KR100256852B1 - 고강도선재 및 판재용구리(Cu)-니켈(Ni)-망간(Mn)-주석(Sn)-알루미늄(Al)합금과 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고강도 선재 및 판재용 고강도 선재 및 판재용 구리(Cu) - 니켈(Ni) - 망간(Mn) - 주석(Sn) - 알루미늄(Al)합금과 그 제조방법에 관한 것으로 합금재료적층장입공정, 공해공정, 합금공정, 봉, 판재 연속주조공정, 용체화처리공정, 시효처리공정으로 이루어져 제조되는 본 발명의 합금성분은 1.0-8.0wt%(중량 백분율)의 내켈(Ni), 0.5-5.0wt%(중량 백분율)의 망간(Mn), 0.1-8.0wt%(중량 백분율)의 주석(Sn), 0.1-5.0wt%(중량 백분율)의 알루미늄(Al), 나머지를 구리(Cu)로 하는 것이며, 합금의 제조공정에 있어서 내간소성가공이 가능한 상태인 소경봉이나 판재 상태의 주괴제조를 연속주조법으로 채택하고 제반공정에서 모든 소성가공은 냉간가공을 하는 것이다.

Description

고강도 선재 및 판재용 구리(Cu)-니켈(Ni)-망간(Mn)-주석(Sn)-알루미늄(Al) 합금과 그 제조방법

본 발명은 고강도 선재 및 판재용 구리(Cu)-니켈(Ni)-망간(Mn)-주석 (Sn)-알루미늄(Al)합금과 그 제조방법에 관한 것이다.

종래의 구리합금 중에는 스피노달 분해효과로서 고강도를 나타내는 구리(Cu)-니켈(Ni)-주석(Sn)계 3원합금이 있으며, 이 합금의 대표적인 조성은 중량 퍼센트로 9％의 니켈(Ni)과 6％의 주석(Sn)을 함유하고 나머지 85％는 구리(Cu)로 구성된다.

구리(85％)-니켈(9％)-주석(6％)계 3원합금은 스피노달 분해강화 효과를 이용한 가공열처리를 통하여 인장강도를 1,000MPa 이상 얻을 수 있어서, 전기 부품이나 특수 목적용 고강도 스프링 합금인 베릴륨동(Cu-Be)을 대체할 수 있을 정도의 높은 강도와 낮은 제조원가가 가능하며, 특히 베릴륨(Be)과 같은 유독성 금속을 사용하지 않는 장점을 가지고 있다.

그러나 구리(Cu)-니켈(Ni)-주석(Sn)계 스피노달 분해강화 합금은 빌렛 주괴 상태에서 열간가공이 불가능하여 판재, 봉재 및 선재 등의 제조가 어렵다는 단점이 있다.

따라서 분말야금에 의한 판재, 봉재 및 선재가 일부 생산되고 있으나 제조공정의 어려움과 고비용으로 매우 고가라는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 고강도 선재 및 판재용 구리(Cu)-니켈(Ni)-망간(Mn)-주석(Sn)-알루미늄(Al) 합금의 제조방법에 관한 것으로, 니켈을 주첨가원소로 하나 니켈(Ni)의 일부를 또 다른 고용원소인 저렴한 망간(Mn)을 첨가하여 고용강화효과를 얻고, 스피노달 분해강화효과를 위해서 니켈의 함량에 비례한 주석(Sn)을 첨가하였으며, 다소의 석출강화 효과를 얻는 외에 용탕속에서 강력한 탈산작용에 의한 정련효과에 함께 용탕의 유동성도 개선토록 하기 위하여 알루미늄(Al)을 첨가한 합금 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 합금조성범위는 1.0 ∼ 5.0 wt％ 미만 니켈과, 여기에 2.1 ∼ 5.0 wt％ 망간과, 여기에 4.0 ∼ 8.0 wt％ 주석과, 여기에 0.1 ∼ 1.0 wt％ 미만 알루미늄과, 나머지는 구리로 조성되는 합금계로써 인장강도가 1,053 ∼ 1,172 Mpa, 연신율이 5 ∼ 10％를 얻고 있으며, 전기비저항치도 11 ∼ 22 μΩcm를 나타내는 고강도 동합금이다.

상기 합금성분 중에서 니켈(Ni)의 일부는 니켈(Ni)과 유사한 고용원소로서의 기능을 제공하는 망간(Mn)으로 그 일부를 대체하고 이에 비례하여 스피노달 분해생성물을 주도하는 주석(Sn)의 양도 제어하여 효과적인 시피노달 분해강화를 나타낼 수 있도록 하였다.

그리고 니켈(Ni)과 주석(Sn)의 함량 부족에 따른 강도가 저하하는 문제는 석출강화 효과를 나타내는 원소 중의 하나인 알루미늄(Al)을 첨가하여 보완하였다.

여기서 알루미늄(Al)은 고온의 용탕중에 투입하는 경우에 합금성도 좋으며 산화성이 높아 용탕 속에서 강력한 탈산작용도 하여 용탕을 맑게 하는 정련효과에도 좋다.

이러한 본 발명을 단계별로 설명하면 다음과 같다.

고강도 선재 및 판재용 동합금으로 합금조성범위를 1.0 ∼ 5.0 wt％ 미만 니켈과, 여기에 2.1 ∼ 5.0 wt％ 망간과, 여기에 4.0 ∼ 8.0 wt％ 주석과, 여기에 0.1 ∼ 1.0 wt％ 미만 알루미늄과, 나머지는 구리로 평량하는 단계와, 평량한 후, 용해로 바닥에 구리(Cu)를 적당량 깔고 그 위에 니켈(Ni)을 한층 깔고 다시 구리(Cu)를 적당량 덮고 다시 니켈(Ni)을 깔고 구리(Cu)로 덮는 방법을 반복한 적층으로 장입하되 마지막에는 구리(Cu)로써 비교적 두껍게 덮는다. 그리고 용해를 시작하여 구리와 니켈이 모두 용해하면 슬래그를 제거하고 난 후, 망간(Mn)을 첨가하여 용해하고 용탕의 온도가 점차 증가하여 용탕의 온도가 약 1,250℃ 정도가 되었을 때, 가열을 중단하거나 매우 낮은 열원을 공급하는 정도로 하고 주석(Sn)과 알루미늄(Al)을 연속적으로 투입하고 잘 교반하여 용해시키는 용해합금 단계와, 합금원소들이 충분히 용해하고 용탕온도도 1250℃정도로서 용탕의 유동성이 좋아지면, 열간가공이 가능한 합금방안의 경우에는 주괴의 살두께가 70mm 이상의 두꺼운 판재나 직경이 Φ100 mm 이상의 큰 대경봉으로 연속주조나 금형주조로 인고트를 제조하고, 냉간가공이 유리한 합금방안의 경우에는 주괴의 살두께가 30 mm 이하의 얇은 판재나 직경이 Φ 20 mm 이하의 작은 소경봉으로 연속주조하여 주괴를 만드는 단계와, 이렇게 제조된 주괴 중에서 판재나 소경봉 상태의 주괴는 균질화 처리 후, 냉간압연 또는 냉간인발에 의해 85％ 이상의 소성가공으로 주조조직을 완전히 제거한 후, 이를 850±50℃의 온도에서 0.5 ∼ 1.0 시간 유지한 후에 수냉하여 용체화 처리를 행하며, 열간압연이나 압출에 의해 제조된 판재나 선재의 경우도 850±50℃의 온도에서 0.5 ∼ 1.0 시간 유지한 후에 수냉하여 용체화 처리를 행하는 단계와, 이렇게 용체화 처리된 중간 상태의 봉재나 판재는 목표로 하는 물성의 목표에 따른 냉간 가공량 만큼 압연이나 인발을 한 후에 시효처리로서 300 ∼ 550℃에서 1 ∼ 10 hr 유지한 후 공냉하면 구리(Cu)-니켈(Ni)-망간(Mn)-주석(Sn)계 합금에서 나타나는 (CU_xNi_y)_zSn 형 시피노달 분해생성물에 의한 강화효과와 구리(Cu)-니켈(Ni)-알루미늄(Al)계 합금에서 나타나는 Cu_xAl Cu_yNi_zAl Ni_xAl 형 석출물에 의한 강화효과를 얻는 시효처리 단계를 거친다.

그리고 단계별 공정에서 제시하는 온도와 시간의 한정에 있어서, 우선 용해시 용탕의 온도를 1250℃ 정도로 한정하는 이유는 순동의 융점이 1,080℃이며, 여기에 이보다 융점이 높은 니켈과 망간을 합금함에 있어서 먼저 용해된 순동의 용탕의 유동성과 활량을 높여서 니켈과 망간을 용해를 촉진시키되, 산화성이 강한 망간의 산화손실을 억제하기 위한 최적의 온도로 한정한다. 그리고 본 발명재료의 경우에서 구성된 합금성분을 고려한 상태도를 예측하여 보면 고용체화 및 재결정온도구간은 800 ∼ 900℃, 유지시간은 0.5 ∼ 1.0 시간이 가장 적합하였으며, 그 이하인 경우에는 합금원소의 균질화와 충분한 고용이 어려우며, 그 이상의 온도에서는 결정성장이 급격하여 조대화하여 향우 물성에 악영향을 초래하고 있다. 한편, 시효처리 온도와 유지시간에 있어서도 과시효와 미시효의 처리조건을 시험한 결과, 시효처리 온도 범위는 300 ∼ 550℃에서 1 ∼ 10 시간이 최적의 조건이었다. 여기서 처리조건에 따른 물성의 변화를 보면, 시효온도가 높고 유지시간이 길면 강도는 다소 저하하나 연성이 증가하고, 시효온도가 낮고 유지시간이 짧으면 고강도이나 연성이 낮다. 그러나 미시효에 가까운 저온의 구간이라면, 석출강화효과가 적어 가공경화에서 잔류응력 만이 제거되는 수준이 될 것이다. 이상과 같은 제반의 이유에서 처리온도와 유지시간을 한정하게 되었다.

상기와 같은 본 발명은 고강도 선재 및 판재용 구리(Cu)-니켈(Ni)-망간 (Mn)-주석(Sn)-알루미늄(Al) 합금의 제조방법에 관한 것으로, 니켈을 주첨가 원소로 하나 니켈(Ni)의 일부를 또 다른 고용원소인 저렴한 망간(Mn)을 첨가하여 고용강화효과를 얻고, 스피노달 분해강화효과를 위해서 니켈의 함량에 비례한 주석(Sn)을 첨가하였으며, 다소의 석출강화 효과를 얻는 외에 용탕 속에서 강력한 탈산작용에 의한 정련효과와 함께 용탕의 유동성도 개선토록 하기 위하여 알루미늄(Al)을 첨가한 합금으로서 적당한 가공과 열처리를 거치면 인장강도를 1100Mpa 이상, 연신율은 5％ 이상, 전기비저항치는 11 ∼ 20μΩcm 범위를 얻을 수 있는 합금 및 그 제조방법을 제공하였다.

다음의 표 1은 본 발명에서 제시하는 합금들의 예이며, 표 2와 표 3은 가공 열처리에 따른 인장강도와 연신율의 변화이며, 표 4는 가공열처리에 따른 전기비저항치의 변화이다.

표 2에서 보면, 기존의 85％ 구리(Cu)-9％ 니켈(Ni)-6％ 주석(Sn) 3원합금의 경우에 300 ∼ 400℃ 에서 3시간 시효처리하면 인장강도는 1,043 ∼1,195 MPa, 연신율은 7 ∼ 9％를 얻을 수 있으며, 전기비저항치는 10 ∼ 14μΩcm를 나타내고 있다.

그리고 구리(Cu)-9％ 니켈(Ni)-6％ 주석(Sn)계 합금에서 고용원소인 9％ 니켈(Ni)의 일부를 망간(Mn)으로 대체한 구리(Cu)-9％ [니켈(Ni)+망간(Mn)]-6％ 주석(Sn) 3원합금 경우에 같은 시효조건에서 인장강도는 837 ∼ 1,156 MPa, 연신율은 6 ∼ 12％의 범위를 얻을 수 있으며, 전기비저항치는 11 ∼ 26μΩcm를 나타낸다.

그리고 구리(Cu)-9％ 니켈(Ni)-6％ 주석(Sn) 3원합금에서 고용원소인 니켈(Ni)의 일부를 망간(Mn)으로 대체하고 스피노달 분해생성물을 주도하는 주석(Sn)의 함량을 2 ∼ 4％로 줄인 대신에 알루미늄(Al)을 0.1 ∼ 1.0％ 첨가한 경우는 인장강도가 745 ∼ 997 MPa 정도였다.

그리고 기존의 구리(Cu)-9％ 니켈(Ni)-6％ 주석(Sn) 3원합금에 석출강화 원소인 알루미늄(Al)을 첨가한 경우와 첨가하지 않은 경우에 인장강도나 전기비저항치의 변화는 크지 않으며, 연신율의 감소도 크지 않은 경향을 나타내고 있다.

한편, 본 발명의 경우인 구리(Cu)-니켈(Ni)-주석(Sn)-알루미늄(Al) 합금의 예에서는, 구리(Cu)-6％ 니켈(Ni)-3％ 망간(Mn)-6％ 주석(Sn)-0.1 ∼ 1.0％ 알루미늄(Al) 합금의 경우에는 인장강도가 958 ∼ 1,172 Mpa, 연신율이 5 ∼ 10％를 얻고 있으며, 전기비저항치도 11 ∼ 22μΩcm를 나타내고 있다.

이와 같은 결과는 인장강도를 1000 MPa 이상 얻을 수 있는 새로운 구리(Cu)-니켈(Ni)-망간(Mn)-주석(Sn)-알루미늄(Al)계 합금을 개발하는 효과를 가져오게 되었다.

[표 1]

[표 2]

[표 3]

[표 4]

Claims (2)

1. 고강도 선재 및 판재용 구리합금에 있어서, 1.0 ∼ 5.0 wt％ 미만 니켈과, 여기에 2.1 ∼ 5.0 wt％ 망간과, 여기에 4.0 ∼ 8.0 wt％ 주석과, 여기에 0.1 ∼ 1.0 wt％ 미만 알루미늄과, 나머지는 구리로 조성한 것을 특징으로 하는 고강도 선재 및 판재용 구리(Cu)- 니켈(Ni)-망간(Mn)-주석(Sn)-알루미늄(Al) 합금.
2. 고강도 선재 및 판재용 구리-니켈-망간-주석-알루미늄계 합금 제조방법에 있어서,고강도 선재 및 판재용 동합금으로 합금조성범위를 1.0 ∼ 5.0 wt％ 미만 니켈과, 여기에 2.1 ∼ 5.0 wt％ 망간과, 여기에 4.0 ∼ 8.0 wt％ 주석과, 여기에 0.1 ∼ 1.0 wt％ 미만 알루미늄과, 나머지는 구리로 평량하는 단계와, 평량한 후, 용해로 바닥에 구리(Cu)를 깔고 그 위에 니켈(Ni), 구리(Cu), 니켈(Ni), 구리(Cu)순서로 반복하여 적층으로 장입하되 마지막에는 구리(Cu)로써 두껍게 덮고, 용해를 시작하여 구리와 니켈이 모두 용해하면 슬래그를 제거하고 난후, 망간(Mn)을 첨가하여 용해하고 용탕의 온도가 증가하여 용탕의 온도가 약1,250℃ 정도가 되었을 때, 가열을 중단하거나 매우 낮은 열원을 공급하는 정도로 하고 주석(Sn)과 알루미늄(Al)을 연속적으로 투입하고 잘 교반하여 용해시키는 용해합금단계와, 합금원소들이 충분히 용해하고 용탕온도도 1250℃ 정도로서 용탕의 유동성이 좋아지면, 열간가공이 가능한 합금방안의 경우에는 주괴의 살두께가 70 mm 이상의 두꺼운 판재나 직경이 Φ100 mm 이상의 큰 대경봉으로 연속주조나 금형주조로 인고트를 제조하고, 냉간가공이 유리한 합금방안의 경우에는 주괴의 살두께가 30 mm 이하의 얇은 판재나 직경이Φ 20 mm 이하의 작은 소경봉으로 연속주조하여 주괴를 만드는 단계와,이렇게 제조된 주괴 중에서 판재나 소경봉 상태의 주괴는 균질화처리 후, 냉간압연 또는 냉간인발에 의해 85％ 이상의 소성가공으로 주조조직을 완전히 제거한 후, 이를 850±50℃ 의 온도에서 0.5 ∼ 1.0 시간 유지한 후에 수냉하여 용체화 처리를 행하며, 열간압연이나 압출에 의해 제조된 판재나 선재의 경우도 850±50℃ 의 온도에서 0.5 ∼ 1.0 시간 유지한 후에 수냉하여 용체화처리를 행하는 단계와, 이렇게 용체화처리된 중간 상태의 봉재나 판재는 목표로하는 물성의 목표에 따른 냉간가공량 만큼 압연이나 인발을 한 후에 시효처리로서 300 ∼ 550℃에서 1 ∼ 10 hr 유지한 후 공냉하면 구리(Cu)-니켈(Ni)-망간(Mn)-주석(Sn)계 합금에서 나타나는 (C_xNi_y)_zSn 형 스피노달 분해생성물에 의한 강화효과와 구리(Cu)-니켈(Ni)-알루미늄(Al)계 합금에서 나타나는 Cu_xAl Cu_yNi_zAl Ni_xAl 형 석출물에 의한 강화효과를 얻는 시효처리 단계를 거치는 방법을 특징으로 하는 고강도 선재 및 판재용 구리 (Cu)- 니켈 (Ni)-망간(Mn)-주석(Sn)-알루미늄(Al) 합금의 제조방법.