Cu has been used as a structural material of the heat exchanger tube used in the air conditioner because of its excellent thermal conductivity as well as excellent corrosion resistance. However, due to the rapid increase in the Cu price over the last decade, heat exchange makers have made an attempt to replace the structure material of the heat exchanger from the expensive Cu alloys to the cheap Al alloys. Aluminum has an excellent formability, good thermal conductivity, and good corrosion resistance in natural environment, all of which are required to the heat exchanger tube materials of the air conditioner . Furthermore, Al is much cheaper and lighter than popper; 1/4 of the price and 1/3 of the density compared with Cu. Al shows a good corrosion resistance in air or in a natural environment due primarily to its protective oxide film formed on its surface. However, the protective oxide film or the passive film on Al is often broken locally by Cl- attack and then susceptible to pitting corrosion. In fact, it was reported from a Korea electronic company that the heat exchanger tube made of Al alloys for air conditioner, installed at outdoor in an ocean environment have exhibited a localized and/or an intergranular corrosion due probably to Cl- attack.
The Al alloys used for the heat exchanger contains small amounts of Cu, Fe, Si, and Mn that may be harmful to localized corrosion of Al. It is necessary to examine the influence of the minor alloying elements on the localized and/or intergranular corrosion of Al alloys and further to develop a new passivation treatments for Al components with complex shapes such as the heat exchanger of air conditioner. Hence, the research objective of present work is to examine environmental and alloying effects on the localized corrosion of Al alloys, and additionally to develop chemical passivation treatments for enhancing the resistance to localized corrosion of Al.
1) The effects of environmental condition on the corrosion behavior of Al
To clarify the effects of environmental condition on the corrosion behavior of Al, influences of the temperature, the Cl- concentration and the S concentration of the solution on the polarization response of Al were examined. The solution temperature and the concentration of NaCl were varied from 10 ℃ to 70 ℃ and from 0.1 M to 1 M. The results clearly demonstrated that the corrosion rate of Al was increased with the solution temperature. In addition, as the concentration of Cl- increased, Epit and Ecorr of Al were reduced. In the presence of only a small amount of S (10 ppm) in the solution, the corrosion rate of Al was significantly increased. When the solution contains the S concentration of 1000 ppm, the corrosion rate was increased by 800 times.
2) The effects of minor alloying elements on the corrosion behavior of Al
To investigate the effects of alloying elements (Cu, Fe, Si and Mn) on the corrosion behavior of Al, the polarization response of Al alloys containing different amount of alloying elements were examined in 3.5 wt% NaCl solution.
The addition of Cu and Fe to Al increased Ecorr and icorr because the exchange current densities of hydrogen for Al-Cu and Al-Fe alloy were higher than that of Al whereas the Epit was increased only for Al-Cu alloy.
The addition of Si to Al increased Ecorr, but had no significant influences on Epit and icorr. The addition of Mn to Al increased Ecorr and Epit and results in the formation of IMC, but icorr is decreased because the passive film of Al-Mn alloy is more protective than that of Al.
3) The effects of a chemical passivation treatment on the corrosion behavior of Al
To enhance the resistance to the corrosion of Al, a chemical passivation treatment for Al were conducted in the 1 ~ 35 wt% H2O2 solution for 30 min. To investigate the effects of a chemical passivation treatment on the corrosion behavior of Al, the potentiodynamic polarization tests were conducted for Al before and after a chemical passivation treatment in 3.5 wt% NaCl solution. Compared with the corrosion rate of unpassivated Al, the corrosion rate of passivated Al was reduced by 1/28 times. In addition, Ecorr and Epit were increased 200 mV and 20 mV, respectively after the chemical passivation treatment.
열전도도와 내식성, 가공성이 우수한 구리는 에어컨 열교환기의 튜브의 주 재료로 사용되어 왔다. 하지만 최근 구리 가격의 급격한 상승으로 인하여 구리의 사용은 비용적인 측면에서 많은 제약을 받고 있다. 알루미늄은 구리와 비슷한 물리적 특성을 지니고 있고, 가격은 구리의 1/4, 밀도가 1/3로 동일한 튜브를 만들었을 때 12배 정도의 효율성을 얻을 수 있어 최근 가격이 급등하고 있는 구리의 대체제로서 각광받고 있다.
알루미늄은 active한 금속이지만, 공기 중의 산소와 반응하여 표면에 부동태 산화피막(Al2O3)을 형성하고 이 피막은 우수한 내식성을 지닌다. 그러나 부동태 금속들은 Cl- 환경에서 염소이온(Cl-)의 공격에 의해 피막의 파괴가 발생, 급격한 부식이 일어나는데 이러한 현상을 공식부식이라고 한다. 공식부식은 예기치 않게 발생하고, 그 크기가 매우 작아 이를 예측하여 대비하기가 어렵다. 부동태의 금속인 알루미늄은 우수한 내식성을 지니고 있지만 Cl- 환경에서 공식부식에 취약하다. 실제로 평균 기온이 높고 습한 지역과 바닷가나 섬 지역에서 알루미늄 열교환기의 공식 부식 사례가 자주 발생하고 있다. 이러한 부식은 높은 온도와 Cl-, S 등의 환경적 요인과 Cu, Fe, Si, Mn 등의 합금 주요 첨가원소 등의 영향에 의한 것으로 확인되었다.
이러한 공식부식을 방지하기 위해 산업계에서는 알루미늄의 양극 산화 처리법인 Anodizing 법을 이용하여 인위적으로 피막을 두껍게 성장시켜 내식성을 증가시키는 방법을 사용 한다. 하지만 이러한 Anodizing은 전기를 사용하여 피막을 형성시키는 방법으로 복잡한 구조물에서는 전류의 고른 흐름이 제한되어 적용하기 어렵다는 단점이 있다. 다른 방법으로는 Alodine법이 있는데 이 것은 Alodine 이라는 크롬산 계열의 화학약품 속에서 알루미늄에 산화막을 입히는 방법이다. 공정이 단순하며 비용이 적게 들기 때문에 한동안 많이 사용되었으나 3가 크롬의 경우 가격이 비싸고, 최근에는 환경적인 측면에서 사용이 금지되었다. 이러한 상황에서 알루미늄에 대한 새로운 내식성 강화 방안이 필요한 실정이다.
Chemical passivation treatment는 공정이 매우 단순하고 저렴하며 복잡한 구조물의 형태에도 적용할 수 있다는 장점이 있어 철강의 내식성 향상에는 널리 적용되고 있다. 하지만 알루미늄에는 적용 사례가 없어 passivation treatment에 대한 조건 확립 및 이에 대한 연구가 미비한 실정이다. 알루미늄 열교환기의 사용 수명을 늘리기 위해서는 환경적 요인과 합금 원소가 Al의 부식특성에 미치는 영향을 측정하고 분석하는 것과 더불어 새로운 passivation treatment 방법을 개발하여 내식성을 강화하여야 할 것이다.
본 연구에서는 알루미늄 열교환기 부식 문제를 해결하기 위하여 열교환기용 알루미늄에 첨가되는 합금 원소가 알루미늄 내식성에 미치는 정량적인 영향을 측정 및 분석하였다. 나아가 열교환기의 사용기간을 연장하기 위해 복잡한 형상과 구조의 알루미늄 열 교환기에 적용 가능한 간단한 passivation treatment를 개발하고자 하였다.
실험 방법은 환경적 요인이 Al의 부식 거동에 미치는 영향은 Al을 각각의 온도(10℃, 30℃, 50℃, 70℃), Cl-농도(0.1M, 0.2M, 0.5M, 1M), S농도(0ppm, 10ppm, 100ppm, 1000ppm)에서 양극분극거동을 측정하여 분석하였다.
합금 첨가 원소가 Al의 부식거동에 미치는 영향은 각각의 합금원소(Cu, Fe, Si, Mn)의 첨가량을 달리하여(0.1, 0.2, 0.5, 1 wt%) 합금을 주조하여 양극분극거동을 측정하였고, 미세조직은 micro etching test를 통해 SEM으로 표면 관찰 하였다. 또한 ZRA 실험을 통해 갈바닉 부식 실험도 병행하였다.
Al의 내식성 강화를 위한 passivation treatment는 각각의 농도의 H2O2를 사용하여 passivation 처리 한 후 처리 전과의 양극분극거동을 비교하였다.
실험 결과 환경적 요인 측면에서는 온도가 높아질수록 Al의 부식속도는 증가하였고, Cl-, 농도가 증가할수록 Epit과 Ecorr은 감소하였다. S농도는 10 ppm의 미량만 존재하여도 부식속도가 10배 정도 증가하는 등 부식에 심각한 악영향을 미쳤다.
합금 원소 중 Cu의 첨가는 Ecorr 및 Epit을 증가시키지만, IMC를 Al-Cu 합금은 수소교환전류 밀도를 증가시켜 icorr을 빠르게 하였다. Fe의 첨가는 Ecorr을 증가시키지만, IMC를 형성하고 Al-Fe 합금은 수소교환전류 밀도를 증가시켜 icorr을 빠르게 하였다. Si의 첨가는 Ecorr을 증가시키지만, Epit 및 Icorr에는 큰 영향을 미치지 않았다. Mn의 첨가는 Ecorr 과 Epit을 증가시키고, IMC를 형성하지만 icorr을 느리게 하였다.
Chemical passivation 처리 방법은 단순 침지만으로 부식 속도가(icorr) 배로 감소되었고 부식전위(Ecorr)는 200 mV, 공식전위(Epit)는 20 mV 이상 상승하는 내식성 향상의 결과를 가져왔다.
