KR20200115540A

KR20200115540A - 저온 브레이징 및 고강도 재료용 복합 브레이즈 라이너

Info

Publication number: KR20200115540A
Application number: KR1020207023796A
Authority: KR
Inventors: 바올루트 렌; 마이클 피 단츠; 마빈 고인스
Original assignee: 아르코닉 테크놀로지스 엘엘씨
Priority date: 2018-02-22
Filing date: 2018-02-22
Publication date: 2020-10-07
Also published as: WO2019164487A1; US20200368852A1; EP3755494A4; CN111712349B; EP3755494A1; CA3090323A1; CN111712349A; JP7268044B2; JP2021518813A; US11396065B2; KR102528053B1

Abstract

브레이징 시트를 형성하기 위한 장치, 재료 및 방법은, 저 융점 알루미늄 합금과 4000 시리즈 브레이즈 라이너의 복합 브레이즈 라이너 층을 갖는다. 복합재 브레이즈 라이너의 저 융점 층은 저온 브레이징, 및 코어로부터 복합 브레이즈 라이너로의 마그네슘 확산을 감소시키는 것을 용이하게 한다. 마그네슘 확산의 감소는, 브레이즈 접합부 경계면에서 Nocolok 플럭스에 의한 제거에 저항하는 관련 마그네슘 산화물의 형성을 낮춤으로써, 저온에서 분위기 제어된 브레이징(CAB) 및 Nocolok 플럭스의 사용을 통해 양호한 브레이징 접합부의 형성을 또한 용이하게 한다. 본 장비는 높은 강도와 양호한 부식 특성을 갖는 브레이징 시트 재료의 생산을 또한 가능하게 한다.

Description

저온 브레이징 및 고강도 재료용 복합 브레이즈 라이너

본 발명은 열 교환기를 제조하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 열 교환기 구성 요소로 형성되고 브레이징에 의해 조립체로 통합된 알루미늄 합금 브레이징 시트로부터 열 교환기를 제조하기 위해 사용된 재료에 관한 것이다.

열 교환기를 제조하기 위한 다양한 장치, 재료 및 방법이 공지되어 있다. 알루미늄 열 교환기, 예컨대 라디에이터, 콘덴서, 히터 코어 등은, 분위기 제어된 브레이징(CAB)과 진공 브레이징을 포함한 브레이징 기술을 사용하여 주로 조립된다. 브레이징 공정에서, 복합 브레이징 시트의 브레이즈 라이너 층은, 예를 들어 퍼니스의 고온에 노출됨으로써 용융되고, 열 교환기 구성 요소, 예컨대 튜브와 헤더, 튜브와 핀 등 사이에 브레이즈 접합부를 형성하기 위한 필러 금속으로 역할을 한다.

저온 브레이징은, 낮은 용융 온도를 갖는 브레이즈 합금 라이너 단층을 사용하는 것으로 제안되었지만, 이는 가공성, 부식 성능, 접합부 강도, 경도, 취성, 및 롤 접합의 어려움에 부정적인 영향을 미친다. 공지된 방법, 재료 및 장치에도 불구하고, 열 교환기를 제조하기 위한 대안적인 방법, 장치 및 재료의 필요성은 남는다.

개시된 주제는 시트 재료에 관한 것으로, 이는 2XXX, 3XXX, 5XXX 또는 6XXX 알루미늄 합금의 코어; 저 융점 알루미늄 합금 층과 4XXX 알루미늄 합금 층을 갖는 복합 브레이즈 라이너를 포함한다.

다른 구현예에서, 상기 저 융점 알루미늄 합금은 상기 4XXX 알루미늄보다 낮은 융점을 갖는다.

다른 구현예에서, 상기 4XXX 알루미늄 합금은 상기 코어 상에 배치되고, 상기 저 융점 알루미늄 합금은 상기 코어에 대해 원위인 상기 4XXX 알루미늄 합금 상에 배치된다.

다른 구현예에서, 상기 저 융점 합금은 상기 코어 상에 배치되고, 상기 4XXX 알루미늄 합금은 상기 코어에 대해 원위인 상기 저 융점 알루미늄 합금 상에 배치된다.

다른 구현예에서, 상기 4XXX 알루미늄 합금은 제1의 4XXX 알루미늄 합금 층 및 제2의 4XXX 알루미늄 합금 층을 포함하며, 상기 제1의 4XXX 알루미늄 합금 층은 상기 코어 상에 배치되고 상기 저 융점 알루미늄 합금은 상기 코어에 대해 원위인 상기 제1의 4XXX 알루미늄 합금 층 상에 배치되고, 상기 제2의 4XXX 알루미늄 합금 층은 상기 제1의 4XXX 알루미늄 합금 층에 대해 원위인 상기 저 융점 알루미늄 합금 층 상에 배치된다.

다른 구현예에서, 상기 복합 브레이즈 라이너에 대해 원위인 측면으로 상기 코어 상에 배치된 알루미늄 합금의 적어도 하나의 원위 층을 추가로 포함한다.

다른 구현예에서, 상기 적어도 하나의 원위 층은 4XXX 알루미늄 합금 층이다.

다른 구현예에서, 상기 적어도 하나의 원위 층은 제2 복합 브레이즈 라이너이다.

다른 구현예에서, 상기 적어도 하나의 원위 층은 수측면 라이너이다.

다른 구현예에서, 상기 수측면 라이너는, 1.0 내지 15 중량%의 아연을 갖는 7XXX 알루미늄 합금이다.

다른 구현예에서, 상기 저 융점 알루미늄 합금은 510℃ 내지 560℃ 범위의 융점을 갖는다.

다른 구현예에서, 상기 저 융점 알루미늄 합금은, 4.0~12.0 중량%의 Si, 0.1~1.0 중량%의 Fe, 1.0~5.0 중량%의 Cu, 및 5.0~20.0 중량%의 Zn을 포함한다.

다른 구현예에서, 상기 저 융점 알루미늄 합금은 510℃ 내지 560℃ 범위의 고상선과 565℃ 내지 585℃ 범위의 액상선을 갖는다.

다른 구현예에서, 상기 저 융점 알루미늄 합금에서 Si의 양은 4 내지 9 중량%의 범위이다.

다른 구현예에서, 상기 저 융점 알루미늄 합금에서 Zn의 양은 6 내지 18 중량%의 범위이다.

다른 구현예에서, 상기 복합 브레이즈 라이너는, 4.0~12.0 중량%의 Si, 0.1~1.0 중량%의 Fe, ≤2.0 중량%의 Cu, 1.0~6.0 중량% Zn을 포함하고, 상기 복합 브레이즈 라이너는 515℃ 내지 575℃의 고상선과 565℃ 내지 595℃의 액상선을 갖는다.

다른 구현예에서, 상기 복합 브레이즈 라이너는, 10.0~10.5 중량%의 Si, 0.15~2.0 중량%의 Fe, ≤0.7 중량%의 Cu, ≤4.0~6.0 중량%의 Zn을 포함하고, 상기 복합 브레이즈 라이너는 550℃ 내지 575℃의 고상선과 575℃ 내지 590℃의 액상선을 갖는다.

다른 구현예에서, 상기 코어는 0.10~1.2 중량%의 Si, 0.15~0.5 중량%의 Fe, 0.40~3.5 중량%의 Cu, 0.10~1.8 중량%의 Mn, 0.20~1.85 중량%의 Mg, ≤0.01 중량%의 Cr, ≤0.20 중량%의 Zn, 및 ≤0.20 중량%의 Ti를 포함하고, 상기 코어는 >590℃의 고상선 및 >650℃의 액상선을 갖는다.

다른 구현예에서, 상기 코어는 0.10~0.90 중량%의 Si, 0.15~0.5 중량%의 Fe, 0.40~2.60 중량%의 Cu, 0.10~1.55 중량%의 Mn, 0.20~1.0 중량%의 Mg, ≤0.01 중량%의 Cr, ≤0. 0.20 중량%의 Zn, 및 ≤0.20 중량%의 Ti를 포함하고, 상기 코어는 >590℃의 고상선 및 >650℃의 액상선을 갖는다.

다른 구현예에서, 상기 코어는 Si, Cu, Mn 및 Mg로부터 선택된 적어도 하나의 강화 원소를 포함한다.

다른 구현예에서, 상기 코어(사전 브레이즈) 내에 존재하는 Mg은 0.2 내지 1.85 중량%의 양이고, Cu는 0.4 내지 3.5 중량%의 양이고, Mn은 0.1 내지 1.8 중량%의 양이고, Si는 0.1 내지 1.2 중량%의 양이다.

다른 구현예에서, 상기 코어에 대한 상기 복합 브레이즈 라이너의 클래드 비는 4 내지 18%의 범위이다.

다른 구현예에서, 상기 복합 브레이즈 라이너에서, 상기 4XXX 알루미늄 합금의 두께에 대한 상기 저 융점 알루미늄 합금의 두께의 비는 5 내지 50%의 범위이다.

다른 구현예에서, 상기 LPM 라이너와 4000 라이너는 롤 접합되고 별도로 제조된 다음 상기 코어와 함께 롤 접합되거나, 상기 LPM 라이너, 4000 라이너, 코어 및/또는 수측면 라이너가 동일한 공정에서 롤 접합된다.

다른 구현예에서, 상기 저 융점 알루미늄 합금은, 용융이 510 내지 560℃의 범위에서 시작하는 온도와 용융이 565 내지 585℃의 범위에서 완료되는 온도를 갖는다.

다른 구현예에서, 사전 브레이즈 상태에서의 상기 저 융점 알루미늄 합금에 존재하는 Zn은, 사후 브레이즈 상태에서의 상기 저 융점 알루미늄 합금에 인접한 상기 4XXX 알루미늄 합금 내로 그리고 상기 코어 내로 분포된다.

다른 구현예에서, 사후 브레이즈 상태에서의 상기 저 융점 알루미늄 합금의 잔류물은 상기 코어를 보호하는 애노드성 부식 저항 층을 형성한다.

다른 구현예에서, 상기 부식 저항 층은 표면과 상기 코어 사이에서 15 내지 150 mV 범위의 부식 전위차를 갖는다.

다른 구현예에서, 상기 시트 재료는 제1 부분으로 형성되고, 알루미늄 합금으로 형성된 제2 시트 재료를 추가로 포함하며, 상기 제1 부분은 상기 제2 부분에 브레이징되어 조립체를 형성한다.

다른 구현예에서, 상기 조립체는 열 교환기이다.

다른 구현예에서, 브레이징 방법은,

2XXX, 3XXX, 5XXX 또는 6XXX 알루미늄 합금의 코어, 및 저 융점 알루미늄 합금 층과 4XXX 알루미늄 합금 층을 갖는 복합 브레이즈 라이너를 갖는 시트 재료로 형성된 제1 부분을 제공하는 단계; 알루미늄 합금으로 형성된 제2 부분을 제공하는 단계; 상기 제1 부분을 상기 제2 부분과 접촉 상태로 배치하는 단계; 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분을 가열하는 단계; 상기 4XXX 알루미늄 합금이 용융하기 전에 상기 저 융점 알루미늄 합금을 용융시키는 단계; 상기 4XXX 알루미늄 합금을 용융시키고 상기 저 융점 알루미늄 합금과 상기 4XXX 알루미늄 합금의 혼합 용융 합금을 형성하는 단계; 상기 혼합 용융 합금으로부터 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 사이에 브레이즈 접합부를 형성하는 단계; 및 상기 혼합 용융 합금을 냉각시키는 단계를 포함한다.

다른 구현예에서, 상기 가열 단계는 제어된 분위기에서 수행되고, 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 중 적어도 하나에 Nocolok 플럭스를 적용해서 그의 표면으로부터 산화물을 제거하는 단계를 추가로 포함한다.

다른 구현예에서, 최대 온도는 5분 미만 동안 유지된다.

다른 구현예에서, 저 융점 알루미늄 합금은 560℃ 미만의 온도에서 용융을 시작한다.

다른 구현예에서, 상기 코어는 0.2 내지 1.0 중량%의 Mg, 0.4 내지 2.6 중량%의 Cu, 및/또는 0.1 내지 1.0 중량%의 Si 중 적어도 하나를 포함하는 조성을 갖는다.

다른 구현예에서, 상기 확산 단계는 상기 4XXX 알루미늄 합금으로 Si, Cu, Zn을 확산시키는 단계를 포함하고, 상기 4XXX 알루미늄 합금이 용융되는 온도를 감소시킨다.

다른 구현예에서, 시트 재료는 2XXX, 3XXX, 5XXX 또는 6XXX 알루미늄 합금의 코어; 저 융점 알루미늄 합금 층과 4XXX 알루미늄 합금 층을 갖는 복합 브레이즈 라이너를 포함하되, 상기 저 융점 알루미늄 합금은 상기 4XXX 알루미늄 합금보다 낮은 융점을 갖는다.

다른 구현예에서, 상기 4XXX 알루미늄 합금은 상기 코어 상에 배치되고 상기 저 융점 알루미늄 합금은 상기 코어에 대해 원위인 상기 4XXX 알루미늄 합금 상에 배치되거나, 상기 저 융점 알루미늄 합금은 상기 코어 상에 배치되고 상기 4XXX 알루미늄 합금은 상기 코어에 대해 원위인 상기 저 융점 알루미늄 합금 상에 배치되거나, 상기 4XXX 알루미늄 합금은 제1의 4XXX 알루미늄 합금 층 및 제2의 4XXX 알루미늄 합금 층을 포함하며, 상기 제1의 4XXX 알루미늄 합금 층은 상기 코어 상에 배치되고 상기 저 융점 알루미늄 합금은 상기 코어에 대해 원위인 상기 제1의 4XXX 알루미늄 합금 층 상에 배치되고, 상기 제2의 4XXX 알루미늄 합금 층은 상기 제1의 4XXX 알루미늄 합금 층에 대해 원위인 상기 저 융점 알루미늄 합금 층 상에 배치된다.

다른 구현예에서, 전술한 구현예 중 임의의 시트 재료는, 상기 복합 브레이즈 라이너에 대해 원위인 측면에서 상기 코어 상에 배치된 적어도 하나의 알루미늄 합금 원위 층을 추가로 포함하고/포함하거나 상기 적어도 하나의 원위 층은 4XXX 알루미늄 합금 층이고/층이거나 상기 적어도 하나의 원위 층은 제2 복합 브레이즈 라이너이고/라이너이거나 상기 적어도 하나의 원위 층은 수측용 라이너이고/라이너이거나 상기 수측용 라이너는 1.0 내지 15 중량% 범위의 아연을 갖는 7XXX 알루미늄 합금이다.

다른 구현예에서, 전술한 구현예 중 임의의 시트 재료에서, 상기 저 융점 알루미늄 합금은 510℃ 내지 560℃ 범위의 융점을 갖는다.

다른 구현예에서, 전술한 구현예 중 임의의 시트 재료에서, 상기 저 융점 알루미늄 합금은 4.0~12.0 중량%의 Si, 0.1~1.0 중량%의 Fe, 1.0~5.0 중량%의 Cu, 및 5.0~20.0 중량%의 Zn를 포함하고/포함하거나 상기 저 융점 알루미늄 합금은 510℃ 내지 560℃ 범위의 고상선과 565℃ 내지 585℃의 액상선을 갖고/갖거나 상기 저 융점 알루미늄 합금 내의 Si 양은 4 내지 9 중량% 범위이고/범위이거나 상기 저 융점 알루미늄 합금 내의 Zn 양은 6 내지 18 중량%의 범위이다.

다른 구현예에서, 전술한 구현예 중 임의의 시트 재료에서, 상기 복합 브레이즈 라이너는 4.0~12.0 중량%의 Si, 0.1~1.0 중량%의 Fe, ≤2.0 중량%의 Cu, 1.0~6.0 중량%의 Zn를 포함하고 상기 복합 브레이즈 라이너는 515℃ 내지 575℃의 고상선과 565℃ 내지 595℃의 액상선을 갖거나, 상기 복합 브레이즈 라이너는 10.0~10.5 중량%의 Si, 0.15~2.0 중량%의 Fe, ≤0.7 중량%의 Cu, ≤4.0~6.0 중량%의 Zn를 포함하고 상기 복합 브레이즈 라이너는 550℃ 내지 575℃의 고상선과 575℃ 내지 590℃의 액상선을 갖는다.

다른 구현예에서, 전술한 구현예 중 임의의 시트 재료에서, 상기 코어는 0.10~1.2 중량%의 Si, 0.15~0.5 중량%의 Fe, 0.40~3.5 중량%의 Cu, 0.10~1.8 중량%의 Mn, 0.20~1.85 중량%의 Mg, ≤0.01 중량%의 Cr, ≤0.20 중량%의 Zn, 및 ≤0.20 중량%의 Ti를 포함하고 상기 코어는 >590℃의 고상선과 >650℃의 액상선을 갖거나, 상기 코어는 0.10~0.90 중량%의 Si, 0.15~0.5 중량%의 Fe, 0.40~2.60 중량%의 Cu, 0.10~1.55 중량%의 Mn, 0.20~1.0 중량%의 Mg, ≤0.01 중량%의 Cr, ≤0.20 중량%의 Zn, 및 ≤0.20 중량%의 Ti를 포함하고 상기 코어는 >590℃의 고상선과 >650℃의 액상선을 갖는다.

다른 구현예에서, 전술한 구현예 중 임의의 시트 재료에서, 상기 코어는 Si, Cu, Mn 및 Mg로부터 선택된 적어도 하나의 강화 원소를 포함하고/포함하거나 상기 코어(사전 브레이즈) 내에 존재하는 Mg는 0.2 내지 1.85 중량%의 양이고, Cu는 0.4 내지 3.5 중량%의 양이고, Mn은 0.1 내지 1.8 중량%의 양이고, Si는 0.1 내지 1.2 중량%의 양이다.

다른 구현예에서, 전술한 구현예 중 임의의 시트 재료에서, 상기 코어에 대한 상기 복합 브레이즈 라이너의 클래드 비는 4 내지 18%의 범위이고/범위이거나

상기 복합 브레이즈 라이너에서, 상기 4XXX 알루미늄 합금의 두께에 대한 상기 저 융점 알루미늄 합금의 두께의 비는 5 내지 50%의 범위이고/범위이거나

상기 LPM 라이너와 4000 라이너는 롤 접합되고 별도로 제조된 다음 상기 코어와 함께 롤 접합되거나, 상기 LPM 라이너, 4000 라이너, 코어 및/또는 수측면 라이너가 동일한 공정에서 롤 접합된다.

다른 구현예에서, 전술한 구현예 중 임의의 시트 재료에서, 상기 저 융점 알루미늄 합금은, 용융이 510 내지 560℃의 범위에서 시작하는 온도와 용융이 565 내지 585℃의 범위에서 완료되는 온도를 갖는다.

다른 구현예에서, 전술한 구현예 중 임의의 시트 재료에서, 사전 브레이즈 상태에서의 상기 저 융점 알루미늄 합금에 존재하는 Zn은, 사후 브레이즈 상태에서의 상기 저 융점 알루미늄 합금에 인접한 상기 4XXX 알루미늄 합금 내로 그리고 상기 코어 내로 분포되고/분포되거나 사후 브레이즈 상태에서의 상기 저 융점 알루미늄 합금의 잔류물은 상기 코어를 보호하는 애노드성 부식 저항 층을 형성하고/형성하거나 상기 부식 저항 층은 표면과 상기 코어 사이에서 15 내지 150 mV 범위의 부식 전위차를 갖는다.

다른 구현예에서, 전술한 구현예 중 임의의 시트 재료에서, 상기 시트 재료는 제1 부분으로 형성되고, 알루미늄 합금으로 형성된 제2 시트 재료를 추가로 포함하며, 상기 제1 부분은 상기 제2 부분에 브레이징되어 조립체를 형성하고/형성하거나 상기 조립체는 열교환기이다.

다른 구현예에서, 브레이징 방법은,

다른 구현예에서, 전술한 구현예 중 임의의 방법에서, 상기 가열 단계는 제어된 분위기에서 수행되고, 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 중 적어도 하나에 Nocolok 플럭스를 적용해서 그의 표면으로부터 산화물을 제거하는 단계를 추가로 포함한다.

다른 구현예에서, 전술한 구현예 중 임의의 방법에서, 최대 온도는 5분 미만 동안 유지되고/유지되거나 저 융점 알루미늄 합금은 560℃ 미만의 온도에서 용융을 시작한다.

다른 구현예에서, 전술한 구현예 중 임의의 방법에서, 상기 코어는 0.2 내지 1.0 중량%의 Mg, 0.4 내지 2.6 중량%의 Cu 및/또는 0.1 내지 1.0 중량%의 Si 중 적어도 하나를 포함한 조성을 갖고/갖거나 상기 확산 단계는 Si, Cu, Zn을 상기 4XXX 알루미늄 합금으로 확산시켜, 상기 4XXX 알루미늄 합금이 용융하는 온도를 감소시킨다.

본 개시를 보다 완전하게 이해하기 위해, 첨부 도면과 관련하여 고려된 예시적인 구현예에 대한 하기의 상세한 설명이 참조된다.
도 1a는 본 개시의 구현예에 따른 브레이징 시트 재료의 개략도이다.
도 1b는 본 개시의 다른 구현예에 따른 브레이징 시트 재료의 개략도이다.
도 1c는 본 개시의 다른 구현예에 따른 브레이징 시트 재료의 개략도이다.
도 2a는 본 개시의 구현예에 따른 브레이징 시트 재료의 단면도이다.
도 2b는 본 개시의 구현예에 따른 브레이징 시트 재료의 단면도이다.
도 3a는 본 개시의 구현예에 따른 저 융점 합금에 대한 시차 주사 열량측정(DSC) 시험의 그래프이다.
도 3b는 본 개시의 구현예에 따른 저 융점 합금에 대한 시차 주사 열량측정(DSC) 시험의 그래프이다.
도 4a는 본 개시의 구현예에 따른 저 융점 합금을 갖는 4층 브레이징 시트에 대한 시차 주사 열량측정(DSC) 시험의 그래프이다.
도 4b는 본 개시의 구현예에 따른 저 융점 합금을 갖는 4층 브레이징 시트에 대한 시차 주사 열량측정(DSC) 시험의 그래프이다.
도 5a는, 브레이징 전, 본 개시의 구현예에 따른 저 융점 합금을 갖는 4층 브레이징 복합 시트 내의 원소 분포의 그래프이다.
도 5b는, 브레이징 후, 도 5a의 4층 브레이징 복합 시트 내의 원소 분포의 그래프이다.
도 6은, 브레이징 후, 도 5b의 브레이징 시트 내의 원소 Cu, Zn 및 Mg의 분포의 그래프이다.
도 7은 도 6의 복합 브레이징 시트 내의 부식 전위의 그래프이다.
도 8a는 본 개시의 구현예에 따른 브레이징 시트를 브레이징함으로써 형성된 브레이즈 접합부의 단면도이다.
도 8b는 본 개시의 구현예에 따른 브레이징 시트를 브레이징함으로써 형성된 브레이즈 접합부의 단면이다.

열 교환기 구조는 알루미늄 합금 시트 재료로 형성될 수 있고, 이는 적어도 2개의 층, 즉 베이스 합금으로서, 예를 들어 2000, 3000, 5000 또는 6000 시리즈 알루미늄의 코어 층과, 예를 들어 4000 시리즈 베이스 합금으로 형성된 브레이즈 층/브레이즈 라이너를 갖는다. 이러한 유형의 재료를 브레이징 시트로서 설명할 수 있다. 브레이징을 통해 열 교환기 구조물을 조립하기 전에, 브레이즈 층 표면은, 예를 들어 제조 공정 및 분위기 노출을 통해 산화물 막, 예컨대 Al 산화물, Mg 산화물 등의 층을 만들 수도 있다. 피접합 요소 사이의 산화물 배리어가 접합부를 오염 또는 변질시키지 않고, 필러 금속이 양호한 접합부를 생성하도록 결합될 표면을 "습윤" 또는 연결하는 것을 보장하기 위해, 산화물 층은 브레이징 공정 전 또는 도중에 제거된다. 본 개시는, 진공 브레이즈 공정에서 바람직하지 않은 산화물 층은 브레이징 시트의 브레이즈 라이너 또는 코어에 존재하는 Mg의 증발에 의해 깨짐을 인식한다. Mg는 알루미늄 합금 브레이징 시트의 중요한 합금 원소로서 재료 강도를 증가시키고, 따라서 진공 브레이즈 공정은 브레이징 시트 내의 Mg의 존재를 활용하여 구성 요소 표면 상의 산화물을 제거하고 최종 브레이징된 열 교환기 조립체를 강화시킬 수 있다.

분위기 제어된 브레이징(CAB) 공정에서, 브레이징은 주변 산소를 거의 배제시킨 불활성 분위기에서 수행되고, 따라서 브레이징 공정 동안 형성된 산화물을 감소시킨다. 브레이징 시트 상에 이미 존재하는 산화물 막(들)은 플럭스, 예컨대 Nocolok 플럭스에 의해 제거된다. 플럭스는 브레이징 시트의 표면 상에 산화물 막을 용해시키고 결합될 표면의 습윤성을 촉진할 수 있다. Nocolok 플럭스는, Mg 산화물의 제한된 용해도 및 Mg 산화물을 제거하는 제한된 능력을 갖는다. 또한, 브레이징 공정 동안에 표면으로 확산된 Mg은, 플럭스 내의 F 및 K와 반응할 수 있고, 이는 MgF₂, KMgF₃, 및 K₂MgF₄를 형성함으로써 플럭스 조성을 변화시킬 수 있고, 플럭스 융점을 높이고 산화물 막을 제거하는 것에 부정적인 영향을 미친다. Cs을 함유한 Nocolok 플럭스가, Mg을 함유한 알루미늄 합금, 예컨대 6063을 위해 개발되었다. Cs 플럭스는 MgO 막을 효과적으로 파괴하고 제거할 수 있고, 따라서 Mg 함유 브레이징 시트의 양호한 브레이징 가능성을 보장하지만, 이는 Nocolok 플럭스보다 약 세 배 더 비싸고, 따라서 열 교환기 제조업체에서는 Nocolok에 비해 이를 선호하지 않는다. 결과적으로, Mg 함유 알루미늄 합금은, CAB 공정에 의해 제조된 열 교환기를 제조하는 데 널리 사용되지 않는다.

본 개시의 양태는, Mg 함유한 알루미늄 합금을, CAB 공정에서 Nocolok 플럭스를 이용하여 브레이징 조립될 수 있게 하는 복합 브레이즈 라이너(CBL)이다. 보다 구체적으로, CBL은, 4XXX 브레이즈 라이너에 접합된 저 융점(LMP) 알루미늄 합금 층을 포함한다. CAB 퍼니스에서 가열되는 경우, 브레이징 공정 중 4XXX 브레이즈 라이너가 용융되기 전에 LMP 층은 더 낮은 온도에서 용융될 것이다. 이어서, LMP 층으로부터 생성된 액체 금속은, LMP 합금 및 인접한 4XXX 라이너 내의 Si 확산을 가속시킬 수 있다. 또한, LMP 합금으로부터 4XXX 브레이즈 라이너로 확산된 Cu 및 Zn와 같은 합금 원소는 4XXX 라이너의 융점을 낮출 수 있다. 이들 요인 모두 4XXX 브레이즈 라이너 필러 금속의 용융 및 유동을 가속시킬 수 있고, 오늘날 널리 사용되는 CAB 브레이징 공정의 종래의 577℃ 내지 613℃의 온도 범위와 비교하면 상기 브레이징 공정은, 예를 들어 약 565℃ 내지 590℃의 더 낮은 온도 범위에서 빠르게 완료될 수 있도록 한다. 일 구현예에서, 본 개시에 따라 낮아진 온도 범위의 상한은 577℃ 미만이다. LMP는 또한 종래의 공정인 경우의 약 25 내지 45분에서, 본 개시의 일 구현예에 따라 약 15 내지 30분의 감소된 시간으로 상기 브레이징에 필요한 시간을 감소시키는 긍정적 영향을 갖는다. 일 구현예에서, 본 개시에 따른 브레이징 시간은 25분 미만이다. 낮은 온도 범위에서 빠른 브레이즈 공정은, 결합될 브레이징 시트 구성 요소의 표면으로의 Mg 확산을 감소시킬 수 있어서, 즉 MgO 형성 및 Nocolok 플럭스와 Mg의 반응을 감소시킴으로써, 브레이징 능력에 대한 Mg의 부정적인 효과를 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 개시는, Mg 함유 알루미늄 합금으로 제조된 열 교환기 구성 요소를, CAB 공정에서 Nocolok 플럭스를 사용하여 브레이징시킬 수 있다. 또한, 낮은 브레이즈 온도에서 수행된 브레이징 공정은, 코어 합금 내의 다른 합금 원소, 예컨대 Si, Cu 등의 사용을 가능하게 하고, 이는 코어의 고상선 온도를, 예를 들어 용융 없이 종래의 CAB 브레이징에 필요한 온도를 견디지 못하는 <590℃ 수준으로 낮춘다. 따라서, 본 개시는 구성 요소, 예를 들어 고강도 브레이징 시트 재료로 제조된 열 교환기의 튜브, 탱크 및/또는 핀의 CAB 브레이징을 가능하게 한다.

본 개시에 따라 CAB에 의해 결합될 수 있는 새로운 재료는, 예를 들어 코어에 대해 고강도 재료, 예컨대 상당한 양의 마그네슘, 예를 들어 0.3 내지 1.0 중량%의 범위, 또는 그 이상, 예를 들어 최대 1.85 중량%까지 포함한 것을 포함한다. 고강도 재료를 사용하면, 더 얇은 게이지 브레이징 시트를 허용하여 더 가볍고 성능이 더 좋은 열교환기를 만들 수 있다. 본 발명에 개시된 CBL 조성 및 클래드 비는, LMP 층이 4XXX 브레이징 층과의 혼합 및 용융 이후에, 예를 들어 자동차 라디에이터로서 사용 중인 코어의 부식을 방지하기 위한 보호층을 형성할 수 있도록 선택될 수 있다. 본 개시에 따른 브레이징 시트는 또한 열 교환기 제조사가 저온 브레이징 공정을 사용할 수 있게 하며, 이 공정은 제어하기가 쉽고 에너지 및 제조 비용이 절약된다.

도 1a는, 2000, 3000, 5000 또는 6000 시리즈 알루미늄 합금의 베이스 조성을 갖는 코어(12), 4XXX(4000) 시리즈 알루미늄 합금의 베이스 조성을 갖는 브레이즈 라이너(층)(14), 및 LMP(저 융점) 층(라이너)(16)을 갖는 브레이징 시트 재료(10)를 나타낸다. 브레이즈 라이너(14)와 LMP 층(16)의 조합은, 복합 브레이즈 라이너(CBL)(18)의 구성 요소로서 식별될 수 있다. 도 1a에서, LMP 층(16)은 코어(12)의 제1 측면 상의 4XXX 브레이즈 라이너(14)의 상부에 배치된 외부 라이너/층이다. 코어(12)의 제2 측면 상에, 응용 분야에 따라 다른 CBL(18), 단일 브레이즈 라이너, 또는 수측면 라이너가 존재하거나, 라이너가 존재하지 않을 수 있다. 수측면 라이너는 Zn, 예를 들어 1.0 내지 15.0 중량%의 Zn을 첨가한 3000 시리즈 합금 또는 7000 합금일 수 있다.

도 1b는, 코어(22) 및 브레이즈 라이너(24)를 갖는, 도 1a의 브레이징 시트 재료(10)와 같은 브레이징 시트 재료(20)를 나타내지만, LMP 층(26)은 코어(22)와 4XXX 브레이즈 라이너(24) 사이에 위치해서 도 1a의 CBL(18)의 것에 대해 반전된 배향을 갖는 CBL(28)을 생성한다. CBL(28)의 배향과 위치로 인해, LMP 층(26)은 4XXX 브레이즈 라이너(24)와 코어(22) 사이의 내부 라이너로서 설명될 수 있다. 유사하게, 코어(22)의 제2 측면 상에, 응용 분야에 따라 다른 CBL(28), 단일 브레이즈 라이너, 또는 수측면 라이너가 존재하거나, 라이너가 존재하지 않을 수 있다.

도 1c는, 도 1a 및 도 1b의 브레이징 시트 재료(10, 20)와 같은 브레이징 시트 재료(30)를 나타내고, 코어(32), 두 부분의 브레이즈 라이너(34A, 34B)를 가지며, LMP 층(36)은 두 부분의 브레이즈 라이너(34A, 34B) 사이에 위치하여, CBL(38)이 세 개의 층을 갖도록 한다. 점선으로 나타낸 선택 층(39)은, CBL(38)에 대향하는 코어(32) 상에 제공될 수 있고, 응용 분야에 따라 CBL(38, 28 또는 18) 같은 CBL, 부식 보호를 위한 애노드 층, CBL(18, 28, 38)에 의해 덮인 애노드 층일 수 있거나 없을 수 있다(코어의 이 측면에는 클래드 층이 없음).

4000 시리즈 브레이즈 라이너(14, 24, 34A, 34B), 이 경우 4047 합금과 결합된 층(16, 26, 및/또는 36)에 사용된 LMP 합금의 예시를, 중량 백분율로 표시하고 나머지는 알루미늄인 표 1에 나타낸 바와 같이 시험하였다. 나타낸 고상선 및 액상선은 표 1의 각각의 합금의 조성에 기초하여 계산되었다.

표 1의 모든 LMP 층 조성은, 낮은 온도에서 복합 브레이즈 라이너(CBL)(18, 28, 38)의 용융을 개시하는 낮은 고상선 및 액상선을 갖는다. LMP 층(16, 26, 36)의 액화 금속은 Si 확산과 용융을 가속시킬 수 있다. Zn 및 Cu를 포함하나 이에 제한되지 않는 LMP 층(16, 26, 36)의 합금 원소는, 인접한 4XXX 라이너(14, 24, 34A, 34B) 내로 확산할 수 있어서, 전체 복합 브레이즈 라이너 CBL(18, 28, 38)은 종래의 4XXX 브레이즈 라이너보다 낮은 온도에서 신속하게 용융될 수 있다. LMP 층(16, 26, 36)은 브레이즈 층(14, 24, 34A, 34B)과 마찬가지로 롤링 공정에서 양호한 가공성 및 유사한 금속 흐름을 가져야 하며, 이들 모두는 게이지로 롤링하는 중에 유사한 방식으로 변형되고 그렇지 않으면 게이지로 적합성을 나타내도록 한다. 또한, 복합 브레이즈 라이너(CBL)의 클래드 비는, 용융 후 CBL(18, 28, 38)(즉 LMP 라이너와 4XXX 라이너의 혼합물)의 최종 조성이 4XXX 라이너만으로 형성된 브레이즈 접합부에 견줄만한 양호한 강도 및 부식 특성을 갖는 양호한 브레이즈 접합부를 형성하도록 선택된다. 본 개시에 따라, 브레이징 후에 남는 복합 라이너(CBL) 잔류물은, 열 교환기의 양호한 서비스 수명을 보장하기 위한 부식 보호성을 코어에 제공한다.

일 구현예에서, LMP 층은 4.0~12.0 중량%의 Si, 0.1~1.0 중량%의 Fe, ≤5.0 중량%의 Cu, ≤0.1 중량%의 Mn, ≤0.01 중량%의 Cr, 5.0~20.0 중량%의 Zn, 및 ≤0.02 중량%의 Ti를 갖는 조성과 약 510℃ 내지 560℃ 범위의 고상선과 565℃ 내지 585℃의 액상선을 가질 수 있다.

다른 구현예에서, 상기 저 융점 알루미늄 합금에서 Si의 양은 4 내지 9 중량%의 범위이다. 다른 구현예에서, 상기 저 융점 알루미늄 합금에서 Zn의 양은 6 내지 18 중량%의 범위이다.

표 2는, 표 1로부터의 LMP 합금(L1 및 L2)을 4047 라이너 조합으로부터 생성한, 두 개의 예시적인 조성물 CBL1 및 CBL2을 나타내며 중량 백분율로 표시되고 나머지는 알루미늄이다. 조성물 CBL1 및 CBL2는 확산을 고려하지 않고서 계산에 기초하여 결정되었고, 고상선과 액상선은 캐스팅 시 조성에 기초하여 계산된다.

일 구현예에서, CBL은 4.0~12.0 중량%의 Si, 0.1~1.0 중량%의 Fe, ≤2.0 중량%의 Cu, ≤0.1 중량%의 Mn, 1.0~6.0 중량%의 Zn을 갖는 조성을 가질 수 있고, 복합 브레이즈 라이너는 515℃ 내지 575℃의 고상선 및 565℃ 내지 595℃의 액상선을 갖는다.

다른 구현예에서, 복합 브레이즈 라이너는, 10.0~10.5 중량%의 Si, 0.15~1.0 중량%의 Fe, ≤1.0 중량%의 Cu, ≤0.1 중량%의 Mn, 4.0~6.0 중량%의 Zn을 포함하고, 복합 브레이즈 라이너는 550℃ 내지 575℃의 고상선과 575℃ 내지 590℃의 액상선을 갖는다.

도 2a 및 도 2b는 도 1b 및 도 1a에 나타낸 브레이징 시트(20 및 10)의 복합 샘플의 미세 구조를 각각 나타내며, 도 2a는 LMP 층(26)을 내부 라이너로서 나타내고 도 2b는 LMP 층(16)을 외부 라이너로서 나타낸다. 상업적 제품 제조 공정과 유사한 공정 파라미터를 사용하여, 실험실 규모의 열간 롤링 및 냉간 롤링 공정에서 샘플을 제조하였다. LMP 층(16, 26), 브레이즈 라이너(14, 24,) 및 코어(12, 22)는 어떠한 결함 없이 그들 각각의 인접한 적층체와 잘 접합된다.

본 개시에 따른 코어 합금의 예시적인 조성에 대한 고상선 및 액상선을 시험하였고 그 결과는 표 3에 나타나 있다. 코어 합금 중 일부, 예를 들어, C3, C4, 및 C10은 Nocolok 플럭스로 CAB 공정에서 브레이징하는 데 도전적인 높은 수준의 Mg을 포함한다. 코어 합금 조성물 중 일부는 높은 Cu 및 Mg, 예를 들어 낮은 융점을 가지며 CAB 공정 중에 용융을 시작할 것으로 예상되는 C3 및 C10을 포함한다.

일 구현예에서, 코어는 0.10~1.2 중량%의 Si, 0.15~0.5 중량%의 Fe, 0.40~3.5 중량%의 Cu, 0.10~1.8 중량%의 Mn, 0.20~1.85 중량%의 Mg, ≤0.01 중량%의 Cr, ≤0.2 중량%의 Zn, 및 ≤0.2중량%의 Ti를 갖는 조성을 갖고, 상기 코어는 >590℃의 고상선과 >650℃ 액상선을 갖는다.

다른 구현예에서, 상기 코어는 0.10~1.0 중량%의 Si, 0.15~0.5 중량%의 Fe, 0.40~3.0 중량%의 Cu, 0.10~1.7 중량%의 Mn, 0.20~1.5 중량%의 Mg, ≤0.2 중량%의 Zn, 및 ≤0.2 중량%의 Ti를 갖고, >590℃의 고상선 및 >650℃의 액상선을 갖는다.

일 구현예에서, 상기 코어는 Mg, Cu, Si, Mn으로부터 선택된 적어도 하나의 강화 원소를 갖는다.

다른 구현예에서, Mg은 0.2 내지 0.8 중량%의 양으로 코어 내에 존재하며, Cu는 1.5 내지 2.5 중량%의 양이고, Si는 0.2~1.0이다. 도 3a 및 도 3b는, 두 개의 저 융점 알루미늄 합금(LMP), 즉 표 1에서의 합금 L1 및 L2의 융점을 각각 측정하기 위해 수행되었던 시차 주사 열량측정(DSC) 테스트의 결과를 나타낸 그래프(50, 52)를 각각 나타낸다. 도 3a, 도 3b, 도 4a, 도 4b, 도 5a 및 도 5b에 그래프로 나타낸 DSC 시험에서, 분당 20℃의 속도로 가열하였다. 도 3a의 그래프(50)는 928.4F(497℃)에서 열 흐름이 시작함을 나타내고, 합금 L1이 용융을 시작하였음을 표시한다. 열 흡수는 1001.1F (538℃)에서 피크에 도달하고, 다량의 LMP 금속 용융을 표시한다. 그 후, 열 흡수는 감소하기 시작했지만, 이어서 나머지 Al-Si 공정(eutectic) 금속이 용융을 시작하는 듯한 1069F(576℃)에서의 다른 피크로 상승하기 시작했다. 용융물은 1089.6F(588℃)에서 완료되었다.

도 3b의 그래프(52)는 합금 L2의 용융이 945.4F(507℃)에서 시작되었고 1012.7F(545℃)에서 피크에 도달함을 나타낸다. 금속의 용융이 감속된 후, Si 공정 금속이 용융되기 시작한 1068F(575.5℃)에서 제2 피크가 시작되었다. 복합 브레이즈 라이너의 용융은 1109.2 (598℃)에서 완료되었다.

표 4는 4층 재료 샘플에 대한 DSC 시험 결과를 나타낸다. 샘플 A는, 코어(C3)(표 3)의 일 측면 상에 (표 2의) CBL1과 다른 측면 상에 4047을 가졌다. 샘플 B는, 코어의 일 측면 상에 CBL2(표 2)와 다른 측면 상에 4047을 가졌다. CBL1 및 CBL2 및 4047 층의 클래드 비는 15%였고, 코어는 표 3의 합금 C3이었다. 샘플 A 및 B의 적층체 구조 및 조성은 표 4에 나타나 있고, 중량 백분율로 표시되고 나머지는 알루미늄이다.

표 4의 샘플 A 및 B는, 라이너 및 코어를 함께 조립하고; 열간 롤링 온도로 재가열하고; 450~515C 범위의 온도에서 열간 롤링하고; 어닐링 다음 최종 게이지로 롤링하거나 최종 어닐링을 위해 얇은 게이지로 냉간 롤링함으로써, 준비되었다.

도 4a는 샘플 A에 대한 DSC 결과를 그래프(54)로 나타내며, CBL1을 갖는 샘플 A의 제1 용융(내부 라이너)은 1026.1F(552.3℃)에서 시작하였고 제2 용융은 약 1062.1F(572.2℃)에서 시작하였다. 일 측면 상에 CBL1과 다른 측면 상에 4047을 포함한 샘플 A의 브레이즈 라이너의 용융은 1104.4F(598℃)에서 완료되었다.

도 4b는 샘플 B에 대한 DSC 결과를 그래프(56)로 나타내며, 제1 용융(내부 라이너)은 1037.7F(559℃)에서 시작하였고 제2 용융은 약 1060.9F(571.6℃)에서 시작하였다. CBL과 4047 모두를 포함한 샘플 B에 대해, 브레이즈 라이너의 용융은 1106.2F(596.8℃)에서 완료되었다.

그래프(54 및 56)에 나타낸 바와 같이, 복합체 내의 LMP 층은, 제조 및 브레이징 공정 둘 다에서 Cu, Zn 등과 같은 합금 원소의 확산과 연관된 조성 변화로 인해 단일체 합금보다 높은 온도에서 용융되기 시작한다. 전술한 바와 같이, 552~559℃에서 개시된 액체 금속 용융은 4047 브레이즈 라이너 내의 Si 용해를 가속시키고 4047 라이너로 확산된 Cu/Zn은 라이너의 융점을 낮출 것이고, 브레이즈 라이너가 더 낮은 온도에서 용융을 시작할 수 있도록 한다.

도 5a는, 층 내의 사전 브레이즈 합금 원소 분포의 그래프(58)를 나타낸다: 클래드 브레이징 시트(68)의 LMP(60), 브레이즈 라이너(62), 코어(64), 및 브레이즈 라이너(66)로 표 4의 샘플 A와 같음. LMP(60)와 브레이즈 라이너(62)는 복합 브레이즈 라이너 CBL(18)(도 1a)를 생성하며, 여기서 저 융점 라이너(60)는 외부 라이너이다. Cu 및 Zn 수준은, LMP 라이너(60)의 얇은 층에서 높다.

사후 브레이즈 샘플(표 4의 샘플 B)의 합금 원소 분포는 도 5b에 나타나 있으며, 여기서 층(72, 74, 76 및 78)은 도 5a의 층들 LMP(60), 브레이즈 라이너(62), 코어(64) 및 브레이즈 라이너(66)에 대응하지만, 사후 브레이징된 상태이다. 확산은 브레이즈 열 사이클에서의 고체 상태 확산에 기초하여 시뮬레이션 되었으며, Zn 및 Cu 수준은 사전 브레이즈 상태의 초기 수준보다 상당히 낮았다. 이들 Cu 및 Zn 수준은, 허용 가능한 수준의 부식 저항성을 시사한다. 실제 사후 브레이즈 샘플의 합금 원소 분포는 시뮬레이션과 잘 일치하였다. 도 5a에서 표면 상에 Zn은 15%, Cu는 약 2.35%이지만, 도 5b에서 표면 상에 Zn은 2.3~2.4%, Cu는 0.65~0.7%이다.

도 6은, 브레이징 시트(90)의 층들 CBL(84), 코어(86) 및 내부 브레이즈 라이너(88) 내에서 사후 브레이즈의 Cu, Mg 및 Zn 분포의 그래프(82)를 나타내며, 여기서 LMP 라이너는 표 1의 조성 L2을 갖고, 4047 합금의 외부 클래드 라이너를 갖는 코어 합금으로서 표 2의 합금 C3을 사용하였다. 인접한 브레이징 시트(90) 사이에 형성된 브레이즈 접합부의 두 측면 상의 위치를 시험하였다(도 6의 범례 내에서 -1 및 -5로 표시됨).

도 7은, 외부 라이너로서 (표 2의 CBL 2를 형성한) LMP 층(96)과 4000 시리즈 층(98), 코어(100), 및 4000 시리즈 합금의 외부 라이너(102)를 갖는 복합 브레이징 시트 재료(104) 내의 부식 전위 분포의 그래프(94)를 나타낸다. 사후 브레이즈의 재료(104)의 부식 성능을 평가하기 위해, 부식 전위가 사후 브레이즈 재료의 합금 원소 분포에 기초하여 시뮬레이션 되었다. 샘플 표면 상의 부식 전위는 약 -900 mV의 부식 전위를 가지며, 이는 코어에 대해 애노드성이며, 따라서 코어에 양호한 부식 보호성을 제공할 수 있다.

본 개시는 CBL로 공지된 새로운 재료를 개시하고, 이는 정상적인 4XXX 브레이즈 라이너 합금, 예컨대 4343, 4045, 4047 등으로 접합된 LMP 알루미늄 합금의 얇은 층을 갖는다. 브레이즈 공정의 초기 단계에서, LMP 알루미늄 라이너가 용융을 시작하기 전에, Cu 및 Zn과 같은 합금 원소는 인접한 4XXX 브레이즈 라이너로 확산될 것이며, 이는 4XXX 브레이즈 라이너 합금의 융점을 낮춘다. 저 용융 합금 층이, 예를 들어 약 510℃에서 용융을 시작하는 경우, 액체 금속은 Si 공정 금속 용융을 가속시킬 수 있는데, 그 이유는 액체 금속에서의 Si 확산이 고체 금속에서보다 훨씬 빠르기 때문이다. 이러한 방식으로, 4XXX 브레이즈 라이너는 그의 공정 온도보다 낮은 온도, 즉 577℃에서 빠르게 용융될 수 있다.

본 개시에 따라, 낮은 온도에서 샘플을 브레이즈하기 위한 브레이즈 공정을 개발하였다. 샘플은 약 8~12분의 짧은 브레이징 사이클을 거쳤고, 약 560℃ 내지 575+/-5℃의 온도로 가열하였다. 낮은 온도의 짧은 브레이즈 사이클에서, 코어로부터 브레이징 표면까지 Mg 확산은 덜 발생하고, 이는 플럭스의 Mg 및 F/K 사이의 반응 및 Mg 산화물의 형성을 감소시킨다. 더 높은 온도에서 그리고/또는 더 오랜 시간 동안 브레이징하는 것에 비해 Mg의 확산이 감소되면, Mg를 많이 함유한 코어 합금을 위한 Nocolok 플럭스의 작동을 용이하게 하여, 브레이징 표면에 존재한 표면 산화물을 효과적으로 용해시키고 제거시킬 수 있다.

도 8a는, 본 개시에 따른 브레이징 시트 재료(112)와 비-클래드 핀(114) 사이의 브레이즈 접합부(110)를 나타낸다. 브레이징 시트(112)는, 내부 라이너로서 표 1에서의 합금 층 L1과 4047 클래드로 위에 덮인 CBL(118)로 코어(116)의 제1 측면 상에 15%의 총 클래드 비로 형성되었다. 코어 합금은 표 2에서의 합금 C3이었다. 15%의 클래드 비로 코어의 제2 측면에 대하여 4047 합금의 브레이즈 라이너(120)가 덮였다. 주름형의 비-클래드 핀(114)을 브레이징 시트(112)의 양 측면 상에 조립하였다(도 8a에서는 단지 한 측면만 보임). 핀을 갖는 샘플을 CAB 공정에서 Nocolok 플럭스와 유화시키고 575℃에서 브레이징하였다. 브레이즈 접합부는 나타낸 바와 같이 복합 브레이즈 라이너 CBL(118) 상에 형성되었으나, 4047 라이너로만 덮인 코어(116)(미도시)의 대향 측면 상은 형성되지 않았다.

도 8b는, 본 개시에 따른 브레이징 시트 재료(132)와 비-클래드 핀(134) 사이의 브레이즈 접합부(130)를 나타낸다. 브레이징 시트(132)는, 외부 라이너로서 표 1에서의 합금 층 L2와 4047 브레이즈 라이너로 클래딩된 CBL(138)로 코어(136)의 제1 측면 상에 15%의 총 클래드 비로 형성되었다. 코어 합금은 표 2에서의 합금 C3이었다. 15%의 클래드 비로 코어(136)의 제2 측면에 대하여 4047 합금의 브레이즈 라이너(140)가 덮였다. 주름형의 비-클래드 핀(134)을 브레이징 시트(132)의 양 측면 상에 조립하였다(도 8b에서는 단지 한 측면만 보임). 핀(134)을 갖는 샘플을 CAB 공정에서 Nocolok 플럭스와 유화시키고 575℃에서 브레이징하였다. 브레이즈 접합부는 나타낸 바와 같이 복합 브레이즈 라이너 CBL(138) 측면 상에 형성되었으나, 4047 라이너로만 덮인 코어(136)(미도시)의 대향 측면 상은 형성되지 않았다. CBL, 예를 들어 118, 138은, 정상적인 롤링 공정을 이용하여 다른 라이너 및 코어와 열간 롤링 공정에서 함께 롤링될 수 있다. 이는 또한 다른 기술 및 공정에 의해 형성될 수 있고, LMP 알루미늄 합금 분말 층을 4XXX 브레이즈 라이너 상에 코팅하는 코팅 기술, 4XXX 브레이즈 라이너 상에 LMP 알루미늄 합금 층을 분무하는 열 분무 기술 등을 포함하나 이에 제한되지 않는다.

본 개시에 따른 샘플 재료는 표 5에 나타낸 바와 같이 높은 사후 브레이즈 강도를 나타내었다. 6% 내지 12 중량% 범위의 높은 Zn을 함유한 10% 수측면 라이너로 0.20 mm 게이지 이하로 샘플을 제조하였다. 이들을 H14 또는 H24 템퍼에서 제조하였다. 표 5의 사후 브레이즈 샘플은 자연 또는 인공적으로 에이징되었다.

LMP, CBL, 및 코어에 대해 위에 주어진 조성 범위는 모든 중간 값을 포함한다. 예를 들어, 4.0~12.0 중량%의 Si, 0.1~1.0 중량%의 Fe, 1.0~5.0 중량%의 Cu, ≤0.1 중량%의 Mn 및 5.0~20.0 중량%의 Zn의 조성을 갖는 LMP의 구현예에 대한 조성 범위는, 4.0, 4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 4.5, 4.6, 4.7, 4.8, 4.9, 5.0, 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7 등으로 0.1의 증분으로 최대 12.0까지 그리고 모든 중간 값의 양인 Si, 0.1 중량% 증분으로 0.0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0~5.0 또는 임의의 중간 값인 Fe, 0.5 중량% 증분으로 1.0~5.0 또는 임의의 중간값인 Cu, 0.01 중량% 증분으로 0.0~0.1 또는 임의의 중간값인 Mn, 5.0, 5.5, 6.0. 6.5, 7.0, 7.5, 8.0, 8.5, 9.0, 9.5. 10.0, 10.5, 11.0, 11.5, 12.0, 12.5, 13.0, 13.5, 14.0, 14.5, 15.0, 15.5, 16.0, 16.5, 17.0, 17.5, 18.0, 18.5, 19.0, 19.5 또는 20.0 중량% 또는 임의의 중간 값인 Zn을 포함한다.

본 개시에 따른 대안적인 구현예의 추가 예에서, 4.0~12.0 중량%의 Si, 0.1~1.0 중량%의 Fe, ≤2.0 중량%의 Cu, ≤0.1 중량%의 Mn, 1.0~6.0 중량% Zn의 조성을 갖는 CBL의 구현예에 대한 조성 범위는 이전 문단과 같이 전체 언급된 범위에 걸쳐 각 원소에 대해 0.01 중량%로 변하는 모든 증분의 중간 값을 포함한다.

본 개시에 따른 대안적인 구현예의 추가 예에서, 0.10~1.2 중량%의 Si, 0.15~0.5 중량%의 Fe, 0.40~3.5 중량%의 Cu, 0.10~1.8 중량%의 Mn, 0.20~1.85 중량%의 Mg, ≤0.2 중량%의 Zn, 및 ≤0.2 중량%의 Ti의 조성을 갖는 코어의 구현예에 대한 조성 범위는 이전 문단과 같이 전체 범위에 걸쳐 각 원소에 대해 모든 중간 값을 포함한다.

본 개시는, 오늘날 산업에서 널리 사용되는 온도보다 낮은 온도에서 열 교환기 조립체를 브레이징 가능하게 하는 복합 브레이즈 라이너를 기술한다. 이러한 저온 브레이징은, Si, Cu, Mg 등의 강화 특성 합금 원소를 높은 수준으로 추가시키고 융점 강하를 견딜 수 있게 한다. 또한, 이는 또한 열 교환기 조립체의 브레이징 시 에너지 소비를 감소시킨다.

또 다른 구현예에서, 본 개시는, 높은 강도를 달성하기 위해 Mg를 많이 함유한 브레이징 시트 제품을 분위기 제어된 브레이즈(CAB) 공정에서 Nocolok 플럭스와 같이 정상적인 플럭스를 사용하여 브레이징 시킬 수 있다. 다른 구현예에서, 복합 브레이즈 라이너의 조성 및 클래드 비는, 우수한 부식 저항 특성을 갖는 재료를 달성하도록 설계될 수 있다.

본 개시는 원소 주기율표에 나타나는 원소에 대한 표준 약어, 예를 들어 Mg(마그네슘), O(산소), Si(실리콘), Al(알루미늄), Bi(비스무스), Fe(철), Zn(아연), Cu(구리), Mn(망간), Ti(티타늄), Zr(지르코늄), F(불소), K(칼륨), Cs(세슘) 등을 사용한다.

도면은 본 명세서의 일부를 구성하고, 본 개시의 예시적인 구현예를 포함하고, 이의 다양한 객체 및 특징부를 나타낸다. 또한, 도면에 나타낸 임의의 측정, 사양 등은 예시하기 위한 것이며, 제한하기 위한 것은 아니다. 따라서, 본원에 개시된 특정 구조적 및 기능적 세부사항은 제한하는 것으로 해석되어서는 안되며, 단지 당업자가 본 발명을 다양하게 적용하도록 교시하기 위한 대표적인 기초로서만 해석되어야 한다.

개시된 이점 및 개선점 중에서, 본 발명의 다른 목적 및 이점은 첨부된 도면들과 함께 취해진 다음의 설명으로부터 명백해질 것이다. 본 발명의 상세한 구현예가 본원에 개시된다. 그러나, 개시된 구현예는 다양한 형태로 구현될 수 있는 본 발명의 단지 예시임을 이해해야 한다. 또한, 본 발명의 다양한 구현예와 연관하여 주어진 예들 각각은 예시하기 위한 것이며, 제한하기 위한 것은 아니다.

명세서 및 청구범위 전체에 걸쳐, 다음의 용어들은 문맥상 명확하게 달리 언급하지 않는 한, 본원에서 명시적으로 연관된 의미를 취한다. 본원에서 사용된 문구, "일 구현예에서" 및 "일부 구현예에서"는 반드시 동일한 구현예(들)를 지칭하지는 않지만, 동일한 구현예(들)를 지칭할 수도 있다. 또한, 본원에서 사용된 문구, "다른 구현예에서" 및 "일부 다른 구현예에서"는 반드시 다른 구현예를 지칭하지는 않지만, 다른 구현예를 지칭할 수도 있다. 따라서, 후술하는 바와 같이, 본 발명의 다양한 구현예는 본 발명의 범주 또는 사상을 벗어나지 않고 쉽게 조합될 수 있다.

또한, 본원에서 사용된 용어, "또는"은, 포괄적인 "또는" 연산자이며, 문맥상 달리 언급하지 않는 한 "및/또는"이라는 용어와 동등하다. 용어 "기초한"은 배타적이지 않으며, 문맥상 달리 언급하지 않는 한, 설명되지 않은 추가 인자들에 기초할 수 있다. 또한, 명세서 전체에 걸쳐, "한" 및 "하나의"의 의미는 복수의 참조를 포함한다. "내"의 의미는 "내" 및 "위"를 포함한다.

본 발명의 다수의 구현예가 설명되었지만, 이들 구현예는 단지 예시적인 것이고 제한적인 것은 아니며, 많은 변형이 당업자에게 명백할 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 다양한 단계는 임의의 원하는 순서로 수행될 수 있다(그리고 임의의 원하는 단계가 추가될 수 있고/있거나 임의의 원하는 단계가 제거될 수 있다). 이러한 모든 변형 및 수정은 본 청구범위의 범주 내에 포함되는 것으로 의도된다.

Claims

2XXX, 3XXX, 5XXX 또는 6XXX 알루미늄 합금의 코어;
복합 브레이즈 라이너(상기 복합 브레이즈 라이너는,
저 융점 알루미늄 합금 층 및
4XXX 알루미늄 합금의 층을 포함하되, 상기 저 융점 알루미늄 합금은 상기 4XXX 알루미늄 합금보다 낮은 융점을 갖음)를 포함하는 시트 재료.
제1항에 있어서, 상기 4XXX 알루미늄 합금은 상기 코어 상에 배치되고, 상기 저 융점 알루미늄 합금은 상기 코어에 대해 원위인 상기 4XXX 알루미늄 합금 상에 배치되는, 시트 재료.
제1항에 있어서, 상기 저 융점 알루미늄 합금은 상기 코어 상에 배치되고, 상기 4XXX 알루미늄 합금은 상기 코어에 대해 원위인 상기 저 융점 알루미늄 합금 상에 배치되는, 시트 재료.
제1항에 있어서, 상기 4XXX 알루미늄 합금은 제1의 4XXX 알루미늄 합금 층 및 제2의 4XXX 알루미늄 합금 층을 포함하며, 상기 제1의 4XXX 알루미늄 합금 층은 상기 코어 상에 배치되고 상기 저 융점 알루미늄 합금은 상기 코어에 대해 원위인 상기 제1의 4XXX 알루미늄 합금 층 상에 배치되고, 상기 제2의 4XXX 알루미늄 합금 층은 상기 제1의 4XXX 알루미늄 합금 층에 대해 원위인 상기 저 융점 알루미늄 합금 층 상에 배치되는, 시트 재료.
제1항에 있어서, 상기 복합 브레이즈 라이너에 대해 원위인 측면으로 상기 코어 상에 배치된 알루미늄 합금의 적어도 하나의 원위 층을 추가로 포함하는, 시트 재료.
제5항에 있어서, 상기 적어도 하나의 원위 층은 4XXX 알루미늄 합금 층인, 시트 재료.
제5항에 있어서, 상기 적어도 하나의 원위 층은 제2 복합 브레이즈 라이너인, 시트 재료.
제5항에 있어서, 상기 적어도 하나의 원위 층은 수측면 라이너인, 시트 재료.
제8항에 있어서, 상기 수측면 라이너는 1.0 내지 15 중량% 범위의 Zn을 갖는 7XXX 알루미늄 합금인, 시트 재료.
제1항에 있어서, 상기 저 융점 알루미늄 합금은 510℃ 내지 560℃ 범위의 융점을 갖는, 시트 재료.
제1항에 있어서, 상기 저 융점 알루미늄 합금은, 4.0~12.0 중량%의 Si, 0.1~1.0 중량%의 Fe, 1.0~5.0 중량%의 Cu, 및 5.0~20.0 중량%의 Zn을 포함하는, 시트 재료.
제1항에 있어서, 상기 복합 브레이즈 라이너는 4.0~12.0 중량%의 Si, 0.1~1.0 중량%의 Fe, ≤2.0 중량%의 Cu, 1.0~6.0 중량%의 Zn을 포함하고, 상기 복합 브레이즈 라이너는 515℃ 내지 575℃의 고상선과 565℃ 내지 595℃의 액상선을 갖는, 시트 재료.
제1항에 있어서, 상기 코어는 Si, Cu, Mn 및 Mg로부터 선택된 적어도 하나의 강화 원소를 포함하는, 시트 재료.
제1항에 있어서, 상기 코어에 대한 상기 복합 브레이즈 라이너의 클래드 비는 4 내지 18% 범위이고, 상기 복합 브레이즈 라이너 내의 4XXX 알루미늄 합금의 두께에 대한 상기 저 융점 알루미늄 합금의 두께의 비는 5 내지 50% 범위인, 시트 재료.
제1항에 있어서, 상기 LPM 라이너와 4000 라이너는 롤 접합되고 별도로 제조된 다음 상기 코어와 함께 롤 접합되거나, 상기 LPM 라이너, 4000 라이너, 코어 및/또는 수측면 라이너가 동일한 공정에서 롤 접합되는, 시트 재료.
제1항에 있어서, 상기 저 융점 알루미늄 합금은, 용융이 510 내지 560℃의 범위에서 시작하는 온도와 용융이 565 내지 585℃의 범위에서 완료되는 온도를 갖는, 시트 재료.
제1항에 있어서, 사후 브레이즈 상태에서 상기 저 융점 알루미늄 합금의 잔류물은 상기 코어를 보호하기 위한 애노드성 부식 저항 층을 형성하고 상기 부식 저항 층은 표면과 상기 코어 사이에서 15 내지 150 mV 범위의 부식 전위차를 갖는, 시트 재료.
제1항에 있어서, 상기 시트 재료는 제1 부분으로 형성되고, 알루미늄 합금으로 형성된 제2 시트 재료를 추가로 포함하며, 상기 제1 부분은 상기 제2 부분에 브레이징되어 조립체를 형성하는, 시트 재료.
시트 재료로서,
2XXX, 3XXX, 5XXX 또는 6XXX 알루미늄 합금의 코어;
복합 브레이즈 라이너(상기 복합 브레이즈 라이너는,
저 융점 알루미늄 합금 층 및
4XXX 알루미늄 합금의 층을 포함함)를 포함하되, 상기 저 융점 알루미늄 합금은 상기 4XXX 알루미늄 합금보다 낮은 융점을 갖고, 상기 코어는 0.10~1.2 중량%의 Si, 0.15~0.5 중량%의 Fe, 0.40~3.5 중량%의 Cu, 0.10~1.8 중량%의 Mn, 0.20~1.85 중량%의 Mg, ≤0.01 중량%의 Cr, ≤0.20 중량%의 Zn 및 ≤0.20 중량%의 Ti를 포함하고 >590℃의 고상선과 >650℃의 액상선을 갖는, 시트 재료.
브레이징 방법으로서,
2XXX, 3XXX, 5XXX 또는 6XXX 알루미늄 합금의 코어, 및 저 융점 알루미늄 합금 층과 4XXX 알루미늄 합금 층을 갖는 복합 브레이즈 라이너를 갖는 시트 재료로부터 형성된 제1 부분을 제공하는 단계;
알루미늄 합금으로 형성된 제2 부분을 제공하는 단계;
상기 제1 부분과 상기 제2 부분 중 적어도 하나에 Nocolok 플럭스를 적용해서 그의 표면으로부터 산화물을 제거하는 단계;
상기 제1 부분을 상기 제2 부분과 접촉 상태로 배치시키는 단계;
제어된 분위기에서 상기 제1 부분과 상기 제2 부분을 가열하는 단계;
상기 4XXX 알루미늄 합금이 용융되기 전에 상기 저 융점 알루미늄 합금을 용융시키는 단계;
상기 4XXX 알루미늄 합금을 용융시키고, 상기 저 융점 알루미늄 합금과 상기 4XXX 알루미늄 합금의 혼합된 용융 합금을 형성하는 단계;
상기 혼합된 용융 합금으로부터 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 사이에 브레이즈 접합부를 형성하는 단계; 및
상기 혼합된 용융 합금을 냉각시키는 단계를 포함하는, 방법.