KR102648730B1 - 알루미늄 합금 - Google Patents
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Abstract
본 개시는 압출 및 인발이 가능한 정도의 가공성을 갖추면서, 내염해 및 유해 가스 환경에 대한 내식성까지 갖춘 알루미늄 합금에 대한 것으로서, 본 개시에 따른 알루미늄 합금은 0.1 내지 0.45 중량%의 Mg, 0.1 내지 0.60 중량%의 Zn, 0.05 내지 0.1 중량%의 Fe, 0.05 내지 0.1 중량%의 Si 및 잔량의 Al을 포함한다.
Description
본 개시는 알루미늄 합금에 대한 것으로서, 구체적으로는 압출 및 인발이 가능한 정도의 가공성을 가지면서도 우수한 내식성을 갖는 알루미늄 합금에 대한 것이다.
알루미늄은 그 자체로 가공성과 경량성 및 전도성과 같은 우수한 특성을 가질 뿐만 아니라, 다른 금속과의 합금이 용이하다는 특성을 가진다. 따라서, 알루미늄 합금은 그 합금 원소의 성분에 따라 다양한 재료 특성을 갖출 수 있으며, 이에 따라 다양한 산업 분야에 널리 사용되고 있다.
그런데, 다양한 특성을 갖춘 알루미늄 합금이 현존함에도 불구하고, 기술 발전이 지속적으로 고도화·다각화됨에 따라, 다양한 기술분야에서 요구하는 엄격한 특성을 갖춘 알루미늄 합금의 개발에 대한 필요성은 계속되고 있다.
특히, 근래에는 압출 및 인발이 가능한 정도의 가공성을 갖추면서, 내염해 및 유해 가스 환경에 대한 내식성까지 갖춘 알루미늄 합금에 대한 개발의 필요성이 대두되고 있다.
본 개시는 상술한 바와 같은 필요성에 따라 안출된 것으로서, 본 개시의 목적은 압출 및 인발이 가능한 정도의 가공성을 갖추면서, 내염해 및 유해 가스 환경에 대한 내식성까지 갖춘 알루미늄 합금을 제공함에 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 개시의 일 실시 예에 따르면, 알루미늄 합금은 0.1 내지 0.45 중량%의 Mg, 0.1 내지 0.60 중량%의 Zn, 0.05 내지 0.1 중량%의 Fe, 0.05 내지 0.1 중량%의 Si 및 잔량의 Al을 포함한다.
여기서, 상기 Mg는 0.15 내지 0.35 중량%일 수 있다.
한편, 상기 Zn은 0.3 내지 0.55 중량%일 수 있다.
한편, 상기 Mg, 상기 Zn, 상기 Fe 및 상기 Si의 중량%의 합은 1.0 중량%를 초과하지 않을 수 있다.
한편, 상기 Mg 및 상기 Zn에 의하여 Mg32(Al, Zn)49 상 및 Al3Mg2 상 중 적어도 하나가 형성될 수 있다.
여기서, 상기 Mg32(Al, Zn)49 상의 분율은 0.05%를 초과하지 않을 수 있다.
한편, 상기 Al3Mg2 상의 분율은 0.02%를 초과하지 않을 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 관한 것으로서, 각각 1000계열 및 7000계열 알루미늄 합금의 조성 범위를 나타내는 성분표,
도 2a는 본 개시에 따른 알루미늄 합금의 조성 범위을 나타내기 위한 성분표,
도 2b는 본 개시에 있어서 Mg 및 Zn의 함량에 따라 형성되는 화합물의 분율을 나타내는 성분표,
도 3은 본 개시에 따른 효과를 입증하기 위한 전기화학적 시험의 결과를 나타내는 도면,
도 4a 내지 도 5c는 본 개시에 따른 효과를 입증하기 위한 반침지 시험의 결과를 나타내기 위한 도면,
도 6a 내지 도 7c는 본 개시에 따른 효과를 입증하기 위한 CASS 시험의 결과를 나타내기 위한 도면, 그리고
도 8은 본 개시의 다양한 조성 범위에 따른 CASS 시험 및 SWAAT 시험의 결과를 나타내기 위한 도면이다.
도 2a는 본 개시에 따른 알루미늄 합금의 조성 범위을 나타내기 위한 성분표,
도 2b는 본 개시에 있어서 Mg 및 Zn의 함량에 따라 형성되는 화합물의 분율을 나타내는 성분표,
도 3은 본 개시에 따른 효과를 입증하기 위한 전기화학적 시험의 결과를 나타내는 도면,
도 4a 내지 도 5c는 본 개시에 따른 효과를 입증하기 위한 반침지 시험의 결과를 나타내기 위한 도면,
도 6a 내지 도 7c는 본 개시에 따른 효과를 입증하기 위한 CASS 시험의 결과를 나타내기 위한 도면, 그리고
도 8은 본 개시의 다양한 조성 범위에 따른 CASS 시험 및 SWAAT 시험의 결과를 나타내기 위한 도면이다.
본 실시 예들은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 특정한 실시 형태에 대해 범위를 한정하려는 것이 아니며, 본 개시의 실시 예의 다양한 변경(modifications), 균등물(equivalents), 및/또는 대체물(alternatives)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
본 개시를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
덧붙여, 하기 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 개시의 기술적 사상의 범위가 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시 예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 개시의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
본 개시에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 권리범위를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 개시에서, "가진다," "가질 수 있다," "포함한다," 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 해당 특징(예: 수치, 기능, 동작, 또는 부품 등의 구성요소)의 존재를 가리키며, 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다.
본 개시에서, "A 또는 B," "A 또는/및 B 중 적어도 하나," 또는 "A 또는/및 B 중 하나 또는 그 이상"등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, "A 또는 B," "A 및 B 중 적어도 하나," 또는 "A 또는 B 중 적어도 하나"는, (1) 적어도 하나의 A를 포함, (2) 적어도 하나의 B를 포함, 또는 (3) 적어도 하나의 A 및 적어도 하나의 B 모두를 포함하는 경우를 모두 지칭할 수 있다.
한편, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 개시에 따른 실시 예에 대하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 관한 것으로서, 각각 1000계열 및 7000계열 알루미늄 합금의 조성 범위를 나타내는 성분표이다.
일반적으로 알루미늄(Al)은 가벼우면서 주조가 용이하며 다른 금속과의 합금이 용이하고 가공이 용이하며, 전기 및 열의 전도성이 좋아 산업 전반에서 널리 사용되고 있다. 특히 최근에는 자동차 및 전자제품 등의 연비 향상 또는 중량 절감 등을 위하여 알루미늄에 다른 금속을 혼합한 알루미늄 합금이 많이 사용된다.
알루미늄 합금은 그 합금 원소의 성분에 따라 다양한 종류로 분류된다. 그 분류 방식에는 다양한 방식이 있으나, 특히 알루미늄 합금은 JIS 공업 규격에 따라 1000계열 내지 9000계열 합금으로 분류될 수 있다. 그리고, 알루미늄 합금은 그 종류에 따라 다양한 재료 특성을 나타낸다.
예를 들어, 도 1a에 도시된 바와 같이, 1000계열 알루미늄 합금은 실리콘(Si), 철(Fe), 마그네숨(Mg) 및 아연(Zn)과 같은 원소를 포함하면서도 알루미늄 순도 99.0% 이상을 갖춘 합금으로서, 소위 공업용 순 알루미늄이라고 지칭된다. 1000계열 합금의 경우 광 반사성 및 열 전도성이 뛰어나며, 강도는 낮지만 내식성이 좋고, 용접 및 가공이 용이하다는 특성을 나타낸다.
한편, 도 1b에 도시된 바와 같이, 7000계열 알루미늄 합금은 Zn 및 Mg를 주 첨가 성분으로 한 열처리 합금이다. 구체적으로, 7000계열 합금은 열처리에 따른 석출 현상 및 경화에 의하여 고강도 특성을 가진다. 7000계열 합금의 경우 다양한 기계적 특성을 위해, Zn 및 Mg 뿐만 아니라 망간 (Mn), 크롬(Cr) 및 지르코늄(Zr)과 같은 다양한 원소가 첨가될 수 있으나, 이와 같은 원소의 첨가에 따라 가공성 및 내식성은 감소하게 되는 것이 일반적이다.
한편, 도시하지는 않았으나, Mn을 주 첨가 성분으로 하는 비열처리 합금인 3000계열 합금의 경우, 1000계열 합금에 비하여 강도는 약간 높고, 성형 가공성 및 내식성은 우수한 편이다.
이처럼, 알루미늄 합금은 그에 포함되는 합금 원소와 합금 원소의 비율에 따라 다양한 특성을 나타내는바, 사용 목적에 부합하는 알루미늄 합금을 획득하기 위해서는 그에 적합한 합금 원소 및 그 비율을 채택하여야 한다.
특히, 압출 및 인발을 위한 알루미늄 합금으로는 높은 가공성을 갖춘 1000계열 및 3000계열 합금을 사용하는 것이 일반적이다.
그리고, 알루미늄과 같은 부동태 금속은 표면에 치밀한 Al2O3 산화 피막을 형성하여 우수한 내식성을 갖기 때문에 중성 환경에서는 안정적으로 사용될 수 있다. 따라서, 알루미늄 순도 99.0% 이상을 갖춘 1000계열 합금, 그리고 1000계열의 성형 가공성 및 내식성을 크게 저하시키지 않는 범위 내에서 강도를 향상시키기 위한 합금인 3000계열 합금은 일반적으로 우수한 내식성을 나타낸다.
그러나, 종래의 1000계열 및 3000계열 합금의 경우에도 내염해 및 수분 발생이 많은 사용 환경 등에서는 내식성에 대한 한계가 지적되고 있다.
구체적으로, 종래의 1000계열 및 3000계열 합금의 경우, 수분 발생이 많은 사용 환경에서 튜브 표면에 공식 형태의 국부 부식, 즉 pitting 부식이 발생할 수 있다. 뿐만 아니라, 합금 원소 중 Fe, 구리(Cu)와 같은 고전위 금속 원소에 대해 입계에서 마이크로 전위차 부식이 발생할 수도 있다.
따라서, 종래의 1000계열 및 3000계열 합금을 내염해 및 유해가스 환경에서 사용하고자 하는 경우에는 알류미늄 튜브의 표면에 내식성 향상을 위한 특수 코팅을 처리하는 것이 불가피하며, 이는 제조 비용의 상승과 제조 공정의 효율성 저하를 초래한다.
본 개시는 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 압출 및 인발이 가능한 정도의 가공성을 갖추면서, 내염해 및 유해 가스 환경에 대한 내식성까지 갖춘 알루미늄 합금에 대한 것이다.
도 2a는 본 개시에 따른 알루미늄 합금의 조성 범위을 나타내기 위한 성분표이고, 도 2b는 본 개시에 있어서 Mg 및 Zn의 함량에 따라 형성되는 화합물의 분율을 나타내는 성분표이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 본 개시에 따른 알루미늄 합금은 0.1 내지 0.45 중량%의 Mg, 0.1 내지 0.60 중량%의 Zn, 0.05 내지 0.1 중량%의 Fe, 0.05 내지 0.1 중량%의 Si 및 잔량의 Al 을 포함한다.
특히, 본 개시에 따른 알루미늄 합금은 0.1 내지 0.45 중량%의 Mg 및 0.1 내지 0.60 중량%의 Zn를 포함하기 때문에, 우수한 내식성을 가진다.
구체적으로, Mg의 중량%가 0.1 미만이거나 Zn의 중량%가 0.1 미만인 경우에는 본 개시가 달성하고자 하는 정도의 내식성을 확보하기 어렵게 된다. 반대로, Mg의 중량%가 0.45를 초과하거나 Zn의 중량%가 0.60을 초과하는 경우에는 강도가 증가하여 압출 및 인발이 가능한 정도의 가공성을 확보하기 어렵게 된다.
한편, 본 개시에 따른 알루미늄 합금에 있어서, Mg는 0.15 내지 0.35 중량%인 것이 더욱 바람직하다. 그리고, 본 개시에 따른 알루미늄 합금에 있어서, Zn은 0.3 내지 0.55 중량%인 것이 더욱 바람직하다. 즉, Mg는 0.15 내지 0.35 중량%이고 Zn은 0.3 내지 0.55 중량%인 경우 본 개시에 따른 내식성 향상의 효과가 더욱 현저하게 나타날 수 있으며, 그와 동시에 압출 및 인발이 가능한 정도의 가공성을 확보할 수 있다.
한편, 본 개시에 따른 알루미늄 합금에 Si와 Fe가 특정한 중량%이상 포함되는 경우 내식성을 약화시키고 그에 따라 pitting 을 증가시킬 수 있기 때문에, 본 개시에 있어서 Fe의 중량%는 0.05 내지 0.1, 그리고 Si의 중량%는 0.05 내지 0.1인 것이 바람직하다.
한편, 본 개시에 따른 알루미늄 합금에 있어서, Mg, Zn, Fe 및 Si의 중량%의 합은 1.0 중량%를 초과하지 않는 것이 바람직하다. 다시 말해, Al의 중량%는 99.0% 이상인 것이 바람직하다. 즉, 본 개시에 따른 알루미늄 합금은 높은 내식성을 확보하면서도 압출 및 인발이 가능한 정도의 가공성을 갖추는 것을 목적으로 하는바, 알루미늄 순도 99.0% 이상을 갖추는 것이 바람직하다.
한편, 본 개시에 따른 알루미늄 합금에는, 상술한 바와 같은 합금 원소 외에도 합금 과정 또는 알루미늄 튜브의 제조 과정에 있어서 불가피한 불순물이 포함될 수 있다. 그러나, 본 개시에 있어서 상술한 바와 같은 Al, Mg, Zn, Fe 및 Si 이외의 불순물은 1.0%를 초과하지 않는 것이 바람직하다.
특히, 본 개시의 목적을 달성하기 위해서는, 알루미늄 합금의 내식성 및 가공성에 영향을 미칠 수 있는 불순물들의 첨가가 배제되어야 하며, 불가피하게 불순물들이 첨가될 경우에도 그 첨가되는 양은 최소화되어야 한다.
예를 들어, 본 개시에 따른 알루미늄 합금은 Mn, Cr, 및 Zr 등을 포함하지 않는 것이 바람직하다. 즉, Mn, Cr, 및 Zr와 같은 원소가 포함되는 경우에는 강도를 비롯한 기계적 특성이 향상될 수 있으나, 반대로 압출 및 인발이 가능한 정도의 가공성을 확보하기는 어렵게 될 수 있다.
이하에서는 본 개시에 따른 알루미늄 합금의 내식성 향상에 대하여 구체적으로 설명한다.
알루미늄 합금의 내식성이 합금 원소의 종류 및 그 조성 범위에 따라서 어떻게 달라질 수 있는지는 본 개시에 관한 통상의 기술자의 입장에서 자명하게 파악될 수 있다. 예를 들어, 본 개시에 따른 알루미늄 합금에 포함되는 Zn은 Al 매트릭스 상에서의 Mg의 고용을 억제할 수 있으며, 그에 따라 알루미늄 합금의 내식성은 향상될 수 있다.
한편, 합금의 성질은 그 조성뿐만 아니라, 합금에 포함되는 미세 조직의 상태에 의해서도 영향을 받을 수 있다. 따라서, 본 개시에 따른 알루미늄 합금의 내식성을 설명함에 있어서는 Mg와 Zn에 따라 형성되는 화합물의 상(phase)를 고려하여야 한다.
구체적으로, 본 개시에 따른 알루미늄 합금에 포함된 Mg와 Zn에 따라 알루미늄 합금에 화합물의 상이 형성될 수 있으며, 합금에 포함된 Mg와 Zn의 중량%에 따라 형성되는 화합물 상의 분율은 달라질 수 있다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 본 개시에 따른 알루미늄 합금에는 Mg32(Al, Zn)49 상 및 Al3Mg2 상 중 적어도 하나가 형성될 수 있다. 그리고, 형성된 Mg32(Al, Zn)49 상 및 Al3Mg2 상 중 적어도 하나에 의하여 알루미늄 합금의 pitting 부식이 감소될 수 있다. 다시 말해, 형성된 Mg32(Al, Zn)49 상 및 Al3Mg2 상 중 적어도 하나에 의하여 알루미늄 합금의 내식성이 향상될 수 있다.
구체적으로, 형성된 Mg32(Al, Zn)49 및 Al3Mg2 상은 입계에서 Al 매트릭스 상과의 전위차를 감소시켜 표면 pitting을 감소시킬 수 있다. 특히, Mg32(Al, Zn)49상 및 Al3Mg2 상의 분율이 입계에서 연속적으로 분포할 수 있을 정도가 되는 경우 내식성 향상의 효과는 더 현저해 질 수 있다.
본 개시에 따른 알루미늄 합금의 Mg와 Zn 의 중량%에 따른 초정 분율, Mg32(Al, Zn)49 상의 분율 및 Al3Mg2 상의 분율은 도 2b에 도시된 바와 같이 얻어질 수 있다.
예를 들어, 도 2b에 도시된 바와 같이, 본 개시에 따른 알루미늄 합금에 있어서 Mg의 중량%는 0.30이고 Zn의 중량%는 0.50인 경우, 그에 따른 Mg32(Al, Zn)49 상의 분율은 0.021%이고 Al3Mg2 상의 분율은 0.003일 수 있다. 이와 같은 경우 현저한 내식성 향상의 효과가 있다는 것은 후술하는 바와 같은 시험 결과를 통하여 입증될 수 있다.
한편, Mg, Zn 및 Al에 의한 Mg32(Al, Zn)49 상의 분율은 0.05%를 초과하지 않는 것이 바람직하다. 그리고, 본 개시에 따른 알루미늄 합금의 경우, Al 및 Mg에 Al3Mg2 상의 분율은 0.02%를 초과하지 않는 것이 바람직하다.
즉, Mg32(Al, Zn)49 상의 분율이 0.05%를 초과하거나, Al3Mg2 상의 분율이 0.02%를 초과하는 경우에는 압출 및 인발이 가능한 정도의 가공성을 확보하기 어렵게 될 수 있다.
예를 들어, 알루미늄 합금에 있어서 Mg의 중량%는 0.50, Zn의 중량%가 0.50이며, 그에 따른 Mg32(Al, Zn)49 상의 분율은 0.070%이고 Al3Mg2 상의 분율은 0.028인 경우, 소재의 강도가 증가하여 압출 및 인발이 가능한 정도의 가공성이 확보되기 어려우므로, 본 개시에 따른 합금 원소의 조성 범위에 포함되지 않는다.
한편, 본 개시에 따른 알루미늄 합금은 알루미늄 튜브의 제조를 위한 압출 및 인발 과정을 거치더라도 상술한 바와 같은 내식성은 감소되지 않는다. 이 점은 후술하는 바와 같은 다양한 시험에 사용된 샘플로 알루미늄 튜브를 사용하였다는 점을 통하여 입증된다.
상술한 바와 같은 본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 압출 및 인발이 가능한 정도의 가공성을 갖추면서, 내염해 및 유해 가스 환경에 대한 내식성까지 갖춘 알루미늄 합금이 제공될 수 있다.
그리고 이에 따라, 알루미늄 합금의 부식에 의한 누설 및 누수를 방지할 수 있으며, 내식성의 확보를 위하여 구리를 사용하는 대신 본 개시에 따른 알루미늄 합금을 사용함으로써 비용을 절감할 수 있게 된다.
한편, 이상에서 상술한 바와 같은 내식성 향상의 현저한 효과는 후술하는 바와 같은 시험 결과에 따라 입증될 수 있다. 즉, 이하에서는 알루미늄 합금의 내식성을 평가할 수 있는 다양한 시험 결과를 통하여, 본 개시에 따른 내식성 향상의 효과를 설명한다.
도 3은 본 개시에 따른 효과를 입증하기 위한 전기화학적 시험의 결과를 나타내는 도면이다.
본 개시에 따른 내식성 향상의 효과를 입증하기 위하여, 전기화학적 임피던스 분광법(Electrochemical Impedance Spectroscopy)을 수행하였다. 여기서, 전기화학적 임피던스 분광법은 주파수가 다른 미소한 교류신호를 이용하여 임피던스를 측정하는 방법을 말한다.
본 시험은 5% 염화나트륨(NaCl) 환경에서, 본 개시에 따른 실시 예인 0.31 중량%의 Mg, 0.5 중량%의 Zn, 0.08 중량%의 Si 및 0.09 중량%의 Fe를 포함하는 알루미늄 합금(이하, 0.3 Mg 샘플)에 대해서 수행되었다.
또한, 본 시험은 비교군인 0.115 중량%의 Si, 0.094 중량%의 Fe, 0.0053 중량%의 Cu, 0.004 중량%의 Mn 및 0.004 중량%의 Ti를 포함하는 알루미늄 합금(이하, Al1070 샘플), 0.1 중량%의 Si, 0.09 중량%의Fe 및 0.16 중량%의 Zr을 포함하는 알루미늄 합금(이하, 0.15Zr 샘플) 및 0.084 중량%의 Si, 0.11 중량%의 Fe, 0.61 중량%의 Mg 및 0.25 중량%의 Zn을 포함하는 알루미늄 합금(이하, 0.6Mg 샘플)에 대하여 수행되었다.
전기화학적 임피던스 분광법을 통하여 임피던스가 측정되면, 도 3과 같이 Zre(real resistance, 실수부분)를 x축에, Zim(imaginary reactance, 허수부분)를 y축에 도시하는 Nyquist 도시법을 통하여 전기화학적 특성의 변화를 분석할 수 있다.
그리고, 분석된 전기화학적 특성의 변화를 통하여 샘플의 내식성을 평가할 수 있다. 구체적으로, 도 3과 같은 그래프(310, 320, 330, 340)에 있어서 반원의 크기가 클수록 샘플의 내식성이 큰 것으로 해석될 수 있다.
도 3을 참조하면, Al1070 샘플에 대한 그래프(310)의 경우 반원의 크기가 가장 작게 나타나며, 0.15Zr 샘플에 대한 그래프(330)의 경우 반원의 크기는 Al1070 샘플에 대한 그래프 다음으로 작게 나타난다. 즉, Al1070 샘플 및 0.15Zr 샘플의 경우에는 다른 샘플에 비하여 상대적으로 낮은 내식성을 가진다는 것을 확인할 수 있다.
한편, 0.6Mg 샘플에 대한 그래프(320)의 경우 반원의 크기는 상대적으로 크게 나타나므로, Al1070 샘플 및 0.15Zr 샘플에 비하여 높은 내식성을 가진다는 것을 알 수 있다. 또한, 및 0.3Mg 샘플에 대한 그래프(340)의 경우 반원의 크기가 가장 크게 나타나기 때문에 모든 샘플 중 가장 높은 내식성을 가진다는 것을 확인할 수 있다.
결론적으로, 본 시험에 따른 결과를 나타내는 그래프를 분석하면, 본 개시에 따른 0.3Mg 샘플의 경우, 즉 0.31 중량%의 Mg, 0.5 중량%의 Zn, 0.08 중량%의 Si 및 0.09 중량%의 Fe를 포함하는 알루미늄 합금의 경우, 비교군에 비하여 높은 내식성을 가진다는 것을 확인할 수 있다.
한편, 0.6Mg 샘플의 경우에도 0.3Mg 샘플과 유사한 정도의 내식성을 가지지만, 상술한 바와 같이, 알루미늄 합금에 포함되는 Mg의 중량%가 0.45를 초과하는 경우에는 강도가 증가하여 압출 및 인발이 가능한 정도의 가공성이 확보되기 어렵기 때문에, 본 개시에 따른 조성 범위에 포함되지 않는다.
한편, 상술한 바와 같은 전기화학적 임피던스 분광법을 비롯한 다양한 전기화학적 방법을 통하여 전류밀도 등의 전기화학적 물리량을 측정하고, 측정된 전기화학적 물리량을 바탕으로 부식 속도를 산출할 수 있다.
도 3을 참조하면, 후술하는 바와 같은 조건 하에서 수행된 CASS 시험을 바탕으로 하여 산출된 Al1070 샘플, 0.15Zr 샘플 및 0.3Mg 샘플의 부식 속도를 확인할 수 있다. 구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, Al1070 샘플의 경우 1.46mm/y, 0.15Zr 샘플의 경우 0.93mm/y, 그리고 0.3Mg 샘플의 경우 0.62mm/y의 부식 속도가 산출되었다.
즉, 산출된 부식 속도를 참조하면, 샘플에 대한 그래프(310, 320, 330, 340)를 분석한 결과와 마찬가지로, 본 개시에 따른 0.3Mg 샘플의 경우, 즉 0.31 중량%의 Mg, 0.5 중량%의 Zn, 0.08 중량%의 Si 및 0.09 중량%의 Fe를 포함하는 알루미늄 합금의 경우, 비교군에 비하여 높은 내식성을 가진다는 것을 확인할 수 있다.
도 4a 내지 도 5c는 본 개시에 따른 효과를 입증하기 위한 반침지 시험의 결과를 나타내기 위한 도면이다.
본 개시에 따른 내식성 향상의 효과를 입증하기 위한 또 다른 시험으로서 Prohesion 용액 반침지 시험을 수행하여 샘플의 내식성을 평가하였다. 여기서, 반침지 시험이란 샘플의 일부는 시험 용액에 담그고 샘플의 다른 일부는 공기에 노출시킴으로써 그 부식량을 측정하는 시험을 말한다.
본 시험은 0.35% 황산암모늄((NH₄)₂SO₄) 및 0.05% 염화나트륨(NaCl) 용액 조건에서 수행되었으며, 또한 Hotplate 50℃ 및 168h 시험 조건 하에 수행되었다.
그리고, 본 시험은 본 개시에 따른 실시 예인 0.31 중량%의 Mg, 0.5 중량%의 Zn, 0.08 중량%의 Si 및 0.09 중량%의 Fe를 포함하는 알루미늄 합금(이하, 0.3 Mg 샘플)에 대해서 수행되었다.
또한, 본 시험은 비교군인 0.115 중량%의 Si, 0.094 중량%의 Fe, 0.0053 중량%의 Cu, 0.004 중량%의 Mn 및 0.004 중량%의 Ti를 포함하는 알루미늄 합금(이하, Al1070 샘플), 및 0.084 중량%의 Si, 0.11 중량%의 Fe, 0.61 중량%의 Mg 및 0.25 중량%의 Zn을 포함하는 알루미늄 합금(이하, 0.6Mg 샘플)에 대하여 수행되었다.
상술한 바와 같은 샘플들에 대하여 반침지 시험을 수행한 결과로서, 샘플이 용액 및 공기 모두에 노출된 부분인 반침지부에 대한 각 샘플 별 시험 결과는 도 4a 내지 도 4c에 도시되어 있으며, 샘플이 용액에 담긴 부분인 침지부에 대한 각 샘플 별 시험 결과는 도 5a 내지 도 5c에 도시되어 있다.
구체적으로, 도 4a 내지 도 4c는 순차적으로 Al1070 샘플, 0.6Mg 샘플 및 0.3 Mg 샘플에 대한 반침지부를 나타내는 도면이며, 도 5a 내지 도 5c는 순차적으로 Al1070 샘플, 0.6Mg 샘플 및 0.3 Mg 샘플에 대한 침지부를 나타내는 도면이다.
도 4a 및 도 4c를 참조하면, 다른 샘플에 비하여 본 개시에 따른 0.3 Mg 샘플의 경우가 반침지부의 pitting의 개수 및 면적이 더 적다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 5a 및 도 5c의 경우에도 마찬가지로, 다른 샘플에 비하여 본 개시에 따른 0.3 Mg 샘플의 경우가 침지부의 pitting의 개수 및 면적이 더 적다는 것을 확인할 수 있다.
결론적으로, 본 반침지 시험에 따른 결과를 분석할 때, 본 개시에 따른 0.3Mg 샘플의 경우, 즉 0.31 중량%의 Mg, 0.5 중량%의 Zn, 0.08 중량%의 Si 및 0.09 중량%의 Fe를 포함하는 알루미늄 합금의 경우, 비교군에 비하여 높은 내식성을 가진다는 것을 확인할 수 있다.
도 6a 내지 도 7c는 본 개시에 따른 효과를 입증하기 위한 CASS 시험의 결과를 나타내기 위한 도면이다.
본 개시에 따른 내식성 향상의 효과를 보다 명확하게 입증하기 위한 또 다른 시험으로서 CASS(Copper Accelerate Acetic Acid Salt Spray Test) 시험을 수행하였다. 여기서, CASS 시험이란 염화나트륨(NaCl) 및 염화제2구리(CuCl2)의 혼합 용액을 시험용 챔버에 넣고 일정 시간 분무하는 방식으로 샘플의 내식성을 시험하는 방법으로서, 전술한 바와 같은 시험들에 비하여 보다 강도 높은 내식성 평가 방법에 해당한다.
본 시험은 5% 염화나트륨(NaCl) 및 1g/3.8L 염화제2구리의 용액 조건 하에서 수행되었으며, 720 시간의 시험 조건 하에서 수행되었다.
그리고, 본 시험은 본 개시에 따른 실시 예인 0.31 중량%의 Mg, 0.5 중량%의 Zn, 0.08 중량%의 Si 및 0.09 중량%의 Fe를 포함하는 알루미늄 합금(이하, 0.3 Mg 샘플)에 대해서 수행되었다.
또한, 본 시험은 비교군인 0.115 중량%의 Si, 0.094 중량%의 Fe, 0.0053 중량%의 Cu, 0.004 중량%의 Mn 및 0.004 중량%의 Ti를 포함하는 알루미늄 합금(이하, Al1070 샘플) 및 0.1 중량%의 Si, 0.09 중량%의Fe 및 0.16 중량%의 Zr을 포함하는 알루미늄 합금(이하, 0.15Zr 샘플)에 대하여 수행되었다.
한편, 각 샘플은 6.75mm의 외경 및 0.85mm의 두께를 가지는 알루미늄 튜브에 대하여 수행되었다.
상술한 바와 같은 샘플들에 대하여 CASS 시험을 수행한 결과로서, 도 6a 내지 도 6c는 샘플의 단면을 나타내며, 도 7a 내지 도 7c는 샘플의 평면 및 3D 이미지를 나타낸다.
구체적으로, Al1070 샘플에 대한 시험 결과는 도 6a 및 도 7a에 도시되어 있으며, 0.15Zr 샘플에 대한 시험 결과는 도 6b 및 도 7b에 도시되어 있다. 그리고, 본 개시의 실시 예에 따른 0.3Mg 샘플에 대한 시험 결과는 도 6c 및 도 7c에 도시되어 있다.
도 6a 내지 도 6c를 참조하면, Al1070 샘플의 경우 pitting의 깊이는 700μm, 0.15Zr 샘플의 경우 pitting의 깊이는 450μm, 그리고 0.3Mg 샘플의 경우 pitting의 깊이는 100μm로 측정되었다. 다시 말해, 다른 샘플들에 비하여 본 개시에 따른 0.3 Mg 샘플의 경우가 pitting의 깊이가 더 얕게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
뿐만 아니라, 도 6c의 부식면(600)을 참조하면, 본 개시에 따른 0.3Mg 샘플의 경우, 상술한 바와 같이 알루미늄의 일반적인 부식 형태인 pitting이 아닌, 구리의 부식 형태와 유사한 전면 부식이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 개시에 따른 0.3Mg 샘플의 경우 샘플의 전면이 근사적으로 균일하게 침식되었음을 알 수 있다. 이에 따라, pitting이 깊게 발생하는 경우에 비하여 알루미늄 튜브의 수명이 증가할 수 있다.
한편, 도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 본 개시에 따른 내식성 향상의 효과를 더욱 명확하게 확인할 수 있다.
구체적으로, 도 7a 내지 도 7c에 도시된 바와 같이, Al1070 샘플의 경우 pitting의 깊이는 650μm, 0.15Zr 샘플의 경우 pitting의 깊이는 650μm, 그리고 0.3Mg 샘플의 경우 pitting의 깊이는 120μm로 측정되었다. 또한, 본 개시에 따른 0.3Mg 샘플의 경우 국부 부식의 일종인 pitting 부식 형태가 아닌 전면 부식 형태로 부식이 진행되었다는 것을 다시 한번 확인할 수 있다.
결론적으로, 본 CASS 시험에 따른 결과를 분석할 때, 본 개시에 따른 0.3Mg 샘플의 경우, 즉 0.31 중량%의 Mg, 0.5 중량%의 Zn, 0.08 중량%의 Si 및 0.09 중량%의 Fe를 포함하는 알루미늄 합금의 경우, 비교군에 비하여 높은 내식성을 가진다는 것을 다시 한번 확인할 수 있다.
도 8은 본 개시의 다양한 조성 범위에 따른 CASS 시험 및 SWAAT 시험의 결과를 나타내기 위한 도면이다.
이상에서는 본 개시에 따른 내식성 향상의 효과를 종래의 알루미늄 합금과 비교하기 위한 시험 결과에 대하여 설명하였으나, 이하에서는 본 개시에 따른 알루미늄 합금의 구체적인 조성 범위에 대한 시험 결과를 살펴본다.
즉, 본 개시에 따른 내식성 향상의 효과를 다양한 조성 범위에서 확인하기 위하여, CASS 시험 및 SWAAT 시험을 수행하였다. 여기서, SWAAT(SeaWater Acetic Acid Test) 시험은 아세트산이 포함된 염수를 사용하는 부식 시험을 말하며, CASS 시험의 의미는 전술한 바와 같다.
CASS 시험은 5% 염화나트륨(NaCl) 및 염화제2구리 1g/3.8L의 용액 조건 하에서, 576 시간 동안 수행되었다. 그리고, SWAAT 시험은 5% 염화나트륨(NaCl) 및 10㎖/1L 아세트산(CH3CO2H)의 용액 조건 하에서 576 시간 동안 수행되었다.
그리고, CASS 시험 및 SWAAT 시험은 0.1 중량% 내지 0.4 중량%의 Mg와 0.1 중량% 내지 0.7 중량%의 Zn, 그리고 0.08 중량%의 Si 및 0.09 중량%의 Fe 및 잔량의 Al이 포함된 알루미늄 합금계에 대하여 수행되었다.
편의상, 이하에서는 본 시험의 대상인 합금계에 대하여, Mg 및 Zn의 중량%만을 표현한다. 예를 들어, 0.3 중량%의 Mg 및 0.5 중량%의 Zn, 0.08 중량%의 Si 및 0.09 중량%의 Fe 및 잔량의 Al을 포함하는 합금계에 대하여, 간략하게 Al-0.3Mg-0.5Zn 합금계라고 표현함으로써, 본 시험의 대상인 합금계를 특정하여 설명한다.
본 시험에 따른 결과를 나타낸 도 8을 참조하면, 0.5 중량%라는 동일한 Zn의 중량%를 기준으로 할 때, Mg의 중량%를 0.1, 0.2, 및 0.3으로 증가시킴에 따라 CASS 부식 깊이 및 SWAAT 부식 깊이가 모두 감소하는 것을 확인할 수 있다.
예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같은 시험 결과에 따르면, Al-0.1Mg-0.5Zn 합금계의 경우 CASS 부식 깊이는 560μm이고 SWAAT 부식 깊이는 220μm이며, Al-0.2Mg-0.5Zn 합금계의 경우 CASS 부식 깊이는 410μm이고 SWAAT 부식 깊이는 190μm이다. 그리고, Al-0.3Mg-0.5Zn 합금계의 경우 CASS 부식 깊이는 120μm이고 SWAAT 부식 깊이는 70μm이다.
한편, Al-0.4Mg-0.5Zn 합금계의 경우 CASS 부식 깊이는 150μm이고 SWAAT 부식 깊이는 90μm으로서, Al Al-0.3Mg-0.5Zn 합금계에 비하여 부식 깊이는 다소 깊다는 것을 확인할 수 있으나, Al-0.1Mg-0.5Zn 합금계 및 Al-0.2Mg-0.5Zn 합금계에 비해서는 부식 깊이가 얕다는 것을 확인할 수 있다.
한편, 본 시험의 결과를 나타낸 도 8을 참조하면, 0.3 중량%라는 동일한 Mg의 중량%를 기준으로 할 때, Zn의 중량%를 0.1, 0.3, 및 0.5으로 증가시킴에 따라 CASS 부식 깊이 및 SWAAT 부식 깊이가 모두 감소하는 것을 확인할 수 있다.
예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같은 시험 결과에 따르면, Al-0.3Mg-0.1Zn 합금계의 경우 CASS 부식 깊이는 415μm이고 SWAAT 부식 깊이는 130μm이며, Al-0.3Mg-0.3Zn 합금계의 경우 CASS 부식 깊이는 360μm이고 SWAAT 부식 깊이는 100μm이다. 그리고, 전술한 바와 같이, Al-0.3Mg-0.5Zn 합금계의 경우 CASS 부식 깊이는 120μm이고 SWAAT 부식 깊이는 70μm이다.
한편, Al-0.3Mg-0.7Zn 합금계의 경우 CASS 부식 깊이는 320μm이고 SWAAT 부식 깊이는 180μm으로서, Al-0.3Mg-0.5Zn 합금계에 비하여 부식 깊이는 다소 깊다는 것을 확인할 수 있으나, Al-0.3Mg-0.1Zn 합금계 및 Al-0.3Mg-0.3Zn 합금계에 비해서는 부식 깊이가 얕다는 것을 확인할 수 있다.
그러나, 0.7중량%의 Zn이 포함된 합금계의 경우에는 압출 및 인발이 가능한 정도의 가공성이 확보되기 어렵다는 점에서, 본 개시의 목적을 달성하기는 어렵다. 즉, 본 개시에 따른 알루미늄 합금은 전술한 바와 같이 0.1 내지 0.60 중량%의 Zn을 포함한다.
즉, 상술한 바와 같은 시험은 본 개시에 따른 내식성 향상의 효과를 확인하기 위한 것이며, Mg와 Zn의 중량%를 더 증가시킬 경우 내식성은 더 증가할 수 있으나, 다른 한편으로는 압출 및 인발이 용이한 정도의 가공성을 확보하기 어렵게 될 수 있다.
구체적으로, 도 8에 도시된 바와 같이, Zn이 0.60 중량%를 초과하는 경우에는 강도는 향상될 수 있으나, 압출 및 인발이 용이한 정도의 가공성을 확보하기 어렵게 된다. 그리고 도시하지는 않았으나, Mg가 0.45 중량%를 초과하는 경우에도 강도는 향상될 수 있으나, 압출 및 인발이 용이한 정도의 가공성을 확보하기 어렵게 된다.
상술한 바와 같은 시험 결과를 종합하면, 본 개시에 따른 알루미늄 합금계 중에서도 바람직한 조성 범위를 확인할 수 있다. 구체적으로, 도 8에 도시된 바와 같은 실시 예 중에서, Al-0.3Mg-0.5Zn 합금계의 경우에 가장 높은 내식성을 가진다는 것을 확인할 수 있다. 그리고, 다음으로는 Al-0.4Mg-0.5Zn 합금계가 높은 내식성을 가진다는 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 8에 도시한 바와 같은 시험 결과는 본 개시에 따른 내식성 향상의 효과를 확인하기 위한 일부 자료에 불과하다. 즉, 상술한 바와 같은 시험을 보다 넓은 수치 범위에서 수행할 경우, 본 개시에 따른 바람직할 조성 범위를 더 구체적으로 확인할 수 있으며, 이는 전술한 바와 같다.
즉, 본 개시에 따른 알루미늄 합금은 0.1 내지 0.45 중량%의 Mg 및 0.1 내지 0.60 중량%의 Zn, 그리고 0.05 내지 0.1 중량%의 Fe, 0.05 내지 0.1 중량%의 Si 및 잔량의 Al을 포함한다. 그리고, Mg는 0.15 내지 0.35 중량%, 그리고 Zn은 0.3 내지 0.55 중량%인 것이 바람직하다.
이상에서는 본 개시에 따른 내식성 향상의 효과를 입증하기 위한 다양한 시험 결과에 대하여 살펴보았다. 그러나, 본 개시에 관한 통상의 기술자라면, 상술한 바와 같은 시험 외에도 알루미늄 합금의 내식성을 평가할 수 있는 다양한 공지된 시험 방법을 통하여 본 개시에 따른 현저한 효과를 확인할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 압출 및 인발이 가능한 정도의 가공성을 갖추면서, 내염해 및 유해 가스 환경에 대한 내식성까지 갖춘 알루미늄 합금이 제공될 수 있다.
그리고 이에 따라, 알루미늄 합금의 부식에 의한 누설 및 누수를 방지할 수 있으며, 내식성의 확보를 위하여 구리를 사용하는 대신 본 개시에 따른 알루미늄 합금을 사용함으로써 비용을 절감할 수 있게 된다.
특히, 본 개시에 따른 알루미늄 합금으로 제조된 알루미늄 튜브가 수분 발생이 많은 사용환경을 가지는 냉장고 및 에어컨 등에 사용되는 경우, 상술한 바와 같은 내식성 향상의 효과는 제품의 성능 향상 및 수명의 연장으로 직결될 수 있다.
이상에서는 본 개시의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 개시는 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 개시의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 개시의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
Claims (7)
- 알루미늄 합금에 있어서,
0.1 내지 0.45 중량%의 Mg;
0.1 내지 0.60 중량%의 Zn;
0.05 내지 0.1 중량%의 Fe;
0.05 내지 0.1 중량%의 Si;
1.0 중량% 이하의 불순물; 및
99.0 중량% 이상의 Al; 을 포함하며,
상기 불순물은 Mn, Cr, 및 Zr을 포함하지 않으며,
상기 Mg 및 상기 Zn에 의하여 Mg32(Al, Zn)49 상 및 Al3Mg2 상 중 적어도 하나가 형성되고,
상기 Mg32(Al, Zn)49 상의 분율은 0.05%를 초과하지 않으며,
상기 Al3Mg2 상의 분율은 0.02%를 초과하지 않는 알루미늄 합금.
- 제1 항에 있어서,
상기 Mg는 0.15 내지 0.35 중량%인 알루미늄 합금.
- 제1 항에 있어서,
상기 Zn은 0.3 내지 0.55 중량%인 알루미늄 합금.
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