액체 냉각판 프로젝트에서 고객으로부터 여러 번 들었던 질문이 있습니다: "어닐링된 상태의 3003 소재에 H14 또는 H16 템퍼를 사용하면 H0 템퍼보다 더 강해질까요?" 이 질문은 놀랍지 않습니다. H14 및 H16의 강도 데이터는 실제로 H0보다 높기 때문에 많은 사람들이 소재가 단단할수록 특히 신에너지 차량 배터리 팩 및 에너지 저장 시스템과 같이 액체 냉각판이 기계적 응력을 견뎌야 하는 애플리케이션에서 완제품의 구조가 더 안정적일 것이라고 가정합니다. 하지만 현실은 그렇게 간단하지 않습니다.
생산 과정에서 소재는 다양한 가공 단계를 거치는데, 그 중 한 가지 공정은 거의 피할 수 없는 납땜입니다. 높은 온도로 인해 액체 냉각판의 상판과 하판을 단단히 접착할 뿐만 아니라 재료의 내부 구조도 변화시켜 최종 제품에서 H14/H16과 H0의 강도 차이가 크게 줄어듭니다. 그렇기 때문에 많은 사람들이 최종 테스트 결과인 H14와 H16이 상상했던 강도 우위를 유지하지 못하는 것을 보고 놀라는 것입니다. 다음으로 그 진짜 이유에 대해 이야기하고 싶습니다.
강도 차이에 대해 논의하기 전에 먼저 3003 액체 냉각판의 특성을 살펴봅시다. 주로 알루미늄(Al)과 소량의 망간(Mn)으로 구성된 알루미늄-망간 녹 방지 합금입니다. 이 성분은 내식성이 우수하고 가공성이 좋아 스탬핑, 절곡, 용접 등 다양한 성형 방법에 적합하며 균열이나 심각한 변형이 적습니다. 열전도율도 매우 우수하여 순수 알루미늄만큼 높지는 않지만 대부분의 합금 소재와 비교하면 여전히 최고 수준이므로 효율적인 열 교환이 필요한 시나리오에 매우 적합합니다.
이러한 장점 덕분에 3003 액체 냉각판은 열 관리 요구 사항이 높은 전기 자동차 및 에너지 저장 시스템과 같은 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 이러한 시나리오에서는 안정적인 구조적 지지력을 제공할 뿐만 아니라 과도한 열을 신속하게 전달하고 방출하여 시스템이 장시간 안전하게 작동할 수 있도록 도와줍니다.
3003 액체 냉각판의 재료 특성과 적용 시나리오를 이해한 후, 다음으로 논의할 주제는 재료 선택 단계에서 자주 제기되는 질문인 템퍼 상태입니다. 3003 액체 냉각판의 경우 가장 일반적인 템퍼는 H14, H16 및 H0입니다. 이들은 서로 다른 재료가 아니라 동일한 합금 등급이지만 다른 가공 방법이나 열처리를 거친 후 다른 기계적 특성을 나타냅니다.
H14: 냉간 가공을 통해 재료가 경화되어 적당한 강도를 가지면서도 우수한 연성을 유지하는 반경질 성질입니다.
H16: 경도가 높고 냉간 가공이 많아 H14보다 강도는 높지만 연성은 상대적으로 낮습니다.
H0: 완전 어닐링 성질로, 재료를 가열하고 천천히 냉각하여 내부 응력을 방출하여 경도는 가장 낮지만 연성과 가공성이 가장 우수합니다.
재료 데이터를 보면, H14와 H16의 항복 강도와 인장 강도는 모두 H0보다 훨씬 높기 때문에 많은 사람들이 재료를 선택할 때 이 두 가지를 선호하는 경향이 있습니다. 그러나 이러한 성질은 초기 단계에서만 이점을 제공합니다. 액체 냉각판의 제조 공정 중, 특히 후속 고온 단계 이후에는 이러한 차이가 약화되거나 심지어 변경될 수도 있습니다. 왜 이런 일이 발생하는지 납땜 공정부터 살펴볼 필요가 있습니다.
액체 냉각판의 생산 공정에서 브레이징은 피할 수 없는 단계입니다. 브레이징의 역할은 플레이트의 상층과 하층을 결합할 뿐만 아니라 내부에 밀봉되고 안정적인 냉각 채널을 형성하여 냉각수가 누출이나 막힘 없이 설계된 경로를 따라 원활하게 순환할 수 있도록 하는 것으로, 이는 전체 열교환 시스템의 신뢰성과 수명에 직접적인 영향을 미칩니다.
문제는 브레이징이 쉬운 공정이 아니라는 점입니다. 알루미늄 합금의 재결정 온도(약 250℃~300℃)보다 훨씬 높은 약 600℃~700℃의 고온에서 진행해야 합니다. 강도를 향상시키기 위해 냉간 가공에 의존하는 H14 및 H16과 같은 템퍼의 경우 고온은 두 가지 주요 변화를 가져옵니다:
작업 경화가 약화됨
고온 환경에서는 냉간 가공으로 인한 H14 및 H16의 전위 구조가 재설정되고 재료의 경화 상태가 서서히 사라집니다.
입자 구조 재조정
고온은 금속의 재결정을 촉진하여 입자가 재배열되고 성장하면서 내부 응력을 방출합니다.
이 두 가지 변화를 종합하면 본질적으로 완전한 어닐링 공정에 해당합니다. 결과적으로 H14로 시작하든 H16으로 시작하든 브레이징 후 기계적 특성은 강도는 감소하고 연성은 증가하는 H0 상태에 가까워집니다.
한 고객이 액체 냉각판의 강성을 개선하기 위해 H16을 사용해야 한다고 주장한 경우가 있었습니다. 그러나 브레이징 및 최종 테스트 결과, H0와 비교한 항복 강도의 차이는 거의 무시할 수 있는 수준이었으며, 이는 실제 사용 시 두 소재가 거의 동일한 성능을 발휘한다는 것을 의미합니다. XD THERMAL의 실험실 검증에서도 H14와 H16의 브레이징 후 강도가 H0로 수렴하는 유사한 결과가 나타났습니다. 이는 공정 효과를 고려하지 않고 핸드북 데이터에만 의존하는 것이 설계 결정을 잘못 내릴 수 있는 이유를 잘 보여줍니다.
따라서 브레이징이 재료 성질에 미치는 영향을 이해하는 것은 재료 엔지니어의 기술적 세부 사항일 뿐만 아니라 설계 단계에서도 고려해야 할 핵심 요소입니다. 이는 성능뿐만 아니라 제품 개발 속도와 비용 관리에도 영향을 미칩니다.
구조 설계 최적화
재료 경도에만 의존하지 않고 플레이트에 보강 리브, 지지 리브 또는 이와 유사한 기능을 추가하여 전반적인 강성을 개선합니다.
플레이트 두께 조정
두께를 적당히 늘리면 하중 지지력과 변형에 대한 저항력을 높일 수 있지만 무게와 비용도 고려해야 합니다.
● 2차 열처리 평가
납땜 후 적절한 열처리 공정을 추가하면 소재 강도를 부분적으로 회복할 수 있지만 비용 및 생산 효율성과 균형을 맞춰야 합니다.
● 특별한 프로세스 대안 고려
매우 높은 강도가 필요한 드문 경우에는 저온 납땜 또는 기계적 접합을 고려할 수 있지만, 일반적으로 제조 난이도와 비용이 증가합니다.
제 경험에 비추어 볼 때, 특히 열 전달과 하중 지지 기능을 모두 제공해야 하는 액체 냉각판의 경우 재료 선택과 공정 설계가 함께 진행되어야 합니다. 한 측면만 최적화하면 다른 측면에 문제가 발생하기 쉽습니다. 처음부터 소재의 성질 변화를 고려해야만 나중에 반복적인 수정을 피할 수 있어 개발 시간과 비용을 모두 절약할 수 있습니다.
요컨대, 3003 액체 냉각판의 경우 H14로 시작하든 H16으로 시작하든 고온 브레이징을 거치면 재료 템퍼가 점차 H0에 가까워져 강도 차이가 크게 줄어들고 연성이 향상됩니다. 이는 가공 경화가 약화되고 입자 구조가 재조정된 결과입니다. 이는 설계 및 소재 선택 시 소재 파라미터만 볼 것이 아니라 생산 공정과 함께 평가해야 한다는 점을 상기시켜 줍니다. XD THERMAL에서는 엔지니어가 템퍼 변화를 조기에 인지하면 설계 반복을 줄이고 비용을 절감하며 EV 배터리 팩 및 에너지 저장 시스템에서 3003의 내식성, 가공성 및 열전도성을 최대한 활용할 수 있다는 점을 강조합니다.
