KR101594625B1

KR101594625B1 - 열교환기 튜브용 고내식성 알루미늄 합금 및 이를 이용한 열교환기 튜브의 제조방법

Info

Publication number: KR101594625B1
Application number: KR1020090100246A
Authority: KR
Inventors: 박재성; 윤종서; 최웅철; 남태흠
Original assignee: 엘에스전선 주식회사
Priority date: 2009-10-21
Filing date: 2009-10-21
Publication date: 2016-02-16
Also published as: KR20110043221A

Abstract

본 발명은 열교환기 튜브용 고내식성 알루미늄 합금 및 이를 이용한 열교환기 튜브의 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 열교환기 튜브용 고내식성 알루미늄 합금은, 0.05 내지 0.5wt.%의 철과, 0.05 내지 0.2wt.%의 규소와, 0.6 내지 1.2wt.%의 망간과, 0.15 내지 0.45wt.%의 구리를 함유하고, 잔부가 알루미늄 및 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 열교환기 튜브에 사용되는 알루미늄 합금의 조성을 개선함으로써, 다른 물리적 특성에 영향을 미치지 않으면서도 내식성을 향상시킬 수 있고, 아연 용사 공정을 생략하더라도 충분한 내식성을 확보할 수 있어 공정의 단순화로 제품의 제조 효율과 생산성을 높일 수 있다.

열교환기 튜브, 알루미늄 합금, 부식 전위, 내식성

Description

열교환기 튜브용 고내식성 알루미늄 합금 및 이를 이용한 열교환기 튜브의 제조방법{Aluminum alloy with high corrosion resistance for heat exchanger tube and Method for manufactured of heat exchanger tube using thereof}

본 발명은 열교환기 튜브용 고내식성 알루미늄 합금 및 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 알루미늄 합금의 조성을 개선하여 열교환기 튜브 제조에 적합한 내식성이 우수한 알루미늄 합금 및 이를 이용한 열교환기 튜브의 제조방법에 관한 것이다.

열교환기용 튜브는 자동차의 열교환기에 사용되는 부품으로서, 경량성, 고강도 및 열전도 특성이 고려된 알루미늄 합금 재질로 제작된다. 이러한 알루미늄 합금으로 이루어진 열교환기용 튜브는 자동차를 포함하는 수송 기기의 열교환기에 장착되어 고효율의 열교환이 가능하도록 하여 수송 기기의 연비 절감을 꾀할 수 있도록 한다.

열교환기용 튜브는 용도에 따라 냉각수를 냉매로 사용하는 자동차의 라디에이터(Radiator), 히터 코어(Heater core), 오일 쿨러(Oil-cooler) 및 R134a를 냉매로 사용하는 응축기(Condensor), 증발기(Evaporator) 등에 사용된다. 이러한 열교 환기용 튜브는 냉매와 직접적인 접촉이 이루어지기 때문에 강도나 압출성은 물론이고 내식성이 우수한 알루미늄 합금이 필요하다.

일본특개평 11-21649 호는 철을 0.15 내지 0.35wt.%, 규소를 0.15wt.% 이하, 아연을 0.03wt.% 미만, 구리를 0.55wt.%, 지르코늄을 0.02 내지 0.05wt.% 미만, 티타늄을 0.003 내지 0.010wt.% 함유하고, 철/규소≥2.5 이고, 나머지가 알루미늄과 불가피하게 첨가되는 불순물로 이루어지는 알루미늄 합금을 제안한다.

그러나, 상기 '21649호의 특허에 따른 알루미늄 합금은 합금의 내식 특성을 확보하기 위한 첨가원소로 구리와 아연을 첨가하였으나, 구리의 첨가량이 많아 Al-Cu계 금속간 화합물이 다수 형성되어 압출 특성이 저하되고, 모재의 부식전위를 낮추게 되어 내식 특성이 열화되는 문제점이 있다. 또한, 아연의 경우 주조시 고온균열(hot cracking)을 발생시키고, 응력부식균열(stress corrosion cracking)을 유발시켜 제품의 제조특성 및 품질이 열화되는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 알루미늄 합금의 조성을 개선하여 압출성이 우수하면서도 여러 부식환경 하에서 우수한 내식성을 갖는 열교환기 튜브용 알루미늄 합금 및 이를 이용한 열교환기 튜브의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 열교환기 튜브용 고내식성 알루미늄 합금은, 0.05 내지 0.5wt.%의 철과, 0.05 내지 0.2wt.%의 규소와, 0.6 내지 1.2wt.%의 망간과, 0.15 내지 0.45wt.%의 구리를 함유하고, 잔부가 알루미늄 및 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 열교환기 튜브의 제조방법은, 0.05 내지 0.5wt.%의 철과, 0.05 내지 0.2wt.%의 규소와, 0.6 내지 1.2wt.%의 망간과, 0.15 내지 0.45wt.%의 구리를 함유하고, 잔부가 알루미늄 및 불가피한 불순물로 이루어진 알루미늄 합금을, (a) 합금 용탕의 상태로 주입하고, 연속주조(continuous casting)를 통해 빌렛(billet)을 형성하는 단계; (b) 상기 빌렛을 300 내지 500℃의 온도 범위에서 예열 후, 압출 온도 300 내지 500℃에서 압출하여 열교환기 튜브를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 열교환기 튜브의 제조방법은, 0.05 내지 0.5wt.%의 철과, 0.05 내지 0.2wt.%의 규소와, 0.6 내 지 1.2wt.%의 망간과, 0.15 내지 0.45wt.%의 구리를 함유하고, 잔부가 알루미늄 및 불가피한 불순물로 이루어진 알루미늄 합금을, (a) 합금 용탕의 상태로 주입하고, 연속주조압연(properzi)을 통해 와이어 로드를 형성하는 단계; (b) 상기 와이어 로드를 450 내지 650℃의 온도 범위에서 10 내지 25 시간 동안 열처리하는 단계; 및 (c) 상기 열처리된 와이어 로드를 컨펌 압출을 통해 열교환기 튜브를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 합금 용탕의 주입 온도는 750 내지 900℃의 온도 범위이다.

본 발명에 있어서, 상기 제조된 열교환기 튜브 표면을 아연 용사(TAS, thermal arc spray) 처리하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙 에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명에 따른 열교환기 튜브용 고내식성 알루미늄 합금은 0.05 내지 0.5wt.%의 철과, 0.05 내지 0.2wt.%의 규소와, 0.6 내지 1.2wt.%의 망간과, 0.15 내지 0.45wt.%의 구리를 함유하고, 잔부가 알루미늄 및 불가피한 불순물로 이루어진다.

상기 철은 전이 원소로서 기호 Fe, 원자번호 26, 원자량 55.847, 비중 7.86, 융점 1540℃ 및 비점 2750℃의 특성이 있으며, 알루미늄 합금의 전체 중량 대비로 0.05 내지 0.5wt.%의 함량으로 포함되는 것이 바람직하다.

상기 철은 기지(Matrix) 내에 Al-Fe 금속간 화합물로서 존재한다. 또한, 망간 또는 망간, 규소가 공존하는 경우 Al-Mn-Fe 금속간 화합물 또는 Al-Mn-Fe-Si 금속간 화합물로서 정출 또는 석출하여 브레이징(brazing) 후의 강도를 향상시키며, 이 금속간 화합물은 결정립 조대화를 억제하는 작용을 한다.

상기 철의 함량 한정에 있어서, 그 함량이 0.05wt.% 미만일 경우에는 강도 향상 등 철을 첨가한 효과가 나타나기 어려워 바람직하지 않으며, 그 함량이 0.5wt.%를 초과할 경우에는 압출성과 내식성이 동시에 저하되기 때문에 바람직하지 않다.

상기 규소는 비금속 원소로서 기호 Si, 원자번호 14, 원자량 28.086, 비중 2.32, 융점 1410℃ 및 비점 2335℃의 특성이 있으며, 알루미늄 합금의 전체 중량 대비로 0.05 내지 0.2wt.%의 함량으로 포함되는 것이 바람직하다.

상기 규소는 압출 가공 온도에서의 변형 저항을 작게 하여 압출성을 향상시키는 작용이 있으며, Al-Fe-Si 금속간 화합물로서 정출 또는 석출하여 브레이징 시의 입계 이동을 방해하여 결정립 성장을 억제하게 된다.

상기 규소의 함량 한정에 있어서, 그 함량이 0.05wt.% 미만일 경우에는 주조 시 모재인 잉곳(ingot)의 품위가 높아야 하기 때문에 제조비용이 상승하게 되어 바람직하지 않으며, 그 함량이 0.2wt.%를 초과할 경우에는 합금의 강도를 높이게 되어 압출성이 저하되기 때문에 바람직하지 않다.

상기 망간은 전이 원소로서 기호 Mn, 원자번호 25, 원자량 54.9381, 비중 7.2 내지 7.45, 융점 1244℃ 및 비점 1962℃의 특성이 있으며, 알루미늄 합금의 전체 중량 대비로 0.6 내지 1.2wt.%의 함량으로 포함되는 것이 바람직하다.

상기 망간은 Al₆Mn의 미세한 금속간 화합물로 석출하여 합금의 부식 전위를 귀(noble)하게 하여 브레이징 후의 강도를 향상시키며, 규소가 공존하는 경우에는 Al-Mn-Si 금속간 화합물로서 정출 또는 석출하여 브레이징 후의 강도를 향상시킨다. 이는 열교환기 튜브로 제조되었을 때, 열교환기 튜브의 부식 전위를 귀하게 조절하면 핀(fin)과의 전위차를 크게 할 수 있어 핀의 방식 효과를 보다 유효하게 하여 외부 내식성을 향상시키는 작용을 한다.

상기 망간의 함량 한정에 있어서, 그 함량이 0.6wt.% 미만일 경우 내식성 등 망간을 첨가한 효과가 나타나기 어려워 바람직하지 않으며, 그 함량이 1.2wt.%를 초과할 경우에는 압출성이 저하되기 때문에 바람직하지 않다.

상기 구리는 전이 원소로서 기호 Cu, 원자번호 29, 원자량 63.546, 비중 8.92, 융점 1084.5℃ 및 비점 2595℃의 특성이 있으며, 알루미늄 합금의 전체 중량 대비로 0.15 내지 0.45wt.%의 함량으로 포함되는 것이 바람직하다.

상기 구리는 기지(Matrix)에 고용하여 브레이징 후의 강도를 향상시키며, 열교환기 튜브로 제조되었을 때, 열교환기 튜브의 부식 전위를 귀하게 하여 내식성을 향상시키는 작용을 한다.

상기 구리의 함량 한정에 있어서, 그 함량이 0.12wt.% 미만일 경우 내식성 등 구리를 첨가한 효과가 나타나기 어려워 바람직하지 않으며, 그 함량이 0.45wt.%를 초과할 경우에는 압출성과 내식성이 동시에 저하되기 때문에 바람직하지 않다.

상기와 같은 알루미늄 합금으로 제조되는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열교환기 튜브의 제조방법에 대하여 도 1 및 2를 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 열교환기 튜브의 제조방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이고, 도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 열교환기 튜브의 제조방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.

본 발명의 제1실시예에 따른 열교환기 튜브의 제조방법은, 먼저, 도 1을 참조하면, 단계(S101)에서, 0.05 내지 0.5wt.%의 철과, 0.05 내지 0.2wt.%의 규소와, 0.6 내지 1.2wt.%의 망간과, 0.15 내지 0.45wt.%의 구리를 함유하고, 잔부가 알루미늄 및 불가피한 불순물로 이루어진 알루미늄 합금을, 750 내지 900℃의 온도 범 위에서 용탕의 상태로 주입하고, 연속주조(continuous casting)를 통해 빌렛(billet)을 형성한다.

단계(S201)에서, 상기 빌렛을 300 내지 500℃의 온도 범위에서 예열 후, 압출 온도 300 내지 500℃에서 압출하여 열교환기 튜브를 형성한다.

본 발명의 제2실시예에 따른 열교환기 튜브의 제조방법은, 먼저, 도 2를 참조하면, 단계(S102)에서, 0.05 내지 0.5wt.%의 철과, 0.05 내지 0.2wt.%의 규소와, 0.6 내지 1.2wt.%의 망간과, 0.15 내지 0.45wt.%의 구리를 함유하고, 잔부가 알루미늄 및 불가피한 불순물로 이루어진 알루미늄 합금을, 750 내지 900℃의 온도 범위에서 용탕의 상태로 주입하고, 연속주조압연(properzi)을 통해 와이어 로드를 형성한다. 이 때, 와이어 로드는 8.0 내지 15mmΦ의 직경을 갖는다.

단계(S202)에서, 상기 와이어 로드를 450 내지 650℃의 온도 범위에서 10 내지 25시간 동안 열처리한다.

단계(S302)에서, 열처리된 와이어 로드를 컨펌 압출을 통해 열교환기 튜브를 형성한다.

상술된 제1 및 제2실시예에서 상기 용탕의 주입 온도 범위는 금속간 화합물인 고용체 즉, 치밀한 미세조직을 갖는 주물을 얻기 위함이며, 상기 용탕의 주입 온도가 900℃를 초과시에는 주물의 미세조직이 조대해지는 문제가 있으며, 750℃ 미만에서는 상기 용탕의 유동성이 부족하여 주형 공간을 치밀하게 채우지 못하는 미스런(Miss Run) 현상이 발생하게 되므로 750 내지 900℃의 온도 범위가 최적이다.

한편, 제조된 열교환기 튜브는 극한의 내식성이 요구되는 경우, 희생양극 효과를 부여하기 위한 아연 용사(TAS, thermal arc spray) 처리를 열교환기 튜브 표면에 실시할 수도 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예(1~2)와 이에 대비되는 비교예(1~3)를 통하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 그러나, 실시예는 본 발명의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금(실시예 1~2)과 이에 대비되는 알루미늄 합금(비교예 1~3)을 마련하였다. 이들 합금의 조성을 알 수 있는 성분분석 결과를 표 1에 나타내었다. 표 1에서, 이들 합금의 조성은 중량%로 나타내었으며, 각 합금에는 불가피한 불순물을 함유할 수 있다는 점을 고려하였다.

	조성(wt.%)
	Fe	Cu	Mn	Si	Zr	Ti	Al
실시예1	0.45	0.40	1.0	0.1	-	-	Bal.
실시예2	0.45	0.40	0.75	0.1	-	-	Bal.
비교예1	0.10	0.02	0.05	0.06	-	-	Bal.
비교예2	0.15	0.07	1.03	0.08	-	-	Bal.
비교예3	0.22	0.40	-	0.07	0.04	0.008	Bal.

전술한 알루미늄 합금(실시예 1~2 및 비교예 1~3)들은 합금의 주조시 합금 용탕의 온도를 750 내지 900℃의 온도 범위에서 제어하고 연속주조압연(properzi)을 통하여 와이어 로드 형태로 제조한 후 열처리하였다. 이 후 컨펌 압출을 통해 열교환기 튜브를 제조하였다.

이렇게 제조된 열교환기 튜브의 내식 특성을 평가하기 위해 ASTM 규격을 기준으로 한 SWAAT 평가를 실시하였으며 그 결과를 표 2에 나타내었다. 이 때, 사용된 열교환기 튜브는 모두 브레이징(brazing) 모사 처리(600℃×10min)를 행한 후 SWAAT 평가를 실시하였다.

	압출성	아연 용사 여부	SWAAT Leak Time(hr)
실시예1	○	×	850
실시예2	○	×	810
비교예1	○	○	420
비교예2	○	○	380
비교예3	△	○	450

상기 SWAAT 평가는 ASTM 표준 G85에 따른 시험으로 4.2wt.%의 NaCl 용액에 Glacial Acetic acid를 첨가하여 pH 2.8 내지 3.0이 유지되도록 하여 49℃의 온도 분위기 하에서 0.07MPa 압력으로 분사하는 실험을 수행하였다. 이 때, 분무량은 1 내지 2㎖/hr를 유지하였다.

상기 표 2를 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 실시예 1 및 2는 비교예 1 내지 3에 비하여 압출성은 우수하고 희생양극 효과를 나타내는 아연 용사 처리 없이도 내식 특성이 비교예 1 내지 3 보다 매우 우수한 성능을 나타내고 있음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 알루미늄 합금을 이용한 열교환기 튜브는 다양한 부식 환경 하에서도 공식(pitting) 없이 장기간 사용할 수 있다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 열교환기 튜브의 제조방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.

도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 열교환기 튜브의 제조방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.

Claims

삭제
0.05 내지 0.5wt.%의 철과, 0.05 내지 0.2wt.%의 규소와, 0.6 내지 1.2wt.%의 망간과, 0.15 내지 0.45wt.%의 구리를 함유하고, 잔부가 알루미늄 및 불가피한 불순물로 이루어진 알루미늄 합금을,

(a) 합금 용탕의 상태로 주입하고, 연속주조(continuous casting)를 통해 빌렛(billet)을 형성하는 단계;

(b) 상기 빌렛을 300 내지 500℃의 온도 범위에서 예열 후, 압출 온도 300 내지 500℃에서 압출하여 열교환기 튜브를 형성하는 단계;를 포함하는 열교환기 튜브의 제조방법에 의해 제조되어 ASTM 표준 G85에 따른 SWAAT 평가 결과 810 시간 이상의 내식성을 갖는 열교환기 튜브.
0.05 내지 0.5wt.%의 철과, 0.05 내지 0.2wt.%의 규소와, 0.6 내지 1.2wt.%의 망간과, 0.15 내지 0.45wt.%의 구리를 함유하고, 잔부가 알루미늄 및 불가피한 불순물로 이루어진 알루미늄 합금을,

(a) 합금 용탕의 상태로 주입하고, 연속주조압연(properzi)을 통해 와이어 로드를 형성하는 단계;

(b) 상기 와이어 로드를 450 내지 650℃의 온도 범위에서 10 내지 25 시간 동안 열처리하는 단계; 및

(c) 상기 열처리된 와이어 로드를 컨펌 압출을 통해 열교환기 튜브를 형성하는 단계;를 포함하는 열교환기 튜브의 제조방법에 의해 제조되어 ASTM 표준 G85에 따른 SWAAT 평가 결과 810 시간 이상의 내식성을 갖는 열교환기 튜브.
제2항 또는 제3항에 있어서,

상기 합금 용탕의 주입 온도는 750 내지 900℃의 온도 범위인 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.
제2항 또는 제3항에 있어서,

상기 열교환기 튜브의 제조방법은 제조된 열교환기 튜브 표면을 아연 용사(TAS, thermal arc spray) 처리하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기 튜브.