KR20030087241A - High conductivity copper alloys for semi-solid forming and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반용융 성형에 사용되는 고전기전도도용 동합금에 관한 것으로, 현재 시도되고 있는 Cu-0.11%O합금을 비롯한 고전기전도도 동합금에 비해 응고 범위가 넓어 반응고/반용융 상태에서의 성형이 용이하면서도 전기전도도가 우수하여 절전형 소형 전동기의 효율을 향상시킬 수 있는 반응고/반용융 성형용 동합금 소재로서 적합한 합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a high-alloy conductive copper alloy used for semi-melt molding, and the high-electroconductivity including Cu-0.11% O alloy, which is currently attempted, has a wider range of solidification compared to the copper alloy, and is easily molded in a reaction / semi-melted state. The present invention relates to an alloy suitable for a reaction / semi-melting copper alloy material capable of improving the efficiency of a power-saving compact electric motor with excellent electrical conductivity, and a manufacturing method thereof.
전동기는 전기에너지를 로터의 회전을 이용하여 기계에너지로 바꾸어 주는 장치로서 가정뿐 아니라 많은 산업분야에 걸쳐 광범위하게 사용되고 있다.Electric motor is a device that converts electric energy into mechanical energy by using the rotation of the rotor, and is widely used in many industries as well as home.
그러나, 이 에너지의 변환 과정에서 전동기의 종류에 따라 7∼25%의 에너지 손실이 생긴다.However, in the energy conversion process, 7 to 25% energy loss occurs depending on the type of electric motor.
현재 미국을 비롯하여 세계적으로 약 50%이상의 전력이 전동모터를 구동시키는데 사용되고 있는데, 산업 발달 및 경제 성장에 따라 향후 전력 수요량은 점차 증가할 것으로 예측되며, 우리나라의 경우 10년 뒤에는 1995년 대비 약 2배 이상의전력이 소요될 것으로 전망된다.Currently, more than 50% of electric power is used to drive electric motors in the United States and around the world.In accordance with industrial development and economic growth, the demand for electric power is expected to increase gradually.In Korea, it is about twice that in 1995 after 10 years. It is expected that more power will be consumed.
미국의 에너지부(DOE)의 조사에 따르면 1/6마력 이상의 전동기가 미국 발전량의 60%를 소모했으며, 이 중 1∼25마력의 중형 전동기가 전체 전동기에 공급된 전력의 약 60%를 소모한다고 보고 되고 있다.According to a survey by the US Department of Energy (DOE), more than 1/6 horsepower consumed 60 percent of the nation's generation, of which 1 to 25 hp medium-scale motors consumed about 60 percent of the power supplied to the entire motor. Is being reported.
따라서 전동기의 효율을 높임으로써 에너지 손실을 저감시키는 것은 우리나라 뿐 아니라 세계적으로 중요한 과제이다.Therefore, reducing the energy loss by increasing the efficiency of the motor is an important task not only in Korea but also in the world.
전동기의 효율은 입력되는 전기에너지에 대한 출력 기계에너지의 비로써 나타내며, 효율이 높을수록 적은 전기에너지를 사용하여 동등한 출력을 나타내기 때문에 상대적인 비용을 감소시킬 수 있다.The efficiency of the motor is expressed as the ratio of the output mechanical energy to the input electrical energy, and the higher the efficiency, the less the relative cost can be reduced because the equivalent output is used using less electrical energy.
유도 전동기의 에너지 손실 원인은 여러 가지가 있으나, 그 중의 하나는 전동기 로터(rotor)를 알루미늄합금으로 사용하는데 있다.There are many causes of energy loss of an induction motor, but one of them is to use an electric rotor as an aluminum alloy.
순 알루미늄(aluminum, Al)의 전기전도도는 동(copper, Cu)의 약 60%수준으로서 전기저항이 큰 관계로 전력 손실이 크다.The electrical conductivity of pure aluminum (aluminum, Al) is about 60% of copper (copper, Cu), and the power loss is large because electrical resistance is large.
따라서, 이 알루미늄합금을 동합금으로 대체함으로써 로터의 전기전도도를 향상시켜 유도 전동기의 효율을 높일 수 있다.Therefore, by replacing this aluminum alloy with a copper alloy, the electrical conductivity of the rotor can be improved to increase the efficiency of the induction motor.
현재 소수의 대형 전동기용 로터에만 동합금이 사용되고 있는데, 값비싼 수공을 이용하여 제조되기 때문에 제조 단가가 매우 비싼 단점이 있다.At present, copper alloy is used only in a few large motor rotors, and is manufactured using expensive manual labor, and thus, manufacturing costs are very expensive.
대부분의 중·소형 전동기에는 다이캐스팅으로 제조한 알루미늄 로터를 사용하고 있는데, 그 이유는 알루미늄의 소재 가격이 싸고, 복잡 형상을 제조하기가 용이하며, 저가의 금형을 사용하여 제조가 가능하기 때문이다.Most medium and small electric motors use aluminum rotors made by die casting, because aluminum is inexpensive, easy to manufacture complex shapes, and can be manufactured using inexpensive molds.
그러나, 동합금은 다이캐스팅으로 제조하기가 어려운데, 그 이유는 높은 융점(순동=1085℃) 때문에 금형의 수명이 짧아 경제성이 적기 때문이다.However, copper alloys are difficult to manufacture by die casting because of their high melting point (pure copper = 1085 ° C), resulting in short mold life and low economical efficiency.
반응고 성형은 합금이 완전히 액상인 상태에서 실시하는 다이캐스팅법과는 달리 고·액 공존 영역인 2상 영역에서 성형을 실시하므로 성형온도가 다이캐스팅에 비해 100∼200℃ 정도 낮으며, 따라서 에너지 손실을 효과적으로 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 금형의 수명도 길어져 경제성이 높다.Unlike the die casting method in which the alloy is in a completely liquid state, the molding is performed in a two-phase region, which is a solid / liquid coexistence region, and thus the molding temperature is about 100 to 200 ° C. lower than that of the die casting, thus effectively reducing energy loss. Not only can it be reduced, but the mold life is long, so it is economical
그러나, 반응고 성형용 동합금은 다이캐스팅용 합금과 달리 충분한 범위의 고·액 공존 영역이 필요하다.However, unlike the die casting alloy, the reaction solid-forming copper alloy requires a sufficient range of solid and liquid coexistence regions.
특히, 고·액 공존 영역의 크기가 너무 좁으면, 반응고 성형시의 온도 편차에 따라, 소재가 쉽게 용해되거나 응고되어 성형이 불가능하게 된다.In particular, if the size of the solid-liquid coexistence region is too narrow, depending on the temperature variation during the reaction solidification, the material is easily dissolved or solidified and molding is impossible.
전동기 로터용 소재로서 고려해야할 다른 요소는 전기전도도이다. 반응고용 동합금이 전동기 로터로 적용되기 위해서는 동합금 소재의 전기전도도가 최소한 알루미늄합금에 비해 높아야 하며, 통상적으로 70%IACS 이상이 되어야 실용적인 의미가 있다.Another factor to consider as a material for a motor rotor is electrical conductivity. In order to apply the reaction-use copper alloy to the electric motor rotor, the electrical conductivity of the copper alloy material should be at least higher than that of the aluminum alloy.
그러나, 순동에 합금원소의 함유량이 증가할수록 전기전도도는 감소되는 단점이 있다.However, as the content of alloying elements in pure copper increases, the electrical conductivity decreases.
이 때, 순동의 전기전도도 감소율은 첨가하는 합금의 종류에 따라 크게 다르다.At this time, the electrical conductivity reduction rate of pure copper varies greatly depending on the type of alloy to be added.
반응고/반용융 성형용 동합금은 아직 세계적으로 연구가 미흡한 상태이며, 특히 소형 전동기용 로터에 적용할 수 있는 전기전도도가 높으면서 고·액 공존 구역이 넓은 동합금은 거의 개발이 되어 있지 않은 실정이다.Copper alloys for reaction high and semi-melt forming have not been well studied in the world, and in particular, copper alloys with high electrical conductivity applicable to small electric motor rotors and large solid and liquid coexistence zones have not been developed.
일부 국가에서 실험실적 규모로 산소동(Cu-0.11%O)을 이용하여 반응고/반용융 성형을 시도하고 있으나, 이 합금은 고·액 공존 구역이 17∼20℃ 범위로 매우 좁기 때문에 실용적으로 사용하기 어려운 단점이 있다.Although some countries have attempted to make reaction solid / semi-melt molding using copper copper (Cu-0.11% O) on a laboratory scale, this alloy is practically practical because the solid and liquid coexistence zones are very narrow, ranging from 17 to 20 ° C. It is difficult to use.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 동합금의 고·액 공존 구역이 충분히 넓음으로써 조업시 온도변화에 따른 성형상의 어려움을 최소화시키고, 동시에 전기전도도가 70%IACS 이상 되게 함으로써 중·소형 전동기용 로터를 반응고/반용융 성형법으로 제조가 가능한 합금 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention for solving the above problems is that the solid and liquid coexistence zone of the copper alloy is sufficiently wide to minimize the molding difficulties caused by the temperature change during operation, and at the same time the electrical conductivity is 70% IACS or more by making the medium and small It is an object of the present invention to provide an alloy capable of manufacturing a rotor for an electric motor by a reaction / semi-melt molding method and a method of manufacturing the same.
상기와 같은 본 발명의 목적은 Cu에 Ca를 0.1~1.5wt% 첨가하고 열처리하여 1차상을 구상화함으로서 고·액 공존 영역이 130℃ 이상 넓은 구간에서 반응고 성형이 가능하고, 전기전도도가 75%IACS 이상으로 절전형 소형 전동기의 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있는 합금 및 그 제조방법을 제공함으로써 달성된다.The object of the present invention as described above is by adding 0.1 to 1.5wt% of Ca to Cu and spheroidizing the primary phase to react and mold in a region where the solid and liquid coexistence region is 130 ° C or more, and the electrical conductivity is 75%. It is achieved by providing an alloy and a method of manufacturing the same that can dramatically improve the efficiency of a power-saving compact electric motor beyond IACS.
도 1은 Cu-Ca 합금의 Ca 함량에 따른 전기전도도의 감소량을 나타내는 도식도,1 is a schematic diagram showing the decrease in electrical conductivity according to the Ca content of the Cu-Ca alloy,
도 2는 Cu에 Ca의 첨가량을 증가시킴에 따라 공정 피크(peak)가 증가하며, 또한 고액공존 구역의 범위를 보여 줌으로써 반응고/반용융 성형이 가능하다는 것을 나타내는 열분석 결과 도식도,2 is a thermal analysis diagram showing that the process peak increases as the amount of Ca added to Cu increases, and that the reaction solid / semi-melt molding is possible by showing the range of the solid-liquid coexistence zone.
도 3은 Cu-0.22Ca합금의 미세조직으로서 Cu-Cu5Ca의 공정 조직을 보여주고, 반응고/반용융 성형을 위해 수지상 조직을 가공열처리함으로써 구상조직으로 변화시킨 것을 보인 조직사진,FIG. 3 shows a process structure of Cu-Cu 5 Ca as a microstructure of Cu-0.22Ca alloy, and shows a structure photograph showing that the dendritic structure is transformed into a spherical structure by processing and heat-treating the dendritic structure for the reaction / semi-melt molding.
도 4는 Cu-0.34Ca합금의 미세조직으로서 Cu-Cu5Ca의 공정 조직을 보여주고, 반응고/반용융 성형을 위해 수지상 조직을 가공열처리함으로써 구상조직으로 변화시킨 것을 보인 조직사진,Figure 4 shows the process structure of Cu-Cu 5 Ca as a microstructure of the Cu-0.34Ca alloy, and showing the structure of the spherical structure by heat-treating the dendritic tissue for the reaction / semi-melt molding,
도 5는 Cu-0.69Ca합금의 미세조직으로서 Cu-Cu5Ca의 공정 조직을 보여주고, 반응고/반용융 성형을 위해 수지상 조직을 가공열처리함으로써 구상조직으로 변화시킨 것을 보인 조직사진,FIG. 5 shows a process structure of Cu-Cu 5 Ca as a microstructure of Cu-0.69Ca alloy, and shows a structure photograph showing that the dendritic structure is transformed into a spherical structure by processing and heat treating the dendritic structure for reaction / semi-molding molding.
도 6은 Cu-Ca합금의 액상률을 나타내며, Ca의 함량에 따라 액상률이 증가하는 것을 보여주는 도식도.6 is a schematic view showing the liquidity of the Cu-Ca alloy, the liquidity increases with the content of Ca.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 고전기전도도 동합금에 있어서, 0.1∼1.5wt% Ca과 나머지는 동으로 조성되어 주조된 합금을 특징으로 한다.The present invention to achieve the object as described above and to solve the conventional drawbacks is characterized in that the high-conductivity copper alloy, 0.1 to 1.5wt% Ca and the remainder is composed of copper alloy cast.
상기 Ca이 첨가된 동합금은 주조 후 반응고/반용융 구간범위가 910∼1085℃이고, 전기전도도가 75∼95%CS를 만족하도록 열처리된 것을 특징으로 한다.The copper alloy to which Ca is added is heat-treated to have a reaction high / semi-melting range of 910 to 1085 ° C. and an electric conductivity of 75 to 95% CS after casting.
상기 Ca이 첨가된 동합금은 주조 후 열처리전에 0.1∼30%로 압축가공한후 열처리하거나 압축가공 없이 열처리만으로 1차상을 구상화한 것을 특징으로 한다.The copper alloy to which Ca is added is characterized in that the primary phase is spheroidized by heat treatment after the compression processing to 0.1 to 30% before heat treatment after casting, or only by heat treatment without compression processing.
본 발명은 고전기 전도도 동합금의 제조방법에 있어서,The present invention is a method of manufacturing a high-electron conductivity copper alloy,
0.1∼1.5wt% Ca과, 나머지는 동으로 조성된 Cu-Ca계 동합금을 1100-1150℃의 용탕으로 1-5분간 유지하는 단계와,0.1 to 1.5 wt% Ca and the remainder of the Cu-Ca-based copper alloy formed of copper for 1-5 minutes at a melt of 1100-1150 ° C.,
상기 단계 후 100-150℃로 예열한 주형에 주입하여 동합금 주괴로 주조하는 단계와,Injecting into a mold preheated to 100-150 ° C. after the step and casting into a copper alloy ingot;
상기 주조단계시 발생된 내부 편석과 응력을 제거함과 동시에 수지상으로 생성되어 있는 1차상(primary phase)을 구상화시키기 위해 910∼1085℃의 반응고/반용융 구간으로 가열한 다음 5-10분간 유지한 뒤 냉각시키는 열처리단계를 거침으로써, 반응고/반용융 성형조직에 적합한 구상의 동 1차상을 만드는 방법을 특징으로 한다.In order to remove the internal segregation and stress generated during the casting step and to spheroidize the primary phase produced in the resin phase, it is heated to a reaction high / semi-melting section of 910 to 1085 ° C. and then maintained for 5-10 minutes. By passing through a heat treatment step of cooling, it is characterized by a method of making a spherical copper primary phase suitable for the reaction solid / semi-melt forming structure.
상기 열처리단계 이전에 0.1∼30%로 압축가공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.It is characterized in that it further comprises the step of compression processing to 0.1 to 30% before the heat treatment step.
이하 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the configuration and the operation of the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명에서는 반응고 성형용 동합금을 개발하기 위하여, 순동에 저가의 칼슘을 첨가하여 고·액 공존 구역을 확대시킴으로써 반응고/반용융 성형을 가능하게 하고, 동시에 전기전도도를 75%IACS 이상 유지시킴으로써 전동기용 로터로서 적용이 가능한 소재를 제공한다.In the present invention, in order to develop a copper alloy for reaction solidification, inexpensive calcium is added to pure copper to expand the solid-liquid coexistence zone to enable reaction solid / semi-melt molding, and at the same time maintain the electrical conductivity of 75% IACS or more. Provided is a material that can be applied as a rotor for an electric motor.
본 발명의 Cu-Ca계 합금은 고·액 공존 구역이 150℃ 이상이고, 동시에 전기전도도가 Ca함량이 1%이하일 때 80%IACS 이상이며, 반응고/반용융 성형을 위해 가공 열처리를 실시했을 때 1차상(copper primary phase)이 수지상(dendrite)에서 모두 구상으로 바뀜으로써 반응고/반용융 성형이 가능한 소재이다.The Cu-Ca alloy of the present invention has a solid and liquid coexisting zone of 150 ° C or higher, and at the same time, has an electrical conductivity of 80% IACS or higher when the Ca content is 1% or lower. When the primary phase (copper primary) is all spherical from the dendrite (dendrite) is a material capable of reaction high / semi-melt molding.
본 발명의 반응고/반용융 성형용 동합금의 조성은 중량%로 Ca: 0.1-1.5%이고 잔여량은 동(Cu)이다.The composition of the reaction solid / semi-molten copper alloy of the present invention is by weight% Ca: 0.1-1.5% and the residual amount is copper (Cu).
칼슘은 동과 반응하여 융점이 950℃인 Cu5Ca 금속간화합물을 생성시킨다.Calcium reacts with copper to produce Cu 5 Ca intermetallic compounds with a melting point of 950 ° C.
이 Cu5Ca 금속간 화합물은 917℃, Cu-7wt%Ca에서 Cu와 공정반응(eutecticreaction)을 이룬다.The Cu 5 Ca intermetallic compound is eutecticreaction with Cu at 917 ° C. and Cu-7 wt% Ca.
따라서, 이 합금계의 고·액 공존 구역은 최대 168℃이며, Ca의 함량이 증가함에 따라 점차 감소한다.Therefore, the solid-liquid coexistence zone of this alloy system is at most 168 ° C, and gradually decreases as the content of Ca increases.
한편, 동의 전기전도도는 합금원소 첨가량이 증가함에 따라 감소하게 되는데 그 감소율은 첨가 원소의 종류에 따라 다르다.On the other hand, the electrical conductivity of copper decreases as the amount of alloying element added increases, and the rate of decrease depends on the type of added element.
본 발명소재의 경우 Ca함량에 따른 전기전도도의 감소율은 평균 22.1 %IACS/wt%Ca로서 1.1% Ca 첨가할 경우 약 77%IACS로서 높은 전기전도도 값을 나타내었다.In the case of the present invention, the reduction rate of the electrical conductivity according to the Ca content was 22.1% IACS / wt% Ca, which was about 77% IACS when 1.1% Ca was added.
이하 본 발명의 바람직한 실시예이다.Hereinafter is a preferred embodiment of the present invention.
<실시예><Example>
전동기 로터에 적용되는 반응고/반용융 성형용 동합금은 70%IACS이상의 높은 전기전도도와 함께 충분한 범위의 고·액 공존 영역을 필요로 하기 때문에 본 발명에서는 Ca를 중량%로 0.052, 0.22, 0.34, 0.69 및 1.07%의 5개 조성으로 용해한 다음, 유도로에서 용해하여 1,120℃로 유지되는 용탕을 120℃로 예열한 주형에 주입하여 동합금 주괴로 주조하였다.In the present invention, since the copper alloy for reaction solid / semi-molding molding applied to the motor rotor requires a solid and liquid coexistence area in a sufficient range with a high electrical conductivity of 70% IACS or more, in the present invention, Ca is 0.05%, 0.22, 0.34, After melting into five compositions of 0.69 and 1.07%, the molten metal dissolved in an induction furnace and maintained at 1,120 ° C was injected into a mold preheated to 120 ° C and cast into a copper alloy ingot.
상기와 같이 Ca의 조성을 한정한 이유를 설명하면 다음과 같다.The reason for limiting the composition of Ca as described above is as follows.
주조된 각각의 시료에 대해 전기전도도를 측정하였으며, 그 결과를 도 1에 나타내었다.Electrical conductivity was measured for each cast sample, and the results are shown in FIG. 1.
시료의 ICP 분석조성이 0.052, 0.22, 0.34, 0.69, 및 1.07 wt% Ca 일때 Cu-Ca합금의 전기전도도는 도 1에 나타낸 바와 같이 100%IACS에서 78%IACS까지의 범위에서 점차 감소하였으며, 이 때, Ca의 함량에 따른 전기전도도의 감소율은 약 22.1 %IACS/wt%Ca로 산출되었다.The electrical conductivity of the Cu-Ca alloy gradually decreased in the range of 100% IACS to 78% IACS as shown in FIG. 1 when the ICP analysis composition of the samples was 0.052, 0.22, 0.34, 0.69, and 1.07 wt% Ca. In this case, the reduction rate of the electrical conductivity according to the Ca content was calculated to be about 22.1% IACS / wt% Ca.
이 결과는 Cu의 전기전도도가 Ca의 함량에 따라 그다지 급격히 감소하지 않는다는 것을 나타내며, 1.1wt% Ca까지의 많은 함량을 첨가하더라도 전동기 로터용 합금으로서 실용적인 범위의 높은 전기전도도를 갖는다는 것을 의미하는 중요한 자료이다.These results indicate that the electrical conductivity of Cu does not decrease rapidly with Ca content, and it is important that it has a practical range of high electrical conductivity as an alloy for an electric rotor even if a large content of up to 1.1 wt% Ca is added. Data.
전기전도도 특성과 함께 반응고/반용융 성형용 소재로서 적용시 중요한 자료는 고·액 공존 영역의 범위이다.Along with the electrical conductivity, important data for the application of reaction solid / semi-melt molding are the range of solid and liquid coexistence.
Cu-Ca 합금은 평형상태도 상에서 볼 때, 917℃에서 공정반응(eutectic reaction)이 있으며, ∼0 Ca로부터 Cu-Cu5Ca의 공정조성인 7wt% 까지 이상공존 영역이 존재한다. 그 온도 범위는 평형상태도상에서 볼 때 최대 168℃이고, Ca의 함량이 증가함에 따라 감소하게 된다.The Cu-Ca alloy has a eutectic reaction at 917 ° C. as seen on the equilibrium diagram, and an abnormal coexistence region exists from ˜0 Ca to 7 wt% of the process composition of Cu-Cu 5 Ca. The temperature range is up to 168 ° C in the equilibrium diagram, and decreases with increasing Ca content.
상용합금의 고·액 공존 영역의 범위는 열분석(thermal analysis)을 통해 확인할 수 있다.The range of the solid and liquid coexistence region of the commercial alloy can be confirmed by thermal analysis.
도 2는 본 발명의 각각의 합금을 시차열분석(Differential ThermalAnalyzer, DTA)을 통해 상온에서 1100℃까지 가열하여 분석한 결과이다.Figure 2 is a result of analyzing each alloy of the present invention by heating up to 1100 ℃ at room temperature through differential thermal analysis (Differential ThermalAnalyzer, DTA).
이 그림에서 세로축의 아래 쪽 방향은 흡열반응을 나타내고 위 쪽 방향은 발열반응을 나타낸다.In this figure, the lower direction of the vertical axis represents the endothermic reaction and the upper direction represents the exothermic reaction.
주조된 각각의 시료를 상온에서 가열시켰을 때, 모두 910-920℃ 범위에 걸쳐 강한 1차 흡열 반응이 나타났으며, 반응 피크(peak)의 크기는 Ca의 함량이 증가함에 따라 크게 나타났다.When each cast sample was heated at room temperature, all showed a strong first endothermic reaction over the range of 910-920 ℃, the size of the reaction peak (peak) was large as the content of Ca increased.
1차 흡열반응이 완료된 후, 1070℃ 이후에 2차 흡열반응이 강하게 나타났다.After the first endothermic reaction was completed, the second endothermic reaction was strong after 1070 ℃.
DTA 곡선에서 흡열반응이 의미하는 것은 시료내에서 일부의 상이 용해되고 있다는 것을 의미한다.The endothermic reaction in the DTA curve means that some phase is dissolved in the sample.
1차 흡열반응 온도는 평행 상태도상에서 나타나는 공정반응의 공정온도에 해당되는 온도이며, 2차 흡열반응은 수지상정으로 주조된 1차상(primary copper)이 용해되면서 나타난 것이다.The first endothermic reaction temperature is a temperature corresponding to the process temperature of the process reaction shown in the parallel state diagram, and the second endothermic reaction is obtained by dissolving the primary copper cast as a resin.
따라서, 이 결과로부터 본 발명의 Cu-Ca합금은 고·액 공존영역의 범위가 150℃이상 된다는 것을 알 수 있다.Therefore, from this result, it turns out that the Cu-Ca alloy of this invention becomes 150 degreeC or more of solid-liquid coexistence area | region.
반응고/반용융 성형용 소재에 수지상정이 남아있게 되면 균일한 변형이 이루어지지 않으므로 주조상태에서 남아있는 수지상 조직을 구상으로 만드는 것이 매우 중요하다.It is very important to make the spherical dendritic structure remaining in the casting state because the uniform deformation does not occur if the dendrite remains in the solid / semi-melting molding material.
본 발명에서는 주조시 남아있던 Cu-Ca합금의 수지상 조직을 구상화시키기 위해 가공열처리를 실시하였다.In the present invention, the processing heat treatment was performed to spheroidize the dendritic structure of the Cu-Ca alloy remaining during casting.
이를 위해 먼저 각각의 Cu-Ca시료를 가공을 전혀하지 않은 것과, 13%, 20% 및 33%로 압축가공을 한 시료 각각에 대해 고·액 공존영역인 1050℃로 유도 가열하여 7분씩 유지하였다. 도 3 내지 5는 Cu-Ca합금의 주조상태 및 가공열처리 후의 미세조직을 광학현미경으로 관찰한 것이다.For this purpose, each Cu-Ca sample was not processed at all, and the samples subjected to compression processing at 13%, 20%, and 33% were inductively heated to 1050 ° C, which is a solid and liquid coexistence area, and maintained for 7 minutes. . 3 to 5 show the casting state of the Cu—Ca alloy and the microstructure after the heat treatment of processing with an optical microscope.
도 3 내지 5에서 알 수 있는 바와 같이 주조상태에서는 모든 시료에서 전형적인 주조조직인 수지상정이 관찰되고 있다. 이 시료를 가공열처리를 실시하였을 때, 도 3 내지 5의 (b)에서 관찰되는 것과 같이 1차 상(primary copper)이 반응고/반용융 성형에 적합한 구형으로 바뀌는 것을 알 수 있다.As can be seen in Figures 3 to 5, in the casting state, dendrite, which is a typical casting structure, is observed in all samples. When this sample is subjected to the heat treatment, it can be seen that the primary copper turns into a spherical shape suitable for reaction / semi-melt molding as observed in FIGS. 3 to 5 (b).
구형의 1차 상 내부에서는 많은 경우 쌍정이 관찰되고 있으며, 이는 가공 및 가열 중에 생긴 것으로 판단된다.In many cases twins are observed inside the spherical primary phase, which is believed to have occurred during processing and heating.
한편, 가공을 하지 않고(가공도 0%) 가열만 한 시료의 경우에도 도 3 내지 5의 (c)에 나타낸 것처럼 1차상이 모두 구상화되는 것을 관찰할 수 있으며, 따라서 가공을 하지 않고도 가열만으로써 균일한 반응고/반용융 성형이 가능한 조직을 얻을 수 있다.On the other hand, even in the case of a sample which was only heated without processing (0% processing), it can be observed that all primary phases are spheroidized as shown in Figs. 3 to 5 (c), and thus only by heating without processing. A structure capable of uniform reaction solid / semi-melt molding can be obtained.
한편, 본 발명의 Cu-Ca합금의 액상율을 이미지 분석(image analysis)를 통해 분석한 결과 10∼20%의 액상 분율을 가지고 있는 것으로 나타났는데, 이 분율은 도 6에 나타낸 바와 같이 Ca의 함량이 증가함에 따라 증가하였으며 따라서 반응고/반용융 성형에 적합한 소재임을 알 수 있다.On the other hand, as a result of analyzing the liquid phase of the Cu-Ca alloy of the present invention through image analysis (image analysis) appeared to have a liquid fraction of 10 to 20%, this fraction as shown in Figure 6 It was increased with this increase, and thus it can be seen that the material is suitable for reaction / semi-melt molding.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.The present invention is not limited to the above-described specific preferred embodiments, and various modifications can be made by any person having ordinary skill in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, such changes will fall within the scope of the claims.
상기와 같은 본 발명에 의하여 제조된 동합금은 전기전도도가 75∼95 %IACS를 나타내고 동시에 고·액 공존 구역의 범위가 150℃ 이상되는 소재로서 다이캐스팅에 의한 제조법보다 100∼200℃ 낮은 온도에서 반응고/반용융 공정에 의해 성형이 가능한 소재이다.Copper alloy prepared according to the present invention as described above exhibits an electrical conductivity of 75 to 95% IACS and at the same time the range of solid and liquid coexistence zone is 150 ° C or higher. It is a material that can be molded by a semi-melt process.
본 발명소재는 기존의 산소동(Cu-0.11%O)에 비해 고·액 공존 구역의 범위가 130℃ 이상 넓기 때문에 조업 중 생기는 온도 변화에 크게 영향을 받지 않는 합금이면서도 전기전도도가 전동기 로터용 합금으로 적용이 가능할 만큼 높다.The material of the present invention is an alloy that is not significantly affected by the temperature change generated during operation because the range of solid and liquid coexistence zone is 130 ° C or more, compared to conventional copper copper (Cu-0.11% O). As high as possible.
또한, 본 발명의 소재는 반응고/반용융 성형을 위해 구상화를 시키는 과정에서, 가공을 하지 않고도 가열만으로 동 1차상(primary phase)이 구상화되므로 가공을 필요로 하는 반응고/반용융 합금에 비해 공정 및 에너지를 절감시킬 수 있다.In addition, in the process of spheroidizing for reaction solid / semi-melt molding, the material of the present invention is compared with reaction solid / semi-melt alloy which requires processing because the primary phase is spheroidized only by heating without processing. Process and energy can be saved.
현재 미국을 비롯하여 세계적으로 약 50%이상의 전력이 전동모터를 구동시키는데 사용되고 있는데, 우리나라의 경우 10년 뒤에는 1995년 대비 약 2배 이상의 전력이 소요될 것으로 전망된다.Currently, more than 50% of the power is used to drive electric motors in the United States and around the world. In Korea, it is expected to consume about twice as much power in 1995 than in 1995.
우리나라 산업용 유도 전동기가 소비하는 전력은 총 소비전력의 54%로 단일 전력소비품목으로는 가장 큰 전력소비를 차지하고 있다. 국내 가전용 컴프레서(냉장고, 에어컨 등)의 모터는 약 0.1-5㎾ 용량이 대부분이며 그 수량은 국내에서만 2000-3000 만대에 달한다. 본 발명에서 개발한 동합금 로터를 사용하고 전동기의 설계 개선을 통해 전동기의 효율이 2% 향상된다고 할 때 다음과 같은 에너지 절감과 경제적 상승효과가 크게 기대되는 발명이다.Electric power consumed by industrial induction motors in Korea is 54% of total power consumption, accounting for the largest power consumption as a single power consumption item. The motors of domestic household compressors (refrigerators, air conditioners, etc.) have a capacity of about 0.1-5㎾, and the number is 20-30 million units in Korea alone. When the copper alloy rotor developed in the present invention is used and the design of the motor improves the efficiency of the motor by 2%, the following energy savings and economic synergy are expected.
·에너지 절약: 총전력사용량 (193,470GWh, 1998년 기준) × 전동기의 전력사용비율(54%)×효율향상(2%) = 2,089 GWh/년Energy savings: Total power consumption (193,470 GWh, as of 1998) × Electric power use ratio (54%) × Efficiency improvement (2%) = 2,089 GWh / year
·에너지 절감액: 2,089 GWh×2,790,000원/GWh(평균전기요금)= 1,521억원/년Energy savings: 2,089 GWh × 2,790,000 won / GWh (average electricity bill) = 151.5 billion won / year
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