KR102214230B1 - 열전도도 및 파괴강도가 우수한 열교환기용 구리 합금관 및 그 제조방법 - Google Patents

열전도도 및 파괴강도가 우수한 열교환기용 구리 합금관 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 파괴강도가 우수한 열교환기용 구리 합금관 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 파괴강도와 열전도도가 우수하여 열교환기에 사용하기에 적합한 구리 합금관 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

열전도도 및 파괴강도가 우수한 열교환기용 구리 합금관 및 그 제조방법{Copper Alloy Tube For Heat Exchanger Excellent in Thermal Conductivity Fracture Strength and Method for Manufacturing the Same}
본 발명은 열전도도 및 파괴강도가 우수한 열교환기용 구리 합금관 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 파괴강도와 열전도도가 우수하여 열교환기에 사용하기에 적합한 구리 합금관 및 그 제조방법에 관한 것이다.
오존층 파괴와 지구의 온난화를 방지하고자 몬트리올 의정서와 교토의정서에서는 냉매의 사용을 규제하고 있다. 1세대냉매인 CFC냉매는 오존층 파괴문제로 생산 및 판매가 금지되었으며, 2세대 HCFC 냉매는 오존층 파괴문제는 적으나, 온난화 문제를 야기하여, 2030년 전면 폐기가 예정되어 있다. 2세대 냉매 중 R22는 가정용 에어컨에 아직도 많이 사용되고 있다.
3세대 냉매인 HFC는 온난화의 문제로 감축이 예정되어 있다. HFC냉매 중 R410A는 시스템 에어컨에 많이 사용되고 있다. 국내외 에어컨 제조업체들은 몬트리올 의정서와 교토의정서에 따라 2030년 사용이 금지될 예정인 HFC계열의 냉매 대신 자연냉매, HFO계열, HCFC계열의 냉매를 개발하여 적용하고 있으나, 운전압력이 높은 단점이 있다. 냉매 중 HFCF계의 R22의 경우 운전압력이 1.8MPa 정도이며, HFC계 R410A의 운전압력은 3MPa이고, 자연냉매인 CO2의 운전압력은 7~ 10MPa 정도이다.
일반적으로 에어컨 제조업체에서 생산하는 열교환기는 헤어핀 형상으로 굽은 동관과 알루미늄 핀으로 만들어진다. 열교환기에 사용되는 동관은 헤어핀 형상으로 가공이 잘되어야 하며, 납땜성이 양호하여야 한다. 또한 우수한 열교환성능을 위해 높은 열전도도와 전기전도도가 요구된다. 이러한 특성을 위해 인탈산동이 널리 사용되고 있다. 인탈산동은 구리에 탈산제로 P를 150ppm ~ 400ppm을 첨가하여, 산소를 제거한 인탈산동(DHP)이다. 인탈산동을 사용한 열교환기에 HFC계열 냉매, HFO계열 냉매 또는 자연냉매를 적용할 경우, 운전압력의 증대에 따라 강도를 높이기 위해 두께를 높여야 한다. 또한 납땜부의 열에 의해 결정립이 조대화되고, 재질이 경질에서 연질로 변화하기 때문에 두께를 더 높여야 하며 두께가 높아지는 경우, 열교환기에 사용되는 동관의 무게가 증가되어 열교환기의 가격이 상승하게 된다.
열교환기에 사용되는 동관의 두께를 증가시켜 가격을 높이기 보다는 동관을 합금으로 제조하여 강도는 높이는 방법이 제안되고 있다. Co-P계로서는 Co: 0.02~0.2%, P: 0.01~0.05%, C: 1~20ppm을 함유하고, 불순물의 산소를 규제한 열교환기용 이음매 없는 구리합금관과 Sn-P계로는 Sn: 0.1~1.0%, P: 0.005~0.1%를 항유하고, Zn을 선택적으로 첨가한 조성의 열교환기용 구리합금관이 제안되어 있다.
이와 같은 구리합금관의 파괴강도를 높이기 위해 합금원소를 첨가하는 방법은 합금원소에 의해 열전도도, 전기전도도가 하락하는 현상이 발생하며, 첨가하는 합금원소의 함량이 증가할수록 열전도도, 전기전도도는 하락하게 된다. 특히 P성분이 전기전도도에 민감한 영향을 미친다. P는 탈산제로 사용되므로, P 성분의 함량이 낮아질 경우, 동관내에 산소의 농도가 높아져서, P의 산화물이 발생하고, 주조빌렛의 건전성이 저하된다고 알려져 있다.
또한 열교환기로 제조되는 에어컨의 경우, 사용환경, 보관환경, 제조 공정 등에서 온도, 습도, 부식인자에 기인하여 부식이 발생된다. 에어컨의 부식 중 냉매가 순환하는 열교환기의 부식의 냉매의 누설로 이어져 에어컨 동작불량과 제품교환 서비스로 이어진다. 이와 같은 부식현상은 특이하게 제품 설치 후 2~3개월 기간 이내에 발생하는 것으로 알려져 있으며, 부식형태가 개미집과 유사하다고 하여 개미집 부식이라고 부른다. 이와 같은 개미집 부식현상에 대한 내식성은 인탈산동보다는 무산소동이 더 높다고 알려져 있어, 열교환기 제작 시 무산소동을 적용하는 시도도 있다.
US 4,876,870 (1989. 10. 31.)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 첫번째 해결하고자 하는 과제는 얇은 두께로도 우수한 파괴강도를 갖고 열전도도가 우수하여 열교환기에 사용하기 적합한 구리 합금관을 제공하는 것이다.
본 발명의 두번째 해결하고자 하는 과제는 구리 합금관이 상술한 물성을 가질 수 있도록 하는 제조방법을 제공하는 것이다.
상술한 첫번째 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 산소(O, Oxygen)의 함량이 1~20 ppm이고 조성이 하기의 조건식 1) 및 2)를 만족하며, 열 전도도가 260~350W/m·K이고, 전기 전도도가 IACS 65% 이상인 무산소 구리-주석 합금을 포함하는 열교환기용 구리합금관을 제공한다.
1) 0.1wt% ≤ CSn ≤ 3.0wt%
2) CP/CSn ≤ 0.01
상기 조건식 1에서 CP, CSn는 각각 상기 무산소 구리-주석 합금 내의 인(Phosphorus)의 함량 및 주석(Tin)의 함량을 나타낸다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 무산소 구리-주석 합금은 하기 조건 3)을 더 만족하는 것일 수 있다.
3) 10-4wt% ≤ CP ≤ 0.005wt%.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 무산소 구리-주석 합금은 인(Phosphorus)을 포함하지 않는 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 무산소 구리-주석 합금은 주석의 함량이 0.3~0.6wt%인 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 무산소 구리-주석 합금은 5~10 ppm의 산소를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 무산소 구리-주석 합금은 하기의 i) 또는 ii)를 더 포함하는 것일 수 있다.
i) 0.01~1.0wt%의 아연(Zn)
ii) 총 0.07 wt% 이하의 함량으로 포함된 철(Fe), 니켈(Ni), 망간(Mn), 마그네슘(Mg), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 및 은(Ag)으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 하나의 금속.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 열교환기용 구리합금관은 관의 길이 방향으로의 인장 강도가 260MPa 이상인 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 무산소 구리-주석 합금은 GOSS 방위분포 밀도가 4.5% 이하, 더욱 바람직하게는 0.1~1.5% 인 집합 조직을 갖는 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 두번째 과제를 해결하기 위하여 용해, 주조 및 압연 단계를 포함하는 열교환기용 구리합금관의 제조 방법으로서,
상기 용해 및 주조 단계에서는 무산소 구리-주석 합금의 용탕에 포함된 인(P)의 함량을 0.005wt% 이하가 되도록 하며, 상기 용탕이 공기 중의 산소에 노출되지 않도록 상기 용탕 상부에 차폐층을 형성하여 용해 및 주조를 수행하는 것을 특징으로 하는 열교환기용 구리합금관의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 압연 단계에서는 압연 부위의 최대 온도가 600~750℃인 열간 압연으로 수행되는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 열교환기용 구리 합금관은 얇은 두께로도 종래의 인탈산동과 동등한 수준의 파괴강도를 유지할 수 있되 더욱 우수한 열 및 전기전도도를 구현할 수 있으며, 개미집 부식에 대한 내식성이 현저하게 개선된 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 열교환기용 구리 합금관 제조 방법에 따르면 합금에 탈산제의 함량 특히 인(Phophorus)의 함량을 현저히 낮추고도 효과적으로 산소를 제거하여 우수한 열 및 전기전도도를 갖고 작은 두께로도 큰 우수한 파괴 강도를 가져 열교환기용으로 적합한 구리 합금관을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 무산소 구리-주석 합금의 중공 빌렛(billet)이 압연되는 부분을 확대하여 부위별 온도를 온도 별로 색을 달리 하여 표시한 도면이다.
본 발명에 대하여 상세하기 설명하기에 앞서, 본 명세서에서 사용된 용어의 의미에 대하여 설명하기로 한다.
본 명세서에서, "용탕"이란 합금 제조를 위하여 용해시킨 액상의 금속을 의미한다.
본 명세서에서, "압연 부위"란 용탕이 주조되어 형성된 빌렛 등의 중간재를 압연하는 과정에서 압연기와 중간재가 접촉하여 압연이 수행되는 국소적인 부위를 의미한다.
이하, 본 발명에 대하여 더욱 상세히 설명한다.
상술한 바와 같이, 종래의 열교환기용 구리 합금관은 인탈산동을 사용하여 열전도도도, 전기전도도가 하락하고, 개미집 부식에 대한 내식성이 좋지 않은 문제점이 있었다.
본 발명자는 산소(O, Oxygen)의 함량이 1~20 ppm이고 조성이 하기의 조건식 1) 및 2)를 만족하며, 열 전도도가 260~350W/m·K이고, 전기 전도도가 IACS 65% 이상인 무산소 구리-주석 합금을 포함하는 열교환기용 구리합금관을 제공하여 이와 같은 문제점의 해결을 모색하였다.
1) 0.1wt% ≤ CSn ≤ 3.0wt%
2) CP/CSn ≤ 0.01
상기 조건식 1에서 CP, CSn는 각각 상기 무산소 구리-주석 합금 내의 인(Phosphorus)의 함량 및 주석(Tin)의 함량을 나타낸다.
본 발명에 따른 열교환기용 구리합금관은 상기와 같은 조건을 만족하는 불순물을 갖는 무산소 구리-주석 합금을 열교환기용 구리합금관에 사용함으로써 그렇지 않은 종래의 구리 합금에 비하여 구리 합금의 열 및 전기 전도도가 현저히 우수해지며, 이로부터 열교환기용 구리합금관의 두께를 줄일 수 있으므로 제조 원가를 절감할 수 있는 장점이 있다.
주석(Sn)은 구리와의 합금을 통하여 인장 강도, 내열성을 향상시키고, 결정립의 조대화를 억제하는 효과를 가져 운전압력이 높은 신냉매, 자연냉매를 사용하는 열교환기에 사용할 수 있다. 만일 주석의 함량이 3.0wt%를 초과하면 열전도율이 하락하며, 주조 시 편석이 발생하여 기계적 성질이 불균일해지게 되는 문제점이 있다. 반대로 주석의 함량이 0.1wt% 미만이면 인장 강도가 낮아지게 되는 문제점이 있다.
주석의 함량은 바람직하게는 0.3~0.6wt%일 수 있다. 주석의 함량이 0.3wt% 이상일 때 인장 강도가 더욱 우수하며, 0.6wt% 이하인 경우 열 및 전기 전도도가 더욱 우수하다. 따라서 주석의 함량은 바람직하게는 0.3~0.6wt%인 것이 좋다.
좀 더 구체적으로는, 탈산제인 인의 함량을 0.005wt% 이하의 낮은 함량으로 조절할 수 있다. 좀 더 바람직하게는 상기 CP는 하기의 조건 3)을 더 만족하는 것일 수 있다.
3) 10-4wt% ≤ CP ≤ 0.005wt%.
상기의 조건 2)를 만족할 때 본 발명의 열교환기용 구리합금관은 더 우수한 인장 강도와 열 및 전기전도도를 갖는 장점이 있다. 인은 구리 합금의 용탕 중에서 산소를 제거하고, 주석의 산화를 방지하기 위하여 유효한 성분이며, 인의 함량이 커질수록 구리 합금의 전기전도도 및 열전도도의 성능이 낮아지게 되는 문제점이 있다. 본 발명에서는 인의 함량을 최소한으로 조절하는 대신에 후술할 공정상의 특징에 의하여 구리 합금 용탕의 산소를 제거할 수 있어 열 및 전기전도도가 인탈산동에 비하여 현저히 향상된 구리합금관을 구현할 수 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 무산소 구리-주석 합금은 인(Phosphorus)을 포함하지 않는 것일 수 있다. 인을 포함하지 않는 경우 구리 합금의 열 및 전기 전도도가 더욱 향상될 수 있다.
인을 포함하지 않는 경우에 구리 합금의 열 및 전기 전도도가 더욱 향상될 수 있으나, 공정상 완전히 인의 함량이 0인 구리 합금 용탕을 제조하는 것보다 비용 절감의 측면에서는 상기 조건 2)와 같은 범위로 인의 함량을 조절하는 것이 바람직하다.
구리 합금의 집합 조직은 제조 과정, 조건, 열처리 방법에 따라 서로 다르지만, 본 발명의 구리 합금관에서는 통상은 특정 방위의 결정면이 특별히 많이 존재하는 일은 없으며, Cube 방위, Goss 방위, Brass 방위(B 방위라고도 한다), Copper 방위(Cu 방위라고도 한다), S 방위 등의 주된 각 방위가 랜덤하게 존재하는 조직(집합 조직)을 갖는다. 이들 중 특히 Goss 방위만이 파괴 강도에 크게 영향을 주고, 다른 각 방위는 서로 정도의 차가 있기는 하나, 이 Goss 방위만큼 파괴 강도에 크게 영향을 주지 않는다.
Cu-Sn 구리 합금의 집합 조직에 있어서 필연적으로 존재하는, Goss 방위 결정면(결정립)의 양(방위 분포 밀도)은 "랜덤한 집합 조직" 때문에 결코 많지는 않다. 그러나, 비록 약간의 양이라 하더라도 Sn-P계 구리 합금관 집합 조직에 있어서의 Goss 방위는 구리 합금관의 파괴 강도에 악영향을 미친다. 즉, Sn-P계 구리 합금관의 "랜덤한 집합 조직"에 있어서의 Goss 방위의 방위 분포 밀도가 어느 정도 이상으로 되면 열교환기용 구리합금관의 원주 방향으로 가해지는 인장력에 대한 열교환기용 구리합금관의 균열 발생을 조장하여 구리합금관의 인장 강도를 현저하게 저하시킨다.
집합 조직에 있어서의 각 방위의 결정립의 특성에서 보면, Goss 방위를 갖는 결정립은 관 길이 방향(관의 압출 방향)에 대한 직각 방향인, 관 원주 방향에 있어서의 r값[소서 변형비(plastic strain ratio)의 값]이 이론상은 무한대로 크다. 이 때문에, Goss 방위를 갖는 결정립에서는 관 원주 방향에 있어서 관 두께를 감소시킬 수 없다. 바꾸어 말하면, 구리 합금관의 집합 조직에 Goss 방위를 갖는 결정립에서는 관 원주 방향에 있어서 관 두께를 감소시킬 수 없다. 바꾸어 말하면, 구리 합금관의 집합 조직에 Goss 방위를 갖는 결정립이 많으면 관 원주 방향의 인장 강도(σT)와 신장(δ)의 서로의 밸런스가 무너져 관 원주 방향의 신장 변형(elongation deformation) 능력이 저하된다. 그 결과, 관의 원주 방향으로 가해지는 인장력에 대하여 관 원주 방향의 변형이 생기기 어렵게 되어 관에 균열이 발생하여 파괴에 이를 가능성이 높아진다.
이에 대하여, 본 발명에 따른 구리 합금관은 구리 합금의 GOSS 방위분포 밀도가 4.5% 이하인 집합 조직을 갖는 것을 사용함으로써 관 원주 방향의 인장 강도와 신장의 서로의 밸런스를 높여 관 원주 방향의 신장 변형 능력을 높일 수 있다. 그 결과, 관 원주 방향으로 가해지는 인장력에 의해서도 관 원주 방향으로 변형되기 쉬워 구리합금관에 균열이 발생되기 어려워져(균열이 발생하는 시간을 지연시켜), 구리합금관의 인장강도를 증가시킬 수 있다.
더욱 바람직하게는 상기 구리 합금은 집합 조직의 GOSS 방위분포 밀도가 0.1~1.5%일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 구리 합금은 하기의 i) 또는 ii)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기용 구리합금관:
i) 0.01~1.0wt%의 아연(Zn)
ii) 총 0.07 wt% 이하의 함량으로 포함된 철(Fe), 니켈(Ni), 망간(Mn), 마그네슘(Mg), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 및 은(Ag)으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 하나의 금속.
아연(Zn)은 구리 합금에 첨가하였을 때, 구리 합금의 열 전도도는 크게 저하시키지 않으면서도 강도, 피로강도 등을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 공구의 수명을 연장시키는 효과가 있다. 아연의 함량이 1.0wt%를 초과하는 경우, 응력 부식 균열의 감수성이 높아지며, 관의 길이 방향 또는 원주 방향의 인장 강도가 저하되어 파괴 강도가 약화되는 문제점이 있다. 반대로, 아연의 함량이 0.01 wt% 미만인 경우, 첨가의 효과가 가시적으로 나타나지 못하는 문제점이 있다.
또한, 상기의 철(Fe), 니켈(Ni), 망간(Mn), 마그네슘(Mg), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 및 은(Ag)은 모두 구리 합금의 강도, 내압 파괴강도 미 내열성을 향상시키고 결정립을 미세화시키는 작용을 한다. 그러나, 이들의 함량의 총합이 0.07wt%를 초과하는 경우, 구리 합금의 가공성이 떨어지고, 표면의 결함이 쉽게 발생하여 얇은 동관을 제조하기 어려워지는 문제점이 있다. 이 때문에 상기 원소들을 선택적으로 포함시키는 경우에 철, 니켈, 망간, 마그네슘, 크롬, 티타늄, 지르코늄 및 은으로 이루어지는 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 원소를 총 0.07 wt% 이하의 함량만을 포함시키는 것이 바람직하다.
상기 구리 합금은 1~20 ppm의 산소(O)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 산소는 금속 내에 불순물로 포함되어 산화물을 형성하게 되므로 산소가 많이 포함되어 있는 경우 구리 합금의 기계적, 전기적 물성이 저하되고, 결함이 발생하게 될 수 있으므로, 탈산 공정을 통하여 산소를 충분히 제거하여야 한다. 산소는 20ppm 이하를 포함하는 것이 바람직하며, 1 ppm 이하를 포함하도록 제거하려는 경우, 공정상의 비용이 지나치게 증대되는 반면에 더 이상 산소를 제거함에 따른 효과의 상승은 미미하므로 경제적인 측면에서 바람직하지 않다.
더욱 바람직하게는 상기 구리 합금은 5~10 ppm의 산소(O)를 포함하고 있을 수 있다.
본 발명의 구리합금관은 길이 방향으로의 인장강도가 260MPa 이상인 것이 바람직하다. 기존의 열교환기용 구리합금관의 인장 강도는 열처리 후에 205~250MPa를 가지는 것이 일반적이었다. 본 발명에 따른 Sn계 구리합금관의 경우 인장 강도가 기존의 인탈산동관보다 높은 인장 강도를 얻기 위하여 주석을 첨가하는 것이므로, 인장 강도가 기존의 인탈산동관의 인장 강도인 250MPa보다 높은 특성을 지녀야 효과적이다. 열처리 후에 인장 강도가 260MPa 이상인 경우, 신냉매 또는 자연 냉매를 적용하는 열교환기에 사용이 가능하다고 할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 인장 강도가 270 MPa 이상일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 열교환기용 구리합금관은 전기전도도가 IACS 65% 이상이며, 열 전도도가 260~350W/m·K이다. 종래의 Sn-P계 인탈산동의 전기전도도는 IACS로 약 60% 가량의 전기전도도를 나타낸다. 본 발명에 따른 구리합금관은 전기 전도도에 영향을 주는 인의 함량을 극히 낮춤으로써 인탈산동보다 높은 전기전도도를 구현할 수 있다. 또한, 바람직하게는 본 발명에 따른 구리합금관은 전기전도도가 IACS 70% 이상일 수 있다.
열전도도가 260~350W/m·K일 때, 상기 구리합금관을 열교환기에 사용할 때, 원활하게 열이 전달되어 열 교환기의 성능을 향상시킬 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 열교환기용 구리 합금관은 그 두께를 감소시킬 수 있으며, 상술한 것과 같은 우수한 인장 강도를 갖는 덕택에 운전 압력에서의 파단 등에 강하며, 원가를 크게 절감할 수 있는 장점이 있다.
상술한 특성을 갖는 구리합금관은 하기의 제조방법에 따라서 제조된다. 이하, 상술한 구리합금관에서 설명한 내용과 중복되는 부분은 설명을 생략하기로 한다.
본 발명에 따른 구리합금관은 용해, 주조 및 압연 단계를 포함하는 열교환기용 구리합금관의 제조 방법으로서,
상기 용해 및 주조 단계에서는 무산소 구리-주석 합금의 용탕에 포함된 인(P)의 함량을 0.005wt% 이하가 되도록 하며, 상기 용탕이 공기에 노출되지 않도록 상기 용탕 상부에 차폐층을 형성하여 용해 및 주조를 수행하여 제조된다.
이로 인하여 인의 함량을 최소한으로 조절하는 대신에 차폐층에 의하여 탈산을 수행할 수 있기 때문에 인에 의한 열 및 전기 전도도의 저하가 억제된 구리합금관을 제조할 수 있는 장점이 있다.
구체적으로는 원료가 되는 전기동을 용해로에서 용해하고, 구리 용탕에 주석을 첨가하여 구리-주석 합금의 용탕을 제조한다. 이 때, 주석의 첨가 함량은 상술한 바와 동일하므로 생략한다.
이 때, 상기 용탕과 외부 공기와의 접촉을 차단하기 위하여 탄소(C) 성분의 도포재를 상기 용탕 표면에 도포하여 차폐층을 형성한다. 상기 도포재는 바람직하게는 흑연 그래뉼(graphite granule), 숯, 흑연 분말 및 환원성 플럭스(Flux) 중에서 선택된 적어도 하나일 수 있다. 상기 도포재는 더욱 바람직하게는 흑연 그래뉼일 수 있다.
상기 차폐층은 5~20cm의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 만일 차폐층의 두께가 5cm 미만일 경우 용탕과 공기와의 접촉이 충분히 차단되지 못하여 탈산 작용이 제대로 일어나지 못할 수 있다. 또한, 차폐층의 두께가 20cm를 초과하는 경우에는 과다량의 도포재가 사용되어 공정 비용이 증가하게 되며, 효과상으로는 추가적인 이점이 특별히 없다.
상기 용탕의 성분이 안정화되면 용탕을 주조로로 이동하여 중공 봉(hollow billet)의 형태로 연속 주조를 실시한다. 연속 주조 시 용해와 마찬가지로 대기와의 접촉을 제거하여 용탕 중의 산소가 증가하지 않도록 한다.
상기 주조 단계는 중공 빌렛(hollow billet) 형태를 갖도록 수평 연속 주조 방식으로 수행하는 것이 좋다.
또한, 본 발명에서는 종래의 구리합금관을 제조하는 압출 공정 방식과는 달리 상기의 중공 빌렛을 압연하여 동관 형태로 제작할 수 있다.
바람직하게는 상기 압연 단계는 압연 부위가 마찰에 의하여 가열되는 열간 압연 방식으로 수행될 수 있으며, 압연 온도는 압연 부위의 최대 온도가 600~750℃인 것이 바람직하다. 이는 상기 무산소 구리-주석 합금의 재결정 온도보다 높은 것이어서, 압연 이후 공정의 가공성이 향상된다.
바람직하게는 상기 압연 공정은 상기 중공 빌렛의 주위를 복수 개의 롤이 회전하며 수행하는 것일 수 있다. 이와 같은 방식으로 압연할 때, 압연 시 발생하는 마찰열에 의하여 열처리가 진행되며, 온도는 재결정 온도까지 상승할 수 있다. 상기의 압연 공정 중에서 GOSS 방위분포 밀도를 4.5% 이하로 낮출 수 있다.
도 1을 참조하면, 압연 부위에서의 온도는 롤러와 중공 빌렛과의 마찰에 의하여 최대 온도가 600℃~750℃의 온도로 가열이 되는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 고온으로 가열이 되어 재결정이 일어나며 상기한 바와 같은 Goss 방위분포 밀도를 갖는 조직을 갖게 되므로 인장 강도가 뛰어난 구리 합금관을 얻을 수 있다.
상기의 단계 이후에 열처리를 추가적으로 수행할 수도 있다. 열처리 수행 시 연질 또는 반연질의 특성을 갖는 구리합금관을 제조할 수 있다.
상기의 열처리 온도는 바람직하게는 450℃ 이상의 온도에서 실시할 수 있으며, 열처리 시간은 재결정 조직의 충분한 형성을 위하여 1분 이상일 수 있다. 그러나, 열처리 시간이 120 분을 넘어가는 경우 완전히 재결정이 일어난 후, 결정립의 조대화가 진행될 수 있으므로, 열처리는 1~120분 동안 수행될 수 있다.
이하에서는 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 후술할 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 의미는 아니며, 통상의 기술자는 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 구성을 추가, 삭제 및 변경하여 어렵지 않게 실시할 수 있을 것이다.
<실시예>
실시예 1
전기동을 원료로 하여 구리 용탕 중에 주석을 0.5409 wt%가 되도록 첨가하고, 상기 구리 용탕 상부에 흑연 그래뉼을 도포하여 차폐층을 형성하고 주조 온도를 1,200℃로 하여 연속 주조로 주조하되, 직경 90mm×두께 25mm의 중공 빌렛을 제조한다.
상기 중공 빌렛의 내면에 만드렐을 삽입하고, 압연을 실시하여 압연 모관을 제조하였다. 압연 모관을 단면 감소율 45% 이하로 인발 가공을 반복하여 외경 12.7mm, 두께 0.6mm의 구리합금관을 제조하였다. 이를 환원성 분위기에서 450~600℃의 온도에서 열처리하여 연질의 Sn계 구리합금관을 제조하였다.
실시예 2~5
실시예 1과 동일하게 실시하되, 상기 용탕 중에 주석 함량을 하기 표 1과 같이 조절하였다.
비교예 1~2
실시예 1과 동일하게 실시하되, 상기 용탕 중에 인, 주석의 함량을 하기 표 1과 같이 조절하였다.
이와 같이 하여 제조된 용탕의 구리(불순물 포함), 인, 주석, 산소 농도를 각각 측정하여 하기 표 1에 기재하였다.
구분 Cu
(%)		 P
(ppm)		 Sn
(ppm)		 O
(ppm)		 전기전도도
%IACS
실시예 1 99.38 1 5409 7.1 71.1
실시예 2 99.25 1 6597 13.4 66.9
실시예 3 99.53 1 1958 9.2 68.4
실시예 4 99.44 1 4928 11.7 71.9
실시예 5 99.42 10 5047 10.1 71.0
비교예 1 99.95 301 6 8.1 81.4
비교예 2 99.54 167 4310 9.1 64.5
상기 표 1에서, Cu의 함량은 불가피한 불순물을 포함한 함량을 나타낸다.
실험예 1: 인장 시험
상기 실시예 1, 비교예 1및 비교예 2에서 제조한 구리합금관의 인장 강도를 KS B 0801 금속재료 인장 시험편에서 11호 시험편의 방법으로 관부에서 잘라 낸 그대로 하여 물림부에 심금을 넣어 시험편을 준비하였으며, KS B 0802 금속재료 인상 시험방법에 따라 인장시험을 실시하였다. 인장 시험 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
구분 기계적 성질
인장강도
(N/㎟)		 연신율
(%)		 파괴강도
(MPa)
실시예 1 269 50 23.9
비교예 1 237 45 21.0
비교예 2 276 49 24.1
본 발명의 구리합금관의 인장강도는 269N/㎟으로 비교예 1의 인탈산동관의 인장강도 237N/㎟보다 우수한 수준을 보였으며, 비교예 8의 Sn-P계 구리합금관의 인장강도와 유사한 수준을 나타내었다.
실험예 2: 미세 조직 관찰
실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조한 구리합금관의 결정 입도와 GOSS 방위의 방위분포밀도를 측정하여 비교하였다. GOSS 방위분포밀도는 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 측정하였다. 그 결과는 하기 표 3에 나타내었다.
구분 결정입도
(mm)		 GOSS 방위분포밀도
(%)		 전기전도도
(%IACS)		 열전도도
(W/m·K)
실시예 1 0.020 1.4 71.1 295
비교예 1 0.041 1.9 81.4 338
비교예 2 0.021 4.2 64.5 249
상기 표 3을 참조하면, 본 발명의 실시예 1에 따른 구리합금관은 GOSS 방위분포밀도가 1.4%로, 파괴 강도를 높이기 위하여 필요한 4.5% 이하의 범위를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 실시예 1에 따른 구리합금관은 GOSS 방위분포 밀도가 1.4%로 0.1~1.5%의 범위 내에 포함되어 더욱 우수한 인장 강도를 가질 수 있다.
실험예 3: 파괴 강도
실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조한 구리합금관으로부터 300mm의 구리합금관을 시험용으로 채취하여 한쪽의 단부를 볼트로 막고, 다른 한쪽의 개방족 단부로부터 펌프로 관 내에 수압을 서서히 높여가 완전히 파열될 때의 수압을 측정하여 파괴강도로 했다. 측정된 결과는 상기 표 2에 나타내었다.
상기 표 2를 참조하면 파괴 강도 또한 인장 강도와 유사하게 실시예 1의 구리합금관이 비교예 2의 Sn-P계 구리합금관과 유사한 경향성을 갖는다는 것을 알 수 있었다.
실험예 4: 열 및 전기 전도도 측정
실시예 및 비교예에 따라 제조한 구리합금관의 전기전도도를 각 구리합금관에서 700mm를 잘라 내어 double bridge 법을 사용하여 전기 전도도를 측정하였다. 그 결과는 상기 표 1에 나타내었다. 그 중 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 8의 결과는 표 3에도 나타내었다.
또한, ASTM E1461-13의 열전도도 측정방법에 의거하여 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조한 구리합금관의 열전도도를 측정하였다. 그 결과를 상기 표 3에 나타내었다.
본 발명의 P함량이 낮은 실시예 1의 구리 합금관은 전기전도도가 약 71.1% IACS로 측정되었으며, 비교예 1의 Sn-P계 구리합금관은 약 64.5%IACS로 측정되었으며, 인탈산동인 비교예 2의 구리합금관은 약 81.4%IACS의 전기전도도를 갖는 것으로 측정되었다. 또한, 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 구리합금관의 열전도도는 각각 295 W/(m·K), 249 W/(m·K), 338 W/(m·K) 이었으며, 이로부터 전기전도도와 열전도도 간에 같은 경향성을 갖는 것을 확인할 수 있었고, 본 발명에 따른 구리합금관이 높은 강도를 가지면서, 열전도도, 전기전도도의 하락은 최소화할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
실험예 5: 내식성
실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조한 구리합금관을 KS D 9502:2009 염수분무 시험방법에 의하여 시험하였다. 각 시험편당 동일 시험편을 2개 제작하여 시험한 후 샘플을 수거하여 단면을 자른 후 부식된 깊이를 측정하여 하기 표 4에 나타내었다.
부식 깊이(mm)
168시간 후 336시간 후 480시간 후
시편 1 시편 2 평균 시편 1 시편 2 평균 시편 1 시편 2 평균
실시예 1 0.017 - 0.017 0.056 0.093 0.0745 0.06 0.058 0.059
실시예 2 0.042 0.01 0.026 0.06 0.07 0.065 0.035 0.075 0.055
실시예 3 0.012 0.03 0.021 0.075 0.045 0.06 - - -
상기 표 4를 참조하면, 인의 함량이 적은 실시예 1의 구리합금관이 염수분무시험에서 가장 우수한 내식성을 갖는다는 것을 확인할 수 있었다.

Claims (11)

  1. 산소(O, Oxygen)의 함량이 1~20 ppm이고 조성이 하기의 조건식 1) 및 2)를 만족하며, 열 전도도가 260~350W/m·K이고, 전기 전도도가 IACS 65% 이상인 무산소 구리-주석 합금을 포함하는 열교환기용 구리합금관:
    1) 0.1wt% ≤ CSn ≤ 3.0wt%
    2) 10-4wt% ≤ CP ≤ 0.005wt%
    상기 조건식 1) 및 2)에서 CP, CSn는 각각 상기 무산소 구리-주석 합금 내의 인(Phosphorus)의 함량 및 주석(Tin)의 함량을 나타낸다.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 무산소 구리-주석 합금은 주석의 함량이 0.3~0.6wt%인 것을 특징으로 하는 열교환기용 구리합금관.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 무산소 구리-주석 합금은 5~10 ppm의 산소를 포함하는 것을 특징으로 하는 열교환기용 구리합금관.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    관의 길이 방향으로의 인장 강도가 260MPa 이상인 것을 특징으로 하는 열교환기용 구리합금관.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 무산소 구리-주석 합금은 GOSS 방위분포 밀도가 4.5% 이하인 집합 조직을 갖는 것을 특징으로 하는 열교환기용 구리합금관.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 무산소 구리-주석 합금은 GOSS 방위분포 밀도가 0.1~1.5%인 집합 조직을 갖는 것을 특징으로 하는 열교환기용 구리합금관.
  10. 용해, 주조 및 압연 단계를 포함하는 열교환기용 구리합금관의 제조 방법으로서,
    상기 용해 및 주조 단계에서는 인(P)을 첨가하지 않되, 구리 용탕 중에 주석의 함량이 0.1~3.0wt%가 되도록 첨가한 무산소 구리-주석 합금의 용탕에 포함된 인(P)의 함량을 0.005wt% 이하가 되도록 하며, 상기 용탕이 공기 중의 산소에 노출되지 않도록 상기 용탕 상부에 차폐층을 형성하여 용탕 중 산소 함량을 1~20ppm로 조절하여 용해 및 주조를 수행하는 것을 특징으로 하는 열교환기용 구리합금관의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 압연 단계에서는 압연 부위의 최대 온도가 600~750℃인 열간 압연으로 수행되는 것을 특징으로 하는 열교환기용 구리합금관의 제조방법.
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