KR102346993B1

KR102346993B1 - 고강도 및 고전기전도도의 구리-티타늄 합금 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR102346993B1
Application number: KR1020190174313A
Authority: KR
Inventors: 한승전; 최은애; 안지혁
Original assignee: 한국재료연구원
Priority date: 2019-12-24
Filing date: 2019-12-24
Publication date: 2022-01-05
Also published as: KR20210082313A

Abstract

본 발명은 본 발명의 목적은 배향된 석출물을 포함하는 강도 및 전기전도도가 동시에 향상된 구리-티타늄 합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 불균질 석출물을 포함하는 전단띠를 포함하는 강도 및 전기전도도가 동시에 향상된 구리-티타늄 합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

고강도 및 고전기전도도의 구리-티타늄 합금 및 이의 제조방법{Cu-Ti alloy with high strength and high electrical conductivity and manufacturing method thereof}

본 발명은 고강도 및 고전기전도도의 구리-티타늄 합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

구리 합금은 다른 합금에 비해 높은 전도도를 가진 구리가 기지(matrix)를 이룬다. 따라서, 기계적 특성의 향상을 위한 합금화 또는 가공 열처리 공정 후에도 다른 합금에 비해 상대적으로 높은 전기전도도를 가진다. 이에 따라 신호 또는 전력을 이동시키는 전선, 커넥터 등 전기 및 전자부품의 원재료에 동합금을 사용할 수밖에 없다. 높은 전기전도도를 가진 동합금을 강화시키는 방법은 고용, 석출, 분산 그리고 결정립미세화 등이 있지만 이러한 강화 방법은 전기전도도 저하를 야기하기도 한다.

그런데 구리 합금이 실제로 산업계에 응용되기 위해서는 생산에 있어서 적절한 경제성을 가짐과 동시에 기계적 특성과 전기전도도가 적절한 균형을 이루어야 한다. 여러 강화기구 중에서 비교적 높은 전기전도도와 강도를 동시에 구현하는 방법은 석출강화라고 할 수 있다. 일반적으로 잘 알려진 석출강화형 동합금은 Cu-Ni-Si, Cu-Fe, Cu-Be, 그리고 Cu-Ti 합금이 있으며, 그 중에서도 Cu-Ti 합금은 다른 합금에 비해 1 GPa에 달하는 높은 강도와 비교적 높은 전기전도도를 가지기 때문에 커넥터 또는 전도성 스프링 소재로써 현재 사용되고 있으며, 고강도 및 고전도화를 위한 다양한 연구가 다각적으로 지속적으로 진행되고 있다.

구리 합금의 석출경화 공정에서는, 과포화 고용체로부터 석출되어 시편 전체에 작고 균일하게 분포하는 연속 석출물(continuous precipitation, CP)과, 그레인 경계 확산(grain boundary diffusion) 및 입계의 이동에 의해 석출이 불규칙적으로 일어남에 따라 입계를 경계로 조성과 결정방위가 불연속적으로 변화하는 불연속 석출물(discontinuous precipitation, DP)이 생성된다.

일반적으로 불연속 석출물(DP)로 이루어진 구리합금의 인장강도가 연속 석출물(CP)로 이루어진 시편보다 낮기 때문에, 불연속 석출물을 억제하는 연구가 주로 진행되고 있다.

본 발명의 배경기술로 한국 특허 제10-1708285호에는 배향형 석출물을 포함하는 금속복합재료 및 이의 제조 방법이 개시되어 있다.

본 발명의 목적은 배향된 석출물을 포함하는 강도 및 전기전도도가 동시에 향상된 고강도 및 고전기전도도의 구리-티타늄 합금 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 불균질 석출물을 포함하는 전단띠를 포함하는 강도 및 전기전도도가 동시에 향상된 고강도 및 고전기전도도의 구리-티타늄 합금 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 더욱 명확하게 된다.

일 측면에 따르면, 합금 전체 질량에 대해서 2 내지 5 질량%의 티타늄(Ti); 0 내지 1 질량%의 규소(Si); 0 내지 1 질량%의 니켈(Ni); 및 구리(Cu)와 불가피한 불순물의 잔부;를 포함하고, 구리-티타늄(Cu-Ti) 합금의 단위 면적당 15% 이상으로 강제로 생성되어 배향된 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물을 포함하고, 상기 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물의 석출물간 평균 간격은 300nm 이하인, 고강도 및 고전기전도도의 구리-티타늄 합금이 제공된다.

일 실시예에 따르면, 고강도 및 고전기전도도의 구리-티타늄 합금은 합금 전체 질량에 대해서 3 내지 4 질량%의 티타늄(Ti); 0 내지 0.5 질량%의 규소(Si); 0 내지 0.5 질량%의 니켈(Ni); 및 구리(Cu)와 불가피한 불순물의 잔부;를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물의 평균 두께는 150nm 이하일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 전기전도도가 20% IACS 이상일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물은 상기 구리-티타늄 합금에 용체화처리를 실시하여 고용체를 생성한 후 시효처리하여 형성된 것일 수 있다.

다른 측면에 따르면, 1-i) 합금 전체 질량에 대해서 2 내지 5 질량%의 티타늄(Ti); 0 내지 1 질량%의 규소(Si); 0 내지 1 질량%의 니켈(Ni); 및 구리(Cu)와 불가피한 불순물의 잔부;를 포함하는, 구리-티타늄(Cu-Ti) 합금을 준비하는 단계; 1-ii) 상기 구리-티타늄 합금을 균질화하는 단계; 1-iii) 상기 균질화된 구리-티타늄 합금을 소성가공하는 단계; 1-iv) 상기 소성가공된 구리-티타늄 합금을 용체화처리하여 고용체를 형성하는 단계; 1-v) 상기 고용체를 포함하는 구리-티타늄 합금을 시효처리하여, 단위면적당 15% 이상의 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물을 강제로 형성하는 석출물 형성 단계; 및 1-vi) 상기 석출물을 포함하는 구리-티타늄 합금을 소성가공하여 배향성 석출물을 형성하는 배향단계;를 포함하는, 고강도 및 고전기전도도의 구리-티타늄 합금 제조방법이 제공된다.

일 실시예에 따르면, 단계 1-v)에서 시효처리는 350 내지 600℃의 온도 범위에서 15시간 이상 수행할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 단계 1-v)에서 상기 시효처리는 500 내지 600℃의 온도 범위에서 10 내지 15시간 수행하는 단계 및 300 내지 500℃의 온도 범위에서 10 내지 15시간 수행하는 단계를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 단계 1-vi)에서 상기 소성가공은 압하율 50% 이상으로 수행할 수 있다.

또 다른 측면에 따르면, 합금 전체 질량에 대해서 2 내지 5 질량%의 티타늄(Ti); 0 내지 2 질량%의 니켈(Ni); 및 구리(Cu)와 불가피한 불순물의 잔부;를 포함하고, 불균질 석출물을 포함하는 전단띠를 포함하고, 구리-티타늄(Cu-Ti) 합금의 단위 면적당 5% 미만의 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물을 포함하는, 고강도 및 고전기전도도의 구리-티타늄 합금이 제공된다.

일 실시예에 따르면, 상기 전단띠의 평균 간격은 180nm 내지 5.5㎛일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 전단띠는 시효처리 전 소성가공으로 형성된 것일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 불균질 석출물의 크기는 10nm 내지 2㎛일 수 있다.

또 다른 측면에 따르면, 2-i) 합금 전체 질량에 대해서 2 내지 5 질량%의 티타늄(Ti); 0 내지 2 질량%의 니켈(Ni); 및 구리(Cu)와 불가피한 불순물의 잔부;를 포함하는, 구리-티타늄(Cu-Ti) 합금을 준비하는 단계; 2-ii) 상기 구리-티타늄 합금을 균질화하는 단계; 2-iii) 상기 균질화된 구리-티타늄 합금을 소성가공하는 제1 소성가공 단계; 2-iv) 상기 구리-티타늄 합금을 용체화처리하여 고용체를 형성하는 고용체 형성 단계; 2-v) 상기 고용체를 포함하는 구리-티타늄 합금을 소성가공하는 제2 소성가공 단계; 및 2-vi) 상기 고용체를 포함하는 구리-티타늄 합금을 시효처리하여, 불균질 석출물을 포함하는 전단띠를 형성하는 단계;를 포함하고, 구리-티타늄(Cu-Ti) 합금의 단위 면적당 5% 미만의 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물을 포함하는, 고강도 및 고전기전도도의 구리-티타늄 합금 제조방법이 제공된다.

일 실시예에 따르면, 단계 2-v)에서 상기 소성가공은 압하율 15% 이상으로 수행할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 단계 2-v)에서 상기 소성가공은 압하율 70% 이상으로 수행할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 단계 2-vi)에서 400℃ 이상에서 30분 이상 시효처리할 수 있다.

일 실시예에 의하면, 배향된 특정 형태의 석출물에 의해 구리-티타늄 합금의 강도 및 전기전도도를 동시에 향상시킬 수 있다.

일 실시예에 의하면, 구리-티타늄 합금의 제조 공정에서 배향된 석출물의 생성량을 용이하게 제어할 수 있어 강도 및 전기전도도가 동시에 향상된 구리-티타늄 합금을 효율적으로 제조할 수 있다.

일 실시예에 의하면, 불균질 석출물을 포함하는 전단띠에 의해 구리-티타늄 합금의 강도 및 전기전도도를 동시에 향상시킬 수 있다.

일 실시예에 의하면, 구리-티타늄 합금의 제조 공정에서 불균질 석출물을 포함하는 전단띠 생성을 용이하게 제어할 수 있어 강도 및 전기전도도가 동시에 향상된 구리-티타늄 합금을 효율적으로 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 측면에 의한 배향된 석출물을 포함하는 구리-티타늄 합금의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 비교예 1-3 및 실시예 1-6에 의한 구리-티타늄 합금의 경도 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 비교예 1-3 및 실시예 1-6에 의한 구리-티타늄 합금의 전기전도도 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 비교예 4-8 및 실시예 7-11에 의한 구리-티타늄 합금의 전기전도도 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 비교예 4-8 및 실시예 7-11에 의한 구리-티타늄 합금의 인장강도 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 비교예 4에 의한 구리-티타늄 합금의 투과전자현미경 사진이다.
도 7은 본 발명의 비교예 7에 의한 구리-티타늄 합금의 투과전자현미경 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예 4에 의한 구리-티타늄 합금의 투과전자현미경 사진이다.
도 9는 본 발명의 실시예 9에 의한 구리-티타늄 합금의 투과전자현미경 사진이다.
도 10은 본 발명의 실시예 10에 의한 구리-티타늄 합금의 투과전자현미경 사진이다.
도 11은 본 발명의 비교예 4, 비교예 6, 비교예 7, 실시예 7, 실시예 9, 및 실시예 10에 의한 구리-티타늄 합금의 90% 소성가공 후 경도 및 인장강도를 보여주는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 비교예 4 내지 비교예 8 및 실시예 7 내지 실시예 11에 의한 구리-티타늄 합금의 90% 소성가공 전/후의 인장강도 증가량을 비교한 그래프이다.
도 13은 본 발명의 비교예 4 내지 비교예 8 및 실시예 7 내지 실시예 11에 의한 구리-티타늄 합금의 90% 소성가공 전/후의 전기전도도 증가량을 비교한 그래프이다.
도 14는 본 발명의 실시예 7 및 실시예 10에 의한 구리-티타늄 합금의 90%의 소성가공 후 투과전자현미경 사진이다.
도 15는 본 발명의 실시예 10에 의한 구리-티타늄 합금의 90%의 소성가공 후 투과전자현미경 사진이다.
도 16은 본 발명의 비교예 4-8 및 실시예 7-11에 의한 구리-티타늄 합금의 소성가공 후 강도 및 전기전도도 변화를 비교하여 보여주는 그래프이다.
도 17은 본 발명의 다른 측면에 의한 불균질 석출물을 포함하는 전단띠를 포함하는 구리-티타늄 합금의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시예 12, 실시예 13, 및 비교예 9에 의한 구리-티타늄 합금의 시효처리 시간에 따른 경도를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 19는 본 발명의 실시예 12, 실시예 13, 및 비교예 9에 의한 구리-티타늄 합금의 시효처리 시간에 따른 전기전도도를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 20은 본 발명의 실시예 12, 실시예 13, 및 비교예 9에 의한 구리-티타늄 합금의 시효처리 후 경도 및 전기전도도를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 21은 본 발명의 실시예 13 내지 실시예 15에 의한 구리-티타늄 합금의 400℃ 시효처리 시 Ti 함량에 따른 기계적 물성 및 전기전도도에 대한 영향을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 22는 본 발명의 실시예 13 내지 실시예 15에 의한 구리-티타늄 합금의 450℃ 시효처리 시 Ti 함량에 따른 기계적 물성 및 전기전도도에 대한 영향을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 23은 본 발명의 실시예 13 내지 실시예 15에 의한 구리-티타늄 합금의 500℃ 시효처리 시 Ti 함량에 따른 기계적 물성 및 전기전도도에 대한 영향을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 24는 본 발명의 실시예 13 및 실시예 16 내지 실시예 18에 의한 구리-티타늄 합금의 450℃ 시효처리 시 Ni 첨가에 따른 기계적 물성 및 전기전도도에 대한 영향을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 25는 본 발명의 비교예 9에 의한 구리-티타늄 합금의 시효처리 시간에 따른 석출물 생성을 보여주는 광학현미경 사진이다.
도 26은 본 발명의 실시예 12에 의한 구리-티타늄 합금의 15% 소성가공 및 시효처리 시 시효처리 시간에 따른 석출물 생성을 보여주는 광학현미경 사진이다.
도 27은 본 발명의 실시예 13에 의한 구리-티타늄 합금의 75% 소성가공 및 시효처리 시 시효처리 시간에 따른 석출물 생성을 보여주는 광학현미경 사진이다.
도 28은 본 발명의 비교예 9, 실시예 12, 및 실시예 13에 의한 구리-티타늄 합금의 450℃, 30분 시효처리 후 주사전자현미경 촬영 사진이다.
도 29는 본 발명의 비교예 9, 실시예 12, 및 실시예 13에 의한 구리-티타늄 합금의 450℃, 12시간 시효처리 후 주사전자현미경 촬영 사진이다.
도 30은 본 발명의 비교예 9, 실시예 12, 및 실시예 13에 의한 구리-티타늄 합금의 450℃, 24시간 시효처리 후 주사전자현미경 촬영 사진이다.
도 31은 본 발명의 비교예 9, 실시예 12, 및 실시예 13에 의한 구리-티타늄 합금의 450℃, 12시간 시효처리 후 주사전자현미경 촬영 사진이다.
도 32는 본 발명의 비교예 9, 실시예 12, 및 실시예 13에 의한 구리-티타늄 합금의 450℃, 24시간 시효처리 후 주사전자현미경 촬영 사진이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 의한 구리-티타늄 합금 및 이의 제조 방법에 대해서 구체적으로 설명한다.

본 발명의 일 측면에 의한 구리-티타늄은 금속 내부에 기계적 강도를 감소시키는 불연속 석출물이 강제로 생성된 구리-티타늄 합금이다. 강제로 생성된 불연속 석출물은 인위적으로 배향되어 구리-티타늄 합금의 강도 및 전기전도도를 동시에 향상시킬 수 있다.

본원에 있어서, 불연속 석출물은 라멜라 구조의 석출물(이하, 라멜라 석출물) 또는 셀룰라 석출물을 모두 포함하는 포괄적 개념 또는 동등한 의미를 나타낸다.

일 측면에 따르면, 전기전도도가 향상된 구리-티타늄 합금은 합금 전체 질량에 대해서 2 내지 5 질량%의 티타늄(Ti); 0 내지 1 질량%의 규소(Si); 0 내지 1 질량%의 니켈(Ni); 및 구리(Cu)와 불가피한 불순물의 잔부;를 포함하고, 구리-티타늄(Cu-Ti) 합금의 단위 면적당 15% 이상으로 강제로 생성되어 배향된 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물을 포함하고, 상기 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물의 석출물간 평균 간격은 300nm 이하이다.

티타늄(Ti)은 합금 전체 질량에 대해서 2 내지 5 질량%로 포함하는 것이 불연속 석출물 생성에 적합하고, 2 내지 4 질량%가 더 적합할 수 있고, 3 내지 4 질량%가 더욱더 적합할 수 있다. 구리-티타늄 합금은 합금 전체 질량에 대해서 티타늄의 함량이 2 질량% 미만이면 불연속 석출물이 생성되기 어려울 수 있고, 5 질량% 초과이면 건전한 구리-티타늄 잉곳 제작이 힘들 수 있다.

규소(Si)는 합금 전체 질량에 대해서 0 내지 1 질량%로 포함하는 것이 구리-티타늄 합금 강도 개선에 적합하고, 0 내지 0.5 질량%가 더 적합할 수 있다. 구리-티타늄 합금은 합금 전체 질량에 대해서 규소의 함량이 1 질량% 초과이면 규소가 포함된 화합물의 크기와 균질분포를 유지하는 것이 용이하지 않아 오히려 구리-티타늄 합금의 강도를 저하할 수 있다.

니켈(Ni)은 합금 전체 질량에 대해서 0 내지 1 질량%로 포함하는 것이 구리-티타늄 합금 강도 개선에 적합하고, 0 내지 0.5 질량%가 더 적합할 수 있다. 구리-티타늄 합금은 합금 전체 질량에 대해서 니켈의 함량이 1 질량% 초과이면 니켈이 포함된 화합물의 크기와 균질분포를 유지하는 것이 용이하지 않아 오히려 구리-티타늄 합금의 강도를 저하할 수 있다.

이에 한정되는 것은 아니나, 구리-티타늄 합금은 합금 전체 질량에 대해서 3 내지 4 질량%의 티타늄(Ti); 0 내지 0.5 질량%의 규소(Si); 0 내지 0.5 질량%의 니켈(Ni); 및 구리(Cu)와 불가피한 불순물의 잔부;를 포함하는 것이 전기전도도 및 강도 향상에 적합할 수 있다.

또한, 구리-티타늄 합금에서 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물은 단위 면적당 15% 이상으로 포함한다. 강제로 생성된 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물이 단위 면적당 15% 미만이면 강도 및 전기전도도를 동시에 향상시키기 어려움이 있을 수 있다.

상기 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물의 석출물간 평균 간격은 300nm 이하일 때, 구리-티타늄 합금의 인장강도 및 전기전도도를 동시에 향상시키기에 적합할 수 있고, 250nm 이하일 때 더 적합하고, 200nm 이하일 때 더욱더 적합할 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 예를 들어 상기 석출물간 평균 간격은 3.5㎛ x 3.5㎛ 단위 면적당 300nm 이하일 수 있다.

상기 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물의 평균 두께는 150nm 이하일 때, 구리-티타늄 합금의 인장강도 및 전기전도도를 동시에 향상시키기에 적합할 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 예를 들어 석출물의 평균 두께는 3.5㎛ x 3.5㎛ 단위 면적당 150nm 이하일 수 있다.

본원의 구리-티타늄 합금은 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물을 포함하고, 상기 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물의 평균 종횡비가 20 이상인 석출물을 포함할 수 있다. 구리-티타늄의 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물의 평균 종횡비가 20 미만인 경우 구리-티타늄 합금의 인장강도 및 전기전도도를 동시에 향상시키기 어려움이 있을 수 있다.

상기 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물은 배향될 수 있다. 인위적 배향에 의해 구리-티타늄 합금의 인장강도 및 전기전도도를 동시에 향상시키기에 적합할 수 있다. 본 발명에 의한 구리-티타늄의 배향은 소성가공에 의해 이루어질 수 있다. 상기 소성가공은 인발, 압연, 압출 등 다양한 공정이 선택될 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 압하율 40% 이상으로 소성가공된 것일 수 있다.

본원의 구리-티타늄 합금의 상기 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물은 상기 구리-티타늄 합금에 열처리를 실시하여 고용체를 생성한 후 시효처리하여 형성될 수 있다. 상기 구리-티타늄 합금의 제조와 관련해서는 도 1을 참조하여 상세하게 후술하기로 한다.

본원의 구리-티타늄 합금의 전기전도도는 20% IACS 이상일 수 있다.

본원의 구리-티타늄 합금의 인장강도는 700MPa 이상일 수 있다. 동시에 연신율이 1 내지 16%일 수 있다.

따라서, 본원의 배향된 특정 형태의 석출물을 포함하는 구리-티타늄 합금은 기계적 물성 및 전기전도도를 동시에 향상될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 측면에 의한 배향된 석출물을 포함하는 구리-티타늄 합금의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본원에 의한 배향된 특정 형태의 석출물을 포함하는 전기전도도가 향상된 구리-티타늄 합금의 제조방법은, 1-i) 합금 전체 질량에 대해서 2 내지 5 질량%의 티타늄(Ti); 0 내지 1 질량%의 규소(Si); 0 내지 1 질량%의 니켈(Ni); 및 구리(Cu)와 불가피한 불순물의 잔부;를 포함하는, 구리-티타늄(Cu-Ti) 합금을 준비하는 단계; 1-ii) 상기 구리-티타늄 합금을 균질화하는 단계; 1-iii) 상기 균질화된 구리-티타늄 합금을 소성가공하는 단계; 1-iv) 상기 소성가공된 구리-티타늄 합금을 용체화처리하여 고용체를 형성하는 단계; 1-v) 상기 고용체를 포함하는 구리-티타늄 합금을 시효처리하여, 단위면적당 15% 이상의 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물을 강제로 형성하는 석출물 형성 단계; 및 1-vi) 상기 석출물을 포함하는 구리-티타늄 합금을 소성가공하여 배향성 석출물을 형성하는 배향단계;를 포함한다.

먼저, 단계 1-i)에서 합금 전체 질량에 대해서 2 내지 5 질량%의 티타늄(Ti); 0 내지 1 질량%의 규소(Si); 0 내지 1 질량%의 니켈(Ni); 및 구리(Cu)와 불가피한 불순물의 잔부;를 포함하는, 구리-티타늄(Cu-Ti) 합금을 주조를 통해 준비한다.

상기와 같이 합금 재료를 준비한 후 단계 1-ii)에서 상기 구리-티타늄 합금을 균질화 한다. 상기 균질화는 합금 원소가 조직 내에 균일하게 분포되게 하고, 주조시 발생한 불순물을 제거하기 위한 것으로, 예를 들어 800 내지 1000℃에서 1 내지 36시간 동안 실시할 수 있다. 합금의 균질화 처리가 800℃ 미만인 경우, 균질화 효과가 미미할 수 있으며, 1000℃를 초과하는 경우 과도하게 합금의 온도가 올라 Cu의 녹는점에 근접하게 될 수 있다. 또한, 합금의 균질화 처리가 1시간 미만인 경우 균질화 효과가 미미할 수 있으며, 36시간을 초과하면 불필요한 균질화 처리 시간으로 인해 처리 시간 대비 효과가 미미해질 수 있다.

다음으로, 단계 1-iii)에서 상기 균질화된 구리-티타늄 합금을 소성가공한다. 상기 소성가공은 인발, 압연, 압출 등 다양한 공정이 선택될 수 있다.

다음으로, 단계 1-v) 상기 소성가공된 구리-티타늄 합금을 용체화처리하여 고용체를 형성한다. 상기 고용체를 생성하는 단계는 잔류 석출물을 제거하기 위한 공정으로, 상기 합금 재료를 준비하는 단계에서 석출촉진 금속이 포함되는 경우 고용도를 낮출 수 있다. 상기 고용체의 생성으로 인해, 상기 구리-티타늄 합금은 상기 고용체가 포함된 상태가 된다.

상기 고용체를 생성하는 단계의 온도범위는 800 내지 1000℃일 수 있다. 상기 온도 범위는 구리-티타늄 합금의 액상이 생기지 않고, 고용체를 형성할 수 있는 최고고용한계 온도를 고려하여 정해질 수 있다. 구리-티타늄 합금의 경우, 1000℃ 초과 범위의 온도에서는 합금의 융점에 가깝기 때문에 열처리가 어렵다. 상기 고용체를 생성하는 단계는 30분 이상 가열하여 수행할 수 있다.

다음으로, 단계 1-v)에서 상기 고용체를 포함하는 구리-티타늄 합금을 시효처리하여, 단위면적당 15% 이상의 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물을 강제로 형성한다. 합금을 시효처리하여 합금 내에 형성되었던 섬유상 불연속 석출물 또는 층상 라멜라 석출물들이 결정립계에서 성장하여 시간이 경과됨에 따라 결정립계로부터 결정립 내부로 성장해 나가도록 하여 결정립 전반에 걸쳐 층상 혹은 섬유상의 석출물을 생성시킨다.

상기 시효처리는 350 내지 600℃의 온도 범위에서 10분 이상 15시간 수행할 수 있다. 이러한 시효처리 온도는 350℃ 미만인 경우 결정립계로부터 층상 혹은 섬유상의 석출물이 결정립 내부로 성장하는 속도가 느릴 뿐 아니라 성장 효율이 떨어져서 결정립 전반에 걸쳐 층상 혹은 섬유상의 석출물의 생성되기 어렵다. 또한, 600℃를 초과하는 온도에서 열처리하는 경우, 온도 상승에 소모되는 에너지 대비 석출물 성장 효과가 떨어지기 때문에 이 온도를 초과하는 것이 무의미할 수 있다. 또한, 열처리를 수행하는 시간은 10분 이상으로 다양하게 실시할 수 있으나, 1시간 이상 실시하는 것이 적합하고, 10시간 이상 실시하는 것이 더 적합할 수 있다. 열처리 수행 시간은 합금의 인장강도에 영향을 미칠 수 있는 요소이기 때문에 열처리 온도에 따라 최적의 값을 찾기 위해 다양하게 실시되는 것이 바람직하다.

다음 단계 1-vi)에서 상기 석출물을 포함하는 구리-티타늄 합금을 소성가공하여 배향성 석출물을 형성한다. 이에 한정되는 것은 아니나, 배향성 석출물을 형성하는 배향단계는 강제로 형성된 불연속 석출물을 인위적으로 배향시키는 공정으로, 압연, 인발 및/또는 압출을 통해서 수행될 수 있다.

단면적 감소율인 인발율(drawing ratio)은 적어도 50% 이상일 수 있다. 인발율이 증가할수록 배향성 석출물 그 자체의 두께와 배향성 석출물 사이의 거리가 감소할 수 있고, 인장강도 특성이 향상될 수 있다.

상기에서 설명한 바에 따르면, 본 발명의 구리-티타늄 합금은 제조공정 중에 강제로 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물을 형성하고 이를 이용하여 형성된 배향형 석출물을 포함함으로써, 인장강도 및 전기전도도를 동시에 향상된 물리적 특성이 우수한 금속 재료로서 제공될 수 있다.

본원에서는 전위 또는 전위의 집합체라고도 할 수 있는 전단띠가 불균일 핵생성 사이트로 작용될 수 있다는 것에 착안하여 전위 또는 전단띠를 포함하는 불균일 가공조직을 가지고, 불연속 석출물의 생성이 억제된, 고강도 및 고전기전도도의 구리-티타늄 합금을 제공한다.

따라서 다른 측면에 따르면, 본원의 불균질 석출물을 포함하는 전단띠를 포함하는 구리-티타늄 합금은 합금 전체 질량에 대해서 2 내지 5 질량%의 티타늄(Ti); 0 내지 2 질량%의 니켈(Ni); 및 구리(Cu)와 불가피한 불순물의 잔부;를 포함하고, 불균질 석출물을 포함하는 전단띠를 포함하고, 구리-티타늄(Cu-Ti) 합금의 단위 면적당 5% 미만의 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물을 포함한다.

티타늄(Ti)은 합금 전체 질량에 대해서 2 내지 5 질량%로 포함하는 것이 불연속 석출물 생성에 적합하고, 2 내지 4 질량%가 더 적합할 수 있고, 3 내지 4 질량%가 더욱더 적합할 수 있다. 구리-티타늄 합금은 합금 전체 질량에 대해서 티타늄의 함량이 2 질량% 미만이면 구리-티타늄 제 2상의 생성량이 적어 강도가 낮을 수 있고, 5 질량% 초과이면 건전한 구리-티타늄 합금 제작이 어려울 수 있다.

니켈(Ni)은 합금 전체 질량에 대해서 0 내지 2 질량%로 포함하는 것이 구리-티타늄 합금 강도 개선에 적합하고, 0 내지 1 질량%가 더 적합할 수 있다. 구리-티타늄 합금은 합금 전체 질량에 대해서 니켈의 함량이 2 질량% 초과이면 니켈을 포함하는 화합물의 크기와 균질분포를 유지하는 것이 용이하지 않아 오히려 구리-티타늄 합금의 강도를 저하할 수 있다.

본원의 불균질 석출물을 포함하는 전단띠를 포함하는 구리-티타늄 합금에서 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물은 단위 면적당 5% 미만으로 포함한다. 생성된 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물이 단위 면적당 5% 이상이면 불균질 석출물을 포함하는 전단띠를 포함하는 구리-티타늄 합금에서 강도 및 전기전도도를 동시에 향상시키기 어려움이 있을 수 있다.

상기 전단띠의 평균 간격은 180nm 내지 5.5㎛일 수 있다. 상기 전단띠의 평균 간격이 상기 범위 내에서 경도 및 전기전도도를 동시에 향상시킬 수 있다.

상기 전단띠는 시효처리 전 소성가공으로 형성될 수 있다. 시효처리 전 소성가공을 통해 불연속 석출물 생성을 억제하고, 일반 석출물의 석출구동력 향상시켜 경도 및 전기전도도를 향상시킬 수 있다.

도 17은 본 발명의 다른 측면에 의한 불균질 석출물을 포함하는 전단띠를 포함하는 구리-티타늄 합금의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 17을 참조하면, 또 다른 측면에 의한 불균질 석출물을 포함하는 전단띠를 포함하는 구리-티타늄 합금의 제조방법은 2-i) 합금 전체 질량에 대해서 2 내지 5 질량%의 티타늄(Ti); 0 내지 2 질량%의 니켈(Ni); 및 구리(Cu)와 불가피한 불순물의 잔부;를 포함하는, 구리-티타늄(Cu-Ti) 합금을 준비하는 단계; 2-ii) 상기 구리-티타늄 합금을 균질화하는 단계; 2-iii) 상기 균질화된 구리-티타늄 합금을 소성가공하는 제1 소성가공 단계; 2-iv) 상기 구리-티타늄 합금을 용체화처리하여 고용체를 형성하는 고용체 형성 단계; 2-v) 상기 고용체를 포함하는 구리-티타늄 합금을 소성가공하는 제2 소성가공 단계; 및 2-vi) 상기 고용체를 포함하는 구리-티타늄 합금을 시효처리하여, 불균질 석출물을 포함하는 전단띠를 형성하는 단계;를 포함하고, 구리-티타늄(Cu-Ti) 합금의 단위 면적당 5% 미만의 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물을 포함한다.

먼저, 단계 2-i) 합금 전체 질량에 대해서 2 내지 5 질량%의 티타늄(Ti); 0 내지 2 질량%의 니켈(Ni); 및 구리(Cu)와 불가피한 불순물의 잔부;를 포함하는, 구리-티타늄(Cu-Ti) 합금을 주조하여 준비한다.

다음, 단계 2-ii)에서 상기 구리-티타늄 합금을 균질화 한다. 상기 균질화는 합금 원소가 조직 내에 균일하게 분포되게 하고, 주조시 발생한 불순물을 제거하기 위한 것으로, 예를 들어 800 내지 1000℃에서 1 내지 36시간 동안 실시할 수 있다. 합금의 균질화 처리가 800℃ 미만인 경우, 균질화 효과가 미미할 수 있으며, 1000℃ 초과 범위의 온도에서는 합금의 융점에 가깝기 때문에 열처리가 어렵다. 상기 고용체를 생성하는 단계는 30분 이상 가열하여 수행할 수 있다. 또한, 합금의 균질화 처리가 1시간 미만인 경우, 균질화 효과가 미미할 수 있으며, 36시간을 초과하면 불필요한 균질화 처리 시간으로 인해 처리 시간 대비 효과가 미미해질 수 있다.

다음, 단계 2-iii)에서 상기 균질화된 구리-티타늄 합금을 소성가공하는 제1 소성가공을 한다. 상기 소성가공은 인발, 압연, 압출 등 다양한 공정이 선택될 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 압하율 50% 이상으로 소성가공하는 것이 강도 및 전기전도도 향상에 적합할 수 있고, 압하율 70% 이상으로 소성가공하는 것이 더 적합할 수 있다.

다음, 단계 2-iv)에서 상기 구리-티타늄 합금을 용체화처리하여 고용체를 형성한다. 상기 고용체를 형성하는 단계는 잔류 석출물을 제거하기 위한 공정으로, 상기 합금 재료를 준비하는 단계에서 석출촉진 금속이 포함되는 경우 고용도를 낮출 수 있다. 상기 고용체의 생성으로 인해, 상기 구리-티타늄 합금은 상기 고용체가 포함된 상태가 된다.

다음, 단계 2-v)에서 상기 고용체를 포함하는 구리-티타늄 합금을 소성가공하는 제2 소성가공을 한다. 상기 소성가공은 압하율 15 내지 95%으로 수행하는 것이 적합하고, 압하율 50% 이상으로 수행하는 것이 더 적합하고, 압하율 70% 이상으로 수행하는 것이 더욱더 적합할 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 압하율 50% 이상으로 그루브 압연가공을 하는 것이 전위 외에 불균일가공의 대표적인 결함인 전단띠 행성에 적합할 수 있다. 상기와 같이, 시효처리 전 소성가공을 하면, 생성된 결함이 불균일 핵생성을 일으켜 시효 거동을 변화시켜, 불균일 석출물이 생성되면서, 불연속 석출물의 생성이 억제된다. 즉, 일반적인 시효처리 시 전단띠에서 불연속 석출물이 생성되는 것과 달리, 불균일 석출물을 포함하는 전단띠가 생성되고, 석출구동력이 커져 경도 및 전기전도도가 향상되게 된다.

다음, 단계 2-vi)에서 상기 고용체를 포함하는 구리-티타늄 합금을 시효처리하여, 불균질 석출물을 포함하는 전단띠를 형성한다. 상기 시효처리는 400℃ 이상에서 10분 이상 시효처리할 수 있다.

상기 시효처리는 400 내지 600℃의 온도 범위에서 30분 이상 수행할 수 있다. 이러한 시효처리 온도는 400℃ 미만인 경우 결정립계로부터 불균질 생성물이 성장하는 속도가 느릴 뿐 아니라 성장 효율이 떨어져서 결정립 전반에 걸쳐 불균질 생성물을 포함하는 전단띠의 생성되기 어려울 수 있다. 또한, 600℃를 초과하는 온도에서 열처리하는 경우, 온도 상승에 소모되는 에너지 대비 불균질 생성물을 포함하는 전단띠의 성장 효과가 떨어지기 때문에 이 온도를 초과하는 것이 무의미할 수 있다. 또한, 시효처리를 수행하는 시간은 10분 이상으로 다양하게 실시할 수 있으나, 15분 이상 실시하는 것이 전기전도도 향상에 적합할 수 있고, 1시간 이상 실시하는 것이 더 적합할 수 있다. 시효 수행 시간은 합금의 인장강도에 영향을 미칠 수 있는 요소이기 때문에 시효처리 온도에 따라 최적의 값을 찾기 위해 다양하게 실시되는 것이 바람직하다.

실시예

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예 및 비교예, 이들의 특성 평가 결과를 통해서 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

I. 실시예 1 - 11 및 비교예 1 - 8

표 1에 본 발명의 구리-티타늄 합금의 실시예 1-11 및 비교예 1-8의 조성 및 용체화처리 후 열처리 조건을 나타내었다.

도 1에 나타난 바와 같이, 표 1에 나타난 실시예 1-11 및 비교예 1-8의 구리-티타늄 합금을 전기로 용해 및 고주파 유도 용해로 주조하였다. 주조시 생성된 불순물을 제거하기 위해 850℃에서, 24시간 동안 균질화 처리를 실시하였다. 이어서, 압하율 50%로 냉간압연을 실시하였다. 그 결과물에 900℃에서 1시간 동안 용체화 처리한 후 수냉처리 하였다.

그런 다음 표 1에 나타난 열처리 조건으로 불연속 석출물 생성을 위한 시효처리를 하였다.

실험예 1. 경도 및 전기전도도 분석

본 발명의 비교예 1-3 및 실시예 1-6에 의한 구리-티타늄 합금의 경도 및 전기전도도를 측정하여, 그 결과를 도 2 및 도 3에 나타내었다.

도 2는 본 발명의 비교예 1-3 및 실시예 1-6에 의한 구리-티타늄 합금의 경도 측정 결과를 보여주는 그래프이다. 도 3은 본 발명의 비교예 1-3 및 실시예 1-6에 의한 구리-티타늄 합금의 전기전도도 측정 결과를 보여주는 그래프이다.

표 1, 도 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, 시효시간 증가와 함께 배향성 석출물의 양이 많아지면, 경도는 감소하지만 전기전도도는 크게 증가하는 것으로 나타났다.

실험예 2. 인장강도 및 전기전도도 분석

본 발명의 비교예 4-8 및 실시예 7-11에 의한 구리-티타늄 합금의 전기전도도 및 인장강도를 측정하여, 그 결과를 도 4 및 도 5에 나타내었다.

도 4는 본 발명의 비교예 4-8 및 실시예 7-11에 의한 구리-티타늄 합금의 전기전도도 측정 결과를 보여주는 그래프이다. 도 5는 본 발명의 비교예 4-8 및 실시예 7-11에 의한 구리-티타늄 합금의 인장강도 측정 결과를 보여주는 그래프이다.

도 4 및 도 5에 나타난 바와 같이, 배향성 석출물의 양이 많아지면, 경도와 강도는 감소하지만 전기전도도는 크게 증가하는 것으로 나타났다.

실험예 3. 석출상 분석

본 발명의 실시예 및 비교예의 석출상을 관찰하여, 도 6 내지 도 10에 나타내었다.

도 6은 본 발명의 비교예 4에 의한 구리-티타늄 합금의 투과전자현미경 사진이고, 도 7은 본 발명의 비교예 7에 의한 구리-티타늄 합금의 투과전자현미경 사진이다.

도 8은 본 발명의 실시예 4에 의한 구리-티타늄 합금의 투과전자현미경 사진으로, 석출물 두께의 43 ~ 73 nm이고 석출물 간격은 65 ~ 190 nm이었다.

도 9는 본 발명의 실시예 9에 의한 구리-티타늄 합금의 투과전자현미경 사진으로, 석출물 두께는 48 ~ 106 nm이고 석출물 간격은 63 ~ 252 nm이었다.

도 10은 본 발명의 실시예 10에 의한 구리-티타늄 합금의 투과전자현미경 사진으로, 석출물 두께는 47 ~ 87 nm이고 석출물 간격은 75 ~ 183 nm이었다.

도 6 내지 10에 나타난 바와 같이, 비교예의 경우 일반적인 구리-티타늄 금속간화합물 석출상이 관찰되나, 실시예의 경우 구리-티타늄 금속간화합물 배향된 석출상이 관찰되었다.

실험예 4. 소성가공 후 경도 및 인장 특성 분석

본 발명의 실시예 및 비교예에 의한 구리-티타늄 합금을 90% 소성가공 후 경도 및 인장 특성을 분석하여, 도 11 내지 16에 나타내었다.

도 11은 본 발명의 비교예 4, 비교예 6, 및 비교예 7, 실시예 7, 실시예 9, 및 실시예 10에 의한 구리-티타늄 합금의 90% 소성가공 후 경도 및 인장강도를 보여주는 그래프이다. 도 11에 나타난 바와 같이, 소성가공 후 실시예의 인장강도는 비교예보다 큰 폭으로 증가하였다. 소성가공 후 Cu-Ti 및 Cu-Ti-Ni 합금은 비교예와 거의 유사한 인장강도를 보유하는 것으로 나타났다.

도 12는 본 발명의 비교예 4 내지 8 및 실시예 7 내지 실시예 11에 의한 구리-티타늄 합금의 90% 소성가공 전/후의 인장강도 증가량을 비교한 그래프이다. 도 12에 나타난 바와 같이, 실시예 7, 실시예 10, 및 실시예 11 (Cu-Ti, Cu-Ti-Ni)은 90% 소성가공 후 비교예 4, 비교예 7, 및 비교예 8보다 강도 증가량이 큰 것으로 나타났다. 이는 소성가공에 의한 배향한 석출물의 일방향 정렬과 석출물 간 간격 감소 때문이다.

도 13은 본 발명의 비교예 4 내지 8 및 실시예 7 내지 실시예 11에 의한 구리-티타늄 합금의 90% 소성가공 전/후의 전기전도도 증가량을 비교한 그래프이다. 도 13에 나타난 바와 같이, 실시예의 전기전도도는 소성가공 전/후 모두 비교예 보다 높은 것으로 나타났다. 소성가공 후 실시예의 전기전도도는 증가하는 경향을 보였다.

도 14는 본 발명의 실시예 7 및 실시예 10에 의한 구리-티타늄 합금의 90%의 소성가공 후 투과전자현미경 사진이다. 도 14에 나타난 바와 같이, 배향형 석출물이 상온가공 방향으로 정렬되었다. 이때 석출물 두께는 23 ~ 33nm이고, 석출물 간격은 75 ~ 183 nm이었다.

도 15는 본 발명의 실시예 10에 의한 구리-티타늄 합금의 90%의 소성가공 후 투과전자현미경 사진이다. 도 15에 나타난 바와 같이, 배향형 석출물이 소성가공 방향으로 정렬되었다. 이때 석출물 두께는 12 ~ 41nm이고, 석출물 간격은 65 ~ 129 nm이었다.

도 16은 본 발명의 비교예 4-8 및 실시예 7-11에 의한 구리-티타늄 합금의 소성가공 후 강도 및 전기전도도 변화를 비교하여 보여주는 그래프이다. 도 16에 나타난 바와 같이, 소성가공 후 실시예의 강도 대비 전도도 크기는 비교예 보다 큰 것으로 나타났다.

II. 실시예 12 - 18 및 비교예 9

표 2에 본 발명의 구리-티타늄 합금의 실시예 12-18 및 비교예 9의 조성 및열처리 전 소성가공 공정 조건을 나타내었다.

도 17에 나타난 바와 같이, 표 2에 나타난 실시예 12-18 및 비교예 9의 구리-티타늄 합금을 제조하기 위해, 순도 99.99% Cu와 Cu-50 wt.% Ti 모합금을 사용하여 Cu-3.5 wt.% Ti (Cu-4.6at%Ti) 합금을 Ar 가스 분위기에서 진공 유도 용해를 이용하여 주조하여, 두께 30 mm, 폭 60 mm 그리고 길이 130 mm 시편을 제작하였다. 주조된 잉곳은 850 ℃에서 24시간 동안 균질화처리를 한 후, 직경 20 mm 그리고 길이 100 mm의 봉상 형태의 시험편으로 가공하였다. 이 시편을 단면적 감소율 75%까지 상온에서 스웨이징(swaging)하여 최종적으로 Φ10 mm × 400 mm의 봉재 시편을 제조하였다. 스웨이징 된 시편의 가공 이력(working history)을 제거하기 위하여 885 ℃의 대기에서 1시간 동안 열처리 후 수냉 즉 용체화처리를 시행하였다. 용체화 처리 후 시효를 시행하는데, 시효에 미치는 가공(working)의 효과를 고찰하기 위해, 가공 공정을 단면적 감소율 15% 와 75%, 두 개의 가공도로 나누어 시행하였다. 용체화 처리된 Cu-3.5 wt.% Ti (Cu-4.6at%Ti) 합금을 상온에서 인장시험(ASTM E8M 규격)을 하였다.

실험예 1. 시효처리 후 경도 및 전기전도도 분석

본원발명의 실시예 및 비교예의 시효처리 후 경도 및 전기전도도를 측정하여 그 결과를 도 18 내지 20에 나타내었다.

도 18은 본 발명의 실시예 12, 실시예 13, 및 비교예 9에 의한 구리-티타늄 합금의 시효처리 시간에 따른 경도를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다. 도 19는 본 발명의 실시예 12, 실시예 13, 및 비교예 9에 의한 구리-티타늄 합금의 시효처리 시간에 따른 전기전도도를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.

즉, 도 18 및 도 19는 Cu-3.5 wt.% Ti 합금의 용체화 처리된 시편과 시효 전 15% 그리고 75% 가공된 시편을 450℃에서 시효했을 때 시간의 증가에 따른 경도 및 전도도를 각각 나타내었다. 시효 시 경도는 시편의 종류에 관계없이 시효 시간이 증가함에 따라 최고 경도(peak hardness)를 보이다가 감소하는 경향을 보였다. 전도도의 경우는 시효 시간의 증가에 따라 점진적인 증가를 보였다. 또한, 시효 전 가공도가 클수록 장시간 시효 시 높은 전도도를 가지는 것으로 나타났다. 특히 경도는 시효 전 단면적 감소율 75%로 가공된 시편의 경우 약 340 Hv의 값을 보였고 이는 용체화 처리만 시행한 시편에 비해 65 Hv나 높은 결과이다. 또한, 최고 경도에 도달하는 시간은 단면적 감소율 15%의 경우는 720분, 75%의 경우는 30분으로써 용체화 처리 후 바로 시효한 시편의 1440분에 비교했을 때, 시효 전 가공도가 증가할수록 기하급수적으로 석출 속도가 증가되었음을 보였다. 본 발명에서 전도도와 경도의 최고 조합 (경도와 전도도의 곱의 최고인 값) 인 16.8% IACS 와 302 Hv는 전단 밴드를 가진 시편을 360분 시효했을 때 얻어졌다. 이상의 결과를 간단하게 요약하면 Cu-3.5 wt.% Ti 합금을 시효했을 때, 용체화 처리 후 시효 전 가공은 시효 시 피크 경도의 크기를 증가시키고 피크 경도에 도달하는 시간을 급격하게 감소시킴을 보였다.

따라서, 시효처리 전 소성가공을 통해 불연속 석출물 생성을 억제하고, 일반 석출물의 석출구동력 향상시켜 경도 및 전기전도도를 향상시킬 수 있다.

도 20은 본 발명의 실시예 12, 실시예 13, 및 비교예 9에 의한 구리-티타늄 합금의 시효처리 후 경도 및 전기전도도를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.

도 20에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예가 비교예보다 경도 및 전기전도도가 큰 것으로 나타났다.

실험예 2. 시효처리 시 Ti 함량에 따른 기계적 물성 및 전기전도도에 대한 영향 분석

시효처리 시 Ti 함량에 따른 기계적 물성 및 전기전도도의 변화를 측정하여 도 21 내지 도 23에 나타내었다.

도 21은 본 발명의 실시예 13 내지 실시예 15에 의한 구리-티타늄 합금의 400℃ 시효처리 시 Ti 함량에 따른 기계적 물성 및 전기전도도에 대한 영향을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다. 도 22는 본 발명의 실시예 13 내지 실시예 15에 의한 구리-티타늄 합금의 450℃ 시효처리 시 Ti 함량에 따른 기계적 물성 및 전기전도도에 대한 영향을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다. 도 23은 본 발명의 실시예 13 내지 실시예 15에 의한 구리-티타늄 합금의 500℃ 시효처리 시 Ti 함량에 따른 기계적 물성 및 전기전도도에 대한 영향을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.

도 21 내지 도 23에 나타난 바와 같이, 열처리 전 75% 소성가공을 통해, Cu-3.0~4.0Ti 합금의 경도 및 전기전도도가 동시 향상되는 것이 확인되었다.

실험예 3. Ni 첨가에 따른 기계적 물성 및 전기전도도에 대한 영향 분석

Ni 첨가에 따른 기계적 물성 및 전기전도도에 대한 영향 분석을 분석하여 도 24에 나타내었다.

도 24는 본 발명의 실시예 13 및 실시예 16 내지 실시예 18에 의한 구리-티타늄 합금의 450℃ 시효처리 시 Ni 첨가에 따른 기계적 물성 및 전기전도도에 대한 영향을 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.

도 24에 나타난 바와 같이, 열처리 전 75% 소성가공을 통해, Cu-3.5Ti-0~1Ni 합금의 경도 및 전기전도도가 동시에 향상되는 것이 확인되었다.

실험예 4. 석출상 분석

본 발명의 실시예 및 비교예의 석출상을 관찰하여, 도 25 내지 도 27에 나타내었다.

도 25는 본 발명의 비교예 9에 의한 구리-티타늄 합금의 시효처리 시간에 따른 석출물 생성을 보여주는 광학현미경 사진이다. 도 25에 나타난 바와 같이, 시효처리 시간 증가에 따라 결정립계에 다량의 불연속 석출물(배향형 석출물)이 생성되었다.

도 26은 본 발명의 실시예 12에 의한 구리-티타늄 합금의 15% 소성가공 및 시효처리 시 시효처리 시간에 따른 석출물 생성을 보여주는 광학현미경 사진이다. 도 26에 나타난 바와 같이, 15% 소성가공 및 열처리 후 비교예보다 불연속 석출물 생성량이 감소하는 것으로 나타났다.

도 27은 본 발명의 실시예 13에 의한 구리-티타늄 합금의 75% 소성가공 및 시효처리 시 시효처리 시간에 따른 석출물 생성을 보여주는 광학현미경 사진이다. 도 27에 나타난 바와 같이, 75% 소성가공 및 열처리 후 불연속석출물이 거의 생성되지 않았다.

도 28은 본 발명의 비교예 9, 실시예 12, 및 실시예 13에 의한 구리-티타늄 합금의 450℃, 30분 시효처리 후 주사전자현미경 촬영 사진이다. 도 28에 나타난 바와 같이, 450℃, 30분 열처리 후에도 실시예의 전단띠가 관찰되었다. 전단 띠 간격은 180 nm ~ 3.1 ㎛이었다.

도 29는 본 발명의 비교예 9, 실시예 12, 및 실시예 13에 의한 구리-티타늄 합금의 450℃, 12시간 시효처리 후 주사전자현미경 촬영 사진이다. 도 29에 나타난 바와 같이, 450℃, 12시간 시효처리 후에도 실시예의 전단띠가 관찰되었다. 상기 전단 띠 간격은 ~ 3.6 ㎛이었고, 전단 띠 내 불균질 석출물이 생성되었고 지름 760 nm 이하이었다.

도 30은 본 발명의 비교예 9, 실시예 12, 및 실시예 13에 의한 구리-티타늄 합금의 450℃, 24시간 시효처리 후 주사전자현미경 촬영 사진이다. 도 30에 나타난 바와 같이, 450℃, 24시간 시효처리 후에도 실시예 2의 전단띠가 관찰되었고, 전단 띠 간격은 ~ 5.4 ㎛이었고, 전단 띠 내 불균질 석출물이 생성되었다(지름 1,060 nm 이하).

도 31은 본 발명의 비교예 9, 실시예 12, 및 실시예 13에 의한 구리-티타늄 합금의 450℃, 12시간 시효처리 후 주사전자현미경 촬영 사진이다. 도 31에 나타난 바와 같이, 450℃, 12시간 시효처리 후, 비교예는 수십 nm 이하의 석출물이 관찰되는 반면, 실시예는 전단띠 내부에 750 nm 이하 석출물이 관찰되었다.

도 32는 본 발명의 비교예 9, 실시예 12, 및 실시예 13에 의한 구리-티타늄 합금의 450℃, 24시간 시효처리 후 주사전자현미경 촬영 사진이다. 도 32에 나타난 바와 같이, 450℃, 24시간 열처리 후, 비교예는 길이 250 nm 이하의 석출물이 관찰되는 반면, 실시예는 전단 띠 내부에 1.1 ㎛ 이하 석출물이 관찰되었다.

도 31 및 도 32에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 합금을 시효 시, 전형적인 β'-Cu₄Ti 화합물이 석출되었음을 확인하였다. 용체화 처리 후 바로 시효된 합금의 경우 일정한 방향성을 가진 정방형 형태의 입자가 생성되었고 이는 β'-Cu₄Ti 화합물이 낮은 계면에너지의 면 관계를 선호하면서 석출되었음을 설명한다.

한편, 시효 전 15% 단면적 감소율로 가공된 시편을 시효할 경우, 용체화 처리 후 바로 시효한 시편에 비해 12시간의 시효에서 석출물의 크기가 다소 증가한 양상을 보였고 24시간 시효한 경우는 석출물이 용체화 처리 후 시효한 시편에 비해 다소 불규칙한 배열을 가지는 것으로 나타났다. 이는 도 31 및 도 32에서 나타낸 바와 같이 슬립 밴드가 불균일 핵생성 사이트로 작용하고, 여기서 석출물이 생성되었음을 의미한다. 특히 12시간의 시효 시(도 31의 용체화 처리 후 시효한 시편에 비해 석출물의 크기가 평균적으로 큰 것은 석출 초기 슬립 밴드가 핵 생성을 주도하였기 때문으로 사료된다. 즉 도 18 및 도 19의 시효 시간 증가에 따른 경도 및 전도도의 증가가 용체화 처리 후 시효한 시편에 비해 빠른 이유에 대해 미세구조적인 관점에서 재확인하는 결과라고 할 수 있다.

시효 전 75%로 가공된 시편을 시효했을 경우, 도 32에 나타낸 12시간의 시효에서 다른 두 시편과 명확한 차이가 나타났다. 잔존한 전단 밴드에 마이크로미터 이하의 상대적으로 큰 석출물이 생성됨을 확인할 수 있었다. 이러한 경향은 24시간의 시효에서 더욱 현저하게 나타난다. 즉 결정립 내 균일 핵생성으로 생성된 석출물보다 전단밴드에서 불균일핵 생성으로 인한 큰 판형의 석출물이 생성된 것을 확인할 수 있다. 그런데 이러한 불균일 핵생성된 석출물은 시편 전체에서 1 μm 이상의 크기는 발견하기 어려웠다. 따라서 불균일적으로 생성되었지만 그 크기가 너무 크지 않기 때문에 이 석출물은 기계적 특성 향상에 다소 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

다음, 도 20은 용체화 처리 후 시효 전 시편의 가공 유무에 따른 시효 거동 결과이다. 그림에 나타내었듯이 시효 전 75% 가공한 시편을 시효한 결과, 전도도와 경도가 그래프의 우상에 위치한 것을 알 수 있다. 그리고 15% 가공한 시편 역시 용체화 처리 후 바로 시효한 것에 비해 경도 및 전도도 값이 우상에 위치함을 알 수 있다. 이 결과는 전위에 의해 생성된 슬립 밴드 그리고 균일 변형(uniform deformation) 한계를 넘어 가공된 조직에서 생성된 전단 밴드(shear band)가 불균일 핵성성 사이트(heterogeneous nucleation site)로 작용하고 석출을 가속화 시켜 강화와 전도도 상승을 동시에 이끈 결과라고 할 수 있다. 또한, 도 18 및 도 19에 나타낸 시효 시간에 따른 경도 및 전도도의 변화와 종합하면 시효 전 가공은 시효 시 최고 경도에 이르는 시간을 효과적으로 단축할 수 있었다. 그리고 도 31 및 도 32에 나타낸 바와 같이 전단밴드에서 불균일 핵생성되고 성장한 석출물의 크기는 1 μm 이하로서, 강도 저하를 야기하기보다는 강도 상승에 기여한 것으로 판단된다. 일반적으로 동합금에서 시효 시 시효 전 가공은 그 효과가 미미하거나 적은 것으로 알려져 있는데, 본 발명의 Cu-Ti 합금은 시효 전 가공이 매우 효과가 있음이 밝혀졌다. 그 이유는 명확한 추가 분석이 필요하지만 Cu-Ti 합금은 스피노달 분해에 의한 석출이 이루어지는 것이 그 이유로 해석된다. 스피노달 분해는 시효가 진행되는 도중 석출물을 이루는 조성이 풍부한 부분과 희박한 부분으로 분리되는 과정을 가진다. 이러한 화학적 조성 분리는 미소한 범위의 응력장을 형성하고 전위나 전단 밴드의 이동을 억제하는 역할을 하게 되어 강도 상승의 원인으로 작용됨과 함께 도 31 및 도 32에 나타낸 바와 같이 본 연구에서 의도적으로 도입된 전위 및 전단 밴드가 시효 과정 중 이동이 힘들게 만들고 석출 핵(precipitation embryo)이 생성될 충분한 시간을 제공하는 것으로 판단된다. 따라서 이러한 결함이 불균일 핵생성 사이트로 효과적으로 작용하고, 불균일 핵생성이 석출을 가속화시켜 단시간 내에 강도와 전도도를 상승시킨 것으로 해석된다.

이상과 같이 Cu-Ti 합금에서의 시효 전 가공은 석출 시간의 감소, 최고 경도의 상승을 일으켜 동합금 개발의 본연의 목적 즉 기계적 특성인 강도 그리고 특히, 강도의 상반 특성인 전도도를 동시에 향상시킬 수 있는 효과적인 방법이다. 또한 열처리 시 시간과 에너지의 사용을 줄일 수 있는 시효 시간의 단축을 이룰 수 있다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 포함된다고 할 것이다.

Claims

합금 전체 질량에 대해서
2 내지 5 질량%의 티타늄(Ti);
0 내지 1 질량%의 규소(Si);
0 내지 1 질량%의 니켈(Ni); 및
구리(Cu)와 불가피한 불순물의 잔부;를 포함하고,
구리-티타늄(Cu-Ti) 합금의 단위 면적당 15% 이상으로 강제로 생성되어 배향된 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물을 포함하고,
상기 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물의 석출물간 평균 간격은 300nm 이하이고,
인장강도가 1,000MPa 이상이고, 전기전도도가 26% IACS 이상인, 고강도 및 고전기전도도의 구리-티타늄 합금.
제1항에 있어서,
합금 전체 질량에 대해서
3 내지 4 질량%의 티타늄(Ti);
0 내지 0.5 질량%의 규소(Si);
0 내지 0.5 질량%의 니켈(Ni); 및
구리(Cu)와 불가피한 불순물의 잔부;를 포함하는, 고강도 및 고전기전도도의 구리-티타늄 합금.
제1항에 있어서,
상기 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물의 평균 두께는 150nm 이하인, 고강도 및 고전기전도도의 구리-티타늄 합금.
삭제
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물은 상기 구리-티타늄 합금에 용체화처리를 실시하여 고용체를 생성한 후 시효처리하여 형성된 것인, 고강도 및 고전기전도도의 구리-티타늄 합금.
제1항에 기재된 고강도 및 고전기전도도의 구리-티타늄 합금의 제조방법으로서,
1-i) 합금 전체 질량에 대해서 2 내지 5 질량%의 티타늄(Ti); 0 내지 1 질량%의 규소(Si); 0 내지 1 질량%의 니켈(Ni); 및 구리(Cu)와 불가피한 불순물의 잔부;를 포함하는, 구리-티타늄(Cu-Ti) 합금을 준비하는 단계;
1-ii) 상기 구리-티타늄 합금을 균질화하는 단계;
1-iii) 상기 균질화된 구리-티타늄 합금을 소성가공하는 단계;
1-iv) 상기 소성가공된 구리-티타늄 합금을 용체화처리하여 고용체를 형성하는 단계;
1-v) 상기 고용체를 포함하는 구리-티타늄 합금을 시효처리하여, 단위면적당 15% 이상의 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물을 강제로 형성하는 석출물 형성 단계; 및
1-vi) 상기 석출물을 포함하는 구리-티타늄 합금을 소성가공하여 배향성 석출물을 형성하는 배향단계;를 포함하는, 고강도 및 고전기전도도의 구리-티타늄 합금 제조방법.
제6항에 있어서,
단계 1-v)에서 시효처리는 350 내지 600℃의 온도 범위에서 15시간 이상 수행하는, 고강도 및 고전기전도도의 구리-티타늄 합금 제조방법.
제6항에 있어서,
단계 1-v)에서 상기 시효처리는 500 내지 600℃의 온도 범위에서 10 내지 15시간 수행하는 단계 및 300 내지 500℃의 온도 범위에서 10 내지 15시간 수행하는 단계를 포함하는, 고강도 및 고전기전도도의 구리-티타늄 합금 제조방법.
제6항에 있어서,
단계 1-vi)에서 상기 소성가공은 압하율 50% 이상으로 수행하는, 고강도 및 고전기전도도의 구리-티타늄 합금 제조방법.
합금 전체 질량에 대해서
2 내지 5 질량%의 티타늄(Ti);
0 내지 2 질량%의 니켈(Ni); 및
구리(Cu)와 불가피한 불순물의 잔부;를 포함하고,
불균질 석출물을 포함하는 전단띠를 포함하고,
구리-티타늄(Cu-Ti) 합금의 단위 면적당 5% 미만의 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물을 포함하고,
상기 전단띠의 평균 간격은 180nm 내지 5.5㎛인, 고강도 및 고전기전도도의 구리-티타늄 합금.
삭제
제10항에 있어서,
상기 전단띠는 시효처리 전 소성가공으로 형성된 것인, 고강도 및 고전기전도도의 구리-티타늄 합금.
제10항에 있어서,
상기 불균질 석출물의 크기는 10nm 내지 2㎛인, 고강도 및 고전기전도도의 구리-티타늄 합금.
제10항에 기재된 고강도 및 고전기전도도의 구리-티타늄 합금의 제조방법으로서,
2-i) 합금 전체 질량에 대해서 2 내지 5 질량%의 티타늄(Ti); 0 내지 2 질량%의 니켈(Ni); 및 구리(Cu)와 불가피한 불순물의 잔부;를 포함하는, 구리-티타늄(Cu-Ti) 합금을 준비하는 단계;
2-ii) 상기 구리-티타늄 합금을 균질화하는 단계;
2-iii) 상기 균질화된 구리-티타늄 합금을 소성가공하는 제1 소성가공 단계;
2-iv) 상기 구리-티타늄 합금을 용체화처리하여 고용체를 형성하는 고용체 형성 단계;
2-v) 상기 고용체를 포함하는 구리-티타늄 합금을 소성가공하는 제2 소성가공 단계; 및
2-vi) 상기 고용체를 포함하는 구리-티타늄 합금을 시효처리하여, 불균질 석출물을 포함하는 전단띠를 형성하는 단계;를 포함하고,
구리-티타늄(Cu-Ti) 합금의 단위 면적당 5% 미만의 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물을 포함하는, 고강도 및 고전기전도도의 구리-티타늄 합금 제조방법.
제14항에 있어서,
단계 2-v)에서 상기 소성가공은 압하율 15% 이상으로 수행하는, 고강도 및 고전기전도도의 구리-티타늄 합금 제조방법.
제14항에 있어서,
단계 2-v)에서 상기 소성가공은 압하율 70% 이상으로 수행하는, 고강도 및 고전기전도도의 구리-티타늄 합금 제조방법.
제14항에 있어서,
단계 2-vi)에서 400℃ 이상에서 30분 이상 시효처리하는, 고강도 및 고전기전도도의 구리-티타늄 합금 제조방법.