KR20110079638A

KR20110079638A - 구리-주석 합금, 복합 재료 및 이의 용도

Info

Publication number: KR20110079638A
Application number: KR1020117007862A
Authority: KR
Inventors: 마이클 쾰러; 안드레아스 하이데; 랄프 호다; 우도 리페
Original assignee: 선드위거 메싱베르크 게엠베하 운트 코. 카게
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2009-10-27
Publication date: 2011-07-07
Also published as: EP2340318A1; WO2010049118A1; ES2623604T3; RU2011121810A; CN102177265A; CN102177265B; JP2012506952A; BRPI0921441A2; EP2340318B1; RU2482204C2; US20110206941A1

Abstract

본 발명은 Sn 0.2 내지 0.8 중량%, Ni 및/또는 Co 0.1 내지 0.6 중량%, Zn 0 내지 0.05 중량%, Fe 0 내지 0.2 중량%, P 0.008 내지 0.05 중량%, 및 Cu 잔량을 포함하는 구리-주석 합금에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이와 같은 합금의 기제 물질을 가지는 상응하는 복합 재료 및 이의 용도에 관한 것이다. 상기 합금의 기술적 및 물리적 특성은 CuFe2P 합금에 상응한다. 그러나, 본 발명에 따른 합금 및 이로부터 유도되는 주석 도금된 복합 재료는 용이하게 재활용될 수 있다.

Description

구리-주석 합금, 복합 재료 및 이의 용도{COPPER-TIN ALLOY, COMPOSITE MATERIAL AND USE THEREOF}

본 발명은 구리-주석 합금, 이와 같은 구리-주석 합금을 포함하는 복합 재료 및 상기 구리-주석 합금 및 상기 복합 재료의 용도에 관한 것이다. 상기 구리-주석 합금 및 이를 포함하는 복합 재료는 특히 전기 공학 및 전자 부품에 있어서 커넥션 요소로 적합하다. 특히, 본 발명은 재활용성의 문제를 다룬다.

현재, 전기 공학 및 전자 부품 내 커넥션 요소를 위하여 Cu-Zn, Cu-Sn 및 Cu-Fe 기제의 구리 합금이 대규모로 일반적으로 이용되고 있다. 특히, 이와 같은 구리 합금은 리드프레임 및 플러그인 커넥터에 이용된다. 이와 관련하여 재료 선택을 위한 중요한 기준은 탄성 계수, 항복 강도, 이완 거동 및 굽힘 특성이다. 충분한 기계적 강도 외에, 전기전도성 및 내식성 또한 전체 시스템의 사용 기간에 걸쳐 구성 성분의 신뢰할 수 있는 작동을 위한 중요한 기준이다. 이러한 경우, 원칙적으로 상호 배타적인 특성들, 예를 들어 우수한 전도성과 높은 내식성의 조합이 종종 공통적으로 요구된다. 한편, 니켈 및 크롬과 같은 구리 내 합금 요소는 내식성을 향상시키는 반면, 전도성을 현저히 감소시킨다.

기타 금속 재료에의 용접성, 특히 레이저 용접에 대한 중요성 또한 증가하고 있다. 최근 과도한 금속 비용 증가의 견지에서, 사용되는 합금의 재활용성 또한 점점 더 중요해 질 것이다.

Cu-Zn 또는 황동 합금은 고체 용액-강화 재료이다. 이들은 일반적으로 5 내지 40 중량%의 아연을 함유하는 이원 합금이다. 그 인장 강도 및 경도는 아연 함량이 증가함에 따라 증가한다. 아연 함량이 30 중량%일 때 연신율이 최대값에 도달한다. 높은 강도 및 경도 값은 냉간 성형에 의해서만 달성할 수 있다.

예를 들어 CuZn30 합금 또는 CuZn37 합금으로 이루어지는 탄성 스트립 형태의 플러그인 커넥터를 위하여 Hv = 150의 Vickers 경도가 대개 요구된다. 또한, 시트 두께 s에 대하여 표준화된 최소 굽힘 반경 r/s = 1이 90 도의 휨각에서 관측되어야 한다. 그러나, 상기 Cu-Zn 합금의 불리한 점은 상기 합금 요소인 아연이 상대적으로 높은 증기압을 가지므로 상대적으로 저조한 용접성에 있다. 1.013 bar에서, 순수 아연은 907℃에서 이미 비등한다. 나아가, Cu-Zn 합금은 약 110 kN/mm² (SI 단위: GPa)의 낮은 탄성 계수를 가진다. 또한, 부식에 대한 보호를 이유로 주석-도금된 황동 스트립은 도입되는 주석으로 인하여 쉽게 재활용될 수 없다. 상기 Cu-Zn 합금의 이완 거동 또한 확연하며, 따라서 이들이 사용될 수 있는 온도가 제한된다.

Cu-Sn 합금, 즉, 주석 청동은 가장 오래된 기술적으로 이용가능한 구리 합금 중 하나이다. 상당한 양의 인이 상기 Cu-Sn 합금에 대개 첨가되며, 따라서 상기 합금은 또한 인 청동으로도 불리운다. 상기 합금의 특성은 대개 4 내지 8 중량% 사이인 주석 함량에 의하여 일차적으로 결정된다. Sn 함량에 따라, 인 청동의 탄성 계수는 115 내지 120 kN/mm² (SI 단위: GPa) 사이이다. 주석 청동의 굽힘성은 뛰어나다. 소정의 온도 상태에서, Sn 함량 증가는 굽힘 거동을 향상시킨다. 인 청동으로 만들어진 탄성 스트립은 Hv = 200의 Vickers 경도의 경도 수준까지 용이하게 강화될 수 있으며, 또한 90도의 휨각에서 r/s = 1의 굽힘성을 가진다. 주석 또는 인 청동은 쉽게 휘발될 수 있는 요소 (특히 아연) 또는 임의의 간섭하는 제2 상을 포함하지 않으므로 레이저 용접가능하다. 주석 또는 인 청동의 이완 거동은 경화성 구리 재료 수준에는 도달하지 못하나 황동 합금보다 낫다.

Cu-Sn 합금은 우수하거나 매우 우수한 탄성, 우수한 전기 및 열적 지지 용량, 낮은 응력 이완, 우수한 굽힘성, 우수한 용접성 및 납땜성이 요구되는 경우 스탬핑부 및 플러그인 커넥터를 위하여 스트립 형태로 사용된다. 인 청동 또한 주석-도금된 형태로 쉽게 재활용될 수 있다. 이와 같이 상기 합금 내에 주석이 이미 존재한다.

저-합금 구리 재료는 Cu-Fe 합금을 포함한다. 소량의 철 및 인을 첨가함으로써, 순수 구리의 물질 특성, 예를 들어 강도, 연화 거동 또는 이완 거동을 향상시킬 수 있다. 템퍼링 단계 FH에서 CuFe2P 합금은 특히 자동차 내 리드프레임을 위하여 통상적이다. 이러한 템퍼링 단계에서, 상기 재료는 Rm = 420 내지 500 N/mm² (SI 단위: MPa)의 인장 강도를 가진다. 그 Vickers 강도는 Hv = 130 내지 150이다. 모서리를 가진(sharp-edged) 굽힘성이 여전히 주어진다. CuFe2P 합금의 이점은 탄성 계수가 약 125 kN/mm² (GPa)이고 따라서 상기 재료는 우수한 탄성 특성을 가진다는 사실을 포함한다. 그 전기 전도성은 60% 내지 70% IACS (국제 연동 표준 (International Annealed Copper Standard) : 100% IACS, 약 58 MS/m에 상응)이다. 부식에 대한 보호를 위하여 상기 재료를 용이하게 주석-도금할 수 있다.

상기 CuFe2P 합금의 불리한 점은 균질한 물질을 형성하지 않고, 그 대신 Fe2P 침전물을 가진다는 사실을 포함한다. 특히, 이는 레이저 용접을 더욱 어렵게 한다. 레이저 빔이 스팟 용접 중에 상대적으로 거친 Fe2P 침전물에 맞혀지면, 이는 편향될 수 있고, 이에 따라 용입 용접 결과가 불만족스러울 것이다. 다른 불리한 점은 상기 CuFe2P 합금의 주석-도금된 스크랩의 저조한 재활용성이다. CuFe2P 합금의 전기 전도성은 약 1 중량% 용액 내로 들어가는 주석에 의한 용융의 경우 25% 감소한다. 리드프레임의 생산 중에 사용되는 물질의 50% 내지 70%를 대개 이루는 주석-도금된 스탬핑 스크랩은 용융 공정으로 직접적으로 재활용될 수 없으며, 대신 복잡한 공정으로 제련 및 전기화학적으로 분리되어야 한다. 상기 스크랩은 따라서 물질 사이클 내로 캐소드로서 재활용된다. 이러한 작업은 매우 에너지 집약적이며 따라서 스크랩의 직접적인 용융 적하와 비교하여 매우 고비용이다.

개략적으로 기술한 주석 함량의 전기 전도성에 대한 영향은 도 1로부터 CuFe2P 합금에 있어서 분명하여질 것이다. 전기 전도성은 0.3 중량%의 적은 주석 함량 이상에서 대폭적으로 저하된다. 예를 들어, 0.4 mm 두께의 CuFe2P 합금으로 이루어지는 스트립이 부식에 대한 보호를 위하여 약 3 ㎛의 주석으로 양면이 코팅되면, 이러한 스크랩을 기초로 한 직접적인 재활용의 경우 약 1.5 중량%의 주석으로 오염된 CuFe2P 합금이 초래될 것이다. 전기 전도성의 대폭적인 손실 이외에도, 이러한 주석 함량은 또한 고화 거동에 대하여 매우 부정적인 영향을 미칠 것이다.

본 발명의 목적은 물리적 및 기술적 특성들의 측면에서 가능한 한 CuFe2P 합금에 상응하고, 가능한 한 쉽게 레이저-용접될 수 있으며, 쉽게 재활용될 수 있는 합금 및 복합 재료를 명시하는 것이다. 본 발명의 추가적인 목적은 이러한 합금 및 이러한 복합 재료의 용도를 명시하는 것이다.

합금에 있어서, 상기 언급한 목적은 청구항 1에 청구되는 바와 같은 조성을 가지는 구리-주석 합금에 의하여 달성된다. 따라서, 상기 구리-주석 합금은 주석 (Sn) 0.2 내지 0.8 중량%, 니켈 (Ni) 및/또는 코발트 (Co) 0.1 내지 0.6 중량%, 아연 (Zn) 0 내지 0.05 중량%, 철 (Fe) 0 내지 0.02 중량%, 인 (P) 0.008 내지 0.05 중량%, 및 구리 (Cu) 잔량을 포함한다.

본 발명에 따른 구리-주석 합금 및 주석-도금된 복합 재료 모두 특히 전기 엔지니어링 또는 전자 부품을 위하여, 스트립, 호일, 프로파일 스트립, 스탬핑부 또는 플러그인 커넥터를 위하여 매우 적합하다.

도 1은 CuFe2P 합금의 주석 함량의 전기 전도성에 대한 영향을 도시한다.
도 2는 Cu-Sn 합금 및 CuFe2P 합금의 온도 (℃)에 대한 이완%를 도시한다. 점선은 CuFe2P 합금의 거동을 보이며, 실선은 본 발명의 Cu-Sn 합금의 거동을 보인다

본 발명은 CuFe2P 합금을 대체할 수 있고 이에 상응하는 특성을 가지나 주석-도금 상태에서 쉽게 재활용될 수 있는 신규한 합금을 명시하는 개념으로부터 진행된다. 예를 들어 CuSn0.15 합금과 같은 순수 Cu-Zn 합금은 대체물로서 의심할 여지없이 사용될 수 있다. 이러한 합금의 스크랩은 주석으로 코팅되면 재료 사이클로 직접적으로 공급될 수 있다. 이러한 경우, 그 기계적 및 기술적 특성은 CuFe2P 합금에 비교적 잘 상응한다. 그러나, 연화 거동 및 이완 저항성에 있어서 분명한 결함이 발생한다.

광범위한 연구 결과, 합금 요소 주석, 니켈 및/또는 코발트, 및 인의 표적화된 조화를 가지는 구리-주석 합금이 CuFe2P와 유사한 기계적 및 기술적 특성 모두를 달성하며, 또한 연화 거동 및 이완, 즉 승온에서 응력 하에 성분의 크리프(creep)에 있어서 각각의 추가적인 프로세싱 및 최종 용도에 요구되는 특성들의 프로파일을 달성하는 것으로 입증되었다. 본 발명에서, 니켈 또는 코발트가 소정의 함량으로 존재한다. 이와 관련하여, 일부 니켈을 코발트로 대체하는 것이 바람직하며, 이러한 경우 합금 요소의 합이 소정의 함량이 된다.

이하의 표는 본 발명에 따른 Cu-Sn 합금 및 CuFe2P 합금의 기술적 및 물리적 특성의 비교를 보인다.

	CuFe2P	CuSnNiCoP
인장 강도 Rm [MPa]	450	438-440
항복점 0.2% R_p0 _.2 [MPa]	420	405-430
파단신장률 A50 [%]	9	4-5
탄성계수 [GPa]	123	126
전기전도성 [%IACS]	63	55-70
열전도성 [W/mK]	260	250
최소 굽힘 반경 [r/s, 90°	1	1
열팽창계수 [Rt-100℃]	17.7 x 10^-6	17.7 x 10^-6
Vickers 경도 [Hv]	145	130-134
연화점 [℃ (1h)]	350	350

상기 표 1로부터, 본 발명에 따른 Cu-Sn 합금이 기술적 및 물리적 특성에 있어서 소정 요구 조건을 충족시킴이 분명하다.

본 발명에 따른 Cu-Sn 합금이 주석-도금된 형태로 사용되는 경우, 합금층이 상기 기제 물질과 주석 코팅 사이에 형성된다. 새로운 물질로 변화시킬 때 생산 설비를 조정하는 것이 필요하지 않다.

또한, 상기 Cu-Sn 합금은 연화 거동 및 이완에 있어서 CuFe2P 합금에 상응하는 특성 프로파일을 보인다. 이는 온도 (℃)에 대한 이완%가 도시되어 있는 도 2로부터 분명하다. 상기 도면에서, 점선은 CuFe2P 합금의 거동을 보이며, 실선은 상기한 신규 Cu-Sn 합금의 거동을 보인다. 상기 시험은 5000 시간의 부하 시간 및 65% R_p0 _.2의 초기 응력 하에 수행되었다.

상기 신규한 Cu-Sn 합금은 특히 주석-도금된 스크랩의 직접적인 재활용성에 있어서 공급 체인의 개별 단계와 추가적으로 구분된다. 상기 주석-도금된 스크랩은 용융 공정 내로 직접적으로 재활용될 수 있고, 따라서 제련과 비교하여 상기 재활용 비용은 훨씬 낮다. 예를 들어, 스크랩 함량 70%에서, 제련 비용은 생산 비용에 도달할 수 있어 경제적 실행 가능성에 이의를 제기한다. 이러한 이유로, 상기 CuFe2P 합금과 같은 구리-철 합금과 본 발명에 따른 Cu-Sn 합금 간의 금속 값의 조사는 본 발명의 합금이 경제적 및 생태학적 관점 모두에 있어서 (스크랩의 전해질 컨디셔닝을 위한 전기 및 산의 부가적인 사용을 생략할 수 있다) 주석-도금된 구리-철 합금에 대한 타당한 대체물이라는 사실을 변화시키지 않는다.

요구되는 특성과 관련하여, 본 발명에 따른 구리-주석 합금은 0.3 내지 0.7 중량%, 특히 0.4 내지 0.6 중량%의 Sn 함량을 가지는 것이 유리하다. 상기 구리-주석 합금이 0.2 내지 0.55 중량%, 특히 0.3 내지 0.5 중량% 사이의 Ni 및/또는 Co 함량을 가진다면 추가적으로 유리한 특성을 가질 수 있다.

0.008 내지 0.03 중량%, 특히 0.008 내지 0.015 중량%의 바람직한 인 함량은 강도를 개선시킬 수 있다.

바람직한 합금 조성에서, 상기 구리-주석 합금은 Sn 0.3 내지 0.7 중량%, Ni 및/또는 Co 0.2 내지 0.55 중량%, Zn 0 내지 0.04 중량%, Fe 0 내지 0.015 중량%, P 0.008 내지 0.03 중량%, 및 Cu 잔량을 포함한다.

상기 구리-주석 합금이 Sn 0.4 내지 0.6 중량%, Ni 및/또는 Co 0.3 내지 0.5 중량%, Zn 0 내지 0.03 중량%, Fe 0 내지 0.01 중량%, P 0.008 내지 0.015 중량%, 및 Cu 잔량을 포함한다면 더욱 개선될 수 있다.

불순물 및 기타 혼합물의 합이 최대 0.3 중량%인 경우, 상기 구리-주석 합금의 특성에 대한 추가적으로 유리한 정확한 조정이 이루어질 수 있다.

뛰어난 특성을 가지는 구체적인 예증적 구현예로서, Sn 0.38 중량%, Ni 및/또는 Co 0.30 중량%, Zn 0.003 중량%, Fe 0.008 중량%, P 0.014 중량%, 및 Cu 잔량을 포함하는 구리-주석 합금을 언급할 수 있다.

상기 신규한 구리-주석 합금은 쉽게 휘발가능한 요소를 포함하지 않으며 제2상을 가지지 않으므로, 매우 쉽게 레이저-용접될 수 있다. 특히, 상기 합금은 어떠한 NiP 침전물도 포함하지 않는다.

상기 합금은 특히 리드프레임으로 사용될 수 있는 쉽게 레이저-용접가능한 복합 재료로서 매우 적합하다. 현재, 이러한 리드프레임은 예를 들어 ABS 및 ESP 시스템용 자동차 엔지니어링에 사용된다. 이를 위하여, 상기한 구리-주석 합금으로 이루어지는 기제 물질을 제공하거나 주석층으로 덮으며; 이는 특히 고온 주석 도금 공정에 의하여 수행될 수 있다. 이와 관련하여, 본 발명에 따른 구리-주석 합금으로 이루어지는 기제 물질 상에 순수 주석층이 있다. 상기 복합 재료는 100℃ 이하의 온도에서 높은 이완 저항성에 있어서 구분된다. 내부에서, 코어로서, 상기 복합재료는 첨부되는 청구범위에 따른 조성을 가지는 본 발명의 구리-주석 합금을 포함한다. 외부 주석 코팅 또는 커버링은 높은 내식성을 보증한다. 상기 주석층의 두께는 바람직하게 1 내지 3 ㎛이다.

본 발명에 따른 구리-주석 합금을 주석 도금할 때, 상기 기제 물질과 주석층 사이에 전이층이 형성된다. 상기 주석층은 바람직하게 상기 전이층이 Cu, Ni 및/또는 Co 및 또한 Sn의 금속간 상을 포함하도록 하는 방식으로 적용된다. 상기 전이층은 특히 0.1 내지 1 ㎛의 두께를 가지도록 하는 방식으로 형성된다. 이와 관련하여, 내부에서, 코어로서, 상기 복합 재료는 적합한 함량의 니켈 및/또는 코발트 및 또한 인을 포함하는 본 발명에 따른 구리-주석 합금을 포함한다. 상기 코어의 합금은 상기 전이층을 경유하여 순수 주석으로 이루어지는 층 내로 병합된다. 상기 주석층의 우수한 결합이 상기 형성되는 합금층 또는 전이층을 통하여 달성된다.

상기 복합 재료로 이루어지는 리드프레임과 같이 3 차원 구조가 고려되는 경우, 전체적인 결과는 5 층을 가지는 구조이다. CuNiCoSn로 이루어지고 0.1 내지 1.0 ㎛의 두께를 가지는 금속간 화합물층이 기제 물질로서 본 발명에 따른 구리-주석 합금으로 이루어진 코어의 양면 상에 제공된다. 부식에 대한 보호를 위하여, 상기 복합 재료를 최종적으로 순수 주석으로 이루어지며 1.0 내지 3.0 ㎛ 두께를 가지는 층으로 덮는다. 전체적으로, 상기 층상 복합 재료는 0.2 내지 1 mm, 바람직하게 0.2 내지 2 mm, 특히 바람직하게 0.2 내지 3 mm의 총 두께를 가진다.

본 발명에 따른 복합 재료의 전기 전도성은 현재까지 사용되고 있는 비교 물질인 CuFe2P에 상응한다. 상기 복합 재료의 열전도성 및 기타 기술적 가치 또한 마찬가지로 전적으로 상응한다.

Claims

Sn 0.2 내지 0.8 중량%,
Ni 및/또는 Co 0.1 내지 0.6 중량%,
Zn 0 내지 0.05 중량%,
Fe 0 내지 0.02 중량%,
P 0.008 내지 0.05 중량%, 및
Cu 잔량
을 포함하는 구리-주석 합금.
제1항에 있어서,
Sn 함량이 0.3 내지 0.7 중량%, 특히 0.4 내지 0.6 중량%인 구리-주석 합금.
제1항 또는 제2항에 있어서,
Ni 및/또는 Co 함량이 0.2 내지 0.55 중량%, 특히 0.3 내지 0.5 중량%인 구리-주석 합금.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
P 함량이 0.008 내지 0.03 중량%, 특히 0.008 내지 0.015 중량%인 구리-주석 합금.
제1항에 있어서,
Sn 0.3 내지 0.7 중량%,
Ni 및/또는 Co 0.2 내지 0.55 중량%,
Zn 0 내지 0.04 중량%,
Fe 0 내지 0.015 중량%,
P 0.008 내지 0.03 중량%, 및
Cu 잔량
을 포함하는 구리-주석 합금.
제5항에 있어서,
Sn 0.4 내지 0.6 중량%,
Ni 및/또는 Co 0.3 내지 0.5 중량%,
Zn 0 내지 0.03 중량%,
Fe 0 내지 0.01 중량%,
P 0.008 내지 0.015 중량%, 및
Cu 잔량
을 포함하는 구리-주석 합금.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
불순물 및 기타 혼합물의 합계가 최대 0.3 중량%인 구리-주석 합금.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 청구되는 바와 같은 기제 물질 및 이에 적용되는 주석층을 가지는 복합 재료.
제8항에 있어서,
상기 주석층이 1 내지 3 ㎛의 두께를 가지는 것인 복합 재료.
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 기제 물질과 상기 주석층 사이에 전이층을 가지며, 상기 전이층은 Cu, Ni 및/또는 Co 및 또한 Sn의 금속간 상을 포함하는 것인 복합 재료.
제10항에 있어서,
상기 전이층은 0.1 내지 1 ㎛의 두께를 가지는 것인 복합 재료.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 청구되는 구리-주석 합금의 스트립, 와이어, 호일, 프로파일 스트립, 스탬핑부 또는 플러그인 커넥터로서의 용도.
제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 청구되는 복합 재료의 스트립, 와이어, 포일, 프로파일 스트립, 스탬핑부 또는 플러그인 커넥터로서의 용도.