KR101104793B1 - Ｚｒ계 비정질 합금의 보스 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비정질 합금의 조성과 성형 조건의 조절을 통해 높은 기계적 강도와 내식성을 구비하면서 동시에 수축공이나 결정질의 형성과 같은 주조 결함 없이 얇은 두께로 보스를 벌크 성형할 수 있는 제조방법에 관한 것이다.

벌크 비정질 합금, 보스

Description

Ｚｒ계 비정질 합금의 보스 제조 방법 {MANUFACTURING METHOD FOR BOSS CONSISTED OF ZIRCONIUM BASED AMORPHOUS ALLOY}

본 발명은 보스(boss)의 성형 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 보스를 제조함에 있어서 Zr계 비정질 합금을 과냉 액상 영역의 온도에서 성형하여 제조함으로써, 높은 강도와 경도, 내마모성, 내부식성 등에 있어서 우수한 특성을 나타낼 뿐 아니라 외관을 매우 미려하게 형성할 수 있는 보스의 제조방법에 관한 것이다.

현대 산업은 더 극한의 상황에서도 우수한 성질을 보이는 재료들을 원하고 있으며, 이러한 요구에 대해 결정질 재료는 그 한계를 보이고 있다.

이러한 문제점의 해결책 중의 하나로, 기존의 결정질 재료와는 다른 원자 배열 구조를 가지는 비주기적 결정구조를 가지는 재료에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있으며, 그 결과 중 하나로 높은 강도(~2 GPa)와 마모 및 부식 저항성이 뛰어나고 특히 넓은 탄성 한계영역(~2%)을 가지는 벌크 비정질 합금이 고려되고 있다.

이러한 벌크 비정질 합금을 이용하면 초 고강도의 재료를 얻는 것이 가능할 뿐 아니라 비강도가 높아짐으로써 경량화를 이룰 수 있고, 균일한 미세조직을 가짐으로써 내식성의 향상, 내마모성의 증가를 얻을 수 있다는 장점이 있으나, 벌크 상태의 비정질 합금을 얻기 어려웠다.

그런데 최근 특정한 합금 군에서 과냉각 액체 상태가 매우 안정화되고, 100K/s 이하의 비교적 느린 냉각속도라도 결정화되지 않고 유리 천이를 하는 소위 비정질 합금이 개발되었다.

이러한 비정질 합금은 결정질 재료보다 월등히 높은 강도와 경도, 우수한 내부식성과 내마모성, 낮은 탄성 한계 등의 특징을 나타내지만, 상온에서는 취약하기 때문에 상온 성형성이 나쁜 단점을 지니고 있다.

비정질 합금의 성형과 관련하여, 종래에는 금형 주조법, 고압 사출 성형법, 흡인 주조법, 형체(型締) 주조법, 회전 디스크 제선법 등의 제조방법을 이용하여 용탕으로부터 직접 벌크 비정질 합금을 제조하는 방법이 알려져 있다.

그러나 이들 방법으로부터 정밀한 벌크 비정질 합금 부품을 성형하기에는 많은 문제점이 있었다. 예를 들어, 금형 주조법의 경우, 용탕의 유동성 부족에 의한 형상 누락이나 유문이나 주물 기포 등의 주조 결함과 함께, 금형에서의 냉각 속도 불안정으로 인해 부분적으로 비정질이 되지 않는 문제점이 있다.

한편, 전자제품에 널리 사용되는 보스의 경우, 전자제품의 경박단소화에 따라 기계적 강도는 유지하고 또한 전자파 차단 등의 기능을 보유하면서 두께가 매우 얇은 박육화에 대한 요구가 높다.

그러나 종래의 알루미늄이나 마그네슘 등의 결정질 합금 재료로는 상기와 같 은 물성 요건을 만족하기 어려우며, 전술한 바와 같은 이유로 비정질 합금으로 보스와 같은 벌크재를 성형하기도 어렵다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 비정질 합금의 조성과 성형 조건의 조절을 통해 높은 기계적 강도와 내식성을 구비하면서 동시에 수축공이나 결정질의 형성과 같은 주조 결함 없이 얇은 두께로 보스를 벌크 성형할 수 있는 제조방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 보스의 제조방법은, Zr계 비정질 합금을 용해한 후 펀치로 용탕을 가압하여 주조하는 방법을 통해 보스를 제조하는 방법으로서, 상기 주조 온도는 400 ~ 430℃로 유지하고, 펀치 속도는 0.002 ~ 0.02 mm/s로 유지하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 비정질 합금은 원자%로 Zr: 44%, Ti: 11%, Cu: 9.5%, Ni: 10.2%, Be: 25%와 기타 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 펀치와 용탕의 사이에는 윤활제를 사용하지않는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기와 같은 방법에 의해 벌크 비정질 합금 보스를 제공한다.

본 발명에 따른 제조방법으로 비정질 합금 보스를 제작할 경우, 그 제품은 높은 강도와 경도, 내마모성, 내부식성 등의 우수한 특성을 갖게 되어 제품 수명이 크게 증가할 수 있다.

또한, 비정질 합금이 갖는 매끄러운 표면을 그대로 갖기 때문에 외관상으로도 매우 미려한 표면을 띄게 된다.

또한, 윤활제를 사용하지 않고 펀치와 재료사이의 마찰력을 증가시킬 경우 종래에 비해 보다 더 얇은 살 두께를 갖는 보스를 제조할 수 있어, 전자제품 등에의 이용이 기대된다.

본 발명의 실시예들을 설명하기 위해 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함하는 의미이다. 그리고 “포함한다”의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및 /또는 성분을 구체화하며 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외하는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만 여기에 사용되는 기술용어 및 과학 용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미이다. 또한, 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술 문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 갖는 것으로 추가 해석되고 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 비정질 합금 보스의 제조방법에 대한 바람직한 실시예를 상세하게 설명하겠지만 본 발명이 하기의 실시예에 제한되는 것은 아니다. 따라서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명 의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변경할 수 있음은 자명하다.

보스의 성형

먼저, 보스의 성형 재료로는 하기 표 1과 같은 조성을 갖는 지르코늄계 비정질 합금을 사용하였다.

비정질 합금의 조성

성분	Zr	Ti	Cu	Ni	Be	기타
함량(at.%)	44	11	9.5	10.2	25	불가피한 불순물

상기와 같은 조성을 갖는 비정질 합금을 할로겐 램프 전기로를 이용하여 과냉 액상 온도로 가열하였다.

이어서, 도 1에 도시된 바와 같은 성형 장치(1)를 사용하여 재료를 성형하였다. 상기 장치(1)는 외부에 전기저항열을 통해 내부를 가열하는 가열로(10)와, 상기 가열로(10)의 내부에 배치되는 금형(20)으로 이루어진다.

상기 금형(20)은 전열선을 구비하여 저항열을 통해 내부를 가열할 수 있는 가열로가 배치되어 있고, 스테인리스강과 같은 금속재로 이루어지는 중공 실린더 형상의 제1 몰드(21)와, 상기 제1 몰드(21)의 내측에 배치되어 있고 중앙부에 작은 관상의 캐비티(22a)가 형성되어 있는 제2 몰드(22)와, 상기 제1 몰드(21)의 내경부로 피스톤 운동을 하도록 되어 있는 원형 기둥 형상의 펀치(23)로 이루어진다. 상기 제2 몰드(22)의 높이는 상기 제1 몰드(21)보다 약간 낮게 되어 있어, 펀치(23)의 상,하 운동에 의해 제1 몰드(21)와 제2 몰드(22)의 상부에 캐비티가 형성될 수 있도록 되어 있다.

성형 조건은 성형온도 400 ~ 430℃의 범위로 하였고, 펀치속도는 0.002 ~ 0.02 mm/s의 범위로 하였다. 또한 윤활제를 사용하지 않고 펀치와 재료 사이의 마찰력을 증가시킬 경우 윤활제를 사용하는 경우와 달리 수축공이 잘 생성되지 않았다. 이에 따라, 종래에 비해 얇은 보스의 성형이 가능해진다. 이상과 같은 과정을 통해, 도 3a 및 3b에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 약 1㎜ 내외 얇은 살 두께를 갖는 벌크 비정질 합금 보스를 성형할 수 있었다.

한편, 성형 온도와 펀치 속도를 상기 범위를 벗어나게 한 경우에는 도 4에서 확인되는 바와 같이, 정상적인 성형품을 수득할 수 없었다.

또한, 상기 성형 조건 내에서 성형할 경우 품질에는 차이가 없는 반면, 성형시간은 펀치속도가 0.002mm/s일 때 약 15분, 0.06 mm/s일 때 약 2분, 0.02 mm/s인 경우 약 1분 정도이므로, 펀치속도는 0.06 mm/s이하로 유지하는 것이 생산성의 향상에 이점이 있다.

성형품의 평가

상기와 같은 과정을 통해 형성된 본 발명의 실시예에 따른 보스의 외관을 관찰한 결과, 도 3a에서 확인되는 바와 같이, 외관이 매끈한 보스를 성형할 수 있었으며, 상기 조건을 만족하지 않는 경우에는 도 4에서 확인되는 바와 같이 정상적인 성형이 불가능하거나 표면이 거친 상태가 됨을 알 수 있다.

이어서 본 발명의 실시예에 따른 제조된 보스의 내부에 여부를 확인하기 위하여 보스를 종으로 절단하여 내부를 관찰한 결과, 도 3b에서 확인되는 바와 같이 주조 캐비티나 기포 등의 주조 결함은 전혀 관찰되지 않았다.

또한, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 벌크 비정질 합금의 보스 성형품에 있어서, 성형 도중에 상온의 기계적 성질에 나쁜 영향을 미치는 결정상이 형성되었는지 여부를 확인하기 위하여, 성형품을 투과전자현미경으로 관찰하고 결정상 형성 여부에 대해 분석한 결과, 도 5a 및 5b에서 확인되는 바와 같이, 결정상도 검출되지 않았다.

도 1은 본 발명의 실시예에서 사용한 보스 성형 장치에 대한 개략도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에서 사용한 금형에 대한 개략도이다.

도 3a 및 3b는 각각 본 발명의 실시예에 따라 제조된 보스의 외관과 종단면을 촬영한 사진이다.

도 4는 본 발명에 의하지 않은 조건으로 제조된 보스의 외관을 촬영한 사진이다.

도 5a 및 5b는 각각 본 발명의 실시예에 따라 제조된 보스에 대한 투과전자현미경 사진과 해당 부분의 결정구조를 분석한 사진이다.

Claims (4)

1. Zr계 비정질 합금을 용해한 후 펀치로 용탕을 가압하는 방법을 통해 보스를 제조하는 방법으로서, 상기 용탕의 온도는 400 ~ 430℃로 유지하고, 펀치 속도는 0.002 ~ 0.02 mm/s로 하며, 상기 펀치와 용탕의 사이에는 윤활제를 사용하지 않는 것을 특징으로 하는 벌크 비정질 합금 보스의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 비정질 합금은 원자%로, Zr: 44%, Ti: 11%, Cu: 9.5%, Ni: 10.2%, Be: 25%와 기타 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 벌크 비정질 합금 보스의 제조방법.
3. 삭제
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 방법에 의해 제조된 벌크 비정질 합금 보스.

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