KR100353156B1

KR100353156B1 - 준결정 단일상 알루미늄 합금

Info

Publication number: KR100353156B1
Application number: KR1020000011531A
Authority: KR
Inventors: 송광생; 김원태; 김도향
Original assignee: 학교법인연세대학교
Priority date: 2000-03-08
Filing date: 2000-03-08
Publication date: 2002-09-18
Also published as: KR20010087656A

Abstract

본 발명은 알루미늄을 주성분으로 하고 여기에 니켈, 코발트, 실리콘를 첨가하여 조성된 단일상 준결정 알루미늄 합금에 관한 것으로서, 니켈 12-15 원자량%, 코발트 13-16 원자량%을 함유하는 알루미늄 합금에 제 4원소로서 실리콘을 3-5 원자량%을 첨가함으로써 냉각 속도가 10⁰-10²K/sec인 금형주조법에 의하여 준결정 단일상 알루미늄 합금을 제조할 수 있으며 이 준결정 단일상 알루미늄 합금을 분말화하여 고강도, 고인성이 우수한 준결정 입자상 강화 복합재료 및 내마모성, 내부식성이 우수한 준결정 소결 복합체의 제조에 유용하게 사용되어 질 수 있다.

Description

준결정 단일상 알루미늄 합금{Aluminum-based single quasicrystalline alloys}

본 발명은 준결정 단일상 알루미늄 합금에 관한 것으로서, 특히 알루미늄-니켈-코발트계 합금에 실리콘를 첨가하여 금형주조법에 의하여 제조한 준결정 단일상알루미늄 합금에 관한 것이다.

1984년 처음 준주기적 결정 구조를 갖는 준결정상(quasicrystalline phase)이 급냉응고 Al-Mn 합금에서 발견되어진 이후, 지금까지 발견된 대부분의 준결정 합금은 지니고 있는 결정 구조에 따라 5회 대칭구조 준결정상(icosahedral quasicrystalline phase) 및 10회 대칭구조 준결정상(decagonal quasicrystalline phase)으로 분류되어 질 수 있다. 또한 금속 원소로 이루어졌음에도 불구하고 세라믹 재료에 버금가는 높은 전기 저항, 열차폐특성, 내마모성 등을 지니고 있어 기존 재료의 한계성을 극복할 수 있으며 그 응용범위에 있어서 매우 큰 가능성을 지니고 있다.

현재까지 개발된 준결정 합금에 대해서 살펴보면 급냉응고 Al-Mn 합금은 준결정이 열역학적으로 불안정하여 매우 큰 응고 속도를 필요로 하기 때문에 실제 적용에는 많은 제한이 있어 왔다. 그러나 Al-Cu-TM(TM:전이원소=Fe, Ru 또는 Os), Al-Pd-TM(TM:전이원소=Mn 또는 Re), Al-Cu-TM(TM:전이원소=Co 또는 Ni)및 Al-Ni-Co등의 3원계 합금은 통상적인 주조법에 의하여 열역학적으로 안정된 구조인 5회 대칭구조 또는 10회 대칭구조의 준결정상의 형성이 가능해짐에 따라 산업 재료로서의 활용 가능성이 제시되어졌다.

구체적인 예로, 미합중국 특허 제5433978호에서는 Al-Cu-Fe 준결정상 합금 분말 제조에 관하여 개시하고 있다. Al-Cu-Fe 합금을 도가니에서 고온으로 가열한 후 400psi에서 1500psi의 고압의 비활성기체를 사용하여 원자화시켜 구형의 합금 분말을 제조하며 이 제조된 합금 분말은 준결정상을 포함하고 있다. 이 합금 분말을 플라즈마 분무시켜 코팅으로 형성시키거나 강화시켜 제조 재료로 사용할 수 있다.

미합중국 특허 제5632826호에는 석출경화금속합금에 대하여 개시되어 있는바 석출경화금속합금은 시효시간이 최대 1000시간이고 최대 650℃의 템퍼링 처리에서 주로 유지되는 구조인 준결정 구조를 갖는 입자의 석출을 기초로 하는 강화 합금으로서, 적어도 200MPa의 인장 강도의 증가가 있는 강화를 특징으로 한다.

미합중국 특허 제5419789호에서는 준결정을 갖는 알루미늄 합금에 대하여 개시하고 있다. 두종류의 전이금속 함량이 0.1원자량%에서 25원자량%인 알루미늄 합금은 알루미늄 또는 과포화된 알루미늄 기지상에 준결정이 균일하게 분포되는 구조를 갖는다. 준결정은 5회 대칭구조 준결정상이거나 5회 대칭구조 준결정상과 10회 대칭구조 준결정상의 혼합상이며 부피분율은 20%미만이다. 이 합금은 일반식 Al_balNi_aX_b또는 Al_balNi_aX_bM_c(여기서 X는 Fe, Co에서 선택된 1종 이상의 원소이고 M은 Cr, Mn, Nb, Mo, Ta, W에서 선택된 1종 이상의 원소이고; 그리고 a, b, c는 원자량%로 각각 5≤a≤10; 0.5≤b≤10, 및 0.1≤c≤5이다)으로 표시되는 조성을 갖는다. 이와 같은 알루미늄 합금은 실온, 고온에서 고경도, 고강도 및 고열저항성을 갖는 것으로 개시되어 있다.

그러나 상기와 같은 준결정 합금은 열역학적으로 안정한 5회 혹은 10회 대칭구조 준결정상을 얻을 수 있으나, 통상적인 주조법에 의해서는 준결정상이 포정 반응에 의해 형성되므로 준결정 단일상 합금 제조가 성공적이지 못하였다. 따라서 단일상의 합금을 얻기 위해서는 주조후 장시간의 열처리를 필요로 하였다. Czochralski법, Bridgeman법등 단결정 성장 방법에 의해 준결정 단일성 합금의 제조가 가능하지만 최대 수 g 정도의 합금이 얻어질 수 있으며 매우 느린 속도로 응고하게 되므로 합금 제조에 장시간이 소요되는 등 공업적 응용에는 한계가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 금형주조법 등 통상적인 주조법에 의하여서도 수 Kg의 준결정 단일상 알루미늄 합금의 제조가 가능한 합금 시스템을 제공하는 데에 있다.

도 1 내지 도 4는 본 발명에 관한 것으로서

도 1은 각각의 알루미늄 합금의 준결정상을 X-선회절기를 이용하여 분석한 결과로서 (a) 아크용해법 (b) 금형주조법의 경우이고

도 2는 각각의 알루미늄 합금의 준결정상을 주사현미경을 이용하여 분석한 결과로서 (a) 아크용해법 (b) 금형주조법의 경우이고

도 3은 금형주조법으로 제조한 알루미늄 합금의 동공(cavity)표면을 주사현미경을 이용하여 분석한 결과로서 (a) 고배율 주사전자현미경 이미지 (b) 저배율 주사전자 현미경 이미지의 경우이고

도 4는 금형주조법으로 제조한 알루미늄 합금의 준결정상을 투과현미경을 이용하여 분석한 결과로서 (a) 10회 대칭축 존 (b) 2회 대칭축 존의 경우이다.

상기와 같은 목적을 달성할 수 있는 본 발명은 니켈, 코발트을 함유하는 알루미늄 합금에 있어서 실리콘을 제 4원소로 첨가하여 이루어진 것임을 특징으로 한다.

이때, 니켈 12-15 원자량%, 코발트 13-16 원자량%를 함유하는 알루미늄 합금에 제 4 원소로서 실리콘 3-5 원자량% 첨가하여 냉각 속도가 10⁰- 10²K/sec인 통상의 금형주조법에 의하여 준결정 단일상 합금을 제조함을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 살펴보고자 한다.

알루미늄 70원자량%, 니켈 13원자량%, 코발트 13원자량%, 실리콘 4원자량%를 함유하는 알루미늄 합금(Al₇₀Ni₁₃Co₁₃Si₄)을 다음의 두가지 방법에 의하여 제조하였다. 즉 비교적 큰 냉각 속도를 얻기 위해 아르곤 가스 분위기하에서 20g의 합금 원소를 아크 용해 후 수냉 구리 몰드에 켄칭(guenching)하는 방법(이하 "아크용해법"으로 언급)과 비교적 느린 냉각 속도를 얻을 수 있도록 1.2 Kg의 합금 원소를 아르곤 가스 분위기하에서 고주파 용해 후 약 200^oC로 예열된 스틸 몰드에 주입하는 방법(이하 "금형주조법"으로 언급)에 의하여 제조하였다.

도 1에 상기 실험방법에 따라 제조된 각각의 알루미늄 합금의 준결정상을 X-선 회절기를 이용하여 분석한 결과를 나타내었는 바, (a)는 아크용해법의 알루미늄 합금이고,(b)는 금형주조법의 알루미늄 합금에 대한 결과이다.

도 1의 결과로부터 냉각 속도가 비교적 느린 금형주조법의 알루미늄 합금에서는 단일상의 준결정이 형성된 것을 확인할 수 있다. 반면에 냉각 속도가 비교적 빠른 아크용해법의 알루미늄 합금의 경우, 대부분이 준결정상으로 구성되어 있으나, 소량의 감마(γ)상이 함께 합금내 존재함을 알 수 있다.

상기와 같은 각각의 알루미늄 합금을 주사전자현미경을 이용하여 분석한 결과를 도 2에 나타내었는 바, 후방산란전자 이미지를 관찰하고자 한다.

도 2의 결과로부터 금형주조법의 알루미늄 합금에서 10회 대칭구조 준결정 단일상으로 구성되어 있음을 확인할 수 있으며 아크용해법의 합금의 경우에는 초정상으로 응고된 10회 대칭구조 준결정상과 제2상으로 응고된 감마(γ)상이 함께 존재하는 미세 구조를 갖고 있음을 확인 할 수 있다.

금형주조법의 알루미늄 합금의 경우에 응고시 10회 대칭구조 준결정상이 초정 응고상으로 형성되어 액상이 모두 준결정 단일상으로 응고시 전이하였음을 보여주고 있다. 여기서 한가지 중요한 것은 알루미늄-니켈-코발트계 합금에서는 준결정이 포정 반응에 의해 형성되었으나, 실리콘을 첨가함에 의해 준결정상이 초정 응고상으로 형성되었다는 점이며, 이와 같은 초정 응고상으로 형성됨에 의해 준결정 단일상의 합금을 얻는 것이 가능함을 알 수 있다. 실리콘을 3-5원자량%로 첨가하는 것이 바람직한데, 실리콘 함량이 3원자량% 미만인 경우 준결정상외에 제 2 상으로 응고된 감마(γ)상이 함께 존재하는 미세 구조를 갖게 되며, 실리콘 함량이 5원자량%을 초과하는 경우 10회 대칭구조 준결정상이 초정으로 정출되는 응고 거동이 변화하게 되므로 실리콘 함량을 3-5원자량%의 범위로 한정하였다.

도 3에 금형주조법에 의해 제조한 알루미늄 합금의 응고시 형성된 공동(cavity)의 표면을 주사전자현미경을 이용하여 분석한 결과를 나타내었는바, 이차 전자 이미지를 살펴보고자 한다.

도 3의 결과로부터 금형주조법의 알루미늄 합금은 10회 대칭구조를 갖는 데카프리즘(decaprism)형태 결정립의 성장 현상을 보여주고 있는데 준결정상이 10회 대칭축의 방향으로 성장하고 있으며 각 결정립간의 방위관계는 무질서한 방향으로 성장함을 알 수 있다.

도 4는 금형주조법에 의해 제조된 알루미늄 합금에서 투과전자 현미경을 이용하여 얻어진 전자회절도형을 나타내는 바, 이와 같은 전자회절도형을 이용하여 합금을 이루고 있는 상의 결정 구조를 확인할 수 있다.

도 4(a)는 10회 대칭, (b)는 2회 대칭의 회절도형으로 금형주조법의 알루미늄 합금이 10회 대칭 준결정 구조를 가지고 있음을 확인할 수 있다.

상기와 같은 결과로부터 알루미늄-니켈-코발트계 합금에 실리콘을 첨가함으로써 10⁰-10²K/sec의 냉각속도를 갖는 통상의 금형주조법에 의하여 준결정 단일상 알루미늄 합금을 제조할 수 있음을 알 수 있다.

본 발명을 실시예에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 및 비교예

실시예1

알루미늄 70원자량%, 니켈 13원자량%, 코발트 13원자량%, 실리콘 4원자량%를 함유하는 알루미늄 합금(Al₇₀Ni₁₃Co₁₃Si₄)을 비교적 느린 냉각 속도를 얻을 수 있도록 1.2 Kg의 합금 원소를 아르곤 가스 분위기 하에서 고주파 용해 후 약 200^oC로 예열된 스틸 몰드에 주입하는 금형주조법으로 제조하였다.

비교예1

알루미늄 70원자량%, 니켈 14원자량%, 코발트 14원자량%, 실리콘 2원자량%를 함유하는 알루미늄 합금을 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하였다.

비교예2

알루미늄 70원자량%, 니켈 13원자량%, 코발트 13원자량%, 실리콘 4원자량%를 함유하는 알루미늄 합금을 비교적 큰 냉각 속도를 얻기 위해 아르곤 가스 분위기 하에서 20g의 합금 원소를 아크 용해 후 수냉 구리 몰드에 켄칭(guenching)하는 아크용해법으로 제조하였다.

비교예3

알루미늄 70원자량%, 니켈 15원자량%, 코발트 15원자량%을 함유하는 알루미늄 합금을 비교예 2와 동일한 방법으로 제조한 후, 용해온도 직하에서 48시간동안 균질화처리를 하였는데 이 균질화 처리를 함으로써 해당 합금 조성에서의 준결정 단일상의 존재 여부등을 보다 정확하게 확인할 수 있다.

비교예4

알루미늄 60원자량%, 니켈 20원자량%, 코발트 20원자량%을 함유하는 알루미늄 합금을 상기 비교예 3과 동일한 방법으로 제조하였다.

상기와 같은 방법으로 제조된 각각의 알루미늄 합금에 대하여 존재상을 확인하였으며, 그 결과를 표 1에 표시하였다.

	실시예1	비교예1	비교예2	비교예3	비교예4
합금조성(원자량%)	니켈	13	14	13	15	20
	코발트	13	14	13	15	20
	실리콘	4	2	4	-	-
	알루미늄	70	70	70	70	60
제 조	금형주조법	금형주조법	아크용해법	아크용해법+균질화처리	아크용해법+균질화처리
존재상	10회대칭구조준결정단일상	10회대칭구조준결정상+감마(γ)상	10회대칭구조준결정상+감마(γ)상	10회대칭구조준결정상+감마(γ)상	10회대칭구조준결정상+베타(β)상

상기 표 1의 결과로부터 실시예 1의 금형주조법의 경우에는 단일상의 준결정이 존재하며, 비교예 1의 실리콘을 3원자량% 미만으로 함유시켜 금형주조법으로 제조한 경우에는 대부분이 준결정상으로 구성되어 있으나 소량의 감마(γ)상이 함께 합금내 존재함을 알 수 있다. 비교예 2의 경우는 실시예 1과 같은 조성의 알루미늄합금을 아크용해법으로 제조한 경우로서 대부분이 준결정상으로 구성되어 있으나 소량의 감마(γ)상이 함께 합금내 존재하며, 실리콘을 첨가하지 않고 아크용해법으로 제조한 비교예 3과 비교예4의 경우에도 대부분이 준결정상으로 구성되어 있으나 소량의 감마(γ)상, 베타(β)상등 제 2응고상이 함께 합금내 존재함을 알 수 있다.

상기와 같은 결과로부터 니켈, 코발트를 함유하는 알루미늄 합금에 있어서 제 4원소로 실리콘을 첨가함으로써 냉각 속도가 10⁰-10²K/sec이하인 통상의 금형 주조법에 의하여 준결정 단일상 알루미늄 합금을 제조할 수 있음을 알 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 니켈, 코발트를 함유하는 알루미늄 합금에 실리콘를 첨가하여 조성된 단일상의 준결정 Al-Ni-Co-Si 합금을 통상의 금형주조법에 의하여 제조할 수 있는 바, 이를 기초로 하여 준결정 단일상 합금 제조가 가능해짐에 따라 합금 분쇄-분말제조 공정에 의해 준결정 단일상 분말을 제조할 수 있으며 분말 제조를 위한 종래의 가스 아토마이징 공정을 대체할 수 있는 효과가 있다.

이 분말을 사용하여 금속, 고분자 재료를 기지합금으로 하는 준결정 입자상강화 복합재료의 제조에 활용되어질 수 있으며 이 재료는 고온용 고강도, 고인성 재료로 활용되어질 수 있다. 또한 이 분말을 사용하여 고압성형법등의 방법을 이용하여 준결정 소결 복합체가 제조되어질 수 있으며 이 재료는 내마모 특성, 부식특성 등 우수한 기능성 재료로 활용되어질 수 있다.

Claims

니켈 12~15원자량%, 코발트13~16원자량%을 함유하는 알루미늄 합금에 있어서,

실리콘이 제 4원소로서 3~5원자량%로 첨가되어 이루어진 것을 특징으로 하는 준결정 단일상 알루미늄 합금.
삭제
제 1항에 있어서,

상기의 준결정 단일상 알루미늄 합금은 금형주조법에 의하여 제조되는 것임을 특징으로 하는 준결정 단일상 알루미늄 합금.