[논문]Cu-Al 마찰용접 접합부 계면에서 열처리에 따른 금속간화합물 성장

김기영; 최인철; 오명훈

doi:10.12656/jksht.2019.32.2.79

Cu-Al 마찰용접 접합부 계면에서 열처리에 따른 금속간화합물 성장
Growth of Intermetallic Compounds by Heat Treatment at Interface of Friction Welded Al-Cu System 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.32 no.2, 2019년, pp.79 - 85

김기영 (A.F.W(주)) , 최인철 (금오공과대학교 신소재공학부) , (오사카대학교 접합과학연구소) , 오명훈 (금오공과대학교 신소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

To investigate the influence of heat treatment on the growth intermetallic compounds (IMCs) at the joint interface of friction-welded Cu-Al, several heat treatments are performed at three different temperature with different times. The experiments reveal three different IMCs layers which are significantly influenced by atomic diffusion of Cu and Al with heat treatment conditions. Since the formation of these IMCs layers can affect mechanical properties of friction-welded Cu-Al interfaces, the relationship between the microstructure of IMCs layers and the tensile strength is analyzed according to heat treatment temperature and times.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Binary alloy phase diagram of Al-Cu [13].
표 Table 1. Chemical compositions of C1100 and A3003 used in this study
그림 Fig. 2. Shape and dimension of tensile specimen.
그림 Fig. 3. IMC thickness by heat treatment conditions.
표 Table 2. SEM image of friction welded interface (heat treatment at 350°C, 400°C, 450°C)
그림 Fig. 4. Friction welded joint interface (heat treatment at 400°C, 120 hr).
그림 Fig. 5. EDS elemental mapping image of the Cu-Al interface which is heat-treated at 400°C, during (a) 24 hr, (b) 120 hr, (c) 216 hr. The Cu and Al elements are indicated by Green and red colors, respectively.
표 Table 3. Al-Cu composition ratio of IMC layer marked
그림 Fig. 6. Stress-strain curves under three different heat treatment times at 400°C.
표 Table 4. Comparison of tensile strength with heat treatment conditions

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 이를 극복하기 위해서는 용접 후에 형성된 금속간화합물층의 성장과 Cu-Al 계면에서의 기계적 특성 사이의 관계에 대한 충분한 이해가 필요하다. 본 연구에서는 Cu-Al 마찰용접 부품을 대상으로 온도와 시간의 변화에 따른 접합부 계면의 금속간화합물 성장 거동이 Cu-Al 마찰용접부의 기계적 강도에 미치는 영향을 조사하고 이를 미세조직의 변화와 연계하여 분석하였다.

제안 방법

Cu-Al 마찰용접 부품에서 금속간화합물 층의 성장이 접합부의 기계적 강도에 미치는 영향을 검토하기 위하여 400℃의 온도에서 12 hr, 24 hr, 48 hr 동안 열처리하였다. 각 조건별로 인장실험(OUT-2, ORIENTAL TM, A.
Cu와 Al 이종재료를 마찰용접을 이용하여 접합한 후 열처리를 수행하여 접합 계면에서 일어나는 금속간화합물의 성장 거동에 관하여 관찰한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
온도와 시간 변화에 따른 금속간화합물의 성장 거동에 대한 비교 평가를 위하여 마찰용접 시편을 열처리 후 각 시편을 1 µm까지 미세연마 하였다. SEM(JSM-6380, JEOL, Tokyo, Japan)분석을 통하여 성장한 금속간화합물의 두께를 측정하였으며, EDS의 점분석으로 계면에서 발생 된 각 층의 성분비와 상을 확인하고, 면 맵핑을 통하여 Al과 Cu에 대한 확산 정도를 확인하였다.
온도와 시간 변화에 따른 금속간화합물의 성장 거동에 대한 비교 평가를 위하여 마찰용접 시편을 열처리 후 각 시편을 1 µm까지 미세연마 하였다. SEM(JSM-6380, JEOL, Tokyo, Japan)분석을 통하여 성장한 금속간화합물의 두께를 측정하였으며, EDS의 점분석으로 계면에서 발생 된 각 층의 성분비와 상을 확인하고, 면 맵핑을 통하여 Al과 Cu에 대한 확산 정도를 확인하였다.
이상과 같이 열처리로 인해 발생한 금속간화합물 각 층의 Al, Cu 성분비와 상을 알아보기 위해 400℃에서 120 hr 동안 열처리한 시편으로 EDS 점 분석을 실시하였으며, 그 결과치를 Fig. 4와 Table 3에 나타내었다.
주어진 열처리 조건별로 각각 3개의 시험편을 사용하여 인장시험을 실시하였고, 이로부터 얻어진 열처리 시간에 따른 응력-변형률 곡선 변화와 최대 인장 강도를 Fig. 6과 Table 4에 각각 나타내었다.
Cu-Al 마찰용접 부품을 전력용으로 사용할 때에는 부하열에 의해 금속간화합물이 형성될 수 있다. 하지만, 실제 운용조건에서 발생하는 부하열에 의한 온도증가 범위에서는 금속간화합물의 형성 및 성장 속도가 느리기 때문에, 이를 가속화시키기 위하여 실제 운영 환경보다 상대적으로 높은 온도 범위에서 열처리를 진행하였다. 즉, 전기로에서 350℃, 400℃, 450℃의 온도로 대기중에서 각각 열처리하였으며, 열처리 시간은 3 hr, 12 hr, 24 hr, 48 hr, 120 hr, 216 hr로 하였다.

대상 데이터

2 mm로 가공하였다. Al은 A3003-O 합금으로 직경 12 mm 봉재를 사용하였다.
본 연구에 사용된 재료는 Cu와 Al이며 각 재료의 화학성분은 Table 1과 같다. Cu는 C1100 재질의 봉형 소재로서 99.

이론/모형

Cu의 확산 속도가 Al의 확산 속도에 비해 빠르기 때문에 Cu가 Al 쪽으로 이동하여 void가 생긴 것을 확인하였다. 이는 두 금속의 확산 속도가 서로 다를 때, 두 금속간 경계면은 확산 속도가 큰 금속 쪽으로 옮겨가게 되는 Kirkendall Effect가 본 실험에서도 적용된 것으로 판단된다[10]. 확산계수의 크기는 원자 이동의 속도를 나타내며, 모원자, 불순물 원자의 종류와 온도에 영향을 받는다[4].

성능/효과

1. Cu-Al 접합 계면에서는 열처리 온도와 시간의 변화에 따라 금속간화합물의 두께가 다르게 성장하였다.
2. 금속간화합물의 생성 및 성장은 원자의 확산에 영향을 받으며, 온도의 증가에 따라 금속간화합물의 성장이 더욱 빠르게 촉진되는 것을 확인하였다.
3. 금속간화합물의 성장이 열처리 온도 및 시간에 따른 기계적 강도의 변화에 크게 영향을 주는 인자라는 것을 확인할 수 있었다.
1과 Fig. 3에서도 알 수 있듯이 열처리 온도가 높을수록 금속간화합물 층의 성장 정도는 더 크게 나타나는 경향이 있는 반면에 열처리 시간이 길어질수록 두께 변화의 폭은 점점 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
열처리 온도가 증가함에 따라 금속간화합물 층 두께가 성장하는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 EDS 맵핑분석을 통해 Cu와 Al 원자의 이동을 확인하였는데, 이 분석을 통하여 금속간화합물이 발생한 구간에서 원자의 이동이 이루어진 것을 확인할 수 있다. Cu의 확산 속도가 Al의 확산 속도에 비해 빠르기 때문에 Cu가 Al 쪽으로 이동하여 void가 생긴 것을 확인하였다.
또한, 열처리 시간이 증가할수록 Cu와 Al이 혼합된 영역이 넓어지는 것으로 보아 금속간화합물이 이 두 가지 원자들의 확산과 동시에 각각의 원자 분율에 맞추어서 성장한 것이라고 볼 수 있다. 따라서 Al 모재에 가깝게 형성된 금속간화합물은 다른 금속간화합물 상에 비해서 상대적으로 Al이 차지하는 비율이 Cu보다 많고, 그 계면이 우측으로 갈수록 상대적으로 Cu의 비율이 높아지게 됨으로서 Al₂Cu(θ), AlCu(η₂), Al₂Cu₃(δ) 상의 순서로 금속간화합물이 형성된 것이라고 판단된다.
금속간화합물 층에 대한 EDS 면맵핑 사진으로부터 Al과 Cu가 서로 혼재되어있는 구간을 확인할 수 있으며, 이는 형성된 서로 다른 3가지 금속간화합물 층이 열처리 과정 중 원자의 상호확산에 따라서 형성된 것임을 뒷받침해준다. 또한, 열처리 시간이 증가할수록 Cu와 Al이 혼합된 영역이 넓어지는 것으로 보아 금속간화합물이 이 두 가지 원자들의 확산과 동시에 각각의 원자 분율에 맞추어서 성장한 것이라고 볼 수 있다. 따라서 Al 모재에 가깝게 형성된 금속간화합물은 다른 금속간화합물 상에 비해서 상대적으로 Al이 차지하는 비율이 Cu보다 많고, 그 계면이 우측으로 갈수록 상대적으로 Cu의 비율이 높아지게 됨으로서 Al₂Cu(θ), AlCu(η₂), Al₂Cu₃(δ) 상의 순서로 금속간화합물이 형성된 것이라고 판단된다.

후속연구

1절에서 관찰되었던 금속간화합물 층이 성장하게 되는데, 이와 같은 금속간화합물은 소성변형을 수용하기가 매우 어렵고 파괴인성이 매우 낮기 때문에 접합부의 강도 저하에 큰 영향을 주었을 것으로 판단된다[9]. 하지만, Cu-Al에서 형성될 수 있는 다양한 금속간화합물 중에 어떠한 상이 Cu-Al 마찰 용접부의 기계적 강도를 저하시킬 수 있는지에 대한 이해는 부족하기 때문에 후속 연구에서 보다 세밀한 분석이 진행되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	금속간화합물 내부에서 취성파괴를 극복하기 위한 노력은?	5 µm 이상으로 성장하게 되면 금속간화합물 내부에서 취성파괴가 발생할위험이 있는 것으로 알려져 있다[9]. 따라서 이를 극복하기 위해서는 용접 후에 형성된 금속간화합물층의 성장과 Cu-Al 계면에서의 기계적 특성 사이의 관계에 대한 충분한 이해가 필요하다. 본 연구에서는Cu-Al 마찰용접 부품을 대상으로 온도와 시간의 변화에 따른 접합부 계면의 금속간화합물 성장 거동이Cu-Al 마찰용접부의 기계적 강도에 미치는 영향을 조사하고 이를 미세조직의 변화와 연계하여 분석하였다.
	금속간화합물의 단점은?	1과 같이 두 재료의 용융온도 차이 등으로 인한 금속간화합물(Intermetallic Compounds, IMC)층의 발생이 쉬워진다[3]. 일반적으로 금속간화합물은 인성이 매우 낮아 인장강도와 충격강도가 급격하게 낮아지며 따라서 구조물에의 적용이 어려워지는 단점이있다[4]. 그러나 이종재료의 접합에 압접 방식을 사용하게 되면 용접부에 금속간화합물이 생성되는 경우에도 용접면에 작용하는 압력에 의해 용접부로부터용접 비드(Weld Flash)의 형태로 금속간화합물 층이효과적으로 배출되어 용접부 성능이 양호하게 된다[5].
	void가 생기는 이유는?	그리고 EDS 맵핑분석을 통해 Cu와 Al 원자의 이동을 확인하였는데,이 분석을 통하여 금속간화합물이 발생한 구간에서원자의 이동이 이루어진 것을 확인할 수 있다. Cu의 확산 속도가 Al의 확산 속도에 비해 빠르기 때문에 Cu가 Al 쪽으로 이동하여 void가 생긴 것을 확인하였다. 이는 두 금속의 확산 속도가 서로 다를때, 두 금속간 경계면은 확산 속도가 큰 금속 쪽으로 옮겨가게 되는 Kirkendall Effect가 본 실험에서도 적용된 것으로 판단된다[10].

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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