WO2023090634A1 - 송전선용 고내열성 알루미늄 합금 도체 및 그 제조 방법 - Google Patents

송전선용 고내열성 알루미늄 합금 도체 및 그 제조 방법 Download PDF

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WO2023090634A1
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hot
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transmission lines
high heat
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PCT/KR2022/014913
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김갑수
고임현
김건홍
오민철
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삼원동관(주)
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    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing high heat resistance aluminum alloy conductors for power transmission lines
  • the specific gravity of aluminum is 2.70, about 30% of copper's specific gravity of 8.93, and it is relatively light compared to other metals.
  • the electrical conductivity of aluminum is about 64% IACS, which is relatively high compared to other metals.
  • an aluminum alloy having improved mechanical strength is manufactured by adding alloying elements such as iron, copper, magnesium, zirconium, and beryllium, and used as an overhead transmission line.
  • the electrical conductivity of aluminum alloys is greatly affected by the alloying elements employed. Therefore, the electrical conductivity of aluminum alloy is lower than that of pure aluminum.
  • the electrical conductivity of STAL Super Thermal ALuminum
  • XTAL eXtra Thermal ALuminum
  • an aluminum alloy having all of the above-described high electrical conductivity, high strength, and high heat resistance characteristics
  • the aluminum alloy is heat treated to precipitate zirconium dissolved in the aluminum alloy. Therefore, the solid solubility of zirconium is reduced and the electrical conductivity is increased. Furthermore, precipitation hardening occurs due to the precipitation of zirconium, thereby increasing mechanical strength. In addition, due to the precipitated phase, the movement of grain boundaries at high temperatures is suppressed, and the heat resistance property is increased.
  • an area ratio which is a ratio of a cross-sectional area of a conductor to a cross-sectional area of a transmission line.
  • an area ratio which is a ratio of a cross-sectional area of a conductor to a cross-sectional area of a transmission line.
  • the occupying rate of the power transmission line using the wire having the circular structure is about 75%, whereas the occupying rate of the power transmission line using the wire having the trapezoidal structure has a high occupying factor of about 95%.
  • the present invention is to solve the problems caused by the prior art as described above, and an object of the present invention is to produce a high heat resistance aluminum alloy conductor for transmission lines having excellent electrical conductivity and maximum tensile strength in a shorter time. It is to provide a method for manufacturing a high heat resistance aluminum alloy conductor.
  • One aspect of an embodiment of the present invention for achieving the above object is in an aluminum alloy: at least one metal selected from scandium, yttrium and zirconium; impurities; and aluminum; may consist of
  • 0.05 to 0.5wt% of the scandium; 0.05 to 0.5 wt% of the yttrium or zirconium; and aluminum balance; may consist of
  • the mass ratio of at least one metal selected from scandium, yttrium, and zirconium may be 0.1 to 0.5 wt%.
  • the impurities may be 0.05 wt% or less of iron, silicon, and copper.
  • Another aspect of an embodiment of the present invention is a method for manufacturing a high heat resistance aluminum alloy conductor for a power transmission line: A mixing step (S100) of mixing an aluminum alloy material composed of at least one metal selected from scandium, yttrium and zirconium, impurities, and aluminum ; A casting step (S200) in which the mixed aluminum alloy material is cast; A hot extrusion step (S300) in which the cast aluminum alloy is hot extruded; and a plastic working step (S400) of rolling or drawing the hot-extruded aluminum alloy.
  • the average temperature of the hot extrusion process is 200 to 350 °C;
  • the extrusion ratio of the hot extrusion process may be 5:1 to 25:1.
  • the hot-extruded aluminum alloy in the hot extrusion step (S300), includes a precipitate phase having an average diameter of 10 ⁇ m or less, and the precipitate phase is 75 or more per unit area of 10,000 ⁇ m 2 .
  • the heat resistance value calculated by the following formula of the hot extruded aluminum alloy may be 90% or more.
  • A is the maximum tensile strength at room temperature of the aluminum alloy subjected to air cooling after heat treatment of the hot-extruded aluminum alloy at 275 to 285 ° C. for 1 hour
  • B is the maximum tensile strength of the hot-extruded aluminum alloy at room temperature.
  • the electrical conductivity of the hot-extruded aluminum alloy may be 56 ⁇ % IACS or more.
  • the maximum tensile strength of the hot-extruded aluminum alloy may be 150 MPa or more.
  • the average temperature of the rolling or drawing process may be room temperature.
  • the rolled or drawn aluminum alloy in the plastic working step (S400), includes a precipitate phase having an average diameter of 10 ⁇ m or less, and the precipitate phase is 75 or more per unit area of 10000 ⁇ m 2 can exist
  • the rolled or drawn aluminum alloy in the plastic working step (S400), may have an electrical conductivity of 60% IACS or more.
  • the maximum tensile strength of the rolled or drawn aluminum alloy may be 150 MPa or more.
  • the cross section of the rolled or drawn aluminum alloy may have a trapezoidal shape.
  • the precipitated phase is precipitated through hot extrusion and plastic working, unlike the prior art that requires long-term heat treatment to precipitate the precipitated phase. Therefore, according to an embodiment of the present invention, a high heat resistance aluminum alloy conductor for a power transmission line with relatively improved productivity can be manufactured without requiring a long heat treatment.
  • FIG. 1 is a flow chart showing a method for manufacturing a high heat resistance aluminum alloy conductor for transmission lines according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the production example of the present invention
  • FIG. 1 is a flow chart showing a method for manufacturing a highly heat-resistant aluminum alloy conductor for transmission lines according to an embodiment of the present invention.
  • the method for manufacturing a high heat resistance aluminum alloy conductor for a power transmission line includes a mixing step (S100), a casting step (S200), a hot extrusion step (S300), and a plastic working step (S400). do.
  • a precipitate phase in the aluminum alloy is precipitated to produce a highly heat-resistant aluminum alloy conductor for power transmission lines that does not require long heat treatment.
  • an aluminum alloy material composed of aluminum and at least one metal selected from scandium, yttrium, and zirconium is mixed.
  • the mixed aluminum alloy material is melted and the aluminum alloy is cast.
  • the aluminum alloy including at least one metal selected from among scandium, yttrium, and zirconium, the balance of aluminum, and impurities may be cast.
  • the aluminum alloy may include 0.05 to 0.5 wt% of the scandium and 0.05 to 0.5 wt% of the yttrium or zirconium.
  • scandium, yttrium, and zirconium have low solubility in aluminum and are relatively difficult to be dissolved in the aluminum alloy. Therefore, it is possible to minimize the decrease in electrical conductivity caused by alloying elements employed in the aluminum alloy.
  • the scandium, yttrium, and zirconium may form a precipitate phase such as Al 3 Sc, Al 2 Y, Al 3 Zr, etc. in an aluminum alloy, and the precipitated phase may enhance insufficient mechanical properties of the aluminum alloy through precipitation hardening. can
  • the amount of scandium, yttrium, and zirconium dissolved in the aluminum alloy is reduced, thereby increasing electrical conductivity of the aluminum alloy.
  • scandium and yttrium are relatively easy to form precipitate phases in aluminum alloys compared to other metals. Therefore, if scandium and yttrium are included in the aluminum alloy, a precipitate phase may be more easily formed.
  • the scandium and zirconium may induce crystal grain refinement through nucleation in a large amount in the aluminum alloy. Accordingly, formation of a precipitate phase may be induced as a precipitate site is generated by the crystal grain refinement.
  • the aluminum alloy when the aluminum alloy includes all of scandium, yttrium, and zirconium, it is not easy to control the formation of precipitate phase through plastic working such as hot extrusion.
  • the aluminum alloy includes scandium and yttrium or scandium and zirconium.
  • the impurities may include iron, silicon, and copper, which are unavoidably included in the aluminum alloy.
  • the impurity is dissolved in the aluminum alloy, and may decrease the electrical conductivity of the aluminum alloy. Therefore, the aluminum alloy should contain the impurities to a minimum. Therefore, in the present embodiment, the aluminum alloy may include iron, silicon, and copper in an amount of 0.05 wt% or less.
  • the cast aluminum alloy is hot extruded.
  • the scandium, yttrium, and zirconium in the aluminum alloy may be precipitated.
  • the precipitation pattern of the precipitated phase may be greatly influenced by the extrusion temperature and extrusion ratio of the hot extrusion step (S300).
  • the hot extrusion step (S300) may be performed at an extrusion ratio of 5:1 to 25:1 at an extrusion temperature of 200 to 350 °C.
  • the extrusion temperature is less than 200° C.
  • hot extrusion is impossible, or cracks and cracks may occur on the surface of the hot extruded aluminum alloy.
  • the precipitated phase may not be normally precipitated.
  • the extrusion temperature is higher than 350° C., melting and thermal cracking may occur during extrusion.
  • the extrusion ratio is less than 5:1, the amount of plastic deformation is reduced during the hot extrusion process, and grain refinement may be insufficiently achieved.
  • the extrusion ratio is less than 5:1, the formation of the precipitate phase may not be smoothly induced.
  • the extrusion ratio exceeds 25:1, hot extrusion may be impossible or cracks may occur on the surface of the hot extruded aluminum alloy.
  • 75 or more of the precipitation phases having an average diameter of 10 ⁇ m or less are uniformly distributed in the aluminum alloy conductor per unit area of 10,000 ⁇ m 2 .
  • electrical conductivity, maximum tensile strength, and heat resistance of the aluminum alloy may be increased by the precipitation of the precipitated phase in the aluminum alloy.
  • the electrical conductivity of the hot-extruded aluminum alloy is 56% IACS or more, and the ultimate tensile strength is 150 MPa or more.
  • the hot-extruded aluminum alloy has a heat resistance of 90% or more calculated by the following formula. This is presumed to be due to the increase in heat resistance of the hot-extruded aluminum alloy as the precipitated phase in this embodiment suppresses the movement of grain boundaries at high temperatures.
  • A is the maximum tensile strength at room temperature of the aluminum alloy subjected to air cooling after heat treatment of the hot-extruded aluminum alloy at 275 to 285 ° C. for 1 hour
  • B is the maximum tensile strength of the hot-extruded aluminum alloy at room temperature.
  • the hot-extruded aluminum alloy is subjected to plastic working, for example, rolling or drawing, to finally manufacture an aluminum alloy conductor for a power transmission line.
  • the plastic working step (S400) may be rolling or drawing at room temperature.
  • the rolling may be shape rolling.
  • the rolling ratio of the rolling is 1:1, and the drawing ratio of the drawing may also be 1:1.
  • a cross section of the rolled or drawn aluminum alloy conductor for the transmission line may be trapezoidal.
  • the precipitated phase is additionally precipitated in the plastic working step (S400).
  • the precipitated phase having an average diameter of 10 ⁇ m or less in the aluminum alloy conductor for the transmission line is uniform at least 75 per unit area of 10,000 ⁇ m 2 are distributed
  • the electrical conductivity and ultimate tensile strength of the aluminum alloy conductor for the transmission line may be further increased.
  • the electrical conductivity of the aluminum alloy conductor for the transmission line may be 60% IACS or more, and the maximum tensile strength may be 150 MPa or more.
  • Production Example 1 an aluminum alloy material composed of 0.4wt% of scandium, 0.1wt% of yttrium and the remainder aluminum was mixed in a mixing step (S100). Next, the mixed aluminum alloy material was cast in the casting step (S200). Then, the cast aluminum alloy was hot extruded at an extrusion ratio of 25:1 at a temperature of 280° C. in the hot extrusion step (S300). Finally, the plastic working step (S400) was not performed.
  • Figure 2 is a graph showing the ultimate tensile strength of Preparation Examples 1 to 8, Comparative Example 1 and Comparative Example 4. Referring to Figure 2, it can be seen that the maximum tensile strength of Comparative Example 1 and Comparative Example 4 is relatively low as about 100 MPa. On the other hand, it can be seen that the maximum tensile strength of Preparation Examples 1 to 8 is relatively high at most of 150 MPa or more. The maximum tensile strength of Preparation Example 4 is about 130 MPa, showing a maximum tensile strength that does not reach 150 MPa, but it can be confirmed that it is higher than the maximum tensile strength of Comparative Examples 1 and 4.
  • FIG 3 is a graph showing the electrical conductivity of Preparation Examples 1 to 8 and Comparative Example 4 and the electrical conductivity of Preparation Examples 1 to 8 and Comparative Example 4 before hot extrusion.
  • the aluminum alloy in Preparation Example 3 has a uniform precipitated phase.
  • the average size of the precipitated phase may be less than 10 ⁇ m, and it can be confirmed that 75 or more of the precipitated phases exist within 10,000 ⁇ m 2 .
  • Comparative Example 8 and Comparative Example 9 it can be seen that the change in electrical conductivity and ultimate tensile strength is very small during the hot extrusion step (S300) and plastic working step (S400).
  • the electrical conductivity of Comparative Example 8 and Comparative Example 9 shows an excellent value of 60% IACS or more, but it can be seen that the maximum tensile strength is as low as about 100 MPa.
  • Preparation Examples 9 to 12 it can be seen that the electrical conductivity and ultimate tensile strength increase during the hot extrusion step (S300) and the plastic working step (S400).
  • the electrical conductivity of Preparation Examples 9 to 12 subjected to the plastic working step (S400) is 60% IACS or more, and the maximum tensile strength is 150 MPa or more.

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Abstract

본 발명은 송전선용 고내열성 알루미늄 합금 도체 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 의한 송전선용 알루미늄 합금 도체는, 스칸듐 및 이트튬, 또는 스칸듐 및 지르코늄을 포함한다. 상기 알루미늄 합금은 열간 압출 및 소성 가공되어, 상기 스칸듐, 이트륨 및 지르코늄이 석출된다. 상기 석출에 의하여, 상기송전선용 알루미늄 합금 도체의 최대인장강도, 전기전도도, 내열특성이 개선된다.

Description

송전선용 고내열성 알루미늄 합금 도체 및 그 제조 방법
본 발명은 송전선용 고내열성 알루미늄 합금 도체 제조 방법에 관한 것이다
알루미늄의 비중은 2.70으로 구리의 비중인 8.93의 약 30%수준이며, 다른 금속들에 비해서도 상대적으로 가볍다. 또한, 알루미늄의 전기전도도는 약 64% IACS로 다른 금속들에 비해서 상대적으로 높은 편이다. 그리고, 가격이 구리에 비해 상대적으로 저가이므로, 송전선 등의 도전용 소재로 널리 사용되고 있다.
특히, 알루미늄은 구리에 비해 상대적으로 가볍기 때문에 공중에 현수되어 자신의 무게를 버텨야 하는 가공송전선에 유용하게 사용되고 있다.
한편, 순수한 알루미늄은 기계적 강도가 낮아, 가공송전선에 가해지는 인장응력을 버티기 어렵다. 때문에, 종래에는 철, 구리, 마그네슘, 지르코늄, 베릴륨 등의 합금원소를 첨가해 기계적 강도가 향상된 알루미늄 합금을 제조해 가공송전선으로 사용하였다.
그러나, 알루미늄 합금의 전기전도도는 고용된 합금 원소의 영향을 크게 받는다. 따라서, 알루미늄 합금의 전기전도도는 순수한 알루미늄에 비해 낮아진다. 예를 들어, 종래기술인 STAL(Super Thermal ALuminum) 의 전기전도도는 약 60% IACS 이고, XTAL(eXtra Thermal ALuminum)의 전기전도도는 약 58% IACS로 순수한 알루미늄에 비해 낮은것을 확인할 수 있다.
즉, 알루미늄 합금의 전기전도도와 기계적 강도는 서로 상충되는 관계로, 우수한 전기전도도 및 기계적 강도를 모두 가지는 알루미늄 합금의 제조는 어렵다.
한편, 가공송전선의 송전용량을 증가시키기 위해, 소재의 내열특성 또한 높일 필요가 있다. 도체에 전류를 흘릴 경우 열이 발생하고, 상기 열로 인해 기계적 강도가 낮아질 수 있다. 따라서 내열특성이 부족한 가공송전선에 과량의 전류를 흘려 고열이 발생할 경우에는, 상기 가공송전선의 기계적 강도가 낮아져, 손상을 입을 수 있다. 따라서, 더 많은 전류를 송전하기 위해 가공송전선에는 고내열성 소재가 사용되어야 한다.
상술한 높은 전기전도도, 고강도, 고내열특성을 모두 가지는 알루미늄 합금의 예로, 지르코늄 원소를 0.25-0.3wt%로 다량 포함하는 알루미늄 합금이 있다. 상기 알루미늄 합금은 열처리되어, 상기 알루미늄 합금 내 고용된 지르코늄이 석출된다. 따라서, 지르코늄의 고용도가 감소해 전기전도도가 높아진다. 나아가, 상기 지르코늄의 석출로 인해 석출경화가 일어나 기계적 강도가 높아진다. 또한 석출상으로 인해 고온에서의 결정립계의 이동이 억제되어, 내열특성이 높아진다.
그러나, 상기 알루미늄 합금 내에서 지르코늄이 석출되기 위해서는 450℃이상의 고온에서 48시간 이상의 장시간의 열처리가 필요하다. 상기 열처리 공정은 제품 단가에 영향을 미치고, 생산성을 크게 떨어뜨린다는 단점이 있다.
한편, 같은 크기의 송전선에서 전기전도도를 높이는 방법으로 송전선의 단면적에 대한 도체의 단면적 비인 점적율을 높이는 방법이 있다. 상기 점적율을 높이기 위한 대표적인 방법으로, 종래의 원형구조의 소선이 아닌 사다리꼴 구조의 소선을 사용하는 방법이 있다.
상기 원형구조의 소선을 사용한 송전선의 점적율은 약 75%인 반면, 사다리꼴 구조의 소선을 사용한 송전선의 점적율은 약 95%의 높은 점적율을 가진다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술에 의한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 우수한 전기전도도 및 최대인장강도를 가진 송전선용 고내열성 알루미늄 합금 도체를 보다 단시간에 제조할 수 있도록 구성되는 송전선용 고내열성 알루미늄 합금 도체 제조 방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예의 일 양태는 알루미늅 합금에 있어서: 스칸듐, 이트륨 및 지르코늄 중에서 선택된 1종 이상의 금속; 불순물; 및 알루미늄; 으로 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예의 일 양태에서는, 상기 스칸듐 0.05 내지 0.5wt%; 상기 이트륨 또는 지르코늄 0.05 내지 0.5wt%; 및 알루미늄 잔부; 로 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예의 일 양태에서는, 상기 스칸듐, 이트륨 및 지르코늄 중에서 선택된 1종 이상의 금속의 질량비는 0.1 내지 0.5wt%일 수 있다.
본 발명의 실시예의 일 양태에서는, 상기 불순물은, 0.05wt% 이하의 철, 규소 및 구리일 수 있다.
본 발명의 실시예의 다른 양태는, 송전선용 고내열성 알루미늄 합금 도체 제조 방법에 있어서: 스칸듐, 이트륨 및 지르코늄 중에서 선택된 1종 이상의 금속, 불순물 및 알루미늄으로 구성되는 알루미늄 합금 재료가 혼합되는 혼합 단계(S100); 혼합된 상기 알루미늄 합금 재료가 주조되는 주조 단계(S200); 주조된 상기 알루미늄 합금이 열간 압출되는, 열간 압출 단계(S300); 및 열간 압출된 상기 알루미늄 합금이 압연 또는 인발되는, 소성 가공 단계(S400);를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예의 다른 양태에서는, 상기 열간 압출 단계(S300)에서, 상기 열간 압출공정의 평균 온도는 200 내지 350℃이고; 상기 열간 압출공정의 압출비는 5:1 내지 25:1일 수 있다.
본 발명의 실시예의 다른 양태에서는, 상기 열간 압출 단계(S300)에서, 열간 압출된 상기 알루미늄 합금은 평균 직경 10㎛ 이하의 석출상을 포함하고, 상기 석출상이 10,000㎛2의 단위 면적당 75개 이상 존재할 수 있다.
본 발명의 실시예의 다른 양태에서는, 상기 열간 압출 단계(S300)에서, 열간 압출된 상기 알루미늄 합금의 하기 수식에 의해 산출되는 내열특성 값이 90% 이상일 수 있다.
(수식) 내열특성(%) = (A/B)×100
A는 열간 압출된 상기 알루미늄 합금을 275 내지 285℃에서 1시간동안 열처리 후 공냉처리된 알루미늄 합금이 상온에서 가지는 최대인장강도이고,
B는 열간 압출된 상기 알루미늄 합금이 상온에서 가지는 최대인장강도임.
본 발명의 실시예의 다른 양태에서는, 상기 열간 압출 단계(S300)에서, 열간 압출된 상기 알루미늄 합금의 전기전도도는 56\% IACS 이상일 수 있다.
본 발명의 실시예의 다른 양태에서는, 상기 열간 압출 단계(S300)에서, 열간 압출된 상기 알루미늄 합금의 최대인장강도는 150MPa 이상일 수 있다.
본 발명의 실시예의 다른 양태에서는, 상기 소성 가공 단계(S400)에서, 상기 압연 또는 인발 공정의 평균 온도는 상온일 수 있다.
본 발명의 실시예의 다른 양태에서는, 상기 소성 가공 단계(S400)에서, 압연 또는 인발된 상기 알루미늄 합금은 평균 직경 10㎛ 이하의 석출상을 포함하고, 상기 석출상이 10000㎛2의 단위 면적당 75개 이상 존재할 수 있다.
본 발명의 실시예의 다른 양태에서는, 상기 소성 가공 단계(S400)에서, 압연 또는 인발된 상기 알루미늄 합금의 전기전도도는 60% IACS 이상일 수 있다.
본 발명의 실시예의 다른 양태에서는, 상기 소성 가공 단계(S400)에서, 압연 또는 인발된 상기 알루미늄 합금의 최대인장강도는 150MPa 이상일 수 있다.
본 발명의 실시예의 다른 양태에서는, 상기 소성 가공 단계(S400)에서, 압연 또는 인발된 상기 알루미늄 합금의 횡단면이 사다리꼴 형상일 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 송전선용 고내열성 알루미늄 합금 도체 제조 방법에서는, 장시간의 열처리를 통한 석출상의 석출을 요구하는 종래기술과 달리 열간 압출 및 소성가공을 통해 석출상이 석출된다. 따라서, 본 발명의 실시예에 의하면, 장시간의 열처리를 필요로 하지 않아, 상대적으로 생산성이 향상된 송전선용 고내열성 알루미늄 합금 도체가 제조될 수 있다.
도 1은, 본 발명의 실시예에 의한 송전선용 고내열성 알루미늄 합금 도체 제조 방법을 보인 플로우 차트
도 2는, 본 발명의 제조예 및 비교예의 최대인장강도 분석 그래프
도 3은, 본 발명의 제조예 및 비교예의 전기전도도 분석 그래프
도 4는, 본 발명의 제조예의 주사전자현미경(SEM) 사진
이하에서는 본 발명의 실시예에 의한 송전선용 고내열성 알루미늄 합금 도체 및 그 제조 방법을, 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은, 본 발명의 실시예에 의한 송전선용 고내열성 알루미늄 합금 도체 제조 방법을 보인 플로우 차트이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 실시예에 의한 송전선용 고내열성 알루미늄 합금 도체 제조 방법은, 혼합 단계(S100), 주조 단계(S200), 열간 압출 단계(S300) 및 소성 가공 단계(S400)를 포함한다. 특히 본 발명의 실시예에서는, 상기 열간 압출 단계(S300) 및 소성 가공 단계(S400)에서, 알루미늄 합금내의 석출상이 석출되어, 장시간의 열처리를 필요로 하지 않는 송전선용 고내열성 알루미늄 합금 도체가 제조된다.
보다 상세하게는, 상기 혼합 단계(S100)에서는, 스칸듐, 이트륨 및 지르코늄 중에서 선택된 1종 이상의 금속 및 알루미늄으로 구성되는 알루미늄 합금 재료가 혼합된다.
다음으로, 상기 주조 단계(S200)에서는, 혼합된 상기 알루미늄 합금 재료가 용융되어, 상기 알루미늄 합금이 주조된다. 본 실시예에서는, 상기 주조 단계(S200)에서, 상기 스칸듐, 이트륨 및 지르코늄 중에서 선택된 1종 이상의 금속, 잔부의 알루미늄 및 불순물을 포함하는 상기 알루미늄 합금이 주조될 수 있다.
이때, 상기 알루미늄 합금은, 상기 스칸듐을 0.05 내지 0.5wt% 포함할 수 있고, 상기 이트륨 또는 지르코늄을 0.05 내지 0.5wt% 포함할 수 있다.
한편, 상기 스칸듐, 이트륨 및 지르코늄은 알루미늄에 대한 고용도가 낮아, 상기 알루미늄 합금 내에 고용되기 상대적으로 어렵다. 따라서, 상기 알루미늄 합금에 고용된 합금 원소에 의하여 발생하는 전기전도도 하락을 최소화 할 수 있다. 또한, 상기 스칸듐, 이트륨 및 지르코늄은 알루미늄 합금 내에서 Al3Sc, Al2Y, Al3Zr 등의 석출상을 형성할 수 있고, 상기 석출상은 석출경화를 통해 상기 알루미늄 합금의 부족한 기계적 물성을 높일 수 있다. 또한 상기 석출상의 형성으로 상기 알루미늄 합금 내에 고용되어 있던 상기 스칸듐, 이트륨 및 지르코늄이 감소하여 상기 알루미늄 합금의 전기전도도가 보다 증가할 수 있다.
특히, 상기 스칸듐 및 이트륨은, 다른 금속과 대비하여 상대적으로 알루미늄 합금 내에서 석출상 형성이 용이하다. 따라서 상기 알루미늄 합금 내에 스칸듐 및 이트륨이 포함되어 있다면, 보다 쉽게 석출상이 형성될 수 있다.
그리고 상기 스칸듐 및 지르코늄은 상기 알루미늄 합금 내에서 다량의 핵생성을 통한, 결정립 미세화를 유도할 수 있다. 따라서, 상기 결정립 미세화로 석출상의 석출 자리가 생성됨에 따라, 석출상의 형성이 유도될 수 있다.
또한, 상기 알루미늄 합금이 상기 스칸듐, 이트륨 및 지르코늄을 모두 포함하는 경우에는, 열간 압출등의 소성 가공을 통한 석출상 형성 제어가 용이하지 않다. 따라서, 본 실시예에서는, 상기 알루미늄 합금이 스칸듐 및 이트륨 또는 스칸듐 및 지르코늄을 포함한다.
한편, 상기 불순물로는 상기 알루미늄 합금 내에 불가피하게 포함되는 철, 규소 및 구리 등이 포함될 수 있다. 상기 불순물은 상기 알루미늄 합금 내에 고용되어, 상기 알루미늄 합금의 전기 전도도를 저하시킬 수 있다. 따라서, 상기 알루미늄 합금은 상기 불순물을 최소한으로 포함해야 한다. 따라서, 본 실시예에서는, 상기 알루미늄 합금은 철, 규소 및 구리를 0.05wt%이하로 포함할 수 있다.
다음으로, 상기 열간 압출 단계(S300)에서는, 주조된 상기 알루미늄 합금이 열간 압출된다. 본 발명의 실시예에서는, 상기 열간 압출 단계(S300)에서 상기 알루미늄 합금이 열간 압출되는 과정에서, 상기 알루미늄 합금 내의 상기 스칸듐, 이트륨 및 지르코늄이 석출될 수 있다. 또한 상기 석출상의 석출 양상은 상기 열간 압출 단계(S300)의 압출온도 및 압출비에 큰 영향을 받을 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 열간 압출 단계(S300)는 200 내지 350℃의 압출온도 에서 5:1 내지 25:1의 압출비로 진행될 수 있다. 상기 압출온도가 200℃ 미만인 경우에는, 열간 압출이 불가능하거나, 열간 압출된 상기 알루미늄 합금 표면에 균열 및 터짐이 발생할 수 있다. 또한, 상기 압출온도가 200℃ 미만인 경우에는, 석출상이 정상적으로 석출되지 않을 수 있다. 반면에, 상기 압출온도가 350℃ 초과인 경우에는, 압출 중 용해 및 열크랙이 발생할 수 있다. 상기 압출비가 5:1 미만인 경우에는, 열간 압출 과정에서 소성변형량이 감소되어, 결정립 미세화가 미흡하게 이루어질 수 있다. 따라서, 상기 압출비가 5:1 미만인 경우에는, 석출상의 형성이 원활히 유도되지 않을 수 있다. 또한, 상기 압출비가 25:1 초과인 경우 열간 압출이 불가능하거나, 열간 압출된 상기 알루미늄 합금 표면에 균열이 발생할 수 있다.
한편, 본 실시예에서는, 상기 알루미늄 합금 도체에 평균 직경 10㎛이하의 상기 석출상이, 10,000㎛2의 단위면적당 75개 이상 균일하게 분포된다. 그리고 이와 같은 상기 알루미늄 합금 내 상기 석출상의 석출에 의하여, 상기 알루미늄 합금의 전기전도도, 최대인장강도 및 내열특성이 증가될 수 있다.
특히, 본 실시예에서는, 열간 압출된 상기 알루미늄 합금의 전기전도도는 56% IACS 이상이고, 최대인장강도는 150MPa 이상이다. 또한, 열간 압출된 상기 알루미늄 합금은, 하기의 수식으로 계산된 90% 이상의 내열특성을 갖는다. 이는, 본 실시예에서 상기 석출된 석출상이 고온에서의 결정립계의 이동이 억제됨으로써, 열간 압출된 상기 알루미늄 합금의 내열특성이 증가됨에 기인하는 것으로 추정된다.
(수식)
내열특성(%) = (A/B)×100
A는 열간 압출된 상기 알루미늄 합금을 275 내지 285℃에서 1시간동안 열처리 후 공냉처리된 알루미늄 합금이 상온에서 가지는 최대인장강도이고,
B는 열간 압출된 상기 알루미늄 합금이 상온에서 가지는 최대인장강도임.
마지막으로, 상기 소성 가공 단계(S400)에서, 열간 압출된 상기 알루미늄 합금이 소성 가공, 예를 들면, 압연 또는 인발되어, 최종적으로 송전선용 알루미늄 합금 도체가 제조된다.
보다 상세하세게는, 상기 소성 가공 단계(S400)는 상온에서 압연 또는 인발될 수 있다. 특히 상기 압연은 형상압연일 수 있다. 상기 압연의 압연비는 1:1이고, 상기 인발의 인발비 또한 1:1일수 있다. 압연 또는 인발된 상기 송전선용 알루미늄 합금 도체의 횡단면은 사다리꼴일 수 있다.
특히, 본 실시예에서는, 상기 소성 가공 단계(S400)에서 상기 석출상이 추가적으로 석출되는데, 특히, 상기 송전선용 알루미늄 합금 도체에 평균 직경 10㎛이하의 석출상이, 10,000㎛2의 단위면적당 75개 이상 균일하게 분포된다. 그리고 이와 같은 상기 알루미늄 합금 내 상기 석출상의 석출에 의하여, 상기 송전선용 알루미늄 합금 도체의 전기전도도 및 최대인장강도가 보다 증가될 수 있다. 본 실시예에서는, 상기 송전선용 알루미늄 합금 도체의 전기전도도는 60% IACS 이상이고, 최대인장강도는 150MPa 이상일 수 있다.
이하에서는 본 발명을 실시예 및 실험예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 이들 실시예 및 실험예는 단지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예 및 실험예에 국한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
실시예 1
<제조예 1>
제조예 1에서는, 0.4wt%의 스칸듐, 0.1wt%의 이트륨 및 잔부의 알루미늄으로 구성되는 알루미늄 합금 재료가 혼합 단계(S100)에서 혼합되었다. 다음으로, 혼합된 상기 알루미늄 합금 재료가 주조단계(S200)에서 주조되었다. 그리고, 주조된 상기 알루미늄 합금이 열간 압출 단계(S300)에서 280℃의 온도에서 25:1의 압출비로 열간 압출되었다. 마지막으로 소성 가공 단계(S400)는 미실시되었다.
<제조예 2> 내지 <제조예 8> 및 <비교예 1> 내지 <비교예 7>
제조예 2 내지 제조예 8 및 비교예 1 내지 비교예 7에서는, 제조예 1과 동일하게 알루미늄 합금이 상기 주조 단계(S200) 및 열간 압출 단계(S300)를 거치되, 하기 표 1에 기재된 조성의 알루미늄 합금이 사용되었다.
스칸듐(wt%) 이트륨(wt%) 지르코늄(wt%) 알루미늄(wt%)
제조예 1 0.4 0.1 - 잔부
제조예 2 0.3 0.2 - 잔부
제조예 3 0.2 0.3 - 잔부
제조예 4 0.1 0.4 - 잔부
제조예 5 0.4 - 0.1 잔부
제조예 6 0.3 - 0.2 잔부
제조예 7 0.2 - 0.3 잔부
제조예 8 0.1 - 0.4 잔부
비교예 1 - - - 잔부
비교예 2 - 0.1 - 잔부
비교예 3 - 0.25 - 잔부
비교예 4 - 0.5 - 잔부
비교예 5 - - 0.1 잔부
비교예 6 - - 0.25 잔부
비교예 7 - - 0.5 잔부
<실험예 1>도 2는 제조예 1 내지 제조예 8, 비교예 1 및 비교예 4의 최대인장강도를 보여주는 그래프이다. 도 2를 참조하면, 비교예 1 및 비교예 4의 최대 인장강도는 약 100MPa로 상대적으로 낮은것을 확인할 수 있다. 반면에, 제조예 1 내지 8의 최대인장강도는 대부분 150MPa 이상으로 상대적으로 높은것을 확인할 수 있다. 제조예 4의 최대인장강도는 약 130MPa로, 150MPa에 미치지 못하는 최대인장강도를 보이지만, 상기 비교예 1 및 비교예 4의 최대인장강도에 비해 높은것을 확인할 수 있다.
<실험예 2>
도 3은 제조예 1 내지 8 및 비교예 4의 전기전도도 및 제조예 1 내지 8 및 비교예 4의 열간 압출되기 전 전기전도도를 보여주는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 비교예 4 에서는 열간 압출되기 전 상기 알루미늄 합금과 열간 압출된 상기 알루미늄 합금의 전기전도도 차이가 1% IACS 미만으로 매우 작았다. 반면에 제조예 1 내지 8에서는, 대부분 상기 열간 압출되기 전 알루미늄 합금의 전기전도도에 비해, 열간 압출된 상기 알루미늄 합금의 전기전도도가 3% IACS이상 높아진 것을 확인할 수 있다. 특히 제조예 3에서 59% IACS이상의 높은 전기전도도를 가지는 것을 확인할 수 있다.
<실험예 3>
도 4는 제조예 3의 주사전자편미경 사진이다.
도 4를 참조하면, 제조예 3에서 상기 알루미늄 합금은 균일한 석출상을 가짐을 확인할 수 있다. 특히, 상기 석출상의 평균 크기는 10㎛ 미만일 수 있고, 상기 석출상이 10,000㎛2 내에 75개 이상 존재함을 확인할 수 있다.
실시예 2
<제조예 9>
제조예 9에서는, 0.2wt%의 스칸듐, 0.05wt%의 이트륨 및 잔부의 알루미늄을 포함하는 알루미늄 합금 주조재가, 열간 압출 단계(S300)에서 280℃의 온도에서 25:1의 압출비로 열간 압출되었다. 또한, 소성 가공 단계(S400)에서 상온에서 1:1의 압연비로, 횡단면의 모양이 사다리꼴이 되도록 형상압연되었다.
<제조예 10> 내지 <제조예 12> 및 <비교예 8> 내지 <비교예 9>
제조예 10 내지 제조예 12 및 비교예 8 내지 비교예 9에서는, 제조예 9와 동일하게 알루미늄 합금이 상기 열간 압출 단계(S300) 및 소성 가공 단계(S400)를 거치되, 하기 표 2에 기재된 조성의 알루미늄 합금을 사용하였다.
스칸듐(wt%) 이트륨(wt%) 지르코늄(wt%) 알루미늄(wt%)
제조예 9 0.2 0.05 - 잔부
제조예 10 0.2 0.1 - 잔부
제조예 11 0.2 0.2 - 잔부
제조예 12 0.2 0.3 - 잔부
비교예 8 - - - 잔부
비교예 9 - 0.5 - 잔부
<실험예 4>
실험예 4에서는 제조예 9 내지 12의 전기전도도 및 최대인장강도가 제조 단계별로 각각 측정되었다. 즉, 주조 단계(S200) 후의 주조재, 열간 압출 단계(S300) 후의 압출재, 소성 가공 단계(S400) 후의 압연재로 단계가 나뉘어 각각의 단계에서 전기전도도 및 최대인장강도가 측정되었다. 그 결과는 하기 표 3과 같다.
주조재 압출재 압연재
전기전도도
(%IACS)		 최대인장강도(MPa) 전기전도도(%IACS) 최대인장강도(MPa) 전기전도도
(%IACS)		 최대인장강도(MPa)
제조예 9 57.9 131 60.03 159 60.76 162
제조예 10 56.01 136 59.85 163 60.35 165
제조예 11 53.86 142 59.71 168 60.36 172
제조예 12 52.78 148 59.41 174 60.33 165
비교예 8 63.87 93 63.48 103 63.68 105
비교예 9 60.32 98 60.07 101 60.12 100
표 3을 참조하면, 비교예 8 및 비교예 9에서는 상기 열간 압출 단계(S300) 및 소성 가공 단계(S400)를 거치는 과정에서 전기전도도 및 최대인장강도의 변동이 매우 적은것을 확인할 수 있다. 그리고 상기 비교예 8 및 비교예 9의 전기전도도는 60% IACS 이상으로 우수한 값을 보이지만, 최대인장강도는 약 100MPa로 낮은것을 확인할 수 있다. 반면에 제조예, 9 내지 12에서는 상기 열간 압출 단계(S300) 및 소성 가공 단계(S400)를 거치는 과정에서 전기전도도 및 최대인장강도가 높아지는것을 확인할 수 있다. 특히 상기 소성 가공 단계(S400)를 거친 제조예 9 내지 12의 전기전도도는 60% IACS 이상이고, 최대인장강도는 150MPa 이상임을 확인할 수 있다.

Claims (15)

  1. 스칸듐, 이트륨 및 지르코늄 중에서 선택된 1종 이상의 금속; 불순물; 및 알루미늄; 으로 구성되는 알루미늄 합금.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스칸듐 0.05 내지 0.5wt%;
    상기 이트륨 또는 지르코늄 0.05 내지 0.5wt%; 및
    알루미늄 잔부; 로 구성되는 알루미늄 합금.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 스칸듐, 이트륨 및 지르코늄 중에서 선택된 1종 이상의 금속의 질량비는 0.1 내지 0.5wt%인 알루미늄 합금.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 불순물은, 0.05wt% 이하의 철, 규소 및 구리인 알루미늄 합금.
  5. 스칸듐, 이트륨 및 지르코늄 중에서 선택된 1종 이상의 금속, 불순물 및 알루미늄으로 구성되는 알루미늄 합금 재료가 혼합되는 혼합 단계(S100);
    혼합된 상기 알루미늄 합금 재료가 주조되는 주조 단계(S200);
    주조된 상기 알루미늄 합금이 열간 압출되는, 열간 압출 단계(S300); 및
    열간 압출된 상기 알루미늄 합금이 압연 또는 인발되는, 소성 가공 단계(S400);를 포함하는 송전선용 고내열성 알루미늄 합금 도체 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 열간 압출 단계(S300)에서,
    상기 열간 압출공정의 평균 온도는 200 내지 350℃이고;
    상기 열간 압출공정의 압출비는 5:1 내지 25:1인 송전선용 고내열성 알루미늄 합금 도체 제조 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 열간 압출 단계(S300)에서,
    열간 압출된 상기 알루미늄 합금은 평균 직경 10㎛ 이하의 석출상을 포함하고,
    상기 석출상이 10,000㎛2의 단위 면적당 75개 이상 존재하는 송전선용 고내열성 알루미늄 합금 도체 제조 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 열간 압출 단계(S300)에서,
    열간 압출된 상기 알루미늄 합금의 하기 수식에 의해 산출되는 내열특성 값이 90% 이상인 송전선용 고내열성 알루미늄 합금 도체 제조 방법.
    (수식) 내열특성(%) = (A/B)×100
    A는 열간 압출된 상기 알루미늄 합금을 275 내지 285℃에서 1시간동안 열처리 후 공냉처리된 알루미늄 합금이 상온에서 가지는 최대인장강도이고,
    B는 열간 압출된 상기 알루미늄 합금이 상온에서 가지는 최대인장강도임.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 열간 압출 단계(S300)에서,
    열간 압출된 상기 알루미늄 합금의 전기전도도는 56\% IACS 이상인 송전선용 고내열성 알루미늄 합금 도체 제조 방법.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 열간 압출 단계(S300)에서,
    열간 압출된 상기 알루미늄 합금의 최대인장강도는 150MPa 이상인 송전선용 고내열성 알루미늄 합금 도체 제조 방법.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 소성 가공 단계(S400)에서,
    상기 압연 또는 인발 공정의 평균 온도는 상온인 송전선용 고내열성 알루미늄 합금 도체 제조 방법.
  12. 제 5 항에 있어서,
    상기 소성 가공 단계(S400)에서,
    압연 또는 인발된 상기 알루미늄 합금은 평균 직경 10㎛ 이하의 석출상을 포함하고,
    상기 석출상이 10000㎛2의 단위 면적당 75개 이상 존재하는 송전선용 고내열성 알루미늄 합금 도체 제조 방법.
  13. 제 5 항에 있어서,
    상기 소성 가공 단계(S400)에서,
    압연 또는 인발된 상기 알루미늄 합금의 전기전도도는 60% IACS 이상인 송전선용 고내열성 알루미늄 합금 도체 제조 방법.
  14. 제 5 항에 있어서,
    상기 소성 가공 단계(S400)에서,
    압연 또는 인발된 상기 알루미늄 합금의 최대인장강도는 150MPa 이상인 송전선용 고내열성 알루미늄 합금 도체 제조 방법.
  15. 제 5 항에 있어서,
    상기 소성 가공 단계(S400)에서,
    압연 또는 인발된 상기 알루미늄 합금의 횡단면이 사다리꼴 형상인, 송전선용 고내열성 알루미늄 합금 도체 제조 방법.
PCT/KR2022/014913 2021-11-22 2022-10-04 송전선용 고내열성 알루미늄 합금 도체 및 그 제조 방법 WO2023090634A1 (ko)

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