KR100260058B1 - 경화 가능한 동합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 1.0 내지 2.6%의 니켈, 0.1 내지 0.45%의 베릴륨 및 제조조건상의 불순물과 통상적인 가공 첨가물을 포함한 잔여 성분의 구리로 조성되고, 200HB 이상의 브리넬 경도와 38m/Ω㎟ 을 초과하는 전기전도도를 가지는 시효경화될 수 있는 구리합금을, 제품의 최종규격에 가깝게 주조할 때 변온 응력을 받는 주조 롤 및 주조 휠의 제조에 사용되는 방법에 관한 것이다.

Description

경화 가능한 동합금

본 발명은 제품의 최종 규격에 가깝게 주조하는 경우에, 변화하는 열응력을 받는 주조 롤 및 주조 휠의 제조에 사용되는 경화 가능한 동합금에 관한 것이다.

특히, 철강 산업에 있어서, 열간 변형 처리 및/또는 냉간 변형 처리의 시간을 절감하기 위하여, 제조할 제품의 반제품을 가능한 한 제품의 최종 규격에 가깝게 주조하고자 하는 전세계적인 목표에 따라, 주조법은 대략 1980년 이후로, 예컨데 단일 롤식 연속 주조법 및 이중 롤식 연속 주조법과 같은 일련의 발전을 거듭해 왔다.

이러한 주조법에서는, 강합금, 니켈, 구리 및 이들의 합금을 주조할 때, 수냉되는 롤 또는 롤러를 사용하게 되며, 용융 금속의 탕구 영역에서 매우 높은 표면 온도에 의해 상기 주조물들이 더욱 강하게 열간 압연된다. 이러한 현상은, 예컨대 강합금을 제품의 최종 규격에 가깝게 주조할 때, 주조 롤이 350℃ 내지 450℃에서 전기 전도도가 48m/Ω㎟이고, 열전도도가 약 320 W/mK인 CuCrZr 재료로 구성되는 경우 달성될 수 있다. CuCrZr을 기초로 한 재료는 지금까지 주로 열적으로 큰 부하를 받는 연속 주조 주형 및 주조 휠에 적용되어 왔다. 이러한 재료에서, 표면 온도는 주조 롤이 탕구 영역의 바로 직전에서 각각 회전할 때 주기적으로 냉각시킴으로써 약 150℃ 내지 200℃로 하강한다. 이에 비하여, 냉각된 주조 롤의 이면에서는, 표면 온도와는 달리 약 30℃ 내지 40℃의 온도로 일정하게 유지된다. 표면과 이면 사이의 온도 구배는 주조 롤의 표면 온도의 주기적인 변화와 함께 롤 재료의 표면 영역에 상당한 열응력을 발생시킨다. 증감 폭이 ±0.3%이고, 주파수가 0.5 Hz(이러한 인자는 30 rpm의 주조 롤의 회전 속도와 대략 상응함)인, 상이한 온도에서 지금까지 사용되어 온 CuCrZr 재료의 피로 거동을 조사한 바에 따르면, 예컨대 400℃의 최대 표면 온도(수냉되는 부분의 상부 25㎜의 벽두께에 해당됨)에서 최적의 경우에 균열이 발생될 때까지 3000 싸이클의 수명이 예상된다. 따라서, 주조 롤은 약 100분의 비교적 짧은 작업 시간의 경과 후에, 표면의 균열을 제거하기 위한 가공을 할 필요가 있다. 주조 롤을 교체하기 위해서는, 주조 기계를 정지시켜야 하고, 주조 과정을 중단시켜야 한다.

CuCrZr 주형 재료의 다른 단점은 이러한 주형 재료를 사용할 경우, 경도가 브리넬 경도로 약 110 HB 내지 130 HB 정도로 비교적 작다는 것이다. 단일 롤식 연속 주조법 또는 이중 롤식 연속 주조법에서, 탕구 영역 앞에서 강의 분사물이 롤의 표면에 도달하게 되는 것을 거의 피할 수가 없기 때문에, 응고된 강립(鋼粒)은 비교적 연질인 주조 롤 표면에 압입(押入)되어, 두께가 약 1.5㎜ 내지 4㎜인 주조된 스트립 표면의 품질이 크게 훼손된다.

또한, 최대 1%의 니오븀이 첨가된 공지의 CuNiBe 합금은 매우 작은 전기 전도도로 인하여 CuCrZr 합금에 비해 표면 온도가 비교적 높다. 전기 전도도는 열전도도와 반비례하기 때문에, CuCrZr로 구성된 주조 롤은 표면에서 최대 400℃의 온도와 이면에서 30℃의 온도를 가지는 데 비해 CuNiBe 합금으로 구성된 주조롤의 표면 온도는 약 540℃ 정도로 상승된다.

3가지 원소를 주성분으로 하는 CuNiBe 합금 또는 CuCoBe 합금은 근본적으로 그 브리넬 경도가 200 HB 이상이기는 하지만, 저항 용접 전극 내지 박판 제조용 로드 또는 스프링이나 리드 프레임 조조용 스트립과 같이 상기 재료로 제조된 표준 반제품류의 전기 전도도는 모든 경우 약 26m/Ω㎟ 내지 32m/Ω㎟ 의 범위에 있다. 최적의 조건하에서, 이러한 표준 재료에 수반되는 주조 롤의 표면 온도는 약 585℃ 정도밖에 이르지 않는다.

또한, 기본적으로 미국 특허 제4,179,314호로부터 공지된 CuCoBeZr 합금 또는 CuNiBeZr 합금에 있어서도, 합금 성분을 선정할 때 전기 전도도 값이 38m/Ω㎟ 이상이고 경도가 최소 200 HB에 달할 수 있도록 한다는 것을 찾아볼 수 없다.

본 발명의 목적은 3.5m/min 이상의 주조 속도에서도 변화되는 열응력에 민감하지 않고, 주조 롤의 작업 온도에서 피로 강도가 큰 주조 롤, 주조 롤의 외피 및 주조 휠의 제조용 재료를 제공하는 것이다. Ni 1.0% 내지 2.6%, Be 0.1% 내지 0.45% 및 제조상의 불가피한 불순물과 통상의 가공 첨가물을 비롯한 구리 잔부로 이루어지고, 브리넬 경도가 200HB 이상, 전기 전도도가 38m/Ω㎟ 이상인 경화 가능한 동합금이 상기와 같은 용도에 특히 적합한 것으로 입증되었다.

또한, Zr 0.05% 내지 0.25%을 첨가함으로써, 특히 인장 강도의 증가와 같이, 기계적 특성을 개선할 수 있다.

본 발명에 따른 동합금에 있어서, 니켈 성분이 합금 조성 중 1.2% 이상일 경우, 베릴륨 성분에 대한 니켈 성분의 비율이 5:1 이상인 것이 적합하다.

본 발명에 따라 사용되는 합금에 있어서, 니오븀, 탄탈, 바나듐, 티타늄, 크롬, 셀레늄 및 하프늄으로 구성된 군 중에서 적어도 어느 하나의 원소를 전체적으로 최대 0.15%까지 첨가하면 기계적 특성을 더욱 개선할 수 있다.

예컨대 ASTM(미국 금속 시험 규격) 및 DIN(독일 공업 규격)에 따라 규격화된 합금으로 시험을 할 경우, 니켈 성분이 1.1% 내지 2.6%일 때 베릴륨 성분에 대한 니켈 성분의 비율이 상기 규정된 비율로 되어 있고 적합한 열적 처리 또는 열역학적 처리가 수행된다면, 제품의 최종 규격에 가까운 주조를 위해 사용되는 주조롤에 필요한 특성, 즉 200 HB 이상의 브리넬 경도와 38m/Ω㎟ 이상의 전기 전도도를 달성할 수 있다는 놀라운 사실을 알게 되었다.

이하에서는, 본 발명을 몇 가지 실시예를 기초로 하여 보다 상세히 설명한다. 본 발명에 따라 사용되는 4가지 합금(합금 F에서 합금 K까지)과 4가지 비교 합금(합금 A에서 합금 D까지)은 얻고자 하는 특성의 조합을 달성하기 위해 그 조성이 임계적으로 예시되어 있다. 예시된 합금의 조성은 표 1에 중량%로 각각 주어져 있으며, 이에 상응하는 시험 결과는 표 2에 총괄되어 있다.

[표 1]

[표 2]

표 2에는 상이한 니켈 성분과 베릴늄 성분을 가지는 합금에 대해서, 이에 상응하게 상이한 Ni/Be 비율, 획득 경도 및 전기 전도도가 기재되어 있다. 모든 합금은 진공로에서 용융하여 열간 변형하였고, 1시간 이상 925℃에서 용융 가열한 후 수냉하고, 이어서 350℃ 내지 550℃의 온도에서 4시간 내지 32시간 동안 시효 경화하였다.

본 발명에 따라 사용된 합금 F,G,H 및 K 에서 알 수 있듯이, 베릴늄에 대한 니켈의 중량비가 5:1 이상에 달할 경우, 얻고자 하는 특성의 조합이 달성된다.

용융 가열 후에 주조 롤 또는 주조 롤의 외피를 약 25% 정도 추가의 냉간 변형하면, 전기 전도도를 더욱 개선할 수 있다.

따라서, 예컨대 1.48 중량%의 니켈과 5:1 이상의 Ni/Be 비율을 가지는 합금을 32 시간 동안 480℃에서 시효 경화 처리할 경우, 43m/Ω㎟ 의 전기 전도도와 225 HB의 브리넬 경도를 얻게 된다. 니켈 성분을 증가시킴으로써, Ni/Be 비율의 상승을 통해 보다 최적의 특성을 얻을 수 있다. 2.26% 니켈과 6.5 Ni/Be 비율의 동합금을 32시간 동안 480℃에서 시효 경화 처리한 후에 230 HB의 브리넬 경도와 40.5m/Ω㎟ 의 전기 전도도를 갖는다. 얻고자 하는 특성의 조합을 달성하기 위해서, 예컨대 2.3%의 니켈 성분에 대한 상한치로서 7.5의 Ni/Be 비율이 가능하다.

본 발명에 따라 사용되는 또 다른 7개의 합금의 조성 및 기술적 특성은 표 3 및 표 4에 제시되어 있다. 모든 합금은 925℃에서 용융 가열하고, 그 후 25% 냉간 변형하며, 이어서 16시간 동안 480℃에서 시효 경화 처리하였다.

[표 3]

[표 4]

이러한 결과로 부터, 지르코늄 첨가물을 포함하는 5 내지 7.5의 Ni/Be 비율의 CuNiBe 합금에서 높은 전기 전도도와 브리넬 경도를 얻을 수 있음을 또한 확인할 수 있다. 최대 0.25%의 지르코늄이 첨가된 합금은 전기 전도도에 있어서 놀랍게도 지르코늄이 없는 CuNiBe 합금을 무색하게 만들며, 이 때 38m/Ω㎟ 의 최소치는 확실히 보장된다. 다른 한편으로, 지르코늄 첨가물은 가공상의 장점을 제공하며, 열가소성을 개선해준다.

예시된 합금 N은 상대적으로 낮은 전기 전도도를 가지기 때문에 피로 거동에 대한 보충 시험용으로 선정하였다. 합금 N에 있어서도, 주조 롤에서의 최대 표면 온도는 약 490℃까지 도달될 수 있었다. 강의 주조시 지금까지 알려진 주조 롤의 응력하에서, 본 발명에 따라 사용되는 합금 N에 따른 수명은 CuCrZr 합금의 수명에 비해 2배 내지 3배 증가된다. 높은 브리넬 경도 때문에, 주조 롤의 표면이 용융 금속 분사물의 압입에 의해 손상되는 위험은 없다.

마찬가지로 공지된 사우스와이어(southwire)로 와이어 로드를 연속 주조할 때의 주조 휠과 독특한 주조롤 설비에서도 임계적인 열적 변도 응력이 발생하게 된다. 이러한 응력을 처리함에 있어서도 역시 주조 휠의 제조를 위해 특히 적합한 재료로서 이제부터는 본 발명에 따라 사용되는 CuNiBe(Zr) 합금을 사용할 수 있다. 지금까지 상기 주조 방법은 주조 휠로 사용되는 재료가 강의 주조를 위한 충분한 거동을 하지 못하였기 때문에 제대로 수행될 수 없었다.

또한, 최근 3년 동안 강을 제품의 최종 규격에 가깝게 주조하기 위한 또 다른 방법이 개발되었으며, 이 방법에서 구리 주형은 약 3.5 내지 7 m/min의 극히 높은 주조 속도로 인하여, 최대 500℃의 극히 높은 표면 온도에 도달한다. 또한, 주형과 강 사이의 마찰을 가능한 한 작게 유지하기 위해서는, 주형에서 1분당 400 행정 이상의 높은 진동 주파수를 조절할 필요가 있다. 또한, 주기적으로 변동되는 용탕의 거울면은 마찬가지로 용탕 표면의 요철면(meniscus)에서 주형에 상당한 피로 응력을 주게 되며, 결과적으로 이러한 주형의 수명은 만족스러운 정도로 유지되지 못한다. 이러한 주형을 사용하기 위해서 피로 강도가 역시 높은 본 발명에 따른 CuNiBe(Zr) 합금을 채용하면, 그 수명을 크게 연장할 수 있다.

Claims (6)

1. 제품의 최종 규격에 가깝게 주조하는 경우에, 변화하는 열응력을 받는 주조롤 및 주조 휠의 제조에 사용되는 경화 가능한 동합금으로서, Ni 1.0% 내지 2.6%, Be 0.1% 내지 0.45%, 제조상의 불가피한 불순물과 통상의 가공 첨가물을 비롯한 구리 잔부로 이루어지며, 브리넬 경도가 200 HB 이상이고 전기 전도도가 38 m/Ω㎟ 이상인 것을 특징으로 하는 주조 롤 및 주조 휠 재료로서의 경화 가능한 동합금.
2. 제1항에 있어서, Zr 0.05% 내지 0.25%을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주조 롤 및 주조 휠 재료로서의 경화 가능한 동합금.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, Ni 1.4% 내지 2.2%, Be 0.2% 내지 0.35%, Zr 0.15% 내지 0.2%, 제조상의 불가피한 불순물과 통상의 가공 첨가물을 비롯한 구리 잔부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 주조 롤 및 주조 휠 재료로서의 경화 가능한 동합금.
4. 제1항에 있어서, 상기 Ni 성분이 1.2% 이상일 경우 Be에 대한 Ni의 성분비(Ni/Be)가 5 이상인 것을 특징으로 하는 주조 롤 및 주조 휠 재료로서의 경화 가능한 동합금.
5. 제4항에 있어서, 상기 Be에 대한 Ni의 비율은 5.5 내지 7.5의 범위인 것을 특징으로 하는 주조 롤 및 주조 휠 재료로서의 경화 가능한 동합금.
6. 제1항에 있어서, 상기 Ni 성분은 전체적으로 또는 부분적으로 Co로 대체되는 것을 특징으로 하는 주조 롤 및 주조 휠 재료로서의 경화 가능한 동합금.