Cu-Ni-Si 합금의 석출거동 및 물성에 미치는 Co 첨가와 용체화처리 온도의 영향

Abstract

미래형 자동차로 변화에 따라 자동차용 커넥터의 부품의 경,박,단,소 및 고집적화로 인해 우수한 강도, 전기전도도, 내연화 특성, 굽힘가공성을 요구하고 있다. 하지만 자동차용 커넥터의 소형화 및 고집적화로 인하여 내연화 특성과 굽힘가공성은 유지하며 기존의 Corson 동합금 보다 경도와 전기전도도가 더 우수한 커넥터용 동합금을 요구하고 있다. 본 연구에서 Ni 함량은 동일한 조성에서 최적의 조성비와 최적 석출처리 조건에서 Cu-Ni-Si 합금에 Co 첨가에 따른 석출거동과 경도와 전기전도도에 미치는 영향을 연구하였다. Cu-Ni-Si 합금에Co의 첨가는 Ni2Si에서 Ni를 Co로 대체함으로써 미세한 Rod 형태 (Ni,Co)2Si 석출물의 형성을 촉진시켰다. Ab-initio 계산 결과 Cu-Ni-Si계의 Co의 미량 첨가시 Cu 기지와 (Ni,Co)2Si 사이의 계면에너지를 상당히 감소시켜 석출물을 형성을 위한 활성화에너지를 효과적으로 감소 시켰음을 알 수 있었다. 그 결과, 석출처리 과정에서 (Ni,Co)2Si의 석출물의 밀도는 2.4 x 1010 cm-2에서 9.0 x 1010 cm-2까지 증가하였다. 5 ~ 20 nm크기의 (Ni,Co)2Si 석출물은 전기전도도의 손실은 최소화하며 Orowan 메커니즘을 통해 경도를 약 70 Hv증가시켰다. Cu-1.3Ni-0.6Si-1.0Co 합금의 경우 최대 경도와 전기전도도는 420 ℃ 에서 4 시간 석출처리 후에 220 Hv 및 51 %IACS 이였다. 또한 용체화처리 온도를 950 ℃ 에서 1050 ℃ 증가로 인해 Ni, Si 및 Co 성분으로 이루어진 이차상 입자는 Cu 기지내에 거의 고용되었다. 이러한 과포화고용체는 석출처리 과정에서 석출을 위한 핵생성 자리를 증가시켜 미세한 (Ni,Co)2Si 석출물의 밀도를 9.0 x 1010cm-2 에서 12.3 x 1010 cm-2까지 증가시켰다. 반대로 계면에너지의 관점에서 볼 때 950℃ 에서 용체화처리 된 시편에서는 석출처리 동안 미세 석출물 형성을 억제하고 용체화처리 과정에서 용해되지 않은 이차상을 조대화 시킨 것으로 판단한다. 하지만1,050 ℃ 에서 용체화처리 된 시편에서는 100 nm ~ 200 nm 크기의이차상의 거의 존재하지 않았으며, 5 ~ 20 nm 크기의 (Ni,Co)2Si의 석출물만 형성하여 전기전도도의 손실없이 Orowan 메커니즘에 의해 경도가 향상 시켰다. 최대 경도와 전기전도도는 각각 251 Hv와 51 %IACS 였고, 950 ℃ 에서 용체화처리 된 합금의 경우 220 Hv와51 %IACS이였다. Cu-Ni-Si-Co 합금에서 5 ~ 20 nm 의 (Ni,Co)2Si 석출물을 균일하게 다량으로 형성하여 Cu-Ni-Si 계열 대비 굽힘가공성은 동등 수준이며 전기전도도, 경도, 내연화 특성이 우수한 동합금을 개발이 가능하였다. 이러한 결과는 향후 자동차용 커넥터 부품에 있어서 Cu-Ni-Si계 합금을 대체 가능할 것으로 예상한다.