KR20100127594A - 나노 산화물 분산강화 합금 제조방법 및 이에 의해 제조된 나노 산화물 분산강화 합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노 산화물 분산 강화 합금 제조방법 및 이에 의해 제조된 나노산화물 분산 강화 합금에 관한 것으로, 더 상세하게는 산화물이 형성될 산화 대상 금속인 Al, Ti, Zr, Y을 합금의 기지 금속 용해 단계에서 첨가하고 이를 성형 한 후 성형물의 열처리 과정에서 산소를 투입시켜 투입되는 산소와 성형물 기지 내의 산화 대상 금속이 결합하는 원자적 규모의 미세한 산화물이 형성되도록 함으로써 공정 단순화와 제조비용을 절감시킬 수 있는 나노 산화물 분산강화 합금 제조 방법 및 이에 의해 제조된 나노 산화물 분산 강화 합금에 관한 것이다.

본 발명의 나노 산화물 분산 강화 합금 제조방법은 기지 금속과 산화물 형성 금속을 혼합하여 제조하는 나노 산화물 분산 강화 합금 제조 방법에 있어서, 기지 금속과 산화물 형성 금속을 함께 혼합하여 용융하는 용융 합금 형성 단계와; 상기 형성된 용융 합금을 최종 형상으로 성형하는 합금 성형 단계와; 상기 단계의 합금 성형물을 금속원소의 용융점보다 낮은 온도에서 열처리하면서 산소를 공급해 합금 성형물 내부로 산소를 침투시켜 산화물을 형성하는 산화물 형성 단계;를 포함하여 이루어진다.

산화물 분산강화 합금, ODS, 산소침투, 나노산화물, 열처리

Description

나노 산화물 분산강화 합금 제조방법 및 이에 의해 제조된 나노 산화물 분산강화 합금{MANUFACTURING METHOD OF NANO OXIDE DISPERSION STRENGTHENER ALLOY AND NANO OXIDE DISPERSION STRENGTHENED ALLOYS PREPARED BY THE SAME}

본 발명은 나노 산화물 분산 강화 합금 제조 방법 및 이에 의해 제조된 나노 산화물 분산 강화 합금에 관한 것으로, 더 상세하게는 산화물이 형성될 산화 대상 금속인 Al, Ti, Zr, Y을 합금의 기지 금속 용해 단계에서 첨가하고 이를 성형 한 후 성형물의 열처리 과정에서 산소를 투입시켜 투입되는 산소와 성형물 기지 내의 산화 대상 금속이 결합하는 원자적 규모의 미세한 산화물이 형성되도록 함으로써 공정 단순화와 제조 비용을 절감시킬 수 있는 나노 산화물 분산 강화 합금 제조 방법 및 이에 의해 제조된 나노 산화물 분산 강화 합금에 관한 것이다.

산업이 발전하고 이에 따라 기계부품에 있어서 요구되는 각종 물리적 및 기계적 특성의 수준이 높아짐에 따라 고온 고강도 소재 개발을 위한 이종 재료의 복합화에 따른 합금 강화방 법에 대한 연구가 지속적으로 이루어져 오고 있다.

상기 합금을 강화시키는 방법에는 고용 강화, 석출 강화, 변형 강화 등의 방법이 있으며, 상기 고용 강화는 합금의 제조 과정에서 합금의 조성을 적절히 선택하고 용해함으로써 완성된다. 또한, 상기 석출 강화는 재료에 대한 열적 처리를 통하여 강도가 높은 상으로 변태시키거나 특정한 석출물을 석출시키는 것이다. 다음으로 상기 변형 경화는 가공 경화라고도 불리며, 변형에 의하여 재료 내부에 형성된 전위 밀도의 증가에 의하여 재료의 변형이 어려워지도록 하는 것이다. 이들의 공통적인 원리는 합금의 변형에서 작용하는 전위의 움직임을 억제시키는 것이다. 이들 강화 방법은 재료의 내부적인 변화를 유발시키는 것이므로 재료의 온도에 따라 작용 기구가 사라지거나 그 효과가 크게 변화한다.

아울러 산화물을 기지 내에 분산시키는 산화물 분산 강화(oxide dispersion strengthened, ODS) 방법은 고온에서 특히 유용한 방법으로 알려져 있다. 이는 산화물이 상대적으로 고온까지도 안정하여 분산 강화 효과를 나타내기 때문이다. 이러한 ODS 합금은 고온에서도 높은 강도를 유지하고 있어 유용하게 사용될 수 있지만 연성이 낮아짐으로 열간 성형이 어려운 단점을 내재하고 있다.

이러한 종래의 ODS 합금 제조 방법을 도 2를 참조한 바와 같이 합금의 기지 가 되는 금속 분말에 투입하고자 하는 산화물을 투입하는 혼합단계, 혼합물을 기계적으로 합금하는 기계적 합금화(mechanical alloying, MA) 단계, 탈기(degassing) 단계, 고온 소결(sintering)단계, 고온 HIP(HIP; Hot Isostatic Pressing) 성형단계, 열간 및 냉각 성형 단계 및 열처리 단계 등 복잡한 과정으로 제조된다. 이러한 제조 공정은 매우 복잡하여 제조 시간이 길며, 원료로써 고단가의 금속 분말을 사용하기 때문에 제조 원가가 높아지는 단점이 있다.

하지만 상기 ODS 방법은 동일한 온도에서는 강도를 100%까지 향상시키거나 동일한 강도를 유지하는 온도를 300 ~ 500℃ 상승시킬 수 있어서 기존의 용해 및 열처리 방법으로 제조하는 합금에서는 도달할 수 없는 고온의 부품 소재를 제조하는 데는 매우 유용한 기술이다.

한편, 분산 강화는 합금 내에 분산되는 산화물이나 분산물의 분포에 따라 물성이 달라지는데, 분산되는 산화물의 크기, 산화물의 양, 산화물의 분포 상태에 따라서 크게 영향을 받는다. 예컨대 상술한 바와 같이 분말을 이용해 기존 방법으로 제조되는 ODS합금의 물성은 상대적으로 불균일하기 때문에 일반적으로 시험편 채취 부위마다 물성의 차이가 크게 나타나는 단점이 있다. 상기 산화물을 균일하게 분포시키기 위해서 용해합금과 같이 기지 금속물질의 용해단계에서 산화물을 혼합하는 방법도 적용할 수 있으나 이러한 경우에는 산화물이 용해물의 상층으로 부유됨으로 균일한 혼합이 이루어지지 않는다.

미국특허등록 US 05989491호(1999.11.23등록)의 "Oxide dispersion strengthened heat resisting powder metallurgy alloy and process for producing the same"에서는 지르코늄, 이트륨, 세륨, 란타늄과 같은 희토류 금속을 산화물 형성제로 하여 용융합금에 미리 첨가하는 방법을 제시하였다.

그러나, 상기 건에서는 산화물 형성제를 기지 합금과 같이 용융하여 균일하게 분포되도록 하지만, 용융 합금에 가스를 분사하여 분말화하고 있다. 즉, 용융 합금의 가스 분사 단계에서 산소함량이 최대 5.0% 포함하는 아르곤 또는 질소 가스를 atomizing 가스로 하여 합금 분말을 만들고, 일정 크기 미만의 합금 분말을 걸러낸 후 이를 토대로 롤링 단조, HIP 또는 열간 압출에 의한 합금 분말을 성형하는 것이다.

따라서, 상기 건은 용융에 의해 산화물 형성제를 균일하게 분포시켰지만 결과적으로는 atomizing 단계를 통해 분말 합금을 제조하는 것이므로, 부품을 생산하기 위해서는 이를 다시 용융하여 성형해야 되는 등 공정이 매우 복잡하다.

그러므로, 산화물을 균일하게 분포시켜 기존 합금보다 고온에서도 고강도를 유지할 수 있도록 하고, 제조공정을 단순화할 수 있는 ODS합금에 대한 연구가 필요하다.

이러한 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은,

산화물 분산 강화 합금 합금을 제조하는 방법에 있어 Al, Ti, Zr, Y을 용해 단계에서 첨가하여 합금을 제조하고 성형한 후 열처리 과정에서 산소를 공급하여 재료 내부의 고체 확산으로 Al₂O₃, TiO₂, Y₂O₃, ZrO₂ 산화물을 형성시킴으로써 기지 내에 원자적 규모의 미세한 산화물이 형성되도록 하는 것이다. 즉, Al, Ti, Zr, Y 을 포함한 합금은 다른 용해 합금과 유사한 강도나 변형 거동을 보일 것이므로 복잡한 형상의 부품을 생산하는 단계에서는 보통의 합금과 같이 거동하여 성형 가공이 용이하도록 하고, 후속 처리 과정에서 산소의 확산을 이용한 산화물이 형성되도록 하는 등 제조 공정을 단축시킨 산화물 분산 강화 합금 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해소하기 위한 본 발명의 나노 산화물 분산 강화 합금 제조방법은,

기지금속과 산화물 형성 금속을 혼합하여 제조하는 나노 산화물 분산 강화 합금 제조방법에 있어서, 기지금속과 산화물 형성 금속을 함께 혼합하여 용융하는 용융 합금 형성 단계와; 상기 형성된 용융 합금을 최종 형상으로 성형하는 합금 성형 단계와; 상기 단계의 합금 성형물을 열처리 과정에서 금속 원소의 용융점보다 낮은 온도에서 열처리하면서 산소를 공급해 합금 성형물 내부로 산소를 침투시켜 산화물을 형성하는 산화물 형성 단계;를 포함하여 이루어진다.

또한, 본 발명의 나노산화물 분산 강화 합금은 상기 제조 방법에 의해 제조된다.

이상에서 상세히 기술한 바와 같이 본 발명의 나노 산화물 분산강화 합금 제조 방법 및 이에 의해 제조된 나노산화물 분산강화 합금은,

산화물이 형성될 산화 대상 금속인 Al, Ti, Zr, Y을 합금의 기지 금속 용해 단계에서 첨가하고 이를 성형 한 후 성형물의 열처리 과정에서 산소를 투입시켜 투입되는 산소와 성형물 기지 내의 산화 대상 금속이 결합하는 원자적 규모의 미세한 산화물이 형성되도록 한 것이다.

따라서, 고가의 금속 분말을 사용하지 않고 금속 괴 원소를 사용할 수 있으므로 제조 공정의 단순화는 물론 제조 비용을 절감시킬 수 있다. 또한, 덩어리 형태로 산화물이 형성되는 것이 아닌 원자 규모로 산화물이 형성됨으로 더욱 미세하고 균일하게 분포시켜 금속 강화효과를 배가시킬 수 있는 유용한 방법의 제공이 가능하게 되었다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 나노 산화물 분산간화 합금제조 방법을 도시한 블록도이다.

도시된 바와 같이 본 발명은 용융합금 형성단계(S1)가 이루어진다.

상기 단계에서는 합금의 기지가 되는 기지 금속과 산화물 형성 금속을 함께 혼합하여 용융하는 단계이다. 이 때 상기 산화물 형성금속으로는 Al, Ti, Zr, Y으 로 이루어진 군으로부터 일종 선택 사용할 수 있으며, 상기 산화물 형성 금속의 투입은 기지 금속이 용융된 후 투입하거나 기지 금속과 함께 투입하여 용융이 이루어지도록 한다.

또한, 상기 산화물 형성 금속은 투입 이전에 산소와의 접촉을 최대한 차단하여 산화물이 형성되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 이는 산화물 형성 금속이 용융되기 이전에 Al₂O₃, TiO₂, Y₂O₃, ZrO₂ 등의 산화물로 형성되면 용융 합금에 균일하게 분포되지 않고 상부로 뜨기 때문에 최대한 산소와의 접촉을 차단한 상태로 산화물 형성 금속의 혼합이 이루어지도록 해야 한다.

상기 단계에서 제조된 용융 합금은 열간 및 냉각 성형에 의해 최종 제품 형상으로 성형하는 합금 성형 단계(S2)가 이루어진다.

상기 단계에서는 기지금속 내에 산화물 형성 금속이 내포된 상태이나 다른 용융 합금과 같은 거동이 이루어짐으로 합금 성형물로의 성형가공이 용이하게 이루어질 수 있다. 이와 같이 산화물 형성 금속이 내포된 상태의 합금 성형물도 다른 합금과 같은 유사한 강도와 변형거동을 갖고 있으므로, 이후 단계를 수행하지 않고 사용 가능하다. 또한, 성형 과정을 공기중이나 산소 분위기에서 실시함으로써 일부 산화물이 형성되도록 할 수 있다.

상기 단계에서 성형된 합금 성형물은 열처리 로(furnace)에 투입되어 열처리 와 동시에 산소침투에 따른 산화물을 형성하는 산화물 형성 단계(S3)가 수행된다.

상기 열처리는 통상적으로 합금의 종류에 따라 현재 사용하고 있는 최적 열처리와 동일하게 적용될 수 있다. 예컨대 열처리는 합금이 용융되지 않는 온도까지 승온시켜 일정시간을 유지하고 다시 서서히 온도를 낮추도록 할 수 있으며, 이 때 열처리가 완료된 후 온도 하강시 하강되는 온도대에서 일정시간 더 유지되도록 하는 다단의 열처리가 이루어지도록 할 수 있다.

상기 열처리 과정에서는 로(furnace)내에 산소를 공급하여 산소분위기에서 열처리가 이루어지도록 해 합금 내부에 산소를 침투 및 표면에 충분한 산화물을 형성시켜 ODS합금을 완성시킨다. 여기서 상기 산소공급은 열처리 시작 단계부터 공급되도록 하거나, 특정 설정온도에서 일정 시간 동안만 공급이 이루어지도록 하는 등 선택적으로 사용될 수 있다.

또한, 상기 산소의 확산은 Arrhenius 속도식을 따르기 때문에 온도의 증가에 따라 산소의 확산 속도는 지수 함수적으로 증가한다. 그러므로 고체에서 산소의 확산은 용융 온도(Tm) 이하에서 가장 빠르기 때문에 고체 확산은 0.95 Tm이하에서 실시하는 것이 타당하며, 최소 0.50 Tm 이상에서 실시하여 산소확산이 용이하게 이루어지는 것이 바람직하다. 그리고, 상술한 바와 같이 합금의 종류에 따라 Tm은 달라지기 때문에 합금의 성분에 따라 산소확산을 위한 온도는 가변되며, 상술된 금속이외에 산화물 분산 강화 효과가 필요한 다른 합금의 생산에도 적용이 가능할 것이다.

아울러, 상기 합금 성형물에는 산소침투에 의한 산화물 형성단계에서 추가로 탄화물이나 질화물 등의 석출물이 형성될 수 있으므로 상술된 바와 같이 최종 열처리 과정에서는 이들 석출물이 용해될 수 있는 온도에서 일정시간 유지되도록 할 수 있다. 또한 열처리는 산화물 형성 금속의 산화물 형성을 촉진시키고 뜨임(tempering)처리를 위한 온도에서 일정시간 유지하도록 하는 등 다단으로 이루어질 수 있다.

상기한 바와같은 제조방법에 의해 제조된 나노 산화물 분산강화합금은 내부에 Al, Ti, Zr, Y 이 선택사용된 산화물 형성금속이 균일하게 분포되어 고온에서도 강도를 유지할 수 있다.

상술된 바와같이 본 발명에 따른 나노 산화물 분산강화 합금 제조방법은,

산화물 형성 금속 예컨대 Al, Ti, Zr, Y을 금속 상태로 고용시킨 합금을 최종 형상으로 가공한 다음 최종 단계에서 산화물을 형성시킴으로써 성형을 완료한 후에 산화물을 형성시켜 높은 강도를 갖는 ODS합금이 되도록 하여, 기존 ODS합금의 가공성을 향상시킨 것이다. 아울러 종래 방법과는 달리 고가의 금속 분말을 사용하지 않고 금속 괴 원소를 사용할 수 있으므로 제조 공정이 단순화되어 높은 경제성을 지닌다.

더구나 기존의 ODS 합금 제조 과정에서 수 nm 정도의 크기를 갖는 산화물을 금속 분말에 분산시키는 것이 아니라 원자적으로 분산된 Al, Ti, Zr, Y에 산소를 공급하여 산화물을 형성시키는 것이므로 원자 규모의 Al₂O₃, TiO₂, Y₂O₃, ZrO₂ 산화물이 형성될 것이므로 기존의 방법으로 수 nm 정도의 산화물을 분산시킨 나노 분산 강화 합금보다도 산화물은 더 미세하고 균일하게 분포시킬 수 있어서 강화 효과도 더 높게 나타난다.

또한, 원자로 환경에서의 중성자 조사 취화는 중성자와의 충돌에 의해 형성되는 침입형 원자나 공공의 형성이나 소멸 과정에서 전위와의 상호 작용으로 나타나는데, 본 발명의 균일하고 미세하게 분포된 ODS합금은 전위의 이동에 변화를 일으켜 조사 취화를 완화시키기 때문에 중성자 조사에 의한 조사 손상에 대해 더 높은 저항성을 보인다. 따라서 본 발명의 제조방법은 원자로와 같은 열악한 환경에 적용하여 사용될 수 있게 한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 나노 산화물 분산간화 합금제조 방법을 도시한 블록도.

도 2는 종래 산화물분산강화합금의 제조과정을 도시한 블록도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

S1 : 용융합금 형성단계

S2 : 합금성형단계

S3 : 산화물형성단계

Claims (4)

1. 기지 금속과 산화물 형성 금속을 혼합하여 제조하는 나노 산화물 분산 강화 합금 제조방법에 있어서,

   기지 금속과 산화물 형성 금속을 함께 혼합하여 용융하는 용융 합금 형성 단계(S1)와;

   상기 형성된 용융 합금을 최종 형상으로 성형하는 합금 성형 단계(S2)와;

   상기 단계의 합금 성형물을 열처리 로(furnace)에서 금속원소의 용융점보다 낮은 온도에서 열처리하면서 산소를 공급해 합금 성형물 내부로 산소를 침투시켜 산화물을 형성하는 산화물 형성 단계(S3);를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 나노 산화물 분산 강화 합금 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 산화물 형성 금속은 Al, Ti, Zr, Y 으로 이루어진 군으로부터 일 종 선택 사용됨을 특징으로 하는 나노 산화물 분산강화 합금 제조방법.
3. 제1에 있어서,

   상기 산화물 형성 단계에서는 열처리 과정에서 공급된 산소에 의해 합금 성형물의 표면으로 석출된 탄화물이나 질화물의 석출물을 용해시킬 수 있도록 최종열처리에서 상기 석출물이 용해될 수 있는 온도를 유지시키고, 뜨임 처리가 실시되도 록 다단 열처리가 이루어짐을 특징으로 하는 나노 산화물 분산강화 합금 제조 방법.
4. 기지금속과 산화물 형성 금속을 함께 혼합하여 용융하는 용융 합금 형성 단계(S1)와, 상기 형성된 용융 합금을 최종 형상으로 성형하는 합금 성형 단계(S2)와, 상기 단계의 합금 성형물을 열처리 로에서 금속 원소의 용융점보다 낮은 온도에서 열처리하면서 산소를 공급해 합금 성형물 내부로 산소를 침투시켜 산화물을 형성하는 산화물 형성 단계(S3)에 의해 제조되고, 상기 산화물 형성 단계에서는 열처리 과정에서 공급된 산소에 의해 합금 성형물의 표면으로 석출된 탄화물이나 질화물의 석출물을 용해시킬 수 있도록 최종 열처리에서 상기 석출물이 용해될 수 있는 온도를 유지시키고, 뜨임 처리가 실시되는 다단 열처리 과정에 의해 내부에 Al, Ti, Zr, Y 으로 이루어진 군으로부터 일 종 선택 사용된 산화물 형성 금속이 균일하게 분포된 나노 산화물 분산강화 합금.

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