[논문]시효 열처리에 따른 Cu-Be 합금의 전기.기계적 특성 고찰

류민; 이병수; 정봉용; 김명호

doi:10.7777/jkfs.2011.31.6.366

시효 열처리에 따른 Cu-Be 합금의 전기.기계적 특성 고찰
The Influence of Aging Treatment on the Mechanical and Electrical Properties of Cu-Be Alloy 원문보기

한국주조공학회지 = Journal of Korea Foundry Society, v.31 no.6, 2011년, pp.366 - 370

류민 (용진캐스텍(주)) , 이병수 (토호쿠대학 재료시스템공학) , 정봉용 (한국세라믹기술원) , 김명호 (인하대학교 신소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The influence of aging treatment on the microstructure, mechanical and electrical properties of Cu-Be alloy for connector material applications was investigated. The properties of mechanical strength and electrical conductivity were found to increase with increasing aging temperature. By the way, SEM/EDS and TEM analysis exhibited that beryllides precipitation (CoBe and NiBe) with a size of 50 nm were distributed in grains. It was, therefore concluded that these beryllide precipitates improved the mechanical strength and also it was favor in increasing of electrical conductivity.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 점차 그 활용 분야가 증가하고 있는 1wt.% 이하의 Be이 첨가된 전자 부품소재용 Cu-Be계 합금을 주조하여 이에 대한 시효처리를 통한 관련 물성을 고찰하고자 하였다. 특히, 시효 공정이 Cu-Be 합금의 기계적 특성 및 전기적 특성에 미치는 영향에 집중하였으며, 주사전자현미경(SEM)과 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 시효 처리된 Cu-Be 합금의 석출물 생성 거동 등의 미세조직적 특성을 파악하였다.
본 연구에서는 전자 부품의 커넥터로 이용되는 Cu-Be 합금을 용해/주조하여 제조하였으며, 다양한 가공공정 및 시효처리에 따른 Cu-Be 합금의 미세조직 및 기계적, 전기적 특성을 조사하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

제안 방법

본 연구에서 사용한 베릴륨동 합금은 Cu-4wt.%Be 모합금과 순동을 용해 및 주조하여 제조하였으며, 이때 용해는 대기 분위기에, 용해량은 총 50 kg이었다. Table 1은 제조한 Cu-Be 합금을 스펙트로미터(ARL 360)를 이용하여 성분 분석한 시험결과를 나타낸 것이다.
이러한 Cu-Be 합금의 시효처리는 360~510℃에서 1~360분 동안 실시하였다. 시효 처리된 Cu-Be 합금의 기계적 특성 및 전기적 특성을 알아보기 위해 인장강도(INSTRON 4481)와 경도(AKASHI 148) 그리고 전기 전도도를 측정하였다.
%로 분석되었다. 용해 후 750℃에서 열간 압출을 하였으며 순차적으로 열간압연과 냉간압연을 반복하여 최종 두께가 1 mm인 베릴륨동 판재를 제작하였다. 이러한 Cu-Be 합금의 시효처리는 360~510℃에서 1~360분 동안 실시하였다.
3에서 살펴보았던 기계적 특성과는 다른 양상을 나타내는 것이다. 이는 석출상의 생성 거동에 따른 영향이라 사료되며 이를 확인하기 위해 시효처리 후 Cu-Be 합금의 미세조직을 관찰하였다.
조직관찰을 위해 조연마 후 1 µm에서 미세 연마하여 에칭 (2 g K2Cr2O7, 1 g NaF, 3 ml H2SO4, 100 ml H2O) 하여 광학현미경(OM)과 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 관찰하였으며 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 석출상을 분석하였다.
% 이하의 Be이 첨가된 전자 부품소재용 Cu-Be계 합금을 주조하여 이에 대한 시효처리를 통한 관련 물성을 고찰하고자 하였다. 특히, 시효 공정이 Cu-Be 합금의 기계적 특성 및 전기적 특성에 미치는 영향에 집중하였으며, 주사전자현미경(SEM)과 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 시효 처리된 Cu-Be 합금의 석출물 생성 거동 등의 미세조직적 특성을 파악하였다.

성능/효과

6에서와 같이 검게 보이는 상은 다수의 연구 보고에서와 같이 CoBe 또는 NiBe 상으로 분석되었으며, 이러한 Beryllide 상은 소재의 전도성과 기계적 특성을 향상시키며 결정립의 성장을 억제하는 효과까지 있는 것으로 보고되고 있다[11]. Fig. 5에서 관찰되는 Beryllide 상의 생성 거동은 온도의 영향을 거의 받지 않는 것으로 판단되며, 단지 시효처리 시간이 증가함에 따라 관찰되는 Beryllide 상의 수는 증가함을 알 수 있었다. 이러한 Beryllide 상에 대한 보다 정확한 분석을 위하여 투과전자현미경을 사용하여 분석하였으며 그 결과를 Fig.
즉, 베릴륨 함량이 높은 고강도 합금은 베릴륨의 석출에 기인된 쌍정 발생에 의한 경화 기구를 보이지만, 베릴륨 함량이 상대적으로 낮은 고도전성 합금은 베릴륨과 미량 첨가원소로 이루어진 beryllide가 석출됨으로서 이의 시효경화 처리를 통한 경화 기구를 따른다. 결과적으로 베릴륨 함량이 0.25~0.75%로 낮을 경우에는 베릴륨으로 기인된 상의 석출은 기대하기 어려운 대신, 미량 원소로서 코발트와 니켈이 각각 2.5%, 1.5% 정도 첨가되면 이와 같은 베릴라이드 강화상을 얻을 수 있다. 이때, 형성되는 강화상은 CoBe나 NiBe이라 알려져 있으며, 이러한 Beryllide에 의한 경화 효과는 소재의 기계적 특성에는 큰 영향을 미치지는 않지만 도전율 향상에는 크게 기여한다.
시효처리 온도의 증가에 따라 전기전도도와 기계적 특성은 증가하는 경향을 보이지만, Cu-Be 합금의 결정립 크기와 결정립계의 분율은 큰 차이가 나타나지 않았다. 또한, SEM/EDS분석 결과 Beryllide 석출물이 기지 조직 전반에 걸쳐 미세한 크기로 분포하고 있었으며 이러한 석출상에 대한 TEM 분석결과, 결정립내에 40 nm × 70 nm 크기로 분포되어 있음을 관찰할 수 있었다. 이러한 석출상의 존재로 인해 기계적 성질과 전기전도도가 개선될 수 있음을 알 수 있었다.
분석결과, 40 nm × 70 nm 크기의 Beryllide가 시효 처리에 의해 생성되어 기지 조직 전반에 걸쳐 분포하고 있음을 확인할 수 있었다.
시효처리 온도의 증가에 따라 전기전도도와 기계적 특성은 증가하는 경향을 보이지만, Cu-Be 합금의 결정립 크기와 결정립계의 분율은 큰 차이가 나타나지 않았다. 또한, SEM/EDS분석 결과 Beryllide 석출물이 기지 조직 전반에 걸쳐 미세한 크기로 분포하고 있었으며 이러한 석출상에 대한 TEM 분석결과, 결정립내에 40 nm × 70 nm 크기로 분포되어 있음을 관찰할 수 있었다.
또한, SEM/EDS분석 결과 Beryllide 석출물이 기지 조직 전반에 걸쳐 미세한 크기로 분포하고 있었으며 이러한 석출상에 대한 TEM 분석결과, 결정립내에 40 nm × 70 nm 크기로 분포되어 있음을 관찰할 수 있었다. 이러한 석출상의 존재로 인해 기계적 성질과 전기전도도가 개선될 수 있음을 알 수 있었다.
3은 시효처리 동안의 Cu-Be 합금의 인장강도와 연신율을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 재료의 인장강도는 시효처리 시간이 증가함에 따라 증가하고 있으며 1시간 후 인장강도는 더 이상 증가하지 않고 일정한 수준을 유지하였다. 반면, 연신율은 시효처리 시간이 1시간 이내에서 급격하게 감소하고 있음을 알 수 있으며 1시간 경과 이후부터 일정하게 유지되는 경향을 나타내고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반적으로 합금을 강화시키는 대표적인 방법으로 무엇이 있는가?	이와 같은 특성을 만족시키는 재료로서 동합금을 꼽을 수 있으나, 순수한 구리는 상대적으로 강도가 낮기 때문에 특정한 합금원소를 첨가시켜 물성을 개량한 다양한 종류의 동합금이 커넥터 재료로 사용되고 있다. 일반적으로 합금을 강화시키는 대표적인 방법으로 고용강화, 가공경화, 결정립 미세화, 석출경화, 분산강화 등을 들 수 있다[3-5]. 고용강화는 합금원소가 기지(Matrix) 내에 고용됨에 따라 전기 전도도를 급격히 감소시키지만 석출경화, 분산강화, 가공경화, 결정립 미세화 처리는 그에 비해 전기 전도도 저하를 최소화 시키면서 동시에 합금의 강도를 증가시킨다.
	고용강화, 가공경화, 결정립 미세화, 석출경화, 분산강화를 통한 합금의 강화는 전기 전도도와 관련해 어떠한 차이점이 있는가?	일반적으로 합금을 강화시키는 대표적인 방법으로 고용강화, 가공경화, 결정립 미세화, 석출경화, 분산강화 등을 들 수 있다[3-5]. 고용강화는 합금원소가 기지(Matrix) 내에 고용됨에 따라 전기 전도도를 급격히 감소시키지만 석출경화, 분산강화, 가공경화, 결정립 미세화 처리는 그에 비해 전기 전도도 저하를 최소화 시키면서 동시에 합금의 강도를 증가시킨다.
	전자기기의 주요 구성 부품인 커넥터 소재에 요구되는 주요 특성은 무엇인가?	이에 따라 부품에 사용되는 소재에 대해서도 다양한 특성과 높은 신뢰성이 요구되고 있다. 전자기기의 주요 구성 부품인 커넥터 (connector) 소재에 요구되는 주요 특성으로 강도, 전기 전도도, 스프링성, 굽힘 가공성, 내열성, 도금성 등이 있는데, 전자기기의 경박단소화, 고밀도 실장화 추세에 따른 커넥터 제품의 협피치화, 표면실장화, 고밀도화를 충족시키기 위한 매우 우수한 특성의 소재가 요구되고 있다[1,2]. 이와 같은 특성을 만족시키는 재료로서 동합금을 꼽을 수 있으나, 순수한 구리는 상대적으로 강도가 낮기 때문에 특정한 합금원소를 첨가시켜 물성을 개량한 다양한 종류의 동합금이 커넥터 재료로 사용되고 있다.

참고문헌 (11)

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상세보기
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상세보기
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Keith G. Wikle : "Beryllium copper an overview of heat techniques, Heat treating", ASM, July (1983) 30

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