KR20100042413A

KR20100042413A - 비열처리형 가공송전선용 알루미늄 합금 소재

Info

Publication number: KR20100042413A
Application number: KR1020080101553A
Authority: KR
Inventors: 김병걸; 김지상
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2008-10-16
Filing date: 2008-10-16
Publication date: 2010-04-26
Also published as: KR101034862B1

Abstract

본 발명은 고내열 고전도 특성을 가지는 가공송전선용 알루미늄 합금 소재에 관한 것으로서, 가공송전선용 알루미늄 합금 소재에 있어서, 알루미늄에 내열특성 향상을 위한 첨가 원소로서, 알루미늄 합금 소재에 대한 중량부로 Zr 0.01~0.05, Y 0.01~0.03 및 MM 0.01~0.03을 첨가하는 것을 특징으로 하는 비열처리형 가공송전선용 알루미늄 합금 소재를 기술적 요지로 한다. 이에 따라, 다양한 종류의 미세 석출물을 기지 내에 형성시켜 내열성을 향상시킬 수 있도록 하였으며, 성분 편석의 원인이 될 수 있는 첨가원소들의 첨가량을 최소화함으로써 도전성을 향상시킬 뿐만 아니라, 미세석출물을 형성시키기 위한 열처리 공정이 필요없어 종래의 생산공정에 비해 수배의 생산성 향상이 가능하여 제품 단가를 낮출 수 있는 이점이 있다

가공송전선 알루미늄 합금 고내열 고전도 비열처리 첨가 원소

Description

비열처리형 가공송전선용 알루미늄 합금 소재{Non-heat Treatment Type Aluminum Alloy for overhead conductor}

본 발명은 가공송전선용 알루미늄 합금 소재에 관한 것으로서, 내열특성 향상 인자 원소로 Y, MM(Misch Metal), Zr를 첨가하고, 동시에 그 첨가량을 최소화하여 첨가 원소들의 편석을 감소시키고, 열처리 공정을 생략하여, 고내열 고전도 특성을 가지면서, 경제적인 가공송전선용 알루미늄 합금 소재에 관한 것이다.

일반적으로 송전용량 증대용 가공송전선에 요구되는 알루미늄 소재에는 고내열 특성과 고전도 특성을 동시에 겸비한 알루미늄 합금 소재가 필수적이다.

야금학적으로 소재의 내열특성은 기지 내에 금속 간 화합물인 석출물을 균일하고 미세하게 분포시켜 고온에서의 결정입계의 이동을 억제함으로서 달성이 가능하다.

또한 고전도 특성은 첨가 합금원소의 첨가량을 최소화하고, 나아가 첨가된 합금원소들이 가능한 기지 금속 내에 고용되지 않고, 금속 간 화합물로 석출형성됨으로서 특성 구현이 가능하다.

현재의 송전용량 증대를 위한 가공송전선용 알루미늄 소재의 경우 요구되는 고내열성과 고전도성을 실현하기 위해, 내열특성 향상 인자로서 Zr 성분을 0.25~0.3 중량비로 다량 첨가하고, 이를 고온에서 장시간 열처리하여 수십~수백nm 크기의 미세한 Al₃Zr 석출물을 알루미늄 기지 내에 균일하게 분포시켜, 결정입계의 이동을 억제하고, 전도 특성을 향상시키게 된다.

그러나, Zr 원소의 융점을 1,852℃로 기지 성분인 Al(융점 660℃)에 비해 대단히 높고, 비중 또한 3배 가까이 차이가 나며(Zr의 비중은 6.49, Al의 비중은 2.70), 야금학적으로 Al과 Zr 두 원소는 상호 비고용체이기 때문에, Al 성분과 용이하게 합급화가 이루어지지 않아 제조 시 여러 가지 야금학적인 문제점을 야기하고 있다.

그 중에서 가장 큰 문제는 재료 내에 치명적인 Zr 성분 편석 현상이다. 합금금속 소재 제조 시 구성 성분들의 편석은 당초 목표로 설계된 소재 특성들이 제대로 구현되지 못한다는 것과 오히려 소재 특성을 약화시킬 수 있다는 측면에서 대단히 바람직하지 못하나, 특히 직경이 가는 선재로 활용되는 제품에 있어서는 치명적이라 할 수 있다. 이는 신선가공에 의해 선경이 작아질 때, 가는 선재 내의 국부적인 편석은 선재의 단선으로 이어지기 때문이다.

또한, Zr 원자의 원자반경은 16nm로 Al의 14.3nm에 비해 상당히 크고, 융점 또한 대단히 높기 때문에, 열처리시 Al 기지 내에서 Zr 원자의 확산속도가 매우 느려, Al₃Zr 준안정상을 석출시키기 위해서는 450℃ 이상의 고온에서 48시간 이상의 장시간 열처리가 필요하다. 이 열처리 공정은 제품의 단가를 상승에 큰 영향을 미 칠 뿐만 아니라 상당히 배치 타입(batch -type) 열처리로를 사용하기 때문에 생산성을 현저히 떨어뜨리는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 종래의 내열특성 향상 인자 원소가 제조공정에 여러 문제점을 야기하는 것을 해결하기 위한 것으로, 종래에는 Zr 원소에만 의존하여 내열특성을 확보하는 방법을 채택하였으나, 본 발명에서는 내열특성 향상 인자 원소로 Y, MM(Misch Metal), Zr를 첨가하고, 동시에 그 첨가량을 최소화하여 첨가원소들의 편석을 현저히 감소시키고, 아울러 열처리 공정을 생략하여 고내열 고전도 특성을 가지면서, 경제적인 고내열 고전도 비열처리형 가공송전선용 알루미늄 합금 소재의 제공을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 가공송전선용 알루미늄 합금 소재에 있어서, 알루미늄에 내열특성 향상을 위한 첨가 원소로서, 알루미늄 합금 소재에 대한 중량부로 Zr 0.01~0.05, Y 0.01~0.03 및 MM 0.01~0.03을 첨가하는 것을 특징으로 하는 비열처리형 가공송전선용 알루미늄 합금 소재를 기술적 요지로 한다.

또한, 상기 고내열 고전도 가공송전선용 알루미늄 합금 소재는 인장강도가 16.2(kgf/㎟) 이상이고, 전기전도도는 60(%IACS) 이상, 그리고 내열성 90(%) 이상인 것이 바람직하다.

상기 과제 해결 수단에 의해 본 발명은, Y, MM(Misch Metal), Zr 원소 등과 같은 다수의 내열특성 향상 원소들을 첨가하여, 다양한 종류의 미세 석출물을 기지 내에 형성시켜 내열성을 향상시킬 수 있도록 하였으며, 성분 편석의 원인이 될 수 있는 첨가원소들의 첨가량을 최소화함으로써 도전성을 향상시킬 뿐만 아니라, 미세석출물을 형성시키기 위한 열처리 공정이 필요 없어 종래의 생산공정에 비해 수배의 생산성 향상이 가능하여 제품 단가를 낮출 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 종래의 Zr 성분의 미세 석출물 만을 형성시켜 내열성을 향상시키는 것과는 달리, Y, MM(Misch Metal), Zr원소 등과 같은 다수의 내열특성 향상 원소들을 첨가하여, 다양한 종류의 미세 석출물을 기지 내에 형성시켜 내열성을 향상시키고자 한 것이다.

다음 표 1에 첨가 원소의 종류에 따라 형성되는 미세 석출물의 종류에 대해 정리하였다.

<표 1> 첨가 원소에 의한 미세 석출물의 종류

첨가원소	융점()	밀도(g/cc)	석출물
Fe	1,536	7.86	Al₃Fe
Y	1,509	4.47	Al₂Y
MM(Misch Metal)	~ 920	6.17	Al₄Ce, Al₄La
Zr	1,852	6.49	Al₃Zr

그리고 내열특성 향상을 위해 원소들의 첨가량은 전체 가공송전선용 알루미늄 합금 소재에 있어서, Fe과 기타 불가피한 불순물을 제외하고, 내열특성 향상을 위한 첨가 원소로서, 중량부로 Zr 0.01~0.05, Y 0.01~0.03, MM 0.01~0.03으로 첨가되도록 한다. 여기에서 MM(misch metal)은 희토류 원소인 세륨족 금속의 합금을 말 한다.

상기 첨가 원소의 첨가량은 0.0X~0.00X 오더(order)로 종래에 비해 대단히 적은 양임을 알 수 있다. 이는 상기 첨가 원소가 Al 성분과 상호 비고용계이기 때문에 과잉으로 첨가할 경우, 종래의 Zr 성분의 경우와 같이 성분 편석의 원인이 될 수 있을 뿐만 아니라, 다량 첨가할 경우 도전성에 나쁜 영향을 미칠 수 있기 때문에 가능한 첨가량을 억제하는 것이 바람직하기 때문이다.

또한, 첨가원소의 첨가량을 최소화함으로서 미세 석출물을 형성시키기 위한 열처리공정이 필요 없게 되는 큰 장점이 있다. 열처리 공정을 생략할 경우, 종래의 생산공정에 비해 수배의 생산성 향상이 가능하고, 제품 단가를 크게 낮출 수 있게 된다.

다음 표 2에서는 본 발명에 따른 알루미늄 합금 소재의 성분 원소의 첨가량과 종래의 알루미늄 합금 소재의 성분 원소의 첨가량에 따른 특성을 평가하여 그 특성이 우수한 합금 조성비와 그 조성에서의 전기전도도, 인장장도, 내열성 특성에 대해 정리하여 나타내었다.

여기에서 종래의 알루미늄 합금 소재는 Al₃Zr 준안정상을 석출시키기 위해서 450℃ 이상의 고온에서 48시간 이상의 장시간 열처리를 수행한 것이며, 본 발명에서는 첨가 원소의 첨가량이 적어 미세 석출물을 형성시키기 위한 열처리 공정을 수행하지 않아도 무방하다.

<표 2> 고내열 고전도 특성을 겸비한 알루미늄 합금 소재 조성

No.		Fe	Zr	Y	MM	Al	전기전도도 (%IACS)	인장강도 (kgf/mm²)	내열성 (%)
본 발 명 합 금 조 성	1	0.11	0.05	0.01	0.01	Bal.	60.3	17.0	90.5
	2	0.11	0.05	0.02	0.02	Bal.	61.0	19.4	91.2
	3	0.11	0.05	0.03	0.03	Bal.	60.5	20.9	92.0
	4	0.11	0.04	0.01	0.01	Bal.	60.2	21.0	94.0
	5	0.11	0.04	0.02	0.02	Bal.	61.2	18.0	90.8
	6	0.11	0.04	0.03	0.03	Bal.	60.1	16.9	92.2
	7	0.11	0.03	0.01	0.01	Bal.	61.1	17.7	92.0
	8	0.11	0.03	0.02	0.02	Bal.	61.0	20.9	92.3
	9	0.11	0.03	0.03	0.03	Bal.	60.2	19.4	93.3
	10	0.11	0.02	0.03	0.03	Bal.	60.3	20.1	95.5
종 래 의 합 금 조 성	11	0.11	0.2			Bal.	61.2	17.5	92.5
	12	0.11	0.25			Bal.	60.8	17.0	93.3
	13	0.11	0.3			Bal.	60.5	16.8	92.8
	14	0.11	0.35			Bal.	61.5	17.1	91.9

송전용량 증대용 가공송전선의 알루미늄 합금 소재의 특성은 한국전력의 구매시방서에 의한 엄격히 규정되어 있다. 가공송전선의 알루미늄 선재의 인장강도는 16.2 (kgf/mm²) 이상, 전기전도도는 60(%IACS) 이상 그리고 내열성도 90(%) 이상으로 규정되어 있다. 따라서 상기 송전선에 사용될 수 있는 제품은 이 규정을 반드시 만족하여야 한다.

본 발명의 합금 조성은 모두 이 규정치를 만족하고 있는 것을 알 수 있다. 따라서 종래의 Zr 성분의 첨가량을 대폭 줄이는 대신 다수의 다른 내열특성 향상 성분을 미량 첨가하는 것만으로, 인장강도, 전기전도도, 내열 특성을 만족시켰으며, 아울러 열처리공정 없이 종래의 제품과 동일한 특성을 얻을 수 있어 경제적 인 이점이 있다.

Claims

가공송전선용 알루미늄 합금 소재에 있어서,

알루미늄에 내열특성 향상을 위한 첨가 원소로서, 알루미늄 합금 소재 100중량부에 대해 Zr 0.01~0.05중량부, Y 0.01~0.03중량부 및 MM 0.01~0.03중량부로 첨가하는 것을 특징으로 하는 비열처리형 가공송전선용 알루미늄 합금 소재.
제1항에 있어서, 상기 가공송전선용 알루미늄 합금 소재는 인장강도가 16.2(kgf/㎟) 이상이고, 전기전도도는 60(%IACS) 이상, 그리고 내열성 90(%) 이상인 것을 특징으로 하는 비열처리형 가공송전선용 알루미늄 합금 소재.