KR101249540B1 - 변형 및 확산 동시제어에 의한 하이브리드 금속소재 제조방법 및 그 하이브리드 금속소재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이종 금속의 형상 변형과 열적 활성화에 의해 연속적인 계면을 갖으면서 각 금속이 갖는 우성특성을 발휘할 수 있도록 한 변형 및 확산 동시에 제어에 의한 하이브리드 금속소재 제조방법 및 그 하이브리드 금속소재에 관한 것이다.
이를 위해, 심재 외측에 피복재를 주조하여 듀오캐스트소재를 제조하는 단계와; 듀오캐스트 소재와 압력매체를 컨테이너에 삽입하고 열을 가해 압력매체를 용해시키는 단계와; 듀오캐스트의 압출이 시작되는 압출임계압력 미만의 등방가압력으로 일정시간 램을 가압하여, 심재와 피복재의 원자들을 상대편 소재에 침투시켜 확산층을 형성하는 단계와; 램의 압력을 압출임계압력까지 도달시켜 듀오캐스트소재가 압출될 수 있는 압력으로 압출 가공하면서 원자들을 상대편 소재에 더 깊게 침투시켜 확산층의 깊이를 증가시키는단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성에 따라, 듀오캐스트소재를 압출임계압력 미만의 압력과 정해진 시간 및 온도로 정적확산 및 동적확산을 진행하여 심재와 피복재의 계면에 확산층을 깊게 형성할 수 있으므로, 유해상을 최소화시키고 계면을 안정화시켜 두 소재의 접합강도를 향상시키고, 또한 이종소재의 우성특성을 발휘할 수 있는 제품의 제조가 가능한 효과가 있으며, 또 송배전용 전력선으로 사용이 가능하여 높은 전기전도도를 확보하고, 경량화시키며, 전력선의 이도(처짐)를 줄일 수 있는 효과도 있다.

Description

변형 및 확산 동시제어에 의한 하이브리드 금속소재 제조방법 및 그 하이브리드 금속소재{It pruduct and method for manufacturing hybrid metal material}

본 발명은 하이브리드 금속소재 제조방법 및 그 하이브리드 금속소재에 관한 것으로, 적층된 이종 금속의 형상 변형과 열적 활성화에 의한 확산 메카니즘을 유도하여 조직학적으로 연속적인 계면을 갖으면서 변형전의 각 금속이 갖는 우성특성을 효과적으로 발휘할 수 있도록 한 변형 및 확산 동시에 제어에 의한 하이브리드 금속소재 제조방법 및 그 하이브리드 금속소재에 관한 것이다.

현재, 송배전용 전력선이나 지중선 케이블 등과 같이 전기의 전도가 필요한 각종 전기전도체는, 일반적으로 단일금속으로 이루어진 구리(Cu)가 사용되고 있다.

이와 같은 단일금속의 구리는 사용되는 전기전도체의 형상에 따라 봉재, 선재, 관재 등의 형태로 제조될 수 있는데, 통상 다단 형상의 압연 공정이 주류를 이루고 있다.

도 1은 상기한 다단 형상의 압연 공정을 개략적으로 나타낸 공정도로써, 단일 금속인 구리의 용탕을 주조공정을 통해 잉곳을 제조한 후, 상기 잉곳을 적어도 10단 이상의 롤러에 의한 다단 형상 압연을 거쳐 대략 8㎜급으로 선재화한다. 그리고, 선재화한 단일 구리금속은 신선공정을 통해 최종적인 요구 직경(약 2.6㎜ 이하급)을 가진 선재로 생산할 수 있게 된다.

그러나, 상기한 다단 압연은 여러 단의 롤러를 길이방향으로 길게 설치함으로써, 압연장치가 복잡한 문제가 있는 것은 물론, 상기한 구리 단일소재는 가격이 비싸고 비중이 커 결국 제품을 경량화시키는 데에 한계가 있었다.

이에, 상기한 구리 대신에 가격이 저렴하고 비중이 작은 알루미늄(Al)을 다단 압연하여 단일소재의 전기전도체로 사용하는 방안이 제시된 바 있으나, 상기한 알루미늄의 전기전도도가 구리와 대비할 때에 56% 정도에 불과한 문제가 있다.

더욱이, 구리와 알루미늄 모두 단일소재의 제한적 한계 특성으로 인해 다양한 환경에 적용하는 것이 제약적이고, 형상자유도에 상대적으로 제한이 있었다.

이에, 근래에는 기존 소재를 합금화하거나 복합 소재화하여 금속소재의 다기능화를 실현하고, 기능한계를 극복할 수 있도록 지속적인 연구 개발이 진행되고 있으나, 이를 위해서는 갈수록 고비용, 저효율의 새로운 공정이 요구되어 현실적으로는 새로운 공정 개발에 어려움을 격고 있는 실정에 있다.

특히, 최근 사용되고 있는 복합소재는 각각의 기능이 최적화되어 고 비전도도(전도도 대 비중의 비) 및 내식성, 접합성 등의 표면특성이 요구되는 환경에 사용될 수 있는 하이브리드선재(duplex wire)를 필요로 하고 있고, 전기, 전자부품, 자동차, 항공우주 및 통신 등의 경쟁력 강화를 위해서는 다기능과 임계한계가 향상된 전기전도체가 요구되고 있다.

즉, 전 세계적으로 혁신적인 선진기술의 발달과 그에 따른 제품의 고급화 등의 요구에 따라 금속재료의 형상, 기능면에서의 기술적 요구도 복잡해지고 더욱 엄격한 특성을 요구하고 있는 실정에 있는 것이다.

한편, 상기한 복합재 중 구리피복알루미늄(Copper-clad Aluminum) 소재의 경우, 무게가 가벼운 알루미늄재를 심재로 사용하고, 전기전도도가 우수한 구리를 피복재로 사용하여 이종(하이브리드) 금속소재를 제조함으로써, 알루미늄의 경량성과 우수한 내식성 및 열전도성을 바탕으로 구리의 우수한 전기 전도율을 함께 얻을 수 있는 많은 장점을 갖고 있다.

이러한, 구리피복알루미늄을 제조하기 위한 방법으로 일본에서는 압출가공법 중 정수압압출을 이용하여 압출시의 공정조건과 금형에 의한 층상 복합재의 결합에 관한 연구를 수행하였으나, 접촉 계면에서의 고상확산에 의한 결합에 대한 연구는 미흡한 실정에 있다.

그리고, 미국, 영국, 일본 등의 일부 기업들 중 영국의 HYDROSTATIC EXTRUSION CO.사에서는 간접압출법에 의한 Al/Cu(Copper sheath aluminium rod, plates)에 대한 기술개발을 꾸준히 해오고 있으며, 독일의 SMS사는 압출금형의 형상제어와 윤활제(lubricant) 사용 등 압출공정 제어에 의해 간접압출법으로 제조하고 있다.

그러나, 상기한 직간접의 압출방법은 도 2에 도시한 바와 같이 소재와 컨테이너 및 다이 사이의 마찰에 의해 압출되는 소재의 단면 형상이 불균일하게 제조되는 문제가 있다.

아울러, 미국의 Copperweld사는 여러 가지의 구리피복 와이어(Copper Clad Wire)(CCA: Copper Clad Aluminium, CCS: Copper Clad Steel)를 생산 제조하고 있다.

그러나, 도 3에 도시한 CCA의 경우 알루미늄 외측에 피복되는 구리 일부를 용접해야 하는 공정 특성상, 유해 용접면을 회피하는 것이 불가능한 문제가 있고, 단순압접에 의해 구리와 알루미늄이 적층되어 구리와 알루미늄의 계면이 불완전함으로써 전기적 특성이 저하되며, 또한 용접 가공의 별도 작업이 필요하므로 제품의 수율이 매우 낮아져 생산성이 저하되는 문제점이 있다.

특히, 이종의 금속소재가 서로 접합하여 전기 전도체 등으로 사용되기 위해서는 심재와 피복재로 사용되는 두 금속의 접촉 경계면이 기계적으로 완전한 결합이 이루어져야 하고, 기계적 성질이 서로 다른 이종재료를 대상으로 하므로 내외재의 파괴 없이 균일한 유동에 의해 결함 없이 제조될 수 있어야 하는데, 상기한 종래 기술들은 이같은 문제점을 해결하지 못하고 있다.

대한민국 공개특허공보 공개번호 제10-2001-0022528호 대한민국 공개특허공보 공개번호 제10-2008-0089246호 대한민국 공개특허공보 공개번호 제10-2010-0068484호

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 적층된 이종 금속의 형상 변형과 열적 활성화에 의한 확산 메카니즘을 유도하여 조직학적으로 연속적인 계면을 갖으면서 변형전의 각 금속이 갖는 우성특성을 효과적으로 발휘할 수 있도록 한 변형 및 확산 동시에 제어에 의한 하이브리드 금속소재 제조방법 및 그 하이브리드 금속소재를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 적층된 이종의 금속에 압력을 가하여 하이브리드 금속소재를 제조하는 방법에 있어서, 심재 외측에 피복재를 주조하여 이종의 듀오캐스트소재를 제조하는 단계와; 상기 듀오캐스트 소재와, 고상의 압력매체를 컨테이너 내에 삽입하고 외부에서 열을 가하여 압력매체를 용해시키는 단계와; 상기 듀오캐스트의 압출이 시작되는 압출임계압력을 설정하되, 상기 압출임계압력 미만의 일정한 등방가압력으로 정해진 시간동안 램을 가압하여, 상기 듀오캐스트소재의 심재와 피복재의 원자들을 계면 상에서 상대편 소재에 서로 침투시켜 소정 깊이의 확산층을 형성하는 정적확산반응단계와; 상기 램의 압력을 압출임계압력까지 상승 및 도달시켜 압출을 시작하되, 상기 듀오캐스트소재가 지속적으로 압출될 수 있는 일정한 압력으로 압출 가공하면서 원자들을 상대편 소재에 더 깊게 침투시켜 확산층의 깊이를 증가시키는 동적확산반응단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 정적확산반응단계에서 램의 가압을 통해 듀오캐스트소재의 심재와 피복재 내부에 성형된 마이크로기공을 수축시킨다.

그리고, 상기 정적확산반응단계에서 형성되는 확산층의 깊이는 컨테이너 내부의 듀오캐스트소재에 가해지는 온도와 등방가압시간에 비례하여 증가 형성된다.

또한, 상기 동적확산반응단계에서 형성되는 확산층의 깊이는 컨테이너 내부의 듀오캐스트소재에 가해지는 온도와 가압압출시간에 비례하여 증가 형성된다.

또, 상기 동적확산반응단계에서의 압출시 피복재와 다이 사이에는 용융된 압력매체가 유입되어 피복재 표면에 윤활작용을 일으키는 하이드로나믹 필름(hydronamic film)이 코팅 형성된다.

그리고, 상기 압력매체는 선형 저밀도 폴리에틸렌 수지(LLDPE)를 사용한다.

또한, 상기 동적확산반응단계 이 후에 듀오캐스트소재의 심재와 피복재의 계면을 안정화시키고 확산층을 추가하여 확산시킬 수 있도록 냉각 또는 가열 중 어느 하나의 후처리단계를 더 진행할 수 있다.

또, 상기 듀오캐스트소재의 심재는 알루미늄이고, 피복재는 구리를 사용할 수 있다.

상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 듀오캐스트소재를 압출임계압력 미만의 일정한 압력과 정해진 시간 및 온도로 정적확산반응을 진행하여 심재와 피복재의 계면에 확산층을 형성한 후에, 압출임계압력으로 정해진 속도와 시간, 압력, 온도로 동적확산반응을 진행하여 확산층의 깊이를 더욱 확대시킨다.

따라서, 이종 소재의 접촉 계면에서 발생되는 유해상을 최소화시켜 접촉 계면을 안정화시킬 수 있으므로, 확산층을 균일하게 형성하여 두 소재간의 진정한 접합 강도를 발현 및 유지시킬 수 있는 것은 물론, 이종 소재가 갖고 있는 여러 기계적 특성 중 우성특성이 결합된 제품을 제조할 수 있는 효과가 있다.

더욱이, 하이브리드 금속소재를 송배전용 전력선으로 사용하는 경우, 높은 전기전도도를 확보하고 경량화시킬 수 있으므로, 기존 알루미늄 전력선과 대비할 때 전기전도도를 향상시킬 수 있고, 전력선의 이도(처짐)를 현저하게 줄여 철탑의 수를 대폭적으로 줄일 수 있는 효과도 있다.

또한, 하이브리드 금속소재의 송배전용 전력선의 적용을 통한 경량화 및 제조원가 절감을 통해 관련 산업의 경쟁력을 향상시켜 국내는 물론 세계시장 점유율을 크게 증가시킬 수 있고, 또한 자원절감 및 경량화는 저탄소 녹색성장이 가능하여 기업의 인지도와 채산성을 가일층 높일 수 있는 효과도 있다.

도 1은 종래의 단일소재를 제조하기 위한 다단 형상의 압연 공정을 개략적으로 나타낸 공정도,
도 2는 종래 기술에 의해 이종 소재를 직접압출과 간접압출하는 장치의 개략도와 압출되는 소재의 단면 형상을 나타낸 비교도,
도 3은 종래 기술에 의한 구리피복 와이어(CCA)를 개략적으로 나타낸 사시도 및 그 계면 단면도,
도 4는 본 발명에 의한 하이브리드 금속소재의 제조방법을 개략적으로 도시한 공정도,
도 5는 본 발명에 의한 정적확산반응과 동적확산반응의 과정을 도시한 그래프,
도 6은 본 발명에 의한 정적확산반응과 동적확산반응을 통한 계면에서의 확산층의 변형 및 확산 상태도,
도 7은 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 하이브리드 금속소재의 전도도와 중량을 기존의 단일 알루미늄소재와 비교하여 나타낸 그래프,
도 8은 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 하이브리드 금속소재의 시간에 따른 이도를 기존의 단일 알루미늄소재와 비교하여 나타낸 그래프.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4 내지 도 8은 본 발명의 변형 및 확산 동시제어에 의한 하이브리드 금속소재 제조방법 및 그 하이브리드 금속소재에 대해 도시한 것으로, 크게 듀오캐스트소재 제조단계와, 압력매체 용해단계와, 정적확산반응단계와, 동적확산반응단계로 이루어진다.

도 4와 도 5를 통해 구체적으로 살펴보면, 먼저 듀오캐스트소재 제조단계에서는 융점이 서로 다른 두 가지의 이종금속을 동시에 용융하면서 계면을 조절하여 주조함으로써, 심재(15) 외측에 피복재(16)를 주조하여 이종으로 이루어진 듀오캐스트(duo-cast)소재를 적층 구성할 수 있다.

여기서, 본 발명에서 사용되는 듀오캐스트 소재로는 심재(15)는 알루미늄을 사용하고, 피복재(16)는 구리를 사용하는 것이 적절하나, 이 외에도 다른 이종의 금속소재가 적용될 수도 있으며, 이 또한 본 발명의 구성에 포함됨은 자명한 사항에 해당한다.

그리고, 상기 심재(15)와 피복재(16)는 이종 금속으로 유동응력 및 기계적 성질이 다르므로, 압출후의 왜곡이나 뜻하지 않은 변형이 일어나지 않고 정중심을 갖는 하이브리드 금속소재를 획득할 수 있도록 일정한 단면비로 설계하는 것이 적절하다.

압력매체 용해단계에서는 듀오캐스트소재 제조단계에서 제조된 듀오캐스트소재를 컨테이너(10) 내부에 투입하여 압출이 진행되는 다이(11)의 출구를 막고, 고상의 압력매체(14)를 듀오캐스트소재 후방에 삽입하며, 상기 컨테이너(10) 외부에 설치된 히터 등의 가열수단(13)을 통해 열을 가하여 상기 압력매체(14)를 용해시킨다.

여기서, 상기 액상의 압력매체(14)는 유체정역학적인 상태에 있게 되는 것으로, 적절하게는 선형 저밀도 폴리에틸렌 수지(LLDPE)가 사용될 수 있다.

계속해서, 정적확산반응단계에서는 듀오캐스트소재의 압출이 시작되는 압출임계압력(P)을 미리 설정한다. 이때, 상기 압출임계압력(P)은 듀오캐스트소재 제조에 사용된 심재(15)와 피복재(16)에 따라 다르게 설정될 수 있다.

그리고, 기설정된 압출임계압력(P) 미만의 일정한 등방가압력으로 미리 정해진 시간동안 램(12)을 가압하므로, 상기 듀오캐스트소재의 심재(15)와 피복재(16)의 원자들을 서로 접촉된 계면 상에서 상대편 소재에 서로 침투시켜 도 6의 (b)와 같은 소정 깊이의 확산층(d)을 형성한다.

이때, 상기 확산층(d)의 깊이는 컨테이너(10) 내부의 듀오캐스트소재에 가해지는 온도와 램(12)에 의한 등방가압시간에 비례하여 점차적으로 증가하게 된다. 다만, 확산층(d)의 깊이를 무한정 늘릴 수는 없으므로, 듀오캐스트소재에 가해지는 온도와 등방가압시간은 정해진 시간과 온도 범위에서 실시되어야 한다.

그리고, 상기한 램(12)의 등방가압에 의해 도 6의 (a)와 같은 듀오캐스트소재의 심재(15)와 피복재(16) 내부에 포함된 마이크로기공을 수축시킨다. 여기서, 마이크로기공이 존재하는 이유는 듀오캐스트소재가 캐스팅 공법을 통해 제조되기 때문에 심재(15)와 피복재(16) 내부에 마이크로기공이 포함될 수 밖에 없다.

이러한 마이크로기공은 각각의 심재(15)와 피복재(16)의 원자들이 서로 확산 침투하여 가는데 방해물로 작용하게 되는데, 정적확산반응단계에서 이 마이크로기공들을 수축하여 제거하게 됨으로써, 심재(15)와 피복재(16)의 계면이 밀착되어 상대 원자들이 침투할 수 있는 확률이 높아지게 된다.

아울러, 도 4 및 도 5와 같이 동적확산반응단계에서는 램(12)의 압력을 적어도 압출임계압력(P)까지 상승 및 도달시켜 압출을 시작하는 것으로, 듀오캐스트소재가 지속적으로 압출될 수 있는 임의의 일정한 압력으로 압출 가공함으로, 심재(15)와 피복재(16)의 원자들을 상대편 소재에 더 깊숙하게 침투시켜 도 6의 (c)와 같이 확산층(d)의 깊이를 더욱 증가시킨다.

여기서, 상기 동적확산반응단계에서 형성되는 확산층(d)의 깊이는 듀오캐스트소재에 가해지는 온도와, 압출이 이루어지는 가압압출시간에 비례하여 점차 증가하게 된다. 다만, 동적확산반응단계에서의 확산층(d)의 깊이 역시 무한정 늘릴 수는 없으므로, 듀오캐스트소재에 가해지는 온도와 가압압출시간은 정해진 온도와 가압속도 범위 내에서 실시되어야 한다.

그리고, 상기한 압출과정에서 피복재(16)와 컨테이너(10) 사이에는 용융된 압력매체(14)가 유입되어 함께 압출되면서 피복재(16) 표면에 윤활작용을 일으키는 하이드로나믹 필름(hydronamic film)이 코팅 형성된다.

아울러, 상기 동적확산반응단계 이 후에는 압출이 이루어진 듀오캐스트소재의 심재(15)와 피복재(16)의 계면을 안정화시키고 확산층(d)을 추가하여 확산시킬 수 있도록 냉각 또는 가열 중 어느 하나의 후열처리단계를 더 진행할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의해 하이브리드 금속소재 중 구리피복알루미늄 와이어(Al-Cu wire)를 제조하기 위해서는 먼저, 도 4와 같이 심재(15)를 알루미늄으로 선택하고 피복재(16)를 구리로 선택하여 직경이 약 30~100㎜인 듀오캐스트소재를 주조 가공한다. 이때, 상기 알루미늄과 구리의 단면비는 정중심을 갖고 동심원 상에 위치하여 압출후에 왜곡이나 변형이 발생되지 않도록 설계한다.

그리고, 상기 듀오캐스트소재를 컨테이너(10) 내부에 삽입하여 컨테이너(10) 전방에 설치된 다이(11)의 압출구를 폐쇄하고, 상기 듀오캐스트소재 후방에 작은 알갱이 형태로 이루어진 고상의 선형 저밀도 폴리에틸렌 수지(LLDPE)를 투입한 후, 램(12)을 통해 컨테이너(10) 후방을 폐쇄한다.

이와 함께, 상기 컨테이너(10) 외부에서 약 200~400℃의 온도로 열을 가하여 컨테이너(10) 내부의 듀오캐스트소재에 열을 가하는 것은 물론, 고상의 선형 저밀도 폴리에틸렌 수지를 녹여 액상의 압력매체(14)로 용융시킨다.

이 후, 램(12)을 전진시켜 액상의 압력매체(14)를 가압하게 되면, 가압된 압력매체(14)는 듀오캐스트소재를 가압하여 소재가 받는 압력이 점차적으로 올라가게 된다.

이때, 도 5와 같이 램(12)의 압력을 압출이 시작되는 압출임계압력(P)까지 바로 증가시키지 않고 그보다 작은 압력으로 가압을 하게 됨으로써, 듀오캐스트소재는 압출이 이루어지지 않는 상태에서 정수압상태 즉, 등방가압 상태로 만들어지게 된다.

이 후, 상기한 등방압 상태에서 정해진 시간만큼 일정한 가열온도의 분위기에서 유지시켜 심재(15)와 피복재(16)의 계면에 도 6의 (b)와 같이 소정 깊이의 확산층(d)을 형성하게 된다. 즉, 외부압력에 의해 심재(15)와 피복재(16)에 성형되어 있는 마이크로기공이 수축되고, 양 금속소재의 계면이 밀착되는데, 상온보다 높은 온도 분위기하에서 가압이 이루어지게 됨으로써, 심재(15)와 피복재(16)의 원자들이 상대편 금속소재에 침투하여 확산층(d)을 형성할 수 있는 것이다.

여기서, 상기한 확산층(d)은 90% 이상이 온도와 시간의 함수에 의해 정해지는 것으로, 소재의 융점(절대온도)의 1/2 이상인 온도조건에서 원활하게 확산이 일어나며, 이 온도를 만족시켜준 조건하에서는 확산층(d)의 깊이가 시간에 의존하게 된다. 즉, 소재의 원자들이 충분하게 확산될 수 있는 온도에서 오래 머무르면 머무를수록 상대소재 깊숙히 침투하여 확산층(d)의 깊이가 커지는 것이다.

이처럼, 정해진 시간동안 정적확산반응을 실시한 후에는, 도 4와 도 5에 도시한 바와 같이 다시 램(12)을 전진시켜 듀오캐스트소재에 가해지는 압력을 압출임계압력(P)까지 도달시키게 됨으로써, 압출을 시작하게 된다. 이때, 압출이 일어나게 되고 소재가 진행하게 되면, 압력이 약간 떨어진 후 소재가 지속적으로 밀려나가면서 정상상태(steady state) 압력을 유지하여 압출을 진행할 수 있게 된다.

그리고, 상기한 압출시 일정한 가열온도의 분위기에서 정해진 속도와 압력을 유지하며 압출이 일어나게 됨으로써, 심재(15)와 피복재(16)의 원자들이 상대편 금속소재에 침투하여 도 6의 (c)와 같이 확산층(d)을 더욱 깊게 형성할 수 있게 된다.

또한, 상기한 압출과정에서 도 4와 같이 액상의 압력매체(14)가 피복재(16)인 구리와 컨테이너(10) 사이에 유입되면서, 상기 압력매체(14)가 소재의 압출과 함께 다이(11)와 피복재(16) 사이로 자연스럽게 젖어들어 압출시 하이드로나믹 필름의 코팅막을 형성하게 된다. 따라서, 소재와 다이(11) 사이에 윤활작용을 일으켜 마찰계수를 '0'에 가깝게 만듦으로, 압출을 용이하게 진행시키고, 마찰에 의한 소재의 표면왜곡을 방지할 수 있게 된다.

더욱이, 상기한 동적확산반응을 위한 압출이 완료되면, 결국 직경이 약 8㎜ 이하인 하이브리드 금속소재의 구리피복알루미늄 와이어(Al-Cu wire)를 제조할 수 있게 되는데, 상기한 하이브리드 금속소재의 확산층(d) 추가확대과 계면의 안정화를 위해 필요에 따라 가열 열처리하거나 냉각처리를 진행할 수 있게 된다.

이와 같이, 본 발명의 변형 및 확산 동시제어에 의한 하이브리드 금속소재 제조방법은 듀오캐스트소재를 압출임계압력(P) 미만의 일정한 압력과 정해진 시간 및 온도로 정적확산반응을 진행하여 심재(15)와 피복재(16)의 계면에 확산층(d)을 형성한 후에, 압출임계압력(P)으로 정해진 속도와 시간, 압력, 온도로 동적확산반응을 진행하여 확산층(d)의 깊이를 더욱 확대시킨다.

즉, 이종 소재의 고온 변형 중에 각각의 상계면에서의 원자들이 열적 활성화에 의해 상기 상계면(Interphase Boundary)을 통과하여 상호 침투함으로써, 최초의 기계적 접촉에서 조직학적으로 상호 고용된 일정하고 균일한 상당 깊이의 확산층(d)을 형성할 수 있는 것이다.

따라서, 이종 소재의 접촉 계면에서 발생되는 유해상을 최소화시켜 접촉 계면을 안정화시킬 수 있으므로, 확산층(d)을 균일하게 형성하여 두 소재간의 진정한 접합 강도를 발현 및 유지시킬 수 있는 것은 물론, 이종 소재가 갖고 있는 여러 기계적 특성 중 우성특성이 결합된 제품을 제조할 수 있게 된다.

더욱이, 본 발명을 통해 제조되는 하이브리드 금속소재는 송배전용 전력선, 내식성을 요하는 일반/특수 배관용 파이프 소재 및 열교환기의 핵심부품의 소재로 사용할 수 있어, 기존 단일소재에 대비하여 동등 이상의 성능을 발휘하면서도 약 30~40%의 경량화를 실현하고, 약 15% 정도의 제조원가를 절감할 수 있게 된다.

특히, 본 발명의 구리피복알루미늄 와이어의 하이브리드 금속소재를 송배전용 전력선으로 사용하는 경우, 구리의 전기전도도를 확보하면서도 중량은 크게 줄여 전력선을 경량화시킬 수 있게 된다.

따라서, 도 7과 도 8에 도시한 바와 같이 기존 저전도성 알루미늄 소재의 전력선과 대비할 때 전기전도도를 크게 향상시키는 것은 물론, 전력선의 이도(처짐)를 줄여 수천개의 송전철탑을 감축 가능하고, 이로 인해 신규 철탑 건설에 필요한 비용을 대폭적으로 절감할 수 있게 된다.

또한, 송배전용 전력선의 경우 최근 중국의 전기설비 수요증가와 미국 및 유럽의 기존 노후설비의 교체로 인해 향후 수십조원의 시장이 형성되어 지속적인 수요 증가가 예상되는데, 하이브리드 금속소재의 적용을 통한 경량화 및 제조원가 절감을 통해 관련 산업의 경쟁력을 향상시켜 국내는 물론 세계시장 점유율을 크게 증가시킬 수 있고, 또한 자원절감 및 경량화는 저탄소 녹색성장이 가능하여 기업의 인지도와 채산성을 가일층 높일 수 있게 된다.

한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

10 : 컨테이너 11 : 다이
12 : 램 13 : 가열수단
14 : 압력매체 15 : 심재
16 : 피복재

Claims (9)

1. 적층된 이종의 금속에 압력을 가하여 하이브리드 금속소재를 제조하는 방법에 있어서,
   심재(15) 외측에 피복재(16)를 주조하여 이종의 듀오캐스트소재를 제조하는 단계와;
   상기 듀오캐스트 소재와, 고상의 압력매체(14)를 컨테이너(10) 내에 삽입하고 외부에서 열을 가하여 압력매체(14)를 용해시키는 단계와;
   상기 듀오캐스트의 압출이 시작되는 압출임계압력(P)을 설정하되, 상기 압출임계압력(P) 미만의 일정한 등방가압력으로 정해진 시간동안 램(12)을 가압하여, 상기 듀오캐스트소재의 심재(15)와 피복재(16)의 원자들을 계면 상에서 상대편 소재에 서로 침투시켜 소정 깊이의 확산층(d)을 형성하는 정적확산반응단계와;
   상기 램(12)의 압력을 압출임계압력(P)까지 상승 및 도달시켜 압출을 시작하되, 상기 듀오캐스트소재가 지속적으로 압출될 수 있는 일정한 압력으로 압출 가공하면서 원자들을 상대편 소재에 더 깊게 침투시켜 확산층(d)의 깊이를 증가시키는 동적확산반응단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 변형 및 확산 동시제어에 의한 하이브리드 금속소재 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 정적확산반응단계에서 램(12)의 가압을 통해 듀오캐스트소재의 심재(15)와 피복재(16) 내부에 성형된 마이크로기공을 수축시키는 것을 특징으로 하는 변형 및 확산 동시제어에 의한 하이브리드 금속소재 제조방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 정적확산반응단계에서 형성되는 확산층(d)의 깊이는 컨테이너(10) 내부의 듀오캐스트소재에 가해지는 온도와 등방가압시간에 비례하여 증가 형성되는 것을 특징으로 하는 변형 및 확산 동시제어에 의한 하이브리드 금속소재 제조방법.
4. 제 1항에 있어서, 상기 동적확산반응단계에서 형성되는 확산층(d)의 깊이는 컨테이너(10) 내부의 듀오캐스트소재에 가해지는 온도와 가압압출시간에 비례하여 증가 형성되는 것을 특징으로 하는 변형 및 확산 동시제어에 의한 하이브리드 금속소재 제조방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 동적확산반응단계에서의 압출시 피복재(16)와 다이(11) 사이에는 용융된 압력매체(14)가 유입되어 피복재(16) 표면에 윤활작용을 일으키는 하이드로나믹 필름(hydronamic film)이 코팅 형성되는 것을 특징으로 하는 변형 및 확산 동시제어에 의한 하이브리드 금속소재 제조방법.
6. 제 1항 또는 제 5항에 있어서, 상기 압력매체(14)는 선형 저밀도 폴리에틸렌 수지(LLDPE)를 사용하는 것을 특징으로 하는 변형 및 확산 동시제어에 의한 하이브리드 금속소재 제조방법.
7. 제 1항에 있어서, 상기 동적확산반응단계 이 후에 듀오캐스트소재의 심재(15)와 피복재(16)의 계면을 안정화시키고 확산층(d)을 추가하여 확산시킬 수 있도록 냉각 또는 가열 중 어느 하나의 후처리단계를 더 진행할 수 있는 것을 특징으로 하는 변형 및 확산 동시제어에 의한 하이브리드 금속소재 제조방법.
8. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 듀오캐스트소재의 심재(15)는 알루미늄이고, 피복재(16)는 구리인 것을 특징으로 하는 변형 및 확산 동시제어에 의한 하이브리드 금속소재 제조방법.
9. 제 1항의 제조방법에 의해 제조된 하이브리드 금속소재.

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