Cu-Sn 합금의 시효거동에 미치는 Mg첨가의 영향

박성민 성균관대학교 일반대학원 2023 국내석사

주석동 (Cu-Sn) 합금은 우수한 열 및 전기전도도, 높은 내열성 및 내식성 때문에 전기차 연결 커넥터 및 IoT기기 충전 단자 등으로 활용되고 있다. 그러나 반복적인 충전과 고속 충전으로 인해 커넥터 연결단자의 내연화 온도 및 내구성이 감소하게 되며 최종적으로 충전 효율 저하를 초래한다. 본 연구에서는 기존 주석동 합금에 극소량의 Mg을 첨가한 Cu-Sn-Mg 합금의 시효 열처리 동안 기계적 물성 및 전도도의 변화를 측정하였으며 미세조직 분석을 통해 미세조직과 기계적·전기적 물성간의 상관관계를 조사하였다. 3kg급 소형진공주조용해장비 (VIM, Vacuum Induction Melting) 를 활용하여 주석동 합금과 Cu-Sn-Mg 합금을 각각 제작하였으며 900℃ 에서 4시간 용체화 처리 후 수냉하였다. 용체화 처리 후 압하율 80%까지 냉간압연하였으며, 다양한 온도 (300℃ ~ 550℃)와 시간 (최대 24시간)에서 시효 열처리를 수행하였다. 미세조직 분석을 위해 시험편의 TD (Transverse direction) 면을 연마하고 부식하였으며 광학현미경, SEM, EBSD 및 TEM을 이용하여 미세조직을 관찰하였다. 시효 열처리 동안에 형성된 석출상을 분석하기 위해 XRD와 EPMA를 활용하였다. 시효 열처리 조건에 따라 Vickers Micro경도와 전기전도도 측정기를 활용하였으며, 판상형 인장시편을 가공하여 상온에서 인장시험 후 항복강도, 인장강도, 연신률을 상대 비교하였다. 350℃에서 3시간 시효 열처리를 진행한 두 합금에서 압연 방향으로 길게 연신된 결정립들이 관찰되었으며 shear band가 국부적으로 형성되어 있다. 특히 Mg가 첨가된 Cu-Sn-P-Mg 합금에서는 약 1μm 크기를 가진 미세한 석출물들이 shear band 근처에 형성되어 있다. 400℃ 이상의 시효 열처리 온도에서는 두 합금에서 재결정된 미세조직이 형성되어 있으며 미세한 석출상들도 결정립 내와 입계에서 관찰되었다. EPMA 분석결과 미세한 석출상은 Mg와 P가 결합된 석출상으로 검출되었다. EBSD 측정을 통해 400℃ 시효 열처리 온도에서 평균 11 μm의 결정립 크기를 갖는 재결정된 미세조직을 관찰하였다. 반면에, 350℃에서도 압연재에 비교하여 낮은 KAM 값을 가지고 있으며 이는 회복과정을 의미한다[]. 더욱이 회복과정에서 경도가 압연재에 비교하여 10Hv이상 높으며 Mg-P 석출거동이 회복과정에서 발생함을 알 수 있다. Cu-Sn-Mg 합금은 기존 주석동 합금과 비교하여 75%IACS로 유사한 전도도를 가지고 있으며 경도와 인장강도는 기존 주석동 합금에 비해 140Hv와 420MPa로 우수한 물성을 가지고 있다. 그러나 400℃ 시효 열처리 후 인장강도는 두 소재 모두 재결정 거동으로 인하여 유사한 결과를 나타내었다. 따라서 Cu-Sn-Mg 합금의 시효거동은 350℃에서 활발하게 발생하며 우수한 기계적 및 전기적 물성을 가지는 반면에 400℃ 이상의 온도에서는 재결정 거동으로 강도와 경도가 급격하게 감소하였다. 본 연구에서는 Cu-Sn-Mg 합금을 제작하여 다양한 조건의 시효열처리를 진행하였으며 350℃에서 3시간 시효 열처리 진행이 적절한 시효거동을 위한 조건으로 판단된다. Cu-Sn alloys had excellent conductivity with moderate strength, results in poor softening temperature. Here, we propose a novel durability and softening temperature of Cu-Sn alloys. In the present study, the variations in mechanical properties and conductivities of Cu-Sn alloys and Cu-Sn-Mg alloys during aging heat treatment were relatively compared, and the correlation between microstructure and mechanical properties and conductivities was investigated. A 3kg class VIM (Vacuum Induction Melting) was used to manufacture the Cu alloy, after solution treatment, cold rolling was carried out up to 80% reduction rate, and the aging heat treatment was performed at various ranges (300℃ ~ 550℃) and up to 24 hours. In the Cu-Sn-Mg alloys, fine precipitates with a size of approximately 1μm were formed near the shear band. At an aging temperature above 400℃ recrystallization microstructures were formed in both alloys, and fine precipitates were observed in grains and at grain boundaries. The microstructural differences between the alloys aged at 350℃ for 3 hours and the rolled alloys were not significant, and the aged alloys had lower EBSD-KAM values than the rolled alloys. The aging temperature of 350℃ means the recovery step for Cu-Sn-Mg alloys, It means that the precipitation behavior for the Cu-Sn-Mg alloy occurred preferentially compared to recovery by heat treatment. Two alloys showed similar strength and conductivity after heat treatment at 400℃ for 3 hours due to the recrystallization. The Cu-Sn-Mg alloy has superior strength and good conductivity than Cu-Sn alloy because the precipitation behavior leads to Mg3P2 precipitates.

가스분사법으로 제조된 마그네슘 합금분말의 성형·소결 및 시효특성에 관한 연구

이두형 한국항공대학교 대학원 2010 국내석사

본 연구에서는 가스분사법으로 제조한 마그네슘 합금 분말을 다양한 조건에서 성형·소결처리 한 후 시효처리를 하여 석출거동에 따른 경도 및 미세조직의 특성을 조사·분석하였다. . 가스분사법으로 제조된 분말은 표면이 매끄럽고 형상인자가 0.96으로 거의 구형에 가까운 형상을 나타내었다. 분말은 1∼100㎛의 크기 분포를 보였으며, 평균 입도는 약 37㎛ 이었다. . Mg-6wt%Al-1wt%Zn 분말합금을 각기 다른조건에서 성형 및 소결공정 후 시효처리하여 미세조직 및 경도변화를 조사 및 분석하였다. 성형 후 소결한 시편의 입도는 초기분말과 거의 비슷한 크기를 보인 반면에 소결한 시편은 소결하지 않은 시편보다 더 큰 입도를 보였다. 320℃의 고온에서 성형된 시편이 상온에서 성형된 시편보다, 소결되지 않은 시편이 소결된 시편보다 더 높은 경도를 각각 보였다. 특히 고온성형 후 소결하지 않은 시편이 가장 높은 초기경도를 보였고, 소결한 시편보다 빠른 시효시간에 최대경도를 보였으며 현저한 시효경화 특성을 나타내었다. XRD 분석결과, 소결하지 않은 시편에서는 α-Mg과 β-(Mg17Al12)가 검출된 반면에 소결한 시편에서는 α-Mg만이 검출되었다. TEM 분석결과 고온 성형 후 소결하지 않은 시편에서 현저한 미세한 석출물의 형상이 관찰되었다. . 분말 Mg-6wt%Al-1wt%Zn 합금 중 최적의 공정조건을 선정하여 주조합금과 비교·분석하여 성형에 의해 도입된 내부응력이 석출경화에 미치는 영향에 대하여 알아보았다. 320℃에서 700MPa의 압력으로 10분간 성형한 후의 분말합금 입도는 약 40㎛로 주조 합금보다 미세하였으며, 약 93%의 높은 성형 밀도를 보였다. 시효 전 경도는 주조 Mg-6wt%Al-1wt%Zn 합금보다 분말 Mg-6wt%Al-1wt%Zn 합금이 더 높았고, 특히 분말 Mg-6wt%Al-1wt%Zn 합금은 8시간의 짧은 시간의 시효 후에 최대경도를 보였다. TEM 관찰 결과, 단시간의 시효처리 후 주조합금에서는 새로운 미세 석출물이 관찰되지 않았으나, Mg-6wt%Al-1wt%Zn 분말합금에서 많은 미세한 석출물이 관찰 되었다. In this study, the Mg-6wt%Al-1wt%Zn alloy powders were produced by gas atomization, and subsequently compacted and sintered under various conditions. The gas atomized Mg-6wt%Al-1wt%Zn alloy powders had a near spherical morphology with a smooth surface and are approximately between 1 and 100 μm in diameter. The powder compacted at RT and 320℃ was almost same grain size as the initial powders, while the samples had larger grain size. The samples compacted at 320℃ showed good hardness compared to the sample compacted at RT and the compacted samples had higher hardness than the sintered samples. The sample compacted at 320℃ and sintered at 420℃ showed the peak hardness after ageing for 8h. The samples contained α-Mg and β-(Mg17Al12) phase in substrate, while the β-(Mg17Al12) phase was not detected in the sintered samples. The sample only compacted at 320℃ was observed in the new fine precipitations. From these results, it is considered that the compaction in effective high temperature to accelerate the ageing behavior of magnesium alloy powders. powder alloy reached at the peak hardness faster than cast alloy because internal stress generated by hot compaction promotes the nucleation. The aging characteristics of gas atomized Mg-6wt%Al-1wt%Zn alloy were compared to those of cast Mg-6wt%Al-1wt%Zn alloy. After compaction under the pressure of 700MPa at 320 °C for 10min, the Mg-6wt%Al-1wt%Zn alloy showed a grain size of approximately 40μm which is smaller than that of the cast Mg-6wt%Al-1wt%Zn alloy, and a density of approximately 93%. After ageing, the Mg-6wt%Al-1wt%Zn alloy showed much faster peak hardness than cast Mg-6wt%Al-1wt%Zn alloy. The Mg-6wt%Al-1wt%Zn alloy showed the new fine precipitations with ageing time, while the cast Mg-6wt%Al-1wt%Zn alloy was almost similar morphology.

Calorimetric Study of Aging Behavior in Al-Zn-Mg-Cu-(Sc) Alloys

문호정 전북대학교 2001 국내석사

Al 합금에서 Sc은 우수한 시효합금으로 안정한 정합의 Ll_2 구조를 가지는 Al_3Sc 상을 석출하는 것으로 알려져 있다. 이 Al_3Sc상의 석축은 결정립을 미세화하고 경도를 증가시키며 재결정과 응력부식균열을 억제시키며 용접성을 향상시키고 인장성질 개선과 초소성에도 영향을 주는 것으로 알려져 있다. 하지만 이러한 우수한 시효능력에도 불구하고 Sc의 가격이 고가라는 단점으로 인하여 아직까지 그 연구는 몇몇에 불과하다. 더군다나 이제까지의 연구는 Al-Sc 2원계 합금, Al-Mg-Sc 3원계, 그리고 2XXX계 Al 합금에 편중되어 있었고, 아직까지 고력합금인 7XXX계 Al합금에서 석출거동의 해명이다. Sc을 첨가함으로써 일어나는 현상을 고력합금으로 널리 알려진 7001 Al합금과 비교 연구하였다. 경도측정과 인장시험을 실시하여 기계적 성질을 조사하였고, 인장시험후 시편의 파면을 SEM을 통하여 관찰하였다. 특히, 각 온도단계에서 일어나는 GP zone, η', η상등의 석출물들의 거동을 열분석을 통하여 알아보고 Sc이 이에 미치는 영향을 고려하였으며, 이를 뒷받침하기 위하여 투과전자현미경을 이용하여 그 석출거동을 증명하였다. 본 연구에서는 120, 160, 180℃에서 T-A_1A_2(2단시효) 열처리를 한 경우 Sc을 첨가한 7XXX Al합금이 7001 Al 합금보다 HRB 스케일에서 20이상 더 좋은 값을 나타냈고 인장성질 또한 향상되었다. 열분석 결과 본 연구에서 사용된 두 합금 모두 GP zone은 상온에서 주 강화상이었고, η' 상은 100℃이하의 저온에서, η상은 160℃이상의 고온에서의 주 강화상이었다. Sc을 첨가한 7XXX계 합금은 비교재인 7001 Al합금에 비해 GP zone, η', η상의 활성화에너지가 적은 것으로 볼 때 직접적인 비교는 어렵지만 Sc의 첨가로 인하여 석출물들의 생성에 기여하는 것으로 사료되었다. In the Al alloy, Sc is known to superior aging alloy element that it precipitates the Al_3Sc phase which has the stable coherent Ll_2 structure. This precipitation of the Al_3Sc phase minimizes the grain, increase the hardness, retards the recrystallization, and improves the welding property and corrosion resistance. It also affects the improvement of the tension property and superplastic. Despite the superior aging ability, it is very hard to find the study for the Sc due to its high price. Besides, the study so far was inclined toward the Al-Sc binary system, the Al-Mg-Sc ternary system and the 2XXX system Al alloy. There was no report about the precipitation behavior of the Sc in the 7XXXX system which is the high strength alloy. Therefore, the principal purpose of this study is the explanation of the precipitation behavior in the 7XXX system Al alloy through the DSC(Differential Scanning Calorimeter). The phenomenon occurring as adding the Sc was compared with the 7001 Al alloy known for the high strength alloy. The mechanical properties was investigated by the hardness measurement and tensile test. After tensile test, the fracture surface of specimens was observed by SEM. Especially the precipitation behavior of the GP zone, η' η phase occurring in each temperature was investigated through the DSC(Differential Scanning Calorimeter) and the affection of the Sc in this behavior was considered. To support this fact, the TEM is used to prove the precipitation behavior. In this study, when the T-AlA2 heat treatment was executed at 120, 160, 180℃, 7XXX Al alloy added the Sc showed the better hardness in HRB scale compared with the 7001 Al alloy by above 20 and the tension property was improved. As the result from the DSC(Differential Scanning Calorimeter), in both alloy used in this study, GP zone was the principal strengthening phase at the room temperature, η' phase was principal strengthening phase at the low temperature under 100℃ and the η phase was principal strengthening phase at the high temperature above 160℃. 7XXX system alloy added the Sc had a less activation energy of the GP zone, η', η phase compared the 7001 Al alloy. So it was thought that the adding the Sc contributed the generation of the precipitative materials.

Isothermal age-hardening behaviour in a dental Ag-Pd-Cu alloy

이정은 부산대학교 2005 국내박사

Isothermal age-hardening behaviour and the associated phase transformation of a Cu-containing Ag-Pd dental alloy of composition, 58.5 wt% Ag - 27.4 wt% Pd - 10.5 wt% Cu - 2.0 wt% Au, were investigated by means of hardness test, X-ray diffraction (XRD) study, scanning electron microscopic (SEM) observations and electron probe microanalysis (EPMA). The obtained results are summarized as follows. 1. By the isothermal ageing at 350∼450℃ of the specimen solution-treated at 900℃, the hardness began to increase gradually and continued to increased markedly in the early stage of ageing, and reached a maximum value. Thereafter, the hardness decreased slowly for a time and then continued to decrease rapidly by prolonged ageing. 2. By the isothermal ageing at 350∼450℃ of the specimen solution-treated at 900℃, two phases of the solid solution α phase with a face-centered cubic (f.c.c.) structure and the β phase with a body-centered cubic (b.c.c.) structure based on the ordered CuPd phase were transformed into three phases of the Ag-rich α1 phase with a face-centered cubic (f.c.c.) structure, the β' phase with a different lattice parameter from the β phase, and the β phase. 3. The initial hardening was attributed to the broad precipitation of the very fine nodular structure composed of the Ag-rich α1 phase and the β' phase from the grain boundaries of the α phase. 4. The softening with overageing occurred following prolonged ageing was due to the coarsening of the fine nodular precipitates in the α phase. 5. Age-hardening of this Cu-containing Ag-Pd dental alloy was characterized by a two-phase decomposition of the α phase into the Ag-rich α1 phase and the ordered CuPd phase. 조성이 58.5 wt% Ag - 27.4 wt% Pd - 10.5 wt% Cu - 2.0 wt% Au인 치과용 Ag-Pd-Cu 합금의 등온시효경화 거동과 상 변태와의 관계를 경도 시험, X-선회절 실험, 주사전자현미경 관찰 그리고 전자탐침 미소분석으로 조사하여, 다음과 같은 결과를 얻었다. 1. 900℃에서 용체화처리된 시편을 350~450℃에서 등온시효처리하면, 경도가 시효 초기에 완만한 상승을 시작하다가 급격히 상승하여 최고 경도치에 도달하였다. 그 후, 경도가 일정 기간 서서히 하강하다가 시효처리 시간을 연장함에 따라 급격하게 하강하였다. 2. 900℃에서 용체화처리된 시편을 350~450℃에서 등온시효처리하면, 면심입방격자 구조로 된 α 고용체의 상과 체심입방격자 구조로 된 CuPd 규칙상의 β상의 2상이 면심입방격자 구조로 된 Ag-rich α₁상, β상과 격자정수가 다른 β'상 그리고 β상의 3상으로 변태하였다. 3. 초기 경화는 α상의 입계로부터 Ag-rich α₁상과 β'상으로 된, 아주 미세한 nodule 상의 석출물의 생성에 기인하였다. 4. 시효처리 시간을 연장함에 따라 생기는 과시효 연화는 α상에서 미세한 nodule 상의 석출물의 조대화에 기인하였다. 5. 본 연구에 사용된 치과용 Ag-Pd-Cu 합금의 시효경화 특성은 α상이 Ag-rich α₁상과 CuPd 규칙상으로의 2상 분해를 도입한 것이었다.

Phase transformation and microstructural changes related to age-hardening behavior of an Au-Ag-Cu alloy for dental use

김태완 부산대학교 2013 국내석사

조성이 35.9Au-29.4Ag-27.57Cu-4.9Pd-1.9Zn (at.%)인 치과용 금합금의 시효경화거동과 관련한 상변태와 미세구조의 변화를 규명하기 위해서 시효경화거동, 상변태, 미세구조 및 원소 분포를 조사하여, 다음과 같은 결과를 얻었다. 1. 시효열처리에 의해 경도는 잠복기 없이 빠르게 상승하였는데, 이는 모상의 Ag-rich' 준안정상과 Cu-rich' 준안정상으로의 스피노달분해에 의한 빠른 원자확산에 기인하였다. 2. 초기의 빠른 경도상승에 이은 꾸준한 경도상승은 Ag-rich' 준안정상과 Cu-rich' 준안정상이 Ag-rich 안정상과 AuCu I' 준안정상을 거친 AuCu I 규칙상으로의 상변태에 기인하였다. 3. 상변태에 의해 경도가 상승하는 동안, 미세하고 정합성이 높은 블록구조가 입내에 형성되었으며, 이는 다시 미세한 cross-hatched 구조로 바뀌었다. 4. 입내의 경도가 최고치에 도달되기 전에 Ag-rich 안정상과 AuCu I 규칙상으로 이루어진, 상대적으로 조대한 층상구조가 입계에서부터 성장하기 시작하면서 시편의 연화가 시작되었다. 5. 스피노달분해는 시편의 빠른 초기 경화에 기여하였고, 이후에 일어난 AuCu I 형 규칙화는 경도의 꾸준한 상승에 기여하였고, 또한 층상구조를 형성하는 입계반응을 유도하였다.

급냉응고된 Al-Li-Cu-Mg-Zr 합금의 시효거동에 관한 연구

남동희 부산대학교 1991 국내석사

Cu-0.32wt% Be-1.6wt% Co 合金의 時效擧動에 關한 硏究

김종인 仁荷大學校 1993 국내석사

급냉응고된 Al-Li-Cu-Zr 합금의 시효거동에 관한 연구

김순호 부산대학교 1991 국내석사

경사냉각판에 의해 제조된 반응고 AZ91 Mg 합금의 미세조직 및 시효거동

박중민 경상대학교 2005 국내석사

The semi-solid process works best with a material having spherical grains, which can be produced by applying mechanical or electro-mechanical stirring by destroying the dendritic structure during alloy solidification. However, the stirring method accompanied by inevitable energy consumption during the stirring, and increases the production fee. In this study, the semi-solid AZ91 billet was fabricated by non-stirring method characterized by using a cooling plate. It is found that the AZ91 Mg alloy has the finest primary α size when the cooling plate angle is 20°, pouring temperature is 620℃ and melt contacting length is 30cm. At this optimum condition, the solid volume fraction is 80%. The effects of the microstructural variation on heat treatment were investigated. The semi-solid AZ91 which was fabricated by cooling plate, had more homogeneous distribution of eutectic phases. It was found that the such microstructure was beneficial for heat treatment. At least, the heat treating time was shorten.

熱分析法에 의한 7050 및 7075 알루미늄 合金의 時效擧動에 관한 硏究

박태원 釜山大學校 1985 국내석사