KR20130048985A - 대기압 하에서 벌크 비정질 합금 판재의 고온 소성 가공 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 벌크 비정질 합금 판재를 대기 중에서 고온 소성 가공하여 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 Cu 캔 내에 벌크 비정질 금속 파우더를 장입하고, 금속 캔과 금속 캔 내에 장입된 벌크 비정질 금속 파우더를 과냉각 액체 온도 구간까지 가열한 다음, Cu 캔과 Cu 캔 내에 장입된 벌크 비정질 금속 파우더를 150℃ 내지 250℃로 가열된 롤러로 적어도 2회 이상 반복 압연한 다음 Cu 캔을 산으로 녹여, 압연된 벌크 비정질 합금 판재를 취출하는 것을 특징으로 하는 대기압 하에서 벌크 비정질 합금 판재의 고온 소성 가공 방법을 제공한다.

Description

대기압 하에서 벌크 비정질 합금 판재의 고온 소성 가공 방법{METHOD FOR PLASTIC DEFORMATION OF BULK METALLIC GLASS IN A HIGH TEMPERATURE AND ATMOSPHERIC PRESSURE}

본 발명은 벌크 비정질 합금 판재를 대기 중에서 고온 소성 가공하여 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 금속은 상온에서 결정구조를 가지며 미세 결정의 집합체라 할 수 있다. 이러한 결정 금속들을 가열하여 액체상태로 만든 후 금속을 105 K/s 이상의 고속으로 급랭하면 고체화 할 때 원자들이 규칙적인 배열을 하지 못하고 무질서한 배열을 보이게 된다. 이러한 상태를 비정질이라 한다. 구체적으로 말하면 결정이란 그림 2와 같이 3차원 공간에서 원자 혹은 원자 모티브가 주기적으로 같은 모양으로 배열하고 있는 고체라 할 수 있고, 각 원자는 결정 격자 내 하나의 자리를 차지하고 있으며, 결정 격자는 장범위 병진 주기성을 가지고 있다. 한편, 액체 재료는 열 진동에 의해 병진 주기성이 결여된 무질서한 원자 배열을 갖는다 그러나, 액체의 “무질서도”는 원자들 간의 접근이 원자 자신의 고유한 직경 이내로는 접근이 불가능하고 여분의 원자를 위한 공간은 존재하지 않는다는 제한을 지니고 있다. 이상의 이유로 인해 액체는 조밀 충진(dense random)한 구조적 특징을 지니고 있다. 이와 같은 구조의 용융된 금속을 속도론적으로 결정화를 피하면서 고속으로 급랭하여 응고시키면 응고된 금속은 원자가 규칙적으로 배열되는 여유를 갖지 못하고, 액체의 구조를 그대로 갖는 “무질서” 한 상태를 갖게 된다.

현대 산업사회에서 사용되는 재료는 자동차, 항공, 중장비, 전자 등의 산업이 고도화 됨에 따라 기존 재료의 한계 특성치를 뛰어 넘는 재료의 개발이 절대적으로 요구되고 있다. 예를 들어 자동차, 항공산업 등에 있어서 경량재료로 활용되는 알루미늄 합금의 경우, 기존 경량성을 유지하면서 철강재료에 능가하는 강도를 갖거나, 세라믹 재료에 견줄 수 있는 내마모, 내부식성을 갖거나, 금속간 화합물에 견줄 수 있는 내열성을 갖거나, 또한 박막이 아닌 벌크 형태로 우수한 자기적 특성을 갖는다면 소재 활용의 한계를 획기적으로 극복할 수 있을 것이다. 지금까지 많은 연구들이 응고법의 개선 및 열처리 등을 통해 결정질 재료의 성질을 개선하였고, 이러한 노력으로 개선된 많은 재료들이 실제 산업현장에서 유용하게 활용되고 있다. 하지만, 현대 산업은 더 극한의 상황에서도 우수한 성질을 보이는 재료들을 원하고 있으며, 이러한 요구에 결정질 재료는 그 한계를 보이고 있다. 이러한 문제점의 해결책 중의 하나로 기존의 결정질 재료와는 다른 원자 배열 구조를 가지는 비주기적 결정구조를 가지는 재료에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있으며, 그 결과 중 하나로 높은 강도(~2 GPa)와 마모 및 부식 저항성이 뛰어나고 특히 넓은 탄성한계 영역 (~2%)을 가지는 벌크 비정질 합금이 개발되었다. 이러한 벌크 비정질 합금을 이용하면 초 고강도의 재료를 얻는 것이 가능할 뿐 아니라 비강도가 높아짐으로써 경량화를 이룰 수 있고, 균일한 미세조직을 가짐으로써 내식성의 향상, 내마모성의 증가를 얻을 수 있다는 장점이 있다.

벌크 비정질 합금은 단순히 재료의 스케일이 기존의 nm 스케일 또는 그 이하로 감소한 것을 의미하는 것이 아니라 재료가 나노 구조화함에 따라 기존의 이론으로 설명될 수 없는 새로운 물리적, 화학적, 기계적 특성이 나타나며, 재료를 벌크화 함에 의해 다양한 산업 재료로써 적용이 가능하고 이와 같은 특성들은 현대 산업 사회에서 요구되는 소재의 극한적인 특성과 부합함에 의해 산업 적용에의 포텐셜이 매우 큰 새로운 개념의 재료이다.

기존의 벌크 비정질 합금 판재 제조 기술은 비정질 분말을 이용하여 압연을 통하여 길이 100mm, 폭 40mm 크기 이상의 판재는 공정의 어려움으로 제조하기 어려웠다. 또한 분말을 압연하였기 때문에 분말과 분말 간의 계면이 존재하여 균열 등을 발생시키는 원인이 되었다. 또한 기존의 벌크 비정질 합금 판재는 대기 중 고온에서 산화되고 결정화가 되기 때문에 소성 가공이 불가능하였다.

본 발명은 우수한 조도를 가지는 벌크 비정질 합금 판재를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 대기 중의 고온에서도 표면 산화와 결정화를 막아 고온 소성 가공을 할 수 있는 벌크 비정질 합금 판재를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 Cu 캔 내에 벌크 비정질 금속 파우더를 장입하고, 금속 캔과 금속 캔 내에 장입된 벌크 비정질 금속 파우더를 과냉각 액체 온도 구간까지 가열한 다음, Cu 캔과 Cu 캔 내에 장입된 벌크 비정질 금속 파우더를 150℃ 내지 250℃로 가열된 롤러로 적어도 2회 이상 반복 압연한 다음 Cu 캔을 산으로 녹여, 압연된 벌크 비정질 합금 판재를 취출하는 것을 특징으로 하는 대기압 하에서 벌크 비정질 합금 판재의 고온 소성 가공 방법을 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 예로, 1차 압연의 압하율이 75% 이상인 것을 특징으로 하는 대기압 하에서 벌크 비정질 합금 판재의 고온 소성 가공 방법을 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 예로, Cu 캔 내에 벌크 비정질 금속 파우더를 장입하고, Cu 캔 내를 진공 배기한 후 Cu 캔의 입구를 밀봉하는 것을 특징으로 하는 대기압 하에서 벌크 비정질 합금 판재의 고온 소성 가공 방법을 제공한다.

본 발명이 제공하는 벌크 비정질 합금 판재의 소성 가공 방법은 벌크 비정질 합금 판재를 대기압 하에서도 고온 소성 가공할 수 있다.

또한 본 발명이 제공하는 벌크 비정질 합금 판재의 소성 가공 방법은, 벌크 비정질 합금이 과냉각 액체 온도 구간에서 가지는 초소성을 이용하여 대기압 하에서 초소성 가공을 할 수 있다.

도 1은 일반적인 벌크 비정질 합금의 DSC curve를 도시한 그래프,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 하에서 벌크 비정질 합금 판재의 고온 소성 가공 방법을 개략적으로 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 하에서 벌크 비정질 합금 판재의 고온 소성 가공 방법에 따라 1차 압연 후 샘플의 모습을 촬영한 사진, 도 4는 2차 압연 후 샘플의 모습을 촬영한 사진, 도 5는 3차 압연 후 샘플의 모습을 촬영한 사진,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 하에서 벌크 비정질 합금 판재의 고온 소성 가공 방법에 따라 1차 압연 후 샘플의 OM image, 도 7은 차 압연 후 샘플의 OM image, 도 8은 3차 압연 후 샘플의 OM image.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

도 1은 일반적인 벌크 비정질 합금의 DSC curve를 도시한 그래프이다. 그래프 상에서 (a)는 유리 전이 온도(T_g : Glass Transition Temperature), (b)는 결정화 온도(T_x: Crystalline Temperature), (c)는 녹는 점(T_m : Melting point)이다. 벌크 비정질 합금은 과냉각 액체 구간(Supercooled liquid region)이라고 불리는 유리 전이 온도와 결정화 온도 사이의 구간에서 인장 변형하였을 때, 수만 %까지 연신되는 초소성을 보인다. 본 발명은 이러한 과냉각 액체 구간에서의 초소성을 이용하여 벌크 비정질 합금 판재를 고온 소성 가공한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 하에서 벌크 비정질 합금 판재의 고온 소성 가공 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.

일반적으로, 벌크 비정질 합금은 대기 중 고온에서 산화되고 결정화가 이루어지기 때문에 소성 가공이 불가능했다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 금속 캔(100) 내에 벌크 비정질 합금의 미세 분말(200)을 장입하고, 금속 캔(100) 내를 진공 배기 한 다음 입구를 밀봉하고, 금속 캔(100) 내에 벌크 비정질 합금의 미세 분말(200)을 장입된 상태에서 고온 소성 가공을 한다. 금속 캔(100) 내는 진공 분위기로 유지되기 때문에, 금속 캔(100) 내에 장입된 상태로 고온 소성 가공을 하는 것은 일반적인 대기압 분위기 하에서 행해져도 무방하다. 따라서 벌크 비정질 합금 판재를 제조하기 위해 진공 상태에서 고온 소성 가공을 하는 별도의 고가 장비를 필요로 하지 않고, 일반적인 열간 압연기를 이용하여 벌크 비정질 합금 판재를 제조할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 하에서 벌크 비정질 합금 판재의 고온 소성 가공 방법에 따라 1차 압연 후 샘플의 모습을 촬영한 사진, 도 4는 2차 압연 후 샘플의 모습을 촬영한 사진, 도 5는 3차 압연 후 샘플의 모습을 촬영한 사진이다. 샘플의 최초 상태의 총 두께는 22mm로, 금속 캔으로는 구리(Cu) 캔이 사용되고, 압연에 사용되는 롤러의 온도는 423K였다. 금속 캔의 두께는 3mm이고, 벌크 비정질 합금 판재의 두께는 16mm였다. 벌크 비정질 합금 파우더로 Cu₅₄Ni₆Zr₂₂Ti₁₈이 사용되었다. Cu₅₄Ni₆Zr₂₂Ti₁₈는 Tg가 712K, Tx가 765K로 샘플의 압연은 Cu 캔과 벌크 비정질 합금 파우더가 734K까지 가열된 상태에서 이루어졌다. 1차 압연 후에 샘플의 총 두께는 6.5mm로 압하율이 75%였고, 금속 캔의 두께는 1.3mm, 벌크 비정질 합금 판재의 두께는 3.5mm로, 금속 캔의 변형률(strain)은 0.56, 벌크 비정질 합금 판재의 변형률은 0.78이었다. 2차 압연 후 샘플의 총 두께는 3.3mm로 압하율이 85%, 금속 캔의 두께는 0.7mm, 벌크 비정질 합금 판재의 두께는 1.7mm로, 금속 캔의 변형률(strain)은 0.46, 벌크 비정질 합금 판재의 변형률은 0.51이었다. 3차 압연 후 샘플의 총 두께는 2.2mm로 압하율이 90%, 금속 캔의 두께는 0.5mm, 벌크 비정질 합금 판재의 두께는1.2mm로, 금속 캔의 변형률(strain)은 0.29, 벌크 비정질 합금 판재의 변형률은 0.30이었다.

이때, 특히 1차 압연 시의 압하율이 중요한데, 1차 압연 시의 압하율이 75% 이상이어야 한다. 압하율이 75% 이하일 경우, 분말의 고화 성형(consolidation)이 충분히 이루어지지 않아 세공(pore)이 잔존하게 된다.

또한 압연 시에 롤러의 온도는 150℃ 내지 250℃의 온도를 가지는 편이 바람직하다. 150℃ 이하에서는 불균일 변형이 일어나 크랙이 발생할 확률이 높아지며, 250℃ 이상에서는 결정화가 촉진된다는 단점이 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 하에서 벌크 비정질 합금 판재의 고온 소성 가공 방법에 따라 1차 압연 후 샘플의 OM image, 도 7은 차 압연 후 샘플의 OM image, 도 8은 3차 압연 후 샘플의 OM image이다. 샘플은 도 3 내지 도 5에 촬영된 샘플과 동일한 조건으로 압연되었다. 도 6 내지 도 8에 도시된 샘플의 OM image를 살펴보면, 1차 압연 시에는 벌크 비정질 합금 파우더의 고화 성형(consolidation)이 이루어지고, 2차 압연 시에는 고화 성형과 변형(deformation)이 동시에 이루어지며, 3차 압연 시에는 변형이 주로 이루어지는 것을 확인할 수 있다. 벌크 비정질 합금의 초소성을 이용하여 소성 가공을 함으로써 3차에 걸친 압연 후 벌크 비정질 합금 파우더가 결정화되지 않으며, 매우 길게 인장되는 것을 확인할 수 있다.

Claims (3)

1. Cu 캔 내에 벌크 비정질 금속 파우더를 장입하고, 금속 캔과 금속 캔 내에 장입된 벌크 비정질 금속 파우더를 과냉각 액체 온도 구간까지 가열한 다음, Cu 캔과 Cu 캔 내에 장입된 벌크 비정질 금속 파우더를 150℃ 내지 250℃로 가열된 롤러로 적어도 2회 이상 반복 압연한 다음 Cu 캔을 산으로 녹여, 압연된 벌크 비정질 합금 판재를 취출하는 것을 특징으로 하는 대기압 하에서 벌크 비정질 합금 판재의 고온 소성 가공 방법.
2. 제1항에 있어서,
   1차 압연의 압하율이 75% 이상인 것을 특징으로 하는 대기압 하에서 벌크 비정질 합금 판재의 고온 소성 가공 방법.
3. 제1항에 있어서,
   Cu 캔 내에 벌크 비정질 금속 파우더를 장입하고, Cu 캔 내를 진공 배기한 후 Cu 캔의 입구를 밀봉하는 것을 특징으로 하는 대기압 하에서 벌크 비정질 합금 판재의 고온 소성 가공 방법.

Images