KR20020010972A - 알루미늄 브레이징 시트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알루미늄 브레이징 시트에 관한 것으로서, 미량의 Mg를 함유하고 있어도 강도가 저하되지 않음과 아울러 노콜록 브레이징하에서 우수한 브레이징 성능을 갖는 알루미늄 브레이징 시트의 제공을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 알루미늄 브레이징 시트는, 전체에 대하여 Si가 0.8∼1.2wt%, Fe가 0.1∼0.7wt%, Cu가 0.15∼0.25wt%, Mn이 0.5∼0.7wt%, Mg가 0.005∼0.05wt%, Ti가 0.08∼0.12wt%이고, 그리고 나머지는 알루미늄 및 불가피 불순물을 함유하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명에 따르면, 알루미늄 브레이징 시트의 적어도 일측면에 Si 함량이 5∼15wt% 함유된 Al-Si합금의 브레이징재가 클래드 처리될 수 있고, 이외에 모재의 적어도 일측면에 Al-Si-Cu 또는 Al-Si-Cu-Zn을 주성분으로 하는 합금으로 된 브레이징재가 클래드 처리될 수 있다.

Description

알루미늄 브레이징 시트{ALUMINUM BRAZING SHEET}

본 발명은 알루미늄 브레이징 시트에 관한 것으로서, 특히 국내 특허출원 제1999-49274호의 알루미늄 브레이징 시트를 개량하여 최상의 브래이징 성능을 가질 수 있도록 한 알루미늄 브레이징 시트에 관한 것이다.

알루미늄(이하, 알루미늄 합금을 포함하는 의미로 사용된다)은 가볍고, 비교적 강도가 높으며, 열전도성능이 다른 금속에 비하여 현저하게 뛰어나 열교환성능이 우수할 뿐만 아니라 가공성이 우수하다는 장점으로 인하여, 예컨대 자동차용 공기조화장치를 구성하는 열교환기의 중요한 소재로 사용되고 있다.

열교환기를 제조할 경우, 통상적으로 알루미늄 브레이징 시트를 성형하여 이루어진 알루미늄 부품들을 모두 조립 또는 적층하여 고정함으로써 알루미늄 부품 조립체를 만들고, 이 알루미늄 부품 조립체를 노(爐)에 넣어 소정온도로 가열하는 브레이징 공정을 통하여 알루미늄 부품들을 서로 접합함으로써 열교환기를 제조하게 된다.

알루미늄 부품들이 잘 접합될 수 있도록 하기 위하여, 통상적으로 알루미늄보다 융점이 낮은 브레이징재를 선재 또는 링 형태로 만들거나, 압연에 의하여 클래딩처리하거나 또는 분말의 형태로 만들어 이를 알루미늄 부품들의 접합부에 피복 또는 결합하여 브레이징함으로써 알루미늄 부품들을 서로 접합한다. 이러한 브레이징재로는 Al-Si합금을 주재로 하여 이루어진 것이 주로 사용되지만, 브레이징시에는 모재의 표면에 형성되는 산화피막, 즉 산화알루미늄(Al₂O₃)막이 생성되어 브레이징재의 유동성을 방해하기 때문에, 미접합부위가 발생하기 쉽고 또 접합상태도 양호하지 못하다.

따라서, 비산화분위기를 조성하여 대기중에서도 산소와 모재와의 접촉을 차단하여 산화알루미늄막의 생성을 막을 수 있도록 접합부에 플럭스를 공급하여 브레이징하거나 플럭스를 공급하지 않고 진공로에서 브레이징하는 방법이 사용된다. 비산화분위기를 조성하기 위한 플럭스로는 불화물계 플럭스가 가장 많이 사용되며, 이 불화물계 플럭스중에서도 알칸 인터내셔널사에서 시판하고 있는, KF 및 AlF₃로 조성된 이른바 노콜록(NOCOLOK) 플럭스가 주로 사용되고 있다.

한편, 알루미늄 브레이징 시트에 고강도 성능을 부여하기 위하여 종래에는 필수적으로 Mg를 첨가하여야만 하였고, 특히 전체에 대하여 0.3wt% 이상의 Mg가 첨가되어야만 소망하는 수준의 강도를 얻을 수 있었다.

그러나, 이와 같이 Mg의 함량이 0.3wt% 이상 첨가될 경우에는 상기한 바와 같이 일반적으로 수행되는 노콜록 플럭스를 이용한 브레이징(이하, 편의상 "노콜록 브레이징"이라 칭함)에서는 거의 브레이징이 되지 않아 알루미늄 부품들 상호간의 접합부의 접합강도가 현저하게 떨어지는 문제점이 있었다. 즉, Mg가 과잉 함유되면브레이징시 Mg가 용융 플럭스와 반응하여 MgF₂또는 KMgF₃등의 반응생성물이 생성되어 브레이징재의 표면에 부착되고 이 반응생성물에 의하여 플럭스의 유동성이 저하될 뿐만 아니라 브레이징재의 융점도 높아지므로 브레이징 성능이 저하되는 것이다.

따라서, 이 경우에는 특별한 조성을 가진 고가의 플럭스를 사용하여 브레이징할 수밖에 없어 열교환기의 제조비용이 상승하는 문제점이 있었다.

본 발명자들은 이러한 종래 문제점들을 해결하고자 고강도 특성을 얻을 수 있으면서도 우수한 브레이징 성능을 가질 수 있는 알루미늄 브레이징 시트에 관하여 국내 특허출원 제1999-49274호로 제안한 바 있다. 그러나 본 발명자들은 연구를 거듭한 결과 이 알루미늄 브레이징 시트에 있어서도 여전히 Mg가 0.05wt% 이상 함유되기 때문에, 최상의 브레이징 성능을 얻기에는 부족하다는 점을 발견할 수 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 국내 특허출원 제1999-49274호의 알루미늄 브레이징 시트를 더욱 개량하여 미량의 Mg를 함유하고 있어도 강도가 저하되지 않음과 아울러 일반적인 노콜록 플럭스를 사용하여 브레이징 하는 노콜록 브레이징하에서도 최상의 브레이징 성능을 가질 수 있는 알루미늄 브레이징 시트의 제공을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 알루미늄 브레이징 시트는,전체에 대하여 Si가 0.8∼1.2wt%, Fe가 0.1∼0.7wt%, Cu가 0.15∼0.25wt%, Mn이 0.5∼0.7wt%, Mg가 0.005∼0.05wt%, Ti가 0.08∼0.12wt%이고, 그리고 나머지는 알루미늄 및 불가피 불순물을 함유하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 전체에 대하여 Si가 0.9∼1.1wt%, Fe가 0.4∼0.5wt%, Cu가 0.20∼0.25wt%, Mn이 0.55∼0.65wt%, Mg가 0.01∼0.04wt%, Ti가 0.08∼0.12wt%이고, 그리고 나머지는 알루미늄 및 불가피 불순물인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 알루미늄 브레이징 시트의 경우 0.005∼0.05wt% 범위로 첨가되는 Mg에 의하여 Mg₂Si가 형성됨으로써 Mg가 용융 플럭스와 반응하는 것이 방지됨과 아울러 잔류하는 과잉 Si가 강도향상에 기여하게 되므로 노콜록 브레이징하에서도 브레이징 성능이 저하되지 않음과 아울러 극미량의 Mg로도 고강도의 특성을 얻을 수 있다. 즉, 과잉의 Si에 의하여 주로 고강도 특성을 얻을 수 있으며, 미량의 Mg₂Si에 의하여 추가적인 강도상승을 도모할 수 있다.

본 발명에 따른 알루미늄 브레이징 시트에 함유되는 성분들의 특성은 다음과 같다.

Mn의 경우에는 기본적으로 강도향상에 기여를 하지만 그 함량이 0.7wt% 이상일 경우에는 조대화합물의 형성으로 내식성이 저하된다. 특히 결정입계부식을 촉진시키므로 0.7wt% 이상의 함량이 포함되는 것은 바람직하지 않으며, 0.5wt% 이하일 경우에는 강도향상에 큰 영향을 끼치지 못함과 아울러 내식성 향상에도 도움이 되지 않는다. 특히 Mn과 함께 미량의 Cu가 첨가될 경우 내식성이 향상된다는 점을 고려하여 Mn은 최소한 0.5wt% 이상 첨가되는 것이 바람직하다. 따라서, Mn의 첨가량은 0.5∼0.7wt%의 범위가 바람직하며, 0.55∼0.65wt%의 범위가 가장 이상적이다.

Fe의 경우에는 0.7wt% 이하로 미량 첨가될 경우 강도 향상에 큰 영향을 끼침과 아울러 특히 고온 강도에 양호한 특성을 가진다. Fe의 함량이 0.7wt% 이상일 경우에는 Fe화합물이 생성되어 내식성이 악화될 뿐만 아니라 기지에 많이 고용되어 열전달 특성이 저하되므로, Fe의 함량은 0.1∼0.7wt%의 범위가 바람직하고, 0.4∼0.5wt%의 범위가 가장 이상적이다.

Cu의 경우에는 0.15wt% 이상의 함량이 첨가될 때 강도 향상에 큰 영향을 끼치며, 전술한 바와 같이 Mn과 더불어 내식성 향상에 기여한다. 그러나 Mn의 함량이 0.50wt% 이상일 경우에는 오히려 내식성이 악화되므로 바람직하지 못하다. 따라서, Cu의 함량은 0.15∼0.25wt%의 범위가 바람직하며, 0.20∼0.25wt%의 범위가 가장 이상적이다.

Si의 경우에는 0.18wt% 이하의 함량에서는 과잉 Si에 의한 강도 향상 효과가 그다지 크지 않고, 1.2wt% 이상의 함량에서는 모재의 융점이 너무 낮아져서 브레이징 동안 에로젼 현상이 발생하기 쉬울 뿐만 아니라 내식성이 저하되기 쉽다. Si는 전술한 바와 같이 기본적으로 Mg와 반응하여 Mg₂Si 화합물을 형성하며, 이 화합물이 형성되는 과정에서 소재의 강도를 향상시키는 역할을 한다. 그러나 Mg의 함량이 많을 경우에는 브레이징 성능에 문제가 발생될 수 있으므로 본 발명이 의도하는 바대로 적은 양의 Mg를 사용할 수밖에 없다. 따라서, 본 발명에서는 Mg의 함량보다 훨씬 많은 양의 Si를 첨가하여 과잉 Si에 의한 강도 향상을 도모하고 있다. 본 발명에 있어서 Si의 함량은 0.8∼1.2wt%의 범위가 바람직하고, 0.9∼1.1wt%의 범위가 가장 이상적이다.

Mg의 경우에는 Si와 반응하여 형성되는 Mg₂Si 화합물에 의한 강도 향상에 큰 기여를 하지만 0.05wt% 이상 첨가될 경우 실질적으로 노콜록 브레이징으로는 최상의 브레이징 성능을 얻을 수 없다.

따라서, 본 발명에서는 미량의 Mg 함량에서도 고강도 특성을 가질 수 있고, 노콜록 브레이징에서도 최상의 브레이징 성능을 얻을 수 있도록 하고 있다. 즉, 본 발명자들은 연구를 거듭한 결과 Mg의 함량이 0.005wt%∼0.05wt%의 범위일 때 고강도 특성 및 우수한 브레이징 성능을 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다. Mg 함량의 최소치가 0.005wt%인 이유는 그 이하의 Mg 함량에서는 Mg₂Si에 의한 추가적인 강도상승을 기대하기 어려워 오히려 고강도를 얻는 데에 있어서는 악영향을 끼칠 수 있기 때문이다. 가장 이상적인 Mg의 함량은 0.01∼0.04wt%의 범위이다.

Mg₂Si가 생성되기 위한 Si/Mg의 비율은 0.58이다. 즉, 1wt% Si: 1.73wt% Mg의 비율로 Mg₂Si가 생성되며, 이 Mg₂Si에 의하여 브레이징후 일정시간 경과후 추가적인 강도상승이 도모된다.

본 출원인에 의하여 선출원된 국내 특허출원 제1999-49274호의 알루미늄 브레이징 시트에 있어서는 0.8wt%∼1.2wt%의 Si와 0.05wt%∼0.25wt%의 Mg가 함유된 것이 제안되어 있으나, 이와는 달리 본 발명에서는 0.8wt%∼1.2wt%의 Si와 0.002wt%∼0.05wt%의 Mg가 함유되도록 하고 있다. 이 경우 선출원의 예에서와 같이1.0wt%의 Si, 0.19wt%의 Mg의 경우에 있어서 이론적으로 0.19wt%의 Mg가 Mg₂Si 생성에 모두 소모되었다고 가정할 경우 과잉 Si의 함량은 0.89wt%이다. 즉, 0.89wt%의 Si가 과잉 Si로 남게 되어 브레이징 직후의 강도상승에 기여하게 된다.

그러나, 본 발명에 있어서, 예컨대 1.0wt%의 Si와 0.02wt%의 Mg를 함유한 경우 과잉 Si의 함량은 0.99wt%이다. 즉, 0.99wt%의 Si가 과잉 Si로 남게 되어 선출원의 알루미늄 브레이징 시트보다 본 발명에 따른 알루미늄 브레이징 시트쪽이 Mg₂Si의 생성량은 적지만 고강도 특성에 결정적인 역할을 하는 과잉 Si의 함량은 많아 더욱 우수한 고강도 특성을 가지게 된다. 결국, Mg의 함량을 미량으로 함으로써 최상의 브래이징 성능 및 브레이징후의 우수한 고강도 특성을 동시에 만족할 수 있는 알루미늄 브레이징 시트를 얻을 수 있는 것이다.

Ti의 경우에는 기본적으로 주조시 입자미세화제로 첨가되는 것을 주목적으로 하며, Ti 입자의 미세조직 배열 특성에 의하여 내식성이 향상된다. 0.08wt% 이하의 Ti 함량에서는 내식성에 크게 기여를 하지 못하며, 0.20wt% 이상의 Ti 함량에서는 조대화합물 등의 형성으로 내식성이 저하될 뿐만 아니라 생산성이 저해된다. 따라서, 본 발명에 있어서 바람직한 Ti의 함량은 0.08∼0.12wt%의 범위이며, 0.08∼0.12wt%의 범위가 가장 이상적이다.

<비교시험예>

다음의 표 1은 본 발명에 따른 알루미늄 브레이징 시트의 실시예와 종래 알루미늄 브레이징 시트의 비교예들에 대하여 노콜록 브레이징 성능과 노콜록 브레이징 후의 인장강도를 상대적으로 비교시험하여 그 결과를 나타낸 것이다. 각 성분의 함량의 단위는 wt%이며, 알루미늄 및 불가피 불순물은 나머지 성분이므로 표 1에는 기재하지 않았다. 기호 ◎는 비교성능이 기장 우수한 것을 나타내고, ⊙는 비교성능이 그 다음으로 우수한 것을 나타내며, △는 비교성능이 보통임을 나타낸다.

	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Ti	브레이징성능	브레이징후 인장강도
실시예	1.0	0.45	0.25	0.60	0.02	0.10	◎	◎
비교예 1	1.0	0.45	0.25	0.60	0.19	0.10	⊙	◎
비교예 2	0.2	0.28	0.59	0.78	0.18	0.09	⊙	△
비교예 3	0.45	0.23	0.75	1.14	0.30	0.03	△	⊙
비교예 4	1.03	0.48	0.41	0.79	0.30	0.09	△	◎

상기한 표 1에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 알루미늄 브레이징 시트의 경우 일반적인 노콜록 플럭스를 사용한 노콜록 브레이징에서도 브레이징 성능이 우수하지만, 비교예 3 및 4의 경우 고가의 특수한 플럭스를 사용하여 브레이징 하였을 경우 브레이징이 가능하였으나 일반 노콜록 브레이징에서는 상대적으로 브레이징이 제대로 되지 않음을 알 수 있다. 또한, 비교예 1 및 2의 경우 일반적인 노콜록 플럭스를 사용하여 노콜록 브레이징 하였으며, 비교적 브레이징 성능을 양호하였으나, 최상의 브레이징 성능은 얻지 못하였다. 특히 비교예 2의 경우 강도특성이 나쁘게 나타났다.

본 발명에 따른 알루미늄 브레이징 시트의 경우에는 일반적인 노콜록 플럭스를 사용하여 노콜록 브레이징 한 결과 브레이징 품질이 우수하게 나타났으며, 또한 강도 특성도 우수하게 나타났다.

다음의 표 2는 브레이징 후의 인장강도의 변화를 보여주고 있다.

	브레이징 직후	브레이징후 30일 경과후
실시예	19.4	20.4
비교예 1	19.5	20.7
비교예 2	13.0	13.1
비교예 3	15.9	16.2
비교예 4	19.7	19.8

상기 표 2로부터 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 알루미늄 브레이징 시트의 경우 브레이징 직후에 우수한 인장강도 특성을 보여주고 있으며, 브레이징후 30일이 경과한 후에는 인장강도가 약간 상승하는 것을 알 수 있다. 그리고, 비교예 1 및 4의 경우에는 비교적 우수한 인장강도를 나타내고 있음을 알 수 있지만, 표 1에서 알 수 있듯이 브레이징 성능이 낮고, 한편 비교예 3의 경우에는 보통 수준의 인장강도 값을 보여주고 있고, 비교예 2의 경우에는 가장 낮은 인장강도 값을 보여주고 있다.

이상의 표 2의 결과로 알 수 있듯이, 브레이징 직후와 브레이징 후 30일 경과후의 인장강도 값을 비교해 보면 시일이 경과할수록 인장강도의 상승이 이루어짐을 알 수 있다. 이 결과를 고려할 때, 결국 0.05wt% 이상의 Mg를 첨가할 경우에는 브레이징 성능의 저하만 초래한다는 결론을 도출할 수 있다.

따라서, 본 발명의 의도하는 바대로의 우수한 고강도 특성 및 우수한 브레이징 성능을 얻을 수 있기 위해서는 Mg 함량이 0.05wt% 이하가 되어야만 하고, 또한 그 최소치가 0.005wt%이어야 하는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 알루미늄 브레이징 시트의 경우 모재의 적어도 일측면에 브레이징재가 클래드 처리될 수 있다. 브레이징재로는 4000계열의 것이 채용되는 것이 바람직하다. 즉, Si 함량이 5∼15wt% 함유된 Al-Si합금의 브레이징재가 사용되는 것이 바람직하며, 또한 이외에 Al-Si-Cu 또는 Al-Si-Cu-Zn을 주성분으로 하는 합금이 브레이징재로 사용될 수 있다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 알루미늄 브레이징 시트에 있어서는, 미량의 Mg를 함유하고 있어도 강도가 저하되지 않음과 아울러 일반적인 노콜록 플럭스를 사용하여 브레이징 하는 노콜록 브레이징하에서도 우수한 브레이징 성능을 가질 수 있도록 함으로써 고가의 특수한 플럭스의 사용이 배제되고 브레이징후 리크율이 감소되므로 생산성 향상 및 원가절감을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 알루미늄 브레이징 시트를 이용하여 이루어진 알루미늄 부품들이나 이들을 브레이징하여 이루어진 열교환기 등의 내구성도 향상시킬 수 있다.

한편, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고, 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능함은 물론이며, 그와 같은 변형은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (3)

1. 전체에 대하여 Si가 0.8∼1.2wt%, Fe가 0.1∼0.7wt%, Cu가 0.15∼0.25wt%, Mn이 0.5∼0.7wt%, Mg가 0.005∼0.05wt%, Ti가 0.08∼0.12wt%, 그리고 나머지는 알루미늄 및 불가피 불순물을 함유하여 이루어진 것을 특징으로 하는 알루미늄 브레이징 시트.
2. 제 1 항에 있어서,

   모재의 적어도 일측면에 Si가 5∼15wt% 함유된 Al-Si합금의 브레이징재가 클래드 처리되어 있는 것을 특징으로 하는 알루미늄 브레이징 시트.
3. 제 1 항에 있어서,

   모재의 적어도 일측면에 Al-Si-Cu 또는 Al-Si-Cu-Zn을 주성분으로 하는 합금으로 된 브레이징재가 클래드 처리되어 있는 것을 특징으로 하는 알루미늄 브레이징 시트.