KR101499490B1

KR101499490B1 - 고강도와 전자기파 차폐 특성을 갖는 동합금의 제조방법

Info

Publication number: KR101499490B1
Application number: KR20140016953A
Authority: KR
Inventors: 김진우
Original assignee: 김진우
Priority date: 2014-02-13
Filing date: 2014-02-13
Publication date: 2015-03-06

Abstract

이 발명은 종래 고강도의 베릴륨동이나 전자기파 차폐용으로 사용하는 동 테이프 또는 철 테이프를 대체하여 낮은 원가로 강도를 높이면서 전자기파 차폐효과도 높은 고강도와 전자기파 차폐특성을 갖는 동합금의 제조방법의 제공을 목적으로 한다.
상기의 목적을 실현하기 위해 이 발명은, 철동(Fe-Cu) 모합금, 코발트동(Co-Cu) 모합금, 니켈동(Ni-Cu)모합금을 동(Cu)과 함께 용해시켜 철(Fe) 5~9.9 중량%, 코발트(Co) 0.05~2 중량%, 니켈(Ni) 0.1~5 중량%, 나머지 동(Cu)으로 이루어지는 용탕을 형성하는 공정과; 상기 공정에서 철(Fe) 5~9.9 중량%, 코발트(Co) 0.05~2 중량%, 니켈(Ni) 0.1~5 중량%, 나머지 동(Cu)으로 형성된 용탕에, 알루미나 파우더 0.2~0.3 중량%를 투입하여 표면을 피복하는 공정; 상기 공정에서 알루미나 파우더 0.2~0.3 중량%를 투입하여 피복된 용탕에, 붕소(B)와 지르코늄(Zr) 0.01~0.5 중량%를 각각 투입하는 공정; 및, 상기 공정에서 붕소(B)와 지르코늄(Zr) 0.01~0.5 중량%가 각각 투입된 용탕을 빌렛이나 슬라브의 동합금으로 주조하는 공정;을 포함하여 철(Fe) 5~9.9 중량%, 코발트(Co) 0.05~2 중량%, 니켈(Ni) 0.1~5 중량%, 붕소(B) 0.01~0.5 중량%, 지르코늄(Zr) 0.01~0.5 중량%, 나머지 동(Cu)으로 이루어지는 고강도와 전자기파 차폐 특성을 갖는 동합금을 제조한다.

Description

고강도와 전자기파 차폐 특성을 갖는 동합금의 제조방법 {Method of manufacturing Cu alloy having high strength and electromagnetic wave shielding property}

이 발명은 동합금에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고강도의 베릴륨동이나 전자기파 차폐용으로 사용하는 동 테이프 또는 철 테이프를 대체하여 고강도와 전자기파 차폐 특성을 동시에 갖는 동합금의 제조방법에 관한 것이다.

전기ㆍ전자기기들이 고성능화, 고집적화가 되면서 이에 따른 노이즈로 인한 오작동이 반사적으로 뒤따르게 되었는바 이를 해결할 수 있는 소재가 필요하게 되었고 또한 고정밀도, 고성능화에 따른 반복동작 특성에 부응키 위해 고강도 소재가 요망되고 있다.

이로부터 고강도 및 전기 전도도가 우수한 동합금은, 제 3세대 동합금으로서 철 2.3%, 아연 0.12%, 인 0.03%, 나머지가 구리인 합금이 주류를 이루어 왔으며, 그 물리적 성질이 인장강도 450~500MPa, 경도(EH재) 135~150HV, 도전율 60% 이상을 나타내고 있다.

그러나 상기와 같은 소재는 인장강도 700~1000MPa, 경도(EH재) 170~200HV를 요구하는 베릴륨동에 비하여 강도가 떨어지고 전자기파 차폐를 필요로 하는 곳에서는 그 효과가 미미하였다.

여기서 외부의 전자기파에 의한 신호의 노이즈 발생을 방지하는 전자기파 차폐기술로 동 테이프나 철 테이프를 피복하는 방식이 적용될 수 있고, 이러한 전자기파를 차폐하는 소재 중에는 은이나 카본류가 주류를 이루며 40~60㏈ 정도의 전자기파 차폐효과가 있다.

또한 전자기파 차폐를 위한 일반적인 금속 소재로서는 동이나 알루미늄이 있는데, 20~30㏈ 정도로서 전자기파 차폐효과가 미미하고, 은이나 카본류인 CNT(Carbon Nano Tube)는 일반적인 소재에 비해 10배 정도의 전자기파 차폐효과가 있지만, 값이 매우 비싼 단점이 있다.

상기한 전자기파 차폐기술과 관련하여 일본 특허공개 제2012-207275호와 일본 특허공개 제2012-207246호 그리고 일본 특허공개 제2012-207286호에는, 철 10~50 중량%, 니켈 또는 코발트 0.001~5.0 중량% 및 C를 10PPM 이상 함유하는 Cu-Fe계 동합금과 P, Si, Ti, Mg, Ca, Zr, Cr, Al, B를 1 또는 2개의 합계 함량이 0.005~2.0 중량%와 Zn 0.005~5 중량%, Ag, Sn, In, Mn, Au, Pt의 1 또는 2종의 합계 함량이 0.001~5.0 중량%로 이루어진 동합금이 개시되어 있다.

그러나 철이 10% 이상이 되면 융점이 급속도로 올라 1450℃ 이상에서 용해하여야 하므로 로내화물 및 사용 지그의 손상, 대기와의 급속한 반응으로 인한 소재 내부의 가스 기공 증가와 함께 용해 온도와 주조 온도가 상승하여 작업성 저하와 다량의 주조불량 발생 및 이로 인한 생산원가의 상승을 가져오는 문제점이 있었다.

또한 쉽게 산화된 철의 산화물 때문에, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 열간 압연 시 크랙 현상이 발생되어 압연 가공이 불가능한 단점이 있었다.

일본 특허공개 제2012-207275호 일본 특허공개 제2012-207246호 일본 특허공개 제2012-207286호

이 발명은 위의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 종래 고강도의 베릴륨동이나 전자기파 차폐용으로 사용하는 동 테이프 또는 철 테이프를 대체하여 낮은 원가로 강도를 높이면서 전자기파 차폐효과도 높은 고강도와 전자기파 차폐특성을 갖는 동합금의 제조방법의 제공을 목적으로 한다.

상기의 목적을 실현하기 위해 이 발명은, 철동(Fe-Cu) 모합금, 코발트동(Co-Cu) 모합금, 니켈동(Ni-Cu)모합금을 동과 함께 용해시켜 철(Fe) 5~9.9 중량%, 코발트(Co) 0.05~2 중량%, 니켈(Ni) 0.1~5 중량%, 나머지 동(Cu)으로 이루어지는 용탕을 형성하는 공정과; 상기 공정에서 철(Fe) 5~9.9 중량%, 코발트(Co) 0.05~2 중량%, 니켈(Ni) 0.1~5 중량%, 나머지 동(Cu)으로 형성된 용탕에, 알루미나 파우더 0.2~0.3 중량%를 투입하여 표면을 피복하는 공정; 상기 공정에서 알루미나 파우더 0.2~0.3 중량%를 투입하여 피복된 용탕에, 붕소(B)와 지르코늄(Zr) 0.01~0.5 중량%를 각각 투입하는 공정; 및, 상기 공정에서 붕소(B)와 지르코늄(Zr) 0.01~0.5 중량%가 각각 투입된 용탕을 빌렛이나 슬라브의 동합금으로 주조하는 공정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도와 전자기파 차폐 특성을 갖는 동합금의 제조방법을 제공한다.

삭제

바람직하게는, 상기 용탕을 형성하는 공정에서, 철동(Fe-Cu) 모합금은 철과 동이 50중량% 대 50중량%, 코발트동(Co-Cu) 모합금은 코발트와 동이 10중량% 대 90중량%, 니켈동(Ni-Cu) 모합금은 니켈과 동이 20중량% 대 80중량% 로 할 수 있다.

상기의 구성을 갖는 이 발명의 고강도와 전자기파 차폐 특성을 갖는 동합금의 제조방법에 의하면, 철(Fe) 5~9.9 중량%, 코발트(Co) 0.05~2 중량%, 니켈(Ni) 0.1~5 중량%, 붕소(B) 0.01~0.5 중량%, 지르코늄(Zr) 0.01~0.5 중량%, 나머지 동(Cu)을 포함함으로써, 강도를 향상시키는 원소인 니켈과, 강도와 고온 내열성을 향상시키는 코발트를 첨가하는 것에 의해 고가이며 환경 및 인체에 유해한 베릴륨동을 대체할 수 있어 낮은 원가로 고강도를 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 종래 소재가 20~30㏈ 이하인 것과 달리, 30㎒~1.5㎓ 고주파 영역에서 80㏈ 이상의 전자기파 차폐효과를 나타내므로 전자기파 차폐효과가 극히 우수하여 전기ㆍ전자 회로에서 노이즈에 의한 오작동 제어와 노이즈 감소를 할 수 있어 전자기파 차폐소재로 널리 적용될 수 있으며, 더욱이 니켈과 코발트가 첨가되어 강도를 높임과 동시에 전자파 차폐효과도 10~20㏈ 증가시키는 효과가 있게 된다.

따라서 종래 전자기파 차폐 소재보다 낮은 원가로 전자기파 차폐효과를 극대화시키면서 종래 소재가 이루지 못했던 고강도를 동시에 구현할 수 있게 된다.

도 1은 철(Fe)이 15% 함유된 동합금을 열간 압연할 때 크랙이 발생한 경우를 나타낸 것이고,
도 2는 이 발명의 실시 예에 따른 동합금의 제조방법을 실현하는 공정을 나타낸 것이고,
도 3a 및 도 3b는 이 발명의 실시 예에 따른 동합금의 전자기파 차폐 효과를 나타낸 것이고,
도 4는 이 발명의 실시 예에 따른 동합금을 전기전도도, 인장강도, 경도로 구분하여 베릴륨동과 C194와 비교하여 표로 나타낸 것이다.

이하에서는, 이 발명의 바람직한 실시 예를 첨부하는 도면들을 참조하여 상세하게 설명하는데, 이는 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 이 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.

도 2는 이 발명의 실시 예에 따른 동합금의 제조방법을 실현하는 공정을 나타낸 것이다.

이 발명의 실시 예에 따른 동합금은, 도 2에 도시되어 있는 바와 같은 공정을 통해 제조된다.

먼저, 철동(Fe-Cu) 모합금, 코발트동(Co-Cu) 모합금, 니켈동(Ni-Cu)모합금을 동과 함께 용해시켜 철 5~9.9 중량%, 코발트 0.05~2 중량%, 니켈 0.1~5 중량%, 나머지 동으로 이루어지는 용탕을 형성한다.(S201)

이 발명의 실시 예에서 철이 5~9.9 중량%인데, 철이 5중량% 미만이면 자기파의 차폐효과가 40㏈ 이하로 저하되어 효과가 미미해지는 문제점이 있으며, 철이 10중량% 이상이면 판재나 선재로 가공하기가 어려워 압연이나 인발 가공 시 불량이 과도하게 발생될 뿐만 아니라 용해 및 주조 온도가 높아 작업성 및 생산성이 떨어지고 제조원가도 높아지며 품질이 저하되는 문제가 있게 된다.

또한 이 발명의 실시 예에서 코발트가 0.05~2 중량%, 니켈이 0.1~5 중량%인데, 상기의 범위 미만이면 강도 개선 효과가 미미하고 범위 이상이면 과도한 금속간 화합물을 형성하여 압연이나 인발 가공 시 가공성을 해치고 절판이나 단선 등 불량 발생의 원인으로 된다.

상기 S201의 용탕을 형성하는 공정은, 재료 금속으로 철동(Fe-Cu) 모합금, 코발트동(Co-Cu) 모합금, 니켈동(Ni-Cu) 모합금, 동(Cu)을 함께 용해시키는 것으로, 여기서 재료 금속의 하나로 철동 모합금을 사용하는 것에 의해 온도를 1250℃로 낮추어 용해할 수 있으므로 순수한 금속 철을 용해할 경우 철의 융점인 1539℃의 고온으로 용해함으로써 발생되는 철의 과도한 산화와 노벽의 침식, 사용 지그의 제한에 따른 제반 문제점을 해결할 수 있다.

상기 철동(Fe-Cu) 모합금, 코발트동(Co-Cu) 모합금, 니켈동(Ni-Cu) 모합금은 이 발명이 속하는 기술 분야에서 알려진 방법에 의해 제조할 수 있다.

예를 들면, 철을 완전히 용해시킨 용탕 내에 구리와 플럭스를 투입하고 용해시킨 다음 용탕 표면의 플럭스를 제거하고 응고시켜 철동 모합금 잉고트를 제조할 수 있고, 코발트동(Co-Cu) 모합금, 니켈동(Ni-Cu) 모합금도 상기와 동일한 방법으로 제조할 수 있다.

상기의 용탕을 형성하는 S201 공정에서는, 철동(Fe-Cu) 모합금은 철과 동이 50중량% 대 50중량%, 코발트동(Co-Cu) 모합금은 코발트와 동이 10중량% 대 90중량%, 니켈동(Ni-Cu) 모합금은 니켈과 동이 20중량% 대 80중량%로 한다.

또한 상기 철동(Fe-Cu) 모함금과 함께 용해시키는 금속 동(Cu)은, 이 발명의 실시 예에 따른 철 5.5 ~ 9.9 중량%, 코발트 0.05~2 중량%, 니켈 0.1~5 중량%가 포함된 동합금의 제조를 위해 모합금의 사용량에 따른 전체 비율을 유지할 수 있는 범위로 투입된다.

다음으로 상기 S201 공정에서 철(Fe) 5~9.9 중량%, 코발트(Co) 0.05~2 중량%, 니켈(Ni) 0.1~5 중량%, 나머지 동(Cu)으로 형성된 용탕에 알루미나 파우더 0.2~0.3 중량%를 투입하여 표면을 피복한다.(S202)

상기의 용탕을 피복하는 S202 공정에서 투입되는 알루미나 파우더는, 재료 금속의 용탕 표면을 피복하여 용탕의 산화를 방지하는 용탕 표면 피복재이며, 코발트, 철은 융점이 높아 산화되기 쉬우며, 특히 철산화물은 비금속 개재물로 존재하여 열간 압출이나 열간 압연 시 압연 판이 크랙이 발생되는 원인이 되기 때문에 철이 산화가 되지 않도록 용해 주조 시 용탕의 표면 피복을 철저히 해준다.

이 발명의 실시 예에서는 알루미나 파우더를 사용하여 용탕의 표면을 피복하여 철의 산화를 막는데 있어서, 용탕 100 중량%에 대해 0.2~0.3 중량%의 비율로 투입한다.

다음으로 상기 S202 공정에서 알루미나 파우더 0.2~0.3 중량%를 투입하여 피복된 용탕에는, 붕소(B)와 지르코늄(Zr) 0.01~0.5 중량%를 각각 투입한다.(S203)

상기 S203 공정에서는, 용탕 형성 공정에서 열간 압출이나 열간 압연 시 발생되는 크랙 문제점과 냉간 압연에서 발생되는 두께 편차, 절판 등의 문제점을 개선시키기 위해, 용탕이 형성된 다음 1250℃에서 붕소(B)와 지르코늄(Zr) 0.01~0.5 중량%를 각각 투입한다.

붕소와 지르코늄은 입자 미세화제로서 상기의 문제점을 개선시키지만 0.01 중량%보다 낮으면 문제점이 개선되기 어렵고, 0.5 중량%보다 과량으로 포함되는 경우에는 과도한 금속간 화합물이 형성되어 가공 시 크랙이 발생되는 문제점이 있어 0.01~0.5 중량% 내에서 함량을 유지해야한다.

다음으로 상기 S203 공정에서 붕소(B)와 지르코늄(Zr) 0.01~0.5 중량%가 각각 투입된 용탕을 빌렛이나 슬라브의 동합금으로 주조한다.(S204)

상기의 S201 내지 S204 공정을 통해, 철 8중량%, 코발트 0.1중량%, 니켈 0.21중량%, 붕소 0.08중량%, 지르코늄 0.08중량%, 나머지 동을 함유하는 두께 50㎜, 폭 300㎜, 길이 800㎜의 슬라브로 동합금을 주조하는 과정은 다음과 같다.

먼저 철동 모합금(Fe-Cu) 20㎏, 코발트동(Co-Cu) 모합금 1.2㎏, 니켈동(Ni-Cu) 모합금 1.3㎏, 금속 동 100㎏을 고주파 유도로에 장입하고 금속재료 장입 후 용탕표면이 대기 중에 노출되어 산화 되는 것을 방지하기 위해 용탕피복재인 알루미나 파우더를 3.6㎏ 투입하고 온도를 서서히 승온시켜 완전히 용해시킨다.

그리고 용탕 온도를 1250℃까지 올린 후 전력 공급을 중지하고, 붕소0.1㎏ 그리고 지르코늄은 용해 온도가 높아 단독으로 용해가 불가능하므로 모합금으로 만들어 융점을 낮춘 다음 투입하기 위해 10%Zr-90%Cu 1.1㎏을 용탕에 투입하여 입자 미세화를 실시하고 탈산제로 탈산한 후, 3분간 진정시킨 다음 용해로에서 몰드로 이탕하여 주조한다.

상기와 같은 방법에 의해 제조되는 이 발명의 실시 예에 따른 동합금은, 동합금 압연 판의 형태로 제조하여 고강도와 높은 전자기파 차폐 특성을 확인할 수 있으며, 첨부하는 도면들을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 3a 및 도 3b는 이 발명의 실시 예에 따른 동합금의 전자기파 차폐 효과를 나타낸 것이고, 도 4는 이 발명의 실시 예에 따른 동합금을 전기전도도, 인장강도, 경도로 구분하여 베릴륨동과 C194와 비교하여 표로 나타낸 것이다.

상기의 S201 내지 S204 공정을 통해 주조되는 슬라브 형태의 이 발명의 실시 예에 따른 동합금을 압연 판으로 제조하기 위해, 주조된 빌렛이나 슬라브를 압출하거나 열간 압연하고 면삭한 후 냉간 압연하여 판을 제조하는 조압연 공정을 수행한다.

다음으로 조압연된 판을 열처리하는 공정을 수행하고, 열처리된 압연 판을 85% 이상의 압하율로 냉간 압연하여 압연 판의 강도를 향상시키는 강도 향상 공정을 수행한다.

이 발명의 실시 예에 따른 슬라브 형태의 동합금을 0.35T 두께의 동합금 압연 판으로 제조하는 과정은 다음과 같다.

상기의 S204 내지 S204 공정을 통해 주조된 슬라브를 일반적인 방법에 따라 11㎜ 두께로 열간 압연하고 면삭한 후, 2㎜ 두께로 냉간 압연기에서 압연한 다음, 10^-1~10^-2 torr의 진공 분위기에서 400~700℃의 온도로 6시간 열처리하여 연질재를 얻고, 이를 압연 소재로 하여 총압하율 85%로 0.35T의 두께를 갖도록 압연하여 동합금 압연 판을 제조하였다.

상기와 같이 제조되는 0.35T 두께의 동합금 압연 판에 대해 대해 전자기파 차폐효과를 시험하였으며, 도 3a 및 도 3b에 도시되어 있는 바와 같은 결과를 얻었다.

이 발명의 실시 예에 따른 동합금을 0.35T 두께의 동합금 압연 판으로 제조하여 전자기파 차폐효과를 측정한 결과로부터, 전기파는 5㎒ 에서 80㏈이상으로 쉽게 차폐가 되며, 자기파도 30㎒ 이상에서 80㏈ 이상으로 차폐가 되므로, 30㎒~1.5㎓ 고주파 영역에서 80㏈ 이상의 전자기파 차폐효과가 나타내고 있음을 확인할 수 있어, 종래 동이나 알루미늄의 소재가 20~30㏈ 이하인 점을 감안하면 이 발명의 실시 예에 따른 동합금의 전자기파 차폐효과가 매우 우수함을 확인할 수 있다.

그리고 이 발명의 실시 예에 따른 동합금을 0.35T 두께의 동합금 압연 판으로 제조하여 전기전도도, 인장강도, 경도를 여기서 전기전도도가 뛰어난 C194와 강도가 우수한 베릴륨동을 대상으로 하여 비교하였으며, 도 4에 도시되어 있는 바와 같은 결과를 얻었다.

도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 이 발명의 실시 예에 따른 동합금 은, 베릴륨동과 유사한 고강도의 물성을 지니고 있으며 전기전도도 또한 C194에 근접하여 뛰어남을 확인할 수 있었으며, 이와 함께 전자파 차폐효과도 높으면서 낮은 원가를 갖는 경쟁력을 구비한다.

이 발명은 상기의 실시 예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에 기재되는 발명의 범위 내에서 다양한 변형이 가능하고, 이러한 변형도 이 발명의 범위 내에 포함된다.

201~204 : 이 발명의 실시 예에 따른 동합금의 제조공정

Claims

삭제
철동(Fe-Cu) 모합금, 코발트동(Co-Cu) 모합금, 니켈동(Ni-Cu)모합금을 동(Cu)과 함께 용해시켜 철(Fe) 5~9.9 중량%, 코발트(Co) 0.05~2 중량%, 니켈(Ni) 0.1~5 중량%, 나머지 동(Cu)으로 이루어지는 용탕을 형성하는 공정과;
상기 공정에서 철(Fe) 5~9.9 중량%, 코발트(Co) 0.05~2 중량%, 니켈(Ni) 0.1~5 중량%, 나머지 동(Cu)으로 형성된 용탕에, 알루미나 파우더 0.2~0.3 중량%를 투입하여 표면을 피복하는 공정;
상기 공정에서 알루미나 파우더 0.2~0.3 중량%를 투입하여 피복된 용탕에, 붕소(B)와 지르코늄(Zr) 0.01~0.5 중량%를 각각 투입하는 공정; 및,
상기 공정에서 붕소(B)와 지르코늄(Zr) 0.01~0.5 중량%가 각각 투입된 용탕을 빌렛이나 슬라브의 동합금으로 주조하는 공정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도와 전자기파 차폐 특성을 갖는 동합금의 제조방법.
제 2항에 있어서,
상기 용탕을 형성하는 공정에서, 철동(Fe-Cu) 모합금은 철과 동이 50중량% 대 50중량%, 코발트동(Co-Cu) 모합금은 코발트와 동이 10중량% 대 90중량%, 니켈동(Ni-Cu) 모합금은 니켈과 동이 20중량% 대 80중량% 인 것을 특징으로 하는 고강도와 전자기파 차폐 특성을 갖는 동합금의 제조방법.