KR20110103436A - 클래드 금속판 및 그 클래드 금속판으로 제조된 열교환기 배관 등 - Google Patents

클래드 금속판 및 그 클래드 금속판으로 제조된 열교환기 배관 등 Download PDF

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케빈 마이클 가텐비
토마스 엘. 데이비슨
앤드류 디. 하웰스
이안 스미스
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Abstract

예시적 실시형태들은 열교환기에 사용되는 냉각수 운송 튜브, 헤더 및 이와 유사한 제품들로 제작되기에 적합한 다층 알루미늄 합금 시트 재료와, 이들 재료로 제작되는 튜브 그리고 헤더 등에 관한 것이다. 상기 다층 금속판은 제1 측과 제2 측을 구비하는 알루미늄 합금의 코어 층을 구비한다. 상기 제1 측은 Zn-함유 외각층과 상기 코어 층 사이에 위치하는 Zn-함유 알루미늄 합금으로 된 중간층을 구비한다. 상기 외각층의 합금의 전기음성도가 상기 중간층의 합금의 전기음성도보다 크다. 중간층 합금의 전기음성도는 코어층 합금의 전기음성도보다 큰 것이 바람직하다. 이러한 방식에 따라 상기 제1 측은 냉각수에 노출되는 측면이 되고, 우수한 내식성과 내침식성을 제공한다.

Description

클래드 금속판 및 그 클래드 금속판으로 제조된 열교환기 배관 등 {CLAD METAL SHEET AND HEAT EXCHANGER TUBING ETC. MADE THEREFROM}
본 발명은 예컨대 자동차 라디에이터와 같은 열교환기에 사용되는 것으로, 물을 운송하는 데에 사용되는 배관 및 헤더를 제작하는 데에 사용되는 클래드 금속판에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 그러한 클래드 금속판 구조와, 그 클래드 금속판으로 제조되는 배관 또는 헤더에 관한 것이다.
열교환기에서 물을 운송하는 데에 사용되는 금속 배관은, 특히 냉각수가 냉각수의 끓는점을 높이거나 또는 냉각제의 어는점을 낮추기 위해 사용되는 여러 화학물질들을 함유하고 있는 경우, 그 냉각수에 의해 내부 부식이 발생한다. 이러한 배관에는 주로 알루미늄 합금이 사용되고, AA3000 계열(Mn 함유)의 합금도 성형성, 열 전도성 및 비교적 저렴한 가격 때문에 종종 사용된다. 통상적으로 이러한 합금 시트의 한쪽 면에는 소위 브레이징 합금, 즉 저융점 알루미늄 합금이 피복된다. 이것이 Si을 다량 함유하는 AA4000 계열 합금이다. 이러한 방식으로 피복된 금속판의 표면은 금속판으로 제작되는 튜브의 외각면으로 사용된다. 이렇게 함으로써, 배관이 제작된 후에, 배관이 공기와의 열 교환을 개선시키기 위해 사용되는 금속 핀에 브레이징으로 연결되도록 한다. 이러한 클래딩(cladding)이 "공기-측 클래딩"(air-side cladding)이라고 호칭되는 것은 자명한 이유이다.
튜브에서 내부면으로 사용되는 표면은 종종 부식을 저감하거나 지연시키기 위한 금속으로 피복 또는 클래딩된다. 열교환기(예컨대 라디에이터) 내를 흐르는 유체는 통상적으로 그리고 이상적으로 약 50% 인히비티드 냉각제가 첨가된 50%의 초순수 또는 탈염수를 함유한다. 그러나, 이와 같은 양성 냉각제를 사용하더라도, 특히 충전(filling) 방식이 올바르지 않은 경우, 여전히 부식은 발생하게 된다. 이러한 유형의 코어의 내부 클래딩은 통상 "물-측 클래딩"(water-side cladding)이라고 호칭된다. 이때, 부식으로부터 튜브를 보호하기 위해 AA7072 및 AA3003(1.5 중량% Zn 첨가) 같은 합금들이 사용되는 것이 일반적이다. 그럼에도, AA7072 합금은 연질이어서 사용 중에 침식(erosion)에 의해 손상될 수 있다. AA7072는 강도가 낮기 때문에, 브레이징 전 또는 브레이징 후에 튜브의 전반적인 강도를 낮춘다.
우에다 등(Ueda et al.)이 2008년 6월 17일에 특허 받은 미국 특허 제7,387,844호는 전술한 유형의 구조로 된 브레이징 판을 개시하고 있다. 물-측 클래딩은 2 내지 9 중량%의 Zn과 다른 여러 함금 원소들을 함유하고 있다.
비에르게 등(Vieregge et al.)에 의해 출원되어 2007년 4월 19일에 공개된 국제 특허 WO 2007/042206호도 내부식성이 개선된 다층 브레이징 판을 개시하고 있다. 이 문헌에서, 물-측 클래딩은 AA4000 계열 합금의 브레이징 클래딩을 포함하고, 코어와 내부 브레이징 클래딩 사이에는 AA3000 계열 합금 또는 AA1000 계열 합금의 중간층(interlayer)이 있다. 예컨대, 상기 중간층은 0.25 중량% 미만의 Cu, 0.5-1.5 중량%의 Mn, 0.3 중량% 미만의 Mg, 그리고 0.1-5.0 중량%의 Zn을 함유하는 AA3000 합금일 수 있다. 이 합금 층은 내부 브레이징 합금 아래에 위치하는 "인터라이너"(interliner)로 묘사되지만, 상기 내부 브레이징 합금은 브레이징 공정 중에 소실된다는 점에 주목해야하며, 이 경우 내부 튜브 구획을 형성하기 위해 필러 금속을 형성해야 한다. 이에 따라, 사용하는 중에, 인터라이너 자체가 냉각수에 직접 노출되는 코팅을 형성한다.
미나미 등(Minami et al.)에 의해 출원되어 2008년 7월 2일에 공개된 유럽 특허 공개 공보 EP 1 939 312 A1호는 코어, 상기 코어의 일 표면 상의 외각 스킨 및 상기 코어 층의 타 표면 위에 중간층을 통해 형성되어 있는 내부 스킨을 포함하는 클래드 부재를 개시하고 있다. 내부 스킨 층은 브레이징 후에 소실되는 Al-Si 브레이징 소재로 되어 있다. 그런 다음, 중간층이 냉각수에 노출되는 층으로 되어 내식성을 제공한다. 이런 점에서, 미나미 등에 의한 특허의 주제는 전술한 비에르게 등의 특허와 유사하다.
이러한 유형의 클래드 구조는 열교환기에서 사용되는 튜브들의 내부 부식을 저감하는 데에는 유용하지만, 부식과 침식은 여전히 발생하므로, 그러한 부식 및 침식에 대한 저항을 향상시키는 금속 구조를 제공하는 것이 유리하게 된다.
본 발명의 목적은 내부식성 및 내침식성이 우수한 금속 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 예시적 실시형태에 따르면, 제1 측 및 제2 측을 구비하며 알루미늄 합금으로 된 코어 층을 포함하는 다층 금속판이 제공되는데, 여기서 상기 제1 측은 Zn-함유 외각층("라이너"(liner)로 호칭되기도 함)과 상기 코어 층 사이에 위치하는 Zn-함유 알루미늄 합금으로 된 중간층을 구비하고, 상기 외각층의 합금의 전기음성도(electronegative)가 상기 중간층의 합금의 전기음성도보다 크다.
바람직하기로는, 상기 코어층은, 약 0.5 내지 2.0 중량%의 Mn, 약 0.1 내지 1.0 중량%의 Cu, 최대 0.4 중량%의 Fe, 최대 0.25 중량%의 Si, 최대 0.8 중량%의 Mg 및 잔부로 알루미늄과 불가피한 불순물을 포함하는 알루미늄 함금으로 제조된다. 상기 중간층은, 약 0.9 내지 2.0 중량%의 Mn, 약 0.002 내지 0.7 중량%의 Cu, 최대 0.4 중량%의 Fe, 0.5 내지 2.0 중량%의 Si, 최대 7.0 중량%의 Zn 및 잔부로 알루미늄과 불가피한 불순물을 포함하는 함금으로 제조되는 것이 바람직하다. 바람직하기로는, 상기 물측 외각층 또는 클래딩은, 약 0.9 내지 2.0 중량%의 Mn, 약 0.002 내지 0.7 중량%의 Cu, 최대 0.4 중량%의 Fe, 0.5 내지 2.0 중량%의 Si, 최대 7.0 중량%의 Zn 및 잔부로 알루미늄과 불가피한 불순물을 포함하는 함금으로 제조된다. 바람직하기로는, 상기 외각층의 합금은 기본적으로 Zn을 최소 3 중량% 함유하는 Al-Zn 합금이다.
금속판은 열교환기 배관 또는 열교환기 헤더 등으로 제작되기에 적합한 임의의 두께로 제조될 수 있다. 바람직한 튜브의 최소 두께는 약 150 ㎛이고, 바람직한 두께의 범위는 150-1000 ㎛이다. 헤더스톡의 두께는 최대 3 ㎜일 수 있다. 외각 클래딩 층은 일반적으로 판 제품의 전체 두께의 2 내지 20%를 차지한다.
또 다른 예시적 실시형태는 코어의 제1 측의 외각층이 튜브의 내부면을 형성하는, 전술한 유형의 다층 금속판으로 제조되는 튜브에 관한 것이다.
본 명세서에서, 코어층의 "제1 측"(first side)은 냉각수 또는 이와 유사한("물측"(water side)) 것과 접촉하는 측면이고, 코어층의 제2 측은 공기 또는 다른 가스(소위 "공기측"(air side))에 노출되는 측면이다.
예시적 실시형태의 클래드 판은 우수한 내부식성과 내침식성을 제공한다.
특히 바람직한 실시형태에서, 상기 중간층의 합금은 아연이 첨가된 AA7000 계열 합금인 것이 바람직하고, 상기 외각층의 합금은 3 내지 7 중량%의 Zn을 함유하는 AA7000 계열 합금인 것이 바람직하다.
알루미늄 및 알루미늄 합금을 명명하고 식별하는 데에 가장 널리 사용되는 숫자 지정 시스템을 이해하기 위해서는, 2001년 1월에 개정된, 알루미늄 협회(Aluminum Association)에서 발행한 "International Alloy Designations and Chemical Composition Limits for Wrought Aluminum and Wrought Aluminum Alloys"를 참조하기 바란다(상기 문헌의 기재 사항 전부는 본 명세서에 참고로 통합된다).
당 업계에서 통상적으로 사용하는 용어에서, 클래드(또는 클래딩) 층은 일반적으로 내식성 또는 브레이징성(brazeability) 같은 표면 특성을 지배하는 층에 붙이는 용어이다. 코어층은 일반적으로 금속판 제품 전체에 벌크한 기계적 특성에 영향을 미치는 것을 주 목적으로 하는 층에 붙여지는 용어이다. 클래드 층은 코어층에 비해 얇은 것이 일반적이지만, 언제나 그런 것은 아니다. 복합재(composite) 또는 다층 판 재료는 코어층과 클래딩층만으로 이루어지지만, 판 재료는 당해 예시적 실시형태의 3층 또는 그 이상의 층을 구비한다. 3층 구조 또는 그 이상의 층 구조에서, 코어층이 일반적으로 내부 층(internal layer)인 점은 명확하다. "중간층"(interlayer)이란 용어는 예컨대 코어층과 클래딩층 같이 인접한 두 층 사이에 형성되어 있는 층을 지칭하며, 이에 따라 중간층은 판 구조의 안쪽에 위치한다. "라이너"(liner)란 용어는 일반적으로 튜브 또는 다른 냉각수-통과 부재의 안쪽을 라이닝하는 클래딩층을 지칭한다.
본 명세서에서, "강도"(strength)란 용어는 합금의 "항복 강도"(yield strength)로 사용되며, "항복 응력"(yield stress)으로도 호칭된다. 강도는, 모의 브레이징 사이클을 거친 시편을 표준 인장 시험하여 측정될 수 있다.
도 1은 본 발명의 예시적 일 실시형태를 설명하기 위한 복합재 금속판의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 유형의 금속판으로 제작된 튜브의 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 실시예에서 사용된 패키지의 구조를 나타내는데, 도 3a는 2층 구조를, 도 3b는 3층 구조를 나타내며, 압연 전 두께는 300 ㎛이다.
도 4는 아래의 실시예에서 얻어진 결과를 보여주는 사진 A 내지 사진 F의 모음이다.
본 발명의 예시적 실시형태에서, 알루미늄 합금의 코어층과, 내부식성이지만 Zn을 함유하는 희생성(sacrificial) 알루미늄 클래딩 또는 라이너 사이에는 알루미늄 합금으로 된 층(중간층으로 호칭됨)이 제공된다. 상기 중간층은 부식이 진행할 때에 상기 코어 내로 피트-침입을 막거나 지연시키는 합금 성분을 구비하는 알루미늄 합금이다.
본 발명자들은 부식은 일반적으로 물-운송 튜브 또는 다른 용기(예컨대 라디에이터 헤더)의 내부 표면 전체에 고르게 진행하기보다는 노출면 위의 특정의 국소 사이트에서 더 신속하게 진행한다는 것을 알게 되었다. 이러한 국소 사이트들에 발생한 부식은 코어 금속 내로 신속하게 확장하는 피트(pit)를 형성하고, 튜브 벽을 침투하여 누설부 또는 취약 스폿을 형성시킬 수 있다. 예시적 실시형태의 중간층과 외각층(라이너)을 조합하여 이러한 피트가 내식성의 외각층으로부터 코어층으로 진행하는 것을 막거나 지연시켜, 구조물의 내부식성과 내침식성을 전반적으로 개선시킨다.
본 발명의 예시적 실시형태를 설명하는 간단한 다층 구조물이 도 1과 도 2에 도시되어 있다. 도 1은 클래드 금속판의 일부의 단면도이고, 도 2는 도 1의 금속판을 통상적인 가공법으로 가공 제작한 튜브를 나타낸다. 이들 도면에서, 층 A는 내부식성 금속의 클래딩층이고, 층 B는 중간층이며, 층 C는 코어 금속층이고, 층 D는 브레이징 합금층이다.
예시적 실시형태에서, 층 B 및 층 A로 선택되는 합금들은 개선된 내식성을 제공한다. 이들 층 그리고 다른 층들로 사용하기에 특히 바람직한 합금들에 대해서는 아래에서 논의한다.
층 B (물-측 중간층)
층 B에 사용되는 합금은 아연을 함유하는 것이 바람직하고, 고 Si 3XXX 계열의 합금이 바람직하며, 이 합금은 브레이징 수행 전과 수행 후에 고밀도의 디스퍼소이드(dispersoid)를 생성한다. 합금 X 및 합금 Y로 지시되는 이러한 합금들의 예들의 합금 성분(중량%)을 표 1에 나타낸다.
Figure pct00001
이들 합금에 Mn과 Si을 다량 첨가함으로써, 고용체를 형성하고 입자 강화를 시켜, 합금의 강도가 상당히 증가한다(즉, 이들 합금의 브레이징 후 강도가 증가함). 이 합금은 일반적으로 물-측 클래딩(층 A)의 강도보다 더 크다(예컨대 68 MPa vs. 35 MPa). 이는 고강도의 층을 사용하여 다층 금속판 제품(소위 "패키지"(package))의 전반적인 강도가 증가할 때에도 중량을 줄이기 위해 "다운-게이징"(down-gauging)이 필요한 경우에 특히 유리하다. 또한, 브레이징 후 강도가 커짐에 따라, 중간층의 내침식성은 물-측 클래딩 층의 내침식성보다 더 우수해진다(이는 물-측 클래딩 층이 부분적으로 침식되는 경우에 더 큰 혜택이 된다). 소정의 부식 전위(corrosion potential)를 달성하기 위해, 즉 이 층이 코어층에 대해 희생층으로 작용하기 위해, Zn이 첨가된다.
층 A (물-측 클래딩 또는 "라이너")
물-측 외각 클래딩 층은 상용되는 순 알루미늄 베이스를 토대로 하여 3-7 중량%의 Zn(예컨대 AA7000 계열 합금)을 함유하는 임의의 단조 알루미늄 합금일 수 있다. 바람직하기로는, 이 합금은 추가로 Mn을 함유하지 않는다.
층 A와 층 B를 조합한 합금 층을 물 측 위에서 사용할 때, 주된 부식 기구가, 코어를 향해 진행해 종국에는 코어 자체 내에 도달하는 피팅 부식 중 하나에서 코어와 평행한 방향으로 부식이 이동하는 부식 기구 중 하나로 변경된다는 것을 알 수 있었다. 그 결과, 실질적으로 외각층들(층 A 및 층 B)의 모든 희생 금속이 소모된 후에야 부식이 코어 안쪽으로 침투하게 된다.
3 내지 7 중량%의 Zn을 함유하는 외각 클래딩(층 A)의 개방 회로 부식 전위는 중간층(층 B)보다 전기음성도(electronegative)가 큰 데, 이는 이들 층들이 전기적으로 접속되어 있을 때에, 외각 클래딩(층 A)이 중간층(층 B)에 대해 희생(즉 층 A가 층 B보다 우선적으로 부식)한다는 것을 의미하는 것으로 여겨진다. 결국, 이 중간층이 코어보다 전기음성도가 더 큰 데, 이는 중간층이 코어 합금보다 우선적으로 부식 희생한다는 것을 의미한다. 바람직하기로는, 각 층들 사이의 전기음성도 차는 적어도 50 ㎷이다. 실험 도중에 약간의 피팅/부식이 관측되는 동안, 피트는 겨우 외각층(층 A)과 중간층(층 B) 사이의 계면까지만 침투하였다.
필요하다면, 물측 클래딩과 중간층은 동일 계열의 합금이지만 Zn 함량만이 다른 합금으로 제조될 수 있다. 일 예로, 물측 클래딩에 대해서는 베이스 합금에 Zn이 최대 7 중량%(바람직하기로는 최대 5 중량%) 첨가된 합금으로, 중간층에 대해서는 베이스 합금에 Zn이 최대 5 중량%(바람직하기로는 최대 3 중량%) 첨가된 합금으로 제조될 수 있다. 선택적으로는, 이들 층의 아연 성분의 함량이 동일할 수 있지만, 중간층 합금이 물측 클래딩을 형성하는 합금의 양전기성(electropositive)보다 크게 되도록, 이들 층들을 형성하는 베이스 성분의 함량이 다를 수 있다.
층 C( 코어층 )
본 예시적 실시형태에서, 코어층으로 사용되는 금속은 중요하지 않기 때문에, 이러한 유형의 배관용으로 통상적으로 사용되는 어떠한 금속일 수 있다. 그러나, 코어층의 전기음성도가 중간층의 전기음성도보다 작은 것(더 양전기성, 즉 더 "귀한 것"(noble))인 것이 바람직하다. 따라서, 코어층에 사용하기 전에 사용하고자 하는 합금들을 전기화학 테스트를 수행할 것을 권장한다. ASTM G69(이 문헌의 기재되어 있는 내용은 본 명세서에 참고로 통합됨)에 따른 표준 전극 전위 측정법(standard electrode potential measurements)으로 시험할 수 있다.
그러나, 등록상표 표기로 "X90x 시리즈", 특히 X902 합금을 사용하는 것이 바람직하다. 이들은 소위 "AA3000 시리즈 장수명 합금"으로도 불리는데, 이는 이들의 주 합금 원소가 망간(Mn)이기 때문이다. 바람직한 이들 합금들의 조성범위를 아래의 표 2에 나타내었다(단위는 중량%). 이들 합금들은 우수한 공기-측 내식성(예컨대 브레이징 층, 층 D가 이음부로 유동한 후)과 우수한 기계적 물성을 구비한다. 이들 합금들은 코어 합금과 고Si 브레이징 합금 사이의 계면에서 밀한 석출물(dense precipitate)의 희생 밴드(sacrificial band)를 형성하도록 설계된다. 이 밴드는 공기 측 부식이 횡방향으로 되도록 조장하여 튜브의 바깥쪽이 천공되는 것을 예방한다.
Figure pct00002
층 D(공기측 클래딩)
층 D는 열교환기를 제작하는 중에 (전술한 바와 같이) 냉각핀들을 브레이징으로 접합시키는 데에 사용되는 브레이징 층이다. 저융점의 임의의 적당한 브레이징 합금이 채용될 수 있는데, 일반적으로는 예컨대 AA4000 시리즈와 같이 Si을 다량 함유하는 합금이 채용된다.
또한, 층 D에 사용되는 재료의 다른 층에는 선택적으로 층 A를 둘러싸는 물측 상의 추가의 층(미도시)이 제공될 수 있다. 이러한 층은 예컨대 비에르게 등(Vieregge et al.) 명의의 국제 특허 공개 공보 WO 2007/042206호(이 공보에 기재되어 있는 사항들은 본 명세서에 참고로 통합된다)에 개시되어 있는 목적을 위한 추가의 브레이징 층을 제공한다.
층 B와 층 A의 두께가 두꺼울수록 내부식성이 우수해지는 것은 명확하지만, 다른 층들의 두께는 크게 중요하지는 않다. 튜브 제품의 경우, 코어층 C의 두께는 약 150-1000 마이크론인 것이 일반적이다. 중간층 B는 상기 코어 금속 두께의 약 10%, 예컨대 15-100 마이크론일 수 있고, 외각층 A의 두께도 일반적으로는 상기 코어 금속 두께의 약 10%, 예컨대 15-100 마이크론일 수 있다.
클래드 금속판은 열간 금속 코팅 또는 이와 유사한 임의의 통상적인 방식으로 제작되거나, 앤더스 등(Anderson et al.)의 명의로 출원되어 2005년 1월 20일에 공개된 미국 특허 공개 공보 제2005/0011630호(이 공보에 기재되어 있는 사항들은 본 명세서에 참고로 통합된다)에 개시되어 있는 방식에 따라 제작된 잉곳 같은 복합재 주조 잉곳을 열간 및 냉간 압연하여 제작될 수 있다. 이 공법은 3층 잉곳(층 D, C 및 B)을 형성하는 데에 사용될 수 있다. 3층 잉곳을 제작한 후에 후속하는 열간 압연 중에, 통상적인 접착법(예컨대 롤 본딩법)으로 4번째 층(층 A)을 층 B 위에 부가할 수 있다.
일단 제작된 클래드 판은 예컨대 폴딩(folding) 또는 용접(welding) 같이 이미 공지되어 있는 임의의 튜브 형성 방법에 의해 튜브로 변환될 수 있다. 클래드 판은 통상적인 방식에 따라 헤더를 형성하는 데에도 사용될 수 있다.
본 발명의 예시적 실시형태를 이하의 실시예를 가지고서 보다 상세하게 설명한다. 다만, 아래의 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
실시예
다양한 클래드 금속판들을 실험실 규모로 준비한 후 최종 크기로 가공하였으며, 일부는 어닐링하고, 모의 브레이징 사이클에 노출하였다. 그런 다음, 샘플들을 물측 부식 시험에 노출시켜 내식성을 평가하였다.
샘플 준비
클래딩 및 중간층용 합금들을 38㎜×150㎜×200㎜의 소형의 북몰드 잉곳으로 주조하였다. 각 압연 면에서 1㎜만큼 외피를 벗겨 내었다.
모든 케이스에서 코어층으로 사용된 합금 X902를 95㎜×229㎜×1.25m의 DC 잉곳으로 주조하였다. 비정상 상태의 주조 금속을 제거하기 위해, 잉곳의 각 단부를 약 75㎜ 길이만큼 절단하였다. 그런 다음, 주조 쉘 영역을 제거하기 위해 압연 면당 4㎜ 벗겨 내었다.
두께가 87㎜인 코어용 X902 합금 6개를 실온에서 540℃까지 13시간 동안 재가열하였고, 540℃에서 3시간 동안 균열한 후, 패스 당 6㎜의 두께 감소율로 약 25㎜ 두께로 열간 압연하였다. 25㎜ 두께로 제작하기 위해, 압연기의 최종 세팅값은 24.3㎜로 하였다.
클래딩과 중간층 합금용 북 몰드를 동일한 로(furnace)(3 내지 4.5 시간 균열) 내에 제공하였고, X902 합금을 약 4.6㎜로 열간 압연하였다. 각 패키지에서 필요로 하는 재료를 냉간 압연하여 목표로 하는 클래딩 또는 중간층 두께를 달성하기 위해 필요로 하는 크기로 하였고, 60℃ 가성 소다로 세척하고 수돗물로 린스하고, 50% 질산으로 스멋 제거하고(desmutting) 린스한 후 공기를 강제 송풍하여 건조하였다. 열간 압연하기 전에 한쪽 가장자리 위에서 패키지들을 조립하고 용접하였고, 그런 다음 450℃에 달해 있는 로 내에서 0.75 내지 1 시간 동안 재가열하고, 약 5 ㎜로 열간 압연하였다. 열간 밴드(즉, 고온 금속 가공을 정지하고 추가의 처리/압연이 종료되어 냉각된) 부분을 300㎛ 두께로 냉간 압연하고, 튜브 스톡용으로 사용되는 부분(partial) 어닐링 처리를 하였다. 이 공정은 13시간 이상에 걸쳐 250 내지 300℃로 가열하고, 6시간 동안 균열한 후 실온으로 냉각하는 과정을 포함한다.
사용된 합금들의 합금 조성을 아래의 표 3에 나타내었고, 준비된 샘플들(소위 패키지들)을 표 4에 나타내었다. 이들 패키지들을 아래에 첨부된 도 3a 및 도 3b에 도시하였다. 표 4로부터 샘플 A 내지 샘플 I는 중간층을 포함하는 반면에 샘플 J 내지 샘플 O는 중간층을 포함하지 않는다는 점에 주목해야 한다. 샘플 J 내지 샘플 O는, 3층 시스템의 실제의 이점 즉 이 시스템이 가지고 있는 내식성과 내침식성을 보이기 위해, 비교의 목적으로 시험한 것이다.
Figure pct00003
Figure pct00004
상기 3층 샘플들이 포함하는 코어의 두께는 25㎜이고, 중간층의 두께는 2.92㎜이며, 클래딩의 두께는 2.0㎜이다. 상기 2층 샘플들이 포함하는 코어의 두께는 25㎜이고, 클래딩의 두께는 2.92㎜이다. 모든 샘플들을 300㎛로 가공하였고, 전술한 바대로 부분 어닐링한 후 브레이징 사이클 시뮬레이션을 하였다.
부식 시험
샘플들을 ASTM D-2570에 기초하는 부식 모의 시험인 소위 "표준 OY 부식 시험"을 하였다(상기 문헌에서 상기 시험과 관련된 부분은 본 명세서에 참고로 통합되어 있음). 상기 시험 방법은 근본적으로 등온 조건으로 제어되는 상태에서 금속 시편 상에서의 냉각수 또는 테스트 용액(통상적으로 오야마(Oyama) 또는 OY수-열교환기의 물측 내식성을 측정하는 데에 사용되는 표준 테스트 용액-아래의 표 5 참조)의 순환 효과를 평가한다.
Figure pct00005
일부 연구자들에 의해 물측 부식성 시험을 하는 중에 사용되기에 선호되는 선택적인 시험 용액은 ASTM수이다. 이 용액은 Cl-, SO4 2 -를 각각 100 ppm 함유하고, HCO3 - 이온이 이들의 나트륨 염으로 첨가되어 있다. 이들 용액이 특정 실시예에는 포함되어 있지 않지만, OY수보다 먼저 사용되기 시작되었고, 이러한 환경에서 모든 중간층 패키지들에 대한 시험이 잘 수행된다. OY수는 보다 더 혹독하고 공격적인 환경을 만들기 때문에, 패키지의 우수한 물측 내식성과 불량한 내식성을 잘 식별하게 하는 것으로 이해되어야 한다.
표준 시험법에서, 스테인리스 강 저장고, 스테인리스 강 펌프, 연결 호스 그리고 75×25㎜ 크기의 샘플 6개를 용액에 노출시키며 유지할 수 있는 테프론 셀(Teflon® cell)로 구성되어 있는 유동 루프 내를, OY수가 85℃에서, 240 시간 동안, 140 ℓ/분(각 시편에 대해 1.8 m/s의 일정한 라멜라 속도와 동등한 정도)의 속도로 계속해서 순환한다.
시험이 종료될 즈음에 샘플들을 장치로부터 꺼내 질산으로 부식된 부분을 제거하였다. 그런 다음, 각 샘플들을 백색광 간섭계(WYKO: white light interferometry)를 사용하고 또한 금속조직학적인 시험을 통해 부식에 의한 손상 정도를 정량적으로 그리고 정성적으로 평가하였다. 상기 WYKO 지형적 분석 결과로부터 얻은 각 샘플들의 최대 피트 깊이와 피트 밀도를 수치화하여 표로 만들었다. 최적의 현미경 관찰은 부식이 피팅을 형성했는지 여부와 입계 부식이 일어났는지 여부를 제공하는 부식 정도와 부식에 의한 지형도의 이미지를 제공한다.
6개의 모의 서비스 부식 시험예를 수행하였고, 이들 시험예와 관련된 결과를 아래의 표 6에 나타내었다.
Figure pct00006
중간층의 부식 손상에 대한 WYKO 분석 결과를 아래의 표 7에 나타내었다. 3층 패키지의 물측 중간층의 두께는 20㎛이고, 2층 패키지에서는 31㎛이었다.
Figure pct00007
시험 결과 요약
시험 샘플들의 사진들을 첨부된 도 4에 도시하였다. 사진은 샘플들을 100% OY수 내에서 표준 유속으로 232 시간동안 노출시킨 테스트 R1030에 관련된 것이다.
시험 결과는 SSCT 시험에서 OY수에 노출될 때에 클래딩 아래에 3 중량% 또는 5 중량%의 Zn을 함유하는 샘플들이 완전하게 희생하여 코어 재료의 밑에 있음을 보여준다.

Claims (17)

  1. 제1 측 및 제2 측을 구비하며 알루미늄 합금으로 된 코어 층을 포함하는 다층 금속판으로,
    상기 코어 층의 상기 제1 측은 Zn-함유 외각층과 상기 코어 층 사이에 위치하는 Zn-함유 알루미늄 합금으로 된 중간층을 구비하고, 상기 외각층의 합금의 전기음성도가 상기 중간층의 합금의 전기음성도보다 큰 것을 특징으로 하는 다층 금속판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외각층 합금의 전기음성도가 상기 중간층 합금의 전기음성도보다 적어도 50 ㎷ 큰 것을 특징으로 하는 다층 금속판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 코어층은, 약 0.5 내지 2.0 중량%의 Mn, 약 0.1 내지 1.0 중량%의 Cu, 최대 0.4 중량%의 Fe, 최대 0.25 중량%의 Si, 최대 0.8 중량%의 Mg 및 잔부로 알루미늄과 불가피한 불순물을 포함하는 함금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 다층 금속판.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 중간층은, 약 0.9 내지 2.0 중량%의 Mn, 약 0.002 내지 0.7 중량%의 Cu, 최대 0.4 중량%의 Fe, 0.5 내지 2.0 중량%의 Si, 최대 7.0 중량%의 Zn 및 잔부로 알루미늄과 불가피한 불순물을 포함하는 함금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 다층 금속판.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 외각층은, 약 0.9 내지 2.0 중량%의 Mn, 약 0.002 내지 0.7 중량%의 Cu, 최대 0.4 중량%의 Fe, 최대 2.0 중량%의 Si, 최대 7.0 중량%의 Zn 및 잔부로 알루미늄과 불가피한 불순물을 포함하는 함금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 다층 금속판.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 외각층은 Zn을 최소 3 중량% 함유하는 Al-Zn 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 다층 금속판.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 외각층의 합금은 3 내지 7 중량%의 Zn을 함유하는 것을 특징으로 하는 다층 금속판.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 측 위에 브레이징 합금으로 된 코팅을 구비하는 것을 특징으로 하는 다층 금속판.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제2 측 위의 상기 코팅은 AA4000 계열의 알루미늄 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 금속판.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 중간층의 상기 합금은 알루미늄과 중량%로 나타내는 아래의 원소들을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 금속판.
    원소 함량
    Cu ≤0.010
    Fe 0.15-0.25
    Mg ≤0.05
    Mn 1.5-2.0
    Si 0.90-1.00
    Ti 0.005-0.020
    V ≤0.010
    Zn 1.0-5.0
    Zr ≤0.010
    Cr ≤0.30
  11. 제1항에 있어서,
    상기 중간층의 상기 합금은 알루미늄과 중량%로 나타내는 아래의 원소들을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 금속판.
    원소 함량
    Cu ≤0.010
    Fe 0.15-0.25
    Mg ≤0.05
    Mn 0.97-1.03
    Si 0.90-1.00
    Ti 0.005-0.020
    V ≤0.010
    Zn 1.0-5.0
    Zr ≤0.010
    Cr ≤0.30
  12. 제1항에 있어서,
    상기 코어층은 알루미늄과 중량%로 나타내는 아래의 원소들을 포함하는 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 다층 금속판.
    원소 함량
    Cu 0.5-1.0
    Fe ≤0.4
    Mg ≤0.8
    Mn 0.7-1.9
    Si ≤0.25
    Ti ≤0.1
    Zn ≤0.1
    Cr ≤0.03
  13. 제1항에 있어서,
    상기 코어층은 알루미늄과 중량%로 나타내는 아래의 원소들을 포함하는 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 다층 금속판.
    원소 함량
    Cu 0.5-0.65
    Fe 0.14-0.24
    Mg ≤0.01
    Mn 1.45-1.54
    Si 0.03-0.09
    Ti 0.005-0.030
    Zn ≤0.04
    Cr ≤0.01
  14. 제1항에 있어서,
    상기 중간층 합금의 전기음성도가 상기 코어층 합금의 전기음성도보다 큰 것을 특징으로 하는 다층 금속판.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 중간층 합금의 전기음성도가 상기 코어 합금의 전기음성도보다 적어도 50 ㎷ 큰 것을 특징으로 하는 다층 금속판.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 하나의 항에 따른 클래드 금속판으로 제조되는 튜브로,
    상기 Zn-함유 외각층이 상기 튜브의 내부 표면을 형성하는 것을 특징으로 하는 튜브.
  17. 제1항 내지 제15항 중 어느 하나의 항에 따른 클래드 금속판으로 제조되는 라디에이터 헤더로,
    상기 Zn-함유 외각층이 상기 헤더의 내부 표면을 형성하는 것을 특징으로 하는 라디에이터 헤더.
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