KR20110065054A - Ｃｕ／Ｔｉ 바이-메탈 튜브 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 Cu/Ti 바이-메탈 튜브 및 그 제조방법에 관한 것으로, 그 목적은 열전도율이 좋고 재료비가 저렴한 Cu 튜브의 표면에 내부식성이 좋은 Ti를 형성하여 해수에 대한 내부식성을 갖도록 한 바이메탈 튜브 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 구성은 담수화 설비, 선박 및 원자력 발전용 열교환기 등에 사용되는 튜브에 있어서, 증기로부터의 열전달 속도 향상을 위해 형성된 Cu 튜브와; 내식성을 가지도록 Cu 튜브 둘레에 Ti 튜브;가 일체로 형성된 Cu/Ti 바이-메탈 튜브 및 이를 제조하는 제조방법을 특징으로 한다.
해수, 내식성, 바이메탈튜브, 확산접합, Cu 튜브, Ti 튜브

Description

Ｃｕ／Ｔｉ 바이-메탈 튜브 및 그 제조방법{Cu/Ti Bi-Metal Tube and manufacturing method thereof}
본 발명은 Cu/Ti 바이메탈 튜브 및 그 제조방법에 관한 것으로, 자세하게는 증기에 의한 열전달 향상을 위한 내부 튜브는 Cu로 구성하고, 해수와 접하는 외부 튜브는 Ti 튜브로 하여 일체화시킨 바이메탈 튜브 및 그 제조방법에 관한 것이다.
담수화 설비 및 선박, 원자력 발전용 열교환기 등에 사용되는 튜브는 해수에 대한 내식성이 우수해야 하기 때문에 고가의 Ni을 포함한 합금재료 또는 Ti소재를 사용하고 있다.
하지만 이러한 Ni을 포함한 합금재료 또는 Ti소재를 사용한 튜브는 막대한 설비비용이 발생하고 있으며 더구나 열전도율이 좋지 않다는 단점을 가지고 있다.
이와는 반대로 상대적으로 저렴한 Cu Tube의 경우에는 열전도율이 좋으나 해수에 의해서 부식이 발생되기 때문에 해수용으로 사용하기 위해서는 해수에 대한 내식성 개선이 필요하다.
한편, 종래 Ti 튜브(Tube) 제조는 유럽에서 일부 압출 공정에 의해서 심리스 튜브(Seamless Tube)형태로 제조하고 있으나, 가공이 난해하기 때문에 Ti 스티립(Strip)을 제조 후 스트립(Strip)을 튜브(Tube) 형태로 성형하여 연속 용접공정을 통해서 튜브(Tube)를 제조하고 있다.
이에 사용되는 주요 용접방법은 아크에 의한 GTAW 용접 및 플라즈마 용접, 레이저 용접, TIG 용접 등이 있으며, Ti은 고온에서 산소와 반응하여 산화되기 때문에 산소와 접촉을 방지하기 위해 불활성 분위기 상태에서 용접을 실시하고 있다.
상기에서 살펴본 바와 같이 담수용 증발기 및 원자력 발전용 열교환기, 선박용 튜브 등에 사용되는 튜브(Tube)는 우수한 열전달 특성을 가져야하며, 특히 냉각수로 해수를 사용하기 때문에 염에 대한 내식성이 매우 요구된다.
이러한 목적에 따라 현재는 내식성이 우수한 고가의 Ti 튜브(Tube)를 사용하고 있으나 열전도율이 매우 낮다는 문제점이 있어서, 열전도율(Ti : 21.9W/mK, Cu : 401W/mK)이 좋고 재료비 부담이 적은 Cu Tube로 대체하는 방안을 모색하고 있다. 하지만 Cu 튜브(Tube)의 단점인 해수에 대해 취약한 부식 문제점에 대한 개선이 대두되고 있다.
하지만 아직까지 이러한 문제점을 해결한 Cu 튜브가 제공되지 못하고 있는 실정이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 열전도율이 좋고 재료비가 저렴한 Cu 튜브의 표면에 내부식성이 좋은 Ti를 형성하여 해수에 대한 내부식성을 갖도록 한 바이메탈 튜브를 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은 해수에 의한 내부식성과 열전도율을 동시에 가진 Cu,Ti 바이메탈 튜브 제조시 Ti 스트립을 용접하여 튜브 성형시 산화층이 형성되지 않도록 압착하고, Cu와 Ti 간의 접합면을 확산접합에 의해 일체화시키는 바이메탈 튜브 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 담수화 설비, 선박 및 원자력 발전용 열교환기 등에 사용되는 튜브에 있어서,
증기로부터의 열전달 속도 향상을 위해 형성된 Cu 튜브와;
내식성을 가지도록 Cu 튜브 둘레에 Ti 튜브;가 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 Cu/Ti 바이-메탈 튜브를 제공함으로써 달성된다.
상기 Ti 튜브는 Ti 스트립을 Cu 튜브에 감싼 후, 연속적인 용접과 압착 후 인발가공을 거쳐, 계면간의 확산접합에 의해 일체화된 것을 특징으로 한다.
상기 확산접합에 의해 형성된 Cu튜브와 Ti튜브간의 확산층 두께는 5㎛~15㎛로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 다른 실시형태로 담수화 설비, 선박 및 원자력 발전용 열교환기 등에 사용되는 튜브에 있어서,
(A) Cu튜브에 Ti스트립을 클래딩하여 Cu/Ti 바이-메탈 튜브를 성형하는 단계;
(B) 성형된 Cu/Ti 바이-메탈 튜브를 접합단계;
(C) 접합된 Cu/Ti 바이-메탈 튜브를 가공 열처리하여 확산접합 하는 단계;를 포함하여 일체화시킨 것을 특징으로 하는 Cu/Ti 바이-메탈 튜브의 제조방법을 제공함으로써 달성된다.
상기 (A) 단계는,
Cu 튜브의 표면과 Ti 스트립의 표면에 대한 이물질 및 산화층을 제거하는 전처리단계와;
전처리된 Cu Tube의 표면에 스퀴즈 롤을 사용하여 Ti 스트립을 클래딩하는 단계와;
클래딩된 Ti의 마주하는 경계부분을 연속용접하고, 용접에 의해 발생된 비 드(Beed)를 바이트(Bite) 작업으로 절삭 가공하는 단계와;
이후 Cu 튜브 둘레에 Ti가 형성된 Cu/Ti 바이-메탈 튜브를 다이스를 통과시켜 Cu와 Ti간을 1차로 압착하여 공기를 제거하는 단계;
이후 다이스 통과 후 냉각(Coiling)하는 단계;를 거쳐 연속으로 Cu/Ti 바이메탈을 성형하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 (B) 단계는 상기 (A)단계를 거쳐 제조된 Cu/Ti 바이-메탈 튜브 내부에 플러그를 삽입시키고 다이스를 통과시켜 인발가공에 의한 2차 압착하는 단계인 것을 특징으로 한다.
상기 인발가공은 가공률 30% ~60%로, 기계적으로 압착하는 것을 특징으로 한다.
상기 (C) 단계는, (B)단계를 거쳐 가공된 Cu/Ti 바이-메탈 튜브의 계면에 대하여 무산화 분위기하에서 700℃~850℃로 열처리하여 확산층을 형성하는 단계와;
확산층을 형성하는 단계 후 2차 인발하는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 확산층은 Cu튜브와 Ti튜브간의 계면에 두께 5㎛~15㎛가 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 2차 인발은 단면감소율 5~15%로 인발하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 열전도율이 좋음에도 해수에 대한 내식성이 낮아 사용할 수 없었던 Cu 튜브를 내식성 처리 즉, 해수와 접촉하는 표면부분을 내식성이 우수한 Ti로 처리하고 내부는 Cu로 구성함으로써 해수에 대한 Cu 튜브의 내식성을 향상시켰다는 장점과,
또한 이러한 내식성 처리공정에 의해 저렴한 설비비용으로 열전도성 및 내식성을 동시에 가진 Cu, Ti 바이메탈 튜브를 생산하게 됨으로써 경제성 있게 담수화 설비 및 선박, 원자력 발전용 열교환기 등에 사용되는 튜브를 제공할 수 있다는 장점과,
또한 바이메탈 튜브 제조시 스트립을 용접하여 튜브 성형시 산화를 방지하여 산화층이 형성되지 않도록 압착 성형 후, Cu와 Ti 간의 접합면을 확산접합에 의해 일체화시켰다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명이다.
이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1 은 본 발명에 따른 Cu/Ti Bi-Metal Tube의 사시도인데, 도시된 바와 같이 본 발명은 담수화 설비 및 선박, 원자력 발전용 열교환기 등에 사용되는 튜브로 내부는 Cu로 구성하여 증기로부터의 열전달 속도를 향상시키고, 냉각을 위해 해수와 접촉하는 외부는 Ti으로 구성된 Cu/Ti 바이메탈튜브이다.
상기 Cu/Ti 바이메탈튜브는 Cu 튜브(Tube)에 Ti 스트립(Strip)으로 감싼 후, 불활성 분위기 하에서 연속적인 용접을 실시하고, 다이스를 통과시켜 압착을 한 후 냉각(Coiling)하여 연속적인 작업에 의해 Cu/Ti Bi-Metal Tube로 성형하고, 이후 제조된 Cu/Ti Bi-Metal Tube에 대해서 단면감소율 30%이상 인발가공한 후 780℃ ~ 840℃ 범위의 온도에서 진공 또는 불활성 분위기 열처리를 실시하여 확산접합을 실시하여 일체화 시켰다. 이때 Cu와 Ti의 확산층 두께는 5㎛~15㎛로 형성하였다.
도 2는 본 발명에 따른 Cu/Ti 바이메탈의 성형공정 장치도인데, 이에 따라 본 발명 Cu/Ti Bi-Metal Tube의 제조방법을 설명한다.
본 발명에 따른 해수에서도 염에 의한 내식성을 가진 튜브 개발을 위해서는 우선 Cu/Ti 바이-메탈 튜브(Bi-Metal Tube) 성형기술과 Cu/Ti 바이-메탈 튜브 접합기술 및 Cu/Ti 바이-메탈 튜브 가공열처리 기술이 필요한데 이하 구체적으로 설명한다.
먼저 Cu/Ti 바이-메탈 튜브(Bi-Metal Tube) 성형단계를 설명한다.
Cu/Ti Bi-Metal Tube성형은 Cu Tube의 표면과 Ti Strip의 표면의 이물질 및 산화층을 제거하는 물리·화학적 전처리를 실시하고, 스퀴즈 롤(Squeeze Roll)에 의해서 Ti 스트립(Strip)으로 Cu 튜브(Tube)를 클래딩(Cladding) 한 후, 클래딩된 Ti의 마주하는 경계부분을 웰딩 팁(Welding Tip)으로 연속용접한다.
이후 Cu 튜브 둘레에 Ti가 클래딩된 튜브는 다이스를 통과시켜 Cu와 Ti간을 1차로 압착하여 그 사이에 존재하는 공기를 제거하여 Cu/Ti Bi-Metal Tube로 성형한다. 만약 이와 압착공정을 행하지 않아 공기가 제거 되지 않는다면 Cu와 Ti사이에 산화층이 발생되어 이후 인발 가공 및 확산열처리에 의해 Cu와 Ti이 접합되지 않게 된다는 문제점이 있다. 따라서 필히 Cu와 Ti 사이로 이물질 유입 및 공기가 잔존하지 않도록 하여야 한다.
상기 용접은 불활성 분위기에서 실시하며, 용접 후 다이스를 통과시켜 Cu와 Ti을 압착시키면서 두소재 사이에 존재하는 공기를 제거한다. 이때 불활성 가스 또는 공기가 제거되지 않고 존재하게 되면 확산열처리 접합 시 공기부분이 팽창하여 부풀어 오르는 현상이 발생되며, 두 소재가 접합되지 않게 된다.
또한 상기 다이스 통과 후 냉각(Coiling)하여 연속적인 작업에 의해 Cu/Ti Bi-Metal Tube로 성형한다.
또한 Cu/Ti 바이-메탈 튜브 접합단계는 다음과 같다.
상기와 같은 Cu/Ti 바이-메탈 튜브(Bi-Metal Tube) 성형단계를 거쳐 제조된 Cu/Ti 바이-메탈 튜브는 튜브(Tube) 내부에 플러그를 삽입시키고 다이스를 통과시켜 인발가공을 실시하여 가공 및 2차 압착을 시킨다. 플러그의 직경은 단면감소율에 따라 달라질 수 있다. 가공률 30%를 위해서는 2회 정도의 인발이 필요하다. 플러그의 직경은 인발다이스의 규격과 목표하고자 하는 가공률에 의해 정해진다.
상기 이때 가공률은 30% 이상 실시하여 기계적인 압착을 실시한다. 여기서 가공률은 단면 감소율로 가공전 파이프의 단면적을 인발가공을 통해서 30%감소시켰다는 것을 의미하는 것으로 길이를 30% 증가시켰다는 의미가 아니다. 대신 단면을 감소시켰기 때문에 길이는 늘어나게 된다. 가공률을 30% 이상으로 지정한 이유는 30% 미만의 낮은 가공을 하였을 경우는 Cu와 Ti이 잘 압착되지 않기 때문이다. 그래서 최소 30% 이상의 가공을 해야 한다. 또한 상한 값에 대해서는 인발 가공에 따른 가공경화를 고려할 경우 60%정도로 설정하면 된다.
마지막으로 Cu/Ti 바이-메탈 튜브 가공열처리 단계는 다음과 같다.
이와 같이 가공된 Cu/Ti 바이-메탈 튜브(Bi-Metal Tube)에 대해서 무산화 분위기하에서 확산열처리를 실시하고, 확산열처리는 무산화 분위기인 불활성 가스 분위기에서 700℃~850℃ 범위 내에서 실시한다.
상기 불활성 가스 분위기는 질소 또는 아르곤 가스 분위기를 말하는 것이며, 용접시와도 같은 의미이다. 이러한 불활성 가스 분위기를 하는 이유는 고온에서는 Cu, Ti의 산화가 발생되기 때문이며 이를 방지하기 위함이다. 이것은 용접이 아닌 2차 압착 후 무산화 분위기인 불활성 가스 분위기에서 확산열처리를 실시하여 Cu와 Ti을 접합 하는 공정이다.
상기 확산열처리 온도를 700 ~850℃로 설정한 이유는 700℃ 미만의 경우 Cu와 Ti계면의 확산층이 5㎛미만으로 접합강도가 낮아지게 되며, 850℃보다 높게 되면 확산층이 15㎛이상이 되어 접합강도 저하가 되기 때문이다. 그 이유는 확산열처리 에 의해 확산층이 너무 두껍게 될 경우 이후 인발 가공에 의해 층이 파괴되어 오히려 접합강도가 저하 될수 있기 때문이다.
확산열처리공정을 통해서 Cu와 Ti 계면에 생성된 확산층은 두께 5㎛~15㎛로 한다. 이때 확산층의 두께가 5㎛미만이 될 경우에는 접합강도가 약하게 되고, 15㎛이상이 되면 마무리 인발 가공 시 접합층의 파괴로 오히려 접합강도가 저하될 수 있다.
확산열처리 이후 본 발명품에 단면감소율 10%내외로 마무리 2차 인발을 실시하여 발명품을 제조한다. 바람직하게는 5~15%이다. 상기 단면 감소율은 확산열처리된 상태의 파이프에 대한 단면감소율을 말하는 것이며, 5~15% 이내로 가공하는 이유는 너무 과다한 가공을 할 경우 오히려 확산접합 열처리에 의해 접합된 접합층이 파괴가 되어 확산접합 열처리의 목적이 상실될 수 있다. 그래서 심한 가공을 주지 않고 마무리 인발을 실시하기 위함이다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1 은 본 발명에 따른 Cu/Ti Bi-Metal Tube의 사시도이고,
도 2는 본 발명에 따른 Cu/Ti 바이메탈의 성형공정 장치도이다.

Claims (10)

  1. 담수화 설비, 선박 및 원자력 발전용 열교환기 등에 사용되는 튜브에 있어서,
    증기로부터의 열전달 속도 향상을 위해 형성된 Cu 튜브와;
    내식성을 가지도록 Cu 튜브 둘레에 Ti 튜브;가 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 Cu/Ti 바이-메탈 튜브.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 Ti 튜브는 Ti 스트립을 Cu 튜브에 감싼 후, 연속적인 용접과 압착 후 인발가공을 거쳐, 계면간의 확산접합에 의해 일체화된 것을 특징으로 하는 Cu/Ti 바이-메탈 튜브.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 확산접합에 의해 형성된 Cu튜브와 Ti튜브간의 확산층 두께는 5㎛~15㎛로 형성된 것을 특징으로 하는 Cu/Ti 바이-메탈 튜브.
  4. 담수화 설비, 선박 및 원자력 발전용 열교환기 등에 사용되는 튜브에 있어서,
    (A) Cu튜브에 Ti스트립을 클래딩하여 Cu/Ti 바이-메탈 튜브를 성형하는 단계;
    (B) 성형된 Cu/Ti 바이-메탈 튜브를 접합단계;
    (C) 접합된 Cu/Ti 바이-메탈 튜브를 가공 열처리하여 확산접합 하는 단계;를 포함하여 일체화시킨 것을 특징으로 하는 Cu/Ti 바이-메탈 튜브의 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 (A) 단계는,
    Cu 튜브의 표면과 Ti 스트립의 표면에 대한 이물질 및 산화층을 제거하는 전처리단계와;
    전처리된 Cu Tube의 표면에 스퀴즈 롤을 사용하여 Ti 스트립을 클래딩하는 단계와;
    클래딩된 Ti의 마주하는 경계부분을 연속용접하고, 용접에 의해 발생된 비드(Beed)를 바이트(Bite) 작업으로 절삭 가공하는 단계와;
    이후 Cu 튜브 둘레에 Ti가 형성된 Cu/Ti 바이-메탈 튜브를 다이스를 통과시켜 Cu와 Ti간을 1차로 압착하여 공기를 제거하는 단계;
    이후 다이스 통과 후 냉각(Coiling)하는 단계;를 거쳐 연속으로 Cu/Ti 바이 메탈을 성형하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 Cu/Ti 바이-메탈 튜브의 제조방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 (B) 단계는 상기 (A)단계를 거쳐 제조된 Cu/Ti 바이-메탈 튜브 내부에 플러그를 삽입시키고 다이스를 통과시켜 인발가공에 의한 2차 압착하는 단계인 것을 특징으로 하는 Cu/Ti 바이-메탈 튜브의 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 인발가공은 가공률 30% ~60%로, 기계적으로 압착하는 것을 특징으로 하는 Cu/Ti 바이-메탈 튜브의 제조방법.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 (C) 단계는, (B)단계를 거쳐 가공된 Cu/Ti 바이-메탈 튜브의 계면에 대하여 무산화 분위기하에서 700℃~850℃로 열처리하여 확산층을 형성하는 단계와;
    확산층을 형성하는 단계 후 2차 인발하는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 Cu/Ti 바이-메탈 튜브의 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 확산층은 Cu튜브와 Ti튜브간의 계면에 두께 5㎛~15㎛가 형성된 것을 특징으로 하는 Cu/Ti 바이-메탈 튜브의 제조방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 마무리 인발은 단면감소율 5~15%로 인발하는 것을 특징으로 하는 Cu/Ti 바이-메탈 튜브의 제조방법.
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