KR101957559B1 - Ti-Fe계 과공정 합금 - Google Patents

Abstract

TiFe계 합금을 제공한다. 상기 TiFe계 합금은 하기 화학식 1로 나타낼 수 있다.
[화학식 1]
(Ti_100-yFe_y)_100-x(Bi_100-zIn_z)_x
상기 화학식 1에서, x는 1 내지 7이고, y는 30 내지 47.5이고, z는 46.8 내지 50이다.

Description

Ti-Fe계 과공정 합금 {Ti-Fe based hypereutectic alloy}

본 발명은 합금에 관한 것으로, 구체적으로는 Ti-Fe계 합금에 관한 것이다.

타이타늄 합금은 우수한 강도특성과 높은 내부식성을 바탕으로 다양한 분야에 사용이 되고 있다. 타이타늄 합금 중에서도 Ti-6Al-4V 합금은 사용량이 약 50%에 육박하고 있다. 하지만 베타 안정상으로 첨가된 V 원소가 고가의 원소이기 때문에 이를 대체 할 수 있는 저가의 합금원소를 통한 합금 개발이 연구 되고 있다. 그 중에서도 V와 같은 베타 안정상이고 저가원소이며 강도향상에 큰 영향을 주는 Fe를 첨가한 Ti-Fe계 합금 개발 연구가 진행되어 왔다.

관련하여 대한민국 공개공보 제2014-0032779호는 공정조직을 갖는 TiFe 합금에 Pb 또는 B를 추가하여 우수한 강도와 함께 유연성을 확보하는 것에 대해 개시한다. 그러나, TiFe 공정합금은 고가인 Ti의 함량이 여전히 높아 경제적으로 불리한 점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 고가 원소인 Ti의 함량을 줄임과 동시에 유연성을 가지면서도 적절한 강도를 유지하는 Ti-Fe계 합금을 제공함에 있다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 TiFe계 합금을 제공한다. 상기 TiFe계 합금은 하기 화학식 1로 나타낼 수 있다.

[화학식 1]

(Ti_100-yFe_y)_100-x(Bi_100-zIn_z)_x

상기 화학식 1에서, x는 1 내지 7이고, y는 30 내지 47.5이고, z는 46.8 내지 50이다.

상기 합금은 β-Ti 수지상을 초정상으로 가질 수 있다. x는 3 내지 7일 수 있다. 나아가, x는 3 내지 5일 수 있다.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 TiFe계 합금의 다른 예를 제공한다. 상기 TiFe계 합금은 과공정 조성의 Ti와 Fe를 갖고, β-Ti 수지상을 초정상으로 가질 수 있다. 이에 더하여, 공정 조성의 Bi와 In을 더 함유할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 합금은 Ti-Fe 과공정 조성에 공정 조성을 갖는 Bi-In을 소량 첨가하여, Ti-Fe가 과공정 조성을 가짐에도 불구하고 β-Ti 초정상이 형성됨에 따라 적절한 강도를 유지하면서도 연성과 가공성이 향상될 수 있다. 한편, 과공정 조성 Ti-Fe합금은 Ti의 함유량이 공정 또는 아공정 조성에 비해 감소되어 이를 사용한 제품의 가격 경쟁력을 증가시킬 수 있다.

도 1은 시편들 1 내지 5의 X선 회절 그래프이고, 도 2은 시편들 1 내지 5의 SEM 사진들이다.
도 3은 시편들 1 내지 5의 상온에서의 압축응력하의 응력-변형 커브 (stress-strain curve)이다.
도 4는 합금 시편 평가예에서 응력에 의해 파괴된 시편들 1 내지 4의 파단면을 촬영한 SEM 사진들이다.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 TiFe계 합금은 하기 화학식 1로 나타낼 수 있다.

[화학식 1]

(Ti_100-yFe_y)_100-x(Bi_100-zIn_z)_x

상기 화학식 1에서, x는 1 내지 7이고, y는 30 내지 47.5이고, z는 46.8 내지 50이다.

이 때, Ti-Fe는 과공정 조성(hypereutectic composition)을 가지며, Bi-In은 공정(eutectic composition)조성을 가질 수 있다. 관련하여, z는 47일 수 있다.

과공정 조성을 갖는 TiFe계 합금은 TiFe 금속간 화합물이 초정상으로 형성되어 가공성과 더불어 연성이 취약한 단점이 있다. 한편, 아공정 조성을 갖는 Ti-Fe 합금은 β-Ti 초정상을 가져 소성능을 갖는 것으로 알려져 있으나, 아공정 조성의 경우 고가인 Ti의 함유량이 높아 경제적으로 불리한 단점이 있다. 그러나, 본 실시예에서는 Ti-Fe 과공정 조성에 공정 조성을 갖는 Bi-In을 소량 첨가하여, Ti-Fe가 과공정 조성을 가짐에도 불구하고 β-Ti 초정상이 형성됨에 따라 적절한 강도를 유지하면서도 연성과 가공성이 향상될 수 있다. 한편, 과공정 조성 Ti-Fe합금은 Ti의 함유량이 공정 또는 아공정 조성에 비해 감소되어 이를 사용한 제품의 가격 경쟁력을 증가시킬 수 있다.

특히, 상기 화학식 1에서 x가 1 내지 7일 때 즉, Bi-In 공정합금 1 내지 7at%로 함유된 TiFe 과공정 합금의 경우 x가 0인 경우 즉, TiFe 과공정 합금 자체에 비해 연성의 증가가 나타날 수 있다. 이 경우, 강도는 다소 감소하나 여전히 여러 제품에 사용할 수 있는 정도이며 연성의 증가에 따른 가공성의 향상이 더 큰 장점일 수 있다. 한편, 화학식 1에서 x가 3 내지 7일 때 즉, Bi-In 공정합금 3 내지 7at%로 함유된 TiFe 과공정 합금의 경우 다른 경우에 비해 β-Ti 수지상이 확실히 관찰될 수 있다. 나아가, 화학식 1에서 x가 3 내지 5일 때 즉, Bi-In 공정합금 3 내지 5at%로 함유된 TiFe 과공정 합금의 경우 다른 경우에 비해 연성이 매우 우수할 수 있다.

이러한 복합 합금은 99.9% 이상의 순도를 갖는 원소들을 정량한 후, 고순도 아르곤 가스분위기하에서 아크 용해법, 유도 가열법 및 흡입주조법을 사용하여 형성할 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.

<합금 시편 제조예>

99.9% 이상의 순도를 가지는 Ti, Fe, Bi, 및 In을 Ti₆₅Fe₃₅, (Ti₆₅Fe₃₅)₉₉(Bi₅₃In₄₇)₁, (Ti₆₅Fe₃₅)₉₇(Bi₅₃In₄₇)₃, (Ti₆₅Fe₃₅)₉₅(Bi₅₃In₄₇)₅, 및 (Ti₆₅Fe₃₅)₉₃(Bi₅₃In₄₇)₇의 조성을 갖도록 정량화한 후, 10^-5 Torr의 진공도와 고순도 아르곤(99.9%)가스 분위기 하에서 아크 멜팅법을 사용하여 합금화하여 모합금을 제조하였다. 위에서 제조한 용탕 상태의 모합금을 메인 챔버와 석션챔버의 진공도 차이를 이용하여 수냉되고 있는 구리 몰드로 흡입하여 직경이 3mm이고 길이가 50mm인 봉상시편들(Ti₆₅Fe₃₅ (시편 1), (Ti₆₅Fe₃₅)₉₉(Bi₅₃In₄₇)₁ (시편 2), (Ti₆₅Fe₃₅)₉₇(Bi₅₃In₄₇)₃ (시편 3), (Ti₆₅Fe₃₅)₉₅(Bi₅₃In₄₇)₅ (시편 4), 및 (Ti₆₅Fe₃₅)₉₃(Bi₅₃In₄₇)₇ (시편 5))를 제조하였다.

도 1은 시편들 1 내지 5의 X선 회절 그래프이고, 도 2은 시편들 1 내지 5의 SEM 사진들이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, X선 회절 그래프에서 샤프한 피크들은 β-Ti 수지상 (dendrite)과 금속간 화합물(intermetallic compound)인 TiFe 수지상으로 정의될 수 있고, SEM 사진들에서도 상기 β-Ti 수지상과 TiFe 수지상이 관찰된다.

다만, Bi-In 공정합금이 추가되지 않은 TiFe 과공정 합금의 경우 (시편 1, Ti₆₅Fe₃₅) TiFe 수지상만 관찰되는 반면, Bi-In 공정합금이 추가되면서 ((Ti₆₅Fe₃₅)₉₉(Bi₅₃In₄₇)₁ (시편 2), (Ti₆₅Fe₃₅)₉₇(Bi₅₃In₄₇)₃ (시편 3), (Ti₆₅Fe₃₅)₉₅(Bi₅₃In₄₇)₅ (시편 4), 및 (Ti₆₅Fe₃₅)₉₃(Bi₅₃In₄₇)₇ (시편 5)) β-Ti 수지상이 나타나는 것을 알 수 있다. 특히, Bi-In 공정합금이 3 내지 7 at% 첨가되는 경우(시편들 3 내지 5) β-Ti 수지상이 확실히 관찰된 것으로 파악되고, 나아가 X선 회절 그래프에서 Bi-In 공정합금이 3 내지 5 at% 첨가되는 경우(시편들 3 내지 4) β-Ti 수지상에 대한 피크의 크기가 7at%인 경우에 비해 큰 것을 확인할 수 있다.

<합금 시편 평가예 : 기계적 특성 분석>

제조된 합금 시편의 기계적 특성을 평가하기 위하여 인스트론 타입(Instron Type)의 만능시험기를 이용하여 압축강도를 측정하였다. 압축강도 측정은 상온에서 등축압축응력으로 시험하였으며 일정한 변형속도(strain rate=1x10^-4/s)의 조건에서 수행되었다. 제조된 합금 시편을 길이 6mm로 절단하였으며, 시편의 파괴가 일어날 때까지 변형시키면서, 시편 변형이 시작될 때의 응력(σ_y(MPa)), 시편 파괴가 일어난 시점의 응력(σ_max(MPa)) 및 시편 변형이 시작되어 파괴에 이를 때까지의 변형의 정도(ε_p(%))를 측정하였다.

하기 표 1은 제조된 합금 시편들의 조성 및 기계적 특성을 나타낸다.

번호	조성	σy(MPa)	σmax(MPa)	εp(%)
시편 1	Ti65Fe35	1686	1919.9	2.5
시편 2	(Ti65Fe35)99(Bi53In47)1	1549	2125	11.1
시편 3	(Ti65Fe35)97(Bi53In47)3	1382	2017	12
시편 4	(Ti65Fe35)95(Bi53In47)5	1319	2222	14.2
시편 5	(Ti65Fe35)93(Bi53In47)7	1301	2065	10.3
σy(MPa) : 시편 변형이 시작될 때의 응력 σmax(MPa) : 시편 파괴가 일어난 시점의 응력 εp(%) : 변형의 정도

도 3은 시편들 1 내지 5의 상온에서의 압축응력하의 응력-변형 커브 (stress-strain curve)이다.

도 3 및 표 1을 참조하면, Bi-In 공정합금이 추가되지 않은 TiFe 과공정 합금 (시편 1, Ti₆₅Fe₃₅) 대비, Bi-In 공정합금이 추가된 경우((Ti₆₅Fe₃₅)₉₉(Bi₅₃In₄₇)₁ (시편 2), (Ti₆₅Fe₃₅)₉₇(Bi₅₃In₄₇)₃ (시편 3), (Ti₆₅Fe₃₅)₉₅(Bi₅₃In₄₇)₅ (시편 4), 및 (Ti₆₅Fe₃₅)₉₃(Bi₅₃In₄₇)₇ (시편 5)), 소성구간(ε_p(%))이 증가하여 연성이 향상됨을 알 수 있다. 또한, Bi-In 공정합금의 함유량이 1에서 5 at%로 증가할수록 연성은 향상되었다가 7at%에 이르러 연성이 갑자기 감소하였다. 이를 상기 X-선 회절 그래프와 연관시켜 판단하면, 연성의 향상은 β-Ti 수지상에 기인하는 것으로 유추할 수 있다.

도 4는 합금 시편 평가예에서 응력에 의해 파괴된 시편들 1 내지 4의 파단면을 촬영한 SEM 사진들이다.

도 4를 참조하면, Bi-In 공정합금이 추가되지 않은 TiFe 과공정 합금 ((a) Ti₆₅Fe₃₅, 시편 1)의 파단면의 경우 파단면에 쪼개짐 패턴들만 관찰되는 반면, Bi-In 공정합금이 추가된 경우((b)(Ti₆₅Fe₃₅)₉₉(Bi₅₃In₄₇)₁, 시편 2, (c)(Ti₆₅Fe₃₅)₉₇(Bi₅₃In₄₇)₃, 시편 3, (d)(Ti₆₅Fe₃₅)₉₅(Bi₅₃In₄₇)₅, 시편 4)의 파단면들에서는 통상 연성 재료에서 관찰 가능한 딤플 패턴과 유사한 딤플-유사 패턴이 관찰되었다. 이를 통해서도, Bi-In 공정합금이 추가된 TiFe 과공정 합금의 경우 연성이 향상됨을 알 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.

Claims (6)

1. 하기 화학식 1로 나타낸 TiFe계 합금:
   [화학식 1]
   (Ti_100-yFe_y)_100-x(Bi_100-zIn_z)_x
   상기 화학식 1에서, x는 1 내지 7이고, y는 30 내지 47.5이고, z는 47이다.
2. 제1항에 있어서,
   상기 합금은 β-Ti 수지상을 초정상으로 갖는 TiFe계 합금.
3. 제1항에 있어서,
   x는 3 내지 7인 TiFe계 합금.
4. 제3항에 있어서,
   x는 3 내지 5인 TiFe계 합금.
5. 과공정 조성의 Ti와 Fe를 갖고,
   β-Ti 수지상을 초정상으로 가지며,
   공정 조성의 Bi와 In을 더 함유하는 TiFe 계 합금.
6. 삭제

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