KR0154261B1 - ε마르텐사이트를 함유한 Co-Ni계 방진합금과 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 Co-(5-35)wt%Ni 이원계 합금을 용체화 처리한 후 상온에 냉각하거나 심냉처리하여 ε 마르텐 사이트를 생기게 하여 상온에서 높은 진동감쇠능을 나타내는 Co-Ni계 방진합금과 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 ε 마르텐사이트를 함유한 Co-Ni계 방진합금의 제조방법은 중량%로 C : 0.03%이하, Ni : 5-35%, 잔부 : Co 로 조성된 합금을 마무리 압연온도를 1,000-1,200℃로 하여 열간압연하는 단계와 , 상기 열간압연한 합금을 900-1050℃의 온도에서 1시간 용체화 처리하는 단계와, 상기 용체화 처리된 합금을 상온에 냉각하거나 액체질소에 심냉처리하는 단계로 이루어진다.

Description

ε마르텐사이트를 함유한 Co-Ni계 방진합금과 그 제조방법

제1도는 Co-Ni 합금의 상태도.

제2도는 발명합금 3에서 심냉처리 온도에 따른 ε 마르텐사이트 양의 변화도.

제3도는 비틀림 진동시편의 형상 및 치수를 나타낸 단면도.

제4도는 여러진동변형률에서 ε 마르텐사이트 양에 따른 진동감쇠능의 변화도이다.

본 발명은 Co-(5~35)wt%Ni 이원계 합금을 용체화 처리한 후 상온에 냉각하거나 심냉처리하여 ε 마르텐사이트를 생기게 하여 상온에서 높은 진동감쇠능을 나타내는 CO-Ni계 방진합금과 그 제조방법에 관한 것이다.

고도의 산업화, 기계화는 생활의 윤택함과 편리함을 가져다 준 반면, 그로인해 생긴 소음과 진동은 각종 정밀기기의 정밀도 저하 및 부품의 조기 피로 파괴 등을 야기시키고 있다.

따라서 불필요한 소음과 진동을 줄이기 위한 다각적인 연구가 오랫동안 진행되어 오고 있는데, 이들 연구의 주된 흐름은 크게 기계설계 개선에 의한 것과, 방진합금 개발에 의한 것으로 나눌 수 있다.

전자는 진동원이 되늑 곳에 외력을 가하여 진동을 강제로 억제시키는 방법으로 근본적인 방진대책이라고 볼 수 없다.

반면에 후자는 진동을 일으키는 진동원에 진동감쇠능이 큰 합금을 사용하여 진동을 억제시키는 방법으로서 진동을 보다 적극적이고도 근본적으로 소멸시키는 방법이다.

지금까지 개발된 방진합금으로는 Fe-Cr-Al, Co-Ni, Mg-Zr, Mn-Cu, Cu-Al-Ni, Ni-Ti 등이 있다.

이러한 방진합금은 그 진동감쇠기구에 따라 다음의 표 1과 같이 전위형, 쌍정형, 복합형과 강자성형의 4가지 유형으로 분류할 수 있다.

상기 표1의 방진합금 가운데서도 특히 강자성형 방진합금들에 대한 연구가 가장 활발하게 진행되어 왔다.

이 강자성형 합금은 외부에서 가해지는 진동응력에 의해 강자성체 재료내에 존재하는 자구벽이 이동하여 진동에너지를 흡수하게 된다.

이 강자성형 방진합금에 속하는 대표적인 합금으로는 Co-Ni 합금을 들 수 있다. 이 합금계는 제1도에서 보여지는 바와 같이 Ni이 약 27%까지는 상온조직이 FCC결정구조를 갖고 고온의 α상과 HCP 결정구조를 갖는 저온의 ε 마르텐사이트상의 혼합조직으로 구성되어 있다.

그러나 Ni 이 약 27% 이상이 되면 상온에서도 α 단상이 되는 특성을 갖고 있다. 강자성형 방진합금은 그 진동감쇠기구의 특성상 결정립계, 전위 또는 불순원소들이 적어 자구벽의 이동이 용이하여야 하므로, 종래의 Co-NI 강자성형 방진합금은 모두 상온조직이 FCC 결정구조를 갖는 α단상이고 조대한 결정립과 불순원소를 최대한 줄이는 기술로 제조되어 왔다.

이렇게 제조된 종래의 Co-Ni 강자성형 방진합금은 자구벽의 이동이 용이하게 되었지만, 반면에 강도가 매우 낮아지게 되어 구조용 재료로서 사용이 거의 어려운 문제점이 있었다.

뿐만 아니라, 항복강도의 저하로 인해 조금만 큰 외부 진동응력이 가해져도 재료가 쉽게 소성변형되므로 큰 진동응력에서는 사용할 수 없는 결점도 내포하고 있었다.

그러나, 최근 본 발명자들은 Fe-Mn 계 합금에서 비록 이 합금이 강자성체 재료가 아닐지라도, FCC 결정구조를 갖는 모상과 HCP 결정구조를 갖는 ε 마르텐사이트상이 혼합되어 있을 때 높은 진동감쇠능이 나타난다는 사실과 그 진동감쇠는 모상과 마르텐사이트상의 상경계, 모상내의 적층결함 경계, 마르텐사이트상내의 적층결함 경계 등의 이동에 기인한다는 사실을 밝혀내고 이미 국내외 특허를 획득한 바 있다. (Korea Pat. No.057437 1992.12.10., U.S.A Pat No.5290372, 1994.3.1)

그러므로 본 발명에서는 바로 이러한 점에 착안하여 Fe-Mn 합금과 유사한 상변태 특성을 갖는 Co-Ni 합금을 선택하여 기존의 강자성형 방진기구를 이용한 방진합금이 아니라, ε 마르텐사이트 변태를 이용한 새로운 개념의 Co-(5~35)wt%Ni 방진합금을 제공하는 것을 본 방명의 목적으로 하고 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 중량%로 C : 0.03% 이하, Ni : 5~35%, 잔부 : Co 로 조성되고, ε 마르텐사이트 조직이 10~90체적% 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 ε 마르텐사이트를 함유한 Co-Ni계 방진합금을 제공한다.

또한 본 발명은 중량%로 C : 0.03%이하, Ni : 5~35%, 잔부 : Co 로 조성된 합금을 마무리 압연온도를 1000~1200℃로 하여 열간압연하는 단계와, 상기 열간압연한 합금을 900~1050℃의 온도에서 1시간 용체화 처리하는 단계와, 상기 용체화 처리된 합금을 상온에 냉각하거나 액체질소에 심냉처리하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 ε 마르텐사이트를 함유한 Co-Ni계 방진합금의 제조방법을 제공한다.

이하, 본 발명의 수치한정의 이유에 대하여 설명한다.

먼저, C : 0.03wt%이하로 한정한 이유는 일반적으로 탄소의 함량이 많을수록 재료의 강도는 증가되어 기계적 성질 면에서 유리하다.

그러나, 탄소는 강중에 소량 첨가되어도 오스테나이트상을 안정화시키고 마르텐사이트 변태 개시온도(Ms)를 낮추기 때문에 ε 마르텐사이트의 생성을 어렵게 한다.

또한, 탄소가 많이 첨가되면 모상과 마르텐사이트상의 상경계, 모상내의 적층결함 경계, 마르텐사이트상내의 적층결합 경계 등의 이동이 방해되므로 진동감쇠능이 저하되기 쉽다.

그러므로, 본 발명에서는 탄소의 함량을 통상 공업적으로 무리없이 생산이 가능한 0.03wt% 이하로 한정하였다.

또한, Ni을 5~35wt%로 한정한 이유는 Ni가 5wt%이하이면 마르텐사이트변태 개시온도가 상승하게 되어 상온에 냉각하여 ε 마르텐사이트 변태가 용이하게 일어나지만, 값이 비싼 Co량이 너무 많이 소요되어 경제적으로 불리하기 때문이고, Ni가 35wt% 이상이면 마르텐사이트 변태 개시온도가 너무 낮아져 용체화 처리후 액체질소 (-196℃)에 심냉처리를 하더라도 ε 마르텐사이트가 전혀 생기지 않기 때문이다.

그리고, 본 발명 합금에 함유되어 있는 ε 마르텐사이트 조직의 체적%를 10~90%로 한정하는 이유는 10체적% 이하일 경우 진동감쇠효과 없으며, 90체적%이상일 경우 진동감쇠 효과는 우수하나 다른 기계적 성질이 저하되기 때문이다.

상기와 같은 성분조성을 갖는 Co-(5~35)wt%Ni 계 합금을 마무리 압연온도를 1000~1200℃의 고온에서 열간압연한 다음, 용체화 처리를 950~1050℃ 에서 1시간 행하고, 용체화 처리된 합금을 상온에 냉각하거나 액체질소에 심냉처리하여 본 발명의 ε 마르텐사이트를 함유한 Co-Ni 계 방진합금을 제조하는데 이때 열간압연시 마무리 압연온도를 1000~1200℃로 하는 이유는 마무리 압연온도가 너무 낮으면 열간가공성이 나빠져 열간압연중 재료균열이 생기기 때문이고, 용체화 열처리를 950~1050℃ 로 하는 이유는 이 온도범위에서 용체화 처리한 경우가 용체화 처리후 상온에 냉각하거나 액체질소에 심냉 처리하였을 때 가장 많은 ε 마르텐사이트가 생기기 때문이다.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

[실시예]

다음 표 2에는 본 발명합금과 비교강들의 화학성분을 나타내었다.

비교강 1은 0.45%C강, 비교강 2는 0.8%C 공석강, 비교강 3은 304 오스테나이트 스테인레스강으로 이미 공업적으로 잘 알려진 강종들이다.

한편, 비교강 4는 본 발명자들이 이미 특허를 획득한 바 있는 Fe-Mn계 합금이고, 비교강 5는 강자성형 방진기구를 이용한 종래의Co-32%Ni 방진합금이다.

발명합금들은 모두 ε 마르텐사이트상을 포함하고 있다.

발명합금들과 비교강4, 비교강 5는 모두 마무리 압연온도를 약 1000℃ 이상으로 하여 열간압연하였는데, 발명합금 1, 발명합금 2와 비교강 4는 열간압연후 상온에서 오스테나이트 상과 ε 마르텐사이트 상의 혼합조직을 갖고 있다.

한편, 발명합금 3과 비교강 5는 Ni 함량이 많아 M온도가 상온 이하로 낮아졌기 때문에 열간압연후 상온에서 오스테나이트 단상이었고, 이강의 M온도는 약 -40℃ 이었다.

이와같이 열간압연한 강들을 800~1100℃ 범위의 여러온도에서 1시간 동안 용체화 처리시킨 후 상온에서 냉각하여 액체질소에 심냉처리를 시켰다.

그 결과 950~1050℃ 에서 가장 많은 ε 마르텐사이트가 생성된다는 것을 X-ray 회절시험과 광학현미경 조직관찰을 통해 확인하였다.

발명합금 3의 경우 열간압연상태에서는 오스테나이트 단상이었으나, 액체 질소에 심냉처리후에 ε 마르텐사이트가 약 50체적% 생김을 알 수 있었다.(제2도 참조)

발명합금 1은 용체화처리후 상온에 냉각하면 약 90% ε 마르텐사이트가 생기고 발명합금 2는 용체화 처리후 상온에 냉각하면 약 70%의 ε 마르텐사이트가 생성된다.

한편, 진동감쇠능은 비틀림 진동장치(Torsion Pendulum)을 사용하여 측정하였으며, 이때 사용한 시편의 치수를 제3도에 나타내었다.

진동감쇠능은 2×10 ~ 6×10 의 변형범위에서 측정하였으며, 진동감쇠능은 다음식으로 정의되는 대수감수율(δ)로 나타내었다.

δ = In (An / An+1)

여기서 An은 진동곡선에서 n번째 진폭, An은 n+1번째 진폭이다.

제4도에는 여러 진동변형률에서 ε 마르텐사이트 양에 따른 진동감쇠능의 변화를 보여주고 있다. 그림에서 알 수 있듯이 대체로 ε 마르텐사이트양이 많을수록 진동감쇠능이 향상되었고, 특히 큰 진동변형률에서 진동감쇠능이 더욱 우수함을 알 수 있었다.

따라서 본 발명합금들은 비교적 큰 진동응력에서 오히려 보다 좋은 감쇠능을 나타내므로 그 사용범위가 공업적으로 매우 넓은 것으로 기대된다.

한편, 앞서 설명한 바와 같이 방진합금은 진동감쇠능이 우수하여야 함은 물론이고 동시에 기계적 성질이 우수하여야만 공업적 구조용 재료로써 사용이 가능하다.

따라서 이 두가지 인자를 동시에 평가하여야 하는데 이를 위해서는 두 값을 곱한 값이 클수록 우수한 방진합금임을 나타내는 방법이 가장 널리 사용되고 있으며, 본 발명합금과 비교강들의 진동감쇠능과 경도를 곱한 값을 하기 표 3에 나타내었다.

상기 표3으로부터 ε 마르텐사이트변태를 이용한 본 발명합금들의 값이 비교강들에 비해 훨씬 높게 나타나고 있어 공업적으로 그 사용가능성이 한층 높은 우수한 방진합금임을 알 수 있다.

이와 같은 본 발명은 실제 공정적으로 생산가능한 정도의 탄소함량을 갖으면서도, 적정 Ni 함량과 950~1050℃ 에서 용체화처리후 상온에 냉각하거나 액체질소에서의 심냉처리를 통해 ε 마르텐사이트를 가능한 한 많이 생성시키는 방법으로 큰 진동응력(진동변형률)에서도 소성변형이 일어나지 않고 높은 진동감쇠능을 나타내며, 동시에 기계적 성질도 향상되어 기존의 FCC 단상의 강자성형 Co-Ni 방진합금보다 구조용 재료로서의 사용 가능성이 한층 높아진 새로운 감쇠기구에 의한 방진합금임을 알 수 있다.

Claims (2)

1. 중량%로 C : 0.03%이하, Ni : 5~35%, 잔부 Co로 조성되고, ε 마르텐사이트 조직이 10~90 체적% 함유되어 있는 것을 특징으로 하는 ε 마르텐사이트를 함유한 Co-Ni 방진합금.
2. 중량%로 C : 0.03%이하, Ni : 5~35%, 잔부 Co 로 조성된 합금을 마무리 압연온도를 1000~1200℃로 하여 열간압연하는 단계와 ; 상기 열간압연한 합금을 900~1050℃ 의 온도에서 1시간 용체화 처리하는 단계와 ; 상기 용체화 처리된 합금을 상온에 냉각하거나 액체질소에 심냉 처리하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 ε 마르텐사이트를 함유한 Co-Ni계 합금의 제조방법.