KR20080024554A - Cu-based alloy having high strength and high plasticity and method for preparing the same - Google Patents

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Abstract

A Cu-based alloy having high strength and high elongation and a method for manufacturing the same are provided, wherein the Cu-based alloy maintains high strength and high elongation, and can be manufactured by an environmentally friendly, simple and economical process without using hazardous elements such as beryllium. A Cu-based alloy having high strength and high elongation comprises: 5 to 15 atomic wt.% of Zr; 1 to 5 atomic wt.% of Al; and the balance of Cu, and the Cu-based alloy has a composite microstructure consisting of: a superlattice phase in which a Cu5Zr layer and a Zr layer are repeated; and a Cu crystalline phase. The Cu-based alloy has a volume ratio of the superlattice phase to the Cu crystalline phase of 3:7 to 5:5. The superlattice phase comprises 15 to 25 wt.% of the Zr layer and 75 to 85 wt.% of the Cu5Zr layer. The Cu crystalline phase comprises 94 to 98 wt.% of Cu and 2 to 6 wt.% of Al. The Cu-based alloy has yield strength of 1.0 to 1.6 GPa, and an elongation of 7.0 to 15.0%. The Cu-based alloy has a formula of Cu86Zr11Al13.

Description

고강도 및 고신율 구리 합금 및 그 제조방법 {Cu-based alloy having high strength and high plasticity and method for preparing the same}High strength and high elongation copper alloy and its manufacturing method {Cu-based alloy having high strength and high plasticity and method for preparing the same}

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 Cu86Zr11Al3의 화학식을 갖는 구리 합금에 대한 X-선 회절패턴 (XRD) 결과를 도시한 그래프이다.1 is a graph showing the X-ray diffraction pattern (XRD) results for a copper alloy having a chemical formula of Cu 86 Zr 11 Al 3 according to an embodiment of the present invention.

도 2a는 본 발명의 일 구현예에 따른 Cu86Zr11Al3의 화학식을 갖는 구리 합금에 대한 주사전자현미경 (SEM) 사진을 도시한 그래프이다.2A is a graph showing a scanning electron microscope (SEM) photograph of a copper alloy having a chemical formula of Cu 86 Zr 11 Al 3 according to an embodiment of the present invention.

도 2b는 본 발명의 일 구현예에 따른 Cu86Zr11Al3의 화학식을 갖는 구리 합금에 있어서, 도 2a의 S 및 S' 영역에 대한 고분해능 투과전자현미경 (HRTEM) 사진 및 이에 상응되는 제한시야회절도형이다.FIG. 2B is a high resolution transmission electron microscope (HRTEM) photograph of the S and S ′ regions of FIG. 2A and a corresponding restriction field in the copper alloy having the formula of Cu 86 Zr 11 Al 3 according to one embodiment of the present invention. It is a diffraction diagram.

도 2c는 본 발명의 일 구현예에 따른 Cu86Zr11Al3의 화학식을 갖는 구리 합금에 있어서, 도 2a의 B 영역에 대한 고분해능 투과전자현미경 (HRTEM) 사진 및 이에 상응되는 제한시야회절도형이다.FIG. 2C is a high-resolution transmission electron microscope (HRTEM) photograph of the region B of FIG. 2A and a corresponding limited viewing diffraction diagram in the copper alloy having the chemical formula Cu 86 Zr 11 Al 3 according to one embodiment of the present invention. .

도 2d는 본 발명의 일 구현예에 따른 Cu86Zr11Al3의 화학식을 갖는 구리 합금에 있어서, 도 2a의 S 영역의 일부분 (사진 하단)과 나머지 영역에 대한 투과전자현미경 (TEM) 사진이다.FIG. 2D is a transmission electron microscope (TEM) image of a portion (bottom photo) and the remaining region of the S region of FIG. 2A in the copper alloy having the chemical formula Cu 86 Zr 11 Al 3 according to one embodiment of the present invention. .

도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 Cu86Zr11Al3의 화학식을 갖는 구리 합금에 있어서, 도 2a의 S 영역의 양쪽 끝부분에 대한 고분해능 투과전자현미경 (HRTEM) 사진 및 이에 상응되는 제한시야회절도형이다.FIG. 3 is a high resolution transmission electron microscope (HRTEM) photograph of both ends of region S of FIG. 2A and a corresponding limitation in the copper alloy having the formula of Cu 86 Zr 11 Al 3 according to one embodiment of the present invention. It is a visual diffraction diagram.

도 4a는 본 발명의 일 구현예에 따른 Cu86Zr11Al3의 화학식을 갖는 구리 합금의 응력-변형율 측정 결과를 나타낸 그래프이다.4A is a graph illustrating stress-strain measurement results of a copper alloy having a chemical formula of Cu 86 Zr 11 Al 3 according to an embodiment of the present invention.

도 4b는 본 발명의 일 구현예에 따른 Cu86Zr11Al3의 화학식을 갖는 구리 합금에 있어서, 압축실험을 수행한 시편의 파단 형상에 대한 주사전자현미경 (SEM) 사진을 도시한 것이다.FIG. 4B shows a scanning electron microscope (SEM) photograph of a fracture shape of a specimen subjected to a compression test in a copper alloy having a chemical formula of Cu 86 Zr 11 Al 3 according to one embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 Cu86Zr11Al3의 화학식을 갖는 구리 합금에 있어서, 초격자상의 초정 (S 영역)과 초격자상과 Cu 상으로 이루어진 공정 구조 (S'+B 영역)의 경도를 측정한 결과를 도시한 그래프이다.5 is a copper alloy having a chemical formula of Cu 86 Zr 11 Al 3 in accordance with an embodiment of the present invention, a superstructure (S region) of the superlattice phase (S region), a superstructure phase and a structure consisting of a Cu phase (S '+ B) It is a graph showing the result of measuring the hardness of the region).

도 6a 내지 6d는 본 발명의 일 구현예에 따른 Cu86Zr11Al3의 화학식을 갖는 구리 합금에 있어서, 압축 변형율을 증가시키면서 관찰한 주사전자현미경 (SEM) 사진이다.6A to 6D are scanning electron microscope (SEM) images observed while increasing a compressive strain in a copper alloy having a chemical formula of Cu 86 Zr 11 Al 3 according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 고강도 및 고신율 구리 합금 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더 욱 구체적으로는 고강도 및 고신율 특성을 가지면서도, 베릴륨 등의 유해 원소를 사용하지 않는 관계로 환경친화적이고, 간단하면서도 경제적인 공정에 의해서 제조가능한 고강도 및 고신율 구리 합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a high-strength and high elongation copper alloy and a method for manufacturing the same, and more particularly, it has high strength and high elongation characteristics, and does not use harmful elements such as beryllium. It relates to a high strength and high elongation copper alloy manufacturable by a process and a method for producing the same.

구리 합금은 연성이 우수하고 소재비가 저렴하지만, 그 비강도가 낮아서 구조 재료로서 응용되기에는 여러가지 제약을 받는다. 따라서, 이러한 구리 합금의 강도를 증가시키기 위한 다양한 강화 방법들이 고안되었으며, 대표적으로 고용강화, 석출경화 및 분산강화 등의 방법들을 예로 들 수 있다.Copper alloys are excellent in ductility and inexpensive in terms of material cost, but their specific strength is low so that they are subject to various limitations in application as a structural material. Accordingly, various reinforcement methods have been devised to increase the strength of such copper alloys, and examples thereof include solid solution strengthening, precipitation hardening, and dispersion strengthening.

고용강화란, 용매 원자의 격자에 용질 원자가 고용되면서 고용체를 형성하고 격자의 뒤틀림 현상을 야기하여 용질 원자의 근처에 응력장을 형성함으로써 재료를 강화시키는 현상을 의미한다 (예: 대한민국 공개특허번호 제1999-48845호). 또한, 기지에 미세하게 분산된 불용성의 제2상에 의한 강화 현상이 있으며, 이때 분산된 제2상이 어떠한 방법에 의해서 도입되었는지에 따라서 석출경화와 분산강화로 분류된다. 즉, 석출경화란 제2상이 과포화 고용체로부터 석출에 의해서 형성될 경우의 강화현상을 의미하며 (예: 대한민국 공개특허번호 제1984-7753호), 분산강화란 제2상이 고용체로부터의 석출이 아닌 다른 과정 (예를 들어 분말야금법 또는 내부산화법 등)에 의해 형성될 경우의 강화현상을 의미한다 (예: 대한민국 공개특허번호 제1983-7874호).Solid solution strengthening refers to a phenomenon in which a solute atom is dissolved in a lattice of solvent atoms to form a solid solution and cause a distortion of the lattice, thereby strengthening the material by forming a stress field in the vicinity of the solute atom (e.g. 48845). In addition, there is a strengthening phenomenon due to the insoluble second phase finely dispersed in the matrix, which is classified into precipitation hardening and dispersion hardening according to which method the dispersed second phase is introduced. In other words, precipitation hardening means strengthening when the second phase is formed by precipitation from a supersaturated solid solution (for example, Korean Patent Application Publication No. 1984-7753), and dispersion hardening means that the second phase is not precipitated from solid solution. It refers to the strengthening phenomenon when formed by a process (for example, powder metallurgy method or internal oxidation method, etc.) (for example, Korean Patent Publication No. 1983-7874).

이중 석출경화법은 구리 합금을 강화시키는 중요한 방법으로서, 상업적으로 이용되는 합금 중, 대한민국 공개특허번호 제1996-701230호에 개시된 바와 같은 구리-베릴륨계 합금은 전형적인 석출경화형 합금이다. 그러나, 베릴륨 금속은 대표 적인 환경 유해 금속 중의 하나로서 이러한 베릴륨 금속을 사용한 구리 합금의 강화방법은 그 응용에 있어서 많은 제약이 따른다.The double precipitation hardening method is an important method for reinforcing copper alloys. Among the alloys used commercially, copper-beryllium-based alloys as disclosed in Korean Patent Application Publication No. 1996-701230 are typical precipitation hardening alloys. However, beryllium metal is one of the representative environmentally harmful metals, and the method of reinforcing copper alloy using such beryllium metal has many limitations in its application.

또한, 최근에 구리 합금의 강도를 더욱 향상시키기 위하여 ㎛ 크기의 결정립을 갖는 구리계 미세복합재료에 대한 연구도 진행되고 있으나 (M. K. Lee, S. M. Hong, G. H. Kim, K. H. Kim, and W. W. Kim, Met. Mater. Int. 10 (2004), 313-319; P. D. Funkenbusch, and T. H. Courtney, Scripta Metall. 15 (1981), 1349-1354; C. Biselli, and D. G. Morris, Acta Mater. 44 (1996), 493-504), 결정립이 작아질수록 전위의 생성과 이동이 제약을 받으므로 가공 경화가 힘들며, 국부적인 전단응력에 의해 갑작스런 파괴가 야기된다는 문제점이 있었다.In addition, in order to further improve the strength of the copper alloy in recent years, a study on a copper-based microcomposite having a grain size of μm has been conducted (MK Lee, SM Hong, GH Kim, KH Kim, and WW Kim, Met. Mater. Int. 10 (2004), 313-319; PD Funkenbusch, and TH Courtney, Scripta Metall. 15 (1981), 1349-1354; C. Biselli, and DG Morris, Acta Mater. 44 (1996), 493- 504), the smaller the grains are, the more limited the generation and movement of dislocations is, so that the hardening of the work is difficult and there is a problem that sudden fracture is caused by local shear stress.

따라서, 이러한 취성파괴를 억제하기 위한 방법으로 제2상으로 강화시킨 복합재료에 대한 연구가 진행된 바 있으며 (G. Frommeyer, and G. Wassermann, Acta Metall. 23 (1975), 1353-1360; H. Gleiter, Prog. Sci. 33 (1989), 223; Y. Sakai, K. Inoue, and H. Maeda, Acta Metall. Mater. 43 (1995), 1517-1522; S. I. Hong, M. A. Hill, Y. Sakai, J. T. Wood, and J. D. Embury, Acta Metall. Mater. 43 (1995), 3313-3323; H. S. Kim, J. Kor. Inst. Met. & Mater. 38 (2000), 357-365), 이는 연성이 높은 제2상을 기지 내에 적절히 분포시키는 보편적인 방법으로서 기지를 구성하는 주원소들과 양의 혼합열을 지니는 금속원소를 첨가함으로써 기지상과 제2상의 상분리를 유도하는 방법이다. 이러한 방법으로 개발된 재료들은 모재가 ㎛ 또는 ㎚ 크기의 결정립으로 이루어져 있어 높은 강도를 유지함과 동시에, 합금 내에 존재하는 제2상이 많은 수의 전단띠를 생성시켜서 균열의 전 파를 효율적으로 억제하고, 결과적으로 높은 신율을 나타낼 수 있게 된다.Therefore, studies have been conducted on composites reinforced with the second phase as a method for suppressing brittle fracture (G. Frommeyer, and G. Wassermann, Acta Metall. 23 (1975), 1353-1360; H. Gleiter, Prog. Sci. 33 (1989), 223; Y. Sakai, K. Inoue, and H. Maeda, Acta Metall. Mater. 43 (1995), 1517-1522; SI Hong, MA Hill, Y. Sakai, JT Wood, and JD Embury, Acta Metall. Mater. 43 (1995), 3313-3323; HS Kim, J. Kor. Inst. Met. & Mater. 38 (2000), 357-365) As a common method of properly distributing two phases in a matrix, a phase separation of the matrix phase and the second phase is induced by adding a main element constituting the matrix and a metal element having a positive mixing heat. The materials developed in this way are composed of grains of 占 퐉 or ㎚ size in the base material to maintain high strength and to generate a large number of shear bands in the second phase present in the alloy, thereby effectively suppressing the propagation of cracks. As a result, high elongation can be exhibited.

그러나, 상술한 종래기술들은 구리 합금의 강도 및 신율을 효과적으로 개선하는 데에는 한계가 있었고, 기타 환경 오염 문제를 야기하거나, 공정 간이성 및 경제성 등의 관점에서 많은 문제점들을 안고 있었다.However, the above-described prior arts have limitations in effectively improving the strength and elongation of copper alloys, causing other environmental pollution problems, and having many problems in terms of process simplicity and economy.

따라서, 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 고강도 및 고신율 특성을 가지면서도, 베릴륨 등의 유해 원소를 사용하지 않는 관계로 환경친화적이고, 간단하면서도 경제적인 공정에 의해서 제조가능한 고강도 및 고신율 구리 합금 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and has a high strength and high elongation characteristics, and can be manufactured by an environmentally friendly, simple and economical process without using harmful elements such as beryllium. An object of the present invention is to provide a high strength and high elongation copper alloy and a method of manufacturing the same.

본 발명은 상기 기술적 과제를 달성하기 위해서,The present invention to achieve the above technical problem,

5 내지 15 원자 중량%의 Zr; 1 내지 5 원자 중량%의 Al; 및 잔부의 Cu를 포함하며,5 to 15 atomic percent Zr; 1 to 5 atomic percent Al; And balance Cu,

Cu5Zr층과 Zr층이 반복되는 초격자상; 및 Cu 결정상으로 구성된 복합 미세조직을 갖는 것을 특징으로 하는 고강도 및 고신율 구리 합금을 제공한다.A superlattice phase in which a Cu 5 Zr layer and a Zr layer are repeated; And it provides a high strength and high elongation copper alloy having a composite microstructure composed of a Cu crystal phase.

본 발명의 바람직한 일 구현예에 따르면, 상기 초격자상 및 Cu 결정상의 부피비는 3:7 내지 5:5이다.According to a preferred embodiment of the present invention, the volume ratio of the superlattice phase and the Cu crystal phase is 3: 7 to 5: 5.

본 발명의 바람직한 일 구현예에 따르면, 상기 초격자상은 Zr층 15 내지 25 중량% 및 Cu5Zr층 75 내지 85 중량%를 포함한다.According to a preferred embodiment of the present invention, the superlattice phase comprises 15 to 25% by weight of the Zr layer and 75 to 85% by weight of the Cu 5 Zr layer.

본 발명의 바람직한 일 구현예에 따르면, 상기 Cu 결정상은 Cu 94 내지 98 중량% 및 Al 2 내지 6 중량%를 포함한다.According to a preferred embodiment of the present invention, the Cu crystal phase comprises 94 to 98% by weight of Cu and 2 to 6% by weight of Al.

본 발명의 바람직한 일 구현예에 따르면, 상기 구리 합금의 항복 강도는 1.0 내지 1.6 GPa이다.According to a preferred embodiment of the present invention, the yield strength of the copper alloy is 1.0 to 1.6 GPa.

본 발명의 바람직한 일 구현예에 따르면, 상기 구리 합금의 신율은 7.0 내지 15.0%이다.According to a preferred embodiment of the present invention, the elongation of the copper alloy is 7.0 to 15.0%.

본 발명의 바람직한 일 구현예에 따르면, 상기 구리 합금은 Cu86Zr11Al3의 화학식을 갖는다.According to a preferred embodiment of the present invention, the copper alloy has a chemical formula of Cu 86 Zr 11 Al 3 .

또한, 본 발명은 상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위해서,In addition, the present invention to achieve the above other technical problem,

5 내지 15 원자 중량%의 Zr, 1 내지 5 원자 중량%의 Al 및 잔부의 Cu를 계량하여 아크 용해 공정에 의해서 잉곳을 제조하는 단계;Weighing 5 to 15 atomic percent Zr, 1 to 5 atomic percent Al and the balance Cu to produce an ingot by an arc melting process;

상기 Zr, Al 및 Cu의 균일한 혼합을 위해서, 상기 잉곳에 대해서 복수 회 용융 및 냉각을 반복하는 단계; 및Repeating melting and cooling the ingot a plurality of times for uniform mixing of the Zr, Al and Cu; And

흡입 주조법에 의해서 구리 몰드를 주조하는 단계Casting the copper mold by suction casting method

를 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 및 고신율 구리 합금의 제조방법을 제공한다.It provides a method for producing a high strength and high elongation copper alloy comprising a.

본 발명의 바람직한 일 구현예에 따르면, 상기 아크 용해 공정 및 흡입 주조법은 고순도 아르곤 분위기 하에서 수행된다.According to a preferred embodiment of the present invention, the arc melting process and the suction casting method is carried out under high purity argon atmosphere.

본 발명의 바람직한 일 구현예에 따르면, 상기 용융 및 냉각 단계의 용융은 2500 내지 3000℃의 온도에서 수행되고, 냉각은 10 내지 30℃의 온도에서 수행된다.According to a preferred embodiment of the present invention, the melting of the melting and cooling step is carried out at a temperature of 2500 to 3000 ℃, cooling is carried out at a temperature of 10 to 30 ℃.

본 발명의 바람직한 일 구현예에 따르면, 상기 용융 및 냉각 단계는 3회 내지 4회 반복 수행된다.According to one preferred embodiment of the present invention, the melting and cooling steps are performed three to four times.

이하, 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명에 따르면, 종래의 구리 합금 강화 방법들보다도 더욱 우수한 강도 및 신율을 갖는 구리 합금을 제조할 수 있으며, 그 제조공정 역시 환경친화적이면서도 간편하고 경제적이다.According to the present invention, it is possible to produce a copper alloy having a higher strength and elongation than conventional copper alloy reinforcing methods, the manufacturing process is also environmentally friendly, simple and economical.

본 발명에 따른 구리 합금은 5 내지 15 원자 중량%의 Zr; 1 내지 5 원자 중량%의 Al; 및 잔부의 Cu를 포함하며, Cu5Zr층과 Zr층이 반복되는 초격자상; 및 Cu 결정상으로 구성된 복합 미세조직을 갖는다.Copper alloys according to the present invention comprise 5 to 15 atomic percent Zr; 1 to 5 atomic percent Al; And a balance of Cu, the superlattice phase in which a Cu 5 Zr layer and a Zr layer are repeated; And a composite microstructure composed of Cu crystal phases.

종래에 구리 합금의 취성파괴를 억제하기 위한 방법으로서 제2상을 사용하여 상분리를 유도함으로써 강도를 향상시킨 방법들에 대해서 많은 연구가 이루어져 있다는 점은 상술한 바와 같다. 본 발명자들은 종래 사용되던 강화 방법들과는 달리, 합금이 응고할 때 강도가 높은 결정상이 먼저 생성되고 나머지 액상이 공정 반응을 통하여 미세한 공정 조직을 이루게 된다면 신율이 크게 감소되지 않으면서도 동시에 높은 강도를 지닌 복합 재료를 제조할 수 있으며, 이렇게 생성된 복합 재료는 높은 강도를 갖는 초정 및 미세한 공정 구조를 동시에 보유하므로 강도가 높고 변형 에너지를 효과적으로 흡수할 수 있어서 신율 역시 크게 저하되지 않는다는 사 실을 발견하게 되었다.As described above, many studies have been made on methods of improving strength by inducing phase separation using a second phase as a method for suppressing brittle fracture of a copper alloy. Unlike the conventional reinforcement methods, the inventors found that when the alloy solidifies, a high-strength crystal phase is formed first, and the remaining liquid phase forms a fine process structure through a process reaction. The material can be prepared, and the composite material thus produced has both high primary and fine process structures at the same time, so that the strength is high and the absorbing energy can be effectively absorbed, so that the elongation is not greatly reduced.

본 발명에 따른 구리 합금에 있어서, 고강도 초정에 해당되는 구조는 Cu5Zr층과 Zr층이 반복되는 초격자상이고, 미세한 공정 구조에 해당하는 구조는 Cu 결정상이며, 기타 미세한 크기의 Al 함유 나노결정상이 포함된다.In the copper alloy according to the present invention, the structure corresponding to the high-strength primary crystal is a superlattice phase in which the Cu 5 Zr layer and the Zr layer are repeated, the structure corresponding to the fine process structure is a Cu crystal phase, and other fine-sized Al-containing nanocrystal phases. This includes.

상술한 바와 같이 높은 강도 및 우수한 신율을 동시에 확보하기 위해서는, 상기 초격자상 및 Cu 결정상의 부피비는 3:7 내지 5:5인 것이 바람직하다. 상술한 부피비의 범위를 벗어나서 초격자상이 과다하게 존재하는 경우에는 상대적으로 신율이 우수하지 못하며, Cu 결정상이 과다하게 존재하는 경우에는 고강도 특성을 확보할 수 없다는 문제점이 있어서 바람직하지 못하다.As described above, in order to secure high strength and excellent elongation at the same time, the volume ratio of the superlattice phase and the Cu crystal phase is preferably 3: 7 to 5: 5. When the superlattice phase is excessively out of the above-described volume ratio, the elongation is relatively not excellent, and when the Cu crystal phase is excessively present, there is a problem in that high strength properties cannot be secured.

한편, 상기 초격자상은 Zr층 15 내지 25 중량%, Cu5Zr층 75 내지 85 중량%를 포함하고, 상기 Cu 결정상은 Cu 94 내지 98 중량% 및 Al 2 내지 6 중량%를 포함하는 것이 바람직하다.On the other hand, the superlattice phase comprises 15 to 25% by weight of the Zr layer, 75 to 85% by weight of the Cu 5 Zr layer, the Cu crystal phase preferably comprises 94 to 98% by weight of Cu and 2 to 6% by weight of Al. .

본 발명에 따른 구리 합금은 상술한 바와 같이 초격자상의 존재로 인해서 우수한 강도를 지니며, 균열이 전파되기 힘든 복잡한 미세구조로 인해서 양호한 신율을 지니는 바, 그 항복 강도는 1.0 내지 1.6 GPa이고, 신율은 7.0 내지 15.0%이다.As described above, the copper alloy according to the present invention has excellent strength due to the presence of a superlattice phase, and has a good elongation due to a complicated microstructure in which cracks are hard to propagate. The yield strength is 1.0 to 1.6 GPa, and the elongation is excellent. Is 7.0 to 15.0%.

본 발명의 바람직한 일 구현예에 따르면, 상기 구리 합금은 Cu86Zr11Al3의 화학식을 가질 수 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the copper alloy may have a chemical formula of Cu 86 Zr 11 Al 3 .

또한, 본 발명은 상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위해서, 5 내지 15 원자 중량%의 Zr, 1 내지 5 원자 중량%의 Al 및 잔부의 Cu를 계량하여 아크 용해 공정에 의해서 잉곳을 제조하는 단계; 상기 Zr, Al 및 Cu의 균일한 혼합을 위해서, 상기 잉곳에 대해서 복수 회 용융 및 냉각을 반복하는 단계; 및 흡입 주조법에 의해서 구리 몰드를 주조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 및 고신율 구리 합금의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention, in order to achieve the above another technical problem, by measuring the 5 to 15 atomic% Zr, 1 to 5 atomic% Al and the balance of Cu to produce an ingot by the arc melting process; Repeating melting and cooling the ingot a plurality of times for uniform mixing of the Zr, Al and Cu; And it provides a method for producing a high strength and high elongation copper alloy comprising the step of casting a copper mold by suction casting method.

상기 아크 용해 공정 및 흡입 주조법은 당업계에 공지된 바와 같은 통상적인 조건 하에서 수행될 수 있으나, 특히 고순도 아르곤 분위기 하에서 수행되는 것이 바람직하다. 이는 아르곤 이외에 산소 또는 질소 기체가 시편 용해시 존재할 경우, 시편의 용탕과 반응하여 산화물 또는 질화물을 생성할 수 있으며, 이러한 불순물들은 본 발명에 따른 구리 합금의 기계적 물성을 저하시킬 수 있기 때문이다.The arc melting process and the suction casting process may be carried out under conventional conditions as known in the art, but it is particularly preferable to carry out under high purity argon atmosphere. This is because when oxygen or nitrogen gas other than argon is present when the specimen is dissolved, it may react with the molten metal of the specimen to generate an oxide or nitride, and these impurities may lower the mechanical properties of the copper alloy according to the present invention.

또한, 상기 용융 및 냉각 단계의 용융은 2500 내지 3000℃의 온도에서 수행되고, 냉각은 10 내지 30℃의 온도에서 수행되며, 용융 및 냉각 단계는 3회 내지 4회 반복 수행되는 것이 바람직하다.In addition, the melting of the melting and cooling step is carried out at a temperature of 2500 to 3000 ℃, cooling is performed at a temperature of 10 to 30 ℃, it is preferable that the melting and cooling steps are carried out three to four times.

상술한 온도보다 낮은 온도로 시편을 가열할 경우 시편이 균일하게 혼합되지 못하여 재료 내에 불순물이 생성될 수 있으며, 상술한 온도보다 높은 온도로 시편을 가열하는 것은 용융 기계의 한계상 불가능하기 때문이다. 또한, 냉각수를 이용한 냉각 온도가 30℃ 보다 높을 경우 시편의 냉각 속도를 저하시켜 본 발명에 따른 합금의 물성을 저하시킬 수 있기 때문에 바람직하지 않다. 한편, 시편의 용융 횟수가 3회보다 적을 경우 각 원소들의 균일한 혼합이 이루어지지 않으므로 시편의 일부분에 불순물이 생길 수 있으며, 용융 횟수가 4회보다 많을 경우 열응력에 의하여 시편 내부에 잔류 응력장이 발생하고, 이는 시편의 취성을 증가시킬 수 있기 때 문에 바람직하지 않다.If the specimen is heated to a temperature lower than the above-mentioned temperature, the specimen may not be uniformly mixed, and impurities may be generated in the material, and it is impossible to heat the specimen to a temperature higher than the above-mentioned temperature because of limitations of the melting machine. In addition, when the cooling temperature using the cooling water is higher than 30 ℃ it is not preferable because the cooling rate of the specimen can be lowered to lower the physical properties of the alloy according to the present invention. On the other hand, if the number of melting of the specimen is less than three times, since uniform mixing of the elements is not performed, impurities may occur in a part of the specimen.If the number of melting is more than four, residual stress field is generated inside the specimen due to thermal stress. Occurs, which is undesirable because it can increase the brittleness of the specimen.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 더욱 구체적으로 설명하기로 하되, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the following Examples are only intended to help the understanding of the present invention, and are not intended to limit the scope of the present invention.

실시예. 본 발명에 따른 구리 합금의 제조Example. Preparation of Copper Alloys According to the Invention

Cu (99.99%), Zr (99.7%) 및 Al (99.999%)의 금속 원소를 각각 86 중량%, 11 중량% 및 3 중량%의 함량으로 계량한 후, 시편을 고순도 (99.9999%) 아르곤 분위기 하의 2500℃에서 수 초 동안 아크용해를 수행하여 잉곳을 제조하였다.After measuring the metallic elements of Cu (99.99%), Zr (99.7%) and Al (99.999%) in the amounts of 86%, 11% and 3% by weight, respectively, the specimen was subjected to high purity (99.9999%) argon atmosphere. Ingots were prepared by performing arc melting at 2500 ° C. for several seconds.

이후, 성분들이 균일하게 섞일 수 있도록 4회 재용융 시켰다. 재용융은, 2500℃에서 수 초 동안 용융시키고, 이후 상온으로 급속냉각시키는 과정을 반복하였다. 이어서, 흡입주조법을 이용하여 지름이 1, 2 및 3 mm인 Cu86Zr11Al3 시편들을 주조하였다. 흡입주조 시에는 구리 몰드를 사용하였으며, 구리 몰드의 주위에 냉각수를 흘려 주어 시편이 급속도로 냉각될 수 있도록 하였다.Thereafter, the components were remelted four times so that the components could be uniformly mixed. The remelting was repeated for several seconds at 2500 ° C., followed by rapid cooling to room temperature. Subsequently, Cu 86 Zr 11 Al 3 specimens having diameters of 1, 2 and 3 mm were cast using suction casting. A copper mold was used for suction casting, and cooling water was flowed around the copper mold so that the specimen could be rapidly cooled.

평가예. 본 발명에 따른 구리 합금의 물성 측정Evaluation example. Measurement of Properties of Copper Alloys According to the Present Invention

평가예 1. X-선 회절 패턴을 통한 상 분석Evaluation Example 1 Phase Analysis Through X-Ray Diffraction Pattern

상기 실시예에서 제조된 시편 중 지름이 2 mm인 시편을 대표 시편으로 선택하여 X-선 회절 패턴 (XRD, Cu-Kα)을 분석하였다.The X-ray diffraction pattern (XRD, Cu-Kα) was analyzed by selecting a specimen having a diameter of 2 mm among the specimens prepared in the above example as a representative specimen.

도 1은 X-선 회절 패턴 결과를 도시한 그래프이며, 도 1의 패턴 결과로부터, 합금을 구성하고 있는 주된 결정상은 Cu와 Cu5Zr이며, 미량의 Cu9Al4가 존재하고 있 음을 알 수 있었다. 높은 강도의 뚜렷한 피크로 나타난 Cu와 Cu5Zr은 크기가 큰 결정상으로 존재하며, 낮은 강도의 할로 피크로 나타난 Cu9Al4는 크기가 작은 나노결정상으로 존재할 것으로 예측된다. 또한, 분석이 용이치 않은 할로 피크들이 존재하는 것으로 보아 다른 조성의 나노결정상도 미량 존재할 것으로 생각된다.FIG. 1 is a graph showing the X-ray diffraction pattern results. From the pattern results in FIG. 1, it is understood that the main crystal phases constituting the alloy are Cu and Cu 5 Zr, and a small amount of Cu 9 Al 4 is present. Could. It is expected that Cu and Cu 5 Zr, which are marked high intensity peaks, exist as large crystal phases, and that Cu 9 Al 4, which is represented as low intensity halo peaks, is present as small nanocrystalline phases. In addition, the presence of halo peaks, which are not easy to analyze, suggests that traces of nanocrystalline phases of different compositions are also present.

평가예 2. SEM, HRTEM 및 EDS 패턴을 통한 미세 조직 및 조성 분석Evaluation Example 2 Analysis of Microstructure and Composition by SEM, HRTEM and EDS Pattern

한편, 평가예 1의 XRD 분석으로 얻어진 상들에 대해서, 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscopy, SEM), 고분해능 투과전자현미경 (High Resolution Transmission Electron Microscopy, HRTEM) 및 에너지 분산 스펙트로스코피 (Energy Dispersion Spectroscopy, EDS)를 수행하여 이들 상의 실제적인 형상, 크기 및 분포 등의 미세 조직 및 조성을 분석하였다. 사용된 시편은 아르곤 이온 밀링 (6kV, 11.5°)으로 제작하였다.On the other hand, for the images obtained by XRD analysis of Evaluation Example 1, Scanning Electron Microscopy (SEM), High Resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM) and Energy Dispersion Spectroscopy (EDS) The microstructure and composition, such as the actual shape, size and distribution of these phases were analyzed. The specimens used were fabricated by argon ion milling (6kV, 11.5 °).

도 2a는 SEM으로 관찰한 Cu86Zr11Al3 합금의 미세조직으로서, 제조된 합금은 침상 (15 × 2 ㎛)의 초정 (S 영역)과 층상 (lamella) 구조의 공정 조직 (각각 S' 및 B 영역으로 표시)으로 구성되어 있었다.FIG. 2A is a microstructure of Cu 86 Zr 11 Al 3 alloy observed by SEM, in which the prepared alloy has acicular (15 × 2 μm) primary (S region) and lamellar process structures (S ′ and The area B).

도 2b는 HRTEM으로부터 얻어진 S 및 S' 영역의 고분해능 사진과 이에 상응되는 제한시야회절도형으로서, 이 영역은 두 가지 다른 상이 반복하여 나타나는 초격자구조 (superlattice)로 구성되어 있다는 것을 알 수 있다. 이와 같은 초격자상이 일반 주조 조직에서 관찰되는 것은 매우 특이한 결과로서, 제한시야회절도형 및 EDS 조성 분석 결과, 도 2b의 1번 층과 2번 층은 Zr과 Cu5Zr상이 각각 2:8로 구성되 어 있다는 것을 알 수 있었다.Figure 2b is a high resolution photograph of the S and S 'region obtained from the HRTEM and the corresponding limited viewing diffraction diagram, it can be seen that the region consists of a superlattice (two different phases) appearing repeatedly. This superlattice phase is observed in the general cast structure is a very unusual result, as a result of the limited field diffraction diagram and EDS composition analysis, layer 1 and layer 2 of Figure 2b is composed of Zr and Cu 5 Zr phase 2: 8 I can see that it is.

도 2c는 도 2a의 B 영역 (밝은 부분)에 대한 고분해능 사진 및 이에 상응하는 제한시야회절도형으로서 이 상이 Cu임을 보여준다. 그러나, 고분해능 사진으로부터 측정한 격자상수가 순수한 Cu 격자상수보다 다소 크다는 사실과 TEM과 연계된 EDS 분석결과 미량의 Al (~4 at.%)이 검출된 점으로 미루어볼 때 Cu 고용체임을 알 수 있었다. FIG. 2C shows a high resolution photograph of the B region (light portion) of FIG. 2A and the corresponding limited viewing diffraction diagram, which phase is Cu. However, it was found that Cu solid solution was found from the fact that the lattice constant measured from the high resolution photograph was slightly larger than the pure Cu lattice constant and that the trace amount of Al (~ 4 at.%) Was detected from the TEM-linked EDS analysis. .

한편, 도 2d는 도 2a의 초정 (S 영역)의 일부분 (사진 하단)과 나머지 영역에 대한 TEM 사진으로, 초정을 제외한 영역은 그 구조 (lamella)로 미루어볼 때 공정반응의 결과로 생성된 것이라 판단된다. 도 2d의 영역 3~6에 대한 각각의 조성을 EDS와 고각 환형 암시야 (High Angle Anular Dark Field, HAADF) 분석을 이용하여 분석하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.On the other hand, Figure 2d is a TEM image of a portion (bottom of the photo) and the remaining area of the initial (S region) of Figure 2a, except for the region is generated as a result of the process reaction when considering the structure (lamella) Judging. Each composition for regions 3 to 6 of FIG. 2D was analyzed using EDS and High Angle Anular Dark Field (HAADF) analysis, and the results are shown in Table 1 below.

영역domain Cu (at.%)Cu (at.%) Zr (at.%)Zr (at.%) Al (at.%)Al (at.%) 예측상Prediction 33 80.880.8 18.018.0 1.21.2 (Cu5Zr)0.8Zr0 .2 (Cu 5 Zr) 0.8 Zr 0 .2 44 79.379.3 20.720.7 -- (Cu5Zr)0.8Zr0 .2 (Cu 5 Zr) 0.8 Zr 0 .2 55 95.195.1 -- 4.94.9 α-Cuα-Cu 66 96.096.0 -- 4.04.0 α-Cuα-Cu

상기 표 1의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 초정을 제외한 나머지 영역은 공정반응으로 이루어진 초격자상 및 Cu 결정상으로 이루어져 있음을 확인할 수 있다.As can be seen from the results of Table 1, it can be confirmed that the remaining region except for the primary crystal is composed of a superlattice phase and a Cu crystal phase made of a process reaction.

도 3은 초격자상의 양쪽 끝부분에 대한 고분해능사진 및 그에 상응되는 제한시야회절도형이며, 이 영역은 주로 나노결정상들로 구성되어 있는 것으로 관찰되었다. 제한시야회절도형과 고분해능사진의 고속푸리에변환 (FFT)을 통한 분석 결과, 이 영역은 5~10 nm 크기의 Cu10Zr7과 Cu9Al4 나노결정들로 이루어져 있었으며, 그 부피분율은 매우 작았다. 이러한 분석 결과들은 앞서 기술한 XRD 패턴의 분석 결과와도 잘 일치한다.FIG. 3 is a high resolution photograph of both ends of the superlattice phase and its corresponding limited viewing diffraction diagram, which was observed to consist mainly of nanocrystalline phases. As a result of the analysis of the limited field diffraction diagram and the fast Fourier transform (FFT) of high resolution photographs, this region was composed of 5-10 nm Cu 10 Zr 7 and Cu 9 Al 4 nanocrystals, and the volume fraction was very small. All. These results are in good agreement with those of the XRD pattern described above.

평가예 3. 강도 및 신율 측정Evaluation Example 3 Measurement of Strength and Elongation

본 발명에 따른 구리 합금의 강도 및 신율 측정을 위해서 압축시험을 수행하였으며, 그 결과를 도 4a에 나타내었다. 지름이 1, 2 및 3 mm 인 봉상 시편으로부터 얻은 최대 강도는 각각 1.60, 1.57, 1.33 GPa이었으며, 소성변형율은 각각 7.2, 10.9, 13.0%를 나타내었다. 한편, 상대적으로 냉각속도가 느린 잉곳 시편 (지름 15 mm)의 경우 최대 강도와 소성변형율은 각각 1.00 GPa과 12.0%를 나타내었다.Compression test was performed to measure the strength and elongation of the copper alloy according to the present invention, the results are shown in Figure 4a. The maximum strengths from rod-shaped specimens with diameters of 1, 2 and 3 mm were 1.60, 1.57 and 1.33 GPa, respectively, and the plastic strains were 7.2, 10.9 and 13.0%, respectively. In the case of relatively slow cooling ingot specimen (diameter 15 mm), the maximum strength and plastic strain were 1.00 GPa and 12.0%, respectively.

실험 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 주조된 시편의 크기가 커질수록 강도가 감소하고 신율이 증가함을 알 수 있었는데, 이는 합금의 미세조직이 냉각속도에 크게 영향을 받아 기계적 특성이 변한다는 것을 나타낸다.As can be seen from the experimental results, it can be seen that as the size of the cast specimen increases, the strength decreases and the elongation increases, indicating that the mechanical properties of the alloy are significantly influenced by the cooling rate, thereby changing the mechanical properties. .

또한, 도 4b로부터 알 수 있는 바와 같이, 시편의 파단면은 압축방향과 약 47o의 각도를 이루고 있으며, 이로부터 시편의 파괴가 최대전단응력 방향으로 일어남을 알 수 있다.In addition, as can be seen from Figure 4b, the fracture surface of the specimen forms an angle of about 47 o with the compression direction, it can be seen that the fracture of the specimen occurs in the direction of the maximum shear stress.

석출경화형 구리 합금의 대표적인 예인 Cu-Be 합금은 조성 및 제조 방법에 따라 약간의 차이를 보이지만, 대략 0.3~1.2 GPa의 항복강도와 1~25% 사이의 신율을 나타낸다 (W. F. Gale, and T. C. Totemeier, Smithells Metals Reference Book 8th ed. (Elsevier, England, 2004); ASM metals handbook, Vol. 2 Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Pure Metals 9th ed. (ASM International, Ohio, 1986)). 하기 표 2에는 상기 실시예의 구리 합금에 대해서 압축 실험을 수행하여 얻은 기계적 특성을, 종래의 Cu-Be계 합금에 대해서 인장 실험을 수행하여 얻은 기계적 특성과 비교한 결과를 나타내었다.Cu-Be alloys, which are representative examples of precipitation hardening copper alloys, show slight differences depending on the composition and manufacturing method, but exhibit a yield strength of about 0.3 to 1.2 GPa and an elongation between 1 and 25% (WF Gale, and TC Totemeier, Smithells Metals Reference Book 8th ed. (Elsevier, England, 2004); ASM metals handbook, Vol. 2 Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Pure Metals 9th ed. (ASM International, Ohio, 1986)). Table 2 below shows the results of comparing the mechanical properties obtained by performing compression experiments on the copper alloys of the examples with those obtained by performing tensile tests on conventional Cu-Be alloys.

조성Furtherance 형태shape 관용명Common name 항복강도, σ y.s (MPa)Yield strength, σ ys (MPa) 신율, εp (%)Elongation, ε p (%) 참고문헌* Reference * 실시예 (1mm 시편)Example (1 mm specimen) 주조재 (cast)Cast (cast) -- 15961596 7.2~13.07.2-13.0 -- Cu97 .44Be2 .56 Cu 97 .44 Be 2 .56 가공재 (wrought)Workpiece (wrought) -- 865865 2.62.6 1One Cu98 .0Be1 .7Co0 .3 Cu 98 .0 Be 1 .7 Co 0 .3 가공재Processing material C17000C17000 10701070 4.0~11.04.0-11.0 22 Cu97 .4Be1 .9Co0 .4Pb0 .3 Cu 97 .4 Be 1 .9 Co 0 .4 Pb 0 .3 가공재Processing material C17300C17300 12101210 3.0~10.03.0-10.0 22 Cu97 .0Co2 .5Be0 .5 Cu 97 .0 Co 2 .5 Be 0 .5 가공재Processing material C17500C17500 690690 10.0~25.010.0 ~ 25.0 22 Cu97 .0Co1 .65Ag1 .00Be0 .35 Cu 97 .0 Co 1 .65 Ag 1 .00 Be 0 .35 가공재Processing material C17600C17600 690690 10.0~25.010.0 ~ 25.0 22 Cu99 .0Cr0 .8Be0 .06 Cu 99 .0 Cr 0 .8 Be 0 .06 주조재Casting material C81400C81400 250250 11.011.0 22 Cu97 .0Co1 .5Ag1 .0Be0 .4 Cu 97 .0 Co 1 .5 Ag 1 .0 Be 0 .4 주조재Casting material C81800C81800 515515 8.08.0 22 Cu97 .0Co2 .5Be0 .5 Cu 97 .0 Co 2 .5 Be 0 .5 주조재Casting material C82000C82000 515515 6.06.0 22 Cu98 .0Ni1 .5Be0 .5 Cu 98 .0 Ni 1 .5 Be 0 .5 주조재Casting material C82200C82200 515515 7.07.0 22 Cu98 .0Be1 .7Co0 .3 Cu 98 .0 Be 1 .7 Co 0 .3 주조재Casting material C82400C82400 10001000 1.01.0 22 Cu97 .2Be2 .0Co0 .5Si0 .25 Cu 97 .2 Be 2 .0 Co 0 .5 Si 0 .25 주조재Casting material C82500C82500 10351035 1.01.0 22 Cu97 .0Be2 .4Co0 .5 Cu 97 .0 Be 2 .4 Co 0 .5 주조재Casting material C82600C82600 10701070 1.01.0 22 Cu86 .6Be2 .6Co0 .5Si0 .3 Cu 86 .6 Be 2 .6 Co 0 .5 Si 0 .3 주조재Casting material C82800C82800 10701070 1.01.0 22 Cu97 .0Be2 .0Co1 .0 Cu 97 .0 Be 2 .0 Co 1 .0 주조재Casting material Be-Cu 21CBe-Cu 21C 725725 5.05.0 22 Cu68 .8Ni30 .0Be1 .2 Cu 68 Ni 30 .8 .2 .0 Be 1 주조재Casting material Be-Cu-Ni 72CBe-Cu-Ni 72C 310310 15.015.0 22

참고문헌 1: W. F. Gale, and T. C. Totemeier, Smithells Metals Reference Book 8th ed. (Elsevier, England, 2004)Reference 1: W. F. Gale, and T. C. Totemeier, Smithells Metals Reference Book 8th ed. (Elsevier, England, 2004)

참고문헌 2: ASM metals handbook, Vol. 2 Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Pure Metals 9th ed. (ASM International, Ohio, 1986)Reference 2: ASM metals handbook, Vol. 2 Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Pure Metals 9th ed. (ASM International, Ohio, 1986)

상기 표 2의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 비록 제조방법과 물성 평가방식의 차이를 고려하더라도, 본 발명에 따른 합금은 종래의 Cu-Be 합금에 비해서 상대적으로 우수한 기계적 특성을 나타내며, 이는 본 발명에 따른 합금이 갖는 특수한 미세구조 때문으로 판단된다. As can be seen from the results of Table 2, although considering the difference between the manufacturing method and the property evaluation method, the alloy according to the present invention shows a relatively excellent mechanical properties compared to the conventional Cu-Be alloy, which is the present invention It is judged that the alloy has a special microstructure.

또한, 본 발명에 따른 구리 합금의 미세구조가 전체적인 합금의 강도에 기여하는 정도를 알아보기 위하여 나노인덴테이션 실험을 통하여 합금을 구성하는 상들의 경도를 측정하였다.In addition, the hardness of the phases constituting the alloy was measured through nanoindentation experiments to determine the degree to which the microstructure of the copper alloy according to the present invention contributes to the overall strength of the alloy.

도 5는 초격자상의 초정 (S 영역)과 초격자상과 Cu 상으로 이루어진 공정 구조 (S'+B 영역)의 경도를 측정한 결과로서, 각각 약 7.0 GPa과 4.1 GPa의 높은 경도 값을 나타내었다. 한편, 나노인덴테이션으로 측정한 경도 값과 항복강도 사이에는 하기 수학식 1과 같은 관계가 성립하며 (P. M. Rice, and R. E. Stoller, Symposium Q; MRS (2000 Fall)), 이를 토대로 각 상에 대한 항복강도를 계산한 결과, 초격자상 및 공정 조직의 최대 항복강도는 각각 약 1.9 GPa과 1.1 GPa임을 알 수 있었다.5 is a result of measuring the hardness of the supercrystalline phase (S region) of the superlattice phase and the process structure (S '+ B region) composed of the superlattice phase and the Cu phase, and exhibits high hardness values of about 7.0 GPa and 4.1 GPa, respectively. It was. On the other hand, the relationship between the hardness value and the yield strength measured by the nano-indentation holds the following equation (PM Rice, and RE Stoller, Symposium Q; MRS (2000 Fall)), based on this As a result of calculating the yield strength, it was found that the maximum yield strengths of the superlattice and the process tissue were about 1.9 GPa and 1.1 GPa, respectively.

△σy[MPa] = 274△HN [GPa]Δσ y [MPa] = 274 ΔH N [GPa]

(상기 수학식 1에서, △σy는 항복강도의 변화량 (단위는 MPa), △HN은 나노인덴테이션으로 측정한 경도값의 변화량 (단위는 GPa)을 나타낸다.)(Equation 1, Δσ y represents the amount of change in yield strength (unit: MPa), ΔH N represents the amount of change in hardness value (unit: GPa) measured by nanoindentation.)

따라서, 본 발명에 따른 구리 합금의 최대 항복강도가 약 1.6 GPa임을 고려할 때, 본 발명에 따른 합금의 높은 강도에 기여하는 상은 초격자상임을 알 수 있었다. 일반적으로, 나노결정상을 포함하는 나노구조재료 또는 복합재료에 있어서, 강도 증가에 기여하는 부분은 나노결정상이지만, 본 발명에 따른 구리 합금에서 나노결정상이 차지하는 부피 분율은 매우 미미하므로, 합금의 전체적인 강도 증가에 크게 영향을 미치지는 않는 것으로 판단된다.Therefore, considering that the maximum yield strength of the copper alloy according to the present invention is about 1.6 GPa, it can be seen that the phase contributing to the high strength of the alloy according to the present invention is a superlattice phase. Generally, in the nanostructured material or composite material including the nanocrystalline phase, the portion contributing to the increase in strength is the nanocrystalline phase, but the volume fraction occupied by the nanocrystalline phase in the copper alloy according to the present invention is very small, so that the overall strength of the alloy We do not believe it will significantly affect the growth.

평가예 4. 본 발명에 따른 구리 합금의 소성파괴거동Evaluation Example 4 Plastic Fracture Behavior of the Copper Alloy According to the Present Invention

결정질 재료의 소성파괴거동은 균열의 생성 및 전파로 설명할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 구리 합금의 소성파괴거동을 분석하기 위하여 시편에 다른 변형율을 가한 후, 단계별 변형율에서 균열의 생성 및 전파 경로를 관찰하였다.Plastic fracture behavior of crystalline materials can be explained by the generation and propagation of cracks. Therefore, in order to analyze the plastic fracture behavior of the copper alloy according to the present invention, after applying different strains to the specimen, the formation and propagation paths of the cracks were observed at the strain rate.

도 6a는 지름이 2 mm인 본 발명에 따른 구리 합금의 봉상 시편을 항복강도 (약 2% 압축 변형)까지 변형시킨 후 관찰한 SEM 사진으로서 많은 수의 미세균열이 초격자상에서 생성되었음을 알 수 있었다. 생성된 균열의 전파과정을 관찰하기 위하여 시편을 4%까지 변형시켰으며, 이 결과를 도 6b에 나타내었다.6A is a SEM photograph observed after deformation of the rod-shaped specimen of the copper alloy according to the present invention having a diameter of 2 mm to yield strength (about 2% compressive strain), and it can be seen that a large number of microcracks were generated in the superlattice phase. . In order to observe the propagation process of the generated cracks, the specimen was deformed by 4%, and the result is shown in FIG. 6B.

도 6a 및 6b로부터 알 수 있는 바와 같이, 초격자상 (S 영역)에서 생성된 균열은 공정상 (S'+B 영역)의 계면에 도달하게 되며, 이 후 공정상을 통과하지 못하고 계면을 따라 돌아간 후 초격자상의 끝부분에서 멈추게 된다. 따라서, 균열은 먼 경로를 따라 전파되기 때문에 많은 소성변형에너지를 흡수할 수 있다. 이렇게 전파된 균열은 변형율이 증가함에 따라 인접한 초격자상의 계면균열과 서로 연결되며, 이러한 결과를 도 6c에서 확인할 수 있다. 따라서, 이러한 전단응력에 의한 계면파괴가 여러 곳에서 일어나면서 거시적으로는 도 4b에서와 같이 전단파괴가 일어나게 된다.As can be seen from FIGS. 6A and 6B, the cracks generated in the superlattice phase (S region) reach the interface of the process phase (S '+ B region), and then do not pass through the process phase but along the interface. After returning, it stops at the end of the superlattice. Therefore, since the crack propagates along a distant path, it can absorb a lot of plastic strain energy. The propagated cracks are connected to interfacial cracks on adjacent superlattices as the strain increases, and these results can be seen in FIG. 6C. Therefore, the interface failure caused by the shear stress occurs in several places, the shear failure occurs macroscopically as shown in Figure 4b.

도 6d는 시편이 파괴된 후 공정조직에 존재하는 Cu 상으로부터 기록한 사진으 로서, 시편의 넓은 범위에 걸쳐 매우 미세한 (~0.3 ㎛) 딤플이 존재하고 있음을 알 수 있다. 따라서, 시편에 가해지는 소성변형에너지는 연성이 높은 Cu 상의 변형에 의해서도 흡수됨을 알 수 있다. 결론적으로 본 발명에 따른 구리 합금이 급작스러운 파괴를 보이지 않는 이유는, 그것이 갖는 독특한 미세조직과 관련이 있으며, 다음과 같은 경로로 소성변형에너지를 흡수하는 것으로 판단된다.Figure 6d is a photograph taken from the Cu phase present in the process structure after the specimen is broken, it can be seen that there is a very fine (~ 0.3 ㎛) dimples over a wide range of the specimen. Therefore, it can be seen that the plastic strain energy applied to the specimen is also absorbed by the deformation of the highly ductile Cu phase. In conclusion, the reason why the copper alloy according to the present invention does not show sudden breakage is related to its unique microstructure, and it is judged that the plastic deformation energy is absorbed in the following path.

1) 강도가 높은 초격자상 (S)에서 우선적인 다중 균열 발생.1) Preferential multiple cracking occurs in high-strength superlattice phase (S).

2) 생성된 균열이 초격자상 (S)과 공정상 (S'+B)의 계면에 도달 후 계면을 따라 전파.2) The crack formed propagates along the interface after reaching the interface between the superlattice phase (S) and the process phase (S '+ B).

3) 인접한 초격자상 간의 균열 연결.3) Crack connection between adjacent superlattices.

4) 전단응력에 의한 계면파괴 후 전단파괴.4) Shear failure after interface failure by shear stress.

본 발명에 따르면, 고강도 및 고신율 특성을 가지면서도, 베릴륨 등의 유해 원소를 사용하지 않는 관계로 환경친화적이고, 간단하면서도 경제적인 공정에 의해서 제조가능한 고강도 및 고신율 구리 합금 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.According to the present invention, there is provided a high-strength and high elongation copper alloy having a high strength and high elongation characteristics and can be manufactured by an environmentally friendly, simple and economical process without using harmful elements such as beryllium, and a manufacturing method thereof. can do.

Claims (11)

5 내지 15 원자 중량%의 Zr; 1 내지 5 원자 중량%의 Al; 및 잔부의 Cu를 포함하며,5 to 15 atomic percent Zr; 1 to 5 atomic percent Al; And balance Cu, Cu5Zr층과 Zr층이 반복되는 초격자상; 및 Cu 결정상으로 구성된 복합 미세조직을 갖는 것을 특징으로 하는 고강도 및 고신율 구리 합금.A superlattice phase in which a Cu 5 Zr layer and a Zr layer are repeated; And a composite microstructure composed of a Cu crystal phase. 제1항에 있어서, 상기 초격자상 및 Cu 결정상의 부피비는 3:7 내지 5:5인 것을 특징으로 하는 고강도 및 고신율 구리 합금.The high-strength and high elongation copper alloy according to claim 1, wherein the volume ratio of the superlattice phase and the Cu crystal phase is 3: 7 to 5: 5. 제1항에 있어서, 상기 초격자상은 Zr층 15 내지 25 중량%, Cu5Zr층 75 내지 85 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 및 고신율 구리 합금.The high-strength and high elongation copper alloy according to claim 1, wherein the superlattice phase comprises 15 to 25 wt% of a Zr layer and 75 to 85 wt% of a Cu 5 Zr layer. 제1항에 있어서, 상기 Cu 결정상은 Cu 94 내지 98 중량% 및 Al 2 내지 6 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 및 고신율 구리 합금.The high strength and high elongation copper alloy according to claim 1, wherein the Cu crystal phase comprises 94 to 98% by weight of Cu and 2 to 6% by weight of Al. 제1항에 있어서, 상기 구리 합금의 항복 강도는 1.0 내지 1.6 GPa인 것을 특징으로 하는 고강도 및 고신율 구리 합금.The high strength and high elongation copper alloy according to claim 1, wherein the yield strength of the copper alloy is 1.0 to 1.6 GPa. 제1항에 있어서, 상기 구리 합금의 신율은 7.0 내지 15.0%인 것을 특징으로 하는 고강도 및 고신율 구리 합금.The high strength and high elongation copper alloy according to claim 1, wherein the elongation of the copper alloy is 7.0 to 15.0%. 제1항에 있어서, 상기 구리 합금은 Cu86Zr11Al3의 화학식을 갖는 것을 특징으로 하는 고강도 및 고신율 구리 합금.The high strength and high elongation copper alloy of claim 1, wherein the copper alloy has a chemical formula of Cu 86 Zr 11 Al 3 . 5 내지 15 원자 중량%의 Zr, 1 내지 5 원자 중량%의 Al 및 잔부의 Cu를 계량하여 아크 용해 공정에 의해서 잉곳을 제조하는 단계;Weighing 5 to 15 atomic percent Zr, 1 to 5 atomic percent Al and the balance Cu to produce an ingot by an arc melting process; 상기 Zr, Al 및 Cu의 균일한 혼합을 위해서, 상기 잉곳에 대해서 복수 회 용융 및 냉각을 반복하는 단계; 및Repeating melting and cooling the ingot a plurality of times for uniform mixing of the Zr, Al and Cu; And 흡입 주조법에 의해서 구리 몰드를 주조하는 단계Casting the copper mold by suction casting method 를 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 및 고신율 구리 합금의 제조방법.Method for producing a high strength and high elongation copper alloy comprising a. 제8항에 있어서, 상기 아크 용해 공정 및 흡입 주조법은 고순도 아르곤 분위기 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 구리 합금의 제조방법.The method of claim 8, wherein the arc melting process and the suction casting method are performed under a high purity argon atmosphere. 제8항에 있어서, 상기 용융 및 냉각 단계의 용융은 2500 내지 3000℃의 온도에서 수행되고, 냉각은 10 내지 30℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 구리 합금의 제조방법.The method of claim 8, wherein the melting and cooling steps are performed at a temperature of 2500 to 3000 ° C., and cooling is performed at a temperature of 10 to 30 ° C. 10. 제8항에 있어서, 상기 용융 및 냉각 단계는 3회 내지 4회 반복 수행되는 것을 특징으로 하는 구리 합금의 제조방법.The method of claim 8, wherein the melting and cooling steps are performed three to four times.
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