고성능 주석 인청동 C5210 구리박 제조에 3M 부직포 밀 롤러 적용

수평 연속 주조 방식과 고정밀 냉간 압연을 통해 고성능 주석 인청동 C5210이 연구되었습니다. 폭 400mm의 고성능 주석 인청동 C5210을 압연할 수 없는 문제는 대형 가공률, 3M 부직포 밀 롤 및 장력 레벨링을 적용하고 스테인리스강 산업용 14고 롤러 밀을 개조함으로써 해결되었습니다. SH 상태에서의 인장 강도는 최대 730MPa 이상에 달하며, 연신율은 12%를 초과하고 두께 정밀도는 약 0.002mm로, 이는 고객의 고성능 및 고탄성 구리에 대한 요구 사항을 충족합니다.

산업 생산의 발전에 따라 전자, 통신, 가전 제품 등의 부품은 점점 더 소형화되고 밀도가 높아지고 있으며, 이에 따라 더 얇은 두께와 높은 기계적 특성을 갖춘 구리박이 요구되고 있습니다. 전해동박은 전기 도금 방식으로 제조되기 때문에 구리 입자의 결정 상태가 수직형 바늘 모양을 띠며, 이러한 바늘 모양 구조는 동적 굽힘 시 파손되기 쉽습니다. 반면 압연동박의 구리 입자는 수평축 형태의 구조를 가지고 있어 여러 번 구부리거나 접어도 잘 견딥니다. 따라서 압연동박의 연성, 굽힘 저항성 및 표면 평활도는 전해동박보다 우수합니다.

본 프로젝트는 국제적으로 선진적인 생산 기술을 도입하여 주석 인광 청동 C5210 구리박을 연구하고 있으며, 개발된 제품은 압연된 고성능 합금 구리박으로 전자산업의 기본 소재에 해당합니다.

1 국내 구리박 연구 현황

구리 포일 스트립은 전해와 압연을 통해 생산될 수 있습니다. 현재 중국에서는 초박형 양면 밝은 고성능 전해 구리 포일 및 그 제조 방법이 성공적으로 개발되었습니다. 두께는 84μm 이하, 거칠기는 0.25μm 이하이며, 연신율은 5% 이상입니다. 제품 요구 사항에 따라 고성능 주석 인청동 C5210 구리 포일 소재는 압연으로만 생산해야 하며, 이는 장비, 기술 등 여러 요인에 의해 제한되어 국내에서 구리 포일을 생산할 수 있는 제조사가 소수에 불과합니다. 또한 국내 압연 공장에서 압연된 일부 스트립은 물결 모양이나 파손이 발생하며, 압연 과정에서의 탈유 효과가 미흡하고, 압연 폭이 305mm 미만으로 고객의 요구를 완전히 충족시키지 못하고 있습니다.

2 본 프로젝트 제품의 주요 기술 지표

일본 JIS 표준과 미국 ASIM 표준의 구리합금 스트립 규격을 참고하고 시장 요구사항을 결합하여 기업 표준을 제정하였습니다. 주요 기술 지표는 표 1과 표 2에 나타나 있습니다.

3 제품 연구 및 기술 솔루션

3.1 제품 등급, 규격 및 상태 결정

제품 등급은 주석 인청동 C5210 (QSn8-Q3)으로 결정되었으며, 제품 상태는 EH 및 SH입니다. 두께는 0.07mm, 0.075mm, 0.08mm이고, 폭은 305~400mm입니다.

3.2 제품 공정 루트 결정

“수평 연속 주조 빌릿 공급-냉간 압연-퇴화 처리”의 생산 공정을 사용하여 주석 인청동 C5210 구리박을 연구합니다.

4 제품 연구 공정 분석

4.1 구리박이 쉽게 찢어지고 판형 제어가 어려운 문제를 해결하기 위해 제품 압연 공정을 개선합니다.

본 프로젝트에서는 스테인리스강 산업에 사용되던 14단 정밀 압연기를 개조하여 구리 가공 산업에 최초로 적용했습니다. 압연기의 두께 제어 시스템을 기존의 Y-레이에서 독일 볼머사가 생산한 접촉식 두께 측정기로 변경했습니다.

성분 변화로 인한 측정 정확도 부족을 방지하기 위해 시스템의 전기 구동 제어, 유압, 윤활 등 관련 부분을 개조했습니다. 동시에 기존의 이중 흐름 440mm 주석 인청동 생산 라인을 연구하여 최종 시험 제품 폭이 400nm에 도달할 수 있도록 했습니다.

고강도 합금 동박 압연의 특징은 절대 감소량이 작고 상대 감소량이 크며, 롤이 음의 롤 간극 상태에 있고, 압연력이 크며, 종종 압연 압력 한계 알람이 발생한다는 점입니다. 동박 압연 공정에서는 3~4단을 선택하고 작은 단별 가공률을 사용합니다. 첫 번째 단의 가공률은 25%를 초과하지 않으며, 나머지 단들은 2~4단의 가공률 분포에 따라 점차 감소시킵니다. 전방 장력은 후방 장력 설정보다 작으며, 전자는 후자보다 10~25kN 낮습니다. 이 공정은 안정적인 압연을 유지하며, 압연 과정에서 발생하는 스트립 끊김 문제를 해결할 수 있습니다.

14단 고압연신기는 형상 조건을 조정할 수 있는 여러 가지 수단을 갖춘 다단 연신기입니다. 고강도 구리 합금 박판을 압연할 때, 미세한 불균일 변형으로 인해 형상이 좋지 않게 됩니다. 이러한 상황을 고려하여, 14단 연신기의 형상 조정 방법은 14단 연신기의 풀아웃 롤과 롤 형상을 이용하여 최적의 형상 제어 파라미터를 결정하는 것입니다:

(1) 구리 합금 박판 압연 시 제2 중간 롤의 하중을 분석하고, +0.05mm 및 +0.03mm의 볼록형 롤 프로파일을 가진 롤이 압연 중 스트립 형상에 미치는 영향을 시험한다. 비교 시험을 통해 볼록형 롤의 크라운은 최종적으로 +0.03mm로 결정되었으며, 볼록형 롤의 롤 형상을 조정함으로써 압연 중 중간 웨이브 발생이 감소되었다.

그림 1과 2는 서로 다른 크라운으로 평탄하게 압연된 형태의 사진입니다.

(2) 14단 압연기가 스테인리스강 스트립 생산에 적용되었기 때문에 폭 420nm의 제품은 테이퍼형 롤 형상으로 압연됩니다: 테이퍼 길이는 120mm이며, 테이퍼 값은 Q36mm입니다. 이러한 테이퍼형 롤 형상을 구리 압연에 사용하면 합금 박재에서 양면 웨이브가 발생하기 쉽습니다.

전체 롤러 시스템에 대한 힘 해석 후, 1단 원추형, 2단 원추형, 3단 원추형의 세 가지 방안을 시험하였다. 그 결과, 2단 원추형 롤이 이상적이며, 원추 길이는 230mm이고, 가장자리 원추 길이는 170nm이며, 테이퍼는 0.36mm이다; 중간 테이퍼 길이는 60mm이고, 테이퍼는 0.04mm이다.

롤러 시스템을 변경함으로써, 양면 웨이브가 스트립 형상 품질에 미치는 영향을 제거하였다.
그림 3, 그림 4 및 그림 5는 세 가지 유형의 테이퍼드 롤을 사용하여 압연한 판재 형상 사진이다.

4.2 국내 14고압 연신기에서 3M 롤을 적용함으로써 박판 압연 시 탈지 문제를 해결하였다.

현재 주요 탈지 방법으로는 압착과 스크래핑이 있다.

14롤 밀은 스테인리스강 생산 시 오일 스크래핑 방식을 선택합니다. 오일 스크레이퍼는 플라스틱 소재로 제작되어 오일 제거 효과가 우수합니다. 그러나 구리박 압연에 이 오일 제거 장치를 사용할 경우, 구리 스트립이 스테인리스강 재질보다 연하기 때문에 일정 기간 사용 후 압연된 구리 분말이 오일 스크레이퍼 측면에 쉽게 축적되어 스트립 표면에 흠집을 유발하게 되고, 이는 스트립의 표면 품질에 심각한 영향을 미치므로 오일 스크래핑 장치를 사용할 수 없습니다.

롤러 압착 방식을 선택할 경우, 재료가 너무 얇아 압착 효과를 얻을 수 없다. 이에 따라 3M 압착 롤을 연구·변형하여 14롤 연신기에 적용함으로써 스트립 표면 탈지 문제를 해결하였다.

그림 6, 그림 7은 박판 압연 시 오일 스크레이퍼와 3M 롤 탈지 장치의 사진이다.

4.3 최종 제품 압연 과정에서는 높은 가공률을 적용하여 제품의 강도 성능 지표를 730MPa 이상으로 달성하였다.

금속 재료는 압연 과정에서 소성 변형을 겪으며, 가공 경화 현상이 발생하여 재료의 기계적 성질이 크게 향상된다.

주석 인청동이 완전 재결정 상태일 때, 가공률이 증가함에 따라 재료의 성능도 점점 향상됩니다. 따라서 해당 가공률을 탐색하여 제품의 성능 지표를 제어합니다. 인장 강도는 730MPa 이상이며, 총 가공률은 50% 이상이고 최대 63%에 달할 수 있습니다. 물론, 재결정 상태(또는 바텀 상태라고도 함)의 성능은 최종 제품의 성능에도 일정한 영향을 미칩니다.

그림 8. 그림 9는 각각 낮은 가공률과 높은 가공률을 가진 압연 제품의 미세조직 사진을 보여줍니다.

4.4 연구 제품 하부 어닐링 공정

고강도 성능 지표를 보장하기 위해 하부 어닐링은 벨형 어닐링로와 전개식 에어쿠션로 두 가지 방식으로 사용할 수 있습니다. 두께가 0.2mm 미만인 박형 스트립의 경우, 두 가지 어닐링 방법 모두 충분하지 않습니다.

벨형 어닐링로는 코일 어닐링에 사용되기 때문에 구리 스트립 간의 심각한 접착이 발생하여 표면 품질을 보장할 수 없습니다.

박형 스트립을 에어쿠션로에서 어닐링할 때 주요 문제는 두 가지입니다. 하나는 스트립이 얇고 연약하여 로 내 영역에서 파손되기 쉽다는 점이고, 다른 하나는 운전 속도가 제한되어 어닐링 후 스트립이 너무 연약해져 최종 제품의 성능이 요구 사항을 충족하지 못한다는 점입니다.

위의 두 가지 점을 고려하여 하부 예비 재료에는 에어쿠션로 어닐링을 채택하고, 서로 다른 규격의 하부 예비 재료에 대해 로 내 영역의 장력과 바람압력을 중점적으로 탐구하여 구리 스트립이 정상적이고 연속적으로 운전될 수 있도록 합니다.

하부 재료의 성능이 완제품의 성능에 영향을 미치므로, 어닐링 온도와 어닐링 속도를 조정하고, 하부가 정상적으로 어닐링되도록 어닐링 온도를 최대한 빠른 속도로 조절하여 완제품의 성능이 고성능 요구사항을 충족하도록 해야 합니다.

4.5 텐션 레벨링 공정을 결정하여 교정 효과를 보장합니다

스트레치 벤딩 레벨러는 주로 텐션을 이용한 교정과 지지 롤러의 세그먼트별 조정을 통해 수행됩니다. 구리박의 두께가 Q lmm 미만으로, 이미 스트레치 벤딩 레벨러의 최소 가공 가능 두께인 Qlmm보다 얇기 때문에 공정 중 과도한 교정과 박재 파단, 불량한 교정 품질 등 여러 문제가 발생하기 쉽습니다.

구리 박의 교정 처리를 완료하기 위해서는 교정 공정을 조정해야 합니다. 첫째, 장력 제어입니다. 설정된 장력은 교정 요구 사항을 충족해야 하며, 과도한 장력으로 인해 벨트가 파손되는 것을 방지해야 합니다. 둘째, 적절한 롤 갭을 조정하는 것입니다. 과교정을 방지하기 위해 세그먼트별 조정 압력의 최대값을 제한합니다.

교정 효과를 보장하고 우수한 판형을 얻기 위해 지속적인 실험을 통해 교정 공정을 결정합니다.

5 제품 연구 시험 결과

Chinalco Luoyang Copper Co., Ltd.의 시험센터에 보내진 제품의 시험 결과는 표 3과 표 4에 나타나 있습니다.

압연기의 스트립 표면 탈지 문제는 전 세계적인 과제입니다. 우수한 탈지 방법을 선택하려면 탈지 효과가 좋아야 하며, 동시에 재료 표면에 손상을 주지 않아야 합니다.

6 결론

이 프로젝트는 스테인리스강 산업에 사용되는 14고형 압연기를 연구하고 개조하며, 3M 롤러 탈지 장치를 적용하고 공정의 기술 혁신과 개선을 수행하여 폭 400mm의 고성능 주석-인 청동 C5210 구리박을 개발합니다. 이를 통해 중국에서 폭 400mm의 고성능 주석-인 청동 C5210 박을 압연으로 생산할 수 없다는 문제를 해결합니다.

(2) 하부 유지 재료 열처리 공정에 대한 연구는 박형 스트립 제품의 하부 유지 재료 열처리 공정 구현이 어렵다는 문제를 해결합니다. 대형 가공률과 스트레치 벤딩 교정 등의 공정 방법을 채택함으로써 우수한 형상과 고강도라는 성능 지표를 달성했습니다.

(3) SH 상태에서 제품의 인장 강도는 730MPa 이상에 도달하며, 두께 정밀도는 0.002mm입니다. 기술적 지표는 국제 선진 수준에 도달했으며, 해당 제품은 시장에서 인정받아 수입 제품을 대체할 수 있습니다.