Cu-Sn 유기금속의 마르텐사이트 상분석 연구

Abstract

전통금속기술인 유기는 구리-주석 합금으로서 22%의 주석을 함유하고, 고온 담금질로 우수한 기계적 성질을 얻는 청동계 마르텐사이트 합금이다. 최근 유기가 가지는 살균효과가 과학적으로 입증이 됨으로써 식기 등으로의 수요가 증가하고 있으며, 또한 의료 소재로 유기가 향균동으로 활용될 수 있음에 주목 받고 있다. 하지만 대부분 전통금속기술들은 소수 장인들의 경험적 지식에 의존하고 전승되어, 그 결과 체계적인 기술의 발전이나 현대 재료 기술의 도입이 이루어지지 않고 있는 한계점을 가지고 있다. 유기는 제조 방식에 의해 방짜유기와 주조유기로 구분이 된다. 비교적 제조공정이 간단한 주조유기는 높은 강도를 가지지만 가공이 불가능한 반면에 방짜유기의 경우, 고온에서 가공이 가능하고 급속냉각(담금질)을 하여 높은 강도와 연성을 얻을 수 있어 다양한 응용이 기대된다. 그러나 방짜유기에서 열간가공과 급속냉각으로 만들어진 마르텐사이트의 결정구조는 정확히 규명되어 있지 않으며, 특히 β 마르텐사이트의 결정구조는 orthorhombic, hexagonal, monoclinic, triclinic 등 논란이 되고 있다. 뿐만 아니라 560℃에서 형성되는 γ 상은 DO3 타입의 구조라고 알려져 있을 뿐 마르텐사이트의 결정구조는 알려져 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 방짜유기 연구에 기본적으로 요구되는 결정상 규명과 상변태 거동 연구를 수행하였다. 22%의 주석을 함유한 방짜유기는 전기로 내부에 장착된 SiC 도가니에 78%구리와 22%주석의 무게비로 장입한 후 1350-1400℃까지 가열하여 완전히 용융시킨 후 철몰드에 출탕하여 주조재를 제작한다. 그 후 주조된 구리-22%주석 합금을 775℃에서 열간 압연을 한 후 775℃에서 열처리 하여 물로 급속냉각을 통해 β 마르텐사이트가 만들어지고, γ 마르텐사이트는 560℃에서 열간 압연과 열처리를 통해 만들어진다. 마르텐사이트의 상변태 온도를 파악하기 위해 시차주사열량측정법(DSC) 분석을 수행하였고, 이를 토대로 실시간 고온 X-선 회절(HT-XRD) 분석을 통해 결정상을 규명하였다. 미세구조 분석을 위해 주사전자현미경(SEM)과 투과전자현미경(TEM) 분석을 수행하였으며, 특히 제한시야회절패턴(SADP)을 통해 결정구조를 확인하였다.