KR100344782B1 - 구리 베이스 합금과 그의 제조 방법 - Google Patents

구리 베이스 합금과 그의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

주석 약 0.1 ~ 1.5 중량 %, 인 약 0.01 ~ 0.35 중량 %, 철 약 0.01 ~ 0.8 중량 %, 아연 약 1.0 ~ 15 중량 %, 잔부는 구리를 포함하며, 기질 전체에 균일하게 분포된 인화물을 함유한 구리 베이스 합금에 관한 설명이다. 이 합금은 우수한 물리적 특성들을 가진다. 이 문서에 언급한 구리 베이스 합금은 주조, 확산 가열, 압연, 어닐링 공정, 응력 완화 어닐링 공정에 의하여 생성된다.

Description

구리 베이스 합금과 그의 제조 방법{COPPER ALLOY AND PROCESS FOR OBTAINING SAME}
본 특허 출원은 1996년 11월 7일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 제 08/747,014 호 "구리 베이스 합금과 공정 과정" 과 1996년 12월 26일자로 출원된 미국 특허 출원 번호 제 08/780,116 호 "구리 베이스 합금과 공정 과정" 에 관계된다.
구리 베이스 합금은 그 특성이 컨넥터(connector), 리드 프레임(lead frame), 다른 전기응용 장치에 적합하기 때문에 이들 장치에 많이 이용된다. 이러한 합금들이 존재함에도 불구하고, 응력 부식 균열(stress corrosion cracking)이 없고 온도 상승에 따른 응력 완화(relaxation of stress)가 낮으며, R/T 비율이 1이하인 180°배드웨이(badway) 굽힘을 할 수 있어 성형성이 뛰어남과 더불어 80KSI 보다 큰 항복강도(yield strength)가 요구되는 응용장치에 이용되는 구리 베이스합금의 개발이 요구 되어진다. 현재 이용되는 합금은 이러한 요구를 만족 시키지 못하며, 만족시키더라도 시장에서의 경제성이 떨어지거나 중대한 결점을 가지고 있다. 따라서 상기 목적을 만족시키는 구리 베이스 합금의 개발이 요구된다.
베릴륨 구리 베이스 합금은 응력 완화성의 뛰어남과 함께 매우 높은 강도와 전도도를 가지고 있다. 그러나, 이 물질은 성형능력에 한계를 가지고 있다. 이러한 한계는 180°베드웨이 굽힘을 어렵게 한다. 게다가, 이들은 매우 비싸며 원하는 부분의 제조 후에 추가 열 처리가 종종 필요하게 된다. 자연히 이는 가격의 상승을 가져온다.
인청동 물질은 강도가 좋고 성형성이 뛰어나면서 값이 싼 합금이다. 이것은 전기 산업과 원거리 통신 산업에 널리 이용된다. 그러나 매우 높은 온도에서 매우 높은 전류를 흘려 주어야 하는 곳, 예를 들어 후드 하에서 사용되는 장치에서는 사용이 바람직하지 않은 경향이 있다. 높은 열 응력 완화율 때문에 이 물질이 많은 응용장치에 부적합하게 된다.
구리 성분이 많고, 높은 전도도를 가지는 합금들 또한 많은 바람직한 특성을 가지고 있으나 일반적으로 여러 응용 장치에 요구되는 기계강도를 가지고 있지는 않다. 이러한 합금의 전형적인 것으로는 구리 베이스 합금 110, 122, 192 와 194 가 있지만, 여기에 제한되지는 않는다.
전술한 선행기술이 기재된 특허로는 미국 특허 제 4,666,667, 4,627,960, 2,062,427, 4,605,532, 4,586,967, 4,822,562 및 4,935,076 호가 있다.
따라서, 많은 응용 장치에 우수하게 적용할 수 있는 특성의 조성을 가지는구리 베이스 합금의 개발이 요구되어 진다.
본 발명은 전기 응용장치에 이용되는 구리 베이스 합금과 그것의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면 전술한 목적이 쉽게 달성됨을 알 수 있다.
본 발명의 구리 베이스 합금은 주석 약 0.1 ~ 1.5%, 바람직하게는 0.4 ~ 0.9%, 인 약 0.01 ~ 0.35%, 바람직하게는 0.01 ~ 0.1%, 철 약 0.01 ~ 0.8%, 바람직하게는 0.05 ~ 0.25%, 아연 약 1.0 ~ 15%, 바람직하게는 6.0 ~ 12.0% 그리고 잔부는 구리로 구성된다. 특히 니켈 및/또는 코발트를 각각 약 0.5% 까지, 바람직하게는 각각 약 0.001% ~ 0.5% 포함하는 것이 바람직하다. 본 발명의 합금은 또한 알루미늄, 은, 붕소, 베릴륨, 칼슘, 크롬, 인듐, 리튬, 마그네슘, 망간, 납, 실리콘, 안티몬, 티타늄 및 지르코늄을 각각 0.1% 까지 포함 할 수도 있다. 본 명세서에 기재된 퍼센트는 중량 퍼센트 이다.
본 발명 합금에서는 철 및/또는 니켈 및/또는 마그네슘 및/또는 이것들의 조합의 인화물 입자를 기질(matrix) 전체에 균일하게 분포시키는 것이 바람직한데, 이는 이들 입자가 합금의 강도, 전도도, 응력 완화성을 증가시키기 때문이다. 인화물 입자는 입자크기가 50Å 에서 약 0.5㎛ 이며 미세한 조성과 굵은 조성을 가질 수 있다. 미세 조성은 입자크기가 약 50 에서 250Å, 바람직하게는 50 에서 200Å 정도이다. 굵은 조성은 입자크기가 일반적으로 0.075 에서 0.5㎛, 바람직하게는 0.075 에서 0.125㎛ 정도이다.
본 발명의 합금은 컨넥터, 리드 프레임, 스프링 그리고 전기 응용장치에 이용하기 적합한 여러가지 우수한 특성을 갖고 있다. 이 합금은 기계적 강도, 성형성, 열 혹은 전기 전도도와 응력 완화성이 우수하다.
본 발명의 공정은 하기와 같이 구성된다 : 상기한 조성을 갖는 구리 베이스 합금을 주조하는 단계; 약 1000 에서 1450。F 온도 에서 적어도 한시간 동안 최소 한 번 확산 가열(homogenization) 하는 단계; 650 에서 1200。F 온도 에서 적어도 한 시간 동안 최소 한 번 어닐링 작업을 포함하여 최종 게이지로 압연하는 단계; 및 300 에서 600。F 온도에서 최소 한시간 동안 응력 완화 어닐링(stress relief anneal) 하는 단계에 의해 인화물 입자가 기질 전체에 균일하게 분포된 구리 합금을 얻는 과정. 상기한 합금에는 니켈 및/또는 코발트도 포함될 수 있다.
본 발명 합금은 구리-주석-아연 합금을 개조(modified)한 것이다. 이것은 개조되지 않은 합금에 비해 높은 강도, 우수한 성형성, 높은 전도도, 그리고 상당히 향상된 응력 완화성에 의해 특징 지어진다.
본 발명의 합금은 주석 약 0.1 ~ 1.5%, 바람직하게는 0.4 ~ 0.9%, 인 약 0.01 ~ 0.35%, 바람직하게는 0.01 ~ 0.1%, 철 약 0.01 ~ 0.8%, 바람직하게는 0.05 ~ 0.25%, 아연 약 1.0 ~ 15%, 바람직하게는 6.0 ~ 12.0% 그리고 잔부는 구리인 구리 베이스 합금이다. 본 발명의 합금은 일반적으로 기질에 일정하게 분포된 인화물 입자를 가진다.
본 발명의 합금은 또한 니켈 및/또는 코발트 각각 약 0.5% 까지, 바람직하게는 단독으로 또는 조합하여 약 0.001% ~ 0.5% 를 포함할 수 있다.
본 발명의 합금은 알루미늄, 은, 붕소, 베릴륨, 칼슘, 크롬, 인듐, 리튬, 마그네슘, 망간, 납, 실리콘, 안티몬, 티타늄 및 지르코늄과 같은 원소들중 하나 또는 그 이상을 조성으로 가진다. 이 물질들은 일반적으로 각각 0.001 보다는 많이, 0.1% 보다는 적게 포함 될 수 있다. 이러한 물질들의 단독으로 또는 조합하여 사용하는 것은 응력 완화성과 같은 기계적 특성을 향상시키지만 많은 양의 사용은 전도도 및 성형성에 영향을 미칠 수 있다.
전술한 인의 한계 세트(limit sets) 내에서 인의 첨가는 금속을 탈산소화된 상태로 존재하게 하여 합금의 열처리와 함께 견고한 금속의 주조를 가능하게 해 준다. 이는 인이 철 및/또는 철과 니켈 및/또는 철과 마그네슘 및/또는 이들 원소의 조합물과 함께 인화물을 형성하게 되고, 만약 인화물이 존재한다면 상기 물질들이 기질내에 완전히 고용되어 있을 경우 야기될 수 있는 전도도의 손실을 상당히 줄일 수 있다. 철 인화물 입자를 기질 전체에 균일하게 분포 시키는 것이 특히 중요한데, 이는 전위(dislocation)가 이동하는 것을 막아줌으로 인해 응력 완화성을 향상시키는데 기여하기 때문이다.
약 0.01 ~ 0.8%, 특히 약 0.05 ~ 0.25% 의 철은 합금의 강도를 증가시키며, 그레인(grain) 성장을 억제시켜 미세한 그레인 구조가 되도록 하며, 이 범위내의 인과 조합되어 전기전도도와 열 전도도에 부정적인 영향을 끼치지 않고 응력 완화성을 향상시킨다.
각각 약 0.001 ~ 0.5% 의 니켈 및/또는 코발트를 첨가하는 것이 바람직한데, 이는 전도도에 긍정적인 영향을 끼침과 더불어 기질내에 전체적으로 분포되어 그레인의 조질화(refining)에 의해서 응력 완화성과 강도를 향상 시킨다.
본 발명의 공정은 전술한 조성을 가지는 합금을 주조하는 것을 포함한다. 수평 연속 주조(horizontal continuous casting) 같은 기존의 적당한 주조 기술이 약 0.500 ~ 0.750 인치 범위내의 두께를 가지는 스트립(strip)을 만드는데 이용될 수 있다. 이 공정은 1000 ~ 1450。F 의 온도에서 적어도 한 시간 동안 바람직하게는 약 1 시간에서 24 시간동안, 최소 한 번의 확산 가열을 포함한다. 압연 단계 후에 적어도 한번의 확산가열 공정이 수행될 수 있다. 확산 가열 작업 후에 스트립은 한 두번 밀링하여 면으로 부터 0.020 ~ 0.100 인치 정도의 물질이 제거된다.
다음에는 650 ~ 1200。F 온도에서 적어도 한 시간 동안 바람직하게는 1 ~ 24 시간 동안 최소 한 번 어닐링한 다음 시간당 20 ~ 200。F 의 속도로 대기중에서 서냉하는 공정을 포함하여 최종 게이지로 압연된다.
이 물질은 300 ~ 600。F 온도에서 적어도 한 시간 동안 바람직하게는 약 1 ~ 20 시간 동안 최종 게이지로 응력 완화를 위해 어닐링 되는데 이는 성형성과 응력 완화성을 향상시킨다.
열 처리는 본 발명의 합금에 철 및/또는 니켈 및/또는 마그네슘 또는 이들의 조합물의 인화물을 기질전체에 균일하게 분포시켜주어 합금을 바람직하고 우수하게 만들어 준다. 인화물 입자는 합금의 강도, 전도도, 그리고 응력 완화성을 증가시켜준다. 인화물 입자는 입자크기가 50Å 에서 약 0.5㎛ 이며 미세한 조성과 굵은 조성을 포함 할 수 있다. 미세한 조성은 입자크기가 약 50 에서 250Å, 바람직하게는 50 에서 200Å 정도이다. 굵은 조성은 입자크기가 일반적으로 0.075 에서 0.5㎛, 바람직하게는 0.075 에서 0.125㎛ 정도이다.
상기한 조성을 가지며 본 발명의 공정으로 생성된 합금은 그 두께의 10배까지의 넓이에서 두께와 같은 반지름에서의 굽힘 능력(bending ability) 즉 배드웨이와 더불어 80 ~ 100 ksi범위의 항복 강도를 가질 수 있다. 또한 35% IACS 나 그 이상으로 전기 전도도를 향상시킬 수 있다. 이러한 야금 구조는 합금이 높은 응력 보유력(stress retention)을 가지게 하는데, 예를 들어 압연 방향에 수평으로 절단된 샘플에 항복 강도의 75%에 해당하는 응력을 가하면 1000시간 이후에 150℃ 에서 60% 이상의 응력을 가진다. 그리고 이러한 성질은 이 합금을 높은 응력 보유력을 요하는 여러 응용장치에 매우 적합하게 한다. 더우기 본 합금은 스템퍼에 의한 추가 처리를 요하지 않는다.

Claims (21)

  1. 주석 0.1 ~ 1.5% 중량 퍼센트, 인 0.01 ~ 0.35% 중량 퍼센트, 철 0.01 ~ 0.8% 중량 퍼센트, 아연 1.0 ~ 15% 중량 퍼센트, 및 잔부는 구리를 포함하며, 기질 전체에 균일하게 분포된 50 ~ 250Å의 미세 조성 인화물 입자와 0.075 ~ 0.5㎛의 굵은 조성 인화물 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 기계적 강도, 성형성, 전기전도도 및 응력완화성이 우수한 구리 베이스 합금.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 주석 함량은 0.4 ~ 0.9 중량 % 인 기계적 강도, 성형성, 전기전도도 및 응력완화성이 우수한 구리 베이스 합금.
  3. 제 1항에 있어서, 니켈, 코발트, 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹 중에서 선택된 물질을 0.001 ~ 0.5 중량 % 를 포함하는 기계적 강도, 성형성, 전기전도도 및 응력완화성이 우수한 구리 베이스 합금.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 합금은 마그네슘을 0.1 중량 % 까지 포함하며, 철-니켈 인화물 입자, 철-마그네슘 인화물 입자, 철 인화물 입자, 마그네슘-니켈 인화물 입자, 마그네슘 인화물 입자 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택된 것을 특징으로 하는 기계적 강도, 성형성, 전기전도도 및 응력완화성이 우수한 구리 베이스 합금.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 아연 6.0 ~ 12.0 중량 % 로 존재하는 것을 특징으로 하는 기계적 강도, 성형성, 전기전도도 및 응력완화성이 우수한 구리 베이스 합금.
  6. 제 1항에 있어서, 납을 0.1 중량 % 더 포함하는 기계적 강도, 성형성, 전기전도도 및 응력완화성이 우수한 구리 베이스 합금.
  7. 제 1항에 있어서, 알루미늄, 은, 붕소, 베릴륨, 칼슘, 크롬, 인듐, 리튬, 마그네슘, 망간, 납, 실리콘, 안티몬, 티타늄 및 지르코늄 중에서 선택되는 적어도 하나를 각각 0.1% 까지 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기계적 강도, 성형성, 전기전도도 및 응력완화성이 우수한 구리 베이스 합금.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 인 함량이 0.01 ~ 0.10 중량 % 인 기계적 강도, 성형성, 전기전도도 및 응력완화성이 우수한 구리 베이스 합금.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 철 함량이 0.05 ~ 0.25 중량 % 인 기계적 강도, 성형성, 전기전도도 및 응력완화성이 우수한 구리 베이스 합금.
  10. 제 1항에 있어서, 미세 조성 인화물 입자는 50 ~ 200Å의 크기를 가지며 굵은 조성 인화물 입자는 0.075 ~ 0.125㎛의 크기를 가지는 기계적 강도, 성형성, 전기전도도 및 응력완화성이 우수한 구리 베이스 합금.
  11. 다음을 포함하는 구리 베이스 합금 공정 과정: 주석 0.1 ~ 1.5 중량 %, 인 0.01 ~ 0.35 중량 %, 철 0.01 ~ 0.8 중량 %, 아연 1.0 ~ 15 중량 %, 및 잔부 구리인 구리 베이스 합금을 주조하는 단계; 1000 ~ 1450。F 의 온도에서 적어도 한 시간 동안 최소 한 번 확산 가열하는 단계; 650 ~ 1200。F 에서 적어도 한 시간 동안 최소 한번의 어닐링을 포함하여 최종 페이지로 압연한 다음 서냉하는 단계; 및 300 ~ 600。F 에서 적어도 한시간 동안 최종 게이지에서 응력 완화 어닐링을 하는 단계에 의해 기질 전체에 균일하게 분포된 인화물 입자를 포함하는 구리 베이스 합금을 얻는 과정으로 이루어지는 기계적 강도, 성형성, 전기전도도 및 응력완화성이 우수한 구리 베이스 합금의 제조방법.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 주조된 구리 베이스 합금은 니켈, 코발트, 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택된 물질을 0.001 ~ 0.5 중량 % 포함하는 것을 특징으로 하는 기계적 강도, 성형성, 전기전도도 및 응력완화성이 우수한 구리 베이스 합금의 제조 방법.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 주조된 구리 베이스 합금은 마그네슘을 포함하며, 상기 인화물 입자는 철-니켈 인화물 입자, 철-마그네슘 인화물 입자, 철 인화물 입자, 마그네슘-니켈 인화물 입자, 마그네슘 인화물 입자 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 기계적 강도, 성형성, 전기전도도 및 응력완화성이 우수한 구리 베이스 합금의 제조 방법.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 인화물 입자는 그 크기가 50Å 에서 0.5㎛ 인 것을 특징으로 하는 기계적 강도, 성형성, 전기전도도 및 응력완화성이 우수한 구리 베이스 합금의 제조 방법.
  15. 제 11항에 있어서, 최소 한번의 확산 가열 단계가 압연 단계 후에 있으며, 각각의 확산 가열 과정은 2 ~ 24 시간 이루어지는, 두번의 확산 가열 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 기계적 강도, 성형성, 전기전도도 및 응력완화성이 우수한 구리 베이스 합금의 제조 방법.
  16. 제 11항에 있어서, 상기 어닐링 과정은 1시간에서 24시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 기계적 강도, 성형성, 전기전도도 및 응력완화성이 우수한 구리 베이스 합금의 제조 방법.
  17. 제 11항에 있어서, 응력 완화 어닐링 과정은 1시간에서 20시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 기계적 강도, 성형성, 전기전도도 및 응력완화성이 우수한 구리 베이스 합금의 제조 방법.
  18. 제 11항에 있어서, 상기 주조 단계는 두께 0.500 ~ 0.750 인치를 가지는 스트립을 제조하며, 상기 과정은 적어도 한 번의 확산 가열 단계후에 상기 스트립을 밀링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기계적 강도, 성형성, 전기전도도 및 응력완화성이 우수한 구리 베이스 합금의 제조 방법.
  19. 제 11항에 있어서, 상기 냉각 단계는 시간당 20 ~ 200。F 의 속도로 행해지는 것을 특징으로 하는 기계적 강도, 성형성, 전기전도도 및 응력완화성이 우수한 구리 베이스 합금의 제조 방법.
  20. 제 11항에 있어서 상기 주조 단계는 주석 0.4 ~ 0.9 중량 %, 아연 6.0 ~ 12.0 중량 %, 인 0.01 ~ 0.2 중량 %, 철 0.01 ~ 0.8 중량 %, 니켈, 코발트, 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹에서 선택된 물질 0.001 ~ 0.5 중량 % 및 잔부 구리로 구성되는 것을 특징으로 하는 기계적 강도, 성형성, 전기전도도 및 응력완화성이 우수한 구리 베이스 합금의 제조 방법.
  21. 제 1항에 있어서, 니켈, 코발트, 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹 중에서 선택된 물질 0.001 ~ 0.5 중량 %, 0.1 중량 % 까지의 마그네슘, 0.1 중량% 까지의 납, 및 알루미늄, 은, 붕소, 베릴륨, 칼슘, 크롬, 인듐, 리튬, 마그네슘, 망간, 납, 실리콘, 안티몬, 티타늄 및 지르코늄 중에서 선택되는 적어도 하나를 각각 0.1% 까지 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기계적 강도, 성형성, 전기전도도 및 응력완화성이 우수한 구리 베이스 합금.
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