JP2014514434A - 高強度高電気伝導度のナノ結晶粒多層銅合金板材及びこれの製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明による高強度高電気伝導度のナノ結晶粒多層銅合金板材は、OFC(無酸素銅)合金とDLP(脱酸低リン銅)合金を圧延接合(Roll−Bonding)して85IACS(%)以上の電気伝導度と400MPa以上の引張強度とを有することを特徴とする。本発明による高強度高電気伝導度のナノ結晶粒多層銅合金板材の製造方法は、OFC(無酸素銅)合金とDLP(脱酸低リン銅)合金からなる板材を準備する材料準備ステップと、前記板材を表面処理する表面処理ステップと、前記板材を繰り返し圧延接合(Roll−Bonding)して、85IACS(%)以上の電気伝導度と400MPa以上の引張強度を有する高強度高電気伝導度のナノ結晶粒多層銅合金板材に成形する板材成形ステップとからなることを特徴とする。
【選択図】図1
【選択図】図1
Description
本発明は、高い強度を有する銅合金と高い電気伝導度を有する銅合金とを繰り返して圧延接合することで、強度及び電気伝導度が同時に向上するようにした高強度高電気伝導度のナノ結晶粒多層銅合金板材及びこれの製造方法に関する。
繰り返し重ね接合圧延(Accumulative Roll−Bonding;ARB)法は、金属素材の結晶粒度をサブミクロン(Submicron)まで超微細化させることで機械的特性を向上させる剛塑性加工法の一つである。
一般的に、強度及び電気伝導性が高い銅合金板材を製造するために、強度を増加させることができる合金元素を添加して製造した銅合金を圧延などの方法で薄板化して銅合金板材を製造してきた。
しかし、強度向上を目的として合金の含量を増加させる場合、電気伝導性及び圧延性が低下し、高強度及び高電気伝導性を同時に得るには限界に至っている。
即ち、圧延や圧出などの既存の塑性加工法は、加工量を増加させれば対象材料の形状(断面積)の変化が避けられず、素材内に変形エネルギーを蓄積することに限界があるしかない。従って、既存の塑性加工法は、金属材料の結晶粒微細化及び高強度化に大きな効果を発揮できない実情である。
これにより、繰り返し重ね接合圧延(ARB)法を利用して連続的な圧延加工を実施することで、結晶粒を数百ナノメートルのサイズに微細化して強度を増加させる方法が使用されている。
即ち、繰り返し重ね接合圧延(ARB)法は、構造材料の代表といえる鉄鋼及びアルミニウム(Al)素材などに適用されてきたが、実用化の観点からみると、高強度化を達成するだけでは、固溶体硬化法、析出硬化法などのような既存の強化法に比べてあまり大きな利点が存在するといえない。
従って、既存の繰り返し重ね接合圧延(ARB)法の特性を最大限に発揮して実用化を早めるために、結晶粒微細化及び高強度化を同時に達成するための繰り返し重ね接合圧延法に対して多くの研究及び開発が進行されている。
例えば、特許文献1には、繰り返し重ね接合圧延工程による高強度銅板材の製造方法が開示されている。
簡単に見てみると、表面処理された一定長さの銅板材を重ねて固定した後、圧延して接合し、接合された銅板材は切断し、前記のような過程を多数回繰り返すことで、多数層に重なった銅板材を製造することができるように構成される。
しかし、純銅合金板材に結晶粒微細化による強度の増加には、限界がある。
また、強度増加のために既存の高強度銅合金板材を繰り返し重ね接合圧延する場合、接合圧延時に多数の亀裂が発生しながら接合されず、健全な板材の製作が不可能である。
だけでなく、高強度銅合金板材の使用時には、電気伝導度が顕著に低くなる問題点を引き起こす。
本発明の目的は、前記のような従来技術の問題点を解決するためのもので、異種の銅合金を繰り返して圧延接合することで、強度及び電気伝導度が同時に向上するようにした高強度高電気伝導度のナノ結晶粒多層銅合金板材及びこれの製造方法を提供することにある。
前記の目的を達成するための本発明による高強度高電気伝導度のナノ結晶粒多層銅合金板材は、OFC(無酸素銅:Oxygen Free Copper)合金とDLP(脱酸低リン銅:Deoxidized Low−Phosphorous copper)合金とを繰り返し重ね接合圧延(Accumulative Roll−Bonding;ARB)法で塑性加工して、85IACS(%)以上の電気伝導度と400MPa以上の引張強度とを有することを特徴とする。
前記多層銅合金板材は、OFC合金層とDLP合金層とが交互に重なることを特徴とする。
前記多層銅合金板材において、OFC合金層とDLP合金層とを2層以上含むことを特徴とする。
本発明による高強度高電気伝導度のナノ結晶粒多層銅合金板材の製造方法は、OFC(無酸素銅)合金とDLP(脱酸低リン銅)合金とからなる板材を準備する材料準備ステップと、前記板材を表面処理する表面処理ステップと、前記板材を繰り返して圧延接合(Roll−Bonding)して、85IACS(%)以上の電気伝導度と500MPa 以上の引張強度とを有する高強度高電気伝導度のナノ結晶粒多層銅合金板材を成形する板材成形ステップとからなることを特徴とする。
前記表面処理ステップは、前記板材の外面を脱脂する脱脂過程と、前記板材の外面をワイヤーブラシ仕上げ(Wire brushing)して活性化する活性化過程とからなることを特徴とする。
前記板材成形ステップは、多数回繰り返し実施され、2回以上の実施時には、多層銅合金板材の多数個が繰り返し重ね接合圧延法で塑性加工されることを特徴とする。
本発明による高強度高電気伝導度のナノ結晶粒多層銅合金板材は、高い強度を有する銅合金と、高い電気伝導度を有する銅合金とを繰り返して重ね圧延して接合した。
従って、強度及び電気伝導度が同時に向上する利点がある。
以下、添付した図1を参照して、本発明による高強度高電気伝導度のナノ結晶粒多層銅合金板材の構成を説明する。
図1は、本発明による高強度高電気伝導度のナノ結晶粒多層銅合金板材(以下、「銅合金板材10と称する)を示した縦断面図である。
図面のように、前記銅合金板材10は、異種の銅合金が繰り返して圧延接合して形成されたもので、本発明の実施例において、OFC(無酸素銅)合金12とDLP(脱酸低リン銅)合金14とを繰り返して接合圧延(Accumulative Roll−Bonding;ARB)して、85IACS(%)以上の電気伝導度と500MPa以上の引張強度とを有する。
即ち、前記銅合金板材10は、OFC合金12とDLP合金14とを重ねて2層を形成するように繰り返し重ね接合圧延した後、これを多数層に重ねて接合圧延することで、図1のように4層に製造することができる。
そして、前記OFC合金12とDLP合金14とは、交互に積層されることで、電気伝導度と強度とを同時に向上させることができるように構成されることが好ましい。
以下に添付した図2及び図3を参照して、前記のように構成される銅合金板材10を製造する方法を説明する。
図2は、本発明による高強度高電気伝導度のナノ結晶粒多層銅合金板材10の製造方法を示した工程フローチャートであり、図3は、本発明による高強度高電気伝導度のナノ結晶粒多層銅合金板材10の製造方法において、一段階である表面処理ステップS200を細部的に示した工程フローチャートである。
これらの図面のように、前記銅合金板材10は、OFC合金12とDLP合金14とからなった板材を準備する材料準備ステップS100と、前記板材を表面処理する表面処理ステップS200と、前記板材を繰り返して接合圧延して、85IACS(%)以上の電気伝導度と500MPa以上の引張強度とを有する高強度高電気伝導度のナノ結晶粒多層銅合金板材10を成形する板材成形ステップS300とを順次に実施して製造される。
前記材料準備ステップS100において、OFC合金12は、銅合金板材10の電気伝導度を高めるための構成であり、前記DLP合金14は、銅合金板材10の強度を高めるための構成である。
前記材料準備ステップS100で準備したOFC合金12とDLP合金14とは、表面処理ステップを通過する。
前記表面処理ステップS200は、繰り返し重ね接合圧延時にOFC合金12とDLP合金14との接合を容易にする過程であり、前記合金の外面を脱脂する脱脂過程S220と、前記合金の外面をワイヤーブラシ仕上げ(Wire brushing)して活性化する活性化過程S240とからなる。
前記表面処理ステップS200の以後は、板材成形ステップS300が実施される。前記板材成形ステップS300は、多数回繰り返し実施され、2回以上の実施時には、多層銅合金板材10の多数個が圧延接合法1で塑性加工される。
以下、添付した図4及び図5を参照して、前記活性化過程S240と板材成形ステップS300とを連続的に実施するための繰り返し重ね接合圧延接合装置(以下、「圧延接合装置100」と称する)を詳しく説明する。
図4は、本発明の好ましい実施例に採用された圧延接合装置の外観構成を示した斜視図であり、図5は、本発明の好ましい実施例に採用された圧延接合装置の内部構成を細部的に示した概要図である。
図面のように、前記圧延接合装置100は、OFC合金12とDLP合金14とを板状で連続的に供給を受けて圧延接合することで銅合金板材10を製造するための装置であり、左側には、OFC合金12とDLP合金14とを巻き取った状態で保管するためのアンコイル手段110が具備される。
前記アンコイル手段110は、一定の幅を有し、長尺の板状のOFC合金12とDLP合金14とを巻き取った状態で保管し、選択的に回転して巻き取られていたOFC合金12とDLP合金14とを供給する役割を行うもので、前記圧延接合装置100がOFC合金12とDLP合金14とを圧延接合するための装置であるので、前記OFC合金12とDLP合金14とが独立して供給されることができるように、前記アンコイル手段110は、多数で構成される。
本発明の実施例において、前記アンコイル手段110は、同一垂直線上に回転中心が位置し、外面が互いに離隔したローラー状を有するようにし、一対で構成して互いに反対方向に回転することで、それぞれのアンコイル手段110が巻き取られていたOFC合金12とDLP合金14とが強制移送されることができるようにした。
そして、前記多数のアンコイル手段110の左側には、表面処理手段120が具備される。
前記表面処理手段120は、OFC合金12とDLP合金14との外面のうち一面をワイヤーブラシ仕上げ(Wire brushing)して表面処理するための構成であり、前記アンコイル手段110と対応する個数ほど具備され、それぞれのアンコイル手段110から供給を受けたOFC合金12とDLP合金14とをそれぞれ表面処理する。
前記圧延接合装置100の略中央には、圧延手段130が具備される。前記圧延手段130は、一対の圧延ローラーの間にOFC合金12とDLP合金14とを通過させながら加圧して圧延するための構成であり、前記圧延手段130を通して圧延されたOFC合金12とDLP合金14とは、圧延接合されて銅合金板材10となる。
前記圧延手段130とアンコイル手段110との間には、第1ガイド140が具備される。前記第1ガイド140は、表面処理手段120を経由しながら表面処理されたOFC合金12とDLP合金14とを内部に通過させて圧延手段130に案内するための構成であり、前記OFC合金12とDLP合金14とが右側方向に移送時に、次第に離隔距離を減少させることができるように構成される。
前記圧延手段130の右側には、リコイル手段150が具備される。前記リコイル手段150は、圧延手段130を通過しながら重ね接合された銅合金板材10を巻き取って保管するための構成であり、前記銅合金板材10の移送速度を鑑みて回転速度が調節されることが好ましい。
前記リコイル手段150と圧延手段130との間には、第2ガイド160が具備される。前記第2ガイド160は、圧延手段130を通じて圧延された銅合金板材10をリコイル手段150に案内するための構成であり、前記銅合金板材10の直進度を向上させる役割も同時に行う。
以下、添付した図5を参照して、前記のように構成される圧延接合装置100の詳細構成について検討する。
図5は、本発明の好ましい実施例に採用された繰り返し重ね接合圧延装置の内部構成を細部的に示した概要図である。
図面のように、前記アンコイル手段110の外面には、互いに接合されるOFC合金12とDLP合金14とがそれぞれ互いに反対方向に巻き取られており、圧延手段130を通じて連続的に銅合金板材10が製造されることができるように充分な長さで保管して供給される。
そして、前記表面処理手段120は、圧延手段130を通じてOFC合金12とDLP合金14とが圧延時に重ね接合がより容易に行われるようにするために、前記OFC合金12とDLP合金14とのそれぞれの両面のうち互いに向かい合う面の表面をブラッシする。
従って、前記表面処理手段120によって表面処理されたOFC合金12とDLP合金14との向かい合う表面は活性化されて、圧延手段130を通じて圧延される時に接合力が高くなる。
前記第1ガイド140は、表面処理されたOFC合金12とDLP合金14とが圧延手段130に移送する時、一対のローラーの中央に集められるように案内する。
このため、前記第1ガイド140は、多数の上部ローラー142と多数の下部ローラー144とを含んで構成される。
従って、前記上部ローラー142は、上側に位置したOFC合金12を右側方向に案内し、前記下部ローラー144は、下側に位置したDLP合金14を右側方向に案内する。
そして、前記上部ローラー142と下部ローラー144とは、OFC合金12とDLP合金14とが右側方向に移送する時に互いに近接することができるように構成される。
即ち、前記上部ローラー142と下部ローラー144との間を通過したOFC合金12とDLP合金14とは、圧延手段130によって加圧して圧延されるが、この時、OFC合金12とDLP合金14との離隔距離が大きい状態で進入すれば、均一な銅合金板材10の製造が難しい。
従って、前記上部ローラー142と下部ローラー144とは、OFC合金12とDLP合金14とが移送される時に、離隔距離が小くなるように制御し、このため、前記上部ローラー142と下部ローラー144とは、回転中心の位置が互いに異なって構成されることが好ましい。
例えば、添付した図5のように、3個の上部ローラー142は、右側にいくほど回転中心が低くなるように構成し、3個の下部ローラー144は、右側にいくほど回転中心が高くなるように構成して、OFC合金12とDLP合金14との離隔距離が狭くなるように制御することができる。
本発明の実施例において、第1ガイド140は、上部ローラー142と下部ローラー144とを実施例で構成したが、OFC合金12とDLP合金14との離隔距離が狭くなるように制御することができる範囲内であれば、多様に変更実施が可能であることは勿論である。
前記第2ガイド160は、ガイドローラー162を具備し、回転運動を利用して銅合金板材10の移送を案内し、前記ガイドローラー162は、銅合金板材10の直進度を高めることで、品質が向上するように役に立つ。
さらに具体的に検討すると、前記ガイドローラー162の外周面上端は、圧延手段130の中央、即ち、銅合金板材10と同一線上に位置するように構成され、前記圧延手段130から抜けてきた銅合金板材10が急激に屈曲しないようにすることで、均一な組織の銅合金板材10が得られるようにする。
以下、前記のように構成される圧延接合装置100を利用して、OFC合金12とDLP合金14とを重ね接合する過程を添付した図5を参照して説明する。
先ず、前記アンコイル手段110には、脱脂過程を経て油及び異物が除去されたOFC合金12とDLP合金14とが互いに反対方向に巻き取られて保管される。
そして、前記OFC合金12とDLP合金14とは、アンコイル手段110の回転によって解けながら表面処理手段120によって表面が活性化される。
この時、前記OFC合金12とDLP合金14とは、互いに接触する面が表面処理されて、より容易な接着がなされることができる。
前記表面処理手段120によって表面処理されたOFC合金12とDLP合金14とは、第1ガイド140を通過しながら離隔距離が狭くなり、圧延手段130の内部中央に供給される。
即ち、前記上部ローラー142と接触する上側のOFC合金12は、上部ローラー142によって次第に右側下方向に傾いて案内され、前記下部ローラー144と接触する下側のDLP合金14は、下部ローラー144によって次第に右側上方向に傾いて案内され、互いに近接する。
以後、互いに近接したOFC合金12とDLP合金14とは、圧延手段130を通過しながら圧延接合されて銅合金板材10となる。
前記銅合金板材10は、第2ガイド160によって圧延手段130から排出される方向と平行に移送し、直進度が高くなる。
以後、前記第2ガイド160によって移送方向が案内された銅合金板材Pは、リコイル手段150に巻き取られて保管されることで、銅合金板材10の連続した製造は完了する。
前記リコイル手段150に巻き取られた銅合金板材10は、多数個を準備して前記アンコイル手段110にそれぞれ設置し、前記のような過程を多数回のサイクルで繰り返すことで、多数の層からなった銅合金板材10の製造が可能である。
このような実施例として、添付した図6を参照すると、前記銅合金板材10を多数回繰り返して圧延接合して、OFC合金12とDLP合金14とが交互に8層、16層、32層、64層からなるように構成可能である。
以下、添付した図7及び図8を参照して、本発明による銅合金板材10の物性について検討する。
図7は、本発明による高強度高電気伝導度のナノ結晶粒多層銅合金板材で板材成形ステップの実施回数の変化による強度変化を示したグラフであり、図8は、本発明による高強度高電気伝導度のナノ結晶粒多層銅合金板材で板材成形ステップの実施回数の変化による引張強度及び延伸率の変化を示したグラフである。
先ず、図7のように、前記OFC合金12とDLP合金14とがそれぞれ1層ずつ具備された銅合金板材10の多数個を重ねて2回、3回、4回、5回、6回繰り返して実施して成形された銅合金板材10の硬度変化を比較例(圧延接合を実施しないDLP合金とOFC合金)と比べてみると、繰り返して圧延接合を実施した銅合金板材10の場合、120Hv以上の硬度を表し、50Hv程度の硬度を表した比較例より2倍以上高いことを確認した。
そして、図8のように前記板材成形ステップS300を実施しない比較例は、180MPaの引張強度と60%の延伸率を表したが、板材成形ステップS300が実施された好ましい実施例は、500MPa以上の引張強度と8%以下の延伸率を表した。
また、前記板材成形ステップS300の実施回数が増加するにつれて、延伸率と引張強度も増加することを確認した。
一方、前記銅合金板材10は、電気伝導度と引張強度などの物性を向上させるために、アニールステップS400が選択的に実施されてもよい。
添付した図9を参照して、板材成形ステップS300を実施するか否かと、板材成形ステップS300の実施回数による電気伝導度の変化を説明する。
図9は、本発明による高強度高電気伝導度のナノ結晶粒多層銅合金板材10で板材成形ステップS300の実施回数の変化によるOFC合金12とDLP合金14との電気伝導度の変化を示したグラフである。
図面のように、前記板材成形ステップS300を実施する前に、OFC合金12は、100IACS(%)に近い電気伝導度を表し、DLP合金14は、80IACS(%)程度の電気伝導度を表した。
しかし、前記板材成形ステップS300を実施して製造された銅合金板材10は、85IACS(%)以上の電気伝導度を表し、OFC合金12の電気伝導度とDLP合金14の電気伝導度とは、互いに近接した傾向を示した。
前記のような実験結果を総合して、添付した図10を参照してまとめてみると、伝導性が高く強度の低いOFC合金12と、電気伝導度が低く強度の相対的に高いDLP合金14とに対して、本発明による銅合金板材10は、強度及び電気伝導度が補完された物性を有する。
即ち、前記銅合金板材10は、OFC合金12より引張強度は高く電気伝導度は低く、DLP合金14と対比すれば、引張強度は少し低いが電気伝導度が高く表れた。
従って、前記銅合金板材10は、板材成形ステップS300の実施回数によって多様な電気伝導度及び強度を有するように制御することができることが分かる。
このような本発明の範囲は、前記で例示した実施例に限らず、前記のような技術範囲内で、当業界の通常の技術者は、本発明を基礎とする他の様々な変形が可能である。
Claims (6)
- OFC(無酸素銅:Oxygen Free Copper)合金とDLP(脱酸低リン銅:Deoxidized Low−Phosphorous copper)合金とを繰り返し圧延接合(Roll−Bonding)して、85IACS(%)以上の電気伝導度と500MPa以上の引張強度とを有することを特徴とする高強度高電気伝導度のナノ結晶粒多層銅合金板材。
- 前記多層銅合金板材は、OFC合金層とDLP合金層が交互に重ねられていることを特徴とする請求項1に記載の高強度高電気伝導度のナノ結晶粒多層銅合金板材。
- 前記多層銅合金板材において、OFC合金層とDLP合金層を2層以上含むことを特徴とする請求項2に記載の高強度高電気伝導度のナノ結晶粒多層銅合金板材。
- OFC(無酸素銅)合金とDLP(脱酸低リン銅)合金とからなる板材を準備する材料準備ステップと、
前記板材を表面処理する表面処理ステップと、
前記板材を繰り返し圧延接合(Roll−Bonding)して、85IACS(%)以上の電気伝導度と400MPa以上の引張強度を有する高強度高電気伝導度のナノ結晶粒多層銅合金板材に成形する板材成形ステップとからなることを特徴とする高強度高電気伝導度のナノ結晶粒多層銅合金板材の製造方法。 - 前記表面処理ステップは、
前記板材の外面を脱脂する脱脂ステップと、
前記板材の外面をワイヤーブラシ仕上げ(Wire brushing)して活性化する活性化ステップとからなることを特徴とする請求項4に記載の高強度高電気伝導度のナノ結晶粒多層銅合金板材の製造方法。 - 前記板材成形ステップは、多数回繰り返し実施され、2回以上の実施時には、多層銅合金板材の多数個が繰り返し重ね接合圧延法で塑性加工されることを特徴とする請求項4に記載の高強度高電気伝導度のナノ結晶粒多層銅合金板材の製造方法。
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