KR20220148291A - 고강도 솔더-플레이팅된 Al-Mg-Si 알루미늄 재료 - Google Patents

고강도 솔더-플레이팅된 Al-Mg-Si 알루미늄 재료 Download PDF

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Abstract

본 발명은 AlMgSi 유형, 특히 AA6xxx 유형의 알루미늄 합금을 포함하는 고강도, 솔더링된 부품의 제조를 위한 알루미늄 재료에 관한 것으로, 여기서 알루미늄 재료는 솔더링 후에 적어도 일부 영역에서 솔더 층과 직접 또는 간접적으로 물질적으로-접합되어 접촉하고 있다. 우수한 솔더링 특성과 우수한 성형성 그리고 고강도를 제공하는 알루미늄 재료를 제공하는 본 발명의 목적은, 알루미늄 재료의 알루미늄 합금의 고상선 온도(Tsol)가 595℃ 이상이고, 적어도 595℃에서 솔더링하고, 595℃에서 200℃까지 적어도 0.5℃/s의 평균 냉각 속도로 냉각하고, 솔더링 후 205℃에서 45분 동안 인공 시효한 후, 알루미늄 재료의 항복 강도(Rp0.2)가 솔더링 후 상태와 비교하여 적어도 90 MPa, 적어도 110 MPa 또는 바람직하게는 적어도 120 MPa 증가하는 알루미늄 재료의 알루미늄 합금에 의해 달성된다.

Description

고강도 솔더-플레이팅된 Al-Mg-Si 알루미늄 재료
본 발명은 AlMgSi 유형, 특히 AA6xxx 유형의 알루미늄 합금을 포함하는 고강도의 솔더링된 컴포넌트의 제조를 위한 알루미늄 재료에 관한 것으로, 바람직하게는 알루미늄 재료는 솔더링 후 적어도 일부 영역에서 적어도 하나의 솔더 층과 물질적으로 접합되어(materially-bonded) 직접 또는 간접적으로 접촉한다. 일 실시형태에 따르면, 본 발명은 알루미늄 코어 합금 층으로서 본 발명에 따른 알루미늄 재료를 포함하는 하나 이상의 코어 층 및 알루미늄 솔더 합금을 포함하는 하나 이상의 외부 솔더 층을 포함하는 알루미늄 복합 재료에 관한 것으로, 여기서 솔더 층은 코어 층 위에 배치된다. 본 발명은 또한 컴포넌트의 써멀 접합 방법, 써멀 접합 공정에서의 알루미늄 재료 또는 알루미늄 복합 재료의 용도 및 솔더링된 컴포넌트에 관한 것이다.
주요 합금 성분이 마그네슘과 실리콘인 AlMgSi 합금을 기반으로 하는 경화 가능한 알루미늄 재료는 자동차 분야뿐 아니라 항공기 구조물 또는 철도 차량 구조물과 같은 다른 응용 분야에도 적용되는 것으로 알려져 있다. 이들은 특히 높은 강도 값을 특징으로 할 뿐만 아니라 매우 우수한 성형 거동을 가지며 높은 수준의 성형을 가능하게 한다. 일반적인 적용 분야에는 차체, 도어, 해치, 후드 등과 같은 차체 컴포넌트 및 섀시 파트가 포함된다. 해당 컴포넌트에 대한 기계적 요구 사항에는 충격, 장기간의 진동, 부식, 높은 작동 압력, 높은 작동 온도 및 온도 변화로 인해 자동차에 설치된 컴포넌트를 실제 사용할 때에 발생하는 상당한 부하를 견디는 것이 포함된다. 강도를 증가시키기 위해, 어닐링은 각 재료의 솔버스 온도보다 높고 고상선 온도보다 낮은 온도에서 용체화 어닐링으로 수행되고, 그런 다음 이를 빠른, 정의된 속도로 냉각한다. 그 다음 최대 강도는 예를 들어 약 200℃에서 약 15분 동안 CDP(cathodic dip painting) 형태의 페이트 베이크 처리의 경우, 100 내지 220℃의 온도에서 인공 시효를 거친 후 결정된다.
AlMgSi 합금의 사용은 예를 들어 고강도 열 교환기 응용 분야와 같이 솔더링 가능한 재료와 솔더링 도금된 재료로도 알려져 있다. 자동차 열교환기는 일반적으로 핀, 파이프 및 분배기와 같이 미리 제작된 열교환기의 개별 부품을 함께 열적으로 결합하여 알루미늄 스트립 또는 시트로부터 제조된다. 해당 열교환기는 대부분 자동차의 냉난방 시스템의 부품이다. 알루미늄 재료로 제작된 이러한 열 접합 열교환기의 다양한 용도에는 냉각수 또는 오일의 냉각, 차지 에어 쿨러로의 사용 및 공조 시스템에서의 사용이 포함된다. 대면적 냉각판에 대한 개념이 전기 자동차용 배터리를 냉각하는 분야에서 알려져 있다. 이들은 일반적으로 두껍고 평평한 베이스 플레이트와 냉각 채널이 성형되어 있는 구조화된 두 번째 플레이트로 구성된다. 다른 접합 방법들 중에서, 써멀 접합(thermal joining)은 대부분의 경우 비부식성 플럭스를 사용하여 불활성 가스 분위기에서 "제어 분위기 브레이징"(CAB) 공정으로 알려진 브레이징으로 수행된다. 그러나 비용상의 이유로 여기에는 일반적으로 별도의 인공 시효가 없다. 또한 EN-AW 6063과 같은 알루미늄 합금으로 만들어진 일반적인 알루미늄 재료는 솔더링할 때에 일반적인 냉각 속도에서 약간의 경화 효과만 있을 뿐이다.
또한, 화학 조성, 특히 경화성을 담당하는 원소인 실리콘과 마그네슘 그리고 분산질-형성제인 망간 및 크롬의 제한으로 인해, 달성할 수 있는 강도가 제한된다. 용융을 방지하려면, 재료의 고상선 온도가 일반적으로 590℃ ~ 610℃인 솔더링 온도보다 낮아서는 안 된다. 고강도에서 중간 강도의 AlMgSi 합금은 일반적으로 Mg 및 Si 함량이 비교적 높다. AlMgSi 합금에서, β(또는 Mg2Si) 석출 순서(클러스터 → Guinier Preston Zones(GP Zones)→ β"→ β', U1, U2, B', → β, Si)의 소량의 준안정 석출물이 시효 과정 중에 형성된다. 이는 Mg와 Si를 모두 포함하고, 강도를 증가시키며, 이에 의해 최대 강도에서 특히 GP 구역과 β" 상이 관찰된다. 따라서 강도를 증가시키기 위한 간단한 해결책은, 강도를 향상시키는 β 석출 순서의 석출물이 형성되도록 Mg 및 Si 함량을 증가시키는 것으로 보인다. 그러나 알루미늄 재료의 Mg 함량은 솔더링 공정에서 알루미늄 컴포넌트가 일반적으로 플럭스를 사용하여 솔더링되고, 정밀하게 제어된 분위기(예컨대 질소 분위기)에 노출되는 소위 CAB 솔더링 공정에서 재료의 솔더링성을 손상시킬 수 있다. 이는 솔더링 과정에서 Mg가 플럭스와 반응하여 고융점 상들을 형성하여 기능을 상실하기 때문이다. 세슘을 포함하는 값비싼 플럭스를 사용해야만 0.3 중량% 이상의 더 높은 Mg 함량을 포함하는 가공성이 확장될 수 있다. 지나치게 낮은 기계적 강도 외에도 이전에 사용 가능한 알루미늄 재료를 사용한 CAB 공정은 내식성이 낮다는 문제를 초래한다.
CAB 공정의 대안은, 솔더링할 컴포넌트가 10-5 mbar 이하와 같은 매우 낮은 압력의 분위기에서 솔더링되는 진공 솔더링이다. 진공 솔더링은 플럭스 없이 수행할 수 있지만, 더 나은 솔더링 결과를 얻기 위해 알루미늄 솔더에 일정량의 마그네슘이 첨가되는 경우가 많다. 진공 솔더링의 단점은 또한 솔더링할 컴포넌트에 대한 진공 및 청정도 요구 사항을 유지하는 데 비용이 많이 든다는 것이다.
차체 컴포넌트와 같은 자동차의 구조 컴포넌트에 대해 높은 강도를 요구하는 것으로 인해, 솔더링된 구조 컴포넌트는 아직 사용되지 않았다. 기존의 열교환기는 일반적으로 자동차의 구조 컴포넌트의 역할을 하지 않기 때문에 충돌 저항이 필요하지 않다. 기존 열교환기는 강도가 낮기 때문에 요구되는 기계적 충돌 특성을 달성하기 위해 광범위한 설계 조치가 필요하다. 또한, 무엇보다도 솔더링 전의 높은 성형성 및 사용 시 충분한 내식성을 포함하는 추가 특성의 기능적 통합이 바람직하다. 이 특성 프로파일은 기존 재료에 의해서는 충분히 충족되지 않는다.
이것은, 특히 알루미늄 재료가 솔더링 공정을 거치는 경우 그리고 바람직하게는 적어도 일부 영역에서 알루미늄 솔더 합금을 포함하는 적어도 하나의 솔더 층과 직접적으로 또는 간접적으로 물질적으로 접합되어 접촉하는 경우에 적용된다. 물질적으로 직접 접합되어 접촉하는 경우, 알루미늄 재료는 솔더링 후 솔더링 공정에 참여한 컴포넌트의 솔더링 층에 바로 인접한다. 이것은 솔더링 포일을 사용하여 솔더-플레이트된 컴포넌트로 솔더링을 하거나 또는 기타 방법에 의해 수행할 수 있다. 알루미늄 재료가 알루미늄 복합 재료로 설계된 경우, 도금된 솔더 합금 층에 의해 솔더링된 후에 직접적으로 물질적으로 접합된 접촉이 제공될 수 있다. 간접 접촉은 적어도 하나의 추가 합금 층을 통해 솔더 층과 물질적으로 접합된 접촉을 의미하는 것으로 이해된다. 즉, 예를 들어 알루미늄 재료에 솔더 합금을 포함하지 않는 추가 알루미늄 층이 제공되는 경우, 그러나 이것은 결국 예를 들어 솔더-도금된 컴포넌트와 함께 적어도 일부 영역에서 물질적으로 접합된 방식으로 연결된다. 원칙적으로 솔더링 공정을 거친 알루미늄 소재의 강도 특성은 알루미늄 소재가 솔더 층과 접합하는 것과는 관계없이 솔더링 과정에서 노출되는 열의 영향을 크게 받는다. 일반적으로 솔더링 공정 직후에 강도가 크게 떨어진다.
따라서, 본 발명의 기저를 이루는 목적은 양호한 솔더링 특성 및 양호한 성형성을 가질 뿐만 아니라 솔더링 후 높은 강도를 제공하는 알루미늄 재료 및 이 알루미늄 재료를 포함하는 알루미늄 복합 재료를 제공하는 것이다. 본 발명의 기초가 되는 목적은 또한 컴포넌트의 써멀 접합을 위한 유리한, 특히 비용 효율적인 방법, 본 발명에 따른 알루미늄 재료 또는 알루미늄 복합 재료의 유리한 용도 및 유리한 써멀 접합된 컴포넌트를 제안하는 것이다.
본 발명의 제1 교시에 따르면, 알루미늄 재료의 알루미늄 합금 또는 알루미늄 복합 재료의 알루미늄 코어 합금의 고상선 온도 Tsol이 적어도 595℃이고, 알루미늄 재료 또는 알루미늄 복합 재료는 595℃ 이상에서 솔더링하고, 595℃에서 200℃까지 0.5℃/s 이상의 평균 냉각 속도로 냉각하고, 205℃에서 45분 동안 인공 시효하여, 솔더링 후 상태와 비교하여 항복 강도 Rp0.2 의 증가가 90 MPa 이상, 110 MPa 이상 또는 바람직하게는 120 MPa 이상인, 서두에서 언급한 알루미늄 재료 또는 알루미늄 복합 재료에 대해 전술한 목적이 해결된다.
선택된 고상선 온도로 인해, 본 발명에 따른 알루미늄 재료 또는 알루미늄 복합 재료가 솔더링 공정에서 용융되는 것을 확실하게 피하기 위한 충분한 예비량을 갖는다. 인공 시효 후 강도의 큰 증가로 인해, 솔더링 및 인공 시효 상태에서 큰 항복 강도 값을 제공하는 알루미늄 재료 및 알루미늄 복합 재료가 제공된다. 고강도, 솔더링 컴포넌트는 알루미늄 재료 또는 알루미늄 복합 재료로 생산할 수 있다. 솔더링 후 인공 시효를 통해서야 강도의 증가하기 때문에, 인공 시효를 동반한 솔더링 공정에 의해 알루미늄 재료 또는 알루미늄 복합 재료를 성형성 및 경화성이 높은 상태로 제공할 수 있다. 규정된 냉각 속도에서 항복 강도가 증가하는 것은 알루미늄 재료 및 알루미늄 복합 재료의 알루미늄 코어 합금의 조직이 낮은 담금질 감도를 제공해야 한다는 것을 요구한다.
본 발명에 따른 알루미늄 재료 또는 알루미늄 복합 재료는 바람직하게는 스트립 형상이고, 압연 시트로 설계된다. 알루미늄 합금 복합 재료의 제조에는 플레이팅, 특히 롤 클래딩 및 동시 주조 모두가 사용될 수 있다. 용사(thermal spraying)에 의해 층을 적용하는 것도 가능하다. 그러나, 롤 클래딩 및 동시 주조는 알루미늄 복합 재료를 제조하기 위해 현재 대규모 산업 규모에서 사용되는 방법이며, 여기서 동시 주조 재료는 서로 다른 알루미늄 합금 층 사이의 현저한 농도 구배로 인해 롤 클래딩된 재료의 개별 층 조성과는 다르다. 롤 클래딩 동안, 먼저 알루미늄 코어 합금으로 롤링 잉곳이 주조되고, 필요에 따라 균질화된다. 오버레이는 일반적으로 주조 압연 잉곳에서 필요한 두께로 열간 압연되고 필요한 길이로 절단된다. 또는 롤링 잉곳을 소잉하여 오버레이를 제조할 수도 있다. 코어 합금이 있는 오버레이는 패킷으로 조립되고 열간 압연 온도로 가열된다. 대안적으로, 패킷을 형성한 후에 균질화가 이루어질 수도 있다. 열간 압연 온도로 예열된 패킷은 그런 다음 중간 두께로 열간 압연되고, 마지막으로 중간 어닐링이 있거나 없는 상태에서 최종 두께로 냉간 압연된다. 냉간 압연 후에 마지막으로 필요에 따라 용체화 또는 소프트 어닐링/백 어닐링이 이루어질 수 있다. 알루미늄 복합 재료가 예를 들어 스트립으로부터 분리된 시트 형태인 것도 생각할 수 있다. 알루미늄 재료는 예를 들어 잉곳 또는 주조 스트립의 주조, 잉곳 또는 주조 스트립의 균질화, 열간 압연 및 냉간 압연에 의해 제조될 수 있다.
바람직하게는, 적어도 595℃에서 솔더링하고, 적어도 0.5℃/s의 평균 냉각 속도로 595℃에서 200℃까지 냉각하고, 205℃에서 45분 동안 인공 시효한 후에, 알루미늄 재료 또는 알루미늄 복합 재료의 항복 강도 Rp0.2는 적어도 150 MPa, 바람직하게는 180 MPa 이상, 특히 바람직하게는 200 MPa을 상회한다. 알루미늄 재료의 알루미늄 합금 또는 알루미늄 복합 재료의 알루미늄 코어 합금의 낮은 담금질 감도로 인해, 솔더링 공정에서의 냉각 속도에서도 높은 항복 강도 값을 가능하게 한다. 따라서 높은 항복 강도 값을 통해 솔더링 공정에서 용융이 발생하지 않고서도 더 작은 벽 두께를 가진 컴포넌트를 제조할 수 있다.
솔더링 전에, 알루미늄 재료 또는 알루미늄 복합 재료는 예를 들어 압연 상태에서 또는 완전히 경화된(4/4-경질) 또는 연성-어닐링된 상태로 변형 경화될 수 있다. 추가 실시형태에서, 알루미늄 복합 재료는 솔더링 전에 용체화-어닐링된 상태 "T4"에 있을 수 있다. 솔더링할 컴포넌트를 제조하는 동안, 알루미늄 복합 재료의 성형 잠재력을 충분히 활용하기 위해서는 성형 가능성이 높은 상태가 선호된다. 알루미늄 재료 또는 코어 재료의 선택된 조성 및 생산 경로로 인해, ??칭 감도는 솔더링 프로세스가 예를 들어 전형적인 CAB 공정에서 용체화 어닐링으로 작용하도록 설정되고, 여기서 솔더링 온도와 200℃ 사이에서의 평균 냉각 속도는 적어도 0.5℃/s이다. 따라서 알루미늄 복합 재료는 인공 시효를 통해 경화될 수 있게, 솔더링 후 유리한 T4 상태로 전환될 수 있다.
인공 시효는 예를 들어 100℃ 내지 280℃, 바람직하게는 140℃ 내지 250℃, 바람직하게는 180℃ 내지 230℃의 시효 온도에서 적어도 10분 동안, 적어도 30분 또는 적어도 45분 동안 이루어지고, 적어도 150 MPa의 강도 Rp0.2 가 달성될 수 있게 된다. 인공 시효는 솔더링 직후에 수행할 수 있지만 나중에 수행할 수도 있다. 솔더링 직후에 인공 시효를 수행할 경우, 즉 솔더링 후 컴포넌트를 205℃에서 45분 동안 인공 시효시키면, 에너지 비용을 절감할 수 있다.
알루미늄 재료 또는 알루미늄 복합 재료의 추가 실시형태에 따르면, 알루미늄 재료의 알루미늄 합금 또는 알루미늄 복합 재료의 알루미늄 코어 합금은 AlMgSi 유형, 특히 AA6xxx 유형의 알루미늄 합금으로, 중량%로 다음의 조성을 갖는다.
0.5% ≤ Si ≤ 0.9%, 바람직하게는 0.50% ≤ Si ≤ 0.65% 또는 0.60% ≤ Si ≤ 0.75%,
Fe ≤ 0.5%, 바람직하게는 0.05% ≤ Fe ≤ 0.5%, 특히 바람직하게는 0.05% ≤ Fe ≤ 0.3%,
Cu ≤ 0.5%, 바람직하게는 0.05%≤ Cu ≤ 0.3% 또는 0.1% < Cu ≤ 0.3%,
Mn ≤ 0.5%, 바람직하게는 Mn ≤ 0.2%, 특히 바람직하게는 0.01% ≤ Mn ≤ 0.15%, 0.4% ≤ Mg ≤ 0.8%, 바람직하게는 0.45% ≤ Mg ≤ 0.8%, 특히 바람직하게는 0.45% ≤ Mg ≤ 0.75%
Cr ≤ 0.3%, 바람직하게는 Cr ≤ 0.1%, 특히 바람직하게는 Cr ≤ 0.05%,
Zn ≤ 0.3%, 바람직하게는 ≤ 0.05%,
Ti ≤ 0.3%,
Zr ≤ 0.1%, 특히 바람직하게는 Zr ≤ 0.05%,
잔부는 Al 및 불가피한 불순물로, 불가피한 불순물은 개별적으로 최대 0.05%, 총량은 최대 0.15%.
알루미늄 재료의 알루미늄 합금 또는 알루미늄 복합 재료의 코어 층의 상응하는 조성을 사용하여, 고강도 및 연성을 통해 특히 유리한 충돌 특성이 달성될 수 있다. 동시에 복합 재료의 강도 증가는 솔더링 및 인공 시효 후의 경화를 통해 벽 두께를 감소시킬 수 있다.
실리콘은 β(또는 Mg2Si) 석출 시퀀스(클러스터 → Guinier Preston Zones(GP Zones)→ β''→ β', U1, U2, B', → β, Si)의 미세한 금속간 석출 상을 형성하여 재료가 경화되도록 한다. 실리콘 함량이 너무 낮으면 경화 효과가 지나치게 낮아지고, 함량이 너무 높으면 재료의 고상선 온도가 낮아진다. 따라서 실리콘의 최소 함량은 0.5 중량%이며 최대 함량은 0.9 중량%로 제한된다. 특히 인공 시효로 강도를 상당히 증가시키는 것과 솔더링 중에 큰 공정 창을 조합하기 위해, Si 함량은 더욱 바람직하게는 0.50 중량% ≤ Si ≤ 0.65 중량% 또는 0.50 중량% ≤ Si ≤ 0.60 중량%로 제한된다. 0.60 중량% ≤ Si ≤ 0.75 중량%로 제한하면, 인공 시효로 인해 더 작은 공정 창으로 솔더링에 대해 더 높은 강도 증가가 달성될 수 있다.
철은 재료 제조의 주조 공정 중에 이미 규소와 매우 안정적인 금속간 상을 형성하여 재료에서 원하는 경화 효과에 필요한 규소를 제거하기 때문에, 철은 재료의 강도 특성에 부정적인 영향을 미친다. 다른 한편으로, 철은 일반적으로 1차 알루미늄과 알루미늄 스크랩 모두에 상당한 함량으로 존재하므로, 철 함량이 매우 낮으면 재료의 제조 비용이 허용할 수 없을 정도로 더 비싸진다. 따라서 합금의 최대 철 함량은 최대 0.5 중량%로 제한된다. 바람직하게는, 합금은 한편으로 알루미늄 재료 또는 알루미늄 코어 합금 제조에 재활용 알루미늄을 사용하게 하는 동시에 경화에 사용할 수 있는 실리콘의 비율을 증가시킬 수 있도록 하기 위해 0.05 중량% 내지 0.5 중량% 또는 0.05 중량% 내지 0.3 중량% 범위의 철을 함유한다.
AlMgSi 합금에서, 구리는 재료의 인공 시효에 긍정적인 영향을 미칠 수 있다. Mg2Si의 경화 단계의 유형이 4차 Q 단계 AlMgSiCu로 이동 한다는 것이 문헌에서 알려져 있다. 또한 경화 속도를 높이다. 반면, 최대 솔더링 온도는 솔더링할 재료의 고상선 온도보다 낮아야 하는데, 구리는 재료의 고상선 온도를 낮추어 브레이징 공정을 위한 공정 창을 좁게 한다. 따라서 코어 합금에서 구리의 함량은 최대 0.5 중량%, 바람직하게는 0.05 중량% ≤ Cu ≤ 0.3 중량%, 특히 바람직하게는 최대 0.10 중량% < Cu ≤ 0.3 중량%이다. 0.05 중량% 미만에서는 경화에 대한 구리의 영향이 더 낮다. 0.1 중량%를 초과하면 최대값 0.3 중량%에서 고상선 온도를 크게 감소시키지 않으면서 경화의 동역학이 향상된다.
망간은 혼합 결정 경화 및 미세한 금속간 상을 형성하여 알루미늄 재료의 강도를 증가시킨다. 그러나 망간은 AlMgSi 합금의 담금질 감도를 증가시키고, 용체화 어닐링 처리 후 매우 높은 냉각 속도를 요구하는 것으로 알려져 있다. 산업용 솔더링 공정에서 달성 가능한 냉각 속도에서도 충분한 경화 효과를 달성할 수 있으려면 망간 함량을 최대 0.5 중량%, 바람직하게는 최대 0.2 중량%로 제한해야 한다. 0.01 중량% ≤ Mn ≤ 0.15 중량%의 Mn 함량으로 혼합 결정 경화 및 낮은 담금질 감도가 모두 달성된다.
실리콘과 함께 마그네슘은 미세한 금속간 석출 상을 형성하여 재료를 경화시킨다. 마그네슘 함량이 지나치게 낮으면 경화 효과가 지나치게 낮아지고, 함량이 너무 높으면 재료의 고상선 온도를 낮추어 브레이징 공정을 위한 공정 창을 너무 좁게 하는데, 이는 솔더링할 재료의 최대 솔더링 온도가 고상선 온도보다 낮아야 하기 때문이다. 따라서 마그네슘의 최소 함량은 0.4 중량%이며 최대 함량은 0.8 중량%로 제한된다. 선택된 Si 함량과 Mg 함량의 조합으로 인한 석출 경화에 의해 높은 강도가 달성된다. 이를 위해, Mg 함량은 바람직하게는 0.45 중량% 내지 0.80 중량%, 더욱 바람직하게는 0.45 중량% 내지 0.75 중량%로 제한된다.
크롬은 알루미늄 재료에서 미세한 금속간 석출 상을 형성하여 열처리 동안 결정립 크기의 조대화를 방해한다. 한편, 크롬은 AlMgSi 합금의 담금질 감도를 증가시켜 용체화 어닐링 처리 후 높은 냉각 속도를 필요로 하는 것으로 알려져 있다. 산업용 솔더링 공정에서 달성할 수 있는 냉각 속도에서도 충분한 경화 효과를 달성할 수 있으려면 크롬 함량은 최대 0.3 중량%, 바람직하게는 최대 0.1 중량% 로 제한되어야 한다. 특히 바람직하게는 최대 0.05 중량%이다.
아연은 무엇보다도 부식 전위에 영향을 주기 위해 알루미늄 합금에 사용된다. 아연은 부식 전위를 덜 고귀한 방향으로 이동시키기 때문에, 알루미늄 재료 또는 코어 합금에서의 함량은 최대 0.3 중량%, 바람직하게는 최대 0.1 중량%, 특히 바람직하게는 0.05 중량%로 제한되어야 한다. 아연 함량을 지나치게 엄격하게 제한하면 재료 제조 시 스크랩 사용을 지나치게 제한하게 된다.
티타늄은 알루미늄 합금을 주조할 때 예를 들어 TiB의 형태로 결정립을 미세하게 하는 것으로 사용된다. 티타늄 함량의 지나치게 엄격한 제한은 재료 제조에서 스크랩 사용을 지나치게 제한하므로, 최대 티타늄 함량은 0.3 중량%로 지정된다.
지르코늄은 알루미늄 재료에서 미세한 금속간 석출 상을 형성하여 열처리 중 결정립 크기의 조대화를 방지한다. 그러나 일반적으로 지르코늄을 합금에 추가해야 한다. 바람직하게는, 충분한 효과를 위해, Zr 함량은 알루미늄 합금 또는 알루미늄 코어 합금에서 최대 0.1 중량%, 바람직하게는 최대 0.05 중량%로 함유된다.
추가 구성에 따르면, 알루미늄 재료가 솔더링 후에 적어도 일부 영역에서 직접 또는 간접적으로 물질적으로 접합되어 접촉하는 알루미늄 솔더 합금 또는 알루미늄 복합 재료의 솔더 층은 중량%로 적어도 다음의 조성을 갖는다.
7.0% ≤ Si ≤ 13.0%,
Fe ≤ 0.8%,
Cu ≤ 2.5%,
Mn ≤ 0.1%,
Mg ≤ 0.1%,
Cr ≤ 0.1%,
Zn ≤ 2.5%,
Ti ≤ 0.3%,
Zr ≤ 0.1%,
잔부는 Al 및 불가피한 불순물로, 불가피한 불순물은 개별적으로 최대 0.05%, 총량은 최대 0.15%.
상응하는 조성을 갖는 알루미늄 솔더 합금은 특히 낮은 융점을 갖는다. 알루미늄 솔더 합금의 용융 온도는 특히 알루미늄 재료의 알루미늄 합금 또는 알루미늄 코어 합금의 알루미늄 합금 및 제공될 수는 있지만 솔더 층은 아닌 클래딩 층의 알루미늄 합금의 고상선 온도보다 낮다. 바람직하게는, 솔더 층의 알루미늄 솔더 합금은 AA4xxx 유형, 특히 바람직하게는 AA4343 유형 또는 AA4045 유형이고, 이는 특히 열교환기에 사용될 때 우수한 솔더링 특성을 나타낸다.
바람직하게는, 알루미늄 재료는 알루미늄 복합 재료로서 설계되고, 알루미늄 복합 재료는 알루미늄 솔더 합금을 갖는 적어도 하나의 단면 또는 양면 외부 솔더 층을 포함한다. 상기 솔더 합금 조성은 알루미늄 복합 재료의 솔더 층에 사용되는 것이 바람직하다.
추가 실시형태에 따르면, 알루미늄 재료 또는 알루미늄 복합 재료는 알루미늄 재료 또는 알루미늄 복합 재료의 코어 층 상의 일면 또는 양면에 제공되는 적어도 하나의 클래딩 층을 갖는다. 여기서 클래딩 층은 0.1 중량% 미만, 바람직하게는 0.05 중량% 미만의 Mg를 함유한다.
놀랍게도, 본 발명에 따른 알루미늄 재료 또는 알루미늄 복합 재료의 클래딩 층은 다기능 층의 역할을 하는 것으로 나타났다. 따라서 알루미늄 재료 또는 복합 재료의 이러한 실시형태는 특성들의 새로운 조합을 수반한다. 다른 솔더링된 재료에 비해 강도가 높을 뿐만 아니라 솔더링 후 높은 내식성 및 솔더링 전 높은 성형성도 얻을 수 있다. 높은 강도와 연성(ductility)을 통해 유리한 충돌 특성도 얻을 수 있다. 한면 또는 양면에 저-마그네슘 클래딩 층이 있는 복합 재료는 표준 플럭스를 사용하여 상대적으로 높은 Mg 함량으로 CAB 솔더링 공정에서 솔더링될 수도 있다. 고가의 진공 솔더링 외에도 플럭스를 사용한 비용 효율적인 CAB 솔더링도 접합 프로세스로 사용할 수 있으므로, 세슘을 포함하는 값비싼 플럭스가 필요하지 않는다. 예를 들어, 비용 효율적인 표준 Nocolok® 플럭스로 충분하다. 클래딩 층은 불활성 가스 하에서 솔더링을 허용하고, 복합 재료 표면의 Mg 농도가 최소화되기 때문에 표준 플럭스를 사용하여 솔더링 할 수 있게 한다. 클래딩 층은 코어로부터 솔더 플레이팅 표면으로의 Mg 확산을 방지한다.
Mg 함량이 최대 0.1 중량%인 알루미늄 합금이 하나 이상의 클래딩 층으로 사용되는 경우, 알루미늄 복합 재료는 예를 들어 복합재에서 매우 우수한 성형 특성을 갖는 확립된 합금으로 제조될 수 있다. 최대 0.1 중량%의 Mg 함량을 갖는 클래딩 층이 적용된 AlMgSi 유형의 알루미늄 코어 합금으로 만들어진 코어 층은 판 굽힘 시험에서 동일한 조성의 모노-AA6xxx 합금에 비해 복합 재료의 연성이 크게 증가한 것으로 입증되었다. 따라서, 예를 들어 솔더 도금되지 않은 면에 배열된 클래딩 층은 청구된 다층 복합 재료의 굽힘 각도를 개선시킨다. 한편으로 굽힘 각도의 증가는 예를 들어 접는(folding) 것과 같은 생산 단계에 필요하며, 다른 한편으로는 달성 가능한 굽힘 각도는 충돌 시 높은 연성과 관련이 있다. 연성-개선 플레이팅과 고강도 코어 재료의 조합은 결과적으로 구조 컴포넌트와 같이 충돌 시 성능을 향상시킨다. 예를 들어 배터리 박스의 향상된 차체 하부 보호도 달성할 수 있다. 상응하는 클래딩 층을 포함하는 본 발명에 따른 복합 재료의 이 실시형태에서, 성형성은 또한 모노-AA6xxx 재료 및 한쪽 면에 솔더 도금된 복합 재료와 비교하여 상당히 증가된다.
적어도 하나의 클래딩 층의 알루미늄 합금은 바람직하게는 최대 0.05 중량%, 특히 바람직하게는 최대 0.01 중량%의 Mg 함량을 갖는다. Mg 함량을 추가로 제한함으로써, 알루미늄 복합재료의 솔더링성을 더욱 높일 수 있다. 성형성도 더욱 향상되어 코어 층과의 접합도 촉진된다.
또한, ASTM G85-A3에 따른 SWAAT 부식시험 결과, 솔더링 상태에서의 부식 공격이 클래딩 층에 집중되어 코어 재료에 대한 부식 공격이 방지되는 것으로 나타났다. 따라서 클래딩 층은 전기화학적으로 보다 귀한 코어 재료에 대한 희생 양극의 역할을 동시에 수행하고 높은 수준의 내식성을 달성할 수 있게 한다. 이를 위한 전제 조건은 클래딩 층이 솔더링 후 코어 재료보다 덜 귀한 부식 전위를 갖는다는 것이다.
특히, 코어 층의 일면 또는 양면에 적어도 하나의 클래딩 층이 적용된다. 알루미늄 복합 재료의 특히 간단한 실시형태에서 3개의 층이 제공되는데, 여기서 클래딩 층이 코어 층의 한 면에 배열되고, 솔더 층이 코어 층의 다른 면에 배열된다. 또한, 코어 층과 솔더 층 사이에 클래딩 층을 배치하는 것도 생각할 수 있다. 이 실시형태는 부식 방지 및 솔더링 거동에 특히 유리한데, 그 이유는 클래딩 층이 Mg에 대한 확산 장벽 역할을 하고 동시에 코어에 대한 부식 공격이 감소되거나 방지되기 때문이다. 이 실시형태에서, 클래딩 층은 바람직하게는 코어 층 바로 위에 배열된다. 3층 구조 외에도 생각할 수 있는 다른 복합 재료도 가능하다. 4층 변형에서, 추가 클래딩 층 또는 솔더 층이 또한 클래딩 층 및 솔더 층과 반대 방향으로 향하는 코어 층 면에 제공된다. 또한, 5층 변형이 제공될 수 있으며, 각 경우에 코어 층의 양면에 클래딩 층이 제공되고, 각각의 경우에 외부 솔더 층이 제공된다. 따라서, 클래딩 층은 외부 층 및/또는 중간 층일 수 있다.
본 발명에 따른 알루미늄 재료 또는 알루미늄 복합 재료의 추가 실시형태에 따르면, 클래딩 층의 알루미늄 합금은 중량%로 다음과 같은 조성을 갖는다.
Si ≤ 1.0%,
Fe ≤ 2.0%, 바람직하게는 0.1% ≤ Fe ≤ 2.0%,
Cu ≤ 0.3%,
Mn ≤ 0.3%,
Mg ≤ 0.1%, 바람직하게는 ≤ 0.05%,
Cr ≤ 0.1%,
Zn ≤ 2.0%,
Ti ≤ 0.3%,
Zr ≤ 0.20%,
잔부는 Al 및 불가피한 불순물로, 불가피한 불순물은 개별적으로 최대 0.05%, 총량은 최대 0.15%.
복합 재료의 개선된 성형성은 클래딩 층의 상응하는 조성으로 유리하게 달성될 수 있다. 특히, 한 면에 외부 클래딩 층이 있는 변형은 예를 들어 딥 드로잉 툴에서 딥 드로잉 하는 중에 마찰을 줄여 성형성을 개선한다. 판 굽힘 테스트에서 해당 복합 재료는 동일한 조성의 모노-AA6xxx 합금에 비해 굽힘 각도가 크게 증가했다. 따라서 솔더 도금되지 않은 측면의 외부 클래딩 층은 전체 복합 재료의 굽힘 각도를 향상시킨다.
클래딩 층에 있는 개별 합금 원소의 효과와 조성 범위의 정의는 아래에 더 자세히 설명되어 있다.
강도를 높이기 위해 합금에 실리콘을 첨가할 수 있으며, 실리콘은 재료를 녹이는 데 사용할 수 있는 많은 알루미늄 스크랩에도 포함되어 있다. 과도하게 높은 실리콘 함량은 재료의 고상선 온도를 너무 많이 낮추고, 이에 따라서 최대 솔더링 온도가 솔더링될 재료의 고상선 온도보다 낮아야 하기 때문에 솔더링 공정을 위한 공정 창을 너무 좁게 만든다. 따라서 실리콘의 최대 함량은 최대 1.0 중량%로 제한된다.
철은 결정립 크기를 제한하기 위해 실리콘과 함께 AlFeSi 유형의 합금에 사용된다. 작은 결정립 크기는 클래딩 층의 형성 효과에 긍정적인 것으로 입증되었다. 대조적으로, 철 함량이 지나치게 높으면 조대한 금속간 금속 주조 상이 형성되어 재료의 성형 거동에 부정적인 영향을 미친다. 따라서 합금의 최대 철 함량은 최대 2.0 중량%로 제한되며, 바람직하게는 0.1% ≤ Fe ≤ 2.0% 범위가 요구된다.
최대 솔더링 온도는 솔더링할 재료의 고상선 온도보다 낮아야 하는데, 구리는 재료의 고상선 온도를 낮추어 솔더링 공정을 위한 공정 창을 좁게 한다. 따라서, 클래딩 층에서 구리의 최대 함량은 최대 0.3 중량%로 제한된다. 망간은 혼합 결정 경화 및 미세한 금속간 상을 형성하여 알루미늄 재료의 강도를 증가시킨다. 클래딩 층의 경우, 복합 재료의 성형성 개선 및 충돌 특성 개선의 원하는 효과를 달성하기 위해서는 지나치게 높은 강도는 바람직하지 않다. 따라서 클래딩 층에서 망간의 최대 함량은 최대 0.3 중량%로 제한된다.
마그네슘은 산화마그네슘에 대한 플럭스의 용해도가 제한되어 있기 때문에 플럭스를 사용하는 불활성 가스 분위기에서의 브레이징 공정에서 중요하다. 복합 재료에서 클래딩 층의 기능은 따라서 복합 재료의 외부 층으로서 또는 코어 재료와 솔더 층 사이의 중간 층으로서 마그네슘 함유 코어 재료가 솔더링 영역과 직접 접촉하는 것을 방지하는 것이다. 따라서, 클래딩 층에서 마그네슘의 최대 함량은 최대 0.1 중량%, 바람직하게는 최대 0.05 중량%로 제한된다.
크롬은 알루미늄 재료에서 미세한 금속간 석출 상을 형성하여 열처리 동안 결정립 크기의 조대화를 방해한다. 0.1 중량%의 최대 크롬 함량으로 충분한 효과를 얻을 수 있다.
아연은 무엇보다도 부식 전위에 영향을 주기 위해 알루미늄 합금에 사용된다. 클래딩 층에 아연을 선택적으로 첨가함으로써, 코어 합금보다 덜 귀하고, 클래딩 층이 희생 양극으로 작용하여 코어 합금에 대한 갈바닉 부식 보호를 제공하도록 솔더링 공정 후에 부식 전위를 조정할 수 있다. 아연 함량이 지나치게 높으면 재료의 고상선 온도가 너무 낮아지므로, 솔더링 공정을 위한 공정 범위가 너무 좁아지는데, 이는 최대 솔더링 온도가 솔더링할 재료의 고상선 온도보다 낮아야 하기 때문이다. 따라서 클래딩 층에서 아연의 최대 함량은 최대 2.0 중량%로 제한되어야 한다.
티타늄은 예를 들어 TiB의 형태로 알루미늄 합금을 주조할 때 결정립 미세화제로 사용된다. 티타늄 함량의 지나치게 엄격한 제한은 재료 제조에서 스크랩 사용을 너무 많이 제한하므로 최대 티타늄 함량은 0.3 중량%로 지정된다.
지르코늄은 알루미늄 재료에서 미세한 금속간 석출 상을 형성하여 열처리 중 입자 크기의 조대화를 방지한다. 최대 0.20 중량%의 함량은 충분한 효과를 위해 충분하다.
바람직하게는, 클래딩 층은 AA1xxx 또는 AA8xxx 유형의 알루미늄 합금, 바람직하게는 AA1050, AA1100, AA1200, AA8011, AA8014, AA8021 또는 AA8079 유형의 알루미늄 합금으로 만들어진다. AA1xxx 또는 AA8xxx 유형의 알루미늄 합금 외에도 AA3xxx, AA4xxx 또는 AA7xxx 유형의 저마그네슘 합금도 클래딩 층으로 사용할 수 있다.
다른 유리한 실시형태에 따르면, 솔더링 후 및 솔더링 후 후속 인공 시효에 따른 클래딩 층의 부식 전위는 코어 층의 부식 전위보다 덜 귀하다(less noble). 바람직하게는, 솔더링 후에 클래딩 층과 코어 층 사이의 전위차는 적어도 10mV이다. 따라서 외부 또는 중간 층으로서의 클래딩 층은 증가된, 즉 덜 귀한 전기화학적 포텐셜로 인해 개선된 내식성을 위한 희생 양극 층으로도 작용한다.
본 발명에 따른 복합 재료의 또 다른 유리한 실시예에 따르면, 클래딩 층이 전체 알루미늄 복합 재료 두께의 3% 내지 15%인 경우, 외부 층으로 인한 알루미늄 복합 재료의 강도와 알루미늄 복합 재료의 전체 두께 중 이들의 비율이 너무 감소되지 않으면서, 본 발명에 따른 복합 재료의 기술적 효과를 이용할 수 있다.
알루미늄 재료 또는 알루미늄 복합 재료의 평균 두께는 바람직하게는 0.1㎜ 내지 5.0㎜이고, 더욱 바람직하게는 0.2㎜ 내지 3㎜ 또는 0.5㎜ 내지 2.0㎜이다. 이러한 두께 범위는 특히 열 교환기 영역에서 솔더링 조인트를 사용하는 광범위한 응용 분야를 포괄할 수 있다.
본 발명의 제2 교시에 따르면, 전술한 목적은 AlMgSi 알루미늄 합금, 특히 본 발명에 따른 알루미늄 재료 또는 알루미늄 복합 재료로 제조된 컴포넌트의 써멀 접합 방법에 의해 해결되는데, 여기서 솔더링 바람직하게는 CAB 또는 진공 솔더링은 적어도 585℃의 솔더링 온도에서 수행되며, 솔더링 온도로 가열 및 유지한 후 컴포넌트는 적어도 솔더링 온도에서 200℃까지 적어도 0.5℃/s, 적어도 0.66℃/s 또는 적어도 0.75℃/s의 평균 냉각 속도로 냉각되며, 열적으로 접합된 컴포넌트는 인공 시효된다.
솔더링 온도에 도달하고 유지된 후 냉각 속도를 설정함으로써, 본 발명에 따른 알루미늄 재료 또는 알루미늄 복합 재료는 선택된 냉각 속도에 의해 T4 상태로 전환될 수 있다. 인공 시효 후, 복합 재료의 강도, 특히 항복 강도 Rp0.2 는 새로운 응용 분야 및 설계 가능성 예컨대 경량 구조물에 있어서 벽 두께 감소 같은 결과로 나타날 수 있다.
본 발명에 따른 알루미늄 재료 또는 알루미늄 복합 재료는 솔더링 전에 변형-경화 상태에서 연질 상태 또는 용체화-어닐링된 T4 상태로 될 수 있다. 써멀 접합을 위한 본 발명에 따른 방법을 사용하여, 이미 언급된 바와 같이 알루미늄 재료 또는 알루미늄 복합 재료는 용체화-어닐링된 T4 상태가 된다. 코어 재료의 특별히 선택된 구성으로 인해, ??칭 감도는 솔더링 공정이 용체화 어닐링으로 작용하고 ??칭이 선택된 냉각 속도에 의해 달성되도록 설정된다. 이러한 방식으로, 용체화 어닐링 및 ??칭이 솔더링 프로세스에 통합되고 솔더링된 컴포넌트가 인공 시효 프로세스를 통해 경화될 수 있는 컴포넌트의 써멀 접합을 위한 비용 효율적인 방법이 가능하다.
본 발명에 따른 방법의 제1 유리한 실시형태에 따르면, 솔더링 온도에서 유지 시간이 종료된 후, 적어도 0.5℃/초의 냉각 속도로 200℃까지 냉각이 일어나며, 이에 따라 알루미늄 재료 또는 알루미늄 복합 재료의 담금질 감도에 적합하게 냉각되어, 유리한 T4 상태로 이어진다. 더 높은 냉각 속도, 즉 적어도 0.66℃/s 또는 적어도 0.75℃/s 또는 예를 들어 적어도 1℃/s가 사용되는 경우, 항복 강도의 증가는 예를 들어 205℃에서 45분 동안 인공 시효 후 훨씬 더 높게 된다.
추가의 유리한 실시형태에 따른 방법은 100℃ 내지 280℃, 바람직하게는 140℃ 내지 250℃, 바람직하게는 180 내지 230℃의 온도에서 솔더링된 컴포넌트의 인공 시효를 포함하고, 여기서 인공 시효의 지속 시간은 적어도 10분, 바람직하게는 적어도 30분 또는 적어도 45분이다.
인공 시효의 더 긴 지속 시간 및 적당한 온도의 경우, 예를 들어 165℃에서 16시간 동안 이루어지는 인공 시효의 경우, 알루미늄 재료 또는 알루미늄 복합 재료의 강도, 특히 예를 들어 항복 강도 값이 최대값까지증가될 수 있다. 그러나, 이 방법의 긴 어닐링 시간으로 인해 더 많은 비용도 발생한다. 따라서 방법의 비용 효율적인 변형을 제공하기 위해, 인공 시효가 후속 생산 단계 맞게 수정될 수 있다. 예를 들어, 인공 시효는 185℃ 내지 205℃에서 20분 동안 수행할 수 있다. 이를 통해 음극 딥 코팅의 베이킹 간격에 인공 시효를 통합할 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 다른 유리한 실시형태에 따르면, 배터리 냉각판, 열교환기 또는 자동차의 구조 컴포넌트가 솔더링 되는 것이 바람직하다. 열교환기는 한 재료 흐름에서 다른 재료 흐름으로 열 에너지를 전달하는 장치이다. 배터리 냉각판은 예를 들어 하이브리드 및 전기 자동차의 리튬 이온 배터리와 같은 배터리 시스템의 필요 기반 냉각 및 가열을 위해 다양한 주변 온도 및 부하 조건에서 사용된다. 구조적 컴포넌트는 복수의 개별 컴포넌트로 구성될 수 있으며, 여기서 컴포넌트는 써멀 접합에 의해 서로 연결된다. 써멀 접합을 위한 본 발명에 따른 방법은 특히 복수의 개별 컴포넌트로 구성된 구조적 컴포넌트 및 배터리 냉각판에 대한 최적화된 설계를 가능하게 한다. 본 발명에 따른 알루미늄 재료 또는 알루미늄 복합 재료의 형태-최적화된 합금 조성으로 인해, 특히 더 복잡한 3D 구조가 실현될 수 있다. 예를 들어, 배터리 냉각 시스템의 평평한 바닥판을 3D 구조(예: 작은 반경의 트레이)로 확장할 수 있다.
본 발명의 제3 교시에 따르면, 위에 나타낸 목적은 본 발명에 따른 알루미늄 재료 또는 알루미늄 복합 재료를 사용하여 컴포넌트, 특히 배터리 냉각판, 구조 컴포넌트 또는 열교환기를 써멀 접합 공정으로 제조함으로써 달성된다. 유리한 특성으로 인해, 본 발명에 따른 알루미늄 재료 또는 알루미늄 복합 재료를 사용하여 예를 들어 열 교환기가 고강도로 인해 구조적 기능을 가질 수 있도록 열 교환기를 제조할 수 있다. 구조 컴포넌트의 제조를 위한 알루미늄 재료 또는 알루미늄 복합 재료의 사용은 예를 들어 용접과 같은 대체 접합 공정 또는 하이드로포밍과 같은 성형 공정을 대체하는 것을 가능하게 한다. 배터리 냉각판 제조에 사용되는 경우, 본 발명에 따른 알루미늄 재료 또는 알루미늄 복합 재료는 더 낮은 두께가 요구되도록 석출 경화에 의해 매우 높은 강도와 함께 솔더링성 및 성형성을 허용하여 궁극적으로 중량을 감소시킬 수 있다. 특히, 용도는 써멀 접합, 예를 들어 CAB 공정에서의 브레이징을 포함하며, 이에 의해 알루미늄 재료 또는 알루미늄 복합 재료의 유리한 특성이 달성된다.
본 발명에 따른 용도의 유리한 제1 실시형태에 따르면, 접합 방법은 진공에서 또는 불활성 가스가 있는 상태에서 수행된다. 증가된 Mg 함량을 갖는 다른 고강도 재료와 비교하여, 본 발명에 따른 알루미늄 재료 또는 알루미늄 복합 재료의 사용은 값비싼 진공 솔더링 외에도, 세슘을 포함하는 고가의 플럭스를 사용하지 않고플럭스를 사용하는 비용 효율적인 CAB 솔더링에도 사용할 수 있다는 잇점을 제공한다.
마지막으로, 상술한 목적은 상술한 알루미늄 재료 또는 알루미늄 복합 재료를 포함하는 써멀 접합 컴포넌트에 의한 추가 교시에 따라 달성된다. 본 발명에 따른 알루미늄 재료 또는 알루미늄 복합 재료 외에, 열적으로 접합된 컴포넌트는 예를 들어 추가 금속 또는 추가 복합 재료를 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 알루미늄 복합 재료는 추가 금속 컴포넌트를 접합하는 역할을 할 수 있다. 본 발명에 따른 알루미늄 재료는 또한 예를 들어 별도의 컴포넌트의 솔더링 포일 또는 솔더 층을 사용하여 접합될 수 있다. 예를 들어 특히 우수한 솔더링 결과, 우수한 내식성 및 강도와 같은 유리한 특성은 본 발명에 따른 알루미늄 재료 또는 알루미늄 복합 재료의 설계에 의해 달성될 수 있다.
유리한 실시형태에 따르면, 열적으로 접합된 컴포넌트는 자동차의 구조적 컴포넌트로서, 열교환기로서 또는 배터리 냉각판으로서 구성될 수 있다.
이하에서 도면과 관련하여 본 발명을 더 상세하게 설명한다.
도 1a 내지 도 1g는 알루미늄 복합 재료 및 알루미늄 재료의 가능한 예시적인 실시형태의 개략 단면도이다.
도 2는 굽힘 시험을 수행하기 위한 시험 장치의 사시도이다.
도 3은 굽힘 시험을 수행할 때 압연 방향에 대한 굽힘 펀치의 배치를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 4는 일 예시적 실시형태에 따른 곡면형 샘플의 굽힘 각도 측정을 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 열 교환기, 배터리 냉각판 및 자동차의 구조적 컴포넌트에 대한 예시적인 실시형태의 개략도이다.
도 1a는 본 발명에 따른 2-층 알루미늄 복합 재료를 도시하는 반면, 도 1b는 3-층 변형 예이고 도 1c 및 도 1d는 알루미늄 복합 재료의 4-층 변형 예를 도시한다. 도 1a는 코어 층(2) 및 솔더 층(3)을 갖는 알루미늄 복합 재료(1a) 형태의 본 발명에 따른 알루미늄 재료의 예시적인 실시형태의 단면을 도시한다. 추가 예시적인 실시형태에 따르면, 솔더 층(3)은 솔더링 후에 알루미늄 재료의 적어도 일부 영역이 적어도 하나의 솔더 층(3)과 직접 물질적으로 접합되어 접촉하도록 솔더 층을 구비하는 솔더링 포일(F) 또는 컴포넌트(K)에 의해 제공될 수 있다. 도 1e 내지 도 1g는 이러한 예시적인 실시예를 도시한다.
도 1b의 예시적인 실시형태는 코어 층(2), 솔더 층(3) 및 추가 클래딩 층(4)으로서 본 발명에 따른 알루미늄 재료를 갖는 알루미늄 복합 재료(1b)를 도시한다. 도 1c는 양면 클래딩 층(4) 및 하나의 외부 솔더 층(3)을 갖는 코어 층(2)을 갖는 4층 복합 재료(1c)의 형태의 본 발명에 따른 알루미늄 재료의 추가 예시적인 실시형태를 도시한다. 예시적인 일 실시형태에 따른 솔더 층(3)이 솔더링 포일 또는 솔더 층을 갖는 추가 컴포넌트에 의해 제공되는 경우, 코어 층(2)의 알루미늄 재료는 솔더링 후에 솔더 층과 간접적으로 물질적으로 접합되어 접촉할 수 있다. 본 경우에서, 간접적으로 물질적으로 접합되어 접촉하는 것은 클래딩 층(4)을 통해 코어 층(2)과 솔더 층(3)이 접촉하는 것이다. 솔더링 후에 적어도 하나의 개별 컴포넌트(K)를 통해 솔더 층(3)을 제공함으로써, 4-층 복합 재료(1c)는 클래딩 층(4)을 구비하는 알루미늄 재료(2a)로 제공될 수도 있다.
도 1d는 코어 층(2), 코어 층(2) 상에 배열된 클래딩 층(4) 및 2개의 외부 솔더 층(3)을 갖는 복합 재료(1d)의 4-층 변형을 도시한다. 여기에서도 솔더링 후에 알루미늄 복합 재료의 코어 층으로서의 알루미늄 재료(2)와 솔더 층(3) 사이에 간접적으로 물질적으로 접합되어 접촉하는 것이 설계될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 본 발명에 따른 특성은 솔더링 후에 솔더 층이 솔더링 포일 또는 추가 파트 또는 추가 컴포넌트에 의해 제공되는 예시적인 실시형태에서 달성될 수도 있다. 도시된 모든 알루미늄 복합 재료(1a, 1b, 1c 및 1d)는 예를 들어 열교환기, 자동차의 구조적 컴포넌트 또는 배터리 냉각판의 제조에 사용될 수 있다.
도 1e 내지 도 1g는 본 발명에 따른 알루미늄 재료(2a)가 솔더링 후에 직접 물질적으로-접합된 접촉을 갖는 단면도의 예시적인 실시형태의 방식으로 도시한다. 도 1e에서, 솔더 층은 솔더링 포일(F)에 의해 제공된다. 도 1f에서, 솔더 층은 추가 컴포넌트(K)에 의해 제공된다.
도 1g는 예를 들어 AA8079 합금으로 만들어진 양면 클래딩 층을 갖는 알루미늄 재료(2a)를 도시하며, 이는 솔더링 후 솔더링 포일(F)로 제공된 솔더링 층과 적어도 일부 영역에서 간접적으로 접촉한다.
본 발명에 따른 알루미늄 재료의 특성을 이하에서 알루미늄 복합 재료로서의 실시형태에 기초하여 설명한다. 그러나, 특히 측정된 강도 특성은 코어 합금에 의해, 따라서 본 발명에 따른 예시적인 실시형태의 알루미늄 재료에 의해 제공된다는 것이 명백하다. 이는 얻어진 결과가 솔더링 프로세스 후 솔더 층과 직접 또는 간접적으로 물질적으로-접합되어 접촉하는 부분에 있는 단일 층 알루미늄 재료로 전달될 수도 있음을 의미한다. 알루미늄 합금의 조성에 대한 모든 정보는 솔더링 전 재료의 상태를 나타낸다.
도 1a 내지 도 1d에 도시된 알루미늄 복합 재료(1a, 1b, 1c, 1d) 및 알루미늄 재료(2a)는 일반적으로 예를 들어 열간 압연 또는 롤 클래딩에 의해 제조된 스트립으로 표현되며, 여기서 총 두께는 0.1㎜ 내지 5㎜일 수 있다. 후속 압연과 함께 "동시 주조"와 같은 다른 제조 공정도 스트립 제조를 위해 생각할 수 있다. 코어 층(2) 또는 알루미늄 재료(2a)는 유형 AlMgSi의 알루미늄 합금으로 구성되고. 적어도 595℃의 고상선 온도(Tsol)를 가지며, 적어도 595℃에서 솔더링 하고, 595℃에서 200℃까지 적어도 0.5℃/s의 평균 냉각 속도로 냉각한 후, 205℃에서 45분간 인공 시효한 후에 알루미늄 복합 재료는 솔더링 한 후의 상태에 비해 적어도 90 MPa, 적어도 110 MPa 또는 바람직하게는 적어도 120 MPa의 항복 강도(Rp0.2) 개선을 달성한다. 알루미늄 복합재(1a, 1b, 1c, 1d) 및 알루미늄 재료(2a)의 경우, 항복 강도 값의 증가는 인공 시효에 의한 코어 층(2)의 경화에 기인할 수 있으며, 고-강도, 솔더링된 컴포넌트, 예를 들어 열교환기, 배터리 냉각판 또는 자동차의 구조 컴포넌트를 경제적으로 제공할 수 있도록 한다.
코어 층(2) 또는 알루미늄 재료(2a)는 예를 들어 중량%로 하기 조성을 가질 수 있다. 0.5% ≤ Si ≤ 0.9%, 바람직하게는 0.50% ≤ Si ≤ 0.65% 또는 0.60% ≤ Si ≤ 0.75% 또는 0.50% ≤ Si ≤ 0.60%,
Fe ≤ 0.5%, 바람직하게는 0.05% ≤ Fe ≤ 0.5%, 특히 바람직하게는 0.05% ≤ Fe ≤ 0.3%,
Cu ≤ 0.5%, 바람직하게는 0.05% ≤ Cu ≤ 0.3% 또는 0.1% < Cu ≤ 0.3%,
Mn ≤ 0.5%, 바람직하게는 Mn ≤ 0.2%, 특히 바람직하게는 0.01% ≤ Mn ≤ 0.15%,
0.4% ≤ Mg ≤ 0.8%, 바람직하게는 0.45% ≤ Mg ≤ 0.8%, 특히 바람직하게는 0.45% ≤ Mg ≤ 0.75%,
Cr ≤ 0.3%, 바람직하게는 Cr ≤ 0.1%, 특히 바람직하게는 Cr ≤ 0.05%,
Zn ≤ 0.3%, 바람직하게는 ≤ 0.05%,
Ti ≤ 0.3%,
Zr ≤ 0.1%, 특히 바람직하게는 Zr ≤ 0.05%,
잔부는 Al 및 불가피한 불순물로, 불가피한 불순물은 개별적으로 최대 0.05%, 총량은 최대 0.15%.
이러한 AlMgSi 코어 합금 또는 알루미늄 재료의 합금은 낮은 ??칭 감도를 갖는 동시에 솔더링 중 용융이 방지될 정도로 충분히 높은 고상선 온도(Tsol)를 갖는다. 낮은 담금질 감도로, 595℃에서 200℃까지 0.5℃/s의 냉각 속도로 솔더링 후 용체화 어닐링된 담금질된 T4 구조 상태가 이미 제공되어 인공 시효에서 항복 강도가 크게 증가한다.
알루미늄 복합 재료(1a)의 2-층 변형에서, 이는 솔더 층(3)으로 구성된 외부 층을 갖는다. 바람직하게는, 솔더 층의 알루미늄 솔더 합금은 중량%로 하기 조성을 갖는다.
7.0% ≤ Si ≤ 13.0%,
Fe ≤ 0.8%,
Cu ≤ 2.5%,
Mn ≤ 0.1%,
Mg ≤ 0.1%,
Cr ≤ 0.1%,
Zn ≤ 2.5%,
Ti ≤ 0.3%,
Zr ≤ 0.1%,
잔부는 Al 및 불가피한 불순물로, 불가피한 불순물은 개별적으로 최대 0.05%, 총량은 최대 0.15%.
예를 들어, 솔더 층은 AA4045 또는 AA4343 유형의 알루미늄 솔더 합금으로 구성된다. 솔더 층(3)의 두께는 일반적으로 복합 재료의 총 두께의 5% 내지 15%이다. 원칙적으로, 알루미늄 복합 재료(1a)의 양면에 솔더 층(3)이 제공될 수 있다(여기서는 도시되지 않음).
추가 예시적인 실시형태에 따르면, 도 1b에 도시된 바와 같이, 성형성, 솔더링성 및 내부식성 측면에서 알루미늄 복합 재료(1)의 개선된 특성을 제공하기 위해 < 0.1 중량%, 바람직하게는 < 0.05 중량%의 Mg 함량을 갖는 알루미늄 합금을 갖는 클래딩 층(4)이 코어 층 상에 적용될 수 있다. 특히 바람직한 실시형태에서, 클래딩 층(3)은 중량%로 하기 조성을 갖는 알루미늄 합금을 갖는다:
Si ≤ 1.0%,
Fe ≤ 2.0%, 바람직하게는 0.1% ≤ Fe ≤ 2.0%,
Cu ≤ 0.3%,
Mn ≤ 0.3%,
Mg ≤ 0.1%, 바람직하게는 ≤ 0.05%,
Cr ≤ 0.1%,
Zn ≤ 2.0%,
Ti ≤ 0.3%,
Zr ≤ 0.1%,
잔부는 Al 및 불가피한 불순물로, 불가피한 불순물은 개별적으로 최대 0.05%, 총량은 최대 0.15%. 클래딩 층(3)은 알루미늄 복합 재료(1,1') 전체 두께의 3% 내지 15%인 것이 바람직하다.
코어 층(2)의 한쪽 면에 클래딩 층(4)이 배치되고 다른 면에 솔더 층(3)이 배치되는 3개의 층이 제공되는 알루미늄 복합 재료(1)의 이 실시형태에 추가하여, 도 1c 및 도 1d에 도시된 바와 같이, 클래딩 층(4)이 코어 층(2)과 솔더 층(3) 사이에 배열되는 것을 상정할 수 있다. 이러한 실시형태는 부식 방지에 특히 유리하다. 또한, 각각의 경우에 클래딩 층(4)이 코어 층(2)의 양측에 그리고 코어 층(2)과 각 경우에 외부 솔더 층(3) 사이에 놓여 있는 5-층 변형이 제공될 수 있다.
표 1에 언급된 층 구조로 된 8개의 복합 재료(1~8)가 제작되었다. 복합 재료(1, 2)는 코어 층(2)의 양면에 클래딩 층(4)이 있다. 클래딩 층(4) 위에 솔더 층(3)이 도금되어 있다. 복합 재료(3~6)는 2층으로 되어 있으며 코어 층 외에 한쪽 면에만 솔더 층(3)이 있다. 복합 재료(7)은 다시 4개의 층으로 구성되지만, 코어 층 2의 한 면에만 클래딩 층(4)있고 양면에 솔더 층(3)이 있다. 마지막으로, 복합 재료(8)는 그 위에 도포된 클래딩 층이 있는 코어 층(2)을 갖는다.
표 2에 나타낸 화학 조성을 갖는 코어 층, 클래딩 층 및 솔더 층의 알루미늄 합금을 소위 직접 냉각 주조 공정에서 용융하여 압연 잉곳으로 주조하였다. 첫 번째 단계에서, 클래딩 층 및 솔더 층용 압연 잉곳을 450℃ ~ 525℃ 범위의 압연 온도로 예열하고 필요한 층 두께로 열간 압연했다. 코어 재료의 주조 잉곳은 575℃에서 6시간의 유지 시간으로 균질화 어닐링을 거친 다음, 클래딩 층 및 솔더 재료의 사전 압연된 플레이트와 함께 접합되어 소위 플레이팅 패킷을 형성한다. 이 플레이팅 패킷은 450℃ 내지 500℃ 범위의 압연 온도로 예열되었고, 7㎜의 두께로 열간 압연되었다. 그런 다음 테스트 재료를 표 1에 표시된 최종 두께로 냉간 압연했다.
[표 1]
Figure pct00001
표 2에 표시된 고상선 온도 Tsol은 상용 소프트웨어 FactSage 7.0 및 알루미늄에 대한 관련 열역학 데이터베이스를 사용하여 계산하였다.
[표 2] 복합 재료 층의 화학 조성 [중량%]
Figure pct00002
강도를 평가하기 위해, 먼저 다른 구성의 알루미늄 복합 재료를 인장 시험했다. 시뮬레이션 솔더링 및 인공 시효 후 항복 강도 Rp0.2, 인장 강도 Rm 및 파단 연신율 A50㎜에 대한 결과를 표 3에서 찾을 수 있다.
시뮬레이션된 솔더링에서, 샘플은 전형적인 솔더링 온도인 595℃로 가열되었고, 솔더링 온도에서 6분 동안 유지된 다음 지정된 평균 냉각 속도로 200℃까지 냉각되었다. 평균 냉각 속도는 온도 차이를 200℃에 도달하는 데 걸리는 시간으로 나눈 값이다.
표 3에서 인공 시효는 상태 칼럼에 표시되어 있다. 여기서 "45 min @205℃"는 205℃ 금속 온도에서 45분간 인공 시효를 의미한다. "14 d @RT"는 실온에서 14일 동안 노출되었음을 나타낸다.
샘플(1~8)은 솔더링 상태에서 42~62MPa 사이의 항복 강도 Rp0.2 값을 달성했지만, 45분 동안 205℃에서 인공 시효한 후의 결과로부터, 적어도 90 MPa만큼 항복 강도(Rp0.2)의 증가 이에 따라 150 MPa을 초과하는 항복 강도(Rp0.2)가 본 발명에 따른 샘플 2, 4, 7 및 8에서만 달성될 수 있다는 것을 명확하게 알 수 있다. 코어 층의 알루미늄 재료의 선택된 조성으로 인해, 여기서 ??칭 감도는 예를 들어, 전형적인 CAB 공정에서 냉각 속도에 대해 하한을 설정할 때 ??칭으로 용체화 어닐링으로 후속 냉각하는 솔더링 공정이 작용하고, 솔더링 후에 재료가 T4 상태에 있오록 설정된다. 그 결과, 205℃에서 45분의 짧은 인공 시효로 150 MPa을 상회하는 항복 강도 Rp02 가 달성되었다. 복합 재료(6)도 항복 강도 Rp0.2의 상응하는 증가를 나타내지만, 코어 층은 Si 함량이 과도하게 높아서 고상선 온도(Tsol)가 지나치게 낮아져서 복합 재료(6)가 솔더링 중에 용융되는 경향이 있다. 샘플 1, 3 및 5는 본 발명에 따르지 않는 코어 재료의 조성을 갖는다. 샘플 3과 샘플 5는 Mn과 Cr의 함량이 너무 높아 ??칭 감도가 높아져 솔더링 공정에서 조절 가능한 냉각 속도에서 충분한 강도 증가가 이루어지지 않았다.
[표 3] 인장 시험 특성
Figure pct00003
솔더링 공정 후 효과적인 석출 경화를 위해, 화학 조성에 의해 결정되는 합금의 담금질 감도(quenching sensitivity)와 유지 시간이 완료된 후 솔더링 공정에서 설정되는 실제 냉각 속도가 중요하다. 표 4는 본 발명에 따른 알루미늄 복합 재료 번호 2의 예를 사용하여 상이한 냉각 속도에 의해 달성할 수 있는 강도를 나타낸다.
[표 4] 인장 시험 특성 대 냉각 속도
Figure pct00004
표 4는 알루미늄 복합 재료 번호 2에서 Rp02가 150 MPa를 초과하는 본 발명에 따른 강도 수준을 달성하기 위해서는 적어도 0.5℃/s의 냉각 속도가 필요함을 나타낸다.
도 2는 최대 굽힘 각도를 결정하기 위한 굽힘 시험을 수행하기 위한 시험 장치를 사시도로 나타낸다. 테스트는 독일 자동차 산업 협회(VDA) 238-100의 사양을 기반으로 한다. 테스트 장치는 벤딩 펀치(14)로 구성되며, 이 경우에서 펀치 반경은 0.4㎜이다. 샘플(15)은 250㎜x68㎜의 크기로 압연 방향을 가로지르는 방향으로 미리 절단하였다. 샘플(15)은 두 번의 어닐링을 거쳤다. 첫 번째 어닐링은 CAB 솔더링의 일반적인 온도 프로파일을 시뮬레이션하였는데, 솔더링 온도는 595℃이고 유지 시간은 5분이며 냉각 속도는 200℃까지 >0.5℃/초를 유지하였고, 두 번째 어닐링은 205℃에서 45분 동안의 인공 시효에 해당한다.
이어서, 샘플(15)을 60x60㎜의 크기로 절단하고, 여기서 에지를 밀링 가공하여 굽힘 장치에 공급하였다. 0.4㎜의 펀치 반경을 갖는 벤딩 펀치를 통해 샘플을 구부릴 때, 벤딩 펀치가 샘플을 구부리는 힘을 측정하였고, 최대값을 초과하여 이 최대값에서 60N 떨어진 후 굽힘 공정을 종료하였다. 그런 다음 구부러진 샘플의 개방 각도를 측정하였다. 샘플의 굽힘 거동은 일반적으로 높은 성형 요구 사항이 있는 컴포넌트의 제조 중 굽힘 거동에 대한 신뢰할 수 있는 설명을 얻기 위해 압연 방향을 가로지르는 방향으로 측정된다. 본 경우에서, 굽힘 각도가 충돌 시 연성과 상관 관계가 있기 때문에, 솔더 시뮬레이션 및 인공 시효 상태에서 압연 방향을 가로지르는 굽힘 거동을 테스트했다.
예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 굽힘 라인(18)이 또한 압연 방향과 평행하게 진행되도록 압연 방향에 평행하게 진행되는 굽힘 펀치(14)는 샘플 두께 + 0.5㎜의 두 배 거리에 배열된 롤 직경이 30㎜인 두 롤러(16, 17) 사이에서 힘(Fb)으로 샘플을 가압한다. 벤딩 펀치(14)가 샘플(15)을 벤딩하는 동안, 펀치력(Fb)이 측정된다. 펀치력(Fb)이 최대에 도달한 다음 60N이 감소하면, 도달 가능한 최대 굽힘 각도에 도달한다. 그런 다음 샘플(15)을 굽힘 장치에서 제거하고 도 4에 나타낸 바와 같이 굽힘 각도를 측정한다. 표시된 굽힘 각도는 다음 공식을 사용하여 기준 두께 2㎜에서 계산했다.
α표준 = α측정 x (dm 1/2 /d표준 1/2 )
여기서 α표준은 표준화된 굽힘 각도, α측정은 측정된 굽힘 각도, d표준은 표준화된 시트 두께 2㎜, dm은 측정된 시트 두께이다.
이 경우, 서로 다른 알루미늄 복합 재료 번호 9 및 10에 대해 굽힘 시험을 실시했다. 표 5는 조사된 다양한 변형 예를 보여준다.
[표 5]
Figure pct00005
결과를 표 6a 및 6b에 나타내었다. 80°> α표준 > 50°의 굽힘 각도가 예상되는 반면, 본 발명에 따라 제조된 샘플은 매우 우수한 충돌 특성과 관련된 굽힘 각도 α표준 > 80°를 달성했다.
테스트 샘플 번호 9는 한 면에 5%의 층 두께로 솔더 층(4)을 도금하였고, 테스트 샘플 번호 10은 층 두께 5%인 AA8079 유형 5로 구성된 클래딩 층(3)을 양면에 도금하고, 한쪽 면에는 충 두께 5%인 합금 번호 6의 외부 솔더 층(4)을 도금하였다. 표 6a의 테스트 샘플 9 및 10에 대해, 솔더 측면은 각각의 경우에 롤러(16, 17)와 정렬되었다. 표 6b의 테스트 샘플 9 및 10에서, 알루미늄 복합 재료의 솔더측이 펀치(14)와 정렬되었다.
이미 언급한 바와 같이, 클래딩 층(3)을 가진 샘플 10은 솔더 층을 가진 기존의 모노-AA6xxx 합금으로 제조된 샘플 9보다 훨씬 더 높은 굽힘 각도를 허용하는 것으로 나타났다. 따라서 클래딩 층(3)은 충돌 시 더 높은 연성을 제공한다. 고강도 코어 재료와 연성-향상 도금(plating)의 조합은 예를 들어 구조 컴포넌트와 같은 충돌 시 성능을 향상시킨다.
[표 6a] 롤러에 정렬된 솔더 측
Figure pct00006
[표 6b] 펀치에 정렬된 솔더 측
Figure pct00007
도 5는 열교환기(10), 배터리 냉각판(19) 및 자동차(20)의 구조 파트의 예시적인 실시형태를 개략적인 평면도로 도시한다. 열교환기의 컴포넌트, 예를 들어 열교환기(10)의 핀(11)은, 본 발명에 따라 위에서 설명한 알루미늄 재료(1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f)로 구성되며, 이는 블랭크이거나 알루미늄 솔더로 양면이 코팅되어 있다. 핀(11)은 많은 수의 솔더링 연결부가 필요하도록 구불구불한 형태로 튜브(12)에 솔더링된다. 튜브(12) 대신에, 매체를 안내하기 위한 공동을 형성하는 성형 플레이트가 또한 사용될 수 있다. 튜브(12)는 또한 본 발명에 따른 알루미늄 복합 재료(1)로부터 제조될 수 있다. 그것들은 매체를 운반하고 따라서 부식으로부터 보호되어야 하기 때문에, 이들은 클래딩 층(3)을 갖는 본 발명에 따른 알루미늄 복합 재료로 제조될 수 있다. 열교환기(10)는 예를 들어 자동차에서 사용될 때, 부식성 물질, 예컨대 클래딩 층(3)을 갖는 본 발명에 따른 알루미늄 복합 재료(1)의 사용이 특히 유리하다.
배터리 냉각 플레이트(19)이 플레이트 평면에 평행한 단면도로 도시된다. 배터리 냉각판은 일반적으로 사행형 냉각 채널(19a)이 있는 넓은 표면의 컴포넌트로, 여기에는 도시되지 않았지만 상부로서 솔더링된 시트로 밀봉되어 있다. 배터리 냉각판의 파트는 솔더링 후 필요한 강도를 제공하기 위해 바람직하게는 설명된 알루미늄 복합 재료로 구성된다.
단면도에서, 자동차의 구조적 컴포넌트(20)는 U-프로파일(20a) 및 이에 솔더링된 충돌판(20b)으로 구성된 폐쇄되고 솔더링된 프로파일의 형태로 예시되어 있다. 자동차의 이러한 전형적인 구조적 컴포넌트는 고강도를 갖는 본 발명에 따른 알루미늄 복합 재료로 제공될 수 있다.
대안적으로, 도 5의 솔더링된 컴포넌트의 특성과 관련하여 본 발명에 따른 잇점을 달성하기 위해, 예를 들어 솔더링 포일이나 솔더 컴포넌트로 제공되는, 솔더 층으로 솔더링한 후 적어도 일부 영역에서 솔더 층과 직접 또는 간접적으로 물질적으로 접합되어 접촉하고 있는 본 발명에 따른 알루미늄 재료가 사용될 수도 있다.

Claims (16)

  1. AlMgSi 유형, 특히 AA6xxx 유형의 알루미늄 합금을 포함하는 고강도, 솔더링된 컴포넌트의 제조를 위한 알루미늄 재료로, 솔더링 후에, 상기 알루미늄 재료는 바람직하게는 적어도 일부 영역에서 알루미늄 솔더 합금을 포함하는 적어도 하나의 솔더 층과 물질적으로-접합되어 직접 또는 간접으로 접촉하는, 알루미늄 합금에 있어서,
    상기 알루미늄 합금의 고상선 온도 Tsol은 적어도 595℃이고, 적어도 595℃에서 솔더링하고, 595℃에서 200℃까지 적어도 0.5℃/s의 평균 냉각 속도로 냉각하고, 솔더링 후 205℃에서 45분 동안 인공 시효한 후, 알루미늄 재료의 항복 강도(Rp0.2)가 솔더링 후 상태와 비교하여 적어도 90 MPa, 적어도 110 MPa 또는 바람직하게는 적어도 120 MPa 증가하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  2. 제1항에 있어서, 적어도 595℃에서 솔더링하고, 595℃에서 200℃까지 적어도 0.5℃/s의 평균 냉각 속도로 냉각하고, 205℃에서 45분 동안 인공 시효한 후, 알루미늄 재료의 항복 강도(Rp0.2)가 적어도 160 MPa, 바람직하게는 적어도 180 MPa, 특히 바람직하게는 200 MPa을 상회하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, AlMgSi 유형, 특히 AA6xxx 유형의 알루미늄 합금이 중량%로 다음의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
    0.5% ≤ Si ≤ 0.9%, 바람직하게는 0.50% ≤ Si ≤ 0.65% 또는 0.60% ≤ Si ≤ 0.75%,
    Fe ≤ 0.5%, 바람직하게는 0.05% ≤ Fe ≤ 0.5%, 특히 바람직하게는 0.05% ≤ Fe ≤ 0.3%,
    Cu ≤ 0.5%, 바람직하게는 0.05% ≤ Cu ≤ 0.3% 또는 0.1% < Cu ≤ 0.3%,
    Mn ≤ 0.5%, 바람직하게는 Mn ≤ 0.2%, 특히 바람직하게는 0.01% ≤ Mn ≤ 0.15%, 0.4% ≤ Mg ≤ 0.8%, 바람직하게는 0.45% ≤ Mg ≤ 0.8%, 특히 바람직하게는 0.45% ≤ Mg ≤ 0.75%,
    Cr ≤ 0.3%, 바람직하게는 Cr ≤ 0.1%, 특히 바람직하게는 Cr ≤ 0.05%,
    Zn ≤ 0.3%, 바람직하게는 ≤ 0.05%,
    Ti ≤ 0.3%,
    Zr ≤ 0.1%, 특히 바람직하게는 Zr ≤ 0.05%,
    잔부는 Al 및 불가피한 불순물로, 불가피한 불순물은 개별적으로 최대 0.05%, 총 최대 0.15%.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 알루미늄 재료와 물질적으로-접합되어 직접 또는 간접으로 접촉하는 알루미늄 솔더 합금은 중량%로 다음의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
    7.0% ≤ Si ≤ 13.0%,
    Fe ≤ 0.8%,
    Cu ≤ 2.5%,
    Mn ≤ 0.1%,
    Mg ≤ 0.1%,
    Cr ≤ 0.1%,
    Zn ≤ 2.5%,
    Ti ≤ 0.3%,
    Zr ≤ 0.1%,
    잔부는 Al 및 불가피한 불순물로, 불가피한 불순물은 개별적으로 최대 0.05%, 총 최대 0.15%.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 알루미늄 재료는 알루미늄 복합 재료(1a, 1b, 1c, 1d)의 코어 합금 층으로서 설계되고, 알루미늄 복합 재료는 일-측면에 또는 양-측면에 적어도 하나의 외부 클래딩 층(4)을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 재료.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 알루미늄 재료는 알루미늄 복합 재료(1a, 1b, 1c, 1d)의 코어 합금 층으로서 설계되고, 알루미늄 복합 재료는 일-측면에 또는 양-측면에 알루미늄 솔더 합금을 포함하는 적어도 하나의 외부 솔더 층(3)을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 재료.
  7. 제6항에 있어서, 적어도 하나의 외부 솔더 층(3)의 두께는 알루미늄 복합 재료(1a, 1b, 1c, 1d)의 3% 내지 15%인 것을 특징으로 하는 알루미늄 재료.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 알루미늄 복합 재료(1')는 코어 층(2)의 일 측면 또는 양 측면 위에 제공된 적어도 하나의 클래딩 층(4)을 포함하고, 상기 클래딩 층(4)은 Mg 함량이 < 0.1 중량%, 바람직하게는 < 0.05 중량%안 알루미늄 합금을 구비하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 재료.
  9. 제5항에 있어서, 클래딩 층(4)의 알루미늄 합금은 중량%로 다음의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 알루미늄 재료.
    Si ≤ 1.0%,
    Fe ≤ 2.0%, 바람직하게는 0.1% ≤ Fe ≤ 2.0%,
    Cu ≤ 0.3%,
    Mn ≤ 0.3%,
    Mg ≤ 0.1%, 바람직하게는 ≤ 0.05%,
    Cr ≤ 0.1%,
    Zn ≤ 2.0%,
    Ti ≤ 0.3%,
    Zr ≤ 0.20%,
    잔부는 Al 및 불가피한 불순물로, 불가피한 불순물은 개별적으로 최대 0.05%, 총 최대 0.15%.
  10. 제5항, 제8항 또는 제9항에 있어서, 솔더링 후 클래딩 층(4)의 부식 전위가 알루미늄 코어 합금 층(2)의 부식 전위보다 덜 귀(noble)하고, 바람직하게는 솔더링 후 클래딩 층(4)과 알루미늄 코어 합금 층(2) 사이의 전위 차가 > 10mV인 것을 특징으로 하는 알루미늄 재료.
  11. 제5항, 제8항, 제9항 또는 제10항에 있어서, 클래딩 층(4)의 두께는 전체 알루미늄 복합 재료(1') 두께의 3% 내지 15%인 것을 특징으로 하는 알루미늄 재료.
  12. AlMgSi 합금, 특히 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 알루미늄 합금을 써멀 접합하기 위한 방법으로, 적어도 585℃의 솔더링 온도에서 솔더링, 바람직하게는 CAB 또는진공 솔더링이 실시되는 알루미늄 합금의 써멀 접합 방법에 있어서,
    솔더링 온도까지 가열하고, 솔더링 온도에서 유지한 후, 컴포넌트을 솔더링 온도에서 200℃까지 적어도 0.5℃/s, 적어도 0.66℃/s 또는 적어도 0.75℃/s의 평균 냉각 속도로 냉각시키고, 솔더링 후에 써멀 접합된 컴포넌트을 인공 시효 처리하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금의 써멀 접합 방법.
  13. 제12항에 있어서, 솔더링된 컴포넌트의 인공 시효가 100℃ 내지 280℃, 바람직하게는 140℃ 내지 250℃, 바람직하게는 180 내지 230℃의 온도에서 수행되고, 인공 시효의 지속 시간은 시간은 10분, 바람직하게는 적어도 30분 또는 적어도 45분인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금의 써멀 접합 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 배터리 냉각판, 열교환기 또는 자동차의 구조 컴포넌트가 솔더링되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금의 써멀 접합 방법.
  15. 배터리 냉각판, 열교환기 또는 자동차의 구조 컴포넌트를 제작하는 데에 사용되는 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 알루미늄 재료의 용도.
  16. 솔더링된 컴포넌트로, 상기 컴포넌트는 배터리 냉각판으로, 열교환기로 또는 자동차의 구조 컴포넌트로 설계되고, 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 알루미늄 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴포넌트.
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