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문제 정의
- 본 연구에서는 가스분무성형공정에 의하여 제조된 Cu-5Ni-10Sn(wt%) 합금의 미세조직 형성과정과 후속 용체화 처리 및 시효처리에 따른 석출상의 고용 및 석출거동에대하여 조사하였다. Cu-5Ni-10Sn 합금의 기계적 특성 향상을 위하여 가스분무성형 빌렛은 고온 압축 후 groove 압연을 통하여 냉간가공 되었으며, 최종적으로 350℃에서 1-24 시간 시효처리 되었다.
제안 방법
- Cu-5Ni-10Sn 합금의 미세조직 형성과정과 석출물 분해및 생성거동을 조사하기 위하여 성형체의 미세조직을 광학현미경과 주사전자현미경을 이용하여 관찰하였다. 냉간 가공공정과 시효처리에 따른 기계적 성질의 변화를 조사하기 위하여 경도, 인장강도 그리고 연신율을 측정하였다.
- Cu-5Ni-10Sn 합금의 미세조직 형성과정과 석출물 분해및 생성거동을 조사하기 위하여 성형체의 미세조직을 광학현미경과 주사전자현미경을 이용하여 관찰하였다. 냉간 가공공정과 시효처리에 따른 기계적 성질의 변화를 조사하기 위하여 경도, 인장강도 그리고 연신율을 측정하였다. 경도측정은 Vickers 경도계를 이용하여 100 g 하중에서 20회 이상 측정하여 평균값을 나타내었다.
- 2차 가스분사기는 고압의 가스제트를 분사시켜 용탕을 수 백~수 십 µm 크기의 미세한 액적으로 파열시키고 액적이 낙하하는 동안 급속히 냉각시키는 역할을 하며, 분무된 액적들을 성형기판을 향하도록 유도한다. 본 연구에서는 1차와 2차 가스분사압력을 각각 1.5 bar와 5 bar로 하였다. 질소가스에 의해 분무된 액적은 비행하는 동안 주위의 가스에 의하여 급속냉각과정을 거치며, 일정거리를 비행한 후 성형기판의 표면에 도달하게 된다.
- 본 연구에서는 50 kg의 Cu-5Ni-10Sn 합금을 SiC 도가니에 장입하여 Ar 분위기 하에서 유도용해 하였으며, 용탕을 1100℃까지 가열한 후 출탕하여 가스분무성형을 행하였다. 사용된 용탕노즐의 직경은 5.
- 본 연구에서는 선재 제조에 적합한 groove 압연공정를 이용하여 상온에서 직경 1.0 mm 선재로 냉간가공 하였으며, 이때 가공변형률(η)은 4.2 이었다.
- Cu-5Ni-10Sn 합금의 기계적 특성 향상을 위하여 가스분무성형 빌렛은 고온 압축 후 groove 압연을 통하여 냉간가공 되었으며, 최종적으로 350℃에서 1-24 시간 시효처리 되었다. 시효시간에 따른 고온 압축 또는 냉간가공 된 Cu-5Ni-10Sn 합금의 상온 인장특성을 평가하였으며, 이를 통하여 최적 합금 공정조건을 도출하였다.
- 용체화 처리 시험편과 후속 groove 압연에 의한 냉간가공 시험편을 350℃에서 시효처리를 실시하여 Cu-5Ni-10Sn 합금의 시효거동을 조사하였다. 그림 3은 시효시간에 따른 Cu-5Ni-10Sn 합금의 경도 변화를 나타낸 것이다.
- 경도측정은 Vickers 경도계를 이용하여 100 g 하중에서 20회 이상 측정하여 평균값을 나타내었다. 인장강도와 연신율의 측정은 Instron 시험기를 이용하였으며, 25 mm의 gauge 길이와 0.5 mm/min의 변형속도를 사용하였다.
대상 데이터
- 질소가스에 의해 분무된 액적은 비행하는 동안 주위의 가스에 의하여 급속냉각과정을 거치며, 일정거리를 비행한 후 성형기판의 표면에 도달하게 된다. 성형기판의 위치는 분무액적의 비행거리를 의미하며 본 연구에서 사용한 분무거리는 550 mm 이었다. 최종적으로 가스분무성형된 Cu-5-Ni-10Sn 빌렛은 직경 180~200 mm, 높이 약 150 mm 이었다.
- 5 mm 이었고, 이때 측정된 용탕유출속도는 25 kg/min 이었다. 용탕분무는 1차 및 2차 가스분사기로 이루어진 가스분무장치와 질소가스를 사용하였다. 1차 가스분사기는 용탕노즐로부터 나오는 용탕줄기를 일정하고 안정하게 공급하고 분무 시 발생 하는 흡입압력을 방지하는 역할을 한다.
데이터처리
- 냉간 가공공정과 시효처리에 따른 기계적 성질의 변화를 조사하기 위하여 경도, 인장강도 그리고 연신율을 측정하였다. 경도측정은 Vickers 경도계를 이용하여 100 g 하중에서 20회 이상 측정하여 평균값을 나타내었다. 인장강도와 연신율의 측정은 Instron 시험기를 이용하였으며, 25 mm의 gauge 길이와 0.
성능/효과
- 1. 가스분무성형 Cu-5Ni-10Sn 합금의 미세조직은 약 30-50 µm 크기의 등축정 결정립으로 이루어져 있었으며, 합금원소가 완전 고용된 단상 α-(CuNiSn) 결정립과 spinodal 분해에 의한 lamellar 조직의 결정립이 혼재되어 있었다.
- 2. 용체화 처리 Cu-5Ni-10Sn 합금은 350℃에서의 시효처리에 의하여 수 십 나노미터 크기의 미세한 γ' 또는 g-(Cu,Ni)3Sn 석출상을 생성하였으며, 이와 같은 석출강화효과로 인하여 Cu-5Ni-10Sn 합금의 경도와 인장강도는 크게 증가하였다.
- 3. Cu-5Ni-10Sn 합금의 인장강도는 냉간가공에 의하여 ~1165 MPa로 크게 증가하였으며, 후속 시효처리 동안에 1000~1100 MPa로 다소 감소하는 경향을 나타내었다. 시효처리에 따른 인장강도 감소는 시효 석출상의 생성에 따른 석출강화 효과보다 시효온도에서의 응력완화 효과가 더욱 큰 영향을 미치기 때문이다.
- 용체화 처리된 Cu-5Ni-10Sn 합금은 냉간가공에 의하여 300±25 Hv로 크게 증가된 경도를 가졌으며, 이는 심한 소성변형에 따른 전위밀도의 증가와 가공경화의 결과이다. 350℃에서 1 시간 시효처리에 의하여 Cu-5Ni-10Sn 합금은 약 340 Hv의 최대 경도를 나타내었으며, 이후 시효시간이 증가됨에 따라 경도는 서서히 감소하여 24 시간 시효처리 후 약 300 Hv로 감소하였다. 냉간가공 Cu-5Ni-10Sn 합금은 350℃ 시효처리 동안 시효시간의 증가에 따라 큰 경도 변화를 보이지 않았는데, 이는 시효석출상의 생성에 의한 석출경화효과와 시효온도에서의 응력완화로 인한 재료의 연화현상이 동시에 진행되기 때문이다.
- EDX 분석결과에 의하면, 완전 고용 α-(CuNiSn) 결정립과 lamellar 조직의 결정립은 거의 동일한 화학적 조성을 가졌으며 lamellar 석출상은 기지금속과 비교하여 높은 Sn과 Ni의 함량을 나타내었다.
- 그림 5(b)는 냉간가공 Cu-5Ni-10Sn 합금의 인장강도와 연신율의 변화를 나타낸 것이다. 냉간가공 후 Cu-5Ni-10Sn 합금은 가공경화의 효과로 ~1165 MPa의 매우 높은 인장강도를 나타내었으며, 연신율은 ~5%로 크게 감소하였다. 후속 시효처리에 의하여 냉간가공 Cu-5Ni-10Sn 합금의 인장강도는 시효시간의 증가와 함께 서서히 감소하였으며, 시효시간 4 시간 이후에는 약 1000~1100 MPa 범위의 비교적 일정한 값을 나타내었다.
- 용체화 처리 Cu5Ni-10Sn 합금의 인장강도는 그림 5(a)에서 보듯이 시효시간에 따른 경도 변화와 유사한 경향을 나타내었다. 시효시간이 증가됨에 따라 용체화 처리 Cu-5Ni-10Sn 합금의 인장강도는 시효처리 초기에 급격히 증가하였으며, 시효처리 16 시간에서 인장강도 약 ~740 MPa와 항복강도 ~670 MPa를 나타내었다. 그림 5(b)는 냉간가공 Cu-5Ni-10Sn 합금의 인장강도와 연신율의 변화를 나타낸 것이다.
- 그림 3은 시효시간에 따른 Cu-5Ni-10Sn 합금의 경도 변화를 나타낸 것이다. 용체화 처리 Cu-5Ni-10Sn 합금의 경도는 시효초기에 급격히 증가하여 4시간 후에 약 290 Hv 까지 증가되었으며, 이후 서서히 증가하여 시효처리 16시간에서 최대 300 Hv를 나타내었다. 이러한 경도 증가는 단상 α-(CuNiSn)의 spinodal 분해에 따른 γ' 또는 γ-(Cu,Ni)3Sn의 석출에 기인한 결과이다[10-14].
- 냉간가공 Cu-5Ni-10Sn 합금은 350℃ 시효처리 동안 시효시간의 증가에 따라 큰 경도 변화를 보이지 않았는데, 이는 시효석출상의 생성에 의한 석출경화효과와 시효온도에서의 응력완화로 인한 재료의 연화현상이 동시에 진행되기 때문이다. 최대 경도에 도달하는 시효시간은 냉간가공 Cu-5Ni-10Sn 합금에서 1 시간 이었으며, 이는 용체화 처리 Cu-5Ni-10Sn 합금에서의 16 시간과 비교하여 크게 감소하였다.
- 냉간가공 후 Cu-5Ni-10Sn 합금은 가공경화의 효과로 ~1165 MPa의 매우 높은 인장강도를 나타내었으며, 연신율은 ~5%로 크게 감소하였다. 후속 시효처리에 의하여 냉간가공 Cu-5Ni-10Sn 합금의 인장강도는 시효시간의 증가와 함께 서서히 감소하였으며, 시효시간 4 시간 이후에는 약 1000~1100 MPa 범위의 비교적 일정한 값을 나타내었다. 냉간가공 Cu-5Ni-10Sn 합금의 연신율은 시효시간에 따라 큰 변화를 나타내지 않았으며 대부분의 시효조건에서 약 3-4%를 나타내었다.
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