KR20230067250A - Iron-copper alloy having network structure and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 그물망구조를 가지는 철-구리 합금 및 그 제조방법에 관한 것으로, 하나의 실시형태에 따라서 철(Fe)에 적정 함량의 구리(Cu)를 포함하고, 합금 조직 내에 구리(Cu)에 의해 형성된 그물망구조를 포함하여 높은 경도를 가지면서 인장강도 및 열전도성 등이 향상된 고경도의 철-구리 합금 및 그 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to an iron-copper alloy having a network structure and a manufacturing method thereof, according to one embodiment, including copper (Cu) in an appropriate amount in iron (Fe), by copper (Cu) in the alloy structure It relates to a high-hardness iron-copper alloy having improved tensile strength and thermal conductivity while having high hardness including a formed mesh structure and a manufacturing method thereof.
알루미늄 합금은 경량성, 열전도성 및 연성 등이 우수하여 여러 산업 분야에서 다양한 용도로 사용되고 있다. 알루미늄 합금은, 특히 높은 열전도성을 가져 열을 신속히 냉각시킨다. 이에 따라, 알루미늄 합금은 성형품의 변형과 휨을 최소화할 수 있어 사출성형이나 다이캐스팅(die casting)용 금형소재로도 유용하게 사용되고 있다. Aluminum alloys are used for various purposes in various industrial fields due to their excellent light weight, thermal conductivity and ductility. Aluminum alloys have particularly high thermal conductivity and cool rapidly. Accordingly, the aluminum alloy is useful as a mold material for injection molding or die casting because it can minimize deformation and warping of molded products.
예를 들어, 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0046014호 및 대한민국 등록특허공보 제10-1606525호 등에는 다이캐스트용 알루미늄 합금에 관한 기술이 제시되어 있다. 알루미늄 합금은 알루미늄(Al)을 베이스로 하되, 소량의 실리콘(Si), 철(Fe), 망간(Mn) 및 마그네슘(Mg) 등을 포함하고 있으며, 알루미늄-실리콘-마그네슘(Al-Si-Mg)형의 합금이 다이캐스트용 금형소재로 많이 사용되고 있다. For example, Korean Patent Publication No. 10-2015-0046014 and Korean Patent Registration No. 10-1606525 disclose technologies related to aluminum alloys for die casting. Aluminum alloy is based on aluminum (Al), but contains a small amount of silicon (Si), iron (Fe), manganese (Mn) and magnesium (Mg), etc., and contains aluminum-silicon-magnesium (Al-Si-Mg ) type alloy is widely used as a mold material for die casting.
그러나 알루미늄 합금은 경도(내마모성) 및 인장강도 등의 기계적 물성이 낮다. 이에, 근래에는 열전도성이 양호하면서 경도 및 인장강도 등의 기계적 물성이 우수한 베릴륨-동(Be-Cu) 합금이 금형소재로서 각광을 받고 있다. 예를 들어, 일본 공개특허공보 JP2003-003246호, 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0048287호, 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0053814호 등에는 베릴륨-동(Be-Cu) 합금에 관한 기술이 제시되어 있다. However, aluminum alloys have low mechanical properties such as hardness (wear resistance) and tensile strength. Accordingly, in recent years, a beryllium-copper (Be-Cu) alloy having good thermal conductivity and excellent mechanical properties such as hardness and tensile strength has been in the limelight as a mold material. For example, Japanese Unexamined Patent Publication JP2003-003246, Korean Unexamined Patent Publication No. 10-2012-0048287, Korean Unexamined Patent Publication No. 10-2015-0053814, etc. disclose technology related to beryllium-copper (Be-Cu) alloys. this is presented.
그러나 베릴륨-동 합금은 용융 주조가 어렵고, 베릴륨(Be)과 구리(Cu)의 원료 자체의 가격이 높아 경제성이 떨어지는 문제점이 있다. 이에 따라, 베릴륨-동 합금은 고가(高價)로 인해 고급 제품에 제한적으로 사용되어 범용성이 떨어지는 문제점이 있다. However, the beryllium-copper alloy has problems in that it is difficult to melt cast, and the cost of raw materials for beryllium (Be) and copper (Cu) is high, resulting in low economic feasibility. Accordingly, the beryllium-copper alloy is limitedly used in high-end products due to its high price, resulting in poor versatility.
한편, 철-구리(Fe-Cu) 합금은 베릴륨-동 합금에 비해 용융 주조가 쉽고 경제성에서도 유리하다. 예를 들어, 일본 특개평5-331572호 등에는 용융 주조법을 이용한 철-구리 합금이 제시되어 있다. 그러나 종래의 철-구리 합금은 베릴륨-동 합금에 비해 기계적 물성이 떨어지고, 이는 특히 경도와 열전도성이 낮아 방열이나 냉각이 요구되는 기계부품 등으로는 적용하기 어려운 문제점이 있다. On the other hand, iron-copper (Fe-Cu) alloys are easier to melt cast than beryllium-copper alloys and are advantageous in terms of economy. For example, Japanese Unexamined Patent Publication No. 5-331572 and the like suggest an iron-copper alloy using a melt casting method. However, conventional iron-copper alloys have inferior mechanical properties compared to beryllium-copper alloys, and are particularly difficult to apply to mechanical parts requiring heat dissipation or cooling due to low hardness and low thermal conductivity.
이에, 본 발명은 베릴륨-동(Be-Cu) 합금을 대체할 수 있는 저가의 철-구리(Fe-Cu) 합금으로서, 높은 경도를 가지면서 인장강도 및 열전도성 등이 향상된 고경도의 철-구리 합금 및 그 제조방법을 제공하는 데에 목적이 있다. Accordingly, the present invention is a low-cost iron-copper (Fe-Cu) alloy that can replace beryllium-copper (Be-Cu) alloy, and is a high-hardness iron-copper (Fe-Cu) alloy with high hardness and improved tensile strength and thermal conductivity. It is an object to provide a copper alloy and a manufacturing method thereof.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, In order to achieve the above object, the present invention,
철 65 ~ 85원자%; 및 65 to 85 atomic percent iron; and
구리 15 ~ 35원자%를 포함하고,Contains 15 to 35 atomic% of copper,
합금 조직에 구리에 의해 형성된 그물망구조를 가지는 철-구리 합금을 제공한다. Provided is an iron-copper alloy having a network structure formed by copper in the alloy structure.
또한, 본 발명은, In addition, the present invention,
철 68 ~ 80원자%; 및 68 to 80 atomic percent iron; and
구리 20 ~ 32원자%를 포함하고, Contains 20 to 32 atomic% of copper,
합금 조직에 구리에 의해 형성된 그물망구조를 가지며, It has a network structure formed by copper in the alloy structure,
하기 (a) 내지 (c)의 물성을 가지는 철-구리 합금을 제공한다. An iron-copper alloy having the following physical properties (a) to (c) is provided.
(a) 로크웰 경도 30 HRC 이상(a) Rockwell hardness of 30 HRC or more
(b) 인장강도 700 N/㎟ 이상 (b) Tensile strength of 700 N/㎟ or more
(c) 열전도율 90 W/mㆍK 이상 (c) Thermal conductivity of 90 W/mㆍK or more
또한, 본 발명은, In addition, the present invention,
철-구리 합금에 철 65 ~ 85원자%와 구리 15 ~ 35원자%를 포함하도록, 용해로에 철과 구리를 투입, 용해시켜 용탕을 형성하는 용해 공정; A melting process of inputting and melting iron and copper into a melting furnace to form molten metal so that the iron-copper alloy contains 65 to 85 atomic% of iron and 15 to 35 atomic% of copper;
상기 용탕을 주조틀에 주입하여 주조물을 형성하는 주조 공정; a casting process of forming a casting by injecting the molten metal into a casting mold;
상기 주조물을 상온에서 자연 냉각시키는 냉각 공정; A cooling step of naturally cooling the casting at room temperature;
상기 자연 냉각된 주조물을 열처리로에 투입하여 945℃ ~ 980℃의 온도에서 열처리하는 열처리 공정; 및 A heat treatment step of putting the naturally cooled casting into a heat treatment furnace and heat-treating it at a temperature of 945° C. to 980° C.; and
상기 열처리된 주조물을 열처리 직후 냉각매체에 담금질하여 급냉시키는 급냉 공정을 포함하고, Including a quenching step of quenching the heat-treated casting in a cooling medium immediately after heat treatment,
합금 조직에 구리에 의해 형성된 그물망구조를 가지는 철-구리 합금의 제조방법을 제공한다. Provided is a method for producing an iron-copper alloy having a network structure formed by copper in the alloy structure.
하나의 실시형태에 따라서, 상기 열처리 공정은, 상기 자연 냉각된 주조물을 열처리로에 투입한 다음, 상기 열처리로 내의 온도를 2℃/분 ~ 15℃/분의 속도로 945℃ ~ 980℃로 승온시켜 진행할 수 있다. According to one embodiment, in the heat treatment process, the naturally cooled casting is put into a heat treatment furnace, and then the temperature in the heat treatment furnace is raised to 945° C. to 980° C. at a rate of 2° C./min to 15° C./min. you can proceed.
본 발명에 따르면, 베릴륨-동(Be-Cu) 합금을 대체할 수 있는 저가의 철-구리(Fe-Cu) 합금이 제공된다. 구체적으로, 본 발명에 따르면, 철(Fe)에 적정 함량의 구리(Cu)가 용융 합금된 비정질의 합금으로서, 합금 조직 내에 그물망구조를 포함함으로 인해, 종래의 철-구리(Fe-Cu) 합금과 대비하여 적어도 경도, 인장강도 및 열전도성 등이 향상되는 효과를 갖는다. 또한, 본 발명에 따르면, 기계적 물성과 함께 열전도성이 향상되어 금형소재로는 물론 냉각용 기계부품 등으로도 사용할 수 있는 효과를 갖는다. According to the present invention, a low-cost iron-copper (Fe-Cu) alloy that can replace a beryllium-copper (Be-Cu) alloy is provided. Specifically, according to the present invention, as an amorphous alloy in which iron (Fe) is melted and alloyed with an appropriate amount of copper (Cu), due to the inclusion of a network structure in the alloy structure, a conventional iron-copper (Fe-Cu) alloy Compared to the above, at least hardness, tensile strength, and thermal conductivity are improved. In addition, according to the present invention, thermal conductivity is improved along with mechanical properties, so that it can be used as a mold material as well as a mechanical part for cooling.
도 1은 본 발명에 따른 그물망구조를 설명하기 위한 Fe-Cu 합금의 절단 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 Fe-Cu 합금의 SEM 사진으로서, 열처리 전의 모습을 보인 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 Fe-Cu 합금의 SEM 사진으로서, 열처리 및 급냉을 진행한 후의 모습을 보인 고배율 확대 조직사진이다.
도 4는 본 발명의 비교예에 따라 제조된 Fe-Cu 합금의 SEM 사진으로서, 열처리 및 급냉을 진행한 후의 모습을 보인 고배율 확대 조직사진이다. 1 is a cut schematic diagram of an Fe-Cu alloy for explaining a mesh structure according to the present invention.
Figure 2 is a SEM picture of the Fe-Cu alloy prepared according to an embodiment of the present invention, a picture showing the appearance before heat treatment.
Figure 3 is an SEM photograph of an Fe-Cu alloy prepared according to an embodiment of the present invention, a high-magnification enlarged structure photograph showing the appearance after heat treatment and rapid cooling.
Figure 4 is an SEM photograph of an Fe-Cu alloy prepared according to a comparative example of the present invention, a high-magnification enlarged structure photograph showing the appearance after heat treatment and rapid cooling.
본 발명에서 사용되는 용어 "및/또는"은 전후에 나열한 구성요소들 중에서 적어도 하나 이상을 포함하는 의미로 사용된다. 본 발명에서 사용되는 용어 "하나 이상"은 하나 또는 둘 이상의 복수를 의미한다. The term "and/or" used in the present invention is used to mean including at least one or more of the elements listed before and after. As used herein, the term "one or more" means one or a plurality of two or more.
본 발명은 철(Fe)을 주성분으로 하는 철계 합금으로서, 철(Fe)과 구리(Cu)를 적정 함량으로 포함하되, 합금 조직 내에 형성된 그물망구조를 포함하여, 적어도 기계적 물성 및 열적 특성이 개선된 철-구리 합금을 제공한다. 또한, 본 발명은 상기 철-구리 합금의 제조방법을 제공한다. The present invention is an iron-based alloy containing iron (Fe) as a main component, including iron (Fe) and copper (Cu) in appropriate amounts, but including a network structure formed in the alloy structure, at least with improved mechanical properties and thermal properties. An iron-copper alloy is provided. In addition, the present invention provides a method for producing the iron-copper alloy.
본 발명에 따른 철-구리 합금은 철(Fe)과 구리(Cu)를 포함하되, 구리(Cu)보다 철(Fe)의 함량이 높은 철계 합금으로서, 철(Fe)과 구리(Cu)의 전체 기준으로 철(Fe) 65 ~ 85원자%(atomic%)와 구리(Cu) 15 ~ 35원자%를 포함한다. 본 발명에서 사용되는 함량 단위 「원자%」는 철(Fe)과 구리(Cu)의 원자(atomic) 전체를 기준(Fe와 Cu의 합 100원자%)으로 한 것이며, 이는 또한 당업계에서 주지된 바와 같이 「부피%」로 표현될 수 있다. 즉, 본 발명에서, 원자% = 부피%로 표현될 수 있다. The iron-copper alloy according to the present invention includes iron (Fe) and copper (Cu), but is an iron-based alloy having a higher content of iron (Fe) than copper (Cu), and contains all of iron (Fe) and copper (Cu). As a standard, it contains 65 to 85 atomic% of iron (Fe) and 15 to 35 atomic% of copper (Cu). The content unit "atomic%" used in the present invention is based on the total atoms of iron (Fe) and copper (Cu) (100 atomic% of the sum of Fe and Cu), which is also well known in the art. As such, it can be expressed as "volume %". That is, in the present invention, it can be expressed as atomic % = volume %.
본 발명에 따른 철-구리 합금은 불가피한 것을 제외하고는 철(Fe)과 구리(Cu) 이외의 다른 금속원소는 포함하지 않는다. 본 발명에 따른 철-구리 합금은 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 불가피한 불순물은 원료 자체에 포함된 것이거나 용해 과정 등에서 외부로부터 유입된 불가피한 것으로서, 예를 들어 알루미늄(Al) 및 니켈(Ni) 등의 금속원소나 탄소(C) 및 산소(O) 등의 비금속원소를 포함할 수 있으나, 이러한 불순물은 극소량이다. 불순물은 합금 조성 전체 기준(Fe + Cu + 불순물의 합)으로, 예를 들어 0.5원자% 이하, 0.2원자% 이하, 0.1원자% 이하, 0.05원자% 이하, 또는 0.01원자% 이하의 극소량으로 불가피하게 포함될 수 있다. The iron-copper alloy according to the present invention does not contain other metal elements other than iron (Fe) and copper (Cu) except for unavoidable ones. The iron-copper alloy according to the present invention may contain unavoidable impurities. Inevitable impurities are those included in the raw material itself or unavoidable introduced from the outside during the dissolution process, for example, metal elements such as aluminum (Al) and nickel (Ni) or non-metal elements such as carbon (C) and oxygen (O). It may contain, but these impurities are extremely small. Impurities are unavoidable in extremely small amounts, for example, 0.5 atomic % or less, 0.2 atomic % or less, 0.1 atomic % or less, 0.05 atomic % or less, or 0.01 atomic % or less, based on the total alloy composition (sum of Fe + Cu + impurities). can be included
본 발명에 따른 철-구리 합금은, 철(Fe)과 구리(Cu)가 적정 함량으로 조성되고, 이와 함께 합금 조직 내에 형성된 그물망구조에 의해, 적어도 높은 기계적 물성 및 열적 특성을 갖는다. 구체적으로, 본 발명에 따른 철-구리 합금은 종래의 철-구리 합금에 비하여 높은 경도, 인장강도, 열확산속도 및 열전도성 등을 가지며, 이는 또한 편석이나 크랙(crack)이 없다. The iron-copper alloy according to the present invention is composed of iron (Fe) and copper (Cu) in appropriate amounts and has at least high mechanical properties and thermal properties due to the network structure formed in the alloy structure. Specifically, the iron-copper alloy according to the present invention has higher hardness, tensile strength, thermal diffusion rate and thermal conductivity than conventional iron-copper alloys, and also has no segregation or cracks.
이하, 본 발명에 따른 철-구리 합금의 제조방법을 설명하면서, 본 발명에 따른 철-구리 합금의 실시형태를 함께 설명한다. 이하에서 설명되는 제조방법은 본 발명에 따른 철-구리 합금의 제조를 용이하게 구현한다. 그러나 본 발명에 따른 철-구리 합금은 이하에서 설명되는 제조방법에 의해 제조된 것으로 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, an embodiment of the iron-copper alloy according to the present invention will be described together while explaining the manufacturing method of the iron-copper alloy according to the present invention. The production method described below facilitates the production of the iron-copper alloy according to the present invention. However, the iron-copper alloy according to the present invention is not limited to those manufactured by the manufacturing method described below.
본 발명에 따른 철-구리 합금의 제조방법(이하, "제조방법"으로 약칭한다.)은, 용해로에서 철-구리 용탕을 형성하는 용해 공정; 상기 용탕을 주조틀에 주입하여 주조하는 주조 공정; 및 상기 주조물을 상온에서 자연 냉각시키는 냉각 공정을 포함한다. 바람직한 실시형태에 따라서, 본 발명에 따른 제조방법은 상기 자연 냉각된 주조물을 열처리하는 열처리 공정; 및 상기 열처리된 주조물을 급냉시키는 급냉 공정을 더 포함한다. 각 공정별 실시형태를 설명하면 다음과 같다. A method for manufacturing an iron-copper alloy according to the present invention (hereinafter, abbreviated as "manufacturing method") includes a melting step of forming an iron-copper molten metal in a melting furnace; a casting process of casting the molten metal by injecting it into a casting mold; and a cooling step of naturally cooling the casting at room temperature. According to a preferred embodiment, the manufacturing method according to the present invention includes a heat treatment step of heat-treating the naturally cooled casting; and a quenching process of quenching the heat-treated casting. The embodiment for each process is described as follows.
[1] 용해 공정 [1] Melting process
용해로에 철과 구리의 합금 원료를 투입하여 용해한다. 이때, 철은 고순도의 순철을 사용할 수 있으며, 구리는 고순도의 전해동을 사용할 수 있다. 용해로는 특별히 제한되지 않으며, 이는 예를 들어 통상적인 세라믹재의 용해로를 사용할 수 있다. 용해로는, 바람직하게는 급격한 승온을 통해 빠른 용해가 가능한 고주파 유도열 용해로를 사용할 수 있다. 용해로는, 철과 구리가 용해될 수 있는 온도로 유지하면 좋다. 예를 들어, 고주파 유도열을 통해 용해로를 빠르게 승온시켜 약 1,520℃ ~ 1,650℃로 유지하여 철과 구리를 용해하는 것이 좋다. 이러한 용해 과정에서는 교반이 진행된다. 또한, 철과 구리를 완전히 용해시킨 후에는 용탕 온도를 예를 들어 1,450℃ ~ 1,520℃로 유지하여 방치하는 방법으로 안정화시킬 수 있다. 이러한 안정화에 의해, 철과 구리의 균질화가 이루어질 수 있다. Iron and copper alloy raw materials are put into the melting furnace and melted. In this case, high-purity pure iron may be used as the iron, and high-purity electrolytic copper may be used as the copper. The melting furnace is not particularly limited, and it is possible to use, for example, a conventional melting furnace for ceramic materials. The melting furnace may preferably use a high-frequency induction heating melting furnace capable of rapid melting through rapid temperature increase. The melting furnace may be maintained at a temperature at which iron and copper can be melted. For example, it is preferable to rapidly raise the temperature of the melting furnace through high-frequency induction heat and maintain it at about 1,520 ° C to 1,650 ° C to melt iron and copper. In this dissolution process, stirring proceeds. In addition, after completely dissolving iron and copper, the temperature of the molten metal may be stabilized by maintaining the molten metal temperature at, for example, 1,450 ° C to 1,520 ° C and leaving it to stand. By this stabilization, homogenization of iron and copper can be achieved.
본 용해 공정에서는 최종 생성된 철-구리 합금의 전체 기준으로 철 65 ~ 85원자%(또는 부피%)와 구리 15 ~ 35원자%(또는 부피%)를 포함하도록, 상기 용해로에 철과 구리를 투입, 용해하여 용탕을 형성한다. 구체적으로, 용해로에 철과 구리의 총 투입량을 철 65 ~ 85부피%와 구리 15 ~ 35부피%(즉, 철 : 구리 = 65 ~ 85 : 15 ~ 35의 부피비)로 하는 경우에 상기 합금 조성을 갖게 할 수 있다. 이때, 구리의 함량이 15원자% 미만인 경우, 그물망구조가 형성되지 않고 기계적 물성 및 열적 특성 등이 미미해질 수 있다. 또한, 구리의 함량이 15원자% 미만인 경우, 용융 주조 후 860℃ 이상에서 고온 열처리 시 크랙이 발생될 수 있다. 그리고 구리의 함량이 35원자%를 초과하는 경우, 완전한 그물망구조가 형성되기 어렵고 기계적 물성이 낮아질 수 있다. 이에, 본 발명의 실시형태에 따라서, 구리의 함량을 15 ~ 35원자%로 하는 경우, 용융 주조 후에 860℃ 이상의 고온 열처리를 하여도 크랙이 발생하지 않으며, 높은 기계적 물성 및 열적 특성 등을 갖는다. In this melting process, iron and copper are fed into the melting furnace so that the final iron-copper alloy contains 65 to 85 atomic% (or volume%) of iron and 15 to 35 atomic% (or volume%) of copper, based on the total amount of the iron-copper alloy. , melt to form molten metal. Specifically, when the total input amount of iron and copper in the melting furnace is 65 to 85% by volume of iron and 15 to 35% by volume of copper (ie, iron: copper = 65 to 85: 15 to 35 volume ratio), the alloy composition is can do. At this time, when the content of copper is less than 15 atomic%, a mesh structure is not formed and mechanical properties and thermal properties may be insignificant. In addition, when the copper content is less than 15 atomic%, cracks may occur during high-temperature heat treatment at 860° C. or higher after melting casting. In addition, when the copper content exceeds 35 atomic%, it is difficult to form a complete network structure and mechanical properties may be lowered. Therefore, according to an embodiment of the present invention, when the copper content is 15 to 35 atomic%, cracks do not occur even when subjected to high-temperature heat treatment at 860 ° C. or higher after melting casting, and has high mechanical properties and thermal properties.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따라서, 용해 공정에서는 최종 생성된 철-구리 합금이 철 68 ~ 80원자%와 구리 20 ~ 32원자%를 포함하도록, 상기 용해로에 철과 구리를 투입, 용해하여 용탕을 형성하는 것이 좋다. 즉, 용해로에 철과 구리의 총 투입량을 철 68 ~ 80부피%와 구리 20 ~ 32부피%로 하여, 철 68 ~ 80원자%와 구리 20 ~ 32원자%를 포함하는 합금 조성을 갖게 하는 것이 바람직하다. 이러한 합금 조성을 가지는 경우, 합금 조직 내에 완전한 그물망구조가 형성되면서 우수한 기계적 물성 및 열적 특성 등을 갖는다. According to a preferred embodiment of the present invention, in the melting process, iron and copper are introduced into the melting furnace, melted, and melted so that the final iron-copper alloy contains 68 to 80 atomic% of iron and 20 to 32 atomic% of copper. It is good to form That is, the total input amount of iron and copper in the melting furnace is 68 to 80% by volume of iron and 20 to 32% by volume of copper, so that it has an alloy composition containing 68 to 80% by atom of iron and 20 to 32% by atom of copper. . In the case of having such an alloy composition, while a complete network structure is formed in the alloy structure, it has excellent mechanical properties and thermal properties.
첨부된 도 1은 본 발명에 따른 Fe-Cu 합금을 도시한 절단면 사시도로서, 이는 그물망구조를 설명하기 위한 합금 조직의 모식도이다. 도 1을 참고하면, 본 발명에서 상기 그물망구조(10)는 구리(Cu)에 의해 형성된 것으로서, 이는 합금의 표면 및 내부에 전체적으로 형성되며 입체적 구조를 갖는다. 본 발명에서, 「구리(Cu)에 의해 형성된 것」이란 구리-리치(Cu-rich)를 의미한다. 본 발명에 따르면, 상기 그물망구조(10)는 합금의 기계적 물성(경도 및 인장강도 등)을 개선하고, 이는 특히 합금의 열확산속도를 증가시켜 열전도성을 현저히 향상시킨다. 1 is a perspective view of a cross section showing an Fe-Cu alloy according to the present invention, which is a schematic diagram of an alloy structure for explaining a network structure. Referring to FIG. 1, in the present invention, the
도 1에 보인 바와 같이, 상기 그물망구조(10)는 합금 조직 내에서 선형의 구리-리치선(Cu-rich wire)(12)이 그물망 형태로 연결되어 형성된다. 상기 그물망구조(10)는, 예를 들어 케이지(cage) 형태의 입체적 그물구조를 가지며, 이는 구리(Cu)를 주성분으로 한다. 구체적으로, 상기 구리-리치선(12)은 구리(Cu)를 주성분으로 한다. 하나의 실시형태에 따라서, 상기 구리-리치선(12)은 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하되, 철(Fe)보다 구리(Cu)의 함량이 많다. 상기 구리-리치선(12)은, 예를 들어 60원자% 이상, 70원자% 이상 또는 80원자% 이상의 구리(Cu)를 포함할 수 있으며, 나머지는 철(Fe)로 구성될 수 있다. 또한, 상기 구리-리치선(12)은 마이크로미터(㎛)의 굵기를 가지며, 이는 예를 들어 0.1㎛ ~ 30㎛의 굵기를 가질 수 있다. 이러한 구리-리치선(12)은 빠른 열확산을 위한 고속터널의 역할을 하여, 이는 적어도 합금의 열확산속도를 증가시킨다. As shown in FIG. 1, the
[2] 주조 공정[2] Casting process
상기 용탕을 주조틀에 주입하여 소정의 형상을 가지는 합금 주조물을 형성한다. 본 주조 공정은 통상적인 공정에 따른다. 상기 주조틀은 특별히 제한되지 않으며, 이는 주괴(ingot) 및 주조편의 형상을 갖거나, 경우에 따라서는 실제 적용 제품(기계부품 등)의 형상을 가질 수 있다. 아울러, 상기 주조틀은 통상과 같이 냉각 기능을 가질 수 있다. An alloy casting having a predetermined shape is formed by injecting the molten metal into a casting mold. This casting process follows a conventional process. The casting mold is not particularly limited, and may have the shape of an ingot and a cast piece, or may have a shape of an actual product (machine parts, etc.) in some cases. In addition, the casting mold may have a cooling function as usual.
[3] 냉각 공정 [3] Cooling process
상기 주조물을 상온에서 자연 냉각시킨다. 본 냉각 공정은, 예를 들어 주조틀 내에 수용된 상태로 주조물을 상온에 방치하여 진행할 수 있다. 본 발명에서 상온은, 예를 들어 5℃ ~ 30℃의 온도일 수 있으며, 구체적인 예를 들어 약 15℃ ~ 25℃의 실온(Room temperature)일 수 있다. The casting is naturally cooled at room temperature. This cooling process may proceed, for example, by leaving the casting at room temperature in a state accommodated in the casting mold. In the present invention, the room temperature may be, for example, a temperature of 5 ° C to 30 ° C, and a specific example may be a room temperature of about 15 ° C to 25 ° C.
[4] 열처리 공정 [4] Heat treatment process
상기 자연 냉각된 주조물을 열처리한다. 열처리는 열처리로에 상기 자연 냉각시킨 주조물을 투입한 다음, 열처리로 내의 온도를 고온으로 승온시킨 후, 소정 시간 동안 고온을 유지하는 방법으로 진행할 수 있다. 열처리는 대기 분위기 또는 비활성(비산화성) 분위기 하에서 진행될 수 있다. 상기 열처리로는 주조물에 고온의 열을 가할 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 이는 예를 들어 전열선이 설치된 전기로(가열로) 등을 사용할 수 있다. The naturally cooled casting is heat treated. The heat treatment may proceed by introducing the naturally cooled casting into a heat treatment furnace, raising the temperature in the heat treatment furnace to a high temperature, and then maintaining the high temperature for a predetermined time. The heat treatment may be performed under an air atmosphere or an inert (non-oxidizing) atmosphere. The heat treatment furnace is not particularly limited as long as it can apply high-temperature heat to the casting, and for example, an electric furnace (heating furnace) equipped with a heating wire may be used.
상기 열처리는 945℃ ~ 980℃의 온도에서 진행하는 것이 바람직하다. 상기 열처리는, 구체적으로 상기 자연 냉각된 주조물을 열처리로에 투입한 다음, 열처리로 내의 온도를 2℃/분 ~ 15℃/분의 승온 속도로 945℃ ~ 980℃의 온도로 승온시킨 후, 상기 945℃ ~ 980℃를 소정 시간 동안 유지하는 방법으로 진행할 수 있다. 이와 같은 온도 범위에서 열처리하는 경우, 합금의 기계적 물성 및 열적 특성 등이 개선된다. 열처리 온도가 945℃ 미만이거나 980℃를 초과하는 경우, 기계적 물성과 열적 특성의 개선 정도가 낮아질 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, 상기 열처리는 950℃ ~ 970℃의 온도에서 진행하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 상기 열처리는 주조물의 두께에 따라 적절한 시간 동안 진행할 수 있으며, 이는 예를 들어 주조물의 두께 25mm당 약 30분 내지 90분 동안 진행할 수 있다. 일례를 들어, 주조물의 두께가 50mm인 경우, 약 1시간 내지 3시간 동안 열처리를 진행할 수 있다. The heat treatment is preferably performed at a temperature of 945 ° C to 980 ° C. In the heat treatment, specifically, the naturally cooled casting is put into a heat treatment furnace, and then the temperature in the heat treatment furnace is raised to a temperature of 945° C. to 980° C. at a temperature rising rate of 2° C./min to 15° C./min. 945 ℃ ~ 980 ℃ can be carried out by a method of maintaining for a predetermined time. In the case of heat treatment in this temperature range, the mechanical properties and thermal properties of the alloy are improved. When the heat treatment temperature is less than 945° C. or greater than 980° C., the degree of improvement in mechanical properties and thermal properties may be lowered. Considering this point, it is more preferable that the heat treatment is performed at a temperature of 950 ° C to 970 ° C. In addition, the heat treatment may be performed for an appropriate time according to the thickness of the casting, which may be performed for, for example, about 30 minutes to 90 minutes per 25 mm thickness of the casting. For example, when the thickness of the casting is 50 mm, heat treatment may be performed for about 1 hour to 3 hours.
[5] 급냉 공정 [5] Quenching process
상기 열처리된 주조물을 급냉시킨다. 급냉은 열처리 직후에 진행하며, 이는 구체적으로 열처리한 후 5분 이내에 진행한다. 급냉은 열처리된 주조물을 냉각매체에 담금질(Quenching)하는 방법으로 진행한다. 이와 같은 급냉을 완료하면, 완전한 그물망구조(10)를 가지면서 우수한 기계적 물성과 열적 특성 등을 가지는 합금이 얻어진다. 이때, 열처리된 주조물을 급냉시키지 않고, 서냉(서서히 자연 냉각)시키는 경우, 그물망구조(10)가 사라질 수 있고 기계적 물성과 열적 특성이 떨어질 수 있다. The heat-treated casting is quenched. Rapid cooling is performed immediately after heat treatment, which is specifically performed within 5 minutes after heat treatment. Rapid cooling is performed by quenching the heat-treated casting in a cooling medium. When such rapid cooling is completed, an alloy having excellent mechanical properties and thermal properties while having a
본 발명에서, 상기 급냉은 열처리 직후 냉각매체에 담금질하는 것으로서, 여기에 사용되는 상기 냉각매체는 30℃ 이하의 온도를 가지는 액체로부터 선택될 수 있다. 상기 냉각매체는, 예를 들어 물 및 오일(oil) 등으로부터 선택될 수 있으며, 이는 상온을 가질 수 있다. In the present invention, the quenching is quenching in a cooling medium immediately after heat treatment, and the cooling medium used here may be selected from liquids having a temperature of 30 ° C or less. The cooling medium may be selected from, for example, water and oil, and may have room temperature.
이상에서 설명한 본 발명의 제조방법에 따르면, 편석이나 크랙이 없고 균질한 비정질의 철-구리 합금으로서, 적어도 기계적 물성(경도 및 인장강도 등) 및 열적 특성(열전도성 등)이 향상된 철-구리 합금이 제조된다. According to the manufacturing method of the present invention described above, as a homogeneous amorphous iron-copper alloy without segregation or cracks, an iron-copper alloy with improved at least mechanical properties (hardness and tensile strength, etc.) and thermal properties (thermal conductivity, etc.) it is manufactured
바람직한 실시형태에 따라서, 본 발명에 따른 철-구리 합금은 철 68 ~ 80원자% 및 구리 20 ~ 32원자%를 포함한다. 이와 같은 합금 조성을 가지는 경우, 경도, 인장강도 및 열전도성 등의 특성이 효과적으로 개선된다. 또한, 본 발명에 따른 철-구리 합금은 하기 (a) 내지 (c)의 물성을 가지는 것이 좋다. 하기 (a) 내지 (c)의 물성을 가지는 경우, 사출성형 및 다이캐스팅용 등의 금형소재로는 물론이고, 방열이나 냉각이 요구되는 냉각용 기계부품 등으로도 유용하게 사용할 수 있다. According to a preferred embodiment, the iron-copper alloy according to the present invention contains 68 to 80 atomic % iron and 20 to 32 atomic % copper. In the case of having such an alloy composition, properties such as hardness, tensile strength and thermal conductivity are effectively improved. In addition, the iron-copper alloy according to the present invention preferably has the following physical properties (a) to (c). When it has the physical properties of (a) to (c) below, it can be usefully used not only as a mold material for injection molding and die casting, but also as a cooling mechanical part that requires heat dissipation or cooling.
(a) 로크웰 경도 30 HRC 이상(a) Rockwell hardness of 30 HRC or more
(b) 인장강도 700 N/㎟ 이상 (b) Tensile strength of 700 N/㎟ or more
(c) 열전도율 90 W/mㆍK 이상 (c) Thermal conductivity of 90 W/mㆍK or more
상기 로크웰 경도, 인장강도 및 열전도율은 통상의 측정방법에 따른다. 상기 로크웰 경도는 KS B 0806에 준하여 측정되고, 상기 인장강도는 KS B 0801에 준하여 측정된 것일 수 있다. 그리고 상기 열전도율은, 예를 들어 ASTM E1461(Laser flash : Thru-plane)에 준하여 상온(20℃ ~ 25℃)에서 측정된 값일 수 있다. 본 발명에 따른 철-구리 합금은, 구체적인 예를 들어 30 ~ 48 HRC의 로크웰 경도, 700 ~ 750 N/㎟의 인장강도, 및 90 ~ 120 W/mㆍK의 열전도율을 가질 수 있다. The Rockwell hardness, tensile strength and thermal conductivity are determined according to conventional measurement methods. The Rockwell hardness may be measured according to KS B 0806, and the tensile strength may be measured according to KS B 0801. Further, the thermal conductivity may be a value measured at room temperature (20° C. to 25° C.) according to, for example, ASTM E1461 (Laser flash: Thru-plane). The iron-copper alloy according to the present invention may have, for example, Rockwell hardness of 30 to 48 HRC, tensile strength of 700 to 750 N/mm, and thermal conductivity of 90 to 120 W/m·K.
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 예시한다. 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕도록 하기 위해 예시적으로 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 하기의 비교예는 종래 기술을 의미하는 것은 아니며, 이는 단지 실시예와의 비교를 위해 제공된다. Hereinafter, Examples and Comparative Examples of the present invention are illustrated. The following examples are merely provided as examples to aid understanding of the present invention, and the technical scope of the present invention is not limited thereby. In addition, the following comparative examples do not imply the prior art, and are provided only for comparison with the examples.
[실시예 1] [Example 1]
< 용해 / 주조 / 냉각 > < Melting / Casting / Cooling >
용해로(고주파 유도열 용해로)에 철(순도 약 99.9중량%의 순철)과 구리(순도 약 99.9중량%의 전해동)을 초기에 1 : 1의 부피비로 투입하고, 교반을 진행하면서 용해로의 전원 출력을 높여 빠르게 용해시켰다. 이때, 용해 과정에서는 탈산제를 간헐적으로 첨가하여 탈산시키면서 진행하였다. 육안 관찰을 통해 투입된 철과 구리가 완전히 용해된 것을 확인하고, 계속적인 교반을 진행하면서 용해로에 철을 조금씩 여러 번 추가 투입하고 용탕 온도를 약 1,500℃ ~ 1,550℃의 범위 내로 유지하여 추가 투입된 철을 완전히 용해시켰다. 다음으로, 전원을 차단하고, 합금 조직이 안정화되도록 용해로에서 용탕을 소정 시간 방치하였다. 이후, 용탕을 용해로에서 꺼내어 주조틀에 주입한 후, 상온(약 25℃)에서 서서히 자연 냉각시켜 Fe-Cu 합금 잉고트(ingot)를 얻었다. Iron (pure iron with a purity of about 99.9% by weight) and copper (electrolytic copper with a purity of about 99.9% by weight) are initially added in a volume ratio of 1:1 to the melting furnace (high frequency induction heating furnace), and the power output of the melting furnace is increased while stirring is performed. and dissolved rapidly. At this time, in the dissolution process, deoxidation was performed by intermittently adding a deoxidizing agent. It was confirmed through visual observation that the iron and copper were completely dissolved, and iron was added to the melting furnace little by little several times while continuously stirring, and the temperature of the molten metal was maintained within the range of about 1,500 ° C to 1,550 ° C to remove the additionally added iron. completely dissolved. Next, the power supply was cut off, and the molten metal was allowed to stand in the melting furnace for a predetermined time so that the alloy structure was stabilized. Thereafter, the molten metal was taken out of the melting furnace and poured into a casting mold, and then naturally cooled slowly at room temperature (about 25° C.) to obtain an Fe—Cu alloy ingot.
< 열처리 / 급냉 > <Heat Treatment/Quick Cooling>
상기 자연 냉각된 잉고트(가로 x 세로 x 두께 = 약 50mm x 25mm x 25mm)를 미리 준비된 열처리로(전열선이 설치된 전기로)에 투입한 다음, 5℃/분의 승온 속도로 승온시켰다. 열처리 온도는 온도 제어기를 통해 845℃로 설정하였다. 이때, 열처리로 내의 온도는 약 840 ~ 850℃ 사이의 범위로 유지되었다. 상기 온도 구간에서 약 1시간 동안 잉고트를 열처리하였다. 상기 열처리된 잉고트를 열처리 직후(열처리로에서 꺼낸 후 1분 이내), 약 17℃의 물(냉각매체)이 담긴 수조에 담금질하여 급냉시켰다. 수조에 충분한 시간동안 담금질하여 급냉시킨 후, 잉고트를 수조에서 꺼내어 열처리/급냉 공정을 완료한 본 실시예에 따른 합금 시편을 제조하였다. The naturally cooled ingot (width x length x thickness = about 50 mm x 25 mm x 25 mm) was put into a pre-prepared heat treatment furnace (electric furnace equipped with a heating wire), and then the temperature was raised at a temperature increase rate of 5 ° C / min. The heat treatment temperature was set to 845° C. through a temperature controller. At this time, the temperature in the heat treatment furnace was maintained in a range between about 840 and 850 °C. The ingot was heat treated for about 1 hour in the above temperature range. Immediately after the heat treatment (within 1 minute after being taken out of the heat treatment furnace), the heat-treated ingot was quenched and rapidly cooled in a water bath containing water (cooling medium) at about 17 ° C. After quenching and quenching in a water bath for a sufficient time, the ingot was taken out of the water bath to prepare an alloy specimen according to the present embodiment in which the heat treatment/quenching process was completed.
[실시예 2 ~ 6] [Examples 2 to 6]
상기 실시예 1과 대비하여, 열처리 시의 온도를 다르게 한 것을 본 실시예들에 따른 합금 시편으로 사용하였다. 구체적으로, 상기 실시예 1과 동일한 합금 조성의 Fe-Cu 합금 잉고트에 대하여 각 실시예에 따라 열처리 시의 온도를 달리하였다. 이는 하기 [표 1]에 보인 바와 같다. In contrast to Example 1, those at different temperatures during heat treatment were used as alloy specimens according to the present Examples. Specifically, for the Fe-Cu alloy ingot having the same alloy composition as Example 1, the temperature during heat treatment was varied according to each Example. This is as shown in [Table 1] below.
[실시예 7 ~ 11] [Examples 7 to 11]
상기 실시예 1과 대비하여, 합성 조성의 Cu 함량과 열처리 시의 온도를 다르게 한 것을 본 실시예들에 따른 합금 시편으로 사용하였다. 각 실시예에 따른 구체적인 Cu 함량과 열처리 시의 온도를 하기 [표 1]에 나타내었다. In contrast to Example 1, the alloy specimens according to the present Examples were used in which the Cu content of the composite composition and the temperature during heat treatment were different. The specific Cu content according to each example and the temperature during heat treatment are shown in [Table 1] below.
[비교예 1 ~ 10] [Comparative Examples 1 to 10]
상기 실시예 1과 대비하여, 합성 조성의 Cu 함량, 열처리 시의 온도, 열처리 방법 및 열처리 후의 냉각방법 중에서 한 가지 이상을 다르게 한 것을 본 비교예들에 따른 합금 시편으로 사용하였다. 이는 하기 [표 1]에 보인 바와 같다. 이때, 하기 [표 1]에서, 비교예 8 및 비교예 9의 서냉은 열처리된 잉고트를 상온(약 25℃)에서 서서히 냉각시켜 진행한 자연 냉각이다. 그리고 하기 [표 1]에서, 비교예 10의 담금질(950)은 잉고트를 약 950℃로 유지되고 있는 오일(oil)에 1시간 동안 담금질하는 방법으로 진행한 열처리이다. In contrast to Example 1, one or more of the Cu content of the composite composition, the temperature during heat treatment, the heat treatment method, and the cooling method after heat treatment were used as alloy specimens according to these Comparative Examples. This is as shown in [Table 1] below. At this time, in the following [Table 1], the slow cooling of Comparative Examples 8 and 9 is natural cooling performed by gradually cooling the heat-treated ingot at room temperature (about 25° C.). In the following [Table 1], the quenching (950) of Comparative Example 10 is a heat treatment performed by quenching the ingot in oil maintained at about 950° C. for 1 hour.
위와 같이 얻어진 각 실시예 및 비교예에 따른 Fe-Cu 합금 시편에 대하여, 다음과 같이 성분 분석, 크랙, 그물망구조 및 물성 평가를 진행하고, 그 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다. 하기 [표 1]에 나타낸 Cu 함량은 아래의 성분 분석을 통해 Fe과 Cu 원자의 합 100(= Fe + Cu)을 기준으로 한 Cu의 at%(나머지는 Fe)이며, 이는 극소량의 금속원소(Fe과 Cu 이외의 금속), C 및 O 등의 불가피한 불순물은 고려되지 않았다. For the Fe-Cu alloy specimens according to each Example and Comparative Example obtained as above, component analysis, cracks, network structure, and physical property evaluation were performed as follows, and the results are shown in [Table 1]. The Cu content shown in [Table 1] is the at% of Cu (the remainder is Fe) based on the sum of Fe and Cu atoms of 100 (= Fe + Cu) through the following component analysis, which is a very small amount of metal elements ( Metals other than Fe and Cu), unavoidable impurities such as C and O were not considered.
< 성분 분석 >< Component Analysis >
무게를 측정한 합금 시편을 글래스(glass) 재질의 비커에 넣고 왕수(염산 + 황산 수용액) 10mL를 가하여 용해하였다. 그리고 아래의 측정조건에 따른 고주파 유도결합 플라즈마 발광분광분석(ICP-AES)을 통해 Fe와 Cu를 정량하여 시료중의 농도로 환산하여 분석하였다. The weighted alloy specimen was placed in a beaker made of glass and dissolved by adding 10 mL of aqua regia (hydrochloric acid + sulfuric acid aqueous solution). In addition, Fe and Cu were quantified through high-frequency inductively coupled plasma emission spectrometry (ICP-AES) according to the following measurement conditions and converted into concentrations in the sample for analysis.
* ICP-AES의 측정조건* ICP-AES measurement conditions
- 측정 장치 : PerkinElmer Optima 5300DV- Measuring device: PerkinElmer Optima 5300DV
- 측정파장 : 238.204nm(Fe), 327.393nm(Cu)- Measurement wavelength: 238.204nm (Fe), 327.393nm (Cu)
- 정량방법 : 내부표준법 - Quantitative method: internal standard method
< 크랙 >< crack >
열처리 및 급냉을 진행한 후의 합금 시편에 대해, 고배율 사진으로 표면을 관찰하여 크랙이 발생된 경우 "발생", 크랙이 없는 경우 "없음"으로 평가하여 [표 1]에 나타내었다. For the alloy specimens after heat treatment and rapid cooling, the surface was observed with a high-magnification photograph, and cracks were evaluated as "occurrence" and cracks were evaluated as "none" and shown in [Table 1].
< 그물망구조 >< Mesh Structure >
열처리 및 급냉을 진행한 후의 합금 시편에 대하여, SEM(주사전자현미경) 사진을 통해 완전한 그물망구조가 관찰되는 경우 "○"; 완전한 그물망구조라고 보기 어렵고 뭉침이나 끊어짐이 관찰되는 경우 "△"; 그물망구조가 관찰되지 않은 경우 "X"로 평가하여 [표 1]에 나타내었다. For the alloy specimen after heat treatment and rapid cooling, "○" when a complete network structure was observed through SEM (scanning electron microscope) photographs; If it is difficult to see a complete network structure and agglomeration or breakage is observed, “Δ”; When the network structure was not observed, it was evaluated as "X" and shown in [Table 1].
첨부된 도 2는 실시예 4에 따른 Fe-Cu 합금의 열처리 전의 사진이고, 도 3은 상기 실시예 4에 따른 Fe-Cu 합금에 대해 열처리 및 급냉을 진행한 후의 고배율 확대 조직사진이다. 그리고 첨부된 도 4는 비교예 7에 따른 Fe-Cu 합금에 대해 열처리 및 급냉을 진행한 후의 고배율 확대 조직사진이다. 그물망구조의 평가에 대해 상세히 설명하면, 도 3에서와 같이 완전한 그물망구조가 뚜렷하게 나타나고, Cu가 거의 일정한 굵기로 그물망구조를 형성하는 경우에는 "○"로 하였고; 도 4에서와 같이 완전한 그물망구조라고 보기 어렵고, Cu가 뭉쳐져 있는 부분이 관찰되는 경우에는 "△"로 하였으며, 그물망구조가 전혀 관찰되지 않는 경우에는 "X"로 하였다. Attached FIG. 2 is a photograph of the Fe—Cu alloy according to Example 4 before heat treatment, and FIG. 3 is a high-magnification enlarged structure photograph after heat treatment and rapid cooling of the Fe—Cu alloy according to Example 4. And attached FIG. 4 is a high-magnification enlarged structure photograph after heat treatment and rapid cooling of the Fe-Cu alloy according to Comparative Example 7. [0030] When the evaluation of the network structure is described in detail, the complete network structure is clearly shown as shown in Fig. 3, and when Cu forms a network structure with an almost constant thickness, it was rated as "○"; As shown in FIG. 4, it was difficult to see a complete network structure, and when a portion in which Cu was agglomerated was observed, it was designated as "Δ", and when the network structure was not observed at all, it was designated as "X".
< 물성 >< Properties >
물성은 열처리 및 급냉을 진행한 후의 합금 시편에 대하여 평가하되, 경도는 KS B 0806에 준하여 로크웰 경도(Rockwell Hardness)(HRC)로 평가하고, 인장강도는 KS B 0801에 준하여 평가하였다. 그리고 열전도율은 금속 시료의 열전도도 측정방법으로서, 합금 시편의 밀도, 비열 및 열확산계수를 측정한 다음, ASTM E1461(Laser flash : Thru-plane)에 준하여 평가하였다. The physical properties were evaluated for the alloy specimen after heat treatment and rapid cooling, but the hardness was evaluated by Rockwell Hardness (HRC) according to KS B 0806, and the tensile strength was evaluated according to KS B 0801. And thermal conductivity is a method for measuring the thermal conductivity of metal samples. The density, specific heat and thermal diffusivity of the alloy samples were measured, and then evaluated according to ASTM E1461 (Laser flash: Thru-plane).
(at%)Cu content
(at%)
온도
(℃)heat treatment
temperature
(℃)
냉각after heat treatment
Cooling
조직mesh
group
경도
(HRC)rockwell
Hardness
(HRC)
(N/㎟)tensile strength
(N/㎟)
(W/mㆍK)thermal conductivity
(W/mㆍK)
측정하지 않음
(의미 없음)crack occurred
not measured
(no meaning)
(950)quenching
(950)
본 발명에서는 합금 조성 내의 Fe와 Cu의 함량, 용융 주조 후의 열처리 조건, 그리고 열처리 후의 냉각 조건 등이 Fe-Cu 합금에 어떠한 영향을 미치는지에 대해 수많은 실험을 진행하였다. 예를 들어, 합금 조성의 경우에는 Cu 함량을 5 ~ 50at% 범위 내에서 미세하게 세분하여 진행하였고, 열처리 온도의 경우에는 600℃에서 시작하여 10℃씩 증가해가면서 1,100℃까지 진행하였다. 상기 실시예들과 비교예들은 본 발명의 수많은 실험예들 중에서 일부를 보인 것이다. In the present invention, numerous experiments were conducted on how the contents of Fe and Cu in the alloy composition, heat treatment conditions after melting casting, and cooling conditions after heat treatment affect the Fe-Cu alloy. For example, in the case of the alloy composition, the Cu content was finely divided within the range of 5 to 50 at%, and the heat treatment temperature was started at 600 ° C and increased by 10 ° C to 1,100 ° C. The above Examples and Comparative Examples show some of the numerous experimental examples of the present invention.
본 발명의 실험적 고찰에 따르면, 합금 조성 내의 Cu 함량, 열처리 온도 및 열처리 후의 냉각방법(급냉 또는 서행)에 따라 Fe-Cu 합금의 조직 상태, 기계적 물성 및 열적 특성 등이 달라짐을 알 수 있었다. 특히, 특정의 Cu 함량과 열처리 조건에서 Cu에 의해 형성된 그물망구조가 관찰되고, 이러한 그물망구조에 의해 적어도 경도 및 열전도성이 현저히 개선됨을 알 수 있었다. 이에 대해, 상기 [표 1]을 참고하여 설명하면 다음과 같다. According to the experimental consideration of the present invention, it was found that the structure state, mechanical properties and thermal properties of the Fe-Cu alloy vary depending on the Cu content in the alloy composition, the heat treatment temperature, and the cooling method (quick or slow cooling) after heat treatment. In particular, a network structure formed by Cu was observed under a specific Cu content and heat treatment conditions, and it was found that at least hardness and thermal conductivity were remarkably improved by this network structure. Regarding this, it will be described with reference to [Table 1].
상기 [표 1]을 참고하면, 먼저 Cu의 함량에 따라 그물망구조의 존재 여부를 알 수 있었다. 구체적으로, Cu의 함량이 15at% 미만인 경우(비교예 1 ~ 5)에는 합금 조직 내에 그물망구조가 나타나지 않았다. 또한, Cu의 함량이 15at% 미만인 경우, 860℃ 이상의 온도로 열처리하게 되면 크랙이 발생(비교예 2 ~ 5)됨을 알 수 있었다. 이는 Fe의 조직이 미세하게 분할되지 않고 편석되었기 때문인 것으로 판단된다. 한편, Cu의 함량이 35at%를 초과하는 경우(비교예 6 및 비교예 7)에는 그물망구조가 나타나기는 하나, 이는 완전한 그물망구조라고 보기 어려웠다. 구체적으로, 도 4(비교예 7의 합금 시편 사진 : Cu 함량 40.24at%)에 보인 바와 같이, 구리-리치선(Cu-rich wire)의 형태나 굵기가 불균일하여 완전한 그물망구조라고는 보기 어렵고, 이는 또한 군데군데 Cu와 Fe의 뭉침 현상이 발생되었다. Referring to [Table 1], first, the presence or absence of a network structure was found according to the content of Cu. Specifically, when the content of Cu was less than 15 at% (Comparative Examples 1 to 5), no network structure appeared in the alloy structure. In addition, when the content of Cu is less than 15 at%, it was found that cracks occur when heat treatment is performed at a temperature of 860 ° C. or higher (Comparative Examples 2 to 5). It is believed that this is because the structure of Fe is segregated without being finely divided. On the other hand, when the content of Cu exceeds 35at% (Comparative Example 6 and Comparative Example 7), a network structure appears, but it is difficult to see it as a complete network structure. Specifically, as shown in Figure 4 (photo of alloy specimen of Comparative Example 7: Cu content: 40.24 at%), the shape or thickness of the Cu-rich wire is non-uniform, making it difficult to see a complete network structure, This also caused agglomeration of Cu and Fe in some places.
반면에, Cu의 함량이 약 20 ~ 32at%인 경우(실시예 1 ~ 11), 완전한 그물망구조가 뚜렷하게 나타났다. 또한, 도 3(실시예 4의 합금 시편 사진 : Cu 함량 20.12at%)에 보인 바와 같이, 그물망구조를 형성하는 구리-리치선(Cu-rich wire)이 마이크로미터(㎛)로서 거의 일정한 굵기를 가짐을 알 수 있었다. 그리고 [표 1]에 보인 바와 같이, 경도 및 인장강도는 물론이고 열전도성이 높게 평가됨을 알 수 있었다. On the other hand, when the Cu content was about 20 to 32 at% (Examples 1 to 11), a complete network structure was clearly observed. In addition, as shown in FIG. 3 (photograph of alloy specimen of Example 4: Cu content: 20.12 at%), the copper-rich wire forming the network structure has an almost constant thickness in micrometers (㎛) I was able to know that I had And as shown in [Table 1], it was found that hardness and tensile strength as well as thermal conductivity were highly evaluated.
또한, 열처리 온도에 따라 기계적 물성 및 열적 특성이 달라짐을 알 수 있었다. 예를 들어, 실시예 1 ~ 6을 대비하여 보면, 모든 동일한 조건에서 약 950℃ ~ 980℃의 온도에서 열처리한 경우(실시예 4 및 5)가 경도, 인장강도 및 열전도성의 모든 특성에서 가장 양호한 결과를 보임을 알 수 있었다. 특히, 경도와 인장강도는 열처리 온도 증가에 비례하여 계속적으로 증가하지는 않았으며, 약 950℃ ~ 960℃의 온도에서 가장 높은 결과를 보이다가 그 이상의 온도에서는 감소하는 결과를 보임을 알 수 있었다. 이러한 결과를 통해, 열처리 온도는 대략 945℃ ~ 980℃가 최적임을 알 수 있었다. In addition, it was found that the mechanical properties and thermal properties varied according to the heat treatment temperature. For example, in contrast to Examples 1 to 6, heat treatment at a temperature of about 950 ° C to 980 ° C under all the same conditions (Examples 4 and 5) has the best properties in terms of hardness, tensile strength and thermal conductivity. It was found that the results were visible. In particular, it was found that the hardness and tensile strength did not continuously increase in proportion to the increase in heat treatment temperature, and showed the highest results at about 950 ° C to 960 ° C and decreased at higher temperatures. Through these results, it was found that the optimum heat treatment temperature was approximately 945 ° C to 980 ° C.
아울러, 열처리 후의 냉각을 진행함에 있어서는 급냉이 바람직함을 알 수 있었다. 예를 들어, 실시예 4(급냉)와 비교예 9(서냉)를 대비하면, 모든 동일한 조건에서 서냉을 진행한 경우(비교예 9)에는 그물망구조가 나타나지 않고, 기계적 물성 및 열적 특성이 떨어짐을 알 수 있었다. 이는 합금 조직 내의 초기에 형성된 그물망구조가 서서히 냉각되는 과정에서 사라진 것으로 판단된다. In addition, it was found that rapid cooling is preferable in proceeding with cooling after heat treatment. For example, comparing Example 4 (quick cooling) and Comparative Example 9 (slow cooling), when slow cooling was performed under all the same conditions (Comparative Example 9), no network structure appeared and mechanical properties and thermal properties were deteriorated. Could know. It is believed that this is because the network structure initially formed in the alloy structure disappeared in the process of slowly cooling.
부가적으로, 열처리 방법에 따라 기계적 물성 및 열적 특성이 달라짐을 알 수 있었다. 실시예 4(열처리로에서 열처리)와 비교예 10(담금질로 열처리)을 대비하여 보면, 모든 동일한 조건에서 담금질로 열처리를 진행하는 경우(비교예 10)에는 완전한 그물망구조가 나타나지 않고, 경도 및 열전도성이 떨어짐을 알 수 있었다. Additionally, it was found that the mechanical properties and thermal properties varied depending on the heat treatment method. Comparing Example 4 (heat treatment in a heat treatment furnace) and Comparative Example 10 (heat treatment in a quenching furnace), when heat treatment is performed by quenching under all the same conditions (Comparative Example 10), a complete network structure does not appear, and hardness and thermal conductivity It could be seen that the strength had declined.
이상의 결과를 종합하면, Cu 함량은 약 20 ~ 32at%(나머지는 Fe) 범위 내로 조성하고, 열처리는 열처리로(전기로)에서 진행하되 945℃ ~ 980℃(바람직하게는 950℃ ~ 970℃)의 온도 범위에서 열처리하며, 열처리 후에는 급냉(냉각매체에 담금질)으로 냉각시키는 경우, 크랙이 없고 완전한 그물망구조를 가지며, 기계적 물성 및 열적 특성이 우수함을 알 수 있었다. 구체적으로는 기계적 물성 및 열적 특성으로서, 적어도 30 HRC 이상의 로크웰 경도, 적어도 700 N/㎟ 이상의 인장강도, 및 적어도 90 W/mㆍK 이상의 열전도율을 가짐을 알 수 있었다. 이와 같은 특성을 가지는 본 발명의 철-구리(Fe-Cu) 합금은 베릴륨-동(Be-Cu) 합금을 대체할 수 있음은 물론, 이는 특히 30 HRC 이상의 고경도와 함께 90 W/mㆍK 이상의 높은 열전도율을 가짐으로 인해 냉각용 기계부품 등으로 유용하게 사용될 수 있다. Summarizing the above results, the Cu content is within the range of about 20 to 32 at% (the rest is Fe), and the heat treatment is performed in a heat treatment furnace (electric furnace) at 945 ° C to 980 ° C (preferably 950 ° C to 970 ° C) In the case of heat treatment in the temperature range of, and cooling by rapid cooling (quenching in a cooling medium) after heat treatment, it was found that there were no cracks, a perfect network structure, and excellent mechanical properties and thermal properties. Specifically, as mechanical properties and thermal properties, it was found to have a Rockwell hardness of at least 30 HRC or more, a tensile strength of at least 700 N/mm 2 or more, and a thermal conductivity of at least 90 W/m·K or more. The iron-copper (Fe-Cu) alloy of the present invention having such characteristics can replace the beryllium-copper (Be-Cu) alloy, and in particular, it has a high hardness of 30 HRC or more and a hardness of 90 W/m K or more. Due to its high thermal conductivity, it can be usefully used as mechanical parts for cooling.
10 : 그물망구조 12 : 구리-리치선 10: mesh structure 12: copper-rich wire
Claims (7)
상기 용탕을 주조틀에 주입하여 주조물을 형성하는 주조 공정; 및
상기 주조물을 상온에서 자연 냉각시키는 냉각 공정을 포함하고,
상기 자연 냉각된 주조물을 860℃ 이상에서 열처리 시 균열이 발생되지 않는 철-구리 합금의 제조방법.
A melting process of inputting and melting iron and copper into a melting furnace to form molten metal so that the iron-copper alloy contains 65 to 85 atomic% of iron and 15 to 35 atomic% of copper;
a casting process of forming a casting by injecting the molten metal into a casting mold; and
Including a cooling step of naturally cooling the casting at room temperature,
Method for producing an iron-copper alloy in which cracks do not occur when the naturally cooled casting is heat-treated at 860 ° C or higher.
상기 용탕을 주조틀에 주입하여 주조물을 형성하는 주조 공정;
상기 주조물을 상온에서 자연 냉각시키는 냉각 공정;
상기 자연 냉각된 주조물을 열처리로에 투입하여 945℃ ~ 980℃의 온도에서 열처리하는 열처리 공정; 및
상기 열처리된 주조물을 열처리 직후 냉각매체에 담금질하여 급냉시키는 급냉 공정을 포함하고,
합금 조직에 구리에 의해 형성된 그물망구조를 가지는 철-구리 합금의 제조방법.
A melting process of inputting and melting iron and copper into a melting furnace to form molten metal so that the iron-copper alloy contains 65 to 85 atomic% of iron and 15 to 35 atomic% of copper;
a casting process of forming a casting by injecting the molten metal into a casting mold;
A cooling step of naturally cooling the casting at room temperature;
A heat treatment step of putting the naturally cooled casting into a heat treatment furnace and heat-treating it at a temperature of 945° C. to 980° C.; and
Including a quenching step of quenching the heat-treated casting in a cooling medium immediately after heat treatment,
A method for producing an iron-copper alloy having a network structure formed by copper in the alloy structure.
상기 열처리 공정은, 상기 자연 냉각된 주조물을 열처리로에 투입한 다음, 상기 열처리로 내의 온도를 2℃/분 ~ 15℃/분의 속도로 945℃ ~ 980℃로 승온시켜 진행하는 철-구리 합금의 제조방법.
According to claim 2,
In the heat treatment process, the iron-copper alloy proceeds by introducing the naturally cooled casting into a heat treatment furnace and then raising the temperature in the heat treatment furnace to 945° C. to 980° C. at a rate of 2° C./min to 15° C./min. Manufacturing method of.
제2항에 따른 철-구리 합금의 제조방법으로 제조되고,
철 68 ~ 80원자%; 및
구리 20 ~ 32원자%를 포함하며,
합금 조직에 구리에 의해 형성된 그물망구조를 가지며,
하기 (a) 내지 (c)의 물성을 가지는 철-구리 합금.
(a) 로크웰 경도 30 HRC 이상
(b) 인장강도 700 N/㎟ 이상
(c) 열전도율 90 W/mㆍK 이상
In iron-copper alloys,
It is produced by the manufacturing method of the iron-copper alloy according to claim 2,
68 to 80 atomic percent iron; and
Contains 20 to 32 atomic% of copper,
It has a network structure formed by copper in the alloy structure,
An iron-copper alloy having the following physical properties (a) to (c).
(a) Rockwell hardness of 30 HRC or more
(b) Tensile strength of 700 N/㎟ or more
(c) Thermal conductivity of 90 W/mㆍK or more
철 65 ~ 85원자%; 및
구리 15 ~ 35원자%를 포함하고,
합금 조직에 구리에 의해 형성된 그물망구조를 가지는 철-구리 합금.
In iron-copper alloys,
65 to 85 atomic percent iron; and
Contains 15 to 35 atomic% of copper,
An iron-copper alloy having a network structure formed by copper in the alloy structure.
상기 철-구리 합금은,
철 68 ~ 80원자%; 및
구리 20 ~ 32원자%를 포함하고,
하기 (a) 내지 (c)의 물성을 가지는 철-구리 합금.
(a) 로크웰 경도 30 HRC 이상
(b) 인장강도 700 N/㎟ 이상
(c) 열전도율 90 W/mㆍK 이상
According to claim 5,
The iron-copper alloy,
68 to 80 atomic percent iron; and
Contains 20 to 32 atomic% of copper,
An iron-copper alloy having the following physical properties (a) to (c).
(a) Rockwell hardness of 30 HRC or more
(b) Tensile strength of 700 N/㎟ or more
(c) Thermal conductivity of 90 W/mㆍK or more
상기 그물망구조는, 구리-리치선이 그물망 형태로 연결되어 형성되고,
상기 구리-리치선은 0.1㎛ ~ 30㎛의 굵기를 가지는 철-구리 합금.
According to any one of claims 4 to 6,
The mesh structure is formed by connecting copper-rich wires in a mesh shape,
The copper-rich wire is an iron-copper alloy having a thickness of 0.1 μm to 30 μm.
Priority Applications (2)
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