KR20160027412A - 금속튜브의 Al 도금방법 - Google Patents

금속튜브의 Al 도금방법 Download PDF

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Abstract

금속튜브의 Al 도금방법이 개시된다. 본 발명의 일 측면인 금속튜브의 Al 도금방법은, 금속튜브를 준비하는 단계; 상기 금속튜브의 외면에 Al계 금속 와이어를 일정 간격으로 권선하는 단계; 상기 Al계 금속 와이어가 권선된 금속튜브의 외면에 플럭스(flux)를 도포하는 단계; 및 상기 플럭스(flux)가 도포된 금속튜브를 유도가열하여, 금속튜브의 외면에 Al 도금층을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

금속튜브의 Al 도금방법{Al PLATING METHOD FOR METAL TUBE}
본 발명은 금속튜브의 Al 도금방법에 관한 것이다.
석탄발전에 사용되는 보일러 튜브로는 일반적으로 크롬을 일정 함량으로 포함하는 크롬강 튜브가 주로 이용된다. 이러한 튜브 내부에는 물 혹은 증기가 흐르며, 석탄, 중유 등의 연소에 의해 생성된 고온의 연소가스가 튜브 외면과 접촉하면서, 연소열이 튜브 내부로 전달되어 튜브 내부의 물 혹은 증기의 온도를 높이게 된다.
고온의 연소가스에는 산소, 물, 이산화탄소, 일산화탄소, 황화가스, 고형 산화물 등이 포함되어 있는데, 이러한 연소가스에 튜브가 장기간 노출되게 되면 튜브 외부면으로부터 산화, 부식, 침식 등 손상에 의해 열화되며, 열화의 정도가 심화되면 내부 증기의 압력을 견디지 못하고 파단이 일어나게 된다.
이를 방지하기 위한 한가지 방법으로는, 보일러 튜브의 외면을 고크롬강으로 클래딩함으로써 고온의 연소가스로부터의 산화 및 부식을 억제하는 방법이 있다. 이 경우, 튜브의 표면 경도가 높아지기 때문에 침식 또한 억제할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 상기 기술은 클래딩을 위한 추가적인 설비를 요할 뿐만 아니라, 튜브의 두께가 지나치게 두꺼워져 고온의 연소가스와 튜브 내부의 물 혹은 증기와의 열교환 효율이 저하되는 문제가 있다. 따라서, 상기 기술은 외부 온도가 800~900℃ 정도로 매우 높은 구간에 설치되는 튜브에 한하여 제한적으로 적용되고 있다.
이를 방지하기 위한 다른 한가지 방법으로는, 보일러 튜브의 외면을 알루미나이징 처리하여, 고온 산화시 알루미늄이 선택적으로 산화되도록 함으로써, 보일러 튜브의 내부식성 및 내산화성을 향상시키는 방법이 있다. 이러한 알루미나이징 처리의 대표적인 예로는 고온확산코팅방법이 있다.
고온확산코팅방법은 알루미늄 분말, 활성제 및 소결 방지제의 혼합 분말에 모재를 매몰시키고, 환원 분위기 하 900℃ 이상의 고온에서 일정 시간 유지시켜 모재의 표면에 알루미늄의 농도를 높이는 방법이다. 그러나, 상기 기술은 열처리시 분위기를 제어해야 하기 때문에 열처리로가 반드시 요구되는데, 보일러 튜브와 같이 길이가 긴 모재의 경우 처리하기가 곤란하며, 또한 열처리시 900℃ 이상의 고온으로 유지해야 하기 때문에 비경제적일 뿐만 아니라, 강의 상변태에 의한 부품의 왜곡을 피할 수 없다는 문제가 있다.
본 발명의 일 측면은 석탄발전의 보일러 튜브와 같이 고온산화 및 부식 환경에 노출되어 장시간 사용되는 금속튜브의 고온내산화 특성 및 내부식 특성을 현저히 향상시킬 수 있는 금속튜브의 Al 도금방법을 제공하고자 하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면인 금속튜브의 Al 도금방법은, 금속튜브를 준비하는 단계; 상기 금속튜브의 외면에 Al계 금속 와이어를 일정 간격으로 권선하는 단계; 상기 Al계 금속 와이어가 권선된 금속튜브의 외면에 플럭스(flux)를 도포하는 단계; 및 상기 플럭스(flux)가 도포된 금속튜브를 유도가열하여, 금속튜브의 외면에 Al 도금층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 간단한 방법에 의해 금속튜브의 표면에 Al 도금층을 형성할 수 있으며, 비교적 낮은 온도에서 Al 도금층을 형성할 수 있어 공정 비용이 저렴할 뿐만 아니라, 상변태에 의한 금속튜브의 왜곡을 피할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의해 제조되는 금속튜브는 내산화 특성 및 내부식성이 매우 우수한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속튜브의 Al 도금방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 Al계 금속 와이어가 권선된 금속튜브의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 발명예 1에 따른 금속튜브의 단면을 관찰하여 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 발명예 1에 따른 금속튜브에 함유되어 있는 주요 합금원소의 성분지도이다.
도 5는 본 발명의 발명예 1 및 비교예 1에 따른 금속튜브를 1000℃에서 고온 산화시험을 수행하고, 시험 시간에 따른 금속튜브의 무게 변화를 관찰하여 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 발명예 1에 따른 금속튜브를 1000℃에서 176시간 동안 고온산화 시험을 수행한 후, 그 단면을 주사전자현미경으로 관찰하여 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 발명예 1에 따른 금속튜브를 1000℃에서 176시간 동안 고온산화 시험을 수행한 후, 금속튜브에 함유되어 있는 주요 합금원소의 성분지도이다.
도 8은 본 발명의 비교예 1에 따른 금속튜브를 1000℃에서 176시간 동안 고온산화 시험을 수행한 후, 그 단면을 주사전자현미경으로 관찰하여 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 비교예 1에 따른 금속튜브를 1000℃에서 176시간 동안 고온산화 시험을 수행한 후, 금속튜브에 함유되어 있는 주요 합금원소의 성분지도이다.
도 10은 본 발명의 발명예 1에 따른 금속튜브를 1000℃에서 각각 42시간, 176시간, 318시간 동안 고온산화 시험을 수행한 후, 금속튜브의 표면으로부터 내부로 확산된 알루미늄의 농도를 관찰하여 나타낸 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다. 또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 일 측면인 금속튜브의 Al 도금방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속튜브의 Al 도금방법은, 금속튜브를 준비하는 단계(S10); 상기 금속튜브의 외면에 Al계 금속 와이어를 일정 간격으로 권선하는 단계(S20); 상기 Al계 금속 와이어가 권선된 금속튜브의 외면에 플럭스(flux)를 도포하는 단계(S30); 및 상기 플럭스(flux)가 도포된 금속튜브를 유도가열하여, 금속튜브의 외면에 Al 도금층을 형성하는 단계(S40)를 포함한다.
먼저, 금속튜브를 준비한다(S10). 이러한 금속튜브의 준비에는 금속튜브의 표면에 잔존하는 스케일이나 먼지 등을 제거하기 위한 산세 또는 세정하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명에서는 상기 금속튜브의 종류는 특별히 한정하지 않으며, 다만, 바람직하게는 고온산화 및 부식 환경에 노출되어 장시간 사용되는 석탄발전의 보일러 튜브에 적용할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 상기 금속튜브의 형상 역시 특별히 한정하지 않으며, 상기 금속튜브의 단면은 원, 타원, 다각형 등 공지의 어떠한 형상을 가질 수 있다.
이후, 금속튜브의 외면에 Al계 금속 와이어를 일정 간격(d)으로 권선한다(S20). 상기와 같이 권선된 Al계 금속 와이어는 후술할 열처리에 의해 용융되어 Al 도금층으로 변화되게 된다.
상기 Al계 금속 와이어는, 순수 알루미늄 와이어 및 알루미늄을 주성분으로 하는 알루미늄 합금 와이어를 포함하는 개념으로써, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 알루미늄 합금 와이어는 구리, 망간, 실리콘, 마그네슘으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 원소를 포함하는 AA2000계, AA3000계, AA4000계, AA5000계, AA6000계, AA7000계 합금 와이어일 수 있다.
한편, 석탄 발전 보일러 튜브와 같이 고온 산화 환경에서 사용되는 금속 튜브의 경우, 실제 사용 과정에서 튜브 외면에 Al2O3 및/또는 SiO2를 주성분으로 하는 견고한 산화물층이 형성될 수 있는 AA4000계 합금 와이어를 사용하는 것이 보다 바람직하다. 예를 들면, 6.8~8.2중량%의 실리콘을 함유하는 AA4343계 합금 와이어, 9~11중량%의 실리콘을 함유하는 AA4045계 합금 와이어를 들 수 있다.
도 2에 Al계 금속 와이어가 권선된 금속튜브의 모식도를 나타내었다. 상기 Al계 금속 와이어의 직경(R)과 와이어 간의 간격(d)은 원하는 Al 도금층의 두께에 따라 적절히 조절할 수 있다.
이후, 상기 Al계 금속 와이어가 권선된 금속튜브의 외면에 플럭스(flux)를 도포한다(S30). 상기 플럭스(flux)는 금속 튜브의 표면에 형성되어 있는 산화물을 제거하여, 용융 Al계 금속의 젖음성(wettability)을 향상시키는 역할을 한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 플럭스(flux)는 염화물계 플럭스 또는 불화물계 플럭스일 수 있다. 염화물계 플럭스의 일 예로써, 주성분으로 NaCl, LiCl 및 KCl를 포함하고, LiF 또는 Na3AlF3를 소량 함유하는 플럭스를 들 수 있다. 한편, 염화물계 플럭스는 부식성이 있으므로, 열처리 후 플럭스 잔사는 물로 씻어 제거함이 바람직하다. 또한, 불화물계 플럭스의 일 예로써, KAlF4, K2AlF5 및 K3AlF6 등 KnAlFn+3('n'는 1 이상의 정수)의 일반식을 가지는 화합물, KF와 AlF3의 단순 혼합물, 그 공융 혼합물 및 칼륨 플루오로알루민산염 등의 소정의 복합체를 들 수 있다. 한편, 불화물계 플럭스는 비부식성이므로 열처리 후 별도의 세척을 요하지 않는다.
상기 플럭스(flux)의 도포는, 금속 와이어가 권선된 금속튜브의 표면에 플럭스 함유 수용액을 분무하는 것이거나, 액상 페이스트 형태의 플럭스를 도포하는 것일 수 있다.
이후, 상기 플럭스(flux)가 도포된 금속튜브를 유도가열하여, 금속튜브의 외면에 Al 도금층을 형성한다(S40). 유도가열은 전자기유도에 의해 전기에너지를 열에너지로 변환시켜 피가열 재료를 가열하는 것으로, 가열시간이 매우 짧고, 두께 방향으로 동시에 가열할 수 있는 장점이 있다. 이때, Al계 금속 와이어는 비자성 소재이기 때문에 유도가열에 의한 가열 효과는 크지 않으나, 그와 접촉하고 있는 금속튜브로부터의 열 전도에 의하여 간접적으로 가열되게 된다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 유도가열시 금속튜브 외면의 온도는, Al계 금속 와이어의 융점 이상이고, 금속튜브의 상변태 온도 미만인 것이 바람직하다. 상기 금속튜브 외면의 온도가 Al계 금속 와이어의 융점 미만인 경우 Al계 금속 와이어의 용융이 일어나지 않을 우려가 있으며, 반면 금속튜브의 상변태 온도 이상인 경우에는 금속 튜브 자체의 열에 의한 변형을 초래할 우려가 있다. 상기 금속튜브의 상변태 온도는, 금속튜브의 소재가 순철인 경우 약 720℃이며, 크롬강인 경우 약 800℃이다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 Al 도금층 형성 후, Al 도금층이 형성된 금속튜브를 금속튜브의 상변태 온도 미만의 온도에서 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우, Al 도금층에 존재하는 Al의 금속튜브 내로 확산이 일어나, 금속튜브의 내산화 특성 및 내부식 특성을 보다 향상시킬 수 있다. 상기 열처리 온도의 상한 외 기타 열처리 조건에 대해서는 특별히 한정하지 않으며, 상기 금속 튜브가 석탄 발전 보일러 튜브와 같이 고온 산화 환경에서 사용되는 금속 튜브인 경우, 실제 사용 과정에서 고온의 환경에 노출되기 때문에 본 단계를 생략할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 Al 도금층 형성 후, 상기 Al 도금층이 형성된 금속튜브의 표면을 세정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 한편, 상술한 바와 같이, 염화물계 플럭스를 사용할 경우, Al 도금층 형성 후, 금속튜브의 표면을 물로 세정하는 것이 바람직하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
( 실시예 )
외경이 42.35mm인 크롬강(DIN X20CrMoV121) 튜브의 외면에 직경 0.2mm의 브레이징용 알루미늄 합금 AA4045 와이어를 일정 간격(8mm)으로 권선하고, KAlF4가 주성분인 플럭스(flux)가 5% 용해되어 있는 플럭스 함유 수용액을 분무하고 건조시켰다. 이후, 유도가열장치를 이용하여 튜브의 표면온도를 650℃로 가열하여 튜브 외면에 Al 도금층을 형성시켰다(발명예 1).
도 3은 본 발명의 발명예 1에 따른 금속튜브의 단면을 관찰하여 나타낸 것이며, 도 4는 본 발명의 발명예 1에 따른 금속튜브에 함유되어 있는 주요 합금원소의 성분지도이다. 도 4의 (a) 내지 (d)는 각각 Al, Cr, Fe 및 O의 성분지도이다.
도 3을 통해 튜브의 표면에 약 15㎛ 두께의 도포층이 형성되어 있음을 확인할 수 있으며, 도 4의 (a) 내지 (d)를 통해 상기 도포층의 주성분은 Al임을 확인할 수 있다.
이후, 발명예 1에 대하여 고온 산화시험을 수행하였으며, 비교를 위해 외경이 42.35mm인 크롬강(DIN X20CrMoV121) 튜브 자체(비교예 1)에도 동일한 시험을 수행하였다.
도 5는 본 발명의 발명예 1 및 비교예 1에 따른 금속튜브를 1000℃에서 고온 산화시험을 수행하고, 시험 시간에 따른 금속튜브의 무게 변화를 관찰하여 나타낸 그래프이다.
도 5를 참고할 때, 본 발명의 방법에 의해 튜브의 표면에 Al 도금층을 형성시킬 경우, 산화물의 생성 및 이탈에 따른 무게 감소가 현저히 저감된다는 것을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 발명예 1에 따른 금속튜브를 1000℃에서 176시간 동안 고온산화 시험을 수행한 후, 그 단면을 주사전자현미경으로 관찰하여 나타낸 것이다. 도 7은 본 발명의 발명예 1에 따른 금속튜브를 1000℃에서 176시간 동안 고온산화 시험을 수행한 후, 금속튜브에 함유되어 있는 주요 합금원소의 성분지도이다. 도 7의 (a) 내지 (d)는 각각 Al, Cr, Fe 및 O의 성분지도이다.
도 8은 본 발명의 비교예 1에 따른 금속튜브를 1000℃에서 176시간 동안 고온산화 시험을 수행한 후, 그 단면을 주사전자현미경으로 관찰하여 나타낸 것이다. 도 9는 본 발명의 비교예 1에 따른 금속튜브를 1000℃에서 176시간 동안 고온산화 시험을 수행한 후, 금속튜브에 함유되어 있는 주요 합금원소의 성분지도이다. 도 9의 (a) 내지 (d)는 각각 Al, Cr, Fe 및 O의 성분지도이다.
도 6 및 도 7을 참고할 때, 본 발명의 방법에 의해 튜브의 표면에 Al 도금층을 형성시킬 경우, Al이 먼저 산화되어 튜브의 표면에 Al 산화물층을 형성하며, 이로 인해 튜브 자체의 고온 산화를 효과적으로 방지할 수 있음을 알 수 있다. 반면, 도 8 및 도 9을 참고할 때, 튜브의 표면에 별도의 도포층이 형성되지 않을 경우, 고온 산화가 일어나 튜브의 표면에 Cr 산화물이 불규칙하게 형성됨을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 발명예 1에 따른 금속튜브를 1000℃에서 각각 42시간, 176시간, 318시간 동안 고온산화 시험을 수행한 후, 금속튜브의 표면으로부터 내부로 확산된 알루미늄의 농도를 관찰하여 나타낸 것이다.
도 10을 참고할 때, 본 발명의 방법에 의해 튜브의 표면에 Al 도금층을 형성시킬 경우, 고온 산화시 표면의 알루미늄이 선택적으로 산화되어 표면에 Al 산화물층을 형성하고, 표면에서 이탈됨으로써 소비된다는 것을 알 수 있다.

Claims (7)

  1. 금속튜브의 외면에 Al계 금속 와이어를 일정 간격으로 권선하는 단계;
    상기 Al계 금속 와이어가 권선된 금속튜브의 외면에 플럭스(flux)를 도포하는 단계; 및
    상기 플럭스(flux)가 도포된 금속튜브를 유도가열하여, 금속튜브의 외면에 Al 도금층을 형성하는 단계를 포함하는 금속튜브의 Al 도금방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 Al 도금층 형성 후, 상기 금속튜브를 상변태 온도 미만의 온도에서 열처리하는 단계를 더 포함하는 금속튜브의 Al 도금방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 Al 도금층 형성 후, 상기 Al 도금층이 형성된 금속튜브의 표면을 세정하는 단계를 더 포함하는 금속튜브의 Al 도금방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 금속튜브는 석탄발전 보일러 튜브인 금속튜브의 Al 도금방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 Al계 금속 와이어는 순수 Al 와이어, AA2000계 합금 와이어, AA3000계 합금 와이어, AA4000계 합금 와이어, AA5000계 합금 와이어, AA6000계 합금 와이어 및 AA7000계 합금 와이어로 이루어진 군에서 선택된 1종인 금속튜브의 Al 도금방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 플럭스(flux)는 염화물계 플럭스 또는 불화물계 플럭스인 금속튜브의 Al 도금방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 유도가열시 금속튜브 외면의 온도는, Al계 금속 와이어의 융점 이상이고, 금속튜브의 상변태 온도 미만인 금속튜브의 Al 도금방법.
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