KR100625840B1 - 전기 전자용 동 소재 제조를 위한 동 빌렛 압출방법 - Google Patents

Abstract

전기 전자용 동 소재 제조를 위한 동 빌렛 압출방법에 관하여 개시한다. 본 발명의 방법은, 200mm 지름의 동(Cu) 빌렛을 압출하는 방법에 있어서, 동 빌렛을 850∼1000℃의 온도에서 열처리하는 단계와; 열처리된 동 빌렛을, 150∼230kg/㎠의 압출압력과 150∼500의 압출비로 압출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면 200mm 지름의 동(Cu) 빌렛에 대한 최적의 열처리 조건과 압출 조건을 확립함으로써 압출 자체에 의한 결함은 없으며, 양호한 전기전도도를 가지고, 압출재의 두께 오차가 적은 고품위의 동 압출재를 얻을 수 있다.

동, 빌렛, 압출, 압출재, 열처리, 압출비, 압출압력

Description

전기 전자용 동 소재 제조를 위한 동 빌렛 압출방법{Copper billet extrusion method for the manufacturing of Copper material used for electrical ＆ electronics industry}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기 전자용 동 소재 제조를 위한 동 빌렛 압출방법에 의하여 압출된 압출재의 표면을 50배 및 400배 확대 촬영한 SEM 사진들;

도 2는 도 1의 SEM 촬영시 나타난 결함 부위에 대한 성분을 분석한 WDX 그래프; 및

도 3은 길이에 따른 압출재의 두께를 측정한 그래프이다.

본 발명은 전기 전자용 동 소재 제조를 위한 동 빌렛 압출방법에 관한 것으로서, 특히 빌렛의 열처리 조건 및 압출조건을 최적화시켜 최종적으로 전기·전자용 동 Bus-Bar를 제조하기 위한 압출방법에 관한 것이다.

압출이란 금속 빌렛을 고압하에서 작은 다이 공(hole)을 통하여 밀어냄으로써 단면을 수축시키는 공정이다. 이 공정은 주로 재료의 변형 저항이 작은 온도 조건, 즉 열간에서 행하여지고, 봉이나 관의 생산에 주로 이용되지만, 연한 재료에 대해서는 불규칙적인 단면을 가진 긴 제품의 생산에도 이용된다. 압출을 이용하여 압출재를 생산함에 있어서, 빌렛의 재질, 열처리 조건 및 압출조건에 따라 생산된 압출재의 품질에 많은 차이가 있으므로 고품위의 압출재를 생산하기 위해서는 세심한 공정 조건의 확립이 필요하다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 200mm 지름의 동(Cu) 빌렛을 이용하여 고품위의 동 압출재를 생산할 수 있는 전기 전자용 동 소재 제조를 위한 동 빌렛 압출방법을 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기 전자용 동 소재 제조를 위한 동 빌렛 압출방법은: 200mm 지름의 동(Cu) 빌렛을 압출하는 방법에 있어서,

상기 동 빌렛을 850∼1000℃의 온도에서 열처리하는 단계와; 열처리된 상기 동 빌렛을, 150∼230kg/㎠의 압출압력과 150∼500의 압출비로 압출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

먼저, 200mm 지름, 즉 초기 종(縱) 단면적 31400㎟이고, 길이가 600mm인 동(Cu) 빌렛을 준비하고, 이를 850~1000℃의 온도에서 바람직하게는 920℃에서 열처리한다. 이와 같이 동 빌렛을 920℃에서 열간압출함으로써 150~230kg/㎠ 의 압출압력과 150~500의 압출비에서 균일한 두께를 가지며 표면결함이 없는 건전한 압출재를 얻을 수 있도록 해준다. 이 때, 850~1000℃의 온도는 동 빌렛을 압출함에 있어 불량 없는 건전한 압출 가공 온도를 설정한 것으로, 온도가 너무 높으면 압출에 의한 온도 상승으로 용융되고, 온도가 너무 낮으면 압출가공성이 어려워지는 점을 감안하여 적정한 온도 구간을 설정한 것이다. 또한, 일정압력을 동 빌렛에 가하여 압출 가공함에 있어서, 온도가 낮을 때 무리한 압력을 가하여 압출 가공하면 최종 제품의 표면에 줄모양의 원하지 않는 무늬가 생기고 너무 높은 온도에서 압력을 가하여 압출 가공하면 압출 다이스를 통과하여 나올 때 곧게 뻗어 나오지 못하고 휘어져 치수변형을 일으키는 문제점이 생기는 데 이를 방지하기 위하여 설정된 것이다. 그리고 150~230kg/㎠의 압출압력은 850℃~1000℃의 온도구간에서 지름 200mm이고 길이가 600mm인 동 빌렛을 다이스를 통과시키는 압출 가공공정에 의하여 4~6mm의 두께와 16~31mm의 폭을 가지는 판재를 제작하는 경우에 줄무늬 모양의 표면결함과 다이스를 통과하면서 휘어짐으로써 생길 수 있는 치수 결함을 방지하여 건전한 제품을 생산할 수 있도록 한 것이다. 150~500의 압출비는 상술한 온도와 압력 조건하에서 지름 200mm이고 길이가 600mm인 동 빌렛을 다이스를 통과시키는 압출 가공공정에 의하여 4~6mm의 두께와 16~31mm의 폭을 가지는 판재를 제작하는 경우에 수학적으로 산출된 것이다.

다음에 열처리된 동 빌렛을 압출하게 되는 데, 이하에서 압출의 상세 조건을 설명한다.

1. 압출기의 형상

압출 다이에는 두 가지 형이 있다. 이 때, 평면형(flat faced) 다이를 사용하면 컨테이너 속의 재료가 변형되지 않는 영역에서 스스로 적절한 다이각을 형성하게 된다. 다이 출구의 평형부는 다이를 보강하고 있으며, 다이 입구면을 재가공하더라도 다이 공의 크기가 변하지 않으므로 재사용이 가능하도록 고려된 것이다. 좋은 윤활 상태를 유지하면서 콘형의 다이에서 다이 각을 작게 하면서 압출하면 보다 균일한 변형을 얻을 수 있다. 그러나 다이 각이 어느 각 이하가 되면 마찰력이 너무 커지게 된다. 또한, 구리재의 경우 빌렛의 모서리를 1.5∼3mm의 반지름으로 둥글게 라운딩(rounding) 처리함으로써 이동시 긁힘 현상이나 마찰을 방지하였다.

압출용 슬라브는 직경 200mm의 동 빌렛이 삽입될 수 있도록 내경은 203mm로 제작되었으며, 내부의 재질은 열처리된 빌렛이 삽입되어도 변형이 작고, 고온, 고압의 압출 작업시에도 변형이 작도록 INCONEL 718을 사용하였다. 그리고, 외부 케이스는 SKD 61종을 사용하였다. 전체 길이는 80mm 길이의 압출용 더미(dummy)와 600mm인 동 빌렛의 길이를 감안하여 720mm로 제작되었고, 빌렛이 삽입되는 슬라브의 입구와 압출용 홀더가 접하는 부분에 25°의 각을 주었다. 이와 같이 각을 줌으로써 압출시 생기는 압력에도 이음새 부분에서 구리가 달라붙거나 새어 나오는 현상을 방지하게 된다. 압출용 홀더의 전체 길이는 151mm이고 슬라브와 마주보지 않는 바깥 지름은 330mm가 되도록 제작하였다.

압출용 더미(dummy)는 지름을 슬라브와 동일한 203mm로 하였고, 두께는 80mm로 하였으며 모서리에 곡면을 주어 이동시 긁힘 현상이나 마찰을 방지하였다.

2. 압출비

본 발명은 상술한 동 빌렛을 상술한 압출기를 이용하여 150~500의 압출비로 압출하는 것을 특징으로 한다. 동 빌렛을 이용하여 이용하여 동 판재(版材)로 압출하는 경우에 두께, 즉 압출된 동 판재의 종(縱) 단면적의 세로 치수에 따라서 압출비가 다르게 적용되는 데, 그 동 판재의 두께가 4mm이면 압출비는 250~500가, 동 판재의 두께가 5mm이면 압출비는 200~400가, 동 판재의 두께가 6mm이면 압출비는 150~250가 적당하였다. 이 때, 각각의 압출비는 850~1000℃의 온도에서 150~230kg/㎠ 의 압출압력으로 지름 200mm이고 길이가 600mm인 동 빌렛을 다이스를 통과시키는 압출 가공공정에 의하여 4~6mm의 두께와 16~31mm의 폭을 가지는 판재를 제작하는 경우에 건전한 판재를 생산할 수 있는 압출비를 실험적으로 얻은 것이다. 동 판재의 두께 및 종 단면적에 대한 세부적인 압출비는 다음의 표 1과 같다.

동 빌렛의 종 단면적(mm2)	동 판재의 크기		압출비
	두께(mm)	폭(mm)
31,400	4	16	490
		25	314
		31	253
	5	16	392.5
		21	299
		31	202
	6	21	249
		26	201
		31	169

3. 압출압력

일반적으로, 빌렛의 온도가 증가하면 일정한 가압조건에서 압출의 속도가 비례하여 증가하게 된다. 하지만, 빌렛의 온도가 높게 되면 다이와 제품간의 마찰력, 제품의 경도 및 기계적 특성 등의 이유로 인해서 최종제품의 표면 상태가 균일하지 못하거나 직진도 불량 및 치수결함 등 다양한 결함이 발생할 수 있으므로, 최종 제품의 표면 상태 및 직진도 등을 균일하게 하기 위해서는 적정하게 압출속도를 제어해야 한다. 따라서, 본 발명에서는 상술한 바와 같이 압출 빌렛의 온도를 920℃로 유지하였고, 제품의 두께, 넓이 및 표면 조도 등의 측면에서 불량률없는 건전성을 유지하면서도 최대한의 생산성을 높일 수 있는 최적의 압출속도 값을 얻기 위한 압출압력을 170kg/㎠∼210kg/㎠로 하였다.

이하에서, 상술한 본 발명의 실시예에 따른 전기 전자용 동 소재 제조를 위한 동 빌렛 압출방법에 의하여 압출된 압출재의 특성을 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기 전자용 동 소재 제조를 위한 동 빌렛 압출방법에 의하여 압출된 압출재의 표면을 50배 및 400배 확대 촬영한 SEM 사진들이며, 도 2는 도 1의 SEM 촬영시 나타난 결함 부위에 대한 성분을 분석한 WDX 그래프이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 결함 부위의 내부에는 홀(hole)이 존재하였으며, 미량의 Mg 및 Al 등이 존재하고 있음을 확인할 수 있었다. 여기서, 홀은 압출하기 위한 동 빌렛에 존재하는 내부 결함이었으며, 표면 결함은 구리와 Mg 및 Al 등의 이종 원소간에 발생된 결함이었다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 압출방법에 의할 경우 소재 자체의 결함이 발생할 뿐 압출에 의한 결함은 없음을 알 수 있다.

또한, 압출재의 전기전도도에 영향을 미치는 산소 함량을 분석한 결과 산소 함량이 0.017%이었다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 압출 방법에 의한 경우에 전기전도도가 우수한 것으로 나타났다. 참고로, 본 발명의 실시예에 따른 압출 방법에 의한 압출재의 전기전도도는 99% IACS 이상이었다.

도 3은 길이에 따른 압출재의 두께를 측정한 그래프이다.

도 3을 참조하면, 압출재의 두께는 중앙 부위에서 7.09mm로 상대적으로 가장 얇게 나타났고, 압출재의 끝부분은 7.99mm 또는 8.01mm로 가장 두껍게 나타났으며, 평균 두께는 7.49mm 이었다. 따라서, 평균 두께 대비 오차는 ±0.5mm 이내, 즉 ±5% 이내로서 매우 양호하였다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 200mm 지름의 동(Cu) 빌렛에 대한 최적 의 열처리 조건과 압출 조건을 확립함으로써 압출 자체에 의한 결함은 없으며, 양호한 전기전도도를 가지고, 압출재의 두께 오차가 적은 고품위의 동 압출재를 얻을 수 있다.

본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (4)

1. 200mm 지름의 동(Cu) 빌렛을 압출하는 방법에 있어서,

   상기 동 빌렛을 850∼1000℃의 온도에서 열처리하는 단계와;

   열처리된 상기 동 빌렛을, 150∼230kg/㎠의 압출압력과 150∼500의 압출비로 압출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 전자용 동 소재 제조를 위한 동 빌렛 압출방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 동 빌렛을 동 판재로 압출하는 경우에

   상기 동 판재의 두께가 4mm이면 상기 압출비는 250∼500인 것을 특징으로 하는 전기 전자용 동 소재 제조를 위한 동 빌렛 압출방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 동 빌렛을 동 판재로 압출하는 경우에

   상기 동 판재의 두께가 5mm이면 상기 압출비는 200∼400인 것을 특징으로 하는 전기 전자용 동 소재 제조를 위한 동 빌렛 압출방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 동 빌렛을 동 판재로 압출하는 경우에

   상기 동 판재의 두께가 6mm이면 상기 압출비는 150∼250인 것을 특징으로 하는 전기 전자용 동 소재 제조를 위한 동 빌렛 압출방법.

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