강도와 전기전도도가 향상된 구리합금 및 이의 제조방법 |
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申请号 | KR1020100045570 | 申请日 | 2010-05-14 | 公开(公告)号 | KR1020110125928A | 公开(公告)日 | 2011-11-22 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
申请人 | 한국기계연구원; | 发明人 | 한승전; 어광준; | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
摘要 | PURPOSE: Copper alloy with enhanced strength and electric-conductivity and a method of manufacturing the same are provided to enhance hot working performance and mechanical characteristics since Ti is added to Cu-Ni-Si alloy. CONSTITUTION: Copper alloy with enhanced strength and electric-conductivity comprises Ni and Si for alloy, Cu, inevitable impurities, and Ti. The Ti induces the precipitation of inter-metal compound with Ni instead of Si in Cu alloy. The amount of the Ti alloy element is 0.003 weight% ~0.5 weight%. The amount of the Ni is 2.5~6.0weight%. The amount of the Si is 0.4~1.5weight%. The amount of the Ti is 0.003~0.5weight%. The sum of three alloy elements is under 8weight%. The sum of the weight% of the Ni and the weight% of the Ti is between 5:1 and 3:1. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
权利要求 | 니켈(Ni)과 실리콘(Si)이 합금화 원소이고, 나머지는 구리와 불가피한 불순물이 잔부를 이루는 구리합금 속에 티타늄(Ti)이 상기 구리합금 속에 실리콘을 대신하여 니켈과의 금속간화합물의 석출을 유도하기 위해 추가의 합금화 원소로 첨가된, 강도와 전기전도도가 향상된 구리합금. 제1항에 있어서, 상기 구리합금 속에 추가로 첨가되는 상기 티타늄 합금원소의 양은 0.003 중량% 내지 0.5 중량%인, 강도와 전기전도도가 향상된 구리합금. 제1항에 있어서, 니켈(Ni)은 2.5 내지 6.0 중량%, 실리콘(Si)은 0.4 내지 1.5 중량%, 티타늄(Ti)은 0.003 내지 0.5 중량%를 포함하는, 강도와 전기전도도가 향상된 구리합금. 합금화 원소로 첨가되는 총 3가지 원소와, 잔부(殘部)가 구리와 기타 불가피한 불순물로 구성된 구리합금으로, 상기 3가지 합금원소는 니켈(Ni)과 실리콘(Si)과 티타늄(Ti)이고, 상기 3가지 합금원소의 중량%의 합이 8 중량% 이하이고, 상기 니켈의 중량%와 실리콘과 티타늄의 중량%의 합이 5:1에서 3:1 사이에서 결정되는 것을 특징으로 하는, 강도와 전기전도도가 향상된 구리합금. 제4항에 있어서, 니켈(Ni)은 2.5 내지 6.0 중량%, 실리콘(Si)은 0.4 내지 1.5 중량%, 티타늄(Ti)은 0.003 내지 0.5 중량%를 포함하며, 잔부(殘部)는 구리(Cu)와 불가피한 불순물인 것을 특징으로 하는, 강도와 전기전도도가 향상된 구리합금. 구리와 니켈을 같이 녹여 상기 구리와 상기 니켈의 용탕을 만드는 단계와, 상기 용탕에 추가로 실리콘을 투입하여 녹이는 단계와, 구리와 티타늄의 모합금을 넣어 최종적으로, 니켈(Ni)과 실리콘(Si)과 티타늄(Ti)과 잔부인 구리(Cu)의 조성을 맞추는 것을 특징으로 하는, 강도와 전기전도도가 향상된 Ni-Si-Ti계 구리합금을 제조하는 방법. 구리를 녹여 용탕을 만드는 단계와, Ni 2 Si 1-x Ti x 를 상기 구리용탕에 투입하여 최종적으로, 니켈(Ni)과 실리콘(Si)과 티타늄(Ti)과 잔부인 구리(Cu)의 조성을 맞추는 것을 특징으로 하는, 강도와 전기전도도가 향상된 Ni-Si-Ti계 구리합금을 제조하는 방법. 구리를 녹여 용탕을 만드는 단계와, 상기 구리용탕에 실리콘을 투입하여 녹이는 단계와, 니켈과 티타늄의 모합금을 넣어 최종적으로, 니켈(Ni)과 실리콘(Si)과 티타늄(Ti)과 잔부인 구리(Cu)의 조성을 맞추는 것을 특징으로 하는, 강도와 전기전도도가 향상된 Ni-Si-Ti계 구리합금을 제조하는 방법. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 니켈, 실리콘, 티타늄의 조성은 각각 2.5 내지 6.0 중량%, 0.4 내지 1.5 중량%, 0.003 내지 0.5 중량%를 포함하며, 잔부(殘部)는 구리(Cu)와 불가피한 불순물임을 특징으로 하는, 강도와 전기전도도가 향상된 Ni-Si-Ti계 구리합금을 제조하는 방법. 청구항 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 구리합금을 이용하여 제조된 반도체용 리드프레임. 청구항 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 구리합금을 이용하여 제조된 전자부품용 커넥터. |
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说明书全文 |
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조성 (중량%) | ||||||
Cu | Ni | Si | Ti | Si+Ti(중량%) | 사용된 명칭 | |
Bal. | 6.08 | 1.5 | - | 해당않됨(Ti=0) | 비교예 1 | CNS |
Bal. | 3.0 | 0.65 | - | 해당않됨(Ti=0) | 비교예 2 | |
Bal. | 6.02 | 1.38 | 0.24 | 1.62 | 실시예 1 | CNST-10 |
Bal. | 3.26 | 0.66 | 0.03 | 0.69 | 실시예 2 | T-05 |
Bal. | 3.02 | 0.6 | 0.11 | 0.71 | 실시예 3 | T-1 |
Bal. | 2.54 | 0.52 | 0.021 | 0.541 | 실시예 4 | T-005 |
Bal. | 2.51 | 0.52 | 0.004 | 0.524 | 실시예 5 | T-003 |
Bal. | 3.89 | 0.85 | 0.003 | 0.853 | 실시예 6 | CNST-003 |
Bal. | 5.23 | 1.15 | 0.06 | 1.156 | 실시예 7 | CNST-05 |
Bal. | 5.40 | 1.50 | 0.24 | 1.74 | 실시예 8 | CNST-15 |
합금의 제조공정
본 발명을 위한 구리합금의 경우 다음과 같은 제조공정을 가진다.
우선 구리와 니켈을 같이 녹여 상기 구리와 상기 니켈의 용탕을 만든 후, 상기 용탕에 추가로 실리콘을 투입하여 녹인다. 그 다음으로, 구리와 티타늄의 모합금을 용탕에 투입한다. 이러한 과정으로 본 발명의 최종 합금조성을 맞춘다.
이러한 방법 이외에도, 우선 구리를 녹여 용탕을 만드는 단계 후, Ni 2 Si 1-x Ti x 를 상기 구리용탕에 투입한다. 이러한 과정으로 본 발명의 최종 합금조성을 맞춘다.
이러한 방법 이외에도, 우선 구리를 녹여 용탕을 만든 후, 상기 구리용탕에 실리콘을 투입하여 녹인다. 그리고, 니켈과 티타늄의 모합금을 넣는다. 이러한 과정으로 본 발명의 최종 합금조성을 맞춘다.
상기 본 발명에서 구리합금을 제조하는 공정의 각 단계에서 용해의 온도는 투입되는 재료들이 녹기에 충분한 온도이면 가능하다. 너무 용탕의 온도를 높이는 경우에는 재료가 기화되어 목표로 한 조성에서 멀어지게 된다. 그러나, 용탕에 추가로 새로운 재료를 첨가할 때는 첨가로 인하여 용탕의 온도가 떨어져 고화되지 않을 정도로 높일 필요가 있다.
한편, 실리콘과 티타늄의 모합금을 제작하고, 이 모합금을 구리용탕에 넣을 수도 있다. 그러나, 실제로는 실리콘과 티타늄 간에는 금속간화합물을 여러 조성에서 형성되어, 모합금을 제조하기가 용이하지 않다. 또한 티타늄이나 실리콘의 용해시 휘발로 인하여 최종 생성되는 모합금의 조성이 타켓 조성(목적 조성)에서 벗어나서 다른 방법과 비교하여 상대적으로 조성 맞추기가 용이하지 않다는 문제점도 발생한다.
본 발명을 위한 구리합금을 제조하기 위해 주조 후 다음의 공정을 가진다. 상기의 제조방법으로 제조된 구리합금은 일반적으로 주조상태(as-cast)로 바로 사용하기는 편석등의 문제로 어렵다. 이러한 주조상태의 편석 문제를 해결하기 위해 열간단조를 실시한다. 열간단조의 온도범위는 열간압연의 온도범위인 800 o C∼980 o C에서 수행을 한다.
열간단조와 유사한 목적으로 용체화처리를 행할 수도 있다. 이러한 열간단조나 용체화처리는 희망하는 목적에 의하여 선택적으로 행할 수 있는 선택사항으로 반드시 필요한 공정상의 단계는 아니다. 열간단조나 용체화처리는 목적하는 최종 제품의 형상이나 요구되는 물성치를 고려하여 수행의 여부를 결정한다. 용체화처리나 열간단조 후 열간압연을 행하는데 온도범위는 800 o C∼980 o C에서 수행을 한다.
열간처리 즉, 열간단조나 열간압연 후, 스카핑(scarfing)단계를 거친다. 그 이유로는 열간처리 후에는 표면이 산화되어 최종 냉간압연을 하는 경우, 표면의 스케일이 제품의 표면에 부착되어 결함으로 작용하거나, 제품의 미관을 해치기 때문이다. 열간처리 후 최종적으로 냉간압연으로 최종 제품의 두께를 조절한다.
비교예 1과 본 발명의 실시예 1, 8의 조성으로 구성된 구리합금들을 800 o C∼980 o C에서 열간압연을 수행한 결과, 비교예와 비하여 본 발명의 구리합금이 70%이하의 압하율까지 열간압연이 가능하였다.
도 5a와 5b는 각각 비교예 1와 실시예 1의 구리합금을 이용하여 각 온도의 조건에서 열처리 시간에 따른 전기전도도의 변화를 나타낸 그래프이다. 일반적으로 구리합금에서 열처리 온도(시효처리 온도)가 높을수록 전기전도도는 증대하고, 시효처리 시간이 증대할수록 전기 전도도가 증대한다. 본 발명에서 Ti가 첨가된 실시예 1의 경우 시효처리 시간에 따라 각각의 온도에서 실험한 시간범위에서 점진적으로 증가함을 보였다. 반면에 비교예의 경우, 증가하다가 포화되는 것을 알 수 있었다. 전기전도도는 Ti가 첨가된 실시예 1의 경우 비교예 1과 대비하여 상대적으로 더 높았다. 즉, 전기전도도가 동일 열처리 조건에서 본 발명의 구리합금이 비교예 1에 비해 향상되었음이 나타났다. 그리고 열처리시간당 전기전도도 증가속도도 빨랐다. 즉, 실시예 1의 조성에서 비교예 1의 조성보다 빨리 석출물이 형성됨을 간접적으로 파악할 수 있었다. 도면에서 %IACS는 전기전도도를 나타내는 지수로서 International Annealed Copper Standard의 약자이다.
도 6a와 6b는 각각 비교예 1과 실시예 1의 구리합금을 이용하여 각 온도의 조건에서 열처리 시간에 따른 비커스 경도를 나타났다. 동일 조건(온도와 시간)에서 실시예 1의 경도가 비교예 1과 비교하여 높았다. 그리고 열처리시간당 경도의 증가속도가 증가함이 나타났다.
도 7은 실시예 4와 5의 구리합금이 시효처리에 따른 전기전도도와 경도의 변화를 나타낸 그래프이다. 비교예 2와 실시예 4와 5를 동일한 열간압연, 냉간압연, 열처리를 하였을 때, 실시예는 비교예와 비교하여 대등한 전기전도도와 경도를 나타내었다. 비교예 2의 경우 Ni+Si의 중량%가 3.65중량%이고, 실시예 4와 5의 경우는 Ni+Si의 중량%가 3.06중량%과 3.03중량%이다. 즉, 석출물의 중량%(Ni중량%+Si중량%)가 0.5% 감소해도, 미량의 Ti양(0.021과 0.004중량%)이 투입됨에 따라서 비교예 2와 동등한 전기전도도와 경도를 나타내었다. 이는 Ti의 첨가로 인해 석출능이 증가하여 구리에 투입되는 Ni+Si 중량%가 감소해도 동일하거나 보다 나은 효과를 나타낸 것이다.
아래의 표 2는 비교예 2의 구리조성과 본 발명의 실시예 2와 3의 구리조성의 전기전도도와 경도를 대비하여 나타낸 표이다. Ti이 첨가된 본 발명의 구리합금이 전기전도도와 경도값이 Ti가 첨가되지 않은 경우와 비교하여 높다는 것을 확인할 수 있었다.
비교예 2 | 실시예 2 | 실시예 3 | |
전기전도도(%IACS) | 30.4 | 34.6 | 35.3 |
경도 (Hv) | 187.1 | 194 |
도 8은 실시예 6을 비교예 1과 동일한 열간압연, 냉간압연, 열처리를 하였을 때, 전기전도도와 경도를 표시한 그래프이다. 실시예 6의 경우처럼 구리합금에 Ti를 0.003%의 중량%로 첨가하여도 전기전도도 및 경도가 향상되었음을 알 수 있다.
도 9는 실시예 7의 구리합금이 각 온도에서 열처리 온도에 따른 전기전도도를 나타내고 있다.
도 10은 Ti의 첨가된 본 발명의 구리합금(실시예 1)과 Ti가 첨가되지 않은 구리합금(비교예 1)을 400 o C, 450 o C, 그리고 600 o C에서 열처리 시간에 따른 비커스 경도의 변화를 나타낸 그림이다. Ti이 첨가된 본 발명의 구리합금이 비교예와 비교하여 경도가 높다는 것을 보여주고 있다. 또한 열처리에 따라서 경도가 증가되는 경향이 비교예 보다 훨씬 두드러짐을 알 수 있다.
도 11은 Ti의 첨가된 본 발명의 구리합금(실시예 1과 실시예 6)과 첨가되지 않은 비교합금(비교예)의 열처리 시간에 따른 비커스 경도의 변화를 나타낸 그림이다. 도 10과 마찮가지로 Ti이 첨가된 본 발명의 구리합금이 비교예와 비교하여 경도가 높다는 것을 보여주고 있다. 또한 열처리에 따라서 경도가 증가되는 경향이 비교예 보다 훨씬 두드러짐을 알 수 있다.
도 12은 비교예 1과 실시예 1의 조성을 가진 구리합금의 각 가공상태(as-cast, hot-rolled, cold-rolled)에 따른 전기 전도도의 값을 나타낸 비교 그림과 표이다. 모든 경우에서 비교예 1 보다 본 발명의 구리합금 조성인 실시예 1의 물성치가 월등했다.
도 13은 Ti가 첨가된 구리합금 (실시예 1과 실시예 8)의 경우와 Ti가 첨가되지 않은 구리합금의 열간압연을 한 사진이다. Ti이 첨가된 본 발명의 구리합금의 경우 열간압연시에도 균열이 없이 압연이 가능하였다는 사실을 보여주고 있다. 그러나, 비교예에서는 열간압연시 크랙이 심하게 발생하였다.
상기의 본 발명은 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 기술 범위 내에서 상기 본 발명의 상세한 설명과 다른 형태의 실시예들을 구현할 수 있을 것이다. 여기서 본 발명의 본질적 기술범위는 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.