KR20140077737A

KR20140077737A - 알루미늄 전선, 알루미늄 전선 제조방법 및 차량

Info

Publication number: KR20140077737A
Application number: KR1020120146845A
Authority: KR
Inventors: 정봉연; 손현수; 이태승
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2014-06-24

Abstract

Al을 주성분으로 하고, Fe : 0.3~0.6wt%, Cu : 0.2~0.3 wt%, B : 0.001~0.2 wt% 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성으로 구성된 알루미늄 전선, 알루미늄 전선 제조방법 및 차량이 소개된다.

Description

알루미늄 전선, 알루미늄 전선 제조방법 및 차량 {ALUMINUM WIRE AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME AND VEHICLE}

본 발명은 전기전도도를 순수 알루미늄에 근접하도록 설정하면서 강도와 신율이 자동차 전선으로서 사용할 수 있는 수준을 만족하는 알루미늄 전선, 알루미늄 전선 제조방법 및 차량에 관한 것이다.

종래에는 자동차에서 발생하는 데이터 및 각종 신호를 전달하는 매체로서 구리연동선이 사용되어 왔다. 즉, 고전류가 흐르지 않는 신호 및 통신용 전선은 저압 전선으로서 구리합금으로 된 여러 가닥의 다발된 와이어를 꼬아서 사용하고 있다.

그러나 자동차의 전자화 확대화 경향에 따라 사용되는 전선의 수와 량도 증가함에 따라 많은 구리전선의 수요로 인해 차량의 중량이 높아지고 구리 수요로 인해 가격적인 변동 폭도 큰 관계로 다른 대체재를 개발할 필요성이 대두되고 있는 실정이다.

한편, 금속 소재의 전기적 특성을 볼 때, 구리 다음으로 전기전도도가 높고 자원이 상대적으로 풍부한 알루미늄이 대안재로서 사용해 볼 수 있는 소재이다. 그렇지만, 구리대비 제일 중요한 전기전도도는 최대 60% 수준에 불가하고 더 취약한 점은 강도가 구리의 45%로 쉽게 끊어질 수 있고 탄성과 굴곡성도 낮아서 자동차용 전선으로 사용하는 데는 약점이 많다는 점이다.

따라서, 이를 저압 전선용으로 사용하기 위해서는 전기전도도, 강도 및 신율이 중요한 데, 순수 알루미늄은 강도와 전기전도도가 떨어지기 때문에 합금화하여 사용할 필요성이 있다.

종래의 JP2012-094258 A "전선 케이블"은 "알루미늄 합금 소선을 연합할 수 있게 되는 도체를 가지는 동시에,그 도체를 이 소정 지름과 대면하고 7 배 이상 36 배 이하의 배율이 되는 도체 꼬기 피치에 형성하고,또한,상기 알루미늄 합금 소선의 형성전이 되는 알루미늄 합금의 조성으로서,Fe을 0.1 중량%이상 1.0 중량% 미만,Zr을 0 중량%이상 0.08 중량%이하,Si을 0.02 중량%이상 2.8 중량%이하 포함함과 동시에,Cu을 0.05 중량%이상 0.63 중량%이하,이르고/또는 Mg을 0.03 중량%이상 0.45 중량%이하 포함하고,또한 남은 물건을 Al 및 불가피 불순물이라고 하는 것을 특징으로 하는 전선 케이블."을 제시한다. 그리고 다양한 조성에 대하여 상당수의 특허가 공개되어 있다.

그 중 상용화된 저압전선으로의 대표적인 조성을 기재하면 아래와 같다.

상기 조성의 전선 강도를 평가해 보니, 184MPa 및 신율이 22% 등 뛰어난 물성을 가진데 비해 전기전도도는 52.5%IACS(International Annealed Copper Standard, cm3당 8.89그램의 밀도, 1미터 길이, 1그램, 0.15328오옴의 저항값을 갖는 어닐링된 동선을 기준으로 하며, 200℃에서 100으로 정해짐)를 가지는 것을 알았다.

따라서, 전기전도도가 순수 알루미늄에 비해서 많이 떨어지기 때문에 높은 전류에서는 많은 발열의 문제점이 있고 전선의 직경도 배 이상 올려야 하는 단점이 있었다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

JP

2012-094258

A

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 전기전도도를 순수 알루미늄에 근접하도록 설정하면서 강도와 신율이 자동차 전선으로서 사용할 수 있는 수준을 만족하는 알루미늄 전선, 알루미늄 전선 제조방법 및 차량을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 알루미늄 전선은, Al을 주성분으로 하고, Fe : 0.3~0.6wt%, Cu : 0.2~0.3 wt%, B : 0.001~0.2 wt% 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성으로 구성된다.

상기 알루미늄 전선은 강도가 150MPa 이상이고, 신율이 20% 이상일 수 있다.

상기 알루미늄 전선은 열처리시 350~400℃ 분위기에서 30~60분 동안 유지할 수 있다.

또한, 본 발명의 차량은 상기 알루미늄 전선이 신호전달용 와이어로 사용된 차량이다.

그리고 본 발명의 알루미늄 전선 제조방법은, Al을 주성분으로 하고, Fe : 0.3~0.6wt%, Cu : 0.2~0.3 wt%, B : 0.001~0.2 wt% 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성의 합금을 이용한 연주공정; 상기 연주단계를 통해 제조된 태선을 세선화하는 신선공정; 및 상기 신선을 열처리하는 열처리공정;을 포함한다.

상기 열처리공정은 350~400℃ 분위기에서 30~60분 동안 유지할 수 있다.

상기 열처리공정은, 가열 후 서서히 냉각하는 소둔공정;을 더 포함할 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 알루미늄 전선, 알루미늄 전선 제조방법 및 차량에 따르면, 기존 구리 대비 전선의 중량을 절반으로 줄일 수 있고, 기존 구리 대비 원가를 삼분이 일 정도 절감할 수 있다.

또한, 기존 알루미늄 전선대비 전기전도도를 순수 알루미늄 수준으로 향상시킴으로써 굴곡이 많은 소선경인 자동차용 전선으로 사용할 수 있으며, 인발과 굴곡에 대한 신뢰성을 확보할 수 있는 신율 물성도 확보하여 꼬임과 압착을 쉽게 할 수 있다.

구체적으로, 본 발명에서는 전기전도도를 순수 알루미늄에 근접하도록 설정하면서 강도와 신율이 자동차 전선으로서 사용할 수 있는 수준을 만족하며, Fe, Cu, B 함량을 최적으로 배합 합금함으로써 Si와 Mg 미첨가로 인한 가공성에서 중요한 유동성과 낮은 수축율을 보완할 수 있고, 공정 중 저온 소둔 열처리를 통하여 유동성을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 전선의 효과를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 전선의 조직도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 전선의 열처리 온도와 시간을 설명하기 위한 조직도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 알루미늄 전선, 알루미늄 전선 제조방법 및 차량에 대하여 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 전선의 효과를 나타낸 그래프이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 전선의 조직도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 전선의 열처리 온도와 시간을 설명하기 위한 조직도이다.

본 발명의 알루미늄 전선은 전기전도도를 순수 알루미늄에 근접하도록 설정하면서 강도와 신율이 자동차 전선으로서 사용할 수 있는 수준을 만족하며, Fe, Cu, B 함량을 최적으로 배합 합금함으로써 Si, Mg 미첨가로 인한 가공성에서 중요한 유동성과 낮은 수축율을 보완할 수 있고, 공정 중 저온 소둔 열처리를 통하여 유동성을 확보하도록 하는 것이다.

즉, 종래기술과는 달리 Si를 생략하고 대신 Fe, Cu, B 함량을 최적으로 배합함으로써 가공시의 유동성과 수축율을 보완하고, 공정에 있어 저온의 소둔 열처리를 수행함으로써 강도와 신율을 동시에 확보할 수 있는 것이다.

특히, 강도 보완을 위해서 Fe 함량을 제어하고 Cu는 전기전도도와 강도 항상을 위해서 Fe와 보완적인 배합을 실시함으로써 전기전도도가 상승되고 그에 반해 기계적인 물성도 우수한 것이다.

이러한 본 발명의 알루미늄 전선은, Al을 주성분으로 하고, Fe : 0.3~0.6wt%, Cu : 0.2~0.3 wt%, B : 0.001~0.2 wt% 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성으로 구성된다. 그리고 다양한 비교예와 실시예로서의 전선의 물성을 대비하면 아래와 같다.

상기 대비에 따르면, 기존 기술에 대비하여 전기전도도는 5%, 신율은 32% 이상 좋아졌다. 강도는 약간 저하되었으나, 자동차 전선으로 사용할 수 있는 120MPa을 충분히 넘어서는 강도 특성을 보인다.

각각의 조성에 따른 특성은 1차 비교예에서 Fe 0.3 wt%, Cu 0.2 wt% 그리고 나머지 성분은 알루미늄과 그외 알루미늄에 첨가되는 불순물을 포함하는 성분을 가지는 조성으로 전기전도도는 58~59%이고 강도는 165MPa, 신율은 21% 가진다.

2차 비교예 조성은 Fe 0.6 wt%, Cu 0.3 wt% 그리고 나머지 성분은 알루미늄과 그외 알루미늄의 제련상 첨가되는 불순물을 포함하는 성분을 가지는 조성으로 전기전도도 56~57%이고 강도는 189MPa, 신율을 14%를 가진다.

3차 비교예 조성은 Fe 0.6 wt%, Mg 0.3 wt% 그리고 나머지 성분은 알루미늄과 그외 알루미늄에 첨가되는 불순물을 포함하는 성분을 가지는 조성으로 전기전도도는 56~57%이고 강도는 172MPa, 신율은 19% 가진다.

최적의 조성인 실시예의 경우 Fe 0.3 wt%, Cu 0.2 wt% 그리고 B 0.05 wt% 그외 알루미늄과 제련상 들어가는 불순물을 포함하는 성분을 가지는 조성으로 전기전도도 59.4%, 강도 165MPa, 신율은 29%를 가지는 전선 조성이다.

그리고, 이러한 특성을 갖기 위하여는 마지막 공정인 열처리 공정에서 저온 소둔을 350~400℃ 실시하였을 때 우수한 신율 특성을 확보하는 것을 얻을 수 있었다.

이와 같은 본 발명의 알루미늄 전선의 경우 Si의 삭제, B의 추가, Fe와 Cu의 배합에 의해 강도가 150MPa 이상이고, 신율이 20% 이상이다.

또한, 알루미늄 전선은 열처리시 350~400℃ 분위기에서 30~60분 동안 유지하도록 함으로써 신율을 얻을 수 있고, 그에 따라 신호전달용 와이어로서 차량에 사용되기 적합해졌다.

한편, 본 발명의 알루미늄 전선을 제조하는 방법은, Al을 주성분으로 하고, Fe : 0.3~0.6wt%, Cu : 0.2~0.3 wt%, B : 0.001~0.2 wt% 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성의 합금을 이용한 연주공정; 상기 연주단계를 통해 제조된 태선을 세선화하는 신선공정; 및 상기 신선을 열처리하는 열처리공정;을 포함한다.

특히, 상기 열처리공정은 350~400℃ 분위기에서 30~60분 동안 유지하고, 상기 열처리공정은, 가열 후 서서히 냉각하는 소둔공정을 더 포함할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 전선의 효과를 나타낸 그래프로서, 마그네슘의 첨가시(①,③)에는 전선 생산 공정에 의한 가공경화와 도전율 저하를 만회하기 위한 열처리 시간이 약 4~72시간 정도로서 과다하게 소요되는 문제가 있다. 그리고 열처리로 얻을 수 있는 전기전도도가 약 58%이하이다. 또한, Fe 가 과포화로 고용된 상태로 있게 되어, 전기전도도 및 연신율이 떨어지게 된다.

반면, 마그네슘을 불순물 수준으로 삭제할 경우(②,④)에는 짧은 열처리 시간으로도 Al-Fe화합물이 미세하고 고르게 석출되어 우수한 기계적성질과 도전율을 가진 전선을 만들어낼 수 있다. 열처리 조건은 30~60min (＠ 350~400℃)이다.

특히, 본 발명의 실시예인 B 첨가의 경우(④)에는 전도도와 기계적성질 모두 매우 우수한 결과를 나타내었다.

특히, Fe의 경우 그래프와 같이, Fe는 전기전도도에 큰 영향이 없고 알루미늄 전선의 강도 증가에 대한 효과가 있는 원소이나, 과다 사용시 연신율 저하로 인하여 레이아웃이 복잡한 자동차 전선으로 사용하기에는 부적합하다.

①의 경우에는, Fe의 함량을 적정수준까지 낮추고 소량의 Mg을 첨가한 경우로써 강도증가량에 비해서 전기전도도 저하량이 큰 단점이 있다.

②의 경우 Fe의 함량을 적정수준까지 낮추고 소량의 Cu를 첨가한 경우로써 강도증가량에 비해서 전기전도도 저하량이 큰 단점이 있으나, Mg에 비해서는 유리하다.

③의 경우 Fe의 함량을 적정수준까지 낮추고 소량의 Cu 와 Mg을 첨가한 경우로써, 강도면에서 가장 큰 효과를 얻을 수 있으나, 전기전도도와 연신율이 아주 낮아지는 단점이 있다.

④의 경우 Fe의 함량을 적정수준까지 낮추고, 소량의 Cu 를 첨가하며, 미량의 B으로 용탕처리한 것으로써, 강도 증가 및 전기전도도 저하 측면에 있어 위 3가지 보다 매우 유리함을 알 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 전선의 조직도로서, 도시된 바와 같이 마그네슘을 삭제함으로써 Al-Fe화합물이 미세하고 고르게 석출되어 우수한 기계적성질과 도전율을 가진 전선을 만들어낼 수 있다.

그리고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 전선의 열처리 온도와 시간을 설명하기 위한 조직도로서, 열처리 조건의 경우 온도는 350~400℃가 바람직한데, 이는 열처리 온도가 350℃ 보다 낮을 경우 열처리에 의한 소둔효과(연성 회복)가 거의 없고, 열처리 온도가 400℃ 보다 높을 경우 온도에 의한 결정립 성장이 너무빨리 일어나 물성 제어가 어렵기 때문이다.

또한, 열처리 시간은 30~60분이 적합하다. 도시된 바와 같이, 열처리 시간에 따라 결정립의 크기가 (a)(b)(c)순으로 미세하게 커지다가. 40~50분 정도에서 결정립 조대화가 시작된다(c). 그리고 60분 이상이 되면, 결정립 조대화가 심해져, 연성및 경도가 감소하게 됨을 알 수 있다(d).

구체적으로, 본 발명에서는 전기전도도를 순수 알루미늄에 근접하도록 설정하면서 강도와 신율이 자동차 전선으로서 사용할 수 있는 수준을 만족하며, Fe, Cu, B 함량을 최적으로 배합 합금함으로써 Si, Mg 미첨가로 인한 가공성에서 중요한 유동성과 낮은 수축율을 보완할 수 있고, 공정 중 저온 소둔 열처리를 통하여 유동성을 확보할 수 있다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

Claims

Al을 주성분으로 하고, Fe : 0.3~0.6wt%, Cu : 0.2~0.3 wt%, B : 0.001~0.2 wt% 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성으로 구성된 알루미늄 전선.
청구항 1에 있어서,
상기 알루미늄 전선은 강도가 150MPa 이상이고, 신율이 20% 이상인 것을 특징으로 하는 알루미늄 전선.
청구항 1에 있어서,
상기 알루미늄 전선은 열처리시 350~400℃ 분위기에서 30~60분 동안 유지하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 전선.
청구항 1에 있어서,
상기 알루미늄 전선이 신호전달용 와이어로 사용된 차량.
Al을 주성분으로 하고, Fe : 0.3~0.6wt%, Cu : 0.2~0.3 wt%, B : 0.001~0.2 wt% 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성의 합금을 이용한 연주공정;
상기 연주단계를 통해 제조된 태선을 세선화하는 신선공정; 및
상기 신선을 열처리하는 열처리공정;을 포함하는 알루미늄 전선 제조방법.
청구항 5에 있어서,
상기 열처리공정은 350~400℃ 분위기에서 30~60분 동안 유지하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 전선 제조방법.
청구항 5에 있어서,
상기 열처리공정은, 가열 후 서서히 냉각하는 소둔공정;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 전선 제조방법.