KR100723162B1 - 고강도 고인성을 갖는 결정-비정질 복합재료 - Google Patents

고강도 고인성을 갖는 결정-비정질 복합재료 Download PDF

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Abstract

고강도 고인성을 갖는 결정-비정질 복합재료가 제공된다.
본 발명의 복합재료는,
Fe59-Cr15-Mn18-Mo2-Si3-B3로 조성된 철계합금을 기본으로 하고, 상기 철계합금에 대한 중량%로, Cu, Co, Al, Ti 및 Zr중 선택된 1종의 원소를 1-5%범위로 함유한다.
본 발명은 그 복합재료를 연속 주조공정(strip casting)에 적용하여 판재로 만들 경우, 기존 문헌에서 보고되고 있는 철계 합금계들이 가지는 가장 큰 단점인 취성을 비정질-결정 복합 조직을 통하여 극복 할 수 있을 뿐만 아니라, 우수한 강도 및 주조성을 가진 저가의 벌크 비정질 합금을 제조할 수 있다.
벌크 비정질 합금, 고강도, 고인성, 비정질, 복합재

Description

고강도 고인성을 갖는 결정-비정질 복합재료{Crystals-amorphous composite alloys with high strength and superior toughness}
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 철계합금계 벌크(2mm 봉상 형태)에 대한 XRD 분석을 통해 비정질 형성여부를 확인하는 그림이다.
도 2(a-e)는 본 실시예에 사용된 기본 합금계(Fe59-Cr15-Mn18-Mo2-Si3-B3)와, 여기에 Cu, Co, Ti, Zr을 첨가한 합금계에 대한 열분석(DSC) 결과이다.
도 3은 2mm 봉상 형태로 제작한 시편(a) (Fe59-Cr15-Mn18-Mo2-Si3-B3), (b) (Fe59-Cr15-Mn18-Mo2-Si3-B3)97+Cu3의 결정-비정질 복합조직을 나타내는 광학현미경 조직 사진이다.
본 발명은 고강도 고인성을 갖는 결정-비정질 복합재료에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 비정질과 결정질을 적절히 혼재시켜 비정질 형성능을 유지하면서 인성을 크게 향상시킬 수 있는 결정-비정질 복합재료에 관한 것이다.
벌크 비정질 합금은 1994년 Zr계 합금계에서 최초로 벌크 비정질 합금의 제조가 가능한 것으로 발표되었다. 이후, 이러한 비정질 합금의 구조적 특수성에 기인하는 고강도, 고내식, 및 내마모성등 기존의 결정질 금속에 비하여 우수한 특성을 가짐을 확인하고, 현재까지 전세계적으로 벌크 비정질 합금개발에 관한 연구가 진행되고 있으며, Zr계를 비롯하여 Ni계, Cu계에서 새로운 합금이 개발되고 있다.
그러나 철계 비정질 합금에 관한 문헌은 극히 미미하다. 일부 철계 비정질 합금이 개발됨이 보고되고 있으나, 대부분 고가의 금속(Ga, Er, Y등)을 사용하고 있다. 그러나 이러한 금속을 사용하면, 그 가격이 비쌀뿐만 아니라 매우 취약한 특성을 가지므로 높은 강도를 가짐에도 불구하고 실용화에 응용되는데 한계를 가졌다.
그 후, 저가의 벌크 비정질 합금계를 개발하기 위한 국내외 많은 연구자의 노력으로 희토류 및 고가의 원소를 사용하지 않고 비정질 합금계를 개발하는데 일부 성공하였으나, 역시 취성의 문제가 동반되어 저가의 벌크 비정질 합금계의 개발에 만족할 수 밖에 없었으며, 현재까지 상용화에 이르지 못한 실정이다.
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 한계를 극복하기 위하여 안출된 것으로서, 소정의 철계합금에 적절한 첨가제를 첨가함으로써 기존에 개발된 벌크 비정질 합금계들의 가장 큰 문제인 취성 및 주조성을 해결할 수 있는 고강도 고인성 벌크 결정-비정질 복합 재료를 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
Fe59-Cr15-Mn18-Mo2-Si3-B3로 조성된 철계합금을 기본으로 하고, 상기 철계합금에 대한 중량%로, Cu, Co, Al, Ti 및 Zr중 선택된 1종의 원소를 1-5%범위로 함유하는 고강도 고인성 결정-비정질 복합 재료에 관한 것이다.
이하, 본 발명을 설명한다.
본 발명자들은 사출주조나 suction주조를 통하여 주조가 가능할 뿐만 아니라 고강도 고인성을 갖는 주조품을 얻을 수 있는 철계합금계에 대하여 연구를 거듭하였으며, 그 결과 Fe59-Cr15-Mn18-Mo2-Si3-B3로 조성된 철계합금 조성이 비정질 형성이나 주조성, 비용등의 측면에서 우수함을 확인하였다. 구체적으로, 저가의 원소를 바탕으로 하여 합금을 설계한 후, 이를 스트립 캐스팅 장비(strip casting)를 이용하여 리본 형상의 비정질 합금을 제조하고 이를 분석하여 비정질 형성이 가능한 합금계를 선정하였다. 또한 이를 바탕으로 하여 suction caster로 2mm 봉상의 벌크 비정질 합금을 제조한 후, 이를 열분석을 통하여 벌크 비정질 합금의 비정질 형성능과 비정질 안정성을 검토하였으며, 그 결과 본 발명에 부합하는 철계기본합금 조성을 마련한 것이다.
즉, 본 발명에서는 상기 복합 재료를 구성하는 철계합금의 기본성분으로 Fe59-Cr15-Mn18-Mo2-Si3-B3로 조성된 합금을 이용한다. 상술하면, 본 발명의 기본조성 은 Fe원소를 바탕으로, 내식성을 향상시키기 위하여 Cr과 Mn을 첨가하였으며, 주조성 향상을 위해 Si를, 그리고 비정질 형성능 향상을 위해 B을 함유하고 있다.
한편, 본 발명의 결정-비정질 복합재료는 상기 철계 기본합금조성에 대한 중량%로, Cu, Co, Al, Ti 및 Zr중 선택된 1종의 원소를 1-5%범위로 포함한다. 이러한 첨가원소의 첨가로 인하여, 소망하는 주조성, 고인성등을 확보할 수 있다.
재료의 보다 우수한 주조성을 확보하기 위해서는, Cu, Al, Ti 및 Zr중 선택된 1종의 원소를 포함함이 바람직하며, 보다 바람직하게는 Al을 이용하는 것이다.
그리고 재료의 비정질 형성능 측면에서는, Cu, Co, Ti 및 Zr중 선택된 1종을 이용함이 바람직하다.
보다 바람직하게는, Cu를 첨가원소로 이용하는 것이다. 상기 기본합금계에 Cu를 첨가하면, 얻어진 주조품이 매우 우수한 인성을 나타낼 수 있으며, 또한 그 미세조직중 비정질과 결정질이 적절하게 혼재될 수 있다.
상기와 같이 마련된 본 발명의 합금성분을 이용하여 주조할 경우, 그 메세조직중 비정질 영역은 우수한 강도 특성을 나타내고, 결정질 영역은 기존 벌크 비정질 합금이 가지는 단점인 취성을 극복할 수 있으므로 우수한 인성을 갖는 결정질-비정질 복합 재료를 제조할 수 있는 것이다.
또한 상기 조성의 결정-비정질 복합 재료를 이용하여 suction 주조를 통 한 2mm 벌크 비정질 합금을 제조할 수 있으며, 아울러, 스트립 캐스팅(strip casting) 공정을 이용한 연속 벌크 비정질 판재의 제조도 가능하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
(실시예 1)
편석을 없애고 합금계의 정확한 조성을 맞추기 위하여, 진공 상태에서 유도용해로를 이용하여 3kg급 9mm 봉상 형태의 하기 표 1과 같은 조성의 모합금을 제조하였다. 그리고 상기 모합금의 일부를 분쇄하여 suction caster를 이용하여 2mm 봉상으로 시편을 제조하였다.
이렇게 제조된 벌크 비정질 시편을 도 1과 같이 XRD(X-ray Diffraction) 분석을 통하여 비정질 형성여부를 판단하였으며, 비정질의 특성을 측정하기 위해서 열분석 장비인 DSC(differential scanning calorie meter) 분석을 통하여 결정화온도(Tx), 비정질 전이온도(Tg), 합금용해온도(Tm)등을 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 또한 상기의 측정치로부터 비정질 형성능을 나타낼 수 있는 보정된 비정질 전이온도, Trg(=Tg/Tm), 및 비정질 안정성의 지표인 결정-비정질 온도차 △T(=Tx-Tg)를 측정하여, 그 결과를 또한 하기 표 1에 나타내었다. 한편, 하기 표 1에서 성형성이란 판재의 외관적 형상을 어떻게 만들 수 있냐를 의미하는 용어로서, 주조 공정에서 주로 주조성(용탕의 유동성)과 크게 관련이 있다. 하기 표 1에서는 아주 나쁨(XX), 나쁨(X), 보통(△), 양호(O), 우수(◎)로 나누어 표기하였다.
(단위: K)
합금조성 Tx Tg Tm △Tx (Tx-Tg) Trg (Tg/Tm) 성형성
(Fe59-Cr15-Mn18-Mo2-Si3-B3) base 　 　 1487 - - O
(Fe59-Cr15-Mn18-Mo2-Si3-B3)97-Nd3 993 -　 1508 - - △
(Fe59-Cr15-Mn18-Mo2-Si3-B3)97-W3 811 671 1505 140 0.45 X
(Fe59-Cr15-Mn18-Mo2-Si3-B3)97-Cu3 877 816 1494 61 0.55 O
(Fe59-Cr15-Mn18-Mo2-Si3-B3)97-Co3 926 838 1489 88 0.56 △
(Fe59-Cr15-Mn18-Mo2-Si3-B3)97-Al3 840 654 1503 186 0.44 ◎
(Fe59-Cr15-Mn18-Mo2-Si3-B3)97-Nb3 - - 1523 - - XX
(Fe59-Cr15-Mn18-Mo2-Si3-B3)97-Ti3 830 786 1496 44 0.53 ◎
(Fe59-Cr15-Mn18-Mo2-Si3-B3)97-Zr3 809 765 1503 44 0.51 O
(Fe59-Cr15-Mn18-Mo2-Si3-B3)97-MM3 　 　 1508 0 0.00 X
상기 표1에 나타난 바와 같이, 기본성분계 합금의 경우, 주조성 및 인성이 뛰어나지만 비정질 형성능이 미미하여 결정화 온도를 측정할 수 없었다.
또한 Cu, Al, Ti 및 Zr중 1종이 첨가된 합금의 경우, 주조성이 가장 좋음을 알 수 있다.
또한 Cu, Co, Ti, Zr중 1종의 원소를 각각 3%씩 첨가한 경우에는 비정질 형성으로 인해 열분석 결과 명확한 결정화 피크를 얻을 수 있었다. 이를 바탕으로 결정화온도(Tx), 비정질 전이온도(Tg), 합금용해온도(Tm)등을 측정하였으며, 상기의 측정치로부터 비정질 형성능을 나타낼 수 있는 보정된 비정질 전이온도, Trg(=Tg/Tm) 측정 결과 0.51~0.56의 높은 비정질 형성능을 가짐을 확인할 수 있었다. 또한 비정질 안정성의 지표인 결정-비정질 온도차 △T(=Tx-Tg)는 Al을 첨가한 경우가 186℃로 가장 컸는데, 본 기본 합금계(Fe59-Cr15-Mn18-Mo2-Si3-B3)에서는 Al이 주조성 및 비정질 안정화에 큰 역할을 하는 것을 알 수 있다. 따라서 Al 첨가한 합금을 suction 주조 장비 보다 급냉으로 응고할 수 있는 장비를 이용하여 벌크 비정질 시편을 제조할 경우에는 주조성, 인성 뿐만 아니라 우수한 비정질 안정성을 갖는 합금계를 제조할 수 있음을 예상할 수 있다.
또한 상기 합금계중에서 주조성과 비정질 형성능 모두를 고려할 때, 기본 합금계(Fe59-Cr15-Mn18-Mo2-Si3-B3)에 Cu를 첨가한 합금계가 가장 유리한 특성을 나타냄을 알 수 있다. 도 2는 기본 합금성분에 Cu를 첨가한 합금계에 대한 열분석 곡선을 나타내며, 도 3은 이러한 비정질 특성을 나타내는 벌크 합금계가 우수한 인성을 나타내는 원인을 분석하기 위하여 기존성분계 대비 광학 현미경을 통해 미세조직을 분석한 광학현미경 사진이다. 도 3(b)에 나타난 바와 같이, Cu를 첨가한 합금계는 기본성분계에 비해 다수의 결정 조직을 나타내었는데, 이때, 기지의 비정질 조직은 재료의 강도와 비정질 특성에 주된 역할을 하며, Cu 첨가로 인해 생성된 결정상들은 재료의 취성을 극복하고 인성을 향상시키는 특성을 나타내는데 중요한 역할을 함을 알 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 합금계는 다른 철계 벌크 비정질 합금계와 비교하여 우수한 유동성(주조성) 및 인성을 가지는데, 이는 연속 주조장치(strip casting)를 이용하면 판재 형상의 연속 주조가 가능할 뿐 아니라 제조된 판재가 형상을 유지할 만큼의 인성을 가질 수 있다는 것을 의미한다.
한편, 하기 표 2는 기본 합금계(Fe59-Cr15-Mn18-Mo2-Si3-B3)를 기초로 하여, 여기에 각각 3%의 Al, Co, Cu, mischmetal, Nb, Nd, Ti, W, Zr을 첨가한 합금계를 suction 주조장비를 이용하여 2mm 봉상으로 제조한 후, 비커스 경도기(vickers hardness tester)를 이용하여 경도를 측정한 값들이다. 데이터의 신뢰성을 높이기
위하여 각 합금계들의 9군데 이상의 경도값을 측정하였으며, 최대값과 최소값을 제외한 나머지 값들의 평균치를 계산하였다.
　 1 Point 2 Point 3 Point 4 Point 5 Point 6 Point 7 Point 평균
Base 341.9 333.5 326.4 332.3 330.7 331.5 330.2 330.88
+ 3% Al 306.7 308.4 299.2 302.6 316.3 312.4 312.6 308.54
+ 3% Co 365.1 370.5 385.3 376.1 377.7 361.3 375.6 373
+ 3% Cu 283.4 286.4 288.5 285 286.8 287.4 282.4 285.8
+ 3% MM 331 338.1 333.6 329.1 323.6 317.6 329.6 329.38
+ 3% Nb 400.7 401.8 406.1 415 404.3 420.4 428.1 409.52
+ 3% Nd 326.1 334.2 330.8 323.6 313.1 318 327.9 325.28
+ 3% Ti 551.8 460.9 452.8 430.8 448.3 428.6 442.6 447.08
+ 3% W 542.4 476.1 521.4 522.9 462 467.9 551 506.14
+ 3% Zr 417.6 392.6 387.2 358 382.4 360 378 380.04
상기 표 2와 같이, 대부분 합금계들이 286~506 까지의 비교적 높은 강도를 유지하고 있음을 알 수 있다. 그중 Al, Cu, mischmetal을 첨가한 합금은 비교적 낮은 강도를 나타내었고, Ti, W, Zr을 첨가한 합금계는 상대적으로 매우 높은 경도를 나타내었다. 이러한 경도의 차이는 각 원소들의 첨가로 인해 생성되는 서로 다른 특성을 가지는 결정상들에서 비롯한 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 Fe59-Cr15-Mn18-Mo2-Si3-B3 조성을 바탕으로 하여, 여기에 Cu, Co, Al, Ti, Zr등을 첨가한 경우, 비정질 형성능과 주조성이 우수한 고강도 고인성 결정-비정질 복합 재료를 얻을 수 있다. 구체적으로, 열분석을 통해 Cu, Co, Ti, Zr을 첨가한 경우, 가장 비정질 형성능이 우수(Trg~0.51~0.56)하며, Cu를 첨가한 합금은 비정질 재료의 전형적인 특성인 취성을 거의 나타내지 않을 뿐 아니라 주조성 또한 우수한 합금 재료를 제공할 수 있음을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 합금을 연속 주조공정(strip casting)에 적용하여 판재로 만들 경우, 기존 문헌에서 보고되고 있는 철계 합금계들이 가지는 가장 큰 단점인 취성을 비정질-결정 복합 조직을 통하여 극복 할 수 있을 뿐만 아니라, 우수한 강도 및 주조성을 가진 저가의 벌크 비정질 합금을 제조할 수 있을 것이다.

Claims (5)

  1. Fe59-Cr15-Mn18-Mo2-Si3-B3로 조성된 철계합금을 기본으로 하고, 상기 철계합금에 대한 중량%로, Cu, Co, Al, Ti 및 Zr중 선택된 1종의 원소를 1-5%범위로 함유하는 고강도 고인성 결정-비정질 복합 재료.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 선택된 1종의 원소가 Al이며, 그 함량이 1-5중량%임을 특징으로 하는 주조성이 우수한 함유하는 고강도 고인성 결정-비정질 복합 재료.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 선택된 1종의 원소가 Cu이며, 그 함량이 1-5중량% 포함함을 특징으로 하는 고강도 고인성 결정-비정질 복합 재료.
  5. 제 1항에 있어서, Suction주조를 통하여 2mm이상의 벌크 결정-비정질 형성이 가능하며, 그리고 사출주조를 통하여 2mm이상의 봉상 형태의 벌크 결정-비정질 형성이 가능함을 특징으로 하는 고강도 고인성 결정-비정질 복합 재료.
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JPS61288048A (ja) 1985-06-13 1986-12-18 Hitachi Metals Ltd 低損失Ｆｅ基非晶質合金
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