KR100245783B1 - 텅스텐을 포함하는 중금속 합금 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주로 구형 텅스텐 입자로 존재하는 약 85 내지 98중량％의 텅스텐과, 고용체중에 텅스텐을 또한 포함하는 오스텐식 결합제 상중의 결합제 원소로서 약 1.6 내지 3.5의 Ni/Co 중량비를 가지는 니켈 및 코발트를 포함하며, 적절한 분말로부터 소결된 합금이 열처리를 받게 되는 중금속 합금 및 그 제조방법에 관한 것이다. 이 합금은 높은 연성을 유지함과 동시에 매우 높은 강도치를 달성할 수 있다.

Description

텅스텐을 포함하는 중금속 합금 및 그 제조 방법

제1도는 변태된 결합제 상 중의 텅스텐 석출물을 나타내는 도면.

제2도는 소결된 93W-6Ni-1Fe 중금속 합금 및 소결된 91W-6Ni-3Co 중금속 합금의 연신율(％ 단위)에 대한 인장 강도(MPa 단위)의 관계를 나타내는 그래프.

제3도는 93W-6Ni-1Fe 중금속 합금의 조직을 나타내는 도면.

제4도는 가공 열처리 없이 열처리된 W-Ni-Co 중금속 합금의 조직을 나타내는 도면.

제5도는 W-Ni-Co 중금속 합금의 결합제 상 중에 미립의 텅스텐 석출물을 얻기 위한 시간-온도 곡선을 개략적으로 나타내는 그래프.

제6도는 결합제 상 중의 텅스텐 석출물의 양을 증가시키기 위한 증가된 다수의 변태 및 용체화 싸이클을 나타내는 또 다른 그래프.

본 발명은 주로 구형 텅스텐 입자의 형태로 존재하는 약 85 내지 98 중량％의 텅스텐과, 약 1.6 내지 3.5의 Ni/Co 중량비로 존재하는 결합제 원소로서의 니켈 및 코발트를 포함하고, 오우스텐식(austenitic) 결합제 상이 고용체 중에 텅스텐을 추가로 함유하는 중금속 합금에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 중금속 합금의 제조 방법에 관한 것이다.

W, Ni 및 Fe를 포함하는 중금속 합금은 미국 특허 제3,979,234호로부터 공지되어 있다. 이 특허에서는, 적당한 분말을 혼합한 후에 프레싱, 소결, 열처리 및 가공을 수행한다. 액체 상태의 결합체 원소 Ni 및 Fe를 소결함으로써, 고밀도 및 오우스텐식 결합제 상 중에 매립된 구형 텅스텐 입자의 조직을 구비하는 합금이 얻어진다. 액체 상의 소결 중에, 텅스텐 입자는 통상 20 내지 60㎛ 범위의 비교적 큰 입자로 신속하게 성장하는데, 이러한 현상은 "오스트발트(Ostwald)의 성숙"으로 알려져 있다. 이러한 성숙의 결과, 특히 텅스텐의 양이 90 내지 97 중량％일 때, 강도 및 연성이 텅스텐 소결 입자의 크기에 의해 제한된다.

탱크전에서는 높은 강도와 연성의 텅스텐 중금속제 관통체가 요구된다. 특히, 표적이 경사지고 관통체의 직경에 대한 길이의 비율이 클 경우에는, 성공적인 발사를 보장하고 높은 관통 능력을 실현시키기 위해 관통체의 재료가 높은 만곡 및 횡부하 수용 능력의 요건에 부합되어야 한다.

이를 달성하기 위해, 미국 특허 제4,012,230호로부터 결합제 원소 Ni 및 Co로 코팅된 텅스텐 분말 입자를 사용하여 W-Ni-Co 중금속 합금을 제조하는 방법이 공지되어 있으며, 이 방법에 따르면 비교적 낮은 소결 온도로 인해 텅스텐 입자의 크기가 약 8㎛로 되는 미립 조직을 얻게 된다. 이러한 중금속 합금의 미립 조직은 경도를 현저히 증가시키는 결과를 가져온다. 그러나, 이러한 방법은 코팅된 텅스텐 분말 입자를 사용하기 때문에 비용이 매우 많이 든다.

미국 특허 제5,064,462호로부터 공지된 93 W, 5.6 Ni, 1.4 Co 중금속 합금은 코발트가 고체 상과 액체 상과의 사이의 계면 에너지를 감소시키기 때문에 높은 만곡 모멘트에 견딜 수 있는 특성을 나타내는데, 그러한 계면 에너지의 감소는 "오스트발트의 성숙"을 억제시키기 위해 의도된 것이다.

H₂및 Ar 분위기 중에서의 열처리가 중금속 합금의 인장 강도 및 연신율에 미치는 영향에 관한 실험이 금속 조직학 저널 제78권(1987년), 제250-258면에 수록된 태갑 강(Thae-Khapp Kang), 에른스트-테오 헤니히(Ernst-Theo Henig) 및 귄터 페쵸프(Gunter Petzow)의 "90W-7Ni-3Fe 중금속 합금의 기계적 성질에 미치는 열처리의 영향(The influence of Heat Treatment on the Mechanical Preperties of the 90W-7Ni-3Fe Heavy Metal Alloy)"이란 제목의 논문으로부터 공지되어 있다. 상기 분위기 중에서 900℃로 등온 열처리를 할 경우, 조사 대상 합금의 결합제 매트릭스 상 중에 불연속 텅스텐 석출물이 발견된다. 이 석출물은 인장 강도(ultimate tensile strength) 및 연신율(elongation after fracture)에는 큰 영향을 미치지 않는다.

EP 0,313,484로부터, Co를 추가로 함유할 수 있는 W-Ni-Fe 중금속 합금에 1000 내지 1300℃의 열처리 및 가공 단계를 포함하는 싸이클을 여러 번 적용하여 구형 텅스텐 입자의 변형 및 정렬에 의해 파괴 강도치를 증가시키는 것이 공지되어 있다.

본 발명의 목적은, 실질적으로 구형 텅스텐 입자의 형태로 존재하는 약 85 내지 98 중량％의 텅스텐과, 약 1.6 내지 3.5의 Ni/Co 중량비로 존재하는 결합제 원소로서의 니켈 및 코발트를 포함하고, 오우스텐식 결합제 상이 고용체 중에 텅스텐을 함유하여, 매우 높은 강도를 낼 수 있는 중금속 합금을 생성하는 것이다.

이러한 목적은 결합제 상이 구형 텅스텐 입자에 비해 매우 작고 넓은 범위에 걸쳐 균일하게 분포되는 텅스텐 석출물을 함유함으로써 달성된다.

결합제 상의 전체에 걸쳐 균일하게 분포되는 미세한 텅스텐 석출물은 결합제상의 1체적％를 넘을 수 있고, 바람직하게는 10 내지 20 체적％, 특히 약 15 체적％로 되는 것이 좋다. 텅스텐 석출물의 평균 입자 크기는 약 10 내지 1000 nm, 바람직하게는 500 nm 미만으로 될 수 있다.

비가공 상태(non-worked state)의 공지의 텅스텐 중금속 합금에는 950 내지 1000 MPa의 인장 강도가 수반되며, 이와 함께 20 내지 40％의 연신율과 100 내지 300 Joule의 충격 강도가 수반된다. 결합제 상 중에 미세한 텅스텐 석출물을 함유하는 본 발명에 따른 텅스텐 중금속 합금에서는, 비가공 상태에서와 유사하게 약 1100 MPa의 인장 강도가 얻어지고, 이와 동시에 약 40％의 연신율 및 약 400 Joule의 충격 에너지가 얻어진다. 추가의 가공 열처리를 한 이후에는, 예컨대 1700 MPa의 강도 수준과 함께 10％의 연신율 및 약 100 Joule의 충격 에너지가 얻어질 수 있다.

결합제 상 중에 넓은 범위에 걸쳐 균일하게 분포되는 본 발명에 따른 미세한 텅스텐 석출물을 얻기 위해, 적절한 분말(약 1 내지 15㎛의 피셔 직경(Fisher diameter)을 구비한 입자를 포함)로부터 소결된 합금을 열처리하게 된다. 이러한 열처리는 약 800 내지 1050℃, 특히 약 950℃의 등온 소둔을 실시하여 결합제 합금을 적어도 부분적으로 금속간 β'상으로 변태시키는 단계를 포함한 하나 이상의 싸이클을 포함한다. 또한, 그 열처리는 후속적으로 1100 내지 1200℃, 특히 약 1150℃의 소둔을 실시하여 금속간 β'상을 적어도 부분적으로 재용해시키고, 그후에 대략 주변 온도(20℃)로 급냉시켜 금속간 β'상의 재형성 및 성장을 억제하는 단계를 포함한다.

결합제 합금의 석출 경화는 결합제가 오우스텐식 결합제 상보다 더 많은 텅스텐을 함유하는 금속간 β'상으로 상 변태를 하는 것으로부터 시작된다. 그 결과, 결합제 중에서 텅스텐 농도의 현저한 차이가 생기게 된다.

β'상은 그 화학량론 조성(stoichiometric composition)이 (Ni, Co)₃W인 취성의 3원 금속간 상이다. β'상의 결정 구조는 실제 직사방정계이고, 그 격자 크기는 a=5.0924 옹스트롬 단위, b=4.1753 옹스트롬 단위 및 c=4.4472 옹스트롬 단위이다. 또한, β' 상은 준안정 특성을 구비하지 않는 정돈된 조직으로 이루어진다.

결합제 합금(r 상)이 금속간 β' 상으로 변태되는 것은 변태의 초기 상 중의 W/r 경계부로부터 시작된다. 소둔 회수를 증가시키면 보다 더 넓은 범위에 걸쳐 β' 상 성분이 생성된다. 최초의 등온 변태 후, 결합제 조직이 약 50 내지 100％까지, 바람직하게는 약 80% β' 상으로 전환된 결과를 얻게 된다. 그러나, 아직까지는 결합제 상 중에 텅스텐 석출물이 생성되지 않는다. 이러한 텅스텐 석출물은 β' 상이 후속된 용체화 소둔 중에 보다 더 높은 온도로 재용해되는 동안에야 비로소 출현한다.

텅스텐의 석출도는 1회의 변태 및 용체화 소둔 이후에도 여전히 비교적 낮은 정도에 불과하다. 이러한 석출도를 증가시키기 위해, r 상의 β' 상으로의 변태를 반복하고(이에 해당하는 조직의 예가 제1도에 도시), 그 후에 용체화 소둔을 반복한다.

본 발명의 또 다른 실시예는 이후의 설명 및 청구 범위의 종속항에 개시되어 있다.

이하, 본 발명을 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

제2도는 950℃에서의 4.5시간 동안의 변태 소둔, 1150℃에서의 5시간 동안의 용체화 소둔 및 후속되는 용체화 온도로부터 주변 온도로의 급냉을 수반하는 열처리를 연속적으로 1회 이상 실시한 소결된 93W-6Ni-1Fe 중금속 합금(그 조직은 제3도에 도시) 및 소결된 91W-6Ni-3Co 중금속 합금(합금 조성은 중량％)에 대해 그 인장 강도(MPa 단위)와 연신율(％ 단위)과의 관계를 나타낸 그래프이다. 또한, 이 그래프는 추가의 가공 열처리(가공 및 소둔을 포함한 약 1회 이상의 싸이클)에 의한 2개의 값이 전개에 관한 곡선도 나타내고 있다. 결합제 상 중에 미세한 텅스텐 석출물을 함유하는 W-Ni-Co 중금속 합금이 향상된 강도 및 연성 특성을 나타내는 것을 명확히 알 수 있다.

제4도는 변태 소둔 및 용체화 소둔의 1회 이상의 싸이클(가공 열처리를 하지 않음)을 포함하는 열처리를 실시한 W-Ni-Co 합금의 조직을 나타내고 있다. 백색으로 보이는 조대한 구형 텅스텐 입자(α 상)와 함께 결합제 매트릭스의 넓은 범위에 걸쳐 균일하게 분포되는 텅스텐 석출물은 구형 텅스텐 입자에 비해 매우 작고, 흑색으로 보이는 결합제 매트릭스 중에서 층상이 아닌 형태를 나타낸다.

이러한 상태에서는, 결합제 합금이 텅스텐을 배제하는 것이 아니라, 오히려 그 크기가 1자리수 만큼 큰 42 중량％의 비교적 많은 양의 텅스텐을 고용체 중에 함유한다.

코발트 및 텅스텐이 모두 적층 결함(stacking fault) 에너지를 감소시키기 때문에, 결합체 상은 현저히 증가된 정도로 변형 경화된다: 전위(dislocation)와 관련된 입자 경화로 통상 알려져 있는 바와 같이, 보다 더 경도를 증가시키는 메카니즘이 결합체 합금에 사용되어, 상당히 높은 연성을 유지함과 동시에 강도를 현저히 증가시킬 수 있다.

제5도는 W-Ni-Co 중금속 결합제 상 중에 극히 미세한 텅스텐 석출물을 얻기 위한 열처리에서의 온도-시간 곡선의 일례를 개략적으로 나타내고 있다. 제6도에 도시된 바와 같이, 변태 및 용체화 싸이클의 회수를 증가시키면 결합제 상중에 원하는 최대의 텅스텐 양이 나타날 수 있다.

특히 진공으로 수행되는 등온 변태는 약 0.5 내지 20시간, 예컨대 4.5시간 동안 수행되는 것이 바람직한 반면에, 용체화 소둔은 약 0.2 내지 10시간, 예컨대 5시간 동안 수행될 수 있다.

본 발명의 범위와 사상을 벗어남이 없이 본 발명을 다양하게 변경할 수 있음은 당업자에게 명백한 것이고, 또한 당업자는 그러한 변경을 쉽게 이룰 수 있을 것이다. 따라서, 첨부된 특허 청구의 범위의 범주는 전술한 설명에 한정되는 것으로 의도된 것이 아니라, 본 발명에 내재된 특허 받을 수 있는 신규의 제반 특징 및 본 발명의 당업자에게 균등물로서 취급되는 모든 특징을 포함하는 것으로 파악되어야 할 것이다.

Claims (12)

1. 구형 텅스텐 입자의 형태로 존재하는 85 내지 98 중량％의 텅스텐과, 1.6 내지 3.5의 Ni/Co 중량비로 존재하는 결합제 원소로서의 니켄 및 코발트를 오우스텐식 결합제 상 중에 포함하고, 오우스텐식 결합제 상도 역시 고용체중에 텅스텐을 함유하며, 상기 결합제 상은 구형 텅스텐 입자보다 미세한 입자의 형태이고 균일하게 분포되는 텅스텐 석출물을 추가로 함유하고, 상기 텅스텐 석출물은 1 내지 20 체적％로 존재하며, 상기 텅스텐 석출물의 평균 입자 크기는 10 내지 1000nm인 것을 특징으로 하는 중금속 합금.
2. 제1항에 있어서, 상기 텅스텐 석출물의 평균 입자 크기는 10 내지 500nm인 것을 특징으로 하는 중금속 합금.
3. 제1항에 있어서, 상기 텅스텐 석출물은 10 내지 20 체적％로 존재하는 것을 특징으로 하는 중금속 합금.
4. 제1항에 있어서, 상기 텅스텐 석출물은 15 체적％로 존재하는 것을 특징으로 하는 중금속 합금.
5. 85 내지 98 중량％의 텅스텐과, 1.6 내지 3.5 Ni/Co 중량비의 니켈 및 코발트를 포함하는 합금을 만드는 단계; 상기 합금을 800℃ 내지 1050℃의 온도로 등온 소둔하여 금속간 β' 상을 형성하는 단계; 금속간 β' 상을 함유하는 상기 합금을 1100℃ 내지 1200℃의 온도로 추가적으로 소둔하여 상기 β' 상을 적어도 부분적으로 재용해시키는 단계; 및 상기 합금을 20℃로 급냉하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 중금속 합금의 제조 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 금속간 β' 상의 화학량론 조성은 (Ni, Co)₃W인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
7. 제5항에 있어서, 상기 등온 소둔 단계, 상기 추가의 소둔 단계 및 상기 급냉 단계를 반복하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
8. 제5항에 있어서, 상기 등온 소둔은 950℃로 수행되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
9. 제5항에 있어서, 상기 추가의 소둔은 1150℃로 수행되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
10. 제5항에 있어서, 상기 등온 소둔은 0.5 내지 20시간의 기간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
11. 제5항에 있어서, 상기 추가의 소둔은 0.2 내지 10시간의 기간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
12. 제5항에 있어서, 상기 등온 소둔은 진공에서 수행되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.