KR20240038990A - 브레이징 가능한 주조용 알루미늄 합금 - Google Patents

Abstract

높은 전도율을 갖는 알루미늄 합금 조성물이 본원에 제공된다. 낮은 전도성 모재도 기재되어 있다.

Description

브레이징 가능한 주조용 알루미늄 합금

임의의 우선권 출원에 대한 참조에 의한 포함.

본 출원은 2021년 7월 23일자로 출원된 미국 가출원 번호 제63/203,476호의 이점을 주장하며, 관련 출원은 전체가 본원에 참조로 포함된다.

일반적으로 브레이징(brazing)은 두 개 이상의 금속 품목을 접합부에 용가재(filler metal)를 녹여 흐르게 하여 결합하는 금속 접합 공정으로 설명할 수 있다. 일반적으로 브레이징 공정에서는 접합된 금속 품목이 녹는 것을 방지하려고 시도하며, 용가재는 인접한 금속보다 녹는점이 낮다. 용가재는 모세관 현상에 의해 꼭 맞는 부품 사이의 틈으로 흘러 들어간다. 용가재는 적절한 대기로 보호하면서 녹는점보다 약간 높은 온도로 가열된다. 그런 다음 액체 충전재(filler material)가 모재 금속 위로 흐른 다음 냉각되어 두 개의 금속 조각이 서로 결합된다.

알루미늄 조각을 접합할 때 브레이징을 활용하면 접착식 결합에 비해 조각 사이의 유체 채널에서 누출을 완화하고 작동 온도가 높은 접합, 복잡한 접합부가 있는 작은 세부 부품, 강력한 접합을 위한 넓은 접촉 영역 및 금속 조각 간의 전기적 연결을 용이하게 할 수 있다. 알루미늄은 일반적으로 낮은 녹는점, 일관되고 매우 안정적인 산화물, 높은 열 전도율, 높은 열팽창 및 낮은 밀도를 갖는 것이 특징이다. 따라서, 알루미늄 조각은 일반적으로 브레이징 공정을 허용하기 위해 낮은 녹는점을 특징으로 하는 일부 알루미늄 기반 필러 합금으로 브레이징된다.

도 1은 주조 합금 시스템에 대한 높은 열 전도성 모재의 예시적인 그래프이다.
도 2는 공융/포정(eutectic/peritectic) 온도가 600℃ 이상인 적합한 낮은 전도성 모재의 차트이다.

본 발명은 알루미늄 합금에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 자동차 부품을 비롯한 고성능 응용 분야를 위한 상대적으로 높은 강도, 우수한 주조성 및 향상된 브레이징을 갖는 알루미늄 합금에 관한 것이다. 본 발명의 하나 이상의 측면은 합금이 낮은 열 전도율을 나타내는 구현예에 관한 것이다. 본 발명의 하나 이상의 측면은 합금이 높은 열 전도율을 나타내는 다른 구현예에 더 관련될 수 있다. 예시적으로, 합금은 알루미늄 합금에 해당한다. 본 개시내용은 하기에 기재된 바와 같은 도면과 함께 취해진 다음의 상세한 설명을 참조함으로써 이해될 수 있다. 설명의 명료함을 위해, 다양한 도면에 있는 특정 요소들은 일정한 비율로 그려지지 않을 수 있거나, 개략적으로 또는 개념적으로 표현될 수 있거나, 그렇지 않으면 구현예의 특정 물리적 구성에 정확히 대응하지 않을 수 있다는 점에 유의한다.

구현예는 제품 생성에 유용한 알루미늄 합금에 관한 것이다. 알루미늄 주조물은 일반적으로 브레이징에 사용되는 충전재의 녹는점과 유사한 낮은 녹는점을 갖는다. 따라서 알루미늄 주조물 브레이징은 모재(parent material)가 녹거나 침식되는 경우가 많기 때문에 기존의 브레이징 기술로는 매우 어렵거나 불가능하다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 알루미늄 모재는 알루미늄 브레이징 충전재로 브레이징될 수 있다. 그러나 대부분의 브레이징 충전재는 가장 일반적인 주조 합금(Al-Si 또는 Al-Mg)과 동일한 낮은 녹는점 시스템에서 만들어진다. 이는 브레이징 공정 중 모재가 녹아 대부분의 알루미늄 주조물이 브레이징 가능한 것으로 간주되지 않음을 의미한다.

차량 및 차량 제조와 관련하여 예를 들어 고온 및 저온 라인이 서로 가까운 특정 HVAC 응용 분야에서는 열 전도율이 시스템에 기생 열 손실을 일으킬 수 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, 그러한 HVAC 구성요소가 주조되어야 한다면, HVAC 구성요소는 낮은 전도율, 우수한 주조성 및 우수한 브레이징성을 나타내는 능력을 갖는 합금/재료로 구성되어야 한다. 미국 특허 출원 공개번호 2019/0127824, "CASTING ALUMINUM ALLOYS FOR HIGH-PERFORMANCE APPLICATIONS"에 공개된 합금과 같은 일부 소재는 주조성이 우수하고 전도율이 뛰어난다. 미국 특허 출원 공개 번호 2019/0127824는 본원에 참조로 포함되어 있다. 또 다른 예에서, 6063(마그네슘 및 규소)으로 지칭되는 알루미늄 합금과 같은 재료는 일반적으로 제조에 사용되지만 최적의 전도율 또는 주조성을 나타내지 않는다. 차량의 높은 전도성 응용 분야를 위해 브레이징 알루미늄 조각을 적용할 수 있는 기타 차량 응용 분야에는 모선, 방열판/냉각판 및 기타 배관 또는 압력 용기가 포함될 수 있다.

브레이징 충전재에 대한 현재 접근 방식은 기존 알루미늄 주조물의 브레이징을 허용하지만 이러한 재료는 제한된 기하학적 형태로 가용성을 갖는 경향이 있다. 이전에 논의한 바와 같이, 많은 일반적인 브레이징 재료는 모재가 일반적인 브레이징 재료와 유사하거나 녹는점이 비슷하기 때문에 알루미늄 주조물을 사용한 기존의 대량 브레이징 공정에 사용하기에 적합하지 않다. 도 1은 주조 합금(cast alloy) 및 가공용 합금(wrought alloy)과 같은 다수의 합금 시스템에 대한 고상선 온도에 대한 열전도율의 플롯을 도시한다.　도 1에 예시된 한 측면에서는, 브레이징에 사용되는 온도 범위, 대략 섭씨 585도 내지 610도를 예시하여 브레이징 범위 이하의 고체 온도를 갖는 합금 시스템(예를 들어, Al-Si 주조), 브레이징 범위 이상의 고체 온도를 갖는 합금 시스템(예를 들어, 3000 시리즈 가공)을 식별할 수 있다.　 일부 구현예에서, 본 발명의 고온 고용체(solid solution) 재료는 섭씨 610도, 섭씨 620도, 섭씨 630도, 섭씨 640도, 섭씨 650도, 또는 660도 이상의 고상선 온도(solidus temperature)를 가질 수 있다. 다른 구현예에서, 본 발명의 높은 전도성 모재는 섭씨 630도, 섭씨 640도, 또는 섭씨 650도 이상의 고상선 온도를 가질 수 있다. 도 1에 표시된 또 다른 측면에서 합금 시스템은 다양한 열 전도성 특성을 가질 수 있다.

본 발명의 하나 이상의 측면은 우수한 주조성에 해당하는 특성을 나타내는 높은 녹는점 주조 합금을 포함하는 브레이징 모재에 해당한다. 보다 구체적으로, 브레이징 모재는 일반적으로 가공용(wrought) 알루미늄 합금 모재에만 사용할 수 있는 진공 브레이징, 제어 분위기 브레이징(controlled atmosphere brazing; CAB), 및 유도 브레이징을 포함하지만 이에 제한되지 않는 기존 브레이징 공정으로 브레이징되도록 구성된다. 한 측면에서, 브레이징 모재는 예시적으로 Al-Si 또는 Al-Mg 브레이징 재료를 포함하지만 이에 제한되지 않는 다른 브레이징 재료에 비해 높은 고상선 온도를 특징으로 한다. 다른 측면에서, 브레이징 모재는 열전도성 특성을 기준으로 특성화될 수 있다. 한 측면에서, 낮거나 더 낮은 열전도성 특성화는 100 W/mK 이하의 열전도율 특성에 기초할 수 있다. 일부 구현예에서, 높거나 더 높은 열전도성 특성화는 약 160 내지 220 W/mK의 열전도율 특성에 기초할 수 있다. 다른 측면에서, 높거나 더 높은 열전도성 특성화는 170 내지 200 W/mK의 열전도율 특성에 기초할 수 있다. 당업자는 열전도율의 범위가 본질적으로 예시적이며 열전도율의 모든 가능한 특성화 또는 열전도율 특성을 만족하는 값의 범위를 나타내지는 않는다는 것을 인식할 것이다. 예를 들어, 낮거나 더 낮은 열전도성 특성의 특성화는 다양한 하위 범위(예를 들어, 100 내지 80 W/mK), 임계값 또는 최적값을 통해 추가로 특성화될 수 있다. 일부 구현예에서, 본 개시내용의 낮은 전도성 합금은 약 80 내지 150 W/mK 범위 내의 열전도율을 가질 수 있다. 다른 구현예에서, 본 개시내용의 낮은 전도성 합금은 약 90 내지 140 W/mK 범위 내의 열전도율을 가질 수 있다. 마찬가지로, 높거나 더 높은 열전도성 특성의 특성화는 다양한 하위 범위(예를 들어, 180 내지 190 W/mK), 임계값 또는 최적값으로 추가로 특성화될 수 있다. 추가적으로, 브레이징 구성요소는 최소 강도 등과 같은 다른 속성을 추가로 특징으로 할 수 있다.

예시적으로, 전도율이 높은 모재의 경우 모재는 알루미늄, 5.25% 니켈 및 철과 같은 추가 불순물의 화합물에 해당할 수 있다. 높은 열 전도성 모재의 예는 도 1에 예시적으로 식별되어 있다.　 브레이징 재료와 결합된 이러한 높은 전도성 모재는 새로운 응용분야로 간주될 수 있다.

다른 측면에서, 열전도율이 낮은 모재의 경우, 브레이징 가능한 모재는 FCC α-Al 매트릭스를 기반으로 하는 하나 이상의 고온 고용체 요소와 함께 알루미늄으로 만들어질 수 있다. 브레이징 충전재와 결합된 이러한 낮은 전도율의 모재는 새로운 합금으로 간주될 수 있다. 도 2는 일반적인 브레이징 온도인 섭씨 600도 이상의 공융/포정 온도를 갖는 적합한 낮은 전도율의 모재를 예시한다.　 예시적으로, FCC α-Al 매트릭스에 포함될 수 있는 고온 고용체 재료에는 망간, 크롬, 티타늄, 바나듐, 지르코늄, 철, 니켈, 세륨, 몰리브덴, 규소, 구리, 마그네슘, 아연 또는 주석, 또는 이들의 조합이 포함된다. 일부 구현예에서, 고온 고용체 재료는 약, 적어도, 또는 적어도 약 0.1 중량%, 0.2 중량% 또는 0.4 중량% 또는 그 사이의 값의 임의의 범위의 크롬을 포함한다. 일부 구현예에서, 고온 고용체 재료는 약, 적어도, 또는 적어도 약 0.01 중량%, 0.2 중량% 또는 1.3 중량% 또는 그 사이의 값의 임의의 범위의 티타늄을 포함한다. 일부 구현예에서, 고온 고용체 재료는 약, 적어도, 또는 적어도 약 0.01 중량%, 0.1 중량% 또는 0.65 중량% 또는 그 사이의 값의 임의의 범위의 바나듐을 포함한다. 일부 구현예에서, 고온 고용체 재료는 약, 적어도, 또는 적어도 약 0.3 중량%, 0.5 중량% 또는 1 중량% 또는 그 사이의 값의 임의의 범위의 망간을 포함한다. 일부 구현예에서, 고온 고용체 재료는 약, 적어도, 또는 적어도 약 0.3 중량%, 0.8 중량% 또는 1.2 중량% 또는 그 사이의 값의 임의의 범위의 철을 포함한다. 일부 구현예에서, 고온 고용체 재료는 약, 적어도, 또는 적어도 약 1.5 중량%, 3 중량%, 4.5 중량% 또는 6 중량% 또는 그 사이의 값의 임의의 범위의 니켈을 포함한다. 일부 구현예에서, 고온 고용체 재료는 약, 적어도, 또는 적어도 약 0.01 중량%, 4 중량% 또는 8.8 중량% 또는 그 사이의 값의 임의의 범위의 세륨을 포함한다. 일부 구현예에서, 고온 고용체 재료는 약, 적어도, 또는 적어도 약 0.01 중량%, 0.12 중량% 또는 0.15 중량% 또는 그 사이의 값의 임의의 범위의 마그네슘을 포함한다. 일부 구현예에서, 고온 고용체 재료는 약, 적어도, 또는 적어도 약 0.01 중량%, 0.85 중량% 또는 1 중량% 또는 그 사이의 값의 임의의 범위의 아연을 포함한다. 일부 구현예에서, 고온 고용체 재료는 약, 적어도, 또는 적어도 약 0.01 중량%, 0.85 중량% 또는 1 중량% 또는 그 사이의 값의 임의의 범위의 몰리브덴을 포함한다. 일부 구현예에서, 고온 고용체 재료에는 규소, 구리, 마그네슘, 아연 또는 주석이 없거나 실질적으로 없다. 일부 구현예에서, 고온 고용체 재료는 과포화 고용체에서 쉽게 빠져나오는 원소를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 합금 조성물은 분산질(dispersoid)을 형성하는 원소, 예를 들어 알루미늄 합금 3003을 포함할 수 있다. 또한, 브레이징 가능한 합금에는 다이 솔더링(die soldering)을 최소화하는 데 필요한 만큼의 철이 포함될 수 있다. 표 1은 용액 재료의 조성 범위를 보여준다.

본 발명의 일부 구현예는 높은 항복 강도와 높은 열전도율은 물론 향상된 유동성과 고온 인열 또는 균열에 대한 저항성을 모두 갖는 알루미늄 합금 주조에 관한 것이다. 알루미늄 합금은 기존의 상업적으로 이용가능한 알루미늄 합금에 비해 높은 항복 강도와 높은 전기 전도율을 갖는 것으로 밝혀졌다. 본 발명의 다른 구현예는 높은 항복 강도와 낮은 열전도율은 물론 향상된 유동성과 고온 인열 또는 균열에 대한 저항성을 모두 갖는 알루미늄 합금 주조에 관한 것이다. 알루미늄 합금은 또한 기존의 상업적으로 이용가능한 알루미늄 합금에 비해 높은 항복 강도와 높은 전기 전도율을 갖는 것으로 밝혀졌다. 알루미늄 합금은 본 명세서에서 합금의 특정 특성뿐만 아니라 합금 내의 총 원소 및 입자의 중량 퍼센트(중량%)로 기술된다. 본 명세서에 기재된 임의의 합금의 나머지 조성은 알루미늄 및 부수적인 불순물임을 이해할 것이다.

표 2는 본 발명의 하나 이상의 측면의 예시적인 결과를 나타내는 고압 다이 주조물에 대해 측정된 특성을 나타낸다.

앞선 명세서에서, 본 개시내용은 특정 구현예를 참조하여 기재했다. 그러나, 당업자가 이해하는 바와 같이, 본 명세서에 개시된 다양한 구현예는 본 개시 내용의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 다른 방식으로 수정되거나 달리 구현될 수 있다. 따라서, 이 설명은 예시적인 것으로 간주되어야 하며, 개시된 시스템, 방법 및 컴퓨터 프로그램 제품의 다양한 구현예를 만들고 사용하는 방식을 당업자에게 교시하기 위한 것이다. 본 명세서에 도시되고 기재된 개시 내용의 형태는 대표적인 구현예로서 취해져야 하는 것을 이해해야 한다. 등가 요소, 재료, 공정 또는 단계는 본 명세서에서 대표적으로 예시되고 기재된 것들로 대체될 수 있다. 또한, 본 개시 내용의 특정 특징은 본 개시 내용의 이 설명의 이점을 얻은 후에 당업자에게 명백한 바와 같이 다른 특징의 사용과 독립적으로 이용될 수 있다.

본 명세서에 사용된 용어 "포함한다(comprises)", "포함하는(comprising)", "포함한다(includes)", "포함하는(including)", "갖다(has)", "갖는(having)" 또는 이들의 임의의 다른 변형은 비배타적인 포함을 포괄하는 것으로 의도된다. 예를 들어, 요소 목록을 포함하는 공정, 제품, 물품, 또는 장치는 반드시 해당 요소에만 제한되지 않으며, 명시적으로 나열되지 않거나 이러한 공정, 제품, 물품, 또는 장치에 내재하는 다른 요소를 포함할 수 있다. 또한, 명시적으로 달리 명시하지 않는 한, "또는"은 배타적인 "또는"이 아닌 포괄적인 "또는"을 의미한다. 예를 들어, "A 또는 B" 조건은 다음 중 하나에 의해 충족된다:　 A는 참(또는 존재)이고 B는 거짓(또는 존재하지 않음)이고, A는 거짓(또는 존재하지 않음)이고 B는 참(또는 존재)이며, A와 B는 모두 참(또는 존재)이다.

단계, 동작 또는 계산은 특정 순서로 제시될 수 있지만, 이 순서는 다른 구현예에서 변경될 수 있다. 일부 구현예에서, 본 명세서에서 복수의 단계가 순차적인 것으로 표시되는 범위 내에서, 대안적인 구현예에서 그러한 단계의 일부 조합이 동시에 수행될 수 있다. 본원에 설명된 작업 순서는 다른 공정에 의해 중단, 일시 중단, 되돌리거나 다른 방식으로 제어될 수 있다.

또한, 도면/도에 묘사된 하나 이상의 요소는 더 분리되거나 통합된 방식으로도 구현될 수 있으며, 특정 응용분야에 따라 유용한 것처럼 특정 경우에 제거되거나 작동 불가능한 것으로 제공될 수도 있음이 이해될 것이다. 추가적으로, 도면/도의 모든 신호 화살표는 달리 구체적으로 언급되지 않는 한 단지 예시적인 것으로 간주되어야 하며 제한하는 것이 아니다.

Claims (20)

1. Cr: 0.1 내지 0.4 중량%;
   Mn: 0.3 내지 1 중량%;
   Fe: 0.3 내지 1.2 중량%;
   Ni: 1.5 내지 6 중량%;
   알루미늄 및 불순물인 나머지를 포함하는, 고온 고용체 재료.
2. 제1항에 있어서, 0.01 내지 1.3 중량%의 Ti를 더 포함하는, 고온 고용체 재료.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 0.01 내지 0.65 중량%의 V를 더 포함하는, 고온 고용체 재료.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 0.01 내지 8.8 중량%의 Ce를 더 포함하는, 고온 고용체 재료.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 0.01 내지 0.15 중량%의 Mg를 더 포함하는, 고온 고용체 재료.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 0.01 내지 1 중량%의 Zn를 더 포함하는, 고온 고용체 재료.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 0.01 내지 1 중량%의 Mo를 더 포함하는, 고온 고용체 재료.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고온 고용체 재료에는 규소, 구리, 마그네슘, 아연 또는 주석이 없거나 실질적으로 없는 것인, 고온 고용체 재료.
9. Ni: 4.5 내지 6 중량%; 및
   알루미늄 및 불순물인 나머지로 필수적으로 이루어진, 고전도성 모재.
10. 제9항에 있어서, Ni이 4.75 내지 5.75 중량%인 것인, 고전도성 모재.
11. 제10항에 있어서, Ni이 5 내지 5.5 중량%인 것인, 고전도성 모재.
12. 제11항에 있어서, Ni이 5.25 중량%인 것인, 고전도성 모재.
13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 열전도율이 약 160 내지 220 W/mK 범위 내에 있는 것인, 고전도성 모재.
14. 제13항에 있어서, 열전도율이 약 170 내지 200 W/mK 범위 내에 있는 것인, 고전도성 모재.
15. FCC α-Al 매트릭스를 포함하는 저전도성 합금으로서, 상기 합금의 고상선 온도(solidus temperature)는 섭씨 610도 이상이고, 열전도율은 약 80 내지 150 W/mK 범위 내에 있는 것인, 저전도성 합금.
16. 제15항에 있어서, 상기 합금의 고상선 온도가 섭씨 630도 이상인 것인, 저전도성 합금.
17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 열전도율이 약 90 내지 140 W/mK 범위 내에 있는 것인, 저전도성 합금.
18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 망간, 크롬, 티타늄, 바나듐, 지르코늄, 철, 니켈, 세륨 또는 몰리브덴 중 적어도 하나를 더 포함하는, 저전도성 합금.
19. 제15항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금에 규소, 구리, 마그네슘, 아연 또는 주석이 없거나 실질적으로 없는 것인, 저전도성 합금.
20. 제15항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 분산질(dispersoid)을 형성하는 원소를 더 포함하는, 저전도성 합금.