KR101417999B1 - 동복알루미늄 선재 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동복알루미늄 선재 제조방법에 관한 것으로서, 구리와 알루미늄의 이종 금속 간 접합 계면에서의 화합물 생성을 최대한 억제하여 불량률을 줄이고 성능을 향상시키기 위한 실시예에 따르면, 무산소 구리 판재와 로드 가공한 알루미늄 선재를 롤성형하여 동복알루미늄 선재를 제조하는 방법에 있어서, 상기 무산소 구리 판재와 상기 알루미늄 선재 간에 길이방향으로 접합계면이 형성되도록 클래딩 용접하여 복층동심원 단면을 갖는 동복알루미늄 선재를 형성하는 제1단계와; 상기 동복알루미늄 선재의 접합계면 밀착을 위한 압접 인발을 수행하는 제2단계와; 상기 동복알루미늄 선재의 직경을 감소시킴과 동시에 계면이 완벽히 접합되도록 연속 신선을 적어도 2회이상 수행하는 제3단계와; 및 상기 동복알루미늄 선재를 100℃ 내지 250℃의 온도로 열처리하는 제4단계;를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 따른 본 발명에 의하면, 상기 동복알루미늄의 취성을 최소화하여 단선 등과 같은 불량률을 최소화하고, 전기 전도도 등과 같은 동복알루미늄의 특성이 향상되는 효과가 있다.

Description

동복알루미늄 선재 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF COPPER CLAD ALUMINUM WIRE}

본 발명은 동복알루미늄 선재 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 구리와 알루미늄 간의 이종접합계면 특성을 향상시켜 안정적이고 균일한 품질을 제공하기 위한 동복알루미늄 선재 제조방법에 관한 것이다.

클래드 소재(clad material)는 이종 또는 동종의 두 가지 이상의 재료를 상호 접합시켜 하이브리드(hybrid)된 복합소재의 일종으로 전기전자산업, 항공우주산업, IT산업 등 첨단산업에서 요구하는 내식성과 전기전도성을 갖춘 신소재로 주목받고 있다.

알루미늄은 열 전도성이 높고 전기 전도성 또한 구리 다음으로 높은 금속으로 상대적으로 구리와 같은 단면적일 경우, 구리 전기 전도성의 62% 정도이지만 중량은 구리의 약 30% 정도로 구리의 중량에 비해 상대적으로 매우 가볍기 때문에 단위 중량 당 전도성 측면에서는 알루미늄이 유리한 장점을 가지고 있다. 뿐만 아니라, 구리의 가격이 알루미늄의 약 3배에 달하기 때문에 구리와 알루미늄의 적절한 복합화는 경제적인 측면에서도 유리하다.

따라서, 상기와 같은 알루미늄의 장점을 이용하기 위하여 고순도 알루미늄과 구리를 클래딩한 동복알루미늄(CCA; Copper Clad Aluminum)이 개발되었으며, 상기 동복알루미늄은 구리 비중인 8.9g/㎤로 기존의 구리와 대비하여 40%의 경량화와 30%의 비용 절감을 실현할 수 있다. 또한 전기적 성능은 구리 대비 약 10% 정도의 도체 면적으로 구리와 동등 수준의 통전 용량을 갖는 도체가 개발되어 상용화되고 있고, CCA 부스바 및 CCA 전선 등이 개발되어 원가절감 및 제품 경량화에 크게 기여하고 있다.

근래 들어, 상업화되고 있는 동복알루미늄 선재는 직경이 수 mm(밀리미터) 에서 점차적으로 서브 mm(밀리미터) 오더의 극세선으로 변화되는 추세에 있다. 특히, 동복알루미늄 선재와 같은 클래드 소재의 경우, 극세선이 되면 이종금속 간의 접합 계면층의 점적률이 급격히 증가되기 때문에 계면층에서 발현되는 특성이 동복알루미늄 전체의 특성을 좌우하게 된다. 따라서, 동복알루미늄 선재가 극세선화되면 접합 계면 특성을 향상시켜야 하며 이를 위해 계면에 형성되는 각종 금속간 화합물의 형성을 최대한 억제하는 것이 필수적이다.

통상적으로 사용되고 있는 동복알루미늄 선재의 경우, 순도 99.99%의 무산소동 판재와 1070계 알루미늄 로드(Rod)가 원소재로 사용되고 있다. 아래의 표1은 알루미늄 1070계의 화학성분을 나타낸다.

종류 (JIS규격)	Al	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Zn	Ti
1070	99.70 이상	0.20	0.25	0.04	0.03	0.03	0.04	0.03

표1을 보면 알 수 있듯이, Al 원소 이외에 Si, Fe, Cu, Mn, Mg, Zn, Ti와 같은 금속간 화합물 형성 원소들이 미량이지만 존재하는 것을 알 수 있다. 이런 원소들과 구리가 반응하게 되면 다양한 결합 형태의 반응 화합물을 만들게 되는데, 이러한 화합물 중에는 2성분이나 3성분 및 4성분 이상이 결합된 다성분 화합물들이 생성될 수 있다.

그러나, 상기한 화합물들은 모두 전기 저항을 증가시켜 전기 전도도가 저하되므로 동복알루미늄의 특성이 심각하게 저하되는 문제점을 유발한다.

한편, 선재 제조 중 반복된 신선 가공에 의해 선재 내부에 응력이 축적되어 선재의 탄성 증가로 인해 일정 횟수 이상의 신선 가공이 불가능해지는데, 축적된 내부 응력을 해소하기 위해 300℃ 내지 450℃에서 열처리를 한다.

그러나, 상기한 온도 범위에서 열처리할 경우, 금속 원자들의 확산이 용이해져 접합 계면에서 반응 생성물, 즉 금속간 화합물이 형성되고 조대화되어 접합 계면에서의 취성을 증대시키는 결과를 초래함으로써 선재의 신선가공 중 단선의 요인이 된다.

KR 10-0748874 B1 KR 10-0887759 B1

앞선 배경기술에서 도출된 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 구리와 알루미늄의 이종 금속 간 접합 계면에서의 화합물 생성을 최대한 억제하여 불량률을 줄이고 성능을 향상시킬 수 있는 동복알루미늄 선재를 제조하는 것이다.

특히, 순도 99.8% 이상의 고순도 알루미늄(1080, 1085, 1N90, 1N99)를 사용하여 안정적이고 균일한 품질의 동복알루미늄 선재를 제조하는 것이다.

상기한 목적은, 본 발명의 실시예에 따라, 무산소 구리 판재와 로드 가공한 알루미늄 선재를 롤성형하여 동복알루미늄 선재를 제조하는 방법에 있어서, 상기 무산소 구리 판재와 상기 알루미늄 선재 간에 길이방향으로 접합계면이 형성되도록 클래딩 용접하여 복층동심원 단면을 갖는 동복알루미늄 선재를 형성하는 제1단계와; 상기 동복알루미늄 선재의 접합계면 밀착을 위한 압접 인발을 수행하는 제2단계와; 상기 동복알루미늄 선재의 직경을 감소시킴과 동시에 계면이 완벽히 접합되도록 연속 신선을 적어도 2회이상 수행하는 제3단계와; 및 상기 동복알루미늄 선재를 100℃ 내지 250℃의 온도로 열처리하는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 동복알루미늄 선재 제조방법에 의해 달성된다.

여기서, 상기 제4단계의 열처리는 2시간 내지 3시간을 수행하여 상기 동복알루미늄 선재의 계면 반응층을 3㎛ 내지 7㎛의 두께로 형성시키는 것이, 상기 동복알루미늄의 취성을 최소화는 계면 조직을 형성하는 데 바람직하다.

상기한 바와 같이 구성되고 작용하는 본 발명에 의하면, 동복알루미늄 선재를 250℃ 이하의 온도에서 열처리하여 접합 계면에서의 화합물 생성을 최대한 억제할 수 있다. 이에 따라, 상기 동복알루미늄의 취성을 최소화하여 단선 등과 같은 불량률을 최소화하고, 전기 전도도 등과 같은 동복알루미늄의 특성이 향상되는 효과가 있다.

특히, 순도 99.8% 이상의 고순도 알루미늄(1080, 1085, 1N90, 1N99)를 사용함으로써 안정적이고 균일한 품질의 동복알루미늄 선재의 제조가 가능한 효과가 있다.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 동복알루미늄 선재의 접합 형태를 설명하기 위한 개념도이고,
도2는 본 발명의 실시예에 따른 동복알루미늄 선재의 접합 계면층을 도시하는 광학현미경 확대도이고,
도3은 본 발명의 실시예에 따른 동복알루미늄 선재의 접합 계면층을 도시하는 주사전자현미경 확대도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.

본 실시예에서, 동복알루미늄 선재(60)는 도1에 도시한 바와 같이, 무산소 구리 판재와 로드 가공한 알루미늄 선재를 롤성형한 것으로서, 알루미늄 선재(40) 및 상기 알루미늄 선재(40)를 둘러싸는 구리 판재(20)를 포함한다. 이러한 동복알루미늄(60)은 구리가 피복된 알루미늄 와이어로서, 그 알루미늄 선재(40)는 알루미늄이나 알루미늄과 같이 구리보다 전기 전도성은 조금 떨어지지만 가벼운 또 다른 종류의 금속이나 합금으로 구현될 수 있고, 그 구리 판재(20)는 구리나 구리와 같이 알루미늄보다 전기 전도성은 좋지만 상대적으로 무거운 또 다른 종류의 금속이나 합금으로 구현될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 동복알루미늄 선재 제조방법은, 무산소 구리 판재(20)와 알루미늄 선재(40) 간에 길이방향으로 접합계면이 형성되도록 클래딩 용접하여 복층동심원 단면을 갖는 동복알루미늄 선재(60)를 형성하는 제1단계와, 상기 동복알루미늄 선재(60)의 접합계면 밀착을 위한 압접 인발을 수행하는 제2단계와, 상기 동복알루미늄 선재(60)의 직경을 일정 수치까지 감소시킴과 동시에 계면이 완벽히 접합되도록 연속 신선을 적어도 2회이상 수행하는 제3단계와, 상기 동복알루미늄 선재(60)를 100℃ 내지 250℃의 온도로 열처리하는 제4단계를 포함한다.

여기서, 원소재인 구리는 순도 99.99% 이상의 무산소동을 사용하고 알루미늄 역시 순도 99.8% 이상의 고순도 알루미늄인 1080,1085,1N90,1N99(JIS 규격)을 사용하여 동복알루미늄 선재 제조 중, 구리와 알루미늄의 접합계면층에서 불순물의 원소들이 반응해 형성되는 각종 금속간 화합물들을 최대한 억제함으로써 선재의 품질이 안정적이고 균일해지도록 한다.

상기 제1단계에서 클래딩 용접된 동복알루미늄(60)은 제2단계에서 압접 인발을 수행하게 되는데, 압접 인발에 의한 동복알루미늄(60)의 단면 감소율은 20~25% 범위 내에서 이루어질 수 있다.

상기 제3단계에서 신선(wire drawing)은 동복알루미늄 선재(60)를 원하는 규격으로 늘려 뽑는 공정을 지칭한다. 여기서, 상기 동복알루미늄 선재(60)의 신선 공정의 속도는 동일한 단면적의 구리 선재를 신선하는 속도의 70% 내지 90%의 속도로 진행하는 것이 바람직하며, 80%의 속도로 진행하는 것이 가장 바람직하다. 다시 말해, 동복알루미늄 선재(60)에 대한 신선 공정의 속도가 상기 70%보다 작으면 신선 공정에 소요되는 시간이 너무 길어져 효율과 수율이 저하되고, 상기 90%보다 크면 알루미늄 선재(40)의 인장 강도가 신선 공정의 속도를 따라가지 못하여 끊어져 버릴 수 있다. 따라서, 효율과 알루미늄 선재(40)의 인장 강도를 고려하여 신선 공정의 속도를 적절하게 조절하는 것이 중요하다. 한편, 제3단계의 연속 신선 공정을 통한 동복알루미늄 선재(60)의 단면 감소율은 2% 내지 10% 범위 내에서 이루어질 수 있다.

상기 제4단계에서 열처리는 2시간 내지 3시간을 수행하여 상기 동복알루미늄 선재(60)의 계면 반응층을 3㎛ 내지 7㎛의 두께로 형성시키는 것이, 상기 동복알루미늄(60)의 취성을 최소화는 계면 조직을 형성하는 데 바람직하다. 여기서, 열처리 도중의 표면 산화를 방지하기 위해 질소나 아르곤 가스와 같은 불활성 가스 분위기를 유지하는 유도가열방식의 가열로를 이용할 수 있음은 물론이다.

도2는 본 발명의 실시예에 따른 직경 0.1mm인 동복알루미늄 선재(60)의 구리와 알루미늄의 접합 계면층의 광학현미경 확대도이다. 도2에 도시된 바에 따르면, 접합 계면에서의 특이한 반응 생성물은 발견되지 않는다.

도3은 본 발명의 실시예에 따른 동복알루미늄 선재(60)의 접합 계면층을 도시하는 주사전자현미경 확대도이다. 도3은 도2의 접합 계면을 더욱 세밀하게 조사하기 위해 250배 배율까지 확대 관찰한 주사전자현미경 확대도를 나타내는 것으로서, 여기에서 알 수 있듯이 구리와 알루미늄의 계면에서 이종 금속 간의 화합물 형성은 발견할 수 없었다.

따라서, 본 발명의 실시예에 의하면, 전기저항과 취성을 증가시키는 반응 생성물이 없는 특성이 향상된 동복알루미늄 선재(60)를 제조할 수 있다. 다시 말해, 동복알루미늄 선재를 250℃ 이하의 온도에서 열처리하여 접합 계면에서의 화합물 생성을 최대한 억제할 수 있다. 이에 따라, 상기 동복알루미늄의 취성을 최소화하여 단선 등과 같은 불량률을 최소화하고, 전기 전도도 등과 같은 동복알루미늄의 특성이 향상되는 효과가 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 동복알루미늄 선재의 제조방법은, 선재 이외의 판재, 평각선 등 모든 형상의 클래딩 소재에서도 같은 효과를 나타낼 수 있음은 물론이다.

전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 상술한 실시예들은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상의 범위에서 다양한 수정 및 변경이 가능할 것이다. 이러한 다양한 수정 및 변경 또한 본 발명의 기술적 사상의 범위 내라면 하기에서 기술되는 본 발명의 청구범위에 속한다 할 것이다.

20: 무산소 구리 판재
40: 알루미늄 선재
60: 동복알루미늄 선재

Claims (2)

1. 무산소 구리 판재와 로드 가공한 알루미늄 선재를 롤성형하여 동복알루미늄 선재를 제조하는 방법에 있어서,
   상기 무산소 구리 판재와 상기 알루미늄 선재 간에 길이방향으로 접합계면이 형성되도록 클래딩 용접하여 복층동심원 단면을 갖는 동복알루미늄 선재를 형성하는 제1단계;
   상기 동복알루미늄 선재의 접합계면 밀착을 위한 압접 인발을 수행하는 제2단계;
   상기 동복알루미늄 선재의 직경을 감소시킴과 동시에 계면이 완벽히 접합되도록 연속 신선을 적어도 2회이상 수행하는 제3단계; 및
   상기 동복알루미늄 선재를 100℃ 내지 250℃의 온도로 열처리하는 제4단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 동복알루미늄 선재 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제4단계의 열처리는 2시간 내지 3시간을 수행하여 상기 동복알루미늄 선재의 계면 반응층을 3㎛ 내지 7㎛의 두께로 형성시키는 것을 특징으로 하는 동복알루미늄 선재 제조방법.

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