KR20030087112A - 알루미늄 나노입자분산형 비정질합금 및 그 제조방법 - Google Patents

알루미늄 나노입자분산형 비정질합금 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알루미늄 나노입자분산형 비정질합금 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 단롤형 멜트스피너를 이용하여 제조된 Al88Ni9Zr3비정질단상합금을 결정화 온도 이상의 온도범위, 즉 400 ∼ 420K에서 인위적으로 60초 동안 열처리하여 비정질합금 내에 알루미늄 나노입자를 균일하게 석출시킴으로써, 열적 안정성과 기계적 물성이 보다 향상된 알루미늄-비정질 2상의 알루미늄 나노입자분산형 비정질합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

알루미늄 나노입자분산형 비정질합금 및 그 제조방법{Aluminum nanocrystal-dispersed amorphous alloy and method for manufacturing the same}
본 발명은 알루미늄 나노입자분산형 비정질합금 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 단롤형 멜트스피너를 이용하여 제조된 Al88Ni9Zr3비정질단상합금을 결정화 온도 이상의 온도범위, 즉 400 ∼ 420K에서 인위적으로 60초 동안 열처리하여 비정질합금 내에 알루미늄 나노입자를 균일하게 석출시킴으로써, 열적안정성과 기계적 물성이 보다 향상된 알루미늄-비정질 2상의 알루미늄 나노입자분산형 비정질합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 자동차의 외판 및 내판을 제조하기 위한 판재나 그 밖의 구조용 부품들을 위한 여러 가지 단조재 등은 높은 기계적 물성을 필요로 하고 있다.
이를 위하여, 초듀랄루민 합금이나 알루미늄 비정질단상합금 등이 개발된 바 있으며, 현재 초고강도 알루미늄 합금으로 상용중인 소재는 초듀랄루민(A7075-T6) 합금이고, 이는 인장강도가 600MPa 정도인 것으로 알려져 있다.
또한, 알루미늄 Al88Ni9Zr3비정질단상합금인 경우에는 800 ∼ 1000MPa의 인장강도를 갖는 것으로 알려져 있으며, 이러한 Al88Ni9Zr3비정질단상합금은 결정면이 존재하지 않기 때문에 전위를 매개로 하지 않고 원자들의 협동운동에 의한 변형을 하므로 초듀랄루민에 비해 우수한 기계적 물성을 갖는다.
그러나, 상기 Al88Ni9Zr3비정질단상합금의 결정화 온도(Tx1)는, 첨부한 도 1에 나타낸 바와 같이, 393K(120℃)로서 낮은 수준이다.
여기서, 도 1은 단롤형 멜트스피너(single roller melt-spinner)를 이용하여 제조된 Al88Ni9Zr3비정질단상합금의 열적곡선을 나타내는 것으로서, 시차주사열량계(DSC:Differential Scanning Calorimeter)를 이용하여 얻은 DSC 곡선이다.
결국, 상기 Al88Ni9Zr3비정질단상합금은 결정화 온도 393K 이하에서는 비정질단상합금의 형태로 존재하여 상당한 연성과 우수한 기계적 물성을 가지나, 결정화 온도 393K보다 높은 온도로 상승할 경우에는 결정화가 일어나 취성이 크게 증가하고 기계적 물성이 크게 떨어져 재료로서의 가치를 상실한다.
즉, 상기 Al88Ni9Zr3비정질단상합금의 결정화 온도 393K는 일반적인 재료가 견뎌내야 할 사용온도범위 이내에 있는 것으로서, 393K보다 높은 온도에서 재료로서의 가치를 상실함은 상용화를 불가능하게 하는 Al88Ni9Zr3비정질단상합금의 치명적인 단점이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 단롤형 멜트스피너를 이용하여 제조된 Al88Ni9Zr3비정질단상합금을 결정화 온도 이상의 온도범위, 즉 400 ∼ 420K에서 인위적으로 60초 동안 열처리하여 비정질합금 내에 알루미늄 나노입자를 균일하게 석출시킴으로써, 열적 안정성과 기계적 물성이 보다 향상된 알루미늄-비정질 2상의 알루미늄 나노입자분산형 비정질합금 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 Al88Ni9Zr3비정질단상합금의 열적 곡선이고,
도 2는 Al88Ni9Zr3비정질단상합금 열처리시 열처리 온도에 따른 알루미늄 입자 석출량과 결정화 온도의 변화를 보여주는 그래프이며,
도 3은 알루미늄 나노입자분산형 Al88Ni9Zr3합금 제조시 열처리 온도에 따른 기계적 물성을 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 알루미늄 나노입자분산형 비정질합금은 원자비로알루미늄(Al):니켈(Ni):지르코늄(Zr)이 88:9:3이 되도록 조성된 Al88Ni9Zr3비정질합금에 있어서,
단롤형 멜트스피너를 이용하여 제조된 Al88Ni9Zr3비정질단상합금을 400 ∼ 420K의 온도범위에서 60초 동안 열처리하여, 합금 내에 알루미늄 나노입자가 석출량 10 ∼ 16%로 분산되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 알루미늄 나노입자분산형 비정질합금의 제조방법은 원자비로 알루미늄(Al):니켈(Ni):지르코늄(Zr)이 88:9:3이 되도록 조성된 Al88Ni9Zr3모합금을 이용하여 비정질합금을 제조하는 방법에 있어서,
상기 Al88Ni9Zr3모합금을 단롤형 멜트스피너를 이용하여 Al88Ni9Zr3비정질단상합금으로 제조 한 후, 이 Al88Ni9Zr3비정질단상합금을 400 ∼ 420K의 온도범위에서 60초 동안 열처리하여 제조하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 단롤형 멜트스피너를 이용하여 제조된 Al88Ni9Zr3비정질단상합금을 결정화 온도 이상의 소정 온도범위에서 인위적으로 열처리하여 비정질합금 내에 알루미늄 나노입자를 균일하게 석출시킨 알루미늄-비정질 2상의 혼합합금, 즉 알루미늄 나노입자분산형 비정질합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 알루미늄 나노입자분산형 비정질합금은 Al88Ni9Zr3비정질합금 내에 알루미늄 나노입자가 석출량 10 ∼ 16%로 분산되어 있는 것이다.
이러한 알루미늄 나노입자분산형 Al88Ni9Zr3합금의 제조공정을 설명하면, 우선 원자비로 알루미늄(Al):니켈(Ni):지르코늄(Zr)이 88:9:3이 되도록 조성된 Al88Ni9Zr3모합금을 제조한다.
다음, 이 Al88Ni9Zr3모합금을 단롤형 멜트스피너를 이용하여 Al88Ni9Zr3비정질단상합금으로 제조하는 바, 챔버 진공도 0.2MPa, 아르곤 분위기 7 ∼ 9kPa, 노즐 분사량 50kPa, 구리로 만들어진 단롤의 교반속도 4500 ∼ 4700rpm의 조건하에서 제조한다.
이후, 상기와 같이 제조된 Al88Ni9Zr3비정질단상합금을 결정화 온도 이상인 400 ∼ 420K의 온도범위에서 60초간 열처리하는데, 이와 같이 열처리를 실시하면 비정질합금 내에 약 20nm 크기의 면입방체 알루미늄 입자가 석출량 10 ∼ 16%로 석출, 분산된다.
상기와 같이 열처리된 합금에서는 미세하고 균일하게 석출, 분산된 알루미늄 나노입자가 분산강화효과를 발생시키므로 Al88Ni9Zr3비정질단상합금에 비해 기계적 물성이 향상된다.
본 발명의 제조공정에서 열처리 온도를 400 ∼ 420K로 한정한 이유를 첨부한 도 2와 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 첨부한 도 2에서는 단롤형 멜트스피너를 이용하여 제조된 Al88Ni9Zr3비정질단상합금을 열처리하였을 때 열처리 온도에 따른 알루미늄 입자 석출량과 결정화 온도의 변화를 보여주고 있다.
이에 도시한 바와 같이, Al88Ni9Zr3비정질단상합금의 결정화 온도 Tx1=393K에서는 알루미늄 입자 석출량(Vf)이 0%이고, 열처리 온도(Ta, K)를 높일수록 결정화 온도(Tx1,K)와 알루미늄 입자 석출량(Vf, %)이 증가하게 된다.
여기서, 결정화 온도(Tx1)가 증가함은 열적 안정성이 좋아짐을 나타낸다.
다음으로, 첨부한 도 3은 알루미늄 나노입자분산형 Al88Ni9Zr3합금 제조시 열처리 온도에 따른 기계적 물성을 보여주는 그래프로서, Al88Ni9Zr3비정질단상합금을 열처리하였을 때 열처리 온도에 따른 경도, 파단강도, 파단연신율을 보여주고 있다.
단, 상기 경도(Hv), 파단강도(σf, MPa), 파단연신율(εf, %)은 열처리 온도(Ta, K)를 달리하여 제조된 알루미늄 나노입자분산형 Al88Ni9Zr3합금을 이용하여 이후 설명될 실험예의 시험방법과 동일한 방법으로 측정하였음을 밝혀둔다.
이에 도시한 바와 같이, 열처리 온도(Ta)를 높일수록, 합금의 경도(Hv)는 계속해서 증가하나, 파단강도(σf)와 파단연신율(εf)은 증가하다가 열처리 온도(Ta) 420K를 초과하면서 오히려 감소한다.
즉, 열처리 온도(Ta)를 400K 미만으로 하게 되면 알루미늄 입자가 석출되지않거나 석출되더라도 그 양(Vf)이 매우 미미하고, 열처리 온도(Ta)가 420K를 초과하게 되면 알루미늄 입자의 석출량(Vf)이 과다하여 기계적 물성이 오히려 감소하게 되는 것이다.
따라서, 기계적 물성이 우수한 알루미늄 나노입자분산형 Al88Ni9Zr3합금을 제조하기 위해서는 적정 온도범위인 400 ∼ 420K에서 열처리가 수행되어야만 한다.
이와 같이 하여, 본 발명에서는 기존 Al88Ni9Zr3비정질단상합금을 결정화 온도 이상인 400 ∼ 420K의 온도범위에서 60초간 열처리해줌으로써, 열적 안정성과 기계적 물성이 향상된 알루미늄 나노입자분산형 Al88Ni9Zr3합금을 얻을 수 있게 된다.
이하, 다음의 실시예에 의거 본 발명을 더욱 상세히 설명하는 바, 본 발명이 다음의 실시예로 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
원자비로 알루미늄(Al):니켈(Ni):지르코늄(Zr)이 88:9:3이 되도록 조성된 Al88Ni9Zr3모합금을 제조한 후, 이 Al88Ni9Zr3모합금을 단롤형 멜트스피너를 이용하여 Al88Ni9Zr3비정질단상합금으로 제조하는 바, 챔버 진공도 0.2MPa, 아르곤 분위기 7 ∼ 9kPa, 노즐 분사량 50kPa, 구리 단롤의 교반속도 4500 ∼ 4700rpm의 조건으로 제조하였다.
이후, 상기와 같이 제조된 Al88Ni9Zr3비정질단상합금을 온도 400K에서 60초간 열처리하여 알루미늄 나노입자분산형 Al88Ni9Zr3합금을 제조하였다.
실시예 2
원자비로 알루미늄(Al):니켈(Ni):지르코늄(Zr)이 88:9:3이 되도록 조성된 Al88Ni9Zr3모합금을 제조한 후, 이 Al88Ni9Zr3모합금을 단롤형 멜트스피너를 이용하여 Al88Ni9Zr3비정질단상합금으로 제조하는 바, 챔버 진공도 0.2MPa, 아르곤 분위기 7 ∼ 9kPa, 노즐 분사량 50kPa, 구리 단롤의 교반속도 4500 ∼ 4700rpm의 조건으로 제조하였다.
이후, 상기와 같이 제조된 Al88Ni9Zr3비정질단상합금을 온도 420K에서 60초간 열처리하여 알루미늄 나노입자분산형 Al88Ni9Zr3합금을 제조하였다.
비교예
원자비로 알루미늄(Al):니켈(Ni):지르코늄(Zr)이 88:9:3이 되도록 조성된 Al88Ni9Zr3모합금을 제조한 후, 이 Al88Ni9Zr3모합금을 단롤형 멜트스피너를 이용하여 Al88Ni9Zr3비정질단상합금으로 제조하는 바, 챔버 진공도 0.2MPa, 아르곤 분위기 7 ∼ 9kPa, 노즐 분사량 50kPa, 구리 단롤의 교반속도 4500 ∼ 4700rpm의 조건으로 제조하였다.
이후, 상기와 같이 제조된 Al88Ni9Zr3비정질단상합금을 온도 380K에서 60초간 열처리하였다.
물론, 이때의 Al88Ni9Zr3합금은 열처리가 실시되었다 하더라도 합금 내부에 결정화가 일어나지 않은 비정질단상합금이다(Vf=0%)
실험예
상기 실시예 1, 2와 비교예를 통해 얻어진 각 합금을 이용하여 경도(Hv), 파단강도(σf), 파단연신율(εf)을 측정하였다.
(1) 경도(micro Vickers hardness)
경도는 마이크로 비커스 경도계를 이용하여 KS B 5540의 시험방법으로 측정하였고, 그 결과를 첨부한 도 3에 나타내었다.
(2) 파단강도(tensile fracture strength, MPa), 파단연신율(tensile fracture elongation, %)
파단강도와 파단연신율은 만능인장시험기를 이용하여 KS B 0802의 시험방법으로 측정하였고, 그 결과를 첨부한 도 3에 나타내었다.
그 결과로서, 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예 1(Ta=400K)과 실시예 2(Ta=420K)를 통해 얻어진 알루미늄 나노입자분산형 Al88Ni9Zr3합금의 경우 비교예(Ta=380K)를 통해 얻어진 Al88Ni9Zr3비정질단상합금에 비해 경도, 파단강도 및파단연신율이 크게 향상되었음을 알 수 있었다.
이와 같이 하여, 본 발명의 제조방법에서는 Al88Ni9Zr3비정질단상합금을 결정화 온도 이상의 온도범위, 즉 400 ∼ 420K에서 인위적으로 60초 동안 열처리하여줌으로써, 기존의 Al88Ni9Zr3비정질단상합금에 비해 열적 안정성과 기계적 물성이 향상된 알루미늄 나노입자분산형 Al88Ni9Zr3합금을 얻을 수 있게 된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 제조방법에 의하면, 단롤형 멜트스피너를 이용하여 제조된 Al88Ni9Zr3비정질단상합금을 결정화 온도 이상의 온도범위, 즉 400 ∼ 420K에서 인위적으로 60초 동안 열처리함으로써, 열적 안정성과 기계적 물성이 보다 향상된 알루미늄-비정질 2상의 Al88Ni9Zr3혼합합금을 제조할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 원자비로 알루미늄(Al):니켈(Ni):지르코늄(Zr)이 88:9:3이 되도록 조성된 Al88Ni9Zr3비정질합금에 있어서,
    단롤형 멜트스피너를 이용하여 제조된 Al88Ni9Zr3비정질단상합금을 400 ∼ 420K의 온도범위에서 60초 동안 열처리하여, 합금 내에 알루미늄 나노입자가 석출량 10 ∼ 16%로 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 알루미늄 나노입자분산형 비정질합금.
  2. 원자비로 알루미늄(Al):니켈(Ni):지르코늄(Zr)이 88:9:3이 되도록 조성된 Al88Ni9Zr3모합금을 이용하여 비정질합금을 제조하는 방법에 있어서,
    상기 Al88Ni9Zr3모합금을 단롤형 멜트스피너를 이용하여 Al88Ni9Zr3비정질단상합금으로 제조 한 후, 이 Al88Ni9Zr3비정질단상합금을 400 ∼ 420K의 온도범위에서 60초 동안 열처리하여 제조하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 나노입자분산형 비정질합금의 제조방법.
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