KR102596212B1 - 전기배선용 알루미늄 합금 부스바 및 그 제조방법 - Google Patents

전기배선용 알루미늄 합금 부스바 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 상기와 부스바로서 사용가능한 수준의 전기전도도와 기계적 특성을 모두 만족하는 알루미늄 합금으로 이루어진 부스바의 제공을 목적으로 한다. 본 발명의 일 관점에 의하면. 0.2 내지 1.5 중량%의 Fe; 0.4 내지 1.0 중량%의 Si; 0.4 내지 1.5 중량%의 Cu; 및 잔부는 알루미늄 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진, 전기배선용 알루미늄 합금 부스바가 제공된다.

Description

전기배선용 알루미늄 합금 부스바 및 그 제조방법{Aluminum alloy bus bar for electrical connection and method of manufacturing the same}
본 발명은 외부로부터 공급되는 전력을 각 부하로 분배하는 배전반 혹은 전력을 이용하는 수송기기의 파워 컨트롤 유닛 내에서 전력분배를 위해 사용되는 장방형 판상의 도전성 연결부재인 부스바(bus bar)의 제조 기술에 대한 것이다.
배전반 혹은 파워 컨트롤 유닛 내에서 전력 분배에 사용되는 부스바는 우수한 전기전도도가 필수이며, 단자간 연결 시 복잡한 형상으로 구부려서 사용하는 특성 상 우수한 굽힘 성형성을 구비하여야 한다. 우수한 굽힘 성형성을 구비하기 위해서는 소재 자체의 인장강도 및 연신율이 일정 이상의 우수한 값을 만족하여야 한다. 현재 부스바의 소재로는 전기전도도 및 강도 특성이 우수한 순수 구리 혹은 구리 합금이 널리 사용되고 있다. 그러나 구리는 단가가 상대적으로 높은 금속으로서 비용적인 측면에서 불리한 점이 있다. 또한 부스바는 최근에 시장이 급성장하고 있는 전기자동차에 있어서 배터리의 전력공급을 위한 필수 부품이라는 점에서 경량화도 중요한 고려 사항이다. 이러한 측면에서 중량이 큰 금속인 구리는 경량화 측면에서도 불리한 요소가 있다.
전기전도도 및 경량화 측면에서 구리를 대체하기 위한 금속재료로서 알루미늄이 고려될 수 있다. 그러나 알루미늄은 요구되는 굽힘 성형성을 얻기 위해 합금원소가 첨가되면 전기전도도의 감소가 나타나며, 높은 수준의 전기전도도를 얻기 위해 합금원소를 첨가하지 않고 순수하게 사용할 경우 기계적 특성이 낮아 굽힘 성형성이 충분하지 않은 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 부스바로서 사용가능한 수준의 전기전도도와 기계적 특성을 모두 만족하는 알루미늄 합금으로 이루어진 부스바 및 그의 제조방법의 제공을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 의하면. 0.2 내지 1.5 중량%의 Fe; 0.4 내지 1.0 중량%의 Si; 0.4 내지 1.5 중량%의 Cu; 및 잔부는 알루미늄 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진, 전기배선용 알루미늄 합금 부스바가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, Si는 0. 5 내지 0. 8 중량%의 범위를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 평균 결정립의 크기는 50 내지 160 μm 범위를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 인장강도는 140 MPa 이상을 가지고, 연신율은 40% 이상을 가지며, IACS 도전율은 50% 이상일 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 전기배선용 알루미늄 합금 부스바(Bus Bar)의 제조방법이 제공된다.
상기 제조방법은 0.2 내지 1.5 중량%의 Fe, 0.4 내지 1.0 중량%의 Si, 0.4 내지 1.5 중량%의 Cu 및 잔부는 알루미늄 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 용탕을 주조하여 잉곳을 제조하는 단계; 상기 잉곳을 소성 가공하여 판재로 형성하는 단계; 및 상기 판재를 200℃ 초과 500℃ 미만의 온도에서 열처리하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 소성 가공은 압출 공정 및 압연 공정 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 열처리하는 단계는 250℃ 내지 450℃에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 열처리하는 단계는 30분 내지 2시간 동안 수행될 수 있다
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 실시예를 따르는 알루미늄 합금 부스바는 우수한 전기전도도 및 기계적 특성을 동시에 가지며, 따라서 종래에 사용되는 고가의 구리 계열의 부스바를 효과적으로 대체함으로써 경제적 측면 및 경량화 측면에서 더 유리한 효과를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예 시편의 열처리 전후의 미세조직을 광학현미경으로 관찰한 결과이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
이하에서는, 본 발명의 이해를 돕기 위한 구체적인 실험예들을 제시하고 이를 바탕으로 본 발명의 기술사상에 대해서 기술하도록 한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험예들만으로 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예를 따른 알루미늄 합금 부스바는 합금원소로서 0.2 내지 1.5 중량%의 Fe, 0.4 내지 1.0 중량%의 Si, 0.4 내지 1.5 중량%의 Cu를 포함하고, 잔부는 알루미늄 및 기타 불가피한 불순물로 이루지는 것을 특징으로 한다.
상기 알루미늄 합금 부스바의 평균 결정립 크기는 50 내지 160 μm 범위를 가질 수 있다.
상기 알루미늄 부스바의 ICAS 도전율은 50%의 우수한 특징을 가진다. 또한 기계적 특성으로서 인장강도 및 연신율은 각각 140 MPa 이상 및 40% 이상의 값을 나타내어 부스바가 갖춰야 할 우수한 굽힘 가공성을 구현할 수 있다.
본 발명의 부스바에 적용되는 알루미늄 합금은 우수한 전기전도도를 확보하기 위하여 합금원소의 총량은 3.4 중량% 이내로 제한한다. 이를 초과하는 함량의 합금원소가 첨가될 경우에는 전기전도도의 감소가 나타나서 부스바로의 적용이 어려울 수 있다.
합금원소 중 Fe는 AlFeSi 화합물 생성을 통한 합금의 고강도화의목적으로 첨가되며, 0.2 내지 1.5 중량%의 범위를 가진다. 0.2 중량% 미만으로 첨가시 금형에 소착되는 문제가 발생할 수 있으며, 1.5 중량%를 초과하면 연신율이 급격히 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
합금원소 중 Si은 용탕의 유동을 향상시키며 AlFeSi 화합물 생성을 통한 합금의 고강도화의목적으로 첨가되며, 0.4 내지 1.0 중량%의 범위를 가진다. 0.4 중량% 미만으로 첨가시 용탕 유동성에 문제점이 있으며, 1.0 중량%를 초과하면 AlFeSi 상의 분율 증가로 연신율의 급격히 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
합금원소 중 Cu는 Al2Cu 강화상의 생성을 목적으로 첨가되며, 0.4 내지 1.5 중량%의 범위를 가진다. Cu를 첨가하지 않거나 0.4 중량% 미만으로 첨가시 Al2Cu 강화상의 분율이 저하되어 강도 저하의 문제점이 있으며, 1.5 중량%를 초과하면 Al2Cu 강화상의 생성 분율 증가로 전기전도도 저하의문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예를 따르는 알루미늄 합금 부스바는 주조 후 성형 가공을 통해 판재 형상으로 제조된 후 열처리를 거치게 된다.
구체적으로 0.2 내지 1.5 중량%의 Fe, 0.4 내지 1.0 중량%의 Si, 0.4 내지 1.5 중량%의 Cu를 포함하고, 잔부는 알루미늄 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 합금 용탕을 몰드에 주입하여 알루미늄 합금 잉곳(ingot)을 제조한다.
다음, 제조된 잉곳을 압출 혹은 압연을 통해 판재로 성형 가공한다. 예를 들어 압출 공정을 이용하여 1차적으로 제1 두께를 가지는 판재를 성형한 후 이를 다시 압연 공정을 이용하여 제1 두께 보다 얇은 제2 두께를 가지는 판재를 성형할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며 다른 예로서 압출 공정 혹은 압연 공정만 단독으로 사용하여 판재를 성형할 수 있다. 선택적으로 제조된 판재는 제품 크기에 따라 적절하게 절단될 수 있다.
성형 가공이 완료된 알루미늄 판재는 성형 가공 과정에서 내부에 축적된 응력을 이완시키기 위한 열처리를 수행하게 된다. 열처리 조건, 예를 온도 및 시간 조건은 부스바에 적용가능한 수준의 인장강도 및 연신율을 확보하는데 중요한 공정 조건이다.
상기 열처리 과정에서 결정립 크기의 변화가 수반되게 된다. 이러한 응력 이완 및 결정립 크기의 변화에 의해 알루미늄 판재의 연신율의 향상이 나타날 수 있다. 부스바의 성형 가공성을 확보하기 위해서는 높은 연신율이 필수적이다. 이러한 기계적 특성을 구현하기 위하여 본 발명에서는 열처리 온도가 200℃보다는 높고 500℃보다는 낮은 온도 범위에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 250℃ 내지 450℃ 범위, 더 바람직하게는 300℃ 내지 400℃ 범위에서 수행될 수 있다.
열처리를 수행하지 않거나 열처리를 수행하더라도 200℃ 이하의 온도에서 열처리를 수행할 경우, 극히 낮은 연신율을 나타내며 이로 인해 부스바에 적용하기 어렵게 된다. 또한 500℃ 이상의 온도에서 열처리를 수행할 경우에도 40% 미만의 연신율을 나타냄에 따라 역시 부스바에 적용하기 어렵게 된다.
열처리 시간은 열처리 전에 비해 결정립의 크기가 감소하는 시간까지 수행하는 것이 바람직하다. 본 발명자는 본 발명의 기술 사상을 따르는 합금 조성 범위 및 열처리 온도 범위에서 열처리 시 초기에 결정립의 크기가 감소하는 시간 범위에서 열처리를 수행할 경우 인장강도 및 연신율이 모두 우수한 값을 나타냄을 확인하였다. 구체적으로 이러한 열처리는 30분 내지 2시간범위에서 수행하는 것이 바람직하다.
이하에서는, 본 발명의 이해를 돕기 위한 구체적인 실험예들을 제시하고 이를 바탕으로 본 발명의 기술사상에 대해서 기술하도록 한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험예들만으로 한정되는 것은 아니다.
표 1에 나타낸 8개의 각기 다른 합금 조성(중량%)을 가지는 알루미늄 합금 용탕을 주조하여 잉곳을 제조하였다.
조성번호 Fe(중량%) Si(중량%) Cu(중량%) Al(중량%)
1 0.1 0.5 0 잔부
2 0.2 0.2 0 잔부
3 0.2 0.8 0 잔부
4 0.9 0.3 0 잔부
5 0.2 0.8 0.4 잔부
6 1.3 0.5 0.4 잔부
7 1.5 0.6 0.8 잔부
8 1.5 0.5 1.5 잔부
표 1의 조성을 가지는 합금원소를 전기로에서 용융한 후 금속 몰드를 이용하여 중력주조하여 잉곳을 제작하였다. 주조 시 온도는 800℃로 설정하였다.
제조된 잉곳들은 모두 압출하여 두께 2 mm의 판재로 성형하였으며, 압출된 판재를 압연하여 1mm 두께의 판재로 제조하였다. 제조된 판재들은 염욕(salt bath) 및 유욕(oil bath)에서 조성에 따라 200℃ 내지 500℃ 범위에 0. 5 시간 내지 2시간 동안 열처리를 수행하여 시편을 제조하였다. 또한 열처리 효과에 대한 비교를 위하여 일부 시편은 열처리를 수행하지 않았다.
제조된 시편들은 전기전도도를 확인하기 위하여 IACS(The International Annealed Standard) 도전율을 측정하였다. IACS 도전율은 측정대상의 도전율을 어닐링된 순동의 도전율(58. 0Sm/mm2)으로 나누어 계산한 값으로서 단위는 %를 사용한다.
또한 제조된 시편들의 기계적 특성을 확인하기 위하여 인장강도 및 연신율을 측정하였다.
표 2에는 400℃에서 1시간 동안 열처리된 시편의 조성에 따른 IACS 도전율, 인장강도 및 연신율 결과가 나타나 있다.
시편번호 조성번호 열처리온도
(℃)		 전기전도도
(IACS%)		 인장강도
(MPa)		 연신율
(%)		 비고
1A 1 400 62.5 66.5 67.7 비교예
2A 2 400 62.2 74.8 61.6 비교예
3A 3 400 59.4 109.8 49.9 비교예
4A 4 400 58.4 108.5 51.4 비교예
5A 5 400 57.3 133.6 41.2 발명예
6A 6 400 56.1 147.5 41 발명예
7A 7 400 55.0 143.5 41 발명예
8A 8 400 52.3 179.4 40 발명예
표 2를 참조하면, Cu가 첨가되지 않은 시편 1A 내지 4A의 경우, Al에 첨가되는 합금원소의 양이 많지 않아 IACS 도전율을 약 60% 내외의 우수한 전기전도도를 나타내었다. 또한 합금의 순도가 높은 편이어서 50%이상의 우수한 연신율을 나타냈었다. 그러나 인장강도의 경우에는 모두 110 MPa 이하의 낮은 값을 나타내었으며, 따라서 부스바로 사용하기에는 부적절한 강도 특성을 나타내었다.
이에 비해 Cu가 0.4 내지 1.5 중량% 첨가된 시편 5A 내지 8A의 경우에는 비교예인 시편 1A 내지 4A에 비해 합금 원소의 총량이 커짐에 따라 전기도도가 상대적으로 감소되었으나 모두 50% 이상의 우수한 값을 나타내었다. 인장강도의 경우에는 모두 130 MPa 내지 180 MPa 범위의 값을 가져 비교예에 비해 월등히 우수한 특성을 나타내었다. 연신율의 경우, 강도의 증가에 따라 다소 감소하는 결과를 나타내었으나 모두 40% 이상의 값을 나타내었다. 따라서 발명예인 시편 5A 내지 8A는 모두 전기도도도, 인장강도 및 연신율 측면에서 전력배선용 부스바에 적용 가능한 수준을 나타내었다.
표 3에는 동일한 조성을 가지는 알루미늄 합금의 압연 후 열처리를 수행하기 않거나 200℃에서 수행한 시편의 연신율(%) 결과가 동일 조성의 발명예와 함께 나타나 있다.
시편번호 조성번호 열처리온도
(℃)		 연신율
(%)		 비고
1A 1 400 66.5 비교예
4A 4 400 51.4 비교예
6A 6 400 41 발명예
8A 8 400 40 발명예
1B 1 - 9.7 비교예
4B 4 - 8.7 비교예
6B 6 - 5.7 비교예
8B 8 - 5.6 비교예
1C 1 200 6.7 비교예
4C 4 200 8 비교예
6C 6 200 11 비교예
C 8 200 11.4 비교예
표 3에 나타낸 바와 같이 압연 후 열처리를 수행하지 않거나 400℃에 비해 낮은 온도인 200℃로 수행된 경우에는 연신율이 모두 10% 내외의 매우 낮은 값을 나타내어 전력배선용 부스바에 적용하기에는 적절하지 않은 것을 알 수 있다. 표 4에는 500℃에서 수행한 시편의 인장강도(MPa) 및 연신율(%) 결과가 동일 조성의 발명예와 함께 나타나 있다.
시편번호 조성번호 열처리온도
(℃)		 인장강도
(MPa)		 연신율
(%)		 비고
1A 1 400 66.5 66.5 비교예
4A 4 400 108.5 51.4 비교예
6A 6 400 147.5 41 발명예
8A 8 400 179.4 40 발명예
1D 1 500 66.5 66.2 비교예
4D 4 500 110.1 55.4 비교예
6D 6 500 152.4 39 비교예
8D 8 500 192.5 35.5 비교예
표 4를 참조하면, 500℃로 열처리된 시편 1D 및 4D의 경우에는 110 MPa 이하의 낮은 인장강도가 문제가 되며, 시편 6D 및 8D의 경우에는 40% 미만의 낮은 연신율이 문제되는 것을 확인할 수 있다.
표 5에는 조성번호 6번의 조성을 가지는 합금에 대해서 열처리를 400℃에서 0.5 시간 및 2 시간 동안 수행한 시편과, 300℃에서 1 시간 동안 열처리한 경우의 인장강도 및 연신율 결과가 나타나 있다.
시편번호 조성번호 열처리온도
(℃)		 열처리시간
(hr)		 인장강도
(MPa)		 연신율
(%)		 비고
6A-1 6 300 1 145.3 43.3 발명예
6A-2 6 400 2 144.3 41 발명예
6A-3 6 400 0.5 145.5 40 발명예
표 5를 참조하면, 모든 조건에서 인장강도가 140 MPa 이상이고 연신율이 40% 이상으로서 우수한 특성을 나타내어 전력배선용 부스바에 적용 가능한 수준이 특성을 나타냄을 확인할 수 있다.
도 1에는 조성번호 4번 및 6번의 조성을 가지는 합금의 열처리 전 및 400℃에서 1시간 열처리를 수행한 후의 미세조직을 광학현미경으로 관찰한 결과가 나타나 있다. 또한 표 6에는 열처리 전후 결정립의 평균 크기가 나타나 있다.
시편 열처리 결정립 크기(μm) 비고
4B x 104.32 비교예
4A o 108.85 비교예
6B x 105.51 비교예
6A o 52.22 발명예
도 1 및 표 6를 참조하면, 비교예에 해당되는 시편 4A의 평균 결정립 크기는 108.85 μm 로서, 열처리 전(시편 4B)의 약 104 μm 에 비해 더 큰 값을 나타내었다. 이로부터 비교예인 시편 4A는 열처리 과정을 거치면서 결정립의 성장이 일어난 것으로 알 수 있다.
반면, 발명예에 해당되는 시편 6A의 경우에는 열처리 전(시편 6B)에는 약 105 μm 의 평균 결정립 크기를 가지나 열처리 후에는 약 52 μm 로서 결정립 크기의 현저한 감소가 나타난 것을 알 수 있다.
이러한 실험예의 분석 결과로부터 발명예의 경우, 강화상의 생성 및 결정립 크기 제어를 통하여, 합금의 고강도화 및 전기전도도의 향상을 기대할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 0.2 내지 1.5 중량%의 Fe;
    0.5 내지 0.8 중량%의 Si;
    0.4 내지 1.5 중량%의 Cu; 및
    잔부는 알루미늄 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지고,
    평균 결정립의 크기는 50 내지 160 μm 범위를 가지며,
    판재 형상을 가지며,
    인장강도는 144.3MPa 이상 내지 145.5 MPa이하를 가지고, 연신율은 40% 이상 내지 43.3% 이하를 가지며, IACS 도전율은 50% 이상인,
    전기배선용 알루미늄 합금 부스바.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 0.2 내지 1.5 중량%의 Fe, 0.5 내지 0.8 중량%의 Si, 0.4 내지 1.5 중량%의 Cu 및 잔부는 알루미늄 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 용탕을 주조하여 잉곳(ingot)을 제조하는 단계;
    상기 잉곳을 소성 가공하여 판재로 형성하는 단계; 및
    상기 판재를 250℃ 초과 450℃ 미만의 온도에서 열처리하는 단계;를 포함하고,
    상기 소성 가공은 압출 공정 및 압연 공정 중 어느 하나 이상을 포함하며,
    상기 열처리하는 단계는 30분 내지 2시간 동안 수행되고,
    상기 제조방법을 통해 제조된 알루미늄 합금 부스바의 인장강도는 144.3MPa 이상 내지 145.5 MPa이하를 가지고, 연신율은 40% 이상 내지 43.3% 이하를 가지며, IACS 도전율은 50% 이상인,
    전기배선용 알루미늄 합금 부스바의 제조방법.
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