KR102274566B1 - 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금에 관한 것으로, 키니즈 합금은, 구리(Cu)와 철(Fe)의 중량 % 합이 75 ~ 95 중량 %, 니켈(Ni) 1 ~ 20 중량 %, 지르코늄(Zr) 0.1 ~ 5.0 중량 %, 나머지는 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하며, 키니즈 합금은, 구리(Cu)와 철(Fe)의 중량 % 합이 75 ~ 95 중량 %, 망간(Mn) 2.0 ~ 5.0 중량 %, 지르코늄(Zr) 0.3 ~ 1.0 중량 %, 이하(0%를 포함하지 않음) 나머지는 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.

Description

균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금 {KINIZ Alloy having homogeneous microstructure}
본 발명은 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 합금에 니켈(Ni), 지르코늄(Zr), 망간(Mn) 등의 원소를 미량 첨가함에 따라 제조되는 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금에 관한 것이다.
일반적으로 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 동철합금은 다양한 산업분야에서 사용되고 있다. 동철합금이 주조되는 과정을 살펴보면, 구리(Cu)와 철(Fe)을 용융시킨 이후, 용융 금속을 냉각시킴으로써 동철합금이 제조된다. 그러나 종래의 동철합금은 다음과 같은 문제점이 있다.
도 1은 구리(Cu)와 철(Fe)에 대한 상태도를 나타내는 것이다. 구리(Cu)와 철(Fe)을 통해 동철합금을 주조시, 두 금속 간에 혼합 엔탈피가 높기 때문에, 용융된 합금에서 수지상 조직의 응고가 시작되는 고상선 직하에 액상이 두 개로 분리되는 준안정 영역(Metastable 영역)이 존재하게 된다.
용융된 합금을 급속 냉각하여 조직을 응고시킬 때, 용융된 합금이 준안정 영역(Metastable 영역)을 지나면서 냉각되면, 액상이 두 개로 분리되면서 상분리가 발생하게 되고, 이로 인해 두 원소가 따로 존재하는 불균질한 미세조직이 발생하는 문제가 있다.
구체적으로, 도 2를 참조하면, 상분리가 발생한 동철합금은 구리(Cu) 매트리스(Cu matrix)(10) 상에 철(Fe)(20)이 물방울 형태로 형성되면서, 두 원소가 따로 존재하는 불균질한 미세조직이 발생하게 된다.
도 2와 같이 상분리가 발생한 동철합금은 불균일한 변형을 유발함에 따라 가공이 어려운 문제점이 있다. 이와 함께, 상분리가 발생한 동철합금은 국부적인 영역에서 전도성이 상대적으로 낮은 철(Fe) 상이 따로 존재하여 전도성이 낮아지게 되며, 반대로 국부적인 영역에서 강도가 상대적으로 낮은 구리(Cu) 상이 따로 존재함에 따라 강도가 낮아지는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 더욱 상세하게는 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 합금에 니켈(Ni), 지르코늄(Zr), 망간(Mn) 등의 원소를 미량 첨가함에 따라 제조되는 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금에 관한 것이다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금은 구리(Cu)와 철(Fe)의 중량 % 합이 90 ~ 95 중량 %, 니켈(Ni) 2.0 ~ 5.0 중량 %, 지르코늄(Zr) 0.1 ~ 5.0 중량 %, 나머지는 불가피한 불순물을 포함하며, 지르코늄(Zr)은 산소와 반응하여 ZrO2를 형성하며, 상기 ZrO2는 합금의 주조과정에서 수지상정의 핵생성 핵으로 작용하는 것을 특징으로 하는 것이다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금은 상기 구리(Cu)는 20 ~ 80 중량%, 상기 철(Fe)은 20 ~ 80 중량% 를 포함할 수 있으며, 상기 니켈(Ni)은 2.0 ~ 5.0 중량 %, 상기 지르코늄(Zr)은 0.3 ~ 1.0 중량 %를 포함할 수 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금의 지르코늄(Zr)은 산소와 반응하여 ZrO2를 형성하며, 상기 ZrO2는 합금의 주조과정에서 수지상정의 핵생성 핵으로 작용할 수 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금은 구리(Cu)와 철(Fe)의 중량 % 합이 75 ~ 95 중량 %, 망간(Mn) 2.0 ~ 5.0 중량 %, 지르코늄(Zr) 0.3 ~ 1.0 중량 %, 이하(0%를 포함하지 않음) 나머지는 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금에서 상기 구리(Cu)와 상기 철(Fe)의 중량 합에 대한 상기 철(Fe)의 중량 비율은 70% 이상일 수 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금은 2.0 ~ 5.0 중량 %의 니켈(Ni)을 더 포함할 수 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금에서 상기 합금의 주조 과정에서 용융 금속의 냉각 속도는 5.3x104 ℃/Sec 이하일 수 있다.
본 발명은 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 합금에 니켈(Ni), 지르코늄(Zr), 망간(Mn) 등의 원소를 미량 첨가하여 키니즈 합금을 제조함에 따라, 상분리가 없는 균일한 미세조직을 가지는 키니즈 합금을 제조할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 구리(Cu)-철(Fe)에 대한 상태도에서 준안정 영역(Metastable 영역)이 도시된 것을 나타내는 도면이다.
도 2는 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 동철합금에서 상분리가 발생하였을 때의 합금 단면을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 니켈(Ni) 함량에 따른 구리(Cu)-철(Fe)의 상태도에서 준안정 영역(Metastable 영역)이 변화되는 것을 나타내는 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시 예와 비교 예에 따른 상분리 발생 여부를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 니켈(Ni) 함량에 따른 키니즈 합금의 도전율을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 망간(Mn) 함량에 따른 구리(Cu)-철(Fe)의 상태도에서 준안정 영역(Metastable 영역)이 변화되는 것을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 망간(Mn) 함량에 따른 키니즈 합금의 도전율을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 용융 금속의 냉각 속도에 따른 상분리 조직이 관찰되는 영역을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금의 단면을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 다양한 실시 예가 첨부된 도면과 연관되어 기재된다. 본 발명의 다양한 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들이 도면에 예시되고 관련된 상세한 설명이 기재되어 있다. 그러나 이는 본 발명의 다양한 실시 예를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 다양한 실시 예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경 및/또는 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용되었다.
본 발명의 다양한 실시 예에서 사용될 수 있는 "포함한다" 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 발명(disclosure)된 해당 기능, 동작 또는 구성요소 등의 존재를 가리키며, 추가적인 하나 이상의 기능, 동작 또는 구성요소 등을 제한하지 않는다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 다양한 실시 예에서 사용한 용어는 단지 특정일 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명의 다양한 실시 예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명의 다양한 실시 예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
본 발명은 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금에 관한 것으로, 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 합금에 니켈(Ni), 지르코늄(Zr), 망간(Mn) 등의 원소를 미량 첨가하여 제조됨에 따라 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금에 관한 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금은 구리(Cu), 철(Fe), 니켈(Ni), 지르코늄(Zr)과 나머지는 불가피한 불순물을 포함한다.
상기 구리(Cu)(110)와 상기 철(Fe)(120)의 중량 % 합은 75 ~ 95 중량 % 일 수 있으며, 합금에 사용용도에 따라 상기 구리(Cu)(110)와 상기 철(Fe)(110)의 중량 비율은 변경될 수 있다.
구체적으로, 상기 구리(Cu)(110)는 20 ~ 80 중량%, 상기 철(Fe)(120)은 20 ~ 80 중량%, 더욱 바람직하게는 상기 구리(Cu)(110)는 40 ~ 60 중량%, 상기 철(Fe)(120)은 30 ~ 50 중량% 일 수 있다. 이와 같은 범위에서 상기 구리(Cu)(110)와 상기 철(Fe)(120)의 중량 % 의 합은 75 ~ 95 중량 % 일 수 있다. 다만, 상기 구리(Cu)(110)와 상기 철(Fe)(120)의 중량 % 비율은 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라서는 변경될 수 있음은 물론이다.
도 1을 참조하면, 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 합금 주조시, 구리(Cu)와 철(Fe) 간에 혼합 엔탈피가 높기 때문에, 용융된 합금에서 수지상 조직의 응고가 시작되는 고상선 직하에 액상이 두 개로 분리되는 준안정 영역(Metastable 영역)이 존재하게 된다. 용융된 합금을 급속 냉각하여 조직을 응고시킬 때 용융된 합금이 준안정 영역(Metastable 영역)을 지나면서 냉각되면, 도 2와 같이 두 원소가 따로 존재하는 불균질한 미세조직이 발생하는 문제가 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금은 이와 같은 문제를 해결하기 위해 니켈(Ni)과 지르코늄(Zr)을 포함할 수 있다. 도 3은 니켈(Ni) 함량에 따른 구리(Cu)와 철(Fe)의 상태도를 나타내는 것이다. 도 3을 참조하면, 니켈(Ni) 함량이 증가할수록 준안정 영역(Metastable 영역)이 하강하는 것을 알 수 있다.
도 3과 같이 니켈(Ni) 함량이 증가할수록 준안정 영역(Metastable 영역)이 하강하게 됨에 따라 고상선과 준안정 영역(Metastable 영역) 간격이 넓어지게 되며, 이를 통해 용융된 합금을 냉각시켜 응고시킬 때, 용융 금속이 준안정 영역(Metastable 영역)을 지나면서 냉각되는 것을 방지할 수 있게 된다.
용융된 합금을 냉각시켜 응고시킬 때 준안정 영역(Metastable 영역)을 지나지 않음에 따라 액상이 두 개로 분리되면서 상분리가 발생하는 것을 방지할 수 있게 되고, 이를 통해 상분리가 없는 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금이 제조된다.
상기 니켈(Ni)의 함량은 1 ~ 20 중량 % 일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 2 ~ 5 중량 % 일 수 있다. 상기 니켈(Ni)의 함량이 높아질수록 준안정 영역(Metastable 영역)이 하강하게 되지만, 상기 니켈(Ni)의 함량이 높아질수록 키니즈 합금의 전도성이 작아지는 문제가 있다. (구리(Cu)의 전도성이 니켈(Ni)보다 높기 때문에, 니켈(Ni)의 함량이 높아질수록 전도성은 작아진다.)
따라서, 상기 니켈(Ni)의 함량은 20 중량 % 이하인 것이 바람직하며, 전도성이 하강되는 것을 효율적으로 방지하기 위한 측면에서 5 중량 % 이하인 것이 바람직하다. 또한, 니켈(Ni)의 함량이 1 중량 % 이하인 경우에는 준안정 영역(Metastable 영역)이 하강하는 효과가 미비하기 때문에, 상기 니켈(Ni)의 함량은 1 중량 % 이상인 것이 바람직하다.
더욱 바람직하게는 니켈(Ni)의 함량이 2 ~ 5 중량 % 인 것이 바람직하다. 도 4 및 도 5는 니켈(Ni) 함량에 따른 상분리 발생 여부를 나타내는 도면이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 니켈(Ni) 함량이 2 중량 % 이하일 경우 상분리가 발생할 수 있으며, 상기 니켈(Ni) 함량이 2 중량 % 보다 클 때부터 상분리가 발생하지 않게 된다. 따라서, 상기 니켈(Ni) 함량은 2 중량 % 보다 큰 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금은 구리(Cu)의 장점인 전기전도성을 활용하는 것으로, 전기전도성의 활용을 위해 키니즈 합금의 도전율은 40%IACS 이상으로 이루어지는 것이 바람직하다. 그러나 상기 니켈(Ni)의 함량이 높아질수록 키니즈 합금의 저항률이 증가하여 전기전도성이 떨어질 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 니켈(Ni)의 함량이 5 중량 % 보다 크면, 도전율이 40%IACS 까지 하락하게 되고, 상기 니켈(Ni)의 함량이 5 중량 % 보다 커질수록 도전율이 급격하게 하락하게 된다. 따라서, 상기 니켈(Ni)의 함량은 5 중량 % 보다 작은 것이 바람직하다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금은, 상분리가 억제되는 최소한의 상기 니켈(Ni) 함량(2 중량 %)을 첨가하면서 도전율을 하락시키지 않는 범위(5 중량 %)에서 상기 니켈(Ni)을 첨가하는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금은 지르코늄(Zr)을 포함할 수 있으며, 상기 지르코늄(Zr)을 통해 수지상 조직의 응고를 빠르게 할 수 있는 효과가 있다.
구체적으로, 키니즈 합금에 포함된 상기 지르코늄(Zr)은 산소와 반응하여 ZrO2를 형성할 수 있으며, ZrO2는 합금의 주조과정에서 수지상정의 핵생성 핵으로 작용할 수 있다. 이와 같이 작용하는 상기 지르코늄(Zr)을 통해 수지상 조직의 응고를 빠르게 할 수 있는 효과가 있으며, 이를 통해 액상의 상분리가 일어나기 전에 고상으로 용융된 합금을 응고시킬 수 있게 된다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금은 니켈(Ni)을 통해 준안정 영역(Metastable 영역)을 하강시켜 상분리가 일어나는 것을 방지하는 동시에, 지르코늄(Zr)을 통해 수지상 조직의 응고를 빠르게 발생시켜, 용융된 합금이 준안정 영역(Metastable 영역)을 지나가면서 응고되는 것을 방지할 수 있게 된다.
상기 지르코늄(Zr)의 함량은 0.1 ~ 5 중량 % 일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 0.3 ~ 1.0 중량 % 일 수 있다. 상기 지르코늄(Zr)의 함량이 높아질수록 수지상 조직의 응고 속도가 빨라지게 되지만, 상기 지르코늄(Zr)의 함량이 높아질수록 키니즈 합금의 전도성이 작아지는 문제가 있다. (구리(Cu)의 전도성이 지르코늄(Zr)보다 높기 때문에, 지르코늄(Zr)의 함량이 높아질수록 전도성은 작아진다.)
따라서, 상기 지르코늄(Zr)의 함량은 5 중량 % 이하인 것이 바람직하며, 전도성이 하강되는 것을 효율적으로 방지하기 위한 측면에서 1 중량 % 이하인 것이 바람직하다. 또한, 지르코늄(Zr)의 함량이 0.1 중량 % 이하인 경우에는 수지상 조직의 응고 속도가 빨라지게 되는 효과가 미비하기 때문에, 상기 지르코늄(Zr)의 함량은 0.1 중량 % 이상인 것이 바람직하다.
더욱 바람직하게는 지르코늄(Zr)의 함량이 0.3 ~ 1.0 중량 % 인 것이 바람직하다. 지르코늄(Zr)의 함량은 니켈(Ni)을 통해 하강된 준안정 영역(Metastable 영역)에 따라 그 함량이 달라질 수 있으나, 지르코늄(Zr)의 함량이 적어 수지상 조직의 응고 속도가 느리게 되면, 용융된 금속이 준안정 영역(Metastable 영역)을 지나면서 응고될 위험이 있다. 또한, 지르코늄(Zr)의 함량이 0.3 중량 % 보다 작으면, ZrO2가 충분히 형성되지 않기 때문에 상분리 억제 효과를 가지게 되지 못할 수 있다. 따라서, 이를 방지하기 위해 지르코늄(Zr)의 함량은 0.3 중량 % 이상인 것이 바람직하다.
이와 함께, 지르코늄(Zr)의 함량이 1.0 중량 % 이하인 것이 바람직하다. 지르코늄(Zr)의 함량이 1.0 중량 % 보다 많은 경우 ZrO2의 산화물 크기가 커지게 되며, 이에 따라 ZrO2가 핵생성 핵이 아닌 개재물로 작용하게 되면서 전도성에 악영향을 미칠 수 있게 된다. 따라서, 지르코늄(Zr)의 함량이 1.0 중량 % 이하인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금은 구리(Cu), 철(Fe), 니켈(Ni), 지르코늄(Zr) 이외에 탄소(C)를 포함할 수 있으며, 탄소(C)는 0.02 중량 % 이하(0%를 포함하지 않음) 일 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금은 구리(Cu), 철(Fe), 니켈(Ni), 지르코늄(Zr) 이외에 나머지는 불가피한 불순물을 포함할 수 있는 것으로, 불가피한 불순물은 키니즈 합금에 필요한 다양한 성분일 수 있다. 가령, 불가피한 불순물은 크롬(Cr), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 규소(Si) 등일 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금은 구리(Cu), 철(Fe), 니켈(Ni), 지르코늄(Zr)과 나머지는 불가피한 불순물을 포함한다.
상기 구리(Cu)(110)와 상기 철(Fe)(120)의 중량 % 합은 75 ~ 95 중량 % 일 수 있으며, 합금에 사용용도에 따라 상기 구리(Cu)(110)와 상기 철(Fe)(110)의 중량 비율은 변경될 수 있다.
구체적으로, 상기 구리(Cu)(110)는 20 ~ 80 중량%, 상기 철(Fe)(120)은 20 ~ 80 중량%, 더욱 바람직하게는 상기 구리(Cu)(110)는 40 ~ 60 중량%, 상기 철(Fe)(120)은 30 ~ 50 중량% 일 수 있다. 이와 같은 범위에서 상기 구리(Cu)(110)와 상기 철(Fe)(120)의 중량 % 의 합은 75 ~ 95 중량 % 일 수 있다. 다만, 상기 구리(Cu)(110)와 상기 철(Fe)(120)의 중량 % 비율은 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라서는 변경될 수 있음은 물론이다.
도 1을 참조하면, 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 합금 주조시, 구리(Cu)와 철(Fe) 간에 혼합 엔탈피가 높기 때문에, 용융된 합금에서 수지상 조직의 응고가 시작되는 고상선 직하에 액상이 두 개로 분리되는 준안정 영역(Metastable 영역)이 존재하게 된다. 용융된 합금을 급속 냉각하여 조직을 응고시킬 때 용융된 합금이 준안정 영역(Metastable 영역)을 지나면서 냉각되면, 도 2와 같이 두 원소가 따로 존재하는 불균질한 미세조직이 발생하는 문제가 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금은 이와 같은 문제를 해결하기 위해 망간(Mn)과 지르코늄(Zr)을 포함할 수 있다. 도 7은 망간(Mn) 함량에 따른 구리(Cu)와 철(Fe)의 상태도를 나타내는 것이다. 도 7을 참조하면, 망간(Mn) 함량이 증가할수록 준안정 영역(Metastable 영역)이 하강하게 된다.
도 7과 같이 망간(Mn) 함량이 증가할수록 준안정 영역(Metastable 영역)이 하강하게 됨에 따라 고상선과 준안정 영역(Metastable 영역) 간격이 넓어지게 되며, 이를 통해 용융된 합금을 냉각시켜 응고시킬 때 준안정 영역(Metastable 영역)을 지나면서 냉각되는 것을 방지할 수 있게 된다.
용융된 합금을 냉각시켜 응고시킬 때 준안정 영역(Metastable 영역)을 지나지 않음에 따라 액상이 두 개로 분리되면서 상분리가 발생하는 것을 방지할 수 있게 되고, 이를 통해 상분리가 없는 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금이 제조된다.
여기서, 상기 구리(Cu)와 상기 철(Fe)의 중량 합에 대한 상기 철(Fe)의 중량 비율은 70% 이상인 것이 바람직하다. 도 7을 참조하면, 망간(Mn) 함량이 증가할수록 준안정 영역(Metastable 영역)이 하강하게 되는 영역은 상기 구리(Cu)와 상기 철(Fe)의 중량 합에 대한 상기 철(Fe)의 중량 비율이 70% 이상일 때이다.
따라서, 망간(Mn)을 통해 준안정 영역(Metastable 영역)을 하강시키기 위해서는 상기 구리(Cu)와 상기 철(Fe)의 중량 합에 대한 상기 철(Fe)의 중량 비율은 70% 이상인 것이 바람직하다.
상기 망간(Mn)(Ni)의 함량은 2 ~ 5 중량 % 일 수 있다. 상기 망간(Mn)의 함량이 높아질수록 준안정 영역(Metastable 영역)이 하강하게 되지만, 상기 망간(Mn)의 함량이 높아질수록 키니즈 합금의 전도성이 작아지는 문제가 있다. (구리(Cu)의 전도성이 망간(Mn)보다 높기 때문에, 망간(Mn)의 함량이 높아질수록 전도성은 작아진다.)
구체적으로, 도 7을 참조하면, 망간(Mn)의 함량이 2 중량 % 이하인 경우에는 준안정 영역(Metastable 영역)이 하강하는 효과가 미비하기 때문에, 상기 망간(Mn)(Ni)의 함량은 2 중량 % 이상인 것이 바람직하다.
또한, 도 8을 참조하면, 상기 망간(Mn)의 함량이 5 중량 % 보다 커질수록 도전율(%IACS)이 급격하게 하락하게 된다. 따라서, 도전율(%IACS)의 하락을 방지하기 위해 상기 망간(Mn)의 함량은 5 중량 % 보다 작은 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금은 지르코늄(Zr)을 포함할 수 있으며, 상기 지르코늄(Zr)을 통해 수지상 조직의 응고를 빠르게 할 수 있는 효과가 있다. 상기 지르코늄(Zr)은 0.3 ~ 1.0 중량 % 가 포함될 수 있으며, 상기 지르코늄(Zr)을 포함하는 이유와 중량 비율에 대해서는 니켈(Ni)을 포함하는 키니즈 합금에서와 설명하였는 바 구체적인 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금은 니켈(Ni)을 더 포함할 수도 있다. 상기 니켈(Ni)을 포함하면, 상술한 바와 같이 준안정 영역(Metastable 영역)을 하강시킬 수 있으며, 상기 니켈(Ni)은 2.0 ~ 5.0 중량 % 가 포함될 수 있다. 상기 니켈(Ni)을 포함하는 이유와 중량 비율에 대해서는 니켈(Ni)을 포함하는 키니즈 합금에서와 설명하였는 바 구체적인 설명은 생략한다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금은 구리(Cu), 철(Fe), 망간(Mn), 지르코늄(Zr) 이외에 탄소(C)를 포함할 수 있으며, 탄소(C)는 0.02 중량 % 이하(0%를 포함하지 않음) 일 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금은 구리(Cu), 철(Fe), 망간(Mn), 지르코늄(Zr) 이외에 나머지는 불가피한 불순물을 포함할 수 있는 것으로, 불가피한 불순물은 키니즈 합금에 필요한 다양한 성분일 수 있다. 가령, 불가피한 불순물은 크롬(Cr), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 규소(Si) 등일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금은 키니즈 합금에 포함된 성분을 용융시키고 이를 냉각시키면서 주조될 수 있다. 이와 같은 합금의 주조 과정에서 용융 금속의 냉각 속도는 5.3x104 ℃/Sec 이하인 것이 바람직하다.
도 3 및 도 7을 참조하면, 상술한 바와 같이 니켈(Ni)과 망간(Mn)을 통해서 준안정 영역(Metastable 영역)을 하강시키고, 지르코늄(Zr)을 통해 응고 속도를 빠르게 하더라도, 냉각 속도가 너무 빠르면 합금이 준안정 영역(Metastable 영역)을 지나가면서 응고될 수 있다.
도 9를 참조하면, 냉각 속도가 5.3x104 ℃/Sec 보다 작아질수록 상분리 영역이 관찰되는 면적이 작아지는 것을 알 수 있다. 냉각 속도가 빨리지면, 용융 금속이 응고될 때 준안정 영역(Metastable 영역)을 지나가면서 응고되어 상분리가 발생하게 되는데, 냉각 속도가 5.3x104 ℃/Sec 보다 작아지면서 점차적으로 상분리 영역이 감소하게 된다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 키니즈 합금은 합금의 주조 과정에서 용융 금속의 냉각 속도를 5.3x104 ℃/Sec 이하로 하는 것이 바람직하다.
상술한 본 발명의 실시 예에 따른 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금은 키니즈 합금은 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금은 니켈(Ni), 지르코늄(Zr), 망간(Mn) 등의 원소를 미량 첨가하여 키니즈 합금을 제조함에 따라, 상분리가 없는 균일한 미세조직을 가지는 키니즈 합금을 제조할 수 있는 장점이 있다.
구체적으로, 본 발명의 실시 예에 따른 키니즈 합금은 니켈(Ni)과 망간(Mn)을 포함함에 따라 준안정 영역(Metastable 영역)을 하강시킬 수 있고, 지르코늄(Zr)을 포함함에 따라 수지상 조직의 응고를 빠르게 할 수 있다. 이를 통해 용융 금속이 냉각될 때, 준안정 영역(Metastable 영역) 지나면서 냉각되어 상분리가 발생하는 것을 방지할 수 있게 되어, 도 6과 같이 상분리가 없는 균일한 미세조직을 가지는 키니즈 합금을 제조할 수 있게 된다.
도 2는 종래의 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 동철합금에서 상분리가 발생하였을 때의 합금 단면을 나타내는 도면이며, 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금의 단면을 나타내는 도면이다. 도 2와 도 10을 비교하면, 본 발명의 실시 예에 따른 키니즈 합금은 니켈(Ni), 지르코늄(Zr), 망간(Mn) 등의 원소를 미량 첨가하여 제조됨에 따라 구리(Cu) 매트리스(Cu matrix)(10) 상에 철(Fe)(20)이 물방울 형태로 형성되면서 두 원소가 따로 존재하는 불균질한 미세조직이 발생하지 않으며, 구리(Cu)(110)에 철(Fe)(120) 덴드라이트(dendrite) 조직이 골고루 분포되면서 균질한 미세조직을 가지는 것을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 많은 변형이 제공될 수 있다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위를 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
110...구리(Cu) 120....철(Fe)

Claims (8)

  1. 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 합금에 있어서,
    구리(Cu)와 철(Fe)의 중량 % 합이 90 ~ 95 중량 %,
    니켈(Ni) 2.0 ~ 5.0 중량 %, 지르코늄(Zr) 0.1 ~ 5.0 중량 %, 나머지는 불가피한 불순물을 포함하며,
    지르코늄(Zr)은 산소와 반응하여 ZrO2를 형성하며,
    상기 ZrO2는 합금의 주조과정에서 수지상정의 핵생성 핵으로 작용하는 것을 특징으로 하는 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금.
  2. 삭제
  3. 삭제
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  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 합금의 주조 과정에서 용융 금속의 냉각 속도는 5.3x104 ℃/Sec 이하인 것을 특징으로 하는 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금.

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