KR19990048844A - 고강 선재 및 판재용 구리(Cu)-니켈(Ni)-망간(Mn)-주석(Sn)-실리콘(Si)합금과 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고강도 선재 및 판재용 구리(Cu)-니켈(Ni)-망간(Mn)-주석(Sn)-실리콘(Si)합금과 그 제조방법에 관한 것으로 합금재료적층장입공정, 용해공정, 합금공정, 봉,판재 연속주조공정, 용체화처리공정, 시효처리공정으로 이루어져 제조되는 본 발명의 합금성분은 1.0∼8.0wt%(중량 백분율)의 니켈(Ni), 0.5∼5.0wt%(중량 백분율)의 망간(Mn), 0.1∼8.0wt%(중량 백분율)의 주석(Sn), 0.1∼5.0wt%(중량 백분율)의 실리콘(Si), 나머지를 구리(Cu)로 하는 것이며, 합금의 제조공정에 있어서 냉간소성가공이 가능한 상태인 소경봉이나 판재 상태의 주괴제조를 연속주조법으로 채택하고 제반공정에서 모든 소성가공은 냉간가공을 하는 것이다.

Description

고강 선재 및 판재용 구리(Cu)-니켈(Ni)-망간(Mn)-주석(Sn)-실리콘(Si)합금과 그 제조방법
본 발명은 고강도 선재 및 판재용 구리(Cu)-니켈(Ni)-망간(Mn)-주석(Sn)-실리콘(Si)합금과 그 제조방법에 관한 것이다.
종래의 구리합금 중에는 스피노달 분해효과로서 고강도를 나타내는 구리(Cu)-니켈(Ni)-주석(Sn)계 3원합금이 있으며, 이 합금의 대표적인 조성은 중량 퍼센트로 9%의 니켈(Ni)과 6%의 주석(Sn)을 함유하고 나머지 85%는 구리(Cu)로 구성된다.
구리(85%)-니켈(9%)-주석(6%)계 3원합금은 스피노달 분해강화 효과를 이용한 가공열처리를 통하여 인장강도를 1,000MPa 이상 얻을 수 있어서, 전기부품이나 특수 목적용 고강도 스프링 합금인 베릴륨동(Cu-Be)을 대체할 수 있을 정도의 높은 강도와 낮은 제조원가가 가능하며, 특히 베릴륨(Be)과 같은 유독성 금속을 사용하지 않는 장점을 가지고 있다.
그러나 구리(Cu)-니켈(Ni)-주석(Sn)계 스피노달 분해강화 합금은 빌렛 주괴상태에서 열간가공이 불가능하여 판재, 봉재 및 선재 등의 제조가 어렵다는 단점이 있다.
따라서 분말야금에 의한 판재, 봉재 및 선재가 일부 생산되고 있으나 제조공정의 어려움과 고비용으로 매우 고가라는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 얇은 판상이나 소경봉상 주괴제조를 연속주조법을 채택하고 모든 소성가공은 냉간가공을 채택하며, 고강도 구리합금에서 고가인 니켈(Ni)함량의 일부를 저렴한 망간(Mn)으로 대체하고 역시 저렴한 실리콘(Si)을 미량 첨가하여 탈산제로서 뿐만아니라 강도를 향상시킴으르서 제조원가를 절감하는 고강도 선재 및 판재용 구리(Cu)-니켈(Ni)-망간(Mn)-주석(Sn)-실리콘(Si)합금과 그 제조방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 고강도 선재 및 판재을 위한 구리합금의 성분은 1.0∼8.0wt%(중량 백분율)의 니켈(Ni), 0.5∼5.0wt%(중량 백분율)의 망간(Mn), 0.1∼8.0wt%(중량 백분율)의 주석(Sn), 0.1∼5.0wt%(중량 백분율)의 실리콘(Si), 나머지는 구리(Cu)로 된 조성비의 합금을 제공함으로써 달성된다.
상기와 같은 본 발명의 다른 목적은 합금할 금속원소들을 미리 평량하여 준비한 후 용해로 바닥에 구리(Cu), 니켈(Ni)순의 적층을 반복하되 마지막에는 구리(Cu)로 덮는 합금재료적층장입공정과; 그리고 용해를 시작하여 구리와 니켈이 모두 용해되면 슬래그를 제거하고 난후, 망간(Mn)을 첨가해서 용해시키는 용해공정과; 그리고 용탕의 온도가 점차 증가하여 용탕의 온도가 약 1,250℃ 정도가 되었을 때, 가열을 중단하거나 매우 낮은 열원을 공급하는 정도로 하고 주석(Sn)과 실리콘(Si)을 연속적으로 투입하고 합금하는 합금공정과; 합금원소들이 충분히 용해확산하여 균질화 되었다고 판단되면 용탕을 보온로에 옮겨 연속주조를 통한 봉재나 판재를 제조하는 봉,판재 연속주조공정과; 이렇게 제조된 봉재나 판재는 냉간가공에 의해 85% 이상의 가공도로 중간상태의 봉재나 판재로 가공 후 이를 850±50℃의 온도에서 0.5∼1.0시간 유지 후 수냉하여 재결정 및 고용체화처리를 행하는 용체화처리공정과; 이렇게 열처리된 중간상태의 봉재나 판재는 다시 냉간소성가공을 한 후 300∼550℃에서 1∼20hr 유지한 후 공냉하여 시효처리하는 시효처리공정으로 이루어저는 제조방법을 제공함으로써 달성된다.
상기와 같은 본 발명의 또 다른 목적은 구리-니켈-망간-주석-실리콘 합금의 제조공정에 있어서, 냉간소성가공이 가능한 상태인 소경봉이나 판재 상태의 주괴제조를 연속주조법을 채택하고 제반공정에서 모든 소성가공은 냉간가공을 하는 것이다.
도1은 본 발명의 제조공정도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 합금재료적층장입공정 2 : 용해공정
3 : 합금공정 4 : 봉,판재 연속주조공정
5 : 용체화처리공정 6 : 시효처리공정
본 발명에서는 얇은 판상이나 소경봉상 주괴제조를 연속주조법으로 채택하고 제반 공정에서 모든 소성가공은 냉간가공을 채택하였다.
그리고 합금성분 중에서 니켈(Ni)의 일부는 니켈(Ni)과 유사한 고용원소로서의 기능을 제공하는 망간(Mn)으로 그 일부를 대체하고 이에 비례하여 스피노달 분해생성물을 주도하는 주석(Sn)의 양도 제어하여 효과적인 스피노달 분해강화를 나타낼 수 있도록 하였다.
그리고 니켈(Ni)과 주석(Sn)의 함량 부족에 따른 강도가 저하하는 문제는 석출강화 효과를 나타내는 원소 중의 하나인 실리콘(Si)을 첨가하여 보완하였다.
여기서 실리콘(Si)은 고온의 용탕중에 투입하는 경우에 합금성도 좋으며 산화성이 높아 용탕 속에서 강력한 탈산작용도하여 용탕을 맑게하는 정련효과에도 좋다.
이하 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.
<실시예>
본 발명의 합금재료 제조공정은 냉간소성가공이 가능한 상태인 소경봉이나 판재 상태의 주괴를 제조함에 있어서 연속주조를 도입한 경우를 전제로 한다.
우선 합금할 금속원소들을 미리 평량하여 준비한 후 용해로 바닥에 구리(Cu)를 적당히 깔고 그 위에 니켈(Ni)을 한 층 깔고 다시 구리(Cu)를 적당량 덮고 다시 니켈(Ni)을 깔고 구리(Cu)로 덮는 방법을 반복한 적층으로 장입하되 마지막에는 구리(Cu)로써 비교적 두껍게 덮는다.
그리고 용해를 시작하여 구리와 니켈이 모두 용해되면 슬래그를 제거하고 난후, 망간(Mn)을 침가해서 용해시킨다.
그리고 용탕의 온도가 점차 증가하여 용탕의 온도가 약 1,250℃ 정도가 되었을 때, 가열을 중단하거나 매우 낮은 열원을 공급하는 정도로 하고 주석(Sn)과 실리콘(Si)을 연속적으로 투입하고 잘 교반한다.
합금원소들이 충분히 용해확산하여 균질화 되었다고 판단되면 용탕을 보온로에 옮겨 연속주조를 통한 봉재나 판재를 제조한다.
이렇게 제조된 봉재나 판재는 냉간인발 또는 냉간압연에 의해 85% 이상의 가공도로 중간상태의 봉재나 판재로 가공 후 이를 850±50℃의 온도에서 0.5∼1.0시간 유지 후 수냉하여 재결정 및 고용체화 처리를 행한다.
여기서 냉간가공도를 85% 이상으로 적용하는 것은 주조조직을 완전히 제거하고 균질한 소성가공 조직을 얻기 위함이다.
이렇게 열처리된 중간상태의 봉재나 판재는 다시 냉간소성가공을 한 후 300∼550℃에서 1∼20hr 유지한 후 공냉하여 시효처리하면 구리(Cu)-니켈(Ni)-망간(Mn)-주석(Sn)계 합금에서 나타나는 (CuxNiy)zSn형 스피노달 분해생성물에 의한 강화효과와 구리(Cu)-니켈(Ni)-실리콘(Si)계 합금에서 나타나는 CuxSi CuyNiaSi NixSi형석출물에 의한 강화효과에 의해 고강도의 재료를 얻을 수 있다.
여기서 합금성분, 용체화처리온도 및 시간, 냉간가공도, 시효처리 온도 및 시간 등은 재료의 물성을 결정하는 중요한 인자가 된다.
본 발명에서 얻어진 여러 가지 조건에 따른 물성변화의 예를 제시하면 다음과 같다.
즉 표 1, 표 3 및 표 4 등에서 보면, 기존의 구리(85%)-니켈(9%)-주석(6%) 3원합금의 경우에 300∼400℃에서 3시간 시효처리하면 인장강도는 1,043∼1,195MPa, 연신율은 7∼9%를 얻을 수 있으며, 전기비저항치는 10∼14μΩcm를 나타내고 있다.
그리고 구리(85%)-니켈(9%)-주석(6%)계 합금에서 고용원소인 니켈(9%)의 일부를 망간(Mn)으로 대체한 구리(85%)-[니켈+망간](9%)-주석(6%) 3원합금 경우에 같은 시효조건에서 인장강도는 837∼1,156MPa, 연신율은 6∼12%의 범위를 얻을 수 있으며, 전기비저항치는 11∼26μΩcm를 나타내고 있다.
그리고 구리(85%)-니켈(9%)-주석(6%) 3원합금에서 고용원소인 니켈(Ni)의 일부를 망간(Mn)으로 대체하고 스피노달 분해생성물을 주도하는 주석(Sn)의 함량을 2∼4%로 줄인 경우는 인장강도가 654∼897MPa로 크게 낮아졌다.
그리고 기존의 구리(85%)-니켈(9%)-주석(6%) 3원합금에 석출강화 원소인 실리콘(Si)을 첨가한 경우와 첨가하지 않은 경우에 인장강도나 전기적 비저항치의 변화는 거의 없으며, 연신율은 크게 감소하는 경향을 나타내고 있다.
한편, 본 발명의 경우인 구리(Cu)-니켈(Ni)-주석(Sn)-실리콘(Si) 합금의 예에서는 구리(Cu)-6% 니켈(Ni)-3% 망간(Mn)-6% 주석(Sn)-실리콘(Si) 합금의 경우에는 인장강도가 837∼1188MPa, 연신율이 2∼5%를 얻고 있으며, 전기비저항치도 11∼20μΩcm를 나타내고 있다.
한편, 표 2는 각종 합금들에 있어서 시효처리전 냉간가공도에 따른 인장강도의 변화로 냉간가공도의 증가는 인장강도를 향상시킨다.
상술한 바와 같은 본 발명의 고강도 선재 및 판재용 구리(Cu)-니켈(Ni)-망간(Mn)-주석(Sn)-실리큰(Si)합금과 그 제조방법에 의하여 제조된 합금은 고강도 구리합금에서 고가인 니켈(Ni)함량의 일부를 저렴한 망간(Mn)으로 대체하고 역시 저렴한 실리콘(Si)을 미량 첨가하여 탈산제로서 뿐만아니라 강도를 향상시킴으로서 제조원가를 절감하는 효과를 기대할 수 있는 것이다.
[표 1]
[표 2]
[표 3]
[표 4]

Claims (3)

  1. 고강도 선재 및 판재를 위한 구리합금의 성분은 1.0∼8.0wt%(중량 백분율)의 니켈(Ni), 0.5∼5.0wt%(중량 백분율)의 망간(Mn), 0.1∼8.0wt%(중량 백분율)의 주석(Sn), 0.1∼5.0 wt%(중량 백분율)의 실리콘(Si), 나머지는 구리(Cu)로 조성된 것을 특징으로 하는 고강도 선재 및 판재용 구리(Cu)-니켈(Ni)-망간(Mn)-주석(Sn)-실리콘(Si) 합금.
  2. 고강도 선재 및 판재를 위한 구리(Cu)-니켈(Xi)-망간(Mn)-주석(Sn)-실리콘(Si)합금의 제조방법에 있어서, 합금할 금속원소들을 미리 평량하여 준비한 후 용해로 바닥에 구리(Cu), 니켈(Ni)순의 적층을 반복하되 마지막에는 구리(Cu)로 덮는 합금재료적층장입공정; 상기 공정 후 용해를 시작하여 구리와 니켈이 모두 용해되면 슬래그를 제거하고난 후, 망간(Mn)을 첨가해서 용해시키는 용해공정; 상기 공정 후 용탕의 온도가 점차 증가하여 용탕의 온도가 약 1,250℃ 정도가 되었을 때, 가열을 중단하거나 매우 낮은 열원을 공급하는 정도로 하고 주석(Sn)과 실리콘(Si)을 연속적으로 투입하고 합금하는 합금공정; 상기 공정 후 합금원소들이 충분히 용해확산하여 균질화 되면 용탕을 보온로에 옮겨 연속주조를 통한 봉재나 판재를 제조하는 봉,판재 연속주조공정; 상기 공정으로 제조된 봉재나 판재는 냉간가공에 의해 85% 이상의 가공도로 중간상태의 봉재나 판재로 가공 후 이를 850±50℃의 온도에서 0.5∼1.0시간 유지 후 수냉하여 재결정 및 고용체화 처리를 행하는 용체화처리 공정; 상기 공정으로 열처리된 중간상태의 봉재나 판재는 다시 냉간소성가공을 한 후 300∼550℃에서 1∼20hr 유지한 후 공냉하여 시효처리하는 시효처리공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고강도 선재 및 판재용 구리(Cu)-니켈(Ni)-망간(Mn)-주석(Sn)-실리콘(Si) 합금의 제조방법.
  3. 구리-니켈-망간-주석-실리콘 합금의 제조공정에 있어서 냉간소성가공이 가능한 상태인 소경봉이나 판재 상태의 주괴제조를 연속주조법으로 채택하고 제반공정에서 모든 소성가공은 냉간가공을 하는 것을 특징으로 하는 고강도 선재 및 판재용 구리(Cu)-니켈(Ni)-망간(Mn)-주석(Sn)-실리콘(Si) 합금의 제조방법 .
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