Cu-Co-Si 합금의 물리적 특성에 영향을 미치는 첨가원소와 제조공정에 관한 연구

Abstract

전기ㆍ전자 부품에 사용되는 동합금 소재의 강도와 전기전도도 특성은 산업의 발전과 함께 특성 향상을 계속 요구받고 있으며, 최근 Cu-Co-Si계 동합금이 소형 전자부품 소재에 새롭게 적용되고 있다. 본 연구는 Cu-Co-Si 합금에서 Co와 Si 비의 변화, Co와 Si 첨가량의 변화, 그리고 Mn, Mg, Fe 원소 첨가에 따른 경도, 전기전도도 등 물리적 성질에 미치는 영향에 관하여 연구하였다. 또한 제조공정 가운데 석출경화형 합금의 특성에 크게 영향을 미치는 용체화처리의 온도와 시간의 조건, 용체화처리 후 가공 압하율 및 시효처리 조건에 따른 경도, 전기전도도 및 석출물의 크기와 분포에 미치는 영향을 연구하였으며, 그 결과는 아래와 같다.

1. Cu-Co-Si계 합금에서 Co 함량을 1.6 wt.%로 고정하고 Si 양을 변경하여 Co/Si 비율이 2, 3, 4, 5 일 때, Co/Si = 4에서 합금의 강도와 전기전도도 값이 가장 높았으며, 이는 화학양론적인 Co/Si의 최적비가 4.2인 것과 동일하다.

2. 0.8~1.9 wt.% Co를 Co/Si = 4.2 질량 비율로 첨가한 Cu-Co-Si계 합금에서 Co, Si의 함량이 증가할수록 경도는 증가하였으며, 1.6 wt.% Co 이상에서는 경도의 증가폭이 감소하였다. 전기전도도는 Co, Si의 함량이 증가할수록 감소하였으나, 차이는 ± 2% IACS 수준으로 크지 않았다. 1.0 wt.% Co 이하에서는 결정립이 100 ㎛ 이상으로 조대하게 성장하였으며, 이는 결정립의 성장을 저해하는 Co, Si의 함량이 적기 때문에 동일 조건에서 결정립이 더 크게 성장한 것으로 사료된다.

3. Cu-1.6 Co-0.38 Si 모합금에 Mn, Mg 및 Fe 첨가시 비교재(比較材)인 Cu-1.6 Co-0.38 Si 합금에 비해 경도는 모두 증가하였으며, 전기전도도는 모두 감소하였다. 또한 Mg을 첨가할 때 경도는 가장 높아지고, Fe를 첨가할 때 전기전도도를 가장 적게 감소시키면서 강도를 향상시킬 수 있는 것을 알 수 있었다.

4. 용체화처리 온도가 낮을수록 Cu 기지상에 남아있는 조대한 Co2Si 정출물이 증가하여, 시효처리 과정에서 생성되는 미세한 석출물의 개수가 작아져 강도가 저하되는 경향을 보였다. 또한 950℃에서 용체화처리 40초까지는 경도가 상승하다가, 40초 이후에는 완만하게 감소하는 것을 볼 수 있었다. 이는 20초 이하에서는 기지내의 Co, Si의 고용량이 부족해 시효처리시 미세 석출물의 형성을 저해하기 때문에 강도가 저하되고, 50초 이후부터는 결정립이 조대화되어 강도가 감소하는 것으로 추측할 수 있다.

5. Cu-1.6 Co-0.38 Si-0.05 Fe 합금의 용체화처리 후 압하율이 높을수록 석출 사이트가 되는 변형이 증가하여 보다 낮은 온도와 짧은 시간에 최고 경도가 나타남을 알 수 있었다.

6. 2단 시효처리(Double stage aging)을 통하여 일반적인 시효처리보다 석출물을 미세하게 분산시킴으로써 우수한 경도와 전기전도도를 얻을 수 있었다. 2단 시효처리에서 첫번째 Stage의 열처리 시간은 Double stage aging에서 전기전도도와 경도를 결정하는 중요한 요소로, 동일한 시간 내에서 두번째 Stage에서는 첫번째 Stage보다 느린 속도로 석출물의 크기가 증가하므로 전기전도도는 향상되면서 경도 향상에 기여하는 100 nm 이하의 미세한 석출물이 고르게 분포되기에 유리하지만, 첫번째 Stage에서는 석출물의 성장이 빠르게 일어나 이 과정에서 석출물이 조대화되면 경도 향상에 기여하는 석출물이 감소한다. 따라서 첫번째 Stage의 시간을 석출물을 조대화시키지 않는 범위에서 제어할 필요가 있다.

7. 시효처리 후 압하율 30%까지 Bad way 방향의 굽힘가공성의 저하 경향은 동일하였으며, R/t = 0에서는 압하율 30% 이상에서는 Medium wrinkle을 보이는 수준으로 저하되며, R/t = 0.5에서는 50%까지는 Wrinkle이 관찰되지 않아 공업상 사용이 가능하다.

8. 본 연구 대상 합금인 Cu-1.6 Co-0.38 Si-0.05 Fe의 기계적ㆍ전기적 특성은 용체화처리 후 25%의 압하율로 압연하고 470℃에서 3시간 시효처리하면, 최고 경도는 약 204 Hv, 전기전도도는 약 54% IACS이었다. 용체화처리 후 25%의 압하율로 압연하고 2단 시효처리를 하였을 때의 최고 경도는 약 199 Hv, 전기전도도는 약 61% IACS로 2단 시효처리를 하는 경우가 일반적인 시효처리보다 기계적ㆍ전기적 특성이 높았다. 또한 이 소재를 최종적으로 20% 압하율로 압연하였을 때 최고 경도 206 Hv, 전기전도도는 약 60% IACS 급의 소재를 얻을 수 있었다.

이상의 결과를 종합해 볼 때, Cu-Co-Si계 동합금에 Mn, Mg, Fe를 미량 첨가하여 경도, 전기전도도 및 석출물에 미치는 영향을 연구한 결과, Fe를 첨가하였을 때 Co 양을 줄이면서 전자부품의 방열 부품에서 요구되는 경도와 전기전도도의 밸런스가 뛰어난 합금을 얻을 수 있었으며, 2단 시효처리를 이용하여 전기전도도를 향상시킴으로써 전기ㆍ전자 부품의 용도로 사용이 가능할 것으로 판단된다.