KR101915585B1 - 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금, 이에 의해 제조된 알루미늄합금선 및 가공송전선 - Google Patents

고장력 및 고내열성의 알루미늄합금, 이에 의해 제조된 알루미늄합금선 및 가공송전선 Download PDF

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Abstract

본 발명은 합금 전체 중량에 대해, Fe 0.3∼0.45wt%; Zr 0.25∼0.45wt%; Si 0.03∼0.2wt%; Cu 0.01∼0.5wt%; Mn 0.001~0.15wt%; Mg 0.001∼0.1wt%; 및 Al 잔부를 포함하는, 고장력 및 고내열성의 알루미늄 합금, 이를 이용한 알루미늄합금선 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 상기한 본 발명의 구성에 의하면, 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선을 활용한 가공송전선을 제공하여, 대용량 전류송전이 가능한 이점이 있다.

Description

고장력 및 고내열성의 알루미늄합금, 이에 의해 제조된 알루미늄합금선 및 가공송전선{High tension and thermal resistant aluminum alloy, aluminum alloy wire and overhead conductor manufactured using the same}
본 발명은 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금, 이에 의해 제조된 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선 및 가공송전선에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 알루미늄에 Zr, Fe, Si, Cu, Mn, Mg 등을 첨가한 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금을 이용하여 연속주조, 열간가공 등의 일괄 공정과 소정의 온도에서의 열처리 및 신선가공을 통하여 인장강도와 내열성이 향상된 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선, 이의 제조방법 및 이를 활용한 가공송전선에 관한 것이다.
현재 국내외적으로 대도시화, 산업화에 따른 전력수요가 매년 증가하고 있으며, 전력수요 증가에 대응하기 위해서 발전용량 증대뿐만 아니라 증산된 전력을 원활히 공급하기 위한 송전선로의 용량증대가 요구되고 있다. 발전소에서 생산된 전력을 대도시로 전력을 수송하는 방식에는 철탑으로 연결된 가공송전방식이 주류를 이루고 있다.
가공송전선은 내부에 강심, 외부에 알루미늄도체로 배열된 구조이며 전류를 수송하는 역할을 하는데, 전류용량이 증대되면 전선의 온도 상승으로 알루미늄의 기계적 기능이 상실하게 되어 급격한 전선의 처짐이 발생하여 용량 증대는 불가능하다.
가공송전선용 알루미늄합금선의 기술동향을 살펴보면, 1960년대에는 60%IACS 도전율과 90℃ 연속사용온도인 알루미늄합금선이 사용되었다. 전류용량을 증대하기 위하여, 도전율 60%IACS, 인장강도 16kgf/mm2급인 TAl(내열알루미늄합금선), 도전율 55%IACS, 인장강도 22kgf/mm2 이상인 HTAl(고장력 내열알루미늄합금선) 등을 적용한 전선을 개발하여 연속사용온도를 150℃로 높였다.
연속사용온도는 알루미늄도체가 가설되어 사용되는 40년의 수명기간 인장강도 저하가 10% 미만인 온도로, 연속사용온도가 높을수록 더 많은 전류를 수송할 수 있어 송전용량이 늘어나게 된다. 즉, 요구되는 연속사용온도가 높을수록 알루미늄도체의 물성 변화가 적게 발생하는 내열성 향상이 필수적이다. 또한, 전류용량이 증가하면 전선온도가 상승하게 되어 알루미늄합금선의 인장강도가 저하하게 되어 전선의 처짐이 발생하게 된다. 이를 방지하기 위하여 가공송전선은 기존 알루미늄합금선을 인장강도와 내열성이 향상된 고장력 내열 알루미늄합금선으로 소재를 변경하는 것이 필수적이다. 연속사용온도가 150℃인 고장력 내열 알루미늄합금선은 연속사용온도 90℃인 알루미늄합금선에 비하여 사용온도가 높기 때문에 내열특성과 고강도특성이 엄격히 요구된다.
일반적으로 알루미늄합금에 타 원소를 첨가하면 도전율이 급격히 감소하게 되므로, 알루미늄에 내열성과 인장강도를 증가시키면서 도전율 감소를 최소화시킬 수 있는 원소인 Zr 등의 원소들을 첨가시켜 최대한 미세 석출물을 석출시켜 내열성과 인장강도를 증대하여야 한다. 소재의 내열특성 발현기구는 고온에서 결정입계의 이동을 억제할 수 있는 요인을 재료 내부에 형성시켜 줌으로써 구현된다. 즉, 재료내부에 Al3Zr 등의 석출물을 형성시켜, 이러한 석출물이 고온에서도 결정입계의 이동을 억제함으로 높은 내열특성을 달성할 수 있다.
첨가원소의 선정 및 첨가량이 적절하지 않고 가공공정이 불일치할 경우, Zr 등 첨가원소의 편석으로 품질의 균일성 및 내열성 확보가 어렵다. 특히 첨가원소를 적절하게 선정하고 제어하며, 각 가공공정에서 수십에서 수백 nm 크기의 미세한 Al3Zr 등의 석출물을 알루미늄기지 내에 균일하게 석출시켜, 인장강도와 내열성을 확보하는 것이 당면한 과제이다.
따라서, 상기한 알루미늄 합금의 특성을 확보하기 위해서는, 알루미늄 합금에 첨가되는 원소의 선정과 연속주조공정, 열간가공공정, 열처리과정이 엄격히 제어되어야 한다.
본 발명에 대한 배경기술로 대한민국 등록특허 제10-1024993호에 고질소 강선 제조방법 및 이를 이용한 가공송전선이 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 알루미늄에 첨가되는 첨가원소의 선정 및 첨가량을 최적화하여 고장력 및 고내열성의 알루미늄 합금을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 합금화 및 연속주조공정, 열간가공공정, 열처리공정, 신선가공공정을 최적화하여 첨가원소의 편석을 방지하고 첨가원소에 의한 미세한 석출물 형성으로 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금의 제조방법에 의해 제조된 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선을 활용한 가공송전선을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 상세한 설명의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 합금 전체 중량에 대해, Fe 0.3∼0.45wt%; Zr 0.25∼0.45wt%; Si 0.03∼0.2wt%; Cu 0.05∼0.5wt%; Mn 0.001~0.15wt%; Mg 0.001∼0.1wt%; 및 Al 잔부를 포함하는, 고장력 및 고내열성의 알루미늄 합금이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 알루미늄 합금은 55%IACS 이상의 도전율, 22.9kgf/mm2 초과의 인장강도, 및 150℃ 이상의 연속사용온도를 가지며, 가공전선용일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 상기 알루미늄 합금으로 제조된, 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 알루미늄합금선은 55%IACS 이상의 상온도전율, 22.9kgf/mm2 초과의 상온인장강도, 및 150℃ 이상의 연속사용온도를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 알루미늄합금선은 선경이 4.5mm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 알루미늄합금선은 23.5kgf/mm2 이상의 상온인장강도, 및 230℃에서 1시간 유지 후 91.5% 이상의 내열성을 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 상기 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선을 포함하는, 가공송전선이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 가공송전선은 강연선; 및 상기 강연선 주위를 원통형으로 둘러싸는 상기 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 상기 알루미늄 합금 성분을 용해하여 합금화하는 합금화단계; 상기 합금화된 알루미늄 합금을 주조 알루미늄 합금선재로 주조하는 주조단계; 상기 주조 알루미늄 합금선재를 알루미늄 합금선재로 열간가공하는 열간가공단계; 상기 알루미늄 합금선재를 열처리하는 열처리단계; 및 상기 열처리된 알루미늄 합금선재를 신선가공하는 신선가공단계를 포함하는, 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선 제조방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 알루미늄합금선 제조방법은 상기 주조단계에서 750 내지 830℃의 주조온도에서, 15∼20℃/s의 냉각속도로 주조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 알루미늄합금선 제조방법은 상기 열간가공단계에서 주조 알루미늄 합금선재의 온도를 480 내지 530℃로 유지된 상태에서 압연기에서 알루미늄 합금선재의 온도를 250℃ 이하로 하여 성형할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 알루미늄합금선 제조방법은 상기 열간가공단계에서 상기 알루미늄 합금선재의 단면 감소율은 85% 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 알루미늄합금선 제조방법은 상기 열처리단계에서 상기 알루미늄 합금선재를 300 내지 400℃에서 50 내지 120시간 동안 열처리할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 알루미늄합금선 제조방법은 상기 신선가공단계에서 상기 알루미늄 합금선재의 단면 감소율은 70% 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 알루미늄에 Fe, Zr, Si, Cu, Mn, Mg 등을 적정 첨가하여 알루미늄 합금의 인장강도 및 내열성을 동시에 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 합금화 온도, 주조온도, 냉각속도, 열간가공공정 등을 최적화하여, 편석을 방지하고 정출 Al3Zr 등을 조절하고, 적정 열처리 조건에 의해 미세한 Al3Zr 등을 석출시켜 신선가공함으로써 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선을 효율적으로 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선의 제조방법을 이용하여 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 도전율 55%IACS 이상, 인장강도 22.9kgf/mm2 이상, 및 연속사용온도 150℃ 이상을 가지는 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 본 발명에 의해 제조된 고장력 및 고내열성의알루미늄합금을 활용하여 가공송전선을 제조하여 선로를 가설할 경우, 전력수요 증가에 대응하여 대용량 전류송전이 가능한 이점이 있다. 즉 기존의 강심알루미늄연선(aluminum conductor steel reinforced, ACSR) 가공송전선과 대비하여 전선의 처짐이 발생하는 것 없이 약 1.5배 이상 전류 송전이 가능하여 계통의 안정성을 도모할 수 있는 이점이 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선을 사용한 가공송전선을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 1b는 도 1a의 횡단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선의 제조방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 명세서 전체에서, "상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것이 아니다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예들을 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
알루미늄 합금, 알루미늄합금선 및 가공송전선
본 발명에 의한 고장력 및 고내열성의 알루미늄 합금은, 합금 전체 중량에 대해, Fe 0.3∼0.45wt%; Zr 0.25∼0.45wt%; Si 0.03∼0.2wt%; Cu 0.05∼0.5wt%; Mn 0.001~0.15wt%; Mg 0.001∼0.1wt%; 및 Al 잔부를 포함한다.
본 발명의 알루미늄 합금은 첨가원소의 선정 및 첨가량의 최적화로, 합금 성분 용해 시 첨가원소의 편석을 방지할 수 있고, 고장력 및 고내열성 특성을 부여할 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 본 발명의 알루미늄 합금은 55%IACS 이상의 도전율, 22.9kgf/mm2 초과의 인장강도, 및 150℃ 이상의 연속사용온도를 가질 수 있다.
따라서, 본 발명의 알루미늄 합금은 고장력 및 고내열성 특성이 요구되는 가공전선용으로 활용될 수 있다.
본 발명의 상기 첨가원소가 알루미늄합금에 미치는 영향은 다음과 같다.
Fe는 알루미늄합금 내에서 강도를 증가시키는 역할을 하는 것으로, 0.3∼0.45wt%로 포함하는 것이 적합하다. 그 이유는 철의 함유량이 0.3wt% 미만이면 강도 증가 효과가 미미하며, 반면에 0.45wt%을 초과하면 강도 증가 효과는 크나, 과포화되어 도전율과 내열성이 감소하게 된다. Al-Fe계는 공정반응이며 Al3Fe의 용융온도가 1147℃이고 탄성계수가 130MPa로 Al에 비해 2배 이상이다.
Zr은 대표적인 내열성 향상원소로 합금에서 강도 증가와 더불어 내열성을 향상시키는 원소로, 0.25∼0.45wt%로 포함하는 것이 적합하다. Al-Zr 합금에서 내열성을 지배하는 인자는 미세한 Al3Zr 석출물로 구형의 형상과 일정한 분포상태에서 최고의 효과를 나타낸다. 주조시에 과포화 고용된 Zr이 열처리에 의해서 미세한 석출물을 석출시킨다. Zr의 함량이 0.25wt% 미만이면 도전율이 우수한 반면에 충분한 강도와 내열성을 확보하기 어려우며, 0.45wt% 초과이면 내열성과 강도는 우수하지만 도전율에서 심각한 감소를 초래할 수 있다.
Cu는 Al, Fe 등과 결합하여 잘 용해되지 않는 금속간화합물을 형성하여 인장강도를 증가시키는 원소이나 내열성을 저해하는 원소로, Cu 0.01∼0.5wt%로 포함하는 것이 적합하다. Cu의 함량이 0.01wt% 미만이면 충분한 인장강도 증가가 일어나지 않는 반면에 0.5wt% 초과이면 내열성의 확보가 어려울 수 있다.
Mn은 재결정온도를 증가시키고 열간가공에서 섬유조직의 형성을 촉진시키므로 결정립성장을 억제시켜 내열성 향상시키는 원소로, 0.001~0.1wt%로 포함하는 것이 적합하다. Mn의 함량이 0.001wt% 미만이면 강도 및 내열성 증가효과가 충분하지 않으며, 0.1wt% 초과이면 주조과정에서 조대한 초정 금속간화합물을 형성하여 균열과 같은 불량의 원인이 되기도 한다. 또한, 열처리과정에서 Mn 입자가 성장하여 분산상태도 나빠지기 때문에 내열성의 저하를 초래하기 때문에 범위를 상기와 같이 제한하는 것이 적합하다.
Si이 증가하면 주조성을 좋게 하고, Mg와 같이 첨가시 Mg2Si 화합물을 형성하여 강도를 증가시키는 역할을 하기 때문에, Si 0.03∼0.2wt%, Mg 0.001∼0.1wt%로 포함하는 것이 적합하다. Si의 함량이 0.03wt% 미만이면 주조과정에서 열전달 상태가 나빠져 주조바 등의 주조 알루미늄 합금선재에 기공 또는 균열을 발생하는 원인이 되며, 0.2wt% 초과이면 초정 Si의 석출로 강도가 급격히 감소하게 된다. 또한, Mg의 함량이 0.1wt% 초과이면 도전율이 급격히 감소하기 때문에 그 범위를 한정하는 것이 적합하다.
본 발명에서 상기와 같이 Fe, Zr, Si, Cu, Mn, Mg 원소는 상술한 첨가량으로 포함되는 것이 바람직하다. 이는 도전율과 인장강도, 내열성의 관계에서, 도전율이 높아질 경우 강도 및 내열성이 저하되며, 내열성이 증가할 경우 도전율이 낮아지는 관계로 모든 인자를 높이기 위해서는 상기에서 언급한 바와 같이 첨가원소의 조합 및 첨가량을 최적화하는 것이 적합하다.
한편, Ti, V 원소농도는 엄격히 제한하였으며, 이는 도전율에 미치는 영향이 크기 때문이다. Ti, V는 고용한도 크고 비저항의 증가도 크기 때문에 알루미늄 용탕 중에 Al-B나 붕불화칼륨형태로 붕소를 투입하여 TiB2, VB2의 형태로 침강 제거시킨다.
본 발명의 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선은 상기 알루미늄 합금으로 제조된다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 알루미늄합금선은 55%IACS 이상의 상온도전율, 22.9kgf/mm2 초과의 상온인장강도, 및 150℃ 이상의 연속사용온도를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 알루미늄합금선은 선경이 4.5mm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 알루미늄합금선의 선경이 4.5mm인 경우에도 23.5kgf/mm2 이상의 상온인장강도, 및 230℃에서 1시간 유지 후 91.5% 이상의 내열성을 가질 수 있다.
본 발명의 가공송전선은 상기 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선을 포함한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 고장력 내열알루미늄합금선을 사용한 가공송전선을 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 1b는 도 1a의 횡단면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 상기 가공송전선(100)은 강연선(10); 및 상기 강연선(10) 주위를 원통형으로 둘러싸는 상기 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선(20, 22)을 포함할 수 있다.
상기 알루미늄합금선(20, 22)은 강연선(10)을 심선으로 하여 이를 둘러싸는 구조로, 1층 내지 3층의 다층으로 연선한 동심원 구조로 되어 있다.
본 발명의 가공송전선은 도전율이 55%IACS 이상이고, 인장강도가 22.9kgf/mm2 이상이고, 230℃에서 내열성이 90% 이상으로 향상되어 발열에 의한 강도 손실 없이 송전용량을 증대할 수 있다.
알루미늄합금선의 제조방법
이하, 본 발명에 의한 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선의 제조방법에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선의 제조방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선 제조방법은, 상기 알루미늄 합금 성분을 용해하여 합금화하는 합금화단계(S100); 상기 합금화된 알루미늄 합금을 주조 알루미늄 합금선재로 주조하는 주조단계(S200); 상기 주조 알루미늄 합금선재를 알루미늄 합금선재로 열간가공하는 열간가공단계(S300); 상기 알루미늄 합금선재를 열처리하는 열처리단계(S400); 및 상기 열처리된 알루미늄 합금선재를 신선가공하는 신선가공단계(S500)를 포함한다.
상기 합금화단계(S100)는 850~950℃에서 이루어지고 알루미늄이 용해된 상태에서 Fe, Zr, Si, Cu, Mn, Mg 등의 첨가원소를 모합금의 형태로 공급되어 용해 및 합금화가 이루어진다.
상기 주조단계(S200)에서는 750 내지 830℃의 주조온도에서, 15∼20℃/s의 냉각속도로 주조할 수 있다. 상기 주조온도와 냉각속도는 초정 Al3Zr 정출을 방지하고 첨가원소의 과포화 고용체 및 미세조직을 얻기 위함이며, 또한 열처리시에 미세한 Al3Zr 석출물 형성을 용이하게 하기 위한 것이다. 이에 한정되는 것은 아니나, 주조온도는 약 790±40℃ 온도구간에서 시작한다. 상기의 온도보다 낮은 온도에서 주조를 시작하면 주조 전에 Al3Zr이 정출하여 용탕 중에 지르코늄이 감소하여 내열성을 확보하기 어려울 수 있다. 주조 시 냉각 속도는 5℃/s 이상이며, 15∼20℃/s의 냉각속도가 적절하다. 이러한 냉각 속도에서는 Zr이 과포화 고용되며, Al3Zr와 같은 정출물이 정출되어도 미세하며 크게 성장하는 것이 억제되어 알루미늄합금의 내열성을 높일 수 있다. 20℃/s 초과의 과도한 냉각속도에서는 주조 알루미늄 합금선재에 균열과 같은 공정불량이 발생하게 되며, 품질저하가 우려된다. 본 발명에 따른 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선은 공정이 간단하고 성분조절이 용이하여 균일한 제품을 확보할 수 있는 연속주조로 주조된다.
상기 열간가공단계(S300)에서 주조 알루미늄 합금선재의 온도를 480 내지 530℃로 유지된 상태에서 압연기에서 알루미늄 합금선재의 온도를 250℃ 이하로 하여 성형할 수 있다. 상기 열간압연온도 범위는 알루미늄 내 조대한 정출물을 분쇄하고 결정립성장을 억제하는 데 적합하고, 상기 알루미늄 합금선재의 온도 범위는 합금원자들의 석출이 일어날 수 있도록 핵생성 사이트(site)를 제공하여 구동력으로 작용하기 위한 전위를 증식시키는 데 적합하다. 이에 한정되는 것은 아니나, 상기 열간가공단계(S300)에서 상기 주조 알루미늄 합금선재는 480 내지 530℃ 정도로 유지된 상태로 다단압연으로 인입되며, 압연유의 온도 및 압연유 량을 조절하여 알루미늄 합금선재의 온도를 250℃ 이하로 하여 권취가 이루어지도록 하는 것이 적합하다. 주조 알루미늄 합금선재의 온도와 알루미늄 합금선재의 온도가 과도하게 높으면 조대한 Al3Zr 정출물이 생성되어 내열성 확보가 곤란할 수 있다. 또한, 주조 알루미늄 합금선재의 온도가 낮으면 압연성이 저하되어 압연이 곤란할 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 열간가공단계(S300)에서 상기 알루미늄 합금선재의 단면 감소율은 85% 이상, 더 적합하게 90% 이상일 수 있다.
상기 열처리단계(S400)에서 상기 알루미늄 합금선재를 300 내지 400℃에서 50 내지 120시간 동안 열처리할 수 있다. 상기의 온도와 시간의 범위 내에서 열처리를 실시하는 것이, 내열성을 가장 효과적으로 발휘되는 조건의 Al3Zr 등의 석출물이 발현시켜 도전율, 인장강도, 및 내열성을 동시에 개선할 수 있어 적합하다.
상기 신선가공단계(S500)에서는 상기 알루미늄 합금선재를 신선기를 활용하여 적절한 선경까지 신선하여 고장력 내열알루미늄합금선을 제조한다. 신선가공은 결정립을 미세화시키고 알루미늄합금의 강도를 증가시킨다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 신선가공단계에서 상기 알루미늄 합금선재의 단면 감소율은 70% 이상, 더 적합하게 78% 이상일 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 고장력 내열알루미늄합금선은 상기의 제조과정을 통하여 합금원소들을 최적화하여 석출시킴으로써, 고온에서도 결정립의 성장이 억제되며 기존의 조직이 유지됨으로 내열성 확보가 가능하다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 살펴보지만, 하기 예에 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.
[ 실시예 ]
전술한 과정에 따라 제조된 알루미늄 합금선의 특성을 측정하기 위하여, 99.8wt.% 순도의 알루미늄에 상술한 성분비의 첨가원소를 용해한 후, 연속주조 압연을 통하여 직경 9.7mm 로드를 만들었다. 이후 상기의 열처리단계(S400)와 신선가공단계(S500)를 통하여 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선을 만들어(실시예 1 내지 4) 물성을 측정한 결과를 표 1에 나타내었다. 상기 물성으로 인장강도, 도전율, 내열성을 평가하였다. 보다 구체적으로, 실시예 및 비교예의 알루미늄 합금선을 캘빈더블브리지(Double Bridge) 법으로 전기저항을 측정하여 도전율을 구했으며, 인장시험을 통해 기계적 성질을 측정하였다. 내열성시험은 230℃ +5℃, -3℃의 균일 가열로 속에 1시간 유지한 후 상온에서 인장강도를 측정하여 가열전 값의 90% 이상인 경우 내열온도를 230℃인 것으로 인정하였다.
비교예는 일본특개평 제11-92896호의 방법으로 제조하였다.
Figure 112017042217693-pat00001
상기 표 1을 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 실시예 1 내지 4는 55%IACS 이상의 도전율, 22.9kgf/mm2 초과의 인장강도, 및 150℃ 이상의 연속사용온도를 가지며, 비교예에 비해 도전율, 인장강도 및 내열성이 동시에 향상되는 것을 알 수 있다. 특히 실시예 2는 상온도전율이 56.0 내지 56.2%IACS이고, 상온인장강도가 25.1 내지 25.4kgf/mm2 이며, 230℃에서 1시간 유지 후 상온인장강도를 측정한 내열성은 96.3 내지 94.9%로, 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선의 요구특성을 만족하고 있음을 알 수 있다.
상기와 같이, 본 발명에 따라 제조된 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선은 규정을 만족하고 있으므로 가공송전선로 적용이 가능하다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선을 사용한 가공송전선을 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 1b는 도 1a의 횡단면도이다. 도 1a 및 도 1b를 참고하면, 가공송전선(100)은 강연선(10)을 중심선으로 하고, 중심선 주위로 알루미늄합금선(20, 22)을 1층 및 2층으로 연선한 동심원 구조로 되어 있다. 상기의 가공송전선(100)은 도전율이 55%IACS 이상이고, 인장강도가 22.9kgf/mm2 이상이고, 230℃에서 내열성이 90% 이상으로 향상되어 발열에 의한 강도 손실 없이 송전용량을 증대할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100 : 가공송전선
10 : 강연선
20, 22 : 알루미늄합금선

Claims (15)

  1. 합금 전체 중량에 대해,
    Fe 0.3∼0.45wt%;
    Zr 0.25∼0.45wt%;
    Si 0.03∼0.2wt%;
    Cu 0.01∼0.5wt%;
    Mn 0.001~0.15wt%;
    Mg 0.001∼0.1wt%; 및
    Al 잔부를 포함하고,
    55%IACS 이상의 도전율, 22.9kgf/mm2 초과의 인장강도, 및 150℃ 이상의 연속사용온도를 가지며,
    가공전선용인, 알루미늄 합금.
  2. 삭제
  3. 제1항에 기재된 알루미늄 합금으로 제조된, 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선.
  4. 제3항에 있어서,
    55%IACS 이상의 상온도전율, 22.9kgf/mm2 초과의 상온인장강도, 및 150℃ 이상의 연속사용온도를 가지는, 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선.
  5. 제4항에 있어서,
    선경이 4.5mm인, 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선.
  6. 제5항에 있어서,
    23.5kgf/mm2 이상의 상온인장강도, 및 230℃에서 1시간 유지 후 91.5% 이상의 내열성을 가지는, 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선.
  7. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선을 포함하는, 가공송전선.
  8. 제7항에 있어서,
    강연선; 및
    상기 강연선 주위를 원통형으로 둘러싸는 상기 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선을 포함하는, 가공송전선.
  9. 제1항에 기재된 상기 알루미늄 합금 성분을 용해하여 합금화하는 합금화단계;
    상기 합금화된 알루미늄 합금을 주조 알루미늄 합금선재로 주조하는 주조단계;
    상기 주조 알루미늄 합금선재를 알루미늄 합금선재로 열간가공하는 열간가공단계;
    상기 알루미늄 합금선재를 열처리하는 열처리단계; 및
    상기 열처리된 알루미늄 합금선재를 신선가공하는 신선가공단계를 포함하는, 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 주조단계에서 750 내지 830℃의 주조온도에서, 15∼20℃/s의 냉각속도로 주조하는, 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 열간가공단계에서 주조 알루미늄 합금선재의 온도를 480 내지 530℃로 유지된 상태에서 압연기에서 알루미늄 합금선재의 온도를 250℃ 이하로 하여 성형하는, 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 열간가공단계에서 상기 알루미늄 합금선재의 단면 감소율은 85% 이상인, 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선 제조방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 열처리단계에서 상기 알루미늄 합금선재를 300 내지 400℃에서 50 내지 120시간 동안 열처리하는, 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선 제조방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 신선가공단계에서 상기 알루미늄 합금선재의 단면 감소율은 70% 이상인, 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선 제조방법.
  15. 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 기재된 제조방법에 의해 제조된 고장력 및 고내열성의 알루미늄합금선.
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