KR20200122656A - Manufacturing method for oxide dispersion strenthening alloys - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing an oxide dispersion strengthening alloy, which previously alloys a highly active metal to a base metal, carbonizes or hydrogenates the highly active metal to form a ceramic phase, and selectively oxidizes the ceramic phase to produce an alloy, thereby suppressing the growth of oxide particles and the base metal. The present invention comprises the steps of: (a) preparing a master alloy by alloying the base metal and the highly active metal; (b) converting the highly active metal into the ceramic phase by carbonizing or hydrogenating the master alloy; and (c) selectively oxidizing the ceramic phase.

Description

산화물분산강화 합금 제조방법{Manufacturing method for oxide dispersion strenthening alloys}Manufacturing method for oxide dispersion strenthening alloys}

본 발명은 산화물분산강화 합금 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기지 금속에 고활성 금속을 미리 합금한 다음, 상기 고활성 금속을 탄화 또는 수소화하여 세라믹 상을 형성하고, 다시 상기 세라믹상을 선택적으로 산화시키는 단계를 통하여 합금을 제조함으로서, 산화물 입자와 기지금속의 성장을 억제할 수 있는 산화물분산강화 합금 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing an oxide dispersion-reinforced alloy, and more particularly, a high active metal is prealloyed to a base metal, and then the high active metal is carbonized or hydrogenated to form a ceramic phase, and the ceramic phase is selected again. It relates to a method for producing an oxide dispersion-reinforced alloy capable of suppressing the growth of oxide particles and base metals by preparing an alloy through the step of oxidizing with.

니켈(Ni) 또는 철(Fe)계 산화물 분산 강화 (oxide dispersion strenthening, ODS)합금은 상온 및 고온에서 강도를 증가시키기 위하여 산화물을 금속 기지에 분산시킨 합금이다.Nickel (Ni) or iron (Fe)-based oxide dispersion strenthening (ODS) alloys are alloys in which oxides are dispersed in a metal matrix to increase strength at room temperature and high temperature.

도 1은 종래의 제조공정을 나타내고 있다. 일반적으로 ODS합금은 산화물 입자크기가 작을수록 입자간격이 작아서 기지금속 결정립성장을 방해하게 되어 산화물분산 및 기지금속 결정립미세화에 의하여 강화되는 것으로 알려져 있다.1 shows a conventional manufacturing process. In general, ODS alloys are known to be reinforced by oxide dispersion and base metal grain refinement because the smaller the oxide particle size, the smaller the particle spacing, which hinders the growth of the base metal grains.

종래의 ODS합금 제조는 금속성분의 합금 또는 순수 금속분말과 분산시키려하는 산화물 분말을 기계적 혼합과정을 통하여 복합분말을 제조하여 소결하면 소결과정 중에 분산된 산화물로 인해 기지금속의 결정립 미세화와 산화물 분산에 의해 강화가 이루어진다. In the conventional ODS alloy manufacturing, when a composite powder is manufactured and sintered through a mechanical mixing process of an alloy of a metal component or pure metal powder and an oxide powder to be dispersed, the oxide dispersed during the sintering process prevents the grain refinement and oxide dispersion of the base metal. Reinforcement is achieved by

이러한 종래 기술은 성분금속과 산화물의 기계적 혼합된 분말을 소결하기 때문에 금속입자(기지 금속)와 산화물 입자간의 화학적 반응이 전혀 없어 산화물입자와 금속입자 간의 원자 배열이 어긋나 부정합이 되기 쉬우며, 이로 인해 소결시 가열에 의한 산화물의 성장속도가 빠르고 산화물 입자에 의한 pinning 효과 저하로 기지 결정립 성장도 빨라지게 된다. 따라서 이러한 산화물 입자 및 기지 결정립 조대화는 강화 효과를 저감시키는 요인으로 지적되고 있으며 이는 고온안정성 (고온 강도, 고온 내구성 등)에도 부정적 영향을 나타낸다. 하지만 이러한 티타늄(Ti) 또는 알루미늄(Al) 등과 같은 원소를 첨가하여 산화물과 기지 계면에 복합산화물을 형성시켜 산화물입자와 기지 간의 원자 배열이 연결된 정합 또는 반정합 구조를 얻기도 한다. 다만 이 경우 산화물 입자의 크기가 불균일하고 부정합 산화물 입자분율이 높으며, 강화효과를 극대화시키는데 한계가 있다.Since such a conventional technique sinters the mechanically mixed powder of the component metal and the oxide, there is no chemical reaction between the metal particles (base metal) and the oxide particles, so that the atomic arrangement between the oxide particles and the metal particles is misaligned, which is liable to be mismatched. During sintering, the growth rate of oxides by heating is fast, and the growth of matrix grains is also accelerated due to the reduction of the pinning effect by the oxide particles. Therefore, this coarsening of oxide particles and matrix grains is pointed out as a factor that reduces the reinforcing effect, and this has a negative effect on high temperature stability (high temperature strength, high temperature durability, etc.). However, by adding an element such as titanium (Ti) or aluminum (Al) to form a composite oxide at the interface between the oxide and the matrix, a matched or semi-matched structure in which the atomic arrangement between the oxide particles and the matrix is connected is obtained. However, in this case, the size of the oxide particles is non-uniform, the fraction of unconformed oxide particles is high, and there is a limit to maximizing the reinforcing effect.

따라서 소결전 원료분말 제조단계에서 이러한 산화물과 기지간의 정합 또는 반정합성을 부여하여 산화물 및 기지 결정립 성장을 억제하여 강화 및 고온 안정성을 극대화할 수 있는 신제조 공정이 필요한 실정이다.Therefore, there is a need for a new manufacturing process capable of maximizing reinforcement and high temperature stability by inhibiting the growth of oxide and matrix grains by imparting matching or semi-consistency between the oxide and the matrix in the raw material powder manufacturing step before sintering.

(0001) 대한민국 공개특허 제10-1992-0019958호(0001) Korean Patent Application Publication No. 10-1992-0019958 (0002) 대한민국 공개특허 제10-2009-0086685호(0002) Korean Patent Application Publication No. 10-2009-0086685

전술한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 기지 금속에 고활성 금속을 미리 합금한 다음, 상기 고활성 금속을 탄화 또는 수소화하여 세라믹 상을 형성하고, 다시 상기 세라믹상을 선택적으로 산화시키는 단계를 통하여 합금을 제조함으로서, 산화물 입자와 기지금속의 성장을 억제할 수 있는 산화물분산강화 합금 제조방법을 제공하고자 한다.In order to solve the above problem, the present invention forms a ceramic phase by prealloying a high active metal to a base metal, then carbonizing or hydrogenating the high active metal, and selectively oxidizing the ceramic phase again. By manufacturing an alloy, it is intended to provide a method of manufacturing an oxide dispersion-reinforced alloy capable of suppressing the growth of oxide particles and base metals.

상술한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 (a) 기지금속과 고활성 금속을 합금하여 모합금을 제조하는 단계; (b) 상기 모합금을 탄화 또는 수소화하여 상기 고활성 금속을 세라믹 상으로 전환시키는 단계; 및 (c) 상기 세라믹 상을 선택적으로 산화시키는 단계를 포함하는 산화물분산강화 합금 제조방법을 제공한다.In order to solve the above problems, the present invention comprises the steps of: (a) preparing a master alloy by alloying a base metal and a highly active metal; (b) converting the highly active metal into a ceramic phase by carbonizing or hydrogenating the master alloy; And (c) it provides a method for producing an oxide dispersion-reinforced alloy comprising the step of selectively oxidizing the ceramic phase.

상기 기지금속은 니켈(Ni) 또는 철(Fe)이며 상기 고활성 금속은 이트륨(Y) 또는 티타늄(Ti)일 수 있다.The base metal may be nickel (Ni) or iron (Fe), and the highly active metal may be yttrium (Y) or titanium (Ti).

상기 (b) 단계는 탄화 또는 수소화는 탄화밀링 또는 수소화밀링을 통하여 수행될 수 있다.In the step (b), carbonization or hydrogenation may be performed through carbonization milling or hydrogenation milling.

상기 탄화밀링 또는 수소화밀링은 밀링볼:모합금의 중량비가 10:1~20:1이며, 20~30시간동안 수행될 수 있다.The carbonization milling or hydrogenation milling has a weight ratio of the milling ball: the master alloy of 10:1 to 20:1, and may be performed for 20 to 30 hours.

상기 (c) 단계의 선택적 산화는 공기 분위기에서 500~800℃의 온도로 2~5시간동안 1차 열처리 한 다음, 수소 분위기에서 500~800℃의 온도로 30~90분간 2차 열처리할 수 있다.The selective oxidation of step (c) may be performed by first heat treatment for 2 to 5 hours at a temperature of 500 to 800°C in an air atmosphere, and then secondary heat treatment for 30 to 90 minutes at a temperature of 500 to 800°C in a hydrogen atmosphere. .

본 발명은 또한 상기 방법으로 제조되는 산화물분산강화 합금을 제공한다.The present invention also provides an oxide dispersion-reinforced alloy prepared by the above method.

본 발명에 의한 산화물분산강화 합금 제조방법은 기지 금속에 고활성 금속을 미리 합금한 다음, 상기 고활성 금속을 탄화 또는 수소화하여 세라믹 상을 형성하고, 다시 상기 세라믹상을 선택적으로 산화시키는 단계를 통하여 합금을 제조함으로서, 산화물 입자와 기지금속의 성장을 억제할 수 있으므로, 높은 압축강도 및 경도를 가지는 합금의 제조가 가능하다.The method for producing an oxide dispersion-reinforced alloy according to the present invention comprises a step of prealloying a highly active metal to a base metal, then carbonizing or hydrogenating the highly active metal to form a ceramic phase, and then selectively oxidizing the ceramic phase again. By preparing the alloy, it is possible to suppress the growth of oxide particles and the base metal, so that it is possible to manufacture an alloy having high compressive strength and hardness.

도 1은 기존의 산화물분산강화 합금 제조방법을 간략히 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 산화물분산강화 합금 제조방법을 간략히 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 산화물분산강화 합금 제조방법의 모식도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 Ni-TiO2계 산화물분산강화 합금 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 Ni-TiO2계 산화물분산강화 합금 내 산화물 입자 크기 및 입자간 평균거리를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 Ni-TiO2계 산화물분산강화 합금 내 기지금속의 결정립 크기를 비교한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 Ni-TiO2계 산화물분산강화 합금의 압축강도 및 경도를 비교한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 Ni-Y2O3계 산화물분산강화 합금 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 Ni-Y2O3계 산화물분산강화 합금 내 기지금속의 결정립 크기를 비교한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 Ni-Y2O3계 산화물분산강화 합금의 압축강도 및 경도를 비교한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 Ni-Cr-Al-Ti-Y2O3계 산화물분산강화 합금 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의한 Ni-Cr-Al-Ti-Y2O3계 고온 압축 응력-변형 곡선을 각기 나타낸 그래프이다.
1 schematically shows a method of manufacturing a conventional oxide dispersion-reinforced alloy.
2 is a schematic view of a method of manufacturing an oxide dispersion-reinforced alloy according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram of a method of manufacturing an oxide dispersion-reinforced alloy according to an embodiment of the present invention.
4 is a flow chart showing a method of manufacturing a Ni-TiO2 based oxide dispersion reinforced alloy according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing the size of oxide particles and the average distance between particles in the Ni-TiO2 oxide dispersion-reinforced alloy according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph comparing the grain size of a base metal in a Ni-TiO2 oxide dispersion reinforced alloy according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph comparing compressive strength and hardness of a Ni-TiO2 based oxide dispersion strengthened alloy according to an embodiment of the present invention.
8 is a flow chart showing a method of manufacturing a Ni-Y2O3 based oxide dispersion reinforced alloy according to an embodiment of the present invention.
9 is a graph comparing the grain size of a base metal in a Ni-Y2O3 based oxide dispersion reinforced alloy according to an embodiment of the present invention.
10 is a graph comparing compressive strength and hardness of a Ni-Y2O3 based oxide dispersion reinforced alloy according to an embodiment of the present invention.
11 is a flow chart showing a method of manufacturing a Ni-Cr-Al-Ti-Y2O3-based oxide dispersion-reinforced alloy according to an embodiment of the present invention.
12 is a graph showing a Ni-Cr-Al-Ti-Y2O3 system high-temperature compressive stress-strain curve according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail. In describing the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted. Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components, unless otherwise stated.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The present invention is intended to illustrate specific embodiments and to be described in detail in the detailed description, since various transformations can be applied and various embodiments can be provided. However, this is not intended to limit the present invention to a specific embodiment, it should be understood to include all conversions, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present invention, terms such as include or have are intended to designate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or a combination of them described in the specification, and one or more other features, numbers, and steps. It is to be understood that it does not preclude the possibility of the presence or addition of, operations, components, parts, or combinations thereof.

본 발명은 (a) 기지금속과 고활성 금속을 합금하여 모합금을 제조하는 단계; (b) 상기 모합금을 탄화 또는 수소화하여 상기 고활성 금속을 세라믹 상으로 전환시키는 단계; 및 (c) 상기 세라믹 상을 선택적으로 산화시키는 단계를 포함하는 산화물분산강화 합금 제조방법에 관한 것이다(도 2 참조).The present invention comprises the steps of: (a) preparing a master alloy by alloying a base metal and a highly active metal; (b) converting the highly active metal into a ceramic phase by carbonizing or hydrogenating the master alloy; And (c) selectively oxidizing the ceramic phase (see FIG. 2).

상기 (a)단계는 기지금속과 고활성 금속을 합금하여 모합금을 제조하는 단계로 기존의 산화물분산강화(ODS) 합금의 경우 금속산화물을 기계적으로 혼합하여 분산하고 있지만 본 발명에서는 금속산화물으로 전환될 고활성 금속을 기지금속과 합금과정을 통하여 혼합하여 모합금을 제조하고 상기 고활성 금속을 산화하여 ODS합금을 제조한다(도 3의 ①).The step (a) is a step of preparing a master alloy by alloying a base metal and a highly active metal. In the case of the conventional oxide dispersion strengthened (ODS) alloy, the metal oxide is mechanically mixed and dispersed, but in the present invention, it is converted to a metal oxide. The high active metal to be formed is mixed with the base metal through an alloying process to prepare a master alloy, and the high active metal is oxidized to prepare an ODS alloy (1 in FIG. 3).

상기 기지금속은 니켈(Ni) 또는 철(Fe)을 사용할 수 있다. 상기 기지금속은 상기 고활성 금속에 비하여 수소화 또는 탄화가 어려운 금속을 사용하는 것이 바람직하다. 일반적인 금속의 경우 대부분 산화는 용이하게 수행되고 있지만 금속에 따라 탄화물 또는 수소화물 형성의 경우 각 금속의 종류에 따라 활성이 상이한 것으로 알려져 있다. 따라서 본 발명에서는 탄화 또는 수소화가 되기 어려운 금속인 니켈 또는 철을 기지금속으로 사용하는 것으로, 고활성 금속만을 선택적으로 탄화 또는 수소화를 수행할 수 있으며, 이에 따라 산화물의 형성도 선택적으로 형성가능하다.Nickel (Ni) or iron (Fe) may be used as the base metal. The base metal is preferably a metal that is difficult to hydrogenate or carbonize compared to the highly active metal. In the case of general metals, most of the oxidation is easily performed, but it is known that in the case of formation of carbides or hydrides depending on the metal, the activity is different depending on the type of each metal. Accordingly, in the present invention, nickel or iron, which is a metal that is difficult to be carbonized or hydrogenated, is used as a base metal, and carbonization or hydrogenation can be selectively performed on only a highly active metal, and thus oxide formation can be selectively formed.

상기 고활성 금속은 이트륨(Y) 또는 티타늄(Ti)일 수 있다. 상기 기지금속에서도 살펴본 바와 같이 상기 고활성 금속은 탄화물 또는 수소화물의 형성이 용이한 이트륨 또는 티타늄을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 탄화물 또는 수소화물의 경우 다음단계를 통하여 산화물로 전환 가능하므로 결과적으로는 상기 고활성 금속을 선택적으로 산화물로 전환하여 ODS합금의 제조가 가능하다.The highly active metal may be yttrium (Y) or titanium (Ti). As also described in the base metal, it is preferable to use yttrium or titanium for easy formation of carbides or hydrides as the highly active metal. In the case of such carbides or hydrides, it is possible to convert to oxides through the following steps, and as a result, it is possible to manufacture an ODS alloy by selectively converting the highly active metal into oxides.

상기 (b) 단계는 상기 모합금을 탄화 또는 수소화하여 상기 고활성 금속을 세라믹 상으로 전환시키는 단계로, 상기 탄화 또는 수소화는 탄화밀링 또는 수소화밀링을 통하여 수행될 수 있다(도 3의 ②). 상기 모합금의 고활성 금속 성분의 경우 위에서 살펴본 바와 같이 탄화 또는 수소화가 용이한 금속이 사용될 수 있다. 따라서 이러한 모합금에 탄화 또는 수소화 과정을 수행할 경우 상기 고활성 금속이 우선적으로 탄화 또는 수소화물(세라믹상)을 형성할 수 있다. 이 과정을 상세히 살펴보면 상기 (a) 단계에서 합금된 금속상(Ni4Y, Ni3Ti, Fe2Y, FeTi 등)을 분말화한 다음, 밀링볼:모합금의 중량비가 10:1~20:1 바람직하게는 10:2~20:2의 중량비로 밀링기에 장입하며, 20~30시간동안 밀링을 수행하여 수소화물 또는 탄화물(세라믹 상, YH2, TiH2, TiC 등)을 형성할 수 있다.The step (b) is a step of converting the highly active metal into a ceramic phase by carbonizing or hydrogenating the mother alloy, and the carbonization or hydrogenation may be performed through carbonization milling or hydrogenation milling (2 in FIG. 3). In the case of the highly active metal component of the master alloy, a metal easily carbonized or hydrogenated as described above may be used. Therefore, when performing a carbonization or hydrogenation process on such a master alloy, the highly active metal may preferentially form a carbonization or hydride (ceramic phase). Looking at this process in detail, after powdering the alloyed metal phase (Ni 4 Y, Ni 3 Ti, Fe 2 Y, FeTi, etc.) in step (a), the weight ratio of the milling ball: the master alloy is 10:1 to 20 :1 Preferably it is charged to the milling machine at a weight ratio of 10:2 to 20:2, and milling is performed for 20 to 30 hours to form hydrides or carbides (ceramic phase, YH 2 , TiH 2 , TiC, etc.) have.

상기 (c) 단계는 상기 세라믹 상을 선택적으로 산화시키는 단계로 상기 (b) 단계의 밀링에 의하여 생성된 수소화물 또는 탄화물을 선택적으로 산화시키는 단계이다(도 3의 ③). 상기 (c) 단계는 기지금속의 산화를 억제하면서 생성된 세라믹상의 산화를 수행해야 하므로 공기 분위기에서 500~800℃의 온도로 2~5시간동안 1차 열처리 한 다음, 수소 분위기에서 500~800℃의 온도로 30~90분간 2차 열처리하여 수행되는 것이 바람직하다. 이때 상기 1차 열처리의 온도가 500℃미만이거나 2시간 미만으로 수행하는경우 세라믹상이 산화물로 전환되지 않으며 800℃를 초과하거나 5시간을 초과하여 열처리 하는 경우 기지금속이 산화될 수 있다. 또한 상기 2차 열처리는 상기 모합금에 포함된 기지금속의 산화를 막기 위하여 실시하는 것으로 30분 미만으로 열처리하는 경우 기지금속의 산화가 나타날 수 있고 90분을 초과하여 열처리 하는 경우 더 이상의 효과가 없어 제조비용만 소모할 수 있다.The step (c) is a step of selectively oxidizing the ceramic phase, and is a step of selectively oxidizing the hydride or carbide generated by the milling in step (b) (③ in FIG. 3). In the step (c), since oxidation of the ceramic phase generated while suppressing the oxidation of the base metal should be performed, the first heat treatment is performed at a temperature of 500 to 800°C for 2 to 5 hours in an air atmosphere, and then 500 to 800°C in a hydrogen atmosphere. It is preferable to perform the secondary heat treatment at a temperature of 30 to 90 minutes. At this time, when the temperature of the first heat treatment is less than 500°C or less than 2 hours, the ceramic phase is not converted to oxide, and when the heat treatment exceeds 800°C or more than 5 hours, the base metal may be oxidized. In addition, the secondary heat treatment is performed to prevent oxidation of the base metal contained in the mother alloy. If the heat treatment is performed for less than 30 minutes, oxidation of the base metal may occur. If the heat treatment is performed for more than 90 minutes, there is no further effect. Only manufacturing costs can be consumed.

이후 종래 공정과 동일하게 의도한 조성이 되도록 성분원소(Cr, Al, Ti Ni, Mg 등)를 첨가하고 기계적인 합금화를 수행한 다음 소결하여 최종제품 또는 중간재품을 생산할 수 있다(도 3 참조).Thereafter, component elements (Cr, Al, Ti Ni, Mg, etc.) are added to the intended composition in the same manner as in the conventional process, mechanical alloying is performed, and then sintered to produce a final product or an intermediate product (see FIG. 3). .

본 발명은 또한 상기 방법으로 제조되는 산화물분산강화 합금에 관한 것이다.The present invention also relates to an oxide dispersion-reinforced alloy produced by the above method.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 도면에 제시된 어떤 특징들은 설명의 용이함을 위해 확대 또는 축소 또는 단순화된 것이고, 도면 및 그 구성요소들이 반드시 적절한 비율로 도시되어 있지는 않다. 그러나 당업자라면 이러한 상세 사항들을 쉽게 이해할 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art can easily implement them. In addition, in describing the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known function or a known configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted. In addition, certain features presented in the drawings are enlarged or reduced or simplified for ease of description, and the drawings and their components are not necessarily drawn to scale. However, those skilled in the art will readily understand these details.

<실시예 1> : Ni-TiO2계 ODS 합금 제조 <Example 1>: Ni-TiO 2 ODS alloy production

그림 4는 순수 니켈(Pure Ni)의 TiO2 분산강화 방법을 간략히 나타낸 것이다.Figure 4 briefly shows the method of strengthening the dispersion of TiO 2 in pure nickel.

본 실시예 1은 도3의 ② Recomposition 과정을 탄화 밀링을 이용하여 기지 금속인 Ni과 TiC상 공존하는 분말입자들을 제조하였다. 이후 이들 분말입자를 선택산화한 후, 목적 조성에 맞도록 Ni 분말을 첨가하고 기계적 합금화하여 소결하였다(NT-a).In Example 1, powder particles coexisting in the base metal Ni and TiC were prepared by using carbonization milling in the ② recomposition process of FIG. 3. Thereafter, these powder particles were selectively oxidized, and then Ni powder was added to suit the target composition, and mechanically alloyed and sintered (NT-a).

본 발명과의 비교를 위하여 종래의 공정으로 제조된 분말을 동일조건으로 소결하여 비교하였다(NT-c).For comparison with the present invention, the powder prepared by the conventional process was compared by sintering under the same conditions (NT-c).

실험예 1Experimental Example 1

소결전 원료분말을 TEM 관찰분석결과 본 발명의 실시예 1에 의한 NT-a분말은 3~5nm크기의 산화물 입자에서 Ni(111)면/TiO2(111)계면에서 반정합 형성을 확인할 수 있었다. 이와는 반대로 기존의 방법으로 제조된 NT-c분말의 경우 모든 산화물 입자들은 부정합계면을 나타내는 것을 확인 할 수 있었다. As a result of TEM observation analysis of the raw material powder before sintering, the NT-a powder according to Example 1 of the present invention was able to confirm the formation of semi-matching at the Ni(111) surface/TiO 2 (111) interface in the oxide particles of 3 to 5 nm size. . On the contrary, in the case of the NT-c powder manufactured by the conventional method, it was confirmed that all oxide particles exhibited a mismatched interface.

도 5는 본 발명의 실시예 1에 의하여 제조된 Ni-TiO2계 ODS 금속내산화물 입자크기 및 입자간 평균거리를 나타낸 것이다. 실시예 1 NT-a의 산화물입자 크기 및 입자간 거리가 NT-c보다 전 소결온도범위에서 작은값을 나타내는 것을 확인하였으며 이는 분산된 산화물이 상대적으로 미세화 되었는 것을 의미한다.5 shows the particle size and average distance between the particles of the Ni-TiO 2 ODS metal oxide prepared according to Example 1 of the present invention. Example 1 It was confirmed that the oxide particle size and interparticle distance of NT-a exhibited a smaller value over the entire sintering temperature range than NT-c, which means that the dispersed oxide was relatively micronized.

도 6은 기지금속 결정립크기비교를 비교한 그래프이다. 기지 결정립 크기도 NT-a의 산화물입자 크기 및 입자간 거리가 NT-c보다 전 소결온도범위에서 작은 값을 나타내는 것을 확인하였다. 위의 결과는 산화물 입자 크기 및 입자간 거리 감소로 인한 기지 결정립 성장 억제효과(Pinning effect)가 극대화 됐음을 의미한다.6 is a graph comparing base metal grain size comparison. It was also confirmed that the known crystal grain size showed a smaller value in the entire sintering temperature range than NT-c in the oxide grain size and inter-particle distance of NT-a. The above result means that the pinning effect is maximized due to the reduction in the oxide particle size and the distance between particles.

도 7은 NT-a와 NT-c 시료의 압축강도 및 경도를 비교한 그래프이다. NT-a의 압축강도 및 경도가 NT-c보다 전 소결온도범위에서 더 높은 값을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이는 NT-a시료의 산화물분산 강화(Orowan 강화) 및 기지금속 결정립계에 의한 강화(Hall-Petch 강화)가 모두 상대적으로 우수하다는 것을 의미한다.7 is a graph comparing compressive strength and hardness of NT-a and NT-c samples. It was confirmed that the compressive strength and hardness of NT-a showed higher values over the entire sintering temperature range than NT-c. This means that both the oxide dispersion strengthening (Orowan strengthening) and the strengthening by base metal grain boundaries (Hall-Petch strengthening) of the NT-a sample are relatively excellent.

<실시예 2> : Ni - 20wt%Cr - 1.0wt% Y2O3 ODS 합금 제조 <Example 2>: Ni-20wt%Cr-1.0wt% Y 2 O 3 ODS alloy production

도 8은 Ni - 20wt%Cr - 1.0wt% Y2O3 ODS 합금 제조공정을 나타낸 것이다. 본 실시예 2는 도 3의 ② Recomposition 과정을 수소화 밀링을 이용하여 기지 금속인 Ni과 YH2상 공존하는 분말입자들을 제조하였다. 이후 이들 분말입자를 선택산화하여 기지 금속인 Ni과 Y2O3상이 공존하는 분말입자로 전환한 후, 목적 조성에 맞도록 Ni 및 Cr 분말을 첨가하고 기계적 합금화하여 소결하였다(NY-a).Figure 8 shows the Ni-20wt%Cr-1.0wt% Y 2 O 3 ODS alloy manufacturing process. In this Example 2, powder particles coexisting with Ni and YH 2 as a base metal were prepared by using hydrogen milling in the ② Recomposition process of FIG. 3. Thereafter, these powder particles were selectively oxidized and converted into powder particles in which Ni and Y 2 O 3 phases, which are known metals, coexist, and then Ni and Cr powders were added to suit the target composition, and then mechanically alloyed and sintered (NY-a).

본 발명과의 비교를 위하여 종래의 공정으로 제조된 분말을 동일조건으로 소결하여 비교하였다(NY-c).For comparison with the present invention, the powder prepared by the conventional process was compared by sintering under the same conditions (NY-c).

실험예 2Experimental Example 2

표 1은 상기 실시예 2에서 제조된 Ni - 20wt%Cr - 1.0wt% Y2O3 ODS 합금 내 산화물 입자크기 및 입자간 평균거리를 비교한 것이다. 소결온도에 관계없이 NY-a의 산화물입자 크기 및 입자간 거리가 NT-c보다 전 소결온도범위에서 작은값을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이는 분산된 산화물이 상대적으로 미세화 되었다는 것을 의미한다.Table 1 is a comparison of the oxide particle size and the average distance between the particles in the Ni-20wt%Cr-1.0wt% Y 2 O 3 ODS alloy prepared in Example 2. Regardless of the sintering temperature, it can be seen that the oxide particle size and inter-particle distance of NY-a are smaller than NT-c over the entire sintering temperature range. This means that the dispersed oxide is relatively micronized.

Temp(℃)
sample
Temp(℃)
sample
850850 10001000
입자크기(nm)Particle size (nm) 입자간거리(nm)Particle distance (nm) 입자크기(nm)Particle size (nm) 입자간거리(nm)Particle distance (nm) NY-cNY-c 2323 5050 4545 7575 NY-aNY-a 1616 4040 3030 5555

도 9는 소결온도에 따른 Ni - 20wt%Cr - 1.0wt% Y2O3 ODS 합금의 기지금속 결정립크기 비교한 결과이다. 기지 결정립 크기도 NY-a의 산화물입자 크기 및 입자간 거리가 NY-c보다 전 소결온도범위에서 작은 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다.9 is a result of comparing the grain size of the base metal of the Ni-20wt%Cr-1.0wt% Y 2 O 3 ODS alloy according to the sintering temperature. It can be seen that the known grain size also exhibits a smaller value in the entire sintering temperature range than NY-c in the oxide particle size and inter-particle distance of NY-a.

도 10은 NY-a와 NY-c 시료의 압축강도 및 경도를 비교한 것이다. NY-a의 압축강도 및 경도가 NY-c보다 전 소결온도범위에서 더 높은 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이는 NY-a시료의 산화물분산 강화(Orowan 강화) 및 기지금속 결정립계에 의한 강화(Hall-Petch 강화)가 모두 상대적으로 우수하다는 것을 의미한다.10 is a comparison of the compressive strength and hardness of the samples NY-a and NY-c. It can be seen that the compressive strength and hardness of NY-a exhibited higher values over the entire sintering temperature range than NY-c. This means that both the oxide dispersion strengthening (Orowan strengthening) and the strengthening by base metal grain boundaries (Hall-Petch strengthening) of the NY-a sample were relatively excellent.

한편 TEM 관찰 분석결과 1000℃에서 소결한 NY-a시료는 4nm 이하의산화물 입자에서 Ni-Cr(111)//Y2O3(422) 및 Ni-Cr(111)//Y2O3(433)계면에서 각각 반정합 상태임을 확인하였다. 그러나 NT-c분말의 경우 입자크기에 관계없이 산화물계면에서 부정합 상태인 것을 확인하였다.Meanwhile, as a result of TEM observation analysis, the NY-a sample sintered at 1000°C was Ni-Cr(111)//Y 2 O 3 (422) and Ni-Cr(111)//Y 2 O 3 ( 433) It was confirmed that each was in a semi-aligned state at the interface. However, in the case of NT-c powder, it was confirmed that it was in a state of mismatch at the oxide interface regardless of the particle size.

<실시예 3> : Ni - 20wt%Cr - 0.3wt%Al - 0.5wt%Ti - 0.6wt%Y2O3 ODS합금의 제조<Example 3>: Ni-20wt%Cr-0.3wt% Al-0.5wt% Ti-0.6wt% Y 2 O 3 Preparation of ODS alloy

도 11은 Ni - 20wt%Cr - 0.3wt%Al - 0.5wt%Ti - 0.6wt%Y2O3 ODS합금 제조공정을 나타낸 것이다. 본 실시예 3은 도 3의 ② Recomposition 과정을 수소화 밀링을 이용하여 기지 금속인 Ni과 YH2상 공존하는 분말입자들을 제조하였다. 이후 이들 분말입자를 선택산화하여 기지 금속인 Ni과 Y2O3상이 공존하는 분말입자로 전환한 후, 목적 조성에 맞도록 Ni, Cr, Al, Ti 분말을 첨가하고 기계적 합금화하여 소결하였다(MA-a)Figure 11 shows the Ni-20wt%Cr-0.3wt%Al-0.5wt%Ti-0.6wt%Y 2 O 3 ODS alloy manufacturing process. In this Example 3, powder particles coexisting with Ni and YH 2 phases were prepared by using hydrogen milling in the ② Recomposition process of FIG. 3. Then, these powder particles were selectively oxidized to convert them into powder particles in which Ni and Y 2 O 3 phases, which are known metals, coexist, and then Ni, Cr, Al, and Ti powders were added to suit the target composition, and then mechanically alloyed and sintered (MA -a)

본 발명과의 비교를 위하여 종래의 공정으로 제조된 분말을 동일조건으로 소결하여 비교하였다(MA-c).For comparison with the present invention, the powder prepared by the conventional process was sintered under the same conditions and compared (MA-c).

실험예 3Experimental Example 3

표 2는 1100℃에서 소결한 Ni - 20wt%Cr - 0.3wt%Al - 0.5wt%Ti - 0.6wt%Y2O3 ODS 합금내 산화물 입자크기 및 입자간 평균거리를 비교한 것이다. MA-a의 산화물입자 크기 및 입자간 거리가 MA-c보다 작은값을 나타내는 것을 확인 할 수 있었으며, 이는 분산된 산화물이 상대적으로 미세화 되었다는 것을 의미한다.Table 2 is a comparison of the oxide particle size and the average distance between the particles in the Ni-20wt%Cr-0.3wt% Al-0.5wt% Ti-0.6wt%Y 2 O 3 ODS alloy sintered at 1100 ℃. It was confirmed that the size of the oxide particles of MA-a and the distance between the particles were smaller than those of MA-c, which means that the dispersed oxides were relatively micronized.

입자크기(nm)Particle size (nm) 입자간거리(nm)Particle distance (nm) MA-cMA-c 4848 6060 MA-aMA-a 3232 5353

표 3은 1100℃에서 소결한 MA-a 및 MA-c ODS 합금시료의 기지금속 결정립크기 비교한 결과이다. 기지 결정립 크기도 MA-a의 산화물입자 크기 및 입자간 거리가 MA-c의 산화물입자 보다 전 소결온도범위에서 작은 값을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.Table 3 shows the results of comparing the grain size of the base metal of the MA-a and MA-c ODS alloy samples sintered at 1100°C. As for the known grain size, it was confirmed that the oxide particle size and inter-particle distance of MA-a were smaller than those of MA-c in the entire sintering temperature range.

기지금속 결정립 크기(nm)Base metal grain size (nm) MA-cMA-c 301301 MA-aMA-a 183183

표 4는 1100℃에서 소결한 MA-a와 MA-c 시료의 압축강도 및 경도비교한 것이다. MA-a의 압축강도 및 경도가 MA-c보다 더 높은 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이는 MA-a 시료의 산화물분산 강화(Orowan 강화) 및 기지금속 결정립계에 의한 강화(Hall-Petch 강화)가 모두 상대적으로 우수하다는 것을 의미한다.Table 4 is a comparison of compressive strength and hardness of MA-a and MA-c samples sintered at 1100°C. It can be seen that the compressive strength and hardness of MA-a are higher than those of MA-c. This means that both the oxide dispersion strengthening (Orowan strengthening) and the strengthening by the base metal grain boundary (Hall-Petch strengthening) of the MA-a sample are relatively excellent.

압축항복강도(Mpa)Compressive yield strength (Mpa) 경도(Hv)Hardness (Hv) MA-cMA-c 13951395 417417 MA-aMA-a 16531653 492492

표 5는 1100℃에서 소결한 MA-a와 MA-c 시료의 고온 압축강도 및 연신율 경도비교한 것이다. 고온에서도 MA-a의 압축강도 M-c보다 더 높은 값을 나타내었으며 연신율의 경우 반대로 MA-a이 M-c보다 더 낮은 값을 나타내는 것을 확인하였다.Table 5 is a comparison of high-temperature compressive strength and elongation hardness of MA-a and MA-c samples sintered at 1100°C. Even at high temperatures, the compressive strength of MA-a showed a higher value than M-c, and in the case of elongation, it was confirmed that MA-a showed a lower value than M-c.

Temp(℃)
sample
Temp(℃)
sample
고온 압축강도(Mpa)High temperature compressive strength (Mpa) 연신율(%)Elongation (%)
상온Room temperature 750750 850850 상온Room temperature 750750 850850 MA-cMA-c 13951395 605605 437437 7.57.5 1313 1919 MA-aMA-a 16531653 833833 651651 5.55.5 1010 14.514.5

도 12는 고온 압축 응력-변형곡선을 나타낸다. 상대적 저온인 (a)는 고온인 (b)보다 높은 응력, 낮은 소성변형량을 나타내고 있다. 또한 모든 온도에서 MA-a의 압축응력이 M-c보다 더 높은 값을 나타내는 것을 확인할 수 있다.12 shows a high temperature compressive stress-strain curve. Relatively low temperature (a) shows higher stress and lower plastic strain than high temperature (b). In addition, it can be seen that the compressive stress of MA-a is higher than that of M-c at all temperatures.

한편 TEM 관찰 분석결과 1100℃에서 소결한 MA-c시료에서도 6nm 미만의 산화물 입자에서 Ni-Cr(111)//YTiO3(220), Ni-Cr(111)//YAiO3(110) 및 Ni-Cr(111)//YTiO(220)계면에서 각각 반정합 상태임을 확인하였다. 산화물 크기 6nm이상과 Y2O3와 같은 단일산화물에서는 모두 부정합이었으며, 반정합은 모두 복합산화물인 것으로 확인되었다. 이는 Al 및 Ti의 첨가 이유로 Al 및 Ti의 경우 계면의 정합성 부여를 위해 첨가될 수 있음을 확인하였다.Meanwhile, as a result of TEM observation analysis, Ni-Cr(111)//YTiO 3 (220), Ni-Cr(111)//YAiO 3 (110) and Ni in oxide particles of less than 6 nm even in MA-c samples sintered at 1100°C. -Cr(111)//YTiO(220) was confirmed to be in a semi-matched state at the interface. In the case of the oxide size of 6 nm or more and the single oxide such as Y 2 O 3 , all were mismatched, and all semi-matched were confirmed to be composite oxides. It was confirmed that Al and Ti can be added to impart interface consistency in the case of Al and Ti due to the addition of Al and Ti.

반면 MA-a 시료에서는 6nm 이상의 산화물 입자의 Ni-Cr(111)// YTiO3(220), Ni-Cr(111)//YAiO3(110) 및 Ni-Cr(111)//YTiO(220)계면에서도 반정합을 나타내난 것을 확인하였다. 이는 산화물 계면의 고온안정성이 향상되었음을 의미한다. 또한 MA-a시료에서는 단일산화물 계면인 Ni-Cr(111)//Y2O3(440)계면에서도 반정합을 나타내고 있다. 반정합 산화물의 부피분율 측정결과 MA-a는 40.7%, MA-c는 13.7%로서 MA-a시료가 훨씬 많은 반정합 계면을 형성 하고 있었다. 이는 본 발명 공정의 ODS합금의 분산강화 효과가 우수하며, 산화물 계면의 고온 안정성도 매우 우수하다는 것을 의미한다.On the other hand, in the MA-a sample, Ni-Cr(111)// YTiO 3 (220), Ni-Cr(111)//YAiO 3 (110) and Ni-Cr(111)//YTiO(220) of oxide particles of 6 nm or more ) It was confirmed that the interface also showed semi-conformity. This means that the high temperature stability of the oxide interface is improved. In addition, in the MA-a sample, the Ni-Cr(111)//Y 2 O 3 (440) interface, which is a monooxide interface, also showed semi-matching. As a result of measuring the volume fraction of the semi-matched oxide, MA-a was 40.7% and MA-c was 13.7%, indicating that the MA-a sample formed much more semi-matched interfaces. This means that the dispersion strengthening effect of the ODS alloy of the present invention process is excellent, and the high temperature stability of the oxide interface is also very excellent.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.As described above, specific parts of the present invention have been described in detail, and it will be apparent to those of ordinary skill in the art that these specific techniques are only preferred embodiments, and the scope of the present invention is not limited thereby. will be. Accordingly, it will be said that the substantial scope of the present invention is defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (6)

(a) 기지금속과 고활성 금속을 합금하여 모합금을 제조하는 단계;
(b) 상기 모합금을 탄화 또는 수소화하여 상기 고활성 금속을 세라믹 상으로 전환시키는 단계; 및
(c) 상기 세라믹 상을 선택적으로 산화시키는 단계;
를 포함하는 산화물분산강화 합금 제조방법.
(a) preparing a master alloy by alloying a base metal and a highly active metal;
(b) converting the highly active metal into a ceramic phase by carbonizing or hydrogenating the master alloy; And
(c) selectively oxidizing the ceramic phase;
Oxide dispersion-reinforced alloy manufacturing method comprising a.
제1항에 있어서,
상기 기지금속은 니켈(Ni) 또는 철(Fe)이며 상기 고활성 금속은 이트륨(Y) 또는 티타늄(Ti)인 것을 특징으로 하는 산화물분산강화 합금 제조방법.
The method of claim 1,
The base metal is nickel (Ni) or iron (Fe), and the highly active metal is yttrium (Y) or titanium (Ti).
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계는 탄화 또는 수소화는 탄화밀링 또는 수소화밀링을 통하여 수행되는 것을 특징으로 하는 산화물분산강화 합금 제조방법.
The method of claim 1,
In the step (b), carbonization or hydrogenation is carried out through carbonization milling or hydrogenation milling.
제3항에 있어서,
상기 탄화밀링 또는 수소화밀링은 밀링볼:모합금의 중량비가 10:1~20:1이며, 20~30시간동안 수행되는 것을 특징으로 하는 산화물분산강화 합금 제조방법.
The method of claim 3,
The carbonization milling or hydrogenation milling is a method for producing an oxide dispersion-reinforced alloy, characterized in that the weight ratio of the milling ball: the master alloy is 10:1 to 20:1, and is performed for 20 to 30 hours.
제1항에 있어서,
상기 (c) 단계의 선택적 산화는 공기 분위기에서 500~800℃의 온도로 2~5시간동안 1차 열처리 한 다음, 수소 분위기에서 500~800℃의 온도로 30~90분간 2차 열처리하는 것을 특징으로 하는 산화물분산강화 합금 제조방법.
The method of claim 1,
The selective oxidation of step (c) is characterized in that the first heat treatment is performed for 2 to 5 hours at a temperature of 500 to 800°C in an air atmosphere, and then the secondary heat treatment is performed for 30 to 90 minutes at a temperature of 500 to 800°C in a hydrogen atmosphere. Oxide dispersion reinforced alloy manufacturing method using.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되는 산화물분산강화 합금.An oxide dispersion-reinforced alloy manufactured by the method of any one of claims 1 to 5.
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