구리 금속은 높은 열전도도로 heat sink 혹은 heat exchanger로 널리 사용되고 있다. 그러나 이에 반하여 낮은 인장강도와 사용온도 한계를 가지고 있다. 따라서 높은 열전도도, 낮은 제작비와 함께 우수한 기계적 특성이 요구된다. 본 연구에서는 이를 위하여 동철합금($Cu_{50}-Fe_{50}$ alloy)를 고주파 가열로를 이용하여 제조하고 그 특성을 조사하였다. 제조된 동철합금은 Cu, ${\alpha}$-Fe, ${\gamma}$-Fe 결정구조를 기진 dendrite 미세구조를 보여주었다. 제조된 동철합금은 XRD, FE-SEM, EDS 및 XRF를 이용하여 결정구조 및 미세구조를 분석하였으며 전력공급 접점용 소재로서의 적합성을 확인하고자 하였다.
구리 금속은 높은 열전도도로 heat sink 혹은 heat exchanger로 널리 사용되고 있다. 그러나 이에 반하여 낮은 인장강도와 사용온도 한계를 가지고 있다. 따라서 높은 열전도도, 낮은 제작비와 함께 우수한 기계적 특성이 요구된다. 본 연구에서는 이를 위하여 동철합금($Cu_{50}-Fe_{50}$ alloy)를 고주파 가열로를 이용하여 제조하고 그 특성을 조사하였다. 제조된 동철합금은 Cu, ${\alpha}$-Fe, ${\gamma}$-Fe 결정구조를 기진 dendrite 미세구조를 보여주었다. 제조된 동철합금은 XRD, FE-SEM, EDS 및 XRF를 이용하여 결정구조 및 미세구조를 분석하였으며 전력공급 접점용 소재로서의 적합성을 확인하고자 하였다.
Copper is a well know material for use as heat sink or heat exchanger. However, copper has a considerable low tensile strength and temperature limit. A material that has a good thermal conductivity, low cost, but also excellent mechanical properties are desired. In order to identify the mechanism fo...
Copper is a well know material for use as heat sink or heat exchanger. However, copper has a considerable low tensile strength and temperature limit. A material that has a good thermal conductivity, low cost, but also excellent mechanical properties are desired. In order to identify the mechanism for the material properties of cast Cu-Fe alloys, $Cu_{50}-Fe_{50}$ (wt.%) alloy was produced by using a high-frequency induction furnace, a typical metal casting process. The Cu-Fe alloy consists of Cu, ${\alpha}$-Fe, ${\gamma}$-Fe with dendrite structures. The crystal structure and microstructure of the prepared $Cu_{50}-Fe_{50}$ alloy were systematically examined using XRD, FE-SEM, EDS and XRF for electrical devices.
Copper is a well know material for use as heat sink or heat exchanger. However, copper has a considerable low tensile strength and temperature limit. A material that has a good thermal conductivity, low cost, but also excellent mechanical properties are desired. In order to identify the mechanism for the material properties of cast Cu-Fe alloys, $Cu_{50}-Fe_{50}$ (wt.%) alloy was produced by using a high-frequency induction furnace, a typical metal casting process. The Cu-Fe alloy consists of Cu, ${\alpha}$-Fe, ${\gamma}$-Fe with dendrite structures. The crystal structure and microstructure of the prepared $Cu_{50}-Fe_{50}$ alloy were systematically examined using XRD, FE-SEM, EDS and XRF for electrical devices.
동철합금은 높은 도전율과, 전계와 자계를 모두 차폐할 수 있는 유일한 고기능 소재로 소재제조기술에 관련된 연구가 다양하게 진행되고 있는데, 현재까지 보고된 동철합금은 전도율 및 전자기파 차폐 효율이 충분하지 않으며, 모합금을 2차 용융하는 이원화 공정으로 제조함에 따라 제조비용이 높고 다량의 플럭스 유입에 의한 제품의 일관된 품질의 보장이 어려운 단점이 있었다[9-11]. 따라서 본 연구는 동철합금을 진공분위기하에서 고주파를 이용한 용해주조법으로 Cu50-Fe50(wt.%) 조성비의 동철합금을 제조하였으며, 제조된 동철합금의 결정구조 및 미세구조를 분석함으로써 전력공급 접점용 소재로서의 적합성을 확인하고자 하였다.
제안 방법
본 연구에서는 동철합금을 진공분위기하에서 고주파를 이용한 용해주조법으로 Cu50-Fe50(wt.%) 조성비의 동철합금을 제조하였으며, 제조된 동철합금의 결정구조 및 미세구조를 분석함으로써 전력공급 접점용 소재로서의 적합성을 확인하고자 하였다. 제조된 Cu50-Fe50 합금에는 금속간 화합물이나 2차상의 생성 없이 면심입방격자(FCC) 구조의 Cu 상과 체심입방격자(BCC) 구조의 α-Fe 상만이 관찰되었다.
에칭은 질산 80 ml + 아세트산 5 ml + 증류수 10 ml + 에틸알콜 100 ml의 혼합용액을 사용하여 선택적으로 부식시켰다. 후처리로 초음파 세척을 행한 후 FE-SEM(Field Emission Scanning Electron Microscopy) 관찰을 위하여 경면으로 연마한 시편을 5 mm로 절단하여 준비하였으며 EDS를 통하여 주조합금의 국부적인 농도 분포를 확인하였으며, bulk 시편의 전반적인 원소 정량분석을 위하여 XRF(X-ray Fluorescence)분석을 실시하였다.
대상 데이터
%)의 조성을 갖는 합금 제조하였다. 동철 합금을 제조하기 위한 조성의 모체 재료로 고순도의 구리(Cu, 99.99 %)와 전해철(Fe 99.99 %)을 사용하였으며, 이때 구리보다 융점이 높은 철을 먼저 알루미나(Al2O3) 도가니에 장입 후 코일 내부로 이송하여, 30℃/min의 승온 속도로 1,550℃까지 가열 하였다. 순동의 경우 300℃에서 예열을 통해 내부의 수분이 제거된 상태에서 철 용탕에 추가 장입하였으며, 용탕의 교반 및 유동성 확보를 위하여 철의 융점보다 높은 160℃ 높은 1700℃에서 10분간 유지 후 물리적 교반 없이 스테인리스 스틸 몰드(Stainless steel mold)에 틸팅 후 공냉하여 샘플을 제조하였다.
99 %)을 사용하였으며, 이때 구리보다 융점이 높은 철을 먼저 알루미나(Al2O3) 도가니에 장입 후 코일 내부로 이송하여, 30℃/min의 승온 속도로 1,550℃까지 가열 하였다. 순동의 경우 300℃에서 예열을 통해 내부의 수분이 제거된 상태에서 철 용탕에 추가 장입하였으며, 용탕의 교반 및 유동성 확보를 위하여 철의 융점보다 높은 160℃ 높은 1700℃에서 10분간 유지 후 물리적 교반 없이 스테인리스 스틸 몰드(Stainless steel mold)에 틸팅 후 공냉하여 샘플을 제조하였다.
성능/효과
제조된 Cu50-Fe50 합금에는 금속간 화합물이나 2차상의 생성 없이 면심입방격자(FCC) 구조의 Cu 상과 체심입방격자(BCC) 구조의 α-Fe 상만이 관찰되었다. Cu50-Fe50 합금 내부는 기공 및 기타 주조 결함들이 관찰되지 않고 있으며, 샘플 전반적으로 이론밀도 대비 98% 이상의 고밀도 합금을 얻을 수 있었다. EDS 조성 분석 결과 α-Fe, γ-Fe 영역 및 Cu 고용체의 영역으로 구분되었으며, FE-SEM에서 부분적으로 확인되는 원형 형태의 2차상에서는 산소가 다량 확인되어 Fe2O3 혹은 Fe3O4 산화물임을 확인할 수 있었다.
Cu50-Fe50 합금 내부는 기공 및 기타 주조 결함들이 관찰되지 않고 있으며, 샘플 전반적으로 이론밀도 대비 98% 이상의 고밀도 합금을 얻을 수 있었다. EDS 조성 분석 결과 α-Fe, γ-Fe 영역 및 Cu 고용체의 영역으로 구분되었으며, FE-SEM에서 부분적으로 확인되는 원형 형태의 2차상에서는 산소가 다량 확인되어 Fe2O3 혹은 Fe3O4 산화물임을 확인할 수 있었다.
%) 조성비의 동철합금을 제조하였으며, 제조된 동철합금의 결정구조 및 미세구조를 분석함으로써 전력공급 접점용 소재로서의 적합성을 확인하고자 하였다. 제조된 Cu50-Fe50 합금에는 금속간 화합물이나 2차상의 생성 없이 면심입방격자(FCC) 구조의 Cu 상과 체심입방격자(BCC) 구조의 α-Fe 상만이 관찰되었다. Cu50-Fe50 합금 내부는 기공 및 기타 주조 결함들이 관찰되지 않고 있으며, 샘플 전반적으로 이론밀도 대비 98% 이상의 고밀도 합금을 얻을 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
금속 중 동철합금은 어떤 소재인가?
이러한 금속 중 동철합금(Copper-Ferro Alloy(CFA))은 철(Fe) 5 wt.%부터 90 wt.%까지 구리(Cu)와 함께 합금화된 소재로, 조성에 따라 도전성, 열전도, 전성, 탄성 등의 구리의 성질과 내마모성, 인장강도, 경도, 자성 등의 철의 성질이 조절 가능한 특성을 보여주어 산업계에 큰 관심을 받고 있다[1, 2]. 특히 구리가 90 wt.
금속가공산업의 제품군은?
금속가공산업은 광범위한 산업에 필요한 융 · 복합 기술 분야로 산업수요가 점차 증가하고 있는 전통 제조산업과 첨단 산업의 중간단계에 위치해 있으며, IT산업을 포함한 전자산업과 항공우주 및 수송기계 산업관련 고부가가치 시장의 수요증가가 전체 금속가공산업의성장을 견인하고 있다. 제품군으로는 소성가공 및 절삭가공을 기반으로 하는 기계, 자동차, 철도, 에너지, 플랜트, 항공, 조선분야에 활용되는 볼트, 너트, 베어링, 기어, 밸브, 단조 부품류, 절삭 부품류, 프레스, 금형 재품 등이다.
금속가공산업의 특징은?
금속가공산업은 광범위한 산업에 필요한 융 · 복합 기술 분야로 산업수요가 점차 증가하고 있는 전통 제조산업과 첨단 산업의 중간단계에 위치해 있으며, IT산업을 포함한 전자산업과 항공우주 및 수송기계 산업관련 고부가가치 시장의 수요증가가 전체 금속가공산업의성장을 견인하고 있다. 제품군으로는 소성가공 및 절삭가공을 기반으로 하는 기계, 자동차, 철도, 에너지, 플랜트, 항공, 조선분야에 활용되는 볼트, 너트, 베어링, 기어, 밸브, 단조 부품류, 절삭 부품류, 프레스, 금형 재품 등이다.
참고문헌 (11)
Max Hansen, "Constitution of Binary Alloys" (McGraw-Hill Book Company, Inc., New York, 1958) p. 353.
M. Perez, F. Perrard, V. Massardier, X. Kleber, A. Deschamps, H. de Monestrol, P. Pareige and G. Covarel, "Low-temperature solubility of copper in iron: experimental study using thermoelectric power, small angle X-ray scattering and tomographic atom probe", Philos. Mag. A 85 (2005) 2197.
P.J. Othen, M.L. Jenkins and G.D.W. Smith, "High-resolution electron microscopy studies of the structure of Cu precipitates in ${\alpha}$ -Fe", Philos. Mag. A 70 (1994) 1.
L.S. Darken and R.W. Gurry, "The system iron-oxygen II. Equilibria and thermodynamics of liquid oxide and other phases", J. Am. Chem. Soc. 68 (1946) 798.
G. Bockstiegel, "Nature and causes of volume changes in the sintering of iron-copper and iron-copper-graphite powder compacts", Translated from Stahl Und Eisen 17 (1959) 1187.
N. Wanderka, U. Czubayko, V. Naundorf, V.A. Ivchenko, A.Ye. Yermakov, M.A. Uimin and H. Wollenberger, "Characterization of nanoscaled heterogeneities in mechanically alloyed and compacted CuFe", Ultramicroscopy 89 (2001) 189.
O. Drbohilav and A.R. Yavari, "Mechanical alloying and thermal decomposition of ferromagnetic nanocrystalline f.c.c.- $Cu_{50}Fe_{50}$ ", Acta Metall. Mater. 43 (1995) 1799.
Y. Yang, Y. Zhu, Q. Li, X. Ma, Y. Dong, G. Wang and S. Wei, "Mechanical alloying, fine structure and thermal decomposition of nanocrystalline FCC- $Fe_{60}Cu_{40}$ ", Physica B 293 (2001) 249.
J. Xu, G.S. Collins, L.S.J. Peng and M. Atzmon, "Deformation-assisted decomposition of unstable $Fe_{50}Cu_{50}$ solid solution during low-energy ball milling", Acta Mater. 47 (1999) 1241.
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