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문제 정의
- 본 연구에서는 Cu-Ni-Si-P계 합금의 강도, 전기전도도, 굽힘가공성의 적절한 균형과 석출처리시 온도, 시간 및 Fe, Sn, Zn와 같은 첨가원소에 따른 기계적 특성을 파악하여 산업에 적용하기 적절한 합금의 개발하기 위한 특성연구에 그 목표를 두고 있다.
제안 방법
- 03P에 Sn 및 Fe의 합금조성을 변화시켜 물성을 확인하였다. Sn 합금은 도금 Scrap를 사용하기 위하여 소량 첨가하였으며 전기전도도는 최소한으로 감소하며 강도를 올리기 위하여 Fe와 Zn를 미량 첨가하였다. 합금 설계 후 OES(Optical Emission Spectrometer) 분석 결과 목표 합금 조성과 거의 일치하였다.
- 2와 같으며, 대표적인 동합금의 가공조건을 기준으로 실시하였다. 각각의 실험에서 비커스 경도기를 이용하여 5 kgf 하중으로 경도를 측정하고, 시그마 시험기(Sigma tester)를 이용하여 전류의 흐름에 대해 측정하여 순수 구리 금속 전도도를 100%하고 합금화 구리 금속의 합금 전도도와 비교하여 %값으로 환산하여 기본 물성을 조사하였다. 예를 들어 황동의 합금의 전기전도도가 10%IACS면 순동 대비하여 전류의 흐름정도는 10% 수준이다.
- 굽힘 가공성은 V-Block을 이용하여 상대적으로 취약한 가공방향인 압연직각방향(Bad Way)으로 R(Radius) / t(Thickness)=0~1.0조건으로 90o Bending을 실시한 후 180o까지 Press를 이용하여 실시하여 평가하였다. 또한 굽힘 가공면을 저배율확대경으로 관찰하여 A~E(A : Good, B : Small Wrinkle, C : Medium Wrinkle, D : Small Crack, E : Crack) 등급으로 분류하였다.
- 0조건으로 90o Bending을 실시한 후 180o까지 Press를 이용하여 실시하여 평가하였다. 또한 굽힘 가공면을 저배율확대경으로 관찰하여 A~E(A : Good, B : Small Wrinkle, C : Medium Wrinkle, D : Small Crack, E : Crack) 등급으로 분류하였다. 통상 산업용으로 적용 가능한 R/t= 0.
- 또한 시효 석출 온도구간 430oC~460oC에서 시간에 따라 물성 변화를 확인하였으며, 산업적으로 적용 가능한 최적 물성을 만족하는 시편의 기본 물성값을 조사하였다. 각각의 물성값은 표준화된 측정기기와 시편으로 측정하였으며 대표값을 나타낸다.
- 굽힘가공성은 커넥터용 동합금에서 가장 기본적으로 요구되는 중요한 물리적 특성의 하나이다. 본 연구에서는 커넥터로 가공하기 위해서는 판재를 압연방향(Good Way) 및 압연직각방향(Bad Way)으로 굽힘가공후의 표면 균열 정도에 따라 A~E등급으로 구분한다[6]. Fig.
- 열처리 조건에 따른 굽힘 가공부의 미세조직을 관찰하기 위하여 4 ml의 HNO3, 3 ml의 H2SO4 1 g의 NH4Cl, 3.5 g의 K2Cr2O7과 H2O 100 ml 비율로 섞은 용액에 15초 동안 부식시킨 후, 광학현미경(Nikon) 및 주사전자현미경 (Quanta FEG650)을 이용하여 그 조직을 관찰하였다.
- 본 연구에서는 Table 1에 나타낸 화학조성으로 고주파 진공용해로를 이용하여 용해하였으며, 두께 20 mm, 폭 60 mm, 2 kg 중량의 주괴를 제조하였다. 합금 조성 1은 비교재로 현재 Cu-Ni-Si계 대표적인 합금조성이며, 2~4번은 Cu-2Ni-0.4Si-0.03P에 Sn 및 Fe의 합금조성을 변화시켜 물성을 확인하였다. Sn 합금은 도금 Scrap를 사용하기 위하여 소량 첨가하였으며 전기전도도는 최소한으로 감소하며 강도를 올리기 위하여 Fe와 Zn를 미량 첨가하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 Table 1에 나타낸 화학조성으로 고주파 진공용해로를 이용하여 용해하였으며, 두께 20 mm, 폭 60 mm, 2 kg 중량의 주괴를 제조하였다. 합금 조성 1은 비교재로 현재 Cu-Ni-Si계 대표적인 합금조성이며, 2~4번은 Cu-2Ni-0.
성능/효과
- Fig. 11와 같이 내연화 특성(Thermal Softening Resistance)을 확인하기 위해 산업적으로 많이 활용되는 Corson계 동합금(Max251)를 온도에 따라 30분 유지 후 경도변화를 확인한 결과 매우 우수한 내연화 특성을 나타내었다. 따라서 발열체 부근의 전기 · 전자 부품에 적용하여 장시간 유지해도 내연화에 의한 전기신호 단락 등 성능저하가 발생되지 않는 신뢰성 있는 소재특성을 나타냄을 알 수 있다.
- 대표적인 물성값인 인장강도 700 MPa, 전기전도도는 40%IACS, 내연화온도는 550oC로 반도체 및 전기 · 전자부품용 고기능성 동합금이 요구하는 물성을 만족하는 특성을 나타내고 있을 뿐만 아니라 굽힘가공성 또한 만족하여 산업적용에 기타 합금들보다 유리한 특성을 가진 합금으로 확인되었다.
- 따라서 발열체 부근의 전기 · 전자 부품에 적용하여 장시간 유지해도 내연화에 의한 전기신호 단락 등 성능저하가 발생되지 않는 신뢰성 있는 소재특성을 나타냄을 알 수 있다.
- 5 wt%를 첨가하여 전기전도도는 비슷한 수준으로 유지하며 굽힘가공성과 인장강도를 향상하는 특성을 보였다. 또한 석출처리전 압하율 가공도가 높을 수록 경도 및 전기전도도가 증가하는 경향을 나타내었다. 그러나 굽힘 가공성은 이와 상반되는 특성으로 실제 산업용 부품소재로 적용하기 위해서는 최대 굽힘 가공성을 만족하는 범위내에서 최대강도와 최대 전기전도도를 확보하는 석출열처리 공정조건에 대한 연구가 필요하다.
- 4에 나타내었다. 모든 합금에서 가공도가 10% 까지는 급격히 증가하다가 10% 이상에서 60%까지 경도가 완만히 증가함을 알 수 있다.
- 반도체 및 전기 · 전자용 동합금에서 요구되는 고강도, 전기전도도, 내연화성, 굽힘가공성을 만족하기 위해 Corson계 석출경화형 동합금에서 첨가합금의 종류, 함량 뿐만아니라 가공조건 및 석출처리 조건에 따라 기계적, 물리적 특성을 확인한 결과 Cu-2Ni-0.4Si-0.5Sn-0.1Fe-0.03P 합금에서 인장강도 700MPa, 연신율 8%, 전기전도도 40%IACS, 내연화온도 550oC의 물성값을 얻을 수 있었으며, 압연 직각 방향 R/t = 1, 180o 굽힘 가공성 조건에서 굽힘가공성이 양호한 산업 부품적용 가능한 물성을 구현할 수 있었다.
- 열간 압엽 공정에서 전기 전도도 값이 주괴 상태보다 낮아졌으며, 이후 공정인 냉간 압연과 최종 압연을 위한 소둔공정에서도 석출이 발생되지 않고 전기전도도가 그대로 유지되는 것을 확인할 수 있다. 반면에 경도값은 Ni,Si 함량이 적은 Cu-1.85Ni-0.43Si-0.4Sn-0.83Zn을 제외하고 나머지 합금의 경도는 열간 압연 후 냉간 압연 상태에서 Hv200 이상으로 증가하고 최종압연을 위한 어닐링 후 감소하다가 최종 냉간 압연 후 다시 증가하여 약 140~148의 값을 나타내었다.
- 8에 굽힘부 표면 사진을 비교하여 나타내었다. 양호조건인 R/t = 1에서는 표면 미세 주름 형태로 모두 양호한 결과를 나타내었으나, 보다 가혹한 조건인 R/t = 0.5에서는 No. 3번 합금이 다소 우수하게 나타났다.
- 어닐링 후 냉간 압연 조건은 석출경화 처리 후 최종 물성인 강도와 전기전도도를 결정하는데 관계가 있으며, 특히 굽힘가공성의 경우 가장 높은 강도와 전기전도도를 나타내는 것이 유리한 것이 아니므로 최종 압하율과 석출경화 처리후의 강도, 전기전도도, 굽힘가공성과의 관계를 규명하기 위해 압하율 430oC × 5 hr 석출경화 처리후의 물성을 확인한 결과 압하율이 높을수록 경도 및 전기전도도 증가하였으며, 이는 압하율이 증가함에 따라 전위밀도와 같은 내부응력이 증가하고 석출물의 핵생성으로 작용하여 석출 구동력 향상되는 현상을 잘 대변하여 나타내고 있다[5].
- 열간 압엽 공정에서 전기 전도도 값이 주괴 상태보다 낮아졌으며, 이후 공정인 냉간 압연과 최종 압연을 위한 소둔공정에서도 석출이 발생되지 않고 전기전도도가 그대로 유지되는 것을 확인할 수 있다. 반면에 경도값은 Ni,Si 함량이 적은 Cu-1.
- 03P에서 440oC × 5 hr. 열처리조건에서 가장 높은 경도인 Hv235와 41%IACS의 전기 전도도 값을 나타내었다. 1번 합금인 Cu-1.
- 전기전도도 변화는 석출경화 처리전 15~20%IACS 수준에서 37~42%IACS까지 증가하여 약 22%IACS 상승되었으며 5번 합금인 Cu-2Ni- 0.4Si-0.5Sn-0.3Fe-0.03P에서 440oC × 5 hr.
- Sn 합금은 도금 Scrap를 사용하기 위하여 소량 첨가하였으며 전기전도도는 최소한으로 감소하며 강도를 올리기 위하여 Fe와 Zn를 미량 첨가하였다. 합금 설계 후 OES(Optical Emission Spectrometer) 분석 결과 목표 합금 조성과 거의 일치하였다.
후속연구
- 또한 석출처리전 압하율 가공도가 높을 수록 경도 및 전기전도도가 증가하는 경향을 나타내었다. 그러나 굽힘 가공성은 이와 상반되는 특성으로 실제 산업용 부품소재로 적용하기 위해서는 최대 굽힘 가공성을 만족하는 범위내에서 최대강도와 최대 전기전도도를 확보하는 석출열처리 공정조건에 대한 연구가 필요하다.
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