KR102574902B1 - 열교환기용 알루미늄 합금의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열교환기용 알루미늄 합금의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 열교환기에 사용되는 알루미늄 합금 소재를 대상으로 하며, 우수한 관통 부식 저항성과 기계적 특성을 동시에 만족하기 위한 열처리 공정 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 미세한 석출상의 균일한 생성을 위한 고온과 저온, 2 단계로 나뉘어진 균질화 열처리 조건과 우수한 인장 강도 및 연신율을 얻기 위한 소둔 열처리 조건을 제시한다.
Description
본 발명은 열교환기용 알루미늄 합금의 제조 방법에 관한 것으로서, 본 발명은 열교환기에 사용되는 알루미늄 합금 소재를 대상으로 하며, 우수한 관통 부식 저항성과 기계적 특성을 동시에 만족하기 위한 열처리 공정 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 미세한 석출상의 균일한 생성을 위한 고온과 저온, 2 단계로 나뉘어진 균질화 열처리 조건과 우수한 인장 강도 및 연신율을 얻기 위한 소둔 열처리 조건을 제시한다.
기존 등록특허 KR 10-1465389의 알루미늄 합금 튜브는 압출속도 및 강도를 A1XXX계 수준으로 유지하면서 부식전파 형태 및 내식성을 개선시켜 기존 A1XXX계 및 A3XXX계 알루미늄 합금 튜브보다 관통 부식에 대한 저항성을 향상시킨 소재이다. 그러나 위 합금이 가지는 기계적 특성은 A1XXX계 수준으로 열교환기 제조공정 중 발생하는 응력에 의해 파손이 발생할 가능성이 있다. 따라서 본 발명에서는 기존 합금의 관통 저항성을 유지하며 기계적 특성을 향상시키기 위해 합금 설계 및 열처리 공정에 대한 연구를 진행하였으며, 기존 KR 10-1465389 알루미늄 합금의 관통저항성 유지와 동시에 A3XXX계 합금과 유사한 기계적 특성을 나타내는 열처리 공정 방법을 개발하였다.
(1) 균질화처리 온도 및 시간 최적화
균질화처리는 석출상 분해 및 재석출을 통해 주조된 빌렛의 미세 편석을 제거하고, 잔류 내부 응력을 제거하여 제품의 균열을 방지하기 위한 공정으로 알루미늄 합금 내 용질 원자의 균일한 분포를 이루기 위해 필수적인 공정이다.
개발합금 중 Zr 원소는 Al matrix에서 결정립 크기(Grain Size)를 미세화하여 강도를 향상시킬 뿐만 아니라 소재 내부의 전위차를 발생시켜 부식의 개시점으로 작동하는 석출물들을 미세하게 분산시켜 좁고 깊은 형상의 예측 곤란한 부식의 한 형태인 공식(Pitting Corrosion)의 발생을 억제하고 균일부식을 유도하는 효과가 있다. 그러나 Zr은 Al matrix 내에서 편석 현상이 심하게 나타나는 원자로 해당 용질 원자의 균일한 분포를 유도하기 위해서는 일반적인 공정보다 고온(500oC 이상)의 열처리가 요구된다. 반면, 내식성에 악영향을 끼치는 Fe 원소를 포함한 금속간화합물의 미세한 분산을 위하여 Al3Zr 상의 생성을 최대화하는 열처리 조건이 요구되는데 이는 일반적인 공정보다 저온(380~400oC)에서의 열처리가 요구된다. 따라서 해당 금속간화합물의 미세편석 제거, 거시적 조성 균질화, 금속간화합물의 최적 결정립 크기 및 분포 유도를 위해 고온과 저온의 2 단계로 나누어진 균질화 열처리에 대한 온도 및 시간의 최적화가 요구된다.
(2) 개발합금의 강도
KR 10-1465389 개발합금의 기계적 특성의 경우 A1XXX계 수준으로 A3XXX계 알루미늄 합금 대비 인장강도가 낮다. 이에 따라 제조공정 중 제품에 가해지는 외력(Fin 결합, bending, 유체에 의한 내압)에 의해 변형, 균열, 파괴 등이 발생할 위험이 있다.
재료의 강도는 소재 내부에 존재하는 석출상, 불순물, 결함 등에 의한 전위 이동의 방해로 증가시킬 수 있다. 위와 같은 결함들은 재료의 변형이 일어나는 슬립 시스템(Slip System)의 작동을 어렵게 만들어 강도를 증가시킬 수 있으나, 역으로 연성(Ductility)은 감소하게 된다. 따라서, 제품의 파손 방지를 위해 적절한 강도와 연성의 확보가 요구된다.
본 발명에서는 냉간 가공 후 소둔 열처리를 통해 우수한 관통 부식 저항성을 가지며 동시에 알루미늄 A3XXX계열 합금수준의 기계적 특성을 만족하는 열처리 조건을 선정하였다.
본 발명은 열교환기에 사용되는 알루미늄 합금 소재를 대상으로 하며, 고내식성과 우수한 기계적 특성을 동시에 만족하기 위한 열처리 공정 단계에 관한 것으로 Mn, Zr 첨가를 통해 금속간화합물(Intermetallic compound, IMC) 형성 및 분산을 유도하여 관통 부식 저항성 뿐만 아니라 기계적 특성을 향상시킨 재료이며, Mn과 Zr 함량 조절과 최적화된 열처리 공정을 통해 기존 A3XXX계에 준하는 기계적 특성을 가진 열교환기용 튜브 및 핀재 알루미늄 합금을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기용 알루미늄 합금의 제조 방법은, 0.30 내지 0.70wt%의 Mn; 0.10 내지 0.20wt%의 Zr; 잔부의 알루미늄; 및 기타 첨가물을 포함하는 알루미늄 합금 용탕을 제조하는 단계; 상기 알루미늄 합금 용탕을 주조하는 단계; 상기 주조 단계를 통해 형성된 알루미늄 합금을 두 단계로 열처리하는 단계를 포함하고, 상기 두 단계로 열처리하는 단계는 500 내지 580℃의 온도에서 7 내지 10시간 동안 열처리 하고 이후 370 내지 390℃의 온도에서 7 내지 10 시간 동안 열처리하는 단계를 포함한다.
상기 알루미늄 합금 용탕은 0.01wt% 이하의 Cu; 0.3wt% 이하의 Fe; 및 0.15wt% 이하의 Si를 더 포함한다.
상기 두 단계로 열처리하는 단계 이후 공냉하는 단계를 추가로 포함한다.
상기 공냉하는 단계 이후 상기 알루미늄 합금을 냉간 압연 또는 압출하는 단계를 추가로 포함한다.
상기 압출된 알루미늄 합금을 390 내지 410℃의 온도에서 0.5 내지 2 시간 동안 소둔 열처리(annealing)하는 단계를 추가로 포함한다. 상기 소둔 열처리 온도는 395 내지 405℃이다.
상기 두 단계로 열처리하는 단계에 의해 금속간화합물인 Al3Zr 상이 균일하게 분포하여 관통 부식 저항성 및 기계적 특성이 향상된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기용 알루미늄 합금의 제조 방법은, 0.30 내지 0.70wt%의 Mn; 0.10 내지 0.20wt%의 Zr; 잔부의 알루미늄; 및 기타 첨가물을 포함하는 알루미늄 합금 용탕을 제조하는 단계; 상기 알루미늄 합금 용탕을 주조하는 단계; 상기 주조 단계를 통해 형성된 알루미늄 합금을 두 단계로 열처리하는 단계; 상기 두 단계로 열처리하는 단계 이후 공냉하는 단계; 상기 공냉하는 단계 이후 상기 알루미늄 합금을 냉간 압연 또는 압출하는 단계; 및 상기 압출된 알루미늄 합금을 390 내지 410℃의 온도에서 0.5 내지 2 시간 동안 소둔 열처리하는 단계를 포함하고, 상기 두 단계로 열처리하는 단계는 500 내지 580℃의 온도에서 7 내지 10시간 동안 열처리 하고 이후 370 내지 390℃의 온도에서 7 내지 10 시간 동안 열처리하는 단계를 포함한다.
상기 알루미늄 합금 용탕은 0.01wt% 이하의 Cu; 0.3wt% 이하의 Fe; 및 0.15wt% 이하의 Si를 더 포함한다.
상기 소둔 열처리 온도는 395 내지 405℃이다.
상기 두 단계로 열처리하는 단계에 의해 금속간화합물인 Al3Zr 상이 균일하게 분포하여 관통 부식 저항성 및 기계적 특성이 향상된다.
기존 개발합금은 관통 부식 저항성이 향상된 열교환기용 알루미늄 합금이었다. 본 발명은 Zr, Mn 등의 함량의 적절한 조절과 최적화된 열처리 공정을 통해 관통 부식 저항에 대한 특성을 유지하며, 기존 A3XXX계에 준하는 기계적 특성을 가진 열교환기용 튜브 및 핀재 알루미늄 합금이다.
도 1은 저온 구간 열처리 온도에 따른 냉간 압연(압하율 87.5%) 후 미세조직 및 금속간화합물의 분포 형상(왼쪽 하단)을 도시한다.
도 2는 저온 구간 열처리 온도에 따른 냉간 압연(압하율 87.5%) 후 온도 조건별 모재(Matrix) 대비 금속간화합물의 면적비를 도시한다.
도 3은 최적화된 2단계 균질화 열처리를 진행한 합금의 냉간 압연(압하율 87.5%) 후 결정립 크기 분포 및 평균을 도시한다.
도 4는 380℃에서 소둔 열처리 시간에 따른 인장 곡선을 도시한다.
도 5는 400℃에서 소둔 열처리 시간에 따른 인장 곡선을 도시한다.
도 6은 420℃에서 소둔 열처리 시간에 따른 인장 곡선을 도시한다.
도 7은 소둔 열처리 온도별 2시간 처리 후 기계적 특성(인장강도, 연신율)을 도시한다.
도 8은 산성비 모사 환경에서 소둔 열처리 전/후의 부식 특성 평가를 위한 동전위 분극곡선을 도시한다.
도 9는 산성비 모사 환경 정전위 부식가속화 실험 후 단면 (AA3003, 개발합금[ 소둔 열처리 전/후])을 도시한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기용 알루미늄 합금의 제조 방법의 순서도를 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
도 2는 저온 구간 열처리 온도에 따른 냉간 압연(압하율 87.5%) 후 온도 조건별 모재(Matrix) 대비 금속간화합물의 면적비를 도시한다.
도 3은 최적화된 2단계 균질화 열처리를 진행한 합금의 냉간 압연(압하율 87.5%) 후 결정립 크기 분포 및 평균을 도시한다.
도 4는 380℃에서 소둔 열처리 시간에 따른 인장 곡선을 도시한다.
도 5는 400℃에서 소둔 열처리 시간에 따른 인장 곡선을 도시한다.
도 6은 420℃에서 소둔 열처리 시간에 따른 인장 곡선을 도시한다.
도 7은 소둔 열처리 온도별 2시간 처리 후 기계적 특성(인장강도, 연신율)을 도시한다.
도 8은 산성비 모사 환경에서 소둔 열처리 전/후의 부식 특성 평가를 위한 동전위 분극곡선을 도시한다.
도 9는 산성비 모사 환경 정전위 부식가속화 실험 후 단면 (AA3003, 개발합금[ 소둔 열처리 전/후])을 도시한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기용 알루미늄 합금의 제조 방법의 순서도를 도시한다.
다양한 실시예들이 이제 도면을 참조하여 설명되며, 전체 도면에서 걸쳐 유사한 도면번호는 유사한 엘리먼트를 나타내기 위해서 사용된다. 설명을 위해 본 명세서에서, 다양한 설명들이 본 발명의 이해를 제공하기 위해서 제시된다. 그러나 이러한 실시예들은 이러한 특정 설명 없이도 실행될 수 있음이 명백하다. 다른 예들에서, 공지된 구조 및 장치들은 실시예들의 설명을 용이하게 하기 위해서 블록 다이아그램 형태로 제시된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서는 알루미늄 개발 합금의 가공 후 결정립 크기의 최소화를 목적으로 연구하였다. 이는 금속간화합물인 Al3Zr 상 생성을 증가시킴으로써 얻을 수 있다. 따라서 해당 상 생성의 최적 조건을 위한 균질화 열처리 조건을 개발하였으며, 이에 대해서 이하에서 설명하도록 하겠다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기용 알루미늄 합금의 제조 방법의 순서도를 도시한다.
도 10에서 보는 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기용 알루미늄 합금의 제조 방법은, 알루미늄 합금 용탕을 제조하는 단계(S 110); 상기 알루미늄 합금 용탕을 주조하는 단계(S 120); 상기 주조 단계를 통해 형성된 알루미늄 합금을 두 단계로 열처리하는 단계(S 130); 상기 두 단계로 열처리하는 단계 이후 공냉하는 단계(S 140); 상기 공냉하는 단계 이후 상기 알루미늄 합금을 냉간 압연 또는 압출하는 단계(S 150); 및 상기 압출된 알루미늄 합금을 390 내지 410℃의 온도에서 0.5 내지 2 시간 동안 소둔 열처리하는 단계(S 160)를 포함한다.
S 110 단계에서는 알루미늄 합금 용탕을 제조한다. 알루미늄 합금 용탕은 0.30 내지 0.70wt%의 Mn; 0.10 내지 0.20wt%의 Zr; 잔부의 알루미늄; 및 기타 첨가물을 포함한다. 0.10wt% 미만의 Zr의 경우, Zr 함량이 낮아 분산재(Al3Zr)가 충분히 생성되지 못해 금속간화합물의 균일한 분산 유도가 어렵게 된다. 또한 상태도 상에서 Al 내 Zr의 고용도는 약 0.20wt% 정도로 이를 초과한 Zr은 석출상으로 존재하여 합금의 연성을 떨어뜨리게 된다. Mn의 경우, Al 합금내에서 국부부식 개시점으로 작용하는 Al3Fe를 억제하는 효과에 주목하여 Mn/Fe 함량비가 1 이상이 되도록 하였다.
Mn, Zr의 첨가를 통해 금속간화합물 형성 및 분산을 유도하여 관통 부식 저항성뿐만 아니라 기계적 특성의 향상도 도모한다.
또한, 알루미늄 합금 용탕은 0.01wt% 이하의 Cu; 0.3wt% 이하의 Fe; 및 0.15wt% 이하의 Si를 더 포함할 수 있다. Cu의 경우, Al 내에서 결정립계에 금속간화합물로 존재하며 결정립내 부식을 야기하므로 억제하였다. 또한, Fe 역시 Al 내에서 Al3Fe 상으로 존재하며, 모재(Al)와의 전위차로 인해 국부부식 개시점으로 작용하므로 억제하였다. 마지막으로, Si의 경우 Al 합금의 기계적 특성을 저하시키므로 불순물 함량 내에서 억제하였다.
S 120 단계에서는 알루미늄 합금 용탕을 주조한다. 알루미늄 합금 시험편을 빌렛 형태로 주조할 수 있다.
S 130 단계에서는 주조 단계를 통해 형성된 알루미늄 합금을 두 단계로 열처리하는 단계를 거친다. 두 단계로 열처리하는 단계는, 500 내지 580℃의 온도에서 7 내지 10시간 동안 열처리 하고 이후 370 내지 390℃의 온도에서 7 내지 10 시간 동안 열처리하는 단계를 포함한다. 즉 두 단계로 고온 열처리를 먼저 수행하고, 이후 저온 열처리를 수행함으로써 균질화 열처리를 두 단계로 압출 단계 이전에 수행한다. 두 단계로 열처리하는 단계에 의해 금속간화합물인 Al3Zr 상이 균일하게 분포하여 관통 부식 저항성 및 기계적 특성이 향상된다. 즉, 미세한 석출상의 균일한 생성(석출상이 최대로 생성됨을 의미함)을 위해 고온과 저온, 두 단계로 나뉘어진 균질화 열처리를 수행한다. 두 단계 열처리의 온도 범위는 실시예에서 온도 범위의 한정에 대한 이유를 설명하도록 하겠다.
S 140 단계에서는 공냉 단계를 수행한다.
S 150 단계에서는 공냉 단계 이후 알루미늄 합금을 냉간 압연 또는 압출하는 단계를 수행한다. 공냉한 알루미늄 합금을 냉간 압연 또는 압출하여 판재를 형성할 수 있다. 합금을 이주속 압연기를 통해 상온에서 압하율 80~90% 구간으로 가공하여 판재를 형성할 수 있다.
S 160 단계에서는 압출된 알루미늄 합금을 소둔 열처리(annealing)한다. 압출된 알루미늄 합금을 390 내지 410℃의 온도에서 0.5 내지 2 시간 동안 소둔 열처리하며, 바람직하게 소둔 열처리 온도는 395 내지 405℃이고, 395 내지 400℃이며, 가장 바람직하게는 약 400℃이다. 이러한 소둔 열처리에 의해 우수한 인장 강도 및 연신율을 얻을 수 있게 된다.
이러한 방법에 의해 열교환기용 알루미늄 합금을 얻게 되며, 얻은 알루미늄 합금을 이용해 열교환기용 알루미늄 튜브, 열교환기용 알루미늄 핀 재, 그리고 이러한 튜브 및 핀 재를 포함한 열교환기를 제조할 수 있다.
이하에서는 구체적인 실시예와 함께 본 발명의 내용을 추가적으로 설명하도록 하겠다.
본 실시예에서는 냉간 가공 후 격감하는 연신율의 회복과 동시에 A3XXX계열 수준의 강도를 확보할 수 있는 소둔 열처리 조건을 평가하였다. 또한, 전기화학 시험을 통해 소둔 열처리 후에도 유효하게 유지되는 관통 부식 특성을 확인하였다.
구체적인 방법으로는 Zr : 0.15 wt.%, Mn : 0.5 wt.%, Fe : 0.1 wt.%를 포함한 알루미늄 합금 시험편을 6인치 빌렛의 형태로 주조를 통해 제작한 뒤 2단계(고온 10시간, 저온 10시간) 균질화 열처리를 진행하였다. 이때, Al3Zr 상 생성이 최대가 되는 저온 온도 조건의 최적화를 위해 320℃에서 440℃까지의 온도 범위를 20℃ 간격으로 나누어 각각의 조건에 대한 냉간 압연 후 결정립 크기를 분석하였다. 또한, 소둔 열처리에 따른 기계적 특성을 평가하기 위해 인장 시험편을 제작하여 인장 특성을 측정하였다. 마지막으로, 부식 특성에 대한 평가는 산성비를 모사한 용액에서 포화감홍전극(saturated calomel electrode, SCE)을 기준전극으로 사용하여 30시간 개방회로 전위(open circuit potential, OCP)를 측정한 후 동전위 분극시험을 통해 부식전위 및 부식속도를 측정하였으며, 관통저항성 평가를 위해 정전위 부식 가속화 시험을 진행한 후 시편의 단면을 관찰하였다. 이 결과를 바탕으로 소둔 열처리 후에도 유효하게 유지되는 관통저항 특성을 확인하였다.
(1) 알루미늄 개발합금의 제조
본 발명에서 사용된 시편의 조성은 다음 [표 1]과 같다.
| 조성 (wt.%) | |||||
| Cu | Fe | Si | Zr | Mn | Al |
| 0.01 이하 |
0.3 이하 |
0.15 이하 |
0.15 | 0.5 | Rem. |
실험예1: 균질화처리 조건에 따른 가공 후 결정립 크기 평가
개발 합금에서 핵심 기술은 Al3Zr 상의 생성 최적화 공정이다. Al3Zr 상은 Al 합금의 결정립계 이동을 방해하여 냉간 가공 후 재결정화 처리에 따른 결정립의 성장을 억제하는 미세화 역할을 한다. 또한, Al 합금에서 부식의 주된 개시부로 작용하는 결정립계 역시 미세화에 의해 균일한 형태로 분포하게 되어 부식 반응이 국소적인 부위에 집중되는 것이 아닌 소재 전면에서 균일하게 발생하게 되므로 관통 부식 저항성이 크게 향상된다.
그러나, 상기 알루미늄 합금의 균질화처리에 사용되는 425~490℃ 온도 구간은 Al3Zr 상 석출을 위한 최적 조건이 아니므로, 입자가 작고 균일하며 높은 밀도의 Al3Zr 상을 생성하기 위한 2단계 균질화 열처리를 진행하였다. 2단계 균질화 열처리는 Al matrix 내에서 편석이 심한 Zr 원소의 균일한 확산을 위한 고온(540℃)에서 10시간 열처리를 진행하였다. 이후 Al3Zr 상의 생성량이 최대가 되는 저온 온도 조건 최적화를 위해 320℃에서 440℃까지의 온도 범위를 20℃ 간격으로 나누어 저온 구간 균질화 열처리를 진행하였으며, Al3Zr 상의 생성량은 냉간 가공 후 금속간화합물의 분포 형상 비교를 통해 평가되었다. 도 1은 저온 구간 열처리 온도에 따른 냉간 압연 후 미세조직 및 금속간화합물의 분포 형상이며, 이를 통해 측정된 모재 대비 금속간화합물의 면적비를 도 2에 나타내었다. 분석 결과, 도 1 및 도 2와 같이 저온 구간 균질화처리의 경우 380℃에서 금속간화합물이 가장 균일하게 분포되는 것을 확인하였으며, 이는 Al3Zr 상의 생성량이 최대가 되었음을 나타낸다. 따라서 고온(540℃) 10시간 후 저온(380℃) 10시간 조건을 최적화된 2 단계 균질화 열처리 조건으로 선정하였다. 해당 조건의 결정립 크기 분포 및 평균을 도 3에 나타내었으며, 평균 결정립 크기 및 결정립의 밀도를 표 2에 나타내었다.
| 평균 결정립 크기 [μm] |
결정립 밀도 [count/mm2] |
결정립 크기의 표준 편차 |
|
| 고온(540oC) 10시간 후 저온(380oC) 10시간 | 87.57 | 34.3 | 37.6 |
실험예2: 소둔 열처리 조건별 기계적 특성 평가
본 연구는 상기 2단계 균질화 열처리가 진행된 소재를 냉간 압연(압하율 87.5%)을 진행한 후 소둔 열처리 조건(온도, 시간)에 따른 기계적 특성에 대한 평가이다. 소둔 열처리는 가공 후 잔류응력 제거 및 결정립의 방향성을 제거하기 위한 공정이다. 소둔 열처리의 경우, 합금의 조성, 완제품의 결정립 크기 및 기계적 특성에 따라 제조방법이 상이하기 때문에 다양한 조건에서의 특성 평가가 요구된다.
실험 온도는 360~440℃ 구간에서 진행되었으며 각 소둔 온도 및 시간 조건에 대한 인장곡선을 도 4 내지 6에 나타내었다. 또한, 온도별 2시간 소둔 열처리 후 인장 강도 및 연성 결과를 도 7에 정리하여 나타내었다. 도 7에서 나타나는 것과 같이 400℃ 미만에서는 열처리에 의한 연신율의 회복이 미미하였으나, 400℃ 이상에서부터 합금의 가공성이 증가하는 것을 확인하였다. 또한 인장 강도의 경우, 소둔 열처리 온도가 증가함에 따라 크게 감소하는 것을 알 수 있다. 따라서, A3XXX계와 유사한 기계적 특성의 최적화를 위해서는 395~405℃, 2시간 소둔 열처리 조건이 적합한 것으로 판단되었다.
(2) 내식성 및 관통저항성 평가
실험예3: 소둔 열처리 후 내식성 평가
본 시험은 3전극 시스템에서 전극의 부식전위 기준 +1 V 범위의 전압을 10 mV/min 속도로 연속적으로 변화시키며, 각 전압에서의 전류밀도를 측정하는 방법으로 진행되었다. 본 시험을 통하여 열교환기용 알루미늄 튜브의 부식 특성을 알 수 있다.
알루미늄 튜브는 #600 연마지로 연마를 진행한 시편을 사용하였으며, 전해질은 SWAAT(salt water acetic-acid test)용액 환경에서 기준전극을 포화감홍전극(saturated calomel electrode, SCE)을 사용하여 30시간 OCP(open-circuit potential)를 측정한 후 동전위 분극시험을 실시하였으며, 열처리 전/후의 부식속도를 도 8에 나타내었다.
도 8은 소둔 열처리 전/후의 동전위 분극 시험 결과를 도식한 그래프로 소둔 열처리 이후에도 소재의 부식 특성(부식 전위, 부식전류밀도)이 유지되는 것을 나타내며, 이 결과를 표 3에 정리하였다.
| 부식 전위 [mVSCE] |
부식 전류밀도 [μA/cm2] |
|
| 소둔 열처리 전 | -625 | 2.035 |
| 소둔 열처리 후 | -636 | 2.393 |
실험예4: 소둔 열처리 후 관통저항성 평가
본 시험은 소둔 열처리 전/후의 개발합금을 산성비를 모사한 환경에서 포화감홍전극 기준 -530 mVSCE에서 정전위 가속화 시험을 통해 부식 반응량 26.55 mAh/cm2에 대한 시편의 단면이다. 본 시험은 3전극 시스템에서 시편의 부식전위를 산출한 후 부식전위 보다 양극 분극 전위를 인가하여 재료의 부식을 가속화하는 시험으로 짧은 시간 내에 장기 부식에 의한 특성을 평가할 수 있는 장점이 있다. 해당 정전위 가속화 시험은 사용 후 1년 뒤의 부식형태 파악을 목적으로 진행되었으며 시험 후 단면도를 도 9에 나타내었다. 도 9는 산성비를 모사한 환경에서 정전위 부식가속화 시험 후 단면 분석결과이다. 분석 결과, 개발합금은 관통부식이 나타나지 않은 것을 확인할 수 있으며 A3003에 비해 낮은 부식감육깊이를 나타내고 있다. 각각의 부식감육 깊이를 표 4에 나타내었다. 개발합금의 부식감육깊이는 소둔 열처리 전/후 각 32.21 / 31.73 μm로 A3003의 102.77 μm 대비 3배 향상된 내식성을 확인할 수 있다.
| 소재명 | 부식감육깊이 (μm) | 비고 | |
| 평균 | 표준편차 | ||
| A3003 | 102.77 | 26.75 | 국부부식 |
| 개발합금 소둔 열처리 전 |
32.21 | 8.24 | 균일부식 |
| 개발합금 소둔 열처리 후 |
31.73 | 7.86 | 균일부식 |
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (14)
- 0.30 내지 0.70wt%의 Mn; 0.10 내지 0.20wt%의 Zr; 잔부의 알루미늄; 및 기타 첨가물을 포함하는 알루미늄 합금 용탕을 제조하는 단계;
상기 알루미늄 합금 용탕을 주조하는 단계;
상기 주조 단계를 통해 형성된 알루미늄 합금을 두 단계로 열처리하는 단계를 포함하고,
상기 두 단계로 열처리하는 단계 이후 공냉하는 단계; 및
상기 공냉하는 단계 이후 상기 알루미늄 합금을 냉간 압연 또는 압출하는 단계를 포함하고,
상기 두 단계로 열처리하는 단계는,
500 내지 580℃의 온도에서 7 내지 10시간 동안 열처리 하고 이후 370 내지 390℃의 온도에서 7 내지 10 시간 동안 열처리하는 단계를 포함하고,
상기 알루미늄 합금 용탕은 0.01wt% 이하의 Cu; 0.3wt% 이하의 Fe; 및 0.15wt% 이하의 Si를 더 포함하며,
상기 두 단계로 열처리하는 단계에 의해 금속간화합물인 Al3Zr 상이 균일하게 분포하여 관통 부식 저항성 및 기계적 특성이 향상된,
열교환기용 알루미늄 합금의 제조 방법.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 압출된 알루미늄 합금을 390 내지 410℃의 온도에서 0.5 내지 2 시간 동안 소둔 열처리(annealing)하는 단계를 추가로 포함하는,
열교환기용 알루미늄 합금의 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,
상기 소둔 열처리 온도는 395 내지 405℃인,
열교환기용 알루미늄 합금의 제조 방법.
- 삭제
- 제 1 항, 제 5 항 및 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 열교환기용 알루미늄 합금의 제조 방법에 의해 제조된, 열교환기용 알루미늄 합금.
- 제 8 항의 알루미늄 합금으로 제조된, 열교환기용 알루미늄 튜브.
- 제 8 항의 알루미늄 합금으로 제조된, 열교환기용 알루미늄 핀 재.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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