Cu-Ni-Co-Si-Cr계 합금의 전기전도도 및 기계적 특성에 미치는 시효 열처리의 영향

Abstract

본 연구는 전기전자 및 자동차용 커넥터에 적용을 위하여 전기전도도 및 기계적 특성을 동시에 향상시킬 수 있는 석출경화형 동합금을 개발하는 것이 목적이다. 커넥터에 가장 많이 사용되는 국내 동합금은 석출경화형 합금으로 C64750 (Cu-1.8Ni-0.3Si-0.3Sn)이 대표적이다. 이 소재는 인장강도 650MPa, 전기전도도 48%IACS 수준으로 전기자동차, 자율주행차에서 요구하는 부품의 소형화 및 고집적화에 대응하기에는 강도 및 전기전도도가 낮은 문제점이 있다. Ni과 Si의 함량을 높여 강도를 증대할 경우 전기전도도 감소를 피할 수 없으며, 정출물에 의한 열간크랙 유발 및 석출물 조대화에 의한 굽힘가공성이 열화의 원인이 된다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 Ni의 일부를 Co로 치환하는 연구가 활발하게 진행하고 있다. 대표적인 동합금으로 C70350(Cu-1.5Ni-1.1Co-0.6Si)가 있으며 인장강도 830MPa, 전기전도도 48%IACS의 특성을 갖는다. 그러나 다핀화로 인해 고집적화된 부품의 효과적인 발열 제어를 위해서는 50%IACS이상의 전기전도도가 필요하다. 또한 C70350 합금은 전량 수입에 의존하고 있어 국내 대체할 수 있는 합금의 개발이 시급하다. 본 논문에서는 산업에서 요구하는 전기전도도 및 기계적 특성을 만족하는 동합금을 개발하기 위하여 Cu-1.1Ni-0.9Co-0.55Si-0.1Cr 함금으로 시효 열처리조건에 따른 전기전도도 및 기계적 특성에 미치는 영향을 연구하였다. 구체적으로 용체화 처리 방법 및 용체화 이후 제조된 과포화고용체를 시효 처리하는 방법을 연구하였다. 전통적인 시효 처리 방법인 단일 시효와 2단 시효 및 열적-기계적 2단 시효 공정을 적용하여 각 제조공정별 경도, 전기전도도 및 굽힘가공성을 비교 및 고찰하였다. 용체화 처리는 750~950℃의 온도에서 10~60초간 진행하여 비교한 결과 950℃ x 40초에서 최적의 조건을 확인하였다. Ni, Co, Si, Cr 성분으로 이루어진 이차상 입자는 온도가 증가함에 따라 Cu기지 내에 보다 양호하게 고용되었다. 그러나 온도의 증가에 따라 결정립의 크기가 쉽게 조대화 되었다. 이렇게 성장된 결정립은 시효 후에도 변하지 않았으며, 굽힘가공시 결정립을 따라 표면 주름의 피치(pitch)가 깊게 생기는 원인으로 작용했다. 과포화고용체를 시효 처리 했을 때 단일 시효보다 2단 시효에서 경도 및 전기전도도의 증가가 두드러지게 나타났다. 열역학 시뮬레이션으로 (Co, Ni)2Si 석출물의 성분변화를 확인한 결과 Co와 Ni의 석출 우선 순위가 시효 온도에 따라 다른 것으로 나타났다. 그렇기 때문에 두가지 온도를 사용하는 2단 시효가 더욱 효과적으로 석출된 것으로 보인다. 열적-기계적 2단 시효 처리한 경우 2단 시효보다 적은 시간에서 우수한 경도 및 전기전도도를 확보할 수 있었다. 최종적으로 열적-기계적 2단 시효를 통해 450℃ x 1hr – Rolling(Red. 30%) – 380℃ x 2hr 조건에서 인장강도 845MPa, 경도 256HV, 전기전도도 51%IACS를 얻었다. 열적-기계적 2단 시효는 1차 시효 후 중간 압연을 통해 핵생성 사이트를 추가로 생성하여 2차 시효처리 중에 1차 시효처리에서 생성된 석출물을 성장시키는 것보다 추가적인 미세 석출물을 만들 수 있는 구동력으로 작용하여 효과적으로 석출물의 밀도를 증가시켰기 때문이다. 반면, 굽힘가공성의 경우 2단 시효가 우수한 결과로 나타났다. 이것은 추가적인 냉간 가공이 소재의 연성 감소와 함께 굽힘가공성을 유리하게 만드는 (200) peak의 Cube Texture를 감소시켰기 때문이다. 소재의 집합 조직을 제어하는 기술을 추가 개발하여 굽힘가공성을 개선하게 되면, Cu-Ni-Si 합금 및 Cu-Ni-Co-Si 합금을 충분히 대체하여 전기 전자 및 자동차용으로 사용 가능할 것으로 예상한다