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physical properties of Cu-Ni-Si alloys

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Academic year: 2023

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Co 첨가 및 용체화 처리 온도가 Cu-Ni-Si 합금의 석출 거동 및 물리적 특성에 미치는 영향. 침전물 SADP(선택 영역 회절 패턴), (d) (e) 침전물 HRTEM(고해상도 TEM) 이미지.

서론

본 연구에서는 Co 첨가와 용체화 처리 온도에 따른 Cu-Ni-Si 합금의 석출 거동과 물성을 연구하였다. 경도, 전기 전도성, 연화 저항 온도 및 굽힘 가공성의 특성을 최적화하기 위해 용체화 처리 온도가 증착 거동 및 물리적 특성에 미치는 영향에 중점을 두었습니다.

이론적 배경

자동차용 커넥터

자동차용 커넥터 동합금의 특성

구리 연결 유형은 부품의 요구되는 특성과 커넥터의 용도 및 표준에 따라 다릅니다. 구리합금은 경도와 전기전도도가 반비례하기 때문에 이를 동시에 만족시키기는 매우 어렵다.

Table 3. 강화 기구에 따른 합금의 분류 [24]
Table 3. 강화 기구에 따른 합금의 분류 [24]

고기능성 동합금 개발 방향

구리합금의 강화 메커니즘은 표 3과 같이 분류된다. Cu-Fe-P 계열 구리합금에서는 Fe 및 P 석출물이 형성된다. [25] Corson 계열 구리합금은 Ni 및 Si 석출물을 형성하여 경도와 전기전도도를 동시에 향상시킨다. 시간.

석출경화형 동합금

석출 경화는 그림 4의 Orowan 메커니즘을 기반으로 운동 전위와 상호 작용합니다. 석출물은 전위의 이동을 방해하여 경도를 향상시킵니다. 침전물의 운동전위의 움직임을 억제하는 요인으로 침전물을 절단할 때 5가지 요인을 고려한다.

Figure 3. 동합금의 강화기구 [29]
Figure 3. 동합금의 강화기구 [29]

석출경화형 동합금의 전기전도도 변화

고용체 합금에서 석출물이 형성되는 동안 전기 전도도는 용질 원자가 매트릭스에서 석출물로 이동하는 속도와 매트릭스와 석출물 사이의 응집성 변형에 의해 결정되는 것으로 알려져 있습니다. 침전처리시 많은 용질원자가 침전물로 이동하므로 전기전도도가 증가하고, 침전물과 매트릭스의 응집성 변형이 전기전도도를 감소시키는 역할을 하므로 두 가지를 고려해야 한다.

Figure 7. 동합금의 첨가원소에 따른 전기비저항 변화 [38]
Figure 7. 동합금의 첨가원소에 따른 전기비저항 변화 [38]

석출경화형 동합금의 주요 조절 인자

일반적으로 석출처리 전의 소성변형은 석출율을 증가시켜 더 높은 강도를 얻게 된다. 침전처리 공정의 온도설정은 최종 물성을 확보하는데 가장 중요한 역할을 한다.

강도, 전기전도도와 석출물 크기의 상호 관계

그러나 Orown [43]에 따르면 석출물의 크기가 커질수록 강도가 감소하므로 강도와 전기전도도의 최적 조합이 필요하다. 석출 처리 온도에서의 석출물의 평형량에 대한 시간 t 동안 석출된 석출물의 부피 분율은 식 등을 이용하여 다음과 같다.

고체에서의 균일 핵성성 및 불균일 핵생성

그 양은 자유에너지와 조성으로부터 구할 수 있다. 포함사항 등 자유 에너지를 증가시킵니다.

Figure 8. 균일 핵생성에서 핵의 반경 (r) 에 따른 자유에너지 변화 [45]
Figure 8. 균일 핵생성에서 핵의 반경 (r) 에 따른 자유에너지 변화 [45]

Cu-Ni-Si 합금과 Cu-Ni-Si-Co 계 동합금

전기, 전자 및 자동차 연결에 사용되는 Cu-Ni-Si 합금. Cu-Ni-Si 합금에서 Ni 및 Si의 양이 증가하면 Ni2Si 석출량이 증가하고 인장 강도가 1GPa로 증가합니다. 최근에는 Cu-Ni-Si 합금에 Co를 소량 첨가하여 Cu-Ni-Si 합금의 강도와 전기전도도를 높이기 위한 여러 연구가 진행되고 있다.

Table 6. 전기전자, 자동차 커넥터용으로 사용되는 Cu-Ni-Si 합금
Table 6. 전기전자, 자동차 커넥터용으로 사용되는 Cu-Ni-Si 합금
  • 밀도범함수이론
  • 국소 밀도 근사 (LDA)
  • 국소 밀도 근사 (GGA)
  • 수도포텐셜 방법 (Pseudopotential Method)
  • Projector augmented wave method (PAW)

주변 전자로 인한 전자의 하티 전위. 교환 상관 에너지는 각 체적 요소 ���� 주변의 전자 밀도에만 의존합니다. 균일한 전자 가스의 전자당 교환 상관 에너지는 Mont Carlo 방법과 같은 다양한 근사 방법을 사용하여 계산되었습니다[53].

Figure 11. Kohn-Sham 방정식의 자기일치 과정의 개략도 [52]
Figure 11. Kohn-Sham 방정식의 자기일치 과정의 개략도 [52]

실험 방법

Cu-Ni-Si 합금의 석출거동 및 물성에 미치는 Co 첨가의 영향

전기 전도도는 Sigma 테스터를 사용하여 측정되었습니다. 이후 FE-SME(FEI, Quanta FEG650)를 이용하여 미세구조를 관찰하였다. 제1원리 계산은 PAW(Projector-Augmented Wave) 방법을 사용하여 VASP(Vienna Ab-Initio Simulation Package)로 수행되었습니다.

Figure 14. Ni 2 Si 및 인터페이스 모델 개략도
Figure 14. Ni 2 Si 및 인터페이스 모델 개략도

결과

Cu-Ni-Si 합금의 석출거동 및 물성에 미치는 Co 첨가의 영향

  • Cu-Ni-Si 합금에 Co 첨가에 따른 경도와 전기전도도
  • Cu-Ni-Si 합금에 Co 첨가에 따른 석출거동

이는 침전 처리 후의 BF(Bright Field) 이미지이고, (b)는 단면 A에서 확대한 HRTEM(High Resolution TEM) 이미지이고, (C)는 단면 A에서 침전물의 SADP(Selected Area Diffraction Pattern)이다. SADP(Selected Area Diffraction Patterns) 분석 결과, 침전물은 사방정계 결정구조를 갖는 (Ni,Co)2Si임을 확인하였다. 또한 Ni2Si 석출물과 동일한 결정 구조를 가지고 있습니다.

Figure 16. Cu-1.3Ni-0.3Si 합금과 Cu-1.3Ni-0.6Si-1Co 합금의 420 ℃ 에서 석출처리 시간에 따른 전기전도도 변화
Figure 16. Cu-1.3Ni-0.3Si 합금과 Cu-1.3Ni-0.6Si-1Co 합금의 420 ℃ 에서 석출처리 시간에 따른 전기전도도 변화

Cu-Ni-Si-Co 합금의 석출거동 및 물성에 미치는 용체화처리 온도의 영향 43

  • 용체화처리 온도에 따른 석출 거동
  • 용체화처리 온도에 따른 석출 처리 후 미세조직 변화

침전처리 초기에는 51% IACS까지 급격하게 증가한 후 전기전도도를 유지하였다. 용체화 처리 동안 상당한 양의 2차상이 존재하였다. 이는 Ni, Si 및 Co가 2차상의 낮은 용체화 처리 온도에서 Cu 매트릭스에 완전히 용해되지 않았음을 나타냅니다.

Figure 23. 용체화처리 온도 (950 ℃ x 30 초, 1050 ℃ 에서 30 초) 에 따른 최종압연, 석출처리 후 경도와 전기전도도 (a) 석출처리 시간에 따른 경도 변화,
Figure 23. 용체화처리 온도 (950 ℃ x 30 초, 1050 ℃ 에서 30 초) 에 따른 최종압연, 석출처리 후 경도와 전기전도도 (a) 석출처리 시간에 따른 경도 변화,

Cu-Ni-Si-Co 합금의 기타 특성

  • 내연화 온도
  • 굽힘가공성

일반적으로 Cu-Ni-Si 계열과 같은 석출경화형 합금은 석출처리 전 최종 압연에 따라 굽힘 가공성에 많은 차이를 나타내며 최종 압하율은 일반적으로 50% 이하로 설정된다. 본 논문에서는 공정설계에서 굽힘의 가공성을 확보하기 위해 최종감소율을 33%로 설정하였다. 석출강화 구리합금의 굽힘 가공성을 향상시키기 위해서는 조직의 제어가 필요하다.

Figure 30. Cu-1.3Ni-0.3Si 합금을 420℃ x 24 시간 석출 처리, Cu-1.3Ni-0.6Si-1Co 합금을 420℃ x 4 시간 석출 처리 후 내연화 온도
Figure 30. Cu-1.3Ni-0.3Si 합금을 420℃ x 24 시간 석출 처리, Cu-1.3Ni-0.6Si-1Co 합금을 420℃ x 4 시간 석출 처리 후 내연화 온도

고찰

  • Cu-Ni-Si 합금의 Co 첨가에 따른 석출거동에 미치는 영향
  • Cu-Ni-Si 합금의 Co 첨가에 따른 물리적 특성
  • Cu-Ni-Si-Co 합금의 용체화처리 온도가 석출거동에 미치는 영향
  • Cu-Ni-Si-Co 합금의 용체화처리 온도에 따른 특성에 미치는 영향
  • 물성 비교

반면, Cu-1.3Ni-0.3Si 합금의 전기 전도도는 Cu 매트릭스에 지속적인 석출로 인해 석출 처리 시간에 따라 지속적으로 증가하였다. 따라서 이러한 계산된 계면 에너지를 기반으로 용해되지 않은 2차 상이 침전됩니다. 침전 처리 후 미세한 막대 형태로 침전이 발생합니다.

Figure 32. Co 화학포텐셜 (chemical potential, μ Co ) 조건에 따른 Ni 2 Si, (Co 0.5 Ni 0.5 ) 2 Si 표면에너지 (a) 하한선 (lower limit, μ Co ), (b) 상한선 (upper limit, μ Co )
Figure 32. Co 화학포텐셜 (chemical potential, μ Co ) 조건에 따른 Ni 2 Si, (Co 0.5 Ni 0.5 ) 2 Si 표면에너지 (a) 하한선 (lower limit, μ Co ), (b) 상한선 (upper limit, μ Co )

결론

1] Hiroshi Kaneko, Tatsuhiko Equchi, Effect of Texture on Ductility of Cu-Ni-Si Alloys, Mater. Kang, Effect of Ni/Si mass ration and thermomechanical treatment on the microstructure and properties of Cu-Ni-Si alloys, Mater. Wang, Effects of Cr and Zr Additions on the Microstructure and Properties of Cu-Ni-Si Alloys, Mater.

영문 요약

Samples were prepared by solid solution treatment, cold rolling and precipitation treatment of Cu-1.3Ni-0.3Si and Cu-1.3Ni-0.6Si-1.0Co alloys. The effects of solid solution processing temperature on the precipitation behavior and physical properties of the Cu-1.3Ni-0.6Si-1.0Co alloy (in wt%) were investigated. The increase in the solid solution treatment temperature led to the complete dissolution of the second phase.

수치

Figure 1. 자동차용 커넥터의 적용 부품 [20]
Table 3. 강화 기구에 따른 합금의 분류 [24]
Figure 2. 고기능성 동합금의 개발 방향 [27]
Table 4. 석출경화형 동합금 원소에 따른 용해도 [30]
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참조

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Outline

Cu-Ni-Si 합금의 석출거동 및 물성에 미치는 Co 첨가의 영향 Cu-Ni-Si 합금에 Co 첨가에 따른 석출거동 Cu-Ni-Si-Co 합금의 기타 특성 Cu-Ni-Si 합금의 Co 첨가에 따른 석출거동에 미치는 영향 Cu-Ni-Si 합금의 Co 첨가에 따른 물리적 특성 결론

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