[재료공학실험]합금의 경도 및 전기전도도 측정

실험 목적

1. 합금의 조성 변화에 따른 전기 전도도의 변화를 측정한다.

2. 측정 자료를 통하여 고용강화의 효과를 고찰한다.

실험 이론 및 원리

1. 실험 요약

실험 목표는 고용강화의 효과를 관찰하고, Cu-Zn계 합금의 조성 변화를 통한 전기전도도와 경도 값의 변화를 측정하는 것이다. 실험 이론은 고용체에 대한 정의와 고용강화의 종류를 설명하고, 고용강화 시 물성들이 어떻게 변화하는가에 대해 조사를 했다. 실험 준비물을 통하여 실험을 실시하였고, 그 결과들을 통해 고용강화 시에는 강도, 경도가 증가하지만 열 및 전기전도도가 감소하는 것을 알 수 있었다.

 

2. 고용강화

고용체(solid solution)는 고체 금속의 결정이 다른 원소를 원자적으로 용해하여 생긴 균일한 고상을 뜻한다. 고체의 결정 속에 다른 원소의 원자가 혼입해서 균일하게 분포하여 용액의 경우와 같은 상태로 된 것을 말한다. 예를 들어 물에 설탕을 고르게 녹이면 외관으론 보통의 물과 같이 보이지만, 어느 부분에나 설탕이 고르게 분포되어 있기 때문에 똑같이 달다.이것과 마찬가지로 금속에서도 구리 속에 아연 5%를 혼입한 고체는 외관상으로는 대체로 구리로 보이지만, 어느 부분을 분석해 보아도 5%의 아연이 함유되어있다. 여기서 구리 원자와 같은 모상 원자를 용매원자라 하고, 녹아드는 아연 원자와 같은 것을 용질 원자라 부른다.

치환형 고용체

침입형 고용체

 

이렇게 다른 원소와 균일하게 섞이는 방법에는 2가지 종류가 있다. 첫 번째는 치환형 고용체이고, 두 번째는 침입형 고용체라 한다. 고체 결정의 배열은 원자가 규칙적으로 일정한 거리간격을 두고 나란히 배열되어 있는데, 고체의 원자와 크기가 비슷한 다른 원소의 원자는 원자 사이에 끼어 들어갈 수가 없으므로 나란히 배열되어 있는 모상 원자를 밀어내고 그 자리로 대신 치환되는 방법을 치환형 고용체이다. 또 다른 방법은 나란히 배열되어 있는 원자들의 사이의 틈은 가장 넓은 곳이라도 원자의 지름의 40%밖에 안 된다.

따라서 다른 용질 원자는 모상 원자보다 매우 작은 것이 아니면 그 사이에 끼어들어갈 수가 없다. 이렇게 원자 사이의 틈에 다른 원소의 원자가 끼어들어가 있는 형태의 고용체를 침입형 고용체라 한다. 고용강화는 고용체를 형성할 때 기계적 특성이 향상되는 현상을 말한다. 침입형 또는 치환형 형태로 결정격자의 변형이 발생하여 변형 시 전위의 미끄럼운동이 용질원자에 의해 방해를 받아서 기계적 특성이 향상되는 것이다. 그러나 이렇게 기계적 특성은 향상이 되나 연성 및 전성이 저하되고, 전기나 열의 전도율이 저하한다.

 

3. Cu-Zn계 합금

Cu-Zn계 구리합금은 황동, 놋쇠라고 불린다. 이것은 대표적인 포정 합금이다. 포정 반응이란 어느 합금의 융액과 다른 합금 성분의 고상이 작용하여 새로운 종별의 고상을 만드는 등온 가역 반응을 말한다. 상태도에서와 같이 구리는 454 에서 최대 38.95wt%의 아연을 고용하여 단상인 α상을 형성하여 이 범위 내에서 고용강화 효과를 가진다.

Phase diagram of Cu-Zn

일반적으로 증가하면 강도와 경도는 증가하지만, 열 및 전기전도도는 감소하게 된다. 황동의 조성에 따른 물성 변화를 다음 그래프에 나타나있다.

Electrical conductivity as a function of tensile strength for annealed copper alloy strip.

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

1) 소재 : 99.9wt% Cu, Zn

2) 고주파 유도용해로, 흑연 도가니, mold(STD11 or STD61)

3) 측정장치 : Brinell 경도계, 전기전도도 측정기

breinell 경도 시험기

전기전도도 측정기

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 고주파 유도용해로, 흑연 도가니와 mold를 가지고 Cu + 5/10/15/30wt% Zn 합금을 만든다.

 

왼쪽부터 Pure Cu/5% Zn/10% Zn/15% Zn/30% Zn/ Pure Zn

2) 전기전도도는 시편 표면의 와전류에 대한 저항을 이용하여 측정한다. 전기전도도 측정기로 각 %의 합금의 전기전도도를 측정한다. 시편의 크기는2x2x2cm이다.

 

3) 소재의 경도는 KS B 0805 (금속재료의 브리넬 경도 시험방법) 규격에 따른 경도 시험기를 이용하여 측정한다. 하중 500kg의 조건에서 15초간 유지한 후 Breinell 경도를 시편마다 3회 이상 측정하고 평균값을 산정한다.

실험 결과

1. 전기전도도의 경우

조건 - 24℃, 단위 [% IACS]

Pure Cu	104.3	104.3	104.5
5% Zn 합금	60.87	60.89	60.8
10% Zn 합금	45.39	44.93	45.27
15% Zn 합금	38.62	38.66	38.61
30% Zn 합금	29.12	29.22	29.12
Pure Zn	29.9	29.5	29.8

순 구리에서 순 아연으로 갈수록 전기전도도가 떨어지는 것을 확인할 수 있다.

 

2. Breinell 경도

Zn%	30	15	10	5	0
HB	58	54	49	42	36

전기전도도와는 다르게 합금의 비율이 높아질수록 경도는 올라가는 것을 확인할 수 있다.

토의 사항

1. 실험 고찰

Breinell 경도를 측정할 때 시편을 3번 측정하여 평균값을 산정하는데, 3번 측정할 때에는 각 지점마다 측정점이 멀어야 한다. 왜냐하면 경도기로 압력을 가할 때 측정점이 가까우면 한 점을 측정한 후에 변형이 발생하여 다음 경도 값을 측정할 때 제대로 측정이 안될 수가 있기 때문이다. 그리고 경도 값을 측정할 때 15초 동안 하는 이유는 하중을 받는 시간을 늘려서 500㎏의 하중을 제대로 받게 하기 위함이다.

 

원소주기율표에서 Cu는 29번, Zn은 30번이므로 Cu-Zn계 합금은 치환형 고용체이다. 금속의 특성상 구리의 도전율은 5.80 x 107(mhos/m) 이고, 아연의 도전율은 1.67 x 107(mhos/m) 이다. 따라서 합금에서 아연의 %가 높아질수록 전기전도도는 떨어지게 된다. 그리고 Breinell 경도도 역시 위의 물성을 나타낸 그래프와 같이 합금에서의 아연 %가 높아질수록 경도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 전기전도도를 측정할 때 오차가 덜 발생하기 위해서는 시편을 닦고 측정을 하는 것이 좋을 것이다. 본 실험의 목표대로 조성 변화에 따른 전기전도도와 경도 값의 변화를 측정할 수 있었고, 치환형 고용체를 통한 고용강화의 효과를 알 수 있었다.