KR100803973B1 - Ｃｕ 합금 조성의 예측 방법 - Google Patents
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Abstract
Cu 합금의 조성을 예측하는 방법에 관한 것으로, 그 목적은 Cu 합금의 조성을 간단하고 정확하게 예측하는 방법을 제공하는 것이다. 이를 위해 본 발명에서는 Cu 합금의 조성을 예측함에 있어서, Cu 합금의 색도(hue)를 측정하는 단계; 및 상기 측정된 색도(hue)를 특정 식에 대입하여 상기 Cu 합금의 조성을 산출하는 단계를 포함하며, 상기 첨가 원소가 Zn인 Cu-Zn 합금의 경우 상기 특정 식은 다음의 식1이고, 상기 첨가 원소가 Sn인 Cu-Sn 합금의 경우 상기 특정 식은 다음의 식2이며, 상기 첨가 원소가 Al인 Cu-Al 합금의 경우 상기 특정 식은 다음의 식3으로서: 식1은 hue=63.59-25.99e(-X1/19.78), X1=Zn의 중량%, 식2는 hue=87.52-49.90e(-X2/20.03), X2=Sn의 중량%, 식3은 hue=102.5-64.98e(-X3/7.149), X3=Al의 중량%인 Cu 합금 조성의 예측 방법을 제공한다.
Cu, 합금, 조성, 색도, 예측
Description
본 발명은 Cu 합금의 조성을 알아내는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속의 색도인식 특성을 이용하여 색도 측정에 의해 Cu 합금의 조성을 산출하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 합금의 조성을 분석하기 위해서는 시료의 상태에 따라 구분되는 방법들인, 합금을 용액에 용해시켜 분석하는 습식방법 및 시료를 그대로 보존한 상태에서 조성을 측정하는 건식방법을 주로 사용하고 있다.
예컨대, 적정(titration), 유도결합 플라즈마(ICP : Inductively Coupled plasma), 이온 크로마토그래피(Ion chromatography) 등이 습식방법에 속하며, 형광 X선 분석, 이비에스디(EBSD : Electron Backscatter Diffraction), 이에스씨에이(ESCA : Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) 등에 의한 분석방법은 건식방법에 속한다.
상술한 조성측정방법 중 습식방법은 비교적 정확한 측정방법이긴 하지만 시료를 용해시켜야 하며 용해과정이 긴 시간을 요한다는 문제점이 있고, 건식방법은 시료의 크기 및 시료상태가 한정되어 있으며 또한 측정 전에 폴리싱 및 몰딩, 금(gold) 코팅 등 전처리를 해야 하는 문제점 등이 있다.
또한 특정한 합금, 예컨대 Cu-Zn 합금의 경우, Zn 함량만이 다른 다수의 합금시료가 존재하는 경우에도 동일한 측정방법을 반복해서 조성을 산출해야 하므로 작업 시 많은 시간이 소요되는 등의 문제점이 있다. 따라서 성분종류는 동일하나 조성만 다른 동일계열의 소재(혹은 합금)인 경우에 간단하게 측정하면서도 측정시간이 짧고 조성 또한 정확히 예측해낼 수 있는 방법이 절실히 요청되고 있는 실정이다.
동일계열 소재의 조성을 예측하기 위하여 종래에는 다음과 같은 기술들이 개발되어 있다. 한국특허번호 10-0262272는 조성 예측방법에 관한 것이기는 하나 전자파 차단기능을 갖는 콘크리트의 조성과 전자파 반사 및 흡수 등의 에너지 손실량과의 관계에 의한 조성산출 방법을 제공한 것이다.
다른 종래 기술로는, 또한 아크용접 시 용접조건 혹은 용접재료에 따라 달라지는 용접부의 조성을 용접 시 공기에서 추출되는 산소량을 측정하는 것에 의해 예측하는 방법이 있다.(Kang, L et al., transaction of the china welding Institution. Vol.19, no.1 1998, pp.1-7).
또 다른 종래 기술로는, Cu 정련 시 정련정도는 전해질 조성에 관계하므로 정련과정을 제어하고 모니터링하기 위하여 정련공장에서 양극과 음극간의 전류밀도를 측정함으로써 실시간으로 전해질 조성을 예측하고 평가하는 기술(Rantala, A et al., Copper 2003: Fifth International Conference Vol.5, 2004, pp.203-218)이 있다.
그러나 이러한 종래의 기술들은 세라믹의 조성을 예측하거나, 용접부의 산소 용존량에 따른 조성을 예측하며 또한 전해질의 조성을 실시간으로 예측하는 등 대상소재가 본 발명과 다르며, 또한 조성예측에 있어서 기본이 되는 원리 또한 상이하여 종래의 기술로는 본 발명이 이루고자 하는 동일계열의 합금의 조성을 예측할 수가 없는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 그 목적은 알고자 하는 합금의 조성을 간단한 방법으로, 짧은 시간 내에 정확하게 알아내는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 성분종류는 동일하고 조성이 다른 동일계열의 소재(혹은 합금)에 대해, 조성을 예측하는 간단하고도 정확한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 Cu 합금의 조성을 간단하고 정확하게 예측하는 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 Cu 합금의 색도(Hue)를 측정함으로써 본 발명에서 제공하는 조성과 색도 간에 존재하는 일정한 상관관계에서 도출된 수식에 의해 조성을 역산출해 내며, 이로써 종래의 기술로는 구현이 불가능 하였던 구리합금 조성을 예측할 수 있는 방법을 제공한다.
즉, 본 발명에서는 Cu 합금의 조성을 예측함에 있어서, Cu 합금의 색도(hue) 를 측정하는 단계; 및 상기 측정된 색도(hue)를 특정 식에 대입하여 상기 Cu 합금의 조성을 산출하는 단계를 포함하며, 상기 첨가 원소가 Zn인 Cu-Zn 합금의 경우 상기 특정 식은 다음의 식1이고, 상기 첨가 원소가 Sn인 Cu-Sn 합금의 경우 상기 특정 식은 다음의 식2이며, 상기 첨가 원소가 Al인 Cu-Al 합금의 경우 상기 특정 식은 다음의 식3으로서: 식1은 hue=63.59-25.99e(-X1/19.78), X1=Zn의 중량%, 식2는 hue=87.52-49.90e(-X2/20.03), X2=Sn의 중량%, 식3은 hue=102.5-64.98e(-X3/7.149), X3=Al의 중량%인 Cu 합금 조성의 예측 방법을 제공한다.
이 때 Cu 합금은 Cu에 첨가되는 원소가 25 중량% 이하인 합금인 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
통상 사용되는 색상(色相) 혹은 색도(色度)라는 용어는 색도학(colorimetry)에서는 '광의(廣義)의 칼라(color)'를 의미하며, 이를 명도(value), 색도(hue) 및 채도(saturation)의 3 요소로 구분하여 표현하고 있다.
각각의 3 요소의 개념에 대하여 간략히 기술하면 다음과 같다. 명도인 value는 밝기를 나타내며 색상이 있는지의 여부를 구분하는 기준이 된다. 예컨대 백색, 회색 및 흑색 계열의 밝기정도를 나타낸다.
색도인 hue는 '협의(狹義)의 color'를 나타내며, 예컨대 적색, 황색, 녹색, 청색 등을 구분하는 기준으로서, 색도가 다르더라도 동일한 명도값을 가질 수 있다.
마지막으로 채도인 saturation은 색상의 명료함을 나타내며, 예컨대 적색계열을 채도에 따라 구분하자면 핑크(pink), 옅은 빨강(light red), 중간 빨강(medium red), 진한 빨강(dark red) 등으로 구분될 수 있다.
본 발명에서는 고유 색도를 가지는 금속의 색도인식 특성을 이용하여 합금의 색도를 측정함으로써 합금의 조성을 예측한다는 기본 원리로부터 출발한다. 예를 들면 순수한 Cu에 아연, 알루미늄, 주석 등의 합금 원소가 첨가된 Cu 합금의 경우, 측정대상 소재(Cu 합금)의 색도값만을 알게 되면 조성분석을 하지 않고도 합금의 조성을 예측할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에서는 3 CCD(charge-coupled device) 칼라 카메라에서 들어오는 영상을 이용하여 다양한 Cu-Zn, Cu-Sn, Cu-Al의 합금재질의 칼라 영역을 HSV(Hue/Saturation/Value) 데이터로 판독하고, 그 판독결과를 데이터베이스화하며, 그 판독결과 중 Hue값의 변화만을 종합분석하여 각각의 Cu합금에 대한 조성예측 수식모델을 도출하여 제공한다.
표 1에 Cu합금별 및 조성별로 측정한 색도, 채도 및 명도값의 예를 나타내었다.
| 소재 | Hue(색도) | Saturation(채도) | Value(명도) | 비고 | |
| Cu(99.9%) | 37.4 | 107.5 | 79.0 | 판재 | |
| CuZn | Zn=9.23wt% | 48.1 | 113.3 | 65.8 | 합금 |
| Zn=17.85wt% | 52.2 | 63.6 | 111.5 | 합금 | |
| Zn=34.5% | 59.3 | 73.2 | 96.4 | 합금 | |
| CuSn | Sn=9.87% | 57.9 | 99.4 | 66.8 | 합금 |
| Sn=20.4wt% | 68.3 | 70.6 | 105.0 | 합금 | |
| Sn=30.7wt% | 77.3 | 62.1 | 73.9 | 합금 | |
| CuAl | Al=5.1wt% | 70.8 | 55.3 | 79.9 | 합금 |
| Al=10.2wt% | 85.5 | 50.6 | 59.3 | 함금 | |
| Al=15.2% | 95.0 | 30.1 | 71.7 | 합금 | |
동일한 시편에 대하여 반복하여 측정한 Hue값을 평균치로 함으로써 측정오차를 감소시켰으며 경험적으로 조성예측 수식모델을 다음과 같이 도출하였다.
먼저 Cu-Zn 합금에 대해 도출된 조성예측 수식모델인 수학식 1은 다음과 같다.
여기서 Hue는 측정값으로 단위가 없으며 X1는 Zn의 조성(중량%)를 의미한다.
다음으로, Cu-Sn 합금에 대한 조성예측 수식모델인 수학식 2는 다음과 같다.
여기서 Hue는 측정값으로 단위가 없으며 X2는 Sn의 조성(중량%)를 의미한다.
다음으로, Cu-Al 합금에 대한 조성예측 수식모델인 수학식 3은 다음과 같다.
여기서 Hue는 측정값으로 단위가 없으며 X3는 Al의 조성(중량%)를 의미한다.
즉, Cu 합금의 조성을 알고자 하는 경우, Cu 합금의 색도(hue)를 측정한 후, 그 측정된 색도(hue)를 상술한 수학식 1 내지 3에 대입하는 것에 의해, Cu 합금의 조성을 산출할 수 있으며, 따라서 시료를 용해하거나 측정용으로 재가공하지 않더 라도 즉시 조성 산출이 가능한 특징이 있다.
본 발명인 Cu합금 조성예측 모델의 검증을 위하여 다음과 같이 실시예를 수행하였다.
실시예
먼저, 임의의 조성을 가지는 Cu-Zn, Cu-Sn 및 Cu-Al 합금에 대해, 색도측정을 위하여 두께 약 3-5mm 정도로 선반 가공하여 시편을 제작하였다. 각각의 시편에 대하여 색도측정을 한 후 각각의 수학식 1, 수학식 2 및 수학식 3에 대입하여 조성을 산출하였다. 그 결과를 표 2에 정리하였다.
다음으로 상술한 조성의 합금들의 조성을 실제로 측정하기 위해, 그 합금들을 용해하여 시편으로 제작하였다. 용해 시 휘발을 방지하기 위하여 직경 약 30mm의 석영관에 장입 후 밀봉하여 유도 용해시켜 시편을 제작하였다. 시편은 각각의 합금에 대하여 5개씩 총 15 시편으로 제작하였으며 유도용해방법은 교반의 역할도 하므로 완전히 용해가 이루어진 후에도 약 30분 이상 유지하여 균일한 조성이 되도록 시편을 제작하였다.
이렇게 제작한 시편은 습식방법으로 최종 조성을 측정하였으며 시편 중 Cu-Zn 합금의 경우는 휘발성이 강하여 편차가 크게 발생함을 알 수 있었다.
| 합금 | 시편번호 | 첨가원소 목표조성(wt%) | 분석치 (wt%) | 본 발명에 의한 계산치 (wt%) | Hue |
| Cu-Zn | 1 | 5 | 3.1 | 3.5 | 41.82 |
| 2 | 10 | 7.8 | 7.01 | 45.36 | |
| 3 | 15 | 11.1 | 9.35 | 47.39 | |
| 4 | 20 | 13.9 | 12.27 | 49.6 | |
| 5 | 25 | 15.8 | 16.37 | 52.23 | |
| Cu-Sn | 6 | 5 | 5.5 | 4.68 | 48.01 |
| 7 | 10 | 9.26 | 10.40 | 57.83 | |
| 8 | 15 | 14.02 | 15.61 | 64.62 | |
| 9 | 20 | 20.03 | 18.21 | 67.41 | |
| 10 | 25 | 22.93 | 24.97 | 73.17 | |
| Cu-Al | 11 | 2 | 1.95 | 2.28 | 55.31 |
| 12 | 5 | 5.08 | 4.57 | 68.23 | |
| 13 | 8 | 7.86 | 8.38 | 82.39 | |
| 14 | 10 | 10.9 | 9.66 | 85.67 | |
| 15 | 15 | 14.04 | 15.01 | 94.52 |
각각의 합금에 대하여 표 2에 나타난, 실제 습식방법에 의한 분석치 및 본 발명에 의한 계산치를 서로 비교분석한 결과, Cu-Zn 합금의 경우, 4-12%의 오차범위 내에서, Cu-Sn 합금의 경우는 8-15%의 오차범위 내에서, Cu-Al 합금의 경우는 6-15% 오차범위 내에서, 분석치 및 계산치가 서로 일치하고 있음을 확인할 수 있었다.
또한 합금원소의 첨가량이 최대 25 중량% 이하인 조성에서 본 발명의 적용이 가장 바람직하며 25 중량%를 초과하는 경우, 합금원소에 따라 가공 시 표면균열 및 기공이 발생하며 색도치 측정에 어려운 점이 있었다.
따라서 본 실시예를 통하여 Cu합금(Cu-Zn, Cu-Sn, Cu-Al)에 대하여 기존의 분석방법을 이용하지 않고도 금속이 발현하는 고유의 색도차가 존재하는 것을 이용하여 색도치를 측정함으로써 신속하고 비교적 정확한 조성분석이 가능함을 확인하였다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 합금의 색도 측정만으로 조성을 정확하게 예측하기 때문에, 합금의 조성을 간단한 방법으로, 짧은 시간 내에 정확하게 알아내는 효과가 있다.
또한, 본 발명을 동제련 공장에 적용할 경우 현장 조업 시 용융물을 샘플링한 후 조성을 분석하는 과정을 거치지 않고 현장에서 즉시 조성을 알아낼 수 있으므로, 용융물의 조성을 간단하고도 빨리 파악할 수 있는 효과가 있으며, 이 때 시료를 채취하여 조성을 분석함으로써 소요되는 시간을 단축시킬 수 있어서 생산성이 대폭 향상되는 효과가 있다.
Claims (2)
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- Cu에 첨가되는 원소가 25 중량% 이하인 Cu 합금의 조성을 시료를 용해하거나 측정용으로 재가공하지 않고 예측함에 있어서,Cu 합금의 색도(hue)를 측정하는 단계; 및 상기 측정된 색도(hue)를 Cu 합금의 종류에 따른 특정 식에 대입하여 상기 Cu 합금의 조성을 산출하는 단계를 포함하며,상기 Cu 합금이 Cu-Zn 합금인 경우 상기 특정 식은 다음의 식1이고, 상기 Cu 함금이 Cu-Sn 합금인 경우 상기 특정 식은 다음의 식2이며, 상기 Cu 합금이 Cu-Al 합금인 경우 상기 특정 식은 다음의 식3이며:식1은 hue=63.59-25.99e(-X1/19.78), X1=Zn의 중량%,식2는 hue=87.52-49.90e(-X2/20.03), X2=Sn의 중량%,식3은 hue=102.5-64.98e(-X3/7.149), X3=Al의 중량%인 Cu 합금 조성의 예측 방법.
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