[논문]Cu-Fe 합금에서 소성변형과 어닐링 공정조건이 인장강도와 전기전도도에 미치는 영향

우창준; 박현균

doi:10.12656/jksht.2019.32.3.107

Cu-Fe 합금에서 소성변형과 어닐링 공정조건이 인장강도와 전기전도도에 미치는 영향
Effect of Plastic Deformation and Annealing Process Parameters on Strength and Electrical Conductivity of Cu-Fe Alloys 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.32 no.3, 2019년, pp.107 - 112

우창준 (한국산업기술대학교 신소재공학과) , 박현균 (한국산업기술대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In order to investigate the effect of plastic deformation and annealing process parameters on strength and electrical conductivity of Cu-Fe alloys, Cu-10wt%Fe, Cu-15wt%Fe alloys were drawn up to ${\eta}=4$ and annealed in the temperature range of $300^{\circ}C$ to $700^{\circ}C$, followed by measurements of tensile strength and electric conductivity. As draw strain increases, tensile strength increases while electrical conductivity decreases. These observations result from reduction of dislocation density and decrease in Fe fiber spacing. Raising annealing temperature brought about decrease of tensile strength and increase of electrical conductivity up to $500^{\circ}C$, being followed by decreasing above $500^{\circ}C$. Such results are thought to be caused by decrease of dislocation density below $500^{\circ}C$ and rapid solubility increase of Fe in Cu above $500^{\circ}C$. For the purpose of obtaining both high strength and high conductivity, annealing process should be incorporated just prior to reaching to final draw strain. For Cu-10wt%Fe alloy, the tensile strength 706.9 MPa and the electrical conductivity 54.34%IACS were obtained through the processes of drawing up to ${\eta}=3$, annealing at $500^{\circ}C$ for 1 hour and additional drawing up to total strain of ${\eta}=4$.

주제어

표/그림 (7)

표 Table 1. Diameter variation of Cu-Fe wire corresponding to draw strain
그림 Fig. 1. Property change with draw strain (a) Tensile strength, (b) Electrical Conductivity (%IACS).
그림 Fig. 2. Property change with draw strain (a) Average distance between Fe fibers, (b) Average width of Fe fiber.
그림 Fig. 3. Property change with annealing temperature (a) Tensile strength, (b) Electrical Conductivity (%IACS).
그림 Fig. 4. Property change with annealing temperature (a) Average distance between Fe fibers, (b) Average width of Fe fiber.
그림 Fig. 5. Property change with annealed draw strain (a) Tensile strength, (b) Electrical Conductivity (%IACS).
그림 Fig. 6. Property change with annealed draw strain (a) Average distance between Fe fibers, (b) Average width of Fefiber.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 인발변형율과 어닐링 온도에 따른 인장강도, 전기전도도 변화와 중간 어닐링 공정의 공정상의 위치에 따른 전기적, 기계적 특성 변화를 연구하였다.

제안 방법

Cu-10 wt% Fe, Cu-15 wt% Fe 두 조성의 합금에 대하여 인발변형율과 어닐링 온도에 따른 인장강도, 전기전도도 변화와 중간 어닐링 공정의 공정상의 위치에 따른 전기적, 기계적 특성 변화를 연구하였다. 얻어진 주요결과를 요약하면 아래와 같다.
017241 Ω·m를 나누고 100을 곱해 백분율로 환산하였다. Fe 섬유간 거리와 Fe 섬유 폭측정을 위해 광학현미경으로 관찰 된 미세조직 사진을 지나는 수직선을 5개 그어 수직선과 만나는 Fe섬유간 거리와 Fe 섬유 폭의 평균 길이를 계산하였다.
그리고 중간 어닐링의 인발공정상의 위치에 따른 특성변화를 알아보기 위해 η=1,2,3으로 인발 된 시편을 각각 500℃에서 어닐링 한 뒤 추가적으로 직경 ∅0.5 mm까지 인발한 후 특성을 평가하였다.
냉간가공에 의한 철 조직의 형태변화와 인장강도, 전기전도도 변화를 보기 위해 인발을 진행하였다. 인발변형율 η＝ln(A₀/A_f)로 나타내고 여기서 A₀는 CuFe 합금의 초기 단면적, A_f:는 Cu-Fe 합금의 인발후 단면적을 의미한다.
인가되는 하중(kg)을 시편의 단면적으로 나눠 인장강도로 환산하였다. 시험편의 전기전도도를 측정하기 위해 선저항 측정기를 사용하였다. Four-Point Probe 방식으로 측정했으며 측정의 신뢰성을 위해 30cm 이상의 시험편 양 끝에 집게 형태의 전류 송수신기에 물려 저항을 측정하였다.
어닐링 온도에 따른 특성변화를 관찰하기 위해 η=4로 인발한 시편을 100℃~700℃ 구간에서 100℃ 간격으로 어닐링하였다.
이때의 저항값을 R(저항)=ρ(비저항)·[L(길이)/S(단면적)]에 대입하여 비저항을 측정한 후 The International Annealed Copper Standard의 순 구리 비저항인 0.017241 Ω·m를 나누고 100을 곱해 백분율로 환산하였다.
인발공정과 어닐링 공정 후 시험편의 인장강도를 측정하기 위해 선재인장시험기를 이용하여 최대 인가 하중을 측정하였다. 인가되는 하중(kg)을 시편의 단면적으로 나눠 인장강도로 환산하였다.
주조된 시편을 30 mm × 120 mm × 10 mm(W × L × T)의 각재로 절단하고 선재압연기를 이용하여 단면이 4 mm × 4 mm(W × L)이 되도록 압연하였다.

대상 데이터

Cu-10 wt% Fe, Cu-15 wt% Fe 두 조성의 합금을 고주파 진공유도용해로를 이용하여 주조하였다. 주조된 시편을 30 mm × 120 mm × 10 mm(W × L × T)의 각재로 절단하고 선재압연기를 이용하여 단면이 4 mm × 4 mm(W × L)이 되도록 압연하였다.

이론/모형

시험편의 전기전도도를 측정하기 위해 선저항 측정기를 사용하였다. Four-Point Probe 방식으로 측정했으며 측정의 신뢰성을 위해 30cm 이상의 시험편 양 끝에 집게 형태의 전류 송수신기에 물려 저항을 측정하였다. 이때의 저항값을 R(저항)=ρ(비저항)·[L(길이)/S(단면적)]에 대입하여 비저항을 측정한 후 The International Annealed Copper Standard의 순 구리 비저항인 0.

성능/효과

(a)를 보면 변형율이 증가할수록 인장강도가 증가하는 것을 알 수 있으며 변형율 0에서 1이 될 때 즉 가공의 초기에 인장강도 증가폭이 가장 크다는 것을 알 수 있다.
1. 인발에 의한 냉간변형율 증가에 따라 인장강도가 증가하고 전기전도도는 감소했다. 이러한 결과는 Cu기지내 전위밀도증가와 Fe섬유간 거리가 감소에 기인하는 것으로 생각된다.
2. 어닐링 온도를 증가시킬 때 300℃ 이상의 온도에서 인장강도가 급격히 감소하기 시작하여 지속적으로 감소한다. 반면에 전기전도도는 500℃까지는 어닐링온도의 증가에 따라 증가하다가 이 온도를 넘게 되면 감소하기 시작한다.
3. Cu-Fe합금에서 높은 인장강도와 전기전도도를 얻기 위해서는 최종 목표로하는 인발 변형율에 이르기 바로 전에 어닐링을 하고 소량의 인발변형을 추가하여 최종 인발변형량에 이르는 전략이 필요하다. Cu-10wt%Fe합금의 경우 draw strain=4에 도달하고자 할 때 draw strain=3까지 인발한 후 500℃ 에서 1시간 어닐링하고 추가 인발을 하여 인장강도 706.
이상의 결과들을 종합해볼 때 일정한 draw strain에서 최적의 인장강도와 전기전도도를 얻기 위해서는 목표 draw strain보다 적은 strain까지 인발한 후 500℃에서 어닐링하고 추가 인발을 거쳐 최종 draw strain에 도달해야함을 알 수 있다. 본 실험조건에서 Cu-10wt%Fe합금의 경우 최적 공정은 draw strain=4에 도달하고자할 때 draw strain=3까지 인발한 후 500℃에서 1시간 어닐링하고 추가 인발을 하여 인장강도 706.9 MPa, 전기전도도 54.34%IACS값을 얻을 수 있었다.
이상의 결과들을 종합해볼 때 일정한 draw strain에서 최적의 인장강도와 전기전도도를 얻기 위해서는 목표 draw strain보다 적은 strain까지 인발한 후 500℃에서 어닐링하고 추가 인발을 거쳐 최종 draw strain에 도달해야함을 알 수 있다. 본 실험조건에서 Cu-10wt%Fe합금의 경우 최적 공정은 draw strain=4에 도달하고자할 때 draw strain=3까지 인발한 후 500℃에서 1시간 어닐링하고 추가 인발을 하여 인장강도 706.
이는 중간어닐링의 유무에 따라 Fe섬유폭에는 영향을 주지 않는다는 것을 알 수 있다. 이상의 결과로부터 어닐링후 전기전도도는 크게 증가하며 추가 strain이 적을수록 전기전도도의 손실이 적음을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기전도성이 뛰어난 동합금을 사용하는 이유는?	산업발전에 따라 최근의 리드프레임, 커넥터, 다이오드 등의 반도체 부품이나 전선, 스위치 등의 전자 부품 소재는 높은 강도와 전기전도도를 지닌 소재를 요구하고 있다. 따라서 사용되는 소재는 일반적으로 가공성과 전기전도성이 뛰어난 동합금을 사용하여 왔는데, 순 구리는 강도가 낮기 때문에 이를 보완하기 위하여 제 2 또는 제 3의 원소를 합금하여 강도를 올려 사용해 왔다.
	베릴륨동, 크롬동의 특징은?	이 때 구리에 다른 원소가 들어 가면 전기전도도가 감소하므로 이 폐해를 최소화시키기 위해 타원소가 고용이 아닌 석출물의 형태로 존 재하게 하여 강도는 높이면서 전기 전도도의 저하를 최소화 하는 합금설계를 해왔다[1-3]. 이러한 개념에 기반하여 그동안 베릴륨동, 크롬동 등 여러 가지 동 합금이 개발되어 사용되어 왔는데, 대부분 강도, 전기전도도의 필요특성을 충족시키지 못하였으므로, 필요특성을 개선하기 위해 Cu-Ag, Cu-Nb계 합금을 개발하여 높은 강도와 전기전도도를 얻었다. 하지만 이 합금들에서는 합금원소의 희소성 및 비경제성 때문에 적용분야가 크게 제한되어 용이성 측면에서 첨가원소로 Fe를 이용한 합금의 개발에 대한관심이 고조되고 있다[4-8].
	순 구리가 강도가 낮다는 단점을 보완하는 방법은?	산업발전에 따라 최근의 리드프레임, 커넥터, 다이오드 등의 반도체 부품이나 전선, 스위치 등의 전자 부품 소재는 높은 강도와 전기전도도를 지닌 소재를 요구하고 있다. 따라서 사용되는 소재는 일반적으로 가공성과 전기전도성이 뛰어난 동합금을 사용하여 왔는데, 순 구리는 강도가 낮기 때문에 이를 보완하기 위하여 제 2 또는 제 3의 원소를 합금하여 강도를 올려 사용해 왔다. 이 때 구리에 다른 원소가 들어 가면 전기전도도가 감소하므로 이 폐해를 최소화시키기 위해 타원소가 고용이 아닌 석출물의 형태로 존 재하게 하여 강도는 높이면서 전기 전도도의 저하를 최소화 하는 합금설계를 해왔다[1-3].

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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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