KR20080090398A - 전기적 복합 도체 및 그 제조 방법 - Google Patents

전기적 복합 도체 및 그 제조 방법

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KR20080090398A
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Abstract

본 발명, 즉 복합 도체는 0.08 내지 0.12 %의 Ag 분율을 갖는 CuAg 기지 합금 그리고 0.1 내지 0.7 %의 Mg 분율을 가지며 복합 도체의 단면 상의 엣지(14) 또는 코어(20,22)에 존재하는 CuMg 합금을 포함한다. 접촉 와이어(10)(홈이진 접촉 와이어 즉 트롤리 와이어)는 상기 코어(20)에 CuMg 0.1 내지 0.7의 와이어를 포함하며, CuAg 0.1의 케이싱에 의하여 둘러싸여 있다. 예를 들어, EP 0 125 788 A2에 기술되어 있는 홀튼 컨폼 클래딩 공정이 제조 방법으로서 제안되어 있다.

Description

전기적 복합 도체 및 그 제조 방법{COMPOSITE ELECTRICAL CONDUCTOR AND METHOD FOR PRODUCING IT}
본 발명은 전기적 복합 도체, 특히, 트롤리 와이어(trolley wire) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
전도성을 감소시키지 않고, 기계적 강도 관점에서 복합 도체(특히, 트롤리 와이어)를 개선하기 위한 많은 제안이 행하여져 왔다. 이러한 목적을 위하여, 전도성 재료의 기계적 경화에 기여하는 추가적인 합금 파트너들(alloying partners)이 전도성 구리 재료에 추가되었으며, 은을 예로 들자면, 전도성이 실질적으로 감소하지 않게 된다.
복합 도체 및 그와 연관된 제조 방법들이 공지되어 있다. 전도성과 관련한 다른 응용예에서, 상이한 형상들이 이미 제안되어 왔다. 매우 특정한 응용예들이 초전도성(superconductivity)과 관련하여 요구된다. 압출 설비는, 컨폼 방법(conform methods)(연속적 성형(continuous forming))으로 알려진, 환봉, 외부 형상 및 중공 몸체의 형성에 있어서 광범위한 범위의 응용예들을 갖는 것으로 알려져 왔다. 비교적 오래된 설비는 DE 221169 C2에 기술된 발명에 기반을 두고 있다. 상기 방법은 홀튼 컨폼(Holton Conform)이라는 명칭으로 특히 잘 알려져 있으며, 이는 예를 들어 출원 EP 0494 755 A1을 나오게 한 홀튼이라는 회사의 이름을 빌린 것이다. 세장형 재료를 덮는 동작은 컨폼 클래딩(conform cladding)으로 명명되어 있다. 보다 최근의 제조 기술의 변형예는, 예를 들어, EP 0125 788 A2에서 볼 수 있다.
도 1은 다수의 코어 와이어를 갖는 둥근 와이어의 단면도이다.
도 2는 단지 하나의 코어 와이어를 갖는 트롤리 와이어의 단면도이다.
도 3은 다수의 매입된 와이어를 갖는 트롤리 와이어의 단면도이다.
따라서, 본 발명의 목적은 전도성이 최대이고 기계적 강도가 최상일 수 있는 도체를 얻기 위하여 전기적 복합 도체와 그 제조 방법을 규정하는 것이다.
상기 목적은 주 청구항에 기재된 바와 같이 달성된다. 기타 청구항에는 추가적인 잇점이 제공된다. 상기 제조 방법은 동위 청구항에서 정의된다.
본 발명에서 제안되는 복합 도체는 기계적 전기적 물성의 관점에서 이전에 이용 가능한 재료를 능가한다. 동시에, 다양한 요구 조건을 광범위하게 충족시킬 수 있다. 따라서 제조 공정에 있어서 유연성이 증가하고 다양한 제품으로 확장될 수 있다.
본 발명, 즉 복합 도체는 0.08 내지 0.12 %의 Ag 분율을 갖는 CuAg 합금 모재를 포함하고 상기 복합 도체의 엣지 또는 코어는 0.1 내지 0.7 %의 Mg 분율을 갖는 CuMg 합금을 포함한다.
추가적인 실시예는 다음과 같다.
상기 CuMg 합금의 Mg 분율은 바람직하게 0.5 % Mg이다. 상기 기지 합금(base alloy)의 은 분율은 바람직하게 0.1 % Ag이다.
상기 코어에 존재하는 상기 합금의 면적 비율은 상기 복합 도체의 단면에 대하여 10 내지 80 %이다. 상기 코어에 존재하는 CuMg 합금의 비율은 바람직하게 면적 대비 50 %이다.
상기 코어의 구성은 단일의 와이어 스트랜드(wire strand) 또는 복수의 와이어 스트랜드를 포함할 수 있다.
복수의 와이어 스트랜드가 상기 코어에 존재하면, 상기 와이어 스트랜드는 서로간에 다소 동일한 직경을 갖는다.
상기 복합 도체는 상이한 단면을 갖도록 제조될 수 있다. 이러한 단면은 둥근 와이어를 제조하기 위한 원형, 도체 레일을 제조하기 위한 대략적으로 직사각형 형상, 프로파일 와이어를 위한 프로파일 형상일 수 있다. 트롤리 와이어는 프로파일 와이어용의 용도의 선호되는 분야로서 언급된다. 이와 관련하여, 트롤리 와이어가 표준화된 스탠다드 EN 50149가 참조된다.
본 발명에 따른 복합 도체를 제조하기 위하여, 공지된 압출 성형 방법이 제안된다. 이는 압출 성형에 의하여 환봉 이나 와이어를 제조하는 것과 관련된다. 클래딩 재료(cladding material)가 압출기 휘일의 (2개의) 주변 홈 내로 유입되고, 카운터 베어링(counter-bearing) 상에서의 큰 마찰은 상기 코어 재료의 상기 클래딩으로서 상기 압출 성형 개구부를 빠져 나가는 자유롭게 유동하는 관형 구조(free-flowing tubular formation)를 형성시킨다. 상기 코어 재료는 상기 압출 성형 휘일에 접하는 중공 포털 만드렐(hollow portal mandrel)을 통하여 삽입되고; 상기 클래딩 재료는 상기 코어 재료를 둘러싸게 된다. 이어서, 제품은 하나 또는 그 이상의 다이를 통하여 안내되고 최종 치수로 감소된다. 상기 언급한 바와 같이, 적절한 압출 성형 장치가 상업적으로 이용 가능하다.
본 발명에서, CuMg 합금의 높은 경화 능력과 전도성은 CuAg 합금의 고전도성, 평균적인 경화 능력, 및 우수한 마모 성질과 결합하여 이용된다. 따라서, 하나의 합금만을 포함하는 종래의 트롤리 와이어의 물리적으로 제한된 범위는 강도와 전기 전도성의 관점에서 제안된 합금 파트너들(alloying partners)에 의해 실질적으로 확장될 수 있다. 특히, 이미 알려진 강철 클래드 구리 와이어로 만들어진 복합 트롤리 와이어와는 대조적으로, 제안된 복합 트롤리 와이어는 보다 우수한 전기 전도성을 가질 뿐만 아니라, 보다 부식에 강하고 유익하게 재활용될 수 있다.
코어에 CuMg 0.1-0.7로 만들어진 적어도 하나의 와이어를 포함하며 CuAg 0.1의 클래딩(cladding)에 의하여 둘러 싸이는 홈이 형성된 트롤리 와이어가 트롤리 와이어로서 제조될 수 있다. 상기 코어 와이어는 둥글게 이루어지거나 상기 클래딩(홈이 형성된 프로파일)의 외부 형상에 어느 정도 맞추어질 수 있다. 상기 복합 도체의 단면에서 상기 코어 와이어의 면적 비율은 광범위한 범위에서 변화될 수 있다. 상기 코어 와이어는 다양한 정도의 냉간 가공에 의하여 원하는 강도로 조절될 수 있다는 점에서 차별화되며, 이 강도에서 상기 복합물 내로 유입된다. (예를 들어) 홀튼 컨폼 압출 성형(Holton Conform extrusion)에 의하여 적용되는 추가적인 냉간 가공 공정에 의하여, 상기 복합 트롤리 와이어의 추가적인 경화가 발생된다. 이는 조정이 가능한 제품의 물성(특히, 강도 및 전기 전도성)에 있어서 다양성을 허용한다. 또한, 상기 복합 트롤리 와이어의 바람직한 물성에 의존하여, 인발 비용이 감소하면서도 최종 형상에 유사한 구조가 가능하게 된다.
하지만, 재료 편성을 다른 형식으로 하는 것도 또한 가능하며, CuAg 0.1로 만들어진 적어도 하나의 와이어가 상기 코어 내에 매입되고, 상기 코어는 CuMg 0.1 내지 0.7로 만들어진 클래딩에 둘러싸인다.
홀튼 컨폼 공정에 의한 상대적으로 높은 정도의 냉간 작업을 적용할 때, CuAg 클래딩의 경화가 이미 포화 상태(열적 평형 상태)에 놓이게 되고, 상기 클래딩의 강도는 대체적으로 상기 코어의 강도보다 대체로 낮으며, 이는 상기 트롤리 와이어의 레잉 물성(laying properties)(케이블의 리일(cable reel)이 권취된 후에 낮은 또는 감소된 물결화 현상)에 유리하다. 또한, 이와 비교하여, 상기 고강도 코어 와이어의 구조적 동질성은 단일 성분의 종래의 트롤리 와이어보다 훨씬 높으며, 이는 상당한 기계적 성질이 상기 트롤리 와이어의 길이를 통하여 달성될 수 있음을 의미한다.
재료 물성의 관점에서, 예를 들어, CuMg 0.5로 구성되는 상기 코어 와이어의 25 % 면적 분율의 경우, 90 % IACS 전도성 (52 MS m-1) 과 적어도 435 N/mm2의 인장 강도가 얻어질 것이며, CuMg 0.5로 구성되는 상기 코어 와이어의 50 % 면적 분율의 경우, 81 % IACS 전도성 (47 MS m-1) 과 490 N/mm2의 인장 강도가 얻어질 것이다.
제조 방법
종래의 제조 방법을 이용하여, 정의된 (높은) 강도와 전도성을 갖는 코어 와이어 (둥글거나 또는 프로파일 와이어의 형태)가 CuMg 합금(예를 들면 CuMg 0.5)로부터 제조된다. 상기 코어 와이어(들)의 표면은, 예를 들어, 화학적 처리에 의하여, 이물질 또는 부식층들이 주의깊게 제거된다. 이물질이 제거된 활성화된 표면을 갖는 코어 와이어에서는, 상기 클래딩 물질에 우수한 재료 결합이 형성될 수 있는 것을 보증한다. 표면 클리닝은 추가적인 성형 공정에서 상기 코어 와이어와 상기 클래딩 사이의 밀접한 재료 결합이 유지되게 하기 위하여 중요하다.
이와 같은 방식으로 제조되고 전처리된(pre-treated) 코어 와이어는 컨폼 클래딩 공정(conform cladding process)에서 매우 전도성이 높은 물질 CuAg 0.1로서 클래딩된다. 상기 공정 동안, 상기 코어 와이어는 바람직하게 결과적인 열적 부하 하에서 재결정화가 방지되어야만 한다. 상기 결과적인 합성 와이어는 추가적인 인발 단계를 거쳐서 그 최종 프로파일 형태가 되고, 따라서 추가로 경화된다. 단면의 요구되는 비율에 의존하여, 상기 코어 와이어는 둥근 와이어 또는 프로파일 와이어로서 유입될 수 있다. 상기 제조 공정은 상기 복합 도체의 표면 근처의 엣지 또는 클래딩 영역에 코어 와이어가 없도록 조절되어야 하며, 따라서 상기 직경의 약 10 %의 클래딩 영역에 코어 와이어가 존재하지 않는다. 상기 인발 공정에서의 단면의 감소는 제품의 최종 강도에 영향을 미친다. 고속 레일에 사용하기에 적합한 트롤리 와이어를 제조하기 위하여, 단면에 있어서 상대적으로 큰 감소가 수행된다. 이러한 형태의 트롤리 와이어는 트롤리의 압력에 아주 적은 정도로 항복하고 이러한 견인력에 높은 파동 전파율을 확보하도록 특별히 높은 인장 강도로 조립된다. 높은 정도의 기계적 강도는 따라서 본 출원에 있어서 필수 조건이다.
이미 언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 복합 도체는 도체 레일로서 사용될 수 있다. 도체 레일은 전기 분배 장치에 고정되면서 사용되며, 이는 기계적 강도가 본 출원에서 덜 중요하다는 것을 의미한다.
도 1은 다수의 코어 와이어(22)가 있는 둥근 와이어(12)를 보여 주고 있다. 각 코어 와이어들(22)은 재료(14) 내에 불규칙하게 배열되어 있으며, 코어 와이어가 없는 엣지 영역이 존재하도록 상기 둥근 와이어의 표면으로부터 거리를 두고 놓여 있다. 각 코어 와이어의 분포의 규칙성은 채용되는 재조 방법에 의존하며, 이에 따라 조절될 수 있다.
도 2는 CuMg 0.1 내지 0.7로 만들어진 와이어를 코어(20) 내에 포함하며 CuAg 0.1로 만들어진 덮개(14)에 의하여 둘러 싸인, EN 50149에 따른 트롤리 와이어(10)(홈이 형성된 트롤리 와이어)를 보여 주고 있다. 상기 코어 와이어(20)는 프로파일링(profiling)에 의해 또한 변형된 둥근 와이어로부터 만들어지며, 배 형상(pear-shaped)을 갖는 단면을 얻는다. 상기 코어 와이어의 단면 형상이 변형 강도 및 사출되는 최초 프로파일의 형태에 의존할 것이며, 여전히 거의 둥근 단면을 갖는 트롤리 와이어가 또한 제조될 수 있음은 바로 이해될 것이다.
상기 복합 도체의 단면에서 코어 와이어의 면적 비율은 광범위한 범위(10 내지 80 %) 내에서 변화될 수 있다. CuMg 합금이 상기 코어에 제공되며, 이 CuMg 합금의 비율은 바람직하게는 50 %의 면적 분율이 되어야 한다.
도 3은 코어 내에 다소 규칙적으로 분포되는 다수의 와이어 스트랜드(22)를 포함하는 트롤리 와이어(11)를 도시한다. 상기 와이어 스트랜드(22)는 바람직하게 균일한 직경을 갖는 와이어 스톡(wire stock)으로부터 만들어지며, 따라서 상기 매입된 와이어 스트랜드는, 제조 단계에서 상이한 변형들을 겪는 다는 점을 제외하고는, 또한 대략적으로 균일한 직경을 갖는다. 하지만, 상기 와이어 스트랜드는 둥글지 않은 단면을 또한 가질 수 있다.
트롤리 와이어의 또다른 수치적 예는 다음과 같다: 상기 코어 와이어의 단면은 4 mm2이다. 50%의 코어 와이어 면적 분율의 경우, 약 15개의 코어 와이어가 약 120 mm2의 단면을 갖는 (상술한 스트랜드에 따른) 홈이 형성된 트롤리 와이어 내로 유입되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 0.08 내지 0.12 %의 Ag 함량을 갖는 CuAg 기지 합금을 포함하는 전기적 복합 도체로서, 상기 복합 도체(10,11,12)의 엣지(14) 또는 코어(20,22)는 0.1 내지 0.7 %의 Mg 함량을 갖는 CuMg 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 도체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복합 도체(10,11,12)의 단면에서 도체 코어(20,22)가 차지하는 비율은 10 내지 80 %인 것을 특징으로 하는 복합 도체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 코어(20,22)는 최소한 하나의 스트랜드(20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 도체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 다수의 와이어 스트랜드(22)가 상기 코어에 배열되고 상기 와이어 스트랜드(22)는 대략적으로 동일한 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 복합 도체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복합 도체(12)는 둥근 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 복합 도체.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복합 도체는 홈이 형성된 와이어(10,11), 특히 트롤리 와이어로서 구성되는 것을 특징으로 하는 복합 도체.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 직경의 대략 10 %의 클래딩 영역에는 코어 와이어가 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 복합 도체.
  8. 제1항에 따른 합금 편성을 갖는 복합 도체를 제조하는 방법에 있어서,
    제1합금으로부터 최소한 하나의 와이어 스트랜드(22)를 제조하는 단계;
    최소한 하나의 와이어 스트랜드(22)를 압출 성형 장치에 유입시키고 제2합금으로 만든 클래딩(14)을 상기 스트랜드에 제공하는 단계;
    상기 제조된 복합 도체(10,11,12)를 최소한 한 번 인발 다이를 통하여 인발하여, 상기 도체가 그 최종 프로파일 형상을 갖도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 도체 제조 방법.
  9. 제10항에 있어서, 상기 와이어 스트랜드(들)(22)의 표면은 클래딩되기 전에 이물질층이 제거되는 것을 특징으로 하는 복합 도체 제조 방법.
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