KR102609594B1 - G-Phase을 포함하는 구리-니켈-규소-망간 합금 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 G-phase을 포함하는 구리-니켈-규소-망간 합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 망간을 첨가하여 합금의 결정립계에 G-phase을 형성시켜, 개재물이 저감되고 우수한 강도 및 내마모성을 가지면서 경제성 또한 상승시킬 수 있는 구리-니켈-규소-망간 합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 G-phase을 포함하는 구리-니켈-규소-망간 합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 망간을 첨가하여 합금의 결정립계에 G-phase을 형성시켜, 개재물이 저감되고 우수한 강도 및 내마모성을 가지면서 경제성 또한 상승시킬 수 있는 구리-니켈-규소-망간 합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
구리 합금은 높은 강도 및 전기전도도 특성으로 전기·전자 부품에 응용되어 널리 사용되고 있다. 그 중 구리-베릴륨(Cu-Be)계 합금은 광범위한 강도와 전도도를 가지는 대표적인 석출경화형 구리 합금으로서 리드프레임, 커넥터 등의 다양한 전기·전자 부품에 응용되어 널리 사용되었다. 그러나 구리-베릴륨(Cu-Be)계 합금은 가격이 비싸고 산화하기 쉬우며, 가공시 베릴륨의 독성으로 인해 환경 및 인체에 유해한 단점이 있어 현재 여러 나라에서 구리-베릴륨계 합금의 제조를 지양하고 있다. 따라서, 구리-베릴륨계 합금을 대체할 수 있는 고강도 및 고전도도를 가진 구리 합금 개발에 대한 요구가 지속되어 왔다.
또한, 최근 자동차용 내마모 부품의 사용이 증가함에 따라, 반복되는 진동이나 마찰이 부하되는 자동차용 부품의 환경에 맞춰 강도 및 내마모성이 향상된 대체 구리 합금에 대한 수요가 있어 상기한 구리-베릴륨계 합금을 대체하기 위해 구리-니켈-규소(Cu-Ni-Si)계 합금을 이용하게 되었다.
구리-니켈-규소계 합금 또한 석출경화형 구리 합금으로, 다른 구리 합금 대비 우수한 강도, 전기전도성 및 굽힘 가공성 등을 가져 리드프레임, 커넥터 등의 소재로 많이 사용되며 현재 널리 개발되고 있는 합금 중 하나이다. 이러한 구리-니켈-규소계 합금은 구리 기질에서 미세한 니켈-규소(Ni-Si)계 금속간 화합물 입자를 석출시킴으로써 강도 및 전기전도도를 향상시킬 수 있다. 그러나 니켈 및 규소의 첨가량이 증가할수록 개재물이 형성되어 강도 및 연성이 감소할 수 있어, 상기한 개재물을 효과적으로 감소시킨 구리-니켈-규소계 합금의 개발이 필요하다.
또한, 구리-니켈-규소계 합금은 시효경화형 합금으로 용체화 처리 및 장시간의 시효처리가 필요하나, 이러한 공정으로 진행될 경우 경제성이 좋지 못할 수 있다. 따라서, 구리 합금의 물성을 개선하면서 경제성 또한 상승시킬 수 있는 구리-니켈-규소계 합금의 개발 또한 필요하다.
본 발명의 배경기술로 대한민국 등록특허 제 10-1627696호 자동차 및 전기전자 부품용 동합금재 및 그의 제조 방법이 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 결정립계에 새로운 화합물을 형성시켜 개재물이 저감된 구리-니켈-규소 합금 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 결정립계에 새로운 화합물을 형성시켜 합금의 강도 및 내마모성 등의 기계적 특성이 향상되고 개재물이 저감된 구리-니켈-규소 합금 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 결정립계에 새로운 화합물을 형성시켜 합금의 가공성이 향상되고 개재물이 저감된 구리-니켈-규소 합금 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 용체화 및 시효처리 공정을 축소시킬 수 있는 개재물이 저감된 구리-니켈-규소 합금의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위, 및 도면에 더욱 명확하게 된다.
일 측면에 따르면, 망간(Mn)이 첨가된 구리-니켈-규소(Cu-Ni-Si) 합금으로서, 상기 합금 내의 결정립계에 Mn6Ni16Si7상(G-Phase)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 구리-니켈-규소-망간 합금이 제공된다.
일 실시예에 따르면, 상기 구리-니켈-규소-망간 합금 전체 중량에 대해, 2 내지 6 중량%의 니켈(Ni); 0.5 내지 2 중량%의 규소(Si); 0.5 내지 2.5 중량%의 망간(Mn); 및 구리(Cu)와 불가피한 불순물의 잔부;를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 구리-니켈-규소-망간 합금 전체 중량에 대해 0.7 내지 2.2 중량%의 망간(Mn)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 구리-니켈-규소-망간 합금 전체 중량에 대해 0.5 내지 1.5 중량%의 규소(Si)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 구리-니켈-규소-망간 합금은 망간(Mn)과 니켈(Ni)의 함량비 Mn/Ni가 0.08 내지 1.3일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 구리-니켈-규소-망간 합금은 망간(Mn)과 니켈(Ni)의 합과 규소(Si)의 함량비 (Mn+Ni)/Si가 1.2 내지 18일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 구리-니켈-규소-망간 합금은 니켈(Ni)과 규소(Si)의 함량비 Ni/Si가 0.9 내지 13일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 구리-니켈-규소-망간 합금은 균질화 처리로 형성된 것일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 구리-니켈-규소-망간 합금은 인장강도가 830 내지 1200 MPa일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 구리-니켈-규소-망간 합금은 합금 내 개재물이 감소하고, 합금의 내마모성 및 연신율이 증가할 수 있다.
다른 측면에 따르면, i) 합금 전체 중량에 대해 2 내지 6 중량%의 니켈(Ni); 0.5 내지 2 중량%의 규소(Si); 0.5 내지 2.5 중량%의 망간(Mn) 및 구리(Cu)와 불가피한 불순물의 잔부;를 포함하는 구리-니켈-규소-망간 합금을 주조하는 단계; 및 ii) 상기 주조된 구리-니켈-규소-망간 합금을 균질화처리하는 단계;를 포함하고, 개재물이 저감되는, 구리-니켈-규소-망간 합금의 제조 방법이 제공된다.
일 실시예에 따르면, 상기 단계 ii) 균질화처리는 900℃ 내지 1100℃에서 수행하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 본원의 구리-니켈-규소-망간 합금의 제조 방법은 iii) 상기 균질화 처리된 구리-니켈-규소 합금을 압연하는 단계; 및 iv) 상기 압연된 구리-니켈-규소 합금을 시효처리하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 단계 iii) 압연은 85% 내지 95%의 냉간압연으로 수행하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 단계 iv) 시효처리는 350℃ 내지 450℃에서 1분 내지 15분 수행하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제조된 상기 구리-니켈-규소-망간 합금 내 결정립계에 Mn6Ni16Si7상(G-Phase)이 생성된 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 본원의 제조방법에 의해 제조된 상기 구리-니켈-규소-망간 합금은 망간(Mn)과 니켈(Ni)의 함량비 Mn/Ni가 0.08 내지 1.3일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 본원의 제조방법에 의해 제조된 상기 구리-니켈-규소-망간 합금은 망간(Mn)과 니켈(Ni)의 합과 규소(Si)의 함량비 (Mn+Ni)/Si가 1.2 내지 18일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 본원의 제조방법에 의해 제조된 구리-니켈-규소-망간 합금은 니켈(Ni)과 규소(Si)의 함량비 Ni/Si가 0.9 내지 13일 수 있다.
일 실시예에 의하면, 망간(Mn)을 첨가하여 결정립계에 Mn6Ni16Si7상(G-phase)을 형성시켜 구리-니켈-규소 합금의 개재물을 저감시킬 수 있다.
일 실시예에 의하면, 망간(Mn)을 첨가하여 결정립계에 Mn6Ni16Si7상(G-phase)을 형성시켜 구리-니켈-규소 합금의 강도 및 내마모성을 포함한 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.
일 실시예에 의하면, 망간(Mn)을 첨가하여 결정립계에 Mn6Ni16Si7상(G-phase)을 형성시켜 구리-니켈-규소 합금의 가공성을 향상시킬 수 있다.
일 실시예에 의하면, 망간(Mn)을 첨가한 구리-니켈-규소 합금의 제조 공정에서 용체화 처리 대신 균질화 처리를 수행하여, 용체화 및 시효처리 공정을 축소할 수 있어, 제조 공정의 경제성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 망간(Mn) 첨가에 의한 구리-니켈-규소 합금의 개재물 감소 효과를 나타내는 이미지이다.
도 2는 용체화 처리 후 시효시의 불연속 석출물 생성을 확인하기 위한 구리-니켈-규소 합금의 제조 공정을 나타내는 그래프이다.
도 3은 망간(Mn)이 첨가되지 않은 구리-니켈-규소 합금의 용체화 처리 후 시효시의 불연속 석출물을 나타내는 이미지이다.
도 4는 망간(Mn)이 첨가된 구리-니켈-규소 합금의 용체화 처리 후 시효시의 불연속 석출물을 나타내는 이미지이다.
도 5는 망간(Mn)의 첨가 여부에 따른 구리-니켈-규소 합금의 용체화 처리 후 시효시간에 따른 경도를 나타내는 그래프이다.
도 6은 망간(Mn)의 첨가 여부 및 시효시간에 따른 구리-니켈-규소 합금의 불연속 석출물을 나타내는 이미지이다.
도 7은 망간(Mn)의 첨가 여부 및 시효시간에 따른 구리-니켈-규소 합금의 결정립계(grain boundary) 구조를 나타내는 이미지이다.
도 8은 망간(Mn)이 첨가되지 않은 구리-니켈-규소 합금의 결정립계(grain boundary)에 형성된 화합물을 나타내는 이미지이다.
도 9는 망간(Mn)이 첨가된 구리-니켈-규소 합금의 결정립계(grain boundary)에 형성된 화합물을 나타내는 이미지이다.
도 10은 망간(Mn)의 첨가 여부에 따른 구리-니켈-규소 합금의 석출물을 나타내는 이미지이다.
도 11은 망간(Mn)의 첨가 여부 및 시효시간에 따른 구리-니켈-규소 합금의 석출물 평균 크기를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 용체화 처리를 포함하는 구리-니켈-규소 합금의 제조공정을 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 균질화 처리를 포함하는 구리-니켈-규소 합금의 제조공정을 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-니켈-규소 합금의 용체화 처리 또는 균질화 처리 후 시효처리 시간에 따른 경도 및 전도도를 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 망간(Mn)이 첨가된 구리-니켈-규소 합금의 X-ray 분석 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 균질화 처리 시 망간(Mn)의 첨가 여부에 따른 결정립계(grain boundary)에 형성된 화합물을 나타내는 이미지이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 균질화 처리 시 망간(Mn)의 첨가 여부에 따른 결정립계(grain boundary) 및 아결정립계(subgrain boundary)에 형성된 화합물을 나타내는 이미지이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 주조 및 균질화 처리 시의 구리-니켈-규소 합금의 기계적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 균질화 처리 후 압연 및 시효처리 시의 구리-니켈-규소 합금의 기계적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-니켈-규소 합금의 제조공정을 나타내는 그래프이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-니켈-규소 합금의 인장강도-연신율 그래프이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-니켈-규소 합금의 인장강도-전도도 그래프이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-니켈-규소 합금의 망간 첨가량 및 가공열처리 공정에 따른 인장강도를 나타내는 그래프이다.
도 24은 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-니켈-규소 합금의 망간 첨가량 및 가공열처리 공정에 따른 연신율 나타내는 그래프이다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-니켈-규소 합금의 망간 첨가량 및 가공열처리 공정에 따른 전도도를 나타내는 그래프이다.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-니켈-규소 합금의 Mn/Ni 값에 따른 인장강도를 나타내는 그래프이다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰계수 측정을 위한 구리-니켈-규소 합금의 제조공정을 나타내는 그래프이다.
도 28는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰계수 측정시험의 개략도이다.
도 29은 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-니켈-규소 합금의 마찰계수 측정시험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 30는 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-니켈-규소 합금의 마모시험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 2는 용체화 처리 후 시효시의 불연속 석출물 생성을 확인하기 위한 구리-니켈-규소 합금의 제조 공정을 나타내는 그래프이다.
도 3은 망간(Mn)이 첨가되지 않은 구리-니켈-규소 합금의 용체화 처리 후 시효시의 불연속 석출물을 나타내는 이미지이다.
도 4는 망간(Mn)이 첨가된 구리-니켈-규소 합금의 용체화 처리 후 시효시의 불연속 석출물을 나타내는 이미지이다.
도 5는 망간(Mn)의 첨가 여부에 따른 구리-니켈-규소 합금의 용체화 처리 후 시효시간에 따른 경도를 나타내는 그래프이다.
도 6은 망간(Mn)의 첨가 여부 및 시효시간에 따른 구리-니켈-규소 합금의 불연속 석출물을 나타내는 이미지이다.
도 7은 망간(Mn)의 첨가 여부 및 시효시간에 따른 구리-니켈-규소 합금의 결정립계(grain boundary) 구조를 나타내는 이미지이다.
도 8은 망간(Mn)이 첨가되지 않은 구리-니켈-규소 합금의 결정립계(grain boundary)에 형성된 화합물을 나타내는 이미지이다.
도 9는 망간(Mn)이 첨가된 구리-니켈-규소 합금의 결정립계(grain boundary)에 형성된 화합물을 나타내는 이미지이다.
도 10은 망간(Mn)의 첨가 여부에 따른 구리-니켈-규소 합금의 석출물을 나타내는 이미지이다.
도 11은 망간(Mn)의 첨가 여부 및 시효시간에 따른 구리-니켈-규소 합금의 석출물 평균 크기를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 용체화 처리를 포함하는 구리-니켈-규소 합금의 제조공정을 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 균질화 처리를 포함하는 구리-니켈-규소 합금의 제조공정을 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-니켈-규소 합금의 용체화 처리 또는 균질화 처리 후 시효처리 시간에 따른 경도 및 전도도를 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 망간(Mn)이 첨가된 구리-니켈-규소 합금의 X-ray 분석 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 균질화 처리 시 망간(Mn)의 첨가 여부에 따른 결정립계(grain boundary)에 형성된 화합물을 나타내는 이미지이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 균질화 처리 시 망간(Mn)의 첨가 여부에 따른 결정립계(grain boundary) 및 아결정립계(subgrain boundary)에 형성된 화합물을 나타내는 이미지이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 주조 및 균질화 처리 시의 구리-니켈-규소 합금의 기계적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 균질화 처리 후 압연 및 시효처리 시의 구리-니켈-규소 합금의 기계적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-니켈-규소 합금의 제조공정을 나타내는 그래프이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-니켈-규소 합금의 인장강도-연신율 그래프이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-니켈-규소 합금의 인장강도-전도도 그래프이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-니켈-규소 합금의 망간 첨가량 및 가공열처리 공정에 따른 인장강도를 나타내는 그래프이다.
도 24은 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-니켈-규소 합금의 망간 첨가량 및 가공열처리 공정에 따른 연신율 나타내는 그래프이다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-니켈-규소 합금의 망간 첨가량 및 가공열처리 공정에 따른 전도도를 나타내는 그래프이다.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-니켈-규소 합금의 Mn/Ni 값에 따른 인장강도를 나타내는 그래프이다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰계수 측정을 위한 구리-니켈-규소 합금의 제조공정을 나타내는 그래프이다.
도 28는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰계수 측정시험의 개략도이다.
도 29은 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-니켈-규소 합금의 마찰계수 측정시험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 30는 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-니켈-규소 합금의 마모시험 결과를 나타내는 그래프이다.
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 구 체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사 용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하 게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또 는 "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 존 재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 표 및 도면들을 참조하여 본 발명에 의한 개재물이 저감된 구리-니켈-규소 합금 및 이의 제조방법에 대해서 구체적으로 설명한다.
일 측면에 따르면, 망간(Mn)이 첨가된 구리-니켈-규소(Cu-Ni-Si) 합금으로서, 상기 합금 내의 결정립계에 Mn6Ni16Si7상(G-Phase)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 구리-니켈-규소-망간 합금이 제공된다.
구리-니켈-규소 합금은 대표적인 석출경화형 구리 합금으로, 구리 기질에 Ni2Si와 같은 미세한 니켈-규소(Ni-Si)계 금속간 화합물 입자를 석출시켜 강도 및 전기전도도를 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 한다. 하지만, 본 발명자들은 구리-니켈-규소 합금에 망간을 첨가하여, 개재물이 저감되고 강도 및 내마모성 등 기계적 특성 및 가공성을 개선할 수 있는 것을 발견하였다. 또한, 본 발명자들은 합금 내에 Ni2Si가 아닌, 철강 분야에서 주로 발견되는 화합물인 Mn6Ni16Si7상(G-Phase)이 합금 내의 결정립계에 형성됨을 확인하고, 개재물이 저감되고 우수한 강도 및 내마모성을 가지면서 경제성 또한 상승시킬 수 있는 구리-니켈-규소-망간 합금을 제공한다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 구리-니켈-규소-망간 합금 전체 중량에 대해, 2 내지 6 중량%의 니켈(Ni); 0.5 내지 2 중량%의 규소(Si); 0.5 내지 2.5 중량%의 망간(Mn); 및 구리(Cu)와 불가피한 불순물의 잔부;를 포함할 수 있다.
구리-니켈-규소 합금은 대표적인 석출경화형 구리 합금으로, 구리 기질에 Ni2Si와 같은 미세한 니켈-규소(Ni-Si)계 금속간 화합물 입자를 석출시켜 강도 및 전기전도도를 향상시킬 수 있는 것이 특징이다. 하지만, 본 발명자들은 Ni2Si가 아닌, 철강 분야에서 주로 발견되는 화합물인 Mn6Ni16Si7상(G-Phase)이 형성됨을 확인하고, 이에 따라 기계적 특성 및 가공성이 향상됨을 확인하였다.
이에 한정되는 것은 아니나, 일 실시예에 따르면, 상기 구리-니켈-규소 합금은 합금 전체 중량에 대해, 2 내지 6 중량%의 니켈(Ni); 0.5 내지 2 중량%의 규소(Si); 0.5 내지 2.5 중량%의 망간(Mn); 및 구리(Cu)와 불가피한 불순물의 잔부;를 포함할 수 있다.
니켈(Ni)은 고용 경화 원소이자, Ni-Si계 석출물을 형성하여 동합금의 강도 및 전기전도도 특성을 향상시킬 수 있는 원소로 알려져 있으나, 본원에서는 망간(Mn)이 첨가됨에 따라 Mn6Ni16Si7상(G-Phase)을 형성하여 합금의 강도 및 경도를 포함한 기계적 특성의 향상에 기여할 수 있다. 니켈(Ni)의 함량이 2 중량% 이하이면, 상기한 효과가 충분하지 않을 수 있다. 한편, 과잉의 니켈은 전기전도도의 저하 또는 조대 석출물 생성에 의한 굽힙가공성 저하를 초래할 수 있어, 6 중량%를 초과하지 않는 것이 적합할 수 있다.
규소(Si)는 Ni-Si계 석출물 형성에 필요한 원소이며, Ni-Si계 석출물은 Ni2Si를 주체로 하는 화합물이다. 합금 중의 Ni 및 Si는 시효처리에 의해 모두 석출물이 된다고 할 수 없고, 어느 정도는 모상 중에 고용된 상태로 존재한다. 고용 상태의 Ni 및 Si는 동합금의 강도를 향상시키지만, 석출 상태에 비해 그 효과는 작고 전기전도도를 저하시키는 원인이 될 수 있다. 따라서, 규소(Si)의 함유량은 상기 구리-니켈-규소-망간 합금 전체 중량에 대해, 0.5 내지 2 중량%인 것이 적합할 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 상기 구리-니켈-규소-망간 합금은 합금 전체 중량에 대해 0.5 내지 1.5 중량%의 규소(Si)를 포함하는 것이 기계적 특성 및 가공성 등의 향상에 더 적합할 수 있고, 0.79 내지 1.26 중량%를 포함하는 것이 더 적합할 수 있다.
구리-니켈-규소계 합금은 니켈 및 규소의 첨가량 증대에 따라 합금의 강도를 증대시킬 수 있으나, 어느 정도의 첨가량을 초과하면 강도의 증대가 포화될 수 있다.
망간(Mn)은 고용 원소 및 다른 원소와 미세 화합물을 형성하여 합금의 강도, 내부식성 및 내마모성을 향상시킬 수 있다. 또한, 합금 내 기지조직에 니켈(Ni) 및 실리콘(Si)과 공존할 경우 금속간 화합물을 만들어 합금의 내마모성을 향상시킬 수 있다. 본원에서는 망간(Mn)이 구리,니켈 및 규소와 적절한 함량비로 첨가됨에 따라 Mn6Ni16Si7상(G-Phase)을 형성하여 합금의 강도 및 경도를 포함한 기계적 특성, 가공성 및 내마모성의 향상에 기여할 수 있다. 따라서, 망간(Mn)의 함유량은 0.5 내지 2.5 중량%인 것이 합금의 기계적 특성, 가공성 및 내마모성 개선에 적합할 수 있고, 0.5 내지 2.2 중량%인 것이 더 적합할 수 있고, 0.7 내지 2.2 중량%인 것이 더 적합할 수 있고, 0.5 내지 2.14 중량%인 것이 더 적합할 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 구리-니켈-규소-망간 합금은 망간(Mn)과 니켈(Ni)의 함량비 Mn/Ni가 0.08 내지 1.3이도록 망간(Mn) 및 니켈(Ni)을 포함할 수 있고, 망간(Mn)과 니켈(Ni)의 함량비 Mn/Ni가 0.15 내지 0.4인 것이 기계적 특성, 가공성 및 내마모성의 향상에 더 적합할 수 있고, 0.18 내지 0.37인 것이 더 적합할 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 구리-니켈-규소-망간 합금은 망간(Mn)과 니켈(Ni)의 합과 규소(Si)의 함량비 (Mn+Ni)/Si가 1.2 내지 18이 되도록 망간(Mn), 니켈(Ni) 및 Si(규소)를 포함할 수 있고, 망간(Mn)과 니켈(Ni)의 합과 규소(Si)의 함량비 (Mn+Ni)/Si가 4 내지 6.5인 것이 기계적 특성, 가공성 및 내마모성의 향상에 더 적합할 수 있고, 4.17 내지 6.45인 것이 더 적합할 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 구리-니켈-규소 합금은 니켈(Ni)과 규소(Si)의 함량비 Ni/Si가 0.9 내지 13이도록 니켈(Ni) 및 규소(Si)를 포함할 수 있고, 니켈(Ni)과 규소(Si)의 함량비 Ni/Si가 3.5 내지 5인 것이 기계적 특성, 가공성 및 내마모성의 향상에 더 적합할 수 있고, 3.54 내지 4.76인 것이 더 적합할 수 있다.
상기 구리-니켈-규소-망간 합금은 균질화 처리로 형성된 것일 수 있다. 종래 구리-니켈-규소 합금과 달리 용체화 처리 대신 균질화 처리된 본원의 합금은 강도 및 내마모성 등의 기계적 물성을 확보할 수 있다.
이 때, 균질화처리 후 압연 및 시효처리 시의 인장강도가 830 내지 1200 MPa일 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 망간(Mn)의 함량은 0.7 내지 2.15 중량%의 망간(Mn)을 포함하는 것이 기계적 특성, 가공성 및 내마모성의 향상에 더욱더 적합할 수 있다. 이 때, 균질화처리 후 압연 및 시효처리 시의 인장강도가 840 내지 1100 MPa일 수 있다.
또한, 균질화 처리로 상기 구리-니켈-규소-망간 합금은 합금 내 개재물이 감소하고, 합금의 내마모성 및 연신율이 증가할 수 있다.
다른 측면에 따르면, i) 합금 전체 중량에 대해 2 내지 6 중량%의 니켈(Ni); 0.5 내지 2 중량%의 규소(Si); 0.5 내지 2.5 중량%의 망간(Mn) 및 구리(Cu)와 불가피한 불순물의 잔부;를 포함하는 구리-니켈-규소-망간 합금을 주조하는 단계; 및 ii) 상기 주조된 구리-니켈-규소-망간 합금을 균질화처리하는 단계;를 포함하고, 개재물이 저감되는, 구리-니켈-규소-망간 합금의 제조 방법이 제공된다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 단계 ii) 균질화처리는 900℃ 내지 1100℃에서 수행하는 것을 포함할 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 상기 단계 ii) 균질화처리가 900℃ 미만에 행하는 경우 균질화 효과가 미미할 수 있으며, 1100℃를 초과하는 경우 합금의 온도가 과도하게 상승하여 구리가 녹을 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 상기 단계 ii) 균질화 처리는 7시간 내지 9시간동안 수행되는 것이 바람직하며, 7시간 30분 내지 8시간 30분 수행되는것이 더욱 바람직하다.
이에 한정되는 것은 아니나, 본원의 구리-니켈-규소-망간 합금의 제조 방법은 iii) 상기 균질화 처리된 구리-니켈-규소 합금을 압연하는 단계; 및 iv) 상기 압연된 구리-니켈-규소 합금을 시효처리하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 단계 iii) 압연은 85% 내지 95%의 냉간압연으로 수행하는 것을 포함할 수 있다. 냉간압연은 상온에서 실시되어, 경도와 인장강도 및 가공성 향상에 영향을 줄 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 상기 단계 iv) 시효처리는 350℃ 내지 450℃에서 1분 내지 15분 수행하는 것을 포함할 수 있다. 이에 한정 되는 것은 아니나, 상기 단계 iv) 시효처리는 400 내지 450℃에서 수행하는 것이 금속간화합물 형성에 의한 강도 상승 작용이 가장 현저하게 나타나 더욱 더 적합할 수 있다. 시효처리 온도가 350℃ 미만이면 시효 처리 시간이 길어짐에 따라 생산성이 급격히 저하될 수 있 450℃를 초과이면 조대 석출물을 형성하여 합금의 강도를 감소시킬 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 제조된 상기 구리-니켈-규소-망간 합금 내 결정립계에 Mn6Ni16Si7상(G-Phase)이 생성된 것을 특징으로 할 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 본원의 제조방법에 의해 제조된 상기 구리-니켈-규소-망간 합금은 망간(Mn)과 니켈(Ni)의 함량비 Mn/Ni가 0.08 내지 1.3일 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 본원의 제조방법에 의해 제조된 상기 구리-니켈-규소-망간 합금은 망간(Mn)과 니켈(Ni)의 합과 규소(Si)의 함량비 (Mn+Ni)/Si가 1.2 내지 18일 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 본원의 제조방법에 의해 제조된 구리-니켈-규소-망간 합금은 니켈(Ni)과 규소(Si)의 함량비 Ni/Si가 0.9 내지 13일 수 있다.
실시예
1. 망간(Mn)이 첨가된 구리-니켈-규소 합금의 제조 1
본 발명의 구리-니켈-규소에 망간(Mn) 첨가 시의 효과를 확인하기 위해 하기 표 1의 조성을 갖는 합금을 제조하였다.
도 2는 용체화 처리 후 시효시의 불연속 석출물 생성을 확인하기 위한 구리-니켈-규소 합금의 제조 공정을 나타내는 그래프이다. 도 2를 참조하면, Alloy 1 및 Alloy 2은 표 1의 조성에 따라 합금 성분을 가열 및 용해하여 주조 후 시편을 제작하고, 이 시편을 단면적 감소율 75%까지 상온에서 스웨이징(swaging)하였다. 스웨이징된 시편을 980℃의 온도에서 1시간동안 용체화처리(Solution Heat Treatment, S.H.T) 및 수냉(Water quenching) 후 450 내지 550℃에서 24시간동안 시효처리(Aging)를 진행하였다. 시효처리된 시편을 공냉(Air Cooling)한 후 단면적 감소율 0 내지 99%로 인발(Drawing)하여 구리-니켈-규소 합금을 제조하였다.
도 3은 망간(Mn)이 첨가되지 않은 구리-니켈-규소 합금의 용체화 처리 후 시효시의 경도 및 불연속 석출물을 나타내는 이미지이다. 도 3을 참조하면, Cu-4.75Ni-1.13Si 합금(Alloy 1)은 시효처리 온도가 450℃일 경우 시효처리 시간이 길어지더라도 경도 변화가 크지 않다. 반면, 시효처리 온도가 500℃ 및 550℃일 경우 시효처리 시간이 길어짐에 따라 경도가 현저히 감소하였으며, 특히 500℃일 경우 경도가 급격히 감소함을 확인하였다. 또한, Cu-4.75Ni-1.13Si 합금(Alloy 1)은 450℃에서 5시간동안 시효처리한 경우보다 12시간 동안 시효처리하였을 경우 불연속 석출물이 더 생성되고, 550℃에서 12시간 동안 시효처리하였을 경우 불연속 석출물이 비교적 많이 생성되었음을 알 수 있다.
따라서, 용체화 처리 후 시효처리 시 시효처리 온도 상승 및 시간에 따라 불연속 석출물이 생성되고, 이로 인해 경도가 감소할 수 있음을 확인하였다.
도 4는 망간(Mn)이 첨가된 구리-니켈-규소 합금의 용체화 처리 후 시효시의 경도 및 불연속 석출물을 나타내는 이미지이다. 도 4를 참조하면, Cu-4.75Ni-1.13Si-0.71Mn 합금(Alloy 2)은 시효처리 온도가 450℃, 550℃ 및 550℃일 경우 시효처리 시간이 길어지더라도 경도의 감소가 크지 않았으며, 특히 시효처리 온도가 450℃이면 경도가 거의 변화하지 않음을 확인하였다. 또한, Cu-4.75Ni-1.13Si-0.71Mn 합금(Alloy 2)은 시효처리 온도 및 시간변화에도 불연속 석출물의 생성이 적음을 알 수 있다.
결과적으로, 구리-니켈-규소 합금에 망간(Mn)을 첨가함으로써 시효처리 시 불연속 석출물의 형성을 억제할 수 있고, 이로 인해 경도 저하를 억제할 수 있음을 확인하였다.
도 6은 망간(Mn)의 첨가 여부 및 시효시간에 따른 구리-니켈-규소 합금의 불연속 석출물을 나타내는 이미지이다.
도 6을 참조하면, 시효처리 온도가 500℃일 때, 시효처리 3시간 및 24시간 후의 경도 및 불연속 석출물 이미지를 비교할 수 있다. 결과적으로, 동일한 시효처리 온도 및 시간에도, 망간(Mn)이 첨가된 구리-니켈-규소 합금의 경도가 더 높게 나타났으며, 불연속 석출물의 생성이 억제되었음을 확인하였다.
도 7은 망간(Mn)의 첨가 여부 및 시효시간에 따른 구리-니켈-규소 합금의 결정립계(grain boundary) 구조를 나타내는 이미지이다. 도 7을 참조하면, 망간(Mn)이 첨가되지 않은 구리-니켈-규소 합금은 시효처리 3시간 후보다 24시간 후에 결정립계에 개재물이 다소 크게 형성되었다. 반면, 망간(Mn)이 첨가된 구리-니켈-규소 합금은 시효처리 3시간 후보다 24시간 후에 결정립계에 형성된 개재물이 현저히 감소하였다. 결과적으로, 망간(Mn)이 첨가됨에 따라 결정립계에 개재물을 감소시킬 수 있음을 확인하였다.
도 8은 망간(Mn)이 첨가되지 않은 구리-니켈-규소 합금의 결정립계(grain boundary)에 형성된 화합물을 나타내는 이미지이다.
도 9는 망간(Mn)이 첨가된 구리-니켈-규소 합금의 결정립계(grain boundary)에 형성된 화합물을 나타내는 이미지이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 망간(Mn)이 첨가되지 않은 구리-니켈-규소 합금은 결정립계에 Orthorhombic 구조의 Ni2Si 화합물이 관찰된 반면, 구리-니켈-규소 합금에 망간(Mn)이 첨가된 구리-니켈-규소 합금은 결정립계에 Orthorhombic 구조의 Ni2Si 화합물 외에 Cubic 구조의 Mn6Ni16Si7상(G-Phase)이 관찰되었다.
도 10은 망간(Mn)의 첨가 여부에 따른 구리-니켈-규소 합금의 석출물을 나타내는 이미지이다.
도 11은 망간(Mn)의 첨가 여부 및 시효시간에 따른 구리-니켈-규소 합금의 석출물 평균 크기를 나타내는 그래프이다.
도 10을 참조하면, 망간(Mn)이 첨가된 구리-니켈-규소 합금은 망간(Mn)이 첨가되지 않은 구리-니켈-규소 합금에 비해 석출물이 크게 형성됨을 관찰할 수 있다.
도 11을 참조하면, 망간(Mn)이 첨가된 구리-니켈-규소 합금은 망간(Mn)이 첨가되지 않은 구리-니켈-규소 합금에 비해 석출물의 평균 크기가 크게 형성되고, 시효시간이 3시간에서 24시간으로 길어짐에 따라, 그 차이가 현저하게 증가하였다.
따라서, 망간(Mn)이 첨가됨에 따라 연속 석출물의 크기가 증가됨을 확인할 수 있다.
2. 망간(Mn)이 첨가된 구리-니켈-규소 합금의 제조 2
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예 및 비교예, 이들의 특성 평가 결과를 통해서 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
하기 표 2는 본 발명의 실시예와 비교예의 조성을 나타낸 것이다. 본 발명의 구리-니켈-규소 합금의 용체화 및 균질화처리의 효과를 비교하고, 균질화 처리 후의 압연 및 시효처리 효과를 확인하기 위해 하기 표 2의 조성을 갖는 구리-니켈-규소 합금을 제조하였다.
실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 4
2-1. 용체화처리 후 시효처리된 구리-니켈-규소 합금의 제조
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 용체화 처리를 포함하는 구리-니켈-규소 합금의 제조 공정을 나타내는 그래프이다. 도 12를 참조하면, 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 4는 표 2의 조성에 따라 합금 성분을 가열 및 용해하여 주조 후 시편을 제작하고, 980℃의 온도에서 1시간 동안 용체화처리(Solution Heat Treatment, S.H.T) 및 수냉(Water quenching)하였다. 이후 500℃에서 30분 내지 6시간동안 시효처리(Aging)를 하고, 공냉(Air Cooling)하여 구리-니켈-규소 합금을 제조하였다.
2-2. 균질화처리 후 시효처리된 구리-니켈-규소 합금의 제조
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 균질화 처리를 포함하는 구리-니켈-규소 합금의 제조 공정을 나타내는 그래프이다. 도 13을 참조하면, 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 4는 표 2의 조성에 따라 합금 성분을 가열 및 용해하여 주조 후 시편을 제작하고, 980℃의 온도에서 1시간 동안 균질화처리(Homogenization) 및 공냉(Air Cooling)하였다. 이후 500℃에서 30분 내지 6시간동안 시효처리(Aging)를 하고, 공냉(Air Cooling)하여 구리-니켈-규소 합금을 제조하였다.
2-3. 용체화처리 및 균질화처리 후 시효처리의 효과
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-니켈-규소 합금의 용체화 처리 또는 균질화 처리 후 시효처리 시간에 따른 경도 및 전도도를 나타내는 그래프이다.
도 14를 참조하면, 실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 3의 용체화 처리 또는 균질화 처리 후 시효처리 시간에 따른 경도 및 전도도 경향을 확인할 수 있다.
실시예 1(Cu-4Ni-0.84Si-0.7Mn) 내지 실시예 2(Cu-4Ni-0.84Si-1.42Mn) 및 비교예 1(Cu-4Ni-0.84Si)의 경우, 용체화처리된 경우 시효처리 시간에 따라 경도가 현저히 증가된 후 유지되는 경향을 보인다. 반면, 균질화처리된 경우, 망간(Mn)이 첨가된 실시예 1 및 실시예 2가 비교예 1보다 다소 높은 경도를 보이나, 망간(Mn)첨가 여부에 관계없이 시효처리 시간에 따른 경도 변화가 거의 없음을 확인할 수 있다. 또한, 전도도는 용체화처리 시보다 균질화처리 시에 대체적으로 더 높음을 확인할 수 있다.
실시예 3(Cu-5.31Ni-1.13Si-1.98Mn) 및 비교예 2(Cu-5.31Ni-1.13Si)의 경우, 용체화처리된 경우 망간(Mn)이 첨가된 실시예 3은 시효처리 시간에 따라 경도가 현저히 증가된 후 유지되는 경향을 보이나, 비교예 2는 시효처리 초반에 다소 증가하였다가 감소하는 경향을 보인다. 반면, 균질화 처리된 경우, 망간(Mn)이 첨가된 실시예 3이 비교예 2보다 다소 높은 경도를 보이나, 망간(Mn)첨가 여부에 관계없이 시효처리 시간에 따른 경도 변화가 거의 없음을 확인할 수 있다. 또한, 전도도는 용체화처리 시보다 균질화처리 시에 대체적으로 더 높음을 확인할 수 있다.
실시예 4(Cu-6Ni-1.26Si-1.07Mn) 내지 실시예 5(Cu-6Ni-1.26Si-2.14Mn) 및 비교예 3(Cu-6Ni-1.26Si)의 경우, 용체화처리된 경우 시효처리 시간에 따른 경도는 망간(Mn)이 첨가되지 않은 비교예 3은 시효처리 초반에 다소 증가하였다가 감소하는 경향을 보이나, 망간(Mn)이 첨가된 실시예 4 내지 5는 시효처리 시간에 따라 경도가 현저히 증가된 후 유지되는 경향을 보인다. 반면, 균질화처리된 경우, 망간(Mn)이 첨가된 실시예 4 내지 5가 비교예 3보다 다소 높은 경도를 보이나, 망간(Mn)첨가 여부에 관계없이 시효처리 시간에 따른 경도 변화가 거의 없음을 확인할 수 있다. 또한, 전기전도도는 용체화처리 시보다 균질화처리 시에 대체적으로 더 높음을 확인할 수 있다.
결과적으로, 용체화처리가 아닌 균질화처리된 구리-니켈-규소 합금은 시효처리 시간에 따른 경도변화가 거의 없고, 전도도의 경우 균질화처리된 경우 대체적으로 높은 경향을 보임을 알 수 있다. 또한, 구리-니켈-규소 합금에 망간(Mn)이 첨가되면 용체화처리 또는 균질화처리 모두 망간(Mn)이 첨가되지 않은 경우보다 대부분 높은 경도를 보임을 확인하였다.
2-4. Mn
6
Ni
16
Si
7
상(G-Phase)의 형성
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 망간이 첨가된 구리-니켈-규소 합금의 X-ray 분석 그래프이다.
도 15를 참조하면, 망간(Mn)이 첨가된 실시예 5(Cu-6Ni-1.26Si-2.14Mn)의 X-ray 분석 결과, 균질화처리된 경우 Mn6Ni16Si7 화합물이 생성됨을 확인하였다. 시효처리 1시간 및 8시간 한 경우 모두 Mn6Ni16Si7 화합물이 생성되었음을 확인하였고, 용체화처리 시에는 Mn6Ni16Si7 화합물의 생성이 확인되지 않았다.
결과적으로, 망간(Mn) 첨가와 함께 균질화처리 후 시효처리 시 Mn6Ni16Si7 화합물을 생성시킬 수 있음을 확인하였다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 균질화 처리 시 망간(Mn)의 첨가 여부에 따른 결정립계(grain boundary)에 형성된 화합물을 나타내는 이미지이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 균질화 처리 시 망간(Mn)의 첨가 여부에 따른 결정립계(grain boundary) 및 아결정립계(subgrain boundary)에 형성된 화합물을 나타내는 이미지이다.
도 16 및 도 17을 참조하면, 980℃에서 8시간 균질화처리한 경우, 망간(Mn)이 첨가되지 않은 비교예 3(Cu-6Ni-1.26Si)은 결정립계 내에 Mn6Ni16Si7상이 검출되지 않았다. 반면, 망간(Mn)이 첨가된 실시예 5(Cu-6Ni-1.26Si-2.14Mn)는 결정립계(Main grain boundary) 및 아결정립계(Sub grain boundary)에 모두 Mn6Ni16Si7상이 검출되었다.
하기 표 3은 도 17의 1 내지 5에 해당하는 위치의 석출물의 조성을 나타낸 것이다.
2-5. Mn
6
Ni
16
Si
7
상(G-Phase)의 형성에 따른 특성 평가
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-니켈-규소 합금의 제조공정을 나타내는 그래프이다. Mn6Ni16Si7상(G-Phase)의 형성에 따른 구리-니켈-규소 합금의 특성을 평가하기 위해 균질화, 압연 및 시효처리를 수행하여 구리-니켈-규소 합금을 제조하였다. 상기 표 2의 조성에 따라 합금 성분을 가열 및 용해하여 주조 후 시편을 제작하고, 980℃의 온도에서 8시간동안 균질화처리(Homogenization) 및 공냉(Air Cooling)하였다. 감소율 95% 이하에서 냉간압연하고, 이후 400℃에서 1분, 3분, 10분동안 시효처리(Aging) 및 공냉(Air Cooling)하여 구리-니켈-규소 합금을 제조하였다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 주조 및 균질화처리 시의 구리-니켈-규소 합금의 기계적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 18을 참조하면, 균질화처리 후 망간(Mn)이 첨가된 실시예 5(Cu-6Ni-1.26Si-2.14Mn) 및 실시예 6(Cu-2.8Ni-0.79Si-0.5Mn)의 연신율이 각각의 비교예 3(Cu-6Ni-1.26Si) 및 비교예 4(Cu-2.8Ni-0.79Si)보다 현저히 증가함을 확인하였다. 따라서, 구리-니켈-규소 합금에 망간(Mn)을 첨가하면 강도는 다소 감소할 수 있으나 연신율이 증가하여 가공성을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 균질화 처리 후 압연 및 시효처리 시의 구리-니켈-규소 합금의 기계적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 19를 참조하면, 균질화처리 후 압연 및 시효처리 한 경우, 망간(Mn)이 실시예들의 연신율은 망간(Mn)이 첨가되지 않은 각각의 비교예들에 비해 압연 및 시효처리 시간에 따라 연신율이 향상되어 가공성이 우수함을 확인할 수 있다. 또한, 망간(Mn)이 첨가될 경우 강도의 감소가 있을 수 있으나 대체적으로 강도의 감소가 크지 않고, 망간(Mn)의 첨가량이 0.7, 1.42 및 2.14 중량%이 첨가된 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 5는 오히려 강도가 현저히 증가됨을 확인할 수 있다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 균질화 처리 후 압연 및 시효처리 시의 구리-니켈-규소 합금의 인장강도-연신율 그래프이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 균질화 처리 후 압연 및 시효처리 시의 구리-니켈-규소 합금의 인장강도-전도도 그래프이다.
도 21 및 22를 참조하면, 균질화 처리 후 시효처리 한 경우, 망간(Mn)이 첨가되지 않은 비교예들보다 망간(Mn)이 첨가된 실시예들의 인장강도 및/또는 연신율이 더 높은 경향을 보이고, 특히 망간(Mn)의 첨가량이 0.7, 1.42 및 2.14 중량%이 첨가된 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 5는 인장강도 및 연신율이 동시에 개선됨을 확인할 수 있다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-니켈-규소 합금의 망간의 첨가량 및 가공열처리 공정에 따른 인장강도를 나타내는 그래프이다.
도 23을 참조하면, 망간(Mn)이 첨가되지 않은 비교예들보다 망간(Mn)이 첨가된 실시예들의 인장강도가 우수하고, 특히 망간(Mn)의 첨가량이 0.7, 1.42 및 2.14 중량%인 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 5의 경우 인장강도가 더 우수함을 확인할 수 있다. 또한, 주조 후보다 균질화처리 후 압연 및 시효처리한 경우 인장강도가 현저히 개선됨을 확인할 수 있다.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-니켈-규소 합금의 망간의 첨가량 및 가공열처리 공정에 따른 연신율 나타내는 그래프이다.
도 24를 참조하면, 망간(Mn)이 첨가되지 않은 비교예들보다 망간(Mn)이 첨가된 실시예들의 연신율이 다소 높은 경향을 보이고, 특히 주조 후 망간(Mn)의 첨가량이 0.5 중량%인 실시예 6의 연신율이 현저히 우수함을 확인할 수 있다. 또한, 주조 후보다 균질화처리 후 압연 및 시효처리한 경우 연신율이 다소 개선됨을 확인할 수 있다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-니켈-규소 합금의 망간 첨가량 및 가공열처리 공정에 따른 전도도를 나타내는 그래프이다.
도 25를 참조하면, 망간(Mn)이 첨가되지 않은 비교예들보다 망간(Mn)이 첨가된 실시예들의 전기전도도는 경향을 보이고, 특히 주조 후 망간(Mn)의 첨가량이 0.5 0.5 중량%인 실시예 6의 연신율이 현저히 우수함을 확인할 수 있다. 또한, 주조 후보다 균질화처리 후 압연 및 시효처리한 경우 연신율이 다소 개선됨을 확인할 수 있다.
도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-니켈-규소 합금의 Mn/Ni 값에 따른 인장강도를 나타내는 그래프이다.
도 26을 참조하면, 망간(Mn)이 첨가된 실시예들 모두 주조 후 및 균질화처리 후보다 균질화처리 후 압연 및 시효처리된 경우에 인장강도가 현저히 우수함을 확인할 수 있다.
하기 표 4는 본 발명의 실시예 1, 2, 5 및 6과 비교예 1, 2, 및 4의 가공열처리 공정에 따른 인장강도를 나타낸 것이다.
표 4를 참조하여, 균질화처리 후에 압연 및 시효처리 시 인장강도가 현저히 증가한 망간(Mn)이 첨가된 실시예들의 인장강도를 살펴보면 다음과 같다.
실시예 1(Cu-4Ni-0.84Si-0.7Mn)의 균질화처리 후 압연 및 시효처리 시의 인장강도는 주조 및 균질화처리 후의 인장강도보다 현저히 증가하였고, 비교예 1(Cu-4Ni-0.84Si)보다 높은 강도로, 916 MPa, 952 MPa, 844Mpa 및 905 MPa의 값을 나타내었다.
실시예 2(Cu-4Ni-0.84Si-1.42Mn)의 균질화처리 후 압연 및 시효처리 시의 인장강도는 주조 및 균질화처리 후의 인장강도보다 현저히 증가하였고, 비교예 1(Cu-4Ni-0.84Si)보다 높은 강도로, 987 MPa, 1103 MPa, 1041 MPa 및 1003 MPa의 값을 나타내었다.
실시예 5(Cu-6Ni-1.26Si-2.14Mn)경우, 균질화처리 후에 압연 및 시효처리 함으로써 인장강도가 현저히 증가하였고, 비교예 2(Cu-6Ni-1.26Si)보다 높은 강도로, 923 MPa, 1009 MPa, 982 MPa 및 937 MPa의 값을 나타내었다.
결과적으로, 구리-니켈-규소 합금에 망간(Mn)을 적절하게 함량으로 조절하여 첨가시키고, 균질화처리 후 압연 및 시효처리함으로써, 합금의 강도를 현저히 증가시켜 우수한 기계적 물성을 갖도록 할 수 있음을 확인하였다.
하기 표 5는 본 발명의 실시예 1, 2, 5 및 6과 비교예 1, 2, 및 4의 가공열처리 공정에 따른 전기전도도를 나타낸 것이다.
표 5를 참조하면, 실시예 6(Cu-2.8Ni-0.79Si-0.5Mn)의 경우만 비교예 4(Cu-2.8Ni-0.79Si)와 대등하거나 다소 높은 전기전도도를 나타내었다.
결과적으로, 구리-니켈-규소 합금에 망간(Mn)을 적절함 함량으로 조절하여 첨가하였을 경우, 균질화처리 후 압연 및 시효처리하여도, 전기전도도를 저하시키지 않을 수 있음을 확인하였다.
도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰계수 측정을 위한 구리-니켈-규소 합금의 제조공정을 나타내는 그래프이다. Mn6Ni16Si7상(G-Phase)의 형성에 따른 구리-니켈-규소 합금의 내마모성을 평가하기 위해 균질화, 압연 및 시효처리를 수행하여 구리-니켈-규소 합금을 제조하였다. 상기 표 2의 조성에 따라 합금 성분을 가열 및 용해하여 주조 후 시편을 제작하고, 980℃의 온도에서 8시간동안 균질화처리(Homogenization) 및 공냉(Air Cooling)하였다. 이후 감소율 95% 이하에서 냉간압연하고, 400℃에서 1 내지 10분동안 시효처리(Aging) 및 공냉(Air Cooling)하여 구리-니켈-규소 합금을 제조하였다.
도 28는 본 발명의 일 실시예에 따른 마찰계수 측정시험의 개략도이다.
도 29는 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-니켈-규소 합금의 마찰계수 측정시험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 30은 본 발명의 일 실시예에 따른 구리-니켈-규소 합금의 마모시험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 28 및 29를 참조하면, 망간(Mn)이 첨가되지 않은 비교예들보다 망간(Mn)이 첨가된 실시예들의 마찰계수가 다소 낮은 경향을 보이고, 특히 주조 후보다 균질화처리된 경우 마찰계수가 더 감소됨을 확인할 수 있다.
하기 표 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 마모시험의 결과를 나타낸 표이다.
도 30 및 표 6을 참조하면, 구리-니켈-규소 합금에 망간(Mn)이 첨가되어 균질화처리된 경우, 마모시험 결과 마모량이 0.0178g으로 가장 적고, 마찰계수가 0.480으로 가장 낮은 값을 나타낸다. 결과적으로, 본 발명의 구리-니켈-규소 합금에 망간(Mn)의 첨가 및 균질화처리한 경우 내마모성이 향상되었음을 확인하였다.
상기 결과로 나타난 바와 같이, 본원의 구리-니켈-규소 합금은 니켈 및 규소와 적절한 함량비의 망간(Mn)을 첨가하여, 기존의 구리-니켈-규소 합금의 결정립계에 형성되던 Ni2Si 석출물이 아닌, Mn6Ni16Si7상(G-phase)이 형성을 유도하였다. Mn6Ni16Si7상이 형성됨에 따라, 개재물이 저감된 구리-니켈-규소 합금을 개발하고, 강도 및 경도를 포함한 기계적 특성, 가공성 및 내마모성이 향상된 합금이 제공되어 자동차용 내마모 부품 등에 적용되는 것이 적합함을 기대할 수 있다. 또한, 기존의 용체화처리 후 시효처리 공정이 아닌, 균질화 처리 후 시효처리 공정을 이용함으로써, 망간(Mn)이 첨가된 구리-니켈-규소합금의 기계적 특성, 가공성 및 내마모성을 효과적으로 개선시킬 수 있고, 감소된 공정으로 인해 합금 제조시의 경제성 또한 향상시킬 수 있음을 기대할 수 있다.
이상, 본 발명내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 실시의 태양일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의해 정의된다고 할 것이다.
Claims (19)
- 망간(Mn)이 첨가된 구리-니켈-규소(Cu-Ni-Si) 합금으로서,
합금 전체 중량에 대해,
2 내지 6 중량%의 니켈(Ni);
0.5 내지 2 중량%의 규소(Si);
0.7 내지 2.5 중량%의 망간(Mn); 및
구리(Cu)와 불가피한 불순물의 잔부;를 포함하고,
상기 합금 내의 결정립계에 Mn6Ni16Si7상(G-Phase)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 구리-니켈-규소-망간 합금. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 구리-니켈-규소-망간 합금 전체 중량에 대해, 0.7 내지 2.2 중량%의 망간(Mn)을 포함하는, 구리-니켈-규소-망간 합금. - 제1항에 있어서,
상기 구리-니켈-규소-망간 합금 전체 중량에 대해, 0.5 내지 1.5 중량%의 규소(Si)를 포함하는, 구리-니켈-규소-망간 합금. - 제1항에 있어서,
상기 구리-니켈-규소-망간 합금은 망간(Mn)과 니켈(Ni)의 함량비 Mn/Ni가 0.08 내지 1.3인, 구리-니켈-규소-망간 합금. - 제1항에 있어서,
상기 구리-니켈-규소-망간 합금은 망간(Mn)과 니켈(Ni)의 합과 규소(Si)의 함량비 (Mn+Ni)/Si가 1.2 내지 18인, 구리-니켈-규소-망간 합금. - 제1항에 있어서,
상기 구리-니켈-규소-망간 합금은 니켈(Ni)과 규소(Si)의 함량비 Ni/Si가 0.9 내지 13인, 구리-니켈-규소-망간 합금. - 제1항에 있어서,
상기 구리-니켈-규소-망간 합금은 균질화 처리로 형성된, 구리-니켈-규소-망간 합금. - 제8항에 있어서,
인장강도가 830 내지 1200 MPa인, 구리-니켈-규소-망간 합금. - 제8항에 있어서,
합금 내 개재물이 감소하고, 합금의 내마모성 및 연신율이 증가한, 구리-니켈-규소-망간 합금. - i) 합금 전체 중량에 대해 2 내지 6 중량%의 니켈(Ni); 0.5 내지 2 중량%의 규소(Si); 0.7 내지 2.5 중량%의 망간(Mn) 및 구리(Cu)와 불가피한 불순물의 잔부;를 포함하는 구리-니켈-규소-망간 합금을 주조하는 단계; 및
ii) 상기 주조된 구리-니켈-규소-망간 합금을 균질화처리하는 단계;를 포함하고, 제조된 상기 구리-니켈-규소-망간 합금 내 결정립계에 Mn6Ni16Si7상(G-Phase)이 생성된 것을 특징으로 하고, 개재물이 저감되는, 구리-니켈-규소-망간 합금의 제조 방법. - 제11항에 있어서,
상기 단계 ii) 균질화처리는 900℃ 내지 1100℃에서 수행하는 것을 포함하는 , 구리-니켈-규소-망간 합금의 제조 방법. - 제11항에 있어서,
iii) 상기 균질화 처리된 구리-니켈-규소 합금을 압연하는 단계; 및
iv) 상기 압연된 구리-니켈-규소 합금을 시효처리하는 단계;를 더 포함하는, 구리-니켈-규소-망간 합금의 제조 방법. - 제13항에 있어서,
상기 단계 iii) 압연은 85% 내지 95%의 냉간압연으로 수행하는 것을 포함하는, 구리-니켈-규소-망간 합금의 제조 방법. - 제13항에 있어서,
상기 단계 iv) 시효처리는 350℃ 내지 450℃에서 1분 내지 15분 수행하는 것을 포함하는, 구리-니켈-규소-망간 합금의 제조 방법. - 삭제
- 제11항에 있어서,
제조된 상기 구리-니켈-규소-망간 합금은 망간(Mn)과 니켈(Ni)의 함량비 Mn/Ni가 0.08 내지 1.3인, 구리-니켈-규소-망간 합금의 제조 방법. - 제11항에 있어서,
제조된 상기 구리-니켈-규소-망간 합금은 망간(Mn)과 니켈(Ni)의 합과 규소(Si)의 함량비 (Mn+Ni)/Si가 1.2 내지 18인, 구리-니켈-규소-망간 합금의 제조 방법. - 제11항에 있어서,
제조된 상기 구리-니켈-규소-망간 합금은 니켈(Ni)과 규소(Si)의 함량비 Ni/Si가 0.9 내지 13인, 구리-니켈-규소-망간 합금의 제조 방법.
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