타이타늄 소결체의 미세조직과 기계적 특성

송채빈 전남대학교 대학원 2002 국내석사

타이타늄 압분체를 진공분위기 중에서 소결한 후 성형압, 소결온도, 소결시간에 따른 밀도, 경도, 인장 강도 및 내식성 변화를 검토하였으며, 광학현미경과 주사전자현미경(SEM)을 사용하여 미세 조직과 파단면을 관찰하였다. 타이타늄 소결체의 기계적 성질은 밀도의 증가에 따라 향상되었고, 밀도화는 성협압, 소결 시간, 소결 온도, 소결분위기와 관계가 있었으며, 특히 소결 온도가 가장 큰 영향을 미쳤다. 타이타늄 소결체의 경도는 소결밀도와 밀접한 관계를 보였는데 소결체의 밀도와 경도 사이에는 선형적 비례관계가 성립하는 것으로 나타났다. 특히 경도 특성에는 소결 시간보다는 소결 온도가 더 큰 영향을 주었으며, 1200℃에서 소결한 경우 성협압에 따른 소결밀도 변화는 100㎫의 성형압에서 89%의 소결밀도를, 600㎫의 경우 96%의 소결밀도를 얻을 수 있었다. 따라서 성형압이 100㎫ 이상인 경우에는 성형압이 소결체의 밀도화에 큰 영향을 미치지 않았다. 타이타늄 소결체의 인장강도는 주조품의 강도에 필적하는 것으로 나타났으며, 성형압에 따라 dimple형의 연성파괴 양상과 벽개 파괴의 취성파괴 양상이 동시에 나타났다. 타이타늄 소결체의 내식성 시험 결과 벌크 상태의 타이타늄과 유사한 분극곡선 형태를 보였으며, 표면 기공의 영향으로 부동태 영역의 전류밀도는 높게 나타났다. The effects of compacting pressure, sintering temperature and holding time on sintering behavior of titanium compacts were investigated. Titanium compacts were prepared from elementary powders and the compacts were sintered at 900-1300℃ for 30-240min under vacuum atmosphere. The changes of sintered density, hardness and tensile strength with sintering parameters were evaluated and also examined the microstructures and fractured surface after tensile test with SEM. Mechanical properties of sintered specimens were closely related to the sintered density, which was also determined by compacting pressure, sintering temperature and sintering time. The green compact formed at 100MPa reached to 89% of theoretical density while the green compact formed at 600MPa reached to 96% by sintering at 1200℃ for 30 min, under vacuum. These means that the compacting pressure has not so much effects on sintered density when compacts were prepared at higher compacting pressure to 200MPa. The green compacts formed at lower compacting pressure such as 100MPa, showed very large dimensional shrinkage comparing to other system such as Fe base green compacts possibly because of high Ti vapor pressure under vacuum. Several evidences showed evaporation of Ti compacts occurred extremely during sintering in vacuum atmosphere. Tensile strength of sintered Ti compacts was almost equal to that of cast Ti and showed somewhat brittle fracture behavior possibly due to oxygen pick up from surface oxide layer of particle during sintering. Potentiodynamic polarization test showed that a little differences in corrosion resistance of sintered Ti compacts to bulk Ti in polarization curve. The critical current density of sintered specimen at the passivation region appeared to be higher than bulk Ti specimen for higher surface area of sintered porous Ti compact.

플라즈마 이온 확산 방법과 AIP 방법에 의해 형성된 타이타늄 합금의 TiC 박막층에 대한 연구

정현영 전남대학교 대학원 2007 국내석사

본 연구에서는 플라즈마 이온 확산 방법을 이용하여 Ti계 합금에 이온탄화에 의한 TiC형성하였고 Arc ion plating방법(AIP)을 이용하여 TiC 경질 박막을 각각 코팅하고 표면처리 공정 조건에 따른 각 층의 증착률과 경도의 차이, 내식성, 내마모성, 미세조직을 고찰하였다. 플라즈마 이온 확산 방법의 공정변수는 온도와 시간으로 주어 700℃, 800℃, 880℃및 3hr, 6hr, 18hr동안 탄화공정을 실시하였다. 그리고 AIP의 공정변수는 공정압력을 3mTorr, 5mTorr, 7.5mTorr로 변화 시키면서 실험을 실시하며, 가스분압을 메탄과 알곤으로 3:0 , 2:1 , 1:2 로 변화 시켰다. 플라즈마 이온 탄화 방법에 의해서 TiC 층(TiC 형성층)의 형성됨을 확인하였으며, 공정온도에 따라 각각 생성되어진 박막층의 생성된 TiC 탄화층의 두께는 공정온도가 증가함에 따라 증가 하였으며, 공정온도에 따라 각각 생성되어진 박막층의 우선성장 방위가 다른 특성을 보였으며, TiC상이 800℃에서 가장 넓은 반가폭을 보였다. 탄화층의 표면을 측정한 미세경도는 모재의 조성에 따라 달랐고, 동일 모재의 경우에는 공정온도가 증가함에 따라 미세경도가 증가하였다. 탄화층 단면의 깊이에 따른 경도를 측정 결과 공정온도가 제일 높은 880℃로 처리한 시료의 경우 경도변화가 비교적 완만하여 탄소의 침투깊이가 더 깊은 것으로 판단되었다. 800℃로 처리한 시료는 기지의 표면과의 경도 구배가 크게 나타났다. 내식성시험을 분석한 결과 동일 모재에 대하여 공정온도가 높아짐에 따라 부식전위가 높아졌음을 관찰할 수 있었으며 부동태상도 나타남을 볼 수 있었다. TiC 탄화층의 마모시험을 정성적으로 비교하였을 때 탄화를 했던 시료가 탄화를 하지 않은 시료보다 주사전자현미경과 광학현미경으로 관찰한 마모 트랙 면적의 감소와 낮은 마찰계수를 갖았으며 탄화처리 한 모재 중에 Ti-10Ta- 10Nb 합금의 마찰계수가 순수 Ti 마찰계수보다 낮은 마찰계수를 보였다. AIP방법에 의해 생성된 TiC 코팅층(TiC증착층)은 기판에 수직방향으로 성장된 주상정조직(columnar structure)을 나타냈으며, micro vickers 경도계로 측정한 미세경도는 메탄의 분압비가 100%일 때가 TiC 이론적 경도 3183Hv와 가까운 경도 값을 보였다. SEM관찰에서 박막층의 파단면에서 공정가스분압의 1:2, 2:1, 3:0 순으로 연성을 갖는 형상을 보였다. XRD의 분석에서는 공정가스분압 3:0, 2:1, 1:2 과 같이 메탄의 분압이 낮아질수록 TiC 상의 peak가 줄어들고 Ti의 peak가 상대적으로 증가하였다. Scratch test로 TiC 코팅층의 접착력의 측정한 결과 5mTorr의 공정가스분압 3:0에서 28N의 가장 높은 접착력을 나타내었으며 7.5mTorr의 공정가스분압 2:1에서 10N의 가장 낮은 접착력을 나타내었다. TiC증착층의 부식시험 결과 공정압력 5mTorr의 공정가스분압 2:1일 때 가장 좋은 내식성을 나타내었다. 마모시험을 실시한 결과 TiC가 코팅이 되지 않은 시료보다 TiC 코팅이 된 시료가 평균 내마모성이 좋아졌고 공정압력 5mTorr에서 공정가스분압 3:0에서 내마모성을 가장 좋았다. 마모거리가 증가함에 따라 마모량의 증가가 코팅을 한 시료에서 더욱 낮게 관찰되어졌다. TiC형성층의 두께를 크게 하는 것은 탄소가 기지 안으로 확산해 들어가기 때문에 어렵다. 반면 TiC증착층은 시간에 비례하게 조절할 수 있다. 내마모성과 내식성은 기지의 확산과 TiC형성층의 기지와의 관계에 의해서 이온탄화공정에 의한 것이 좋았다.

타이타늄 합금에 플라즈마 이온 확산 방법으로 형성된 TiCN 박막층의 특성

김강후 전남대학교 대학원 2008 국내석사

본 연구에서는 CP-Ti, Ti-6Al-4V 합금, Ti-10Ta-10Nb 합금에 C와 N을 포함하는 플라즈마를 반응시켜 탄질화층(TiCN) 박막 증착을 하였다. 공정 변수로는 탄질화 공정온도는 750℃, 800℃, 850℃로 하였으며 공정압력 1.0Torr, 알곤 : 질소 : 메탄가스 유량비를 6 : 13 : 1, pulse power 2.3Kw로 고정시키고 실험을 실시하여 탄질화를 하였으며, 탄질화공정 온도변수가 탄질화층의 특성에 미치는 영향에 관한 연구. To improve the wear resistance of titanium alloys, many scientists have been focusing on the surface treatment studies. One of the surface treatment methods is the penetration of nitrogen and carbon into titanium alloys to form intermetallic film on it using plasma ion diffusion processing, but it is not generally used method yet. The advantage of plasma ion diffusion processing is that it can overcome the impediment of the carbon and nitride infiltration through the ion etching of titanium oxide film, and then the surface of host material is carbonitrided. In this study, three treatment temperatures as 750, 800, and 850 ℃ were main experimental variables and then the specimens were subjected to analyse the microstructure and mechanical properties of carbonitrided titanium alloys. The plasma ion diffusion processing time was 1,080 min and the gas mixture of 93% N₂and 7% CH₄was used. The gas mixture ratio was confirmed at preliminary study. The characteristics of carbonitrided layer had been investigated using SEM micrograph, X-ray diffraction, EDS chemical analysis, microhardness measurements and wear test. At the result of SEM micrograph, the thickness of the carbonitrided layer was continuously increased as the treatment temperature increase. TiCN, Ti₂N and Ti phases were detected by X-ray diffraction and TiCN layers has preferred orientation of (200) which was become clearer with increased treatment temperature. The measured surface hardness values of the TiCN layer show a maximum of 1764HV_(0.02)in the case of the CP-Ti sample treated at 85 0℃. The microhardness was increased with layer thickness of TiCN+Ti₂N in the same matrix and the highest microhardness was obserued at the specimen which was treated at 850℃. The result of depth measurement on wear track after the pin-on-disc wear test showed that the wear resistance was increased dramatically by plasma ion diffusion carbonitriding treatment, and the highest wear resistance was resulted a specimen which was treated at 850℃. TiCN films formed at surface of all specimens by plasma ion diffusion of C and N. However the measured hardness value and wear resistance of alloys was different. Those properties straggly depend on the thickness of TiCN layer and also diffused later which was formed at beneath of TiCN layer. Thicker TiCN and thicker diffused layer resulted in higher hardness and wear resistance. Wearing was occurred by microploughing. The specimen which has higher hardness showed higher wear resistance because of restricted microploughing.

Cu에 대한 Sn-Bi계 땜납의 젖음성,계면반응 및 접합부의 기계적 성질

오주석 전남대학교 대학원 2000 국내석사

Sn-Bi계 땜납에 2%Cu, 0.5%Zn을 각각 첨가하여 합금을 제조한 후 Cu판과 직접적인 납땜을 통하여 첨가원소에 따른 젖음성, 계면반응 및 접합부의 기계적 특성에 관하여 연구하였다. Cu판에 대한 땜납의 젖음성은 퍼짐면적 측정법(Area of spread test)을 이용하였으며, 땜납/Cu의 접합부를 형성시킨 후 80℃에서 시효처리 하여 이에 따른 미세조직 및 반응생성물의 변화를 조사하였다. 접합부의 기계적 성질은 80℃에서 시효처리 한 시편을 전단 강도시험, 열 크리프 시험과 열피로 시험을 행하여 그 특성을 평가하였다. Cu판에 대한 땜납의 젖음성 측정결과 R형 용제를 사용한 경우에는 땜납이 용해되면서 액상의 표면장력을 줄이기 위해 구형을 형성한 다음 기판과 땜납이 반응하면서 퍼짐단계가 진행되었고, RMA형 용제를 사용한 경우에는 땜납이 용해된 후 곧바로 퍼짐단계가 진행되었다. 첨가원소에 따른 젖음성은 2%Cu와 0.5%Zn이 첨가됨으로써 각각 10%와 20%가 저하되었다. Sn을 도금한 Cu판에 대한 젖음성은 시효에 의해 형성된 산화물과 반응생성물의 증가에 따라 감소하였으며, 용제의 Sn산화물 제거능력은 R형 용제의 경우 거의 없었으나 RMA형용제는 R형 용제에 비해 우수한 결과를 나타냈다. 땜납의 미세조직은 시효시간이 증가함에 따라 조대화 되었으나, Cu와 Zn을 첨가한 경우에는 조대화가 억제되었다. SEM/EDS분석 결과 땜납/Cu의 계면에는 Cu_6Sn_5상과 Cu₃Sn상이 형성되었으며 시효에 따라 접합부의 계면반응층은 포물선 성장을 하여 확산제어 양상을 나타냈다. Sn-Bi계 땜납에 Zn을 첨가한 경우에는 계면에 Cu_5Zn_8상이 형성되었으며 이 반응층은 시효 시간이 증가하여도 성장이 억제되었다. Cu와 땜납 접합부의 전단 시험 결과 시효처리에 의해 강도가 전반적으로 감소하였으며, Zn을 첨가한 경우에는 시효처리에 의해서도 큰 변화가 없었다. 파단면 관찰결과 시효에 따른 파괴의 진행은 땜납내부 → 땜납과 금속간 화합물의 계면 → 금속간 화합물과 Cu의 계면으로 전이함을 알 수 있었다. 접합부의 크리프 시험 결과 시효에 의해 크리프 수명이 전반적으로 증가하였으며, Cu를 첨가한 시편의 경우가 가장 우수하였고, 파단면 관찰결과 파괴는 전단 시험과 거의 동일한 파괴경로로 진행하였다. 접합부의 열 피로 시험 결과 Cu와 Zn이 첨가됨으로써 열 피로 특성이 개선되었다. This study examined the effects of adding 2%Cu, 0.5%Zn to Sn-Bi base solder on the wettability, interfacial reaction and mechanical properties of the solder joint with Cu substrate. The wettability was evaluated by area of spread test, and solder/Cu joints were examined with microscope to observe the characteristics of interfacial reaction layer with aging treatment for up to 60 days at 80℃. The mechanical properties of solder/Cu joints were examined by shear strength test, and also creep test and thermal fatigue test were performed with aging treatment for up to 60 days at 80℃. Results of the wettability test on Cu substrate showed that solder spreaded as soon as melted under RMA-flux, however short incubation time needed before spreading under R-flux. Adding 2%Cu and 0.5%Zn resulted in reduced wettability at amount of 10% and 20% respectively. Pre-tinning on Cu-plate increases wettability dramatically, but aging treatment at air reduces the wettability with aging time because of Sn oxide formation at aging treatment. It is concluded that the wettability is closely related to the removability of Cu oxide and Sn oxide by flux. Both fluxes(R and RMA flux) have enough chemical activity to remove Cu oxide easily, but R-flux has negligible removability for Sn-oxide and RMA-flux has a little removability for Sn-oxide. That is the reason of better wettability under RMA flux than R flux used. The microstructures were coarsened with aging treatment, while adding Cu and Zn suppresses coarsening microstructures. The thickness of interfacial reaction layers were exhibited a parabolic growth mode to aging time. It is turned out that interfacial reaction layers were consisted of Cu-Sn compounds; Cu_6Sn_5 and Cu₃Sn. But Cu_5Zn_8 phase was formed at solder/Cu interface only at the specimen containing Zn, and showed lower growth rate of the reaction layer with aging treatment comparing to the other specimens. The shear strength of joints were decreased with aging treatment, however Zn added specimen showed negligible changes. Crack path under shear test was through the solder, but the crack path were changed from through the solder to through the interface between solder and reaction layer, and finally to the interface between reaction layer and Cu substrate with aging treatment. Similar crack path change mode were observed at the creep test of solder/Cu joint with aging treatment. All specimens showed increased rupture time with aging treatment and Cu added specimen showed the lower creep rate than Zn added. The resistance to thermal fatigue was increased by adding Cu and Zn.

TiN 및 TiAlN이 코팅된 SKD61강의 아연 반응성

양현삼 전남대학교 대학원 2012 국내박사

용융아연도금 공정에서 강판의 아연도금 부착량을 제어하는 에어나이프의 소재로 사용되는 SKD61강에 아크이온플레이팅법(AIP)을 이용하여 TiN층 및 TiAlN층을 코팅하고 이에 따른 아연증기 및 용융아연과의 반응기구 및 아연반응성에 미치는 영향에 대해 고찰하였다. SKD61강은 진공 중에서 ?칭(1,040℃) 및 템퍼링(560℃, 2회)을 실시하였고, AIP법을 이용하여 TiN층 및 TiAlN층을 코팅 한 후 SEM/EDS를 통해 코팅막을 분석하였으며, 아연 증기 및 용융 아연 반응실험을 실시하였다. 460℃에서 아연증기반응 실험결과 코팅하지 않은 SKD61강은 침식이 발생하였으며, 철 등과 산화물을 형성하였으나, TiN층 및 TiAlN층이 코팅된 SKD61강은 산화가 발생되지 않았다. 530℃에서는 TiN층의 경우 1일 유지시에 TiO2층이, TiAlN층의 경우 15일 유지한 시료에서 Al2O3층이 나타났으며, 이 층은 SKD61강 기지와 대기중의 산소 및 아연 증기와의 접촉을 차단하여 반응을 억제시킨 것으로 판단된다. 코팅층에 따른 SKD61강의 용융아연 반응실험 결과, 460℃에서는 코팅하지 않은 SKD61강에는 아연이 용착되었으며, 기지의 철, 크롬 등이 용착된 아연층 내부로 확산되어 Fe-Zn 등 금속간화합물이 형성되었으나 TiN 및 TiAlN이 코팅된 경우에는 코팅층이 용융아연과 화합물 형성을 억제하여 아연용착이 나타나지 않았다. 530℃에서 용융아연반응시험 결과 TiN이 코팅된 시편의 경우 15일에서 반응층이 나타났으며, TiAlN층이 코팅된 시료는 중간층이 TiAl인 경우에는 15일에서, TiN인 경우에는 유지시간 30일에서 코팅층에 균열이 발생하였고 반응층이 나타났다. 상기의 결과에서 아연반응기구는 SKD 61강에 TiN 및 TiAlN을 코팅 한 시료의 경우 고온에서 산화에 의해 코팅막 표면의 결함부에서 균열이 발생되고, 이 균열을 통해 기지의 철이 확산하여 산화아연막을 깨뜨리고 코팅막 내부로 용융아연이 침투하며 기지와 반응하여 화합물을 형성하는 것으로 고찰되었다. 코팅에 따른 SKD61강과 아연과의 반응성은 TiN층 및 TiAlN층을 증착함으로써 아연 증기 및 용융아연과의 반응을 억제할 수 있었으며, 특히 TiAlN층을 코팅한 경우 현저하게 아연반응성을 억제할 수 있었다. 따라서 강판에 용융아연 도금시 도금두께 제어를 위한 에어나이프의 수명개선 및 생산성 향상을 위해서는 TiAlN층을 코팅하는 방법과 함께 표면결함이 없는 박막을 형성하는 것이 매우 중요한 요인으로 판단되었다.

합금원소와 열간압연 조건의 최적화를 통한 라인파이프용 강재의 특성 향상

민경준 전남대학교 대학원 2011 국내박사

본 연구에서는 합금원소와 슬래브 가열온도, 압하량 및 냉각 속도 같은 열간압연 조건이 라인파이프용 강재의 강도와 인성에 미치는 영향을 연구하였다. 특히 Nb, Ti, Mo 및 V 등이 석출, 오스테나이트 재결정 및 오스테나이트-페라이트 상변태에 미치는 영향을 고찰하였다. 라인파이프용 강재로서 많이 사용되는 Ti-Nb 복합 첨가 강에서, 석출과 미세조직의 제어는 강도와 인성을 동시에 확보하기 위한 중요한 인자이다. 특히 Nb,Ti 탄질화물의 석출은 저온 인성뿐만 아니라 강도에 크게 영향을 미치는 것으로 알려져 있지만, 각 합금원소 및 열간압연 조건이 탄질화물의 석출과 기계적 성질에 미치는 영향은 잘 알려져 있지 않다. 본 연구의 목적은 라인파이프용으로 사용되는 고강도 고인성 HSLA (High Strength Low Alloy) 강재의 기계적 물성에 미치는 합금원소 및 열간압연 조건의 영향을 정량적으로 분석하는데 중점을 두었고 특히 실험실에서 실시하는 모사압연과 실제 상업생산 시 적용되는 열간압연의 차이를 최소화 하기 위해 제강 공장에서 생산된 슬래브에 실험실에서 진공용해한 인곳트를 삽입하여 열간압연하는 EIR(Embedded Ingot Rolling) 공법을 고안하여 합금원소가 강도 및 충격인성에 미치는 영향을 정량적으로 평가하였다. EIR 결과로부터 Mo 첨가량이 증가함에 따라 침상형 페라이트 기지에 형성되는 MA(Martensite-Austenite) 분율이 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 이러한 MA분율의 증가에 따라 강도는 증가하지만 충격인성은 낮아진다는 것을 알게 되었다. Mo 첨가하면20 nm이하의 미세 석출물 형성을 조장하여 항복강도를 증가시키지만 다른 원소에 비해 비싸기 때문에 경제성이 떨어지므로500 MPa 초과하는 항복강도와200 J/cm2까지의 충격인성을 만족하면서 제조원가를 절감할 수 있는 최적의 조성을 찾아내었다. 열간압연 최적화를 통해 미세한 침상형 페라이트와 granular 베이나이트 그리고 소량의 제2상으로 이루어진 미세조직을 얻었으며, 이를 통해 높은 충격흡수 에너지와 낮은 연성-취성 천이온도를 가지며 API 규격에서 요구하는 강도를 갖는 강재를 개발하였다. 열간압연 시 형성된 집합조직에 의해 강재의 강도와 저온인성은 압연방향에 따라 다른 값을 갖게 되는 이방성을 나타내게 된다. 이러한 이방성은 열간압연 중 가열온도와 압연온도에 따라 변하는 집합조직에 의해 영향을 받게 된다. 특히 압연 방향에 대하여 대각선(30~45도) 방향의 충격흡수에너지가 가장 낮은 값을 보이며, 이는 압연 중 형성된 {001} 벽개파면이 대각선 방향에 가장 많이 분포하기 때문인 것으로 추정되었다.

Fe-30at.%Al계 합금의 고온산화와 열간가공 특성에 대한 Cr, Hf 및 Zr의 첨가효과

윤계림 전남대학교 대학원 2001 국내석사

Fe-30at.%Al계 합금에 5at.%Cr, 0.3at.%Hf 및 0.2at.%Zr을 첨가하여 합금을 제조하고, 균질화와 안정화 열처리를 한 후 첨가원소에 따른 미세조직의 변화, 고온산화 및 열간가공 특성에 관하여 연구하였다. 고온산화 시험은 800℃, 1000℃에서 산화시간의 경과에 따라 형성된 산화피막의 형상과 성분을 분석하여 첨가원소의 효과를 관찰하고, 열간 가공성은 800∼1000℃에서 열간압연을 한 후 인장시험을 통하여 연신률의 개선 효과를 비교 검토하였다. Fe-30at.%Al-5at.%Cr에 0.3at.%Hf 또는 0.2at.%Zr을 첨가하면 미세조직이 조대한 등축정에서 의사 등축정 또는 주상정 형태로 바뀌었고, 입내 또는 입계에 화합물이 석출되었다. 고온 산화 실험 결과 Fe-30at.%Al에 5at.%Cr이 첨가된 합금의 경우 산화되는 동안에 형성된 산화물이 쉽게 박리되었으나, Fe-30at.%Al-5at.%Cr에 0.3at.%Hf이나 0.2at.%Zr이 첨가된 합금들의 산화피막은 산화에 대한 보호피막으로 작용하여 산화의 진행을 효과적으로 억제하였다. Hf이 첨가된 경우에는 표면의 형상이 평활한 산화물로 형성되었고, Zr이 첨가된 경우에는 표면의 형상이 휘스커 (whisker)인 산화물로 형성되었으며, 두 경우 모두 산화피막의 파괴는 발생하지 않았다. 산화물 층을 XRD와 EDX로 분석한 결과 산화피막은 α-Al₂O₃로 구성되어 있으며, 표면이 휘스커(whisker)형상인 경우에는 θ- Al₂O₃상의 존재가 확인되었고, 알루미나 산화층과 소재간의 사이에 Fe₂O₃가 형성되어 있었다. 800∼850℃의 온도범위에서 압하율 30%까지 열간압연 한 후 미세조직을 관찰한 결과, Fe-30at.%Al 합금과 Fe-30at.%Al-5at.%Cr 합금의 입계에서 균열이 발생하였으나, Fe-30at.%Al-5at.%Cr에 0.3at.%Hf 또는 0.2at.%Zr을 첨가한 경우에는 입계에 균열이 발생하지 않았다. 1000∼1020℃에서 열간압연한 경우에 모든 시료에서 균열이 발생하지 않았으며, 압하율 50%까지 압연이 가능하였다. 압연전과 비교하여 전반적으로 인장강도는 낮아지고 연신율이 향상되었다. 특히 압연에 의해서 연신율이 가장 크게 증가되었던 Fe-30at.%Al-5at.%Cr-0.3at.%Hf 합금의 경우에 연신율이 약 1.4%에서 약 4.5%로 증가하였다. 열간압연 후 인장 파단면을 관찰한 결과, Fe-30at.%Al-5at.%Cr 합금은 river pattern이 다수 존재하는 전형적인 벽개파괴을 보였고, Fe-30at.%Al-5at.%Cr에 0.3at.%Hf이나 0.2at.%Zr이 첨가된 경우에는 입내파괴와 입계파괴가 혼합된 양상을 보였다. This study examined the effects of adding 5at.%Cr, 0.3at.%Hf and 0.2at.%Zr to Fe-30at.%Al alloy on a variation of microstructure, high temperature oxidation behavior and hot workability. Oxidation behavior at high temperature was evaluated through observing surface morphology changes, tendency of cracking and finally loosing of protective oxide barrier, and the changes of chemical compositions of oxide layers with holding time at 800℃ or 1000℃ under dried air atmosphere. The effect of hot rolling on mechanical properties was estimated by measuring the elongation under tensile test after rolling at 800℃ and 1000℃ respectively. Microstructures of Fe-30at.%Al-5at.%Cr alloy were consisted of large equiaxed grains and it was changed to quasi-equiaxed or columnar structures by adding O.3at.%Hf or O.2at.%Zr to Fe-30at.%Al-5at.%Cr alloy. As a results of isothermal oxidation test at 800℃ and 1000℃, it was found that appreciable thickness of oxide layers formed on Fe-30at.%Al and Fe-30at.%Al-5at.%Cr alloys, and the layers spalled out easily because of stored internal stresses which were accumulated during oxide formation. However adding 0.3at.%Hf or 0.2at.%Zr to Fe-30at.%Al-5at.%Cr changed the easy cracking oxide layers to stable and it remained as a protective barrier to further oxidation. The oxide layers formed at the alloy added 0.3at.%Hf to Fe-30at.%Al-5at.%Cr has a flat surface morphology while the alloy containing 0.2at.%Zr showed a whisker shape surface morphology even both oxide layers were protective to further oxidation. According to the XRD and EDX results, it was analyzed that the oxide layers consisted of α-Al₂O₃ when it was formed with smooth surface, and a trace of θ-Al₂O₃ was detected when whisker shape surface was formed, and Fe₂O₃ existed only at the beneath Al₂O₃ layers. Hot rolling up to 30% reduction at 800~850℃ resulted in intergranular cracking at Fe-30at.%Al and Fe-30at.%Al-5at.%Cr alloys, but alloys containing 0.3at.%Hf or 0.2at.% Zr alloys deformed without any cracking. When the rolling temperature raised to 1000~1020℃, all specimens easily deformed up to 50% reduction by rolling without any cracking. Every specimens showed a decreased tensile strength after hot rolling comparing to that of before rolling. The elongation was increased by hot rolling. Remarkable changes in elongation by hot rolliong was observed such as from 1.4% to 4.5% elongation at the specimen of 0.3at.%Hf or 0.2at.%Zr added to Fe-30at.%Al -5at.%Cr. Fe-30at.%Al-5at.%Cr alloy showed typical cleavage fracture at tensile failure and hot rolling has negligible effects on fracture mode at this alloy. However at the alloys containing Hf or Zr fracture mode was changed by hot rolling from intergranular to mixed intergranular and transgranular fracture mode.

AIP법으로 증착된 (TiAl)N의 중간층에 따른 특성연구

류영주 전남대학교 대학원 2010 국내석사

본 연구에서는 AIP를 이용하여 WC-5wt.%Co 합금에 (TiAl)N 경질피막 코팅을 실시하여 중간층에 따른 코팅층의 우선방위, 경도변화, 고온내산화, 접착강도, 성장속도 등을 연구하였다. (TiAl)N 증착은 중간층의 종류에 따라 미세조직과 성장속도가 달랐으며, (TiAl)N 단일층과 TiAl 중간층으로 한 박막의 미세조직은 시편에서는 기판에 수직으로 성장한 주상정 조직(columnar structure)이였고, 시간당 3.6㎛정도 성장속도를 보였다. TiN과 CrN을 중간층으로 한 경우의 미세조직은 주상정 특성이 관찰되지 않았고, 성장속도는 시간당 1.8㎛의 성장속도를 보였다. XRD분석에서 증착된 (TiAl)N 코팅층의 우선방위는 (111), (110)임을 확인하였고, TiAl을 중간층으로 한 박막일 경우 (200)이 다른 시편에 비해 상대적으로 높았으며 TiN과 CrN을 중간층으로 한 박막의 경우는 다른 시편에 비해 (220)이 두들어지게 나타난 것을 보였다. 이런 차이로 인하여 중간층에 따라 미세조직이 달라지고 성장속도도 달라졌다고 사료된다. TiN과 CrN을 중간층으로 한 경우에는 (TiAl)N의 성장속도가 1.8㎛/h 였으며, 그 위에 TiAl 중간층을 형성하면 (TiAl)N의 성장속도가 3.6㎛/h 속도로 관찰하였다. 따라서, (TiAl)N층의 성장속도는 중간층의 격자상수와 밀접한 관계가 있을 것으로 판단되었으나, 구체적인 관계는 규명하지 못하였다. (TiAl)N층의 미세경도는 2600Hv~2800Hv정도로 중간층에 따라 크게 차이는 없었으며 모두 비슷비슷한 경도값을 나타내었다. Scratch test에 의한 코팅층의 밀착력은 중간층에 따라 크게 달랐으며, 30분간 코팅한 후 측정한 결과 (TiAl)N 단일층, (TiAl)N/TiAl, (TiAl)N/TiN, (TiAl)N/CrN은 각각 약 77N, 20N, 130N, 93N이었으며, 1시간 코팅한 (TiAl)N/TiN (60분), (TiAl)N/CrN (60분)은 각각 90.5N, 82.5N으로 나왔다. 이와같이 중간층에 따른 접착력 변화는 중간층과 코팅층의 정합성과 밀접한 관계가 있어 보인다. 중간층에 따른 (TiAl)N 코팅층의 500℃, 700℃, 900℃의 온도별로 고온내산화실험을 실시한 결과 500℃, 700℃의 경우 산화가 거의 없었으나, 900℃의 경우에는 30분간 증착한 (TiAl)N층이 모두 TiO2, Al2O3로 산화 되었지만, 60분간 증착하여 박막의 두께를 두껍게한 (TiAl)N/TiN과 (TiAl)N/CrN 박막의 경우에는 모재 바로 위의 박막층이 유지되어 900℃에서도 시편의 산화를 방지할 수 있다고 사료된다. 또한, 500℃, 700℃에서 산화시킨 시료의 접착강도는 점차 낮아졌지만, 경도는 2700Hv정도로 측정되어 거의 유지하는 것을 볼 수 있었고 CrN 중간층의 시편만이 경도값이 약 2300Hv로 떨어지는 것을 볼 수 있었다. (TiAl)N 증착시 중간층에 따라 기계적 특성 및 내산화성이 크게 차이가 나타났으며 (TiAl)N 단일층 및 TiAl, TiN, CrN 중간층의 시편 중에서 TiN과 CrN 중간층 시편이 접착력 및 내산화성이 상대적으로 우수하였다.

Sn-3.5Ag-1Zn 솔더/Cu 접합부의 계면반응 및 기계적 특성에 관한 연구

백대화 전남대학교 대학원 2001 국내박사

무연솔더(Pb-free solder)인 Sn-3.5Ag합금과 Sn-3.5Ag-1Zn합금의 시효에 따른 미세조직 변화, Cu기판과의 계면반응현상 및 접합부의 기계적 특성 변화를 기존에 전자산업분야에서 널리 사용중인 Sn-40Pb 합금의 경우와 비교 고찰하였다. 시효처리는 100℃, 150℃에서 120일까지 유지하여 실시하였다. 전단강도, 크리프 및 열피로 시험을 통하여 솔더와 Cu접합부의 기계적 특성을 분석하였으며, 크리프 시험의 경우에는 크리프 거동에 대한 진동의 영향도 검토하였다. 기계적 시험을 위한 시험편은 수정된 이중 겹치기 이음 (modified double lap joint)으로 제작하여 기존 사용중인 단순 겹치기 이음(single lap joint)으로 제작된 전단 시험편의 문제점을 보완하여 제조하였다. 솔더와 Cu기판 사이의 모든 접합부에는 계면반응으로 인하여 금속간 화합물층이 형성되었으며, 이 계면반응층은 시효에 따라 성장하였다. 솔더와 Cu사이의 계면에서 계면반응을 위한 거시적인 활성화 에너지는 Sn-40Pb합금의 경우 93kJ/mol, Sn-3.5Ag합금의 경우 94kJ/mol, Sn-3.5Ag-1Zn의 경우 308kJ/mol로 나타났다. Sn-3.5Ag합금에 Zn를 1wt.%첨가함으로써 활성화 에너지가 크게 증가하였으며, 솔더와 Cu의 계면에 형성되는 금속간화합물의 성장이 현저히 억제되었다. 시효처리로 인하여 Sn-Ag계 솔더 자체의 인장강도는 감소하며, 연신율을 증가하였다. 변화된 경향은 합금에 따라 다르게 관찰되었으며, Sn-3.5Ag 합금이 Sn-3.5Ag-1Zn 합금에 비해 시효에 따른 인장특성이 더 민감하게 변화하였다. 반면에 Sn-40Pb 합금의 경우에는 시효에 의해 인장강도와 연신율 모두 감소하였다. 따라서 Sn-40Pb합금은 열에 대한 취약하다는 결론을 얻었다. 수정된 이중겹치기 이음 시료를 이용한 전단강도 실험과정에서 시효처리로 인하여 균열 전파경로가 변화되었으며, 솔더자체의 전단강도도 감소하였고, 또한 솔더와 Cu기판 접합부의 전단강도도 약화되었다. Sn-40Pb/Cu 접합부의 경우 150℃에서 시효함으로써 전단시험 중 균열의 전파경로가 솔더내부를 통한 균열의 진행에서 금속간 화합물인 계면반응층을 통한 균열의 진행으로 변화하였으며, 그 결과 전단강도가 크게 감소하였다. 한편 Sn-3.5Ag/Cu 및 Sn-3.5Ag-1Zn/Cu 접합부는 Sn-40Pb/Cu 접합부에 비해 시효에 덜 민감하였으며, 시효처리에 관계없이 전단파괴에서 균열이 솔더를 통하여 진행하였다. 시효에 따른 Sn-3.5Ag-1Zn/Cu 접합부의 전단강도의 변화는 비교적 적었으며, 시효처리에 대한 가장 좋은 저항성을 갖는 것으로 평가되었으며, 이는 계면에 Cu-Zn-Sn화합물이 생성되어 계면반응을 효과적으로 억제하여 계면반응 생성물의 과도한 생성을 억제하였기 때문이다. 수정된 이중겹치기이음 시료를 이용한 크리프시험 결과, Sn-3.5Ag/Cu 접합부와 Sn-3.5Ag-1Zn/Cu 접합부는 응력 지수 및 활성화 에너지가 유사하여, 크리프 변형기구가 같은 것으로 판단되었다. 정상상태에서의 변형속도는 Sn-3.5Ag-1Zn가 Sn-3.5Ag보다 더 적어 좋은 크리프특성을 나타낼 것으로 기대되었으나, 파단되기 전까지의 변형률이 Sn-3.5Ag 경우가 훨씬 커서 (Sn-3.5Ag: γ =1.0∼1.2, Sn-3.5Ag-1Zn:γ=0.2) 파단까지의 크리프 수명은 Sn-3.5Ag가 더 좋은 것으로 나타내었다. 시효처리는 솔더/Cu접합부의 크리프거동에도 영향을 주었다. Sn-3.5Ag합금은 시효 처리하기 전에는 Sn-3.5Ag-1Zn보다 좋은 크리프 특성을 나타내었으나, 시효함으로 인하여 Sn-3.5Ag-1Zn의 경우가 더 좋은 특성을 나타내었다. 이것은 시효처리에 따른 Sn-3.5Ag-1Zn/Cu의 계면반응층 성장이 다른 솔더에 비해 가장 적고 응력지수가 변화하지 않기 때문으로 판단되었다. 따라서 Sn-3.5Ag-1Zn 합금이 고온에서 장시간 사용되는 접합부에는 다른 합금 보다 더 적합할 것으로 보인다. 실장 상황에 좀더 가까운 조건에서 솔더의 신뢰성을 평가하기 위해 진동상태에서 크리프 시험을 하였다. 전반적으로 크리프시험 중에 가해진 진동은 크리프 수명을 현저하게 감소시켰다. 특히 Sn-3.5Ag-1Zn의 경우 Sn-3.5Ag보다 파단수명의 감소비율이 컸다. 그럼에도 불구하고 시효처리 후 진동상태에서 크리프 수명은 Sn-3.5Ag-1Zn가 Sn-3.5Ag보다 우수하였다. 파단면 사진으로부터 솔더의 파단은 많은 에너지 소모를 동반하며, 천천히 찢어지면서 일어남을 알 수 있었다. 전단이나 크리프 시험에서 파괴되는 과정은 우선 시료가 하중을 받으면, 솔더/Cu계면에 가까운 솔더에서 솔더/Cu계면에 평행인 방향으로 소성변형 한다. 그 후에 균열이 접합부의 가장자리 끝 모서리의 표면에서 시작한다. 계속적인 변형으로 인하여 미세한 기공이 균열의 앞부분에 생성되었으며, 균열의 전파는 솔더와 Cu의 계면에 평행한 방향으로 생성된 기공을 따라 진행하였다. 합금에 따라 시효처리 과정에서 Cu_6Sn_5 금속간 화합물이 돌출된 형태로 성장하였으며, 이러한 돌출물은 계면반응층으로부터 솔더쪽으로 성장되었다. 이러한 금속간 화합물은 소성변형성이 좋지 못하여 솔더가 소성변형 될 때 함께 변형되지 못하고 파단되었으며, 이러한 부위로 균열이 전파되었다. 시효처리에 따라 Sn-3.5Ag/Cu계면에서는 돌출된 Cu_6Sn_5금속간 화합물이 생성되지만, Sn-3.5Ag-Zn/Cu계면에서는 생성되지 않았다. 솔더와 Cu접합부의 열피로시험 결과 Sn-3.5Ag-1Zn의 열피로 특성이 가장 우수하였으며, Sn-3.5Ag와 Sn-40Pb는 비슷한 경향을 나타내었다. 전반적으로 열피로 시험에서 균열의 전파는 계면층에 가까운 솔더 또는 계면층 내부에서 진행하였다. Effects of aging of lead free solder, Sn-3.5Ag and Sn-3.5Ag-1Zn alloys, on microstructure changes, behavior of interface reaction and mechanical characteristics of solder joint were studied, and compared to those of Sn-40Pb alloy which is widely used currently in electronics industry. Aging treatments were performed at 100°C and 150°C for up to 120days. The shear strength, creep and thermal fatigue test were performed to evaluate the mechanical properties of solder/Cu joint. In the creep test, the effect of vibration on creep behavior was also discussed. Modified double lap joint specimen was used for the all mechanical test of joints which was compensating the draw backs of existing single lap joint shear specimen. Intermetallic compound layers were formed at the every interface of solder and Cu by interfacial reaction, and the interfacial reaction layers were grown with aging. The activation energy for the interfacial reaction at the interface of Cu and Sn-40Pb solder was estimated as 93kJ/mol, with Sn-3.5Ag was 94kJ/mol, and with Sn-3.5Ag12n was 308kJ/mol. Adding 1Zn to Sn-3.5Ag alloy remarkably reduced the growth rate of intermetallic compound layer at the interface of solder and Cu. Aging treatment changed more or less the tensile properties of the solder itself. In short, Sn-Ag base alloy showed decrease in tensile strength and increase in elongation with prolonged aging time. Sn-3.5Ag alloy showed more sensitive changes in tensile properties than Sn-3.5Ag-1Zn alloy by aging. On the other hand, Sn-40Pb alloy showed decreasing tendances in both tensile strength and elongation by aging. Hence, it was concluded that Sn-40Pb alloy was vulnerable to heat. Aging treatment also deteriorated the shear strength of solder/Cu joint by changing the crack propagating path or weakening shear strength of solder. For example the propagating path of crack at shear fracture of Sn-40Pb/Cu joint was changed by aging at 150°C from through solder to through interface layer of intermetallic compound, and resulted in badly deteriorated shear strength. The shear strength and strain to fracture of joint of Sn-3.5Ag/ Cu and Sn-3.5Ag-lZn/Cu showed so less sensitive to aging than that of Sn-40Pb/Cu joint that the path of crack propagation remained in solder during shear fracture. The joint of Sn-3.5Ag-1Zn/Cu had the best resistivity to aging owing to formation of Cu-Zn-Sn compound layer at the interface which reduced the interface reaction effectively. As a result of creep test of modified double lap solder/Cu joint, it was concluded that Sn-3.5Ag and Sn-3.5Ag-1Zn had the same creep deformation mechanism since the values of stress exponent and activation energy of Sn-3.5Ag were close to those of Sn-3.5Ag-1Zn. Even though Sn-3.5Ag-1Zn had less strain rate than Sn-3.5Ag at the stage of steady state creep, the value of shear strain to fracture of Sn-3.5Ag was significantly larger than that of Sn-3.5Ag-lZn, and it is regarded that Sn-3.5Ag alloy had better creep property in a viewpoint of the life time of rupture(Sn-3.5Ag: γ=1.0~1.2, Sn-3.5Ag-1Zn: γ=0.l). Aging treatment affected also creep behavior of solder/Cu joint. Sn-3.5Ag alloy showed better creep property than Sn-3.5Ag-1Zn before aging treatment, however it was reversed by aging. That is, after aging treatment Sn-3.5Ag-1Zn showed better creep property than Sn-3.5Ag because of its lowest growth rate of intermetallic compound at interface and negligible changes in values of stress exponent. So that it is concluded that Sn-3.5Ag-1Zn alloy was most suitable solder for use of long time exposure to high temperature. Creep test under vibration was conducted to evaluate the reliability of solder at the close condition of practical situation. Overall, the vibration during creep test reduced the creep life dramatically, especially Sn-3.5Ag-1Zn showed larger decreasing ratio of rupture time than Sn-3.5Ag. Nevertheless after aging treatment Sn-3.5Ag-1Zn showed better creep properties than Sn-3.5Ag at the creep test under vibration. The fractographies indicated that fracture occurred by a slow tearing of the solder with the expenditure of considerable energy. The first step of fracture was plastic deformation at the solder which was very near and parallel to the solder/Cu interface when the specimens were loaded to fracture at shear and creep test. Cracks were developed at the surface of out most edges of joint. Fine cavities were formed at the front of crack under continuous straining, and the crack propagated by growing to those pores in a direction parallel to the interface of solder and Cu. The projections of Cu_6Sn_5 intermetallic compound which were grown into solder matrix from interface showed negligible plastic deformation while the solder matrix deforming, and then the projections were broken at the way of crack propagation. The projections of Cu_6Sn_5 intermetallic compound were formed at the interface of Sn-3.5Ag and Cu by aging, while the projections were not formed at the interface of Sn-3.5Ag-1Zn and Cu The results of thermal fatigue test of solder/Cu joints showed that Sn-3.5Ag-1Zn alloy showed the best resistance to thermal fatigue, while Sn-3.5Ag and Sn-40Pb alloys showed similar trends. Generally crack was propagated through the solder near to the reaction layer or through the reaction layer at the thermal fatigue test.

Al-Zn-Si 도금된 갈바륨 강선의 신선에 관한 연구

장상수 전남대학교 산업대학원 2013 국내석사

용융아연도금 강선은 내식성, 균일한 도금두께, 도금층의 밀착성, 도장성, 성형성 등이 우수하여 수요가 증가하고 있을 뿐 아니라 산업의 발달에 따라 고품질 고내식성 제품을 요구하고 있는 추세이다. 본 연구에서는 Fe 강선에 2원계합금(Al-Zn)과 3원계합금(Al-Zn-Si)을 용융아연도금법으로 각각 도금하여 계면반응층을 분석하고 신선을 통하여 그에 다른 특성을 분석하였다. Fe 강선에 2원계합금(Al-Zn)을 580℃에서 용융아연도금한 경우 표면이 조잡하였고, 620℃에서는 도금 표면이 매끄러우나 계면간 반응층이 나타나지 않아 도금층이 깨지고 후공정 진행시 도금 탈리 문제점이 발생하였다. 이러한 문제점 해결을 위해 강선에 아연도금을 실시한 후 2원계합금(Al-Zn) 도금을 실시한 결과 반응층이 심하게 발생하여 신선시 도금층의 박리가 발생하였다. 2원계합금(Al-Zn)에 Si 첨가량을 달리하여 도금을 실시한 결과 1.6wt.%Si 첨가시 균일한 반응층이 나타났다. 3원계합금(Al-Zn-Si) 도금시 도금온도에 따른 도금층은 600℃에서는 도금층이 부착되지 않았고 630℃에서 도금층 부착과 반응층이 생성되었다. 후공정인 신선 공정에서 1회 감면율이 30%일때 크랙 현상이 발생 되었고, 1회 감면율이 23%로 했을때 크랙 발생이 없고 동일한 도금 두께를 유지 할 수가 있었다. 연속 신선시 신선량이 많을수록 도금 두께 및 반응층이 감소하는 결과를 보였는데 이는 단면 감소율에 기인하는 것으로 판단되었다.