　0.1%
잔부는 Al 및 개별적으로 0.05% 이하이고 총량은 0.15% 이하의 불가피한 불순물, 또는
0.2%　　　≤　　　　　Cu　　　　　≤　　　　　0.8%
　　　　　　　　　　　　　　Fe　　　　　≤　　　　　0.7%
　　　　　　　　　　　　　　Mg　　　　　≤　　　　　0.30%
1.0%　　　≤　　　　　Mn　　　　　≤　　　　　1.5%
　　　　　　　　　　　　　　Si　　　　　≤　　　　　0.6%
　　　　　　　　　　　　　　Zn　　　　　≤　　　　　0.10%
잔부는 Al 및 개별적으로 0.05% 이하이고 총량은 0.15% 이하의 불가피한 불순물.
언급한 알루미늄 합금들은, Cu 함량이 증가됨으로 인해, 강도가 개선되고, 전기화학적 전위가 증가하여 내식성이 증가된다. 이들 알루미늄 합금들은 열교환기 부품을 제조하는 데에 사용되는 것이 바람직하며, 사용 가능한 솔더링 방법을 유연하게 설계할 수 있음에 따라 상당히 유리한데, 이는 전술한 바와 같이, 이에 상당하게 준비된 표면을 구비하는 본 발명에 따른 알루미늄 복합 재료가 플럭스 용제를 사용하지 않고 CAB 방법에서 그리고 진공 솔더링 방법 모두에 사용될 수 있기 때문이다.
다른 실시예는 다음의 성분조성을 구비한다.
　　　　　　　　　　　　　　Cu　　　　　≤　　　　　0.2%
　　　　　　　　　　　　　　Fe　　　　　≤　　　　　0.7%
　　　　　　　　　　　　　　Mg　　　　　≤　　　　　0.10%
1.0%　　　≤　　　　　Mn　　　　　≤　　　　　1.7%
　　　　　　　　　　　　　　Si　　　　　≤　　　　　1%
0.4%　　　≤　　　　　Zn　　　　　≤　　　　　1.5%,
바람직하기로는 1.1 ≤ Zn ≤ 1.5%.
잔부는 Al 및 개별적으로 0.05% 이하이고 총량은 0.15% 이하의 불가피한 불순물. 또는
　　　　　　　　　　　　　　Cu　　　　　≤　　　　　0.10%
　　　　　　　　　　　　　　Fe　　　　　≤　　　　　0.7%
　　　　　　　　　　　　　　Mg　　　　　≤　　　　　0.4%
1.0%　　　≤　　　　　Mn　　　　　≤　　　　　1.5%
　　　　　　　　　　　　　　Si　　　　　≤　　　　　0.8%
　　　　　　　　　　　　　　Zn　　　　　≤　　　　　0.10%,
잔부는 Al 및 개별적으로 0.05% 이하이고 총량은 0.15% 이하의 불가피한 불순물.
열교환기 내의 예컨대 헤더, 핀 및 파이프와 같이 다른 부분에 대해서는 다른 알루미늄 코어 합금이 사용되는 것이 일반적이다. 양 알루미늄 합금에서 구리 함량이 줄어듦에 따라, 전술한 알루미늄 코어 합금을 사용할 때, 동일한 컴포넌트의 다른 재료에 대한 전기화학적 전위의 차이가 낮게 유지될 수 있다. 이에 따라 전술한 알루미늄 합금은 열교환기의 헤더에 사용되는 것이 바람직하다.
알루미늄 복합 재료일 일 구성에서, 알루미늄 복합 재료는 스트립 형태로 존재하며, 특히 압연 클래딩(roll cladding) 또는 동시 주조(simultaneously casting)로 제조된다. 그 결과, 알루미늄 복합 재료를 경제적으로 대량 생산할 수 있으며, 특히 동시 주조 또는 압연 클래딩으로 알루미늄 복합 재료를 생산할 수 있다. 동시 주조 또는 압연 클래딩을 대신하여, 써멀 분사로 알루미늄 솔더 층을 적용할 수도 있다. 그러나 먼저 언급한 실시형태가 현재 알루미늄 복합 재료를 대량 생산하는 데에 사용되고 있으며, 주조된 재료는 압연-클래드 재료의 이산된 층 성분조성에 비해 다른 알루미늄 합금 층들 사이에 농도 구배가 명확하다는 점에서 구별된다. 압연 클래딩된 층들 사이에는 낮은 확산 공정만이 일어난다.
알루미늄 복합 재료의 다음 구성에 따르면, 알루미늄 복합 재료를 연화-어닐링, 부분 어닐링 또는 용체화 어닐링한다. 알루미늄 복합 재료를 연화-어닐링, 부분 어닐링 또는 용체화 어닐링 함으로써, 알루미늄 복합 재료의 기계적 물성 특히 코어 층의 기계적 물성이 제공되는 사용 영역에 맞게 설정될 수 있다.
다른 구성에 따르면, 알루미늄 복합 재료의 평균 두께는 0.05 내지 6mm가 바람직하고, 0.2 내지 3mm 또는 0.05mm 내지 1.5mm이면 더 바람직하다. 이들 두께 범위에서, 적용분야가 더 넓어지는데 특히 열교환기 범위를 커버할 수 있다.
알루미늄 복합 재료의 다른 구성에서, 적어도 하나의 솔더 층의 평균 두께는 알루미늄 복합 재료 평균 두께의 2% 내지 20% 특히 5% 내지 10%이다. 적어도 하나의 솔더 층의 평균 두께는 특히 적어도 20㎛이다. 적당한 컴포넌트 형상을 사용하면, 그에 상응하게 두꺼운 솔더 층이 특히 신뢰성 있게 우수한 솔더 결과를 달성하며 일반적으로 솔더 연결부의 충분한 품질을 제공할 수 있다. 솔더 층의 평균 두께는 적어도 30㎛ 특히 적어도 100㎛일 수도 있다. 이들 두께에 의하면, 이들과 관련된 절대 솔더 양으로 인해, 알루미늄 솔더 합금의 솔더 물성을 향상시킬 수 있다. 이에 상응하는 두께는 알루미늄 솔더 합금의 Mg 함량과 관련하여 특히 최적화된다.
다른 교시에 따르면, 알루미늄 복합 재료 제조 방법과 관련된 전술한 과제 특히 알루미늄 솔더 합금이 다음의 성분 조성을 구비하는 알루미늄 복합 재료가 얻어진다. 단위는 중량%임.
6.5%　　　≤　　　　　Si　　　　　≤　　　　　13%
　　　　　　　　　　　　　　Fe　　　　　≤　　　　　1%
230ppm　　≤　　　　Mg　　　　　≤　　　　　450ppm
　　　　　　　　　　　　　　Bi　　　　　≤　　　　　500ppm
　　　　　　　　　　　　　　Mn　　　　　≤　　　　　0.15%
　　　　　　　　　　　　　　Cu　　　　　≤　　　　　0.3%
　　　　　　　　　　　　　　Zn　　　　　≤　　　　　3%
　　　　　　　　　　　　　　Ti　　　　　≤　　　　　0.30%
잔부는 Al 및 개별적으로 0.05% 이하이고 총량은 0.15% 이하의 불가피한 불순물이고, 알루미늄 복합 재료는 수용성의 알칼리 또는 산 세척 용액으로 세척되었다.
전술한 알루미늄 복합 재료와 관련하여 이미 설명한 바와 같이, 알칼리 세턱된 표면 또는 산 세척된 표면을 전술한 좁은 범위의 Mg 함량과 특수하면서 독특하게 조합함으로써 알루미늄 복합 재료를 써멀 접합 방법에서 플럭스-프리 방식으로 사용할 수 있으며, 이 경우 탁월한 솔더 결과를 얻을 수 있게 된다. 이는, 보호성 분위기에서의 써멀 접합 예를 들어 CAB 방법에서 플럭스-프리 써멀 접합에도 적용된다. CAB 방법은 통상적으로 플럭스 용제를 사용하지 않고서는 실시될 수 없으며, 실시되더라도 매우 제한된 방식으로만 실시될 수 있다. 알루미늄 복합 재료를 사용하면, 솔더 연결부 품질에 대해 까다로운 사양을 요구하는 경우에도, 안정성 및 생산 측면에서 까다롭고 비용이 많이 소요되는 플럭스 용제를 사용하지 않을 수 있다.
본 방법의 다음 구성에 따르면, 알루미늄 솔더 층의 세척된 표면을 적어도 하나의 무기산과 적어도 하나의 착화제 또는 단쇄 카르복실산과 적어도 하나의 착화제 또는 착화산의 그룹 중 적어도 하나의 산을 함유하는 산성, 수용성 피클링 용액으로 피클링하여 세척한다.
바람직하기로는, 다른 실시형태에 따르면, 0.1% 내지 20 중량%의 H2SO4, 0.1% 내지 20 중량%의 H3PO4, 0.1% 내지 10 중량%의 HCl 및 20ppm 내지 3%의 HF 또는 무기산들과의 조합이 예를 들어 무기산으로 사용된다. 20ppm 내지 3 중량%, 바람직하기로는 20ppm 내지 1000ppm 또는 20ppm 내지 600ppm 특히 바람직하기로는 300ppm 내지 600ppm 또는 300ppm 내지 480ppm의 HF 및 0.1% 내지 20 중량%의 H3PO4가 착화 무기산(complexing mineral acid)으로 사용된다. 특히 바람직한 조합은 0.1% 내지 20 중량%의 H2SO4와 20ppm 내지 480ppm의 HF로 구성된다.
바람직하기로는 단쇄 카르복실산으로 포름산이 사용된다. 20ppm 내지 3 중량%, 바람직하기로는 20ppm 내지 1000ppm 또는 20ppm 내지 600ppm 특히 바람직하기로는 300ppm 내지 600ppm 또는 300ppm 내지 480ppm의 불소가 착화제로 사용된다. 시험에서, 불소를 사용할 때, 최대 300ppm 내지 600ppm, 바람직하기로는 300ppm 내지 480ppm 농도이면 산업적 환경에서 신속한 표면 처리를 하는 데에 충분한 것으로 특히 판명되었다.
착화제로 불소, 시트로산염, 옥살산염 또는 인산염이 사용될 수 있다.
무기산 또는 단쇄 카르복실산 그룹 중 적어도 하나의 산과 착화제의 조합 또는 착화산을 사용하여 알루미늄 솔더 층을 세척함으로써, 써멀 접합 방법에서 산소가 없는 상태로 더욱 최적화되어 탁월한 솔더 물성 또는 플럭스-용제를 사용하지 않고서 써멀 접합하기 위한 물성이 되게 알루미늄 솔더 층 표면 품질이 달성될 수 있다.
이 방법의 다른 구성에 따르면, 세척 용액 내 무기산 농도는 다음과 같다.
H2SO4: 0.1% 내지 20 중량%
H3PO4: 0.1% 내지 20 중량%
HCl: 0.1% 내지 10 중량%
HF: 20ppm 내지 3 중량%
기술적으로 구현할 수 있는지 여부와는 관계없이, 경제적 또는 생태계 측면에서 더 높은 농도는 바람직하지 않다. 또한, 무기산 H2SO4와 HF를 전술한 농도로 조합하면 특히 우수한 솔더 결과를 얻을 수 있다. 특히 바람직한 조합은, 0.5% 내지 2.5 중량%의 H2SO4와 바람직하기로는 20ppm 내지 1000ppm 또는 20ppm 내지 600ppm 특히 바람직하기로는 300ppm 내지 600ppm 또는 300ppm 내지 480ppm의 HF로 구성된다.
알루미늄 복합 재료 표면을 동시에 탈지하고 피클링 용액의 피클링 작용의 균등성과 속도를 높이기 위해, 필요에 따라서는 수용성 피클링 용액 내에 적어도 하나의 계면활성제가 제공된다.
전술한 농도의 무기산은 알루미늄 솔더 합금 표면이 pH 값을 감소시킴으로써 공격(attack) 받을 수 있게 한다. 착화제는 용해된 합금 성분들이 전술한 농도의 무기산에 대해 매우 수용성이게 하고, 이러한 측면에서 반응 지점에서 제거될 수 있도록 한다. 옵션으로 존재하는 계면활성제에 의해 표면에 존재할 수 있는 유기 퇴적물이 표면에서 제거되고, 알루미늄 스트립 층이 탈지(degrease)된다. 이렇게 됨으로써 유기성 표면 퇴적물에 의한 국부적 피클링이 억제될 수 없음으로 보다 균등하게 발생한다.
이 방법의 다른 구성에 따르면, 피클링 용액은 HNO3도 함유한다. 질산 및 추가의 무기산과의 조합을 통해 더 적은 양의 HF를 사용하고서도 개선된 솔더 결과를 얻을 수 있게 HF의 유효성이 더 증가될 수 있다. HNO3의 농도는 0.1 중량% 내지 20 중량%인 것이 바람직하다.
알루미늄 복합 재료의 일 구성에서, 알루미늄 솔더 층의 세척된 표면을 0.01 내지 5 중량% NaOH, 바람직하기로는 0.2 내지 5 중량% NaOH를 함유하는 알칼리 피클링 용액으로 피클링하여 세척한다. 전술한 농도를 사용함으로써, 알루미늄 복합 재료를 플럭스-프리 상태로 솔더링될 수 있게 솔더 층의 면을 충분히 세척할 수 있다.
알칼리 세척 용액에 착화제(complexing agent)가 첨가되는 것이 바람직하다. 이에 의해 솔더 결과가 더욱 개선된다. 착화제-함유 디그리스 매체가 알칼리 세척 용액에 부가되면, 탈지도 일어날 수 있다. 예를 들어, 다음의 성분들을 포함하는 피클링 용액이 사용된다. 5 내지 40 중량%의 삼인산나트륨, 3 내지 10 중량%의 글루콘산나트륨, 3 내지 8 중량%의 비-이온성 및 음이온성 계면활성제, 선택적으로 0.5 내지 70 중량%의 탄산나트륨의 적어도 0.5 내지 3 중량%의 수용성 혼합물, NaOH를 부가하여 피클링 용액 내 NaOH 농도가 총 0.01 내지 5 중량%. 피클링 용액 내 NaOH 농도는 총 0.2 내지 5 중량%인 것이 더 바람직하다. 그러한 피클링 용액을 사용하면, 알루미늄 복합 재료 표면의 더 신뢰성 있게 컨디셔닝될 수 있다.
일 구성에 따르면, 알루미늄 복합 재료는 디그리스 매체로 세척하기 전에 디그리스 하거나 또는 디그리스 매체로 세척하는 중에 디그리스 하는 것이 바람직하다. 피클링하는 중에 디그리스 매체로 디그리스하는 것이 바람직하지만, 피클링하기 전에 어닐링에 의해 디그리스가 이루어질 수도 있다.
본 방법의 다른 구성에서, 이전에 알칼리 피클링된 알루미늄 복합 재료를 탈산(deoxidation)한다. 이를 위해 산성 용액을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 질산 1 내지 10%를 함유하는 용액이 적당하다. 특히 알칼리 세척과 관련하여, 탈산이 유리한 것으로 판명되었다.
선택적으로 탈산 시에 1000ppm의 불소 최대 함량, 바람직하기로는 200 내지 600 ppm의 불소를 첨가하여 탈산이 수행될 수도 있다. 이에 상당하는 함량을 사용하면, 솔더 능력이 개선될 수 있다. 불소를 사용하는 탈산은 Mg 함량을 약 230ppm 내지 350ppm 또는 300ppm으로 낮춘 경우에 특히 유리하며 솔더 능력의 더 상승시킨다.
알루미늄 복합 재료의 피클링 용액에서의 체류 시간 또는 피클링 용액과의 접촉 시간이 1 내지 60초, 바람직하기로는 2 내지 40초이면, 알루미늄 스트립 전체가 예를 들어 표면 처리되는 표면 처리 단계가 경제적으로 구현될 수 있다.
알칼리 피클링의 경우, 접촉 시간이 2 내지 30초이면 더 바람직하다. 산성 피클링의 경우, 접촉 시간이 2 내지 20초이면 더 바람직하다. 이 접촉 시간들이 우수한 표면 컨디셔닝을 발생시키고 경제적 생산에도 적합니다.
이 방법의 다른 구성에서, 분무 공정으로 피클링 처리가 수행된다. 본 발명에 따른 방법 또는 특정 피클링 처리를 사용함으로써, 분무 공정에 의한 컨디셔닝이 생산 속도를 높이고, 또한 예를 들어 지나가는 스트립 상에 직접 표면 처리를 할 수도 있다. 침지 공정의 사용도 상정할 수 있다.
피클링 용액의 온도가 40℃ 내지 85℃이면 이에 의해 시약 반응성이 더 증가하기 때문에, 체류 또는 접촉 시간을 더 줄일 수 있다. 온도를 85℃ 이상으로 올리려면 추가 대책이 필요하지만, 공정 속도에서 더 명확한 이득이 없다. 따라서, 바람직한 온도 범위는 50℃ 내지 60℃이다.
다른 교시에 따르면, 적어도 하나의 알루미늄 합금의 컴포넌트를 써멀 접합하기 위한 방법에 관한 전술하나 목적은 전술한 알루미늄 복합 재료를 포함하는 적어도 하나의 컴포넌트가 플럭스-프리 방식으로 적어도 하나의 다른 컴포넌트에 열적으로 접합하는 것이다. 특히, 적어도 하나의 다른 컴포넌트는 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함한다.
알칼리 세척된 표면 또는 산 세척된 표면과 알루미늄 복합 재료의 솔더 층 내의 좁은 범위의 Mg 함량과의 조합은 플럭스-프리 방식으로 써멀 접합 방법이 실시되어 탁월한 솔더 결과가 달성될 수 있도록 한다. 알루미늄 복합 재료의 사용은, 솔더 연결부에 대한 엄격한 사양이 요구되는 경우에도 안전성과 생산 측면에서 요구되고 비용-집약적인 플러스 용제를 사용하지 않아도 되게 한다.
이 경우, 통상적으로 Mg 함량이 여러 차수만큼 낮아서 진공 공정에 사용하기에 적어도 적합하지 않은, 특정 함량의 Mg를 구비하는 특히 Mg이 230ppm 내지 450ppm인 AA 4343 또는 AA4045 계열의 본 발명에 따른 솔더 합금이 사용될 수 있다. 알칼리 세척된 표면 또는 산 세척된 표면을 알루미늄 복합 재료 성분조성과 조합함으로써, 특히 알루미늄 복합 재료의 매치되는 Mg 함량과 조합함으로써, 그 중에서도 Mg 함량이 낮은 솔더 합금의 경우에도 진공에서 써멀 접합 방법이 수행될 수 있다.
이 방법의 일 구성에서, 진공 특히 10-5 mbar의 최대 압력에서 플럭스-프리 써멀 접합이 실시된다. 솔더 층의 성분조성에 의해 플럭스 용제를 사용하지 않고서도 진공 솔더링이 실시될 수 있으며, 고 Mg 함량에 의한 부정적 효과가 방지될 수 있다. 특히, 써멀 접합을 위한 노 내의 Mg 화합물의 퇴적물이 거의 방지될 수 있으며, 이는 노의 빈번한 세정 간격이 더 이상 필요하지 않다는 것을 의미한다.
후속 구성에 따르면, 보호성 가스 분위기에서 플럭스-프리 써멀 접합이 실시된다. 예를 들면, CAB 방법으로 플럭스-프리 써멀 접합이 실시된다. 진공 솔더링에 비해 장비 측면에서 보호성 가스 분위기의 사용이 덜 복잡하다.
다른 교시에 따르면, 써멀 접합된 구조물에 관한 전술한 목적은 전술한 알루미늄 복합 재료를 포함하는 적어도 하나의 컴포넌트와 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함하는 적어도 하나의 다른 컴포넌트에 의해 달성된다. 열적으로 접합된 컴포넌트는 특히 써멀 접합을 위한 전술한 방법으로 획득할 수 있다. 써멀 접합하는 중에 플럭스 용제를 사용하지 않기 때문에, 이렇게 열적으로 접합된 구조물은 탁월한 솔더 품질을 나타낼 수 있다. 예를 들어 표면 변색과 같은 고 Mg 함량에 의한 단점들이 방지된다.
알루미늄 복합 재료의 제조 방법, 써멀 접합 방법 및 열적으로 접합된 구조물의 다른 구성들과 이점들에 관해서는 알루미늄 복합 재료의 상기 실시형태들과 아래의 도면에 대한 설명을 참조한다.
도 1은 알루미늄 복합 재료의 솔더 능력을 결정하기 위한 솔더 시험 형상의 사시도이다.
도 2는 솔더 시험 형상의 측면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 CAB 방법에서 알루미늄 솔더 합금과 알루미늄 코어 합금의 Mg 함량에 따른 표면이 세척된 알루미늄 복합 재료의 다양한 예시적 실시형태에 대한 솔더 결과를 나타내는 전반적인 다이어그램이다.
도 4a 내지 도 4c는 CAB 방법에서 솔더링된 알루미늄 복합 재료의 예시적 실시형태를 나타내는 사진이다.
도 5a 및 도 5b는 진공 솔더링 방법에서 알루미늄 복합 재료를 사용한 경우와 다른 비교 재료를 사용한 경우의 솔더 지점 단면 사진이다.
도 6은 스트립-형 알루미늄 복합 재료 제조 방법의 예시적 실시형태에 대한 개략적인 단면도이다.
도 7은 열적으로 솔더링된 열교환기 형태의 구조물의 예시적 실시형태를 나타내는 단면도이다.
본 발명에 따른 알루미늄 복합 재료의 장점을 조사하기 위해, 도 1에 사시도로 나타낸 바와 같은 사양의 솔더 시험 장치를 가지고 많은 시험을 하였다. 이 솔더 시험 장치는 기본적으로 총 3개의 부분 즉 시트 금속(1), 각진 시트 금속(2) 및 각진 시트 금속(2)을 위한 접촉 시트 금속(3)으로 구성되어 있다. 폐쇄된 단부(2a)를 사용하여, 각진 시트 금속(2)을 시트 금속(1) 위에 배치되어 있는 접촉 시트 금속(3) 위에 얹어 놓았다. 이와 대조적으로, 양 다리 단부(2b)들은, 도 2의 측면도에 나타내어져 있는 바와 같이, 각진 시트 금속(2)의 다리 단부(2b)들의 접촉 지점에서부터 접촉 시트 금속(3) 위의 폐쇄된 단부(2a)의 접촉 지점까지 갭이 변화하도록, 시트 금속(1) 위에 놓여져 있다. 솔더 갭(4)은 각진 단부(2b)들로부터 각진 시트 금속의 폐쇄된 단부(2a)까지 증가한다. 솔더 갭(4)이 증가한다는 것은 시트 금속(1)의 알루미늄 복합 재료의 솔더 특성이 다른 표면 처리에 따라 변화하는 정도가 결정될 수 있다는 것을 의미한다.
특히, 솔더 결과에서 제공된 솔더 갭의 젖음성(wetting)이 평가된다. 이 경우, 평가 결과를 다음과 같이 나타내었다.
Figure pat00001
솔더 필렛 형태와 함께 갭 충전 능력이 이를 결정짓는다. 솔더 갭과 넓고 부드러우며 기포가 없는 솔더 필렛의 사실상 완벽한 유입을 보여주는 시험에는 매우 우수를 부여하였다. 컴포넌트들을 솔더링하지 못한 시험에는 불량을 부여하였다.
본 예시적 실시형태에서, 시트 금속(1)은 롤-클래드 알루미늄 솔더 합금 층을 포함하는 개별 시험된 알루미늄 합금 복합 재료로 구성되어 있다. 각진 시트 금속(2)의 길이는 50mm이고, 경사진 시트 금속의 개방 각도는 35도이다. 각진 시트 금속의 폐쇄된 단부로부터 다리 단부까지의 높이 차이가 1mm가 되도록, 접촉 시트 금속(3)의 두께는 1mm이다. 각진 시트 금속(2)과 접촉 시트 금속(3)에는 알루미늄 솔더 층이 구비되어 있지 않다.
일반적으로, 솔더링성(solderbility)은 통상적으로 컴포넌트의 디자인 예를 들어 형상, 갭 크기 등과 적당한 솔더링 가능한 재료의 사용 외에 노 분위기의 함수이다. 여기서 산소 입자 압력과 분위기의 수분이 역할을 한다. CAB 방법에서 제시되어 있는 솔더 시험은 연속로를 사용하여 산업적으로 제조하는 것에 비견될 수 있다.
이 시험 결과를 아래의 시험 실행의 편집에 기초하여 설명한다. 이 경우, Mg 함량이 다른 알루미늄 솔더 합금과 표면 처리가 다른 알루미늄 코어 합금에 대한 CAB 방법에서의 시험 실행이 표 1에 기록되어 있다. CAB 방법에서의 제2 시험 실행에서, 다른 합금 조합 특히 Bi를 포함하는 합금 조합에 대한 솔더 결과도 조사 하였다. 합금 조합과 제2 시험 실행에 대한 결과가 표 2 및 표 3에 반영되어 있다. 표 4 및 표 5는 CAB 방법에서 얻는 추가의 시험 결과를 나타낸다. 이어서, 진공 솔더링 방법에 대한 결과를 도 5a 및 도 5b에 대한 설명에 나타내었다.
Figure pat00002
표 1은 전술한 시험 구조물로 측정한 제1 시험 실행의 솔더 결과를 요약한 것이다. 사용된 알루미늄 솔더 합금은 표 1에서 중량을 ppm 단위로 표기한 Mg 함량과 관련하여 AA 4045 유형의 사양을 충족한다. 코어 층의 Mg 함량의 추가적인 영향을 조사하기 위해, Mg 함량이 표 1에 기록된 AA 3003 유형의 상이한 알루미늄 코어 합금들도 10% 솔더 클래딩을 구비하는 0.8mm로 사용되었다. 아래에 설명되어 있는 바와 같이, 3가지 다르게 세척(pickling)된 표면과 관련하여 Mg 함량에 따른 솔더 능력을 조사하였다.
침지법(dip method)에서 피클링하여 산세된 표면이 제조된다. 계면활성제, 황산 및 플루오린화수소산의 혼합물을 사용하였다. 용액의 온도는 60℃ 이었다. 황산 농도는 2.5 중량%이었다. 산세 용액에 400ppm의 불소도 사용하였다. 접촉 시간은 60초였다.
분무법(spraying method)으로 피클링하여 알카리 세척된 표면을 제조하였다. 탈지제와 가성 소다의 혼합물을 사용하였다. 용액의 온도는 60℃ 이었다. 탈지제로, 5-40 중량%의 삼인산나트륨, 3-10 중량%의 글루콘산나트륨, 3-8 중량%의 비이온성 및 음이온 계면활성제의 2% 수성 혼합물을 사용하였다. 가성 소다의 농도는 총 1% 이었다. 접촉 시간은 30초 이었다.
알칼리 분무 처리한 후, 산성 린스를 통해 탈산(deoxidation) 하였다. 탈산제로 5% 질산 또는 200ppm의 불소를 함유하는 5% 질산 중 하나를 함유하는 탈산제를 사용하였다.
도 3a 내지 도 3c는 알루미늄 솔더 합금과 알루미늄 코어 합금의 Mg 함량에 따른, 표 1의 알루미늄 복합 재료의 예시적 실시형태에 대한 솔더 결과를 전반적으로 보여주는 다이어그램이다. 도 3a는 표면이 세척된 알루미늄 복합 재료를 나타내고, 도 3b는 표면이 알칼리 세척되고 탈산된 알루미늄 복합 재료를 나타내며, 도 3c는 알칼리 세척된 표면에 불소를 첨가하여 탈산한 알루미늄 복합 재료를 나타낸다.
알루미늄 솔더 합금의 Mg 함량에 따른 솔더 결과의 명확한 의존 관계를 인지할 수 있다. Mg 함량이 90ppm 미만인 합금의 솔더 결과는 대부분 불량이고 조금만이 충분함을 나타낸다. 90ppm 내지 300ppm 사이 범위에서 충분하고 우수한 결과들이 존재하지만, 이 결과는 솔더 절대량, 알루미늄 코어 합금의 Mg 함량 및 세척액 또는 탈산액 내의 선택적인 불소 함량에 의존하는 것으로 예상된다. 알루미늄 코어 합금의 다양한 Mg 함량 또는 저 Mg 함량에서, 그리고 가능하게는 솔더 층의 절대량이 낮은 경우에도 솔더 결과를 개선시키기 위해, 알루미늄 솔더 합금의 Mg 함량은 230 내지 450ppm으로 고정된다.
도 4a 내지 도 4c는 알루미늄 솔더 합금 내의 Mg 함량이 282ppm인 표 1의 알루미늄 복합 재료에서 솔더링된 예시적 실시형태 N의 사진을 나타낸다. 모든 표면 처리에 있어서 우수하거나 매우 우수한 솔더 결과를 인지할 수 있다. 이 경우, 도 4a는 산 세척된 샘플을 나타내고, 도 4b는 알칼리 세척되고 탈산된 샘플을 나타내며, 도 4c는 알칼리 세척되고 불소로 탈산된 샘플을 나타낸다.
Figure pat00003
Figure pat00004
표 2 및 표 3은 기재되어 있는 시험 구조물로 측정된 제2 시험 런의 솔더 결과의 분석을 나타내고 있다. 이 경우에서, Mg, Bi, Cu 및 Ti 농도가 표 2에 표기되어 있는 바와 같이 이들의 가능한 농도 편차를 제외하고는, 알루미늄 솔더 합금의 합금 성분은 AA 4045 계열에 해당되며, 알루미늄 코어 합금의 합금 성분은 AA 3xxx 계열에 해당된다. 시험 V1, V2 및 V5의 코어 합금은 AA 3003 계열의 사양에 대응된다. 시험 V3의 코어 합금은 표 2에 표기되어 있는 Cu 함량과 Ti 함량을 구비하는 변형된 AA 3017 계열에 대응된다. 시험 V4의 경우, 변형된 AA 3003 계열의 코어 합금에 표 2에 표기된 Mg 함량을 추가하여 사용하였다.
다음의 다른 두 개의 솔더링 사이클로 보호성 가스 분위기의 배치 노에서 써멀 접합 방법을 실시하였다. 솔더링 사이클에 걸쳐 "늦은 솔더링(slow solding)" 약 20분의 가열 곡선 그리고 샘플 두께 0.4mm를 600℃ 내지 610℃에서 8분간 유지 또는 샘플 두께 1.5mm를 10분간 유지. "늦은" 가열 곡선은 400℃의 노 온도에서 샘플을 배치 노 내로 삽입한 후 솔더링 온도로 가열함으로써 달성된다. "빠른 솔더링(quick soldering)"에서는 더 짧은 솔더링 사이클이 사용된다. 여기서, 이미 솔더링 온도로 가열되어 고온으로 되어 있는 노 내로 샘플이 삽입된다. 이 경우, 솔더링 온도를 달성하는 가열 곡선은 단지 4분 최대 8분간 지속된다. 샘플 두께 0.4mm는 600℃에서 8분간 유지하였고, 샘플 두께 1.5mm는 10분간 유지하였다. 표기된 온도는 위에 알루미늄 샘플이 놓여 있는 강 샘플 홀더 위에서 측정된 것이다.
샘플 두께는 시트 금속 전체 또는 알루미늄 복합 재료 전체의 평균 두께이고; 솔더 층의 평균 두께는 표기되어 있는 알루미늄 복합 재료 전체 평균 두께의 7.5%이었다.
늦은 솔더링 시험에서 세척할 때 샘플들의 접촉 시간은 알칼리 처리의 경우 20초, 산 처리의 경우 30초이었다. 빠른 솔더링에 있어서, 합금 조합이 다른 것 외에도, 알칼리 세척과 산 세척의 접촉 시간도 변경하였다. 표 3에 표기되어 있듯이 접촉 시간은 10초, 15초 또는 30 및 60초이었다. 추가로 표면 처리하지 않은 미처리 샘플도 비교 대상으로 조사하였다.
초기에, 표 3의 결과에 기초하여 미처리된 샘플들은 주로 불량한 솔더 결과 또는 일부만이 충분한 솔더 결과를 나타내는 것으로 판정할 수 있다. 표면의 알칼리 또는 산 처리에 의해, 샘플들 대부분의 솔더 결과가 상당히 개선되었다. 미처리된 샘플들에서 단지 V4만이 매우 우수한 결과를 나타내었다. 샘플 V4의 알루미늄 코어 합금의 Mg 함량은 800ppm으로 높았으며, 이것이 솔더 결과를 개선시킨다.
또한 두께가 다른 샘플에 대한 결과 비교를 통해, 두께가 1.5mm인 두꺼운 샘플이 두께가 0.4mm인 얇은 두께의 샘플보다 전반적으로 솔더 결과가 우수한 것으로 보인다. 그러나 이는 상대적으로 솔더 비율이 동일한 더 두꺼운 샘플의 솔더 층의 절대 두께가 더 크고 이에 따라 알루미늄 솔더 합금의 절대 양이 더 크다는 사실에도 관련이 있다. 샘플들의 두께에 관계없이, 표면을 알칼리 또는 산 처리하면 대부분의 샘플들에서 솔더 결과를 확실히 개선시킨다고 서술할 수 있다.
예를 들면, 샘플들 V1, V2 및 V5의 비교로부터 알루미늄 솔더 합금 내의 Bi가 솔더 결과에 긍정적인 영향을 준다고 결론지을 수 있다. 알루미늄 솔더 합금의 특정 Mg 함량과 표면의 알칼리 또는 산 세척과 조합하여, Bi가 500ppm 바람직하기로는 최대 280ppm의 함량조차도 솔더 결과에 주목할 만한 긍정적인 효과를 준다는 것을 알 수 있다. 특히, 100ppm 내지 280ppm 및 200ppm 내지 280ppm 범위가 유리한 것으로 언급된다. 이에 상응하는 Bi 함량은 이미 더 많은 양의 Bi를 첨가하지 않고서도 알루미늄 복합 재료의 솔더 물성을 상당히 최적화하는 데에 충분하다.
Bi의 최소 함량에 대해, 샘플 V2 내지 V5는, 알칼리 세척된 표면이 솔더 결과를 주목할 만큼 개선시키거나 산 세척의 경부보다 접촉 시간을 더 짧게 요구한다는 것을 알 수 있다. 알루미늄 솔더 합금에서 Bi의 유리한 효과는 알칼리 세척된 표면에 의해 특별한 방식으로 지지된다.
시험에서, 세척 용액 내에서 알루미늄 복합 재료의 접촉 시간은 10 내지 40초인 것이 바람직하다. 알칼리 세척에 있어서는 10 내지 30초인 것이 더 바람직하는데, 이는 표 2로부터 인식할 수 있는 바와 같이, 접촉 시간이 더 길어지더라도 솔더 결과가 상당히 개선되지 않기 때문이다. 산 세척의 경우, 접촉 시간이 20 내지 40초인 것이 더 바람직하다. Bi 함량이 100ppm 또는 200ppm인 샘플의 경우 산 처리를 위한 침지 시간이 40초를 상회하는 것이 유리하다. 제조를 위해 특히 분무법으로 세척하는 경우, 접촉 시간이 특히 1 내지 60초, 2 내지 40초가 바람직하고, 2 내지 20초가 더 바람직한 것으로 예상된다.
표 4 및 표 5는 알루미늄 복합 재료를 사용하는 CAB 방법에서 얻은 추가의 솔더 결과를 나타낸다.
Figure pat00005
Figure pat00006
적시된 두께는 알루미늄 복합 재료의 총 두께에 대응한다. 샘플들을 고온 배치로에 넣은 후 솔더 온도에서 4 내지 8분간 유지하였다. 질소 유량은 30ℓ/분이었다. 두께가 0.63mm인 샘플들은 600 내지 610℃에서 8분의 유지 시간으로 솔더링하였다. 두께가 1.20mm인 샘플들은 600 내지 610℃에서 10분의 유지 시간으로 솔더링하였다. 미처리한 것으로 표기된 샘플들은 압연기에서 전달된 상태로 비교 샘플로 솔더링하였다.
3개의 알칼리 처리의 경우, 알루미늄 복합 재료를 다음의 성분들을 포함하는 세척 액으로 30초 동안 처리하였다: 5 내지 40 중량%의 삼인산나트륨, 3 내지 10 중량%의 글루콘산나트륨, 3 내지 8 중량%의 비-이온성 및 음이온성 계면활성제, 선택적으로 NaOH가 첨가된 0.5 내지 70 중량%의 탄산나트륨의 적어도 0.5 내지 3 중량%의 수용성 혼합물로, 세척 용액 내의 가성 소다 농도는 총 1 중량%이다.
알칼리 처리 1을 한 후, 농도가 2.5 중량%인 HNO3 용액으로 30초 동안 탈산하였다. 알칼리 처리 2를 한 후, 500ppm F가 첨가된 농도가 2.5 중량%인 HNO3 용액으로 30초 동안 탈산하였다. 이와 대조적으로 알칼리 처리 3의 경우, 2.5 중량% H2SO4와 400ppm HF 및 선택적으로 계면활성제의 산성 혼합물로 15초 동안 탈산하였다.
표 5의 결과는 컨디셔닝된 표면과 알루미늄 솔더 합금의 특정 조성 특히 균형 잡힌 Mg 함량의 전술한 조합으로 플럭스-프리 보호성 가스 솔더링에서 매우 우수한 솔더 솔더를 얻을 수 있음을 보여주고 있다.
표 5의 시험 결과는 산업 규모 생산 규모로 재현된다. 총 두께가 0.63mm인 표 4에 적시된 재료는 600ppm 불소와 8초의 접촉 시간이 제공되는 것을 제외하고는, 전술한 알칼리 처리 2를 겪었다. 총 두께가 1.2mm인 표 4에 적시된 재료는 산업적 규모로 시험하였으며, 800ppm 불소가 첨가된 전술한 산 처리를 접촉 시간 6초 동안 적용하였다. 실험실에서 실시한 후속 솔더 시험은 두께 및 처리 모두에 대해 매우 우수한 솔더 결과를 나타내었다.
다른 솔더 방법에서 알루미늄 복합 재료의 솔더 능력을 입증하기 위해, 진공에서 솔더 시험을 수행하였다. 솔더 층과 평탄한 알루미늄 복합 재료 샘플을 서로 위에 배치한 후 접합하였다. 도 5a 및 도 5b는 진공 방법에서의 솔더 지점의 야금학적 단면을 보여주고 있다.
도 5a 시험의 알루미늄 코어 합금 및 알루미늄 솔더 합금의 성분조성은 이미 표 4에 적시되어 있다. 알루미늄 복합 재료의 두께는 0.63mm이고, 탈산 시에 불소를 구비하는 전술한 알칼리 처리 2로 컨디셔닝하였다. 도 5a의 미세조직으로부터 인지할 수 있듯이, 솔더링 하는 중에 실질적으로 완전한 재료 접합이 전개되었다. 솔더 결과는 매우 우수한 것으로 평가되었다. 이에 따라 알루미늄 복합 재료가 진공 솔더링 방법과 플럭스-프리 CAB 방법 모두에서 매우 우수한 솔더 품질을 나타내고, 신뢰성 있게 접합될 수 있다는 것이 명확해졌다.
도 5b는 진공 솔더링에 의해 생성된 결합부의 다른 시험 결과를 보여준다. 알루미늄 코어 합금 및 알루미늄 솔더 합금의 성분조성을 중량% 단위로 표 6에 적시하였다.
Figure pat00007
코어 층의 두께는 0.42mm이고, 상태 0에 있었다. 알루미늄 복합 재료를 다음 성분들을 포함하는 알칼리 세척 용액으로 처리하였다.
5 내지 40 중량%의 삼인산나트륨, 3 내지 10 중량%의 글루콘산나트륨, 3 내지 8 중량%의 비-이온성 및 음이온성 계면활성제, 선택적으로 NaOH가 첨가된 0.5 내지 70 중량%의 탄산나트륨의 적어도 0.5 내지 3 중량%의 수용성 혼합물로, 세척 용액 내의 가성 소다 농도는 총 1 중량%이다. 세척한 후, 400 내지 600ppm의 불소를 첨가한 2.5 중량% 농도의 HNO3 용액에서 탈산을 실시하였다.
도 5b 또는 표 6의 알루미늄 솔더 합금은 실질적으로 Bi를 함유하고 있지 않다. 이에 따라 솔더 능력은 표면 처리와 합금들의 성분조성 특히 알루미늄 솔더 합금의 특별히 설정된 Mg 함량과의 조합에 의해 영향을 받는다. 도 5b의 솔더 결과도 매우 우수한 것으로 평가되었다.
전문가들의 예상과는 달리, 놀랍게도 알칼리 또는 산 세척을 특정 조성의 알루미늄 복합 재료와 조합함으로써, Mg을 1% 보다 많이 구비하는 솔더를 사용하지 않고서도 진공에서 알루미늄 복합 재료를 열적으로 접합하는 것이 가능하다.
표 1 내지 표 5와 관련하여 위에서 설명한 CAB 방법에서 얻은 결과의 개요에서, 전술한 전술한 알루미늄 복합 재료를 사용하면, 다양한 솔더링 방법 특히 CAB 방법과 진공 솔더링 모두에서 공정-신뢰성 있는 솔더링이 가능하다는 것이 명확해진다.
스트립-형상의 알루미늄 복합 재료 제조 방법에 대한 예시적 실시형태가 도 6에 제시되어 있다. 제조 단계 A에서, 다양한 용탕의 동시 주조 또는 압연 클래딩으로 알루미늄 복합 재료를 제조하였다. 이어서, 최종 두께로 예를 들면 냉간 압연 단계 B를 실시하되, 이 냉간 압연 중에는 적어도 중간 어닐링을 수행할 수 있다. 이어서, 방법 단계 C에서 알루미늄 복합 재료를 연화-어닐링 하였다. 방법 단계 D에서, 적어도 알루미늄 솔더 합금 층을 표면 처리하였다. 이어서, 스트립-형상의 알루미늄 복합 재료를 위한 방법 단계 D가 제시된다.
코일(5) 상에 위치하는 알루미늄 복합 재료는 필요에 따라 탈지(degrease) 단계 6을 거친다. 이어서, 알루미늄 복합 재료가 세척 단계 7을 통과한다. 세척 단계에서 알루미늄 복합 재료는 알루미늄 솔더 합금 표면에서 재료 부식이 일어나도록, 예를 들면 산 외에 착화제를 구비하는 산 세척 수용액이 있는 욕조를 통과한다. 욕조는 0.1% 내지 20%의 황산 수용액으로 구성되는 것이 바람직하며, 필요에 따라서는 적어도 하나의 계면활성제와 20ppm 내지 600ppm, 바람직하기로는 300ppm 내지 600ppm 또는 300ppm 내지 480ppm 함량의 HF로 구성된다.
계속해서 린스 및 건조 단계 8을 거치고, 표면 처리된 알루미늄 복합 재료는 코일(9)로 권취된다. 그러나 전술한 표면 처리 단계 D는 스트립 형상이 아닌 상태에서 수행될 수도 있고 또는 이러한 목적을 위해 사용되는 연속로에 제공되어 있는 제조 공정 즉 냉간 압력 또는 예컨대 연화-어닐링의 출구에서 직접 수행될 수도 있다.
열적으로 접합된 구조물의 예시적 실시형태가 도 7에서 열교환기(10) 형상의 평면도로 제시되어 있다.
열교환기(10) 핀들(11)은 통상적으로 양쪽 면이 알루미늄 솔더로 피복된 블랭크 알루미늄 합금 스트립 또는 양쪽 면이 알루미늄 솔더로 피복된 알루미늄 합금 스트립으로 구성된다. 핀(11)은 복수의 솔더 연결부가 요구되는 사행 형상으로 구부러져 파이프(12)에 솔더링된다. 이에 따라, 본 발명에 의하면 플럭스 용제를 사용하지 않고서도 CAB 방법에서 특히 우수한 솔더 결과를 달성할 수 있기 때문에, 본 발명에 따른 알루미늄 복합 재료를 사용하는 것이 특히 유리하다. 플럭스 용제 잔류물이 남지 않기 때문에, 플럭스 용제를 사용하여 솔더링된 열교환기에 비해 열교환기를 조작하는 데에 유리한 효과가 있다.
특히 시험 결과에 의하면, 특정 Mg 함량과 관련된 알루미늄 솔더 합금 층의 표면이 세척된 알루미늄 복합 재료가 보호성 분위기에서 실시되는 플럭스-프리 써멀 접합 예를 들어 CAB 방법 그리고 진공에서 열적으로 접합할 때 솔더 능력과 관련하여 우수한 특성을 나타내는 것을 알 수 있다. 이에 따라 전술한 알루미늄 복합 재료를 사용하면, 종래 기술로부터 공지되어 있는 단점들을 방지하고 동일 계열의 알루미늄 복합 재료로 다양한 솔더링 방법을 신뢰성 있게 실시하면서도, 플럭스 용제를 사용하지 않고 솔더 특성을 더 최적화할 수 있다.
본 명세서 내의 모든 농도 정보는 특별히 언급하고 있지 않는 한은 중량과 관련되어 있다.

Claims (23)

  1. - 알루미늄 코어 합금으로 구성된 적어도 하나의 코어 층과
    - 알루미늄 솔더 합금으로 구성된 코어 층의 한쪽 또는 양쪽에 제공되어 있는 적어도 하나의 외각 솔더 층을 포함하며, 써멀 플럭스-프리 접합 방법에 사용하기 위한 알루미늄 복합 재료에 있어서,
    - 상기 알루미늄 솔더 합금은 성분조성으로,
    6.5%　　　≤　　　　　Si　　　　　≤　　　　　13%
    Fe　　　　≤　　　　　1%
    230ppm　　≤　 　　　　Mg　　　　　≤　　　　　450ppm
    0 < Bi　　　　　<　　　　　500ppm
    Mn　　　　　≤　　　　　0.15%
    Cu　　　　　≤　　　　　0.3%
    Zn　　　　　≤　　　　　3%
    Ti　　　　　≤　　　　　0.30%
    잔부는 Al과 개별적으로 최대 0.05%, 총량이 최대 0.15%의 불가피한 불순물을 구비하고(단위는 중량%),
    - 알루미늄 솔더 층 표면은 알칼리 세척 또는 산 세척되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합 재료.
  2. 제1항에 있어서,
    알루미늄 솔더 합금의 Mg 함량이 중량%로
    230ppm　　≤　　　　　Mg　　　　　≤　　　　　400ppm
    인 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합 재료.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    알루미늄 솔더 합금의 Bi 함량이 중량%로
    Bi　　　　　≤　　　　　280ppm
    인 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합 재료.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    알루미늄 솔더 합금의 Bi 함량이 중량%로
    100ppm　　　≤　　　　Bi
    인 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합 재료.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    알루미늄 솔더 층이 알칼리 피클링되고 탈산된 면을 구비하며, 탈산은 최대1000ppm의 불소를 첨가하여 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합 재료.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    알루미늄 코어 합금의 Mg 함량이 최대 1.0 중량%, 바람직하게는 0.2중량%-0.6중량%, 0.05중량%-0.30중량% 또는 0.05중량% 미만인 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합 재료.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    알루미늄 코어 합금이 AA3xxx 계열의 합금 바람직하게는 AA3003, AA3005, AA3017 또는 AA6xxx 계열의 합금 바람직하게는 AA6063 또는 AA6060인 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합 재료.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    알루미늄 복합 재료의 평균 두께가 0.05 내지 6mm, 바람직하게는 0.2 내지 3mm인 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합 재료.
  9. - 알루미늄 코어 합금으로 구성된 적어도 하나의 코어 층과
    - 알루미늄 솔더 합금으로 구성된 코어 층의 한쪽 또는 양쪽에 제공되어 있는 적어도 하나의 외각 솔더 층을 포함하는 알루미늄 복합 재료 제조 방법에 있어서,
    - 상기 알루미늄 솔더 합금은 성분조성으로,
    6.5%　　　≤　　　　　Si　　　　　≤　　　　　13%
    Fe　　　　　≤　　　　　1%
    230ppm　　≤　　　　　Mg　　　　　≤　　　　　450ppm
    0 < Bi　　　　　<　　　　　500ppm
    Mn　　　　　≤　　　　　0.15%
    Cu　　　　　≤　　　　　0.3%
    Zn　　　　　≤　　　　　3%
    Ti　　　　　≤　　　　　0.30%
    잔부는 Al과 개별적으로 최대 0.05%, 총량이 최대 0.15%의 불가피한 불순물을 구비하고(단위는 중량%),
    - 알루미늄 복합 재료는 수용성의 알칼리 또는 산 세척 액으로 세척되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합 재료 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    - 적어도 하나의 무기산 및 적어도 하나의 착화제 또는 적어도 하나의 단쇄 카르복실산 및 적어도 하나의 착화제, 또는
    - 적어도 하나의 착화산(complexing acid)을 함유하는 산성, 수용성 세척 용액이 사용되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합 재료 제조 방법.
  11. 제10에 있어서,
    세척 용액 내 무기산의 농도가 다음의 한계를 구비하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합 재료 제조 방법.
    H2SO4: 0.1% 내지 20 중량%,
    H3PO4: 0.1% 내지 20 중량%,
    HCl: 0.1% 내지 10 중량%,
    HF: 20ppm 내지 3.0 중량%. 및
    선택적으로 세척 용액에 포함되어 있는 적어도 하나의 계면활성제.
  12. 제9항에 있어서,
    0.01% 내지 5 중량%의 NaOH을 함유하는 알칼리 세척 용액이 사용되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합 재료 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    알칼리 세척 용액이 5 내지 40 중량%의 삼인산나트륨, 3 내지 10 중량%의 글루콘산나트륨, 3 내지 8 중량%의 비-이온성 및 음이온성 계면활성제로 된 적어도 0.5-3중량%의 수용성 혼합물을 구비하고, 선택적으로 0.5 내지 70 중량%의 탄산나트륨을 구비하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합 재료 제조 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    알칼리 세척 용액이 0.5 내지 70 중량%의 탄산나트륨을 구비하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합 재료 제조 방법.
  15. 제9항 또는 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    알루미늄 복합 재료는 수용성의 알칼리 세척 액으로 피클링되고, 알칼리 세척 액으로 이미 처리된 알루미늄 복합 재료는 탈산되되, 상기 탈산은 최대1000ppm의 불소를 첨가하여 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합 재료 제조 방법.
  16. 제9항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    알루미늄 솔더 합금의 Bi 함량이 중량%로
    100ppm　　　　　≤　　　　　Bi
    인 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합 재료.
  17. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 알루미늄 복합 재료를 제조하기 위한 제9항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 방법.
  18. 컴포넌트들을 열적으로 접합하는 방법으로, 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 알루미늄 복합 재료를 포함하는 적어도 하나의 컴포넌트가 플럭스-프리 방식으로 적어도 하나의 추가의 컴포넌트에 열적으로 접합되는 것을 특징으로 하는 컴포넌트들의 열적 접합 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    진공 상태 특히 최대 압력 10-5 mbar에서 플럭스-프리 열적 접합이 수행되는 것을 특징으로 하는 컴포넌트들의 열적 접합 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    보호성 가스 분위기에서 플럭스-프리 열적 접합이 수행되는 것을 특징으로 하는 컴포넌트들의 열적 접합 방법.
  21. 제17항에 있어서,
    최대 압력이 10-5 mbar인 진공 상태에서 플럭스-프리 열적 접합이 수행되는 것을 특징으로 하는 컴포넌트들의 열적 접합 방법.
  22. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 알루미늄 복합 재료를 포함하는 적어도 하나의 컴포넌트 및
    - 적어도 하나의 추가의 컴포넌트를 포함하는 열적으로 접합된 구조물.
  23. - 제22항에 있어서,
    - 적어도 하나의 추가의 컴포넌트가 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 열적으로 접합된 구조물.
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