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문제 정의
- 본 연구에서는 고강도 고전도성 합금을 개발하기 위하여 고강도/중도전형 동합금인 Cu-Ni-Si-P계 합금에 Mn, Cr, Ti, Fe를 첨가원소 및 압하율에 따른 영향을 파악하여 최적의 기계적 성질과 전기전도성 그리고 굽힘 성을 나타내는 합금을 연구하였다.
가설 설정
- Results of hardness and electrical conductivity at each stage of experimental procedure with various alloys by reduction ratio. (a) Reduction Ratio = 10%, (b) Reduction Ratio = 30%.
제안 방법
- 가공 후 표면은 Emery Paper로 표면산화층을 제거한 후 인장실험을 실시했다. UTM(Universal Testing Machine, Max. Load = 50 ton, Scimatzu, Japan)에서 30 mm/min의 Cross Head Speed로 시험하였으며, 항복 강도는 0.2% offset로 구했으며, 연신율은 표점거리 50mm로 하여 표점 간 길이 변화율로 산출하였다. 굽힘 가공성은 V-Block(Load 20 kg)을 이용하여 압연방향(Good Way) 및 상대적으로 굽힘 가공성이 취약한 압연직각방향(Bad Way)으로 R(Radius)/t (Thickness)=0~1.
- 시편은 압연방향에 평행하게 가공한 KSB 0801 규격으로 가공하였다. 가공 후 표면은 Emery Paper로 표면산화층을 제거한 후 인장실험을 실시했다. UTM(Universal Testing Machine, Max.
- 각각의 실험에서 Vicker's 경도기를 이용하여 하중 5 kgf으로 측정하고, Eddy Current Type의 Sigma Tester기를 이용하여 전기전도도를 측정하여 %IACS로 기본 물성을 측정하였다.
- 굽힘 가공성은 V-Block(Load 20 kg)을 이용하여 압연방향(Good Way) 및 상대적으로 굽힘 가공성이 취약한 압연직각방향(Bad Way)으로 R(Radius)/t (Thickness)=0~1.0 조건으로 90° Bending을 실시한 후 180°까지 Press(20 kg Load)를 이용하여 실시하여 평가하였다.
- 등고선 그래프는 이전과 마찬가지로 방법으로 X축은 석출경화처리 온도, Y축은 석출경화처리 시간, Z축은 경도값과 전기 전도도 값으로 나타내고 굽힘 가공시험을 R/t = 0.5, 180o 조건으로 실시하고 그 결과를 등고선그래프위에 Mapping하여 부여하였다.
- 0 조건으로 90° Bending을 실시한 후 180°까지 Press(20 kg Load)를 이용하여 실시하여 평가하였다. 또한 굽힘 가공면을 저배율확대경으로 관찰하여 가공면의 상태를 A~E(A : Good, B : Small Wrinkle, C : Medium Wrinkle, D : Small Crack, E : Crack) 등급으로 분류하였다[10].
- 이러한 Cu-Ni-Si-P-x계 (x=Mn, Cr, Fe, Ti) 합금의 석출경화 처리를 440~500℃에서 3, 4 및 5시간 동안 실시하였다. 석출경화 처리된 Cu-Ni-Si-P-x계 합금의 기계적 특성 및 전기적 특성을 알아보기 위해 경도, 인장강도, 전기 전도도, 굽힘 가공성을 측정하였다. 각각의 실험에서 Vicker's 경도기를 이용하여 하중 5 kgf으로 측정하고, Eddy Current Type의 Sigma Tester기를 이용하여 전기전도도를 측정하여 %IACS로 기본 물성을 측정하였다.
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3.2 석출경화처리후의 물성 분석
석출경화 처리전 압하율의 변화에 따라 석출경화처리후의 경도, 전기전도도, 굽힘 가공성이 최적인 구간을 확인하기 위해 석출경화처리조건 440, 460℃, 480℃, 500℃에서 3~6 hrs. 동안 석출경화 처리후의 경도와 전기전도도 결과를 Table 2에 나타내었다.
- 3 mm 두께까지 냉간 압연하였다. 이러한 Cu-Ni-Si-P-x계 (x=Mn, Cr, Fe, Ti) 합금의 석출경화 처리를 440~500℃에서 3, 4 및 5시간 동안 실시하였다. 석출경화 처리된 Cu-Ni-Si-P-x계 합금의 기계적 특성 및 전기적 특성을 알아보기 위해 경도, 인장강도, 전기 전도도, 굽힘 가공성을 측정하였다.
- 자동차 및 IT 및 전기·전자산업에 적용가능 한 소재의 특성을 구현하기 위해 Cu-Ni-Si계 석출경화형 동합금에 미량 합금원소를 첨가하여 합금조성을 최적화 하고, 석출경화처리를 통해 강도, 전기전도도, 굽힘가공성을 동시에 만족시킬 수 있는 제조방법에 대한 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
대상 데이터
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시료는 Table 1에 나타낸 화학조성으로 고주파 진
공용해로에서 용해하였으며, 두께 20 mm, 폭 60
mm, 1 kg 중량의 주괴를 제조하였다. 용해 후 980℃에서 1.
이론/모형
- 각각의 실험에서 Vicker's 경도기를 이용하여 하중 5 kgf으로 측정하고, Eddy Current Type의 Sigma Tester기를 이용하여 전기전도도를 측정하여 %IACS로 기본 물성을 측정하였다. 시편은 압연방향에 평행하게 가공한 KSB 0801 규격으로 가공하였다. 가공 후 표면은 Emery Paper로 표면산화층을 제거한 후 인장실험을 실시했다.
성능/효과
- 석출경화처리를 위한 압하율 Red. = 10%로 진행한 실험공정에서는 주괴 상태, 열간압연, 냉간압연공정에서의 경도는 Ti이 첨가된 4번 합금에서 가장 높은 경도 값을 나타내었으며, 전기전도도는 Mn이 첨가된 1번 합금이 가장 낮았다. Annealing 공정과 최종 냉간 압연후에 물성은 Fe를 첨가한 4번 합금에서 경도와 전기전도도가 가장 낮았다.
- 압하율 Red. = 30%로 진행한 실험공정에서는 주괴상태 및 열간압연, 냉간압연 공정까지는 Fe를 첨가한 합금이 타 합금원소보다 고용강화효과가 커서 다른 첨가원소보다 다소 높은 경도를 나타났으며, 전기전도도의 경우 Mn이 첨가된 1번 합금과 유사하게 나타났다. 어닐링 후 최종 냉간압연공정에서는 모든 합금의 경도가 유사수준이었으며, 전기전도도의 경우 Fe가 첨가된 3번 합금에서 가장 낮게 나타났다.
- = 10%로 진행한 실험공정에서는 주괴 상태, 열간압연, 냉간압연공정에서의 경도는 Ti이 첨가된 4번 합금에서 가장 높은 경도 값을 나타내었으며, 전기전도도는 Mn이 첨가된 1번 합금이 가장 낮았다. Annealing 공정과 최종 냉간 압연후에 물성은 Fe를 첨가한 4번 합금에서 경도와 전기전도도가 가장 낮았다. 압하율 Red.
- 에서 Good way B급, Bad way B급(GBBB)으로 압하율 10% 조건보다 양호하게 나타나 굽힘 가공성은 만족하였으나 경도 Hv 232, 전기전도도 34%IACS로 낮은 물성값을 나타내었다. 따라서 480℃, 6 hr 조건이 이 합금에서 커넥터용으로 요구되는 최적의 석출경화처리조건이나 적용하기에는 굽힘 가공성이 부족한 것으로 나타났다.
- 6%IACS를 나타내었다. 따라서 이 합금에서 다른 합금 대비하여 모든 물성을 동시에 고려할 때 상대적으로 우수한 전기전도도, 굽힘 가공성, 경도 값을 나타내는 것을 확인하였다.
- 이 합금에서 굽힘 가공성은 석출경화 처리전 압하율이 10% 조건의 경우 460℃, 5 hrs. 석출경화처리 조건에서 Good way B급, Bad way E급(GBBE)으로 Bad way 방향의 굽힘 가공성이 미흡하게 나타났으며, 이때의 경도는 Hv 267, 전기전도도는 38%IACS 이다. 석출경화 처리전 압하율 30% 조건에서 Good way A급, Bad way A급으로 우수한 굽힘가공성을 나타내는 조건인 석출경화처리온도 480oC, 석출경화처리시간 4 hrs.
- 03P 합금에서 온도 460℃에, 5 hrs. 석출경화처리시 인장강도는 759 MPa, 연신율 10%을 나타내었으며 굽힘가공성은 석출경화처리전압하율이 30%에서 굽힘가공성 결과가 압하율 10%보다 상대적으로 우수하게 나타났다. 특히 미량 첨가원소 P 0.
- 53wt%로 다소 높으므로 경도는 다소 높은 70~100 Hv 증가값을 나타내었다. 석출경화처리후의 굽힘 가공성을 향상에 유리한 조건을 찾기 위하여 최종 냉간 압하율을 10%, 30%로 구분하여 실시한 결과 경도 및 전기전도도는 압하율이 큰 30% 조건에서 압하율 10% 조건보다 가공경화로 인한 경도 값이 높으며, 전기전도도 값은 낮게 나타났다.
- 선정된 합금의 굽힘 가공성의 재확인을 위해 굽힘 가공조건인 R/t = 0~1, 180°의 다양한 조건까지 실시하여 평가한 결과 R/t = 0.5, 180° 이상에서는 Good way, Bad way 모두 B급 이상으로 양호하게 나타났으며, Fig. 6에 굽힘 가공 후의 Bending 표면의 사진을 나타내었다.
- = 30%로 진행한 실험공정에서는 주괴상태 및 열간압연, 냉간압연 공정까지는 Fe를 첨가한 합금이 타 합금원소보다 고용강화효과가 커서 다른 첨가원소보다 다소 높은 경도를 나타났으며, 전기전도도의 경우 Mn이 첨가된 1번 합금과 유사하게 나타났다. 어닐링 후 최종 냉간압연공정에서는 모든 합금의 경도가 유사수준이었으며, 전기전도도의 경우 Fe가 첨가된 3번 합금에서 가장 낮게 나타났다. 30% 압하율 조건에서 모든 합금에서 첨가 합금원소의 합이 4.
- 인장 시험기를 이용하여 Cu-3.4Ni-0.8Si-0.1Ti-0.03P 합금의 기계적 특성을 측정한 결과 인장강도는 759 MPa, 연신율 10%을 나타내었다. 선정된 합금의 굽힘 가공성의 재확인을 위해 굽힘 가공조건인 R/t = 0~1, 180°의 다양한 조건까지 실시하여 평가한 결과 R/t = 0.
- 2, 4번 합금은 460℃, 5 hrs. 조건에서 경도 Hv 248, 전기전도도 44.6%IACS를 나타내며 결과가 가장 우수하였다.
- 1번 합금은 480℃ 6 hrs. 조건에서 전기전도도 최대값은 34%IACS 였으며, 목표하는 40%IACS를 달성하지 못하였다. 2번 합금은 480℃, 4 hrs.
- 석출경화처리시 인장강도는 759 MPa, 연신율 10%을 나타내었으며 굽힘가공성은 석출경화처리전압하율이 30%에서 굽힘가공성 결과가 압하율 10%보다 상대적으로 우수하게 나타났다. 특히 미량 첨가원소 P 0.03wt%, Mn 0.4wt%, Cr 0.3wt%, Ti 0.1wt%, Fe 0.2wt%를 합금화하여 연구를 진행한 결과, Cu-3.4Ni-0.8Si-0.03P-0.1Ti 조성을 갖는 합금에서 석출경화처리온도 460℃, 5시간 열처리조건에서 인장강도 759MPa, 연신율 10%, 경도 Hv 256, 전기전도도 39%IACS를 나타내었으며, 굽힘가공성도 양호한 결과를 나타내었다.
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