KR100441368B1 - 반용융 성형용 고전기전도도 동합금 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반용융 성형용 고전기전도도 동합금 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 그 목적은 동합금의 고·액 공존 구역이 충분히 넓음으로써 조업시 온도변화에 따른 성형상의 어려움을 최소화시키고, 동시에 전기전도도가 70％IACS 이상 되게 함으로써 중·소형 전동기용 로터를 반응고/반용융 성형법으로 제조가 가능한 합금 및 그 제조방법을 제공하는데 있다

본 발명의 구성은 고전기 전도도 동합금의 제조방법에 있어서, 0.1∼1.5 wt% Ca과, 나머지는 동으로 조성된 Cu-Ca계 동합금을 1100-1150℃의 용탕으로 유지 하는 단계와, 상기 단계 후 100-150℃로 예열한 주형에 주입하여 동합금 주괴로 주조하는 단계와, 상기 주조단계시 발생된 내부 편석과 응력을 제거함과 동시에 수지상으로 생성되어 있는 1차상(primary phase)을 구상화시키기 위해 가공열처리단계를 거쳐 반응고/반용융 성형조직에 적합한 구상의 동 1차상을 만드는 방법을 특징으로 하고, 이에 따라 제조된 동합금을 그 기술적 요지로 한다.

Description

반용융 성형용 고전기전도도 동합금 및 그 제조 방법{High Conductivity Copper Alloys for Semi-solid Forming and Manufacturing Method Thereof}

본 발명은 반용융 성형에 사용되는 고전기전도도용 동합금에 관한 것으로, 현재 시도되고 있는 Cu-0.11%O합금을 비롯한 고전기전도도 동합금에 비해 응고 범위가 넓어 반응고/반용융 상태에서의 성형이 용이하면서도 전기전도도가 우수하여 절전형 소형 전동기의 효율을 향상시킬 수 있는 반응고/반용융 성형용 동합금 소재로서 적합한 합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.

전동기는 전기에너지를 로터의 회전을 이용하여 기계에너지로 바꾸어 주는 장치로서 가정뿐 아니라 많은 산업분야에 걸쳐 광범위하게 사용되고 있다.

그러나, 이 에너지의 변환 과정에서 전동기의 종류에 따라 7∼25%의 에너지 손실이 생긴다.

현재 미국을 비롯하여 세계적으로 약 50%이상의 전력이 전동모터를 구동시키는데 사용되고 있는데, 산업 발달 및 경제 성장에 따라 향후 전력 수요량은 점차 증가할 것으로 예측되며, 우리나라의 경우 10년 뒤에는 1995년 대비 약 2배 이상의전력이 소요될 것으로 전망된다.

미국의 에너지부(DOE)의 조사에 따르면 1/6마력 이상의 전동기가 미국 발전량의 60%를 소모했으며, 이 중 1∼25마력의 중형 전동기가 전체 전동기에 공급된 전력의 약 60%를 소모한다고 보고 되고 있다.

따라서 전동기의 효율을 높임으로써 에너지 손실을 저감시키는 것은 우리나라 뿐 아니라 세계적으로 중요한 과제이다.

전동기의 효율은 입력되는 전기에너지에 대한 출력 기계에너지의 비로써 나타내며, 효율이 높을수록 적은 전기에너지를 사용하여 동등한 출력을 나타내기 때문에 상대적인 비용을 감소시킬 수 있다.

유도 전동기의 에너지 손실 원인은 여러 가지가 있으나, 그 중의 하나는 전동기 로터(rotor)를 알루미늄합금으로 사용하는데 있다.

순 알루미늄(aluminum, Al)의 전기전도도는 동(copper, Cu)의 약 60%수준으로서 전기저항이 큰 관계로 전력 손실이 크다.

따라서, 이 알루미늄합금을 동합금으로 대체함으로써 로터의 전기전도도를 향상시켜 유도 전동기의 효율을 높일 수 있다.

현재 소수의 대형 전동기용 로터에만 동합금이 사용되고 있는데, 값비싼 수공을 이용하여 제조되기 때문에 제조 단가가 매우 비싼 단점이 있다.

대부분의 중·소형 전동기에는 다이캐스팅으로 제조한 알루미늄 로터를 사용하고 있는데, 그 이유는 알루미늄의 소재 가격이 싸고, 복잡 형상을 제조하기가 용이하며, 저가의 금형을 사용하여 제조가 가능하기 때문이다.

그러나, 동합금은 다이캐스팅으로 제조하기가 어려운데, 그 이유는 높은 융점(순동=1085℃) 때문에 금형의 수명이 짧아 경제성이 적기 때문이다.

반응고 성형은 합금이 완전히 액상인 상태에서 실시하는 다이캐스팅법과는 달리 고·액 공존 영역인 2상 영역에서 성형을 실시하므로 성형온도가 다이캐스팅에 비해 100∼200℃ 정도 낮으며, 따라서 에너지 손실을 효과적으로 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 금형의 수명도 길어져 경제성이 높다.

그러나, 반응고 성형용 동합금은 다이캐스팅용 합금과 달리 충분한 범위의 고·액 공존 영역이 필요하다.

특히, 고·액 공존 영역의 크기가 너무 좁으면, 반응고 성형시의 온도 편차에 따라, 소재가 쉽게 용해되거나 응고되어 성형이 불가능하게 된다.

전동기 로터용 소재로서 고려해야할 다른 요소는 전기전도도이다. 반응고용 동합금이 전동기 로터로 적용되기 위해서는 동합금 소재의 전기전도도가 최소한 알루미늄합금에 비해 높아야 하며, 통상적으로 70%IACS 이상이 되어야 실용적인 의미가 있다.

그러나, 순동에 합금원소의 함유량이 증가할수록 전기전도도는 감소되는 단점이 있다.

이 때, 순동의 전기전도도 감소율은 첨가하는 합금의 종류에 따라 크게 다르다.

반응고/반용융 성형용 동합금은 아직 세계적으로 연구가 미흡한 상태이며, 특히 소형 전동기용 로터에 적용할 수 있는 전기전도도가 높으면서 고·액 공존 구역이 넓은 동합금은 거의 개발이 되어 있지 않은 실정이다.

일부 국가에서 실험실적 규모로 산소동(Cu-0.11%O)을 이용하여 반응고/반용융 성형을 시도하고 있으나, 이 합금은 고·액 공존 구역이 17∼20℃ 범위로 매우 좁기 때문에 실용적으로 사용하기 어려운 단점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 동합금의 고·액 공존 구역이 충분히 넓음으로써 조업시 온도변화에 따른 성형상의 어려움을 최소화시키고, 동시에 전기전도도가 70%IACS 이상 되게 함으로써 중·소형 전동기용 로터를 반응고/반용융 성형법으로 제조가 가능한 합금 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 Cu에 Ca를 0.1~1.5wt% 첨가하고 열처리하여 1차상을 구상화함으로서 고·액 공존 영역이 130℃ 이상 넓은 구간에서 반응고 성형이 가능하고, 전기전도도가 75%IACS 이상으로 절전형 소형 전동기의 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있는 합금 및 그 제조방법을 제공함으로써 달성된다.

도 1은 Cu-Ca 합금의 Ca 함량에 따른 전기전도도의 감소량을 나타내는 도식도,

도 2는 Cu에 Ca의 첨가량을 증가시킴에 따라 공정 피크(peak)가 증가하며, 또한 고액공존 구역의 범위를 보여 줌으로써 반응고/반용융 성형이 가능하다는 것을 나타내는 열분석 결과 도식도,

도 3은 Cu-0.22Ca합금의 미세조직으로서 Cu-Cu₅Ca의 공정 조직을 보여주고, 반응고/반용융 성형을 위해 수지상 조직을 가공열처리함으로써 구상조직으로 변화시킨 것을 보인 조직사진,

도 4는 Cu-0.34Ca합금의 미세조직으로서 Cu-Cu₅Ca의 공정 조직을 보여주고, 반응고/반용융 성형을 위해 수지상 조직을 가공열처리함으로써 구상조직으로 변화시킨 것을 보인 조직사진,

도 5는 Cu-0.69Ca합금의 미세조직으로서 Cu-Cu₅Ca의 공정 조직을 보여주고, 반응고/반용융 성형을 위해 수지상 조직을 가공열처리함으로써 구상조직으로 변화시킨 것을 보인 조직사진,

도 6은 Cu-Ca합금의 액상률을 나타내며, Ca의 함량에 따라 액상률이 증가하는 것을 보여주는 도식도.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 고전기전도도 동합금에 있어서, 0.1∼1.5wt% Ca과 나머지는 동으로 조성되어 주조된 합금을 특징으로 한다.

상기 Ca이 첨가된 동합금은 주조 후 반응고/반용융 구간범위가 910∼1085℃이고, 전기전도도가 75∼95%CS를 만족하도록 열처리된 것을 특징으로 한다.

상기 Ca이 첨가된 동합금은 주조 후 열처리전에 0.1∼30%로 압축가공한후 열처리하거나 압축가공 없이 열처리만으로 1차상을 구상화한 것을 특징으로 한다.

본 발명은 고전기 전도도 동합금의 제조방법에 있어서,

0.1∼1.5wt% Ca과, 나머지는 동으로 조성된 Cu-Ca계 동합금을 1100-1150℃의 용탕으로 1-5분간 유지하는 단계와,

상기 단계 후 100-150℃로 예열한 주형에 주입하여 동합금 주괴로 주조하는 단계와,

상기 주조단계시 발생된 내부 편석과 응력을 제거함과 동시에 수지상으로 생성되어 있는 1차상(primary phase)을 구상화시키기 위해 910∼1085℃의 반응고/반용융 구간으로 가열한 다음 5-10분간 유지한 뒤 냉각시키는 열처리단계를 거침으로써, 반응고/반용융 성형조직에 적합한 구상의 동 1차상을 만드는 방법을 특징으로 한다.

상기 열처리단계 이전에 0.1∼30%로 압축가공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서는 반응고 성형용 동합금을 개발하기 위하여, 순동에 저가의 칼슘을 첨가하여 고·액 공존 구역을 확대시킴으로써 반응고/반용융 성형을 가능하게 하고, 동시에 전기전도도를 75%IACS 이상 유지시킴으로써 전동기용 로터로서 적용이 가능한 소재를 제공한다.

본 발명의 Cu-Ca계 합금은 고·액 공존 구역이 150℃ 이상이고, 동시에 전기전도도가 Ca함량이 1%이하일 때 80%IACS 이상이며, 반응고/반용융 성형을 위해 가공 열처리를 실시했을 때 1차상(copper primary phase)이 수지상(dendrite)에서 모두 구상으로 바뀜으로써 반응고/반용융 성형이 가능한 소재이다.

본 발명의 반응고/반용융 성형용 동합금의 조성은 중량%로 Ca: 0.1-1.5%이고 잔여량은 동(Cu)이다.

칼슘은 동과 반응하여 융점이 950℃인 Cu₅Ca 금속간화합물을 생성시킨다.

이 Cu₅Ca 금속간 화합물은 917℃, Cu-7wt%Ca에서 Cu와 공정반응(eutecticreaction)을 이룬다.

따라서, 이 합금계의 고·액 공존 구역은 최대 168℃이며, Ca의 함량이 증가함에 따라 점차 감소한다.

한편, 동의 전기전도도는 합금원소 첨가량이 증가함에 따라 감소하게 되는데 그 감소율은 첨가 원소의 종류에 따라 다르다.

본 발명소재의 경우 Ca함량에 따른 전기전도도의 감소율은 평균 22.1 %IACS/wt%Ca로서 1.1% Ca 첨가할 경우 약 77%IACS로서 높은 전기전도도 값을 나타내었다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예이다.

<실시예>

전동기 로터에 적용되는 반응고/반용융 성형용 동합금은 70%IACS이상의 높은 전기전도도와 함께 충분한 범위의 고·액 공존 영역을 필요로 하기 때문에 본 발명에서는 Ca를 중량%로 0.052, 0.22, 0.34, 0.69 및 1.07%의 5개 조성으로 용해한 다음, 유도로에서 용해하여 1,120℃로 유지되는 용탕을 120℃로 예열한 주형에 주입하여 동합금 주괴로 주조하였다.

상기와 같이 Ca의 조성을 한정한 이유를 설명하면 다음과 같다.

주조된 각각의 시료에 대해 전기전도도를 측정하였으며, 그 결과를 도 1에 나타내었다.

시료의 ICP 분석조성이 0.052, 0.22, 0.34, 0.69, 및 1.07 wt% Ca 일때 Cu-Ca합금의 전기전도도는 도 1에 나타낸 바와 같이 100%IACS에서 78%IACS까지의 범위에서 점차 감소하였으며, 이 때, Ca의 함량에 따른 전기전도도의 감소율은 약 22.1 %IACS/wt%Ca로 산출되었다.

이 결과는 Cu의 전기전도도가 Ca의 함량에 따라 그다지 급격히 감소하지 않는다는 것을 나타내며, 1.1wt% Ca까지의 많은 함량을 첨가하더라도 전동기 로터용 합금으로서 실용적인 범위의 높은 전기전도도를 갖는다는 것을 의미하는 중요한 자료이다.

전기전도도 특성과 함께 반응고/반용융 성형용 소재로서 적용시 중요한 자료는 고·액 공존 영역의 범위이다.

Cu-Ca 합금은 평형상태도 상에서 볼 때, 917℃에서 공정반응(eutectic reaction)이 있으며, ∼0 Ca로부터 Cu-Cu₅Ca의 공정조성인 7wt% 까지 이상공존 영역이 존재한다. 그 온도 범위는 평형상태도상에서 볼 때 최대 168℃이고, Ca의 함량이 증가함에 따라 감소하게 된다.

상용합금의 고·액 공존 영역의 범위는 열분석(thermal analysis)을 통해 확인할 수 있다.

도 2는 본 발명의 각각의 합금을 시차열분석(Differential ThermalAnalyzer, DTA)을 통해 상온에서 1100℃까지 가열하여 분석한 결과이다.

이 그림에서 세로축의 아래 쪽 방향은 흡열반응을 나타내고 위 쪽 방향은 발열반응을 나타낸다.

주조된 각각의 시료를 상온에서 가열시켰을 때, 모두 910-920℃ 범위에 걸쳐 강한 1차 흡열 반응이 나타났으며, 반응 피크(peak)의 크기는 Ca의 함량이 증가함에 따라 크게 나타났다.

1차 흡열반응이 완료된 후, 1070℃ 이후에 2차 흡열반응이 강하게 나타났다.

DTA 곡선에서 흡열반응이 의미하는 것은 시료내에서 일부의 상이 용해되고 있다는 것을 의미한다.

1차 흡열반응 온도는 평행 상태도상에서 나타나는 공정반응의 공정온도에 해당되는 온도이며, 2차 흡열반응은 수지상정으로 주조된 1차상(primary copper)이 용해되면서 나타난 것이다.

따라서, 이 결과로부터 본 발명의 Cu-Ca합금은 고·액 공존영역의 범위가 150℃이상 된다는 것을 알 수 있다.

반응고/반용융 성형용 소재에 수지상정이 남아있게 되면 균일한 변형이 이루어지지 않으므로 주조상태에서 남아있는 수지상 조직을 구상으로 만드는 것이 매우 중요하다.

본 발명에서는 주조시 남아있던 Cu-Ca합금의 수지상 조직을 구상화시키기 위해 가공열처리를 실시하였다.

이를 위해 먼저 각각의 Cu-Ca시료를 가공을 전혀하지 않은 것과, 13%, 20% 및 33%로 압축가공을 한 시료 각각에 대해 고·액 공존영역인 1050℃로 유도 가열하여 7분씩 유지하였다. 도 3 내지 5는 Cu-Ca합금의 주조상태 및 가공열처리 후의 미세조직을 광학현미경으로 관찰한 것이다.

도 3 내지 5에서 알 수 있는 바와 같이 주조상태에서는 모든 시료에서 전형적인 주조조직인 수지상정이 관찰되고 있다. 이 시료를 가공열처리를 실시하였을 때, 도 3 내지 5의 (b)에서 관찰되는 것과 같이 1차 상(primary copper)이 반응고/반용융 성형에 적합한 구형으로 바뀌는 것을 알 수 있다.

구형의 1차 상 내부에서는 많은 경우 쌍정이 관찰되고 있으며, 이는 가공 및 가열 중에 생긴 것으로 판단된다.

한편, 가공을 하지 않고(가공도 0%) 가열만 한 시료의 경우에도 도 3 내지 5의 (c)에 나타낸 것처럼 1차상이 모두 구상화되는 것을 관찰할 수 있으며, 따라서 가공을 하지 않고도 가열만으로써 균일한 반응고/반용융 성형이 가능한 조직을 얻을 수 있다.

한편, 본 발명의 Cu-Ca합금의 액상율을 이미지 분석(image analysis)를 통해 분석한 결과 10∼20%의 액상 분율을 가지고 있는 것으로 나타났는데, 이 분율은 도 6에 나타낸 바와 같이 Ca의 함량이 증가함에 따라 증가하였으며 따라서 반응고/반용융 성형에 적합한 소재임을 알 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

상기와 같은 본 발명에 의하여 제조된 동합금은 전기전도도가 75∼95 %IACS를 나타내고 동시에 고·액 공존 구역의 범위가 150℃ 이상되는 소재로서 다이캐스팅에 의한 제조법보다 100∼200℃ 낮은 온도에서 반응고/반용융 공정에 의해 성형이 가능한 소재이다.

본 발명소재는 기존의 산소동(Cu-0.11%O)에 비해 고·액 공존 구역의 범위가 130℃ 이상 넓기 때문에 조업 중 생기는 온도 변화에 크게 영향을 받지 않는 합금이면서도 전기전도도가 전동기 로터용 합금으로 적용이 가능할 만큼 높다.

또한, 본 발명의 소재는 반응고/반용융 성형을 위해 구상화를 시키는 과정에서, 가공을 하지 않고도 가열만으로 동 1차상(primary phase)이 구상화되므로 가공을 필요로 하는 반응고/반용융 합금에 비해 공정 및 에너지를 절감시킬 수 있다.

현재 미국을 비롯하여 세계적으로 약 50%이상의 전력이 전동모터를 구동시키는데 사용되고 있는데, 우리나라의 경우 10년 뒤에는 1995년 대비 약 2배 이상의 전력이 소요될 것으로 전망된다.

우리나라 산업용 유도 전동기가 소비하는 전력은 총 소비전력의 54%로 단일 전력소비품목으로는 가장 큰 전력소비를 차지하고 있다. 국내 가전용 컴프레서(냉장고, 에어컨 등)의 모터는 약 0.1-5㎾ 용량이 대부분이며 그 수량은 국내에서만 2000-3000 만대에 달한다. 본 발명에서 개발한 동합금 로터를 사용하고 전동기의 설계 개선을 통해 전동기의 효율이 2% 향상된다고 할 때 다음과 같은 에너지 절감과 경제적 상승효과가 크게 기대되는 발명이다.

·에너지 절약: 총전력사용량 (193,470GWh, 1998년 기준) × 전동기의 전력사용비율(54%)×효율향상(2%) = 2,089 GWh/년

·에너지 절감액: 2,089 GWh×2,790,000원/GWh(평균전기요금)= 1,521억원/년

Claims (5)

1. 고전기 전도도 동합금에 있어서,

   0.1∼1.5 wt% Ca과 나머지는 동으로 조성되어 주조된 합금을 특징으로 하는 반용융 성형용 고전기전도도 동합금.
2. 삭제
3. 삭제
4. 고전기전도도 동합금의 제조방법에 있어서,

   0.1∼1.5 wt% Ca과, 나머지는 동으로 조성된 Cu-Ca계 동합금을 1100-1150℃의 용탕으로 1-5분간 유지하는 단계와,

   상기 단계 후 100-150℃로 예열한 주형에 주입하여 동합금 주괴로 주조하는 단계와,

   상기 주조단계시 발생된 내부 편석과 응력을 제거함과 동시에 수지상으로 생성되어 있는 1차상(primary phase)을 구상화시키기 위해 910∼1085℃의 반응고/반용융 구간으로 가열한 다음 5-10분간 유지한 뒤 냉각시키는 열처리단계를 거침으로써, 반응고/반용융 성형조직에 적합한 구상의 동 1차상을 만드는 방법을 특징으로 하는 반용융 성형용 고전기전도도 동합금의 제조 방법.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 열처리단계 이전에 0.1∼30%로 압축가공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반용융 성형용 고전기전도도 동합금의 제조 방법.