KR20150073555A - 열교환기 배관용 고내식성 알루미늄 합금 및 이로부터 제조된 열교환기 배관 - Google Patents

열교환기 배관용 고내식성 알루미늄 합금 및 이로부터 제조된 열교환기 배관 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열교환기 배관용 고내식성 알루미늄 합금 및 이로부터 제조된 열교환기 배관에 관한 것이다. 구체적으로, 우수한 내식성 및 강도를 나타내고, 두께가 얇은 박리형 배관으로 제조시 신율의 저하를 효과적으로 억제함으로써, 결과적으로 배관의 확관, 축관, 굽힘 등의 가공이 용이하고 가공부의 우선적 부식을 억제할 수 있으며, 제조비용이 절감되는 알루미늄 합금 및 이로부터 제조된 열교환기 배관에 관한 것이다.

Description

열교환기 배관용 고내식성 알루미늄 합금 및 이로부터 제조된 열교환기 배관{High corrosion-resistant aluminum alloy for heat exchanger tube and heat exchanger tube prepared from the same}
본 발명은 열교환기 배관용 고내식성 알루미늄 합금 및 이로부터 제조된 열교환기 배관에 관한 것이다. 구체적으로, 우수한 내식성 및 강도를 나타내고, 두께가 얇은 박리형 배관으로 제조시 신율의 저하를 효과적으로 억제함으로써, 결과적으로 배관의 확관, 축관, 굽힘 등의 가공이 용이하고 가공부의 우선적 부식을 억제할 수 있으며, 제조비용이 절감되는 알루미늄 합금 및 이로부터 제조된 열교환기 배관에 관한 것이다.
열교환기용 배관은 자동차의 열교환기에 사용되는 부품으로서, 경량성, 고강도 및 열전도 특성이 고려된 알루미늄 합금 재질로 제작된다. 이러한 알루미늄 합금으로 이루어진 열교환기용 배관은 자동차를 포함하는 수송 기기의 열교환기에 장착되어 고효율의 열교환이 가능하도록 하여 수송 기기의 연비 절감을 꾀할 수 있도록 한다.
열교환기용 배관은 용도에 따라 냉각수를 냉매로 사용하는 자동차의 라디에이터(radiator), 히터 코어(heater core), 오일 쿨러(oil cooler) 및 R134a를 냉매로 사용하는 응축기(condensor), 증발기(evaporator) 등에 사용된다. 이러한 열교환기용 튜브는 냉매와 직접적인 접촉이 이루어지기 때문에 강도나 압출성은 물론이고 내식성이 우수한 알루미늄 합금이 필요하다.
종래 열교환기용 배관의 소재로 사용된 Al3003 같은 3000계열 알루미늄 합금은 우수한 내식 특성을 나타내는 것으로 알려져 있다. 그러나, 상기 3000계열 알루미늄 합금은 실제로 열교환기용 배관으로 제조시 초기 상태와 비교하였을 때 상당히 변형된 상태가 되어 열교환기 배관에서 요구되는 최소 인장강도 90MPa 및 최소 항복강도 30 MPa을 만족하지 못할 수 있다.
특히, 두께가 얇은 박리형 배관으로 제조시 신율이 과도하게 저하되어 확관, 축관, 굽힙 등의 후가공이 어렵고 후가공시 가공부가 우선적으로 부식되는 문제가 있다. 또한, 열교환기 배관의 내식 특성을 평가하는 방법 중 하나인 SWAAT 시험에 적용시 최소 내식성 900 시간을 만족하지 못한다.
한편, 한국공개특허 제10-2013-0109198호, 일본공개특허 제(평)11-21649호, 일본공개특허 제2004-83954호, 미국공개특허 제2011/0192583 A1호에는 물성이 개선된 열교환기 배관용 알루미늄 합금들이 개시되어 있다.
특히, 한국공개특허 제10-2013-0109198호에는 구리(Cu) 0.03~0.07 중량%, 망간(Mn) 0.3~0.55 중량%, 철(Fe) 0.05~0.15 중량%, 티타늄(Ti) 0.08~0.12 중량%, 크롬(Cr) 0.03~0.06 중량%, 규소(Si) 0.1 중량% 이하를 포함하고, 나머지 잔량부는 알루미늄 및 불순물인 알루미늄 합금이 개시되어 있고, 일본공개특허 제(평)11-21649호에는 구리(Cu) 0.35~0.55 중량%, 아연(Zn) 0.03 중량% 미만, 티타늄(Ti) 0.003~0.01 중량%, 철(Fe) 0.15~0.35 중량%, 지르코늄(Zr) 0.02~0.05 중량%, 규소(Si) 0.15 중량% 이하를 포함하고, 철(Fe)/규소(Si)≥2.5이며, 나머지 잔량부는 알루미늄 및 불순물인 알루미늄 합금이 개시되어 있다.
또한, 일본공개특허 제2004-83954호에는 구리(Cu) 0.01~0.5 중량%, 망간(Mn) 0.1~0.5 중량%, 아연(Zn) 0.01~0.5 중량%, 티타늄(Ti) 0.05~0.3 중량%, 크롬(Cr) 0.05~0.6 중량%, 규소(Si) 0.1~1.0 중량%를 포함하고, 나머지 잔량부는 알루미늄 및 불순물인 알루미늄 합금이 개시되어 있고, 미국공개특허 제2011/0192583 A1호에는 구리(Cu) 0.3~1.5 중량%, 망간(Mn) 0.3~2.0 중량%, 티타늄(Ti) 0.01~0.5 중량%, 규소(Si) 0.3~1.5 중량%, 붕소(B) 0.001~0.1 중량%를 포함하고, 나머지 잔량부는 알루미늄 및 불순물인 알루미늄 합금이 개시되어 있다.
그러나, 상기 알루미늄 합금들은 합금의 압출성을 개선하기 위해 구리(Cu), 망간(Mn), 아연(Zn) 등의 함량을 극히 미량만 포함하여 열교환기 배관용 소재로 사용하기에 내식성 및 강도가 불충분하거나, 티타늄(Ti) 및 크롬(Cr)의 함량 감축 및 단순 첨가로 결정립 미세화 효과가 불충분하여 두께가 얇은 박리형 배관으로 제조시 신율 특성이 과도하게 저하되고, 결과적으로 배관의 확관, 축관, 굽힘 등의 가공이 어려우며 가공시 가공부의 우선적 부식이 일어나는 문제가 있다.
따라서, 압출성 및 이와 상충관계에 있는 내식성 및 강도를 동시에 충족할 수 있고, 효율적인 결정립 미세화에 의해 두께가 얇은 박리형 배관으로 제조시 신율의 저하를 효과적으로 억제함으로써, 결과적으로 배관의 확관, 축관, 굽힘 등의 가공이 용이하고 가공부의 우선적 부식을 억제할 수 있는 열교환기 배관용 알루미늄 합금이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 열교환기 배관용으로 사용하기에 충분한 내식성 및 강도를 갖는 알루미늄 합금 및 이로부터 제조된 열교환기 배관을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 두께가 얇은 박리형 배관으로 제조시 효과적으로 신율 특성의 저하를 억제할 수 있어 배관의 확관, 축관, 굽힘 등의 가공이 용이하고 가공부의 우선적 부식을 억제할 수 있는 알루미늄 합금 및 이로부터 제조된 열교환기 배관을 제공하는 것을 목적으로 한다.
나아가, 본 발명은 별도의 결정립 미세화 공정이 불필요하여 제조공정이 간단하고 따라서 제조비용이 절감되는 알루미늄 합금 및 이로부터 제조된 열교환기 배관을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은,
망간(Mn) 0.6 내지 1.2 중량%, 철(Fe) 0.1 내지 0.3 중량%, 구리(Cu) 0.1 내지 0.5 중량%, 아연(Zn) 0.15 내지 0.6 중량%, 및 티타늄(Ti) 0.05 내지 0.3 중량%를 포함하고, 나머지 잔량부가 알루미늄 및 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는, 열교환기 배관용 고내식성 알루미늄 합금을 제공한다.
여기서, 크롬(Cr) 0.05 내지 0.3 중량%를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 열교환기 배관용 고내식성 알루미늄 합금을 제공한다.
또한, 상기 티타늄(Ti) 및 상기 크롬(Cr)의 총 함량이 0.5 중량% 이하인 것을 특징으로 하는, 열교환기 배관용 고내식성 알루미늄 합금을 제공한다.
그리고, 상기 불순물은 규소(Si) 0.3 중량% 이하, 마그네슘(Mg) 0.1 중량% 이하를 포함하는 것을 특징으로 하는, 열교환기 배관용 고내식성 알루미늄 합금을 제공한다.
한편, 상기 티타늄(Ti)은 티타늄 디보라이드(TiB2)의 첨가에 의해 포함되는 것을 특징으로 하는, 열교환기 배관용 고내식성 알루미늄 합금을 제공한다.
여기서, 상기 알루미늄 합금의 결정 입경이 50 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는, 열교환기 배관용 고내식성 알루미늄 합금을 제공한다.
또한, 상기 알루미늄 합금의 결정 입경은 알루미늄 합금 용탕의 탈가스화 공정을 수행하기 전 10분 이내에 상기 티타늄 디보라이드(TiB2)를 첨가함으로써 제어되는 것을 특징으로 하는, 열교환기 배관용 고내식성 알루미늄 합금을 제공한다.
한편, 상기 열교환기 배관용 고내식성 알루미늄 합금으로 제조되고, 항복강도가 30 MPa 이상, 인장강도가 90 MPa 이상, 신율이 35 % 이상이며, ASTM G85에 따른 SWAAT 시험에서 내식성이 900 시간 이상인, 열교환기 배관을 제공한다.
여기서, 외경이 5 내지 8 mm이고, 두께가 0.4 내지 0.7 mm인 것을 특징으로 하는, 열교환기 배관을 제공한다.
또한, 상기 알루미늄 합금의 결정 입경이 50 ㎛ 이하이고, 브레이징(brazing) 열처리 되는 경우에도 상기 알루미늄 합금의 결정 입경이 70 ㎛ 이하로 제어되는 것을 특징으로 하는, 열교환기 배관을 제공한다.
그리고, 표면이 아연 용사(Thermal Arc Spray; TAS) 처리된 것을 특징으로 하는, 열교환기 배관을 제공한다.
한편, 망간(Mn) 0.6 내지 1.2 중량%, 철(Fe) 0.1 내지 0.3 중량%, 구리(Cu) 0.1 내지 0.5 중량% 및 아연(Zn) 0.15 내지 0.6 중량%를 포함하고, 나머지 잔량부가 알루미늄 및 불순물로 이루어진 알루미늄 합금 용탕을 제조하는 단계, 상기 알루미늄 합금 용탕에 티타늄 디보라이드(TiB2)를 첨가하여 티타늄(Ti) 0.05 내지 0.3 중량%를 추가로 포함하는 알루미늄 합금 용탕을 제조하는 단계, 티타늄 디보라이드(TiB2)를 첨가한 후 10분 이내에 상기 알루미늄 합금 용탕을 탈가스화하고 이물질을 여과하는 단계, 탈가스화 및 이물질이 여과된 상기 알루미늄 합금 용탕으로 연속주조압연에 의해 와이어 로드(wire rod)를 제조하는 단계, 상기 와이어 로드를 440 내지 580℃의 온도 범위에서 12 내지 24시간 동안 열처리한 후 공냉하는 단계, 및 열처리 후 공냉한 상기 와이어 로드를 컨펌 압출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 열교환기 배관의 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 컨펌 압출 단계 후, 상기 열교환기 배관의 표면에 아연 용사(TAS, thermal arc spray) 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 열교환기 배관의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 연속주조압연에 적용되는 상기 알루미늄 합금 용탕의 온도가 750 내지 900℃인 것을 특징으로 하는, 열교환기 배관의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 알루미늄 합금은 특정한 합금원소 및 이들의 배합비로 탁월한 내식성과 강도를 동시에 발휘하는 우수한 효과를 나타낸다.
또한, 본 발명에 따른 알루미늄 합금은 특정 합금원소의 함량과 첨가시기 조절에 의해 효율적인 결정립 미세화를 달성함으로써, 두께가 얇은 박리형 배관으로 제조시 신율의 저하를 효과적으로 억제함으로써, 결과적으로 배관의 확관, 축관, 굽힘 등의 가공이 용이하고 가공부의 우선적 부식을 억제할 수 있는 우수한 효과를 나타낸다.
나아가, 본 발명에 따른 알루미늄 합금은 별도의 결정립 미세화 공정이 불필요하므로 제조공정이 단순하고, 따라서 제조비용이 절감되는 우수한 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 제조공정의 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 열교환기 배관의 제조공정의 흐름도이다.
본 발명은 열교환기 배관용 고내식성 알루미늄 합금에 관한 것이다.
상기 알루미늄 합금은 망간(Mn), 철(Fe), 구리(Cu), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 기타 불순물 및 알루미늄(Al)을 포함한다.
망간(Mn)은 알루미늄 합금의 내식성에 기여하는 합금원소로서, 알루미늄 기저에 미세하게 분포하며 알루미늄의 전위를 높이는 기능이 있어 함유량에 따라 내식성의 기여도가 높아지는 동시에, 강도 향상에도 긍적적인 영향력을 가지고 있다.
상기 망간(Mn)의 함량은 알루미늄 합금의 총 중량을 기준으로 0.6 내지 1.2 중량%일 수 있다. 여기서, 망간(Mn)의 함량이 0.6 중량% 미만인 경우 망간(Mn)의 첨가에 의한 알루미늄 합금의 내식성 및 강도 향상의 효과가 발휘되기 어려운 반면, 1.2 중량% 초과인 경우 알루미늄 합금의 압출성이 저하될 수 있다.
철(Fe)은 기지(Matrix) 내에 Al-Fe 금속간 화합물로서 존재한다. 또한, 망간(Mn) 또는 망간(Mn) 및 규소(Si)가 공존하는 경우 Al-Mn-Fe 금속간 화합물 또는 Al-Mn-Fe-Si 금속간 화합물로서 정출 또는 석출하여 브레이징(brazing) 후의 강도를 향상시키며, 상기 금속간 화합물은 결정립 조대화를 억제하는 작용을 한다.
상기 철(Fe)의 함량은 알루미늄 합금의 총 중량을 기준으로 0.1 내지 0.3 중량%일 수 있다. 여기서, 철(Fe)의 함량이 0.1 중량% 미만인 경우 철(Fe)의 첨가에 의한 알루미늄 합금의 강도 향상 효과가 발휘되기 어려운 반면, 0.3 중량% 초과인 경우 금속간 화합물이 조대해져 알루미늄 합금의 압출성이 저하되고 내식성이 현저히 저하될 수 있다.
구리(Cu)는 망간(Mn)과 같이 알루미늄(Al)에 고용되어 알루미늄 합금의 전위를 높이는 합금원소로 알루미늄 합금의 내식성 및 강도를 향상시키는 작용을 한다.
상기 구리(Cu)의 함량은 알루미늄 합금의 총 중량을 기준으로 0.1 내지 0.5 중량%일 수 있다. 여기서, 구리(Cu)의 함량이 0.1 중량% 미만인 경우 구리(Cu)의 첨가에 의한 알루미늄 합금의 내식성 및 강도 향상의 효과가 발휘되기 어려운 반면, 0.5 중량% 초과인 경우 알루미늄 합금의 압출성 및 내식성이 동시에 저하될 수 있다.
아연(Zn)은 알루미늄 합금의 기계적 성능을 향상시키는 효과가 있다. 상기 아연(Zn)의 함량은 알루미늄 합금의 총 중량을 기준으로 0.15 내지 0.6 중량%일 수 있다. 여기서, 아연(Zn)의 함량이 0.15 중량% 미만인 경우 아연(Zn)의 첨가에 의한 알루미늄 합금의 기계적 성능 향상의 효과가 발휘되기 어려운 반면, 0.6 중량% 초과인 경우 알루미늄 합금의 압출성이 저하될 수 있다.
티타늄(Ti)은 알루미늄 합금의 신율을 소폭 향상시키고 특히 결정립 미세화에 의해 상기 알루미늄 합금을 두께가 얇은 박리형 배관으로 제조시 신율의 저하를 효과적으로 억제함으로써, 결과적으로 배관의 확관, 축관, 굽힘 등의 가공이 용이하고 가공부의 우선적 부식을 억제할 수 있다.
상기 티타늄(Ti)의 함량은 알루미늄 합금의 총 중량을 기준으로 0.05 내지 0.3 중량%일 수 있다. 여기서, 티타늄(Ti)의 함량이 0.05 중량% 미만인 경우 티타늄(Ti)의 첨가에 의한 알루미늄 합금의 신율 향상 및 결정립 미세화 효과가 발휘되기 어려운 반면, 티타늄(Ti)은 융점이 높기 때문에 알루미늄 용탕 제조시 티타늄 디보라이드(TiB2)로 첨가되기 때문에 티타늄(Ti)의 함량이 0.3 중량% 초과인 경우 알루미늄 합금에 다량의 불순물이 첨가되어 조대한 금속간 화합물을 만들어 알루미늄 합금의 압출성 및 내식성을 저하시킬 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 알루미늄 합금은 상기 합금원소 이외에 크롬(Cr)을 추가로 포함할 수 있다.
크롬(Cr)은 알루미늄 합금의 결정립 미세화 효과와 강도를 추가로 향상시키는 효과가 있어 티타늄(Ti)의 기능을 보조하는 역할을 수행할 수 있다. 상기 크롬(Cr)의 함량은 알루미늄 합금의 총 중량을 기준으로 0.05 내지 0.3 중량%일 수 있다. 여기서, 크롬(Cr)의 함량이 0.05 중량% 미만인 경우 크롬(Cr)의 첨가에 의한 알루미늄 합금의 결정립 미세화 효과와 강도가 추가로 향상되는 효과가 발휘되기 어려운 반면, 0.3 중량% 초과인 경우 오히려 내식성을 크게 악화시킬 수 있다.
따라서, 티타늄(Ti)과 크롬(Cr)을 함께 첨가하는 경우 이들 합금원소의 총 함량을 0.5 중량% 이하로 제한함으로써 알루미늄 합금의 내식성 향상을 극대화하고 알루미늄 합금의 물성이 저하되지 않도록 불순물의 함량을 제어할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 기타 불순물은 규소(Si) 및 마그네슘(Mg)을 포함할 수 있다.
규소(Si)는 Al, Mn, Mg 등과 금속간 화합물을 형성하여 압출 공정에서 형성되는 다양한 재결정 조직을 미세화하는 효과가 있다. 상기 규소(Si)의 함량은 알루미늄 합금의 총 중량을 기준으로 0.3 중량% 이하일 수 있다. 여기서, 규소(Si)의 함량이 0.3 중량% 초과인 경우 망간(Mn)의 고용량을 감소시키고 상기 알루미늄 합금으로부터 제조되는 알루미늄 잉곳의 경제성이 저하될 수 있다.
마그네슘(Mg)은 알루미늄 합금의 강도 향상에 기여하는 합금원소이지만 함량이 증가함에 따라 알루미늄 합금의 압출성 및 신율이 크게 저하될 수 있다. 따라서, 상기 마그네슘(Mg)의 함량은 알루미늄 합금의 총 중량을 기준으로 0.1 중량% 이하인 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 제조공정의 흐름도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 제조공정은 아래 a) 내지 d) 단계를 포함할 수 있다.
a) 망간(Mn) 0.6 내지 1.2 중량%, 철(Fe) 0.1 내지 0.3 중량%, 구리(Cu) 0.1 내지 0.5 중량% 및 아연(Zn) 0.15 내지 0.6 중량%를 포함하고, 나머지 잔량부가 알루미늄 및 불순물로 이루어진 알루미늄 합금 용탕을 제조하는 단계;
b) 상기 알루미늄 합금 용탕에 티타늄 디보라이드(TiB2)를 첨가하여 티타늄(Ti) 0.05 내지 0.3 중량%를 추가로 포함하는 알루미늄 합금 용탕을 제조하는 단계;
c) 티타늄 디보라이드(TiB2)를 첨가한 후 10분 이내에 상기 알루미늄 합금 용탕을 탈가스화하고 이물질을 여과하는 단계; 및
d) 탈가스화 및 이물질이 여과된 상기 알루미늄 합금 용탕으로 연속주조압연에 의해 알루미늄 합금의 와이어 로드(wire rod)를 제조하는 단계.
특히, 본 발명에 따른 알루미늄 합금을 구성하는 합금원소 중 티타늄(Ti)은 상기 단계 b)에서 티타늄 디보라이드(TiB2)로 첨가되는데, 이는 티타늄(Ti)의 융점이 1,800℃로 다른 합금원소인 망간(Mn)의 융점 1244℃, 철(Fe)의 융점 1540℃, 구리(Cu)의 융점 1084.5℃, 아연(Zn)의 융점 420℃에 비해 높기 때문이다.
또한, 상기 티타늄 디보라이드(TiB2)는 다른 합금원소와 달리 알루미늄 용탕의 탈가스화 공정 개시전 약 10분 이내에 첨가되고, 이로써 티타늄(Ti)의 결정립 미세화 효과가 극대화되어 알루미늄 합금의 결정 입경을 50㎛ 이하로 제어할 수 있다.
이로써, 상기 알루미늄 합금으로 제조되는 열교환기 배관의 확관, 축관, 굽힘 등의 후가공이 용이하고, 가공부의 우선적 부식을 효과적으로 억제할 수 있으며, 별도의 결정립 미세화 공정이 불필요하므로 제조공정이 간단하고 따라서 제조비용이 절감될 수 있다.
반면, 티타늄 디보라이드(TiB2)가 알루미늄 합금의 탈가스화 공정 개시로부터 약 10분 이전에 첨가되는 경우, 알루미늄 합금의 제조조건에 따라 티타늄(Ti)의 결정립 미세화 효과가 거의 발휘되지 못할 수 있다.
나아가, 상기 단계 d)에서 상기 연속주조압연에 적용되는 상기 알루미늄 합금 용탕의 온도가 750 내지 900℃인 것이 바람직하다. 상기 연속주조압연에 적용되는 용탕의 주입 온도를 상기와 같이 한정하는 이유는 금속간 화합물인 고용체, 즉 치밀한 미세조직을 갖는 주물을 얻기 위함이고, 상기 용탕의 주입 온도가 900℃를 초과하는 경우 주물의 미세조직이 조대해지는 문제가 있는 반면, 750℃ 미만인 경우 상기 용탕의 유동성이 부족하여 주형 공간을 치밀하게 채우지 못하는 미스런(Miss Run) 현상이 발생할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 열교환기 배관의 제조공정의 흐름도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 열교환기 배관의 제조공정은 아래 a) 내지 c) 단계를 포함할 수 있다.
a) 도 1에 도시된 공정에 의해 제조된 알루미늄 합금의 와이어 로드를 440 내지 580℃의 온도 범위에서 12 내지 24시간 동안 열처리한 후 공냉하는 단계, 및
b) 열처리 후 공냉한 상기 와이어 로드를 컨펌 압출하여 열교환기 배관을 제조하는 단계.
상기 단계 a)는 알루미늄 합금의 와이어 로드의 열처리를 통해 알루미늄 합금을 형성하는 합금원소의 균일화 혹은 편석 등의 불균일 조직의 제거를 달성하고, 결과적으로 알루미늄 합금의 물성의 균일화와 부분 부식 및 입계 부식을 억제할 수 있다.
또한, 상기 단계 b)의 컨펌 압출시 압출 속도는 바람직하게는 약 100 mpm일 수 있다. 컨펌 압출법은 전단 응력(shear stress)을 이용한 압출법으로 일정 수준 이상의 압출 속도가 요구되고, 압출 속도가 낮은 경우 제조되는 배관의 표면 불량 또는 물성 저하가 유발될 수 있다.
본 발명에 따른 열교환기 배관의 제조공정은 상기 단계 b)를 수행한 후 c) 열교환기 배관의 표면에 아연 용사(thermal arc spray; TAS) 처리를 수행하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 아연 용사(TAS) 처리는 희생양극 효과를 부여하여 열교환기 배관의 내식성을 추가로 향상시킬 수 있다.
종래 열교환기 배관을 제조하기 위한 직접 압출법은 알루미늄 합금으로부터 제조된 알루미늄 빌렛(billet)들을 압출기에 불연속적으로 투입하여 열교환기 배관을 제조한다. 이러한 직접 압출시 상기 알루미늄 빌렛에 가해지는 열에너지와 압출에 의한 전단에너지는 알루미늄 기저에 고용된 상태로 존재하는 망간(Mn), 구리(Cu) 같은 합금원소 및 금속간 화합물을 일정량 입계면으로 확산시켜 석출시킨다.
이러한 석출 현상은 압출 속도 및 전단에너지에 따라 그 정도가 달라지게 되므로, 불연속적으로 알루미늄 빌렛을 투입시키는 직접 압출을 이용하여 열교환기 배관을 생산할 경우, 투입되는 빌렛의 종단 영역과 다음으로 투입되는 빌렛의 시단 영역이 맞물리는 부위에서 상기 석출 현상이 발생하는 정도의 차이에 의해 합금의 조직이 달라지고, 결과적으로 상기 맞물리는 부위에서 전위차 부식이 발생할 소지가 있다.
따라서, 본 발명에 따른 열교환기 배관의 제조공정은 알루미늄 합금의 와이어 로드를 연속적으로 압출기에 투입하고 압출 선속을 100 mpm 정도로 동일하게 유지하면서 열교환기 배관을 제조하는 컨펌 압출법을 채택함으로써 상기 직접 압출법이 갖는 문제점, 즉 열교환기 배관을 형성하는 알루미늄 합금의 국소적인 조직 변형에 의한 전위차 부식을 회피할 수 있다.
본 발명에 따른 제조공정에 의해 제조된 열교환기 배관은 항복강도가 30 MPa 이상이고, 인장강도가 90 MPa 이상으로 기계적 강도가 우수하다. 또한, 상기 열교환기 배관은 이를 형성하는 알루미늄 합금의 결정립 미세화에 의해 신율이 35 % 이상이고, 외경이 5 내지 8 mm이고, 두께가 0.4 내지 0.7 mm인 박리형 배관으로 제조되는 경우에도 신율의 저하가 회피되거나 최소화되어 확관, 축관, 굽힘 등의 후가공이 용이하고, 후가공 이후에 가공 부위의 우선적 부식을 억제할 수 있다.
또한, 상기 열교환기 배관은 이를 구성하는 알루미늄 합금의 결정 입경이 50 ㎛ 이하이고, 열교환기를 제조하기 위해 브레이징(brazing) 열처리 되는 경우에도 결정 입경이 70 ㎛ 이하로 제어될 수 있다. 나아가, 상기 열교환기 배관은 ASTM G85에 따른 SWAAT 시험에서 내식성이 900 시간 이상으로, 종래 알루미늄 합금에 의해 제조된 열교환기 배관에 비해 극히 우수할 뿐만 아니라, 상기 알루미늄 합금의 별도의 결정립 미세화 공정이 불필요하므로 제조공정이 단순하고, 따라서 제조비용이 절감되는 우수한 효과를 나타낸다.
<실시예>
1. 제조예
아래 표 1에 나타난 바와 같은 함량의 합금원소를 포함하고, 나머지 잔량부금을 제조한 후, 프로페르치법을 이용하여 외경 10 mm의 와이어 로드를 각각 제조하여 코일 형태로 보빈에 감았다. 균질화 처리를 위해 520℃의 온도 범위에서 18 시간 동안 유지한 후 공냉시키는 순서로 열처리를 수행하였다. 그 후, 열처리된 와이어 로드를 컨펌 압출법을 이용해 압출 속도 100 mpm으로 외경 8 mm, 두께 0.7 mm의 배관을 각각 제조했다. 아래 표 1에서 합금원소의 함량에 관한 단위는 중량%이다.
Si Mg Cr Mn Ti Fe Cu Zn
실시예1 0.15 0.05 0.2 0.6 0.15 0.2 0.4 0.3
실시예2 0.15 0.05 0.2 1.2 0.15 0.2 0.2 0.3
실시예3 0.15 0.05 0.2 0.9 0.15 0.2 0.1 0.3
실시예4 0.15 0.05 0.2 0.9 0.15 0.2 0.5 0.3
실시예5 0.15 0.05 0.15 0.9 0.15 0.3 0.3 0.15
실시예6 0.15 0.05 0.2 0.9 0.15 0.2 0.3 0.6
실시예7 0.15 0.05 0.2 0.9 0.15 0.2 0.3 0.3
실시예8 0.3 0.05 0.2 0.9 0.15 0.2 0.3 0.3
실시예9 0.15 0.05 0.3 0.9 0.05 0.2 0.3 0.3
실시예10 0.15 0.05 0.05 0.9 0.3 0.2 0.3 0.3
실시예11 0.15 0.05 0.2 0.9 0.15 0.1 0.4 0.3
실시예12 0.15 0.05 0.2 0.9 0.15 0.3 0.3 0.2
실시예13 0.15 0.1 0.2 0.9 0.15 0.2 0.3 0.3
실시예14 0.15 0.15 0 0.9 0.3 0.2 0.3 0.3
비교예1 0.15 0.05 0.2 0.5 0.15 0.2 0.3 0.3
비교예2 0.15 0.05 0.2 1.3 0.15 0.2 0.3 0.3
비교예3 0.15 0.05 0.2 0.9 0.15 0.2 0 0.3
비교예4 0.15 0.05 0.2 0.9 0.15 0.2 0.6 0.3
비교예5 0.15 0.05 0.2 0.9 0.15 0.2 0.3 0
비교예6 0.15 0.05 0.2 0.9 0.15 0.2 0.3 0.7
비교예7 0.4 0.05 0.2 0.9 0.15 0.2 0.3 0.3
비교예8 0.15 0.05 0.4 0.9 0.15 0.2 0.3 0.3
비교예9 0.15 0.05 0.2 0.9 0.4 0.2 0.3 0.3
비교예10 0.15 0.05 0.3 0.9 0.3 0.2 0.3 0.3
비교예11 0.15 0.05 0.2 0.9 0.15 0 0.3 0.3
비교예12 0.15 0.05 0.2 0.9 0.15 0.4 0.3 0.3
비교예13 0.15 0.2 0.2 0.9 0.15 0.2 0.3 0.3
비교예14 0.15 0.05 0.2 0.9 0 0.2 0.3 0.3
2. 물성 평가
1) 압출성, 항복강도, 인장강도 및 신율 평가
압출성은 압출 선속 100 mpm으로 압출 공정이 가능한 경우 양호, 압출 공정이 불가능한 경우 불량으로 평가하였다. 또한, 항복강도, 인장강도 및 신율은 ASTM E8에 따라 평가했다.
2) 내식성 평가
내식성의 평가는 ASTM G85에 따른 SWAAT 시험으로 평가했다. 구체적으로, 4.2 중량%의 NaCl 용액에 빙초산을 첨가하여 pH 2.8 내지 3.0으로 유지하고 이를 49℃의 온도하에서 0.07 MPa의 압력 및 1 내지 2 ㎖/hr의 분무량으로 배관 시편에 분무하면서 부식에 견디는 최대 시간을 측정했다.
상기 물성 평가의 결과는 아래 표 2에 나타난 바와 같다.
압출성 항복강도(MPa) 인장강도(MPa) 신율(%) SWAAT(시간)
실시예1 양호 32 94 36 920
실시예2 양호 33 96 35 980
실시예3 양호 31 92 36 930
실시예4 양호 34 99 36 950
실시예5 양호 31 92 35 960
실시예6 양호 33 95 39 900
실시예7 양호 32 93 37 950
실시예8 양호 33 95 36 920
실시예9 양호 32 93 36 920
실시예10 양호 33 93 36 930
실시예11 양호 31 92 36 930
실시예12 양호 34 98 35 920
실시예13 양호 32 94 35 930
실시예14 양호 30 90 35 900
비교예1 양호 31 92 33 890
비교예2 불량 33 95 35 980
비교예3 양호 30 90 35 890
비교예4 불량 34 100 35 920
비교예5 양호 29 89 32 960
비교예6 양호 33 93 36 880
비교예7 불량 34 97 35 890
비교예8 양호 32 94 34 880
비교예9 양호 33 94 35 890
비교예10 양호 32 94 34 870
비교예11 양호 29 89 36 930
비교예12 양호 34 100 32 880
비교예13 양호 32 94 33 890
비교예14 양호 27 83 36 820
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 14의 열교환기 배관은 압출성이 양호하고, 항복강도, 인장강도 등 기계적 강도가 우수한 동시에, 외경 8 mm, 두께 0.7 mm의 박리형 배관임에도 불구하고 신율이 35% 이상으로 높아 최종 완성품인 열교환기를 제조하기 위한 확관, 축관, 굽힘 등의 후가공이 용이하고 후가공시 가공 부위의 우선적 부식을 억제할 수 있고, 나아가 내식성이 종래 열교환기 배관에 비해 월등하여 SWAAT 시험시 900 시간 이상을 달성하고 있다.
반면, 비교예 1의 배관 시편은 망간(Mn)의 함량이 기준 미달이라 신율과 내식성이 불충분한 반면, 비교예 2의 배관 시편은 망간(Mn)의 함량이 과다하여 압출성이 불량한 것으로 확인되었다.
또한, 비교예 3의 배관 시편은 구리(Cu)가 첨가되지 않아 내식성이 불충분한 반면, 비교예 4의 배관 시편은 구리(Cu)의 함량이 과다하여 압출성이 불량한 것으로 확인되었다.
비교예 5의 배관 시편은 아연(Zn)이 첨가되지 않아 항복강도, 인장강도 등의 기계적 강도와 신율이 불충분한 반면, 비교예 6의 배관 시편은 아연(Zn)의 함량이 과다하여 압출성이 불량하고, 오히려 내식성이 저하되는 것으로 확인되었고, 비교예 7의 배관 시편은 규소(Si)의 함량이 과다하여, 압출성 및 내식성이 불량한 것으로 확인되었다.
비교예 8 내지 10의 배관 시편은 크롬(Cr) 또는 티타늄(Ti)의 함량이 과다하거나, 크롬(Cr)과 티타늄(Ti)의 함량이 0.5 중량%를 초과함으로써, 오히려 신율과 내식성이 저하되는 것으로 확인되었다.
비교예 11의 배관 시편은 철(Fe)이 첨가되지 않아 항복강도, 인장강도 등의 기계적 강도가 불충분한 반면, 비교예 12의 배관 시편은 철(Fe)의 함량이 과다하여 신율과 내식성이 저하되는 것으로 확인되었다.
비교예 13의 배관 시편은 마그네슘(Mg)의 함량이 과다하여 신율과 내식성이 저하되고, 비교예 14의 배관 시편은 티타늄(Ti)이 첨가되지 않아 항복강도, 인장강도 등의 기계적 강도와 내식성이 저하된 것으로 확인되었다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.

Claims (14)

  1. 망간(Mn) 0.6 내지 1.2 중량%, 철(Fe) 0.1 내지 0.3 중량%, 구리(Cu) 0.1 내지 0.5 중량%, 아연(Zn) 0.15 내지 0.6 중량%, 및 티타늄(Ti) 0.05 내지 0.3 중량%를 포함하고, 나머지 잔량부가 알루미늄 및 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는, 열교환기 배관용 고내식성 알루미늄 합금.
  2. 제1항에 있어서,
    크롬(Cr) 0.05 내지 0.3 중량%를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 열교환기 배관용 고내식성 알루미늄 합금.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 티타늄(Ti) 및 상기 크롬(Cr)의 총 함량이 0.5 중량% 이하인 것을 특징으로 하는, 열교환기 배관용 고내식성 알루미늄 합금.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 불순물은 규소(Si) 0.3 중량% 이하, 마그네슘(Mg) 0.1 중량% 이하를 포함하는 것을 특징으로 하는, 열교환기 배관용 고내식성 알루미늄 합금.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 티타늄(Ti)은 티타늄 디보라이드(TiB2)의 첨가에 의해 포함되는 것을 특징으로 하는, 열교환기 배관용 고내식성 알루미늄 합금.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금의 결정 입경이 50 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는, 열교환기 배관용 고내식성 알루미늄 합금.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금의 결정 입경은 알루미늄 합금 용탕의 탈가스화 공정을 수행하기 전 10분 이내에 상기 티타늄 디보라이드(TiB2)를 첨가함으로써 제어되는 것을 특징으로 하는, 열교환기 배관용 고내식성 알루미늄 합금.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따르는 열교환기 배관용 고내식성 알루미늄 합금으로 제조되고,
    항복강도가 30 MPa 이상, 인장강도가 90 MPa 이상, 신율이 35 % 이상이며,
    ASTM G85에 따른 SWAAT 시험에서 내식성이 900 시간 이상인, 열교환기 배관.
  9. 제8항에 있어서,
    외경이 5 내지 8 mm이고, 두께가 0.4 내지 0.7 mm인 것을 특징으로 하는, 열교환기 배관.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금의 결정 입경이 50 ㎛ 이하이고, 브레이징(brazing) 열처리 되는 경우에도 상기 알루미늄 합금의 결정 입경이 70 ㎛ 이하로 제어되는 것을 특징으로 하는, 열교환기 배관.
  11. 제10항에 있어서,
    표면이 아연 용사(Thermal Arc Spray; TAS) 처리된 것을 특징으로 하는, 열교환기 배관.
  12. 망간(Mn) 0.6 내지 1.2 중량%, 철(Fe) 0.1 내지 0.3 중량%, 구리(Cu) 0.1 내지 0.5 중량% 및 아연(Zn) 0.15 내지 0.6 중량%를 포함하고, 나머지 잔량부가 알루미늄 및 불순물로 이루어진 알루미늄 합금 용탕을 제조하는 단계,
    상기 알루미늄 합금 용탕에 티타늄 디보라이드(TiB2)를 첨가하여 티타늄(Ti) 0.05 내지 0.3 중량%를 추가로 포함하는 알루미늄 합금 용탕을 제조하는 단계,
    티타늄 디보라이드(TiB2)를 첨가한 후 10분 이내에 상기 알루미늄 합금 용탕을 탈가스화하고 이물질을 여과하는 단계,
    탈가스화 및 이물질이 여과된 상기 알루미늄 합금 용탕으로 연속주조압연에 의해 와이어 로드(wire rod)를 제조하는 단계,
    상기 와이어 로드를 440 내지 580℃의 온도 범위에서 12 내지 24시간 동안 열처리한 후 공냉하는 단계, 및
    열처리 후 공냉한 상기 와이어 로드를 컨펌 압출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 열교환기 배관의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 컨펌 압출 단계 후, 상기 열교환기 배관의 표면에 아연 용사(TAS, thermal arc spray) 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 열교환기 배관의 제조방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 연속주조압연에 적용되는 상기 알루미늄 합금 용탕의 온도가 750 내지 900℃인 것을 특징으로 하는, 열교환기 배관의 제조방법.
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