KR100592205B1 - 연성이 우수한 고력 고도전성 구리합금 - Google Patents

Abstract

(과제) 강도와 가공성이 모두 우수하고 생산관리가 용이한 고력 고도전성 구리합금을 제공한다.

(해결수단) 이 고력 고도전성 구리합금은 질량% 로, Cr : 0.05 ∼ 1.0%, Zr : 0.05 ∼ 0.25%, 잔부 Cu 및 불가피한 불순물로 이루어지고, 인접하는 결정의 방위차가 5°이상일 때에 각 결정 사이를 결정립계로 간주한 경우에, 상기 결정립계에서의 대응 입계 ∑3 의 비율이 10% 이상이다.

Description

연성이 우수한 고력 고도전성 구리합금 {HIGH STRENGTH AND ELECTRIC CONDUCTIVITY COPPER ALLOY EXCELLENT IN DUCTILITY}

본 발명은 단자, 커넥터, 릴레이 또는 스위치에 사용되는 도전성 스프링재에 적합하고, 강도와 도전성이 우수한 고력 고도전성 구리합금에 관한 것이다.

종래 각종 단자, 커넥터, 릴레이, 스위치 등에 사용되는 도전성 스프링재로서 인청동이 사용되고 있다.

또, 최근에는 부품의 소형화, 박육화의 요구로부터 인청동 대신에 Cu-Cr계나 Cu-Cr-Zr계와 같은 고강도 고도전성 구리합금이 주목되고 있다 (예컨대, 특허문헌 1, 2 참조). Cu-Cr계 구리합금이나 Cu-Cr-Zr계 구리합금은 Cr 이나 Cu-Zr 의 석출에 의해 재료강도를 향상시키기 때문에 고용경화형의 합금에 비하여 도전성을 높일 수 있다. 단, Cr, Zr 의 석출에 의한 강도 향상은 그다지 크지 않아, 상기 합금은 냉간압연하여 석출경화와 가공경화를 함께 실행함으로써 고강도화를 꾀하고 있다.

그러나, 일반적으로 금속재료를 가공경화시키면, 연성의 저하 나아가서는 굽힘성 등의 가공성이나 내응력완화특성을 열화시킨다. 이와 같은 점에서 최근 가공열처리 방법에 의해 재료를 개질하는 것이 주목되고 있다. 예컨대, 특허문헌 3 에는 냉간압연 후의 (동적) 재결정에 의해, Cu-Cr-Zr계 구리합금 중에 미세한 결정입자를 형성시켜 연성을 향상시키는 기술이 기재되어 있다.

[특허문헌 1] 일본 공개특허공보 평9-87814호

[특허문헌 2] 일본 공개특허공보 평7-258804호

[특허문헌 3] 일본 공개특허공보 2002-356728호

그러나, 상기 특허문헌 3 에 기재된 기술의 경우, 결정립계의 형상이나 입경을 관리할 필요가 있기 때문에, 실제 생산에 있어서의 분리 제작, 품질관리가 곤란하다는 문제가 있었다. 또, 이 기술을 이용해도 또한 연성의 향상은 불충분하였다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 강도와 가공성이 모두 우수하고, 생산관리가 용이한 고력 고도전성 구리합금의 제공을 목적으로 한다.

본 발명자들은 여러가지로 검토한 결과, 결정립계 중 후술하는 대응 입계 ∑3 의 비율이 많아지면, 재료가 가공경화되어도 가공성이 저하되지 않고, 연성이 현저하게 향상되는 것을 밝혀냈다. 즉, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 고력 고도전성 구리합금은, 질량% 로, Cr : 0.05 ∼ 1.0%, Zr : 0.05 ∼ 0.25%, 잔부 Cu 및 불가피한 불순물로 이루어지고, 인접하는 결정의 방위차가 5°이상일 때에 각 결정 사이를 결정립계로 간주한 경우에, 상기 결정립계에서의 대응 입계 ∑3 의 비율이 10% 이상인 것을 특징으로 한다.

또한, 질량% 로, Zn, P, Fe, Mg, Mn, Al, Co 및 Ni 의 군에서 선택되는 1종 이상을 합계로 0.01 ∼ 1.0% 함유하면 바람직하다.

Cr 함유량을 0.6% 이하로 하고, 8% 이상의 연신율을 나타내는 것이 바람직하고, Cr 함유량을 0.2% 이하로 하고, 10% 이상의 연신율을 나타내는 것이 더욱 바람직하다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

이하, 본 발명에 관련되는 고력 고도전성 구리합금의 실시형태에 대해 설명한다.

먼저, 본 발명에 있어서 각 성분원소의 함유량을 규정한 이유에 대해 설명한다. 본 발명에서 % 는 특별한 언급이 없는 한 질량% 를 나타내는 것으로 한다.

[Cr, Zr]

본 발명은 도전성과 강도를 확보하기 위해 Cu-Cr-Zr계 구리합금을 대상으로 한다. 여기에서, Cr 및 Zr 은 용체화처리 후에 시효시킴으로써 Cu 모상 중에 석출되어 강도 향상에 기여하는 원소이다. Cr 함유량을 0.05∼1.0%, Zr 함유량을 0.05∼0.25% 로 한다. Cr 함유량이 0.05% 미만이면 강도가 충분히 향상되지 않고, 1.0% 를 초과해도 효과가 포화되기 때문이다. Zr 함유량의 상한 및 하한을 규정한 이유도 상기 Cr 의 경우와 동일하다. 또, Cr 함유량을 0.6% 이하로 하면 8% 이상의 연신율이 얻어지고, 또한 보다 바람직하게는 0.2% 이하로 하면 10% 이상의 높은 연신율이 얻어진다.

다음으로, 필요에 따라 첨가되는 첨가원소에 대해 설명한다.

[Zn, P, Fe, Mg, Mn, Al, Co, Ni]

이들 원소는 도전율을 크게 저하시키지 않고 구리 모상 내에 고용 또는 석출시킴으로써 강도를 향상시키는 것으로, 합계로 0.01∼1.0% 함유시킨다. 함유량이 0.01% 미만이면 강도의 향상효과가 작고, 1.0% 를 초과하면 도전율이 저하되기 때문이다.

다음으로, 본 발명에 관련되는 고력 고도전성 구리합금의 조직에 대해 설명한다. 본 발명은 Cu-Cr-Zr계 구리합금의 연성을 향상시키는 방법으로서 입계구조에 착안하여 대응 입계 (對應粒界) ∑3 을 규정한 것이다. 여기에서, 대응 입계란 입계를 구성하는 어느 결정의 격자점을 연장시켜 다른 결정의 격자점과 겹치는 상태를 본 경우에, 서로 겹치는 격자점 (대응 격자) 이 주기적으로 발생하는 관계에 있는 입계를 말한다. 이 때, 대응 격자점의 밀도의 역수를 ∑값으로 정의한다. ∑3 이란 대응 격자점의 밀도가 1/3, 즉 원래의 격자점 3 개에 대해 대응 격자점이 1개 나타나는 것을 의미하고, 이것은 대응 격자가 주기적으로 나타나는 격자간격이 3 격자분인 것을 말한다. ∑값이 작을수록 주기가 짧고, 입계의 규칙성이 높은 것을 나타낸다. 또한, ∑3 이 가장 작은 값이다. 대응 입계에 대해서는, 예컨대 「강좌ㆍ현대의 금속학 재료편 제3권 재료강도의 원자론 63∼65 페이지」(사단법인 일본금속학회 1985년 발행) 에 기재되어 있다.

그리고, 본 발명에 있어서는 인접한 결정의 방위차가 5°이상일 때에 각 결정 사이를 결정립계로 간주한 경우에, 결정립계에서의 대응 입계 ∑3 의 비율을 10% 이상으로 한다. 여기에서, 일반적으로 결정입자 사이의 방위차가 15°이상이면 대각 (大角) 입계로 되고, 15°미만이면 소각 (小角) 입계로 된다. 본 발명에서는 방위차가 5°미만인 것은 결정립의 하부 조직인 서브 그레인 조직, 셀 조직으로 하고, 5°이상의 것을 결정립계로 간주하였다.

결정립계에서의 대응 입계 ∑3 의 비율을 10% 이상으로 한 이유는, ∑3 의 비율이 10% 미만이 되면 연성이나 가공성의 향상을 기대할 수 없게 되기 때문이다. ∑3 의 비율이 10% 이상이 되면 연성이 향상되는 이유는 명확하지 않지만, ∑3 의 비율이 증가함으로써 취화 (脆化) 를 초래하는 Cr 이나 Zr 의 입계 편석이 나빠지는 것을 생각할 수 있다.

대응 입계 ∑3 의 비율을 구하는 방법으로는, 예컨대 FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscope) 에 의한 EBSP (electron Backscatter Diffraction Pattern) 법이 있다. 이 방법은 시료 표면에 비스듬하게 전자선을 쏘았을 때에 발생되는 후방 산란 전자 회절 패턴 (키쿠치 패턴) 에 기초하여 결정방위를 해석하는 방법이다. 이 방법에서는 다음과 같은 수순으로 해석된다. 먼저, 측정되는 재료의 측정영역을 통상, 육각형 등의 영역으로 구획하고, 구획된 각 영역에 대해 얻어진 키쿠치 패턴을, 이미 알려진 결정 구조의 데이터와 비교하여 그 측정점에서의 결정방위를 구한다. 마찬가지로, 그 측정점에 인접하는 측정점의 결정방위를 구하고, 양방의 결정의 방위차가 5°이상이면 그 사이 (양방의 육각형이 접해 있는 변 등) 를 입계로 하고, 5°미만이면 양자를 동일한 결정으로 한다. 이와 같이 하여, 시료 표면의 결정립계의 분포를 구한다. 다음으로, 소정의 방 법으로 각 결정입자가 대응 입계 ∑3 으로 되어 있는지 여부를 판정하고, (대응 입계 ∑3 의 총합)/(결정립계의 길이의 총합) 에 100을 곱하여 대응 입계 ∑3 의 비율을 구한다. 또한, 통상 시판되고 있는 FESEM/EBSP 장치에는 대응 입계 ∑3 을 동정하는 모드가 있으므로 이것을 사용하면 된다. 그 외에, TEM (투과형 전자현미경) 에 의한 키쿠치 패턴을 사용하는 방법도 있으나, 측정의 간편성에서 상기 FESEM/EBSP법이 유리하다.

대응 입계 ∑3 의 비율을 10% 이상으로 하기 위한 방법으로는, 예컨대 소둔 후의 재결정을 이용할 수 있다 (정적 재결정). 이 경우, 압연 후에 변형 제거 소둔을 하는 프로세스로 되어, 압연에 의해 일단 상승된 강도가 저하되거나 충분한 연성이 얻어지지 않는 경우가 있다. 따라서, 이와 같은 문제가 없고, 강도와 연성이 모두 우수한 재료가 얻어지는 동적 재결정을 이용하는 것이 보다 바람직하다. 일반적으로, 압연가공도를 상승시키면 가공경화에 의해 강도가 상승되는데, 가공도가 너무 높으면 그 이상의 가공경화가 일어나지 않고, 또 강도의 상승에 따라 연성이 저하된다. 그러나, 가공도를 더욱 크게 하면, 가공에 의해 재결정이 진행되는 동적 재결정이라 불리는 거동이 발생하고, 이에 의해 조직이 개선되어 연성이 회복된다. 따라서, 본 발명에 있어서는, 바람직하게는 대응 입계 ∑3 의 비율을 10% 이상으로 관리함과 동시에 동적 재결정법을 이용함으로써, 강도와 연성 (가공성) 을 높은 레벨로 동시에 향상시킬 수 있다.

구체적으로는, 재료의 냉간압연의 압연가공도를 상승시키는 것, 예컨대 최종 냉간압연에 있어서의 전체 가공도를 95% 이상으로 함으로써, 상기 동적 재결정을 발생시켜 대응 입계 ∑3 을 생성시킬 수 있다. 이 경우, 바람직하게는 최종 냉간압연에서의 각 패스의 평균 가공도 (각 패스의 가공도를 평균하여 1 패스 당의 가공도를 계산한 값) 를 20% 이상으로 하면, 대응 입계 ∑3 의 생성이 촉진된다. 더욱 바람직하게는, 각 패스의 평균 가공도의 차가 ±10% 이하이고, 가장 바람직하게는 상기 차가 ±5% 이하인 것이 좋다. 또, 상기한 각 패스의 가공도나 가공도의 차를 설정할 때, 압연가공도에 그다지 영향을 주지 않는 정도의 가공율이 낮은 패스 (예컨대, 가공율 0.5% 미만의 패스, 스킨패스) 를 압연의 처음이나 중간 패스, 혹은 최종 패스 뒤에 1회 이상 실시해도 되고, 이와 같은 패스 설정도 본 발명에 포함되는 것으로 한다.

또한, ∑3 의 비율을 높이는 방법으로는 상기한 가공에 의해 동적으로 재결정을 발생시키는 것 외에 열처리 (예컨대, 변형 제거 소둔) 에 의해 재결정을 발생시켜도 된다.

본 발명의 구리합금은, 예컨대 다음과 같이 하여 제조할 수 있다. 먼저, 전기구리 또는 무산소구리에 대해 상기 조성의 원소를 배합하고, 불활성 분위기 또는 진공 중에서 잉곳을 주조하고, 적절하게 열처리한 후, 열간압연, 용체화처리, 냉간압연, 시효처리를 하여 원하는 두께의 합금 박대나 판재를 제조한다. 그리고, 이들 박대나 판재는 적절하게 가공되어 스프링재 등의 제품이 된다.

다음으로, 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하는데 본 발명은 이들에 한정되지 않는다.

실시예

1. 시료의 제조

전기구리에 대해 소정의 원소를 배합하여 표 1 에 나타내는 조성의 합금을 진공 유도 용해로 (VIM) 에서 용제(溶製)하고 불활성 분위기 또는 진공 중에서 잉곳을 주조하였다. 얻어진 잉곳을 900℃ 이상의 온도에서 300분 이상 균질화 소둔한 후, 열간압연을 하고, 계속해서 용체화처리하고 최종 냉간압연하여 판두께 0.15㎜ 의 재료를 작성하였다. 그 후, 소정의 시효처리를 실행하여 재결정을 발생시킨 후 시료를 잘라내었다. 냉간압연의 압연조건은 표 1 에 나타낸 바와 같다.

여기에서, 전체 가공도란 {(냉간압연 전의 판두께) - (전체 패스 압연 후의 판두께)} ×100/(냉간압연 전의 판두께) 로 표시되는 값이다. 또, 각 패스의 평균 가공도는 먼저 {(그 패스의 압연 전 판두께) - (그 패스의 압연 후 판두께)}/(그 패스의 압연 전 판두께) 로 표시되는 값에 의해 각 패스의 가공도를 구하고, 이것을 전체 패스에 대해 평균한 값이다.

2. ∑3 의 비율의 측정

각 실시예 및 비교예에 대해 쇼트키형 FESEM (닛폰전자주식회사 제조 JSM6500F) 을 사용한 EBSP법에 의해 결정방위를 측정하여, 결정립계에서의 대응 입계 ∑3 의 비율을 구하였다. 측정은 최저 0.01㎟ 이상의 영역을 육각형의 측정점으로 하고, 빔의 이송 간격 50㎚ 이하로 하여 실행하였다. 그리고, 인접하는 측정점의 방위차가 5°이상이면, 그 측정점의 사이 (각 육각형이 접하는 변) 를 결정립계로 간주하였다. 또, 상기 FESEM 의 모드를 「EBSP 시스템 텍셈 레버러토 리즈 OIM 시스템」에 설정함으로써, 대응 입계 ∑3 의 동정을 실행하였다. 그리고, 측정 데이터로부터 {(대응 입계 ∑3 길이의 총합)/(결정립계의 길이의 총합)} ×100 으로 표시되는 값을 구함으로써 대응 입계 ∑3 의 비율을 구하였다.

3. 평가

(1) 연신율

JIS-Z 2241 에 규정된 인장시험법에 따라 각 시료로부터 5호 시험편을 제작하여 인장시험했을 때의 파단 연신율을 측정하였다.

(2) 가공성

W 굽힘 시험기에 의해 시료를 굽힘 가공하여 굽힘부 외측을 광학현미경으로 50배의 배율로 관찰하여 균열의 유무를 육안으로 평가하였다.

○: 균열이 보이지 않음

△ : 균열은 보이지 않지만 표면거침이 큼

×: 균열이 현저하게 보임

(3) 인장강도

상기 인장시험에 있어서 인장강도를 측정하였다.

(4) 도전율

4 단자법에 의해 시료의 도전율을 측정하였다.

얻어진 결과를 표 1 에 나타낸다.

표 1 로부터 명확한 바와 같이, 각 실시예의 경우, ∑3 의 비율이 10% 이상이고, 8% 이상의 연신율을 나타내고, 가공성 및 인장강도가 모두 우수하다. 또, 도전율도 높고 도전성이 우수하다. 특히, Cr 함유량을 0.6% 미만으로 한 실시예 1, 3, 5∼7 의 경우 모두 10%를 초과하는 높은 연신율을 나타내었다.

한편, ∑3 의 비율이 10% 미만인 비교예 1∼7 의 경우, 모두 연신율이 8% 미만이고, 각 실시예에 비하여 떨어지게 되었다. 특히, 비교예 2 및 4∼7 의 경우는 연신율 외에 가공성도 열화되었다. 또한, 비교예 1∼3 및 5∼7 의 경우, 전체 가공도는 95% 이상이지만 각 패스의 평균 가공도는 20% 미만이었다. 한편, 비교예 4 의 경우 각 패스의 평균 가공도는 20% 이상이지만, 전체 가공도는 95% 미만이었다. 이와 같은 점에서 ∑3 의 비율을 10% 이상으로 하기 위해서는, 전체 가공도를 95% 이상으로 하고 각 패스의 평균 가공도를 20% 이상으로 하는 것이 바람직한 것을 알 수 있다.

본 발명의 고력 고도전성 구리합금에 의하면 강도와 가공성이 모두 우수한 구리합금이 얻어진다. 또 대응 입계 ∑3 의 측정은 간단하기 때문에 생산관리도 용이해진다.

Claims (4)

1. 질량% 로, Cr : 0.05 ∼ 1.0%, Zr : 0.05 ∼ 0.25%, 잔부 Cu 및 불가피한 불순물로 이루어지고, 인접하는 결정의 방위차가 5°이상일 때에 각 결정 사이를 결정립계로 간주한 경우에, 상기 결정립계에서의 대응 입계 ∑3 의 비율이 10% 이상인 것을 특징으로 하는 고력 고도전성 구리합금.
2. 제 1 항에 있어서, 또한, 질량% 로, Zn, P, Fe, Mg, Mn, Al, Co 및 Ni 의 군에서 선택되는 1종 이상을 합계로 0.01 ∼ 1.0% 함유하는 것을 특징으로 하는 고력 고도전성 구리합금.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, Cr 함유량을 0.6% 이하로 하고, 8% 이상의 연신율을 나타내는 것을 특징으로 하는 고력 고도전성 구리합금.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, Cr 함유량을 0.2% 이하로 하고, 10% 이상의 연신율을 나타내는 것을 특징으로 하는 고력 고도전성 구리합금.