KR19990085467A - 고강도 선재 및 판재용 구리-니켈-망간-주석-티타늄 합금의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고강도 선재 및 판재용 구리(Cu)-니켈(Ni)-망간(Mn)-주석(Sn)-티타늄(Ti)합금과 그 제조방법에 관한 것으로,
본 발명의 목적은 얇은 판상이나 소경봉상 주괴의 제조를 연속주조법으로 채택하고 모든 소성가공은 냉간가공을 채택하며, 고강도 구리합금에서 고가인 니켈(Ni)함량의 일부를 저렴한 망간(Mn)으로 대체하고 역시 저렴한 티타늄(Ti)을 미량 첨가하여 탈산제로서 뿐만아니라 강도를 향상시킴으로서 제조원가를 절감하는 고강도 선재 및 판재용 구리(Cu)-니켈(Ni)-망간(Mn)-주석(Sn)-티타늄(Ti)합금과 그 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명은 구리(Cu)-니켈(Ni)-주석(Sn)계 합금에서 고용원소인 니켈(Ni)의 일부를 또다른 고용원소인 망간(Mn)으로 대체하여 고용원소의 총함량을 제어하며, 이에 비례하여 스피노달 분해생성물을 주도하는 주석(Sn)의 함량도 조절하며, 이때 나타나는 강도의 저하는 석출강화 원소인 티타늄(Ti)을 첨가하여 보완함으로써 새로운 고강도 구리(Cu)-니켈(Ni)-망간(Mn)-주석(Sn)-티타늄(Ti)계 합금을 제조하였다.
Description
본 발명은 고강도 선재 및 판재용 구리(Cu)-니켈(Ni)-망간(Mn)-주석(Sn)-티타늄(Ti)합금과 그 제조방법에 관한 것이다.
종래의 구리합금 중에는 스피노달 분해강화효과로써 고강도를 나타내는 구리(Cu)-니켈(Ni)-주석(Sn)계 3원합금이 있으며, 이 합금의 대표적인 조성은 중량 퍼센트로서 9%의 니켈(Ni)과 6%의 주석(Sn)을 함유하며 나머지 85%는 구리(Cu)로 구성된다.
85%구리(Cu)-9%니켈(Ni)-6%주석(Sn)계 3원합금은 스피노달 분해강화 효과를 이용한 가공열처리를 통하여 인장강도를 1,000MPa 이상 얻을 수 있어서, 특수 목적용 고강도 합금인 베릴륨동(Cu-Be)을 대체할 수 있을 정도의 높은 강도와 낮은 제조원가가 가능하며, 특히 베릴륨(Be)과 같은 유독성 금속을 사용하지 않는 장점을 가지고 있다.
그러나 구리(Cu)-니켈(Ni)-주석(Sn)계 스피노달 분해강화 합금의 주괴는 열간에서 압연, 단조, 압출 등의 소성가공이 불가능하여 판재, 봉재 및 선재 등의 제조가 어렵다.
따라서 분말야금에 의한 판재, 봉재 및 선재가 일부 생산되고 있으나 제조공정의 제약성으로 양산이 어렵고 매우 고가라는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 얇은 판상이나 소경 봉상 주괴의 제조를 연속주조법으로 채택하고 모든 소성가공은 냉간가공을 채택하며, 고강도 구리합금에서 고가인 니켈(Ni)함량의 일부를 저렴한 망간(Mn)으로 대체하고 탈산제로서 뿐만아니라 석출강화 효과가 큰 티타늄(Ti)을 미량 첨가하여 강도를 향상시킴과 아울러 제조원가를 절감하는 고강도 선재 및 판재용 구리(Cu)-니켈(Ni)-망간(Mn)-주석(Sn)-티타늄(Ti)합금과 그 제조방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 고강도 선재 및 판재제조를 위한 구리합금의 성분은 1.O∼1O.O wt%(중량 백분율)의 니켈(Ni), O.1∼1O.O wt%(중량 백분율)의 망간(Mn), 0.1∼10.0 wt%(중량 백분율)의 주석(Sn), 0.1∼5.0 wt%(중량 백분율)의 티타늄(Ti), 나머지는 구리(Cu)로 된 조성비의 합금을 제공함으로써 달성된다.
상기와 같은 본 발명의 다른 목적은 합금할 금속원소들을 미리 평량하여 준비한 후 용해로 바닥에 구리(Cu), 니켈(Ni)순의 적층을 반복하되 마지막에는 구리(Cu)로 덮는 합금재료적층장입공정과 ;
그리고 용해를 시작하여 구리와 니켈이 모두 용해되면 슬래그를 제거하고 난 후, 망간(Mn)을 첨가해서 용해시키는 용해공정과 ;
그리고 망간(Mn)이 모두 용해되었을 때, 가열을 중단하거나 매우 낮은 열원을 공급하는 정도로 하고 주석(Sn)과 티타늄(Ti)을 연속적으로 투입하고 합금하는 합금공정과 ;
합금원소들이 충분히 용해확산하여 균질화 되었다고 판단되면 용탕을 보온로에 옮겨 연속주조를 통한 봉재나 판재상태의 주괴를 제조하는 봉, 판재 연속주조공정과 ;
이렇게 제조된 봉재나 판재상태의 주괴는 내부의 성질을 균질화시키기 위하여 850±50℃의 온도에서 1∼10시간 유지 후 냉각하는 균질화처리공정과 ;
산세를 통하여 재료의 표면을 깨끗이 하는 산세공정과 ;
냉간가공에 의해 73% 이상의 가공도로 중간상태의 봉재나 판재로 가공하는 판 및 봉상 압연공정과 ;
이를 850±50℃의 온도에서 0.5∼1.0시간 유지 후 수냉하여 재결정 및 고용체화 처리를 행하는 용체화처리공정과 ;
산세를 통하여 재료의 표면을 깨끗이 하는 산세공정과 ;
이렇게 산세처리된 중간소재 상태의 봉재나 판재를 다시 냉간소성가공을 하는 냉간 압연 및 냉간인발공정과 ;
이러한 공정 후 300∼550℃에서 1∼20hr 유지한 후 공냉하여 시효처리하는 시효처리공정으로 이루어지는 제조방법을 제공함으로써 달성된다.
상기와 같은 본 발명의 또 다른 목적은 구리-니켈-망간-주석-티타늄 합금의 제조공정에 있어서, 냉간소성가공이 가능한 상태인 소경봉이나 판재 상태의 주괴제조를 연속주조법으로 채택하고 제반공정에서 모든 소성가공은 냉간가공을 하는 제조방법을 제공함으로써 달성된다.
도 1 은 본 발명의 제조공정도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
(1) : 합금재료 적층장입공정
(2) : 용해공정
(3) : 합금공정
(4) : 봉, 판재 연속주조공정
(5) : 균질화처리공정
(6,9) : 산세처리공정
(7) : 판 및 봉상 압연공정
(8) : 용체화처리공정
(10) : 냉간압연 및 냉간인발공정
(11) : 시효처리공정
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 본 발명의 제조공정도인데, 합금재료 적층장입공정과 ; 용해공정과 ; 합금공정과 ; 봉, 판재 연속주조공정과 ; 주괴의 균질화처리공정과 ; 산세공정과 ; 판 및 봉상 압연공정과 ; 용체화처리공정과 ; 산세공정과 ; 냉간 압연 및 냉간인발공정과 ; 시효처리공정으로 이루어진다.
본 발명 고강도 선재 및 판재제조를 위한 구리합금의 성분은 1.0∼10.0 wt%(중량 백분율)의 니켈(Ni), O.1∼1O.0 wt%(중량 백분율)의 망간(Mn), O.1∼1O.O wt%(중량 백분율)의 주석(Sn), 0.1∼5.0 wt%(중량 백분율)의 티타늄(Ti), 나머지는 구리(Cu)로 된 조성비를 갖는다.
상기와 같은 본 발명의 합금은 합금할 금속원소들을 미리 평량하여 준비한 후 용해로 바닥에 구리(Cu), 니켈(Ni)순의 적층을 반복하되 마지막에는 구리(Cu)로 덮는 합금재료적층장입공정과 ;
그리고 용해를 시작하여 구리와 니켈이 모두 용해되면 슬래그를 제거하고 난 후, 망간(Mn)을 첨가해서 용해시키는 용해공정과 ;
그리고 망간(Mn)이 모두 용해되었을 때, 가열을 중단하거나 매우 낮은 열원을 공급하는 정도로 하고 주석(Sn)과 티타늄(Ti)을 연속적으로 투입하고 합금하는 합금공정과 ;
합금원소들이 충분히 용해확산하여 균질화 되었다고 판단되면 용탕을 보온로에 옮겨 연속주조를 통한 봉재나 판재상태의 주괴를 제조하는 봉, 판재 연속주조공정과 ;
이렇게 제조된 봉재나 판재상태의 주괴는 내부의 성질을 균질화시키기 위하여 850±50℃의 온도에서 1∼10시간 유지 후 냉각하는 균질화처리공정과 ;
산세를 통하여 재료의 표면을 깨끗이 하는 산세공정과 ;
냉간가공에 의해 73% 이상의 가공도로 중간상태의 봉재나 판재로 가공하는 판 및 봉상 압연공정과 ;
이를 850±50℃의 온도에서 0.5∼1.0시간 유지 후 수냉하여 재결정 및 고용체화 처리를 행하는 용체화처리공정과 ;
산세를 통하여 재료의 표면을 깨끗이 하는 산세공정과 ;
이렇게 산세처리된 중간소재 상태의 봉재나 판재를 다시 냉간소성가공을 하는 냉간 압연 및 냉간인발공정과 ;
이러한 공정 후 300∼550℃에서 1∼20hr 유지한 후 공냉하여 시효처리하는 시효처리공정으로 이루어진다.
또한 본 발명은 구리-니켈-망간-주석-티타늄 합금의 제조공정에 있어서, 냉간소성가공이 가능한 상태인 소경봉이나 판재 상태의 주괴제조를 연속주조법으로 채택하고 제반공정에서 모든 소성가공은 냉간가공을 하는 제조방법을 따른다.
이하 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.
<실시예>
본 발명의 합금재료 제조공정은 냉간소성가공이 가능한 상태인 소경봉이나 판재 상태의 주괴를 제조함에 있어서 연속주조를 도입한 경우를 전제로 한다.
우선 합금할 금속원소들을 미리 평량하여 준비한 후 용해로 바닥에 구리(Cu)를 적당량 깔고 그 위에 니켈(Ni)을 한 층 깔고 다시 구리(Cu)를 적당량 덮고 다시 니켈(Ni)을 깔고 구리(Cu)로 덮는 방법을 반복한 적층으로 장입하되 마지막에는 구리(Cu)로써 비교적 두껍게 덮는다.
그리고 용해를 시작하여 구리와 니켈이 모두 용해하면 슬래그를 제거하고 난 후, 망간(Mn)을 첨가하여 용해시킨다.
그리고 망간(Mn)이 모두 용해되었을 때, 가열을 중단하거나 매우 낮은 열원을 공급하는 정도로 하고 주석(Sn)과 티타늄(Ti)을 연속적으로 투입하고 잘 교반한다.
합금원소들이 충분히 용해확산하여 균질화되었다고 판단되면 용탕을 보온로에 옮겨 연속주조를 통한 봉재나 판재상태의 주괴를 제조한다.
이렇게 제조된 봉재나 판재상태의 주괴는 내부의 성질을 균질화시키기 위하여 850±50℃의 온도에서 1∼10시간 유지 후 냉각하여 균질화처리한 후 표면을 깨끗히 하기 위하여 산세처리한다.
그리고 나서 냉간인발 또는 냉간압연에 의해 73% 이상의 가공도로 중간상태의 봉재나 판재로 가공 후 이를 850±50℃의 온도에서 0.5∼1.0시간 유지 후 수냉하여 재결정 및 고용체화 처리를 행한다.
여기서 냉간가공도를 73% 이상으로 적용하는 것은 주조조직을 완전히 제거하고 균질한 소성가공 조직을 얻기 위함이다.
용체화처리과정에서 발생된 표면의 산화물을 깨끗이 제거하기 위하여 산세처리를 행한다.
이렇게 산세처리된 중간소재 상태의 봉재나 판재는 다시 냉간소성가공을 한 후 300∼550℃에서 1∼20hr 유지한 후 공냉하여 시효처리하면 구리(Cu)-니켈(Ni)-망간(Mn)-주석(Sn)계 합금에서 나타나는형 스피노달 분해생성물에 의한 스피노달 분해강화효과와 구리(Cu)-니켈(Ni)-티타늄(Ti)계 합금에서 나타나는형 석출물에 의한 석출강화효과에 의해 고강도의 재료를 얻을 수 있다.
여기서 합금성분, 용체화처리온도 및 시간, 냉간가공도, 시효처리 온도 및 시간 등은 재료의 물성을 결정하는 중요한 인자가 된다.
본 발명에서 얻어진 여러 가지 조건에 따른 물성변화의 예를 제시하면 다음의 표 1, 표 2, 표 3, 표 4 및 표 5 등과 같다.
표 1은 각종 합금예에 대한 화학성분이며, 표 2, 표 3 및 표 4는 이러한 조성을 갖는 합금주괴를 주조조직을 제거하기 위한 목적으로 1 차 냉간가공 후에 용체화처리하고 이를 다시 73% 냉간가공한 것에 대하여 300℃, 350℃, 400℃ 및 450℃에서 각각 3 시간 유지하여 시효처리한 것의 인장특성과 전기비저항치의 변화이다.
표 2에서 보면, 기존의 85% 구리(Cu)-9% 니켈(Ni)-6% 주석(Sn) 3원합금의 경우에 300 ∼ 400℃에서 3 시간 시효처리하면 인장강도는 1,043 ∼ 1,195 MPa, 연신율은 7 ∼ 9%를 얻을 수 있으며, 전기비저항치는 10 ∼ 14를 나타내고 있다.
그리고 85%구리(Cu)-9%니켈(Ni)-6%주석(Sn)계 합금에서 고용원소인 9%니켈(Ni)의 일부를 망간(Mn)으로 대체한 85%구리(Cu)-9%[니켈(Ni)+망간(MN)]-6%주석(Sn) 합금의 경우에는 같은 시효조건에서의 인장강도는 837∼1,156 MPa, 연신율은 6∼12%의 범위를 얻을 수 있으며, 전기비저항치는 11∼26를 나타낸다.
그리고 85%구리(Cu)-9%니켈(Ni)-6%주석(Sn) 3원합금에서 고용원소인 니켈(Ni)의 일부를 망간(Mn)으로 대체하고 스피노달 분해생성물을 주도하는 주석(Sn)의 함량을 2∼4%로 줄인 경우는 인장강도가 654∼897 MPa로 크게 낮아졌다.
그리고 기존의 85%구리(Cu)-9%니켈(Ni)-6%주석(Sn) 3원합금에 석출강화 원소인 티타늄(Ti)을 미량 첨가하면 인장강도는 증가하나 전기비저항치의 변화는 거의 없으며, 연신율은 감소하는 경향을 나타내고 있다.
한편, 본 발명의 경우인 구리(Cu)-니켈(Ni)-주석(Sn)-티타늄(Ti) 합금의 예에서는, 구리(Cu)-6%니켈(Ni)-3%망간(Mn)-6%주석(Sn)-티타늄(Ti) 합금의 경우에 인장강도는 1,050 Mpa에 이르며, 연신율은 5∼6%를 얻고 있으며, 전기비저항치는 10∼18범위에서 제어될 수 있다.
이와 같은 결과는 고강도 구리합금에서 고가인 니켈(Ni) 함량의 1/3을 저렴한 망간(Mn)으로 대체하고, 티타늄(Ti)을 미량 첨가하여 강도를 향상시킴으로써 제조원가를 절감하는 효과를 기대하게 하였다.
한편, 표 5는 각종 합금들에 있어서 시효처리 전 냉간가공도가 시효처리 후 인장강도에 미치는 효과로서 냉간가공도의 증가는 인장강도를 향상시킨다.
표 1 각종 합금의 화학조성예 (단위:중량 %)
표 2 가공열처리에 따른 인장강도의 변화 (단위: MPa)
표 3 가공열처리에 따른 연신율의 변화 (단위: %)
표 4 가공열처리에 따른 전기비저항의 변화 (단위:)
표 5 냉간가공도에 따른 인장강도의 변화 (단위: MPa)
상술한 바와 같은 본 발명 고강도 고탄성 동계 신합금은 얇은 판상이나 소경 봉상의 주괴를 연속주조법으로 제조하고, 제반공정 중에서 소성가공은 모두 냉간가공을 채택하였고, 합금성분 중에서 니켈(Ni)의 일부는 니켈(Ni)과 유사한 고용원소로서의 기능을 발휘하는 망간(Mn)으로 대체하고, 전체 고용원소의 함량도 조절하였으며, 이에 비례하여 스피노달 분해생성물을 주도하는 주석(Sn)의 량도 제어하여 효과적인 스피노달 분해강화를 나타낼 수 있도록 하였으며, 스피노달 분해강화효과의 감소에 따라 강도가 저하하는 문제는 석출강화 효과를 나타내는 원소 중의 하나인 티타늄(Ti)을 첨가하여 보완함으로써 고온의 용당 중에 투입하면 합금성도 좋으며, 산화성이 높아 용탕 속에서 탈산작용도 가능하여 용탕을 맑게하는 정련효과에도 좋고 강도를 향상시킴으로써 제조원가를 절감하여 커넥터, 콘탁터, 스프링 및 안경테 소재로써 새로운 수요를 창출할 수 있으며, 기존의 고강도용 베릴륨동이나 구리-9%니켈-6%주석계 스피노달 합금을 대체하는 등의 효과가 있다.
Claims (3)
- 고강도 선재 및 판재제조를 위한 구리합금의 성분은 1.0∼10.0 wt%(중량 백분율)의 니켈(Ni), O.1∼1O.O wt%(중량 백분율)의 망간(Mn), O.1∼1O.O wt%(중량 백분율)의 주석(Sn), 0.1∼5.0 wt%(중량 백분율)의 티타늄(Ti), 나머지는 구리(Cu)로 조성된 것을 특징으로 하는 고강도 선재 및 판재용 구리(Cu)-니켈(Ni)-망간(Mn)-주석(Sn)-티타늄(Ti) 합금.
- 고강도 선재 및 판재를 위한 구리(Cu)-니켈(Ni)-망간(Mn)-주석(Sn)-티타늄(Ti)합금의 제조방법에 있어서,합금할 금속원소들을 미리 평량하여 준비한 후 용해로 바닥에 구리(Cu), 니켈(Ni)순의 적층을 반복하되 마지막에는 구리(Cu)로 덮는 합금재료적층장입공정과 ;그리고 용해를 시작하여 구리와 니켈이 모두 용해되면 슬래그를 제거하고 난 후, 망간(Mn)을 첨가해서 용해시키는 용해공정과 ;그리고 망간(Mn)이 모두 용해되었을 때, 가열을 중단하거나 매우 낮은 열원을 공급하는 정도로 하고 주석(Sn)과 티타늄(Ti)을 연속적으로 투입하고 합금하는 합금공정과 ;합금원소들이 충분히 용해확산하여 균질화 되었다고 판단되면 용탕을 보온로에 옮겨 연속주조를 통한 봉재나 판재상태의 주괴를 제조하는 봉, 판재 연속주조공정과 ;이렇게 제조된 봉재나 판재상태의 주괴는 내부의 성질을 균질화시키기 위하여 850±50℃의 온도에서 1∼10시간 유지 후 냉각하는 균질화처리공정과 ;산세를 통하여 재료의 표면을 깨끗히 하는 산세공정과 ;냉간가공에 의해 73% 이상의 가공도로 중간상태의 봉재나 판재로 가공하는 판 및 봉상 압연공정과 ;이를 850±50℃의 온도에서 0.5∼1.0시간 유지 후 수냉하여 재결정 및 고용체화 처리를 행하는 용체화처리공정과 ;산세를 통하여 재료의 표면을 깨끗히 하는 산세공정과 ;이렇게 산세처리된 중간소재 상태의 봉재나 판재를 다시 냉간소성가공을 하는 냉간 압연 및 냉간인발공정과 ;이러한 공정 후 300∼550℃에서 1∼20hr 유지한 후 공냉하여 시효처리하는 시효처리공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고강도 선재 및 판재용 구리(Cu)-니켈(Ni)-망간(Mn)-주석(Sn)-티타늄(Ti) 합금의 제조방법 .
- 고강도 선재 및 판재를 위한 구리(Cu)-니켈(Ni)-망간(Mn)-주석(Sn)-티타늄(Ti)합금의 제조공정에 있어서,냉간소성가공이 가능한 상태인 소경봉이나 판재 상태의 주괴제조를 연속주조법으로 채택하고 제반공정에서 모든 소성가공은 냉간가공을 하는 것을 특징으로 하는 고강도 선재 및 판재용 구리(Cu)-니켈(Ni)-망간(Mn)-주석(Sn)-티타늄(Ti) 합금의 제조방법.
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