KR20130128809A - Ｆｅ­Ｃｒ­Ａｌ­Ｙ계 합금 와이어의 제조방법, 이에 의해 제조된 Ｆｅ­Ｃｒ­Ａｌ­Ｙ계 합금 와이어 및 이를 이용하여 제조된 합금 나노분말 - Google Patents

Ｆｅ­Ｃｒ­Ａｌ­Ｙ계 합금 와이어의 제조방법, 이에 의해 제조된 Ｆｅ­Ｃｒ­Ａｌ­Ｙ계 합금 와이어 및 이를 이용하여 제조된 합금 나노분말 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철 (Fe), 크롬 (Cr), 알루미늄 (Al) 및 이트륨 (Y)을 포함하는 합금원소를 플라즈마 아크 용해법을 이용하여 모합금으로 용해하는 단계; 상기 용해된 모합금을 진공 고주파 유도 용해법을 이용하여 재용해시키는 단계; 및 상기 재용해된 모합금으로 와이어를 제작하는 단계;를 포함하는 Fe-Cr-Al-Y계 합금 와이어의 제조방법, 상기 제조방법에 의해 제조된 Fe-Cr-Al-Y계 합금 와이어 및 상기 와이어를 분말화하여 제조된 Fe-Cr-Al-Y계 합금 나노분말를 제공하며, 상기 제조방법에 의할 때 철 (Fe), 크롬 (Cr), 알루미늄 (Al) 및 이트륨 (Y) 조성의 합금으로도 다방향의 파단면으로의 깨짐 현상이 없이 와이어 생산이 가능하며, 고온에서도 내산화성이 강하고 균질한 조성을 지닌 Fe-Cr-Al-Y계 합금 와이어 및 합금 나노분말를 생산할 수 있다.

Description

Ｆｅ­Ｃｒ­Ａｌ­Ｙ계 합금 와이어의 제조방법, 이에 의해 제조된 Ｆｅ­Ｃｒ­Ａｌ­Ｙ계 합금 와이어 및 이를 이용하여 제조된 합금 나노분말{Method of manufacturing Fe-Cr-Al-Y base alloy wire, the Fe-Cr-Al-Y base alloy wire manufactured by the same method and the alloy nanoparticles manufactured by powdering the alloy wire}
본 발명은 이트륨이 포함된 Fe-Cr-Al-Y계 합금 와이어의 제조방법 및 이에 의해 제조된 Fe-Cr-Al-Y계 합금 와이어, 및 이를 분말화하여 제조된 합금 나노분말에 관한 것이다.
첨단산업의 발전에 따라 부품 및 시스템의 고성능화 및 소형화가 진행되고 있으며, 나노기술은 기존 기술의 한계성을 극복해 가고 있다. 나노 분말은 이러한 나노기술의 중요성을 이루어갈 수 있는 대안으로 제시되어, 현재 이에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 극미세 분말인 나노분말은 미세화(약 100㎚ 이하)에 따른 표면적의 증가로 인하여 기존의 재료에서는 얻을 수 없는 전자기적, 기계적 및 촉매 특성을 나타낼 수 있으므로, 초고강도 부품, 자성 부품, 열전 센서, 필터, 전지, 촉매 등에 적용되는 차세대 기능성 소재로서 산업 전반에 걸쳐 새로운 수요를 창출할 것으로 기대된다.
나노분말을 제조하는 방법은 다양한 관점에서 알려져 있지만, 그 중에서 펄스파워를 이용한 전기 폭발법에 의한 금속 나노분말을 제조하는 기술이 활발하게 연구되고 있다. 전기 폭발법에 의한 금속 나노분말 제조방법은 산업적인 응용 측면에서 매우 중요한 의의를 갖고 있고, 경제적으로 다른 방법에 비해 유리하다. 이와 같은 전기폭발법은 챔버 내부에 피딩된 금속 와이어 (wire)에 펄스파워를 가하여 상기 와이어를 폭발시켜 증기화한 다음, 이를 분위기 가스 또는 액체에서 냉각/응축시켜 나노분말을 제조하는 것이다.
상기와 같이 전기 폭발법을 통해 제조된 나노분말은 금속 다공체의 제조에도 활용될 수 있는데, 금속 다공체는 태양전지 및 연료전지의 전극, 환경오염 정화용 필터, 촉매담체, 고효율 열교환 매체 등과 같이 환경 및 에너지 산업의 핵심소재로 사용될 수 있으며, 특히 고기능 금속 다공체 폼(foam)으로 스폰지 형태의 3차원 망목구조를 구현되어 포집용 필터로 사용될 수 있다.
특히, 디젤 자동차류의 포집용 필터에서는, 입자상물질을 내부에 포집하고, 일정량이 포집되면 그 입자상물질을 연소시키는 재생(regeneration)과정에서, 1000도 이상의 고온으로 올라가는 경우가 발생한다. 그런데 종래의 니켈기 합금을 이용한 금속 다공체 폼을 입자상물질의 포집용 필터로 사용할 경우, 니켈기 합금이 상기한 고온에서 산화저항성이 높지 않으므로, 이러한 니켈기를 포함한 금속 다공체 필터의 수명이 짧아지는 단점이 있었다. 또한, 니켈기 합금의 경우에는 폴리우레탄 다공체 폼에 니켈 프라이머를 증착시키고, 그 위에 합금기 분말을 코팅하는 합금화 반응을 거치므로 공정상으로도 복잡하다는 단점이 있었다.
따라서, 이와 같은 금속다공체를 생산할 수 있는 나노분말을 얻기 위해선, 우선적으로 니켈 합금이 포함되지 않고 고온에서 내산화성이 강하며 균질한 조성으로 제조된 와이어의 제조가 필수적일 수 있다.
와이어 제작 중 가장 대표적인 방법인 인발법이 있지만, 인발법의 경우 높은 연성이 필요하다. 본 발명에서는 고온에서 높은 내산화성을 지닌 Fe-Cr-Al-Y계 합금조성을 와이어의 재료로 결정하였으나, 상기 합금은 Y 원소 첨가에 의해 소성능이 현저히 떨어지며 취성이 매우 높아지는 경향을 지닌다. 종래의 와이어 제작기술인 인발법을 통해서는 상기 조성의 모합금의 인발시 necking 현상과 달리 다방향의 파단면을 가진 형상으로 깨져나가게 되어 와이어 제작이 불가능하다는 문제점이 나타났다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 플라즈마 아크 용해법 및 진공 고주파 유도 용해법을 이용하여 다방향의 파단면으로의 깨짐 현상이 없으며, 고온에서 내산화성이 강하고 균질한 조성을 지닌 Fe-Cr-Al-Y계 합금 와이어의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 Fe-Cr-Al-Y계 합금 와이어를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 상기 합금 와이어를 분말화하여 제조된 Fe-Cr-Al-Y계 합금 나노분말을 제공하고자 한다.
본 발명은 철 (Fe), 크롬 (Cr), 알루미늄 (Al) 및 이트륨 (Y)을 포함하는 합금원소를 플라즈마 아크 용해법을 이용하여 모합금으로 용해하는 단계; 상기 용해된 모합금을 진공 고주파 유도 용해법을 이용하여 재용해시키는 단계; 및 상기 재용해된 모합금으로 와이어를 제작하는 단계;를 포함하는 Fe-Cr-Al-Y계 합금 와이어의 제조방법을 제공한다.
상기 Fe-Cr-Al-Y계 합금 와이어의 제조방법의 일례로, 철 (Fe), 크롬 (Cr), 알루미늄 (Al) 및 이트륨 (Y)을 포함하는 합금원소를 플라즈마 아크 용해법을 이용하여 모합금으로 용해하는 제 1단계; 상기 용해된 모합금을 냉각시킨 후 뒤집어서 다시 플라즈마 아크 용해법을 이용하여 용해시키는 과정을 2 내지 5회 반복시키는 제 2단계; 상기 제 2단계의 용해된 모합금을 냉각시킨 후 파쇄하는 제 3단계; 상기 파쇄된 모합금을 석영관에 장입하고 진공 고주파 유도용해법을 이용하여 재용해시키는 제 4단계; 및 상기 재용해된 모합금을 구리 몰드 (Cu mold)에서 냉각하여 와이어로 제작하는 제 5단계;를 포함할 수 있다.
상기 합금원소에는 란타늄 (La), 지르코늄 (Zr), 베릴늄 (Be) 및 티타늄 (Ti)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 Fe-Cr-Al-Y계 합금 와이어를 제공한다.
본 발명은 상기 합금 와이어를 분말화하여 제조된 Fe-Cr-Al-Y계 합금 나노분말을 제공한다.
상기 분말화는 전기폭발법에 의할 수 있다.
본 발명의 제조방법에 의하여 철 (Fe), 크롬 (Cr), 알루미늄 (Al) 및 이트륨 (Y) 조성을 포함한 합금으로 제조된 와이어는 다방향의 파단면으로의 깨짐 현상이 없으며 1000℃의 고온에서도 내산화성이 강하고 균질한 조성을 지닌다.
따라서 상기 와이어는 다양한 산업분야에 활용 가능하고, 특히 이를 전기폭발법에 의해 나노분말로 제조하여 활용할 수 있으며, 상기와 같이 얻어진 나노분말을 소결하여 제조된 금속 다공체는 태양전지 및 연료전지의 전극, 환경오염 정화용 필터, 촉매담체, 고효율 열교환 매체 등과 같이 환경 및 에너지 산업의 핵심소재로 사용될 수 있다.
도 1은 플라즈마 아크 진공 흡입기 (Plasma arc vacuum suction)를 나타낸 것이다.
도 2는 W 전극봉의 모습을 나타낸 것으로, 도 2A는 전체 모습을 나타낸 것이고 도 2B는 W 전극봉 선단 모습을 나타낸 것이다.
도 3은 플라즈마 아크 용해로 제조성된 모합금을 나타낸 것이다.
도 4는 진공 고주파 유도 용해로의 모습을 나타낸 것으로, 도 4A는 전체 모습을 나타낸 것이고, 도 4B는 고주파 용융 모습을 나타낸 것이다.
도 5는 진공 고주파 유도로에 장착된 석영관을 나타낸 것이다.
도 6은 직경 0.5Φ Cu 몰드를 나타낸 것으로, 도 6A는 Cu 몰드 상부를 나타낸 것이고, 도 6B는 Cu 몰드 단면을 나타낸 것이다.
도 7은 직경 0.5Φ*60mm로 제조된 와이어 (wire)를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명에 의해 제조된 와이어를 전기폭발법으로 분말화하여 제조한 합금 분말 슬러리를 나타낸 것이다.
본 발명은 이트륨이 포함된 Fe-Cr-Al-Y계 합금 와이어의 제조방법 및 이에 의해 제조된 Fe-Cr-Al-Y계 합금 와이어 및 이를 분말화하여 제조된 합금나노분말을 제공한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에서는 다방향의 파단면으로의 깨짐 현상이 없으며, 고온에서 내산화성이 강하고 균질한 성분조성을 지닌 Fe-Cr-Al-Y계 합금 와이어를 제조하고자 하였다. 본 발명에서 제조된 Fe-Cr-Al-Y계 합금 와이어는 전기폭발법에 의한 금속 나노분말 제조에 사용될 수 있다.
종래의 와이어 (wire) 제작 중 가장 대표적인 방법인 인발법의 경우 모합금은 높은 연성이 필요하였다. 그러나 고온에서 내산화성을 증가시킬 수 있는 이트륨 (Y)을 포함한 Fe-Cr-Al-Y계 합금을 인발법을 통해서 와이어로 제작하려고 하면, 재료의 연성이 떨어져 모합금의 인발시 necking 현상과 달리 다방향의 파단면을 가진 형상으로 깨져나가며 균질한 조성의 와이어를 제조를 할 수 없다는 문제점이 있었다. 이에 본 발명자는 상기 문제점을 해결하고자 노력하던 중 본 발명의 제조방법에 의할 때 이를 해결할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 철 (Fe), 크롬 (Cr), 알루미늄 (Al) 및 이트륨 (Y)을 포함하는 합금원소를 플라즈마 아크 용해법을 이용하여 모합금으로 용해하는 단계; 상기 용해된 모합금을 진공 고주파 유도 용해법을 이용하여 재용해시키는 단계; 및 상기 재용해된 모합금으로 와이어를 제작하는 단계;를 포함하는 Fe-Cr-Al-Y계 합금 와이어의 제조방법을 제공한다.
Fe-Cr-Al계 합금에서 Cr 성분은 Cr2O3 산화층을 우선적으로 생성하여 고온에서의 내산화성을 향상시키고, Al 성분은 안정한 Al2O3 산화층을 우선적으로 생성하여 산화층의 추가적 성장을 억제하고 내부 밀봉효과를 통해 내산화성을 향상시킬 수 있다. 이와 같이 상기 Fe-Cr-Al계 합금은 산소의 내부 확산 (inward diffusion)에 의해 Al2O3, Cr2O3 등과 같은 산화물이 생성되어 상당한 내산화성을 나타내지만, 장시간 동안 고온에 노출되면 산화물의 박리가 일어나고 내산화성이 저하가 일어나는 문제점이 있었다.
상기 Fe-Cr-Al계 합금에 이트륨 (Y)을 추가적으로 첨가한다면 재료의 연성이 떨어져 와이어 인발에 어려움이 있지만, 새로운 Y 생성물이 침상형으로 생성되어 Fe-Cr-Al계 합금의 산화층에 대한 접착력을 증대시키므로 산화물층과 기지 (substrate)를 잡아줄 수 있는데, 그 결과 상기 합금은 장시간 고온에서 노출하더라도 산화물층의 박리를 저지할 수 있고 더 이상의 산화물을 생성시키지 않아 Fe-Cr-Al계 합금보다 현저하게 향상된 내산화성을 지닐 수 있다.
선택적으로, 상기 철 (Fe), 크롬 (Cr), 알루미늄 (Al) 및 이트륨 (Y)을 포함하는 본 발명의 합금원소에는 란타늄 (La), 지르코늄 (Zr), 베릴늄 (Be) 및 티타늄 (Ti)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 추가로 포함할 수 있다.
상기 란타늄 (La), 지르코늄 (Zr) 또한 Fe-Cr-Al계 합금과 산화층에 대한 밀착력을 높이는 등 고온에서의 내산화성을 더욱 증강시킬 수 있으며, 상기 베릴늄 (Be), 티타늄 (Ti)은 부식에 대한 저항성을 증가시키고 가공성을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일례로, 상기 제조방법에 의할 때 철 (Fe) 40 내지 80 중량부, 크롬 (Cr) 15 내지 45 중량부, 알루미늄 (Al) 2 내지 15 중량부 및 이트륨 (Y) 0.05 내지 1중량부를 포함하는 Fe-Cr-Al-Y계 합금 와이어를 제조할 수 있다.
본 발명의 일례로, 상기 제조방법에 의할 때 철 (Fe) 72 중량부, 크롬 (Cr) 22 중량부, 알루미늄 (Al) 5.8 중량부 및 이트륨 (Y) 0.2 중량부를 포함하는 Fe-Cr-Al-Y계 합금 와이어를 제조할 수 있으며, 상기 와이어는 다방향의 파단면을 가진 형상으로 깨져 나가지 않고 1000℃ 이상에서도 높은 산화저항성을 나타내며 균질한 조성비를 지닐 수 있다.
또한, 본 발명의 일례로, 상기 제조방법에 의할 때 철 (Fe) 40 내지 80 중량부, 크롬 (Cr) 15 내지 45 중량부, 알루미늄 (Al) 2 내지 15 중량부, 이트륨 (Y) 0.05 내지 1중량부 및 란타늄 (La), 지르코늄 (Zr), 베릴늄 (Be) 및 티타늄 (Ti)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 성분 0.05 내지 1중량부를 포함하는 Fe-Cr-Al-Y계 합금 와이어를 제조할 수 있다.
플라즈마 아크 용해법 (Plasma arc meilting)은 Cu, W 또는 흑연으로 만든 전극봉과 금속과의 사이에 플라즈마 아크 (Plasma arc) 방전을 일으켜 금속을 녹이는 방법으로, 용해는 금속의 증발을 방지하기 위해 Ar(g) 분위기 속에서 행할 수 있다. Cu 몰드 속에 아크 (arc)를 발생시키면, W 전극봉 선단으로부터 순차적으로 용융하여 몰드 내에 적하하는데, 적하 도중에 H2, N2, CO 등의 가스가 용융되어 가는 금속으로부터 빠져나오면서 순도가 매우 높은 좋은 잉곳이 될 수 있다.
일 제조예에 나타난 바와 같이, W 전극봉의 선단 끝부분이 뾰족할수록 플라즈마 아크 (Plasma arc)가 잘 발생하며, 아크 (arc)의 집중도가 높아져 국부적 용융이 잘 될 수 있다.
플라즈마 아크 용해법에 의한 합금원소의 용해 중, W 전극봉으로부터 비교적 떨어진 Cu hearth 하부에서 온도 차로 인한 조성의 불균질이 발생할 수 있다. 그러므로 1차 용해 되어진 잉곳을 충분히 식힌 후, 뒤집어 다시 용해하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 용해된 모합금을 냉각시킨 후 뒤집어서 다시 플라즈마 아크 용해법을 이용하여 용해시키는 과정을 반복할 수 있는데, 상기 반복횟수는 특별히 한정된 것은 아니나, 2 내지 5회 반복할 수 있다.
상기 플라즈마 아크 용해법을 이용하여 용해된 모합금은 진공 고주파 유도 용해법을 이용하여 재용해시킬 수 있다.
재용해에 앞서, 상기 모합금을 진공 고주파 유도로 장착될 석영관 내부 직경 이하로 파쇄할 수 있다. 파쇄된 모합금을 석영관에 장입하며, 이후 고주파 세기와 석영관 내부로의 Ar(g)의 분사압을 조절하여 진공 고주파 유도 용해법에 의해 석영관 내부로 장입된 파쇄 모합금을 용해시킬 수 있다.
고주파의 세기를 천천히 올려주어 석영관 내부의 파쇄된 모합금들이 가능한 천천히 용융되도록 하는 것이 바람하다. 만일, 고주파의 세기 변화가 급작스러울 경우, 석영관의 깨짐 현상이 발생하거나 고주파의 영향을 잘 받지 못하고 석영관 내부에 달라붙어 분사된 Ar(g)의 흐름을 방해하는 요인으로 작용할 수 있다.
상기 석영관 내부로의 Ar(g)의 분사압은 특별히 한정된 것은 아니나, 바람직하게는 0.3 내지 0.7MPa이 적절할 수 있다.
일례로, 고주파의 세기는 가급적 천천히 올려 충분히 용해된 상태에서, 석영관 내부로 0.48MPa 분사압으로 Ar(g)를 분사할 수 있다.
상기 재용해된 모합금을 와이어로 제작하는 방법은 특별히 한정된 것은 아니나, 일례로 재용해된 모합금을 Cu 몰드에서 충분히 냉각하여 와이어를 제조할 수 있다.
상기 제조된 Fe-Cr-Al-Y계 합금 와이어는 다방향의 파단면을 가진 형상으로 깨져 나감이 없을 뿐 아니라, 1000℃ 이상의 고온에서도 높은 산화저항성을 나타내고 와이어의 합금조성이 균질하게 이루어질 수 있다.
상기 합금 와이어의 제조방법의 일례로, 철 (Fe), 크롬 (Cr), 알루미늄 (Al) 및 이트륨 (Y)을 포함하는 합금원소를 플라즈마 아크 용해법을 이용하여 모합금으로 용해하는 제1단계; 상기 용해된 모합금을 냉각시킨 후 뒤집어서 다시 플라즈마 아크 용해법을 이용하여 용해시키는 과정을 2 내지 5회 반복시키는 제 2단계; 상기 제2단계의 용해된 모합금을 냉각시킨 후 파쇄하는 제3단계; 상기 파쇄된 모합금을 석영관에 장입하고 진공 고주파 유도용해법을 이용하여 재용해시키는 제4단계; 및 상기 재용해된 모합금을 구리 몰드 (Cu mold)에서 냉각하여 와이어로 제작하는 제5단계를 포함할 수 있다. 선택적으로, 상기 합금원소에는 란타늄 (La), 지르코늄 (Zr), 베릴늄 (Be) 및 티타늄 (Ti)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명은 상기 합금 와이어의 제조방법에 의해 제조된 Fe-Cr-Al-Y계 합금 와이어를 제공한다.
상기 조성의 합금은 이트륨 (Y) 원소 첨가에 의해 소성능이 현저히 떨어지며 취성이 매우 높아지는 경향을 있고 재료의 연성이 떨어져서, 인발법과 같은 종래의 와이어 제작기술에 의할 때 다방향의 파단면을 가진 형상으로 깨져 나가 와이어를 제작하지 못하는 문제점이 있었지만, 본 발명의 제조방법에 의할 때 이트륨 (Y) 원소를 첨가하여도 종래와 같은 깨짐이 없이 와이어를 제작할 수 있음을 확인할 수 있다.
또한, 상기 와이어는 1000℃ 이상의 온도에서 높은 산화저항성을 보이고 균질한 조성을 나타낼 수 있다.
본 발명의 일례로, 상기 제조방법에 의할 때 철 (Fe) 72 중량부, 크롬 (Cr) 22 중량부, 알루미늄 (Al) 5.8 중량부 및 이트륨 (Y) 0.2 중량부를 포함하며, 직경 0.5Φ*60mm의 합금 와이어를 제조할 수 있다.
본 발명은 상기 합금 와이어를 분말화하여 제조된 Fe-Cr-Al-Y계 합금 나노분말를 제공한다.
상기 합금 와이어를 분말화하는 방법은 특별히 한정된 것은 아니나, 바람직하게는 전기폭발법에 의하여 분말화될 수 있다.
상기 전기폭발법은 챔버 내부에 피딩된 금속 와이어 (wire)에 펄스파워를 가하여 상기 와이어를 폭발시켜 증기화한 다음, 이를 분위기 가스 또는 액체에서 냉각/응축시켜 나노분말을 제조하는 것이다.
전기 폭발법을 통해 제조된 나노분말은 금속 다공체의 제조에도 활용될 수 있는데, 금속 다공체는 태양전지 및 연료전지의 전극, 환경오염 정화용 필터, 촉매담체, 고효율 열교환 매체 등과 같이 환경 및 에너지 산업의 핵심소재로 사용될 수 있으며, 특히 고기능 금속 다공체 폼(foam)으로 스폰지 형태의 3차원 망목구조를 구현되어 포집용 필터로 사용될 수 있다. 특히, 디젤 자동차류의 포집용 필터에서는, 입자상 물질을 내부에 포집하고, 일정량이 포집되면 그 입자상물질을 연소시키는 재생(regeneration)과정에서, 1000℃ 이상의 고온으로 올라가는 경우가 발생할 수 있는데, 본 발명에 의해 제조된 Fe-Cr-Al-Y계 합금 나노분말은 1000℃ 이상의 높은 고온에서 내산화성이 강하며 균질한 입자로 구성되었기에 상기 포집용 필터 등으로 사용되기에 적합할 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 이트륨이 첨가된 Fe-Cr-Al-Y계 합금 나노분말은 균질한 조성비를 지니며, 분말화 되었음에도 불구하고 고온에서의 산화저항성이 높을 뿐만 아니라, 입자의 크기가 100nm 이하로 제조되어 분말의 표면부 산화를 억제할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 제조예를 제시한다. 그러나 하기의 제조예는 본 발명을 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 제조예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
< 제조예 >
제조예 1. 와이어의 제조
본 발명의 와이어의 제조는 하기 1-1 내지 1-3의 제조방법을 거쳐 제조된 것으로, 이하 상세히 설명한다.
1-1. 플라즈마 아크 용융법에 의한 모합금의 제조
순도가 높은 모합금을 얻기 위하여, 도 1의 플라즈마 아크 진공 흡입 ( Plasma arc vacuum suction) 장비를 이용하여 모합금을 제조하였다. 철(Fe), 크롬(Cr), 알루미늄(Al) 및 이트륨(Y)을 포함하는 합금원소를 Cu hearth 속에서 10-6 torr까지 진공 처리한 후, 고순도 Ar(g)분위기 하에서 플라즈마 아크 (Plasma arc)를 이용하여 용해하였다. 본 제조예에서는 도 2로 제조된 전극봉을 사용하였으며, 아크 (arc) 방전을 일으켜 금속의 용융을 진행하였다.
도 2와 같이, W 전극봉의 선단 끝부분이 뾰족할수록 플라즈마 아크 (plasma arc)가 잘 발생하며, 아크 (arc)의 집중도가 높아져 국부적 용융이 잘 되었다. 융융 중, W 전극봉으로부터 비교적 떨어진 Cu hearth 하부에서 온도 차로 인한 조성의 불균질이 발생하였다. 그러므로, 1차 용해 되어진 잉곳을 충분히 식힌 후, 뒤집어 재용해하였고, 이런 과정을 3회 반복 시행시, 균질한 조성 및 목표조성에 맞추어진 도 3의 모합금을 얻을 수 있다.
1-2. 진공 고주파 유도 용해에 의한 모합금의 제조
제조예 1-1에 의해 제조된, 모합금을 도 4의 진공 고주파 유도로에서 용융시키기 위하여, 플라즈마 아크 (Plasma arc)로 제조된 모합금을 석영관 내부 직경 10Φ 이하의 크기로 잘게 파쇄하였다. 파쇄된 모합금을 도 5의 석영관에 장입 후, 도 4의 진공 고주파 유도로에 석영관을 장착하였다. 진공 고주파 유도로 챔버 를 10-6torr까지 진공 처리 후, 고순도 Ar(g)를 챔버 (chamber)내에 상압으로 채웠다. 이 후, 고주파를 이용하여 석영관 내부 장입된 파쇄된 모합금을 용해시켰다. 고주파의 세기를 가급적 천천히 올려 충분히 용해된 상태에서, 석영관 내부로 최적의 분사압인 0.48MPa으로 Ar(g)를 분사하였다.
고주파의 세기를 천천히 올려주어 석영관 내부의 파쇄된 모합금들이 가능한 천천히 용융되도록 하였다. 고주파의 세기 변화가 급작스러울 경우, 석영관의 깨짐 현상이 발생하거나 고주파의 영향을 잘 받지 못하고 석영관 내부에 달라붙어 분사된 Ar(g)의 흐름을 방해하는 요인으로 작용하는 경우가 발생하였다.
또한 분사되는 Ar(g)의 압력의 세기 셀 경우, 석영관 하부의 배출부로 용융된 금속이 빠져나가지 못하고 그대로 관이 터져버리는 현상이 발생하였다. 또한, 분사되는 Ar(g)의 압력의 세기가 충분치 못할 경우, 용융된 모합금이 석영관 외부로 배출되지 못 하고 그대로 관속에 머무르게 되었다.
1-3. 상기 모합금을 이용한 와이어의 제조
제조예 1-2의 의해 제조된 모합금을 도 6의 직경 0.5Φ의 Cu 몰드에서 충분히 냉각하여 와이어를 제조하였다.
제조된 와이어는 도 7과 같이, 직경 0.5Φ*60mm로, 최종 개발 목표 조성인 72중량부 Fe-22중량부 Cr-5.8중량부 Al-0.2중량부 Y를 나타내었다.
제조예 2. 합금 나노분말의 제조
실시예 1에 의해 생산된 합금 와이어를 본 발명자에 의해 제조된 전기폭발에 의한 금속 나노분말 제조장치 (출원번호 10-2011-0122277)를 사용하여 합금 나노분말로 제조하였다 (도 8).

Claims (6)

  1. 철 (Fe), 크롬 (Cr), 알루미늄 (Al) 및 이트륨 (Y)을 포함하는 합금원소를 플라즈마 아크 용해법을 이용하여 모합금으로 용해하는 단계;
    상기 용해된 모합금을 진공 고주파 유도 용해법을 이용하여 재용해시키는 단계; 및
    상기 재용해된 모합금으로 와이어를 제작하는 단계;를 포함하는 Fe-Cr-Al-Y계 합금 와이어의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    철 (Fe), 크롬 (Cr), 알루미늄 (Al) 및 이트륨 (Y)을 포함하는 합금원소를 플라즈마 아크 용해법을 이용하여 모합금으로 용해하는 제1단계;
    상기 용해된 모합금을 냉각시킨 후 뒤집어서 다시 플라즈마 아크 용해법을 이용하여 용해시키는 과정을 2 내지 5회 반복시키는 제2단계;
    상기 제2단계의 용해된 모합금을 냉각시킨 후 파쇄하는 제3단계;
    상기 파쇄된 모합금을 석영관에 장입하고 진공 고주파 유도용해법을 이용하여 재용해시키는 제4단계; 및
    상기 재용해된 모합금을 구리 몰드 (Cu mold)에서 냉각하여 와이어로 제작하는 제5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 Fe-Cr-Al-Y계 합금 와이어의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 합금원소에는 란타늄 (La), 지르코늄 (Zr), 베릴늄 (Be) 및 티타늄 (Ti)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 Fe-Cr-Al-Y계 합금 와이어의 제조방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조되는 Fe-Cr-Al-Y계 합금 와이어.
  5. 제 4 항의 합금 와이어를 분말화하여 제조된 Fe-Cr-Al-Y계 합금 나노분말.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 분말화는 전기폭발법에 의해 행해지는 것을 특징으로 하는 Fe-Cr-Al-Y계 합금 나노분말.


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Cited By (4)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106011875A (zh) * 2016-05-13 2016-10-12 温州大学 一种对钛合金进行表面改性的方法
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