KR0182227B1 - 동-크롬-지르코늄-미쉬메탈 합금과 이 합금의 가공열처리방법 - Google Patents

동-크롬-지르코늄-미쉬메탈 합금과 이 합금의 가공열처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 접점재나 강판의 저항용접 및 점(스포트) 용접용 전극재인 동(Cu)-크롬(Cr)-지르코늄(Zr)-미쉬메탈(mischmetal) 합금의 제조와 그 특성을 발휘할 수 있는 가공열처리에 관한 것으로, 동(Cu)를 주성분으로 하고, 여기에 크롬(Cr)은 0.20∼1.45%(중량백분률) 함유하고, 여기에 지르코늄(Zr)은 0.25∼2.00%(중량백분률) 함유하고, 여기에 가공열처리시 세리움동 CuXCe, 란탄동 CuXLa, 니오디미움동 CuXNd, 및 프라새오디미움동 CuXPr 등과 같은 석출물을 생성시킬 수 있는 성분으로 세리움(Ce), 란탄(La), 니오디미움(Nd), 프라세오디미움(Pr) 등의 화합물인 미쉬메탈(mischmetal)을 0.02%∼0.50%(중량백분률) 범위로 첨가한 것을 특징으로 하는 합금재료로서, 경도와 도전률을 각각 HRB 60∼90, IACS 70∼95% 범위로 유지시킬 수 있는 가공열처리에 관한 것이다.
이렇게 하여 제조된 재료는 고온에서 경도와 도전률이 우수하여, 전기접점이나 강판의 저항용접 및 스포트용접용 전극 등으로 사용되는 경우에 우수한 성능을 발휘하며, 그 제조방법은 다음과 같다.
즉, 상기의 동(Cu) 합금을 용해 후 주괴를 제조하고, 상기를 주조조직을 제거할 수 있는 7S(약 85%) 이상의 가공비로써 800∼950℃에서 단조, 압연, 압출 등을 행하고, 상기를 800∼1,050℃에서 두께 1인치 당 30분 이상 유지한 후에 수냉, 유냉 등으로 급냉하여 용체화 처리를 행하고, 상기를 상온에서 70% 이상의 가공비로써 압연, 단조, 인발 등의 냉간가공을 행하고, 상기를 350∼550℃에서 1시간 이상 유지 후 수냉, 유냉, 공냉 등으로 시효경화 열처리를 행하고, 상기의 과정을 마친 소재는 그 상태대로 사용하거나 전극 등의 부품을 제조하는 방법으로, 위의 공정 중에서 소재나 제품의 목표 특성에 따라, 냉간가공과 시효경화 열처리의 공정 순서를 바꿀 수도 있으며, 경우에 따라서는 냉간가공의 공정을 생략할 수도 있는 방법.

Description

동(Cu)-크롬(Cr)-지르코늄(Zr)-미쉬메탈(mischmetal) 합금과 이 합금의 가공열처리방법
본 발명은 동(Cu)-크롬(Cr)-지르코늄(Zr)-미쉬메탈(mischmetal) 합금과 이 합금의 가공열처리방법에 관한 것으로, 특히 본 발명은 전기 접점재나 강판의 저항 용접 및 점(스포트) 용접용 전극재인 동(Cu)-크롬(Cr)-지르코늄(Zr)-미쉬메탈(mischmetal) 합금의 제조와 이 합금의 물성으로서 도전율을 순동의 75-85%, 경도는 브린넬 B 스케일인 HRB 75-85 범위로 발휘할 수 있도록 가공열처리하는 방법에 관한 것이다.
종래에는 크롬(Cr)을 1%(중량백분률) 전후 함유한 동(Cu)-크롬(Cr) 2원합금에 지르코늄(Zr)을 미량 합금한 동(Cu)-크롬(Cr)-지르코늄(Zr) 3원합금을 적당한 가공과 열처리로써 도전률을 순동의 80% 정도 유지하면서 강도는 순동의 2∼3배 정도까지 향상시킬 수 있게 하여, 공업적으로는 전기 및 전자용 분야에서 접점재나 강판의 저항용접 및 스포트용접 전극재로서 사용하고 있다.
상기 동(Cu)-크롬(Cr)-지르코늄(Zr) 3원합금은 용체화처리하는 부근의 온도인 1,000℃ 정도로 가열하면 크롬(Cr)은 동(Cu) 중에 약 0.45 중량 퍼센트 정도가 고용되며 지르코늄(Zr)은 동(Cu) 중에 약 0.15 중량퍼센트 정도가 고용되는데, 이를 시효처리하면 미세한 크롬(Cr)과 지르코늄(Zr) 입자들이 석출하여 기지를 강화시킨다.
한편, 상기 종래의 동(Cu)-크롬(Cr)-지르코늄(Zr) 3원합금은 전기접점이나 강판의 저항용접 및 점(스포트) 용접용 전극으로 사용되는 경우에, 순간적으로 높은 가압력 하에서 대전류가 통하여, 높은 저항열이 발생하는 상황이므로 접촉부의 소모가 크며, 피접물에 들어붙는 소위 스티킹(sticking) 현상이 종종 나타나는 경우가 있다.
이러한 문제점들은 전극의 수명을 저해하며, 용접부를 깨끗하지 못하게 한다는 단점이 있다.
한편, 동(Cu)-크롬(Cr)-지르코늄(Zr) 3원합금에 대하여 제반의 특성을 개선하기 위해, 시효경화성이 높은 Al, Si, Be, Co 등과 같은, 원소들을 첨가하는 경우에, 그 원소의 종류와 첨가량의 증가에 따라 경도는 어느 정도 향상시킬 수 있으나 도전률은 크게 저해되는 경우가 일반적이어서 적당하지 못하다는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 기존의 동(Cu)-크롬(Cr)-지르코늄(Zr) 3원합금 중에 고용할 수 있고, 주성분인 동(Cu)과 화합물을 형성할 수 있는 원소인 세리움(Ce), 란탄(La), 니오디미움(Nd), 프라세오디미움(Pr) 등의 화합물인 미쉬메탈(mischmetal)을 첨가하여 용해 후, 주괴를 제조하고, 이를 가공열처리하여 높은 온도에서도 미세하고 안정한 세리움동, 란탄동, 니오디미움동 및 프라세오디미움동계 석출물들이 기지 전반에 생성하여 재료의 특성을 개선할 수 있도록 하는 합금 및 이 합금의 열처리 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 전기 접점재나 강판의 저항용접 및 점(스포트)용접용 전극재에 있어서, 0.20∼1.45%(중량백분률)크롬(Cr)과, 0.25∼2.00%(중량백분률)지르코늄(Zr)과, 0.02%∼0.50%(중량백분률)미쉬메탈(mischmetal)과 나머지는 동(Cu)으로 조성하되, 상기 0.02%∼0.50%(중량백분률)미쉬메탈(mischmetal)은 50%(중량백분률)세리움(Ce)과, 25%(중량백분률)란탄(La)과, 15%(중량백분률)니오디미움(Nd)과, 5%(중량백분률)프라세오디미움(Pr)으로 혼합 조성되는 것을 특징으로 하는 동(Cu)-크롬(Cr)-지르코늄(Zr)-미쉬메탈(mischmetal) 합금을 제공함으로서 달성된다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 전기 접점재나 강판의 저항용접 및 점(스포트)용접용 전극재의 열처리 방법에 있어서, 0.20∼1.45%(중량백분률)크롬(Cr)과, 0.25∼2.00%(중량백분률)지르코늄(Zr)과, 0.02%∼0.50%(중량백분률)미쉬메탈(mischmetal)과 나머지는 동(Cu)으로 조성되는 동(Cu) 합금을 용해 후 주괴를 제조하고, 상기 주괴의 주조조직을 제거할 수 있는 7S(약 85%) 이상의 가공비로써 800∼950℃에서 단조, 압연, 압출 등을 행하고, 이를 800∼1,050℃에서 두께 1인치 당 30분 이상 유지한 후에 수냉, 유냉 등으로 급냉하여 용체화처리를 행하고, 용체화 처리 후 시효처리시 다량의 미세한 석출물을 균일하게 석출시키기 위한 석출물의 핵생성 자리인 전위의 교차나 밀집부분을 많이 마련하기 위해 먼저 상온에서 70% 이상의 가공비로써 압연, 단조, 인발 등의 냉간가공을 행하고, 냉간 가공 후 350∼550℃에서 1시간 이상 유지 후 수냉, 유냉, 공냉 등으로 시효경과 열처리를 행하는 것을 특징으로 하는 동(Cu)-크롬(Cr)-지르코늄(Zr)-미쉬메탈(mischmetal) 합금의 가공열처리방법을 제공함으로써 달성된다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서는, 기존의 동(Cu)-크롬(Cr)-지르코늄(Zr) 3원합금 중에 고용할 수 있고, 주성분인 동(Cu)과 화합물을 형성할 수 있는 원소인 세리움(Ce), 란탄(La), 니오디미움(Nd), 프라세오디미움(Pr) 등의 화합물인 미쉬메탈(mischmetal)을 첨가하여 용해 후, 주괴를 제조하고, 이를 가공열처리하여 높은 온도에서도 미세하고 안정한 세리움동, 란탄동, 니오디미움동 및 프라세오디미움동계 석출물들이 기지 전반에 생성하여 재료의 특성을 개선할 수 있게 하였다.
상기에서 미쉬메탈(mischmetal)은 세리움(Ce) 50%(중량백분률)와 란탄(La) 25%(중량백분률)를 주성분으로 하고, 니오디미움(Nd) 15%(중량백분률), 프라세오디미움(Pr) 5%(중량백분률) 정도를 함유한 화합물이다.
즉, 본 발명은 높은 온도에서도 재료의 특성을 개선할 수 있는 방법으로서, 실시예의 결과를 보면 기지의 경도와 도전률은 550℃ 이상의 시효에서도 각각 HRB 60∼90, IACS 70∼95%인 범위를 유지시킬 수 있는 방법으로, 이를 설명하면 다음과 같다.
동(Cu)을 주성분으로 하고, 크롬(Cr)은 0.20∼1.45%(중량백분률) 범위로 함유하고, 여기에 지르코늄(Zr)은 0.25∼2.00%(중량백분률)의 범위로 함유한다.
여기서 크롬(Cr)과 지르코늄(Zr)의 함량범위는 각각의 원소가 고용강화, 석출강화 및 과포화 함유시 크롬(Cr)과 지르코늄(Zr) 입자에 의한 분산강화효과를 발휘할 수 있도록 한 것으로, 이들은 기지인 동(Cu)에 대한 고용한도가 각각 0.45%와 0.15%이다.
여기에 가공열처리시 세리움동 CuXCe, 란탄동 CuXLa, 니오디미움동 CuXNd, 및 프라새오디미움동 CuXPr와 같은 미세한 석출물을 생성시켜서 석출강화효과를 극대화 시키고 용체화처리시 결정립의 성장을 억제시키는 원소들의 화합물인 미쉬메탈(mischmetal)을 0.02%∼0.50(중량백분률) 범위로 첨가하여 합금용해한 후 주괴를 제조한다.
그리고 이러한 성분으로 제조된 주괴는 다음의 3가지 가공열처리 공정을 거쳐 재료나 전극를 제조함으로써, 기지 중에는 미세하고 안정한 석출물인 CuXCe, CuXLa, CuXNd, 및 CuXPr 등이 균일하게 다량 분포되어 전기 접점재료나 강판의 저항 용접 및 스포트용접용 전극으로서의 내구성을 향상시킬 수 있게 하였다.
가. 제1공정안
크롬(Cr)을 0.20∼1.45%(중량백분률) 함유하고, 상기에 지르코늄(Zr)을 0.25∼2.00%(중량백분률) 함유하고, 상기에 미쉬메탈(mischmetal)을 0.02%∼0.50%(중량백분률) 첨가하고, 동(Cu)을 나머지로 하는 동(Cu)합금을 용해 후 주괴를 제조하고, 상기 주괴의 주조조직을 제거할 수 있는 7S(약 85%) 이상이 가공비로써 800∼950℃에서 단조, 압연, 압출 등을 행하고, 이를 800∼1050℃에서 두께 1인치 당 30분 이상 유지한 후에 수냉, 유냉 등으로 급냉하여 용체화처리를 행하고, 용체화 처리 후 시효처리시 다량의 미세한 석출물을 균일하게 석출시키기 위한 석출물의 핵생성 자리인 전위의 교차나 밀집부분을 많이 마련하기 위해 먼저 상온에서 70% 이상의 가공비로써 압연, 단조, 인발 등의 냉간가공을 행하고, 냉간 가공 후 350∼550℃에서 1시간 이상 유지 후 수냉, 유냉, 공냉 등으로 시효경화 열처리를 행하고, 상기의 과정을 마친 소재는 그 상태대로 사용하거나 전극 등의 부품을 제조하는 방법.
나. 제2공정안
크롬(Cr)을 0.20∼1.45%(중량백분률) 함유하고, 상기에 지르코늄(Zr)을 0.25∼2.00%(중량백분률) 함유하고, 상기에 미쉬메탈(mischmetal)을 0.02%∼0.50%(중량백분률) 첨가하고, 동(Cu)을 나머지로 하는 동(Cu) 합금을 용해 후 주괴를 제조하고, 상기를 주조조직을 제거할 수 있는 7S(약 85%) 이상의 가공비로써 800∼950℃에서 단조, 압연, 압출 등을 행하고, 이를 800∼1,050℃에서 두께 1인치 당 30분 이상 유지한 후에 수냉, 유냉 등으로 급냉하여 용체화처리를 행하고, 용체화 처리 후 350∼550℃에서 1시간 이상 유지 후 수냉, 유냉, 공냉 등으로 시효경화 열처리를 행하고, 시효경화 열처리 후 석출된 비교적 조대하거나 부분적으로 발달된 석출물 균일하게 분산시킴과 아울러 가공경화효과를 얻기 위해 상온에서 70% 미만의 가공비로써 압연, 단조, 인발 등의 냉간가공을 행하고, 상기의 과정을 마친 소재는 그 상태대로 사용하거나 전극 등의 부품을 제조하는 방법.
다. 제3공정안
크롬(Cr)을 0.20∼1.45%(중량백분률) 함유하고, 상기에 지르코늄(Zr)을 0.25∼2.00%(중량백분률) 함유하고, 상기에 미쉬메탈(mischmetal)을 0.02%∼0.50%(중량백분률) 첨가하고, 동(Cu)을 나머지로 하는 동(Cu) 합금을 용해 후 주괴를 제조하고, 상기를 주조조직을 제거할 수 있는 7S(약 85%) 이상의 가공비로써 800∼950℃에서 단조, 압연, 압출 등을 행하고, 이를 800∼1050℃에서 두께 1인치 당 30분 이상 유지한 후에 수냉, 유냉 등으로 급냉하여 용체화 처리를 행하고, 용체화 처리 후 석출강화시키기 위하여 350∼550℃에서 1시간 이상 유지 후 수냉, 유냉, 공냉 등으로 시효경화 열처리를 행하고 상기의 과정을 마친 소재는 그 상태대로 사용하거나 전극 등의 부품을 제조하는 방법.
이하 본 발명의 실시예이다.
[실시예]
위의 제1공정에 따라 실시한 예의 결과를 제시하면 다음과 같다.
실시예에서 합금의 종류와 각각의 성분은 다음의 표 1에서와 같으며, 두께 70mm의 주괴로 용해주조하였다.
상기를 880℃에서 두께 10mm까지 7S(약 85%)의 가공도로써 열간압연하고, 960℃에서 1시간 유지 후 수냉함으로써 용체화 처리한 것을 상온에서 두께 1.5mm,까지 85% 냉간압연한 후, 400℃, 425℃, 450℃, 475℃, 500℃, 525℃ 및 550℃에서 각각 3시간 유지 후 수냉시켜 시효경화 열처리하였다.
그 결과는 다음의 표 2에서와 같으며 표 2 중에는 같은 공정을 거친 기존의 동(Cu)-크롬(Cr)-지르코늄(Zr) 3원합금의 경우와 동(Cu)-크롬(Cr) 및 동(Cu)-지르코늄(Zr) 2원합금들도 제시하였다.
여기서 보면, 본 발명 합금은 시효처리 온도가 550℃ 이상, 즉, 550℃ 이상의 온도에 노출 후에도 기존의 동(Cu)-크롬(Cr)-지르코늄(Zr) 3원합금에 비해, 경도와 도전률이 안정하며 높은 수준을 유지하였다.
한편, 450℃ 이상의 시효온도에서, 기존의 동(Cu)-크롬(Cr) 2원합금은 크롬(Cr)의 함량이 1.5wt%를 초과하면 경도는 더욱 급격히 저하함을 나타내었으나, 동(Cu)-지르코늄(Zr) 2원합금은 지르코늄(Zr)의 함량이 2.0wt%가 되어도 경도와 도전률이 안정한 상태를 나타낸다.
그리고 스포트용접 전극의 경우는 용접작업시에 피접물과 서로 들러붙는 스티킹(sticking) 효과를 현저하게 개선하였으며, 이는 기지중에 균일하게 분포된 미세하고 안정한 석출물인 세리움동 CuXCe, 란탄동 CuXLa, 니오디미움동 CuXNd, 및 프라새오디미움동 CuXPr 등의 존재에 기인한 것으로 본다.
상기와 같은 본 발명은 본 발명 합금은 시효처리 온도가 550℃ 이상, 즉, 550℃ 이상의 온도에 노출 후에도 기존의 동(Cu)-크롬(Cr)-지르코늄(Zr) 3원합금에 비해, 경도와 도전률이 안정하며 높은 수준을 유지하였으며, 스포트용접 전극의 경우는 용접작업시에 피접물과 서로 들러붙는 스티킹(sticking) 효과를 현저하게 개선하였고, 기지중에는 균일하게 분포된 미세하고 안정한 석출물인 세리움동 CuXCe, 란탄동 CuXLa, 니오디미움동 CuXNd 및 프라새오디미움동 CuXPr 등이 균일하게 다량 분포되어 전기 접점재료나 강판의 저항용접 및 스포트용접용 전극으로서의 그 내구성을 향상시키는 등의 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 전기 접점재나 강판의 저항용접 및 점(스포트)용접용 전극재에 있어서, 0.20∼1.45%(중량백분률) 크롬(Cr)과, 0.25∼2.00%(중량백분률) 지르코늄(Zr)과, 0.02%∼0.50%(중량백분률)미쉬메탈(mischmetal)과, 나머지는 동(Cu)으로 조성하되, 상기 0.02%∼0.50%(중량백분률)미쉬메탈(mischmetal)은 50%(중량백분률)세리움(Ce)과, 25%(중량백분률)란탄(La)과, 15%(중량백분률)니오디미움(Nd)과, 5%(중량백분률)프라세오디미움(Pr)으로 혼합 조성되는 것을 특징으로 하는 동(Cu)-크롬(Cr)-지르코늄(Zr)-미쉬메탈(mischmetal) 합금.
  2. 전기 접점재나 강판의 저항용접 및 점(스포트) 용접용 전극재의 열처리 방법에 있어서, 0.20∼1.45%(중량백분률)크롬(Cr)과, 0.25∼2.00%(중량백분률)지르코늄(Zr)과, 0.02%∼0.50%(중량백분률)미쉬메탈(mischmetal)과 나머지는 동(Cu)으로 조성되는 동(Cu)합금을 용해 후 주괴를 제조하고, 상기 주괴의 주조조직을 제거할 수 있는 7S(약 85%) 이상의 가공비로써 800∼950℃에서 단조, 압연, 압출 등을 행하고, 이를 800∼1,050℃에서 두께 1인치 당 30분 이상 유지한 후에 수냉, 유냉 등으로 급냉하여 용체화 처리를 행하고, 용체화 처리 후 시효처리시 다량의 미세한 석출물을 균일하게 석출시키기 위한 석출물의 핵생성 자리인 전위의 교차나 밀집부분을 많이 마련하기 위해 먼저 상온에서 70% 이상의 가공비로써 압연, 단조, 인발 등의 냉간가공을 행하고, 냉간 가공 후 350∼550℃에서 1시간 이상 유지 후 수냉, 유냉, 공냉 등으로 시효경화 열처리를 행하는 것을 특징으로 하는 동(Cu)-크롬(Cr)-지르코늄(Zr)-미쉬메탈(mischmetal) 합금의 가공열처리방법.
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KR100434810B1 (ko) * 2001-12-05 2004-06-12 한국생산기술연구원 반용융가압성형용 구리-지르코늄(Ｃｕ-Ｚｒ)합금 및 그의제조방법

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