KR101581478B1

KR101581478B1 - 준 비정질 금속 합금의 인장 신율

Info

Publication number: KR101581478B1
Application number: KR1020107011811A
Authority: KR
Inventors: 다니엘 제임스 브래너건; 알라 브이. 세르귀바
Original assignee: 더 나노스틸 컴퍼니, 인코포레이티드
Priority date: 2007-11-09
Filing date: 2008-11-10
Publication date: 2015-12-30
Also published as: JP2011503356A; EP2223313B1; WO2009062175A1; JP5544295B2; US8062436B2; CA2705305A1; KR20100087733A; US20090120537A1; EP2223313A4; EP2223313A1; CA2705305C

Abstract

본 발명은 준 비결정 금속 합금을 기술하며, 여기에서 상기 금속합금은 적어도 40 원자 %인 철, 10 원자 %를 초과하는 적어도 하나 또는 그 이상의 메탈로이드 및 50 원자 % 미만의 적어도 둘 또는 그 이상의 전이 금속을 포함하며, 여기서 상기 적어도 둘 또는 그 이상의 전이 금속 중의 하나는 몰리브덴(Mo)이고, 상기 금속합금은 여기서 2400MPa이상의 인장강도와 2% 초과의 신율을 나타낸다.

Description

준 비정질 금속 합금의 인장 신율{TENSILE ELONGATION OF NEAR METALLIC GLASS ALLOYS}

본 발명은 비교적 높은 인장 신율(연신율, 신장율)(tensile elongation)을 나타내는 준(near) 비정질 금속 합금(metallic glass alloy)에 관한 것이다.

비정질 금속은 고체 물질에 있어 심한 전단현상을 나타내는 비교적 좁은 층으로 이해될 수 있는 균일하지 않은 전단 밴딩으로 인해, 어떠한 유의미한(significant) 인장 신율을 나타내지 않을 수 있다. 응력하에 시험된 비정질 금속은 파국적인 파괴로 이어질 수도 있는 비정질 금속내 결함의 존재로 인해 인장 신율 데이타에 있어 많은 스캐터링(scattering), 비교적 적은 가소성(plasticity){탄성 부위에서의 브리틀 프랙처(brittle fracture)}, 및 비교적 높은 강도를 보여줄 수 있다.

비교적 높은 인장 신율(연신율, 신장율)을 나타내는 준 비정질 금속 합금을 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명은 적어도 40 원자 % 철, 10 원자 %를 초과하는 적어도 하나 또는 그이상의 메탈로이드(metalloids), 50 원자 % 미만의 적어도 둘 또는 그 이상의 전이 금속을 가지며, 여기에서 전이 금속 중 하나는 Mo인, 2400MPa 또는 그 초과의 인장강도와 2% 초과의 신율을 나타내는 준 비결정 금속 합금을 제공하고자 한다.

본 발명에 따라, 비교적 높은 인장 신율(연신율, 신장율)을 나타내는 준 비정질 금속 합금을 제공할 수 있다

본 발명의 상기 기재된 특징 및 다른 특징, 및 그러한 특징을 얻는 방법은 첨부된 도면과 관련하여 여기 기재되어 있는 다음의 실시 예의 설명을 참고로 하여 보다 분명해지며 보다 잘 이해될 수 있다.
도 1은 SHS9570 합금에 대한 비정질 대 결정질 피크를 나타내는 DTA 스캔이다.
도 2는 SHS9570 합금의 멜트-스펀(melt-spurn, 용융-방적) 리본 샘플에 대한 응력 변형률 곡선이다.
도 3은 SHS7570 합금에 대한 비정질 대 결정질 피크를 나타내는 DTA 스캔이다.
도 4는 인장 신율 8% 를 나타내는 SHS7570 합금에 대한 응력 변형률 곡선이다.
도 5는 인장 신율 4% 를 나타내는 SHS7570 합금에 대한 응력 변형률 곡선이다.
도 6은 소형 인장 시편(subsize tensile specimens)을 시험하기 위해 고안된 맞춤 소형 인장 시험기이다.
도 7은 그립(grip)에 놓여진 멜트-스펀(melt-spurn, 용융-방적) 리본의 사진이다.

본 발명은 적어도 40 원자 % 철을 포함하는 합금, 10 원자 % 보다 큰 적어도 하나 또는 그 이상의 메탈로이드 및 50 원자 %보다 작은 적어도 둘 또는 그 이상의 전이 금속을 포함하며, 여기에서 전이 금속 중 하나는 Mo이고, 합금은 2400 MPa 또는 그 초과의 인장 강도와 2% 보다 큰 신장율을 나타내는 준 비정질 금속 기초 합금에 관한 것이다.

본 발명은 합금이 비교적 높은 인장 강도와 신율을 나타낼 수 있는 철 준 비정질 금속 합금을 고려한다. 준 비정질 금속 합금은 0.1 nm 내지 100 ㎛ , 0.1 nm 내지 1 ㎛ 등의 범위 내의 모든 값과 증가량을 포함하는 크기가 100 ㎛ 보다 작은 크기의 결정질 구조(구조물) 또는 상대적으로 정돈된 원자 연합물을 포함할 수 있는 비정질 금속 합금으로 이해될 수 있다. 또한, 합금은, 결정질 구조(구조물) 또는 상대적으로 정돈된 원자 연합물이 합금 부피의 0.1 내지 최대 60 부피%의 범위로 존재할 수 있는 적어도 40 % 비정질 금속일 수 있다. 그러한 결정질 구조는 합금 조성에 있어 여러 가지의 침전물(precipitates)을 포함할 수도 있다.

일례로서, 합금은 적어도 40 원자 % 철, 10 원자 %보다 큰 적어도 하나 또는 그 이상의 메탈로이드, 및 50 원자 %보다 작은 적어도 둘 또는 그 이상의 전이 금속을 포함하며, 여기에서 전이 금속 중 하나는 Mo이다. 합금이 나타내는 인장 강도는 2400 MPa 또는 그보다 크고, 합금의 % 신율은 2% 또는 그보다 크고 최대 8%이다.

다른 예에서는, 합금은 둘 또는 그 이상의 전이 금속을 포함하며, 여기에서 전이 금속 중 하나는 Mo이고 다른 전이 금속은 Cr, W, Mn 또는 그들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다. 또한, 합금은 B, Si, C 또는 그들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 메탈로이드를 포함할 수도 있다. 나아가, 합금은 25 원자 %보다 작은 양의 Cr, 15 원자 %보다 작은 양의 Mo, 5 원자 %보다 작은 양의 W, 5 원자 %보다 작은 양의 Mn, 25 원자 %보다 작은 양의 B, 5 원자 %보다 작은 양의 Si, 및/또는 5 원자 %보다 작은 양의 C, 그리고 나머지는 Fe로 구성되거나 이를 포함할 수 있다.

또 다른 예에서는, 합금은, 앞에서 언급된 범위의 모든 값과 증가량을 포함하여, 48 내지 52 원자 %의 Fe, 0.1 내지 3.0 원자 %의 Mn, 17 내지 20 원자 %의 Cr, 5 내지 7 원자 %의 Mo, 1 내지 3 원자 %의 W, 14 내지 17 원자 %의 B, 3 내지 5 원자 %의 C 및/또는 1 내지 4 원자 %의 Si로 구성되거나 이를 포함할 수 있다. 더욱이, 합금 조성은 스토이키오메트릭하지(non-stoichiometric) 않을 수 있다. 즉, 0.001에서 0.1 범위의 증가분이 있을 수 있다. 예를 들어, 합금은 Fe_50.8Mn_1.9Cr_18.4MO_5.4W_1.7B_15.5C_3.9Si_2.4 인 화학량을 나타내는 합금을 포함할 수 있다.

합금은 섭씨 625도에서 800도 사이의 범위에서의 모든 값과 증가량을 포함하여, DTA로 측정할 때, 10℃/분(minute)의 속도로 결정 변환을 나타낼 수 있다. 더하여, 합금은 섭씨 625도에서 800도 사이의 범위에서, 다중 피크 결정 변환을 나타낼 수 있다. 결정 변환 피크는 DTA 분석에서, 가리키는 온도에서 (at indicated temperature), 엑소서믹 결정 이벤트(exothermic crystallization event)에서의 최대 점(maximum point), 또는 결정 엑소섬 (crystallization exotherm)으로 이해될 수 있다. 그러한 온도 범위 이상에서 둘 또는 그 이상의 엑소서믹 결정 피크 (exothermic crystallization peak), 즉, 세 개 피크, 네 개 피크 다섯 개 피크 등, 가 나타날 수 있다. 더욱이, 합금은 1×10^-3S^-1속도로 측정할 때, 2% 초과의 신율(elongation)을 나타낼 수 있으며, 2% 초과에서 8%까지의 범위의 모든 값의 신율을 나타낼 수 있다. 신율은 응력하에서 파괴되기 전의 길이의 증가의 퍼센티지 (percentage)로 이해할 수 있다. 합금은 또한, 1×10^-3S^-1속도로 측정할 때, 2400MPa 초과의 인장강도(tensile strength)를 나타낼 수 있으며, 2400MPa에서 2850MPa 까지의 범위의 모든 값의 인장강도를 나타낼 수 있다. 인장강도는 재료가 파괴되거나 영구적으로 변형을 일으키는 응력(stress)으로 이해할 수 있다.

어떠한 이론에 제한되지 않고, 결정 침전물(crystalline precipitates)이 비정질 매트릭스(glass matrix)에 존재할 수 있다. 또한, 비정질 내에서, 두 개의 별개의 형태의 분자 연합물이 형성될 수 있으며, 이러한 별개의 연합물 사이의 반응이, 어떻게 되어, 균질 변형 또는 다른 미지의(unknown) 매커니즘을 통하여 금속 슬립(slip)을 가능하게 할 수 있다.

예1

여기서 생각하는 합금의 예는 SHS7570을 포함할 수 있으며, 이것은 나노 스틸 회사(NanoSteel Corporation), 프로비던스(Providence), RI로부터 얻을 수 있다. 이 합금은 Fe_50.8Mn_1.9Cr_18.4MO_5.4W_1.7B_15.5C_3.9Si_2.4 의 원자 화학량을 가진다.

시험한 리본(ribon)의 DTA 스캔은 도 1에서 보여주는 바와 같이, 합금이 금속 비정질 상태로 존재함을 보여준다. 10℃/분(minute)의 속도로 측정할 때, 비정질에서 결정질로의 변환 피크가 631℃, 659℃ 및 778℃ 의 피크 온도에서 나타난다. 이러한 피크 온도들은, 가리키는 온도들의 +/- 5℃ 내에서 일어날 수 있다. 즉, 최초의 피크는 626℃에서, 636℃ 까지에서 관찰할 수 있다.

인장 시험은 도 2에 나타나 있는 바와 같이, 변위 해상도 5마이크론, 부하 해상도 0.01N을 나타내는 LabView 제어(controlled) 맞춤(custom-built) 소형 인장 시험기를 사용하여 수행한다. 합금의 애즈-스펀(as-spurn) 리본들을, 도 3에 표시한 바와 같이, 길이 45mm 조각으로 절단하여, 편평한 그립에 위치시킨다. 게이지 (gauge) 길이는 일정하게 4.8mm로 유지한다. 모든 시험은 실온에서, 1×10^-3S^-1의 일정한 변형률 하에서 이루어진다. 5번에서 6번의 시험이 모든 실험 포인트에 대하여 수행된다.

SHS7570 리본의 인장시험결과는 도 4와 도 5에 도시된 바와 같이, 상대적으로 높은 신율을 나타낸다. 표1에 보여지는 바와 같이, 5번의 시험 중에서 2번에서, 합금은 4에서 8%의 신율을 나타낸다.

SHS7570 합금에 대한 인장 시험 결과

합 금	인장 강도, MPa	신율(연신율)
SHS7570	1510 2403 934 2850 500	0 4 0 8 0

비교의 예 1:

넓은 범위의 철 기반(iron based) 비정질 금속 합금의 비정질 멜트-스펀 (melt-spurn, 용융-방적) 리본을 관찰하였다. 도 6에는 나노스틸사의 SHS9570의 멜트-스펀(용융-방적)에 대한 DTA커브가 나타난다. 비정질에서 결정질로의 변환 피크가 637℃, 723℃ 및 825℃ 의 피크 온도에서 나타난다. 도 7에는, SHS9570 합금 (Fe_50.8Mn_1.9Cr_18.4MO_5.4W_1.7B_15.5C_3.9Si_2.4)에 대한 응력-변형률 커브를 보여준다. 시험을 위한 방식 및 순서는 예1의 경우에 기술한 바와 동일하다.

비교의 예 2:

나노스틸사의 SHS7170에서 이전에, ~ 6GPa의 최대 강도가 관찰되었다. 이 합금은 20 원자 % 미만의 Cr, 5 원자 % 미만의 B, 10 원자 % 미만의 W, 2 원자 % 미만의 C, 5 원자 % 미만의 Mo, 2 원자 % 미만의 Si, 5 원자 % 미만의 Mn 및 나머지 %로 Fe를 포함한다. 약 30개의 샘플을 시험하여, 단지 한 개만이 최대 강도 ~ 6MPa를 나타낸다.

인장 데이터에서의 스캐터링(scattering)은 결함(defects)(야금학적, 기하학적, 표면 품질 등)에 대한 비정질 금속의 민감도 때문인 것으로 보인다. 실온에서 일축(uni-axial) 인장(tension)(평면 응력-plane stress)하에서 시험한 샘플등에서, 크랙 발생과 전파는 첫 번째 전단 밴드(shear band)가 형성되고 거의 바로 직후에 발생한다. 결과적으로 인장하에서 시험한 비정질 금속은 파괴(failure)이전에 본질적으로 제로(zero) 소성 변형률(plastice strain)을 나타낸다. 강제적인(constrained) 지오메트리(geometries)(평면 변형률)(plane strain) 형태로 로딩된 시편은, 다수의 전단 밴드의 발생으로 인해 탄성(elastic) 변형은 실패하고, 완전한 소성 (plastic) 변형을 일으키게 된다. 다수의 전단 밴드는 또한, 기계적 강제(예를 들어, 일축 압축-uniaxial compression, 벤딩-bending, 롤링-rolling, 국부 인덴테이션-localized indentation 등)를 통하여 파국적(catastrophic) 불안정성 (instability)을 피할 수 있을 때, 관찰할 수 있다. 예를 들어, 2%에 육박하는 미세(microscopic) 변형률이, 압축 시험 동안에 다른 비정질 금속들에서 발견된다. 그러나, 이러한 경우에도, 가소성은 일반적으로는 0.5~1% 정도이다.

비정질 금속의 디비트러피케이션(devitrification)은, 이론적으로는 나노결정 재료들은 더 강해야 (압축 시험하에서의 나노 재료들이 보여주는) 함에도 불구하고, 저 응력하에서 브리틀(brittle) 프랙처(fracture)를 일으킬 수 있다. 일반적으로, 다른 방법으로 제조된 나노재료들(nanomaterials)은 실온에서, 전위 (dislocations)의 움직임이 약하기 때문에 어떠한 가소성을 보이지 않을 수 있다. 일반적으로, ~1900-2000MPa의 최대 강도와 파괴시 단지 ~2%의 가소성을 나타내는 고강도 강(high strength steel)과 같은 종래의 재료조차도, 재료의 강도는 연성(ductility)과 보상적 관계에 있다. 즉, 강도가 크면 연성이 작은 것 처럼. 세라믹이나 특수 합금등 높은 강도를 가지는 재료들은 응력하에서 0% 가소성을 보이기도 한다.

앞에서 기술한 여러가지 방법들과 실시 예들은 예시적 목적에서 기술한 것이다. 한편 본 발명의 상세한 설명에서의 구체적인 실시 예에 관한 설명은 본 발명의 범위를 이들에 국한하기 위한 것이 아니며, 본 발명의 범위내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims

Fe_50.8Mn_1.9Cr_18.4Mo_5.4W_1.7B_15.5C_3.9Si_2.4 로 구성되며, 2400MPa 또는 그 초과의 인장강도와 4%에서 8%까지의 신율을 나타내고, 0.1 nm 내지 100 ㎛ 미만의 크기의 결정질 구조들이 합금 부피의 0.1 내지 60 부피%의 범위로 존재하는 준 비정질 금속 기초 합금.
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제1항에 있어서,
상기 준 비결정 금속 합금은 섭씨 625도 초과 온도에서 하나 이상의 결정 변환 피크를 나타내는 것을 특징으로 하는 준 비정질 금속 기초 합금.
제1항에 있어서,
상기 준 비결정 금속 합금은 섭씨 625도에서 800도 사이에서 결정 변환 피크들을 나타내는 것을 특징으로 하는 준 비정질 금속 기초 합금.
삭제
제1항에 있어서,
상기 준 비결정 금속 합금은 2400에서 2850MPa의 인장강도를 나타내는 것을 특징으로 하는 준 비정질 금속 기초 합금.