열처리 조건에 따른 고 Sn 구리주석 합금의 미세조직 및 물성 변화 = Changes in microstructure and physical properties of the copper-tin alloy with a high tin content according to heat treatment conditions

국문 초록 (Abstract)

주석 함량이 높은 Cu-Sn 합금에서는 금속간 화합물이 쉽게 생성되고 연성이 저하된다. 한국에서는 문화적 가치와 다양한 장점을 지닌 Cu-22Sn 합금이 식기 및 생활용품의 소재로 사용되어 왔다. 그러나 Cu-22Sn 합금은 낮은 연성으로 인해 생산성이 낮고 비용이 많이 드는 단점이 있다. 본 연구의 목적은 Cu-22Sn 합금의 연성을 개선하고 단점을 보완하여 양산에 적합한 조건을 찾는 것이다. Cu-Sn 평형상태도에 따르면 Cu-22Sn 합금은 열처리 온도 범위에 따라 여러 상을 가지고 있다. 알파상과 베타 프라임상 또는 알파상과 감마 프라임상 경계에서 생성된 층을 발견하였고, 주석 함량이 높기 때문에 주석 편석 층이라고 명명하였다. 이 주석 편석층의 존재가 연성 저하의 원인이라고 판단하였다. 따라서 열처리 조건의 변화에 ​​따른 미세구조 및 상 변화와 기계적 물성을 명확히 이해하여 주석편석층을 제거하거나 감소시키도록 냉각속도 조건을 변경하였다. 열간 압연된 Cu-22Sn 시편을 절단하고 750 °C에서 10시간 동안 균질화 처리를 진행하였다. 미세구조 및 상변화를 확인하기 위해 OM, SEM, XRD 및 EBSD 분석을 수행하였고 기계적 물성 변화를 확인하기 위해 인장 및 경도 시험을 수행하였다. 또한, 냉각속도의 차이를 주기 위해 한쪽이 기울어진 시편을 준비하였다. 냉각속도를 측정하기 위해 시편에 여러 개의 열전대를 용접하여 시편표면과 중심부의 온도데이터를 수집하였다. 온도 데이터로부터 냉각 속도의 차이를 계산하고 각 부분을 주사형 전자현미경으로 분석하였다. 그 결과 주석 편석층의 변화를 관찰할 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In the Cu-Sn alloy with a high tin content, intermetallic compounds are easily generated and ductility is deteriorated. In Korea, Cu-22Sn alloy, which has cultural values and various advantages, is used as a material for tableware and household items. However, Cu-22Sn alloys are less productive and expensive because of their low ductility. The goal of this study is to find conditions suitable for mass production by improving the ductility of Cu-22Sn alloy and compensating for its shortcomings. According to the phase diagram, Cu-22Sn alloys have several phases depending on the temperature range of heat treatment. We found layers that were produced at the boundary between alpha and beta’ phase or alpha phase and gamma’ phase. Because of its high tin content, it was termed the tin segregation layer. It was judged that the presence of the tin segregation layer was the cause of lowering the ductility. Therefore, the conditions of the cooling rate were changed to remove or reduce the tin segregation layer by clearly understanding the changes in the microstructure and phase and the mechanical properties according to the change of the heat treatment conditions. The hot-rolled Cu-22Sn specimen was cut and homogenized at 750 °C for 10 hours. OM, SEM, XRD, and EBSD analysis were performed to confirm microstructure and phase changes, and tensile and hardness tests were performed to confirm changes in mechanical properties. In addition, in order to make a difference in the cooling rate, a specimen with one side inclined was prepared. To measure the cooling rate, several thermocouples were welded to the specimen, and temperature data of the specimen surface and center were collected. The difference in cooling rate was calculated from the temperature data, and each part was analyzed with a scanning electron microscope. As a result, the change in the tin segregation layer could be observed.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 실험방법 7
• 2-1 냉각 속도 조건 변화 7
• 2-2 강 소성 가공 방법 10
• 2-3 실험 시편 준비 및 열처리 방법 11
• 2-4 미세조직 및 상 분석 방법 12
• 2-5 기계적 특성 분석 방법 13
• 3. 결과 및 고찰 14
• 3-1 온도에 따른 미세조직 및 기계적 특성 변화 14
• 3-2 냉각 속도 차이에 따른 주석 편석 층의 변화 28
• 1) 과냉도(ΔT) 증가로 인한 냉각 속도 변화 28
• 2) 두께 차이로 인한 냉각 속도 변화 30
• 3-3 강 소성 가공에 따른 미세조직 및 기계적 특성 변화 34
• 4. 결론 37
• 5. 참고문헌 39
• ABSTRACT 43