KR930007314B1 - 무산소동(無酸素銅)의 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

무산소동(無酸素銅)의 제조방법

제1도는 본 발명을 실시하기 위한 단일 진공 장치도.

제2도는 진공도에 따른 산소 함량의 변화를 나타낸 그래프.

제3도는 탈산 및 탈수소 과정을 나타낸 그래프.

제4도는 무산소동의 밀도 분포도.

제5도는 무산소동의 전기 전도도 분포도.

제6도는 소둔처리에 따른 무산소동의 전기 전도도의 변화도.

제7도는 무산소동의 냉간 가동도에 따른 기계적 성질 변화도.

제8도는 무산소동의 연화특성 변화도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 흑연 도가니 2 : 자기 교반기

3 : 가스 취입 랜스 4 : 진공 용해실

5 : 랜더 6 : 주형

7 : 진공 주조실 8 : 장입 바스켓

9 : 유도 코일 10 : 밸브

본 발명은 무산소동(無酸素銅)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단일 진공장치내에서 용해, 탈가스 및 주조를 연속적으로 행하여 산소 및 질소를 원활히 제거하기 위한 무산소동의 제조방법에 관한 것이다. 종래의 전기 전자 부품재료로써는 타프 피치동(tough pitch copper)이 많이 사용되었으나, 산소, 질소등 기타불순물이 존재할시는 음파특성에 좋지 않은 영향을 미친다.

따라서 산소함유량이 10 PPM(0.001%) 이하의 고순도동,즉 무산소동은 그의 우수한 도전율 및 열전도도, 딥 드로우잉(Deep Drawing)성등이 우수하여 전기, 전자재료 및 열교환기 재료등에 이용되고 있다.

그러나, 무산소동은 고온 가열시 결정립이 조대화하여 기계적 성질이 저하하든가, 고온에서 산화, 환원 분위기중에서 사용시 수소 취화현상을 일으키는 일이 있다.

따라서, 이와 같은 문제점을 방지하기 위한 종래의 기술로써는 일본 공개 특허 공보소 51-96728호(이하 "종래발명 A"라 함)는 미량의 붕소(B)를 비산화성 분위기(예 : 진공, 환원성 분위기, 불활성 분위기)중에서 무산소동과 함께 용해함으로써 고온에서 외기로 부터 침입하는 산소를 붕소와 결합시켜 산소를 제거하고 있으며, 일본국 공개 특허 공보소 53-64617호(이하 "종래발명 B"라 함)에서는 수형 연속 용해로(竪型 蓮續 溶解爐)에서 전기동을 용해한 후 용탕이 이송관을 통한 보지로에 이송시키면서 환원제 및 가스를 주입하여 산소를 제거하고 주형에 주조하여 주괴를 얻는다.

그러나 상기와 같은 종래 발명 A는 진공용해로에서 산소제거를 위해 붕소를 첨가함으로써 제조원가의 상승요인이 되고 있으며, 이러한 용탕은 다시 대기중에서 주조함으로써 대기중의 산소혼입으로 충분한 산소의 제거가 이루어지지 않고 있다. 또한 종래 발명 B와 같이 가스 및 환원제에 의해 무산소동을 제조할 경우는 용동중의 산소-수소의 팽형관계에 의해 수소가 외부로부터 흡수되어 수소함량의 제어와 활성도가 낮은 미량원소의 제거가 어렵다. 또한 이송관을 철저히 밀폐시킨다 하더라도 대기와의 분압차등에 의해 산소 혹은 수소의 유입방지가 곤란하는등 사용가스의 순도에 따라서도 큰 차이가 발생된다. 더욱이 초기 출탕시 이송관, 보지로등에 잔존하는 산소 및 수소등의 탈가스 처리기술에 따라서도 무산소동의 품질을 좌우할 수 있다.

또한 무산소동 제조방법과는 직접적인 관계는 없으나, 일본국 특허 공보소 35-12756호(이하 "종래발명 C"라 함)에서는 용강의 탈가스방법이 알려지고 있는데, 여기에서는 대기중에서 용해한 용강을 진공중에서 예열, 탈가스 및 주조를 연속적으로함으로써 주조시 대기로부터의 가스흡수를 방지하고 있으며, 또한 주조시에 래들에 노즐, 스토퍼를 별도로 설치할 필요가 없는 등의 이점을 갖고 있다.

그러나 종래 발명 C는 상,하의 진공 챔버에 압력차을 주어 흡상관을 통하여 용탕이 익류판(랜더)으로 넘치게 하여 이를 주형으로 주조하게 되어 있다.

즉, 용강을 익류관에 흐르게 하기 위하여는 상, 하 챔버에 압력차를 주어야 하는데 특히 용탕량이 적을때는 하부 챔버의 기압을 대기압보다 높게 하기 위하여 많은량의 아르곤가스를 불어 넣어야 한다. 이는 고가의 아르곤가스를 많이 사용하여 경제적이지 못하며, 가스내의 불순물이 혼입될 가능성이 있다. 또한 흡상관이 용탕내에 계속 잠겨 있어 흡상관으로 부터 불순물이 용탕내로 침투될 염려가 있다. 이에 본 발명은 단일 진공장치내에서 흑연도가니를 사용하여 용해하여 산소의 제거를 용이하게 함과 동시에 자기교반과 가스취입을 병행함에 따라 탈가스 효과를 촉진시키고, 이어서 연속적으로 주형에 주조함으로써 대기로부터의 산소흡입을 방지하는등 종래에서의 문제점을 해결하고자 하는데 그 목적이 있다.

이하 본 발명을 설명한다.

본 발명은 일관된 단일 진공실 시스템(system)내에서 전기동(電氣銅)을 유도코일에 의거 용해하고, 자기 교반과 상부 가스취입을 병행하여 용동(溶銅)중의 불순 가스를 제거시킨 후 진공 용해실을 회동시켜 랜더(Launder)에 용동을 흘러 보내 이 용동이 주형에 주조되도록 처리하여서 됨을 특징으로 하는 무산소동의 제조방법이다.

이를 제1도에 따라 구체적으로 설명한다.

제1도는 본 발명을 실시하기 위한 일관된 공정을 할 수 있는 단일 진공실 시스템 장치로써, 진공용해실 (4)은 외부와 차폐할 수 있도록 되어 있고, 그 상부에는 전기동을 장입할 수 있는 장입바스켓(8)과 가스를 취입할 수 있는 가스 취입 랜스(3)가 설치되어 있다. 이 가스취입랜스(3)는 승강운동을 할 수 있어 용해시는 상부로 올린다. 전기동을 용해하는 흑연 도가니(1) 외주에는 가열을 위한 유도코일(9)과 자기교반을 위한 자기교반기(2)가 부착되어 있다. 진공용해실(4)은 좌우양축에서 지지함과 동시에 랜더(5)에 용동을 주조시 이를 유압실린더에 의해 경사회동할 수 있고(구체적 도면생략), 또한 진공분해실(4)을 전후로 이동할 수 있도록 설치되어 있다(구체적 도면 생략).

그리고 진공용해실(4)과 연결된 진공 주조실(7)내에는 다수 배열된 주형(6)을 하부에서 지지하는 지지판(11)과 이 지지판(11)의 위치를 교대로 회전시킬 수 있도록 베벨기어로 이루어진 구동장치(12)로 되어 있고, 진공 주형실(7) 상부에는 흑연도가니(1)에서 출탕된 용동이 흘러서 주형(6)에 주조될 수 있는 통로를 갖는 흑연재질로 된 랜더(5)를 레일(도면 생략)을 따라 좌우이동될 수 있도록 설치되는데, 주조시에는 랜더가 좌측에 있다가 주조가 완료되면 우측위치로 레일을 따라 이동하게 되며 이때 밸브(10)가 닫히게 된다. 따라서 진공용해실(4)과 진공주형실(7)이 분리되며 주조된 용동이 응고되는 동안 주형실(7)은 진공상태를 유지하게 되고 진공용해실(4)에는 계속 원료를 투입하여 연속적으로 용해가 가능하다. 주형실(7) 하부에는 주형실(7)이 좌우로 이동할 수 있도록 구동장치(구체적 도면생략)가 설치되어 있다. 도면부호(14)는 각 연결부위를 차폐시킬 수 있는 팩킹부이고, (13)은 배기관으로써 여기에 진공 펌프가 연결되어 있다(도면생략).

이와같은 장치에 따라 흑연도가니(1)에 투입된 전기동은 유도 코일(9)에 의해 용해되며, 용탕의 온도는 1200~1240℃로 한다. 이때 사용되는 흑연도가니(1)의 탄소는 다음과 같은 산소와의 반응을 유도하여 산소를 제거한다.

C + 0 = CO

CO + 0 = CO₂

CO₂+ C = 2CO

CO₂+ C = 2CO

제2도는 진공도에 따른 산소 함량 변화를 나타낸 그래프로써, 진공도는 10^-5torr 이하인 경우 산소함량을 1PPM 이하로 유지할 수 있으나, 실제 조업에서 10^-5torr 진공도를 유지하기란 경제적 측면과 조업능률상 비생산적이므로 적은 진공도에서 많은 불순물을 제거하여야 한다.

그러나 용동중의 산소제거는 엘링감 도표(Ellingam diagram)에서와 같이 열역학적 평형론으로서는 가능성있게 보이지만 실제는 반응속도, 즉 시간이 문제된다.

따라서 본 발명에서는 이러한 반응소도와 시간을 향상시켜 주기 위해 진공상태에서 용동이 가스취입랜스(3)에 따른 환원성 가스와의 접촉면을 크게 향상시켜 주기 위하여 자기교반기(3)를 설치하였다. 따라서 용동의 교반작용이 가속화되어 저산소 함량이 촉진된다.

또한 흑연 재질로 된 가스취입랜스(3)에 의한 환원성 가스 취입은 용동의 교반을 가속시킴으로써 용탕과 환원성가스의 접촉면을 더욱 증대시켜 산소제거를 향상시킨다. 바람직하게는 용탕중에 취입가스 노즐의 구멍을 여러 방향으로 하여 가스를 불어 넣어줌이 좋다. 제3도는 종래와 본 발명에 의한 용동주의 탈가스(탈수소와 탈산소)를 나타낸 그래프로써, 종래의 일반적인 탈가스는 α에 있는 용탕의 산화에 의해 β상태로 탈수소한후 탈산제를 가하여 γ상태로 탈산하거나, α에 있는 용탕에 수소를 불어 넣어 δ상태로 탈가스한후 불활성 가스를 불어 넣어 탈수소를 행하여 γ상태로 탈가스를 행하고 있다.

이에 반해 본 발명은 진공하에서의 탈가스로써 α에 있는 용동중의 수소는 진공으로 β상태로 감소시키고, 병행하여 흑연 도가니의 탄소 및 CO환원가스에 의해 γ상태로 탈가스시킴으로써 탈가스의 진행이 용이하게 이루어질 수 있고 또한 자기교반등에 따라 탈가스의 촉진이 가속화되어 산호를 2PPM 이하로 감소시킬 수 있다.

또한 주조시에는 용해실과 주조실을 똑같은 압력 및 분위기를 유지할 수 있도록 되어 있기때문에 용탕이 산소 및 불순물과의 접촉을 완벽하게 차단할 수 있다. 이때 용해실과 주조실의 분위기는 10^-2~10^-4torr의 진공도를 유지시킴이 바람직하다.

주형(6)은 흑연재질로 함으로써 주과의 표면상태를 양호하게 하며 주형과 주괴분리를 용이하도록 한다. 이때 고정도(高精度) 유지를 위해 금형온도는 300~500℃정도로 하여 고정도 고밀도의 주괴를 얻을 수 있다.

이상에서와 같이 이루어진 본 발명은 무산소동뿐만 아니라 고급합금강, 특수 합금강등 대기 용해시 발생되는 가스의 영향등을 극력 억제할 수 있으므로 이들의 제조에도 널리 이용할 수 있다.

이하 본 발명에 따른 효과를 설명한다.

(표 1)은 종래 방법과 본 발명을 비교한 무산소동에서의 불순물 제거량을 나타낸 것이다.

[표 1]

※ 불순물 용량은 Ag, S, Pb, Sn, Bi, As, Te, Ni, Hg, Zn, P, Se, Te, Mn, Cd, O₂의 합계임.

(표 1)에서 나타난 바와같이 진공 시스템내에서 용해, 탈가스, 주조공정을 거쳐 제조된 본 발명은 무산소동의 동순도는 99.996% 이상이었고, 산소함량도 2PPM 이하였다.

특히 전기전자 부품소재로 사용될때 가장 유해한 원소중의 하나인 황(S)도 2PPM 이하였다.

제4도는 본 발명에 의해 제조된 무산소동의 밀도 분포도(8.935~8.956)를 나타낸 것으로, 동의 이론밀도(8.94)에 거의 가깝게 나타났다. 이것은 내부 결합이 거의 존재하지 않는 무산소동임을 보여주고 있다.

제5도는 본 발명에 의해 제조된 무산소동의 전기 전도도의 분포를 나타낸 것으로, 평균값이 101.465%의 높은 전기 전도도를 나타내고 있다.

제6도는 본 발명에 의해 제조된 무산소동을 열처리한 경우의 열처리 시간에 따른 전기 전도도의 변화를 나타낸 것으로, 250℃에서 연화가 시작되었다.

또한, 본 발명에 의해 제조된 무산소동은 850℃에서 30분간 수소분위기에서 열처리한 경우에도 미세기공의 형성이 없으며 이로인한 기계적 성질, 물리적 성질의 저하도 일어나지 않았다.

Claims (3)

1. 일관된 단일 진공실내 10^-2~10^-4torr 진공도)에서 전기동(電氣銅)을 도가니에서 유도코일로 용해하고 자기교반함과 동시에 랜스를 통한 상부 가스취입을 병행하여 용동(溶銅)중의 탈가스 및 환원처리한 후 동일한 진공분위기에서 도가니를 전동(轉銅)하여 용동을 랜더(Lander)에 흘러 보내 주형에 주조함을 특징으로 하는 무산소동의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 용융도가니, 가스취입랜스, 랜더 주형을 흑연재질로 함을 특징으로 하는 무산소동의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 주형의 온도을 300~500℃로 유지함을 특징으로 하는 무산소동의 제조방법.