KR100967864B1

KR100967864B1 - 시효 경화성 구리 합금

Info

Publication number: KR100967864B1
Application number: KR1020030008977A
Authority: KR
Inventors: 헬멘캄프토마스; 로데디르크
Original assignee: 카엠이 저머니 아게
Priority date: 2002-02-15
Filing date: 2003-02-13
Publication date: 2010-07-05
Also published as: CN1271228C; KR20030069066A; EP1340564A2; ATE367229T1; CA2417546A1; US20030159763A1; CN1442500A; ES2288572T3; PL358681A1; EP1340564A3; US20080240974A1; MXPA03000218A; JP4472933B2; BR0300445B1; PL198565B1; DE50307676D1; DK1340564T3; PT1340564E; JP2004002967A; CA2417546C

Abstract

본 발명은 부분적으로 니켈로 치환될 수 있는 1.2 내지 2.7 중량%의 코발트, 0.3 내지 0.7 중량%의 베릴륨, 0.01 내지 0.5 중량%의 지르코늄, 선택적인 0.005 내지 0.2 중량%의 마그네슘 및/또는 철, 및 필요에 따라 최대 0.15 중량%까지 함유되는 니오븀, 탄탈, 바나듐, 하프늄, 크롬, 망간, 티탄 및 세륨으로 이루어진 군 중의 하나 이상의 원소로 이루어지는 시효 경화성 구리 합금에 관한 것이다. 제조 조건상의 불순물과 통상의 처리 첨가제를 포함한 구리가 잔부를 형성한다. 그러한 구리 합금은 스트립 주조 설비의 사이드 댐용 블록을 제조하기 위한 재료로서 사용된다.

Description

시효 경화성 구리 합금{AGE-HARDENABLE COPPER ALLOY}

본 발명은 스트립 주조 설비의 사이드 댐(side dam)용 블록을 제조하기 위한 재료로서의 시효 경화성 구리 합금에 관한 것이다.

반제품을 가능한 한 최종 치수에 가깝게 주조하여 열간 성형 단계 및/또는 냉간 성형 단계를 감축시킨다고 하는, 특히 강 및 구리 산업에서의 범세계적인 목표는 이미 1970년대 이전에 소위 헤즐렛(Hazelett) 스트립 주조 설비의 개발을 가져왔는데, 그러한 설비에서는 평행하게 안내되는 2개의 벨트의 갭 내에서 용금이 응고된다. 사이드 댐은 예컨대 미국 특허 제3 865 176호로부터 공지된 스트립 주조 설비에서는 예컨대 강제 가요성 무단 벨트 상에 일렬로 늘어서서 주조 벨트와 동시에 종 방향으로 이동되는, T형 홈을 구비한 금속제 성형 블록 또는 사이드 댐 블록으로 이루어진다. 그 경우, 사이드 댐 블록(댐 블록)은 주조 벨트에 의해 형성된 주형 공동을 한정한다.

또한, EP 0 974 413 A1로부터 슬롯과 키이를 구비한 블록으로 형성된 스트립 주조 설비용 사이드 댐 블록 체인이 공지되어 있다. 그와 같이 개발된 슬롯과 키이를 구비한 성형 블록의 장점은 주조 공정에서 블록을 정확하게 정렬 및 안내함으로써 주조된 스트립의 표면 품질을 개선시킨다는데 있다. 블록의 측면 에지가 소성 변형 및 균열 형성에 의해 조기에 마모되는 것을 방지하기 위해서는 높은 경도와 강도, 미립 조직, 및 우수한 장기간 내연화성을 보이는 적합한 재료가 사용되어야 한다. 또한, 액상 용금으로부터 응고 열을 반출하기 위해서는 성형 블록 재료의 높은 열 전도성이 요구된다.

끝으로, 주조 구간을 떠난 후에 강철 벨트의 수용을 위해 마련된 T형 홈의 모퉁이에서 블록의 재냉각 시에 발생되는 열 응력으로 인한 블록의 균열이 생기지 않도록 보장하는 재료의 최적의 피로 거동이 결정적으로 매우 중요하다. 그와 관련하여, 슬롯과 키이를 구비한 구성의 사이드 댐 블록에서는 부적당한 기하 형상 및 질량 분포에 기인하여 매우 높은 열 응력이 발생될 것으로 예상된다.

열 충격에 기인한 그러한 균열이 발생되면, 단시간 후에도 벌써 당해 성형 블록이 스트립 주조 장치의 사이드 댐 블록 체인으로부터 떨어져 나오는데, 그럴 경우에는 용융 액상 금속이 주형 공동으로부터 제어 불가능하게 유출되어 설비 부품을 손상시킬 수 있다. 손상된 성형 블록을 교체하려면, 전체의 스트립 주조 설비를 정지시켜 주조 과정을 중단해야 한다.

성형 블록을 500 ℃로 2시간 동안 열처리하고 나서, 20 내지 25 ℃의 물 속에서 급냉시키는 시험 방법이 균열 성향을 검사하는데 유용한 것으로 밝혀졌다. 적합한 재료에서는 그러한 열 충격 검사를 여러 번 반복하더라도 T형 홈의 면에서 균열이 발생되지 않을 수 있다.

EP 0 346 645 B1에는 1.6 내지 2.4%의 니켈, 0.5 내지 0.8%의 규소, 0.01 내지 0.2%의 지르코늄, 선택적인 0.4%까지의 크롬 및/또는 0.2%까지의 철, 및 제조 조건상의 불순물을 포함한 잔부 구리로 이루어지는 시효 경화성 구리계 합금이 개시되어 있다. 기본적으로, 그러한 공지의 구리 합금은 스트립 주조 설비의 사이드 댐용 표준 성형 블록 제조용 재료로서 사용될 경우에 긴 내구 수명에 대한 전제 조건을 충족시킨다. 그러한 구리 합금에서는 다음과 같은 특성의 조합이 주어진다:

20 ℃에서의 Rm: 635 내지 660 ㎫

500 ℃에서의 Rm: 286 내지 372 ㎫

브리넬 경도 : 185 내지 191 HB(약 195 내지 210 HV에 상응)

전도도 : 41.4 내지 43.4% IACS.

열 충격 시험에서는 균열이 전혀 발생되지 않는다. 그러한 구리 합금이 베릴륨 함유 구리계 합금보다 우수한 장점은 성형 블록을 수작업으로 건식 재연마하는 것이 가능한 점에 있는데, 그것은 연마 분진 중에 베릴륨이 함유되어 있지 않기 때문이다. 사용되고 난, 슬롯과 키이를 구비한 사이드 댐 블록을 그와 같이 후가공하는 것은 상당히 비용 소모적이고, 통상 T형 홈과 주조 면(예컨대, 폐쇄된 챔버 내의)을 기계적으로 세정(습식)함으로써 연마 분진의 방출을 저지할 것을 필요로 한다. 즉, 베릴륨 함유 합금을 사용하는 것은 근본적으로 그러한 조건 하에서만 가능하다.

그러나, EP 0 346 645 B1에 개시된 CuNiSiZr 합금으로 이루어진 사이드 댐 블록은 스트립 주조 설비의 주조 작업 동안의 매우 높은 기계 응력 및 열 응력 하에서 측부 에지 및 주조 면의 조기 마모가 일어나는 경향을 보인다는 단점이 있다. 그러한 마모는 시험 결과 판명된 바와 같이 주조 에지 및 주조 면의 재료를 160 HV 미만으로 연화시키는 원인이 된다. 또한, 공지의 CuNiSiZr 합금의 내열 충격성은 슬롯과 키이를 구비한 사이드 댐 블록으로서의 용도에서는 주조 작업 중에 T형 홈에서 균열이 형성되는 것을 효과적으로 저지하는데 항상 충분한 것만은 아니다.

그러한 선행 기술로부터 출발된 본 발명의 목적은 스트립 주조 설비의 사이드 댐 블록, 특히 슬롯과 키이를 구비한 구성의 사이드 댐 블록을 제조하기 위한 재료로서, 높은 주조 속도에서도 변동되는 온도 응력에 대해 둔감하고, 높은 내마모성 또는 내연화성은 물론 T형 홈에서의 균열 형성에 대한 높은 저항성을 보이는 시효 경화성 구리 합금을 제공하는 것이다.

그러한 목적은 청구항 1과 청구항 2에 기재된 특징에 의해 달성된다.

1.2 내지 2.7 중량%의 코발트, 0.3 내지 0.7 중량%의 베릴륨, 0.01 내지 0.5 중량%의 지르코늄, 선택적인 0.005 내지 0.2 중량%의 마그네슘 및/또는 철, 및 제조 조건상의 불순물과 통상의 처리 첨가제를 포함한 잔부 구리로 이루어지는 구리계 합금을 사용함으로써, 한편으로 재료의 충분한 시효 경화성이 확보되어 높은 강도, 경도 및 전도도를 얻을 수 있게 된다. 다른 한편으로는, 충분한 소성을 갖는 미립 조직을 수립하는데 있어 상대적으로 낮은 최대 40%까지의 냉간 가공만이 필요하게 된다. 지르코늄 함량을 의도적으로 차등화시킴으로써, 피로 강도는 물론 내열 특성까지도 개선되게 된다.

청구항 3에 따라, 바람직하게는 구리 합금이 1.8 내지 2.4 중량%의 코발트, 0.45 내지 0.65 중량%의 베릴륨, 0.15 내지 0.3 중량%의 지르코늄, 0.05 중량%까지의 마그네슘 및/또는 0.1 중량%까지의 철을 함유하도록 함으로써 사이드 댐 블록의 기계적 특성의 추가적 개선, 특히 인장 강도의 향상이 구현될 수 있다.

본 발명에서는 청구항 4의 특징에 따라 구리 합금 중에서 코발트 함량의 80%까지가 니켈로 치환될 수 있다.

사이드 댐 블록의 기계적 특성의 추가적 개선은 구리 합금이 니오븀, 탄탈, 바나듐, 하프늄, 크롬, 망간, 티탄, 및 세륨으로 이러진 군 중의 하나 이상의 원소를 최대 0.15 중량%까지 함유할 경우에 구현될 수 있다. 붕소, 리튬, 칼슘, 알루미늄, 및 인과 같은 추가의 탈산제도 역시 본 발명에 따른 구리 합금의 기계적 특성에 악영향을 미치는 일 없이 필요에 따라 최대 0.03 중량%까지 첨가될 수 있다.

또 다른 실시 형태(청구항 5)에 따라, 지르코늄 함량의 일부는 세륨, 하프늄, 니오븀, 탄탈, 바나듐, 크롬, 망간, 및 티탄으로 이루어진 군 중의 하나 이상의 원소로 0.15 중량%까지 치환될 수 있다.

본 발명에 따른 구리 합금으로 이루어지는 이중 벨트 스트립 주조 설비의 사이드 댐용 블록은 청구항 6에 따라 주조, 열간 성형, 40%까지의 냉간 성형, 850 내지 970 ℃의 온도 범위로의 용체화 처리, 및 400 내지 550 ℃로 0.5 내지 16시간 동안의 시효 경화 처리를 포함하는 방법에 의해 제조되는 것이 유리하다.

청구항 7에 따라, 구리 합금은 열간 성형 후에 5 내지 30% 만큼 냉간 성형될 수 있는 것이 특히 바람직하다. 그 경우, 그러한 범위에 속하는 냉간 성형도 중에서 10 내지 15%의 냉간 성형도가 특히 유리하다.

시효 경화된 상태의 사이드 댐 블록은 청구항 9 내지 10에 따라 650 ㎫ 이상, 특히 700 내지 900 ㎫인 인장 강도, 210 HV 이상, 특히 230 내지 280 HV인 비커스 경도, 40% IACS 이상, 특히 45 내지 60% IACS인 전기 전도도, 400 ㎫ 이상, 특히 450 ㎫ 이상인 500 ℃에서의 열간 인장 강도, 160 HV인 500 ℃로 500시간 시효 처리 후의 최저 경도, 및 0.5 ㎜인 ASTM E112에 따른 최대 입자 크기를 보이는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 구리 합금으로 이루어지는 사이드 댐 블록은 청구항 11에 따라 시효 경화된 상태에서 ASTM E112에 따라 산출된 30 내지 90 ㎛의 입도를 나타내는 것이 특히 바람직하다.

또한, 청구항 6에 기재된 방법의 순서에 의한다면, 공지의 CuCoBe 합금으로부터 관찰되던 열간 성형 및 용체화 처리 시의 열악한 재결정화 거동이 놀랍게도 간단히 제거될 수 있게 된다. CuCoBe 합금으로 이루어진 성형 블록을 제조할 경우에는 열악한 재결정화 거동으로 인해 열간 성형되고 용체화 처리되어 시효 경화된 상태에서 입자 크기가 1 ㎜를 상회하기도 하는, 사용 목적상 용인될 수 없는 조립의 미세 조직이 생긴다. 그러나, 열간 성형과 용체화 처리 처리 사이에 재료를 최대 40%, 바람직하게는 최대 15%까지 냉간 성형하면, 그러한 부가의 가공 단계에 의해 현저한 미립의 미세 조직이 얻어지게 된다. 일련의 검사에 따르면, 재결정화 온도 미만에서 냉간 성형되고 나서 용체화 처리된, 스트립 주조 장치의 사이드 댐용 성형 블록의 재료는 입도가 0.5 ㎜ 미만인 현저한 미립의 미세 조직을 나타내는 반면에, 냉간 성형도를 약 40%를 넘을 정도로 높게 하여 후속적으로 용체화 처리를 할 경우에는 2차 재결정화로 인해 입도가 1 ㎜를 상회하는 입자 조립화가 일어나는 것으로 입증되었다.

이하, 본 발명을 실시예를 참조로 하여 더욱 상세히 설명하기로 한다. 본 발명에 따른 3가지 합금(A, B, 및 C)과 3가지 비교 합금(D, E, 및 F)을 비교해 보면, 본 발명에 따른 구리 합금이 더 우수한 것으로 나타난다. 중량%로 된 구리 합금의 조성이 다음의 표 1에 표시되어 있다:

합금	Co(%)	Ni(%)	Be(%)	Zr(%)	Si(%)	Cr(%)	Cu(%)
A	2.1	-	0.54	0.18	-	-	잔부
B	2.2	-	0.56	0.24	-	-	잔부
C	1.3	1.0	0.48	0.15	-	-	잔부
D	-	2.0	-	0.16	0.62	0.34	잔부
E	2.1	-	0.55	-	-	-	잔부
F	1.0	1.1	0.62	-	-	-	잔부

합금 D의 조성은 공지의 CuNiSi계 합금의 조성인 한편, 합금 E와 F는 표준화된 CuCo₂Be 또는 CuCoNiBe 재료의 조성이다.

모든 구리 합금을 유도식 도가니로(crucible furnace) 중에서 용융하여 연속 주조 공정으로 직경이 280 ㎜인 원형 블록으로 주조하였다. 본 발명의 실시예에 따른 합금 A, B, 및 C의 원형 블록을 압출 프레스에서 900 ℃를 넘는 온도로 압출하여 치수가 79 × 59 ㎜인 바를 얻고 나서, 12%의 횡단면 감소에 의해 75 × 55㎜의 치수로 인발하였다. 비교 합금 D, E, 및 F의 블록을 동일한 온도로 75 × 55㎜의 치수로 직접 압출하고 나서, 추가의 냉간 성형을 전혀 실시하지 않았다. 이어서, CuCoBe 또는 CuCoNiBe 재료를 900 내지 950 ℃로 용체화 처리하고 나서, 450 내지 550 ℃의 온도로 0.5 내지 16시간 동안 시효 경화시켰다.

CuNiSi계 합금을 800 내지 850 ℃로 용체화 처리하고 나서, 동일한 조건 하에서 시효 경화시켰다. 시효 경화된 상태에서 인장 강도 Rm, 비커스 경도 HV10, 전기 전도도(열 전도도의 대체 값으로서), ASTM E112에 따른 입도, 500 ℃에서의 내열성 Rm, 그리고 500 ℃로 500시간 시효 처리한 후의 비커스 경도 측정(HV10)과 관련된 내연화성을 조사하였다.

끝으로, 치수가 70 × 50 × 40 ㎜인 성형 블록(1)과, 슬롯과 키이를 구비하고 치수가 70 × 50 × 47 ㎜인 성형 블록(2)에서 열충격 거동을 검사하였다. 그를 위해, 우선 성형 블록을 500 ℃로 2 시간 동안 어닐링하고 나서, 20 내지 25 ℃의 물 속에서 급냉시켰다. 이어서, 블록의 T형 홈을 육안과 10 배율의 현미경으로 균열 검사하였다.

전체의 검사 결과는 다음의 표 2에 요약되어 있다.

합금	Rm ㎫	HV10	전도도 % IACS	입도 ㎛	Rm (500 ℃) ㎫	500 ℃에서 500시간 이상의 시효 처리 후의 경도 HV10	열 충격 시험에 따른 거동
합금	Rm ㎫	HV10	전도도 % IACS	입도 ㎛	Rm (500 ℃) ㎫	500 ℃에서 500시간 이상의 시효 처리 후의 경도 HV10	블록(1)	블록(2)
A	801	254	50	30-90	523	173	균열 무	균열 무
B	804	245	51.5	45-90	464	175	균열 무	균열 무
C	812	255	49.5	45-90	485	167	균열 무	균열 무
D	652	205	43	45-90	387	118	균열 무	균열 유
E	786	260	50.5	5000까지	423	150	균열 유	균열 유
F	807	248	48.5	3000까지	434	152	균열 유	균열 유

T형 홈에서 확인된 균열의 연장은 "균열 유"로서 분류된 성형 블록의 경우에 2 내지 5 ㎜이었고, 개별적으로는 균열 길이가 10 ㎜까지에 이르렀다. 재료 E 및 F에 비해, 본 발명에 따라 낮은 정도의 추가의 냉간 성형에 의해 제조된 구리 합금 A, B, 및 C만이 최적의 특성으로 놀라울만큼 균일한 미립 조직과, 슬롯과 키이를 구비한 성형 블록으로서 사용될 때에 필요로 하는 내균열성을 보이는 것을 알 수 있다. 본 발명에 따른 구리 합금은 통상의 성형 블록으로서 사용되는 경우에도 공지의 CuNiSi 합금 D에 비해 현저히 더 우수한 내연화성을 나타내고, 합금 E 및 F에 비해서는 약간 더 우수한 내연화성을 나타낸다.

따라서, 본 발명에 따른 구리 합금은 주조 과정 내내 변동되는 열 응력을 받는, 스트립 주조 설비의 사이드 댐용 성형 블록을 제조하기 위한 재료로서 매우 적합하다. 그러한 성형 블록은 종래에 사용되던 성형 블록은 물론 EP 0 974 413 A1에 따른 슬롯과 키이를 구비한 구성의 성형 블록일 수 있다.

본 발명에 따른 시효 경화성 구리 합금은 높은 주조 속도에서도 변동되는 온도 응력에 대해 둔감하고, 높은 내마모성 또는 내연화성은 물론 균열 형성에 대한 높은 저항성을 보이고, 그에 따라 스트립 주조 설비의 사이드 댐용 성형 블록, 특히 슬롯과 키이를 구비한 구성의 사이드 댐용 성형 블록을 제조하기 위한 재료로서 매우 적합하다.

Claims

스트립 주조 설비의 사이드 댐용 블록을 제조하기 위한 재료로서의 시효 경화성 구리 합금으로서,

1.2 내지 2.7 중량%의 코발트, 0.3 내지 0.7 중량%의 베릴륨, 0.01 내지 0.5 중량%의 지르코늄, 0 초과 최대 0.15 중량%까지 함유되는 니오븀, 탄탈, 바나듐, 하프늄, 크롬, 망간, 티탄 및 세륨으로 이루어진 군 중의 하나 이상의 원소, 및 제조 조건상의 불순물을 포함한 잔부 구리를 함유하며,

주조된 블랭크(blank)를 열간 성형한 후에 40%까지 냉간 성형되고, 이어서 850 내지 970 ℃의 온도 범위에 속하는 온도로 용체화 처리되며, 연이어 400 내지 550 ℃로 0.5 내지 16시간 동안 시효 경화 처리되는 것을 특징으로 하는 시효 경화성 구리 합금.
제1항에 있어서, 마그네슘과 철 중 하나 이상의 원소를 0.005 내지 0.2 중량%로 더 함유하는 것을 특징으로 하는 시효 경화성 구리 합금.
제2항에 있어서, 1.8 내지 2.4 중량%의 코발트, 0.45 내지 0.65 중량%의 베릴륨, 0.15 내지 0.3 중량%의 지르코늄, 0 초과 0.05 중량%까지의 마그네슘, 0 초과 0.1 중량%까지의 철, 및 제조 조건상의 불순물을 포함한 잔부 구리를 함유하는 것을 특징으로 하는 시효 경화성 구리 합금.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 코발트 함량의 80%까지가 니켈로 치환되는 것을 특징으로 하는 시효 경화성 구리 합금.
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 지르코늄 함량의 일부는 세륨, 하프늄, 니오븀, 탄탈, 바나듐, 크롬, 망간 및 티탄으로 이루어진 군에서 선택된 0 초과 0.15 중량%까지의 하나 이상의 원소로 치환되는 것을 특징으로 하는 시효 경화성 구리 합금.
삭제
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 열간 성형 후에 5 내지 30% 만큼 냉간 성형되는 것을 특징으로 하는 시효 경화성 구리 합금.
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 열간 성형 후에 10 내지 15% 만큼 냉간 성형되는 것을 특징으로 하는 시효 경화성 구리 합금.
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 시효 경화된 상태에서 650 ㎫ 이상인 인장 강도, 210 HV 이상인 비커스 경도, 40% IACS 이상인 전기 전도도, 400 ㎫ 이상인 500 ℃에서의 열간 인장 강도, 160 HV인 500 ℃로 500시간 시효 처리 후의 최저 경도, 및 0.5 ㎜인 ASTM E112에 따른 최대 입도를 보이는 것을 특징으로 하는 시효 경화성 구리 합금.
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 시효 경화된 상태에서 700 내지 900 ㎫인 인장 강도, 230 내지 280 HV인 비커스 경도, 45 내지 60% IACS인 전기 전도도, 450 ㎫ 이상인 500 ℃에서의 열간 인장 강도, 160 HV인 500 ℃로 500시간 시효 처리후의 최저 경도를 보이는 것을 특징으로 하는 시효 경화성 구리 합금.
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, ASTM E112에 따라 산출된 입도가 30 내지 90 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 시효 경화성 구리 합금.