KR20170102187A - A tin-containing amorphous alloy composition - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 비정질 합금 또는 비정질 금속 매트릭스에 연성의(ductile) 결정성 금속 입자를 포함하는 복합 금속; 특히 주석-함유 복합물(composition)을 가지는 이들 물질에 관한 것이다.The present invention relates to a composite metal comprising an amorphous alloy or ductile crystalline metal particles in an amorphous metal matrix; Particularly those materials having a tin-containing composition.
벌크 응고형(bulk-solidifying) 비정질 합금 복합물은 다양한 합금 시스템에서 발견되어 왔다. 이러한 물질은 전형적으로 용융된 합금을 용융 온도 이상에서 주위 온도(ambient temperature)로 급냉(quenching)시켜 제조된다. 일반적으로, 비정질 구조를 얻기 위하여 105℃/초 이하의 냉각속도가 사용된다. 19세기 초반까지, 통상적인 비정질 합금의 가공성은 상당히 제한되었고, 통상적인 비정질 합금은 단지 분말 형태, 또는 100 마이크로미터보다 작은 임계 치수(critical dimensions)를 가지는 매우 얇은 금속박(foil) 또는 스트립(strip)으로만 쉽게 사용될 수 있었다. 그러나 19세기 초에, 새로운 종류의 Zr-계 및 Ti-계 비정질 합금이 개발되었다. 이러한 합금들은 103℃/초보다 작은 임계 냉각속도, 일부 경우에는 10℃/초 정도로 낮은 임계 냉각속도를 가졌고, 이는 그 당시까지 발견된 합금 시스템과 비교하여 훨씬 더 낮았다. 벌크 응고형 비정질 합금은 매우 높은 강도, 높은 비강도(specific strength), 높은 탄성변형한계(elastic strain limit), 그리고 다른 공학적 특성들의 독특한 조합을 가진다.Bulk-solidifying amorphous alloy composites have been found in a variety of alloy systems. Such materials are typically prepared by quenching the molten alloy at ambient temperature above the melting temperature. Generally, a cooling rate of less than or equal to 10 < 5 > C / sec is used to obtain an amorphous structure. By the early nineteenth century, the processability of conventional amorphous alloys was fairly limited, and conventional amorphous alloys were very thin foils or strips, either in powder form, or with critical dimensions less than 100 micrometers, . However, at the beginning of the 19th century, new types of Zr-based and Ti-based amorphous alloys were developed. These alloys had a critical cooling rate of less than 10 3 ° C / second, in some cases as low as 10 ° C / second, which was much lower than that of the alloy systems discovered up to that time. Bulk solid amorphous alloys have a unique combination of very high strength, high specific strength, high elastic strain limit, and other engineering properties.
다른 종류의 연성 복합 금속은 비정질 금속 매트릭스에 연성 결정성 금속 입자를 포함하고 (인-시츄(in-situ) 복합 비정질 합금), 개선된 인성 및 큰 파괴 소성변형률(plastic strain to failure)을 나타낸다. 결정성 수지상(dendritic) 구조는 매트릭스에서 전단대(shear band)와 균열성장(crack growth)을 안정시킬 수 있고, 복합물(composite)의 파괴 변형률(strain to failure) 크기를 증가시킨다.Other types of flexible composite metals include soft crystalline metal particles in the amorphous metal matrix (in-situ complex amorphous alloy), improved toughness and high plastic strain to failure. Crystalline dendritic structures can stabilize the shear band and crack growth in the matrix and increase the strain to failure magnitude of the composite.
비정질 합금 및 인-시츄 복합 비정질 합금은 최적의 기계적, 열적 특성을 얻기 위하여 고순도의 구성 원소를 보통 필요로 한다. 고순도 요건은 또한 합금이 거칠 수 있는 재용융과 재생 단계들의 개수를 제한하지 않는다. 이는 제조비용뿐만 아니라, 폐기물과 환경 오염 또한 증가시키지 않을 것이다. 따라서, 동일한 열적, 기계적 특성(예를 들어, 높은 항복강도, 높은 경도, 높은 연성 및 인성)을 나타내지만, 제조비용과 환경영향을 감소시키는, 새로운 종류의 엔지니어링 합금을 개발할 필요가 있다.Amorphous alloys and in-situ complex amorphous alloys usually require high purity components to achieve optimal mechanical and thermal properties. High purity requirements also do not limit the number of remelting and regeneration steps that the alloy may be subjected to. This will not only increase manufacturing costs, but also increase waste and environmental pollution. Accordingly, there is a need to develop a new class of engineering alloys that exhibit the same thermal and mechanical properties (e.g., high yield strength, high hardness, high ductility and toughness), but reduce manufacturing costs and environmental impact.
본 발명은 소량의 Sn이 첨가된 비정질 합금 및 인-시츄 복합 비정질 합금에 관한 것이고, 상기 합금은 저순도 구성 원소를 사용하여 제조될 수 있다.The present invention relates to an amorphous alloy and an in-situ compound amorphous alloy to which a small amount of Sn is added, and the alloy can be produced using a low purity constituent element.
본 발명의 한 구체예에서, 약 0.5 내지 4.5 원자 퍼센트의 주석이 비정질 합금 또는 인-시츄 복합 비정질 합금에 첨가된다.In one embodiment of the invention, about 0.5 to 4.5 atomic percent of tin is added to the amorphous alloy or in-situ compound amorphous alloy.
본 발명의 다른 구체예에서, 합금은 다음 화학식에 따른 조성을 가진다:In another embodiment of the present invention, the alloy has a composition according to the following formula:
ZraMbNcSnd Zr a M b N c Sn d
여기서 M은 하나 이상의 전이금속 원소로 이루어진 군에서 선택되고, N은 Al 또는 Be 중의 하나이며, a, b, c, 및 d는 원자 백분율을 나타내는데, a는 약 30 내지 70, b는 약 25 내지 60, c는 약 5 내지 30, 그리고 d는 약 0.1 내지 5이다. 이러한 구체예에서 합금은 물질들의 다음의 조합 중 하나를 택할 수 있다: M이 Ni와 Cu의 조합이고, N은 Al; M이 Ni와 Cu의 조합이고, N은 Be; M이 Ni와 Cu의 조합이고, N은 Al과 Be의 조합; M이 Cu이고, N은 Be; M이 Cu이고, N은 Al과 Be의 조합; M이 Ti, Cu, Nb의 조합이고, N은 Be; M이 Ti, Nb, Cu, Ni의 조합이고, N은 Be; M이 Ti, V, Cu, Ni의 조합이고 N은 Be; M이 Ti, Ta, Cu, Ni의 조합이고 N은 Be; M이 Ti, Mo, Cu, Ni의 조합이고 N은 Be; M이 Ti, W, Cu, Ni의 조합이고 N은 Be.Wherein M is selected from the group consisting of one or more transition metal elements, N is one of Al or Be, a, b, c, and d represent atomic percentages, a is about 30 to 70, 60, c is about 5 to 30, and d is about 0.1 to 5. In this embodiment, the alloy may take one of the following combinations of materials: M is a combination of Ni and Cu, N is Al; M is a combination of Ni and Cu, N is Be; M is a combination of Ni and Cu, N is a combination of Al and Be; M is Cu, N is Be; M is Cu, N is a combination of Al and Be; M is a combination of Ti, Cu and Nb; N is Be; M is a combination of Ti, Nb, Cu and Ni; N is Be; M is a combination of Ti, V, Cu and Ni; N is Be; M is a combination of Ti, Ta, Cu and Ni; N is Be; M is a combination of Ti, Mo, Cu and Ni; N is Be; M is a combination of Ti, W, Cu and Ni, and N is Be.
본 발명의 다른 구체예에서, 합금은 다음 화학식에 따른 조성을 가진다:In another embodiment of the present invention, the alloy has a composition according to the following formula:
TiaMbNcSnd Ti a M b N c Sn d
여기서 M은 하나 이상의 전이금속 원소로 이루어진 군에서 선택되고, N은 Al 또는 Be 중의 하나이며, a, b, c, 및 d는 원자 백분율을 나타내는데, a는 약 30 내지 70, b는 약 25 내지 60, c는 약 5 내지 30, 그리고 d는 약 0.1 내지 5이다. 이러한 구체예에서, 합금은 M이 Zr과 V의 조합이고, N은 Be이 되도록 형성될 수 있다.Wherein M is selected from the group consisting of one or more transition metal elements, N is one of Al or Be, a, b, c, and d represent atomic percentages, a is about 30 to 70, 60, c is about 5 to 30, and d is about 0.1 to 5. In this embodiment, the alloy may be formed such that M is a combination of Zr and V and N is Be.
본 발명의 다른 구체예에서, 합금은 다음 화학식에 따른 조성을 가진다:In another embodiment of the present invention, the alloy has a composition according to the following formula:
TiaMbNcSnd Ti a M b N c Sn d
여기서 M은 하나 이상의 전이금속 원소로 이루어진 군에서 선택되고, N은 Al과 Be 중 적어도 하나이며; a, b, c, 및 d는 원자 백분율을 나타내는데 a는 약 30 내지 70, b는 약 25 내지 60, c는 약 5 내지 30, 그리고 d는 약 0.1 내지 5이다.Wherein M is selected from the group consisting of one or more transition metal elements, N is at least one of Al and Be; a, b, c, and d represent atomic percentages, where a is about 30 to 70, b is about 25 to 60, c is about 5 to 30, and d is about 0.1 to 5.
본 발명의 다른 구체예에서, 비정질 합금의 구성성분은 98.75%보다 낮은 순도를 가질 수 있다.In another embodiment of the present invention, the constituents of the amorphous alloy may have a purity of less than 98.75%.
본 발명의 다른 구체예에서, 비정질 합금은 또한 적어도 200 ppm의 산소 불순물을 함유할 수 있다.In another embodiment of the present invention, the amorphous alloy may also contain at least 200 ppm of oxygen impurities.
본 발명은 우수한 기계적 특성, 예를 들어, 높은 항복강도, 높은 경도, 높은 연성 및 인성을 가지지만, 저순도의 구성요소를 사용하여 형성될 수 있어 제조비용 및 제조로 인한 오염을 줄일 수 있는, 새로운 종류의 주석-함유 엔지니어링 합금에 관한 것이다.The present invention relates to a process for the production of polyurethane foam which has excellent mechanical properties such as high yield strength, high hardness, high ductility and toughness, but which can be formed using low purity components, To a new class of tin-containing engineering alloys.
벌크 응고형 비정질 합금은, 최근에 발견된 비정질 합금의 일족이고, 약 500 K/초 이하의 냉각속도보다 실질적으로 더 느리게 냉각될 수 있으며, 실질적으로 비정질 원자 구조를 계속 유지한다. 따라서, 이들은 1.0 mm 이상의 두께로 제조될 수 있는데, 이는 전형적으로 100 마이크로미터의 두께로 제한되고 105 K/초 이상의 냉각속도를 필요로 하는 통상적인 비정질 합금보다 실질적으로 두꺼운 두께이다. 미국특허 5,288,344; 5,368,659; 5,618,359; 5,735,975; 5,797,443; 6,325,868; 6,682,611; 및 6,709,536은 본 명세서에서 참고문헌으로 첨부되고, 이러한 벌크 응고형 합급을 개시한다.Bulk solid amorphous alloys are a family of recently discovered amorphous alloys and can be cooled substantially slower than a cooling rate of less than about 500 K / sec and still retain substantially the amorphous atomic structure. Thus, they can be made to a thickness of at least 1.0 mm, which is typically thicker than a typical amorphous alloy, which is limited to a thickness of 100 micrometers and requires a cooling rate of 10 5 K / sec or more. U.S. Patent 5,288,344; 5,368,659; 5,618,359; 5,735,975; 5,797,443; 6,325,868; 6,682,611; And 6,709,536 are hereby incorporated by reference and disclose such bulk coagulation type associations.
놀랍게도, 최대 약 5%의 주석 첨가가 저순도 구성성분으로부터 고품질 벌크 응고형 비정질 합금을 형성할 수 있는 능력을 급격히 향상시킬 수 있음이 밝혀졌다. 더 상세히 말하면, 한 바람직한 구체예에서, 본 발명의 비정질 합금은 다음의 화학식에 의하여 정의될 수 있고Surprisingly, it has been found that up to about 5% tin addition can dramatically improve the ability to form high quality bulk coagulated amorphous alloys from low purity components. More particularly, in one preferred embodiment, the amorphous alloy of the present invention can be defined by the following formula
ZraMbNcSnd Zr a M b N c Sn d
여기서 M은 하나 이상의 전이금속 원소로 이루어진 군에서 선택되고, N은 Al 또는 Be 중의 하나이며, a, b, c, 및 d는 원자 백분율을 나타내는데, a는 약 30 내지 70, b는 약 25 내지 60, c는 약 5 내지 30, 그리고 d는 약 0.1 내지 5이다.Wherein M is selected from the group consisting of one or more transition metal elements, N is one of Al or Be, a, b, c, and d represent atomic percentages, a is about 30 to 70, 60, c is about 5 to 30, and d is about 0.1 to 5.
더욱 바람직하게는, 본 발명의 합금은 구성성분의 다음의 조합들 중 하나를 포함한다:More preferably, the alloy of the present invention comprises one of the following combinations of constituents:
ㆍM이 Ni와 Cu의 조합이고, N은 Al;M is a combination of Ni and Cu, N is Al;
ㆍM이 Ni와 Cu의 조합이고, N은 Be;M is a combination of Ni and Cu, N is Be;
ㆍM이 Ni와 Cu의 조합이고, N은 Al과 Be의 조합;M is a combination of Ni and Cu, N is a combination of Al and Be;
ㆍM이 Cu이고, N은 Be;M is Cu and N is Be;
ㆍM이 Cu이고, N은 Al과 Be의 조합;M is Cu; N is a combination of Al and Be;
ㆍM이 Ti, Cu, Nb의 조합이고, N은 Be;M is a combination of Ti, Cu and Nb; N is Be;
ㆍM이 Ti, Nb, Cu, Ni의 조합이고, N은 Be;M is a combination of Ti, Nb, Cu and Ni; N is Be;
ㆍM이 Ti, V, Cu, Ni의 조합이고 N은 Be;M is a combination of Ti, V, Cu and Ni; N is Be;
ㆍM이 Ti, Ta, Cu, Ni의 조합이고 N은 Be;M is a combination of Ti, Ta, Cu and Ni; N is Be;
ㆍM이 Ti, Mo, Cu, Ni의 조합이고 N은 Be;M is a combination of Ti, Mo, Cu and Ni; N is Be;
ㆍM이 Ti, W, Cu, Ni의 조합이고 N은 Be.M is a combination of Ti, W, Cu and Ni, and N is Be.
대안의 바람직한 구체예에서 비정질 합금은 다음의 화학식에 따라 제조될 수 있고:In an alternative preferred embodiment, the amorphous alloy may be prepared according to the following formula:
TiaMbNcSnd Ti a M b N c Sn d
여기서 M은 하나 이상의 전이금속 원소로 이루어진 군에서 선택되고, N은 Al 또는 Be 중의 하나이며, a, b, c, 및 d는 원자 백분율을 나타내는데, a는 약 30 내지 70, b는 약 25 내지 60, c는 약 5 내지 30, 그리고 d는 약 0.1 내지 5이다. 더욱 바람직하게는 합금은 합금은 M이 Zr과 V의 조합이고, N은 Be이 되도록 형성된다.Wherein M is selected from the group consisting of one or more transition metal elements, N is one of Al or Be, a, b, c, and d represent atomic percentages, a is about 30 to 70, 60, c is about 5 to 30, and d is about 0.1 to 5. More preferably, the alloy is formed such that M is a combination of Zr and V, and N is Be.
다른 대안의 바람직한 구체예에서 비정질 합금은 다음의 화학식에 따라 제조될 수 있고:In another alternative preferred embodiment, the amorphous alloy can be prepared according to the following formula:
TiaMbNcSnd Ti a M b N c Sn d
여기서 M은 하나 이상의 전이금속 원소로 이루어진 군에서 선택되고, N은 Al과 Be 중 적어도 하나이며; a, b, c, 및 d는 원자 백분율을 나타내는데 a는 약 30 내지 70, b는 약 25 내지 60, c는 약 5 내지 30, 그리고 d는 약 0.1 내지 5이다.Wherein M is selected from the group consisting of one or more transition metal elements, N is at least one of Al and Be; a, b, c, and d represent atomic percentages, where a is about 30 to 70, b is about 25 to 60, c is about 5 to 30, and d is about 0.1 to 5.
상기 구체예들 중 임의의 구체예에서, 비정질 합금의 구성성분은 98.75%보다 낮은 순도를 가질 수 있다. 게다가, 비정질 합금은 적어도 200 ppm의 산소 불순물을 함유할 수도 있다.In any of the above embodiments, the composition of the amorphous alloy may have a purity of less than 98.75%. In addition, the amorphous alloy may contain at least 200 ppm of oxygen impurities.
본 발명의 Zr-계 또는 Ti-계 Sn-함유 합금은 임의의 통상적인 방식으로 제조될 수 있다. 한 구체예에서, 잉곳(ingot)은 성분 금속을 아크용융(arc-melting) 또는 유도용융(inductively melting)한 다음, 적절한 형태와 크기로 주조하여 제조될 수 있다. 비록 잉곳이 상기 구체예에서 언급되긴 했지만, 임의의 적절한 형태, 크기, 성형 및 용융 기술이 본 발명과 함께 사용될 수 있다. 비록 지르코늄이나 티타늄의 임의의 적절한 순도가 사용될 수 있을지라도, 본 발명의 한 구체예에서, 지르코늄 순도는 약 98%이다. 유사하게, 본 발명에서 주석 첨가물의 임의의 적절한 형태와 함량이 사용될 수 있다; 그러나 본 발명의 바람직한 구체예에서, 주석 함량은 0.5 내지 4.5 원자 퍼센트이다.The Zr-based or Ti-based Sn-containing alloys of the present invention can be prepared in any conventional manner. In one embodiment, the ingot can be prepared by arc-melting or inductively melting the component metal and then casting to the appropriate shape and size. Although the ingot is mentioned in the above embodiments, any suitable shape, size, molding and melting technique may be used with the present invention. Although any suitable purity of zirconium or titanium may be used, in one embodiment of the present invention the zirconium purity is about 98%. Similarly, any suitable form and content of tin additive may be used in the present invention; However, in a preferred embodiment of the present invention, the tin content is 0.5 to 4.5 atomic percent.
본 명세서는 다음의 데이터 그래프를 참조하여 더 잘 이해될 것인데, 이 그래프는 본 발명의 대표적인 구체예를 나타내고 본 발명 범위의 완전한 설명으로서 해석되어서는 안되며:
도 1은 본 발명에 따라 제조된 대표적인 비정질 합금의 특징에 대한 데이터의 플롯을 제공한다.The present specification will be better understood with reference to the following data graphs, which represent representative embodiments of the invention and should not be construed as a complete description of the scope of the invention:
Figure 1 provides a plot of data on the characteristics of exemplary amorphous alloys made in accordance with the present invention.
Zr-Cu-Ni-Al 합금 시스템에서 주석 첨가가 합금의 열적 특성에 미치는 영향을 연구하기 위하여,To investigate the effect of tin addition on the thermal properties of alloys in a Zr-Cu-Ni-Al alloy system,
(Zr50.75Cu36.25Ni4Al9)100-xSnx (Zr 50.75 Cu 36.25 Ni 4 Al 9 ) 100-x Sn x
상기 화학식에 따른 복합물을 구리 주형에 직접 아크주조(arc casting)하여 제조했다. x가 약 0 내지 5인 합금에 대하여 완전히 비정질인 상(phase)이 수득될 수 있는 것으로 결정되었다. 아래의 데이터 플롯에 나타나는 것과 같이, Tg 및 Tx 값은 오른쪽으로 약간 이동한 다음 왼쪽으로 이동하였고, 주석이 더 첨가됨에 따라 다시 오른쪽으로 이동했다. ΔT는 단지 1.5 원자 퍼센트의 주석이 시스템에 첨가된 후에만 눈에 띌 정도로 하락한다. 비록 Tg, Tx, 및 ΔT가 변할지라도, 합금의 비정질 상 형성 및 임계 냉각속도는 눈에 띌 정도로 변하지 않는다. 주석은 또한 저순도 구성성분을 가지는 Zr-Nb-Cu-Ni-Al, Zr-Ti-Cu-Ni-Be, Zr-Ti-Nb-Cu-Be, Zr-Ti-Cu-Ni-Be 및 Zr-Ti-Nb-Cu-Ni-Be 유리 형성(glass forming) 합금 시스템에 도입되었고, 완전히 비정질 단상인(monolithic) 인-시츄 복합 합금이 최대 5 원자 퍼센트의 주석을 사용하여 수득되었다. 일련의 Zr-Cu-Ni-Al 합금에 Sn을 첨가한 결과가 아래의 표 1에 요약되어 있다.Composites according to the above formula were prepared by direct casting to a copper mold. It has been determined that a completely amorphous phase can be obtained for an alloy of about 0 to 5 x. As shown in the data plot below, the values of T g and T x moved slightly to the right and then to the left, shifting to the right again as more annotations were added. ΔT drops noticeably only after a tin of 1.5 atomic percent is added to the system. Although T g , T x , and ΔT vary, the amorphous phase formation and critical cooling rate of the alloy do not change appreciably. Zr-Ti-Cu-Ni-Be, Zr-Ti-Cu-Ni-Be and Zr-Ti-Cu-Ni-Be having low purity components, A completely amorphous monolithic in-situ composite alloy was introduced into a Ti-Nb-Cu-Ni-Be glass forming alloy system and was obtained using up to 5 atomic percent tin. The results of adding Sn to a series of Zr-Cu-Ni-Al alloys are summarized in Table 1 below.
(℃)ΔT
(° C)
비록 특정한 구체예가 본 명세서에 개시되었지만, 당업자는 다음의 청구범위 내에 있는 대안의 Zr-계 또는 Ti-계 Sn-함유 합금 및 이러한 합금을 제조하는 방법을 문언상으로나 균등론 하에서 설계할 수 있고, 설계할 것이다.Although specific embodiments are disclosed herein, those skilled in the art will recognize that alternative Zr-based or Ti-based Sn-containing alloys and methods of making such alloys within the scope of the following claims may be designed in a literal or equivalent manner, something to do.
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