KR20210005241A - 구리 합금의 용도 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구리 합금의 용도로서, 상기 구리 합금은 중량 퍼센트로(용융물 질량 분석에 의한 % 단위의 비율), 은(Ag) 0.020 내지 0.50, 지르코늄(Zr) 0.050 내지 0.50, 인(P) 0.060 이하, 크롬(Cr) 0.005 이하, 및 잔부인 불가피 불순물을 포함하여 구리(Cu) 및 다른 합금 원소로 구성되고, 다른 합금 원소의 비율은 0.50 이하이고, 몰드 플레이트, 몰드 튜브, 주조 휠, 주조 드럼, 주조 롤러, 용융 도가니로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 주조 몰드 구성요소 또는 주조 몰드를 위한 재료로서의 구리 합금의 용도에 관한 것이다.

Description

구리 합금의 용도

본 발명은 청구항 1의 피쳐(feature)를 갖는 구리 합금의 용도에 관한 것이다.

구리는 열전도율과 전기 전도율이 매우 높고, 내부식성이 훌륭하며, 강도가 적당하고, 성형성이 우수한 재료이다. 구리 합금의 특성은 합금 원소의 첨가에 의해 특정 어플리케이션을 위해 조정된다.

고강도 구리-크롬-지르코늄 또는 연성 구리-은을 포함하는 구리 합금은 최근에 일반적으로 특정 어플리케이션에 따라 연속 주조를 위한 주조 몰드를 제조하는 데 사용되고 있다. 사용되는 재료가 충족해야만 하는 요건이 점점 까다로워지고 있는데, 그 이유는 주조 플랜트의 처리량이 더욱 더 증가하고 있기 때문이다. 이것은 특히 주조 속도가 매우 높은 고처리량 주조 플랜트, 예컨대 박슬라브(thin slab) 주조 플랜트에 해당된다.

구리 합금과, 주조 몰드를 위한 그 용도가 WO 2004/074526 A2 또는 US 2015/0376755 A1에 개시되어 있다. 상기 특허들에 개시된 구리 합금은 상기 해당 특허에서 각각 0.40 중량% 및 0.6 중량%의 크롬 함량을 갖는다.

주조 몰드의 개량된 구조 설계에도 불구하고, 사용 중에 발생하는 극단적으로 높은 열응력과 큰 온도 변화가 몰드 재료에 대한 매우 큰 응력을 발생시킨다. CuCrZr과 같은 비교적 고강도 재료의 경우에 있어서의 빈번한 손상 원인은 만연한 열피로와 기계적 피로의 조합으로 인한 초기 균열 형성이다. 이것은 대체로, 최대 열응력이 존재하는 배스(bath) 표면 영역에서 발생한다. 다른 한편으로, 구리-은과 같은 보다 부드럽고 보다 연성인 재료의 경우, 일반적으로 균열 형성은 발생하지 않지만, 대신 벌징(bulging)으로 알려진 주조 몰드의 바람직하지 않은 영구적인 소성 변형이 발생한다. 이것은 주조 몰드 내에서의 상이한 열팽창으로 인한 높은 기계적 응력에 의해 유발된다. 영구 변형은, 이러한 응력에 의해 재료의 강도, 즉 항복점이 초과된 경우에 발생한다.

앞서 나타낸 효과로 인해, 작동 수명 요건이 빈번히 엄수되지 않을 수도 있고, 주조 플랜트의 처리량이 더 증가되지 않을 수도 있다. 용접 기술에서 열적으로 그리고 기계적으로 높은 응력을 받는 전력 전달 구성요소, 예컨대 용접 전극, 용접 캡, 용접 롤러, 전극 홀더 또는 용접 노즐을 위한 구리 합금의 용도에서 유사한 악영향이 발생할 수 있다.

종래기술로부터 출발하여, 본 발명의 목적은 주조 몰드 또는 주조 몰드 구성요소를 위해 사용되는 경우에 높은 처리량 용량 및 개선된 작동 수명을 달성하는 구리 합금을 제공하는 것이다.

이러한 목적은 청구항 1에서 청구되는 구리 합금에 의해 달성된다.

본 발명에 따르면, 구리 합금은 중량 퍼센트(용융물 질량 분석에 의한 % 단위 비율)로, 0.020 내지 0.50의 은(Ag), 0.050 내지 0.50의 지르코늄(Zr), 0.060 이하의 인(P), 0.005 이하의 크롬(Cr)과, 잔부인 불가피 불순물을 포함하여 구리(Cu) 및 다른 합금 원소로 구성되며, 다른 합금 원소의 비율은 0.50 이하이다.

본 발명에 따라 제안된 구리 재료는 열전도율이 높고, 만족스러운 고강도를 가지며, 균열 개시 및 성장이 늦춰진 구리 합금이다. 전기전도율은 50 내지 54 MS/m 범위이다.

구리 합금의 특히 유리한 실시예는 중량 퍼센트(용융물 질량 분석에 의한 % 단위 비율)로, 0.080 내지 0.120의 은(Ag), 0.070 내지 0.200의 지르코늄(Zr), 0.0015 내지 0.025의 인(P), 0.005 이하의 크롬(Cr)과, 잔부인 불가피 불순물을 포함하여 구리(Cu) 및 다른 합금 원소로 구성되며, 다른 합금 원소의 비율은 0.10 이하이다.

본 발명의 일양태는 0.005 중량% 이하의 크롬 함량을 제공한다. 본 발명의 구리 합금의 크롬 함량은 0.005 중량% 미만으로 유지되는데, 그 이유는 구리 합금 조직 내의 크롬이 취성인 제2 상으로 석출되어, 구리 합금의 피로 강도에 불리한 영향을 줄 수 있기 때문이다. 본 발명에 따라 제공되는 저-합금 구리-지르코늄-은(CuZrAg) 재료는 놀랍게도 주조 몰드 또는 주조 몰드의 구성요소, 특히 몰드 플레이트를 위한 매우 유리한 특성을 나타낸다. 은 함량은 구리 합금으로 제조된 주조 몰드 또는 주조 몰드 구성요소의 크리프 강도를 증가시킨다. 조직 내의 지르코늄 함량은, 합금 원소 함량이 낮은 구리 재료의 경우에는 흔치 않은 강도값과 높은 전도율을 조합한다. 강도 증가는 (Ag에 의한) 혼합 결정 강화 기구, 10 내지 50 %, 특히 10 내지 40 % 범위의 냉간 성형 기구 및 (Zr에 의한 CuZr 및/또는 ZrP 석출물 형태의) 석출 경화 기구의 조합에 의해 달성된다. 여기에서는 지르코늄이 매우 효과적이다. 본 발명에 따른 양으로 지르코늄을 합금하는 것은 비록 연성 그리고 또한 열전도율과 전기전도율의 소폭 감소를 야기하지만, 강도, 열안정성 및 내마찰성의 증가가 우수해지게 한다.

더욱이, 본 발명의 구리 재료는 DIN ISO 5182에 따라 측정된 530 ℃의 높은 연화 온도를 갖는다.

유익한 구리 합금은 0.130 중량%의 지르코늄 함량(Zr), 0.1 중량%의 은 함량(Ag) 및 0.0045 중량%의 인 함량(P)을 갖는다. 상기한 구리 합금의 경우, 97 HBW 2.5/62.5의 경도 및 53.7 MS/m의 전기전도율이 측정되었다.

은 함량 및 지르코늄 함량이 최대 0.50 중량%인 저-합금 구리 재료는 주조 몰드 또는 주조 몰드 구성요소에 사용하기에 적합한 특성을 매우 두드러지게 나타낸다. 이들은 실제적으로 일정한 열전도율과 조합된 향상된 강도 및 높은 열적 내연화성을 포함한다. 구리 재료는 또한 구리-크롬-지르코늄 합금(CuCrZr)에 비해 향상된 내피로성을 나타낸다.

주조 몰드 또는 주조 몰드 구성요소의 재료는 사용 중에 주조 측에서 매우 높은 열응력을 받는다. CuAg와 같은 비교적 부드러운 재료의 경우에, 발생하는 응력은 통상 이 영역에 재료의 소성 흐름(벌징)을 초래한다. CuAg에 비해 높은 본 발명의 구리 합금의 강도로 인해, 이러한 변형이 발생하지 않거나, CuAg의 경우보다 훨씬 적은 크기로 발생한다. CuCrZr 합금에 비해 향상된 열전도율은 또한 주조 측의 온도 레벨을 감소시키고, 이로 인해 여기에 존재하는 응력이 감소된다. CuCrZr의 경우에서와 같이 응력 피크에 의한 균열 개시는 보다 천천히 일어난다.

강도 및 내연화성은 합금 조성, 냉간 성형 및 적절한 경화 파라메터에 의해 목표로 하는 방식으로 설정될 수 있다. 이로 인해, 먼저 사용 중에 금속 용융물과 접촉하게 되는 고온 측에서의 특정 정도의 재결정화를 허용하고, 이에 의해 바람직한 피로 특성을 달성하며, 증가된 강도로 인해 냉각 매체와 접촉하게 되는 저온 측에서 소성 변형을 전혀 나타내지 않는 주형 몰드 또는 주형 몰드 구성요소, 예컨대 몰드 플레이트를 제조할 수 있다.

본 발명의 목적을 위해, 적절한 경도 범위의 구리 합금이 유리한 것으로 간주되는데, 그 이유는 이 경우에 늦춰진 균열 개시 및 늦춰진 균열 성장이 예상되기 때문이다. 해당 영역에서 110 HBW의 경도값이 달성된다. 이들 값은 이에 따라 주조 몰드 또는 주조 몰드 구성요소를 위한 구리 합금에 있어서 통상적인 값들 사이에 있다. 본 발명에 따른 구리 합금의 최대 95% IACS의 전도율은 CuCrZr의 전도율을 상회하며, 대략적으로 CuAg 재료 영역이다. 그러나, 다른 한편으로 500 ℃보다 높은 온도에서의 내연화성은 CuCrZr 재료 영역에서 놀라울 정도로 우수하다. 주조 몰드 또는 주조 몰드 구성요소, 특히 칠 몰드(chill mold)를 위한 재료로서 본 발명의 구리 합금을 사용하기 위해서는 상기한 조합이 매우 긍정적이다.

구리 합금은 주조 후에 열간 성형 및/또는 냉간 성형될 수 있다. 입도를 작게 형성하기 위해서는 성형 온도로부터의 켄칭(Quenching)이 바람직하다. 별도 용체화 처리는 보다 성긴 미세구조, 가능하게는 2차 재결정화를 초래한다. 적절한 강도를 설정하기 위해, 경화 전 그리고 선택적으로 경화 후에 냉간 성형이 수행되어야만 한다. 경화는 350 내지 500 ℃에서 수행된다.

구리 재료의 전도율은 열처리에 의해 설정되는데, 여기에서는 최대 370 W/m·K 또는 50 내지 54 MS/m의 전도율이 설정된다.

본 발명의 내용에서 제안되는 구리 합금은 특히 주조 몰드 또는 주조 몰드 구성요소를 제조하기 위한 재료로서 적합하다. 주조 몰드 구성요소의 예로는 몰드 플레이트가 있다. 본 발명에 따른 주조 몰드는 블럭, 빌릿(billet), 슬라브, 특히 박슬라브의 연속 주조를 위해 사용될 수 있다. 더욱이, 주조 휠, 주조 드럼 및 주조 롤러 또는 그 밖의 용융 도가니와 같은 다른 주조 몰드 또는 주조 몰드 구성요소도 또한 이 재료로 제조될 수 있다.

상기한 재료의 유리한 특성으로 인해, 용접 기술의 구성요소, 예컨대 용접 전극, 용접 캡, 용접 롤러 또는 용접 노즐을 위한 용도도 마찬가지로 가능하다.

Claims (6)

1. 구리 합금의 용도로서,
   상기 구리 합금은 중량 퍼센트(용융물 질량 분석에 의한 % 단위의 비율)로,
   은(Ag) 0.020 내지 0.50,
   지르코늄(Zr) 0.050 내지 0.50,
   인(P) 0.060 이하,
   크롬(Cr) 0.005 이하, 및
   잔부인 불가피 불순물을 포함하여 구리(Cu) 및 다른 합금 원소
   로 구성되고, 다른 합금 원소의 비율은 0.50 이하이고, 몰드 플레이트, 몰드 튜브, 주조 휠, 주조 드럼, 주조 롤러, 용융 도가니로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 주조 몰드 구성요소 또는 주조 몰드를 위한 재료로서의 구리 합금의 용도.
2. 제1항에 있어서, 구리 합금은
   은(Ag) 0.080 내지 0.120,
   지르코늄(Zr) 0.070 내지 0.200,
   인(P) 0.0015 내지 0.025,
   크롬(Cr) 0.005 이하, 및
   잔부인 불가피 불순물을 포함하여 구리(Cu) 및 다른 합금 원소
   로 구성되고, 다른 합금 원소의 비율은 0.10 이하인 것인 구리 합금의 용도.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 구리 합금은 50 내지 54 MS/m 범위의 전기전도율을 갖는 것을 특징으로 하는 구리 합금의 용도.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 주조 몰드 또는 주조 몰드 구성요소는 주조 공정 중에 주조 재료를 향하는 고온 측의 영역에서 금속 용융물의 열 영향 하에서 상기 고온 측에서 연화, 재결정화, 또는 연화 및 재결정화되고, 주조 몰드 또는 주조 몰드 구성요소는, 주조 공정 중에 구리 합금이 연화 또는 재결정화되지 않고, 금속 용융물을 향하는 측보다 높은 강도를 갖는 냉각된 저온 측을 갖는 것을 특징으로 하는 구리 합금의 용도.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 구리 합금은 주조 후, 600 내지 1000 ℃ 범위의 온도에서 열간 성형되고, 이어서 성형 온도로부터 50 내지 2000 K/min으로 켄칭(quenching)되며, 후속하여 10 내지 50 %만큼 냉간 성형되고, 최종적으로 350 내지 500 ℃의 온도에서 경화되거나, 또는 600 내지 1000 ℃ 범위의 온도에서 용체화 처리되고, 10 내지 50 %만큼 냉간 성형되며, 최종적으로 350 내지 500 ℃의 온도에서 경화되는 것을 특징으로 하는 구리 합금의 용도.
6. 제5항에 있어서, 상기 재료는 경화 후 다시 냉간 성형되는 것을 특징으로 하는 구리 합금의 용도.