KR100898657B1 - 주조된 기계식 잠금 연결 조인트를 활용 비정질 금속을 다른 금속에 연결하는 방법과 그에 따라 제조된 물건 - Google Patents

주조된 기계식 잠금 연결 조인트를 활용 비정질 금속을 다른 금속에 연결하는 방법과 그에 따라 제조된 물건 Download PDF

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Abstract

본 발명은 벌크응고 비정질 물질과 결정성 물질 간에 주조된 기계적 잠금 연결 조인트를 형성하는 단계를 포함한 결정성물질에 비정질 물질을 연결하는 방법에 관계한다. 본 방법은 히트 싱크를 사용하여(단계3a) 결정성 예비 성형 부분에 벌크응고 비정질 합금 부분을 주조하고(단계3) 연결된 부분을 냉각하는 단계(단계4)를 포함할 수 있다.

Description

주조된 기계식 잠금 연결 조인트를 활용 비정질 금속을 다른 금속에 연결하는 방법과 그에 따라 제조된 물건{JOINING OF AMORPHOUS METALS TO OTHER METALS UTILIZING A CAST MECHANICAL JOINT}
본 발명은 결정성(non-amorphous) 금속으로 벌크응고 비정질 합금(bulk-solidifying amorphous alloy)을 연결하는 방법에 관계한다.
벌크응고 비정질 합금은 전통적인 비정질 합금보다 훨씬 느린 냉각 속도, 500K/초 이하로 용융 상태에서 냉각될 수 있으면서 비정질 원자 구조를 유지하는 비정질 합금 계열이다. 이러한 합금은 더 빠른 냉각속도를 요하는 이전의 비정질 합금보다 더 두꺼운 1mm이상의 두께로 비정질 형태로 제조될 수 있다. 벌크응고 비정질 합금은 미국특허 5,288,344; 5,368,659; 5,735,975에 발표된다.
벌크응고 합금 계열은 분자식(Zr,Ti)a(Ni,Cu,Fe)b(Be,Al,Si,B)c으로 표현되고 원자 비율에서 a는 30-75, b는 5-60, c는 0-50이다. 이러한 합금은 Nb, Cr, V 및 Co와 같은 전이금속을 상당량 포함할 수 있다. 선호되는 합금은 (Zr,Ti)d(Ni,Cu)e(Be)f이고 원자비율로 d는 40-75, e는 5-60, f는 5-50이다. 더욱 선호되는 조성물은 Zr41Ti14Ni10Cu12.5Be22.5이다. 벌크응고 비정질 합금은 영구적인 변형이나 파괴없이 1.5%이상 응력 변형을 견딜 수 있고 10 Ksi 제곱근(in) 이상, 특히 20 ksi 제곱근(in) 이상의 높은 파괴 인성을 가지며 4GPa 이상, 특히 5.5GPa 이상의 높은 경도를 가지므로 바람직하다. 바람직한 기계적 성질에 추가적으로 벌크응고 비정질 합금은 매우 양호한 내식성을 갖는다.
구조물의 일부 부분에서 벌크응고 비정질 합금의 성질이 불필요할 수 있으며 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 강철 및 티타늄 합금과 같은 결정성 물질에 비해 비싸므로 대체로 전체 구조물 제조에 벌크응고 비정질 합금이 사용되지 않는다. 그러므로 구조물의 벌크응고 비정질 합금 부위를 결정성 합금 부위에 연결할 필요가 있다.
기계적 패스너를 포함한 다양한 연결 방법이 개발되었지만 서비스 온도가 충분히 낮아 접착제가 그 강도를 유지하는 경우에만 사용될 수 있는 접착제와 벌크응고 비정질 합금에 접촉할 경우 내식성과 같은 물성 및 기계적 성질과 납땜 및 용접에서 단점을 가지며 비정질 물질의 납땜 및 용접을 위한 만족할만한 기술 및 물질이 개발되지 않았다.
따라서 싸고 견고한 방식으로 비정질 물질을 결정성 물질에 연결하는 방법이 필요하다.
발명의 요약
본 발명은 벌크응고 비정질 물질을 결정성 물질에 연결하는 방법으로서, 벌크응고 비정질 합금과 결정성 물질 간에 주조된 기계식 잠금 연결 조인트(interlocking joint)를 형성하는 단계를 포함하는 방법에 관계한다.
제1 측면에서 결정성 합금과 벌크응고 비정질 합금(비정질 금속)의 융점을 조절함으로써 잠금 연결된 조인트(interlocked joint)가 형성된다. 한 측면에서 결정성 금속이 비정질 금속의 융점보다 높은 융점을 갖는 경우에 결정성 금속이 적절히 성형되고 벌크응고 비정질 합금이 용융되고 사출 성형이나 다이캐스팅과 같은 기술에 의해 예비 성형된 결정성 금속편에 대해 주조된다. 또 다른 측면에서 결정성 금속이 비정질 금속의 융점보다 낮은 융점을 갖는 경우에 결정성 합금을 용융시키고 주조함으로서, 고체로 유지되고 적절히 성형된 벌크응고 비정질 합금편(제 1편)에 대해 사출 성형이나 다이캐스팅과 같은 기술에 의해 결정성 물질이 벌크응고 비정질 합금에 연결될 수 있다.
제2측면에서 결정성 금속과 비정질 금속의 냉각속도를 조절함으로써 잠금 연결 조인트가 형성된다. 한 측면에서 결정성 금속이 예비 성형된 벌크응고 비정질 합금편에 대해 주조되고 벌크응고 비정질 합금의 임계 냉각속도 이상의 속도로 결정성 합금의 주조온도로부터 벌크응고 비정질 합금의 유리전이온도 미만의 온도로 냉각된다.
어느 경우에나 예비 성형된 비정질 금속이나 예비 성형된 결정성 금속의 온도가 벌크응고 비정질 합금의 유리전이온도 미만으로 유지되도록 히트 싱크와 같은 시스템이 제공될 수 있다.
또 다른 측면에서 최종 편의 기계적 상호 잠금을 보장하도록 결정성 금속편과 벌크응고 비정질 합금편의 형상이 선택된다.
도1은 본 발명의 방법을 보여주는 제1 순서도이다.
도2는 본 발명의 방법을 보여주는 제2 순서도이다.
도3은 본 발명에 따른 비정질 금속의 시간-온도-변환(TTT) 다이아그램이다.
도4는 본 발명의 방법을 보여주는 제3 순서도이다.
도5,6은 본 발명에 따른 조인트를 보여준다.
*부호설명*
10,12...잠금 연결(interlocking) 형상
본 발명은 결정성(non-amorphous) 금속에 벌크응고 비정질 합금을 연결하는 방법에 관계한다.
벌크응고 비정질 합금은 전통적인 비정질 합금보다 훨씬 느린 냉각 속도, 500K/초 이하로 용융 상태에서 냉각될 수 있으면서 비정질 원자 구조를 유지하는 비정질 합금 계열이다. 이러한 합금은 더 빠른 냉각속도를 요하는 이전의 비정질 합금보다 더 두꺼운 1mm이상의 두께로 비정질 형태로 제조될 수 있다. 벌크응고 비정질 합금은 미국특허 5,288,344; 5,368,659; 5,735,975에 발표된다.
벌크응고 합금 계열은 분자식(Zr,Ti)a(Ni,Cu,Fe)b(Be,Al,Si,B)c으로 표현되고 원자 비율에서 a는 30-75, b는 5-60, c는 0-50이다. 이러한 합금은 Nb, Cr, V 및 Co와 같은 전이금속을 상당량 포함할 수 있다. 선호되는 합금은 (Zr,Ti)d(Ni,Cu)e(Be)f이고 원자비율로 d는 40-75, e는 5-60, f는 5-50이다. 더욱 선호되는 조성물은 Zr41Ti14Ni10Cu12.5Be22.5이다. 벌크응고 비정질 합금은 영구적인 변형이나 파괴없이 1.5%이상 응력 변형을 견딜 수 있고 10 Ksi 제곱근(in) 이상, 특히 20 ksi 제곱근(in) 이상의 높은 파괴 인성을 가지며 4GPa 이상, 특히 5.5GPa 이상의 높은 경도를 가지므로 바람직하다. 바람직한 기계적 성질에 추가적으로 벌크응고 비정질 합금은 매우 양호한 내식성을 갖는다.
또 다른 벌크응고 비정질 합금은 철계 금속(Fe, Ni, Co)에 기초한 조성물이다. 이러한 조성물은 미국특허6,325,868;(A. Inoue et al., Appl. Phys. Lett., Volume 71, p464(1997));(Shen et al., Mater. trans., JIM, Volume 42, p2136(2001));일본특허출원2000126277(공개번호 2001303218A)에 발표된다. 이러한 합금 조성물의 예는 Fe72Al5Ga2P11C6B4 및 Fe72Al7Zr10Mo5W2B15이다. 이들 합금 조성물이 Zr계 합금 시스템 정도로 가공될 수 없지만 본 발명에서 활용되기에 충분한 1.0mm 이상의 두께로 가공될 수 있다.
일반적으로 벌크응고 비정질 합금에서 결정작용에 의한 침전물은 합금의 인성 및 강도 측면에서 합금의 성질에 치명적이므로 이러한 침점물의 부피 비율을 가능한 최소화시키는 것이 선호된다.
그러나 벌크응고 비정질 합금의 성질, 특히 인성 및 연성에 유리한 벌크응고 비정질 합금의 가공 동안, 연성 결정성 상이 침전되는 경우가 있다. 이러한 유리한 침전물을 포함한 벌크응고 비정질 합금 역시 본 발명에 포함된다. 일례가 발표된다(C.C. Hays et. al, Physical Review Letters, Vol.84, p2901,2000).
상이한 조성을 가지며 금속의 경우 결정질 금속이라는 점에서 결정성 금속이라 일컫는 제2 금속이 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 강철, 니켈계 합금, 구리 합금 및 티타늄계 합금을 포함한 적합한 결정성 금속에서 선택될 수 있다.
본 발명은 결정성(non-amorphous) 금속에 벌크응고 비정질 합금을 연결하는 방법에 관계한다. 도1 및 2에 금속의 물성에 따라 좌우되는 2가지 상이한 방법이 도시된다.
도1에서 더 낮은 융점을 갖는 벌크응고 비정질 합금에 더 높은 융점을 갖는 결정성 금속을 연결하는 방법이 제공된다. 비정질 물질은 결정성 물질과 동일한 방식으로 용융현상을 보이지 않지만 물질의 점도가 너무 낮아 관찰자에게 용융된 고체로 거동하는 것을 융점으로 기술하는 것이 편리하다. 비정질 금속의 융점은 물질의 점도가 100포이제 미만으로 떨어지는 온도로 간주될 수 있다. 혹은 벌크응고 비정질 합금 조성물의 결정상 용융온도를 비정질 금속의 융점으로 간주하는 것이 편리하다.
가령 강철, 니켈계 합금 및 대부분의 티타늄계 합금의 융점은 대부분의 벌크응고 비정질 합금보다 높다. 이 경우에 결정성 금속이 적절히 성형되고 고체로 유지되고(단계1), 벌크응고 비정질 금속이 용융되고(단계2), 사출성형 또는 다이캐스팅에 의해 예비 성형된 결정성 금속편에 대해 주조된다(단계3). 벌크응고 비정질 합금이 용융되는 금속인 경우에 공정 종료시 비정질 상태 달성을 위해 충분히 빠르게 냉각되어야 하지만 이러한 냉각은 이러한 주조 기술에서 달성 가능한 범위 내에 있어야 한다. 신속한 냉각은 적합한 방법으로 달성될 수 있다. 일례로 결정성 금속과 몰드에 접촉하는 때 용융된 벌크응고 비정질 합금의 신속한 냉각이 이루어진다. 다른 경우에 에워싸인 금속을 갖는 전체 몰드가 주조 이후 급속히 냉각된다.
또 다른 측면에서(보조 단계3a) 결정성 부분내 저장된 열은 비정질 합금이 주조 처리중 또는 그 후 흐르거나 결정화되지 않도록, 벌크응고 비정질 합금 유리 전이 온도(Tg)를 초과하지 않도록, 또다른 히트 싱크, 또는 이와 유사한 온도 유지 시스템이 상기 결정성 금속 예비 성형 부분에 제공된다.
히트 싱크는 수동형과 능동형이 있는바, 예비 성형된 결정성 금속 부분이 히트 싱크 자체가 되기에 충분히 커서 공기에 의해 수동적으로 냉각될 수 있으며, 예비 성형된 결정성 금속 부분과 친밀한 접촉을 하는 몰드나 다이 벽과 같이 비정질 합금 외부로부터 발생되는 능동형 장치에 의해 냉각될 수 있기도 하다. 마지막으로 히트 싱크는 벌크응고 비정질 합금 주조편을 능동적으로 냉각시킴으로써 달성될 수 있는데, 이때 상기 비정질 합금 주조편은 예비 성형된 결정성 금속 부분과 친밀한 접촉을 하는 관계이다. 능동적이라 함은 자체가 히트 싱크로서 작용하는 것이 아니라 비정질 합금 외부로부터 히트 싱크가 달성될 수 있기 때문에 사용되는 수동적인에 대한 상대적인 용어이다. 이러한 능동적 냉각은 몰드나 다이 벽을 통해 달성될 수 있다.
도2에서 결정성 금속은 비정질 금속보다 낮은 융점을 갖는다.
일례로 벌크응고 비정질 합금이 알루미늄 합금과 같은 저-융점 결정성 금속에 연결된다. 전형적인 비정질 금속의 융점은 800℃ 정도이다. 대부분의 알루미늄 합금의 융점은 650℃이하이다. 이러한 경우에 알루미늄 합금을 용융시키고(단계2) 도2에 도시된 대로 고체로 유지된 적절한 형상의 벌크응고 비정질 합금편에 대해 사출성형 또는 다이캐스팅에 의해 주조하여(단계3) 알루미늄 합금편(혹은 마그네슘 합금과 같은 다른 저-융점 합금)이 벌크응고 비정질 합금편에 연결될 수 있다.
이 경우에 벌크응고 비정질 합금이 고체로 유지되도록 벌크응고 비정질 합금을 이의 유리전이온도(Tg) 미만의 온도로 유지시키는 히트 싱크가 제공된다. 히트 싱크는 예비 성형된 벌크응고 비정질 합금 부분이 히트 싱크 자체가 되기에 충분하도록 큰 경우와 같이 수동형일 수 있다. 혹은 예비 성형된 벌크응고 비정질 합금 부분과 긴밀한 접촉을 하는 몰드나 다이 벽과 같이 비정질 합금 외부로부터 발생되는 능동형 장치일 수 있다. 마지막으로 결정성 금속 주조편(예비 성형된 벌크응고 비정질 합금 부분과 긴밀한 접촉을 하는)을 냉각시켜 능동적으로, 즉 비정질 합금 외부로부터 히트 싱크가 달성될 수 있다. 이러한 능동적 냉각은 몰드나 다이 벽을 통해 달성될 수 있다.
위의 실시가 비정질 및 결정성 금속의 용융점과 같은 물성에 의해 좌우되지만 용융 또는 주조된 금속의 냉각속도를 조절함으로써 이러한 제한이 불필요할 수 있다. 특히 주조 금속의 냉각속도를 조절하여 비정질 금속의 결정화를 방지함으로써 상대적 용융온도에 무관하게 어느 금속이나 주조금속으로 활용될 수 있다.
용융된 액체로부터 평형 용융점(T용융) 미만으로 과냉각될 때 벌크응고 비정질 합금의 결정화 양태가 도3의 시간-온도-변환(TTT) 다이아그램을 사용하여 도시될 수 있다. 비정질 금속의 온도가 용융점 미만으로 떨어지면 경과된 시간이 임계값(tx(T))을 초과하기 전 유리전이온도로 냉각되지 않을 경우 합금은 결국 결정화 된다. TTT다이아그램에 임계값이 제시되며 이러한 임계값은 과냉각 되는 온도에 달려있다. 따라서 물질의 TTT다이아그램(T코는 온도로서 그 같은 온도에서 합금의 결정화까지 최소 시간이 발생된다. )의 "코 영역(nose region)"을 통과할 정도로, 벌크응고 비정질 합금은 초기에 용융점에서 유리전이온도(Tg) 미만으로 충분히 빠르게 냉각되어야 한다.
도4에서 결정성 금속이 예비 성형된 벌크응고 비정질 합금편에 대해 주조된다. 이 경우에 결정성 금속은 벌크응고 비정질 합금의 임계 냉각속도보다 빠른 속도로 결정성 금속의 주조온도로부터 벌크응고 비정질 합금의 유리전이온도 미만으로 냉각된다. 주조되는 결정성 금속의 냉각속도를 조절함으로써 예비 성형된 벌크 비정질 금속편은 TTT다이아그램의 좌측 비-결정화 영역에 남게된다(도3). 이 경우에 비정질 금속편이 결정화되지 않도록 결정성 금속이 벌크응고 비정질 합금의 임계 냉각속도보다 2배 이상 빠른 속도로 결정성 금속의 주조온도로부터 벌크응고 비정질 합금의 유리전이온도 미만으로 냉각된다.
충분한 냉각속도를 제공하기 위해서 여러 주조방법(금속 몰드 주조, 다이캐스팅(특히 알루미늄, 아연 및 마그네슘 합금의 경우))이 실시될 수 있다. 두 금속의 용융점과 무관하게 공정이 수행될 수 있지만 벌크응고 비정질 합금이 결정성 금속보다 높은 용융점을 갖는 것이 좋다. 냉각속도와 용융점을 조절함으로써 주조 동안에 벌크 비정질 합금의 온도가 항상 비정질 합금의 용융점 미만으로 유지되어 벌크 비정질 합금의 점도 및 액티비티가 감소된 수준으로 유지됨으로써 두 금속의 계면에서 야금학적 반응에 의한 원치 않은 금속간 화합물이 형성되는 것을 방지한다.
본 발명은 위의 연결 방법으로 형성된 물품에도 관계한다. 일례로 최종 편의 기계적 잠금 연결(interlocking)을 생성하도록 벌크응고 비정질 합금과 결정성 금속편의 형상이 선택된다. 도5 및 6에서 A는 결정성 금속이고 B는 벌크응고 비정질 합금이다.
도5에서 금속A가 금속B보다 낮은 융점을 가질 경우, 금속B는 (비정질 금속 편으로서) 잠금 연결 형상(10)을 가지도록 기계가공된다. 이후 (결정성 금속편으로서) 금속A가 용융되고 금속B에 대해 상기 잠금 연결 형상(10)에 일치하여 주조 된다. 냉각되면 금속A가 잠금 연결 형상(12)으로 고형화 되고 두 편(10,12)이 기계적으로 서로 맞물린다.
도6에서 금속A가 금속B보다 높은 융점을 가질 경우 금속A는 잠금 연결 형상(10)을 가지도록 기계가공된다. 이후 금속B가 용융되고 금속A에 대해 주조되고 잠금 연결 형상(10)에 부합되게 된다. 냉각되면 금속B가 잠금 연결 형상(12)으로 고형화 되고 두 편(10,12)이 기계적으로 서로 맞물린다.
도5 및 6에 단지 2가지 상이한 잠금 연결 형상이 도시되지만 주조 공정 종료 후에 금속A와 금속B의 분리를 방지하는 기계적 간섭이 있도록 하는 적합한 잠금 연결 형상이 본 발명에서 활용될 수 있다.
금속들이 서로 영구적으로 기계적 맞물리도록 본 방법이 설계될지라도 금속편은 낮은 융점을 갖는 금속을 용융시켜 분리될 수 있다.
추가로 본 발명에서 단지 2가지 편의 연결이 발표되지만 임의 개수의 벌크응고 합금 물품과 결정성 금속 물품을 연결시키는데 활용될 수 있다.

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  19. 결정성 금속(non-amorphous metal) 물질에 벌크응고 비정질 합금(bulk-solidifying amorphous alloy) 물질을 잠금 연결하는 방법으로서, 벌크응고 비정질 합금 물질의 용융 온도가 상기 결정성 물질 용융 온도보다 높으며, 예비 성형 편(pre-formed piece)(제 1편)을 제공하고, 상기 예비 성형편이 상기 벌크응고 비정질 합금 물질로 만들어지며, 상기 예비 성형 편과의 잠금 연결관계로 일정 주조 온도에서 제 2 편을 주조하여 단일의 일체형 물품을 형성하도록 하고, 이 같은 주조 온도가 결정성 금속 물질의 용융 온도보다 높으며, 그리고 상기 벌크응고 비정질 합금 물질이 실제로 비정질 상태로 유지 될 수 있기에 충분한 속도로 상기 단일의 일체형 물품을 냉각시킴을 특징으로 하는 주조된 기계식 잠금 연결 조인트를 활용 비정질 금속을 다른 금속에 연결하는 방법.
  20. 제 19항에 있어서, 히트 싱크가 제공되어, 상기 예비 성형 편의 온도를 상기 벌크응고 비정질 합금의 유리 전이 온도 이하로 유지시키도록 함을 특징으로 하는 방법.
  21. 결정성 금속 물질에 벌크응고 비정질 합금 물질을 잠금 연결하는 방법으로서,
    예비 성형 편(제 1편)을 제공하고, 상기 예비 성형편이 상기 벌크응고 비정질 합금 물질로 만들어지며, 상기 예비 성형 편과의 잠금 연결관계로 상기 결정성 물질 용융 온도 이상의 일정 주조 온도에서 결정성 물질로부터 제 2 편을 주조하고, 그리고 상기 제 2편을 상기 벌크응고 비정질 합금 물질의 임계 냉각 속도 이상의 속도로 냉각시키어 단일 일체형 물품을 형성시킴을 특징으로 하는 주조된 기계식 잠금 연결 조인트(interlocking joint)를 활용 비정질 금속을 다른 금속에 연결하는 방법.
  22. 제 21항에 있어서, 상기 벌크응고 비정질 합금 물질이 분자식(Zr,Ti)a(Ni,Cu,Fe)b(Be,Al,Si,B)c으로 표현되고 원자 비율에서 a는 30-75, b는 5-60, c는 0 보다 크고 50이하 임을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 22항에 있어서, 상기 벌크응고 비정질 합금 물질이 최대 20원자%의 전이금속을 추가로 포함함을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 21항에 있어서, 상기 벌크응고 비정질 합금 물질이 (Zr,Ti)d(Ni,Cu)e(Be)f이고 원자비율로 d는 40-75, e는 5-60, f는 5-50임을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 21항에 있어서, 상기 벌크응고 비정질 합금 물질이 분자식(Zr)a(Nb,Ti)b(Ni,Cu)c(Al)d으로 표현되고 원자 비율에서 a는 45-65, b는 0 보다 크고 10이하 이며, c는 20-40, d는 7.5-15임을 특징으로 하는 방법.
  26. 제 21항에 있어서, 상기 결정성 물질이 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 및 구리 합금으로 구성된 그룹에서 선택된 한 합금임을 특징으로 하는 방법.
  27. 제 21항에 있어서, 상기 결정성 물질이 강철, 니켈 합금, 구리 합금 및 티타늄 합금으로 구성된 그룹에서 선택된 한 물질임을 특징으로 하는 방법.
  28. 제 21항에 있어서, 상기 예비 성형편(제 1편)과 제2 편이 단일 일체형 물품으로 기계적 잠금 연결되도록 설계됨을 특징으로 하는 방법.
  29. 제 21항에 있어서, 상기 예비 성형편이 벌크응고 비정질 합금 물질의 임계 냉각속도보다 2배 이상의 속도로 냉각됨을 특징으로 하는 방법.
  30. 제 21항에 있어서, 상기 냉각단계가 상기 예비 성형편(제 1편)과 제2 편을 둘 다 비정질 합금 외부로부터 능동적으로 냉각하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  31. 제 21항에 있어서, 상기 냉각속도가 500K/sec 이하임을 특징으로 하는 방법.
  32. 제 21항에 있어서, 상기 주조단계가 사출 성형, 또는 다이캐스팅 단계임을 특징으로 하는 방법.
  33. 제 21항에 있어서, 상기 주조되는 물질의 용융온도가 상기 예비 성형편의 물질 용융온도보다 낮음을 특징으로 하는 방법.
  34. 제 21항의 방법으로 제조된 물품.
  35. 제 34항에 있어서, 상기 예비 성형편(제 1편)과 상기 제2 편이 기계적으로 잠금 연결된 단일 일체형 편을 형성함을 특징으로 하는 물품.
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