KR20180092011A - Titanium amorphos alloys with anti-wear and high-performance lubrication - Google Patents

Titanium amorphos alloys with anti-wear and high-performance lubrication Download PDF

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KR20180092011A
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구경진
사범동
김정욱
박은수
류욱하
안혜상
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엘지전자 주식회사
서울대학교산학협력단
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Abstract

The present invention relates to an amorphous alloy to have small friction resistance and improve wear resistance, a target composed of the amorphous alloy, and a compressor having a layer of the alloy as a lubricating layer. According to the present invention, a Ti-Cu-Ni-X quaternary amorphous alloy comprises Ti, Cu, Ni, and further, a quaternary element (X) to form a process point in all of a Ti-X binary system, a Cu-X binary system, and a Ni-X binary system. The amorphous alloy is used to control amorphous fine tissue as a main phase to secure high hardness and a low elastic coefficient of a lubricating layer. Therefore, reliability or durability of the compressor can be improved by restricting the lubricating layer to be peeled or broken from a base.

Description

내마모 고윤활 타이타늄 비정질 합금 {TITANIUM AMORPHOS ALLOYS WITH ANTI-WEAR AND HIGH-PERFORMANCE LUBRICATION}[0001] TITANIUM AMORPHOS ALLOYS WITH ANTI-WEAR AND HIGH PERFORMANCE LUBRICATION [0002]

본 발명은 마찰 저항이 작고 내마모성을 개선할 수 있는 비정질 합금과 상기 비정질 합금으로 이루어진 윤활층을 형성하기 위한 스퍼터링 타겟, 그리고 상기 윤활층을 포함한 압축기에 관한 것이다.The present invention relates to a sputtering target for forming a lubricating layer composed of an amorphous alloy and an amorphous alloy capable of reducing friction resistance and improving abrasion resistance, and a compressor including the lubricating layer.

일반적으로 에어컨, 냉장고 등의 공조기기에는 압축기와 같은 기계적 장치가 일반적으로 포함된다. 이러한 압축기는 유체를 압축하여 유체에 기계적 에너지를 가하는 원리를 이용하므로, 유체를 압축하기 위해서는 왕복 운동 또는 회전 운동이 필수적이다.Generally, air conditioners such as air conditioners and refrigerators generally include mechanical devices such as compressors. Such a compressor utilizes a principle of applying mechanical energy to a fluid by compressing the fluid, so that reciprocating motion or rotational motion is essential for compressing the fluid.

상기와 같은 압축기의 작동에는 압축기를 구성하는 기계적 요소들 간의 마찰이나 진동이 필연적으로 수반된다. 예를 들면, 로터리 압축기나 스크롤 압축기와 같이 회전을 기초로 작동하는 압축기에 있어서 회전축의 마찰은 피할 수 없다.The operation of such compressors necessarily involves friction or vibration between the mechanical components of the compressor. For example, in a compressor that operates based on rotation, such as a rotary compressor or a scroll compressor, friction of the rotary shaft can not be avoided.

일반적으로 압축기에서 마찰을 개선하기 위해서는 먼저 마찰저항을 줄이기 위해 베어링과 같은 별도의 기계적인 구성요소를 사용한다. 더 나아가 회전축과 상기 베어링의 마찰 저항까지도 줄이기 위해 윤활층을 형성한다.In general, to improve friction in a compressor, first use a separate mechanical component, such as a bearing, to reduce frictional resistance. Further, a lubricating layer is formed to reduce frictional resistance between the rotating shaft and the bearing.

종래에는 액상의 윤활막이 윤활층으로 주로 이용되었다. 그러나 최근에 들어와서는 주로 고체 윤활막을 코팅 베어링으로써 사용하여 마찰 및/또는 마모 등을 감소시키려고 노력이 진행되고 있다.Conventionally, a lubricating film of a liquid phase is mainly used as a lubricating layer. However, in recent years efforts have been made to reduce friction and / or wear, primarily by using solid lubricant films as coating bearings.

이러한 고체 윤활막을 적용시키는 방법으로, 상호 접촉하여 상대 운동하는 구성 요소의 일부 또는 전부 그리고 일 측 또는 양 측 마찰면에, 마찰 및 마모 특성이 우수한 고체 재료를 코팅하여 마찰면의 트라이볼로지(Tribology) 특성을 향상시키는 다양한 방법 및 공정들이 알려져 있다.As a method of applying such a solid lubricant film, a solid material having excellent friction and abrasion characteristics is coated on one or both of the components, which are in contact with each other and are relatively moving, and on one side or both sides of the friction surface to form a friction surface tribology ) Properties are known.

또한 고체 윤활막의 성분으로는, PTFE, MoS2, WS2, 인상흑연 등의 고체 윤활제, 세라믹 충전제, 기재에 대한 밀착성의 증대를 위해 실란 커플링재 등의 수지 등의 혼합재료를 포함한 유기물 기반의 윤활피막 조성물, 또는 cBN, TiC, TiN 등의 탄화물 또는 질화물을 주성분으로 하는 세라믹 기반의 윤활피막 조성물, 또는 Sn-Bi 합금과 같은 저융점 금속 기반의 윤활피막 조성물, 또는 중간층으로서 루브라이트(Lubrite) 층 위에 형성되는 PTFE, MoS2, WS2, 인상흑연 등의 고체 윤활제를 포함하는 복합 윤활피막 조성물, 또는 DLC(Diamond like carbon)와 같은 탄소 기반의 윤활피막 조성물 등이 알려져 있다.Examples of the components of the solid lubricant film include solid lubricants such as PTFE, MoS 2 , WS 2 and graphite, ceramic fillers, and organic material-based lubricants including a mixed material such as a silane coupling material Based coating composition comprising a carbide or nitride such as cBN, TiC, TiN or the like, or a lubricating coating composition based on a low melting point metal such as Sn-Bi alloy, or a lubricating coating composition based on a lubrite layer A composite lubricating coating composition comprising a solid lubricant such as PTFE, MoS 2 , WS 2 , and graphite impregnated on the surface of the base material, or a carbon-based lubricating coating composition such as DLC (Diamond like carbon).

한편, 최근 들어 가전 기기들의 소형화 추세에 따라 압축기도 점점 고속화 및 소형화가 급속하게 진행되고 있다. 압축기의 소형화 및 고속화는 결국 압축기가 작동되는 조건이 점점 더 가혹해짐을 의미한다. 특히 고속화 및 소형화 조건으로 설계된 압축기가 대형의 압축기와 동등 혹은 그 이상의 효율을 발휘하기 위해서는 가혹한 운전 조건에서도 열화되지 않아야 한다. 따라서 고체 윤활막을 이용한 마찰 및 마모 저감 방법은 그 중요성이 더해가고 있다. On the other hand, in recent years, as the size of home appliances has become smaller, compressors are rapidly increasing in speed and miniaturization. The miniaturization and speeding up of the compressor means that the conditions under which the compressor is operated become increasingly severe. In particular, a compressor designed for high-speed and small-sized conditions must not deteriorate under severe operating conditions in order to exhibit efficiency equal to or higher than that of a large-sized compressor. Therefore, friction and wear reduction methods using solid lubricant films are becoming more important.

그러나 종래 고체 윤활막 성분들은 소형화 및 고속화된 압축기에 사용되기에 기술적 한계를 드러내고 있다. 예를 들면, 망간계 피막은 자기 소진에 의해 저마찰 특성이 유지되므로 가혹한 운전 조건에서는 내마모성에 대한 신뢰성 및 효율 개선 측면에서 한계가 있었다. 또한 DLC의 경우 루브라이트 코팅 대비 마모성 손실에 대한 향상이 보고되고 있으나, 압축기에 사용되는 오일의 첨가제와의 친화력이 부족하여 저속 운전의 특성 개선에는 한계가 있다. However, the conventional solid lubricant film components have technical limitations because they are used in compact and high-speed compressors. For example, the manganese-based coating has a low friction property due to self-exhaustion, and thus has limitations in improving reliability and efficiency in abrasion resistance under severe operating conditions. In addition, DLC has been reported to have improved abrasion loss in comparison with the Lubrite coating, but it lacks affinity with the additives of the oil used in the compressor, so there is a limit to the improvement of characteristics at low speed operation.

따라서 종래 고체 윤활막을 대체할 수 있는 새로운 성분의 고체 윤활막 및 이를 적용한 압축기에 대한 요구가 증대되고 있다.Therefore, there is a growing demand for a new solid lubricant film that can replace the conventional solid lubricant film and a compressor using the same.

관련된 선행기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0145219호가 있으며, 상기 선행문헌에는 비정질 형성능을 갖는 Zr기 비정질 합금 조성물이 개시되어 있다.A related prior art is Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2014-0145219, which discloses a Zr-based amorphous alloy composition having amorphous forming ability.

본 발명은 에어컨, 냉장고와 같은 공조기기의 압축기에 사용되는 윤활층에 있어서, 윤활층의 마찰 특성과 내마모성을 향상시키기 위해 새로운 성분 및 미세조직을 가지는 윤활층을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a lubricating layer having a new component and a microstructure in a lubricating layer used in a compressor of an air-conditioning equipment such as an air conditioner and a refrigerator, in order to improve friction characteristics and wear resistance of the lubricating layer.

구체적으로, 본 발명은 새로운 윤활층으로서 새로운 조성범위의 Ti-Cu-Ni-X 4원계(Quaternary) 합금을 제공하여, 압축기를 구성하는 구성요소 사이의 마찰 저항을 감소시킨 새로운 비정질 코팅을 가지는 윤활층을 제공하는 것을 목적으로 한다.Specifically, the present invention provides a new composition range of Ti-Cu-Ni-X quaternary alloys as a new lubricant layer to provide a new amorphous coating with reduced friction resistance between components constituting the compressor Layer. ≪ / RTI >

보다 구체적으로, 마찰저항을 줄일 수 있는 고경도 상의 석출이 가능한 Ti rich 영역에서도 비정질을 형성할 수 있는 새로운 조성범위의 Ti-Cu-Ni-X 4원계 합금을 제공하여, 마찰저항과 내구성을 개선한 새로운 비정질 코팅을 가지는 윤활층을 제공하는 것을 목적으로 한다.More specifically, it provides a new composition range Ti-Cu-Ni-X quaternary alloy capable of forming amorphous in a Ti rich region capable of precipitating a high-hardness phase capable of reducing frictional resistance, thereby improving friction resistance and durability And a lubricating layer having a new amorphous coating.

또한, 본 발명은 상기 비정질 코팅층을 형성하기 위해, 비정질 형성능을 가지는 특정 조성범위의 Ti-Cu-Ni-X 4원계 합금으로 된, 열적 안정성이 비정질에 비해 현저하게 우수한 결정질 스퍼터링 타겟을 제공하는 것을 목적으로 한다Further, the present invention provides a crystalline sputtering target comprising a Ti-Cu-Ni-X quaternary alloy having a specific composition range having amorphous ability to form the amorphous coating layer and having thermal stability remarkably superior to amorphous The purpose

이와 더불어, 본 발명은 상기 스퍼터링 타겟을 이용하여 윤활층을 형성함으로써 종래보다 개선된 마찰저항, 내마모성 및 길들임 특성의 윤활층을 가지는 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다. In addition, it is an object of the present invention to provide a compressor having a lubricating layer of improved frictional resistance, wear resistance, and tame characteristics than conventional ones by forming a lubricating layer using the sputtering target.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따르면, Ti와 Cu와 Ni을 포함하며, Ti-X 2원계(Binary), Cu-X 2원계, 및 Ni-X 2원계 모두에서 공정점(Eutectic point)을 형성할 수 있는 제 4 원소(X)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, Ti-Cu-Ni-X 4원계 비정질 합금이 제공될 수 있다. According to one aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device including Ti, Cu, and Ni, Ti-Cu-Ni-X quaternary amorphous alloy characterized in that it further comprises a fourth element (X) capable of forming an eutectic point.

바람직하게는, 상기 제 4 원소(X)의 원자 반경은 Ti와 Cu와 Ni 각각의 원자반경과 12% 이상 차이가 나는 Ti-Cu-Ni-X 4원계 비정질 합금이다.Preferably, the atomic radius of the fourth element (X) is a Ti-Cu-Ni-X quaternary amorphous alloy having a difference of 12% or more from the atomic radius of each of Ti, Cu and Ni.

바람직하게는, 상기 제 4 원소(X)는 Ti, Cu 및 Ni 과 각각 혼합시 커다란 음의 혼합열(Negative heat of mixing) 관계를 가지는 Ti-Cu-Ni-X 4원계 비정질 합금이다.Preferably, the fourth element X is a Ti-Cu-Ni-X quaternary amorphous alloy having a large negative heat of mixing when mixed with Ti, Cu, and Ni, respectively.

바람직하게는, 상기 제 4 원소(X)는 Si인 Ti-Cu-Ni-X 4원계 비정질 합금이다.Preferably, the fourth element (X) is a Ti-Cu-Ni-X quaternary amorphous alloy which is Si.

이 때, 상기 합금은 원자 %로, Ti: 65~80 %, Cu: 5~20 %, Ni: 5~25 %, Si: 9% 이하(0은 제외)의 조성범위를 가지는 Ti-Cu-Ni-X 4원계 비정질 합금이다.At this time, the alloy is preferably a Ti-Cu-Cu alloy having a composition range of 65 to 80% of Ti, 5 to 20% of Cu, 5 to 25% of Ni, and 9% or less of Si (excluding 0) Ni-X quaternary amorphous alloy.

특히, 상기 합금은 원자 %로, Ti: 65~80 %, Cu: 5~15 %, Ni: 10~20 %, Si: 9% 이하(0은 제외)의 조성범위를 가지는 Ti-Cu-Ni-X 4원계 비정질 합금이다.Particularly, the alloy contains Ti-Cu-Ni having a composition range of 65 to 80% Ti, 5 to 15% of Cu, 10 to 20% of Ni and 9% or less of Si (excluding 0) -X is a quaternary amorphous alloy.

특히, 상기 Ti은 Cu 및/또는 Ni과 금속간화합물(Intermetallic compound)을 형성하는 Ti-Cu-Ni-X 4원계 비정질 합금이다.In particular, the Ti is a Ti-Cu-Ni-X quaternary amorphous alloy which forms an intermetallic compound with Cu and / or Ni.

또한, 상기 Si은 Ti과 타이타늄 실리사이드(Titanium silicide)을 형성하는 Ti-Cu-Ni-X 4원계 비정질 합금이다.The Si is a Ti-Cu-Ni-X quaternary amorphous alloy which forms Ti and titanium silicide.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 어느 하나의 Ti-Cu-Ni-X 4원계 조성을 포함하는 스퍼터링 타겟이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a sputtering target comprising any one of the Ti-Cu-Ni-X tetravalent elements described above.

바람직하게는, 상기 타겟의 미세조직은 결정질인 스퍼터링 타겟이다.Preferably, the target microstructure is a crystalline sputtering target.

바람직하게는, 상기 타겟의 결정립 평균 크기는 0.1~10㎛ 범위인 스퍼터링 타겟이다.Preferably, the average grain size of the target is in the range of 0.1 to 10 mu m.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 어느 하나의 Ti-Cu-Ni-X 4원계 비정질 합금으로 된 윤활층을 포함하는 압축기가 제공된다..According to another aspect of the present invention, there is provided a compressor comprising a lubricating layer of any one of the Ti-Cu-Ni-X quaternary amorphous alloys.

바람직하게는, 상기 윤활층은 강재, 주물, 알루미늄이 함유된 합금 및 마그네슘이 함유된 합금 중 적어도 하나를 포함하는 모재에 코팅되는 압축기이다.Preferably, the lubricating layer is a compressor coated on a base material comprising at least one of a steel material, a cast alloy, an alloy containing aluminum, and an alloy containing magnesium.

본 발명에 따르면, 상기 Ti-Cu-Ni-X 4원계 합금의 조성은 비정질 형성능을 가지므로 비정질을 포함하거나 더 나아가 비정질을 주상(Main phase)으로 하는 미세조직을 가질 수 있다. 그 결과 결정질 미세조직 대비 비정질 미세조직은 고유의 낮은 탄성계수뿐만 아니라 고경도 석출상을 통한 고경도화를 확보할 수 있다.According to the present invention, since the composition of the Ti-Cu-Ni-X quaternary alloy has an amorphous forming ability, it may contain amorphous or further have a microstructure in which the amorphous phase is a main phase. As a result, the amorphous microstructure with respect to the crystalline microstructure can secure not only the inherent low elastic modulus but also the hardness through the hardness precipitation phase.

더 나아가, 본 발명의 Ti-Cu-Ni-X 4원계 비정질 합금은, 종래의 기술인 Ti-Cu 2원계 비정질 합금이나 본 발명자들의 다른 발명의 결과인 Ti-Cu-Ni 3원계(Ternary) 비정질 합금 대비, Ti 조성이 더 rich한 영역에서 비정질 형성능을 가지므로 그 결과 고경도의 금속간화합물(Inter-metallic compound)이나 실리사이드(Silicide) 형성을 도모하여, 마찰저항과 내구성을 더욱 개선시킬 수 있는 윤활층을 형성할 수 있다.Further, the Ti-Cu-Ni-X quaternary amorphous alloy of the present invention can be obtained by a conventional Ti-Cu binary amorphous alloy or a Ti-Cu-Ni ternary amorphous alloy (TiO2), TiO2 (TiO2), TiO2 (TiO2), TiO2 (TiO2), and Ti Layer can be formed.

또한 본 발명의 스퍼터링 타겟은 타겟의 열적/기계적 안정성이 크게 개선되어 스퍼터링 과정 중에 타겟의 파괴 현상을 현저히 억제시킬 수 있어 스퍼터링 공정의 안정화를 향상시킬 수 있다. 또한 매우 균일한 미세조직을 가지게 되므로 타겟을 구성하는 4원계 다성분에서 유래한 각 성분들의 스퍼터링 수율(Yield) 차이에 의해 발생할 수 있는 타겟 조성과 박막 조성간의 조성편차를 해소하여, 조성 균일성 확보에 유리한 효과가 있다.In addition, the sputtering target of the present invention significantly improves the thermal / mechanical stability of the target, so that the destruction of the target during the sputtering process can be significantly suppressed, and the stabilization of the sputtering process can be improved. In addition, since it has a very uniform microstructure, the compositional deviation between the target composition and the thin film composition, which may be caused by the difference in the sputtering yield of each component derived from the quaternary multi-component constituting the target, .

또한 본 발명의 압축기는 상기 4원계 조성의 합금으로 코팅된 비정질 윤활층을 가지게 된다. 그 결과, 비정질 미세조직의 상대적으로 높은 경도로부터 압축기의 내마모성 및 마찰 특성에 유리한 효과를 얻을 수 있다. 이와 함께, 비정질 미세조직의 낮은 탄성계수는 모재인 금속의 탄성계수와 유사하므로, 윤활층이 기지로부터 박리되거나 파괴되는 것을 억제할 수 있어 압축기의 신뢰성 또는 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.Further, the compressor of the present invention has an amorphous lubricating layer coated with the alloy of the quaternary composition. As a result, it is possible to obtain an advantageous effect on the wear resistance and the friction characteristics of the compressor from the relatively high hardness of the amorphous microstructure. In addition, since the modulus of elasticity of the amorphous microstructure is similar to that of the matrix metal, it is possible to prevent the lubricating layer from being peeled or broken from the matrix, thereby improving the reliability or durability of the compressor.

도 1은 비정질 구조와 나노 결정질 구조로 이루어진 본 발명의 비정질 합금 또는 윤활층을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 비정질 금속을 금속 질화물 및 결정질 금속과 비교한 응력-변형률 곡선도이다.
도 3은 Ti와 Cu의 2원계 합금의 상평형도이다.
도 4는 3원계 합금의 평형상태도의 일례를 도시한 것이다.
도 5는 Ti와 Si의 2원계 합금의 상평형도이다.
도 6은 Cu와 Si의 2원계 합금의 상평형도이다.
도 7은 Ni과 Si의 2원계 합금의 상평형도이다.
도 8은 Ti-Cu-Ni-Si 4원계 합금의 구성 원소들 사이의 반경 차이와 혼합열을 나타낸 것이다.
도 9는 비정질 형성능을 조사한 조성영역을 마킹한 Ti-Cu-Ni 3원계 깁스 삼각형 (Gibbs triangle)을 도시한 것이다.
도 10은 Ti 65%-Cu 15%-Ni 20% 조성범위의 합금의 비정질 형성능을 나타내는 XRD 패턴이다.
도 11은 Ti 70%-Cu x%-Ni y%(x+y=30) 조성범위의 3원계 합금들의 비정질 형성능을 나타내는 XRD 패턴들이다.
도 12는 도 9의 Ti 70 라인에 Si 3%를 첨가한 4원계 합금의 비정질 형성능을 타나태는 XRD 패턴들이다.
도 13은 Ti 75%-Cu x%-Ni y%(x+y=25) 조성범위의 3원계 합금들의 비정질 형성능을 나타내는 XRD 패턴들이다.
도 14는 도 9의 Ti 75 라인에 Si 5%를 첨가한 4원계 합금의 비정질 형성능을 나타내는 XRD 패턴들이다.
도 15는 도 9의 Ti 80 라인에 Si 7%를 첨가한 4원계 합금의 비정질 형성능을 타나태는 XRD 패턴들이다.
도 16은 비정질 형성능을 가지는 것으로 조사된 Ti-Cu-Ni-Si 4원계 합금의 전체 조성범위를 도시한 것이다.
도 17은 본 발명의 윤활층이 적용되는, 회전축(11)과 베어링(12, 13)을 사용하는, 임의의 형태의 압축기(10)를 도시한 것이다.
FIG. 1 is a conceptual diagram for explaining an amorphous alloy or a lubricant layer of the present invention having an amorphous structure and a nanocrystalline structure.
2 is a stress-strain curve diagram comparing an amorphous metal with a metal nitride and a crystalline metal.
3 is a phase balance diagram of a binary alloy of Ti and Cu.
Fig. 4 shows an example of an equilibrium state diagram of a ternary alloy.
5 is a phase balance diagram of a binary alloy of Ti and Si.
6 is a phase balance diagram of a binary alloy of Cu and Si.
7 is a phase balance diagram of a binary alloy of Ni and Si.
Fig. 8 shows the radial difference and the mixing column between the constituent elements of the Ti-Cu-Ni-Si quaternary alloy.
9 shows a Ti-Cu-Ni ternary Gibbs triangle marking a composition region irradiated with amorphous forming ability.
10 is an XRD pattern showing an amorphous forming ability of an alloy having a composition range of Ti 65% -Cu 15% -Ni 20%.
11 is XRD patterns showing amorphous formability of ternary alloys having a composition range of 70% -Cu x% -Ni y% (x + y = 30) of Ti.
FIG. 12 shows XRD patterns in which amorphous forming ability of a quaternary alloy added with Si 3% to the Ti 70 line of FIG. 9 is observed.
13 is XRD patterns showing amorphous forming ability of ternary alloys having a composition range of Ti 75% -Cu x% -Ni y% (x + y = 25).
14 is XRD patterns showing the amorphous forming ability of a quaternary alloy added with 5% Si to the Ti 75 line of FIG.
FIG. 15 shows XRD patterns of the amorphous forming ability of a quaternary alloy added with 7% Si in the Ti 80 line of FIG.
16 shows the total composition range of a Ti-Cu-Ni-Si quaternary alloy irradiated with amorphous forming ability.
Fig. 17 shows a compressor 10 of any type, using a rotating shaft 11 and bearings 12, 13, to which the lubricant layer of the present invention is applied.

이하, 본원에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 타이타늄 비정질 합금, 상기 비정질 합금으로 된 윤활층을 형성하기 위한 스퍼터링 타겟, 및 상기 윤활층을 포함한 압축기를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a titanium amorphous alloy according to a preferred embodiment of the present invention, a sputtering target for forming a lubricating layer made of the amorphous alloy, and a compressor including the lubricating layer will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.It is to be understood that the present invention is not limited to the disclosed embodiments, but may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, It is provided to inform. Also, for convenience of explanation, the components may be exaggerated or reduced in size.

대부분의 고체재료는 미세 결정의 집합체로서, 3 차원 공간에서 각 원자는 장범위 병진 주기성(Long range translational periodicity)을 가지고, 정해진 결정 격자에 위치한다. 이와는 달리, 액체재료는 열 진동에 의해 병진 주기성이 결여된 무질서한 원자배열(Disordered structure)을 갖는다.Most solid materials are aggregates of microcrystals. In the three-dimensional space, each atom has a long range translational periodicity and is located in a defined crystal lattice. Alternatively, the liquid material has a disordered structure that lacks translational periodicity due to thermal vibrations.

원자구조 측면에서 비정질(Amorphous) 금속은, 결정질 합금의 전형적인 원자 구조인 장거리 규직적 배열 패턴들(Long-range order patterns)이 없고, 액체의 구조를 갖는 무질서한 상태로 존재하는 고체라는 점에서, 결정질 합금과 대비되는 개념이다.In terms of atomic structure, the amorphous metal is a crystalline solid in that it does not have long-range order patterns, which are typical atomic structures of crystalline alloys, and is a solid that exists in a disordered state with a liquid structure. It is a concept compared with alloy.

본 발명에서 비정질이라 함은 전체적으로 상기의 일반적인 개념의 비정질 구조가 미세조직상 주를 이루고, X-선 회절 패턴이 널리 퍼진(Diffuse) 할로(Halo) 형태를 이루는 등의 본 발명이 속하는 해당 기술분야에서 통상적으로 알려진 비정질 상의 특성을 가지는 경우를 포함한다.In the present invention, the term amorphous refers generally to an amorphous structure in which the general concept of the amorphous structure is a microstructure and the X-ray diffraction pattern is a diffuse halo, Lt; RTI ID = 0.0 > amorphous < / RTI >

더 나아가, 본 발명에서 비정질이라 함은, 조성물의 구조가 100% 비정질인 경우뿐만 아니라, 비록 결정질이 일부 포함된다 하더라도 비정질이 주상(main phase)으로 존재하여 비정질의 특성을 잃지 않는 경우까지도 포함한다. 구체적으로, 비정질 구조 내에 일부가 결정질(또는 나노 결정질)로 존재하거나, 일부 질화물 및/또는 탄화물 석출물이 존재하거나, 일부 금속간 화합물(Inter-metallic compound)이 존재하거나, 또는 일부 실리사이드가 존재하는 경우도 포함한다. 여기서 상기 나노 결정질이란 결정립의 평균크기가 나노 사이즈(수백 ㎚ 이하인 경우)인 금속합금을 의미한다.Furthermore, in the present invention, the term amorphous refers not only to the case where the composition of the composition is 100% amorphous, but also to the case where the amorphous state exists in the main phase and does not lose the property of the amorphous state, . Specifically, in the case where a part is present as crystalline (or nanocrystalline) in the amorphous structure, some nitride and / or carbide precipitates are present, some intermetallic compound exists, or some silicide exists . Here, the nanocrystalline means a metal alloy having an average size of crystal grains of nano size (when it is several hundreds nm or less).

본 발명에서 비정질 형성능(Glass Forming Ability, GFA)이란 특정조성의 합금이 얼마나 용이하게 비정질화 될 수 있는가를 나타낸 것이다. 일반적으로 금속 및/또는 합금의 비정질 형성능은 그 조성에 크게 좌우되며, 이 형성능은 연속 냉각 변태 곡선(Continuous cooling transformation diagram) 또는 시간-온도-변태 곡선(Time-Temperature-Transformation diagram)으로부터 비정질을 형성할 수 있는 임계 냉각속도(Critical cooling rate, 이하 Rc라 한다)를 계산하여 직접적으로 평가할 수 있다. 그러나 현실적으로는 각 합금의 조성에 따른 용탕(Melt)의 점성이나 융해 잠열 등의 물성치가 다르므로, 실험이나 계산에 의해 Rc를 구하는 것은 용이하지 않다.The glass forming ability (GFA) in the present invention indicates how easily an alloy of a specific composition can be amorphized. Generally, the amorphous formability of metals and / or alloys depends largely on their composition, and this ability to form amorphous from continuous cooling transformation diagrams or time-temperature-transformation diagrams The critical cooling rate (hereinafter referred to as Rc), which can be measured, can be directly evaluated. However, in reality, it is not easy to obtain Rc by experiments or calculations because the physical properties such as melt viscosity and latent heat of fusion are different depending on the composition of each alloy.

가장 통상적이고 일반적인 방법인 주조를 통해 비정질 합금을 형성하기 위해서는 Rc 이상의 일정 수준 이상의 높은 냉각속도를 필요로 한다. 만일 응고속도가 상대적으로 느린 주조방법(예를 들면 금형주조법)을 이용할 경우 비정질 형성 조성범위는 줄어든다. 이와는 달리, 회전하는 구리 롤에 용융합금을 떨어뜨려 리본이나 선재로 합금을 응고시키는 멜트스피닝(Melt spinning)과 같은 급속응고법은 104 ~ 106 K/sec 이상의 극대화된 냉각속도를 이용하여 통상적으로 수십 ㎛ 두께의 비정질 리본을 얻을 수 있어서 비정질을 형성할 수 있는 조성범위가 확대되게 된다. 따라서 특정 조성이 어느 정도의 비정질 형성능을 가지고 있는지에 대한 평가는 일반적으로 주어진 냉각공정의 냉각속도에 따라 상대적인 값을 나타내는 특징을 가진다. In order to form amorphous alloys through the most common and common method of casting, a higher cooling rate above a certain level of Rc is required. If a casting method in which the solidification rate is relatively slow (for example, a mold casting method) is used, the composition range of the amorphous formation is reduced. Alternatively, the rapid solidification method, such as melt spinning, in which a molten alloy is dropped on a rotating copper roll to solidify the alloy with a ribbon or wire rod, is usually carried out using a maximized cooling rate of 10 4 to 10 6 K / sec or more An amorphous ribbon having a thickness of several tens of micrometers can be obtained, thereby widening the composition range capable of forming amorphous. Therefore, the evaluation of the degree of amorphous formability of a particular composition is generally characterized by a relative value depending on the cooling rate of a given cooling process.

이와 같은 비정질 형성능의 상대적인 특성을 고려하여, 본 발명에 있어서 비정질 형성능을 가지는 합금의 의미는 멜트스피닝법을 사용하여 주조시 비정질 리본을 얻을 수 있는 합금을 의미한다. In consideration of the relative characteristics of amorphous forming ability, the alloy having amorphous forming ability in the present invention means an alloy capable of obtaining an amorphous ribbon when casting using a melt spinning method.

본 발명의 비정질 합금은 압축기, 보다 구체적으로 회전축 또는 회전축과 베어링의 마찰 부위에 형성되는 윤활층으로 적용될 수 있다. 본 발명에서의 윤활층은 내구성, 저마찰 특성, 내열성, 길들임 특성을 개선시킬 수 있다. The amorphous alloy of the present invention can be applied to a compressor, more specifically, a lubricating layer formed at a friction portion of a rotating shaft or a rotating shaft and a bearing. The lubricating layer in the present invention can improve the durability, the low friction property, the heat resistance, and the tame property.

TiTi -Cu--Cu- NiNi -X -X 4원계Quaternary 비정질 합금 Amorphous alloy

도 1은 본 발명의 비정질 합금 또는 고체 윤활층을 설명하기 위한 개념도이다.1 is a conceptual diagram for explaining an amorphous alloy or solid lubricant layer of the present invention.

도 1에서 도시한 본 발명에서의 윤활층은, 회전축과 베어링의 마찰 부위에 형성된 예를 도시한 것이다. 도 1에는 윤활층(20)과 상기 윤활층(20)이 형성되는 모재(11, 12, 13)를 도시하였다. 윤활층(20)이 코팅되는 모재(11, 12, 13)는 구조용 재료로 사용될 수 있는 모든 재료를 포함할 수 있다. 다만, 다른 재료보다는 금속이 더욱 바람직한데, 이는 금속 고유의 높은 열전도도에 의한 급속한 냉각이 가능하여 윤활층(20)의 비정질 형성을 촉진시킬 수 있기 때문이다.The lubricating layer in the present invention shown in Fig. 1 shows an example in which the lubricating layer is formed at the friction portion between the rotating shaft and the bearing. 1 shows the lubrication layer 20 and the base materials 11, 12 and 13 on which the lubricating layer 20 is formed. The base material 11, 12, 13 to which the lubricating layer 20 is coated may comprise any material that can be used as a structural material. However, metals are more preferable than other materials because rapid cooling due to inherent high thermal conductivity of the metal is possible, which can promote amorphous formation of the lubricating layer 20. [

본 발명에서의 윤활층(20)은 비정질(21)로만 이루어지거나, 또는 주상(Main phase)이 비정질이거나, 비정질(21)과 나노 크기의 결정질(22)이 혼합된 복합구조를 가질 수도 있다.The lubricating layer 20 in the present invention may be composed of only the amorphous material 21 or may have a composite structure in which the main phase is amorphous or the amorphous material 21 and the nano-sized crystalline material 22 are mixed.

도 2는 비정질 금속(Metallic glass)을 금속 질화물(Metal nitride) 및 결정질 금속(Crystalline metal)과 비교한 응력-변형률 곡선이다. 여기서 응력은 재료에 외력을 가했을 때 재료 내에 생기는 저항력을 가리킨다. 변형률은 재료에 생긴 변형량과 재료의 원래 길이의 비율을 가리킨다. 응력-변형률 곡선에서의 기울기는 탄성 계수에 해당한다.FIG. 2 is a stress-strain curve obtained by comparing an amorphous metal with a metal nitride and a crystalline metal. Here, the stress refers to the resistance generated in the material when an external force is applied to the material. Strain rate refers to the ratio of deformation to material and the original length of material. The slope in the stress-strain curve corresponds to the modulus of elasticity.

일반적으로 윤활층의 내구성(내마모성에 대한 신뢰성)은 경도(H)와 탄성 계수(E)의 비(H/E)로 평가할 수 있다. 경도와 탄성 계수의 비가 상대적으로 큰 값을 갖는다는 것은 윤활층의 내구성이 높아 박리 또는 파괴될 가능성이 낮다는 것을 의미한다.In general, the durability (reliability against abrasion resistance) of the lubricating layer can be evaluated by the ratio (H / E) between the hardness (H) and the elastic modulus (E). The relatively large value of the ratio of hardness to elastic modulus means that the durability of the lubricating layer is high and the possibility of peeling or fracture is low.

만일 모재(11, 12, 13)와 윤활층(20) 간의 계면 탄성 특성(또는 기계적 특성)이 유사하지 않으면, 변형 중 잔류응력의 영향으로 윤활층(20)이 모재(11, 12, 13)로부터 쉽게 박리되거나 윤활층(20)이 파괴될 수 있다. 탄성 특성이 일치하지 않는다는 것은 모재(11, 12, 13)와 윤활층(20) 간의 탄성 계수 차이가 크다는 것을 의미한다. 종래의 윤활 소재들은 일반적으로 고경도 세라믹 상이 주를 이루어 큰 탄성계수를 갖는다. 이에 따라 종래의 윤활 소재 들은 연질 결정상을 석출시키더라도 모재(11, 12, 13)와 큰 탄성계수 차이를 갖기 때문에 초기 윤활 성능은 우수하더라도 낮은 계면 안정성을 보인다. 그 결과 종래의 윤활 소재들은 모재로부터 쉽게 박리되거나 파괴되어 지속 가능성을 충분히 갖지 못하였다. 윤활층(20)의 박리 또는 파괴가 발생한다는 것은 윤활층(20)의 내구성(내모성에 대 한 신뢰성)이 낮다는 것을 의미한다.12 and 13 due to the influence of residual stress during deformation when the interface elasticity characteristics (or mechanical characteristics) between the base materials 11, 12 and 13 and the lubricating layer 20 are not similar, Or the lubricant layer 20 may be broken. The fact that the elastic characteristics do not coincide means that the elastic modulus difference between the base material 11, 12, 13 and the lubricating layer 20 is large. Conventional lubricating materials generally have a high modulus of elasticity due to the high hardness ceramic phase. Accordingly, even though the conventional lubricating materials deposit a soft crystalline phase, since they have a large elastic modulus difference with the base materials 11, 12 and 13, they exhibit low interfacial stability even when the initial lubrication performance is excellent. As a result, conventional lubricant materials are not readily sustainable because they are easily peeled or broken from the base material. The occurrence of peeling or fracture of the lubricating layer 20 means that the durability (reliability against abrasion resistance) of the lubricating layer 20 is low.

금속 질화물은 매우 높은 경도를 갖는다. 그러나 금속 질화물은 도 2에 도시된 그래프의 기울기로부터 알 수 있듯이 높은 탄성 계수를 갖는다. 또한 금속 질화물은 0.5% 이하의 낮은 탄성 변형률을 갖는다. 결과적으로 금속 질화물은 상대적으로 높은 경도로 인해 고경도 윤활층을 형성할 수 있는 반면, 상대적으로 높은 탄성 계수로 인해 내구성 확보에 어려움이 있다.The metal nitride has a very high hardness. However, the metal nitride has a high modulus of elasticity, as can be seen from the slope of the graph shown in Fig. Also, the metal nitride has a low elastic strain of 0.5% or less. As a result, the metal nitride can form a hardness lubricating layer due to its relatively high hardness, but it is difficult to secure durability due to a relatively high elastic modulus.

한편, 결정질 금속은 도 2에 도시된 그래프의 기울기로부터 알 수 있듯이 매우 낮은 탄성 계수를 갖는다. 그러나 결정질 금속은 금속 질화물과 마찬가지로 0.5% 이하의 낮은 탄성 변형률을 갖는다. 결정질 금속의 탄성 변형률은 매우 작아서, 통상적으로 0.2% 이상의 변형률부터 소성 변형(Plastic deformation)이 일어난 것으로 간주된다(0.2% Offset yield strain). 더 나아가 결정질 금속의 경도는 금속 질화물에 비해 매우 낮은 경도를 갖는다. 그 결과 결정질 금속은 낮은 탄성 계수로 인해 윤활층의 내구성은 어느 정도 확보할 수 있는 반면, 상대적으로 낮은 경도로 인해 고경도 윤활층을 형성하기는 어렵다. On the other hand, the crystalline metal has a very low modulus of elasticity, as can be seen from the slope of the graph shown in Fig. However, the crystalline metal has a low elastic strain of 0.5% or less like a metal nitride. The elastic strain of the crystalline metal is so small that a plastic deformation typically occurs from a strain of 0.2% or more (0.2% Offset yield strain). Further, the hardness of the crystalline metal has a much lower hardness than the metal nitride. As a result, it is difficult to form a high hardness lubricant layer due to the relatively low hardness, while the crystalline metal has a certain degree of durability of the lubricant layer due to a low elastic modulus.

한편, 금속 질화물과 결정질 금속의 상기 결과에서 확인할 수 있는 바와 같이 일반적으로 경도가 높아지면 탄성 계수도 높아지는 경향을 갖는다. 반대로 탄성 계수가 낮아지면 경도도 같이 낮아지는 경향을 갖는다. 따라서 경도와 탄성 계수의 비를 동시에 향상시키는 것은 매우 어렵다. 이는 높은 경도와 낮은 탄성 계수를 통해 고경도 윤활층의 내구성을 확보한다는 것이 어렵다는 것을 의미한다. On the other hand, as can be seen from the above results of the metal nitride and the crystalline metal, the elastic modulus tends to increase as the hardness increases. On the contrary, when the elastic modulus is lowered, the hardness also tends to be lowered. Therefore, it is very difficult to simultaneously improve the ratio of hardness and modulus of elasticity. This means that it is difficult to ensure the durability of the high hardness lubricant layer through high hardness and low modulus of elasticity.

그러나 본 발명은 비정질과 나노 결정질로 이루어진 복합구조의 미세조직을 통해 고경도 및 저탄성 계수를 구현할 수 있다. 비정질 금속의 경도는 금속 질화물에 비해서는 낮은 경도를 가지나, 결정질 금속에 비해서는 높은 경도를 갖는다. 도 2를 참조하면 비정질 금속의 탄성 계수는 결정질 금속이나 금속 질화물의 탄성 계수에 비해 매우 낮다. 또한 비정질 금속의 탄성 변형한계는 1.5% 이상이므로, 비정질 금속은 넓은 탄성 한계를 나타내어 윤활층과 마찰재 간의 완충 역할을 수행한다. However, the present invention can achieve high hardness and low elastic modulus through the microstructure of a composite structure composed of amorphous and nanocrystalline. The hardness of the amorphous metal is lower than that of the metal nitride, but has a higher hardness than the crystalline metal. Referring to FIG. 2, the modulus of elasticity of the amorphous metal is much lower than that of the crystalline metal or metal nitride. Since the elastic deformation limit of the amorphous metal is more than 1.5%, the amorphous metal exhibits a wide elastic limit and serves as a buffer between the lubricating layer and the friction material.

따라서 앞서 설명했던 금속 재료에서의 일반적인 경향과 달리 비정질 금속은 고경도, 저 탄성 계수 및 큰 탄성 변형률을 갖는다. 이에 따라 비정질 금속의 경도와 탄성 계수의 비(H/E)는 결정질 금속이나 금속 질화물이 비해 큰 값을 갖는다. Therefore, unlike the general tendency in the metal materials described above, the amorphous metal has a high hardness, a low elastic modulus and a large elastic strain. Accordingly, the ratio (H / E) between the hardness of the amorphous metal and the modulus of elasticity is larger than that of the crystalline metal or the metal nitride.

결과적으로 비정질 금속을 활용한 윤활층은 비정질의 고경도에서 기인한 내마모성뿐만 아니라 신뢰성(내구성)도 함께 갖는다는 장점이 있다. 보다 구체적으로, 도 1에서 도시된 본 발명에서의 윤활층(20)은 비정질(21) 형성능을 갖는 소재 및 조성으로 이루어지기 때문에 비정질(21)과 나노 결정질(22)로 이루어진 복합구조를 형성할 수 있다. 앞에서 설명한 바와 같이, 윤활층(20)의 박리 또는 파괴는 모재(11, 12, 13)와 윤활층(20) 간의 계면 탄성 특성(또는 기계적 특성) 불일치로 인해 발생한다. 그런데 본 발명에서의 비정질(21)을 포함하는 윤활층(20)은 결정질 합금에 비해 고경도 및 저탄성계수 값을 가지므로, 질화물 및/또는 탄화물 석출상 및/또는 금속간 화합물 및/또는 실리사이드 석출을 통해 고경도막을 형성하여도 윤활층(20)의 박리 또는 파괴를 최소화할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 윤활층 (20)은 종래의 윤활 소재들에 비해 내구성(내마모성에 대한 신뢰성)이 높다.As a result, the lubricating layer utilizing the amorphous metal has an advantage that it has not only abrasion resistance caused by amorphous hardness but also reliability (durability). More specifically, since the lubricating layer 20 of the present invention shown in FIG. 1 is made of a material and composition having amorphous (21) forming ability, it is possible to form a composite structure composed of amorphous material 21 and nanocrystal material 22 . As described above, peeling or fracture of the lubricating layer 20 occurs due to mismatch of the interface elastic properties (or mechanical properties) between the base materials 11, 12, 13 and the lubricating layer 20. However, since the lubricating layer 20 including the amorphous material 21 according to the present invention has a hardness and a low elastic modulus value as compared with the crystalline alloy, the nitride and / or carbide precipitation phase and / or the intermetallic compound and / Peeling or fracture of the lubricating layer 20 can be minimized even if a hard coating is formed through precipitation. Accordingly, the lubricating layer 20 of the present invention has higher durability (reliability against abrasion resistance) than conventional lubricating materials.

본 발명에서의 비정질 합금은 Ti-X 2원계, Cu-X 2원계, 및 Ni-X 2원계 모두에서 공정점을 형성할 수 있는 제 4 원소(X)를 추가로 포함하는 Ti-Cu-Ni-X 4원계 합금이다. 본 발명에서는 특히 Ti-Cu 2원계 합금이나 Ti-Cu-Ni 3원계 합금보다 Ti 함량이 더 높은(소위 말하는 Ti rich) 조성 영역에서 비정질 형성능을 가지는 4원계 합금을 발명하고자 한다.The amorphous alloy in the present invention is a Ti-Cu-Ni (Ni-X) alloy further comprising a fourth element (X) capable of forming process points in both Ti-X binary system, Cu- -X 4 It is an elemental alloy. In the present invention, in particular, a quaternary alloy having amorphous forming ability in a higher Ti content (so-called Ti rich) composition region than a Ti-Cu binary alloy or a Ti-Cu-Ni ternary alloy is invented.

Ti rich 조성을 가지는 Ti-Cu-Ni-X 4원계 합금을 채택한 이유는 Ti의 함량이 높아짐에 따라 합금 전체의 경도가 높아지기 때문이다. 특히 Ti의 함량이 높을수록, Ti이 다른 합금원소와 초고경도 특성 구현에 유리한 금속간 화합물(Inter-metallic compound)이나 실리사이드를 형성하기 쉬워지기 때문이다. 다만 아무리 고경도를 갖는다 하더라고 모재와의 계면 탄성 특성의 불일치가 발생하면, 윤활층의 파괴 내지는 박리가 발생할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 모재와 윤활층의 탄성 특성의 유사함을 위해 비정질 미세조직을 형성할 수 있는, 다시 말하면 우수한 비정질 형성능을 가질 수 있는 조성으로 Ti-Cu-Ni-X 4원계 합금을 설계하였다The reason why the Ti-Cu-Ni-X quaternary alloy having the Ti rich composition is adopted is that the hardness of the whole alloy increases as the content of Ti increases. Particularly, the higher the content of Ti, the easier it is for Ti to form an inter-metallic compound or a silicide which is advantageous for realizing other alloying elements and ultrahigh hardness characteristics. However, even if it has a high hardness, if there is a discrepancy in interfacial elasticity properties with the base material, breakage or peeling of the lubricating layer may occur. Therefore, in the present invention, a Ti-Cu-Ni-X quaternary alloy is designed to have an amorphous microstructure capable of forming amorphous microstructure, that is, a composition capable of forming excellent amorphous properties, in order to resemble elastic properties of a base material and a lubricant layer

일반적인 금속들과 유사하게 Ti 합금도 일반적인 조성 및 제조방법에서는 주로 결정질 합금이 만들어지므로, 비정질 형성능을 갖는 조성은 좁은 범위를 갖는 것이 일반적이다. 그런데 지나치게 좁은 조성 범위는 비정질 형성능을 충분히 갖지 못할 수도 있을 뿐만 아니라 조성에 따라 달라지는 여러 가지 특성의 개선에도 한계를 가질 수 밖에 없다. Similar to common metals, Ti alloys are generally made of crystalline alloys in general compositions and manufacturing processes, so that compositions with amorphous forming ability generally have a narrow range. However, an excessively narrow composition range may not have sufficient amorphous forming ability, but also limits the improvement of various characteristics depending on the composition.

따라서 본 발명에서는 넓은 조성범위에서 비정질 형성능을 갖는 합금을 개발하고자 기존의 3원계(Ternary) Ti-Cu-Ni 합금을 기반으로, 녹는점을 낮출 수 있고 더 나아가 Ti과 고경도 상을 형성할 수 있는 Ti-Cu-Ni-X 4원계 합금을 설계하였다Therefore, in the present invention, in order to develop an alloy having amorphous forming ability over a wide composition range, it is possible to lower the melting point based on the existing ternary Ti-Cu-Ni alloy and further to form a high hardness phase with Ti Ti-Cu-Ni-X quaternary alloys were designed

일반적으로 2원계 합금, 예를 들면 Ti-Cu 합금의 상태도는 2차원 평면으로 표시될 수 있다(도 3). 상기 2원계 상태도는 어떠한 조건(예를 들면 조성 또는 온도)에서 열역학적으로 가장 안정한 평형 상(들) 및 각 상들의 분율 등을 정량적으로 보여준다.In general, the state diagram of a binary alloy, for example a Ti-Cu alloy, can be expressed in a two-dimensional plane (Fig. 3). The bimodal state diagram quantitatively shows the equilibrium phase (s) and the fraction of each phase thermodynamically most stable under certain conditions (e.g., composition or temperature).

그런데 3원계 합금, 예를 들면 A-B-C 합금의 상태도는 3차원 삼각기둥이 된다(도 4). 이 때, 삼각기둥의 x-y 평면에서의 삼각형(통상적으로 깁스 삼각형 (Gibbs triangle) 이라 한다)은 3 성분의 조성범위를 나타내고, z 방향은 온도를 나타낸다. 따라서 2원계 합금과 달리 3원계 합금은, 제3 원소의 첨가로 인해 평형 상태도가 2차원 평면이 아닌 3차원 입체가 되어, 금속학적인 정보를 측정하고 평가하는 것이 지극히 어려워진다.However, the state diagram of the ternary alloy, for example, the A-B-C alloy, is a three-dimensional triangular pole (Fig. 4). At this time, a triangle in the xy plane of the triangular pillar (commonly referred to as a Gibbs triangle) represents the composition range of the three components and the z direction represents the temperature. Therefore, unlike binary alloys, it is extremely difficult to measure and evaluate metallurgical information because the equilibrium state of the ternary alloy becomes a three-dimensional solid rather than a two-dimensional plane due to the addition of the third element.

이에 더하여 본 발명에서 발명하고자 하는 Ti-Cu-Ni-X 4원계 비정질 합금의 특정 조건(예를 들면 조성 또는 온도)에서의 평형상과 미세조직을 알기 위해서는, 기본적으로 4개의 3원계 상태도가 필요하고(Ti-Cu-Ni, Ti-Cu-X, Ti-Ni-X 및 Cu-Ni-X 3원계 상태도) 또한 상기 Ti-Cu-Ni 3원계 성분에 X 성분이 첨가될 때 각 성분들간의 상호작용 인자가 결정되어야 한다. In addition, in order to understand the equilibrium phase and microstructure of Ti-Cu-Ni-X quaternary amorphous alloy to be invented in the present invention under specific conditions (for example, composition or temperature), four ternary phase diagrams are basically required (Ti-Cu-Ni, Ti-Cu-X, Ti-Ni-X and Cu-Ni-X ternary phase diagrams) When the X component is added to the Ti- Should be determined.

그러나 상기와 같은 정보는 현실적으로 실험이나 평가가 매우 어렵다. 따라서 본 발명에서는 본 발명자들이 연구하고 있는 3원계(Ternary) Ti-Cu-Ni 비정질 합금의 구성성분인 Ti, Cu 및 Ni 각각과 Ti-X, Cu-X, 및 Ni-X의 2원계 합금들을 형성할 때, 상기 2원계 합금들의 융점을 낮출 수 있는 제 4원소(X)를 먼저 조사하였다.However, the above information is difficult to be practically tested or evaluated. Therefore, in the present invention, the present inventors have found out that Ti, Cu and Ni, which are constituent components of a ternary Ti-Cu-Ni amorphous alloy, and binary alloys of Ti-X, Cu-X and Ni- The fourth element (X) capable of lowering the melting point of the binary alloys was first investigated.

일반적으로 융점이 낮은 금속은 비정질 형성능에 있어 다음과 같은 유리한 점이 있다.In general, metals with low melting points have the following advantages in amorphous formability.

먼저, 일반적으로 물질의 이동 현상은, 액상에서의 대류나 고상에서의 확산 모두 열적 활성화 과정(Thermal activation process)으로 분류된다. 따라서 융점이 낮을수록 액상이 저온에서 존재할 수 있으므로, 액상이 고상으로 상변태(Phase transformation)할 때 물질의 이동이 느려져서 평형상인 결정질이 형성될 가능성은 더욱 낮아지게 된다.First, in general, the transfer phenomenon of a substance is classified into a thermal activation process in both convection in a liquid phase and diffusion in a solid phase. Therefore, as the melting point is lower, the liquid phase may be present at a low temperature, and therefore, when the liquid phase is phase-transformed into a solid phase, the movement of the material is slowed, so that the possibility of formation of an equilibrium crystal is further lowered.

다음으로, 액상에서 고상으로의 상변태는 고상의 핵생성(Nucleation) 과정에서 생겨나는 고상-액상 계면에너지라는 에너지 장벽으로 인해 항상 과냉(Under-cooling)이 필요하다. 이는 액상이 열역학적인 평형온도보다 실질적으로는 더 낮은 온도에서도 존재한다는 것을 의미한다.Next, the phase transformation from liquid phase to solid phase always requires under-cooling due to the energy barrier of solid-liquid interface energy generated in the nucleation process of solid phase. This means that the liquid phase is also present at a temperature substantially lower than the equilibrium temperature, which is thermodynamic.

따라서 본 발명에서는 융점을 가장 낮출 수 있는 성분을 찾고자 상기의 Ti, Cu, 및 Ni의 성분들과 공정점(Eutectic point)을 형성할 수 있는 제4원소(X)를 먼저 조사하였다. 공정(Eutectic)이라는 용어에서도 알 수 있듯이, 공정점은 어떤 합금계에서 가장 낮은 온도까지 액상이 유지될 수 있는 온도를 의미하기 때문이다. 결국 공정점 근처의 조성은, 열역학 측면에서 액상이 가장 낮은 온도에서 존재할 수 있는 조성에 해당하고, 이에 더하여 반응속도론(Kinetics) 측면에서도 핵생성에 있어 다상이 동시에 석출하기 위해 더 큰 과냉이 발생하므로, 결과적으로 Ti-Cu-Ni-X 4원계 합금에서 비정질 형성능을 확보할 수 있는 가장 유리한 조성이 된다.Therefore, in the present invention, the elements of Ti, Cu, and Ni and the fourth element (X) capable of forming an eutectic point were firstly searched to find a component capable of minimizing the melting point. As the term eutectic indicates, the process point is the temperature at which the liquid phase can be maintained at the lowest temperature in any alloy system. As a result, the composition near the process point corresponds to a composition that can exist at the lowest temperature of the liquid phase in terms of thermodynamics. In addition, in terms of kinetics, larger undercooling As a result, it is the most favorable composition which can secure the amorphous forming ability in the Ti-Cu-Ni-X quaternary alloy.

도 5 내지 7은 각각 Ti-Si, Cu-Si 및 Ni-Si의 2원계 평형 상태도이다. 상기 상태도들에 도시된 바와 같이, Si은 Ti, Cu 및 Ni과 모두 공정점을 형성함을 알 수 있다. 예를 들어, Ti에 Si이 첨가되면, 공정점 조성인 약 13 at.%(이하 %라 한다) Si까지는 Si의 첨가량이 증가할수록 Ti-Si 합금의 융점은 낮아짐을 알 수 있다. 따라서 본 발명에서는 융점 하강 측면에서 Si을 Ti-Cu-Ni 3원계 합금의 융점을 크게 낮출 수 있는 합금 원소들 중 하나로 선정하였다.Figs. 5 to 7 are binary state equilibrium diagrams of Ti-Si, Cu-Si and Ni-Si, respectively. As shown in the above state diagrams, it can be seen that Si forms both process points with Ti, Cu and Ni. For example, when Si is added to Ti, the melting point of the Ti-Si alloy decreases as the amount of Si added increases to about 13 at.% (Hereinafter referred to as%) Si, which is a process point composition. Therefore, in the present invention, Si is selected as one of the alloying elements capable of greatly lowering the melting point of the Ti-Cu-Ni ternary alloy in terms of the lowering of the melting point.

일반적으로 금속이 비정질 형성능을 가지기 위해서는, 몇 가지의 경험법칙들을 만족해야 하는 것으로 알려져 있다. 본 발명에서는, 이 경험법칙들 가운데에 주요 구성원자들 사이에 12% 이상의 커다란 원자반경 차이가 있어야 하고, 구성원자들 사이에 커다란 음의 혼합열(Heat of mixing)을 가져야 한다는 것을, Si이 만족시키는지에 대해 조사하였다.In general, in order for metals to have amorphous formability, it is known that several rules of experience must be met. In the present invention, it is understood that among these empirical laws, there must be a large difference in atomic radius of 12% or more between the main constituent atoms and a large negative heat of mixing between the constituent atoms. .

도 8은 본 발명에서 발명하고자 하는 Ti-Cu-Ni-Si 4원계 합금의 구성원소들 사이의 반경 차이와 혼합열을 조사한 것이다. 도 8에 도시된 바와 같이, Si의 원자반경은 Ti, Cu 및 Ni의 원자반경과 최소 12% 이상의 차이를 보임을 알 수 있다. 또한 본 발명자들이 다른 발명에서 발명한 Ti-Cu-Ni 3원계 비정질 합금에서의 각 성분들끼리의 혼합열보다, Si과 Ti, Cu 및 Ni와의 혼합열이, 절대값이 더 큰 음의 혼합열을 가짐을 확인하였다.FIG. 8 is a diagram showing the radial difference between the constituent elements of the Ti-Cu-Ni-Si quaternary alloy to be invented in the present invention and the heat of mixing. As shown in FIG. 8, it can be seen that the atomic radius of Si is at least 12% different from the atomic radius of Ti, Cu and Ni. The present inventors have also found that the mixed heat of Si and Ti, Cu and Ni is higher than the mixed heat of the respective components in the Ti-Cu-Ni ternary amorphous alloy invented in another invention, Respectively.

상기와 같은 Si의 특성들로 인해, 본 발명자들은 Ti-Cu-Ni 3원계 비정질 합금의 Ti rich 조성영역에서의 비정질 형성능을 확보하고자 Si을 제4 원소로 선정하였다. Due to the characteristics of Si, the present inventors have selected Si as the fourth element in order to secure the amorphous forming ability in the Ti rich composition region of the Ti-Cu-Ni ternary amorphous alloy.

그런데 비정질 형성능을 확보할 수 있는 최선의 Si 함량은, 통상의 기술자에게 있어, 결코 쉽게 예측 가능하거나 용이하게 도출할 수 있는 구성에 해당하지 않는다. 왜냐하면 도 5 내지 7에도 도시된 바와 같이, Ti, Cu 및 Ni에 Si이 첨가되었을 때의 Si 첨가량에 대한 융점 하강의 정도는 각 원소에 따라 달라지고, 실리사이드를 형성하는 조성 역시 Ti, Cu 및 Ni 마다 서로 다르기 때문이다. However, the best Si content capable of securing the amorphous forming ability does not correspond to a structure that can be easily predicted or easily derived by an ordinary technician. 5 to 7, the degree of the lowering of the melting point with respect to the addition amount of Si when Si is added to Ti, Cu and Ni varies depending on each element, and the composition for forming the silicide is also Ti, Cu and Ni .

또한 공정점 조성 전까지 Si 첨가량을 늘리는 것이 합금의 융점 하강 측면에서는 유리하지만, Si 함량이 증가할수록 실리사이드(Silicide)의 분율이 증가한다는 다른 부작용이 나타나게 된다. 예를 들면, 도 5에서 도시된 바와 같이, Ti 기지 내에 약 5% 이상의 Si의 첨가는 실리사이드의 형성을 유발한다. 그런데, 실리사이드들 중 일부는 융점이 순수한 Ti 및 Si의 융점보다 더 높아서 합금의 비정질 형성능을 떨어뜨릴 뿐만 아니라 지나친 실리사이드의 석출은 기계적 특성 측면에서도 바람직하지 못한 결과를 초래할 수 있다. In addition, it is advantageous in terms of the lowering of the melting point of the alloy to increase the Si addition amount before the process point, but as the Si content increases, there arises another side effect that the fraction of the silicide increases. For example, as shown in FIG. 5, the addition of about 5% or more Si in the Ti matrix causes the formation of silicide. However, since some of the silicides have a melting point higher than the melting point of pure Ti and Si, not only the amorphous ability of the alloy is deteriorated, but excessive silicide precipitation may also have undesirable mechanical characteristics.

따라서 융점 하강과 실리사이드의 과도한 석출 억제를 동시에 얻을 수 있는 Si 함량의 도출이 매우 중요하다. 본 발명에서는 Ti-Cu-Ni-Si 4원계 비정질 합금을 발명하기 위하여, 다음과 같은 비정질 합금의 제조 및 비정질 형성능의 평가방법을 사용하였다.Therefore, it is very important to derive the Si content which can simultaneously obtain the melting point lowering and the suppression of excessive precipitation of the silicide. In the present invention, the following amorphous alloys were prepared and amorphous formability evaluation methods were used for inventing a Ti-Cu-Ni-Si quaternary amorphous alloy.

먼저 원하는 성분의 Ti기지 비정질 합금조성물은 비정질 합금주조재, 비정질 합금분말, 포일(Foil) 형태의 비정질 합금리본 등으로 구현하였다. 이를 구현하는 방법들은 본 발명이 속하는 해당 기술분야에서는 널리 알려져 있으며, 예를 들면 급속응고법, 금형캐스팅법, 고압 캐스팅법, 아토마이징법 및 멜트스피닝법 등이 있다.First, the Ti-based amorphous alloy composition of the desired component is implemented with an amorphous alloy casting material, an amorphous alloy powder, and an amorphous alloy ribbon in the form of a foil. Methods for implementing this method are widely known in the art to which the present invention belongs, and examples thereof include a rapid solidification method, a die casting method, a high-pressure casting method, an atomizing method, and a melt spinning method.

본 발명에서는 먼저 원하는 조성을 가지는 합금버튼(alloy button)을 진공아크멜팅(Vacuum arc remelting) 방법을 이용하여 제조하였다. 그 후 상기 버튼 형상의 합금은 다시 재용해되어 합금용탕을 제조한 후, 고속 회전하는 구리 롤 표면에 상기 합금 용탕을 노즐을 통해 투입하여 급속응고시킴으로써 리본 형상으로 제조되었다. In the present invention, first, an alloy button having a desired composition is prepared using a vacuum arc remelting method. The alloy of the button shape was then re-dissolved again to prepare an alloy melt, and the molten alloy was injected into the surface of a copper roll rotating at a high speed through a nozzle to rapidly solidify the alloy melt.

상기와 같은 멜트스피닝법으로 제조된 리본 형상의 비정질 여부는 본 발명이 속하는 해당 기술분야에서 널리 알려진 X선 회절(X-ray Diffraction, 이하 XRD라 한다)법을 이용하여 판별하였다.Whether or not the ribbon-like amorphous body produced by the melt spinning method as described above is discriminated by X-ray diffraction (XRD) method widely known in the art to which the present invention belongs.

도 9는 본 발명에서 비정질 형성능을 조사한 조성영역을 표시한 Ti-Cu-Ni 3원계의 깁스 삼각형을 도시한 것이다. 도 9에서 도시한 바와 같이, 상기 3원계 합금은 상기 조성범위에서 2개의 3원계 공정점(도 9에서 별로 표시됨)을 가진다; 하나는 E4라 명명된 Ti 73.2%-Ni 17.7%-Cu 9.1% 공정점이고, 다른 하나는 E5라 명명된 Ti 65.1%-Ni 21.8%-Cu 12.9% 공정점이다. 본 발명에서는 상기 E5 조성보다 Ti함량이 적은 조성 영역(Ti lean)부터 E4보다 Ti 함량이 많은 조성 영역(Ti rich)까지 넓은 범위에서의 Ti-Cu-Ni-Si 4원계 합금의 비정질 형성능을 조사하였다.Fig. 9 shows a Ti-Cu-Ni ternary Gibbs triangle showing a composition region irradiated with an amorphous forming ability in the present invention. As shown in Fig. 9, the ternary alloy has two ternary system process points in the composition range (indicated in Fig. 9); One is the Ti 73.2% -Ni 17.7% -Cu 9.1% process point named E4 and the other is the Ti 65.1% -Ni 21.8% -Cu 12.9% process point named E5. In the present invention, the amorphous formability of a Ti-Cu-Ni-Si quaternary alloy in a wide range from a Ti content (Ti lean) having a Ti content lower than that of the E5 content to a Ti content richer than a Ti content Respectively.

도 10은 E5 조성 근처에서의 Ti 65%-Cu 15%-Ni 20% 3원계 합금의 XRD 결과를 도시한 것이다. 도 10은 비정질 상들의 전형적인 XRD 패턴인 널리 퍼진(Diffuse) 할로(Halo) 형태를 보여주며, 이는 상기 조성의 3원계 합금은 미세조직의 거의 전부가 비정질임을 나타낸다.10 shows the XRD results of a Ti 65% -Cu 15% -Ni 20% ternary alloy near the E 5 composition. FIG. 10 shows a typical diffraction halo form, which is a typical XRD pattern of amorphous phases, indicating that almost all of the microstructure of the ternary alloy of the above composition is amorphous.

도 11 및 12는 각각 Ti이 70% 포함된 Ti-Cu-Ni 3원계 합금 및 Ti-Cu-Ni-Si 4원계 합금의 비정질 형성능을 조사한 XRD 결과이다.11 and 12 are XRD results of investigating the amorphous forming ability of Ti-Cu-Ni ternary alloy and Ti-Cu-Ni-Si ternary alloy each containing 70% Ti.

먼저 Ti-Cu-Ni 3원계 합금에서의 Cu+Ni이 30%이면서 Cu의 함량이 20~10%이고 Ni의 함량이 10~20%인 조성 영역에서는, 주상(Main phase)이 비정질인 것을 XRD 결과로부터 알 수 있다(도 11). 더 나아가, 상기 조성 영역에서 Ni 함량이 10%에서 20%로 증가하면 XRD 결과에서 Ti2Ni상의 약한 회절피크가 관찰된다. 이는 Ti-Cu 10%-Ni 20% 3원계 합금은 비정질 기지 내에 Ti2Ni상이 공존하는 복합 미세조직을 가짐을 의미한다.First, in a composition region where the content of Cu + Ni in the Ti-Cu-Ni ternary alloy is 30%, the content of Cu is 20 to 10% and the content of Ni is 10 to 20%, the main phase is amorphous. (Fig. 11). Furthermore, when the Ni content in the composition range is increased from 10% to 20%, weak diffraction peaks on Ti 2 Ni are observed in the XRD results. This means that the Ti-Cu 10% -Ni 20% ternary alloy has a complex microstructure in which the Ti 2 Ni phase coexists within the amorphous matrix.

한편, 상기 Ti-Cu-Ni 3원계 합금에 Si을 3% 첨가한 Ti-Cu-Ni-Si 4원계 합금도 Cu+Ni이 30%이면서 Cu의 함량이 20~10%이고 Ni의 함량이 10~20%인 조성 영역에서 비정질 형성능을 가짐을 확인하였다(도 12). 다만, Ti-10% Cu-20% Ni 3원계 합금에서는 미세조직의 일부가 결정질 상인 Ti2Ni상을 가지는데 반해(도 11), (Ti-Cu 10%-Ni 20%)97Si3 4원계 합금은 결정질 Ti2Ni상을 실질적으로 포함하지 않는 거의 순수한 비정질 상만이 형성됨을 도 12로부터 알 수 있다. 이와 같은 결과는 3% Si의 첨가가 Ti-Cu-Ni-Si 4원계 합금의 비정질 형성능을 크게 향상시킴을 직접적으로 의미하는 것이라 할 수 있다.On the other hand, a Ti-Cu-Ni-Si quaternary alloy containing 3% Si added to the Ti-Cu-Ni ternary alloy has a Cu + Ni content of 30%, a Cu content of 20 to 10% and a Ni content of 10 To 20% in the composition range (FIG. 12). However, in the Ti-10% Cu-20% Ni ternary alloy, a part of the microstructure has a Ti 2 Ni phase which is a crystalline phase (FIG. 11), whereas (Ti-Cu 10% -Ni 20%) 97 Si 3 4 It can be seen from FIG. 12 that the pure alloy only forms a substantially pure amorphous phase substantially free of crystalline Ti 2 Ni phase. These results directly indicate that the addition of 3% Si greatly improves the amorphous formability of the Ti-Cu-Ni-Si quaternary alloy.

도 13 및 14는 각각 Ti이 75% 포함된 Ti-Cu-Ni 3원계 합금 및 Ti-Cu-Ni-Si 4원계 합금의 비정질 형성능을 조사한 XRD 결과이다.13 and 14 are XRD results of examining the amorphous forming ability of Ti-Cu-Ni ternary alloy and Ti-Cu-Ni-Si ternary alloy each containing 75% of Ti.

먼저 Ti-Cu-Ni 3원계 합금에서는, Ti가 75%인 조사된 3원계 전체 조성영역에서, 비정질 형성능이 없음이 확인되었다. 이는 E4 조성보다 Ti가 더 많이 함유되는 T-Cu-Ni 3원계 합금계에서는, 비정질 형성능이 실질적으로 없음을 의미한다.First, in the Ti-Cu-Ni ternary alloy, it was confirmed that there was no amorphous forming ability in the irradiated ternary system total composition region where Ti was 75%. This means that the T-Cu-Ni ternary alloy system in which Ti is contained more than the E4 composition substantially lacks amorphous forming ability.

그러나 상기 Ti-Cu-Ni 3원계 합금계에 Si이 5% 포함된 T-Cu-Ni-Si 4원계 합금계에서는, 상기 3원계 합금계와는 달리, Cu+Ni이 25%이면서 Cu의 함량이 5~15%이고 Ni의 함량이 10~20%인 넓은 조성 영역에서(단, Ti+Cu+Ni = 95%를 만족하는 조성) 비정질 형성능이 있음이 확인되었다. 또한 이 4원계 합금은 금속간 화합물이나 실리사이드를 실질적으로 포함하지 않는 거의 순수한 비정질 상으로만 존재하는 것으로 조사되었다.However, in the T-Cu-Ni-Si quaternary alloy system in which 5% of Si is contained in the Ti-Cu-Ni ternary alloy system, unlike the ternary system, the content of Cu + Ni is 25% (Composition satisfying Ti + Cu + Ni = 95%) was found to be amorphous in a wide composition range of 5 to 15% and a Ni content of 10 to 20%. It was also found that the quaternary alloy exists only in a substantially pure amorphous phase substantially free of an intermetallic compound or a silicide.

도 15는 Ti이 80% 포함된 Ti-Cu-Ni-Si 4원계 합금의 비정질 형성능을 조사한 XRD 결과이다. 15 is an XRD result of examining the amorphous forming ability of a Ti-Cu-Ni-Si quaternary alloy containing 80% of Ti.

본 발명자들의 실험 결과 Ti이 80% 이상 첨가된 T-Cu-Ni 3원계 합금계는, 조사된 전체 조성영역에서 비정질 형성능이 없는 것으로 확인되었다. 그러나 Si이 7% 포함된 T-Cu-Ni-Si 4원계 합금계에서는, 상기 3원계 합금계와는 달리, Cu+Ni이 20%이면서 Cu의 함량이 5~10%이고 Ni의 함량이 10~25%인 조성 영역에서(단, Ti+Cu+Ni = 95%를 만족하는 조성) 비정질 형성능이 있음이 확인되었다. 또한 이 4원계 합금도 금속간 화합물이나 실리사이드를 실질적으로 포함하지 않는 거의 순수한 비정질 상으로만 존재하는 것으로 조사되었다. As a result of experiments conducted by the inventors of the present invention, it was confirmed that the T-Cu-Ni ternary alloy system to which Ti was added in an amount of 80% or more had no amorphous forming ability in the entire irradiated composition range. However, in the T-Cu-Ni-Si quaternary alloy system containing 7% of Si, unlike the ternary system, the content of Cu + Ni is 20%, the content of Cu is 5 to 10% and the content of Ni is 10 (In which Ti + Cu + Ni = 95% is satisfied) in the composition range of 25% to 25%. It was also found that this quaternary alloy also exists only in a substantially pure amorphous phase substantially containing no intermetallic compound or silicide.

도 16은 앞에서 실험한 Ti-Cu-Ni-Si 4원계 합금의 조사된 전체 조성범위에서의 비정질 형성능을 요약하여 도시한 것이다. 먼저 도 16에서 왼쪽 아래에서 오른쪽 위로 길게 이어진 점선의 화살표 상의 조성영역은, 비정질 형성능을 가지면서 그에 더하여 미세조직이 거의 전부 비정질로만 형성됨을 XRD 패턴 실험 결과로부터 알 수 있다. 한편, 상기 화살표의 왼쪽의 음영 표시된 조성영역은 비정질 형성능을 가지며, 미세조직 측면에서는 주상(Main phase)이 비정질상이고 일부 금속간 화합물을 포함하고 있음을 XRD 패턴 결과가 보여준다. 이에 반해, 상기 화살표의 오른쪽의 음영 표시된 조성영역은 비정질 형성능을 가지며, 미세조직 측면에서는 주 상(Main phase)이 비정질상이고 일부 실리사이드를 포함하는 조성영역을 표시한 것이다. FIG. 16 summarizes the amorphous forming ability of the Ti-Cu-Ni-Si quaternary alloy tested in the entire composition range irradiated. First, in FIG. 16, the XRD pattern experiment results show that the composition region on the dotted arrows extending from the lower left to the upper right shows amorphous formation ability and microstructure is almost entirely formed by amorphous. On the other hand, the XRD pattern results show that the shaded composition region on the left side of the arrow has amorphous ability to form and the main phase is amorphous and contains some intermetallic compounds in terms of microstructure. On the other hand, the shaded composition region on the right side of the arrow has an amorphous forming ability, and in the microstructure side, a composition region containing amorphous phase and containing some silicide in the main phase is shown.

이상의 실험결과들로부터, Ti: 65~80 %, Cu: 5~20 %, Ni: 5~25 %, Si: 9% 이하(0은 제외)의 조성범위를 가지는 Ti-Cu-Ni-X 4원계 합금이 비정질 형성능을 안정적으로 가짐을 확인하였다. From the above experimental results, Ti-Cu-Ni-X 4 having a composition range of 65 to 80% of Ti, 5 to 20% of Cu, 5 to 25% of Ni and 9% It was confirmed that the amorphous formability of the alloy was stable.

스퍼터링Sputtering 타겟target

이하에서는 본 발명에서 제안하는 스퍼터링 타겟에 대해 설명한다.Hereinafter, the sputtering target proposed in the present invention will be described.

스퍼터링 공정은 반도체 제조분야, MEMS 등과 같은 마이크로 전자 디바이스 및 모터, 압축기에서 내마모 향상 등을 위한 코팅에 널리 이용되고 있다.The sputtering process is widely used in semiconductor manufacturing fields, microelectronic devices such as MEMS, and motors, and coatings for improving wear resistance in compressors and the like.

스퍼터링 공정을 이용하여 비정질상의 박막 또는 나노결정질을 포함하는 복합 비정질 박막을 제조할 경우, 사용되는 스퍼터링 타겟은 결정질 또는 비정질 타겟일 수 있다. 그러나 비정질 타겟은 스퍼터링 공정 중 플라즈마 이온의 충돌로 인해 타겟 표면이 국부적으로 온도가 증가되며, 이러한 온도 증가는 다시 타겟 표면의 미세조직 변화를 유발시킬 수 있다.When a thin film of amorphous phase or a complex amorphous thin film containing nanocrystalline is produced using a sputtering process, the sputtering target to be used may be a crystalline or amorphous target. However, in amorphous targets, the target surface is locally increased in temperature due to the collision of plasma ions during the sputtering process, and this temperature increase can again cause microstructure change of the target surface.

보다 자세히 설명하면, 비정질은 열역학적으로 불안정한 상이므로, 타겟의 온도 증가는 타겟 표면에서 열역학적으로 불안정한 비정질을 열역학적으로 안정한 결정질로 변태시키는 결정화를 유발시킨다. 그런데 이러한 국부적인 결정화는 타겟의 부피변화 및 구조 완화를 유발할 수 있고, 이로 인해 타겟의 취성이 증가되어 스퍼터링 공정 중에 타겟이 파괴되는 극단적인 결과마저도 초래하게 된다. More specifically, since amorphous is a thermodynamically unstable phase, an increase in the temperature of the target causes crystallization that transforms the thermodynamically unstable amorphous material to the thermodynamically stable crystalline material at the target surface. However, such localized crystallization can lead to volume change and structural relaxation of the target, which increases the brittleness of the target, resulting in even extreme results in which the target is destroyed during the sputtering process.

따라서 본 발명에서는 스퍼터링 타겟의 우수한 열적 안정성과 스퍼터링 공정의 공정 신뢰성 향상을 위해, 비정질 형성능을 가지는 조성범위 내에서 미세조직은 결정질을 가지는 스퍼터링 타겟을 제조하였다. 보다 구체적으로, 본 발명에서의 4원계 Ti 비정질 합금을 이용하여 결정질 미세조직을 가지는 스퍼터링 타겟을 제조하였다.Therefore, in order to improve the thermal stability of the sputtering target and the process reliability of the sputtering process, a sputtering target having a microstructure in a composition range having amorphous forming ability was produced. More specifically, a quaternary Ti amorphous alloy in the present invention was used to produce a sputtering target having a crystalline microstructure.

먼저 본 발명에서는 상기 실시예들에서 비정질 형성능을 가진 것으로 밝혀진 조성의 Ti-Cu-Ni-X 4원계 합금을 진공아크멜팅을 통해 용해한 후, 멜트스피닝법을 이용하여 리본 또는 포일(Foil) 형태의 비정질 합금을 얻었다. 그 다음 상기 리본들을 복수개로 적층한 후 상기 리본들이 가지는 조성에서의 결정화 개시 온도 보다는 높고, 용융 온도보다는 낮은 온도 범위에서 열가압함으로써 결정질을 가지는 스퍼터링 타겟을 얻을 수 있었다. In the present invention, a Ti-Cu-Ni-X quaternary alloy having a composition which is found to have an amorphous forming ability in the above embodiments is dissolved by vacuum arc melting, and then melt-spinning is performed to form a ribbon or a foil- Amorphous alloy was obtained. Then, a plurality of the ribbons were stacked, and then a sputtering target having a crystalline quality was obtained by heating at a temperature higher than the crystallization initiation temperature in the composition of the ribbons and lower than the melting temperature.

상기 열가압 공정 중 비정질 합금리본들은 리본들 간의 상호확산에 의한 결합이 진행되어 결정화가 진행되며, 결정화 후에 열가압 유지시간이 길어지게 되면 결정립 성장까지도 일어난다. 또한 이 과정에서 적층된 합금리본들 사이의 적층계면은 원자들의 상호확산에 의해 소멸될 수 있다. The amorphous alloy ribbons during the heat pressing process are crystallized by progress of bonding due to interdiffusion among the ribbons, and grain growth also occurs when the time of holding the heat pressure after crystallization is prolonged. Also in this process, the lamination interface between the deposited alloy ribbons can be destroyed by interdiffusion of atoms.

최종적으로 결정화 또는 결정립 성장된 미세조직의 스퍼터링 타겟은 그 결정립 크기가 0.1~10㎛의 범위를 가지는 것이 바람직하다. 결정립 크기가 0.1㎛ 보다 작은 경우는 충분한 결정화를 확보할 수 없을 수 있으므로 타겟의 열적 안정성 확보 측면에서 바람직하지 못하다. 반면에 결정립 크기가 10㎛ 보다 큰 경우 결정화는 충분히 확보할 수 있으나 플라즈마 공정의 안정성 및 균일성과 최종 코팅층의 조성 등의 균일성 측면에서 불리한 단점이 있다.It is preferable that the grain size of the sputtering target of the microstructure finally crystallized or grain-grown has a range of 0.1 to 10 탆. When the grain size is smaller than 0.1 탆, sufficient crystallization can not be ensured, which is not preferable from the viewpoint of ensuring the thermal stability of the target. On the other hand, when the grain size is larger than 10 탆, crystallization can be sufficiently secured, but it is disadvantageous in terms of stability and uniformity of the plasma process and uniformity of the composition of the final coating layer.

한편, 또 다른 방법으로 본 발명의 Ti-Cu-Ni-X 4원계 비정질 합금 조성을 가지는 비정질 합금 분말을 이용하여 결정질의 스퍼터링 타겟을 제조할 수 있다. 이 경우 아토마이징법 등으로 제조된 비정질 합금분말들의 응집체를 고온 소결 또는 고온가압소결하여 결합시킴으로써 결정질의 스퍼터링 타겟을 제조할 수 있다. 이 경우 소결 온도는 합금분말이 가지는 조성에서의 결정화 개시 온도보다는 높고 용융 온도보다는 낮은 온도 범위에서 수행된다.Meanwhile, as another method, a crystalline sputtering target can be produced using the amorphous alloy powder having the Ti-Cu-Ni-X quaternary amorphous alloy composition of the present invention. In this case, a crystalline sputtering target can be produced by bonding aggregates of amorphous alloy powders produced by atomization or the like by high-temperature sintering or high-temperature sintering. In this case, the sintering temperature is higher than the crystallization start temperature in the composition of the alloy powder and is lower than the melting temperature.

또 다른 예로서, 구리금형 주조법 등과 같이 높은 냉각능을 가지는 구리 등과 같은 금형 내부에, 상기 금형 내부와 외부와의 압력차를 이용하여, 용탕을 노즐을 통해 구리금형에 주입하여 급속응고시킴으로써 일정형상의 비정질 합금주조재를 제조할 수 있다. 그 후 어닐링을 통해 결정질 합금타겟을 얻을 수도 있다.As another example, a molten metal is injected into a copper mold through a nozzle and rapidly solidified in a mold such as copper having a high cooling ability such as a copper mold casting method using a pressure difference between the inside and the outside of the mold, Of the amorphous alloy casting material can be produced. Thereafter, a crystalline alloy target may be obtained through annealing.

윤활층을Lubricating layer 포함한 압축기 Compressor including

이하에서는 본 발명에서 제안하는 윤활층 및 이를 포함하는 압축기에 대하여 설명한다.Hereinafter, the lubricant layer proposed by the present invention and a compressor including the lubricant layer will be described.

본 발명의 윤활층은 모든 움직이는 부품 또는 구성요소들 사이에 적용이 가능하지만, 본 발명에서는 가장 간단한 예로서 회전축의 회전을 이용하는 구조의 압축기를 예시한다.The lubricant layer of the present invention is applicable to all moving parts or components, but in the present invention, as a simplest example, a compressor having a structure utilizing the rotation of the rotating shaft is illustrated.

도 17은 본 발명과 관련된 압축기의 부분 단면도이다. 도 17은 회전축(111)과 베어링(112, 113)을 사용하는 임의의 형태의 압축기(100)를 도시한 것이다.17 is a partial cross-sectional view of a compressor according to the present invention. Fig. 17 shows a compressor 100 of any type using a rotary shaft 111 and bearings 112, 113. Fig.

회전축(111)은 압축기(100)의 작동 시 기체의 압축을 위해 회전한다. 그리고, 베어링(112, 113)은 회전축(111)의 적어도 일부를 감싸도록 이루어진다. 베어링(112, 113)은 고정되어 있으나 회전축(111)과 상대 회전하도록 이루어진다. 베어링(112, 113)은 메인 베어링(112, 혹은 제1 베어링)과 서브 베어링(113, 혹은 제2 베어링)을 포함할 수 있다.The rotating shaft 111 rotates to compress the gas during the operation of the compressor 100. The bearings 112 and 113 are configured so as to surround at least a part of the rotating shaft 111. The bearings 112 and 113 are fixed to rotate relative to the rotary shaft 111. [ The bearings 112 and 113 may include a main bearing 112 (or a first bearing) and a sub bearing 113 (or a second bearing).

압축기(100)가 작동하면, 회전축(111)이 회전하는 동안 회전축(111)의 일측으로부터 가스가 유입된다. 그리고 유입되는 가스에 의한 가스력(G)과 반대 방향으로 반력(F)이 형성된다. 따라서 회전축(111)이 회전하는 동안 회전축(111)은 베어링(112, 113)과 지속적으로 접촉한다.When the compressor 100 operates, gas flows from one side of the rotating shaft 111 while the rotating shaft 111 rotates. And a reaction force F is formed in a direction opposite to the gas force G due to the introduced gas. Therefore, the rotating shaft 111 is in constant contact with the bearings 112 and 113 while the rotating shaft 111 rotates.

윤활층은 내마모 및 저마찰을 구현하기 위해 회전축(111)과 베어링(112, 113)의 마찰 부위(112a, 113a)에 형성된다. 윤활층은 회전축(111)과 베어링(112, 113) 중 적어도 하나에 증착될 수 있다. 여기서 윤활층은 앞에서 설명한 비정질 형성능을 가지는 조성의 Ti-Cu-Ni-X 4원계 합금이다.The lubricant layer is formed in the friction portions 112a and 113a of the rotating shaft 111 and the bearings 112 and 113 to realize wear resistance and low friction. The lubricant layer may be deposited on at least one of the rotating shaft 111 and the bearings 112, 113. Here, the lubricating layer is a Ti-Cu-Ni-X 4 element alloy having the above-described amorphous forming ability.

본 발명에서의 윤활층은 상기 회전축(111)과 베어링(112, 113)의 접촉부위에만 적용되지 않는다. 일례로, 회전축이 접촉할 수 있는 다른 구성요소, 예를 들면, 프레임 또는 서브프레임 등과의 접촉부위에도 적용될 수 있다. 또한, 본 발명의 윤활층은 회전축이나 베어링 이외의 압축기 부품에도 적용될 수 있다. 예를 들면, 로터리 압축기에서의 실린더, 롤링피스톤, 베인 등의 마찰 부위에도 적용될 수 있다. 마지막으로 본 발명의 윤활층은 압축기 이외에 마찰이나 마모가 발생할 수 있는 모든 부품, 도구 및 장치 등에도 적용될 수 있다. The lubricant layer in the present invention is not applied only to the contact portion of the rotating shaft 111 and the bearings 112 and 113. [ For example, it may be applied to other components that the rotating shaft can contact, for example, a contact portion with a frame or a subframe. The lubrication layer of the present invention can also be applied to compressor components other than the rotating shaft and the bearing. For example, it can be applied to a friction portion of a cylinder, a rolling piston, a vane, and the like in a rotary compressor. Finally, the lubricant layer of the present invention can be applied to all parts, tools, and apparatuses other than the compressor in which friction or abrasion may occur.

한편, 윤활층이 형성되는 회전축과 같은 부품, 즉 윤활층의 모재는 특별히 특별히 한정되지는 않는다. 다만, 현재 상용화되어 많이 쓰이는 강재, 주물, 알루미늄이 함유된 합금, 마그네슘이 함유된 합금 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것이 바람직하다. 왜냐하면 상기의 강재, 주물, 알루미늄이 함유된 합금, 마그네슘이 함유된 합금 등과 같은 금속은 높은 열전도로 인해 윤활층의 비정질 형성능을 조장할 수 있다는 부수적인 효과가 있기 때문이다.On the other hand, the base material of the lubricating layer, such as the rotating shaft on which the lubricating layer is formed, is not particularly limited. However, it is preferable to include at least any one of steel, cast iron, aluminum-containing alloy, and magnesium-containing alloy, which are currently commercially available and widely used. This is because metals such as the above-mentioned steels, castings, aluminum-containing alloys, magnesium-containing alloys and the like have a side effect of promoting the amorphous forming ability of the lubricating layer due to high heat conduction.

이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the scope of the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It is obvious that a transformation can be made. Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the effects of the present invention are not explicitly described and described, but it is needless to say that the effects that can be predicted by the configurations should also be recognized.

Claims (13)

Ti와 Cu와 Ni을 포함하며,
Ti-X 2원계, Cu-X 2원계, 및 Ni-X 2원계 모두에서 공정점을 형성할 수 있는 제 4 원소(X)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는,
Ti-Cu-Ni-X 4원계 비정질 합금.
Ti, Cu and Ni,
Further comprising a fourth element (X) capable of forming process points in both the Ti-X binary system, the Cu-X binary system, and the Ni-X binary system.
Ti-Cu-Ni-X quaternary amorphous alloy.
제 1항에 있어서,
상기 제 4 원소(X)의 원자 반경은 Ti와 Cu와 Ni 각각의 원자반경과 12% 이상 차이가 나는 것을 특징으로 하는 Ti-Cu-Ni-X 4원계 비정질 합금.
The method according to claim 1,
Wherein the atomic radius of the fourth element (X) is at least 12% different from the atomic radius of each of Ti, Cu and Ni.
제 1항에 있어서,
상기 제 4 원소(X)는 Ti, Cu 및 Ni 과 각각 혼합시 음의 혼합열(Negative heat of mixing)을 가지는 것을 특징으로 하는 Ti-Cu-Ni-X 4원계 비정질 합금.
The method according to claim 1,
Wherein the fourth element X has a negative heat of mixing when mixed with Ti, Cu and Ni, respectively. 2. The Ti-Cu-Ni-X based amorphous alloy according to claim 1,
제 1항에 있어서,
상기 제 4 원소(X)는 Si인 것을 특징으로 하는 Ti-Cu-Ni-X 4원계 비정질 합금.
The method according to claim 1,
And the fourth element (X) is Si. The Ti-Cu-Ni-X quaternary amorphous alloy.
제 4항에 있어서,
상기 합금은 원자 %로, Ti: 65~80 %, Cu: 5~20 %, Ni: 5~25 %, Si: 9% 이하(0은 제외)의 조성범위를 가지는 것을 특징으로 하는 Ti-Cu-Ni-X 4원계 비정질 합금.
5. The method of claim 4,
Wherein the alloy has a composition range of 65 to 80% of Ti, 5 to 20% of Cu, 5 to 25% of Ni, and 9% or less of Si (excluding 0) -Ni-X 4-quaternary amorphous alloy.
제 5항에 있어서,
상기 합금은 원자 %로, Ti: 65~80 %, Cu: 5~15 %, Ni: 10~20 %, Si: 9% 이하(0은 제외)의 조성범위를 가지는 것을 특징으로 하는 Ti-Cu-Ni-X 4원계 비정질 합금.
6. The method of claim 5,
Wherein the alloy has a composition range of 65 to 80% of Ti, 5 to 15% of Cu, 10 to 20% of Ni, and 9% or less of Si (excluding 0) in atomic% -Ni-X 4-quaternary amorphous alloy.
제 6항에 있어서,
상기 Ti은 Cu 및/또는 Ni과 금속간화합물(Intermetallic compound)을 형성하는 것을 특징으로 하는 Ti-Cu-Ni-X 4원계 비정질 합금.
The method according to claim 6,
Wherein the Ti forms an intermetallic compound with Cu and / or Ni. The Ti-Cu-Ni-X quaternary amorphous alloy is characterized in that the Ti forms an intermetallic compound with Cu and / or Ni.
제 6항에 있어서,
상기 Si은 Ti과 타이타늄 실리사이드(Titanium silicide)을 형성하는 것을 특징으로 하는 Ti-Cu-Ni-X 4원계 비정질 합금.
The method according to claim 6,
Wherein said Si forms Ti and Titanium silicide. ≪ RTI ID = 0.0 > 15. < / RTI >
제1항 내지 제8항의 어느 한 항의 Ti-Cu-Ni-X 4원계 조성을 포함하는 스퍼터링 타겟.
A sputtering target comprising the Ti-Cu-Ni-X tetravalent composition according to any one of claims 1 to 8.
제 9항에 있어서, 상기 타겟의 미세조직은 결정질인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟.
The sputtering target according to claim 9, wherein the microstructure of the target is crystalline.
제 10항에 있어서, 상기 타겟의 결정립 평균 크기는 0.1~10㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟.
11. The sputtering target according to claim 10, wherein an average grain size of the target ranges from 0.1 to 10 mu m.
제1항 내지 제8항의 어느 한 항의 Ti-Cu-Ni-X 4원계 비정질 합금으로 된 윤활층을 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기.
A compressor comprising a lubricating layer of a Ti-Cu-Ni-X quaternary amorphous alloy according to any one of claims 1 to 8.
제 12항에 있어서,
상기 윤활층은 강재, 주물, 알루미늄이 함유된 합금 및 마그네슘이 함유된 합금 중 적어도 하나를 포함하는 모재에 코팅되는 것을 특징으로 하는 압축기.
13. The method of claim 12,
Wherein the lubricating layer is coated on a base material comprising at least one of a steel material, a cast alloy, an alloy containing aluminum, and an alloy containing magnesium.
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