나노기술 및 정책 정보

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중국 저장(浙江, 절강) 대학교 연구팀은 최근 나노 석출(析出)을 통해 위치 오류 못질(Pinning)과 위치 오류 수량 배증(倍增) 전략을 제시함. 고용(固溶), 압연 및 시효(時效)를 통해 치밀한 위치 오류와 나노 석출 위상을 Cu-Fe-Ti 합금 속에 도입하여, 구리 합금 속에서 직접 나노 석출 위상과 위치 오류의 상호 역할을 관찰함. 최종적으로 590MPa에 도달하는 인장 저항 강도를 획득하고, 6%의 균일한 인장 비율 및 69%IACS의 전기 전도 비율을 얻음.

이번 연구에서 사용한 성분은 Cu-0.74Fe-0.33Ti(wt%)의 합금으로서 아르곤 가스 보호 하에 서 중간 주파 감응 로(爐)를 사용하여 정련(smelting)을 하게 되며, 주괴(ingot casting)를 3개 그룹으로 나누어 처리하게 됨. 첫 번째 그룹은 1050℃ 하에서 고용(固溶) 8h(S 샘플)이고, 두 번째 그룹은 고용(固溶) 처리 후의 냉간 압연을 통해 두께를 90% 감소시키고(SR 샘플), 세 번째 그룹은 고용(固溶) 압연을 실행한 후 500℃ 하에서 다른 시효(時效) 처리를 실행하게 됨(SRA 샘플).

연구팀은 SRA 샘플에 대해 합금의 경도가 초기 단계에 시효(時效) 시간의 증가에 따라 증가되며, 2h에서 196HV의 피크 수치에 도달하고, 시효(時效) 4h 내 전도율이 급격히 증가되고 있다는 점을 발견함. SP 샘플의 인장 저항 강도(426MPa)가 S 샘플(296MPa)을 대폭 초월하지만 균일한 인장 비율은 상반되고 있으며, 압연을 실행한 후 SR 샘플의 균일 인장 비율은 1%(S 샘플은 285임)로 낮아지고, SRA-2h 샘플은 더욱 높은 전도율, 강도와 균일 인장 비율을 보유하고 있는 것으로 나타났음.

연구팀은 미시 구조에 대한 관찰을 통해 SR 샘플 속에 존재하는 고밀도 위치 오류를 발견함. SR-2h 속에서 치밀한 위치 오류와 나노 석출 위상을 관찰하였으며, EDS 분석을 통해 나노 석출 위상은 FeTi 화합물에 속한다는 점을 발견함. 관련 계산을 통해 S, SR과 SRA 샘플의 위치 오류 밀도는 각각 2.16×1012, 3.67×1015, 2.49×1015/m2 수준에 달한다는 결과를 도출함.

시효(時效) 후 위치 오류 밀도가 어느 정도 감소되고 SRA-2h 샘플은 아주 적은 재결정을 나타내며, 위치 오류 밀도와 결정 입자 사이즈는 합금의 가소성에 끼치는 영향이 매우 작음. 연구팀은 동영상을 통해 직접 나노 석출 위상과 위치 오류의 상호 역할을 발견하였음. 나노 석출 위상은 위치 오류 이동에 영향을 끼칠 뿐만 아니라 위치 오류 수량 배증(倍增)을 추진하며, FeTi 위상의 석출은 Cu 매트릭스(matrix) 순수 정도를 향상시켜 전도 비율을 개선함. 나노 석출 위상이 위치 오류 슬라이딩 이동에 영향을 끼칠 뿐만 아니라 소성의 감소를 발생시킨다는 연구 결론을 도출하였음.

연구팀은 치밀한 나노 석출 위상을 보유한 Cu-0.74Fe-0.33Ti 합금을 개발하였는데 동 합금은 590MPa의 인장 저항 강도를 보유하고 있는 동시에 6%의 균일한 인장 비율과 69%IACS 전도 비율을 보유하고 있는 것으로 나타남. 연구팀은 우수한 성능 조합을 통해 나노 석출 위상이 위치 오류 못질(Pinning) 역할과 수량 배증(倍增)이 고 강도, 고 소성과 고 전도율 구리 합금 분야에서 발휘하는 유효성을 입증함.

본 연구 성과는 ‘Scripta Materialia’ ("Nanoprecipitates induced dislocation pinning and multiplication strategy for designing high strength, plasticity and conductivity Cu alloys")에 게재됨.