KR0133454B1 - 고강도 내열, 내마모성을 갖는 Cu-Mg-Sn 동합금 도체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동합금 재료에 관한 것으로서, 특히 높은 전기전도성을 유지하면서 내열, 내마모성이 뛰어난 전차선용, 자동차용 전선 등의 특수 전선용 도체 및 리드프레임 등에 사용이 적합한 고강도 내열, 내마모성을 갖는 Cu-Mg-Sn 동합금 도체에 관한 것이다.

본 발명의 동합금 도체에 있어 Cu-Mg-Sn의 3원 합금의 첨가 성분이 Mg은 0.1∼0.5wt%, Sn은 0.1∼0.6wt% 이내로 하고, Mg과 Sn의 합이 0.7wt%를 초과하지 않도록 한 것이다.

Description

고강도 내열, 내마모성을 갖는 Cu-Mg-Sn 동합금 도체

도면 1은 본 발명의 Mg-Sn 함량 및 가공량에 따른 인장강도의 변화를 나타낸 그래프이다.

도면 2는 본 발명의 Ng-Sn 함량 및 가공량에 따른 전기전도도의 변화를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 동합급 재료에 관한 것으로서, 특히 높은 전기전도성을 유지하면서 내열, 내마모성이 뛰어난 전차선용, 자동차용 전선 등의 특수 전선용 도체 및 리드프레임 등에 사용이 적합한 고강도 내열, 내마모성을 갖는 Cu-Mg-Sn 동합금 도체에 관한 것이다.

종래 전기철도 분야에 사용되는 전선용 도체는 전기전도성은 물론 내마모성이 기본적으로 충족되어야 한다. 왜냐하면 전동차의 급전방식이 전류 도입선인 트롤리선(trolley wire)과 전동차의 상단에 설치되어 있는 집전판(pantagraph)과의 접촉에 의하여 이루어지기 때문에 전동차의 운행이 진행되는 동안 트롤리선과 집전판과의 마찰이 계속해서 발생되어 전동차의 운행이 진행될수록 트롤리선의 마모는 더욱 커지므로 선재의 내마모특성이 트롤리선의 수명을 결정하는 중요한 요인이 된다.

일반적으로 순동(純銅)을 냉간가공에 의하여 약 35-44㎏f/㎟ 정도의 강도와 마모성을 갖도록 한 경동(硬銅) 트롤리선이나 소량의 Ag을 첨가하여 내열특성을 개선시킨 은입동 트롤리선이 널리 사용되었으나, 이는 내마모성이 부족해 잦은 교체작업이 요구되는 등 중요한 대중교통 수단으로서의 전동차 시스템의 안전성 확보 및 유지 관리상의 문제점이 되고 있다.

최근 경동 트롤리선이나 은입동 트롤리선 대신 내마모성 트롤리션으로 Cu-Sn합금인 석입동(錫入銅)이나 Cu-Cd합금인 카드뮴동 등이 개발되어 사용되고 있으나, 카드뮴동의 경우 그 특성은 80% IACS(국제연동표준)이상의 높은 전기전도도와 50㎏f/㎟ 이상의 인장강도 등 비교적 양호한 편이나, 제조비용이 너무 높고, 또 유해 중금속인 카드뮴을 사용해야 하므로 제조공정 뿐 아니라 환경공해가 유발될 위험이 있다.

또한 석입동의 경우 전차선의 용도와 요구특성에 따라 0.3-0.7wt% 정도의 Sn이 함유되어 있는 고용형 합금으로서 인장강도가 약 40-45㎏f/㎟ 정도로 고용강화의 효과는 인정되나, 도전특성이 약 60-70% IACS 정도로 비교적 떨어지는 편이며, 특히 해안지역이나 융설제 살포지역 및 공단지역 등의 염해 환경에서의 내식성이 문제시 되고 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 동합금 도체의 문제점을 해결하기 위해 연구개발된 것으로, 본 발명의 동합금은 동에 미량의 Mg과 Sn을 첨가하여 만들어진 Cu-Mg-Sn 3원계 합금으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명 합금의 구성요소인 Mg은 비중이 1.74의 대표적인 경금속원소의 하나로서 비교적 저가이면서 무독성이며, 미량의 첨가에 의해서 도전율을 해치지 않으면서도 가공경화성이 우수하여 냉간가공에 의한 강도의 증가를 크게 하는 효과를 얻을 수 있다.

또한 산소와의 친화력이 커서 합금의 용해 주조시 도전율을 해치기 쉬운 인탈산 등에 의한 탈산처리 없이도 충분한 탈산효과를 얻을 수 있고, 합금내 잔존산소량을 적게 함으로서 합금의 내식성을 개선하는 효과도 얻을 수 있다. 반면에 동합금 용해시 Mg은 동과 비중차이가 커서 잘 섞이지 않을 뿐 아니라 용탕의 유동성을 크게 저하시키므로 주조작업성이 떨어지고, 지나친 탈산으로 재료를 취약하게 할 우려가 있다.

이러한 단점을 개선하기 위하여 본 발명에서는 Sn을 첨가하는데 있어 그 Sn 첨가 자체로는 합금의 내마모성을 개선시키며, 동과의 융합성이 뛰어나고 Mg의 합금화도 용이하게 해 줄 뿐만 아니라 용탕의 유동성을 좋게 함으로써 주조성을 향상시키고, Mg에 의해 재료가 취약해지는 단점을 보완해 주는 효과를 주게 하는 것이다.

합금처리에 의한 대표적인 금속의 강화방법으로는 고용강화 및 석출 강화가 있다.

상기 고용형 합금의 경우에는 첨가 원소의 증가에 따라 각종 물리적 성질이 크게 변화하는데, 특히 전기적 특성을 크게 저하하는 경향이 있으며, 석출형 합금의 경우에는 일반적으로 전기적 특성의 저하가 적고 내열성 개선 등의 효과가 있어 고전도성을 요구하는 전기, 전자용 소재에 많이 적용되고 있으나, 공정상 반드시 용체화처리, 석출 열처리 등의 공정을 포함하고 있기 때문에 경제성 측면에서 매우 불리한 점이 있으며, 기계적 강도도 불충분한 경향이 있다.

따라서 본 발명에서는 전기적 특성을 크게 해치지 않는 범위내에서 미량의 Mg과 Sn을 포함하는 고용체 강화형의 Cu-Mg-Sn 3원 합금계를 구성하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 의해 제조되는 동합금 도체는 도면1 및 도면2에 도시된 바와 같이 합금조성 및 가공조건에 따라 60% IACS-80% IACS(국제연동표준)까지의 높은 도전율과, 40㎏f/㎟ - 80㎏f/㎟ 정도까지의 기계적 강도를 가지며, 특히 내마모성과 내열성이 기존 재료에 비하여 뛰어난 특성을 갖도록 하는 것이다.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도면1 및 도면2에 도시된 그래프에서 알 수 있듯이 합금원소의 첨가량은 Mg의 경우 0.5wt%이상 첨가시 합금의 전기전도도가 급격히 저하되며, Sn도 0.6wt%이상 첨가시는 강도의 개선효과보다는 도전율의 저하만을 초래하게 된다. 또한 Mg이나 Sn 모두 0.1wt% 미만에서는 도전율은 유리하지만 기계적 특성상의 뚜렷한 상승효과는 얻을 수 없다. 따라서 본 발명에서는 Mg은 0.1∼0.5wt%, Sn은 0.1∼0.6wt% 이내로 하고, Mg과 Sn의 합이 0.7wt%를 초과하지 않도록 하였다.

본 발명의 적용효과를 확인하기 위해 실시예를 통하여 Cu-0.2wt%Mg-0.1wt%Sn, Cu-0.1wt%Mg-0.1wt%Sn 및 Cu-0.3wt%Mg-0.1wt%Sn의 조성을 갖는 3원 합금을 제조하여 일례로 종래의 전차선용 트롤리선 및 조가선과 그 특성을 각각 비교 예시하였다.

본 실시예는 비교 대상의 제품이 사용특성상 길이가 긴 선재를 요구하는 전선이므로 수평연속 주조방식을 이용하여 직경 23Ø㎜ 로드(rod)로 주조하였다. 물론 반역속 주조 등 기타의 주조방식을 채택하여도 소재 특성상에는 아무런 차이가 없다. Sn과 Mg의 합금처리는 Mg은 20wt%Mg-Cu 모합금을 사용하였고, Sn은 순금속 상태로 사용하였다. 용해시 용탕의 상부에는 충분한 량의 목탄을 덮고, 질소가스(N₂)로 불활성 분위기를 유지하여 용탕이 직접 대기 분위기와 접촉하는 것을 방지하였다. 용탕의 탈산은 Mg 장입시 산화손실을 고려한 량을 장입함으로써 Mg에 의한 탈산처리를 통하여 산화 슬래그로 제거하였다.

수평 연속 주조방식에 의하여 제조된 23Ø㎜의 Cu-0.2wt%Mg-0.1wt% Sn, Cu-0.1wt%Mg-0.1wt%Sn 주조봉은 110sq. 규격의 트롤리선으로 신선 가공하였고, Cu-0.3wt%Mg-0.1Sn, Cu-0.2wt%Mg-0.1wt%Sn 주조봉은 중간 열처리없이 1.5Ø㎜까지 신선 가공하였다.

다음의 표1은 발명의 Cu-0.2wt%Mg-0.1wt%Sn 및 Cu-0.1wt%Mg-0.1wt%Sn 합금재와 기존의 경동 트롤리선 및 석입동 트롤리선과 그 특성을 비교한 것이다.

상기에서 마모시험은 트롤리와이어 선재로부터 얻어진 직경 8㎜, 길이 12㎜의 실린더형의 시험편으로 길이 방향면을 100Ø㎜의 고속도강 재질의 디스크에 접촉시킨 후 600RPM으로 10,000회 회전한 후에 시험편의 무게감량을 측정하였으며, 윤활제로는 수용성 절삭유를 사용하였다. 또한 내열성 시험은 아르곤가스(Ar) 분위기의 로에서 300℃로 2시간 유지후에 수냉하여 인장강도를 측정하여서 열처리 전의 인장강도 값으로 나누어 백분율로 표시하였다.

또한 표2는 본 발명의 Cu-0.3wtMg-0.1wt%Sn 및 Cu-0.2wt%Mg-0.1wt%Sn 합금재와 기존의 Cd동 및 석입동 조가선과 그 특성을 비교한 것이다. 한편 내열성 시험방법은 상기 표1에서의 실험과 동일하며, 다만 그 온도와 시간을 달리하였다.

상기의 표1 및 표2에서 알 수 있듯이 본 발명 합금은 기존 경동선 및 석입동 선재들에 비하여 제반 특성이 우수하며, 특히 대표적인 유해 중금속으로 환경 공해 요인이 되고 제조공정상의 비경제적 요인을 수반하는 Cd함유 합금과 거의 동등 이상 수준의 특성을 나타냄을 알 수 있다. 또한 리드프레임용 소재 및 특수전선도체, 전극재 등으로 널리 사용되고 있는 Zr동, Cr-Zr동 등의 경우 강화기구 자체가 석출 경화용이므로 앞서 설명한 바와 같이 제조공정상 용체화처리 및 석출열처리 등이 필요하므로 공정상 비경제적인 요인을 갖고 있다. 따라서 본 발명 합금은 기존 Cd함유 합금재에 대한 대체 소재로서 또한 기존 열처리형 동합금 소재에 비하여 뛰어난 특성 및 경제성을 갖는 소재로서 대체경쟁력이 충분함을 알 수 있다.

Claims (4)

1. 전선 및 전기, 전자용 동합금 소재에 있어서, Cu-Mg-Sn의 3원 합금의 첨가 성분이 Sn 함량이 0.1wt%-0.6wt%이며, Mg 함량이 0.1wt%-0.5wt% 범위 이내인 것을 특징으로 하는 Cu-Mg-Sn 동합금 도체.
2. 제 1항에 있어서, 상기 Mg와 Sn의 함량 조성의 합이 0.7wt%를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 Cu-Mg-Sn 동합금 도체.
3. 제 1 항 및 제 2 항에 있어서, Cu-Mg-Sn의 3원 합금으로 조성되는 동합금 도체를 수평 연속 주조법에 의해 제조하는 것을 특징으로 동합금 도체.
4. 제 1 항 및 제 2 항에 있어서, Cu-Mg-Sn의 3원 합금으로 조성되는 동합금 도체를 반연속 주조 후 열간가공 및 냉간가공을 거쳐 제조하는 것을 특징으로 하는 동합금 도체.