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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.28 No.2 pp.113-117
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2018.28.2.113

Change in Microstructure and Mechanical Properties through Thickness with Annealing of a Cu-3.0Ni-0.7Si Alloy Deformed by Cold Rolling

Seong-Hee Lee1, Seung Zeon Han2
1Department of Advanced Materials Science and Engineering, Mokpo National University, Muan-gun, Jeonnam 58554, Republic of Korea
2Commercialization Research Division, Korea Institute of Materials Science, 66 Sangnam-dong, Changwon 51508, Republic of Korea
Corresponding author : shlee@mokpo.ac.kr (S.-H. Lee, Mokpo Nat’l Univ.)
20171211 20180105 20180106

Abstract

Effects of annealing temperature on the microstructure and mechanical properties through thickness of a cold-rolled Cu-3.0Ni-0.7Si alloy were investigated in detail. The copper alloy with thickness of 3 mm was rolled to 50 % reduction at ambient temperature without lubricant and subsequently annealed for 0.5h at 200~900 °. The microstructure of the copper alloy after annealing was different in thickness direction depending on an amount of the shear and compressive strain introduced by rolling; the recrystallization occurred first in surface regions shear-deformed largely. The hardness distribution of the specimens annealed at 500~700 °C was not uniform in thickness direction due to partial recrystallization. This ununiformity of hardness corresponded well with an amount of shear strain in thickness direction. The average hardness and ultimate tensile strength showed the maximum values of 250Hv and 450MPa in specimen annealed at 400 oC, respectively. It is considered that the complex mode of strain introduced by rolling effected directly on the microstructure and the mechanical properties of the annealed specimens.


냉간압연된 Cu-3.0Ni-0.7Si 합금의 어닐링에 따른 두께방향으로의 미세조직 및 기계적 특성 변화

이 성희1, 한 승전2
1국립목포대학교 신소재공학과
2재료연구소 실용화연구단

초록


    Mokpo National University

    © Materials Research Society of Korea. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1.서 론

    최근 전자/정보통신 산업의 비약적인 발달로 인하여 부 품의 경박단소화 추세에 발맞추어 강도가 높고 성형성 이 우수함과 동시에 전기전도성 또한 뛰어난 동합금이 많이 요구되고 있다. Cu-Ni-Si계 합금은 높은 강도와 우 수한 성형성, 탁월한 내응력이완(stress relaxation resistance) 특성을 가지고 있으므로 스프링, 커넥터, 리드프레임 재 료로 널리 사용되고 있으나, 중간 정도의 전기전도성을 나타내므로 사용에 많은 제약을 받고 있다. 따라서 가 공열처리 공정을 통한 기계적, 전기적 특성 향상을 위 한 연구가 많이 이루어지고 있다.1-5)

    압연공정은 연속공정이 가능하여 금속재료의 소성가공 공정으로 일반적으로 많이 이용되고 있다. 특히, 판재 가 공의 경우 가장 용이하고 생산성이 우수한 이점으로 인 해 산업현장에서 많이 사용되고 있다. 그런데 압연 시 피가공재의 미세조직/집합조직 및 기계적 특성 등은 롤 과 피가공재 사이의 마찰에 의해 큰 영향을 받는 것은 이미 잘 알려져 있는 사실이다.6,7) 특히, 압연 롤과 피 가공재 간의 마찰계수가 클 경우에는 피가공재의 표면 에는 압축변형과 함께 집단변형을 동시에 중앙부위에서 압축변형만을 받으므로 판재의 두께방향으로의 미세조직 /집합조직 및 기계적 특성 차이가 두드러지게 나타난다. 이와 같은 두께방향으로의 불균일 변형은 재료의 특성 에 악영향을 주는 경우가 많으므로 이속압연 등을 통하 여 균일 변형을 유도하여 재료의 특성을 개선하고자 하 는 연구도 많이 진행되고 있다. 본 연구팀에서도 지난 연구에서 Cu-Ni-Si계 동합금에 일반압연과 이속압연을 실 시하여 두께방향의 변형에 따른 미세조직 및 기계적 특 성 차이를 비교 분석한 바 있다.5) 그 결과 두 압연공정 간에 두께방향으로의 변형의 차이가 있음에도 불구하고 미세조직 및 기계적 특성 차이는 크게 나타나지 않았 다. 그러나 두께방향으로의 변형의 차이로 인한 부위별 도입된 축적에너지의 차이는 분명히 존재할 것이므로 어 닐링을 행한다면 두께방향으로의 미세조직 및 기계적 특 성 차이가 외부로 나타날 가능성이 있다. 따라서 본 연 구에서는 이전 연구에서5) 동속 압연에 의해 가공된 Cu- 3.0Ni-0.7Si(wt.%)합금에 어닐링을 실시하여 두께방향으로 의 미세조직 및 기계적 특성을 면밀히 관찰하고 분석하 였다.

    2.실험 방법

    2.1.압연 및 어닐링

    본 연구에 사용된 동합금은 새롭게 합금 설계하여 만 든 Cu-3.0Ni-0.7Si합금이다. 출발재료는 두께 3 mm, 폭 30 mm, 길이 300 mm인 열간압연 판재이다. 사용된 압 연기는 롤 직경이 130 mm인 2단 압연기였으며, 압연은 압하율을 50 %로 하여 상온 무윤활 조건에서 롤 주속 2.0 m/min의 동일 속도에서 실시하였다. 압연에 의해 도 입되는 전단변형량을 측정하기 위해 이전 연구와 동일 한 방법으로 압연 전에 시편 중앙부위에 시편과 동일한 재질의 핀을 삽입하여 두께방향으로의 전단변형량의 크 기를 정량적으로 측정하였다.5) 또한, 압연 후 어닐링은 200~900 °C 온도범위에서 30분 동안 실시하였다.

    2.2.특성 분석

    어닐링 전후 시편에 대하여 광학현미경(optical microscopy) 에 의한 조직관찰을 실시하였다. 조직관찰은 시편 을 횡단면(TD면)에서 판재 절단기로 잘라내어 연마 후 (NH4)2S2O8의 10 %수용액에서 화학부식한 후 관찰하였 다. 기계적 특성 평가는 어닐링 전후 시편에 대하여 상 온에서 인장시험 및 경도시험을 통하여 평가하였다. 인 장시험의 시험편은 표점거리 25 mm, 폭 6 mm로 인장축 이 압연방향과 일치하도록 방전가공기로 잘라 판상 인 장시편을 제작하여 실시하였다. 경도시험은 어닐링 전후 재료의 횡단면을 절단하여 기계 연마한 후 Micro-Vickers 경도기를 이용하여 실시하였으며, 경도값은 하중 유지시 간 5초로 10회 측정하여 최대값과 최소값을 뺀 나머지 의 산술평균값을 취하였다.

    3.결과 및 고찰

    3.1.압연에 의해 도입된 두께방향으로의 변형량의 크기

    Fig. 1은 압연 후 핀삽입법에 의해 구한 두께방향으로 의 전단변형량 분포 및 상당변형량 분포를 나타낸 것이 다. 여기서 상당변형량값(ε)은 이전 연구에서 핀삽입법에 의해 구한 전단변형량값(γ)을 아래의 식에 대입하여 구 한 값이다.5)(1)

    ε ¯ = 2 3 ( ln 1 1 r ) 2 + γ 2 4
    (1)

    여기서, r은 압연압하율로 본 실험에서는 50 % 압하율 로 압연하였으므로 0.5에 해당한다. 또한 시편의 실제 두 께는 1.50 mm이지만 두께방향의 상대 위치를 나타내기 위해서 가로축을 Δt/t(t: 시편의 실제 두께, Δt: 실제 두 께와 상부롤 부위를 기준으로 측정한 위치까지의 거리 와의 차이)의 값으로 나타내었다. 여기서는 편의상 시편 의 상부롤 방향에 대하여 압연방향으로의 전단변형량을 양의 값으로 정하고 압연 반대방향으로의 전단변형량을 음의 값으로 나타내기로 한다. 그림에서와 같이, 전단변 형량의 값이 상부롤 측 부위(upper roll side)에서는 양 의 값을 나타내지만 하부롤 측 부위(lower roll side)에 서는 음의 값을 나타내고, 중앙(center) 부위에서는 0을 나타내는 것을 알 수 있다.5) 즉, 두께 방향으로 도입된 전단변형량의 크기가 상이하였다. 한편, Fig. 1에서와 같 이, 상당변형량값은 두께방향의 위치에 의존하지 않고 거 의 같은 값(약0.8)을 나타내었다. 이것은 도입된 전단변 형량의 크기가 압축변형량에 의해 도입된 변형량 0.8에 비해 상대적으로 크지 않았기 때문이다.

    3.2.어닐링에 따른 두께방향으로의 미세조직 변화

    Fig. 2는 어닐링에 따른 시편의 두께방향으로의 광학 현미경 조직사진 변화를 나타낸 것이다. 그림에서와 같 이 압연 후 시편과 200~400 °C어닐링 시편은 모든 부 위에서 전형적인 가공 조직(deformation structure)을 나 타내며 화살표로 나타낸 것과 같이 굽어진 어닐링 쌍정 (bent annealing twins)과 변형 띠(deformation bands)도 많이 관찰되었다. 이 경우, 표면과 중심 등 두께방향으 로의 미세조직의 차이는 거의 관찰되지 않았다. 그러나 600 °C 온도에서의 어닐링 시편은 다른 양상을 나타내었 다. 즉, 600 °C어닐링 시편의 경우, 중심 부위를 제외한 상부 롤 표면 부위와 하부 롤 표면 부위에서 재결정된 결정립들이 관찰되었다. 이와 같은 재결정립들은 하부 롤 보다 상부 롤 부위에서 더 많이 관찰되었으며 중심 부 위에서는 거의 관찰되지 않았다. 또한 압연 가공 시 변 형이 집중되는 결정립계(grain boundaries) 부위에서 재 결정이 주로 발생한다는 것이 특징적이라 할 수 있다. 또한 700 °C어닐링 시편의 경우는 상부 및 하부 롤 측 의 표면 부위 외에도 중심부위에서도 부분재결정이 발 생하였으며, 또한 결정립계에서의 재결정 외에도 결정립 입내(inside grains)에서도 집단적으로 재결정이 발생하여 재결정의 범위가 크게 확장되는 경향을 나타내었다. 이 러한 현상 역시 중심 부위에서 보다 표면 부위, 특히 전 단변형량의 크기가 상대적으로 컸던 상부 롤 표면 부위 에서 더 광범위하게 발생하였다. 이처럼 두께방향으로 다 른 재결정 특성을 보이는 것은 압연가공시 도입된 두께 방향으로의 전단변형량의 크기 차이 때문이라 사료된다. Fig. 1에서 설명한 바와 같이, 압연 시 도입된 전단변형 량의 절대값은 상부 롤 표면 부위에서 가장 컸으며 그 다음 하부 롤 표면 부위, 마지막으로 중심 부위 순 이 었다. 비록 압연에 의해 도입된 전단변형량이 그리 크 지는 않았지만 압축변형과 동시에 전단변형이 도입됨으 로써 복합 변형 모드가 작동하여 재결정을 위한 유리한 환경이 조성되었을 것이라 사료된다. 이와 같은 현상은 재결정이 단순히 상당변형량의 크기에만 의존하는 것이 아 니라 도입되는 변형 모드의 양상에도 크게 의존함을8) 잘 나타내 주는 또 하나의 예라 할 수 있다. 한편, 800 °C 어닐링 시편의 경우는 부위에 관계없이 완전재결정이 발 생하여 등축의 크고 작은 결정립들이 혼재돼 있는 재결 정 조직을 나타내었으며 평균결정립경은 37 μm이였다. 또 한 850 °C시편에서는 모든 부위에서 결정립 성장(grain growth)이 크게 일어나 평균입경이 121 μm로 조대한 결 정립들로 채워져 있었으며, 900 °C시편에서는 더욱 활발 한 결정립 성장으로 인해 평균입경이 240 μm의 조대 결 정립조직을 나타내었다.

    3.3.어닐링에 따른 기계적 성질의 변화

    Fig. 3에 어닐링에 따른 동합금의 두께방향으로의 경 도분포 변화를 나타내었다. 압연재(As-rolled)는 경도가 약 220Hv로 두께방향으로 비교적 균일한 분포를 나타내었 다. 어닐링 온도가 증가함에 따라 경도가 점진적으로 증 가하여 400 °C에서 약 250Hv의 가장 높은 경도를 나타 내었으며 경도 분포 또한 비교적 균일한 상태를 유지하 였다. 여기서 온도가 증가함에 따라 경도가 증가하는 것 은 Cu-Ni계 합금에서 종종 나타나는 현상으로 단범위 규 칙화로 인해 저온 소둔경화의 발생으로 설명할 수 있다.9) 이런 강화 현상이 발생하는 것은 구리 기지 내에 용해 되어 있는 용질들의 단범위 규칙화로 인해 발생하는 것 이며, 이런 단범위 규칙이 발생하면 결정 내부를 통과 하는 전위의 움직임이 방해를 받아 강화하게 된다. 그 러나 500~700 °C 어닐링재의 경우는 온도 증가에 따라 경도가 큰 폭으로 감소하였으며 부위에 따른 경도값의 불균일성도 매우 큰 것을 알 수 있다. 500 °C이상에서 경도가 급격히 감소한 것은 단범위 규칙화 현상의 소멸 과 함께 회복 및 부분재결정의 발생이 활발히 일어났기 때문이다. 또한 이 온도구역에서 경도의 불균일성이 큰 것은 앞에서 설명한 바와 같이 부분재결정이 두께방향 으로 불균일하게 발생하였기 때문이다. 그림에서 상부롤 부위의 경도가 다른 부위보다 상대적으로 낮은 경도를 나타내는 것은 그곳에서 부분재결정이 우선적으로 활발하 게 발생하였기 때문으로 설명할 수 있다. 그러나 800 °C 이상의 어닐링재는 완전재결정으로 인해 부위에 관계없 이 경도가 크게 감소하였으며, 두께방향으로 매우 균일 한 경도분포를 나타내었다. Fig. 4에 어닐링에 따른 동 합금의 공칭응력-공칭변형량(nominal stress-nominal strain) 곡선(Fig. 4a)과 인장 특성을 정리한 그래프(Fig. 4b)를 나타내었다. 그림에서와 같이, 압연재와 100~300 °C어닐 링재는 모두 인장강도가 약 650MPa, 연신율이 약 6 % 의 전형적인 가공재의 s-s곡선을 나타내고 있으나, 400 °C 어닐링재는 강도와 연신율이 모두 증가한 특이한 곡선 을 나타내었다. 그리고 500 °C이상의 어닐링재는 인장강 도와 항복강도가 감소하고 연신율이 증가하는 전형적인 연화곡선을 나타내었다. 여기서 400 °C에서 강도 및 연 성 모두 증가한 것은 앞에서도 언급한 바와 같이 저온 소둔경화에 기인한 것이라 사료된다.

    4.결 론

    냉간압연가공된 Cu-3.0Ni-0.7Si합금의 어닐링온도에 따 른 두께방향으로의 미세조직 및 기계적 특성변화를 조 사한 결과 다음과 같이 요약할 수 있다.

    • 1) 어닐링에 따른 두께방향의 재결정 거동은 압연시 도 입된 상당변형량의 크기의 절대값에 의존하지 않고 전 단변형의 도입 유무, 즉 압연시의 압축변형과 전단변형 의 복합 변형의 대소에 좌우되었다.

    • 2) 어닐링온도가 증가함에 따라 회복 및/또는 재결정 이 발생하였으며, 500 °C에서는 주로 상부 롤과 하부 롤 표면 부위에서 재결정이 발생하기 시작하여 800 °C에서 완전재결정이 발생하였으며, 재결정은 결정립계에서 결정 립내로 확장하며 진행되었다.

    • 3) 경도값은 어닐링온도가 증가함에 따라 400 °C까지 는 점진적으로 증가하였으며 500 °C이후에는 재결정의 발 생으로 인해 크게 감소하는 경향을 보였다. 또한, 500~ 700 °C어닐링재의 경우 부분재결정으로 인해 두께방향으 로의 경도분포가 매우 불균일하였으나, 800 °C이상에서는 완전재결정의 발생으로 매우 균일한 경도분포를 나타내 었다.

    • 4) 인장강도 및 항복강도는 400 °C까지 어닐링온도 증 가와 함께 증가하다가 500 °C이상의 온도에서는 감소하 였으며, 연신율은 강도와 상반된 경향을 나타내었다.

    Acknowledgement

    This research was supported by Research Funds of Mokpo National University in 2016.

    Figure

    MRSK-28-113_F1.gif

    The variation of shear and equivalent strain in thickness direction of sample deformed by the conventional rolling.

    MRSK-28-113_F2.gif

    Optical microstructures observed at TD plane in thickness direction of the samples annealed for 0.5h at various temperatures from 200 to 900 °C after the conventional rolling.

    MRSK-28-113_F3.gif

    The hardness distribution in thickness direction (a) and the average hardness (b) of the samples annealed at various temperatures after the conventional rolling.

    MRSK-28-113_F4.gif

    Nominal stress-strain curves (a) and the mechanical properties (b) of the samples annealed at various temperatures after the conventional rolling.

    Table

    Reference

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