[논문]열처리 온도 및 냉각방법이 Cu-22Sn합금의 미세조직 및 경도변화에 미치는 영향

정무섭; 신아리; 한준현

doi:10.12656/jksht.2018.31.3.104

열처리 온도 및 냉각방법이 Cu-22Sn합금의 미세조직 및 경도변화에 미치는 영향
Effects of Heat Treatment Temperature and Cooling Method on Microstructure and Hardness of Cu-22Sn alloy 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.31 no.3, 2018년, pp.104 - 110

정무섭 (충남대학교 신소재공학과) , 신아리 (충남대학교 신소재공학과) , 한준현 (충남대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of heat treatment time and cooling method on microstructure and mechanical property of Cu-22wt%Sn alloy were discussed. ${\alpha}+{\delta}$ mixed phase structure was obtained in air-cooled specimens after heat treatment at 775, 750, and $700^{\circ}C$ for 1 hour. On the other hand, in water-cooled specimens, ${\alpha}+{\beta}^{\prime}$ martensite mixed phase was obtained. In the case of water-cooled specimens, the hardness value decreased with decreasing heat treatment temperature because the volume fraction of ${\alpha}$ phase with low hardness value increased as the heat treatment temperature decreased. In water-cooled specimen after heat treatment at $600^{\circ}C$, ${\gamma}^{\prime}$ martensite was formed instead of ${\beta}^{\prime}$ martensite. The hardness value of ${\gamma}^{\prime}$ martensite was lower than those of ${\beta}^{\prime}$ and ${\delta}$ phases.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 CuSn합금의 용도에 따라 요구되는 미세조직을 얻을 수 있도록 그동안 전통유물에서 주로 사용되었던 Cu-22wt%Sn합금의 열처리 온도 및 냉각방법을 변화시켰으며, 각 조건에서 CuSn합금의 미세조직 및 기계적 특성을 측정함으로써 열처리 온도와 냉각방법의 변화에 따른 CuSn합금 내 상들의 종류와 부피분율 변화가 CuSn합금의 기계적 특성에 미치는 영향에 대해 고찰하였다.
따라서 본 연구에서는 열처리 온도 및 방법에 따른 α+β상의 변화를 알아보기 위하여 770oC, 750oC, 700oC,600oC에서 1시간 동안 대기 중에서 열처리한 후 수냉 혹은 공냉하였다.
본 연구에서는 Cu-22wt%Sn합금의 열처리 온도 및 냉각방법이 CuSn합금의 미세조직 및 기계적 특성에 미치는 영향에 대해 고찰하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다. 775, 750, 700^oC에서 1시간 동안 열처리한 후 공냉한 시편들에서는 α+δ 혼합상 조직이 얻어졌으며, 수냉한 시편들에서는 초정 α와 β'마르텐사이트의 혼합상 조직이 얻어졌다.

제안 방법

균질화처리된 판재로부터 4 × 4 × 4 mm3 크기의 시편을 절단하여 다양한 방법으로 열처리 하였다.
5의 결과로부터 Cu-22Sn합금의 열처리 온도 및 냉각방법의 변화 시 생성되는 상들은 α상, β'상, γ'상, δ상임을 알 수 있었다. 따라서 열처리에 따른 미세조직의 변화 시 각 상들의 조성변화를 알기 위해 EDS를 이용하여 각 상들의 조성변화를 분석하였다. Fig.
, 10 ml의 HCl, 100 ml의 증류수를 혼합한 에칭액을 사용하여 에칭한 후, 광학현미경(Optical Microscope, OM, eclipse L150, Nikon)을 이용하여 미세조직을 관찰하였다. 또한 미세조직 내 자세한 상분석은 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM, LYRA3 XMU, Tescan)과 SEM에 부착된 EDS(Energy Dispersive Spectrometer), X-선 회절장치(X-ray Diffractometer, D8discover, Bruker)를 이용하여 수행되었다. 또한 미세조직의 변화가 기계적 특성에 미치는 영향은 경도시험을 통해 분석하였으며, 로크웰경도시험기(Rockwell Hardness Testing Machine, HR-521, Akashi)를 이용하여 열처리 온도 및 냉각방법에 따른 Cu-22Sn합금의 경도변화를 측정하였다.
또한 미세조직 내 자세한 상분석은 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM, LYRA3 XMU, Tescan)과 SEM에 부착된 EDS(Energy Dispersive Spectrometer), X-선 회절장치(X-ray Diffractometer, D8discover, Bruker)를 이용하여 수행되었다. 또한 미세조직의 변화가 기계적 특성에 미치는 영향은 경도시험을 통해 분석하였으며, 로크웰경도시험기(Rockwell Hardness Testing Machine, HR-521, Akashi)를 이용하여 열처리 온도 및 냉각방법에 따른 Cu-22Sn합금의 경도변화를 측정하였다.
연속주조된 13 mm 두께의 Cu-22wt%Sn합금(이하 Cu-22Sn합금이라 함) 판재를 압하율 70%로 열간압연을 실시하여 4 mm 두께의 판재를 제작하였으며, 남아있을 주조조직을 제거하고 조직의 균일화를 위해 750^oC에서 5시간 동안 대기 중에서 균질화처리(Homogenization)를 실시하였다. 균질화처리된 판재로부터 4 × 4 × 4 mm³ 크기의 시편을 절단하여 다양한 방법으로 열처리 하였다.
열처리 후 Cu-22Sn합금의 미세조직의 변화를 관찰하기 위해 3g의 FeCl₃, 10 ml의 HCl, 100 ml의 증류수를 혼합한 에칭액을 사용하여 에칭한 후, 광학현미경(Optical Microscope, OM, eclipse L150, Nikon)을 이용하여 미세조직을 관찰하였다. 또한 미세조직 내 자세한 상분석은 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM, LYRA3 XMU, Tescan)과 SEM에 부착된 EDS(Energy Dispersive Spectrometer), X-선 회절장치(X-ray Diffractometer, D8discover, Bruker)를 이용하여 수행되었다.

데이터처리

(d)에서 알 수 있는 바와 같이 냉각온도가 감소함에 따라 α상의 분율이점점 증가함을 알 수 있는데 정확한 α상의 분율을측정하기 위해 컴퓨터 프로그램(Image-J)을 이용하였으며 분석결과를 Fig. 4에 나타내었다.

성능/효과

(b)) 열처리 온도가 낮아짐에 따라 α상 내 주석함량이 다소 증가하였으며, 기지조직인 β' 혹은 γ'상 내 주석함량도 전반적으로 약간 증가하였다.
6(c)의 고배율 사진에서 보면 두 종류의 침상이 교대로 배열되어 있음을 알 수 있다. 두 종류의 침상을 EDS로 분석한 결과 주석함량이 각각 20.6%, 19.55%로서 비슷한 조성을 갖고 있었다. 따라서 이 결과로부터 주 종류의 침상은 조성은 같지만 방향성이 서로 다른 β' 마르텐사이트상의 invariant임을 알 수 있었다.
따라서 이 결과로부터 주 종류의 침상은 조성은 같지만 방향성이 서로 다른 β' 마르텐사이트상의 invariant임을 알 수 있었다.
열간압연 후 충분한 균질화처리로 인해 dendrite와 같은 주조조직은 모두 사라졌으며 대신 기지 내에 equiaxed 형상의 초정 α상이 관찰되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	청동 내 주석함량이 적을 떄 방생하는 문제점은?	따라서 해외에서는 Sn 함량이 높은 청동 유물의 사례를 찾아 볼 수 없다. 그런데 만약 청동 내 주석함량이 적다면 황색도가 낮아지고 변색이 쉽게 일어나며 경도가 저하하게 된다[3]. 우리나라에서는 그동안 많은 전통유물에서 청동을 Cu-22wt%Sn의 조성으로 열간단조를 통해 가공해 왔으며 전통적으로 인력을 통해 단조가 이루어지기 때문에 생산성이 떨어져 공급에 어려움이 있다.
	청동의 특성은?	청동은 보통 구리와 주석의 합금(CuSn)을 뜻하지만 현대에는 황동 이외의 모든 구리합금을 청동으로 부르고 있으며[1], 내 부식성과 강도가 높아 먼 옛날 청동기 시대부터 현재까지 널리 사용되고 있다. 특히 그릇의 소재로 사용되는 경우 보온, 보냉 효과가 있으며 항균성으로 인해 음식물의 보관성이 좋아지고,또한 악기의 소재로 사용되는 경우 감쇠성이 낮아 소리가 오래 지속되는 장점이 있어[2] 국내뿐만 아니라 해외에서도 그 수요가 증가하고 있다.
	청동을 그릇의 소재로 사용할때의 장점은?	청동은 보통 구리와 주석의 합금(CuSn)을 뜻하지만 현대에는 황동 이외의 모든 구리합금을 청동으로 부르고 있으며[1], 내 부식성과 강도가 높아 먼 옛날 청동기 시대부터 현재까지 널리 사용되고 있다. 특히 그릇의 소재로 사용되는 경우 보온, 보냉 효과가 있으며 항균성으로 인해 음식물의 보관성이 좋아지고,또한 악기의 소재로 사용되는 경우 감쇠성이 낮아 소리가 오래 지속되는 장점이 있어[2] 국내뿐만 아니라 해외에서도 그 수요가 증가하고 있다.

참고문헌 (8)

G. S. Ahn and S. Y. Lee : Yuggijang, Hwasan Press, Seoul (2002) 215.
H. N. Han and D. N. Lee : Korean J. Met. Mater. 34 (1996) 713.
J. S. Lee and J. S. Park : J. Conserv. Sci. 30 (2014) 417.

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D. H. Bae, J. H. Shin and G. B. Kwon : Development of functional sterilization tablewares, National Science Museum, Daejeon (2007) 33.
H. Fujiwara, T. Nishimoto, H. Miyamoto and K. Ameyama : Proceedings of the 8th Pacific Rim International Congress on Advanced Materials and Processing (2013) 2455.
E. George : Copper and its alloys, Halsted Press, New York (1982) 241.
J. S. Park, C. W. Park and K. J. Lee : Mater. Charact. 27 (2009) 1268.
Y. Li, K. He, C. Liao and C. Pan : Mater. Res. Soc. 27 (2012) 192.

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