KR101811332B1 - 내식성이 향상된 열교환기 튜브 및 파이프용 알루미늄 합금, 그 합금을 이용한 알류미늄 튜브 또는 배관의 제조방법 및 이를 이용한 열교환기 시스템 - Google Patents

내식성이 향상된 열교환기 튜브 및 파이프용 알루미늄 합금, 그 합금을 이용한 알류미늄 튜브 또는 배관의 제조방법 및 이를 이용한 열교환기 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내식성을 향상시킨 열교환기 튜브 또는 배관용 알루미늄 합금과 그 제조방법에 관한 것이다. 상기 알루미늄 합금은 알루미늄을 기저로 하여 0.50중량% 이하의 Cu와 X원소[원자번호57(La) 내지 71번(Lu)의 희토류금속, Sc, Nb, Hf 중 1종 이상]의 총량을 0.005~1.0중량% 범위로 함유하고, [중량%로서 Mn 0.01~2.0, (Si+Mg) < 0.65 및 Zn < 4.0] 또는 [중량%로서 Si ≥ 0.03, (Mn+Mg+Zn) < 1.0 및 Al ≥ 98.97] 또는 [중량%로서 Si 0.25~1.4, Mg 0.4~1.3, Mn ≤ 1.0, Zn ≤ 0.25]을 함유한다. 그리고 상기 알루미늄 합금은 Fe, Ti, Zr, Cr, V, Ni, Co, In, B, Pb, Bi, Ca, Be, Ag, Pd, Sb 및 Y 중 선택된 1종 이상의 원소와 불가피한 불순물을 더 포함할 수 있다. 이 알루미늄 합금을 이용하여 열교환기용 튜브 또는 배관을 제조하면 내식성 및 강도가 개선된다.

Description

내식성이 향상된 열교환기 튜브 및 파이프용 알루미늄 합금, 그 합금을 이용한 알류미늄 튜브 또는 배관의 제조방법 및 이를 이용한 열교환기 시스템{Corrosion resistant aluminium alloy for heat exchanger tube, manufacturing method for tube or pipe using the aluminium alloy, and heat exchanger using the same}
본 발명은 알루미늄 합금에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 알루미늄 합금에 희토류 원소 등 특수원소(X원소)를 첨가함으로써 내식성을 향상시킨 알루미늄 합금 및 그 합금의 제조방법에 관한 것이며, 특히 가공용 알루미늄 1XXX, 3XXX 및 6XXX 계열에 대한 개량 알루미늄 합금에 관한 것이다.
증발기, 콘덴서, 배관 등의 열교환기에는, 일반적으로 경량성과 열전도성이 양호한 알루미늄 또는 알루미늄 합금 재질이 사용되고 있다. 이들 열교환기에서는, 알루미늄 합금 압출재의 콘덴서 튜브(tube)와 핀(fin), 헤드 파이프(head pipe) 및 각종 배관으로 구성된다. 이들 열교환기는 일반적으로 튜브와 핀(일반적으로 핀 core재에 브레이징용 판재가 피복 또는 클래딩된다) 등이 소정 구조로 조립된 후, 불활성 가스 분위기의 가열로 내에서 브레이징(brazing) 접합하는 방법으로 구조가 완성된다.
튜브 또는 배관 재질로 널리 사용되는 것은 Al 1XXX 계열과 Al 3XXX 계열의 재질이며, 강도가 더 필요한 경우는 Al 6XXX 계열의 재질도 일부 사용되고 있다. 또한 튜브 또는 배관을 핀과 헤드 파이프에 브레이징(brazing)할 때 쓰이는 클래드(clad) 재질로는 Al 4XXX 계열이 널리 사용되고 있다.
열교환기의 압출 튜브 또는 배관은 냉매 통로관으로 사용되므로, 사용 중에 부식에 의한 관통이 생긴 경우, 냉매 누설이 발생하여 열교환기로서의 기능을 다할 수 없게 된다. 이 때문에, 종래에는 압출 튜브의 표면에 미리 용사 등에 의해 Zn(아연)을 부착시키고, 브레이징(납땜)에 의해 Zn을 확산시킨다. 이로 인해 튜브 표층에 형성된 Zn 확산층이 심부에 대하여 희생 양극으로서 작용하여, 판 두께 방향으로의 부식을 억제하여 부식 관통 수명을 연장시킨다. 이 경우, 튜브에는 압출된 후에 Zn 코팅(용사 등)의 Zn 부착 공정이 필요하게 되어 제조비용의 상승을 초래한다.
특히 튜브의 내식성 관점에서 보면, 일본 특개평11-21649호는 철을 0.15 내지 0.35중량%, 규소를 0.15중량% 이하, 아연을 0.03중량% 미만, 구리를 0.55중량%, 지르코늄을 0.02 내지 0.05중량% 미만, 티타늄을 0.003 내지 0.010중량% 함유하고, 철/규소≥2.5 이고, 나머지가 알루미늄과 불가피하게 첨가되는 불순물로 이루어지는 알루미늄 합금을 제안한 바 있다.
그러나 상기 특허문헌의 합금은 합금의 내식 특성을 확보하기 위하여 첨가원소로 구리를 첨가하였으나, 구리(0.55중량%)의 첨가량이 많아 Al-Cu계 금속간 화합물이 다수 형성되어 압출 특성이 저하되고, 금속간 화합물의 석출로 인하여 모재(재료)의 국부영역에서 부식전위가 낮아져 내식 특성이 열화되는 문제점이 있다.
이를 개선하기 위해 국내 공개특허 제10-2011-0072237호 에서는 0.15 내지 0.45 %의 구리를 함유한 알루미늄 합금에 Zr 과 B를 첨가하여, 튜브 외측의 Zn 용사공정을 생략할 수 있는 방법을 제안한 바 있다. 이 문헌에서는 Zr 및 B의 첨가효과로 인해 알루미늄 합금의 결정이 미세화하여 내식성이 증가한다는 기술 사상을 담고 있다. 그러나 구리의 함량이 0.1중량% 이상일 경우, 열교환기 작동 중 구리가 입계에 석출하고, 그 결과 입계 부식의 민감도가 증대되어 튜브의 입계부식이 발생하여 튜브의 부식 관통 수명이 짧아진다는 문제점이 있다.
상기 문헌들의 경우 Cu를 주요원소로 첨가하여 내식성을 개선하고자 하였으나, Cu 첨가의 단점들은 충분히 극복하지 못한 상태이다.
이후, Cu 첨가의 불리한 점 때문에 국내 공개특허 제10-2014-0000406에서는 내식성을 증가시키기 위하여 구리(Cu)를 0.01% 이하로 최소화하고, 0.50 내지 1.0중량% 망간(Mn)과 0.2중량% 이하의 실리콘(Si)의 조성에 지르코늄(Zr)을 0.05 내지 0.15중량%를 첨가한 바 있으나, Cu의 제거로 인하여 Cu의 부식전위 증가 장점이 희생되고 열교환기 각 부품의 조립시 접촉에 의한 전위 설계에 제한을 주고 있어 열교환기 시스템에서의 채택이 어려운 점이 있다.
한편, 원자번호57(La) 내지 71번(Lu)의 희토류금속은 그 유익한 성질 때문에 현재 광범위한 연구개발이 진행되고 있으나, 개발활동이 주로 마그네슘(합금)의 내식성 및 강도증가 분야, 주물용 알루미늄 합금의 강도증가 분야 그리고 알루미늄 합금 표면에 화성코팅(conversion coating)에 의한 내식성 증가 분야에 집중되어 왔다. (J. Alloys Compd., 2012, 538(0): 21., Mater. Des., 2009, 30(7): 2372., Mater. Des., 2010, 31(Supplement 1): S24., Mater. Sci. Eng., A, 2012, 532: 606., J. Rare Earths, 2011, 29(10): 961.)
극히 제한된 문헌에 따르면 Al??Cu??Mg??Ag 합금에 대하여 0.45% 까지의 Ce을 첨가하였을 때의 효과를 연구했으며, 이때 Ce의 첨가는 더 미세하고 조밀한 석출물을 형성시켜 상의 열적 안정성을 개선한다고 보고한 바 있다. (J. Alloys Compd. 352 (2003) 84.). 또한 Al 2XXX 계열인 Al-2519, T87 합금에서 0.2% Ce 의 첨가는 조밀하고 미세한 상의 석출을 조장하여 합금의 상온 강도를 증가시키고, 0.4% Ce 의 첨가는 300 ℃에서 열적 안정성을 강화한다고 보고한 바 있다. (Journal of Alloys and Compounds 491 (2010) 366??371)
희토류 금속 등의 첨가에 관한 위의 대부분 문헌들은 합금의 강도증가와 표면 코팅에 대한 연구개발이었으며, 현재까지 가공용 알루미늄 합금 중 튜브 또는 배관으로 널리 사용되는 1XXX, 3XXX 및 6XXX 계열과 브레이징용 4XXX 계열에 내식성 등의 특성을 개선하기 위해 희토류 원소 등을 합금에 직접 첨가한 관련 문헌은 찾아보기 힘들다.
그러나 극히 일부 문헌에서는 Al 1XXX 계열과 Al 4XXX 계열에 대한 기록을 찾아볼 수 있다. 국내 등록특허 제10-1335680호, 국내 등록특허 제10-1349359호에서는 Al 1XXX 계열을 개량 변형하여 강도증가를 위해 Sc, Y, MM(misch metal) 등을 최대 0.6%까지 첨가한 바 있으나, Si의 함량을 생략하여 합금 제조가 어려워지고 생산 비용이 상승하는 문제점이 있었다. 또한 국내 등록특허 제10-1194970호에서는 브레이징(brazing)용 알루미늄 4XXX 계열을 대상으로 Ce, La, MM을 최대 0.5% 까지 첨가한 바 있으나, 이는 브레이징의 접합성 관점에서 접근한 결과로서 내식성 관점에서 희토류 금속 등의 첨가 함량이 최적화되지 못하여 내식성 개선에 크게 기여하지 못한다는 문제점이 있다.
따라서 본 발명에서는 가공용 1XXX, 3XXX, 4XXX 및 6XXX 계열의 알루미늄 합금에 희토류 원소 등을 첨가하여 알루미늄 합금의 내식성 및 강도를 증가시키고, Cu 첨가시의 단점을 극복하고자 하였다.
일본 특개평11-21649호 국내 공개특허 제10-2011-0072237호 국내 공개특허 제10-2014-0000406호 국내 등록특허 제10-1335680호 국내 등록특허 제10-1349359호 국내 등록특허 제10-1194970호
J. Alloys Compd., 2012, 538(0): 21 Mater. Des., 2009, 30(7):2372 Mater. Des., 2010, 31(Supplement 1): S24 Mater. Sci. Eng., A, 2012, 532: 606 J. Rare Earths, 2011, 29(10): 961 J. Alloys Compd. 352 (2003) 84 J. Alloys Compd. 491 (2010) 366
위와 같은 문제에 대한 본 발명의 목적은, 열교환기의 알루미늄 냉매 튜브 또는 배관과 관련하여, 전술한 문제점을 해결하려는 것이다. 본 발명의 목적은 강도 및 압출성이 우수하며, 내식성이 개선되어 가혹한 환경에서도 열교환기 및 냉매 튜브 또는 배관의 수명이 유지되는 튜브 또는 배관용 알루미늄 합금 조성과 브레이징용 합금 조성 그리고 이를 이용한 열교환기 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은,
0.005~1.00중량%의 X 원소 및 0.002~0.45중량%의 구리(Cu);
중량%로서 Mn 0.01~2.0, Si+Mg < 0.3, 및 Zn < 4.0;를 포함하되,
상기 X 원소는 원자번호57(La) 내지 71번(Lu)의 희토류금속, 스칸듐(Sc), 나이오븀(Nb) 또는 하프늄(Hf) 중 1종 이상인 것을 특징으로 하는 내식성이 향상된 열교환기 튜브 및 파이프용 알루미늄 합금에 의해 달성된다.
본 발명의 목적은,
0.005~1.000중량%의 X 원소 및 0.002~0.45중량%의 구리(Cu);
중량%로서 Mn ≤ 0.05, Si ≥ 0.03, (Mn + Mg + Zn) < 1.0 및 Al ≥ 98.97 ;를 포함하되,
상기 X 원소는 원자번호57(La) 내지 71번(Lu)의 희토류금속, 스칸듐(Sc), 나이오븀(Nb) 또는 하프늄(Hf) 중 1종 이상인 것을 특징으로 하는 내식성이 향상된 열교환기 튜브 및 파이프용 알루미늄 합금에 의해서도 달성된다.
본 발명의 목적은,
0.005~1.00중량%의 X 원소 및 0.002 ~0.45중량%의 구리(Cu);
중량%로서 Si 0.25~1.4, Mg 0.4~1.3, Mn ≤ 1.0, Zn ≤ 0.25;를 포함하되,
상기 X 원소는 원자번호57(La) 내지 71번(Lu)의 희토류금속, 스칸듐(Sc), 나이오븀(Nb) 또는 하프늄(Hf) 중 1종 이상인 것을 특징으로 하는 내식성이 향상된 열교환기 튜브 및 파이프용 알루미늄 합금에 의해서도 달성된다.
위의 각 발명에 있어서,
상기 알루미늄 합금은 Fe, Ti, Cr, V, Ni, Co, In, B, Pb, Bi, Ca, Be, Ag, Pd, Sb 및 Y 중 선택된 1종 이상을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 목적은,
원자번호57(La) 내지 71번(Lu)의 희토류금속, 스칸듐(Sc), 나이오븀(Nb) 또는 하프늄(Hf) 중 선택된 1종 이상인 X원소의 함량이 0.005∼1.0중량%, Cu의 함량이 0.002~0.45중량%;
[중량%로서 Mn 0.01~2.0, (Si+Mg) < 0.30 및 Zn < 4.0] 또는
[중량%로서 Mn ≤ 0.05, Si ≥ 0.03, (Mn + Mg + Zn) < 1.0 및 Al ≥ 98.97; 또는
[중량%로서 Si 0.25~1.4, Mg 0.4~1.3, Mn ≤ 1.0, 및 Zn ≤ 0.25];
의 조성을 가지는 알루미늄 합금 용탕을 670~950℃의 온도 범위로 준비하는 단계;
상기 용탕을 주조하여 빌렛 또는 와이어 로드의 형태로 모재를 제작하는 단계;
상기 모재를 450 ~ 650℃의 온도 범위에서 5 ~ 25 시간 동안 열처리를 시행하는 단계;
상기 모재를 압출 또는 인발하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기용 알루미늄 튜브 또는 배관의 제조방법에 의해 달성된다.
상기 제조방법에서,
상기 모재는 Fe, Ti, Cr, V, Ni, Co, In, B, Pb, Bi, Ca, Be, Ag, Pd, Sb 및 Y 중 선택된 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
상기 합금 용탕의 제조방법은 개별 원소의 X금속, 2원소 이상의 X 모합금(X원소가 2종 이상일 때 X 원소들의 합금으로 된 모합금) 또는 Al-X의 모합금(알루미늄과 X원소 또는 알루미늄과 X원소들의 합금으로 된 모합금)의 형태로 용탕에 상기 X 원소를 투입할 수 있다.
여기서, 상기 2원소 이상의 X 모합금 또는 Al-X의 모합금은 Cu, Mn, Si, Mg, Zn, Fe, Ti, Cr, V, Ni, Co, In, B, Pb, Bi, Ca, Be, Ag, Pd, Sb 및 Y 중 선택된 1종 이상을 더 포함하여 3원계 이상의 다원계 모합금의 형태일 수 있다.
상기 제조방법에서, 시효경화 열처리, 아연 코팅, 화성 코팅, 수지 코팅 및 이들의 조합 중 어느 하나를 더 실시할 수 있다.

본 발명의 또 다른 목적은,
원자번호57(La) 내지 71번(Lu)의 희토류금속, 스칸듐(Sc), 나이오븀(Nb) 또는 하프늄(Hf) 중 선택된 1종 이상인 X원소의 함량이 0.005∼1.0중량%, Cu의 함량이 0.002~0.45중량%;
[중량%로서 Mn 0.01~2.0, (Si+Mg) < 0.30 및 Zn < 4.0] 또는
[중량%로서 Mn ≤ 0.05, Si ≥ 0.03, (Mn + Mg + Zn) < 1.0 및 Al ≥ 98.97]; 또는
[중량%로서 Si 0.25~1.4, Mg 0.4~1.3, Mn ≤ 1.0 및 Zn ≤ 0.25];
의 조성을 가지는 알루미늄 튜브 또는 배관이 상기 튜브 또는 배관보다 부식전위가 더 낮은 핀(fin), 헤더(header) 또는 양자 모두에 결합되는 것을 특징으로 하는 열교환기 시스템에 의해 달성될 수 있다.
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본 발명에 따르면, 열교환기 튜브 또는 배관에 사용되는 알루미늄 합금에서, 내식성 개선을 위해 특수원소(본 발명에서는 "X 원소"라 표기)를 첨가하여 조성을 개선함으로써, 내식성 및 강도를 향상시킬 수 있다. 이로 인해 부품의 수명증가와 아연코팅 공정의 생략 및 추가적인 후처리 공정의 생략 등으로 인해 제조 공정의 단순화와 비용절감을 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 내식성 향상을 설명하는 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 내식성 향상 원리를 설명하는 또 다른 개념도이다.
도 3은 본 발명에 의해 제조된 알루미늄 합금 튜브의 사진이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 의한 알루미늄 합금 조성 및 그의 제조 공정에 관해서 설명한다. 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 원칙에 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 내식성 알루미늄 합금(이하, '알루미늄 합금'이라 한다)은, 알루미늄을 기저로 하여 X원소를 필수적으로 포함한다. 본 발명에서 사용되는 "X원소"라 함은 원자번호57(La) 내지 71번(Lu)의 희토류금속, 스칸듐(Sc), 나이오븀(Nb), 또는 하프늄(Hf) 중 임의의 1종 이상으로 구성된 원소를 의미하는 것으로 정의한다.
본 발명에 의하면, 튜브 또는 배관용 알루미늄 합금의 경우 X원소는 알루미늄 합금 전체 중량에 대하여 0.005~1.0중량% 범위로 함유되며, Cu는 0.50중량% 이하의 범위로 함유된다. 본 발명에서의 튜브 또는 배관용 알루미늄 합금 조성은 3 가지 유형으로 분류할 수 있다.
첫 번째로, 상기 X원소 및 Cu 외에, 중량%로서 Mn 0.01~2.0, (Si+Mg) < 0.65 및 Zn < 4.0 인 경우이다. 이 경우는 상용의 Al 3XXX 계열 합금에 본 발명에 따른 X 원소가 첨가된 개량 Al 3XXX 계열의 합금이 된다.
《 참고 : 본 명세서 및 청구범위 전체에 걸쳐 특정원소(A)의 함량과 관련하여 A < 4.0 라고 표현한 것은 A원소가 0 < A < 4.0 의 범위 내에 있는 것을 의미한다.》
두 번째로, 상기 X원소 및 Cu 외에, 중량%로서 Si ≥ 0.03, (Mn+Mg+Zn) ≤ 1.0 및 Al ≥ 98.97인 경우이다. 이 경우 상용의 Al 1XXX 계열에 본 발명에 따른 X 원소가 첨가된 개량 Al 1XXX 계열의 합금이 된다.
세 번째로, 상기 X원소 및 Cu 외에, 중량%로서 Si 0.25~1.4, Mg 0.4~1.3, Mn ≤ 1.0, 및 Zn ≤ 0.25 인 경우이다. 이 경우는 상용의 Al 6XXX 계열 합금에 본 발명에 따른 X 원소가 첨가된 개량 Al 6XXX 계열의 합금이 된다.
또한 본 발명에 따르면, 브레이징용 알루미늄 합금의 경우, X원소는 위 세 가지 경우보다 함량이 증가하여 알루미늄 합금 전체 중량에 대하여 0.51∼5.0중량% 범위로 함유되고, Cu는 마찬가지로 0.50중량% 이하의 범위로 함유되며, Mn, Si, Mg 및 Zn의 함량은 중량%로서 Si 4.0~17.0, Mn ≤ 0.5, Mg ≤ 2.0, Zn ≤ 2.0 인 경우이다. 이 경우는 상용의 Al 4XXX 계열 합금에 본 발명에 따른 X 원소가 첨가된 개량 Al 4XXX 계열의 합금이 된다.
상기의 모든 경우는 추가적으로 합금원소(Fe, Ti, Zr, Cr, V, Ni, Co, In, B, Pb, Bi, Ca, Be, Ag, Pd, Sb, Y)와 불가피한 불순물을 더 포함할 수 있다.
결국 본 발명에 따른 알루미늄 합금 조성은 가공용 알루미늄 합금 종류 중 Al-Cu 또는 Al-Cu-Mg 합금인 2XXX 계열, Al-Mg 합금계열인 5XXXX 및 Al-Zn-Mg-Cu 합금인 7XXX 계열을 제외하는 조성에 해당하고, 본 발명에 따른 X원소를 제외하면 순 Al 합금계열인 1XXX 계열, Al-Mn 합금계열인 3XXX 계열, Al-Si 합금인 4XXX계열 및 Al-Mg-Si 합금계열인 6XXX 계열에 해당하므로 본 발명에 따른 알루미늄 합금 조성은 위 계열들의 합금에 X원소가 첨가된 개량 알루미늄 합금 조성에 해당한다.
알루미늄 합금에서 주요 합금원소인 Cu, Mn, Mg, Si, Zn가 합금의 특성에 미치는 영향은 다음과 같다.
합금원소 Cu는 기지(Matrix)에 고용하여 알루미늄 합금의 강도를 증가시키나, Mn과 비교하여 압출성을 크게 저하시키는 단점이 있다. 일반적으로 Zn을 첨가하면 부식전위는 낮아지고, Cu를 첨가하면 부식전위가 높아진다고 알려져 있다. Zn과 Cu가 공존하는 경우에는, 특히 Zn 함유량이 적은 경우에는 Cu에 의한 전위 상승효과가 우세하다. 즉 Cu 함유량이 많으면, Zn 확산층에 의한 전위 저하효과보다도 Cu에 의한 전위 상승효과 쪽이 우세해지고, 그 함량이 0.12중량% 미만일 경우 내식성 등 구리를 첨가한 효과가 나타나기 어려우며, 그 함량이 0.45중량%를 초과할 경우에는 압출성과 내식성이 동시에 저하된다. 본 발명에서 Cu의 바람직한 함량은 0.50중량% 이하이며, 더욱 바람직한 범위는 0.002∼0.45중량% 또는 0.02~0.45중량%의 범위이다. 또한 본 발명에서의 Zn의 바람직한 함량은 4.0중량% 이하이다.
합금원소 Mn은 알루미늄 합금의 강도를 증가시킨다. Mn 함유량이 0.5중량% 미만이면 강도 증가 효과는 작고, 1.7중량%를 넘어서면 압출성이 저하된다. Mn의 첨가는 동일한 양의 Si, Cu 또는 Mg을 첨가한 경우와 비교하여, 압출성, 특히 한계 압출 속도의 저하가 현저하게 작다. 또한 Al6Mn의 미세한 금속간 화합물로 석출하여 합금의 부식 전위를 높이는 효과도 있다. 이는 열교환기 튜브로 제조되었을 때, 열교환기 튜브의 부식 전위를 높이면 핀(fin)과의 전위차를 크게 할 수 있어 내식성을 향상시키는 작용을 한다. 그 함량이 0.6중량% 미만일 경우 내식성 등 망간을 첨가한 효과가 적은 편이고, 그 함량이 1.2중량%를 초과할 경우에는 압출성이 저하된다. 본 발명에서의 Mn의 바람직한 함량은 알루미늄 2.0중량% 이하이다.
합금원소 Si는 Al-Mn-Si계 금속간 화합물로 석출되어 입계 이동의 방해를 통하여 결정립 성장을 억제하고, 압출시 변형저항을 작게 하여 압출성을 향상시킨다. 0.05중량% 미만일 경우에는 주조 시 제조비용이 상승하게 되고, Si량이 0.10% 이상이면, 합금 속에 Al-Mn-Si계 금속간 화합물을 형성하므로 합금 속의 Mn 고용도를 저하시키는 효과를 나타낸다. 이로 인해 부식전위의 강하가 나타날 수 있다. 또한 그 함량이 0.2중량%를 초과할 경우에는 합금의 강도를 높이게 되어 압출성이 저하된다. 본 발명에서 Si의 바람직한 함량은 알루미늄 합금의 조성기반이 3XXX 계열인 경우는 0.65중량% 이하이며, 알루미늄 합금의 조성 기반이 6XXX 계열인 경우는 0.25~1.40중량% 범위이다.
합금원소 Mg는 기지내에서 고용경화의 영향에 의하여 강도를 증가시키나 양이 증가할수록 압출성을 저하시킨다. 첨가량이 2.0%를 초과하면 플럭스와 반응 등으로 인하여 고융점의 화합물을 형성하기 때문에 현저하게 접합성을 저하시키는 경향이 있다. 또한 3.5중량%를 초과할 경우, Mg2Al3가 석출하여 입계부식이나 응력부식에 대한 감수성이 커지게 된다. 따라서 본 발명에서의 바람직한 Mg의 함량은 알루미늄 합금의 조성기반이 3XXX 계열인 경우는 0.65중량% 이하이며, 알루미늄 합금의 조성 기반이 6XXX 계열인 경우는 0.40 내지 1.30중량% 이하이다.
한편, 금속의 경우, 표면에 산화막이 형성되어 부식으로부터 내부를 보호하지만, 이러한 산화막은 박리 또는 파괴가 일어나 점차적으로 재료의 부식이 진행된다.
알루미늄 합금에서 Cu가 적정함량 이상일 경우 입계에 석출물이 형성되는 경향이 있어 입계 부식 및 국부 부식에 대한 민감성이 높아진다. 그 이유는 Cu 석출물의 전위가 높고 그 주변은 거꾸로 Cu의 함량이 낮아져서 국부적인 부식 마이크로 셀(corrosion micro-cell)이 형성되기 때문이다.
따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해서 본 발명에서는 알루미늄 합금에 추가적으로 X 금속을 첨가하여 산화막의 연성과 밀착성을 개선하고, Cu 로 인한 국부 부식 효과를 억제하여 내식 특성을 개선할 수 있다. 또한 X 금속은 부식전위를 상승시키는 효과가 있으므로, 부식전위 상승 목적을 위한 Cu 첨가를 최소화시키거나 Cu를 대체하는 것도 가능하다.
이때 X 원소가 첨가 되면 다음과 같은 효과를 나타낸다.
X 원소는 산화막의 미세구조를 변화시켜 산화막(oxidation scale)의 연성을 증가시켜 막의 이탈을 방지하고, 산화막에 내부쪽으로의 쐐기 형태를 형성시켜 기지와 산화막의 밀착성을 증가시킨다(즉, 도 1에서 결정립(7)과 보호 산화막(3)의 밀착성이 증진되는 것이다). 또한 vacancy(공동) 붕괴효과가 생김으로써 기공의 형성이 억제되고, 산화막과 기지사이의 화학적 결합을 개선시킨다. 즉, 산화막과 기지 사이에 형성될 수 있는 기공의 형성을 억제하여 산화막과 기지사이의 공간을 방지하고 기지와의 쐐기모양의 산화막을 형성시켜 산화막의 밀착성을 증가시키다.
또한 X 원소는 기지 내에 석출된 구리 함유 석출물의 국부부식 음극반응을 감소시켜 결과적으로 주변의 국부부식 양극반응을 감소시키는 효과가 있으므로 Cu 로 인한 국부부식을 완화시키는 작용을 한다. 그 외에도 X원소는 알루미늄 제조시 용탕내의 내식성 취약 원소인 Fe, Ni 등의 성분을 감소시켜 내식성을 강화한다.
본 발명에서는 알루미늄 합금이 국부부식 및 입계부식에 취약해지는 것을 방지하기 위해 상기 X원소를 첨가함으로써 우수한 내식성을 얻을 수 있었다. 이때 X원소의 적정 첨가량은 0.005~1.0중량%의 범위가 바람직하고, 더욱 바람직한 함량은 0.01~0.60중량% 또는 0.05~0.50중량%의 범위이다. 그러나 알루미늄 합금조성의 기반이 브레이징용 4XXX 계열인 경우는 0.51~5.0중량%의 범위가 바람직하다.
즉, 도 1에서와 같이, 알루미늄 합금에서 Cu의 함량이 높을 때, 특히 0.10중량% 이상인 경우, 입계에서 Cu의 석출이 심해져서 부식에 대한 민감성이 높아진다. 이러한 이유는 입계에서 Cu가 석출되면 주변 기지부위에서 Cu의 고용도(기지내의 Cu함량)이 낮아지고 이 결과로 Cu의 부식전위 상승효과가 작아진다. 따라서 입계(grain boundary) 주변의 기지내 Cu 함량이 다른 부위의 기지내 Cu 함량보다 낮아지므로 입계 주위가 집중적으로 부식되는 결과를 초래하고 입계부식 또는 국부부식이 가속화된다.
따라서 본 발명에서의 X원소 성분을 소량 첨가할 경우, Cu로 인한 국부부식의 부작용을 최소화하고, 입계에서 형성된 산화막의 연성과 밀착성을 개선하여 Cu의 함량이 높아질 때의 부작용을 최소화할 수 있어 내식성을 개선하고, 입계 이외의 합금 표면에서도 산화막의 수명을 연장하여 내식성을 개선한다. 즉, 도 1에서와 같이 입계에서 일어난 부식부위에서 우수한 산화막이 형성되어 부식의 진행을 억제하게 된다. 또한 부수적으로 X 원소의 첨가는 알루미늄 합금의 강도와 부식전위를 증가시키는 효과가 있으므로 Cu 의 대체재로 활용가능하며, 알루미늄 합금의 유동성을 증가시켜 금속의 소성 가공성을 개선하며, 브레이징 특성을 개선하는 효과도 있다.
한편, 열교환기의 튜브 또는 배관의 내식성을 최대화하기 위해서는 튜브 또는 배관과 결합되는 이웃 부품의 내식성도 최적화가 필요하며, 이를 위해서는 튜브 또는 배관과 결합되는 핀 심부(fin core)재와 헤더(header)재의 부식전위가 튜브 또는 배관의 부식전위보다 낮은 것이 바람직하다. 이는 핀 심부재와 헤더재에 대한 적절한 합금재료의 선택을 통해 달성될 수도 있고, Cu, Mn 및 Zn 등과 같은 합금원소 함량의 제어를 통해서도 달성될 수 있다.
한편, 열교환기 튜브 또는 배관을 시스템으로 결합할 때 튜브 또는 배관은 브레이징(brazing)공정을 이용하여 클래드재에 의해 핀 심부재 또는 헤더재와 브레이징 접합된다. 클래드재는 Si가 4% 이상 다량 함유되므로 Si 가 핀 심부, 헤더 및 튜브 표면에 확산한다. 이때 Si은 기지내에 존재하는 Mn과 결합하여 Al-Mn-Si계 금속간 화합물을 형성하여 합금 속의 Mn 고용도를 저하시키는 효과를 나타내고, 이로 인해 부식전위의 낮아질 수 있다. 즉 표면의 내식성을 악화시킬 수 있다.
따라서 클래드재에 본 발명에 따른 X 원소를 첨가하면 X 원소가 튜브 또는 배관과 핀 심부 또는 헤더 표면에 확산 침투되므로 이들 재료 표면의 부식전위가 상승하여 Si 확산 침투에 따른 영향을 보완하고, 전술한 바와 같이 추가적으로 산화막의 연성 증가, Cu로 인한 국부부식의 방지 등의 효과로 인하여 튜브, 핀, 헤더 표면에서의 내식성이 강화된다. 특히 브레이징 접합부위에서 내식성이 강화되며 클래드재의 젖음성도 개선되어 접합부위를 보호할 수 있어 전체적인 열교환기 시스템의 내식성이 개선된다. 이때 튜브, 배관, 헤더 등의 재질은 일반적인 상용 알루미늄 합금을 사용하여도 개선효과가 나타난다.
도 2는 브레이징용 알루미늄 합금에 본 발명에 따른 X 원소를 첨가하였을 때의 개념도이다. 브레이징 영역(9:brazing zone)내에 존재하는 X 원소(11)가 핀 심부(13)와 튜브(15)의 표면에 확산 침투하여 확산층(17:diffusion layer)을 형성하여 핀과 튜브 표면의 내식성을 강화한다.
또한 브레이징 공정의 특성상 클래드재가 용융되어 핀 심부와 헤더를 튜브에 확산 접합시키는 것이므로, 본 발명에 따른 X 원소가 첨가된 튜브 또는 배관과 일반적인 상용의 클래드재를 사용하였을 경우, 클래드재에 의해 튜브 또는 배관의 표면층에 존재하는 본 발명의 X 원소가 확산층에 의해 희석되어 내식성 및 전위가 낮아진다. 이때 본 발명에서와 같이 클래드재에 X 원소를 첨가하면 이를 보완할 수 있다.
본 발명에 따르면, 4XXX 계열인 브레이징용 클래드재의 바람직한 X 원소의 함량은 확산되어 소실되는 X 원소를 고려하여 0.51∼5.0중량% 의 범위이고, Cu 는 마찬가지로 0.50중량%이하가 바람직하다. 이때 바람직한 알루미늄 합금의 조성은 중량%로 Si 4.0∼17.0, Mn ≤ 0.5, Mg ≤ 2.0, Zn ≤ 2.0 의 범위이다. 그리고 추가적인 합금원소(Fe, Ti, Zr, Cr, V, Ni, Co, In, B, Pb, Bi, Ca, Be, Ag, Pd, Sb , Y)와 불가피한 불순물을 더 포함할 수 있다. 이 경우는 상용의 Al 4XXX 계열 합금에 본 발명에 따른 X 원소가 첨가된 개량 Al 4XXX 계열의 합금이 된다.
한편, 등록특허 제10-1335680호의 청구항 1에서는, 합금원소 Fe 0.05~0.5중량%, Zr 0.1~0.5중량%, MM 0.01~0.5중량%, Sc 0.01~0.2중량%, Y 0.001~0.01중량%로 구성된 합금원소 군 중에서 두 개 이상의 물질을 선택하여 합금원소들의 첨가 총량이 0.6중량% 이하가 되게 하고 나머지는 순 알루미늄을 용해하고 합금화하여 알루미늄 합금을 형성시킴으로써, 내압특성을 향상시킨 열교환기용 콘덴서 튜브 제조 방법을 제안하고 있다.
이 특허문헌은 본 발명에서의 X 원소 중 MM(희토류 합금의 일종)과 Sc 첨가의 내용을 포함하고 있으나, 알루미늄 합금의 강도를 증가시키기 위해 순수 알루미늄에 Zr, MM, Sc, Y 등 중에서 일부를 첨가하여 내압강도 특성을 개선한 것으로 99.4% 이상의 Al 조성에 해당하므로 1XXX 계열의 알루미늄 합금의 변형 합금에 해당한다. 일반적으로 1XXX 계열의 알루미늄 합금은 실리콘(Si)이 첨가되나, 상기 특허 문헌은 Si를 Zr, MM, Sc, Y 등으로 대체한 것으로 판단된다.
상기 특허 문헌에서는 본 발명에서의 주요원소인 Cu, Mn, Si, Mg가 합금원소로 첨가되지 않고, 특히 본 발명에 따른 변형 1XXX 계열 합금의 특징인 Si이 포함되지 않으며, 내식성 증가라는 본 발명 기술적 사상과도 명확히 구별된다. 또한 Si 함량을 생략하고 있어 합금 제조가 어렵고 생산비용이 크게 상승하는 문제점이 있다. 같은 출원인의 특허문헌 등록특허 제10-1349359호도 상기한 바와 마찬가지다.
또한 등록특허 10-1194970의 청구항 1에서는, 알루미늄 합금 플레이트의 한 면 이상은 규소를 4 % 내지 15 %, Ag, Be, Bi, Ce, La, Pb, Pd, Sb, Y 또는 미슈 금속(misch metal)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 0.01 % 내지 0.5 % 함유하는 브레이징 알루미늄 합금으로 코팅되는 것인 알루미늄 합금 플레이트 조립 방법을 제시하고 있다. 이는 4XXX 계열의 변형 합금조성으로서 X 원소가 0.51∼1.50중량% 범위이고, Cu가 함유되는 본 발명과는 조성범위가 다르며, 내식성 증가라는 기술적 사상과도 차별화 되어 있다.
최근 마그네슘 합금 분야에서 희토류 금속을 첨가하는 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 알루미늄 합금분야에서는 내식성의 개선을 위해서 알루미늄합금 표면에 희토류 원소를 응용한 화성 코팅(conversion coating) 개발 등 코팅분야에 집중되고 있다.
따라서 기존 상용의 알루미늄 합금에 추가적으로 X 원소를 직접 합금원소로 첨가한 문헌은 주물용 알루미늄 합금에 대한 것, 2XXX 계열에 대한 것, 1XXX 계열 일부 및 4XXX 계열 일부 등 극히 제한적이다. 특히 본 발명에서와 같이 가공용 알루미늄 합금인 3XXX 및 6XXX 계열을 대상으로 한 문헌은 없는 것으로 판단되고, 1XXX 및 4XXX 계열의 경우도 본 발명과는 조성범위와 기술의 원리가 차별화되고 있다. 특히 구리(Cu)와의 연관성, 모재의 전위 상승 및 산화막 수명증가, 내식성의 향상 및 강도 증가를 응용한 문헌은 없는 것으로 판단되고 있다.
다음으로는 본 발명에 따른 알루미늄 합금으로 제조되는 열교환기 튜브 또는 배관의 제조방법에 대하여 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 열교환기 튜브 또는 배관의 제조방법은,
알루미늄을 기저로 하여 중량%로 X원소(원자번호57(La) 내지 71번(Lu)의 희토류금속, 스칸듐(Sc), 나이오븀(Nb), 또는 하프늄(Hf) 중 1종 이상) 함량이 0.005∼1.0중량% 범위, Cu의 함량이 0.50중량% 이하를 포함하고,
[중량%로서 Mn 0.01~2.0, (Si+Mg) < 0.65 및 Zn < 4.0] 또는 [중량%로서 Si ≥ 0.03, (Mn+Mg+Zn) < 1.0 및 Al ≥ 98.97] 또는 [중량%로서 Si 0.25~1.4, Mg 0.4~1.3, Mn ≤ 1.0 및 Zn ≤ 0.25]를 함유하는 모재를 준비한다. 그리고 모재는 Fe, Ti, Zr, Cr, V, Ni, Co, In, B, Pb, Bi, Ca, Be, Ag, Pd, Sb 및 Y 중 선택된 1종 이상을 더 포함할 수 있다. 여기에 불가피한 불순물이 더 포함될 수는 있을 것이다. 이후 이 준비된 모재, 즉 알루미늄 합금을 670 내지 950℃의 온도 범위에서 일반적인 알루미늄 합금 제조 방법으로 용탕의 상태로 형성시킨다.
X 원소의 첨가방법으로는 개별 X 원소 금속 또는 2원소 이상의 X 모합금 또는 Al-X의 모합금(master alloy, 중간합금)의 형태로 용탕에 투입하여 합금 용탕을 형성시킬 수 있다. 또한 제조의 편리성을 높이기 위해서 상기 2원소 이상의 X 모합금 또는 Al-X의 모합금은 Cu, Mn, Si, Mg, Zn, Fe, Ti, Zr, Cr, V, Ni, Co, In, B, Pb, Bi, Ca, Be, Ag, Pd, Sb 및 Y 중 선택된 1종 이상과 불가피한 불순물을 더 포함하는 3원계 이상의 다원계 모합금의 형태로 투입할 수도 있다.
위와 같이 형성된 용탕을 주조(casting)에 의한 빌렛(billet) 또는 와이어 로드(wire rod)를 형성하거나 필요에 따라 잉곳(ingot)으로 형성시킨다.
그 후 상기 빌렛 또는 와이어 로드를 450 내지 650℃의 온도 범위에서 5 내지 25시간 동안 열처리한 후, 열처리된 빌렛 또는 와이어 로드를 압출 또는 인발을 통해 열교환기 튜브 또는 배관을 제조한다. 이 때, 빌렛의 경우에는 300 내지 550℃의 온도 범위에서 예열하고, 압출 온도 300 내지 550℃의 온도 범위에서 시작하여 종료는 250 내지 350℃로 하여 열교환기 튜브를 압출하는 것이 바람직하다.
필요에 따라서는 빌렛이 아닌 형태의 주조품으로 제작하여 냉간단조, 열간단조 등의 금속소성 방법으로 제품을 제작할 수도 있을 것이다. 재질이 Al 6XXX 계열을 기반일 경우는 일반적으로 적용되고 있는 시효경화 열처리도 추가 실시할 수 있다.
본 발명에서 하나의 바람직한 실시예에 따른 재료의 조성(중량%)은 다음의 표 1 및 표 2와 같을 수 있다.
합금 조성 Cu X Mn Si+Mg Zn Al
바람직한 실시예 ≤0.5 0.005~1.0 0.01~2.0 <0.65(좀 더 바람직하게는 <0.3) <4.0 bal.
합금 조성 Cu X Mn Si+Mg Zn Al
바람직한 실시예 ≤0.5 0.005~1.0 ≤1.0 0.65~2.7 ≤0.25 bal.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 표3의 구체적인 실시예(1~7)와 이에 대비되는 비교예(1~2)를 통하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 알루미늄 합금(실시예1~7)과 이에 대비되는 알루미늄 합금(비교예 1~2)을 제작하였다. 이들 합금 조성의 성분분석 결과를 표 3에 나타내었다. 표 3에서, 이들 합금의 조성은 중량%로 나타내었으며, 각 합금에는 불가피한 불순물을 함유할 수 있다는 점을 고려하였다.
전술한 알루미늄 합금(실시예1~7 및 비교예1~2)들은 합금의 주조시 합금 용탕의 온도를 670 내지 950℃의 온도범위에서 제어하고 주조를 통하여 빌렛으로 제조한 후 열처리하였다. 이 후 압출을 통해 열교환기 튜브를 제조하였다.
그 후, 열교환기 튜브는 브레이징 처리후의 결과를 반영하기 위하여 일반적인 통용되는 브레이징 처리온도 및 처리시간으로 열처리를 행하였다. 통상적인 브레이징 공정온도와 처리시간은 580~650℃에서, 수분 내지 수십분이므로 본 발명에서는 600℃에서 10분 열처리를 시행하였다.
이렇게 제조된 열교환기 튜브의 내식 특성을 평가하기 위해 ASTM 규격에 따른 SWAAT 평가를 실시하였으며 그 결과를 표 3에 함께 나타내었다. SWAAT 평가는 ASTM 표준 G85에 따른 시험으로 4.2중량%의 NaCl 용액에 Glacial Acetic acid를 첨가하여 pH2.8 내지 3.0이 유지되도록 하여 49℃의 온도 분위기 하에서 0.07MPa 압력으로 분사하는 시험을 수행하였다. 이때, 분무량은 1 내지 2㎖/hr를 유지하였다.
　 Cu X Mn Fe Si Zn Mg,Cr,Ti Al SWAAT
Leak
Time (hr)
실시예 　 　 　
1 0.30 Ce 0.02 0.50 0.25 0.15 0.10 0.15max bal. 780
2 0.30 Ce 0.10 0.50 0.25 0.15 0.10 0.15max bal. 930
3 0.30 Ce 0.30 0.50 0.25 0.15 0.10 0.15max bal. 880
4 0.30 Hf 0.30 0.50 0.25 0.15 0.05 0.15max bal. 860
5 0.30 Nb 0.30 0.50 0.25 0.15 0.05 0.15max bal. 840
6 0.30 La 0.50 0.50 0.25 0.15 0.05 0.15max bal. 900
7 0.30 Sc 0.30 0.50 0.25 0.15 0.05 0.15max bal. 860
8 0.05 La 0.35 - 0.25 0.15 - 0.15max bal. 750
9 0.30 La 0.80 0.05 0.25 0.60 0.05 Mg 1.00 bal. 730
비교예 　 　 　 　 　 　 　 　 　
1 0.30 - 0.50 0.25 0.15 0.10 0.15max bal. 480
2 0.12 - 1.20 0.25 0.40 0.10 0.15max bal. 350
3 0.05 - - 0.25 0.15 - 0.15max bal. 360
4 0.30 - 0.05 0.25 0.60 0.05 Mg 1.00 bal. 340
상기 표 3를 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 실시예 1 내지 9은 비교예 1 내지 4에 비하여 매우 우수한 성능을 나타내고 있음을 알 수 있다.
또한 표 4에는 브레이징용 알루미늄 합금에 대하여 본 발명에 따른 실시예와 비교예를 나타낸 것이다. 열교환기 구성 부품인 튜브, 핀 심부 및 헤더의 재질을 Al 3003으로 사용하였을 경우, 클래드 재료에 X 원소와 Cu를 첨가하였을 때의 첨가효과를 보여주고 있다. 즉 X 원소의 첨가는 내식성을 개선하고, Cu의 첨가도 내식성을 어느 정도 개선하는 결과를 보여주고 있다.
　 Cu X Mn Fe Si Zn Mg,Cr,Ti Al SWAAT
Leak
Time (hr)
실시예 　 　 　
1 - La 1.20 - - 8.0 - 0.15max bal. 730
2 0.12 La 1.20 - - 8.0 - 0.15max bal. 770
3 0.12 La 3.60 - - 8.0 - 0.15max bal. 840
비교예 　 　 　 　 　 　 　 　 　
1 - - - - 8.0 - 0.15max bal. 420
2 0.12 - - - 8.0 - 0.15max bal. 460
열교환기 튜브 또는 배관은 구리의 첨가로 핀재, 클래드재에 비해 전위가 높아질 수 있어 내식성이 증가하는 장점이 있으나, 구리함량이 많아질수록 특히 0.1% 이상일 경우 입계에서의 구리 석출로 입계에서 구리의 함량이 다른 부위에 비해 적어지는 경향이 있다. 이는 입계부위가 다른 부위에 비해 전위가 낮아지는 결과를 초래하여 입계가 집중적으로 부식되고 결국 튜브 또는 배관에 관통부식이 일어나 열교환기의 기능이 상실된다.
본 발명에 의하면, 도 1에 표현된 바와 같이 X 원소를 첨가함으로써 합금의 부식전위가 증가하고, 구리의 국부부식이 방지되며, 입계(1)에서 연성이 좋은 보호 산화막(3)이 형성되게 된다. 이 보호 산화막(3)은 밀착성이 좋으므로 입계(1)를 통한 부식을 최소화 할 수 있다. 즉 부식이 발생하더라도 이 부식 부위(5)는 보호 산화막(3)에 의해 결정립(7)으로 침투하지 못하게 된다.
따라서 본 발명에 따른 알루미늄 합금을 이용한 열교환기 튜브 또는 배관은 다양한 부식 환경 하에서도 입계부식 또는 공식(孔蝕;pitting) 없이 장기간 사용할 수 있다.
한편, 본 발명에서의 튜브 또는 배관에 더욱 큰 내식성이 요구되는 경우에는 열교환기 튜브 또는 배관 표면에 아연 코팅(용사 등) 처리를 시행하여 희생양극 효과를 부여할 수도 있으며, 추가적으로 화성코팅을 적용할 수도 있다. 또한 거시적인 내식성 향상을 위해 튜브 이외의 열교환기 구성 부품인 핀 심부재, 헤드재 및 클래드재를 적절히 선택하여 열교환기 튜브 또는 배관의 부식 전위를 최적화 설계함으로써 튜브 또는 배관의 내식성을 더욱 향상 시킬 수 있다. 이때 핀과 헤드의 부식전위가 튜브 또는 배관의 부식전위보다 낮은 것이 바람직하다. 또한 상기 아연 용사 또는 코팅 처리, 화성코팅처리 및 전위의 설계기법이 동시에 적용될 수 도 있다. 또한, 본 발명에 따른 열교환기 튜브 표면에 추가적으로 실리콘 또는 수지 코팅을 더 시행하여 내식성을 더욱 향상 시킬 수 있으며, 강도증가를 위해 필요시 추가적인 시효경화 열처리를 실시할 수도 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.
1 : 입계(grain boundary) 3 : 보호 산화막
5 : 부식 부위 7 : 결정립(grain)
9 : 브레이징 영역(brazing zone) 11 : X 원소
13 : 핀 심부(fin core) 15 : 튜브(tube)
17 : 확산층(diffusion layer)

Claims (18)

  1. 0.005~1.00중량%의 X 원소 및 0.002~0.45중량%의 구리(Cu);
    중량%로서 Mn 0.01~2.0, Si+Mg < 0.3, 및 Zn < 4.0;를 포함하되,
    상기 X 원소는 원자번호57(La) 내지 71번(Lu)의 희토류금속, 스칸듐(Sc), 나이오븀(Nb) 또는 하프늄(Hf) 중 1종 이상인 것을 특징으로 하는 내식성이 향상된 열교환기 튜브 및 파이프용 알루미늄 합금.
  2. 0.005~1.000중량%의 X 원소 및 0.002~0.45중량%의 구리(Cu);
    중량%로서 Mn ≤ 0.05, Si ≥ 0.03, (Mn + Mg + Zn) < 1.0 및 Al ≥ 98.97 ;를 포함하되,
    상기 X 원소는 원자번호57(La) 내지 71번(Lu)의 희토류금속, 스칸듐(Sc), 나이오븀(Nb) 또는 하프늄(Hf) 중 1종 이상인 것을 특징으로 하는 내식성이 향상된 열교환기 튜브 및 파이프용 알루미늄 합금.
  3. 0.005~1.00중량%의 X 원소 및 0.002 ~0.45중량%의 구리(Cu);
    중량%로서 Si 0.25~1.4, Mg 0.4~1.3, Mn ≤ 1.0, Zn ≤ 0.25;를 포함하되,
    상기 X 원소는 원자번호57(La) 내지 71번(Lu)의 희토류금속, 스칸듐(Sc), 나이오븀(Nb) 또는 하프늄(Hf) 중 1종 이상인 것을 특징으로 하는 내식성이 향상된 열교환기 튜브 및 파이프용 알루미늄 합금.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은 Fe, Ti, Cr, V, Ni, Co, In, B, Pb, Bi, Ca, Be, Ag, Pd, Sb 및 Y 중 선택된 1종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내식성이 향상된 열교환기 튜브 및 파이프용 알루미늄 합금.
  8. 원자번호57(La) 내지 71번(Lu)의 희토류금속, 스칸듐(Sc), 나이오븀(Nb) 또는 하프늄(Hf) 중 선택된 1종 이상인 X원소의 함량이 0.005∼1.0중량%, Cu의 함량이 0.002~0.45중량%;
    [중량%로서 Mn 0.01~2.0, (Si+Mg) < 0.30 및 Zn < 4.0] 또는
    [중량%로서 Mn ≤ 0.05, Si ≥ 0.03, (Mn + Mg + Zn) < 1.0 및 Al ≥ 98.97; 또는
    [중량%로서 Si 0.25~1.4, Mg 0.4~1.3, Mn ≤ 1.0, 및 Zn ≤ 0.25];
    의 조성을 가지는 알루미늄 합금 용탕을 670~950℃의 온도 범위로 준비하는 단계;
    상기 용탕을 주조하여 빌렛 또는 와이어 로드의 형태로 모재를 제작하는 단계;
    상기 모재를 450 ~ 650℃의 온도 범위에서 5 ~ 25 시간 동안 열처리를 시행하는 단계;
    상기 모재를 압출 또는 인발하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기용 알루미늄 튜브 또는 배관의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서,
    상기 모재는 Fe, Ti, Cr, V, Ni, Co, In, B, Pb, Bi, Ca, Be, Ag, Pd, Sb 및 Y 중 선택된 1종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기용 알루미늄 튜브 또는 배관의 제조방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 합금 용탕의 제조방법은 개별 원소의 X금속, 2원소 이상의 X 모합금(X원소가 2종 이상일 때 X 원소들의 합금으로 된 모합금) 또는 Al-X의 모합금(알루미늄과 X원소 또는 알루미늄과 X원소들의 합금으로 된 모합금)의 형태로 용탕에 상기 X 원소를 투입하는 것을 특징으로 하는 열교환기용 알루미늄 튜브 또는 배관의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 2원소 이상의 X 모합금 또는 Al-X의 모합금은 Cu, Mn, Si, Mg, Zn, Fe, Ti, Cr, V, Ni, Co, In, B, Pb, Bi, Ca, Be, Ag, Pd, Sb 및 Y 중 선택된 1종 이상을 더 포함하여 3원계 이상의 다원계 모합금의 형태인 것을 특징으로 하는 열교환기용 알루미늄 튜브 또는 배관의 제조방법.
  14. 제8항에 있어서,
    시효경화 열처리, 아연 코팅, 화성 코팅, 수지 코팅 및 이들의 조합 중 어느 하나를 더 실시하는 것을 특징으로 하는 열교환기용 알루미늄 튜브 또는 배관의 제조방법.
  15. 원자번호57(La) 내지 71번(Lu)의 희토류금속, 스칸듐(Sc), 나이오븀(Nb) 또는 하프늄(Hf) 중 선택된 1종 이상인 X원소의 함량이 0.005∼1.0중량%, Cu의 함량이 0.002~0.45중량%;
    [중량%로서 Mn 0.01~2.0, (Si+Mg) < 0.30 및 Zn < 4.0] 또는
    [중량%로서 Mn ≤ 0.05, Si ≥ 0.03, (Mn + Mg + Zn) < 1.0 및 Al ≥ 98.97; 또는
    [중량%로서 Si 0.25~1.4, Mg 0.4~1.3, Mn ≤ 1.0 및 Zn ≤ 0.25];
    의 조성을 가지는 알루미늄 튜브 또는 배관이 상기 튜브 또는 배관보다 부식전위가 더 낮은 핀(fin), 헤더(header) 또는 양자 모두에 결합되는 것을 특징으로 하는 열교환기 시스템.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
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