KR101031293B1 - 고온에서도 우수한 강도, 전기전도도를 갖는 전기, 전자부품용 고기능성 동합금 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구리(Cu)-니켈(Ni)-규소(Si)계 동(Cu) 합금에 마그네슘(Mg)을 첨가한 4원계 동합금에 관한 것으로, 니켈(Ni)은 1.2 ~ 2.0wt%, 규소(Si)는 0.3 ~ 0.4wt%, 마그네슘(Mg)은 0.05 ~ 0.15wt%이고, 나머지는 구리(Cu)와 불가피한 불순물인 조성을 갖도록 용해 및 주조하여 주괴를 얻고, 750~850℃에서 2~6시간 용체화 처리후 열간압연하고 면삭하여 냉간압연하고, 이를 450℃~520℃에서 4~12시간 석출처리 후 냉간압연하고, 250~400℃에서 4~12시간 시효처리하는 것을 그 제조방법으로 한다. 이는 일반적인 Corson계 동합금(Cu-Ni-Si의 3원계 동합금; Ni 4~5wt%, Si 1wt%, 나머지 Cu)에서 그 전기적 특성과 기계적 가공성을 향상시키기 위해 니켈(Ni)과 규소(Si)의 함량을 상기와 같이 조정하고, 추가로 마그네슘(Mg)를 첨가, 내열성을 향상시킨 동합금으로서 역시 제조 과정중 Ni₂Si의 석출에 의한 시효처리로 그 전기전도도와 굽힘가공성(기계적 가공성)이 우수한 것을 큰 특징으로 하고 있으며, 마그네슘(Mg)은 강도 및 부식성 등의 일반적인 특성이 구조재로 사용되기에 적합하지 못하지만 상기 동합금내에서는 탈산과 함께 구리, 니켈, 규소와 합금을 이루며 입자의 미세화를 촉진, 그 단점이 보완되어 내열성을 향상시키게 되어 500℃까지 전기전도도를 60%IACS 이상 유지한다.

Description

고온에서도 우수한 강도, 전기전도도를 갖는 전기, 전자부품용 고기능성 동합금 및 그 제조방법{high performance cupper alloys keeping excellent strength and electric conductivity at high temperature for electric and electron parts and the method of preparing it}

본 발명은 전기, 전자 부품용에 이용되는 고온에서도 우수한 강도와 전기전도도를 갖는 고기능성 동합금의 제조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고강도, 고전도성을 갖는 Cu-Ni-Si-Mg의 4원계 동(Cu)합금으로 용체화 처리, 석출 처리, 저온시효처리를 통하여 내연화성을 비롯한 우수한 기계적 및 물리적 특성을 가지며 500℃까지 전기전도도를 60%IACS 이상 유지하는 동합금과 그 제조방법에 관한 것이다.

전기, 전자 부품용에 사용되는 동(Cu)을 기본으로 하는 동합금은 일반적으로 반도체, IC, LSI 등의 리드프레임 및 부품간의 전기신호 전달에 사용되는 컨넥터, 스위치 등의 소재로 사용되기 때문에 높은 전도도 및 기계적 강도가 요구된다. 특히 최근의 전기, 전자부품 산업의 경향으로는 이들 부품의 경박단소(輕薄短小)가 가속화되고 있으며, 특히 자동차 전장비, 고집적 반도체 등에 사용되는 소재의 경우 고온에서의 전기전도도 및 강도가 매우 중요하다.

지금까지 알려지고 있는 이러한 고기능성 특수 동합금의 대표적인 소재로는 OLIN사의 C7025(Cu-Ni-Si-Mg)로 본 발명의 주요성분계와 동일하지만 그 합금성분이 Ni 2.2~4.2%, Si 0.25~1.2%, Mg 0.05~0.30%, 나머지 Cu로 이들 주요성분의 합은 99.5%이상이며 불순물은 Fe 0.2%이하, Pb 0.05%이하, Zn 1% 이하로 제한되고 있는데 Ni, Si 함량이 비교적 높아 그 도전율이 40%IACS로 본 발명의 전기전도도에 미치지 못한다.

한편, 석출경화형 합금으로서 Corson 계열합금(Ni 0.5~4.9wt%, Si 0.1~1.0wt%, 잔량 Cu)이 대표적으로 알려져 있고, 또한 日本鑛業(株)의 일본특허공보(소) 60-45698호가 제안되고 있는데, 상기한 일본특허에서는 Ni-Si-Cu에 14가지 부성분을 선택적으로 첨가하고 석출입자의 크기를 1~5㎛으로 한 것으로 특허내에 언급된 일부 동합금의 성분계가(중량비는 다름) 본 발명과 유사하지만, 상기 기술은 내식성과 강도 향상이 주목적이고 전기전도도 향상의 목적이 없어 실제로 전기전도도가 본 발명에 미치지 못하며, 제조방법에서도 소둔조건(800℃)과 시효처리조건(420℃에서 6시간) 역시 본 발명과 크게 다르다.

그리고 국내에서는 풍산금속(주)에서 개발한 PMC26, PMC102가 본 발명과 유사하나 그 성분계와 조성이 본 발명과 다소 다르고 전기전도도가 미치지 못하며 제조방법에서도 제조원가 감소를 위한 용체화처리의 생략을 목적으로 하고, 시효처리조건 등이 상이하여 본 발명과 다르다.

본 발명은 전기, 전자 부분품으로 이용되는 고온에서도 우수한 강도와 전기전도도를 갖는 동합금 및 그 제조방법으로서 내연화성을 비롯한 우수한 기계적 및 물리적특성을 가지며 내열성을 향상시키므로서 500℃까지 전기전도도를 60% IACS이상 유지하는 동합금과 그 제조방법을 제공함에 있다.

니켈(Ni) 1.2~2.0wt%, 규소(Si) 0.3~0.4wt%, 마그네슘(Mg) 0.05~0.15wt%이고 나머지는 구리와 불가피한 불순물 0.03% 이하인 조성이 되도록 용해 및 주조하여 주괴를 얻고 750~850℃에서 2~6시간 용체화 처리후 열간압연하고 면삭하여 냉간압연하고 이를 450~520℃에서 4~12시간 석출 처리후 냉간압연하고 250~400℃에서 4~12시간 시효처리 함으로써 본 발명에서 해결하고져 하는 동합금과 그 제조방법을 제공할 수 있었다.

본 발명에 의한 동합금은 내연화성을 비롯한 우수한 기계적, 물리적 특성을 가지며 내열성을 향상시키므로써 500℃까지 전기전도도를 60%IACS 이상 유지하는 동합금이라 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 온도에 따른 물리적 성질을 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 온도에 따른 전기전도도의 변화를 나타낸 그래프.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명은 니켈(Ni)은 1.2 ~ 2.0wt%, 규소(Si)는 0.3 ~ 0.4wt%, 마그네슘(Mg)은 0.05 ~ 0.15wt%이고, 나머지는 구리(Cu)와 불가피한 불순물(0.03wt%이하)인 조성을 갖으며, 500℃까지 전기전도도가 60%이상 유지되는 동(Cu)합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.

상기한 성분에서 Cu-Ni-Si계 합금은 공지된 Corson계열 합금이다. 따라서, Ni, Si에 대한 성분비 적용 한정이유는 생략하지만, 높은 전기전도도를 위해 상기와 같이 제한한다. 또한 본 발명은 이와 같은 Corson계 합금에 Mg를 0.05~0.15wt% 첨가함으로써 탈산 작용과 함께 구리, 니켈, 규소와 합금을 이루며 입자의 미세화를 촉진, 그 단점이 보완되어 내열성을 향상시키게 되어 500℃까지 전기전도도를 60%IACS 이상 유지한다. 이때 Mg가 0.05wt%중량 이하면 탈산작용만 하고 미세 분산효과가 없고, 0.15wt%이상이면 용해시 산화 loss에 따른 성분 불균일 및 용탕의 점도증가로 인하여 제조상 어려움이 있다.

다음은 본 발명의 제조공정에 대해 설명한다.

상기한 Cu-Ni-Si-Mg 합금의 조성이 되도록 일반적인 전기식 용해로에서 용해, 정련한다. 본 발명에서의 조성은 전기전도도를 60%IACS이상 확보할 수 있는 범위내로 제한한 것으로서 전기전도도를 해치지 않는 한 상기 원소 이외의 기타 불가피한 불순물을 0.03wt%까지 함유할 수 있다. 이와 같이 조성된 용탕을 VCC(Vertical Continuous Casting) 방식으로 주조하여 주괴(Slab)를 얻는다.

이후 주조 조직의 파괴 및 석출소둔 처리시의 석출 구동력을 확보하기 위하여 750~850℃에서 2~6시간 용체화 처리를 하고, Slab두께를 감안하여 열간압연을 실시한 후, 이어서 용체화 처리시 생성되는 표면편석과 열간압연시 발생되는 스케일의 제거를 위해 표면면삭하고 1차 냉간압연을 실시한다. 그 후 1차 냉간압연한 코일을 450℃~520℃에서 4~12시간 석출처리후 목적 두께까지 냉간압연하고, 250~400℃에서 4~12시간 시효처리 하는 것을 그 제조방법으로 한다.

상기한 석출처리 및 시효처리 적용에 따른 온도와 시간수치 한정 이유는 아래와 같다.

먼저 석출처리의 경우 450℃ 미만의 온도에서 실시할 경우 석출강도는 확보할 수 있으나 컨넥터(Connector) 소재로서 요구되는 연성, 굽힘성, 인성 등을 확보하기 위해서는 12시간 이상의 장시간이 필요하므로 생산성에 불리하고, 또한 충분치 못한 석출조건에 기인하여 전기전도도 값이 낮게 된다(석출 구동력이 낮음). 한편 520℃ 이상의 경우 석출물의 재고용화 및 석출물의 조대화 현상에 의해 석출분산강화 효과가 상실되어 내연화성 및 전기전도도가 급격히 떨어진다.

한편, 시효처리의 경우 250℃ 미만의 온도에서는 구동력이 낮아 전위를 이동시켜 특정 장소에 고착시킬 수 없어 인성 및 연성 증가의 효과가 없어 요구되는 스프링성 확보에 어려움이 있고, 400℃ 이상의 온도에서 장시간(30분 이상)의 소둔은 탄성저하 및 강도저하 현상이 급격히 일어날 우려가 있다.

표 1에 본 발명의 제조방법으로 제조한 동(Cu)합금의 결과를 개략적으로 나타내었다.

본 발명의 제조방법으로 제조한 동(Cu)합금의 결과.

구 분	본 발 명
합금성분	Cu:Balance(Remainder), Ni:1.8wt%, Si:0.35wt%, Mg:0.12wt%
주괴(Slab)	전기전도도			28%
열간압연	Red. 95.7%	경도(Hv)	97	전기전도도	29%IACS
1차냉간압연	Red. 67.5%	경도(Hv)	160	전기전도도	27%IACS
석출처리	490℃, 6Hr30'	경도(Hv)	145	전기전도도	62%IACS
-	조 건	경도(Hv)	인장강도(kg/㎟)	신율(%)	전기전도도
냉간압연	Red. 30%	170	60	3	60%IACS
	Red. 60%	177	67	1	58%IACS
시효처리	250℃, 4Hr	178	62	4	64%IACS
	300℃, 4Hr	180	63	9	65%IACS

표 2에는 본 발명의 제조방법으로 제조한 동(Cu)합금의 컨넥터(Connector)재의 요구특성인 내연화성을 측정하기 위해 두께 0.25mm의 시편을 상온에서 600℃ 구간에서 30분간 소둔 후 공냉한 다음 그 물리적성질과 전기전도도의 변화를 조사한 결과를 나타내었다.

물리적성질과 전기전도도의 변화를 조사한 결과.

연번	온도(℃)	시간	경도(Hv)	인장강도(Kg/㎟)	신율(%)	전기전도도
1	25	(상온)	178	60.3	8	64%IACS
2	200	30min	180	62.3	8	64%IACS
3	300	30min	181	62.6	8.5	65%IACS
4	350	30min	175	61.4	10	65%IACS
5	400	30min	172	59.7	11	66%IACS
6	450	30min	162	56.9	12.5	66%IACS
7	500	30min	114	42.1	23	62%IACS
8	550	30min	106	39.3	28	55%IACS
9	600	30min	101	37.9	29	46%IACS

표 2에 근거하여 본 발명의 내연화성 측정 결과 그래프는 도 1에 온도에 따른 전기전도도의 변화는 도 2에 나타나 있으며, 상기한 바와 같이 본 발명의 동(Cu)합금은 약 500℃까지 전기전도도는 60%IACS 이상을 유지하며, 약 450℃까지는 초기 인장강도의 80%이상을 유지할 수 있었다.

Claims (2)

1. 니켈(Ni)은 1.2 ~ 2.0wt%, 규소(Si)는 0.3 ~ 0.4wt%, 마그네슘(Mg)은 0.05 ~ 0.15wt%이고, 나머지는 구리(Cu)와 불가피한 불순물인 조성을 갖으며, 500℃까지 전기전도도를 60%IACS 이상 유지하는 고강도, 고전도성 동(Cu)합금.
   
2. 중량비로서, 니켈(Ni)은 1.2~2.0wt%, 규소(Si)는 0.3~0.4wt%, 마그네슘(Mg)은 0.05~0.15wt%이고, 나머지는 구리(Cu)와 불가피한 불순물인 조성을 갖도록 용해 및 주조하여 주괴를 얻고, 750~850℃에서 2~6시간 용체화 처리후 열간압연하고 면삭하여 냉간압연하고, 이를 450℃~520℃에서 4~12시간 석출처리 후 냉간압연하고, 250~400℃에서 4~12시간 시효처리함으로써 500℃까지 전기전도도를 60%IACS 이상 유지함을 특징으로 하는 고강도, 고전도성 동(Cu)합금의 제조방법.

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