KR20200023118A - 우수한 내마모성,내부식성 및 가공성을 갖는 슈퍼메탈 제조방법 - Google Patents

Abstract

리퀴드 금속에 최적화된 조성물 및 열가공 공정을 거친 것을 특징으로 하는 우수한 내마모성,내부식성 및 가공성을 갖는 리퀴드 금속 제조방법에 관한 것으로, 304 스테인레스 스틸 89.8 내지 93.5중량%, 니켈(Ni) 3 내지 5중량%, 크롬(Cr) 1 내지 1.5중량%, 티타늄(Ti) 0.4 내지 0.6중량%, 지르코늄(Zr) 0.2 내지 0.3중량%, 구리(Cu) 1 내지 1.5중량%, 망간(Mn) 0.2 내지 0.3중량%, 실리콘(Sn) 0.7 내지 1중량%의 조성비를 갖는 원료를 용융하여 리퀴드 금속을 제조토록 하고, 또한, 이 원료들을 용융함에 있어서 SS304 베이스 원료로 하여 구리, 망간, 실리콘, 니켈, 티타늄, 크롬, 지르코늄을 용융온도가 낮은 순서부터 순차적으로 투입하면서 각각의 원료의 용융점에 맞도록 용융온도를 조정하여 용융과정에서 탄화되거나 기화되지 않고 고품질의 리퀴드 금속을 제조할 수 있도록 한 것이다.

Description

우수한 내마모성,내부식성 및 가공성을 갖는 리퀴드 금속 제조방법{Liquid metal manufacturing method having excellent abrasion resistance, corrosion resistance and processability}

본 발명은 리퀴드 금속 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 리퀴드 금속에 최적화된 조성물 및 열가공 공정을 거친 것을 특징으로 하는 우수한 내마모성,내부식성 및 가공성을 갖는 리퀴드 금속 제조방법에 관한 것이다.

리퀴드 금속은 비결정질 금속으로 액체처럼 원자 배열이 매우 자유로워 액체금속이란 이름이 붙은 것이다.

리퀴드 금속의 특성은 일반적인 금속에 비해서 강도가 높고, 결정질 금속과는 달리 고체 상태에서 비결정질 원자구조를 유지하므로 취약부분이나 결절포인트가 없어 강도와 탄성과 강도가 매우 높고 깨지는 현상이 없으며, 내식성, 전파 투과능력 등의 특성을 가지며, 플라스틱처럼 금형 틀에 따라 사용자가 원하는 자유자재로 모양을 만들 수가 있음은 물론, 주물제작시 표면이 매끈하므로 더이상의 가공이 필요없기 때문에 가공성이 매우 좋다.

또한, 방향성이 없기 때문에 뛰어난 인성과 높은 강도와 연성을 가지고 자기 비등발성 (非等方性, anisotropy)이 없고, 강도 대비 두께가 얇아 다양한 분야에 적용될 수 있다.

이처럼 상기 리퀴드 금속은 산업용으로 사용하는 코팅소재에서부터 일반 생활용품, 스포츠 용품, 각종 전자제품의 부속, 자동차 용품 등 다양한 분야에서 활용된다.

그런데 이러한 리퀴드 금속은 제작에 어려움이 있다.

즉, 금속을 균일하게 비결정질화 시키기가 대단히 어려우며, 금속은 식으면 무조건 결정화를 시작하므로 제작하면서부터 부분적으로 결정화된 부분이 생기게 되며, 그 부분이 취약하여 잘 부서지게 된다.

또한, 조성물의 원료가 조금이라도 차이가 발생하면 용접과정에서 기체로 변하여 부스러져 연기형태로 날아가거나 원료 혼합이 매우 까다로우며, 배합율이 잘못되는 경우 강도, 탄성, 절삭력 등을 유지할 수 없다.

뿐만 아니라, 배합율에 차이가 발생하는 경우 용접후 녹이 발생하거나, 또는 용접시 매우 고온(3,000℃ 이상)에서 용접을 해야하므로 사용이 어렵고, 배합비율 실수 및 제조과정에서의 실수로 원하는 특성을 만들어낼 수 없는 경우가 매우 많다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 리퀴드 금속에 최적화된 원료 및 성분비와 열가공 공정을 제공하여 제조공정에서의 산화를 방지하고 기계적 물성을 더 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서의 본 발명은, 304 스테인레스 스틸 89.8 내지 93.5중량%, 니켈(Ni) 3 내지 5중량%, 크롬(Cr) 1 내지 1.5중량%, 티타늄(Ti) 0.4 내지 0.6중량%, 지르코늄(Zr) 0.2 내지 0.3중량%, 구리(Cu) 1 내지 1.5중량%, 망간(Mn) 0.2 내지 0.3중량%, 실리콘(Sn) 0.7 내지 1중량%의 조성비를 갖는 원료를 용융하여 리퀴드 금속을 제조토록 하고, 또한, 이 원료들을 용융함에 있어서 SS304 베이스 원료로 하여 구리, 망간, 실리콘, 니켈, 티타늄, 크롬, 지르코늄을 용융온도가 낮은 순서부터 순차적으로 투입하면서 각각의 원료의 용융점에 맞도록 용융온도를 조정하여 용융과정에서 탄화되거나 기화되지 않고 고품질의 리퀴드 금속을 제조할 수 있도록 한 것이다.

본 발명의 제조방법에 의하면, 표면의 산화층이 안정적으로 이루어져 열악한 조건 하에서도 아주 강한 내식성을 나타낸다. 또한, 종래 사용되는 금속보다 용접, 강도, 탄성, 절삭도, 절삭도 유지, 광택, 내식성을 확보할 수 있어 여러 제품에 다양한 용도로 활용하고 우수한 제품을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 리퀴드 금속 합금 조성비를 나타낸 표

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 리퀴드 금속은 우수한 내마모성,내부식성 및 가공성을 갖도록 304 스테인레스 스틸, 니켈(Ni), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 구리(Cu), 망간(Mn), 실리콘(Sn)으로 이루어진 합금 조성물일 수 있다.

[실시 예1]

본 발명에 따른 리퀴드 금속 합금 조성물은 304 스테인레스 스틸(최소 0.08 중량%의 탄소와 결합 된 18 중량% 이상의 크롬과 8 중량%의 니켈을 함유하고 있는 크롬 - 니켈 오스테 나이트 계 합금이며, 이하에서는 'SS304'로 표기함) 89.3 내지 94.6중량%, 니켈(Ni) 2.5 내지 5.5중량%, 크롬(Cr) 0.8 내지 1.5중량%, 티타늄(Ti) 0.4 내지 0.6중량%, 지르코늄(Zr) 0.2 내지 0.3중량%, 구리(Cu) 0.8 내지 1.5중량%, 망간(Mn) 0.2 내지 0.3중량%, 실리콘(Sn) 0.5 내지 1중량%가 첨가될 수 있다.

이하, 각 원소의 역할 및 효과에 대해 설명한다.

SS304는 최소 0.08 중량%의 탄소와 결합 된 18 중량% 이상의 크롬과 8 중량%의 니켈을 함유하고 있는 크롬 - 니켈 오스테 나이트 계 합금이며, 304 스테인레스 스틸 철성분이며, 니켈과 크롬이 혼합된 성분이므로 기본 주철을 대신한다. SS304의 함량은 89.3~94.6중량%로 구성될 수 있다.

니켈(Ni)은 합금의 부식성을 향상시키는 역할을 하는 것으로, SS304에 니켈이 포함되어 있지만, 광택과 질감을 더 향상시키기 위하여 추가된다. 니켈의 함량은 2.5~5.5중량%로 구성될 수 있다.

크롬(Cr)은 광택과 내식성, 강도 증가를 위한 것으로, SS304에 크롬이 포함되어 있지만 광택과 강도를 더 향상시키기 위해 추가된다. 크롬의 함량은 0.8~1.5중량%로 구성될 수 있다. 크롬의 함량이 0.8중량% 미만이면 산화 또는 부식에 대항 저항성이 떨어지며, 1.5중량%를 초과하면 강도가 떨어지는 문제가 있다.

티타늄(Ti)은 결정립의 미세화를 통하여 성형성과 강도를 향상시키도록 첨가되는 것으로, 비중이 철보다 작기 때문에 비강도가 철보다 매우 높아 강도와 탄성을 보강한다. 바람직한 티타늄의 함량은 0.4~0.6중량%이다.

지르코늄(Zr)은 강도, 탄성, 인장력을 유지하기 위한 것으로, 바람직한 지르코늄의 함량은 0.2~0.3중량%이다. 지르코늄의 함량이 0.2중량% 미만이면 효과적인 강도와 탄성과 인장력을 얻을 수 없는 문제가 있고, 0.3중량%를 초과하면 취성을 갖는 석출물이 생성되어 오히려 강도와 탄성을 저하시키는 문제가 있다.

구리(Cu)는 경화 효과에 따른 합금의 강도를 향상시키기 위한 것으로, 구리의 함량은 0.8~1.5중량%로 구성될 수 있으며, 1.5중량%를 초과하면 내부식성이 저하될 수 있다.

망간(Mn)은 고온에서 연화 저항을 크게 하고 강도의 탄성 유지를 하는 역할과 원료를 중화하고 혼합시키는 역할을 하며, 바람직한 망간의 함량은 0.2~0.3중량%이다. 상기 망간의 함량이 0.2중량%미만이면 탄성 및 중화,혼합 기능에 문제가 있고, .03중량%를 초과하면 크립 저항성을 저하시키는 문제가 있다.

실리콘(Sn)은, 유동성을 향상시켜 원료 혼합을 유도하고, 탄성, 인장강도를 유지하기 위하여 사용되는 것으로, 바람직한 실리콘의 함량은 0.9~1중량%이다. 상기 실리콘의 함량이 1중량%를 초과하면 열처리가 약하여 크립 저항성을 저하시키는 문제가 있다.

이때, 상기의 원료가 틀릴 때는 공기 중에서 산화되어 모두 타버리며, 만들어진다 해도 용접과정에서 기체로 변하면서 모두 부스러져 연기형태로 날아간다.

또한, 상기의 배합비율보다 상대적으로 원료가 많이 들어가거나 적게 들어가면 용융이 안되고 뭉쳐지지 않으므로 혼합이 불가능하다.

또한, 배합율이 틀리면 용접과정을 통과한다 해도 강도,탄성, 절삭력 등을 유지할 수 없고, 특히 용접 후 녹이 발생할 수 있다

한편, 본 발명의 리퀴드 금속의 또 다른 실시 예에 따른 조성비는 다음과 같이 구성될 수 있다.

[실시 예2]

본 발명에 따른 리퀴드 금속 합금 조성물은 SS304 89.8 내지 93.5중량%, 니켈(Ni) 3 내지 5중량%, 크롬(Cr) 1 내지 1.5중량%, 티타늄(Ti) 0.4 내지 0.6중량%, 지르코늄(Zr) 0.2 내지 0.3중량%, 구리(Cu) 1 내지 1.5중량%, 망간(Mn) 0.2 내지 0.3중량%, 실리콘(Sn) 0.7 내지 1중량%가 첨가될 수 있다.

SS304는 최소 0.08 중량%의 탄소와 결합 된 18 중량% 이상의 크롬과 8 중량%의 니켈을 함유하고 있는 크롬 - 니켈 오스테 나이트 계 합금이며, 304 스테인레스 스틸 철성분이며, 니켈과 크롬이 혼합된 성분이므로 기본 주철을 대신한다.

니켈(Ni)은 합금의 부식성을 향상시키는 역할을 하는 것으로, SS304에 니켈이 포함되어 있지만, 광택과 질감을 더 향상시키기 위하여 추가된다. 바람직한 니켈의 함량은 3~5중량%이다.

크롬(Cr)은 광택과 내식성, 강도 증가를 위한 것으로, SS304에 크롬이 포함되어 있지만 광택과 강도를 더 향상시키기 위해 추가된다. 바람직한 크롬의 함량은 1~1.5중량%이다. 크롬의 함량이 1중량% 미만이면 산화 또는 부식에 대항 저항성이 떨어지며, 1.5중량%를 초과하면 강도가 떨어지는 문제가 있다.

티타늄(Ti)은 결정립의 미세화를 통하여 성형성과 강도를 향상시키도록 첨가되는 것으로, 비중이 철보다 작기 때문에 비강도가 철보다 매우 높아 강도와 탄성을 보강한다. 바람직한 티타늄의 함량은 0.4~0.6중량%이다.

지르코늄(Zr)은 강도, 탄성, 인장력을 유지하기 위한 것으로, 바람직한 지르코늄의 함량은 0.2~0.3중량%이다. 지르코늄의 함량이 0.2중량% 미만이면 효과적인 강도와 탄성과 인장력을 얻을 수 없는 문제가 있고, 0.3중량%를 초과하면 취성을 갖는 석출물이 생성되어 오히려 강도와 탄성을 저하시키는 문제가 있다.

구리(Cu)는 경화 효과에 따른 합금의 강도를 향상시키기 위한 것으로, 바람직한 구리의 함량은 1~1.5중량%이며, 1.5중량%를 초과하면 내부식성이 저하될 수 있다.

망간(Mn)은 고온에서 연화 저항을 크게 하고 강도의 탄성 유지를 하는 역할과 원료를 중화하고 혼합시키는 역할을 하며, 바람직한 망간의 함량은 0.2~0.3중량%이다. 상기 망간의 함량이 0.2중량%미만이면 탄성 및 중화,혼합 기능에 문제가 있고, .03중량%를 초과하면 크립 저항성을 저하시키는 문제가 있다.

실리콘(Sn)은, 유동성을 향상시켜 원료 혼합을 유도하고, 탄성, 인장강도를 유지하기 위하여 사용되는 것으로, 바람직한 실리콘의 함량은 0.7~1중량%이다. 상기 실리콘의 함량이 0.7중량% 미만이면 유동성이 저하되어 원료 혼합이 지연되고, 1중량%를 초과하면 열처리가 약하여 크립 저항성을 저하시키는 문제가 있다.

한편, 상기 조성물에 의한 리퀴드 금속의 제조는, 용융온도가 낮은 원료부터 투입하여 순차적으로 혼합이 이루어지도록 할 수 있다.

즉, 각각의 원료들은 용융온도가 서로 다르기 때문에 원료를 순서대로 일정한 온도에서 용해로에 넣지 않으면 서로 혼합되지 않고 뭉쳐지지 않으며 모두 기체나 연기로 산화되어 공기중으로 날아가버린다.

본 발명의 조성물 원료의 대략적인 용융온도는 SS 304는 1400℃, 니켈(Ni)은 1452℃, 크롬(Cr)은 1800℃, 티타늄(Ti)은 1660℃, 지르코늄(Zr)은 1855℃, 구리(Cu)는 1083℃, 망간(Mn)은 1260℃, 실리콘(Sn)은 1414℃로 이루어진다.

따라서 본 발명에서는 SS304 베이스 원료로 하여 구리, 망간, 실리콘, 니켈, 티타늄, 크롬, 지르코늄을 순차적으로 투입하여 리퀴드 금속을 제조할 수 있으며, 용융온도를 점차 높여가면서 용융온도가 낮은 순서부터 순차적으로 용융하여 고품질의 결정물을 생산할 수 있다.

이때, 통상의 리퀴드 금속은 용접을 낮은 온도에서 할 수 있지만, 상기의 배합이 틀리면 고온(3,000℃ 이상)에서 용접을 해야하므로 여러가지 결합되 제작의 어려움이 발생하며, 휘어지고 깨지는 원인이 되며, 용접, 강도, 탄성, 절삭도 유지, 광택, 녹 등에 탁월한 특성을 가진 고품질의 리퀴드 금속 제조가 불가능하다.

Claims (3)

1. 304 스테인레스 스틸 89.3 내지 94.6중량%, 니켈(Ni) 2.5 내지 5.5중량%, 크롬(Cr) 0.8 내지 1.5중량%, 티타늄(Ti) 0.4 내지 0.6중량%, 지르코늄(Zr) 0.2 내지 0.3중량%, 구리(Cu) 0.8 내지 1.5중량%, 망간(Mn) 0.2 내지 0.3중량%, 실리콘(Sn) 0.5 내지 1중량%의 조성비를 갖는 원료가 용해로에서 용융되어 제조가 이루어지는 우수한 내마모성,내부식성 및 가공성을 갖는 리퀴드 금속 제조방법.
2. 304 스테인레스 스틸 89.8 내지 93.5중량%, 니켈(Ni) 3 내지 5중량%, 크롬(Cr) 1 내지 1.5중량%, 티타늄(Ti) 0.4 내지 0.6중량%, 지르코늄(Zr) 0.2 내지 0.3중량%, 구리(Cu) 1 내지 1.5중량%, 망간(Mn) 0.2 내지 0.3중량%, 실리콘(Sn) 0.7 내지 1중량%의 조성비를 갖는 원료가 용해로에서 용융되어 제조가 이루어지는 우수한 내마모성,내부식성 및 가공성을 갖는 리퀴드 금속 제조방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 원료 들을 용융함에 있어 SS304 베이스 원료로 하여 구리, 망간, 실리콘, 니켈, 티타늄, 크롬, 지르코늄을 용융온도가 낮은 순서부터 순차적으로 투입하고, 각각의 원료의 용융점에 맞도록 용융온도를 점차 높여 용융이 순차적으로 수행됨을 특징으로 하는 우수한 내마모성,내부식성 및 가공성을 갖는 리퀴드 금속 제조방법.

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