KR20000006309A

KR20000006309A - 다중권취된스테인리스강관

Info

Publication number: KR20000006309A
Application number: KR1019990023163A
Authority: KR
Inventors: 스가오케이조
Original assignee: 우스이유따로; 우수이 고쿠사이 산교 가부시키가이샤
Priority date: 1998-06-22
Filing date: 1999-06-21
Publication date: 2000-01-25
Also published as: GB2338669A; GB9914337D0; US6135160A; DE19928299A1; JP2000005816A; KR100366250B1; FR2779982A1; FR2779982B1; GB2338669B; DE19928299C2

Abstract

다중 권취된 스테인리스 강관은 표면이 Cu 브레이징 재료로 피복된 스테인리스 강판으로 제조된 후프재를 다중 권취된 관으로 소성 변형시키고, 다중 권취된 관의 벽들 사이에 존재하는 Cu 브레이징 재료를 용융시킨 후에 용융된 Cu 브레이징 재료를 냉각시켜 제조되며, 다중 권취된 관의 벽들 사이에 있는 각 Cu 브레이징 재료와 관의 내측면과 외측면에 있는 Cu 브레이징 재료는 0.5㎛ 내지 15㎛의 두께로 모재로 확산되어 이 모재에 결합된다.

다중 권취된 스테인리스 강관은 내압 강도와 사용 강도가 우수하며, 품질이 뛰어나다.

Description

다중 권취된 스테인리스 강관{MULTI-WOUND STAINLESS STEEL PIPE}

본 발명은 브레이징을 이용하여 스테인리스 강판으로 제조된 후프재를 권취함으로써 제조되는 다중 권취된 스테인리스 강관에 관한 것이다.

일반적으로, 다중 권취된 금속관은 성형 장치를 이용하여 표면에 Cu 브레이징 재료가 피복된 스테인리스 강판으로 제작된 후프재를 다중 권취된 관으로 소성 변형시키고, 가열 장치를 이용하여 다중 권취된 관의 벽들 사이에 Cu 브레이징 재료를 용융시킨 후에, 냉각 장치로 용융된 브레이징 재료를 고화(固化)시킴으로써 제품으로써 제조된다. 다중 권취된 스테인리스 강관의 경우에, 관은 일반적으로 후프재로서 표면에 Cu 브레이징 재료가 직접 피복되어 있는 스테인리스 강판을 사용하여 제조되며, 스테인리스 강판의 표면과 Cu가 브레이징된 층 사이에 Ni가 브레이징된 층을 가지는 스테인리스 강판을 사용하여 제조되는 다중 권취된 스테인리스 강관도 또한 공지되어 있다.

그러나, 종래의 다중 권취된 스테인리스 강관에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있다.

즉, Cu 브레이징이 스테인리스 강판의 표면에 직접 가해지는 경우, 스테인리스 강과 Cu 사이의 접착력이 약하고, 그에 따라 다중 권취된 관으로서 제조된 상태에서 충분한 내압 강도와 사용 강도를 얻을 수 없다는 단점이 존재한다. 또한, Ni이 브레이징된 층이 스테인리스 강판의 표면과 Cu가 브레이징된 층 사이에 마련되는 경우, 판 상태에서의 접착력은 얻어지지만 다중 권취된 관 성형 후에 브레이징 온도 범위에서 스테인리스 강의 모재의 Ni 성분과 Ni 브레이징 재료의 성분은 Cu와 합체되어 Ni의 밀도가 크게 증가되며, 이것은 브레이징 재료의 연성을 낮추어서 마지막 작업에서 브레이징 재료의 박리 현상 또는 크랙 현상을 초래하는 문제점이 존재한다.

도 1은 본 발명에 따른 다중 권취된 강관의 단면 구조를 보여주는 개략적인 부분 확대 측면도.

도 2는 다중 권취된 스테인리스 강관 제조 장치의 전체 구성의 실시예를 보여주는 개략도.

본 발명은 종래의 다중 권취된 스테인리스 강관의 전술한 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 내압 강도와 사용 강도가 우수한 고품질의 다중 권취된 스테인리스 강관을 제공하는 데에 목적이 있다.

즉, 본 발명에 따르면, 표면이 Cu 브레이징 재료로 피복된 스테인리스 강관으로 제조된 후프재를 다중 권취된 관으로 소성 변형시키고, 다중 권취된 관의 벽들 사이에 존재하는 Cu 브레이징 재료를 용융시킨 후에, 용융된 Cu 브레이징 재료를 냉각시켜 제조되는 다중 권취된 스테인리스 강관이 제공되며, 다중 권취된 관의 벽들 사이에 존재하는 각각의 Cu 브레이징 재료와 관의 내측면과 외측면에 있는 Cu 브레이징 재료는 0.5㎛ 내지 15㎛의 두께로 강판의 모재로 확산되어 이 모재에 결합된다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에서, 브레이징 후에 Cu 브레이징 재료에서 Cu의 밀도는 75% 이상이거나, 브레이징 후에 관의 벽들 사이에 남아있는 Cu 브레이징 재료의 두께는 0.5㎛ 이상으로 한정된다.

본 발명에서 스테인리스 강판으로서 사용된 스테인리스 강은, 예컨대 SUS 304, SUS 304L, SUS 316, SUS 316L, SUS 321 등과 같은 오스테나이트계 스테인리스 강과, SUS 410L, SUS 430, SUS 430LX, SUS 436L 등과 같은 페라이트계 스테인리스 강을 포함한다. 또한, 다중 권취된 관의 벽들 사이에 있는 Cu 브레이징 재료와 관의 내벽과 외벽의 표면에 있는 Cu 브레이징 재료를 스테인리스 강판(모재)에 확산시키는 이유는 Cu 브레이징 재료와 스테인리스 강판의 접착력을 증가시키기 위한 것이며, 그것의 확산층의 두께를 0.5㎛ 내지 15㎛의 범위로 한정하는 이유는 확산층의 두께가 0.5㎛보다 얇은 경우에는 SUS 모재와 Cu 브레이징 재료 사이의 경계부의 강도가 약화되며, 반면에 두께가 15㎛를 초과하는 경우에는 SUS 모재가 열화되기 때문이다.

또한, 본 발명에 있어서, 브레이징 후에 Cu 브레이징 재료에서 Cu의 밀도는 다음과 같은 이유로 75% 이상으로 한정된다.

즉, 다중 권취된 관의 벽들 사이와, 관의 내면 및 외면에 남아있는 Cu 브레이징 재료의 성분이 모재측으로부터 확산된 SUS의 주성분(Cr, Ni, 및 Fe)과 함께 단단한 고형물을 형성하며, 브레이징 후에 Cu 브레이징 재료의 Cu 밀도가 75% 미만인 경우에는 브레이징 재료 내의 Cr, Ni 등의 함량이 증가하여 브레이징 재료의 연성 등과 같은 강도를 저하시킨다. 따라서, Cu 브레이징 재료의 연성과 같은 강도 저하를 방지하기 위하여, Cu의 밀도를 75% 이상, 바람직하게는 약 75% 내지 약 90%로 보장하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 있어서, 브레이징 후에 다중 권취된 관의 벽들 사이에 남아있는 Cu 브레이징 재료의 두께는 0.5㎛ 이상으로 한정되는데, 그 이유는 두께가 0.5㎛보다 얇은 경우에 Cu 브레이징 재료의 접착 상태가 열확산에 의하여 스테인리스 강판의 모재가 서로 접착된 상태와 유사하게 되어, 브레이징 재료의 충분한 접착 강도를 얻을 수 없기 때문이다.

추가로, 본 발명의 다중 권취된 스테인리스 강관 제조 방법으로서는, 성형 장치를 사용하여 후프재를 다중 권취된 관으로 소성 변형하고, 가열 장치를 사용하여 다중 권취된 관의 벽들 사이에 존재하는 브레이징 재료를 용융 상태로 만들고, 내측 또는 외측으로부터 관의 직경 방향으로 관을 균일하게 압박하거나 다중 권취된 벽들을 서로 축방향으로 프레스 용접되게 관을 잡아 당기고, 냉각 장치를 사용하여 용융된 브레이징 재료를 고화시킴으로써 제품을 제공하는 방법이 사용될 수 있다.

전술한 성형 장치는 후프재 안내용 안내 롤과, 다중 권취된 관을 성형하는 성형 롤, 및 연속적으로 배치된 최종 조정 롤을 구비하며, 또한 후프재 안내용 안내 롤 측부로부터 떨어져 플러그 부착 로드가 배치되어 있다.

이 경우, 전술한 다중 권취된 관에는 내측 또는 외측으로부터 그것의 직경 방향으로 압박력이 균일하게 가해지거나, 전술한 관은 축방향으로 당겨져서 축방향으로 인장력을 전달하는데, 그 이유는 벽들 사이에 브레이징 층이 없는 공간은 가능한한 완전히 제거되야 하며, 또한 후프재가 분산 치수(dispersion of dimensions)를 가지는 경우일지라도, 외측 접합부에서의 접착은 향상되기 때문이다. 수단으로서는, 관의 내측에 장착된 기계적인 관 팽창 헤드 또는 플러그에 의한 방법, 프레스 롤을 이용하는 방법, 상기 관에 축방향으로 인장력을 전달하도록 관의 이송 속도를 변경시키는 방법이 있으며, 이에 의하여 복수의 벽들은 직경 방향으로 서로 프레스 용접된다.

본 발명의 다중 권취된 스테인리스 강관에 있어서, 관의 벽들 사이에 있는 Cu 브레이징 재료와 관의 내면 및 외면에 있는 Cu 브레이징 재료를 SUS 모재에 확산시킴으로써, Cu 브레이징 재료와 SUS 모재의 접착력이 증가된 강도가 다중 권취된 벽들 사이에서 얻어지며, SUS 모재와 Cu 브레이징 재료의 경계부의 강도는 증가하며, 내압 강도와 사용 강도가 우수해진다.

본 발명은 도 1 및 도 2를 기초로 설명되며, 이 경우 이중 권취된 스테인리스 강관이 본 발명의 실시예로서 설명되고 있다.

먼저, 전술한 이중 권취된 스테인리스 강관을 제조하는 데 이용되는 다중 권취된 스테인리스 강관 제조 장치를 설명한다.

도 2에 도시된 이중 권취관 성형 장치(12)는 이중 권취된 관으로 형성될 후프재(1)를 성형 단계로 안내하는 안내 롤(11-1)과, 후프재(1)를 판 형태로부터 이중 권취된 관으로 성형하는 여러 쌍의 관 제조 롤 또는 성형 롤(11-2)과, 연속적으로 배치된 최종 조정 롤(11-3)을 구비하며, 상기 안내 롤(11-1)의 측부로부터 떨어져 플러그 부착 로드(11-4)가 배치되어 있다.

가열 장치(12)로서는, 예컨대 주행 방향으로 적절한 간격을 두고 배치된 복수의 전류 통과 롤(회전 전극)로 구성된 저항 가열 시스템이 사용된다. 가열 장치의 내부는 비산화성 분위기 또는 환원 가스 분위기이다.

또한, 이중 권취된 벽을 반경 방향으로 서로 프레스 용접하는 수단으로서의 프레스 롤(13)은 전술한 성형 장치(11)에 의하여 성형된 이중 권취된 관(15)의 외면을 외측으로부터 반경 방향으로 균일하게 압박하는 구조를 가지며, 이 프레스 롤이 배치되는 위치는 가열 장치(12)로부터 냉각 장치(14)로 들어가는 입구에 있다.

냉각 장치(14)는 가열 장치의 바로 다음에 배치되어 있으며, 이중 권취된 관(15)의 외면이 균일하고 신속하게 냉각될 수 있도록 많은 냉매 분사 노즐(도시 생략)이 배치되어 있는 구조를 가진다. 구체적으로 말하자면, 예컨대 냉매가 노즐 구멍으로부터 그 내부를 통과하여 이중 권취된 관으로 분사될 수 있게 내벽에 많은 노즐 구멍이 형성된 냉각 재킷 형태의 구조로 구성된 냉각 장치가 사용된다. 냉매로서는, 가스가 주로 이용되지만 물 등과 같은 액체도 이용될 수 있다.

또한, 이중 권취된 관(15)을 가능한한 빠르게 냉각시키기 위한 주요 냉각 수단으로서는, 노즐(16)이 가열 장치(12) 바로 다음에 배치되며, 노즐로부터 냉매를 분사함으로써, 브레이징 재료는 대략 그것의 응고점으로 빠르게 냉각될 수 있다.

전술한 바와 같이, 냉각 장치는 노즐(16)로 구성된 주냉각 수단과 상기 노즐의 하류에 배치된 냉각 장치(14)로 구성된 보조 냉각 수단으로 구성되는 것이 바람직하지만, 브레이징 재료를 대략 고화점으로 빠르게 냉각시키고 이중 권취된 관을 냉각시키는 것 모두가 냉각 장치(14)에서 수행될 수 있다.

전술한 구조로 구성된 다중 권취관 제조 장치에 있어서, 양면이 Cu 도금으로 피복된 스테인리스 강판으로 제조된 후프재(1)는 언코일러(도시 생략)로부터 풀리고, 이중 권취 성형 장치(11)에 의하여 이중 벽을 가지는 관(15)으로 형성되어, 가열 장치(12)로 도입된다. 가열 장치에 있어서, 전류는 직류/교류 전원으로부터 복수의 전류 통과 롤(12-1)을 통하여 관으로 공급되어, 관을 저항 가열함으로써 벽들 사이의 브레이징 재료인 Cu가 용융되고 용융된 브레이징 재료의 벽으로의 확산이 진행되는 상태가 달성될 때 까지 가열된다. 이 경우, 온도는 일반적으로 1083℃ 내지 1200℃이다.

가열 장치(12)로부터의 이중 권취된 관(15)은 프레스 롤 바로 다음에 배치된 냉각 장치(14)에 의하여 냉각되어, 벽들 사이에 있는 브레이징 재료의 확산 결합은 종결된다.

추가로, 다중 권취된 관의 가열 수단으로서는 전술한 저항 가열 시스템 대신에 고주파 가열 코일이 이용될 수도 있으며, 또한 브레이징로는 일반적인 가열로가 사용될 수도 있다.

또한, 도면에 도시되어 있지는 않지만, 프레스 롤이 가열 장치의 바로 다음에 배치되어 있는 경우, 이중 권취된 관의 최외측 벽의 일단부(접합부)는 프레스롤에 의하여 외부로부터 강제로 압박되기 때문에, 최외측 벽은 내측의 벽에 부착되게 되어, 외측 접합부의 박리가 방지된다.

도 1에 단면 구조의 일부가 도시되어 있고 전술한 성형 장치에 의하여 제조되는 본 발명의 이중 권취된 스테인리스 강관에 있어서, 내벽(1-1)과 외벽(1-2) 사이에, 그리고 상기 강관의 내외면에는 Cu 브레이징 재료 층(1-3)이 형성되어 있으며, 내벽(1-1)의 내외면과, 외벽(1-2)의 내외면에는 두께가 0.5㎛ 내지 15㎛인 확산층(1-4)이 형성되어 있다. 또한, 이중 권취된 스테인리스 강관에 있어서, 내벽(1-1)과 외벽(1-2) 사이에, 그리고 강관의 내외면에 남아있는 Cu 브레이징 재료 층(1-3)의 Cu의 밀도는 적어도 75% 이상이며, 내벽(1-1)과 외벽(1-2) 사이에 남아있는 Cu 브레이징 재료 층(1-3)의 두께는 0.5㎛ 이상이다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 이중 권취된 스테인리스 강관에 있어서는, 관의 벽들 사이에 있는 Cu 브레이징 재료와, 관의 내면과 외면에 있는 Cu 브레이징 재료를 모재로 확산시킴으로써, Cu 브레이징 재료와 모재(스테인리스 강판)의 접착력이 증가하며, SUS 모재의 열화를 방지할 수 있다. 또한, 브레이징 후에 Cu 브레이징 재료의 Cu 밀도를 75% 이상으로 보장함으로써, Cu 브레이징 재료의 연성 등과 같은 강도를 유지할 수 있다. 사실상, 이러한 효과는 이중 권취된 스테인리스 강판 이외의 다중 권취된 스테인리스 강판에서도 유사하게 얻어진다.

이하에서는, 후술되는 예를 기초로 본 발명을 설명하기로 한다.

예 1

두께가 0.35㎜인 SUS 304L 판재료의 양면에 0.05㎛ 내지 0.1㎛의 두께로 Ni도금을 피복하고, 그 위에 두께가 약 5㎛인 Cu 도금을 피복함으로써 마련되는 각각의 스테인리스 강판을 후프재로 사용하였으며, 도 2에 도시된 다중 권취된 스테인리스 강관 제조 장치에 의하여 직경이 4.76㎜이고, 두께가 0.7㎜인 이중 권취된 관을 형성한 후에, 전류를 관에 직접적으로 통과시킴으로써 1100℃ 내지 1200℃의 온도로 2초 내지 15초 동안 열처리 하였으며, 그 후에 각 관을 냉각 장치에 의하여 0.7분 내지 1분 동안 냉각하여 깊이가 다른 확산층을 각각 가지는 각각의 이중 권취된 스테인리스 강관을 마련하였다.

위에서 마련한 각각의 이중 권취된 스테인리스 강관의 브레이징 재료와 SUS 모재 사이의 경계부의 강도를 측정한 결과를 아래의 표 1에 표시하였다. SUS 모재와 브레이징 재료의 경계부의 강도는 60°의 원뿔을 사용한 확대 시험(spreading out test)에 의하여 얻었다.

확산층의 깊이가 0.5㎛ 미만인 경우, SUS 모재와 브레이징 재료의 경계부의 강도는 약하여, 그 부분으로부터 확산층으로 균열이 발생하고, 확산층의 깊이가 15㎛ 이상인 경우, SUS 모재의 열화가 발생하므로, 확산층의 깊이는 0.5㎛ 내지 15㎛의 범위 내에 있는 것이 바람직하다는 것을 표 1로부터 명확히 알 수 있다.

확산층의 깊이(㎛)	결과
0.5 미만	SUS 모재와 브레이징 재료의 경계부의 균열
0.5 내지 5 사이	양호
5 내지 10 사이	양호
10 내지 15 사이	양호
15 내지 20 사이	SUS 모재의 열화 발생

예 2

예 1에서와 같은 방법에 의하여, 브레이징한 후에 브레이징 재료에 약 70% 내지 약 90%의 범위의 상이한 Cu 밀도를 각각 가지는 이중 권취된 스테인리스 강관을 제조하였다. 이러한 예에서, 남아있는 브레이징 재료의 두께는 4㎛ 내지 5㎛로 하고, SUS 모재에 있는 브레이징 재료의 깊이는 5㎛ 내지 6㎛로 하였다. 각각의 이중 권취된 스테인리스 강관의 중간 벽부의 브레이징 재료에서의 크랙 발생을 조사한 것을 아래의 표 2에 표시하였다. 크랙 발생은 60°의 원뿔을 사용한 확대 시험에 의하여 얻었다.

표 2에 표시된 결과에 따르면, 브레이징 후에 브레이징 재료의 Cu 밀도가 약 70%인 경우, 중간 벽부의 브레이징 재료 층에는 크랙이 발생하였으며, 반면에 Cu 밀도가 본 발명에 따라 약 75% 내지 약 90%인 경우, 중간 벽부의 브레이징 재료 층에는 크랙이 발생하지 않았으며, 안정된 브레이징 강도가 얻어졌다.

Cu의 밀도(%)	크랙 발생 여부
약 90	크랙 발생 없음
약 85	크랙 발생 없음
약 80	크랙 발생 없음
약 75	크랙 발생 없음
약 70	중간 벽부에서 브레이징 재료 츠에 크랙이 발생

예 3

예 1에서와 같은 방법에 의하여, 브레이징 후에 중간 벽부에 남아있는 브레이징 재료의 두께가 상이한 이중 권취된 스테인리스 강관을 제조하였다. 각각의 이중 권취된 스테인리스 강관의 중간 벽부에 있는 브레이징 재료에서의 크랙 발생에 대한 결과를 아래의 표 3에 표시하였다. 마찬가지로, 크랙 발생과 관련한 데이타도 60°의 원뿔을 사용한 확대 시험에 의하여 얻었다.

표 3에 표시된 결과에 따르면, 브레이징 후에 중간 벽부에 남아있는 브레이징 재료의 두께가 0.5㎛ 미만인 경우, 브레이징 재료 층에 크랙이 발생하였으며, 반면에 남아있는 브레이징 재료의 두께가 0.5㎛ 이상인 경우, 크랙 발생이 발견되지 않았으며, 안정된 브레이징 강도가 얻어졌다.

중간 벽부에 남아있는브레이징 재료의 두꼐(㎛)	크랙 발생 여부
0.5 미만	중간 벽부에 있는 브레이징 재료 층에 크랙이 발생함
0.5 내지 1.0 미만	크랙 발생이 발견되지 않음
1.0 내지 5.0 미만	크랙 발생이 발견되지 않음
5.0 내지 10.0 미만	크랙 발생이 발견되지 않음

전술한 바와 같이, 본 발명의 다중 권취된 스테인리스 강관은, 관의 벽 사이에 있는 Cu 브레이징 재료와, 관의 내면과 외면에 있는 Cu 브레이징 재료를 모재로 확산시킴으로써, Cu 브레이징 재료와 모재(스테인리스 강판)의 접착력이 증가하여, 다중 권취된 벽의 층들 사이의 강도가 얻어지며, SUS 모재와 Cu 브레이징 재료의 경계층의 강도는 높으며, 브레이징 후에 Cu 브레이징 재료의 연성 등과 같은 강도를 유지할 수 있으며, 따라서 내압 강도와 사용 강도가 우수하다.

Claims

표면이 Cu 브레이징 재료로 피복된 스테인리스 강관으로 제조된 후프재를 다중 권취된 관으로 소성 변형시키고, 다중 권취된 관의 벽들 사이에 있는 Cu 브레이징 재료를 용융시킨 후에, 용융된 Cu 브레이징 재료를 냉각시켜 제조되는 다중 권취된 스테인리스 강관으로서,

다중 권취된 관의 벽들 사이에 있는 각각의 Cu 브레이징 재료와, 관의 내면과 외면에 있는 Cu 브레이징 재료는 0.5㎛ 내지 15㎛의 두께로 모재로 확산되어 이 모재에 결합되는 것을 특징으로 하는 다중 권취된 스테인리스 강관.
제1항에 있어서, 브레이징 후에 브레이징 재료의 Cu 밀도는 75% 이상인 것을 특징으로 하는 다중 권취된 스테인리스 강관.
제2항에 있어서, 상기 브레이징 재료에서의 Cu 밀도는 75% 내지 90%인 것을 특징으로 하는 다중 권취된 스테인리스 강관.
제1항 및 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 브레이징 후에 벽들 사이에 남아있는 Cu 브레이징 재료의 두께는 0.5㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 다중 권취된 스테인리스 강관.
제1항에 있어서, 사용된 스테인리스 강판은 SUS 304, SUS 304L, SUS 316, SUS 316L, SUS 321, SUS 410L, SUS 430, SUS 430LX 또는 SUS 436L인 것을 특징으로 하는 다중 권취된 스테인리스 강관.