KR0177285B1 - 납땜용 조성물과 이 납땜용 조성물이 형성된 알루미늄재료 및 열교환기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 납땜비용이 저렴함과 아울러 납땜된 제품의 내식성이 뛰어난 납땜기술을 제공하는 것을 목적으로 하는 것으로서, 그 구성은 Al-Si-Zn계 합금분말과 고착제를 함유하여 이루어지며, 상기 Al-Si-Zn계 합금분말에 있어서의 Zn함유량을 10~55wt%으로 한 것이다.
Description
제1도는 본 발명의 실시에 의하여 납땜된 차재용 콘덴서를 나타낸 개략도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 핀 2 : 압출편평다혈관
3 : 헤더파이프
본 발명은 예를 들면 자동차용 증발기(evaporator), 콘덴서, 라디에이터 등과 같은 열교환기에 사용되는 기술에 관한 것이다.
알루미늄 또는 알루미늄합금재료(이하, Al재료라 한다.)로 이루어지는 열교환기는 납재(臘材)가 피복(clad)된 브레이징판(brazing sheet)으로 튜브 또는 핀을 구성한 후, 이것을 소정 형상으로 조립하여 납땜함으로써 제조된다.
그러나, 브레이징판은 제조가 어렵고 가공시의 원료에 대한 제품의 비율이 나쁘기 때문에 비용이 많이 든다. 게다가 브레이징판은 재생이 불가능하기 때문에 폐기물 처리에 비용이 많이 든다. 또한 브레이징판으로 튜브를 구성하기 위해서는 전기저항용접 등과 같은 특수한 기술이 필요하고, 브레이징판으로 핀을 구성하는 경우에는 가공성이 나쁘고, 지그의 손모(損耗)가 심하다. 게다가 두께를 얇게 할 수 없기 때문에 열교환기의 소형화·경량화가 어렵다는 문제점이 있다.
그런데 브레이징판의 납재로서는 Al-Si합금(일본국 특허공보 소58-27037호)이 사용되고 있다.
또한 납재로서 Al-Si-Zn계 합금(일본국 특허공보 소58-27037호, 일본국 특허공개공보 평3-151188호)도 알려져 있다. 그러나 Al-Si-Zn계 합금으로 이루어진 납재를 피복하여 브레이징판을 제작하는 것은 현실적으로 어렵기 때문에 사용되고 있지 않다.
또한 납재로서 Al-Si합금을 사용한 경우에는 내식성을 향상시키기 위하여 Zn막을 용사(溶射; flame spray coating) 등의 수단으로 미리 형성하여 두는 방법이 제안되어 있다. 즉, 표면에 Zn막을 형성한 튜브와 핀을 Al-Si합금으로 납땜하는 것이 제안되어 있다.
그러나 이 기술은 Zn막을 형성한 후 납땜하는 공정이 번거롭기 때문에 바람직하지 않다.
또 상기 Al-Si-Zn계 합금으로 이루어진 납재(선형상의 납재)로 튜브와 핀을 납땜하는 방법도 제안되어 있다.
그러나 이 기술에 의하면 Al재료로 이루어진 튜브에 Zn이 양호하게 확산되지 않기 때문에 희생양극효과(犧牲陽極效果)에 의하여 내식성을 확보하고자 하는 목적을 충분하게 달성할 수 없다.
즉, 충분한 내식성을 확보하기에는 공정이 번거롭고 비용적으로도 바람직하지 않다. 반대로 비용을 저렴하게 하면 내식성을 충분히 확보할 수 없게 된다.
본 발명의 목적은 납땜비용이 저렴함과 아울러 납땜된 제품의 내식성이 뛰어난 납땜기술을 제공하는 것이다.
이러한 본 발명의 목적은 Al-Si-Zn계 합금분말과 고착제(binder)를 함유하여 이루어지며, 상기 Al-Si-Zn계 합금분말에 있어서의 Zn함유량이 10~55wt%인 것을 특징으로 하는 납땜용 조성물에 의하여 달성된다.
또 Al-Si-Zn계 합금분말과 고착제와 용제(溶劑)를 함유하여 이루어지며, 상기 Al-Si-Zn계 합금분말에 있어서의 Zn 함유량이 10~55wt%인 것을 특징으로 하는 납땜용 조성물에 의하여 달성된다.
또한 Al-Si-Zn계 합금분말과 고착제와 플럭스(flux)와 용제를 함유하여 이루어지며, 상기 Al-Si-Zn계 합금분말에 있어서의 Zn 함유량이 10~55wt%인 것을 특징으로 하는 납땜용 조성물에 의하여 달성된다.
또 상기 Al-Si-Zn계 합금분말의 Zn 함유량은 바람직하게는 10~40wt%, 보다 바람직하게는 11~36wt%, 보다 더 바람직하게는 12~25wt% 이다.
그리고 납재로서의 기능을 충분하게 발휘하도록 하기 위하여 상기 Al-Si-Zn계 합금분말의 Si 함유량은 5~15wt%, 보다 바람직하게는 5~11wt% 이다.
또 내식성 향상이라는 관점에서 상기 Al-Si-Zn계 합금분말은 In을 함유하는 것이 바람직하다. In 함유량은 0.001~0.1wt%, 보다 바람직하게는 0.01~0.1wt% 이다.
또한 Al-Si-Zn계 합금분말중에 0.01~0.07wt%의 Be, 0.02~0.20wt%의 Bi, 그 외의 불가피 불순물을 포함하고 있어도 된다.
특히, Al-Si-Zn계 합금분말은 In 및 Be 혹은 In 및 Bi를 함유하는 것이 바람직하며, 그 함유량은 상기한 바와 같다.
또 납재로서의 기능을 충분하게 발휘하도록 하기 위하여 Al-Si-Zn계 합금분말은 입자직경이 10~200㎛, 바람직하게는 10~53㎛이다.
본 발명의 Al-Si-Zn계 합금분말을 튜브나 헤더파이프(header pipes)등과 같은 Al재료의 표면에 형성하기 위하여 고착제가 사용된다. 이 고착제는 납땜 온도보다 낮은 온도에서 휘발되는 경향이 높은 것이 바람직하며, 특히 분자량 1000~100000의 아크릴계 혹은 메타크릴계 수지가 바람직하고, 예로서 분자량 1000~100000의 폴리아크릴산부틸 등을 들 수 있다.
Al-Si-Zn계 합금분말과 고착제의 배합 비율은 Al-Si-Zn계 합금분말/고착제가 중량비로 100/0.1~100/100, 바람직하게는 100/5~100/20이다.
본 발명의 납땜용 조성물을 Al재 표면에 형성하기 위하여 일반적으로는 도포(塗布)수단이 이용된다. 도포수단으로서는 예를 들면 스프레이법(spraying method), 플로우코우터법(flow coater method), 롤코우터법(roll coater method), 브러시어플리케이션(brush application)의 각종 수단을 채용할 수 있다. 그리고 이러한 수단에 의하여 건조 후의 두께가 약5~200㎛로 되도록 본 발명의 납땜용 조성물이 도포되며, 보다 바람직하게는 약10~150㎛, 보다 더 바람직하게는 약10~60㎛ 이다. Al-Si-Zn계 합금분말이 20~400ｇ/㎡, 바람직하게는 40~120ｇ/㎡ 정도가 되도록 도포된다. 이 도포를 위하여 사용되는 용제로서는 예를 들면 메탄올, 에탄올, 프로판올, 부탄올, 이소프로필알콜, 펜탄올 등과 같은 탄소수 1~8의 지방족알콜을 들 수 있다. 이들 중 가장 바람직한 용제는 이소프로필알콜이다.
고착제와 용제의 배합 비율은 고착제/용제가 중량비로 100/100~100/10000, 바람직하게는 100/500~100/2000 이다.
납땜시에는 예를 들면 KF-AlF3, RbF-AlF3와 같은 불화물계(弗化物系) 플럭스가 사용된다. 따라서 이와 같은 플럭스를 본 발명의 납땜용 조성물에 미리 첨가하여 둘 수 있다. 물론 상기한 것 이외의 플럭스를 사용하여도 된다. 이와 같은 플럭스의 배합 비율은 Al-Si-Zn계 합금분말/플럭스가 중량비로 100/3~100/50, 바람직하게는 100/10~100/30 이다. 또한 플러스는 납땜용 조성물 중에 처음부터 첨가되어 있는 것이 바람직하나 납땜시에 나중에 첨가하여도 된다.
또 상기 본 발명의 목적은 상기한 납땜용 조성물이 표면에 형성된 것을 특징으로 하는 Al재료에 의하여 달성된다.
본 발명의 납땜용 조성물이 도포되는 Al재는 열교환기를 구성하는 부품 즉, 핀 표면에 도포되어도 되나, 튜브나 헤더파이프의 표면에 도포되는 것이 바람직하다.
그리고 이와 같이 납땜용 조성물이 표면에 도포된 튜브(및 헤더파이프)와 핀을 소정의 것으로 조립한 후, 진공분위기나 불활성분위기 하에서 플럭스를 사용한 납땜에 의하여 접합함으로써 열교환기로 된다.
즉, 상기 본 발명의 목적은 상기한 납땜용 조성물이 표면에 형성된 Al재료로 이루어지는 제1 열교환기구성부품(예를 들면, 튜브 및/또는 헤더파이프)과 제2 열교환기구성부품(예를 들면, 핀)이 조립된 후, 플럭스를 사용한 납땜에 의하여 접합된 것을 특징으로 하는 열교환기에 의하여 달성된다.
본 발명에서 Al-Si-Zn계 합금분말을 채용한 이유는 다음과 같다.
① 희생양극효과를 가지는 Zn을 튜브 혹은 헤더파이프 표면층에 균일하게 확산시킬 수 있으므로, 튜브나 헤더파이프의 내식성 및 내공식성(耐孔食性; pitting corrosion residtance)을 향상시킬 수 있다.
Al-Si-Zn계 합금분말 대신에 Al-Si계 합금분말을 사용한 경우에는 튜브나 헤더파이프의 내식성과 내공식성이 열화되었다.
또 Al-Si-Zn계 합금분말 대신에 Al-Si계 합금분말과 Zn분말의 혼합분말을 사용한 경우에도 내식성과 내공식성이 열화되었다.
② 필요한 장소에 필요한 양의 납재를 간단하게 공급할 수 있다.
피복 등의 기술이 불필요하기 때문에 매우 간단하게 실시할 수 있으므로 비용이 저렴하다. 특히 피복에 의하여 형성하기가 어렵다고 여겨져 왔던 Al-Si-Zn계 합금으로 이루어진 납재층을 간단하게 형성할 수 있다.
③ 필요에 따라서는 분말형상의 각종 첨가물(예를 들면, 납땜용 플럭스)을 일체로 납재의 막 속으로 공급할 수 있다.
또, 본 발명에 의하면 열교환기의 제조시에 브레이징판을 사용할 필요가 없기 때문에 비용이 저렴해진다. 또한 브레이징판으로 핀을 제작할 필요가 없기 때문에 핀의 두께를 얇게 할 수 있으므로 소형화·경량화를 도모할 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 들어 설명한다.
애터마이즈법(atomization)을 이용하여 건조질소분위기 중에서 하기 표-1에 나타낸 조성으로 평균입자직경 10~45㎛의 대략 구형상으로 된 분말을 작성하였다.
이 합금분말 100중량부와, 고착제(평균분자량 10000의 폴리아크릴산부틸) 10중량부와, 용제(이소프로필알콜) 50중량부와, 플럭스(KF-AlF) 15중량부를 혼합, 교반하여 납땜용 조성물을 작성하였다.
그리고 두께 2㎜, 폭 20㎜, 길이 500㎜의 Al합금제 압출편평다혈관(壓出扁平多穴菅; the extruded aluminum tube)의 표면에 상기 납땜용 조성물을 두께 약 30㎛(합금분말량 60ｇ/㎡)가 되도록 도포하였다. 또 압출편평다혈관이 끼워 넣어지는 Al합금제 헤더파이프 부분에도 상기 납땜용 조성물을 두게 약 150㎛(합금분말량 300ｇ/㎡)가 되도록 도포하였다.
이들 압출편평다혈관과 헤더파이프와 핀을 조립한 후, 건조질소분위기 하에서 약 600℃로 5분 동안 유지하여 납땜함으로써 제1도에 나타낸 차재용(車載用) 콘덴서를 얻었다. 그리고 제1도에 있어서 1은 핀, 2는 압출편평다혈관, 3은 헤더파이프이다.
이 열교환기에 대하여 납땜접합율, 압출편평다혈관 표면의 내식성 및 내공식성을 조사하여 그 결과를 표-2에 나타냈다.
* 비교예 4는 30㎛ 크기의 Al-Si계 합금(Al92wt%-Si8wt%)분말 70중량부와 30㎛ 크기의 Zn분말 30중량부의 혼합분말을 사용하여 실시예 1과 동일하도록 하였다.
* 비교예 5는 용사 Zn막이 형성된 Al제 압출편평다혈관의 표면에 30㎛ 크기의 Al-Si계 합금(Al92wt%-Si8wt%)분말의 납땜용 조성물이 도포되어 있으며 플럭스 납땜하였다.
* 내식성에 있어서의 ○표: 튜브에서 약간의 부식이 보여질 뿐이다.
△표: 튜브전체에 가벼운 부식이 보인다.
×표: 튜브전체에 심한 부식이 보인다.
* 내공식성에 있어서의 ◎표: 튜브의 표면만이 부식되었다.
○표: 튜브에 약간의 침식이 보인다.
△표: 튜브를 거의 관통하는 침식이 보인다.
×표: 튜브에 관통구멍이 다수 보인다.
또 코일형상으로 감긴 Al제 압출편평다혈관 표면에 상기 납땜용 조성물을 두께 약 30㎛(합금분말량 60ｇ/㎡)가 되도록 도포한 후에 소정 길이로 절단하였다. 이와 같이 하여 얻은 압출편평다혈관과 헤더파이프와 핀을 조립한 후, 상기 실시예와 동일하게 하여 제1도에 나타낸 차재용 콘덴서를 얻었다. 이 열교환기에 대하여 납땜접합율, 압출편평다혈관 표면의 내식성 및 내공식성을 조사한 결과 표-2에 나타낸 바와 같은 결과를 얻었다.
이에 따르면, 본 발명에 의하여 이루어진 것은 납땜성 또한 내식성 및 내공식성이 뛰어남을 알 수 있다.
여기서 주목하여야 할 것은 단지 Zn이 사용되었기 때문에 내식성 및 내공식성이 뛰어난 것이 아니라는 점이다. 즉, Zn이 사용된다 하더라도 이것이 Al-Si합금분말과 Zn분말의 혼합물 형태인 경우에는 본 발명과 같은 특징을 얻을 수 없다.
또 단순하게 Al-Si-Zn계 합금이면 되는 것이 아니라 Zn 함유량이 10~55wt%와 같이 높아야만 한다.
또한 Al-Si-Zn계 합금이 사용되면 되는 것은 아니다.
그리고 Al제 튜브와 Al합금제 핀의 납땜을 600℃ 이하의 낮은 온도에서 실시할 수 있으므로 그 만큼 납땜이 간단해지고 또한 Al재료가 고열로 인하여 손상되는 것을 방지할 수 있다.
Claims (23)
- Be를 함유하는 것으로서, 그 Be 함유량이 0.01~0.07wt% Si함유량이 5~15wt%인 Al-Si-Zn계 합금분말과 고착제를 함유하여 이루어지며, 상기 Al-Si-Zn계 합금분말에 있어서의 Zn 함유량이 10~55wt%이고, 상기 Al-Si-Zn계 합금분말과 상기 고착제의 배합비율은 상기 Al-Si-Zn계 합금분말 100중량부에 대하여 상기 고착제가 0.1~100중량부이고, 상기 Al-Si-Zn계 합금분말의 입자직경이 10~200㎛인 것을 특징으로 하는 납땜용 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 Al-Si-Zn계 합금분말은 In을 함유하는 것으로서, 그 In 함유량이 0.001~0.1wt%인 것을 특징으로 하는 납땜용 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 Al-Si-Zn계 합금분말은 Bi를 함유하는 것으로서 그 Bi 함유량이 0.02~0.2wt%인 것을 특징으로 하는 납땜용 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 Al-Si-Zn계 합금분말은 In 및 Be를 함유하는 것으로서, 그 In 함유량이 0.001~0.1wt%, Be 함유량이 0.01~0.07wt%인 것을 특징으로 하는 납땜용 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 Al-Si-Zn계 합금분말은 In 및 Bi를 함유하는 것으로서, 그 In 함유량이 0.001~0.1wt%, Bi 함유량이 0.02~0.2wt%인 것을 특징으로 하는 납땜용 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 고착제는 납땜 온도보다 낮은 온도에서 휘발되는 경향이 높은 것임을 특징으로 하는 납땜용 조성물.
- 제1항에 있어서, 상기 고착제는 아크릴계 및 메타크릴계 수지군 중에서 선택되는 것으로서, 그 분자량이 1000~100000인 것을 특징으로 하는 납땜용 조성물.
- 제1항에 있어서, 용제를 더 함유하여 이루어지며, 상기 고착제 100중량부에 대하여 상기 용제가 100~10000중량부인 것을 특징으로 하는 납땜용 조성물.
- 제1항에 있어서, 플럭스를 더 함유하여 이루어지며, 상기 Al-Si-Zn계 합금분말 100중량부에 대하여 상기 플럭스가 3~50중량부인 것을 특징으로 하는 납땜용 조성물.
- Be를 함유하는 것으로서, 그 Be 함유량이 0.01~0.07wt%인 Al-Si-Zn계 합금분말과 고착제를 함유하여 이루어지며, 상기 Al-Si-Zn계 합금분말에 있어서의 Zn 함유량은 10~55wt%, Si 함유량은 5~15wt%이고, 상기 Al-Si-Zn계 합금분말의 입경이 10~200㎛이며, 상기 고착제는 아크릴 및 메타크릴계 수지군 중에서 선택되는 것으로서, 그 분자량이 1000~100000이고, 상기 Al-Si-Zn계 합금분말과 상기 고착제의 비율은 Al-Si-Zn계 합금분말 100중량부에 대하여 고착제가 0.1~100중량부인 것을 특징으로 하는 납땜용 조성물.
- 제10항에 있어서, 상기 Al-Si-Zn계 합금분말은 In을 함유하는 것으로서, 그 In 함유량이 0.001~0.1wt%인 것을 특징으로 하는 납땜용 조성물.
- 제10항에 있어서, 상기 Al-Si-Zn계 합금분말은 Bi을 함유하는 것으로서, 그 Bi 함유량이 0.02~0.2wt%인 것을 특징으로 하는 납땜용 조성물.
- 제10항에 있어서, 상기 Al-Si-Zn계 합금분말은 In 및 Be를 함유하는 것으로서, 그 In 함유량이 0.001~0.1wt%, Be 함유량이 0.01~0.07wt%인 것을 특징으로 하는 납땜용 조성물.
- 제10항에 있어서, 상기 Al-Si-Zn계 합금분말은 In 및 Bi를 함유하는 것으로서, 그 In 함유량이 0.001~0.1wt%, Bi 함유량이 0.02~0.2wt%인 것을 특징으로 하는 납땜용 조성물.
- 제10항에 있어서, 플럭스를 더 함유하여 이루어지며, 상기 Al-Si-Zn계 합금분말 100중량부에 대하여 상기 플럭스가 3~50중량부인 것을 특징으로 하는 납땜용 조성물.
- 제10항에 있어서, 용제를 더 함유하여 이루어지며, 상기 고착제 100중량부에 대하여 상기 용제가 100~10000중량부인 것을 특징으로 하는 납땜용 조성물.
- Al재와, 이 Al재 표면에 형성된 Zn 함유량이 10~55wt%이고, Si 함유량이 5-15wt%인 Al-Si-Zn계 합금분말 및 고착제를 함유하는 도포막층으로 이루어지며, 상기 Al-Si-Zn계 합금분말은 그 입경이 10~200㎛이고, 상기 Al-Si-Zn계 합금분말과 상기 고착제의 비율은 상기 Al-Si-Zn계 합금분말 100중량부에 대하여 상기 고착제가 0.1~100중량부인 것을 특징으로 하는 Al재료.
- 제17항에 있어서, 상기 고착제는 납땜 온도보다 낮은 온도에서 휘발되는 경향이 높은 것임을 특징으로 하는 Al재료.
- 제17항에 있어서, 상기 고착제는 아크릴계 및 메타크릴계 수지군 중에서 선택되는 것으로서, 그 분자량이 1000~100000인 것을 특징으로 하는 Al재료.
- 제17항에 있어서, 상기 도포막층에 플럭스를 더 함유하여 이루어지며, 상기 Al-Si-Zn계 합금분말 100중량부에 대하여 상기 플럭스가 3~50중량부인 것을 특징으로 하는 Al재료.
- Al제 튜브 표면에 Zn 함유량이 10~50wt%인 Al-Si-Zn계 합금분말 및 고착제를 함유하는 도포막층을 형성하고, Al제 핀을 플럭스를 사용한 납땜에 의하여 상기 튜브에다 접합하여서 된 열교환기.
- 제21항에 있어서, 상기 Al-Si-Zn계 합금분말 및 고착제를 함유하는 도포막층의 Si 함유량이 5~15wt%인 것을 특징으로 하는 열교환기.
- 제21항에 있어서, 상기 도포막층을 형성하는 Al-Si-Zn계 합금분말은 입경이 10~200㎛인 것을 특징으로 하는 열교환기.
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