KR20040104317A - Cu-based amorphous alloy composition - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: To provide a Cu-based amorphous alloy composition which is more excellent in glass forming ability and has wide supercooled liquid region compared with a conventional alloy, and which is consisted of commercial metal elements only so that the alloy is utilized industrially and economically and commercialized more easily. CONSTITUTION: The Cu-based amorphous alloy composition is represented by the following chemical formula 1 : CuaNib(Zr1-xTx)c where a, b, and c are respectively 44 atom%<=a<=60 atom%, 1 atom%<=b<=20 atom%, 36 atom%<=a<=44 atom%, and x is 0.34<=x<=0.47, wherein a glass forming ability of the alloy composition is 1 mm or more of diameter, wherein a, b, c and x in the above chemical formula 1 respectively are 48 atom%<=a<=55 atom%, 6 atom%<=b<=10 atom%, 39 atom%<=a<=43 atom%, and 0.39<=x<=0.46, wherein a glass forming ability of the alloy composition is 4 mm or more of diameter, wherein an amorphous phase in the composition is 90 wt.% or more based on the total weight of the composition.

Description

Cu기 비정질 합금조성물{Cu-based amorphous alloy composition}Cu-based amorphous alloy composition

본 발명은 Cu기 비정질 합금 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구리를 주성분으로 하고, 질코늄과 티타늄, 그리고 니켈을 포함하는 4원계로 구성된 비정질 합금 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to a Cu-based amorphous alloy composition, and more particularly, to an amorphous alloy composition composed of a quaternary system containing copper as a main component and containing zirconium, titanium, and nickel.

본 발명에 따른 비정질 합금조성물은 비정질 형성능이 우수하여 액상으로부터 103℃/s 이하의 냉각속도로 유리 전이온도(glass transition temperature)이하의 온도까지 냉각하였을 경우 벌크화가 가능하고 31℃ 이상의 과냉각 액체 영역(supercooled liquid region)을 가지는 Cu기 비정질 합금 조성물에 관한 것이다.The amorphous alloy composition according to the present invention has excellent amorphous forming ability and can be bulked when cooled to a temperature below the glass transition temperature (glass transition temperature) at a cooling rate of 10 3 ° C./s or less from the liquid phase, and a supercooled liquid region of 31 ° C. or more. A Cu-based amorphous alloy composition having a supercooled liquid region.

일반적으로 비정질상을 얻기 위해서는 104-106℃/s 의 빠른 냉각속도가 요구되기 때문에 비정질 제조를 위해서는 급속응고법(rapid quenching technique)이 사용되며 제조된 시편은 박판 또는 미세한 분말의 형상을 갖는다. 이와 같이 급속응고법에 의해 제조되는 비정질 합금은 형태 및 크기가 제한되기 때문에 실제 적용은 매우 제한적이었다. 따라서 비정질 합금이 상용 금속재료로서 활용되기 위해서는 임계냉각속도가 낮은 우수한 비정질 형성능이 필요하며, 따라서 이러한 성질을 갖는 합금의 개발이 요구되어왔다.In general, a rapid cooling rate of 10 4 -10 6 ° C / s is required to obtain an amorphous phase, so that a rapid quenching technique is used for amorphous production, and the prepared specimen has a thin plate or fine powder shape. As described above, the amorphous alloys produced by the rapid solidification method have limited form and size, so the practical application is very limited. Therefore, in order to utilize the amorphous alloy as a commercial metal material, excellent amorphous forming ability with low critical cooling rate is required, and therefore, development of an alloy having such a property has been required.

비정질 형성능이 우수하면 일반적인 캐스팅법에 의해 벌크 상태의 비정질을 제조하는 것이 가능하다. 또한 비정질 합금에서 넓은 과냉각 액체 영역을 갖는 것은 공업적 측면에서 매우 중요한데, 그 이유는 과냉각 액체 영역에서 점성유동(viscous flow)에 의해서 벌크 비정질 합금의 성형가공이 가능하여 일정형태의 부품을 제조할 수 있기 때문이다.If the amorphous forming ability is excellent, it is possible to produce the amorphous in the bulk state by the general casting method. In addition, having a large supercooled liquid region in an amorphous alloy is very important from an industrial point of view, because the viscous flow in the supercooled liquid region enables the molding of the bulk amorphous alloy to produce a certain type of part. Because there is.

PCT WO 96/24702에 의하면 비정질 합금의 형성을 위한 임계 냉각 속도가 수 천 ℃/s 이고 비정질 형성능이 우수하여 약 4 mm 두께를 가지는 Cu기 벌크 비정질 합금이 개발되었다.According to PCT WO 96/24702, a Cu-based bulk amorphous alloy having a thickness of about 4 mm has been developed with a critical cooling rate of several thousand deg. C / s and excellent amorphous formability for forming an amorphous alloy.

그러나 상기와 같은 종래의 Cu기 비정질 합금은 과냉각 액체 영역이 작고 비정질 형성능이 상대적으로 작아서 우수한 비정질 형성능을 가지는 함금개발의 필요성이 여전히 요구되어 왔다.However, the conventional Cu-based amorphous alloys such as the supercooled liquid region and the relatively small amorphous forming ability, there is still a need for the development of alloys having excellent amorphous forming ability.

따라서 본 발명에 의한 Cu기 비정질 합금조성물은 상기 제반 문제를 해결하기 위하여 제안된 것으로서, Cu기 비정질 합금은 강도가 높아 공업적, 경제적 활용성이 높다. 그러므로 벌크 형태로 제조될 수 있다면 구조용 재료로서 매우 유용하게 사용될 수 있다. 논문 Journal of Applied Physics, Vol. 78, No 11, pp. 6514-6519에 보면 구리 몰드 캐스팅법에 의해서 최대 두께 4 mm의 벌크 비정질 합금이 얻어졌으며, 약 45℃ 정도의 과냉각 액상 영역을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 이 합금이외에도 적절한 합금 설계를 통해 다양한 합금계에서 새로운 Cu기 벌크 비정질 합금의 제조가 가능하며, 실용화를 위해서 보다 비정질 형성능이 우수하면서, 과냉각 액상영역이 넓은 Cu기 비정질 합금의 개발이 필요하다.Accordingly, the Cu-based amorphous alloy composition according to the present invention has been proposed to solve the above problems, and the Cu-based amorphous alloy has high strength and high industrial and economic utility. Therefore, it can be very usefully used as a structural material if it can be produced in bulk form. Papers Journal of Applied Physics, Vol. 78, No 11, pp. According to 6514-6519, a bulk amorphous alloy having a maximum thickness of 4 mm was obtained by the copper mold casting method, and it is known to have a supercooled liquid region of about 45 ° C. In addition to this alloy, it is possible to manufacture a new Cu-based bulk amorphous alloy in various alloy systems through an appropriate alloy design, and for practical use, development of Cu-based amorphous alloy with superior amorphous forming ability and wide supercooled liquid region is necessary.

따라서 본 발명은 이러한 종래의 합금보다 더 우수한 비정질 형성능과 넓은 과냉각 액상 영역을 가지면서 상용 금속원소들로만 이루어져 공업적, 경제적 활용성이 우수하고 실용화가 보다 용이한 Cu기 비정질 합금을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention provides a Cu-based amorphous alloy which is superior in industrial and economic feasibility and is more practical to use, consisting only of commercial metal elements, having an amorphous forming ability and a wider subcooled liquid region than the conventional alloy. have.

도 1은 본 발명에 따른 합금 조성물에서 1 mm 이상의 벌크 비정질 형성이 확인된 영역을 나타내는 구리-니켈-(질코늄+티타늄) 합금의 의삼원계 조성도(quasi-ternary composition diagram).1 is a quasi-ternary composition diagram of a copper-nickel- (zirconium + titanium) alloy showing a region in which bulk amorphous formation of 1 mm or more is confirmed in the alloy composition according to the present invention.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 캐스팅법으로 제조된 Cu54Ni6Zr22Ti18의 X-Ray 회절 패턴(diffraction pattern).Figure 2 is an X-ray diffraction pattern (diffraction pattern) of Cu 54 Ni 6 Zr 22 Ti 18 prepared by the casting method according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 캐스팅법으로 제조된 Cu54Ni6Zr22Ti18의 고분해능 투과전자 현미경(High Resolution Transmission Electron Microscope) 사진.Figure 3 is a high resolution transmission electron micrograph of Cu 54 Ni 6 Zr 22 Ti 18 prepared by the casting method according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 캐스팅법으로 제조된 Cu54Ni6Zr22Ti18의 압축강도 그래프.Figure 4 is a graph of compressive strength of Cu 54 Ni 6 Zr 22 Ti 18 prepared by the casting method according to an embodiment of the present invention.

상기 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하기 화학식 1In order to achieve the object of the present invention, the present invention is represented by the following formula 1

CuaNib(Zr1-xTix)c Cu a Ni b (Zr 1-x Ti x ) c

(여기서 a, b, c 는 각각 구리, 니켈, 질코늄+티타늄의 원자%를 의미하며, 44원자% ≤ a ≤ 60원자%, 1원자% ≤ b ≤ 20원자%, 36원자% ≤ c ≤ 44원자%이며, x는 0.34 ≤ x ≤ 0.47 이다.)로 표현되는 Cu기 벌크 비정질 합금 조성물을 제공한다.(Where a, b, and c represent atomic% of copper, nickel and zirconium + titanium, respectively, 44 atomic% ≤ a ≤ 60 atomic%, 1 atomic% ≤ b ≤ 20 atomic%, 36 atomic% ≤ c ≤ 44 atomic% and x is 0.34? X? 0.47.

본 명세서에서 "비정질"이라 함은 조성물의 구조가 100% 비정질임을 의미하는 것은 아니며, 전체적으로 비정질구조가 주를 이루어, X-Ray 회절패턴이 할로(halo)형태를 이루는 등의 당업계에 통상적으로 알려진 비정질상의 특성을 가지는 경우 이를 "비정질"이라 한다. 따라서 비정질 구조 내에 일부가 결정질로 존재할 수도 있으며, 이러한 결정질이 비정질 구조보다 많이 존재하여 비정질의 특성을 잃는 정도로 포함되는 것은 아니다.As used herein, "amorphous" does not mean that the composition of the composition is 100% amorphous, the amorphous structure as a whole, the X-Ray diffraction pattern is usually in the art such as halo (halo) form If it has a known amorphous phase, it is called "amorphous." Therefore, some of the crystalline structure may exist in the amorphous structure, and such crystalline is not included to the extent that the amorphous structure is present more than the amorphous structure.

일반적으로, 비정질 합금은 3 성분계 이상의 다성분계와 10% 이상의 큰 원자 반경차, 그리고 음의 혼합열을 가지는 원자들의 조합에 의해 우수한 비정질 형성능을 가질 수 있다는 경험칙이 알려져 있다.In general, the rule of thumb is that an amorphous alloy can have excellent amorphous forming ability by combining a multicomponent system of three or more components, a large atomic radius difference of 10% or more, and a negative mixed heat atom.

이러한 점에 착안하여 본 발명자들은 구리, 질코늄, 티타늄을 주성분으로 하고 여기에 니켈을 첨가함으로써 우선, 4성분으로 다성분계 조건을 만족시켰다. 또한 각 원소들에 대한 원자반경이 Cu (원자반경 = 1.27Å), Zr (원자반경 = 1.61Å), Ti (원자반경 = 1.45Å), Ni (원자반경 = 1.24Å)로 큰 원자반경 비를 가지며, 주성분인 Cu 와 Zr, Cu 와 Ti 간에는 각각 -23 kJ/mol, -17 kJ/mol, 그리고 Ni과 Zr, Ni과 Ti 간에는 각각 -49 kJ/mol, -35 kJ/mol 으로 큰 음의 혼합열을 가짐으로서 상기 경험칙을 잘 만족하고 있다. 이러한 이유로 상기 조성물은 진공 또는 아르곤 가스 분위기 중에서 아크에 의해 용해하여 얻은 후 흡입캐스팅법(suction casting)으로 구리몰드에 충전하여 일정한 벌크 형태의 비정질을 얻는 것이 가능하다. 물론, 상기 조성물을 진공 또는 아르곤 가스 분위기 중에서 고주파 유도가열에 의해 용해하여 얻은 후, 수냉식 구리몰드에 충전하여 일정한 벌크 형태로 성형하는 인젝션 캐스팅(injection casting)법으로 제조하는 것도 가능하다.With this in mind, the present inventors first satisfied copper, zirconium, and titanium with four components by first adding nickel to it. In addition, the atomic radius for each element is Cu (atomic radius = 1.27Å), Zr (atomic radius = 1.61Å), Ti (atomic radius = 1.45Å), and Ni (atomic radius = 1.24Å). -23 kJ / mol, -17 kJ / mol, and -49 kJ / mol and -35 kJ / mol, respectively, between Cu and Zr and Cu and Ti as main components Having the heat of mixing satisfies the above rule of thumb. For this reason, the composition can be obtained by dissolving by arc in a vacuum or argon gas atmosphere, and then filling the copper mold by suction casting to obtain a certain bulk amorphous. Of course, the composition may be prepared by injection casting, which is obtained by dissolving the composition by high frequency induction heating in a vacuum or argon gas atmosphere, and then filling the water-cooled copper mold into a predetermined bulk form.

본 발명에서 상기 합금 조성은 비정질 형성능의 향상 및 40℃ 이상의 큰 과냉각 액상 영역을 확보하기 위하여 전체 조성물에 대하여 Cu가 44-60 원자%, Zr+Ti가 36-44 원자%의 범위에 있는 것이 바람직하다. 한편, Ni의 첨가량은 전체 조성물에 대하여 1-20 원자%가 바람직한데, Ni을 첨가하지 않을 경우 충분한 비정질 형성능을 기대하기 어렵고, 20 원자%를 초과하는 경우에도 오히려 비정질 형성능이 감소하는 경향을 나타낸다. 또한 질코늄과 티타늄의 분율 x는 0.34 ≤ x ≤ 0.47의값을 갖는 경우 우수한 비정질 형성능을 나타내는 것으로 확인되었다.In the present invention, the alloy composition is preferably in the range of 44-60 atomic% of Cu and 36-44 atomic% of Zr + Ti with respect to the total composition in order to improve amorphous forming ability and to secure a large subcooled liquid region of 40 ° C or higher. Do. On the other hand, the addition amount of Ni is preferably 1-20 atomic% with respect to the whole composition, but it is difficult to expect sufficient amorphous forming ability when Ni is not added, and even when it exceeds 20 atomic%, the amorphous forming ability tends to decrease. . In addition, it was confirmed that the fraction x of the zirconium and titanium exhibits excellent amorphous forming ability when the value of 0.34 ≦ x ≦ 0.47.

본 발명에 의한 비정질 합금은 급속응고법, 금형캐스팅법, 고압캐스팅법, 아토마이징법 등에 의하여 제조할 수 있다.The amorphous alloy according to the present invention can be produced by a rapid solidification method, a die casting method, a high pressure casting method, an atomizing method and the like.

한편, 본 발명에 의한 비정질 합금은 고온 가공성이 우수하여 단조, 압연, 압출 혹은 그 외에 가공공정을 거쳐 제조할 수 있다.On the other hand, the amorphous alloy according to the present invention is excellent in high temperature workability and can be produced through forging, rolling, extrusion or other processing steps.

본 발명의 Cu기 벌크 비정질 합금조성물은 냉각속도 103℃/s 혹은 그보다 훨씬 낮은 냉각 속도 하에서 액상이 비정질로 완전히 응고되며, 유리전이온도(Tg)는 428-481℃이며, 결정화온도(Tx)는 475-522℃의 범위를 갖는다. 또한 비정질 형성능의 중요한 인자인 과냉각액상영역(ΔT = Tx-Tg)은 31-68℃로써 기존의 4원계 Cu기 비정질 합금에 비하여 매우 넓은 영역을 가지며 또한 우수한 비정질 형성능을 갖는다. 특히, 본 발명에 명시된 합금 조성물은 흡입캐스팅법에 의하여 최대 직경 6 mm의 벌크 비정질 합금의 제조가 가능하다.In the Cu-based bulk amorphous alloy composition of the present invention, the liquid phase is completely solidified to amorphous under a cooling rate of 10 3 ° C./s or much lower, and the glass transition temperature (Tg) is 428-481 ° C., and the crystallization temperature (Tx) Has a range of 475-522 ° C. In addition, the supercooled liquid phase region (ΔT = Tx-Tg), which is an important factor of the amorphous forming ability, is 31-68 ° C. and has a much wider area and excellent amorphous forming ability than the conventional quaternary Cu-based amorphous alloy. In particular, the alloy composition specified in the present invention enables the production of bulk amorphous alloys up to 6 mm in diameter by suction casting.

본 발명의 Cu기 벌크 비정질 합금 조성물중 직경 1mm 이상을 나타내는 합금 조성범위를 첨부한 도1의 삼원계 조성도에 나타내었다. 도1의 삼원계 조성도에 구리, 니켈, 질코늄+티타늄의 조성이 표시되어 있으며, 상기 화학식의 설명 부분에서 언급한 바와 같이 질코늄과 티타늄의 비는 0.66∼0.53 : 0.34∼0.47이다.In the Cu-based bulk amorphous alloy composition of the present invention, an alloy composition range showing a diameter of 1 mm or more is shown in the ternary composition diagram of FIG. 1. The composition of copper, nickel, zirconium + titanium is shown in the ternary composition diagram of FIG. 1, and as mentioned in the description of the chemical formula, the ratio of zirconium and titanium is 0.66 to 0.53: 0.34 to 0.47.

도1에 표시된 조성 영역에서는 103℃/s의 냉각속도에서 1mm 이상의 벌크 비정질이 형성되었으며, 과냉각 액상 영역이 31℃ 이상인 영역이다. 특히 ▧ 로 표시된 조성은 직경 4 mm이상의 비정질 형성이 가능하며, 이 때의 합금 조성은 상기화학식 1의 구조에 있어서, a, b, c, x 는 각각 48원자% ≤ a ≤ 55원자%, 6원자% ≤ b ≤10원자%, 39원자% ≤ c ≤ 43원자%, 0.39 ≤ x ≤ 0.46 이다. 또한, ▩ 로 표시된 조성은 직경 5∼6 mm 이상의 벌크 비정질 형성이 가능하며, 이 때의 합금 조성은 상기 화학식 1의 구조에 있어서, a, b, c, x 는 각각 50원자% ≤ a ≤ 54원자%, 6원자% ≤ b ≤8원자%, 40원자% ≤ c ≤ 43원자%, 0.39 ≤ x ≤ 0.46 이다.In the composition region shown in FIG. 1, a bulk amorphous phase of 1 mm or more was formed at a cooling rate of 10 3 ° C./s, and the supercooled liquid phase region was 31 ° C. or higher. Particularly, the composition represented by 가능 can form amorphous particles with a diameter of 4 mm or more. In this case, the alloy composition has the structure of Chemical Formula 1, wherein a, b, c, and x are 48 atomic% ≤ a ≤ 55 atomic%, 6 Atomic% ≦ b ≦ 10atomic%, 39 atomic% ≦ c ≦ 43atomic%, and 0.39 ≦ x ≦ 0.46. In addition, the composition denoted by 가능 can form a bulk amorphous with a diameter of 5 to 6 mm or more, and the alloy composition at this time is in the structure of Chemical Formula 1, wherein a, b, c, and x are 50 atomic% ≦ a ≦ 54 Atomic%, 6 atomic% ≦ b ≦ 8 atomic%, 40 atomic% ≦ c ≦ 43 atomic%, 0.39 ≦ x ≦ 0.46.

또한, 벌크 비정질의 압축파단강도(compressive fracture strength)는 1.9-2.2 GPa로 우수한 기계적 특성을 나타내었다.In addition, the compressive fracture strength of the bulk amorphous material was 1.9-2.2 GPa, indicating excellent mechanical properties.

본 발명의 Cu기 벌크 비정질 합금조성물은 기존의 4원계 벌크 비정질 합금 조성물보다 넓은 과냉각 액상 영역(ΔT)을 가지고 있고, 보다 우수한 비정질 형성능을 갖고 있다. 벌크 비정질의 제조방법은 멜트스피닝, 아토마이징 등의 급속응고법으로도 가능하며, 특히 본 발명에 따른 조성물은 고온 가공영역이 넓어 고온가공성이 용이하여 압연, 인발, 단조, 용탕단조 등의 가공공정을 거쳐 벌크 비정질 합금을 제조할 수 있다.The Cu-based bulk amorphous alloy composition of the present invention has a wider supercooled liquid phase region (ΔT) than the conventional quaternary bulk amorphous alloy composition, and has a superior amorphous forming ability. The bulk amorphous production method may be a rapid solidification method such as melt spinning, atomizing, and the like. In particular, the composition according to the present invention has a wide range of high temperature processing so that high temperature processing is easy, and thus, processing such as rolling, drawing, forging, molten forging, etc. Through bulk amorphous alloys can be produced.

이상으로부터, 본 발명에 의하면 31-68℃의 매우 큰 과냉각 액상영역을 얻는 것이 가능하여 우수한 가공성을 확보할 수 있기 때문에 캐스팅법에 의하여 판상, 봉상 혹은 기타 벌크 비정질 합금을 제조한 뒤 과냉각 액상영역에서 점성유동을 이용하여 특정 형태의 부품으로 용이하게 성형할 수 있다는 이점이 있다. 또한 본 발명의 Cu기 비정질 합금을 아토마이징법 의해 비정질 분말을 제조한 뒤 분말의 예비성형체를 과냉각 액상 영역의 고온에서 높은 압력을 가하여 비정질 구조를 그대로 유지하면서 벌크 비정질 부품으로 성형하는 것이 가능하다.In view of the above, according to the present invention, it is possible to obtain a very large supercooled liquid zone of 31-68 ° C. and to ensure excellent workability. Thus, a plate, rod, or other bulk amorphous alloy is produced by a casting method, and then in the supercooled liquid zone. Advantageously, the viscous flow can be easily formed into a specific type of part. In addition, it is possible to prepare the amorphous powder of the Cu-based amorphous alloy of the present invention by the atomizing method, and then to preform the powder into a bulk amorphous component while maintaining the amorphous structure by applying a high pressure at a high temperature in the supercooled liquid region.

본 발명자들은 본 발명에 따른 비정질 합금 조성물에 있어서의 합금 조성물 내에 일정한 비율의 결정질이 포함될 수 있음을 알게 되었다. 본 발명자들의 연구 결과, 본 발명에 따라 제조된 비정질 합금 조성물에 1∼10 나노 단위의 결정질이 균일하게 분포되어 있는 경우, 전체적으로는 비정질의 특성을 유지하고 있으나, 기계적 강도 등에 있어서, 100% 비정질인 것보다 우수한 특성을 가지게 된다는 것을 알게 되었다. 본 발명에 따른 비정질 합금 조성물에 있어서, 균일하게 분포되는 결정질이 차지하는 비율은 10중량%(전체 합금 조성물 중량을 기준으로)를 넘지 않는 것이 바람직하다. 예를 들어, 결정상이 비정질 기지와 정합을 이루지 않으면서 취약한 특성을 나타내는 금속간 화합물인 경우, 이러한 결정상이 많아지게 되면 강도나 인성을 저하시킬 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 Cu기 비정질 합금 조성물 내의 비정질상은 90%이상이 바람직하다. 이하, 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 상세히 설명하고자 한다. 다만 본 발명이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.The inventors have found that a certain proportion of crystalline can be included in the alloy composition in the amorphous alloy composition according to the present invention. As a result of the researches of the present inventors, when the crystallites of 1 to 10 nano units are uniformly distributed in the amorphous alloy composition prepared according to the present invention, the overall characteristics of the amorphous properties are maintained, but the mechanical strength is 100% amorphous. It turns out that it has better properties than that. In the amorphous alloy composition according to the present invention, it is preferable that the proportion of uniformly distributed crystals does not exceed 10% by weight (based on the total weight of the alloy composition). For example, when the crystal phase is an intermetallic compound exhibiting fragile characteristics without being matched with an amorphous matrix, when the crystal phase increases, the strength and toughness may be reduced. Therefore, the amorphous phase in the Cu-based amorphous alloy composition according to the present invention is preferably 90% or more. Hereinafter, the present invention will be described in detail based on the following examples. However, the present invention is not limited by the following examples.

실시예 1-23: 캐스팅법에 의하여 제조된 합금조성물Example 1-23: Alloy Composition Prepared by Casting Method

우선 표 1에 주어진 각 조성의 합금을 아크용해법에 의하여 용해한 후, 흡입캐스팅법에 의하여 직경 1 mm 이상, 길이 10∼50 mm 의 봉상으로 제작하였다. 이와 같이 제작된 시편을 X-선 회절 분석결과 할로(halo)형태의 회절 피크를 나타냄에 따라 비정질 특성을 가짐을 확인하였다. 첨부한 도 2에 캐스팅법에 의하여 제조된 Cu54Ni6Zr22Ti18(표 1에서의 시료 5)의 회절 패턴 결과를 나타내었다.First, the alloy of each composition given in Table 1 was melt | dissolved by the arc melting method, and it produced by the suction casting method into the rod shape of 1-50 mm in diameter and 10-50 mm in length. As a result of the X-ray diffraction analysis of the specimen thus prepared, it was confirmed that the specimen had an amorphous characteristic as showing a halo-type diffraction peak. 2 shows the diffraction pattern results of Cu 54 Ni 6 Zr 22 Ti 18 (Sample 5 in Table 1) prepared by the casting method.

또한 시차열분석을 통하여 유리전이온도(Tg), 결정화온도(Tx), 결정화시 발생되는 발열 엔탈피의 양을 측정하여 표 1에 나타내었다. 또한 유리전이온도(Tg)와 결정화온도(Tx)에 의하여 과냉각 액상 영역(ΔT = Tx-Tg)을 결정하여 나타내었다.In addition, the glass transition temperature (Tg), crystallization temperature (Tx), and the amount of exothermic enthalpy generated during crystallization were measured through differential thermal analysis, and are shown in Table 1. In addition, the supercooled liquid phase region (ΔT = Tx-Tg) was determined by the glass transition temperature (Tg) and the crystallization temperature (Tx).

일반적으로 과냉각 액상 영역이 클수록 비정질 합금의 점성 유동을 이용한 고온성형이 더 용이함으로 본 발명의 조성 중 60℃ 과냉각 액상 영역을 갖는 합금조성물은 벌크 비정질 구조용 부품의 성형 및 제조 관점에서 주목할 필요가 있다.In general, the larger the supercooled liquid region, the easier the high temperature molding using the viscous flow of the amorphous alloy. In the composition of the present invention, an alloy composition having a 60 ° C supercooled liquid region needs to be noted from the viewpoint of forming and manufacturing the bulk amorphous structural component.

실시예Example 합금조성Alloy composition Tg(℃)T g (℃) Tx(℃)Tx (℃) ΔT(℃)ΔT (℃) ΔH(J/g)ΔH (J / g) 1One Cu55Ni6Zr21Ti18 Cu 55 Ni 6 Zr 21 Ti 18 437437 496496 5959 67.067.0 22 Cu55Ni6Zr23Ti16 Cu 55 Ni 6 Zr 23 Ti 16 444444 502502 5858 64.964.9 33 Cu54Ni7Zr22Ti17 Cu 54 Ni 7 Zr 22 Ti 17 442442 502502 6060 66.466.4 44 Cu52Ni9Zr22Ti17 Cu 52 Ni 9 Zr 22 Ti 17 443443 505505 6262 63.363.3 55 Cu54Ni6Zr22Ti18 Cu 54 Ni 6 Zr 22 Ti 18 439439 496496 5757 60.860.8 66 Cu54Ni6Zr24Ti16 Cu 54 Ni 6 Zr 24 Ti 16 444444 503503 5959 67.567.5 77 Cu53Ni7Zr22Ti18 Cu 53 Ni 7 Zr 22 Ti 18 440440 500500 6060 66.566.5 88 Cu52Ni8Zr23Ti17 Cu 52 Ni 8 Zr 23 Ti 17 441441 506506 6565 56.656.6 99 Cu51Ni9Zr22Ti18 Cu 51 Ni 9 Zr 22 Ti 18 439439 502502 6363 62.962.9 1010 Cu50Ni10Zr22Ti18 Cu 50 Ni 10 Zr 22 Ti 18 442442 507507 6565 67.167.1 1111 Cu52Ni7Zr25Ti16 Cu 52 Ni 7 Zr 25 Ti 16 440440 494494 5454 61.961.9 1212 Cu51Ni8Zr23Ti18 Cu 51 Ni 8 Zr 23 Ti 18 442442 501501 5959 61.161.1 1313 Cu50Ni9Zr24Ti17 Cu 50 Ni 9 Zr 24 Ti 17 438438 498498 6060 57.157.1 1414 Cu51Ni7Zr23Ti19 Cu 51 Ni 7 Zr 23 Ti 19 435435 485485 5050 58.058.0 1515 Cu50Ni7Zr24Ti19 Cu 50 Ni 7 Zr 24 Ti 19 431431 475475 4444 58.758.7 1616 Cu48Ni9Zr23Ti20 Cu 48 Ni 9 Zr 23 Ti 20 428428 477477 4949 53.353.3 1717 Cu51Ni6Zr24Ti19 Cu 51 Ni 6 Zr 24 Ti 19 437437 470470 3333 59.459.4 1818 Cu44Ni20Zr23Ti13 Cu 44 Ni 20 Zr 23 Ti 13 481481 522522 4141 48.148.1 1919 Cu44Ni12Zr25Ti19 Cu 44 Ni 12 Zr 25 Ti 19 444444 484484 4040 57.457.4 2020 Cu55Ni1Zr25Ti19 Cu 55 Ni 1 Zr 25 Ti 19 430430 462462 3232 47.547.5 2121 Cu60Ni1Zr23Ti16 Cu 60 Ni 1 Zr 23 Ti 16 451451 487487 3636 38.938.9 2222 Cu60Ni4Zr23Ti13 Cu 60 Ni 4 Zr 23 Ti 13 467467 498498 3131 41.241.2 2323 Cu55Ni9Zr23Ti13 Cu 55 Ni 9 Zr 23 Ti 13 472472 506506 3434 59.759.7

제조된 합금 조성물 중 일부를 압축강도 테스트하여 그 결과를 나타내었다.각 조성의 임계직경을 함께 나타내었다. 파단강도는 1.9GPa-2.2GPa로 우수한 특성을 나타내었으며, 임계직경은 1∼6mm 로 우수한 비정질 형성능을 나타내었다. 특히 Cu54Ni6Zr22Ti18은 임계직경 6mm, 과냉각액상영역 57℃, 압축강도 2.1GPa로 구조용 재료로써 주목할 필요가 있다.Some of the prepared alloy compositions were tested for compressive strength and the results are shown. The critical diameter of each composition is shown together. The breaking strength was 1.9GPa-2.2GPa, and the critical diameter was 1 ~ 6mm. In particular, Cu 54 Ni 6 Zr 22 Ti 18 has to be noted as a structural material with a critical diameter of 6 mm, a supercooled liquid region of 57 ° C, and a compressive strength of 2.1 GPa.

실시예Example 합금조성Alloy composition 파단강도(MPa)Breaking strength (MPa) 임계직경(mm)Critical diameter (mm) 1One Cu55Ni6Zr21Ti18 Cu 55 Ni 6 Zr 21 Ti 18 2,0802,080 44 22 Cu55Ni6Zr23Ti16 Cu 55 Ni 6 Zr 23 Ti 16 1,9901,990 44 33 Cu54Ni7Zr22Ti17 Cu 54 Ni 7 Zr 22 Ti 17 2,1002,100 44 44 Cu52Ni9Zr22Ti17 Cu 52 Ni 9 Zr 22 Ti 17 2,0402,040 44 55 Cu54Ni6Zr22Ti18 Cu 54 Ni 6 Zr 22 Ti 18 2,1302,130 66 66 Cu54Ni6Zr24Ti16 Cu 54 Ni 6 Zr 24 Ti 16 2,0402,040 55 77 Cu53Ni7Zr22Ti18 Cu 53 Ni 7 Zr 22 Ti 18 2,0002,000 55 88 Cu52Ni8Zr23Ti17 Cu 52 Ni 8 Zr 23 Ti 17 2,0702,070 55 99 Cu51Ni9Zr22Ti18 Cu 51 Ni 9 Zr 22 Ti 18 2,0302,030 44 1010 Cu50Ni10Zr22Ti18 Cu 50 Ni 10 Zr 22 Ti 18 2,0802,080 44 1111 Cu52Ni7Zr25Ti16 Cu 52 Ni 7 Zr 25 Ti 16 2,0402,040 55 1212 Cu51Ni8Zr23Ti18 Cu 51 Ni 8 Zr 23 Ti 18 2,0202,020 55 1313 Cu50Ni9Zr24Ti17 Cu 50 Ni 9 Zr 24 Ti 17 2,0802,080 44 1414 Cu51Ni7Zr23Ti19 Cu 51 Ni 7 Zr 23 Ti 19 2,2002,200 55 1515 Cu50Ni7Zr24Ti19 Cu 50 Ni 7 Zr 24 Ti 19 2,1402,140 55 1616 Cu48Ni9Zr23Ti20 Cu 48 Ni 9 Zr 23 Ti 20 1,9901,990 44 1717 Cu51Ni6Zr24Ti19 Cu 51 Ni 6 Zr 24 Ti 19 2,1002,100 44 1818 Cu44Ni20Zr23Ti13 Cu 44 Ni 20 Zr 23 Ti 13 2,1202,120 1One 1919 Cu44Ni12Zr25Ti19 Cu 44 Ni 12 Zr 25 Ti 19 2,0002,000 1One 2020 Cu55Ni1Zr25Ti19 Cu 55 Ni 1 Zr 25 Ti 19 2,0202,020 22 2121 Cu60Ni1Zr23Ti16 Cu 60 Ni 1 Zr 23 Ti 16 2,1502,150 1One 2222 Cu60Ni4Zr23Ti13 Cu 60 Ni 4 Zr 23 Ti 13 2,0602,060 1One 2323 Cu55Ni9Zr23Ti13 Cu 55 Ni 9 Zr 23 Ti 13 2,0402,040 1One

실시예 24 ∼ 47: 멜트스피닝법에 의하여 제조된 합금 조성물Examples 24 to 47: Alloy composition prepared by the melt spinning method

표 3에 주어진 각 조성의 합금을 아크용해법에 의하여 버튼 제작 후, 진공고주파 유도로에서 석영 튜브로 용해한 뒤 지름 약 1mm의 노즐을 통하여 약 3000rpm으로 회전하는 구리 휠에 분사하여 두께가 약 60㎛인 리본을 제작하였다. 이러한 멜트스피닝법으로 제작된 시료를 X-선 회절 분석결과 할로(halo)형태의 회절 피크를 나타냄에 따라 비정질 특성을 가짐을 확인하였다. 또한 시차열분석을 통하여 유리전이온도(Tg), 결정화온도(Tx), 결정화시 발생되는 발열 엔탈피의 양을 측정하여 나타내었으며, 과냉각액상영역을 유리전이온도(Tg)와 결정화온도(Tx)에 의하여 결정하여 나타내었다.After the alloys of each composition given in Table 3 were fabricated by the arc melting method, they were dissolved in a quartz tube in a vacuum high frequency induction furnace, and then sprayed on a copper wheel rotating at about 3000 rpm through a nozzle of about 1 mm in diameter to a thickness of about 60 μm. Ribbon was produced. As a result of X-ray diffraction analysis, the sample prepared by the melt spinning method showed an amorphous characteristic as showing a diffraction peak in the form of halo. Also, the differential thermal analysis was used to measure the glass transition temperature (Tg), crystallization temperature (Tx), and the amount of exothermic enthalpy generated during crystallization.The supercooled liquid phase region was measured at the glass transition temperature (Tg) and crystallization temperature (Tx). Determined and shown.

실시예Example 합금조성Alloy composition Tg(℃)T g (℃) Tx(℃)Tx (℃) ΔTΔT ΔH(J/g)ΔH (J / g) 2424 Cu55Ni6Zr21Ti18 Cu 55 Ni 6 Zr 21 Ti 18 455455 502502 4747 70.270.2 2525 Cu55Ni6Zr23Ti16 Cu 55 Ni 6 Zr 23 Ti 16 465465 509509 4444 67.067.0 2626 Cu54Ni7Zr22Ti17 Cu 54 Ni 7 Zr 22 Ti 17 466466 509509 4343 93.193.1 2727 Cu52Ni9Zr22Ti17 Cu 52 Ni 9 Zr 22 Ti 17 458458 508508 5050 72.072.0 2828 Cu50Ni11Zr21Ti18 Cu 50 Ni 11 Zr 21 Ti 18 459459 512512 5353 95.095.0 2929 Cu50Ni11Zr23Ti16 Cu 50 Ni 11 Zr 23 Ti 16 465465 518518 5353 92.292.2 3030 Cu54Ni6Zr22Ti18 Cu 54 Ni 6 Zr 22 Ti 18 458458 505505 4747 65.665.6 3131 Cu54Ni6Zr24Ti16 Cu 54 Ni 6 Zr 24 Ti 16 461461 509509 4848 69.569.5 3232 Cu53Ni7Zr22Ti18 Cu 53 Ni 7 Zr 22 Ti 18 468468 512512 4444 62.462.4 3333 Cu52Ni8Zr23Ti17 Cu 52 Ni 8 Zr 23 Ti 17 457457 506506 4949 72.672.6 3434 Cu51Ni9Zr22Ti18 Cu 51 Ni 9 Zr 22 Ti 18 465465 513513 4848 66.666.6 3535 Cu50Ni10Zr22Ti18 Cu 50 Ni 10 Zr 22 Ti 18 454454 512512 5858 67.367.3 3636 Cu47Ni13Zr24Ti16 Cu 47 Ni 13 Zr 24 Ti 16 460460 519519 5959 84.684.6 3737 Cu47Ni13Zr22Ti18 Cu 47 Ni 13 Zr 22 Ti 18 459459 518518 5959 84.184.1 3838 Cu52Ni7Zr25Ti16 Cu 52 Ni 7 Zr 25 Ti 16 467467 515515 4848 66.566.5 3939 Cu51Ni8Zr23Ti18 Cu 51 Ni 8 Zr 23 Ti 18 457457 512512 5555 66.866.8 4040 Cu50Ni9Zr24Ti17 Cu 50 Ni 9 Zr 24 Ti 17 455455 508508 5353 67.867.8 4141 Cu51Ni7Zr23Ti19 Cu 51 Ni 7 Zr 23 Ti 19 424424 479479 5555 64.964.9 4242 Cu50Ni7Zr24Ti19 Cu 50 Ni 7 Zr 24 Ti 19 461461 506506 4545 60.960.9 4343 Cu51Ni6Zr23Ti20 Cu 51 Ni 6 Zr 23 Ti 20 453453 496496 4343 67.167.1 4444 Cu51Ni6Zr26Ti17 Cu 51 Ni 6 Zr 26 Ti 17 452452 498498 4646 62.962.9 4545 Cu48Ni9Zr23Ti20 Cu 48 Ni 9 Zr 23 Ti 20 466466 512512 4848 59.759.7 4646 Cu48Ni9Zr26Ti17 Cu 48 Ni 9 Zr 26 Ti 17 464464 510510 4646 61.861.8 4747 Cu45Ni15Zr22Ti18 Cu 45 Ni 15 Zr 22 Ti 18 458458 526526 6868 57.057.0

캐스팅법에 의하여 제조된 Cu54Ni6Zr22Ti18합금 조성물의 경우에 결정질이 10중량% 정도 함유되어 있는 것을 하기와 같이 확인하였다.In the case of the Cu 54 Ni 6 Zr 22 Ti 18 alloy composition prepared by the casting method, it was confirmed that the crystalline content was contained in about 10% by weight as follows.

실시예 5와 실시예 30은 제조방법이 각각 캐스팅법과 멜트스피닝법이며, 합금조성은 Cu54Ni6Zr22Ti18로 동일하다. 멜트스피닝법과 같은 급속응고법을 사용한 경우에는 거의 100% 비정질상이 형성되는 것으로 알려져 있다. 따라서 멜트스피닝법에 따른 실시예 30을 100% 비정질로 정하고, 이를 기준으로 캐스팅법에 의하여 제조된 실시예 5의 발열 엔탈피 비교한 결과, 실시예 5의 경우 발열엔탈피가 약 90%정도로, 실시예 5의 합금 조성물 내에 약 10중량%정도의 결정질이 포함되어 있는 것으로 추론할 수 있다.In Example 5 and Example 30, the production method is a casting method and a melt spinning method, respectively, and the alloy composition is the same as Cu 54 Ni 6 Zr 22 Ti 18 . It is known that almost 100% amorphous phase is formed when rapid solidification method such as melt spinning method is used. Therefore, Example 30 according to the melt spinning method is set to 100% amorphous, and as a result of comparing the exothermic enthalpy of Example 5 prepared by the casting method, the exothermic enthalpy of Example 5 is about 90%, Example It can be inferred that about 10% by weight of the crystalline is contained in the alloy composition of 5.

이렇게 캐스팅법으로 제조된 실시예 5의 Cu54Ni6Zr22Ti18의 X-Ray 회절 패턴과 고분해능 투과전자현미경(HRTEM) 사진을 첨부한 도 2 및 도 3에 각각 나타내었다. 도 2에 나타난 X-Ray 회절패턴에서, 본 발명에 따라 제조된 합금조성물이 전체적으로 비정질의 특성을 나타냄을 알 수 있으나, 이 결과만으로 100%비정질 구조라고 판단할 수는 없다. 도 3의 고분해능 TEM 사진에 의하여 실시예 5의 합금 조성물을 좀 더 고분해능으로 살펴본 결과, 전체적으로 비정질상을 나타내고 있으나, 그 구조의 내부에 약 3nm 정도 크기의 결정질이 나타남을 확인할 수 있다.The X-ray diffraction pattern and the high-resolution transmission electron microscope (HRTEM) photograph of Cu 54 Ni 6 Zr 22 Ti 18 of Example 5 prepared by the casting method are shown in FIGS. 2 and 3, respectively. In the X-Ray diffraction pattern shown in Figure 2, it can be seen that the alloy composition prepared in accordance with the present invention exhibits the overall amorphous characteristics, but this alone can not be determined to be 100% amorphous structure. As a result of examining the alloy composition of Example 5 with a higher resolution by the high resolution TEM photograph of FIG. 3, it can be seen that the crystal phase of about 3 nm is shown inside the structure.

실시예 5에 따른 합금조성물 Cu54Ni6Zr22Ti18의 압축실험 결과 그래프를 도 4에 첨부하였다. 압축실험은 1축압축변형율(Uniaxial Compression strain rate)을 1x10-4/s 로 하여 실험하였으며, 총 변형률(total strain)은 3.3%, 연신율(plastic elongation)은 1.5%, 파단강도(fracture strength)는 2.1GPa로 나타났다. 결정질이 함유된 Cu기 비정질 합금 조성물은 100% 비정질인 조성에 비하여 높은 기계적 강도와 더불어 우수한 연신율을 가짐으로서 보다 넓은 영역의 응용 및 제품으로서의 적용이 가능하다.Compression test result graph of the alloy composition Cu 54 Ni 6 Zr 22 Ti 18 according to Example 5 is attached to FIG. Compression experiments were carried out with a uniaxial compression strain rate of 1x10 -4 / s, total strain was 3.3%, plastic elongation was 1.5%, and fracture strength was 2.1 GPa. The Cu-based amorphous alloy composition containing crystalline has high mechanical strength and excellent elongation compared to a composition which is 100% amorphous, and thus can be applied to a wider range of applications and products.

전술한 바와 같이 본 발명에 의한 Cu기 비정질 합금조성물은, 4원계로써 1 mm의 크기 혹은 그 이상의 크기를 갖는 벌크 비정질 제작이 가능하며, 과냉각 액상 영역이 최대 68Δ로 고온성형공정이 기존의 비정질 합금 조성물에 비해 용이하다. 특히, 비정질 합금 조성물 내에 나노(nano) 크기의 결정질이 고루 분포되어 있는 Cu54Ni6Zr22Ti18의 경우, 전체적인 비정질의 특성을 유지하면서 연신율이 향상된 벌크비정질 합금을 제조할 수 있고, 고강도 및 고인성이 요구되는 다양한 제품으로의 응용이 가능하다.As described above, the Cu-based amorphous alloy composition according to the present invention can be fabricated as a bulk amorphous having a size of 1 mm or more as a quaternary system, and the super-cooled liquid region has a high temperature forming process of up to 68Δ. It is easy compared to the composition. Particularly, in the case of Cu 54 Ni 6 Zr 22 Ti 18 in which nano size crystals are evenly distributed in the amorphous alloy composition, a bulk amorphous alloy with improved elongation can be prepared while maintaining overall amorphous characteristics, and high strength and It can be applied to various products requiring high toughness.

Claims (7)

하기 화학식 1Formula 1 (화학식 1)(Formula 1) CuaNib(Zr1-xTx)c Cu a Ni b (Zr 1-x T x ) c (여기서 a, b, c 는 각각 44원자% ≤ a ≤ 60원자%, 1원자% ≤ b ≤ 20원자%, 36원자% ≤ c ≤ 44원자%, x는 0.34 ≤ x ≤ 0.47임)로 표기되는Where a, b and c are 44 atomic% ≤ a ≤ 60 atomic%, 1 atomic% ≤ b ≤ 20 atomic%, 36 atomic% ≤ c ≤ 44 atomic%, and x is 0.34 ≤ x ≤ 0.47 felled Cu기 비정질 합금조성물.Cu-based amorphous alloy composition. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 합금 조성물의 비정질 형성능은 직경 1mm 이상인 것을 특징으로 하는Amorphous forming ability of the alloy composition is characterized in that 1mm or more in diameter Cu기 비정질 합금조성물.Cu-based amorphous alloy composition. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 화학식 1에 있어서의 a,b,c,x 가 각각 48원자% ≤ a ≤ 55원자%, 6원자% ≤ b ≤ 10원자%, 39원자% ≤ c ≤ 43원자%, 0.39 ≤ x ≤ 0.46인 것을 특징으로 하는A, b, c, x in Formula 1 is 48 atomic% ≤ a ≤ 55 atomic%, 6 atomic% ≤ b ≤ 10 atomic%, 39 atomic% ≤ c ≤ 43 atomic%, 0.39 ≤ x ≤ 0.46 Characterized by Cu기 비정질 합금조성물.Cu-based amorphous alloy composition. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 합금 조성물의 비정질 형성능은 직경 4mm 이상인 것을 특징으로 하는The amorphous forming ability of the alloy composition is characterized in that the diameter of 4mm or more. Cu기 비정질 합금조성물.Cu-based amorphous alloy composition. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 조성물 내의 비정질 상은 조성물 전체의 중량을 기준으로 90중량%이상인 것을 특징으로 하는The amorphous phase in the composition is characterized in that at least 90% by weight based on the total weight of the composition Cu기 비정질 합금조성물.Cu-based amorphous alloy composition. Cu기 비정질 합금조성물로서, 하기 화학식 1Cu-based amorphous alloy composition, the formula (화학식 1)(Formula 1) CuaNib(Zr1-xTix)c Cu a Ni b (Zr 1-x Ti x ) c (여기서 a, b, c 는 각각 44원자% ≤ a ≤ 60원자%, 1원자% ≤ b ≤ 20원 자%, 36원자% ≤ c ≤ 44원자%, x는 0.34 ≤ x ≤ 0.47임)로 표기되며,Where a, b and c are 44 atomic% ≤ a ≤ 60 atomic%, 1 atomic% ≤ b ≤ 20 atomic%, 36 atomic% ≤ c ≤ 44 atomic%, and x is 0.34 ≤ x ≤ 0.47, respectively. Notation, 상기 조성물 내에 결정질 구조가 10중량% 이하로 함유되어 있는10 wt% or less of the crystalline structure contained in the composition Cu기 비정질 합금조성물.Cu-based amorphous alloy composition. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 결정질은 1-10nm 의 크기로 조성물 내에 균일하게 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 Cu기 비정질 합금조성물.The crystalline Cu-based amorphous alloy composition, characterized in that uniformly distributed in the composition in the size of 1-10nm.
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CN106975747A (en) * 2017-04-10 2017-07-25 大连交通大学 The high-throughput screening method of amorphous alloy component

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