KR101074245B1 - 고장력이며, 소성 변형 가능한, 티타늄 합금으로 구성된 성형체 - Google Patents
고장력이며, 소성 변형 가능한, 티타늄 합금으로 구성된 성형체 Download PDFInfo
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- C22C—ALLOYS
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Abstract
본 발명의 과제는 고장력이면서 실온에서 소성 변형 가능한, 티타늄(Titanium) 합금으로 이루어진 성형체를 제작하는 것이고, 상기 성형체는 다른 특성 즉, 강도, 탄성 연신율 혹은 부식 반응과 같은 다른 특성에 의해 실제 방해받지 않으면서, 언급된 금속성 유리와는 달리 거시적인 유연성 및 경화변형을 실온의 변형 공정 중에 가진다.
본 발명에 따르는 성형체는, 하기 공식의 조성에 적합한 재료로 이루어진 성형체로서,
Tia E1b E2c E3d E4e
이때,
E1은 원자 Ta, Nb, Mo, Cr, W, Zr, V, Hf 및 Y로 구성된 그룹 중에서 한 개의 원자 혹은 다수의 원자로 이루어지고,
E2는 원자 Cu, Au, Ag, Pd 및 Pt로 구성된 그룹 중에서 한 개의 원자 혹은 다수의 원자로 이루어지고,
E3은 원자 Ni, Co, Fe, Zn, Mn으로 구성된 그룹 중에서 한 개의 원자 혹은 다수의 원자로 이루어지고,
E4는 원자 Sn, Al, Ga, Si, P, C, B, Pb 및 Sb로 구성된 그룹 중에서 한 개의 원자 혹은 다수의 원자로 이루어지고,
a = 100-(b+c+d+e)
b = 0 내지 20
c = 5 내지 30
d = 5 내지 30
e = 1 내지 15
( 원자-% a, b, c, d, e) 및
제조과정에서의 가능한 한 소량의 첨가물 및 불순물을 가지는 것을 특징으로 한다.
이때 상기 성형체는 균질한(homogeneous) 마이크로구조를 가지는 구조를 이루고, 주로 그 안에 연성의 덴드라이트형(dendritic)의 bcc(체심 입방 격자)-상(phase)을 가지는 나노결정질(nanocrystalline) 또는 유리질(glassy) 매트릭스(Matrix)로 이루어진다. 최대 10%의 적은 체적부분을 차지하는 제3의 상(third phase)의 출현이 가능해진다.
이러한 타입의 성형체는, 예를 들면 항공산업, 우주비행 및 차량산업에서, 게다가 의학 기술적 기기 및 의학 분야의 임플란트(Implant)에 고부하 부품으로서 사용될 수 있다.
Description
본 발명은 고장력이며 실온에서 소성변형 가능한, 티타늄(Titanium) 합금으로 이루어진 성형체에 관한 것이다. 상기와 같은 성형체는, 만일 기계적 하중, 부식내성 및 특히 복잡하게 형성된 부품의 표면부하에 많은 요구가 제기된다면, 예를 들면 항공산업, 우주비행 및 차량산업에서, 게다가 의학 기술적 기기 및 의학 분야의 임플란트(Implant)에 고부하 부품으로서 사용될 수 있다.
유리한(예를 들면, 연자기성, 기계적, 접촉성) 특성을 유지하기 의하여, 특정 다중 성분의 금속성 재료가 급속한 경화에 의해 준안정 유리질의 상태로 바꾸어질 수 있는 기술이 공지된 바 있다. 대부분 상기 재료는 융해에 필요한 냉각비율 때문에 예를 들면, 얇은 벨트 또는 파우더와 같이 최소한의 디멘션(Dimension)의 적은 용적으로만 제작될 수 있다. 따라서 상기 재료는 순수한 구성재료로서는 적합하지 않다(예를 들면 T. Masumoto, Mater. Sci. Eng. A179/180 (1994) 8-16. 참조).
다중 성분의 합금에 대한 특정 합성분야가 공지된 바 있으며, 앞선 분야에서 이러한 금속성 유리(metallic glass)들이 예를 들면, > 1㎜ 용적을 가지는 순수한 형태로 주물공정에 의해 제조되어질 수 있다. 이러한 합금으로는 예를 들면 Pd-Cu-Si, Pd40Ni40P20, Zr-Cu-Ni-A1, La-A1-Ni-Cu가 있다(예를 들면 T. Masumoto, Mater. Sci. Eng. A179/180 (1994) 8-16 and W.L. Johnson in Mater. Sci. Forum Vol. 225-227, S. 35-50, Transtec Publications 1996, Switzerland. 참조). 특히, Ti50Ni25Cu25, Ti-Be-Zr, Ti-Ni-Cu-A1 및 Ti-Zr-Ni-Cu와 같은 화학 공식의 합성을 가지는, > 1㎜으로 제조되어질 수 있는 금속성 유리들이 공지된 바 있다(A. Inoue et al., Mater. Lett.19,131 (1994), K. Amiya et al., Mater. Sci. Eng. A179/A180,692 (1994), L.E. Tanner et al., Scr. Met. 11, 1727 (1977), and D.V. Louzguine et al., J. Mater. Res. 14, 4426 (1999) 참조).
더 나아가 제 4의 Ti-Cu-Ni-Sn 합금의 특정 합성분야에서 모두 > 1㎜의 디멘션(Dimension)을 가지는 금속성의 유리형태가 공지된 바 있다(T. Zhang and A. Inoue, Mater. Trans., JIM 39,1001 (1998) 참조).
화학 공식 (Zr100-a-bTiaNbb)75 (BexCuyNiz)25을 가지는 다중 성분의 베릴륨(Be)을 함유한 합금에 대한 합성이 공지된 바 있다. 이때 계수 a,b는 Atom-% a = 18,34; b = 6,66을 가지는 원소부분을 그리고 계수 x, y, z는 Atom-% x; y: z = 9 : 5 ; 4를 가지는 비율부분을 표기한다. 상기 합금은 2-상(diphase)이며, 그리고 고장력의, 깨지기 쉬운 유리질의 매트릭스(Matrix) 및 연성의, 소성 변형 가능한 덴드라이트형(dendritic) bcc(body-centered cubic)-상(phase)을 가진다. 상기에 의해 기계적 특성이 실온에서, 특히 거시적인 팽창의 영역에서 현저하게 개선된다(C.C. Hays, C.P. Kim and W.L. Johnson, Phys. Rev. Lett. 84, 13, p. 2901 - 2904, (2000) 참조).
고장력의 유리질의 매트릭스(Matrix)와 그 안에 들어 있는 연성의 소성 변형 가능한 덴드라이트형(dendritic) bcc-상(phase)을 가지는 2-상(diphase)의 티타늄(Titanium) 합금이 지금까지는 제작될 수 없었다.
본 발명의 과제는 고장력이면서 실온에서 소성 변형 가능한, 티타늄(Titanium) 합금으로 이루어진 성형체를 제작하는 것이고, 상기 성형체는 다른 특성 즉, 강도, 탄성 연신율 혹은 부식 반응과 같은 다른 특성에 의해 실제 방해받지 않으면서, 언급된 금속성 유리와는 달리 거시적인 유연성 및 경화변형을 실온의 변형 공정 중에 가진다.
상기 과제는 특허 청구항에서 제시된 고장력의 성형체에 의해 해소된다.
본 발명에 따르는 성형체는, 하기 공식의 합성에 적합한 재료로 이루어진 성형체로서,
Tia E1b E2c E3d E4e
이때,
E1은 원자 Ta, Nb, Mo, Cr, W, Zr, V, Hf 및 Y로 구성된 그룹 중에서 한 개의 원자 혹은 다수의 원자로 이루어지고,
삭제
E2는 원자 Cu, Au, Ag, Pd 및 Pt로 구성된 그룹 중에서 한 개의 원자 혹은 다수의 원자로 이루어지고,
삭제
E3은 원자 Ni, Co, Fe, Zn, Mn으로 구성된 그룹 중에서 한 개의 원자 혹은 다수의 원자로 이루어지고,
삭제
E4는 원자 Sn, Al, Ga, Si, P, C, B, Pb 및 Sb로 구성된 그룹 중에서 한 개의 원자 혹은 다수의 원자로 이루어지고,
삭제
a = 100-(b+c+d+e)
b = 0 내지 20
c = 5 내지 30
d = 5 내지 30
e = 1 내지 15
(Atom-% a, b, c, d, e) 및
제조과정에서 존재할 수 있는 소량의 첨가물 및 불순물을 가지는 것을 특징으로 한다.
제조과정에서 존재할 수 있는 소량의 첨가물 및 불순물을 가지는 것을 특징으로 한다.
이때 상기 성형체는 균질한(homogeneous) 마이크로구조를 가지는 구조를 이루고, 주로 그 안에 연성의 덴드라이트형(dendritic) bcc(체심 입방 격자)-상(phase)을 가지는 유리질 또는 나노결정질의 매트릭스(a glassy or nanocrystalline Matrix)로 이루어진다. 최대 10%의 적은 체적부분을 차지하는 제3의 상(third phase)의 출현이 가능해진다.
특히 유리한 특성을 실현하기 위하여 상기 재료는 a = 45-55, c = 20-25, d = 15-25 및 e = 5-10 (Atom-% 부분)인 조성 TiaCucNidSne에 일치해야만 한다.
본 발명에 따르면, 매트릭스(Matrix)에 형성된 덴드라이트형(dendritic) bcc-상(Phase)의 체적부분은 본 발명에 따라 20 내지 90%, 특히 50 내지 70%에 달한다. 1차 덴드라이트(dendrite)의 길이는 1-100 ㎛의 영역에 속하며 1차 덴드라이트(dendrite)의 반경은 0.2-2 ㎛에 달한다.
상기 성형체를 생산하기 위하여 구리주형에 티타늄(Titanium) 합금을 융해시키는 주조에 의해 완성된 주조부분이 생산된다.
유리질(glassy) 또는 나노결정질 매트릭스(Matrix)의 덴드라이트형 bcc-상(Phase)을 증명하고 그리고 덴드라이트형 침전물(deposit)의 크기 및 체적부분을 결정하는 것은 X-선 회절, 주사 전자 현미경 또는 투과 전자 현미경을 통해 이루어질 수 있다.
본 발명은 하기의 실시예에 근거하여 더욱 상세히 설명된다.
실시예 1
조성 Ti50Cu23Ni20Sn7 (Atom-% 수 표기)을 가지는 합금은 내부직경 3㎜를 가지는 실린더형 구리주형으로 주물 되어진다. 상기에서 얻어진 성형체는 부분적으로는 유리질이고, 부분적으로는 나노결정질인 매트릭스(Matrix) 및 그 안에 들어 있는 연성의 bcc-상(Phase)으로 이루어진다. 덴드라이트형 상(phase)의 체적부분은 50%로 어림잡는다. 상기에 의해 최대 응력이 2010 MPa 일 때, 파단 연신율(break elongation)은 7.5%에 이른다. 기술적 항복점(0.2% 항복강도)의 탄성 연신율(elastic elongation)은 강도가 1190 MPa일 때 2.5%에 달한다. 탄성계수는 85.8 GPa에 달한다.
실시예 2
조성 Ti60Ta10Cu14Ni12Sn4 (Atom-% 수 표기)를 가지는 합금은 내부직경 3㎜를 가지는 실린더형 구리주형으로 주물 되어진다. 상기에서 얻어진 성형체는 부분적으로는 유리질이고, 부분적으로는 나노결정질인 매트릭스(Matrix) 및 그 안에 들어 있는 연성의 bcc-상으로 이루어진다. 덴드라이트형 상의 체적부분은 60%로 어림잡는다. 상기에 의해 최대 응력이 2200 MPa 일 때, 파단 연신율은 3.0%에 이른다. 기술적 항복점(0.2% 항복강도)의 탄성 연신율은 강도가 1900 MPa일 때 1.0%에 달한다. 탄성계수는 95.5 GPa에 달한다.
Claims (5)
- 고장력이며, 실온에서 소성 변형 가능한, 티타늄(Titanium) 합금으로 된 성형체에 있어서, 상기 성형체는 하기 공식의 조성에 적합한 재료로 이루어지고,Tia E1b E2c E3d E4e이때,E1은 원자 Ta, Nb, Mo, Cr, W, V, Hf 및 Y로 구성된 그룹 중에서 한 개의 원자 혹은 다수의 원자로 이루어지고,E2는 원자 Cu, Au, Ag, Pd 및 Pt로 구성된 그룹 중에서 한 개의 원자 혹은 다수의 원자로 이루어지고,E3은 원자 Ni, Co, Fe, Zn, Mn으로 구성된 그룹 중에서 한 개의 원자 혹은 다수의 원자로 이루어지고,E4는 원자 Sn, Al, Ga, Si, P, C, B, Pb 및 Sb로 구성된 그룹 중에서 한 개의 원자 혹은 다수의 원자로 이루어지고,a = 100-(b+c+d+e)b = 0 내지 20c = 5 내지 30d = 5 내지 30e = 1 내지 15(Atom-% a, b, c, d, e) 및제조과정에서 존재할 수 있는 불순물을 가지는 것을 특징으로 하고,균질한 마이크로구조(homogeneous microstructure)를 가지는 구조를 이루고, 그 안에 연성의 덴드라이트형(dendritic) bcc(체심 입방 격자)-상을 갖는 유리질 또는 나노결정질의 매트릭스(a glassy or nanocrystalline matrix)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 성형체.
- 제 1항에 있어서, 상기 재료가 b = 0-15, c = 20-25, d = 15-25 및 e = 5-10 (Atom-%)의 조성을 가지는 것을 특징으로 하는 성형체.
- 제 1항에 있어서, 매트릭스에 형성된 덴드라이트형(dendritic) bcc-상의 체적부분이 20 내지 90%에 달하는 것을 특징으로 하는 성형체.
- 제 1항에 있어서, 덴드라이트(dendrite)의 길이가 1-100 ㎛의 범위이며 덴드라이트의 반경이 0.2-2 ㎛임을 특징으로 하는 성형체.
- 제 3항에 있어서, 매트릭스에 형성된 덴드라이트형(dendritic) bcc-상의 체적부분이 50 내지 70 %에 달하는 것을 특징으로 하는 성형체.
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