KR100415260B1

KR100415260B1 - 무산소 구리-은 합금의 제조방법

Info

Publication number: KR100415260B1
Application number: KR10-2001-0046168A
Authority: KR
Inventors: 이이주; 전주흠; 정병근; 정병욱; 김명한
Original assignee: (주)삼동
Priority date: 2001-07-31
Filing date: 2001-07-31
Publication date: 2004-01-16
Also published as: KR20030012221A

Abstract

탄소환원법에 의해 산소함량이 10ppm 미만의 Cu를 제조한 다음 0.043~0.1wt%미만의 Ag을 혼합함으로써, 재결정온도 300℃이상 비커스(vickers)경도 80~120HB이며 표준연동의 도전율(IACS) 100% 이상의 전기전도도를 얻을 수 있는 무산소 구리-은 합금의 제조방법이 개시되어 있다. 본 발명에 따른 구리-은 합금의 제조방법은 탄소환원법을 이용하여 순동(Cu)용탕내 산소제거 및 산화방지를 위해서 미세한 흑연분말로 도포하여 흑연함량을 제어하고, 용탕내에 침적되는 주형이 상부로 이동될 때 상기 흑연분말이 용탕과 함께 주형에 유입되는 것을 방지하기 위해서 연주시 상기 용탕에 침적되는 흑연주형의 깊이를 80㎝로 가지도하여 탄소함량을 0.004wt%로 감소시켜 흑연함량을 제어하는 단계; 흑연함량이 제어되면, 순동(Cu)을 턴디쉬에 통상의 조업시간 보다 10%로 증가 시킨 33분 머물게 하여 산소함량을 5~6ppm 으로 낮추어 산소함량을 제어하는 단계; 및 산소함량이 제어되면, Ag를 투입하는 단계를 포함한다. 이때, Ag는 용탕중에 편석되지 않고 균일하게 분포시키기 위해서 30×50×270mm 크기의 잉고트로 Cu-0,043~0.1미만wt%Ag 모합금을 제조한 후 30×30×20mm의 크기로 절단하여 용탕에 투입한다.

Description

무산소 구리-은 합금의 제조방법{Method for manufacturing non-oxygen Cu-Ag alloy}

본 발명은 무산소 구리-은 합금의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄소환원법에 의해 산소함량이 10ppm 미만의 Cu를 제조한 다음 0.043~0.1wt%미만의 Ag을 혼합함으로써, 재결정온도 300℃이상 비커스(vickers)경도 80~120HB이며 표준연동의 도전율(IACS) 100% 이상의 전기전도도를 얻을 수 있는 무산소 구리-은 합금의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 순동은 우수한 열 및 전기전도도, 가공성 및 용접성을 가진 금속으로 전자산업은 물론 우주항공산업에 이르기까지 폭넓게 사용되고 있다. 종래에는 일반전기동을 사용해 왔으나 최근에는 전기전자산업의 급속한 발전에 따라 사용되는 부품도 더욱 고성능 및 고정밀화가 요구되어 이러한 추세에 맞추어 엄격한 품질특성을 갖고 있는 고순도 무산소동의 사용이 증가되고 있는 실정이다.

이러한 무산소동은 도전성, 내굴곡성이 뛰어나고, 산소함량이 10ppm 이하이며, 600℃ 이상에서도 수소취화현상이 없어 열처리 가공에 적합한 특성을 보유하고 있어 각종 고성능, 고정밀화된 부품에 적합하다. 그러나 이러한 고순도 무산소동의 우수한 특성에도 불구하고, 재결정온도가 200℃이하로 낮아 사용중에 마찰열, 저항열 및 스파크(spark)등에 의해 부품의 온도가 200℃ 이상으로 상승하게 되는 경우 열화에 의해 강도 및 경도가 떨어져 사용될 수 없는 문제점이 있었다.

그 결과, 현재 국내에서는 전기 및 전자산업의 발달로 인해 재결정온도 300℃ 이상이 요구되는 고속 회전용(20,00~40,000rpm)정류자, 다이오드, 사이리스터(thyristor)등에 소요되는 Cu-Ag 합금의 수요가 증대되고 있는 실정에서 이들 부품소재를 전량 외국에서 수입되고 있다.

본 발명은 탄소환원법에 의해 산소함량이 10ppm 미만의 Cu를 제조한 다음 0.043~0.1wt%미만의 Ag을 혼합함으로써, 재결정온도 300℃ 이상, 비커스(vickers)경도 80~120HB 이며 표준연동의 도전율(IACS) 100% 이상의 전기전도도를 얻을 수 있는 무산소 구리-은 합금의 제조방법을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 Cu-Ag 합금의 EPMA 분석 결과를 나타낸 그래프,

도 2는 본 발명에 따른 Cu-Ag 합금의 비커스(vickers) 경도계를 나타낸 그래프,

도 3은 본 발명에 따른 Cu-Ag 합금의 Ag 함량에 따른 재결정온도 나타낸 그래프,

도 4는 본 발명에 따른 Cu-Ag 합금의 Ag 함량에 따른 재결정온도 및 전기전도도의 변화를 나타낸 그래프이다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해서 본 발명은,

탄소환원법을 이용하여 순동(Cu)용탕내 산소제거 및 산화방지를 위해서 미세한 흑연분말로 도포하여 흑연함량을 제어하고, 용탕내에 침적되는 주형이 상부로 이동될 때 상기 흑연분말이 용탕과 함께 주형에 유입되는 것을 방지하기 위해서 연주시 상기 용탕에 침적되는 흑연주형의 깊이를 80㎝로 하여 탄소함량을 0.004wt%로 감소시켜 흑연함량을 제어하는 단계(S1);

단계(S1)에서 흑연함량이 제어되면, 순동(Cu)을 턴디쉬에 통상의 조업시간 보다 10%로 증가 시킨 33분 머물게 하여 산소함량을 5~6ppm 으로 낮추어 산소함량을 제어하는 단계(S2); 및

단계(S2)에서 산소함량이 제어되면, Ag를 투입하는 단계(S3)를 포함하며, 단계(S3) 에서의 Ag는 용탕중에 편석되지 않고 균일하게 분포시키기 위해서 30×50×270mm 크기의 잉고트로 Cu-0.043~0.1미만wt%Ag 모합금을 제조한 후 30×30×20mm의 크기로 절단하여 상기 용탕에 투입하는 무산소 구리-은 합금의 제조방법을 제공한다.

바람직하게는, Ag는 용탕중에 편석되지 않고 균일하게 분포시키기 위해서 30×50×270mm 크기의 잉고트로 Cu-0.043~0.1미만wt%Ag 모합금을 제조한 후 30×30×20mm의 크기로 절단하여 용탕에 투입한다.여기에서 잉고트의 크기는 중요한 인자가 아니나 잉고트의 크기를 30×30×20mm로 한정한 이유는 잉고트의 용해시간을 빨리하여 용탕내의 은의 편석을 줄이기 위함이다. 절단잉고트의 크기가 크면 용해시간이 길어지고 따라서 턴디쉬 유지시간이 길어질 수 있으며, 충분한 유지시간을 갖지 못할 경우 목적합금내의 은 성분의 편석을 초래할 수 있다. 또한 여기서 Ag 성분 조성범위가 0.1wt% 이상일 경우 도전율(IACS) 100% 이상의조건을 충족시키지 못할 수 있으므로 상한치를 0.1wt%로 한다.단계(S1)에서, 탄소의 함량은 주조시 탄디쉬 내에서의 흑연주형의 깊이와 관련이 있으며 흑연주형의 깊이가 깊을수록 탄소의 함량은 저하시킬 수 있으나 본 발명에서 수치를 한정한 이유는 조업 중 생산성에 영향을 줄 수 있기 때문이다. 다시 말해 본 출원서 이상의 흑연주형깊이를 갖는다면 생산성 저하를 가져오기 때문이며, 흑연주형의 깊이를 80cm로 하였을때 탄소함량이 0.004wt%로 감소시킨다.또한 단계(S2)에서, 턴디쉬에서의 유지시간이 길면 편석 및 산소함량을 낮출 수 있으나 유지시간이 무한정 길어지면 생산성 저하의 요인이 되므로 통상조업시간 보다 약 10% 만 증가, 생산성을 크게 저하시키지 않는 범위에서 최대의 산소함량을 제어한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 탄소환원법에 의해 산소함량이 10ppm 미만의 Cu를 제조한 다음 0.043~0.1wt%미만의 Ag을 혼합함으로써, 재결정온도 300℃ 이상, 비커스(vickers)경도 80~120HB 이며 표준연동의 도전율(IACS) 100% 이상의 전기전도도를 얻을 수 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 무산소 구리-은 합금의 제조방법에 대해 설명한다.

본 발명의 무산소 Cu-Ag 합금을 제조하기 위해서는 먼저, 탄소환원법에 사용하여 무산소동을 제조하여야만 한다. 이를 위해 우선, Cu에 포함된 흑연함량을 제어한다(단계 S1). 흑연함량을 제어하기 위해서는 용탕내 산소제거 및 산화방지를 위해서 미세한 흑연분말로 도포한다. 이때, 용탕은 침적되는 주형에 의해서 상부로 이동되는데 주형의 깊이에 따라 탕면의 흑연분말이 용탕과 함께 주형에 유입될 수 있다. 이를 방지하기 위해서 연주시 용탕에 침적되는 흑연주형의 깊이를 80㎝로 가지도록 함으로써 탄소함량을 0.004wt%로 감소시킬 수 있다.무산소 무산소 Cu-Ag 합금의 제조방법에 있어서 불순물(탄소 등)의 제어는 중요한 요소이고 특히, 탄소의 함량은 주조시 탄디쉬 내에서의 흑연주형의 깊이와 관련이 있으며 흑연주형의 깊이가 깊을수록 탄소의 함량은 저하시킬 수 있으나 본 발명에서 수치를 한정한 이유는 조업 중 생산성에 영향을 줄 수 있기 때문이다. 다시말해 본 출원서 이상의 흑연주형깊이를 갖는다면 생산성 저하를 갖져오기 때문이며, 흑연주형의 깊이를 80cm로 하였을때 탄소함량이 0.004wt%로 감소시킨다.

이렇게 흑연함량이 제어(단계 S1)되면, 산소함량을 제어(단계 S2)하게 된다. 이때, 흑연함량이 제어된 Cu를 턴디쉬(tundish)에 통상의 조업시간 보다 10%로 증가 시킨 33분정도 머물게 하여 산화정련시간을 늘림으로서 산소함량을 5~6ppm 으로 낮춘다.턴디쉬에서의 유지시간이 길면 편석 및 산소함량을 낮출 수 있으나 유지시간이 무한정 길어지면 생산성 저하의 요인이 되므로 통상조업시간보다 약 10% 만 증가, 생산성을 크게 저하시키지 않는 범위에서 최대의 산소함량을 제어한다.

전술한 바와 같이 순동용탕에 흑연 및 산소가 제거되면, 0.043~0.1wt%미만의 Ag를 투입하게 된다(단계 S3). 이러한 Ag를 용탕중에 편석되지 않고 균일하게 분포시키기 위해서는 30×50×270mm 크기의 잉고트로 Cu-0.043~01미만wt%Ag 모합금을 제조한 후 30×30×20mm의 크기로 절단하여 용탕에 투입한다.여기에서 잉고트의 크기는 중요한 인자가 아니나 잉고트의 크기를 30×30×20mm로 한정한 이유는 잉고트의 용해시간을 빨리하여 용탕내의 은의 편석을 줄이기 위함이다. 절단잉고트의 크기가 크면 용해시간이 길어지고 따라서 턴디쉬 유지시간이 길어질 수 있으며, 충분한 유지시간을 갖지 못할 경우 목적합금내의 은 성분의 편석을 초래할 수 있다. 또한 여기서 Ag 성분 조성범위가 0.1wt% 이상일 경우 도전율(IACS) 100% 이상의조건을 충족시키지 못할 수 있으므로 상한치를 0.1wt%로 한다.

탄소환원법에 의해 제조된 Cu-Ag 합금의 물성특성

각각 Cu-0.02wt%Ag, Cu-0.04wt%Ag, Cu-0.06wt%Ag 및 Cu-0.08wt%Ag의 비율을 가지는 Cu-Ag 합금을 업케스트(upcast)법을 이용하여 직경 20mm를 가지는 로드(rod)를 제작한 후 직경 4mm로 인발가공한 시편을 산소분석시(모델명:LECOR0-416)의 산소분석, ICP분석에 의한 Ag분석과 아울러 전기전도도 및 재결정온도를 측정하였다.

(1) 산소 및 Ag함량분석 및 Ag편석조사

Cu-0.02wt%Ag, Cu-0.04wt%Ag, Cu-0.06wt%Ag 및 Cu-0.08wt%Ag의 비율로 주조된 시편들의 산소분석결과 모두 5~6ppm이하로 무산소동의 규격값 10ppm이하보다 낮은 수치를 기록하였다. 또한표 1에 나타난 바와 같이 ICP분석에 의한 Ag함량을 분석한 결과 Cu-0.02wt%Ag, Cu-0.04wt%Ag, Cu-0.06wt%Ag 및 Cu-0.08wt%Ag에 대한 분석값은 0.029wt%Ag, 0.04wt%Ag, 0.046wt%Ag 및 0.071wt%Ag로 나타났다. 여기서 Cu-0.04wt%Ag를 제외하고 Cu-0.02wt%Ag, Cu-0.06wt%Ag 및 Cu-0.08wt%Ag의 경우 목표값에 비해 약간 높거나 낮은 분석결과를 보이고 있는데 이는 순동용탕에 투입된 Ag가 용해 및 주조시 손실이 발생되어 일어난 결과라기보다는 Ag가 투입된 보온로의 순동용탕의 양 측정이 정확하지 못하기 때문에 발생된 결과로 사료된다.

표 1. Cu-Ag 무산소동 제조시 Ag 투입량에 따른 분석결과

도 1은 본 발명에 따른 구리-은 합금의 EPMA 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 도 1을 참조하면, Cu-0.06wt%Ag 비율로 주조되어 4mm 직경으로 인발 가공된 시편의 단면을 EPMA에 의해 분석한 결과 시편의 단면에서의 Ag편석을 거의 없었다.

(2) 전기전도도 측정

Cu-0.02wt%Ag, Cu-0.04wt%Ag, Cu-0.06wt%Ag 및 Cu-0.08wt%Ag의 비율로 주조된 시편들을 직경 4mm을 가지도록 인발가공한 상태 하에서 각각 50cm로 절단하여벨타입(bell type)전기로에서 500℃, 7시간 풀림(annealing) 시킨 후 더블 브리지(Double Bridge) 저항측정방법(KS D 0240)에 의해 상온에서 도전율을 측정하였다.표 2에는 Ag 함량에 따른 Cu-Ag 합금의 도전율(IACS%)이 나타나 있다.

표 7. 은(Ag) 함량에 따른 Cu-Ag 합금의 도전율(IACS%)

여기서 0.02~0.08wt% Ag의 모든 범위에서 도전율(IACS) 100%이상을 나타냈으며, 주어진 Ag함량 범위 내에서는 Ag함량의 증가에 따른 전기전도도의 하락은 매우 작았다.

(3) 재결정온도 측정

직경 20mm를 가지는 주괴로부터 직경 4mm를 가지도록 인발가공된 Cu-Ag 합금 시편을 ±1℃ 범위에서 온도조절이 가능한 전기로를 사용하여 150~450℃ 온도범위내에서 30분간 열처리 한 후, 비커스(vickers) 경도계를 사용하여 경도를 측정하였다(도 2참조). 도 3은 본 발명에 따른 Cu-Ag 합금의 Ag 함량에 따른 재결정온도 나타낸 그래프이며, 그리고 도 4는 본 발명에 따른 Cu-Ag 합금의 Ag 함량에 따른 재결정온도 및 전기전도도의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 3 및 4을 참조하면, 50% 재결정이 일어나는 재결정온도를 측정한 결과, Cu-0.029wt%Ag는 280℃, Cu-0.044wt%Ag는 295℃, Cu-0.046wt%Ag의 경우에는 310℃, Cu-0.071wt%Ag의 경우에는 330℃였다. 따라서 재결정온도가 300℃ 이상이 되기 위해서는 재결정온도를 구하는 공식에 대입하면 재결정온도 300℃를 얻기 위한 Ag는 0.043wt%임을 알 수 있다.

y(재결정온도(℃))=1172×(Ag함량(wt%))+249

따라서, Ag 함량 0.043wt%~0.1wt%의 범위에서 재결정온도 300℃이상, 전기전도도 100%이상을 얻을 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 무산소 구리-은 합금은 탄소환원법에 의해 제조된 무산소 Cu에 0.043~0.1wt%미만의 Ag을 혼합함으로써, 산소함량이 5~6ppm, 재결정온도 300℃이상 경도 80~120HB이며 표준연동의 도전율(IACS) 100% 이상의 전기전도도를 얻을 수 있는 잇점이 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술 분야의 숙련된 당업자는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

탄소환원법을 이용하여 순동(Cu)용탕내 산소제거 및 산화방지를 위해서 미세한 흑연분말로 도포하여 흑연함량을 제어하고, 상기 용탕내에 침적되는 주형이 상부로 이동될 때 상기 흑연분말이 상기 용탕과 함께 상기 주형에 유입되는 것을 방지하기 위해서 연주시 상기 용탕에 침적되는 흑연주형의 깊이를 80㎝로 하여 탄소함량을 0.004wt%로 감소시켜 흑연함량을 제어하는 단계(S1);

상기 단계(S1)에서 흑연함량이 제어되면, 상기 순동(Cu)을 턴디쉬에 통상의 조업시간 보다 10%로 증가 시킨 33분 머물게 하여 산소함량을 5~6ppm 으로 낮추어 산소함량을 제어하는 단계(S2); 및

상기 단계(S2)에서 산소함량이 제어되면, Ag를 투입하는 단계(S3)를 포함하며, 상기 단계(S3) 에서의 Ag는 상기 용탕중에 편석되지 않고 균일하게 분포시키기 위해서 30×50×270mm 크기의 잉고트로 Cu-0.043~0.1미만wt%Ag 모합금을 제조한 후 30×30×20mm의 크기로 절단하여 상기 용탕에 투입하는 것을 특징으로 하는 무산소 구리-은 합금의 제조방법.
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