Copper and copper alloys are widely used in electrical applications such as power generation, motors, electrical cables, and contact wires because of its high electrical conductivity, good formability, and wide availability. Recently, there has been a great demand for copper with high strength and high conductivity due to the rapid advancement in industries. In particular, the recent railway electrification requires higher strength and conductivity of the contact wire for better power transmission.
In the present study, the continuous hybrid (CH) process was numerically and experimentally studied and applied to manufacture copper wires with asymmetric strength distribution and to evaluate mechanical properties and microstructural changes in comparison with the conventional wire drawing (WD) process. For this purpose, three-dimensional finite element (FE) analysis was conducted to investigate the deformation behavior and effective strain distribution of the rectangular copper wire imposed by the WD and CH processes before the experiment. FE analysis was carried out using an in-house FE analysis program (CAMPform3D) based on a rigid-viscoplastic constitutive model. From the results of the effective strain distributions, the CH process could impose higher plastic deformation on the specimen than the WD process at the same number of passes. Moreover, the region of the specimen passing through the inner corner of the CH process showed higher effective strain distributions than that of the specimen through the outer corner of the CH process.
Using pure copper, the CH process was conducted up to the second pass with different processing routes A and C, respectively, and the WD process was conducted up to the third pass for comparison. The microstructure changes of the specimen processed by the WD and CH processes were observed using the electron backscatter diffraction technique. The pole figure of the CH processed specimen showed a shear texture by shear deformation. Moreover, the CH process could promote the accumulation of dislocation and the grain refinement, and the grains were more subdivided in the CH process than in the WD process under the same number of processing passes.
Tension and Vickers micro-hardness tests were conducted to evaluate the mechanical properties of the processed copper wire. The UTS value of the CH 2 processed by routes A and C became 349 and 354 MPa, respectively, and those were equivalent to the level of 358 MPa of the WD 3 specimen. These results show that the CH process could improve the mechanical strength of copper compared to the WD process. The CH with route C would be suitable to produce a product with relatively uniform strength distribution, and the CH with route A could be applied to manufacture an asymmetrically hardened product for the service maintenance purpose. From the electrical measurement results, the difference in electrical conductivity between the specimens obtained by both processes of the WD and CH less than 1%. The electrical conductivity of the specimens by both processes was good enough above 98% IACS.
In order to overcome the limitation of the pure copper in strength, the CH process was carried out using a Cu-Cr-Zr alloy which has been known as the precipitation strengthened alloy that possesses high strength and high electrical conductivity. After the alloying elements were supersaturated by solution treatment and quenching, the mechanical and electrical properties of the material were investigated at various aging temperature ranges from 200 to $600^\circ C$ for 1h. The hardness was changed depending on the aging temperature. The hardness value was highest in the temperature range $420~450^\circ C$, and then decreased rapidly at $500^\circ C$or higher. It has also been confirmed that the CH process is advantageous for improving the mechanical strength of the material compared with the WD process. The electrical conductivity of initial material without aging was 54.6% IACS. The electrical conductivity increased with aging temperature, and then the value became 90% IACS at $600^\circ C$. These results indicated that the electrical conductivity values were determined by aging heat treatment than cold working. From the observation by transmission electron microscope, it was found that the fine precipitates were uniformly generated at $450^\circ C$ throughout the observation region, while the precipitates were grown by aggregation at $600^\circ C$.
The mechanical and electrical properties of the Cu-Cr-Zr alloy were changed depending on the thermomechanical treatment (TMT) history. Even though the same level of aging and strain were applied, material properties were varied due to the TMT history. The cold working plays an important role in improving the strength of the alloy, and the major effect of the aging is to increase the electrical conductivity as well as the strength. However, the decrease in the strength was occurred by the reduction of the dislocation density during the aging. From these results, it could be effective for the improvement of the strength of the alloy by plastic deformation after aging. On the other hand, it would be advantageous to secure the ductility and electrical conductivity of the alloy by plastic deformation before aging. The microstructure observed by an optical microscope showed that the grain refinement and the rearrangement of the grain in the longitudinal direction were occurred by the cold working, regardless of whether or not the aging heat treatment was performed.
In conclusion, it was demonstrated that the CH process might be helpful to manufacture high strength copper wires with asymmetric strength distribution for the industrial applications.
동과 동합금은 우수한 전기 전도도와 가공성, 그리고 뛰어난 범용성으로 인해 도전 재료 (electrical conduction materials)로 널리 알려져 발전기, 모터, 케이블, 전차선 등의 다양한 전기, 전자 제품에 사용되어 왔으며, 최근 산업의 발달과 함께 고강도-고전도도 동선의 수요가 증가하는 추세이다. 특히 전차선의 경우 전기적, 기계적 부하가 크고 제품에 대한 기대수명도 수십 년에 이르기 때문에 도전 재료로 전기 전도도 특성뿐만 아니라, 고강도의 중요성이 부각되고 있다. 또한 전차선의 고강도화는 열차의 고속화를 위해 필수적이며, 편마모에 대응하기 위해서는 비대칭 강도 분포를 갖춘 전차선의 제조 기술이 요구되고 있다.
본 연구에서는 비대칭 강도 분포를 갖는 고강도 동선을 제조하기 위해 연속 극한 소성 가공 방법인 연속 하이브리드 공정을 적용하였다. 유한요소해석을 통하여 기존의 전차선 가공 공정인 인발 공정과 연속 하이브리드 공정에 의한 소재의 유동양상 및 각 공정에 의해 소재에 가해지는 변형률 분포에 대해 예측해 보았다. 유한요소해석의 수행을 위해 강점소성 유한요소법에 기반하여 개발된 In-house 프로그램인 CAMPform3D를 사용하였다. 유한요소해석 결과 기존 인발 공정에 비해 연속 하이브리드 공정 시 ECAP에 의한 전단 변형으로 소재 내.외부에 걸쳐 높은 유효 변형률을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
해석 결과를 바탕으로 실제 실험을 수행하였으며, 순동을 사용하여 연속 하이브리드 공정을 통해 동선을 가공하였다. 전자후방산란회절 장치를 이용하여 가공된 동선의 미세조직 및 집합조직 관찰로부터 연속 하이브리드 가공된 소재에서 미세화된 결정립과 전단 변형이 이뤄졌음을 확인할 수 있었다. 이를 통해 연속 하이브리드 공정이 인발 공정에 비해 소재에 큰 소성 변형을 부여할 수 있으며, 높은 전위 밀도와 결정립 미세화로 기계적 특성이 향상된 동선을 연속적으로 생산할 수 있음을 확인하였다.
가공된 동선의 강도 및 연성을 평가하기 위해 인장 시험을 수행하였고, 연속 하이브리드 2 단계 시편은 가공 경로 A에서 349 MPa, 가공경로 C에서 354 MPa의 극한 인장 강도를 보였으며, 이는 인발 공정 3단계 시편의 인장 강도인 358 MPa과 비슷한 수준이었다. 비커스 미세 경도 분포로부터 가공 경로 A로 가공된 소재가 비대칭 경도 분포를 갖는 것을 확인하였다. 따라서 고강도 특성뿐만 아니라 비대칭 강도를 갖는 소재를 제시할 수 있기 때문에 전차선의 유지.보수 측면에서 이점을 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 4점 탐침법을 이용하여 전기 전도도를 측정하였으며, 가공 방법에 의한 전기 전도도 차이는 발생하였지만 1% IACS 내외로 극미하였고, 98% IACS 이상으로 매우 우수한 전기적 특성을 나타내었다.
순동의 강도 향상의 한계를 극복하고자 석출 경화형 소재인 크롬-지르코늄동을 이용하여 연속 하이브리드 공정을 수행하였다. 용체화 처리와 담금질을 통해 합금 원소를 과포화 시킨 후, 시효 열처리 온도에 따른 소재의 기계적/전기적 특성 변화를 살펴보았다. 열처리 온도에 따라 경도는 바뀌었으며, $420~450^\circ C$에서 가장 높은 경도를 나타낸 후, $500^\circ C$이상에서는 급격히 감소하였다. 또한 연속 하이브리드 공정이 인발 공정에 비해 소재의 기계적 강도 향상에 유리함을 확인하였다. 시효 열처리 전의 초기 소재의 전기 전도도는 54.6% IACS였으며, 열처리 온도가 증가함에 따라 전기 전도도는 계속 상승하였다. $600^\circ C$에서 전기 전도도가 90% IACS까지 증가하였고, 시효 열처리에 의해 전기 전도도의 주요한 값이 결정되었다. 투과전자현미경을 통해 $450^\circ C$에서 미세한 석출물들이 관찰영역 전반에 고르게 생성된 반면, $600^\circ C$에서는 석출물들이 응집 성장하여 그 수가 확연히 줄어든 것을 관찰할 수 있었다.
동일한 소성 변형량과 열처리 조건에서 가공 열처리 이력에 의해 나타나는 크롬-지르코늄동의 기계적/전기적 특성 변화를 살펴보았다. 시효 열처리 후 소성 가공을 수행하는 것이 강도 향상 측면에서 유리한 반면, 소성 가공 후 시효 열처리를 수행하는 것은 연성과 전기 전도도 향상에 유리한 것을 확인하였다. 따라서 공정 순서에 따른 소재의 특성 변화를 기반으로 목표로 하는 소재의 특성에 따라 가공 열처리 이력을 달리할 수 있을 것으로 판단된다. 광학 현미경을 통해 미세조직을 관찰한 결과, 시효 열처리 유무에 상관없이 소성 변형량의 증가에 따른 결정립 미세화 및 결정립의 길이 방향으로의 재배열 경향을 확인할 수 있었으며, 연속 하이브리드 가공된 소재의 결정립 미세화가 촉진되었다.
결론적으로 연속 하이브리드 공정은 인발 공정보다 상대적으로 극심한 소성 변형을 소재에 가함으로써 비대칭 강도 분포를 갖는 고강도 동선을 제조하는 데 도움이 될 수 있음을 확인하였다.
