[논문]인발가공에 의해 제조된 전선용 Al-Fe-Mg-Cu-B계 합금의 기계적 및 전기적 특성

정창기; 우츠노미야 히로시; 손현택; 이성희

doi:10.3740/mrsk.2017.27.11.597

인발가공에 의해 제조된 전선용 Al-Fe-Mg-Cu-B계 합금의 기계적 및 전기적 특성
Mechanical and Electrical Properties of an Al-Fe-Mg-Cu-B System Alloy for Electrical Wire Fabricated by Wire Drawing 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.27 no.11, 2017년, pp.597 - 602

정창기 (국립목포대학교 신소재공학과) , 우츠노미야 히로시 (오사카대학교 재료과학과) , 손현택 (한국생산기술연구원) , 이성희 (국립목포대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, an Al-0.7wt%Fe-0.2wt%Mg-0.2wt%Cu-0.02wt%B alloy was designed to fabricate an aluminum alloy for electrical wire having both high strength and high conductivity. The designed Al alloy was processed by casting, extrusion and drawing processes. Especially, the drawing process was done by severe deformation of a rod with an initial diameter of 12 mm into a wire of 2 mm diameter; process was equivalent to an effective strain of 3.58, and the total reduction in area was 97 %. The drawn Al alloy wire was then annealed at various temperatures of 200 to $400^{\circ}C$ for 30 minutes. The mechanical properties, microstructural changes and electrical properties of the annealed specimens were investigated. As the annealing temperature increased, the tensile strength decreased and the elongation increased. Recovery or/and recrystallization occurred as annealing temperature increased, and complete recrystallization occurred at annealing temperatures over $300^{\circ}C$. Electric conductivity increased with increasing temperature up to $250^{\circ}C$, but no significant change was observed above $300^{\circ}C$. It is concluded that, from the viewpoint of the mechanical and electrical properties, the specimen annealed at $350^{\circ}C$ is the most suitable for the wire drawn Al alloy electrical wire.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러므로 높은 강도를 유지하며 전기전도도가 우수한 새로운 전선용 Al합금의 개발이 시급한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 우수한 기계적 및 전기적 특성을 가진 새로운 Al전선을 개발하고자 합금설계에서부터 주조, 압출, 인발 등과 같은 일련의 공정을 실시하여 직경 2 mm의 전선용 Al합금을 제조하여 그 기계적 및 전기적 특성을 조사하였다.

제안 방법

강도 및 전기전도도가 우수한 Al 합금 전선을 개발하기 위하여 새롭게 합금 설계한 Al-0.7wt%Fe-0.2wt%Mg0.2wt%Cu-0.02wt%B합금을 주조, 압출, 인발 후에 어닐링을 실시한 결과 다음과 같이 결론 내릴 수 있다.
⁹⁾ 또한 전기적 특성을 감소시키는 원소의 하나인 Fe원소의 양도 다소 감소시켰다. 이와 같이 설계한 Al-Fe계 합금을 주조, 압출, 인발공정 순으로 실험을 진행하여 Al합금 전선을 제조하였으며, 각 공정의 세부 내용은 다음과 같다. 먼저 주조는 흑연도가니를 사용하였으며, 온도 800 ^oC에서 순알루미늄을 용해한 용탕에 Fe, Cu, Mg, B(AlB모합금)를 장입하여 Al-Fe계 합금 잉곳을 제조하였다.
이 값은 압연공정의 경우 압하율 약 97 %에 해당되는 상당히 큰 가공량에 해당된다. 이처럼 인발가공에 의해 소성가공된 Al-Fe 계 전선을 전기로를 사용하여 각각 200~400 ^oC의 각 온도에서 30분간 어닐링하여 다양한 전기적, 기계적 특성의 조합을 갖는 전선용 Al합금을 제조하였다.
인발가공된 시편의 기계적 특성은 상온에서 경도시험 및 인장시험으로 평가하였다. 경도시험은 마이크로비커스경도기를 사용하였으며, 0.

대상 데이터

이와 같이 설계한 Al-Fe계 합금을 주조, 압출, 인발공정 순으로 실험을 진행하여 Al합금 전선을 제조하였으며, 각 공정의 세부 내용은 다음과 같다. 먼저 주조는 흑연도가니를 사용하였으며, 온도 800 ^oC에서 순알루미늄을 용해한 용탕에 Fe, Cu, Mg, B(AlB모합금)를 장입하여 Al-Fe계 합금 잉곳을 제조하였다. 그 후 이 잉곳을 ∅70로 가공하여, 압출속도 7 cm/sec, 컨테이너 온도 350 ^oC, 다이 온도 300 ^oC, 빌렛 온도 250 ^oC에서 직접압출법을 통하여 직경 12 mm의 봉상 형태의 Al-Fe계 합금으로 압출 가공하였다.

데이터처리

미세조직은 FE-SEM/EBSD(Electron Back ScatteringDiffraction)측정을 통하여 분석하였다. EBSD측정은 HClO₄: CH₃CH₂OH = 1 : 9 용액을 −5 ^oC, 전류 26 V 조건 하에서 35초 동안 전해에칭 하였으며, Tex SEM Laboratory(TSL)사의 EBSD 해석프로그램인 TSL OIM Data Collection ver.3.5를 이용하여 분석하였다.
미세조직은 FE-SEM/EBSD(Electron Back ScatteringDiffraction)측정을 통하여 분석하였다. EBSD측정은 HClO₄: CH₃CH₂OH = 1 : 9 용액을 −5 ^oC, 전류 26 V 조건 하에서 35초 동안 전해에칭 하였으며, Tex SEM Laboratory(TSL)사의 EBSD 해석프로그램인 TSL OIM Data Collection ver.

성능/효과

1) 어닐링 온도가 증가함에 따라 강도는 감소하고 연성은 증가하는 전형적인 연화곡선을 나타내었다. 다만 250 ^oC에서 300 ^oC로 어닐링 온도가 증가함에 따라 완전 재결정의 발생으로 인하여 강도의 감소폭이 컸으며, 연성의 증가량 또한 컸다.
2) 어닐링 온도가 250 ^oC까지는 주로 회복이 발생하였으며, 300 ^oC이상에서는 완전재결정이 발생하여 등축결정립을 가진 재결정조직을 나타내었다.
3) 전기전도도는 어닐링 온도가 250 ^oC까지 증가함에 따라 회복으로 인해 증가하였으며, 300^oC이상에서는 큰 변화가 없었다.
4) 본 연구범위 내에서 기계적특성 및 전기전도도를 고려할 때 350 ^oC 어닐링재료가 알루미늄 전선재로서 가장 우수한 특성을 나타낸다고 결론 지을 수 있다.
67GPa%로 350 ^oC 어닐링재에 비해 오히려 감소하였다. 그러므로 본 연구에서는 350 ^oC 어닐링재가 기계적 특성, 전기적 특성 모두를 고려해 볼 때 전선재로서 가장 적합하다고 결론 지을 수 있다.
실제 재결정 후 어닐링 온도와 결정립 크기는 전기전도도에 큰 영향을 주지 않는다고 알려져 있으며,⁷⁾ 본 연구에서도 회복으로 인해 전기전도도가 약간 증가했으나, 재결정 이후는 어닐링 온도가 증가해도 전기전도도에 큰 변화는 나타나지 않았다. 따라서, 본 연구에서 개발된 Al전선이 그림에서와 같이 모든 어닐링 조건에서 상업용 저압 Al전선의 전기전도도에 비해 우수한 것을 알 수 있다.
그러나, 어닐링 온도가 증가함에 따라 Al전선의 인장강도가 급격히 감소하여 300 ^oC 어닐링재에서 142 MPa의 매우 낮은 값을 나타내었다. 항복강도 또한 어닐링 온도 증가에 따라 감소하는 경향을 나타내었으나 250 ^oC 까지는 감소량이 극히 미미하였으며,완전재결정이 발생한 300 ^oC에서의 감소량이 매우 컸다. 이것은 새롭게 개발한 Al전선의 열적 안정성이 250 ^oC까지는 매우 우수함을 나타내는 것으로 전선재로서의 적용 가능성이 높음을 잘 보여주는 결과라 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	저압 Al 합금전선의 특징은?	현재 사용되고 있는 저압 Al 합금전선의 경우, 인장강도 184 MPa, 연신율 22 %의 비교적 우수한 인장 특성을 나타내는 반면, 전기전도도는 약 52%IACS(International Annealed Copper Standard)로 비교적 낮은 편이다. 그러므로 높은 강도를 유지하며 전기전도도가 우수한 새로운 전선용 Al합금의 개발이 시급한 실정이다.
	Cu전선의 대체재료로 알루미늄이 꼽히는 이유는?	특히, 알루미늄(Al)은 경량의 이점 외에도 소성가공성이 우수하고 내부식성이 뛰어난 장점이 있다. 그러나 알루미늄의 전기전도도는 구리의 약 60 %에 불과하여 구리의 전기전도도를 구현하기 위해서는 구리 전선보다 약 30 %정도 더 두껍게 설계해야 하지만, 이 경우에도 중량을 40 % 이상 줄일 수 있다.7-9) 일반적으로 자동차 한 대에 들어가는 전선의 길이는 수km에 달하여 전선 무게만 40 kg을 넘기도 하여 Cu전선의 대체재료로서의 새로운 알루미늄 전선에 대한 연구가 많이 요구되고 있다.
	알루미늄의 장점은?	따라서 최근 비교적 중량인 철, 구리를 대체하여 대표적인 경량 소재인 알루미늄, 탄소섬유 및 마그네슘 등을 차량부품으로 적용하고자 하는 연구가 많이 진행되고 있다. 특히, 알루미늄(Al)은 경량의 이점 외에도 소성가공성이 우수하고 내부식성이 뛰어난 장점이 있다. 그러나 알루미늄의 전기전도도는 구리의 약 60 %에 불과하여 구리의 전기전도도를 구현하기 위해서는 구리 전선보다 약 30 %정도 더 두껍게 설계해야 하지만, 이 경우에도 중량을 40 % 이상 줄일 수 있다.

참고문헌 (10)

H. W. Kim, S. B. Kang, H. Kang and K. W. Nam, J. Korean Inst. Met. Mater., 37, 1041 (1999).
K. D. Woo, H. S. Na, H. J. Mun and I. O. Hwang, J. Korean Inst. Met. Mater., 38, 766 (2000).

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S. Guo, Y. Xu, Y. Han J. Liu, G. Xue and H. Nagaumi Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 24, 2393 (2014).

상세보기
M. J. Ahn, H. S. You and S. H. Lee, Korean J. Met. Res., 26, 388 (2016).

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S. J. Mo Development trend of automobile lightweight materials and the responses of auto part manufacturers, Korean Auto. Res. Inst., p.41 (2013)
J. H. Yang and S. H. Lee, Korean J. Met. Res., 26, 628 (2016).

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J. J. Hwan, Ph.D. Thesis, Inha University, Incheon (2014).
K. T. Kim, Ph.D. Thesis, Yonsei University, Seoul (2001).
M. K. Park, J. I. Cho, S. H. Lee and C. W. Kim, J. Korean Fou. Soc., 36, 147 (2016).

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Gaston G. Gauthter, J. Inst. Met., 59, 129 (1936).

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