KR100974806B1 - 고내산화성 Ｆｅ계 비정질 합금용 조성물 및 이를 이용한 Ｆｅ계 비정질 합금 분말 제조 방법 - Google Patents

고내산화성 Ｆｅ계 비정질 합금용 조성물 및 이를 이용한 Ｆｅ계 비정질 합금 분말 제조 방법 Download PDF

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Abstract

대기압에서 분말화가 가능한 Fe계 비정질 합금용 조성물, 이를 이용한 Fe계 비정질 합금 분말 제조 방법 및 그 방법으로 제조되어 고내산화성을 가지는 Fe계 비정질 합금 분말에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 Fe계 비정질 합금 분말 제조 방법은 (a) 탄소(C) : 1.4 ~ 2.4 중량%, 실리콘(Si) : 1.2 ~ 2.2 중량%, 보론(B) : 1.6 ~ 3.0 중량%, 크롬(Cr) : 15.7 ~ 26.7 중량%, 루테늄(Ru) : 2.1 ~ 3.7 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.2 ~ 0.9 중량%, 망간(Mn) : 1.4 ~ 2.3 중량% 및 잔량의 철(Fe)을 포함하는 Fe계 합금용 조성물을 용융시켜 용탕을 형성하는 단계; (b) 상기 용탕에 고압가스를 분사하여, 상기 용탕을 급냉 및 분쇄시켜 분말화하는 단계; 및 (c) 상기 분말화된 Fe계 합금을 포집기로 포집하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고내산화성 Ｆｅ계 비정질 합금용 조성물 및 이를 이용한 Ｆｅ계 비정질 합금 분말 제조 방법 {COMPOSITE FOR IRON-BASED AMORPHOUS ALLOY WITH HIGH OXIDATION RESISTANCE AND METHOD OF MANUFACTURING IRON-BASED AMORPHOUS ALLOY POWDER}
본 발명은 Fe를 주성분으로 하는 합금 중에서 Fe계 비정질 합금(Fe-based amorphous alloy)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대기압에서 분말화가 가능한 Fe계 비정질 합금용 조성물 및 이를 이용한 Fe계 비정질 합금 분말 제조 방법에 관한 것이다.
비정질 합금은 초고강도, 고내식성, 고내마모성의 특성을 가져, 자동차나 고속전철용의 부품이나 코팅 재료 등 많은 분야에 응용되고 있다.
그러나, 종래의 비정질 합금은 원 소재들의 순도가 매우 높아야 하고 또한 대략 10-3mmHg 이하의 고진공에서 주조가 이루어져야 제조가 가능하였기 때문에, 제조 비용이 매우 많이 소요되는 관계로, 상용화에 부적합한 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 Fe계 비정질 합금을 대기압 하에서도 제조할 수 있는 합금용 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 제시된 조성물로부터 대기압 하에서 고내산화성, 고강도 등의 우수한 특성을 갖는 Fe계 비정질 합금을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 고내산화성 Fe계 비정질 합금용 조성물은 탄소(C) : 1.4 ~ 2.4 중량%, 실리콘(Si) : 1.2 ~ 2.2 중량%, 보론(B) : 1.6 ~ 3.0 중량%, 크롬(Cr) : 15.7 ~ 26.7 중량%, 루테늄(Ru) : 2.1 ~ 3.7 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.2 ~ 0.9 중량%, 망간(Mn) : 1.4 ~ 2.3 중량% 및 잔량의 철(Fe)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고내산화성 Fe계 비정질 합금 분말 제조 방법은 (a) 탄소(C) : 1.4 ~ 2.4 중량%, 실리콘(Si) : 1.2 ~ 2.2 중량%, 보론(B) : 1.6 ~ 3.0 중량%, 크롬(Cr) : 15.7 ~ 26.7 중량%, 루테늄(Ru) : 2.1 ~ 3.7 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.2 ~ 0.9 중량%, 망간(Mn) : 1.4 ~ 2.3 중량% 및 잔량의 철(Fe)을 포함하는 Fe계 합금용 조성물을 용융시켜 용탕을 형성하는 단계; (b) 상기 용탕에 고압가스를 분사하여, 상기 용탕을 급냉 및 분쇄시켜 분말화하는 단계; 및 (c) 상기 분말화된 Fe계 합금을 포집기로 포집하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 내산화성 Fe계 비정질 합금 분말 제조 방법은 95%급 이하의 저순도 원료들을 이용하면서도 대기압에서 고압 가스 분사를 통하여 비정질 합금 분말을 제조할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 Fe계 비정질 합금 분말 제조 방법으로부터 제조된 Fe계 비정질 합금 분말은 고내산화성, 초고강도 등의 우수한 물성을 통하여 자동차, 고속전철 등의 부품이나 코팅 소재로 다양하게 적용될 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 Fe계 합금 분말 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 도 1에 도시된 방법으로 제조된 Fe계 비정질 합금 분말의 미세조직사진을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 제조 방법으로 제조된 Fe계 비정질 합금 분말의 DSC 열분석 결과를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 제조 방법으로 제조된 Fe계 비정질 합금 분말의 X-선 회절 분석 결과를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명에 따른 고내산화성 Fe계 비정질 합금용 조성물, 이를 이용한 Fe계 비정질 합금 분말 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 Fe계 비정질 합금 분말에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
이때, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다.
그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명에 따른 고내산화성 Fe계 비정질 합금용 조성물은 철(Fe)을 주성분으로 하며, 탄소(C), 실리콘(Si), 보론(B), 크롬(Cr), 루테늄(Ru), 몰리브덴(Mo) 및 망간(Mn)을 포함한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 고내산화성 Fe계 비정질 합금용 조성물은 탄소(C) : 1.4 ~ 2.4 중량%, 실리콘(Si) : 1.2 ~ 2.2 중량%, 보론(B) : 1.6 ~ 3.0 중량%, 크롬(Cr) : 15.7 ~ 26.7 중량%, 루테늄(Ru) : 2.1 ~ 3.7 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.2 ~ 0.9 중량%, 망간(Mn) : 1.4 ~ 2.3 중량%와 잔량의 철(Fe)를 포함한다.
이때, 잔량의 철(Fe)은 순수한 철(Fe) 성분으로만 이루어져 있을 수 있으며, 또한 제강 과정 등에서 불가피하게 포함되는 불순물이 더 포함되어 있을 수 있다.
이하 본 발명에 따른 Fe계 비정질 합금용 조성물에 첨가되는 각 성분의 함량범위 및 그 제한 이유에 대하여 설명하기로 한다.
탄소(C)
탄소(C)는 본 발명에 따른 Fe계 비정질 합금 내에서 침입형 고용 강화 (interstitial solid solution hardening) 효과를 나타내며, 또한 Cr, Mo 등과 함께 탄화물을 형성한다.
상기 탄소(C)는 합금용 조성물 전체 중량의 1.4 ~ 2.4 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 탄소(C)가 본 발명에 따른 합금용 조성물에서 1.4 중량% 미만으로 첨가되는 경우에는 강도 향상에 기여하지 못하며, 또한 탄소(C)가 본 발명에 따른 합금용 조성물에서 2.4 중량%를 초과할 경우에는 취성이 강하여 내충격성이 현저히 저하되는 문제점이 있다.
실리콘( Si )
실리콘(Si)은 본 발명에 따른 Fe계 비정질 합금의 내산화성을 향상시키고, 비정질상 형성을 조장하는 역할을 한다.
상기 실리콘(Si)는 합금용 조성물 전체 중량의 1.2 ~ 2.2 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 실리콘(Si)이 본 발명에 따른 합금용 조성물에서 1.2 중량% 미만으로 첨가될 경우 상기의 내산화성 향상 및 비정질상 형성 조장 효과를 기대하기 어렵고, 실리콘이 본 발명에 따른 합금용 조성물에서 2.2 중량%를 초과할 경우에는 내산화성 수명이 더 이상 길어지지 않고, 오히려 Fe2Si, Fe3Si 등의 화합물을 형성하여 바람직하지 못한 문제점이 있다.
보론(B)
보론(B)은 본 발명에 따른 Fe계 비정질 합금에 첨가되어 내마모성을증가시키고, 결정질-비정질 변태를 결정하는 역할을 한다.
이러한 보론(B)은 합금용 조성물 전체 중량의 1.6 ~ 3.0 중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 보론(B)의 함량이 본 발명에 따른 합금용 조성물에서 1.6 중량% 미만일 경우 상기와 같은 보론 첨가 효과를 충분히 발휘할 수 없고, 보론(B)이 본 발명에 따른 합금용 조성물에서 3.0 중량%를 초과할 경우에는 과다 보론 함유로 인한 Fe계 비정질 합금의 취성이 증가되어 내충격성이 저하되는 문제점이 있다.
크롬( Cr )
크롬(Cr)은 본 발명에 따른 Fe계 비정질 합금에서 표면에 Cr2O3와 FeO·Cr2O3 등과 같은 내산화성인 크롬 화합물을 형성하여, 높은 강도와 함께 Fe의 산화물 생성을 억제하여 Fe계 비정질 합금의 내산화성을 확보하는 역할을 한다.
이러한 크롬은 본 발명에 따른 합금용 조성물 전체 중량의 크롬(Cr) : 15.7 ~ 26.7 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 크롬이 본 발명에 따른 합금용 조성물에서 15.7 중량% 미만으로 첨가될 경우, 상기의 크롬 첨가 효과를 충분히 발휘할 수 없으며, 크롬이 본 발명에 따른 합금용 조성물에서 26.7 중량%를 초과할 경우 과다 크롬으로 인한 Fe계 합금의 비정질화에 방해가 되어 바람직하지 못하다.
루테늄( Ru )
루테늄(Ru)은 본 발명에 따른 Fe계 비정질 합금의 강도 및 경도를 향상시키고, 산소와 쉽게 결합하여 안정적인 RuO2를 형성함으로써 Fe의 산화물 생성을 억제하여 크롬(Cr)이 포함되지 않은 상태에서도 내산화성을 강화하는 역할을 한다.
상기 루테늄(Ru)은 합금용 조성물 전체 중량의 2.1 ~ 3.7 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 상기 루테늄(Ru)이 2.1 중량% 미만으로 첨가되면 루테늄(Ru) 첨가로 인한 합금의 강도 향상 효과 및 내산화성 향상 효과를 얻을 수 없으며, 루테늄(Ru)이 본 발명에 따른 합금 조성물에서 3.7 중량%를 초과하면 Fe계 비정질 합금의 취성이 급격히 증가하는 문제점이 있다.
몰리브덴( Mo )
몰리브덴(Mo)은 본 발명에 따른 Fe계 비정질 합금에서 경질입자를 구성하여 내마모성을 향상시키는 역할을 한다.
상기 몰리브덴(Mo)은 합금용 조성물 전체 중량의 0.2 ~ 0.9 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 몰리브덴(Mo)이 본 발명에 따른 합금용 조성물에서 0.2 중량% 미만으로 첨가되면 몰리브덴(Mo) 첨가에 따른 내마모성 향상 효과가 불충분하며, 반대로 몰리브덴(Mo)의 함량이 본 발명에 따른 합금용 조성물에서 0.9 중량%를 초과하면 다른 부품 마모시킬 수 있어 바람직하지 못하다.
망간( Mn )
망간(Mn)은 본 발명에 따른 Fe계 비정질 합금의 비정질상을 안정화시키는 역할을 한다.
상기 망간(Mn)은 Fe계 비정질 합금용 조성물 전체 중량의 1.4 ~ 2.3 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 그 이유는 망간(Mn)이 본 발명에 따른 합금용 조성물에서 1.4 중량% 미만으로 첨가되는 경우, 망간(Mn) 첨가에 따른 비정질상 안정화 효과를 충분히 얻을 수 없으며, 망간(Mn)이 본 발명에 따른 합금용 조성물에서 2.3 중량%를 초과하여 첨가되는 경우, 내산화성이 저하되는 문제점이 있다.
상기 제시된 Fe계 비정질 합금용 조성물을 이용하면 도 1에 도시된방법을 이용하여 Fe계 비정질 합금 분말로 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 Fe계 합금 분말 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 도시된 비정질 합금 분말 제조 방법은 용탕 형성 단계(S110), 고압가스 분사 단계(S120) 및 분쇄물 포집 단계(S130)를 포함한다.
용탕 형성 단계(S110)에서는 본 발명에 따른 Fe계 합금용 조성물, 즉 탄소(C) : 1.4 ~ 2.4 중량%, 실리콘(Si) : 1.2 ~ 2.2 중량%, 보론(B) : 1.6 ~ 3.0 중량%, 크롬(Cr) : 15.7 ~ 26.7 중량%, 루테늄(Ru) : 2.1 ~ 3.7 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.2 ~ 0.9 중량%, 망간(Mn) : 1.4 ~ 2.3 중량%를 포함하는 Fe계 합금용 조성물을 용융 도가니 내부로 장입시키고, 용융 도가니 내부의 온도를 약 1500℃ 이상으로 높여 용탕을 형성한다.
다음으로, 고압가스 분사 단계(S120)에서는 상기 형성된 용탕에 고압가스를 분사한다. 이를 통해, 용탕은 급냉과 동시에 분쇄되어 분말화된다. 이때 이용될 수 있는 고압가스는 2~10기압의 분사 압력을 갖는 질소 가스가 될 수 있다. 용탕의 냉각 속도는 고압가스의 분사 압력 등에 따라 달라질 수 있다. 고압가스 분사 단계(S120)에서는 고압가스를 분사하여 용탕이 급냉되므로, 용탕이 결정화되는 것을 억제할 수 있고, 이를 통하여 비정질 합금을 형성하게 된다.
한편, 고압가스 분사 단계(S120)는 대략 10-3mmHg 이하의 고진공에서 이루어질 수도 있으나, 이 경우 고진공 유지에 고가의 비용이 소요된다. 그러나, 상기 제시된 조성을 갖는 합금용 조성물의 경우 대기압 하에서 고압가스 분사 공정이 가능하였으며, 이를 통하여 종래에 비하여 Fe계 비정질 합금 분말 등의 제조 비용을 현격히 낮출 수 있게 되었다. 따라서, 고압가스 분사 단계(S120)는 대기압 하에서 실시되는 것이 바람직하다.
다음으로, 분쇄물 포집 단계(S130)에서는 고압가스 분사에 의하여 제조된 Fe계 비정질 합금 분말을 포집기를 이용하여 포집한다. 포집기에는 10 ~ 90 ㎛ 정도의 입경을 갖는 분말이 포집될 수 있도록 포집망이 배치될 수 있으며, 이 외에도 Fe계 비정질 합금 분말의 사용 목적에 따라서 다른 입경 범위를 갖는 분말이 포집될 수 있는 포집망이 배치될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 방법에 의해 제조된 Fe계 비정질 합금 분말의 미세조직사진을 나타낸 것이다.
이때, 도 2 내지 도 4에서 이용된 Fe계 비정질 합금용 조성물에는 탄소(C) : 2.2 중량%, 실리콘(Si) : 1.8 중량%, 보론(B) : 2.7 중량%, 크롬(Cr) : 23.0 중량%, 루테늄(Ru) : 2.6 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.6 중량%, 망간(Mn) : 2.0 중량%가 첨가되었다. 이때, 원재료는 전체적인 순도가 95%급 이하의 저순도 원재료를 사용하였다.
또한 고압가스는 5기압의 질소가스가 이용되었으며, 반응용기 내 분위기 압력은 대기압이었다.
도 2를 참조하면, 대기압 하에서도, 분말이 45 ~ 90 ㎛의 평균 입도를 가지면서 구형의 고른 형상을 가지는 것을 볼 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 제조 방법으로 제조된 Fe계 비정질 합금 분말의 DSC 열분석 결과를 나타낸 것이다.
DSC(Differential Scanning Calorimeter)에 의한 열분석에서 비정질 상태인 경우에는 낮은 열량을 나타내며, 결정화가 진행되는 특정 온도에서는 열량이 급격히 증가한다.
도 3을 참조하면, DSC 열분석 결과, 본 발명에 따른 Fe계 비정질 합금 분말은 500℃ 이하의 온도에서는 비정질 상태를 유지하다가 510 ~ 540℃ 부근에서 비로소 결정화가 시작되는 것을 알 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 제조 방법으로 제조된 Fe계 비정질 합금 분말의 X-선 회절 분석 결과를 나타낸 것이다.
비정질 합금 분말의 경우, X-선 회절 강도(Intensity)가 완만하게 나타나는 특성이 있다.
도 4를 참조하면, X-선 회절 분석 결과, 본 발명에 따른 Fe계 비정질 합금 분말은 모든 회절 각도(2θ)에서 비교적 완만한 회절 강도를 나타내고 있어, 비정질 상태 특성을 잘 나타내고 있는 것을 알 수 있다.
즉, 도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 제조 방법은 원재료의 순도가 95%급 이하의 저순도 원재료를 사용하고, 고압가스 분사가 대기압 하에서 이루어졌음에도 비정질 합금의 형성이 가능하다.
상기 제조된 Fe계 비정질 합금 분말을 100℃의 온도 및 상대습도 90% 조건에서 200 시간 동안 방치한 후, 산화 테스트를 수행한 결과 녹이 발생하지 않았다. 따라서, 본 발명에 따른 Fe계 비정질 합금 분말은 충분한 내산화성을 갖는 것을 알 수 있다. 이는 본 발명에 따른 합금용 조성물에 크롬(Cr), 루테늄(Ru) 등이 적절히 첨가됨으로써 가능하였다.
본 발명에 따른 제조 방법에 따라 제조되는 고내산화성 Fe계 비정질 합금 분말은 다음과 같은 특성이 있다.
우선, 상기 방법을 통하여 제조된 Fe계 비정질 합금 분말은 초고강도 및 고인성을 가진다. 따라서, 자동차 크랭크 트레인, 자동차 밸브 트레인, 스프링, 차체, 실린더 슬리브 등과 같은 자동차 및 고속전철용 부품이나 고속전철 차체에 적용될 수 있으며, 또한 박형 노트북 케이스, 휴대전화기 케이스, 미니 디스크 케이스, 디지털 카메라 케이스 등의 전기전자 통신기기 부품으로 활용할 수 있다.
또한, 상기 방법을 통하여 제조된 Fe계 비정질 합금 분말은 고강도 및 우수한 내마모 특성을 갖는다. 따라서, 실린더 블록, 엔진무빙시스템, 베어링, 고속전철 브레이크 디스크 등과 같은 자동차 및 고속전철의 부품이나 코팅 재료로에 적용할 수 있다.
또한, 상기 방법을 통하여 제조된 Fe계 비정질 합금 분말은 고강도 및 고내산화성을 갖는다. 따라서, 내식 튜브 및 파이프, 열교환기용 소형 압출재 등에 적용할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 기술자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 이하에 기재되는 특허청구범위에 의해서 판단되어야 할 것이다.
S110 : 용탕 형성 단계
S120 : 고압가스 분사 단계
S130 : 분쇄물 포집 단계

Claims (5)

  1. (a) 탄소(C) : 1.4 ~ 2.4 중량%, 실리콘(Si) : 1.2 ~ 2.2 중량%, 보론(B) : 1.6 ~ 3.0 중량%, 크롬(Cr) : 15.7 ~ 26.7 중량%, 루테늄(Ru) : 2.1 ~ 3.7 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.2 ~ 0.9 중량%, 망간(Mn) : 1.4 ~ 2.3 중량% 및 잔량의 철(Fe)을 포함하는 Fe계 합금용 조성물을 용융시켜 용탕을 형성하는 단계;
    (b) 상기 용탕에 2~10기압의 분사 압력을 갖는 가스를 분사하여, 상기 용탕을 냉각 및 분쇄시켜 분말화하는 단계; 및
    (c) 상기 분말화된 Fe계 합금을 포집기로 포집하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고내산화성 Fe계 비정질 합금 분말 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 대기압 하에서 실시되는 것을 특징으로 하는 고내산화성 Fe계 비정질 합금 분말 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가스는 질소 가스인 것을 특징으로 하는 고내산화성 Fe계 비정질 합금 분말 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 (a) 내지 (c) 단계를 통하여 제조되는 합금 분말은 10 ~ 90 ㎛의 평균입도를 갖는 것을 특징으로 하는 고내산화성 Fe계 비정질 합금 분말 제조 방법.
  5. 탄소(C) : 1.4 ~ 2.4 중량%, 실리콘(Si) : 1.2 ~ 2.2 중량%, 보론(B) : 1.6 ~ 3.0 중량%, 크롬(Cr) : 15.7 ~ 26.7 중량%, 루테늄(Ru) : 2.1 ~ 3.7 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.2 ~ 0.9 중량%, 망간(Mn) : 1.4 ~ 2.3 중량% 및 잔량의 철(Fe)을 포함하는 Fe계 비정질 합금용 조성물.
KR1020100022060A 2010-03-12 2010-03-12 고내산화성 Ｆｅ계 비정질 합금용 조성물 및 이를 이용한 Ｆｅ계 비정질 합금 분말 제조 방법 KR100974806B1 (ko)

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JPH10317019A (ja) 1997-05-19 1998-12-02 Akihisa Inoue 金属粉末の製造方法とその装置
KR20000049741A (ko) * 2000-04-26 2000-08-05 김철우 고압수분사법에 의한 비정질 금속분말의 제조방법.

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