KR102193282B1 - 경도가 우수하며 정밀 사출이 가능한 친환경 합금 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 경도가 우수하며 정밀 사출이 가능한 친환경 합금 및 그 제조 방법에 관한 것으로써, 본 발명에 따른 경도가 우수하며 정밀 사출이 가능한 합금은 40 내지 70 wt%의 지르코늄, 21 내지 45 wt%의 구리, 1 내지 10 wt%의 니켈 및 1 내지 11 wt%의 알루미늄을 포함하며, 900 내지 1010 ℃에서 사출 가능하다.

Description

경도가 우수하며 정밀 사출이 가능한 친환경 합금 및 그 제조 방법{EXCELLENT HARDNESS AND PRECISION INJECTION IS POSSIBLE ECO-FRIENDLY ALLOYS AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}

본 발명은 경도가 우수하며 정밀 사출이 가능한 친환경 합금 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유해 원소인 베릴륨과 고가의 티타늄을 사용하지 않고도 우수한 경도 및 탄성을 가지면서 이와 동시에 가공성이 향상되어 정밀 사출이 가능하도록 하는 친환경 합금 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

최근 결정질의 일반 금속이나 합금이 갖는 한계점을 극복하기 위해 비정질 합금(amorphous alloy)의 개발이 상당 부분 진전되고 있다. 비정질 합금은 결정질 일반 금속이나 합금과 달리 급속 냉각을 통해 결정화가 이루어지지 않도록 처리되므로 결정 격자가 없어 일반 금속이나 합금보다 우수한 내마모성, 내부식성, 내산화성을 가지면서도 가열 시에 연화되고 유동할 수 있으므로 사출 성형을 통해 자동차 산업, 항공, 방위 산업 소재, 조선, 선박 산업, 의료, 스포츠 및 전자 부품 산업 소재와 같은 다양한 분야의 산업 소재로 폭넓게 사용될 수 있다.

이러한 비정질 합금의 대표적 조성물을 소개하면 후기된 선행기술문헌의 특허문헌1의 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0068246호 “사출 성형 시스템을 사용한 비정질 합금의 사출 성형”의 표 1의 비정질 합금 조성물이 있다.

이러한 비정질 합금 주요 조성물 중 하나로 지르코늄(Zr)이 많이 사용되고 있는데 지르코늄은 경도 향상 및 유리화 성질이 우수하여 정밀 사출이 가능하다. 또한, 베릴륨은 다른 금속과 혼합하여 합금을 만들면 경도 및 유리화 성질이 더욱 개선 되는 등 여러 가지 물리적 성질이 향상되는 효과를 기대할 수 있으므로 지르코늄과 함께 비정질 합금의 주요 조성물의 하나로 사용되어 있다.

상기 특허문헌1의 표 1의 합금 8은 Zr-Ti-Ni-Cu-Be계 비정질 합금으로 그 조성비는 지르코늄(Zr) 46.75%, 티타늄(Ti) 8.25%, 구리(Cu) 7.5%, 니켈(Ni) 10.00%, 베릴륨(Be) 27.50% (%는 중량 퍼센트 또는 원자 퍼센트를 말함)를 제안하고 있다. 즉 Zr-Ti-Ni-Cu-Be계 비정질 합금의 전체 wt% 중 지르코늄 함량이 46.75 wt%인 경우 베릴륨은 27.5wt%의 조성비가 되도록 제안되어 있다. 이처럼 지르코늄에 베릴륨이 상기 조성비로 첨가되면 경도 및 유리화 성질 특성이 상당 부분 개선이 되는 것으로 알려지고 있다.

하지만 베릴륨은 지르코늄에 비해 15배 이상 비싼 고가의 원소이기 때문에 베릴륨의 함량을 상기 합금 8과 같이 높이게 되면 합금 생산 가격이 증대될 뿐만 아니라 베릴륨은 인체에 유해한 독성 물질로써 EU 등의 특정 국가에서는 베릴륨을 사용한 제품은 정밀 감시 대상으로 규정하고 있으며 베릴륨의 함유량을 기존 대비 저감한 제품을 사용하도록 요구하고 있다.

따라서 비정질 합금 조성물 중 독성 물질인 베릴륨의 함량을 감소시키더라도 경도, 인장 강도, 탄성 계수, 용융점 등의 물리적 특성에서 별 차이가 없거나 오히려 전체적 물리적 특성면에서 증대된 효과를 갖는 베릴륨 함량이 소량인 Zr-Ti-Ni-Cu-Be계 비정질 합금의 개발이 절실한 실정이었다. 이에 본 출원인은 후기된 선행기술문헌의 특허문헌2의 대한민국 등록공보 제10-1627067호의 “경도가 우수하며 정밀 사출이 가능한 합금 및 그 제조 방법”을 개발하여 상기 특허문헌1의 문제점을 해결하여 특허등록을 받은 바 있다.

그런데 최근 베릴륨에 대한 유럽 국가등의 규제가 더욱 심해짐에 따라 유해원소인 베릴륨을 사용하지 않고도 상기 특허문헌2의 합금과 유사한 경도가 우수하며 정밀 사출이 가능한 물성을 갖는 친환경 비정질 대체 합금의 개발이 추가로 요구되고 있는 실정이다. 뿐만 아니라 티타늄도 고가의 원소이기 때문에 비정질 합금의 제조시 원가 상승의 부담이 가중되는 문제점이 있다.

KR 10-2014-0068246 A KR 10-1627067 B1

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기의 문제점을 해결하여, 고가인 티타늄과 고가이며 인체에 유해한 베릴륨을 제외하더라도 인장 강도, 탄성 계수, 용융점 등의 물리적 특성에서 별 차이가 없거나 오히려 증대된 효과를 가지며, 비중 감소 효과가 있는 새로운 친환경 합금을 제공함으로써, 향상된 경도를 가지면서 탄성이 우수하고 비중이 작으며, 플라스틱과 같이 정밀 사출 성형이 가능하여 다양한 분야의 산업 제품에 적용될 수 있도록 하는 향상된 경도 및 탄성을 가지는 합금 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기의 과제 해결을 위한 본 발명에 따른 경도가 우수하며 정밀 사출이 가능한 친환경 합금은 40 내지 70 wt%의 지르코늄, 21 내지 45 wt%의 구리, 1 내지 10 wt%의 니켈 및 1 내지 11 wt%의 알루미늄을 포함하며, 900 내지 1010 ℃에서 사출 가능하다.

상기 합금은 인장 강도가 790 내지 1102 Mpa, 경도가 511 내지 621 Hv, 비중이 4.4 내지 6.8 및 탄성 계수가 95 내지 114 Gpa 인 것이 바람직하다.

상기 합금은 진공도

내지

torr 에서, 1 내지 3.5 wt%의 지르코늄, 21 내지 45 wt%의 구리, 1 내지 10 wt%의 니켈 을 900 내지 950 ℃ 온도에서 1차 용융물을 제조한 후, 950 내지 1010℃ 온도로 승온한 상기 1차 용융물에 39 내지 66.5 wt%의 지르코늄을 첨가하여 2차 용융물을 제조하고, 상기 2차 용융물에 1 내지 11 wt%의 알루미늄을 첨가하여 용융 후 냉각을 통해 제조될 수 있다.

한편, 상기의 과제 해결을 위한 본 발명에 따른 경도가 우수하며 정밀 사출이 가능한 친환경 합금의 제조 방법은 합금 제조 공간을

내지

torr 압력인 진공 상태로 형성하는 단계, 900 내지 950 ℃의 온도에서 1 내지 3.5 wt%의 지르코늄, 21 내지 45 wt%의 구리, 1 내지 10 wt%의 니켈을 녹여 1차 용융물을 제조하는 단계, 950 내지 1010℃ 온도로 승온한 상기 1차 용융물에 39 내지 66.5 wt%의 지르코늄을 첨가하여 2차 용융물을 제조하는 단계, 상기 2차 용용물에 1 내지 11 wt%의 알루미늄을 첨가하여 3차 용융물을 제조하는 단계, 그리고, 상기 3차 용융물을 냉각하여 최종 합금을 완성하는 단계를 포함한다.

상기 2차 용융물 제조 단계는 고주파 유도 가열을 통해 합금 제조 공간을 950 내지 1010℃ 온도로 승온시키는 것이 바람직하다.

상기 진공 상태 형성 단계는 아르곤 가스가 주입된 상태에서 상기 합금 제조 공간을

내지

torr 압력 상태로 유지하는 것이 바람직하다.

이상과 같이 본 발명에 따른 경도가 우수하며 정밀 사출이 가능한 친환경 합금 및 그 제조 방법에 의하면, 고가인 티타늄과 고가이며 인체에 유해한 베릴륨 원소를 완전 제외하더라도 인장 강도, 탄성 계수, 용융점 등에서 별 차이가 없거나 전체적으로 물리적 특성이 증대된 효과를 가지는 Zr-Cu-Ni-AL계 친환경 비정질 합금을 제공함으로써, 향상된 경도를 가지면서 탄성이 우수하고 플라스틱과 같이 정밀 사출 성형이 가능하여 다양한 분야의 산업 제품을 저렴한 가격으로 대량 생산할 수 있는 유리한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 경도가 우수하며 정밀 사출이 가능한 친환경 합금의 제조 방법의 제조 단계를 나타내는 순서도이다.

기타 실시예의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 명세서에서 기술하는 실시예는 도 1에 도시된 본 발명의 이상적인 제조 단계 순서도를 참고하여 설명할 것이다.

이하 본 발명의 실시예에 따른 경도가 우수하며 정밀 사출이 가능한 친환경합금에 대해 먼저 상세히 설명한 후 그 제조 방법을 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 경도가 우수하며 정밀 사출이 가능한 친환경 합금은 40 내지 70 wt%의 지르코늄, 21 내지 45 wt%의 구리, 1 내지 10 wt%의 니켈 및 1 내지 11 wt%의 알루미늄을 포함하며, 900 내지 1010 ℃에서 사출 가능하며, 인장 강도가 790 내지 1102 Mpa, 경도가 511 내지 621 Hv, 비중이 4.4 내지 6.8 및 탄성 계수가 95 내지 114 Gpa 이다.

지르코늄(Zr)은 원자번호 40번에 해당하는 원소로 비중은 20℃에서 6.49로, 은회색 전이금속이며 무정형 상태에서 흑색 분말이 된다. 본 발명에 따르면, 지르코늄은 제조 과정에서 비정질 합금(amorphous alloy) 유사 형상 또는 벌크(bulk) 비정질 합금 유사 형상으로 만들어질 수 있다. 지르코늄은 탄성 및 강도를 향상시키는 기능을 할 수 있으며, 다른 금속과 융합되면서 탄성, 강도, 경도, 열전도율 또는 직진 특성을 향상시킬 수 있고 구리와 같은 금속의 산화를 방지하는 기능을 할 수 있다.

구리(Cu)는 원자번호는 29로 원자량은 63.546, 녹는 점은 1,083℃, 비중은 20℃에서 8.93이다. 구리는 연하지만 부식에 대한 저항도나 산성에 대해 견디는 힘이 있고, 다른 금속과 잘 융합되는 성질이 있다. 또한, 전성(展性)·연성(延性)이 풍부하고 열과 전기의 전도율도 양호하며, 화학적으로 비교적 안정하고 그 변화도 표면에만 발생한다. 그러나 구리는 건조한 공기 중에서는 산화하지 않으나 수분이 많은 공기 중에서는 산화되어 녹이 잘 쓰는 문제점이 있다. 구리는 지르코늄과 융합되면서 구리의 낮은 용융 온도로 인하여 얇은 두께로 압축 및 융용이 가능하도록 한다. 또한, 구리는 전체적으로 합금의 중량을 감소시키되 탄성이 높아지도록 하면서 제조 비용이 감소되도록 한다는 이점을 가진다. 본 발명에 따르면 지르코늄과 구리는 서로의 특성을 보완하는 기능을 가지면서 합금 전체가 비정질 유사 성질이 되도록 한다. 티타늄과 구리는 진공 상태에서 전체 금속이 실제 용융 온도에 비하여 낮은 온도에서 용융이 되어 서로 혼합되도록 한다.

니켈(Ni)은 원자번호 28, 원자량 58.70, 녹는 점 1,455℃, 비중은 20℃에서 8.9이다. 철과 같이 단조(鍛造)와 단접(鍛接)이 가능하고 전성(展性)과 연성(延性)이 크다. 니켈은 강한 자성(磁性)이 있으나 철보다는 약하다. 전기전도율는 구리의 14.9％이고, 공기와 습기에 대하여 철보다 안전하여 잘 산화되지 않는다. 알칼리성에 강한 내식성(耐蝕性)을 갖는다.

알루미늄(AL)은 원자번호 13, 원자량 26.9815, 녹는점 660.2℃, 비중 2.69이다. 열과 전기의 양도체이며 강인하면서도 연성(延性)과 전성(展性)이 있어 얇은 박(箔)이나 선을 만들기 쉽다. 비중이 2.69로 가볍고 표면에 녹이 나나 깊이까지 침식되지 않는다. 특정 금속에 알루미늄을 소량 가하면 금속의 성질이 개선되어 알루미늄 청동과 마그네슘이 주성분인 합금처럼 특수한 용도로 사용할 수 있으며, 적당량의 다른 금속과 규소를 알루미늄에 가하면 알루미늄이 주성분인 합금이 만들어진다. 알루미늄 금속과 합금은 항공기 건조, 건축 재료, 내구성 소비재(냉장고, 공기 조절기, 조리 기구), 전기 도체, 화학공정장치와 식품가공장치 등에 널리 쓰인다. 또한, 알루미늄은 화학 반응성이 커서 공기 중에 방치하면 금속 표면에 단단하고 강한 산화막을 형성하기 때문에 내식성(耐蝕性)도 크다. 알루미늄은 열전도도와 전기전도도가 뛰어나서, 열전도도는 구리의 약 1/2 정도이며 전기전도도는 약 2/3 정도이다. 면심입방결정구조를 가지며 천연에서 산출되는 모든 알루미늄의 안정한 동위 원소는 알루미늄-27(27Al)이다. 금속 알루미늄과 알루미늄의 산화물 및 수산화물은 독성이 없다.

본 발명에서는 상기 특허문헌2 합금의 구성 원소인 티타늄과 베릴륨의 대체물로 알루미늄을 사용하였다.

지르코늄, 구리, 니켈 및 알루미늄은 적용 분야에 따라 강도, 경도 및 비중이 적절하게 조절될 수 있고 본 발명의 하기 제시된 실시예들에 제한되지 않는다.

이하에서는 본 발명에 따른 경도가 우수하며 정밀 사출이 가능한 합금의 제조 방법에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 경도가 우수하며 정밀 사출이 가능한 친환경 합금의 제조 방법의 제조 단계를 나타내는 순서도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 경도가 우수하며 정밀 사출이 가능한 합금의 제조 방법은 먼저 합금 제조 공간(용융로)을

내지

torr 압력인 진공 상태로 형성하는 단계(S10)에서 출발한다.

본 발명에 따른 경도가 우수하며 정밀 사출이 가능한 친환경 합금은 다양한 형태의 진공 용융로에서 제조될 수 있다. 일반적으로 상온에서 지르코늄의 녹는점이 2128 K가 되지만 녹는점이 되기 이전에 일부가 용융이 되기 시작한다. 본 발명에 따르면 용융 노를 진공으로 만들면서 지르코늄 일부를 용융점이 낮은 다른 금속과 함께 투입하는 것에 의하여 낮은 온도에서 지르코늄이 서서히 용융이 되면서 다른 금속과 결합하여 합금이 될 수 있도록 한다. 합금의 형성의 위하여 먼저 잉곳 몰드가 내부에 마련되어 있는 용융로를 아르곤(Ar) 가스가 소량 주입된 상태에서

내지

torr 압력인 진공 상태로 만들면서 온도가 900 내지 950℃ 가 될 때까지를 승온시킨다.

본 진공 상태 형성 단계(S20)는 합금 제조에 쓰이는 각 소재에 함유된 가스나 기체의 배출을 용이하게 하여 생성 합금 내에 존재하는 기포나 기공 등의 결함을 제거할 수 있도록 산소 및 질소는 완전히 제거되고 불활성 기체인 아르곤 가스가 주입된 상태에서 상기 합금 제조 공간인 진공 용융로를

내지

torr 압력 상태로 유지하는 것이 바람직하다. 본 실시예와 달리 아르곤 가스 대신 헬륨 등 다른 불활성 가스가 사용되어도 무방하다.

그런 다음 900 내지 950 ℃의 온도에서 1 내지 3.5 wt%의 지르코늄, 21 내지 45 wt%의 구리, 1 내지 9 wt%의 니켈을 녹여 1차 용융물을 제조하는 단계(S20)를 거친다.

지르코늄은 1차와 2차로 나누어 진공 용융로에 투입되어 용융이 되는데 본 1차 용융물 제조 단계에서 1차로 투입되는 량이 전체 40 내지 70 wt% 중 1 내지 3.5 wt%가 먼저 투입되게 된다.

이처럼 전체 합금 조성물 중 먼저 지르코늄의 일부와 구리, 니켈을 먼저 용융시키는 이유는 용융 시 발생하는 합금 조성물 내부에 존재하는 가스나 기포의 과다 방출 억제 제어를 통해 생성될 합금의 경도, 인장 강도, 탄성 등의 물리적 특정을 우수하게 하기 위함이다.

이 후, 고주파 유도 가열을 통해 진공 용융로를 다시 950 내지 1010℃ 온도로 승온한 상기 1차 용융물에 다시 39 내지 66.5 wt%의 지르코늄을 첨가하여 2차 용융물을 제조하는 단계(S30)를 거친다. 본 실시예와 달리 고주파 유도 가열이 아닌 플라즈마 가열 방식 등 기존 공지된 방식을 통해서도 진공 용융로를 승온시킬 수 있음은 물론이다.

2차 용융물 제조 단계에서 2차로 투입되는 지르코늄의 량은 전체 40 내지 70 wt% 중 잔여량인 39 내지 66.5 wt%가 투입되게 된다.

그런 다음, 상기 2차 용융물에 1 내지 11 wt%의 알루미늄을 첨가하여 3차 용융물을 제조하는 단계(S40)를 수행하게 된다.

2차 용융물에 첨가되어 용융되는 1 내지 11 wt%의 알루미늄은 적어도 복수회로 나누어 상기 2차 용융물에 첨가되어 용융되는 것이 바람직하다. 이처럼 알루미늄을 3차 용융물의 제조 단계에 이르러 소량씩 복수회로 2차 용융물에 첨가하여 용융시키는 이유는 합금 제조 시 비교적 이른 시간 내 다량을 한꺼번에 첨가하게 되면 알루미늄은 과다 가스 및 연기의 생성뿐만 아니라 폭발적 반응의 우려가 있어 진공 용융로의 제어가 힘들 뿐만 아니라 완성되는 합금의 물리적 특성 저하를 유발할 수 있기 때문이다.

이 후, 상기 3차 용용물을 냉각하여 최종 합금을 완성하는 단계(S50)를 거치면 본 발명의 실시예에 따른 경도가 우수하며 정밀 사출이 가능한 친환경 합금이 제조된다.

950 내지 1010℃ 온도의 3차 용융뮬의 상온까지의 냉각은 결정화를 방해하여 비정질 합금이 제조될 수 있도록 냉각 속도로 급속 냉각이 필요하며 이를 위해 열교환기나 냉각 시스템이 별도로 사용될 수 있다.

위와 같이 제조된 합금은 인장 강도가 790 내지 1102 Gpa, 경도가 511 내지 621 Hv 그리고 비중이 4.4 내지 6.8, 탄성 계수가 95 내지 114 Gpa 이며, 사출 과정에서 수축률이 작으므로 플라스틱과 같은 유연성을 가지고 이로 인하여 정밀 사출이 가능하다.

아래에서 본 발명에 따른 경도가 우수하면 정밀 사출이 가능한 친환경 합금 및 그 제조 방법의 실시예들에 대하여 설명된다.

<실시예1>

단계1: 합금이 생성되는 시험 용광로를

torr 압력인 진공 상태로 만들고, 지르코늄 1.5kg, 구리 33kg, 니켈 6kg 을 시험용 용광로에 투입하고 926℃ 의 온도로 유지하면서 용융시켜 1차 용융물을 제조하였다.

단계2: 980℃ 의 온도로 승온시킨 1차 용융물에 53.5 kg의 지르코늄을 투입하여 용융시켜 2차 용융물의 형성하였다.

단계3: 2차 용융물에 6 kg의 알루미늄을 3회에 걸쳐 나누어 투입하여 최종적으로 합금 용용물이 형성되고 냉각이 되어 잉곳 형상으로 만들어졌다.

<실시예2>

단계1: 합금이 생성되는 시험 용광로를

torr 압력인 진공 상태로 만들고, 지르코늄 3.5kg, 구리 45kg, 니켈 4kg 을 시험용 용광로에 투입하고 912℃ 의 온도로 유지하면서 용융시켜 1차 용융물을 제조하였다.

단계2: 976℃ 의 온도로 승온시킨 1차 용융물에 36.5 kg의 지르코늄을 투입하여 용융시켜 2차 용융물의 형성하였다.

단계3: 2차 용융물에 11 kg의 알루미늄을 3회에 걸쳐 나누어 투입하여 최종적으로 합금 용용물이 형성되고 냉각이 되어 잉곳 형상으로 만들어졌다.

<실시예3>

단계1: 합금이 생성되는 시험 용광로를

torr 압력인 진공 상태로 만들고, 지르코늄 2.5kg, 구리 28kg, 니켈 1kg 을 시험용 용광로에 투입하고 900℃ 의 온도로 유지하면서 용융시켜 1차 용융물을 제조하였다.

단계2: 1006℃ 의 온도로 승온시킨 1차 용융물에 67.5 kg의 지르코늄을 투입하여 용융시켜 2차 용융물의 형성하였다.

단계3: 2차 용융물에 1kg의 알루미늄을 3회에 걸쳐 나누어 투입하여 최종적으로 합금 용용물이 형성되고 냉각이 되어 잉곳 형상으로 만들어졌다.

<실시예4>

단계1: 합금이 생성되는 시험 용광로를

torr 압력인 진공 상태로 만들고, 지르코늄 2kg, 구리 27kg, 니켈 9kg 을 시험용 용광로에 투입하고 930℃ 의 온도로 유지하면서 용융시켜 1차 용융물을 제조하였다.

단계2: 950℃ 의 온도로 승온시킨 1차 용융물에 52 kg의 지르코늄을 투입하여 용융시켜 2차 용융물의 형성하였다.

단계3: 2차 용융물에 10kg의 알루미늄을 3회에 걸쳐 나누어 투입하여 최종적으로 합금 용용물이 형성되고 냉각이 되어 잉곳 형상으로 만들어졌다.

<실시예5>

단계1: 합금이 생성되는 시험 용광로를

torr 압력인 진공 상태로 만들고, 지르코늄 1kg, 구리 21kg, 니켈 8kg 을 시험용 용광로에 투입하고 950℃ 의 온도로 유지하면서 용융시켜 1차 용융물을 제조하였다.

단계2: 980℃ 의 온도로 승온시킨 1차 용융물에 63 kg의 지르코늄을 투입하여 용융시켜 2차 용융물의 형성하였다.

단계3: 2차 용융물에 7kg의 알루미늄을 3회에 걸쳐 나누어 투입하여 최종적으로 합금 용용물이 형성되고 냉각이 되어 잉곳 형상으로 만들어졌다.

<실시예6>

단계1: 합금이 생성되는 시험 용광로를

torr 압력인 진공 상태로 만들고, 지르코늄 3.5kg, 구리 22kg, 니켈 10kg 을 시험용 용광로에 투입하고 940℃ 의 온도로 유지하면서 용융시켜 1차 용융물을 제조하였다.

단계2: 1010℃ 의 온도로 승온시킨 1차 용융물에 54.5 kg의 지르코늄을 투입하여 용융시켜 2차 용융물의 형성하였다.

단계3: 2차 용융물에 6kg의 알루미늄을 3회에 걸쳐 나누어 투입하여 최종적으로 합금 용용물이 형성되고 냉각이 되어 잉곳 형상으로 만들어졌다.

상기 실시예1 내지 실시예6의 합금 조성물 및 조성비를 비교예인 상기 특허문헌2의 최적 실시예1의 비정질 합금 조성물 및 그 조성비와 같이 나타내면 아래 표 1과 같다.

	지르코늄 (wt%)	구리 (wt%)	니켈 (wt%)	알루미늄 (wt%)	티타늄 (wt%)	베릴륨 (wt%)
실시예1	55	33	6	6
실시예2	40	45	4	11
실시예3	70	28	1	1
실시예4	54	27	9	10
실시예5	64	21	8	7
실시예6	58	26	10	6
비교예	50	17	9		21	3

<특성 시험>

실시예1 내지 실시예6으로부터 제조된 잉곳 형상의 합금에 대하여 비교예의 조성비에 따라 제조된 비정질 합금과 함께 경도 시험(hardness test), 탄성 시험(Elasticity Test), 인장 시험(Tensile Test)이 실시되었으며 용융점도 같이 측정을 하였다. 경도는 HRC KS B 5530에 따른 로크웰 경도(Rockwell Hardness) 측정 방법에 따라 측정을 하고 비커스 경도(Vickers Hardness, HV)로 표시하였고, 탄성 시험은 KS B 5533에 따라 및 인장 시험은 KS B0802에 따라 실시되었으며, 실시예 1 내지 실시예6과 비교예의 각 특성 시험의 결과는 아래와 표2와 같다.

<특성 시험 결과>

	경도(HV)	탄성계수(Gpa)	인장 강도(Gpa)	용융점(℃)
실시예1	524	108	1102	980
실시예2	511	103	980	976
실시예3	621	95	790	1006
실시예4	581	109	990	950
실시예5	571	114	940	980
실시예6	587	98	790	1010
비교예	531	95	1087	950

표2에서 확인되는 바와 같이 실시예 1 내지 실시예 6은 비교예 대비 베릴륨과 티타늄을 제거하고 알루미늄으로 대체하였음에도 경도, 탄성계수, 인장 강도 및 용융점 등의 물리적 특성에서 비교예와 동등하거나 전체적으로 그 이상 우수한 물리적 특성을 지니면서도 정밀 사출이 용이한 결론을 얻었으며 경도, 탄성 계수, 이장 강도 및 용융점 등을 종합적으로 고려하였을 때 최적 실시예는 실시예 1인 것으로 확인되었다. 이와 같이 실시예 1 내지 실시예6 이 비교예 대비 동등 또는 그 이상의 우수한 물리적 특성을 갖는 이유는 합금 조성물을 총 3차에 걸쳐서 투입 원소의 선별 선택, 투입량의 조절 등을 통한 기술적 특징이 있는 용융 공정을 통해 유해 가스나 기포의 생성을 최대한 억제하고 효과적으로 제거해 주면서도 알루미늄의 폭발적 반응을 예방하는 최적 공정을 적용하였기에 가능한 것으로 분석되고 있다.

본 발명에 따른 경도가 우수하며 정밀 사출이 가능한 친환경 합금 소재의 사출 가공성 시험을 위하여 온도 및 압력 변화에 따른 점도 변화량, 유동성 변화량, 수축률 변화량 및 유동 속도 변화량을 측정하였다. 점도 변화량의 측정은 전단력의 변화를 기준으로 측정되었고 그리고 유동성 변화량은 길이 10 cm를 기준으로 직경을 0.1 mm 내지 10 cm로 변화시키면서 유동 속도의 변화량과 함께 측정되었다. 그리고 온도를 900 에서 1010 ℃로 변화시키면서 점도가 측정되었고 수축률은 부피 변화량으로 측정되었다. 그리고 측정 온도 범위는 50 내지 1000 ℃이고 그리고 압력 변화는 직경 10 cm의 관에 가해지는 압력을 760 Torr 내지 1620 Torr의 범위로 변화시키면서 측정되었다.

본 발명에 따른 경도가 우수하며 정밀 사출이 가능한 친환경 합금 소재는 900 에서 1010 ℃의 온도에서 11 내지 968Pas 정도의 점도를 가지는 것으로 나타났으며 가공성 시험 지표들에 대한 각각의 측정 결과는 아래 표3과 같다.

	점도	유동성	수축률	유동속도
온도	4.8-12.1	9-15.5	0.031-0.95	5.1-10.3
압력	6.3-9.9	7.2-12.9	0.06-0.31	7.8-15

<사출 가공성 시험 결과>

온도는 10℃ 단위로 그리고 압력은 10 Torr 단위로 변화시키면서 측정이 되었다. 각각의 값은 상대적인 편차를 %로 나타낸 것으로, 예를 들어 점도 4.8-12.1은 가장 낮은 온도 900℃와 가장 높은 온도 1010 ℃에서 최소 점도 변화량이 4.8 %가 되고 최대 점도 변화량이 12.1 %가 되는 것을 나타낸다.

표 3에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 본 발명에 따른 경도가 우수하며 정밀 사출이 가능한 친환경 합금은 온도 및 압력 변화에 따른 사출 특성의 변화 폭이 작다는 이점을 있는 것을 시험을 통해 직접 확인하였다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태의 공정 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (6)

1. 40 내지 55 wt%의 지르코늄, 33 내지 45 wt%의 구리, 4 내지 6 wt%의 니켈 및 6 내지 11 wt%의 알루미늄을 포함하며, 900 내지 1010 ℃에서 사출 가능하며,
   
   인장 강도가 980 내지 1102 Mpa, 경도가 511 내지 524 Hv 및 탄성 계수가 103 내지 108 Gpa 이며,
   진공도

   

   내지

   

   torr 에서,
   1.5 내지 3.5 wt%의 지르코늄, 33 내지 45 wt%의 구리, 4 내지 6 wt%의 니켈을 912 내지 926 ℃ 온도에서 1차 용융물을 제조한 후,
   976 내지 980 ℃ 온도로 승온한 상기 1차 용융물에 36.5 내지 53.5 wt%의 지르코늄을 첨가하여 2차 용융물을 제조하고,
   상기 2차 용융물에 6 내지 11 wt%의 알루미늄을 첨가하여 용융 후 냉각을 통해 제조된
   경도가 우수하며 정밀 사출이 가능한 친환경 합금.
2. 삭제
3. 삭제
4. 합금 제조 공간을

   

   내지

   

   torr 압력인 진공 상태로 형성하는 단계,
   912 내지 926 ℃의 온도에서 1.5 내지 3.5 wt%의 지르코늄, 33 내지 45 wt%의 구리, 및 4 내지 6 wt%의 니켈을 녹여 1차 용융물을 제조하는 단계,
   976 내지 980 ℃ 온도로 승온한 상기 1차 용융물에 36.5 내지 53.5 wt%의 지르코늄을 첨가하여 2차 용융물을 제조하는 단계,
   상기 2차 용융물에 6 내지 11 wt%의 알루미늄을 첨가하여 3차 용융물을 제조하는 단계, 그리고,
   상기 3차 용융물을 냉각하여 최종 합금을 완성하는 단계
   를 포함하며,
   상기 진공 상태 형성 단계는
   아르곤 가스가 주입된 상태에서 상기 합금 제조 공간을

   

   내지

   

   torr 압력 상태로 유지하며,
   상기 2차 용융물 제조 단계는
   고주파 유도 가열을 통해 합금 제조 공간을 976 내지 980 ℃ 온도로 승온시키는
   경도가 우수하며 정밀 사출이 가능한 친환경 합금의 제조 방법.
   
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