KR20210092686A - 복합재 - Google Patents

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KR20210092686A
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김충년폴
함기수
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코오롱인더스트리 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 복합재는 금속원소 M과 비금속원소 X을 포함한 합금이며, 적어도 일부가 비정질상인 제1상(phase); 및 상기 제1상에 분산되며, 상기 금속원소 M과 상기 비금속원소 X로 이루어지는 MaXb (a 및 b는 0 초과이다)로 표현되는 세라믹 화합물을 가지는 제2상(phase)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

복합재 {Composite material}
본 발명의 일 측면은 복합재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 비정질상을 갖는 합금과 결정질상의 세라믹 화합물을 포함하는 복합재에 관한 것이다.
복합재란, 종류가 서로 다른 재료인 이종재료를 함께 사용하여 이루어지는 소재로서, 단독의 재료로는 얻을 수 없는 새로운 특성을 지니게 할 수 있는 장점이 있어 다양한 소재를 선택해 다양한 분야에서 활용할 수 있는 장점이 있다.
복합재는 주로 2가지 이상의 상으로 이루어져 있으며, 연속적으로 구성되며 다른 상을 감싸는 구조의 기지(matrix), 기지에 분산되는 분산상(Dispersed phase)으로 이루어지고, 이종재료가 서로 복합되는 방식에 따라 두가지 재료를 적층시키는 적층복합재(Laminated composite), 분말형태의 구성입자들을 포함하는 입자복합재, 기지 상에 강선이나 섬유를 특정방향으로 심은 구조의 섬유강화 복합재(Fiber reinforced composite)로 구분이 가능하다.
복합재에 사용되는 소재로는 금속, 유기화합물, 나노 재료, 세라믹 재료 등이 사용될 수 있으며, 세라믹 재료의 활용도도 높은 편이다. 세라믹 재료(Ceramic materials)는 고강도, 고인성, 고경도, 내고온, 내마모, 내부식 및 화학적 안정성이 우수한 구조로서 이미 항공 우주, 선박, 자동차, 대체에너지, 전자 정보, 야금, 화학공업 등 다양한 기술분야에서 활용되고 있다.
최근에는 합금분야, 특히 경량재료로 활용 가능한 알루미늄합금의 경우 기존의 경량성을 유지하면서 철강재료에 능가하는 강도를 갖거나, 세라믹 재료에 견줄 수 있는 내마모, 내부식성을 가지도록 하기 위한 연구가 이루어져왔으며, 응고법 및 열처리 등을 개선하여 결정질 재료의 성질을 개선해 결정질 재료와 다른 원자배열 구조를 가지는 비정질 합금에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
이때, 비정질 합금을 이용하면 3 GPa 급의 초고강도의 재료를 얻는 것이 가능하며, 우수한 비강도로 부품의 경량화를 이룰 수 있고, 균일한 미세조직을 가짐으로써 내식성의 향상, 내마모성의 증가를 얻을 수 있는 장점이 있어 자동차, 반도체, 항공, 원자력, 우주, 군수, 나노 소자 등 관련 산업에 미치는 파급력이 매우 클 것으로 기대되고 있다.
이러한 비정질 합금에 합금의 조성 조절 이외에도 다양한 상의 형성과 부피 분율을 가지는 제2상의 분산된 복합재가 연구되고 있으며, 이러한 비정질 기지 복합재의 경우 제2상의 특성(characteristics)에 따라 강도, 연성이 향상되어 인성이 증가하고, 가공 경화(work hardening) 거동을 보인다. 이는 분산된 제2상의 종류, 형태, 크기에 따라 shear band의 발달을 억제하기 때문이다.
그러나 이러한 비정질 합금 복합재의 경우 비정질 상의 형성을 위한 빠른 냉각 속도를 부여하기 위해 추가적인 공정 제어가 필요하며, 제 2상을 이루는 합금 원소를 합금과 함께 투입하여 복합재를 형성하는 과정에서 제 2상이 균일하게 분산되지 않거나, 의도치 않은 반응이 진행되어 원하는 우수한 물성을 가지는 복합재를 제조하기 어려운 문제가 있어 이를 해결하기 위한 연구가 필요한 실정이다.
중국등록특허 제 10-1508574B호
본 발명의 목적은 물리·화학적 특성이 모두 우수한 비정질 기지에 고경도의 세라믹 상이 포함되어 있는 복합재로서, 비정질 합금과 세라믹 소재의 혼합 시 이종 물질 사이에서 발생하는 문제점(이종 분말간 낮은 결합력, 예기치 않은 화학적 반응, 높은 기공도 등)에 의해 전체 복합재의 물성 저하되는 현상을 억제하여 물리·화학적 특성이 우수한 복합재를 제공하는 데에 있다.
또한, 서로 다른 2이상의 상을 포함하여 이루어지는 복합재에서 매트릭스인 제1상에 분산되는 제2상이 균일하게 분산될 수 있어 균일하면서도 우수한 물성을 가지는 복합재료를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또, 비정질상 매트릭스에 분산된 결정질상을 포함하는 복합재의 계면(interface)에서 화학적 반응에 따른 불순물의 형성을 최소화하여 균열의 전파가 잘 일어나지 않고 기계적 특성이 우수한 복합재를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면은 금속원소 M과 비금속원소 X를 포함하는 합금이며, 적어도 일부가 비정질상인 제1상(phase); 및
상기 제1상에 분산되며, 상기 금속원소 M과 상기 비금속원소 X로 이루어지는 MaXb (a 및 b는 0 초과이다)로 표현되는 세라믹 화합물을 가지는 제2상(phase);을 포함하는 복합재이다.
여기에서, 상기 금속원소 M은 Fe, Cr, Mo, Ni, Co, Cu, Ti, V, Nb, Ta, W, Mn 및 Al 으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나 이상이고, 상기 비금속원소 X는 Si, B, C, N, S 및 P 으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것이 좋고,
상기 세라믹 화합물은 상기 금속원소 M과 상기 비금속원소 X가 결합해 상기 제1상으로부터 석출되는 화합물인 것이 좋으며,
상기 제2상은 결정질의 상기 세라믹 화합물을 포함하는 것이 바람직하다.
또, 상기 복합재에서 상기 제2상의 분포밀도는 0.2 내지 1.2(phase/㎛)인 것이 좋고, 상기 제1상에 분산되고, 상기 금속원소 M의 결정상을 가지는 제3상(phase)을 더 포함하는 것이 좋으며, 상기 MaXb는 Fe 또는 Cr계 붕화물을 포함하는 것도 바람직하다.
이때, 상기 제1상 및 상기 제2상은 상기 금속원소 M과 상기 비금속원소 X를 포함하는 모합금조성물로부터 구비되고, 상기 모합금조성물에 포함되는 상기 비금속원소 X의 함량은 상기 제1상에 포함되는 상기 비금속원소 X의 함량보다 큰 것이 좋고, 상기 복합재는 분말 형태인 것이 좋다.
본 발명의 다른 측면은, 복합재가 모재 상에 코팅되어 구비되는 합금 코팅층을 포함하는 복합재 코팅체와, 복합재를 성형하여 제조되는 복합재 성형체인 것이 좋다.
본 발명의 일 측면에 따른 복합재는, 비정질 상을 가지는 합금을 제1상인 기지 조직(matrix, 매트릭스)으로 포함하고, 제1상에 분산되는 결정질의 세라믹 화합물을 포함하여 비정질 합금과 세라믹 화합물이 복합되어 내마모, 내마찰 특성이 더욱 향상되고, 취성을 보완할 수 있으며, 형성되는 세라믹 화합물의 종류를 제어하여 복합재의 화학적 특성 또한 향상시킬 수 있다.
또한, 제2상에 포함되는 세라믹 화합물은 단일한 조성의 모합금조성물이 냉각되는 과정에서 제1상으로부터 석출되므로 전체 복합재 내에 균일하고 미세하게 분산되며, 이종 소재간 혼합에 의한 계면에서의 반응이 일어나지 않을 수 있어 복합재 형성시 불순물 등 기타 물질이 생성되지 않으므로 제1상과 제2상 사이 계면에서의 특성이 우수하여 복합재의 취성특성이 좋고 물성이 우수한 장점이 있다.
또한, 합금조성물에 포함되는 금속원자 및 비금속원자의 함량을 조절하여 복합재 내에 분산되는 제2상의 함량 및 제2상의 조성을 제어할 수 있는 특징이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예인 복합재 코팅체를 촬영한 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예인 분말 형태의 복합재 단면을 전자현미경으로 촬영한 사진이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예인 복합재 코팅체의 단면을 전자현미경으로 촬영한 사진이다.
도 5 및 도 6는 본 발명의 일 실시예인 복합재 분말 및 코팅체의 XRD 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예인 복합재 분말 및 코팅체의 EBSD 분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예인 복합재 코팅체의 EPMA 분석결과를 나타낸 도면이다.
이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.
본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.
한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다.
도면들에 있어서, 구성 요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 전체적으로 도면 설명시 관찰자 시점에서 설명하였고, 일 구성요소가 다른 구성요소 "위에/아래에" 또는 "상에/하에" 있다고 할 때, 이는 다른 구성요소 "바로 위에/바로 아래에" 있는 경우 뿐만 아니라, 그 중간에 또 다른 구성요소가 있는 경우도 포함한다.
본 명세서에서 비정질이란 비결정질과 동일한 의미하며, 고체 내 결정이 이루어지지 않은, 즉 규칙적인 구조를 가지지 않는 상을 의미하는 비정질상을 포함하는 조직의 성질을 뜻한다.
본 발명의 일 측면인 복합재(100)는 비정질상(phase)를 가지는 합금을 포함하여 이루어지는 매트릭스를 제1상(phase)로 가지고, 매트릭스에 분산되어 존재하는 결정질의 세라믹 화합물을 제2상(phase)로 포함할 수 있다.
제1상은 복합재(100)에서 연속상(Continuous phase)이라고도 할 수 있으며, 복합재(100)에서 매트릭스(Matrix) 또는 기지조직을 구성한다.
여기에서, 제1상은 비정질상을 포함하는 합금인 것이 좋고, 이 때, 상기 합금은 금속원소 M과 비금속원소 X를 포함하며, 적어도 일부가 비정질상인 합금인 것이 바람직하다.
상기 제1상의 합금의 조성은 제한되지 않으나, 비정질 형성능이 우수한 조성의 합금인 것이 좋으며, 높은 비정질 형성능으로 인하여 높은 비정질상 비율을 가지는 합금인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예는 합금으로 철(Fe)계 합금을 개시하지만, 반드시 철을 포함하거나 철계 합금으로 한정되는 것은 아니며, 비정질 형성능을 가져 비정질 상을 가질 수 있는 조성의 합금이라면 다양한 합금이 사용될 수 있다.
일 실시예에 따른 합금은 금속원소 M으로 Fe, Cr, Mo, Ni, Co, Cu, Ti, V, Nb, Ta, W , Mn 및 Al 으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 금속원소를 포함할 수 있으며, 합금에 포함되는 비금속원소 X로는 Si, B, C, N, S 및 P 로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 비금속원소를 포함하는 것이 좋다.
제1상의 비정질 합금은 비정질 상을 제1상 전체 영역의 50 vol% 이상으로 포함할 수 있고, 바람직하게는 50 내지 80 vol% 로 포함하는 것이 좋다. 비정질 상의 비율이 해당 범위보다 낮은 경우 예기치 않은 세라믹 화합물을 포함하는 제2상이 형성되어 복합재(100)의 취성이 높아지고 기계적 특성이 저하될 수 있으며, 해당 범위보다 높은 경우 형성되는 세라믹 화합물의 양이 적어져 복합재(100)의 내마모 특성이 저하되거나, 균열이 쉽게 진전될 수 있다.
제2상은 제1상인 합금 매트릭스에 분산되는 분산상(Dispersed phase)으로서, 세라믹 화합물을 포함한다.
여기에서, 세라믹 화합물이란, MaXb 와 같은 화학식으로 표현될 수 있는 화합물을 의미하며, 금속원소 M은 Fe, Cr, Mo, Ni, Co, Cu, Ti, V, Nb, Ta, W, Mn 및 Al으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나 이상인 금속원소를 포함하고, 금속원소와 결합되는 비금속원소 X는 Si, B, C, N, S 및 P로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 비금속원소를 포함한다.
이 때, 세라믹 화합물에 포함되는 금속원소 M 과 비금속원소 X는 제1상을 이루는 합금에 포함되는 원소이다.
또한, 세라믹 화합물에서 결합 계수인 a, b는 각각 0을 초과하는 수로서, 정수 및 소수를 포함하고, 선택된 금속원소와 비금속원소에 의해 형성될 수 있는 안정한 화합물의 결합비를 의미하는 것으로, a 와 b의 조합은 하나 또는 둘 이상일 수 있다.
예를 들어, M이 Fe이고, X가 B인 경우 생성가능한 화합물은 Fe2B, FeB 및 FeB2와 같은 Fe계 붕화물이 있으며, 이 중 합금 조성물의 B 농도에 따라 Fe2B가 우세하게 석출될 수 있다.
또 다른 예시로서, M이 Cr이고, X가 B인 경우 생성 가능한 화합물은 Cr2B, CrB 및 Cr3B2 등의 Cr계 붕화물이 있으며, 이 중 Cr2B가 우세하게 석출될 수 있다.
또 다른 예시로는, M이 Mo이고, X가 B인 경우 생성 가능한 화합물은 MoB, MoB2, Mo2B 및 MoB4 등이 있으며, 이 중 MoB가 우세하게 석출될 수 있다.
또 다른 예시로는, M이 Ni이고, X가 B인 경우 생성 가능한 화합물은 NiB, Ni2B, Ni3B, Ni4B 및 NiB3 등이 있으며, 이 중 Ni3B가 우세하게 석출될 수 있다.
또 다른 예시로는, M이 Co이고, X가 B인 경우 생성 가능한 화합물은 CoB, Co2B 및 Co3B등이 있으며, 이중 Co3B가 우세하게 석출될 수 있다.
또 다른 예시로는, M이 Ti이고, X가 B 또는 C를 포함하는 경우 생성 가능한 화합물은 TiB, TiB2, Ti3B4 및 TiC 등이 있으며, 이중 TiB와 TiC가 우세하게 석출될 수 있다.
또 다른 예시로는, M이 V이고, X가 C인 경우 생성 가능한 화합물은 VC, V2C 및 V4C3 등이 있으며, 이중 V2C가 우세하게 석출될 수 있다.
또 다른 예시로는, M이 Nb이고, X가 B 또는 C를 포함하는 경우 생성 가능한 화합물은 NbB, NbB2, Nb3B4, Nb5B6, Nb3B2, NbC 및 Nb2C 등이 있으며, 이중 Nb2B, Nb2C가 우세하게 석출될 수 있다.
또 다른 예시로는, M이 Ta이고, X가 B 또는 C를 포함하는 경우 생성 가능한 화합물은 TaB, TaB2, Ta2B, Ta3B2, TaC 및 Ta2C 등이 있으며, 이중 TaB2, Ta2C가 우세하게 석출될 수 있다.
또 다른 예시로는, M이 W이고, X가 B 또는 C를 포함하는 경우 생성 가능한 화합물은 WB, W2B, W2B5, WC 및 W2C 등이 있으며, 이중 W2B, WC가 우세하게 석출될 수 있다.
제2상은 제1상에 균일하게 분포하며, 결정질의 세라믹 화합물을 포함한다. 결정질의 세라믹 화합물은 결정립 또는 그레인(grain)을 형성하며, 금속원소 M과 비금속원소 X가 서로 결합해 제1상으로부터 석출되므로, 결정립과 제1상의 입계(Particle boundary)에서는 별도의 불순물, 기타 화합물 및 화학적 반응에 의해 생성될 수 있는 기타 물질들이 포함되지 않거나 관찰 또는 검출되지 않는 수준의 미량으로 존재할 수 있다.
적어도 일부가 비정질상인 제1상 내에 분포하고 있는 제2상은 도면에 구체적으로 표시되지 않았으며, 일정한 형태를 이루지는 않으나 미세한 입자 형태로 제1상 내부에 분산될 수 있다. 이 때, 제1상의 내부에서 석출된 제2상을 입자라고 보면 제2상의 크기를 제2상 입자의 입경으로 표현할 수 있으며, 단면에서 관찰된 제2상 입자의 장축과 단축의 평균값 또는 입자의 직경을 제2상 입자의 입경으로 볼 수 있다.
제1상 내에 분포하고 있는 제2상의 입경은 5㎛ 이하인 것이 좋고, 바람직하게는 1 내지 3㎛ 인 것이 좋다. 제2상의 입경이 해당 범위 보다 낮은 경우 기계적특성의 강화 효과가 충분히 발생하지 않을 수 있고, 해당 범위를 벗어나는 경우, 미세조직의 불균일성이 커져 기계적특성의 이방성이 나타날 수 있다.
즉, 세라믹 화합물은 제 제1상으로부터 석출되어 제1상인 합금 매트릭스(matrix)에 미세하고 고르게 분산되며, 제1상(매트릭스 조직)과 석출된 세라믹 화합물을 가지는 제2상의 결합이 계면에서 완전하게 이루어지고, 상대적으로 균일하게 이루어지므로 제1상과 제2상의 결합 강도가 우수하고, 계면에서의 결함이 관찰되지 않는 특징이 있다.
이러한 복합재의 특징으로 인해 전체 복합재(100)는 비정질 합금에 세라믹 물질을 외부로부터 첨가하여 만들어지는 복합재 대비 내마모성과 내식성이 우수하고 취성 특성이 향상되며, 균열이 발생하거나 복합재(100)에서 세라믹 화합물이 탈락되는 현상이 방지될 수 있다.
이러한 제2상과 제1상의 입계에서의 완전한 결합적 순수성은 제2상의 형성 및 제2상 세라믹화합물의 유래를 통해 유추될 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 복합재(100)는 모합금조성물을 냉각하거나 가공함으로써 하나의 단계를 통하여 수득될 수 있다. 즉, 합금분말과 세라믹 화합물 분말을 함께 혼합하거나 합금 용융액에 세라믹 분말을 분산시킨 후 냉각하는 일련의 단계나 복잡한 과정을 포함하지 않으면서도, 단일한 조성을 가지는 모합금조성물을 냉각함으로써 제1상의 내에서 제2상을 내부적으로 석출시켜 제1상 및 제2상을 모두 포함하는 복합재(100)를 얻을 수 있다.
이러한 복합재의 특징은 합금용 조성물의 설계시 목표로 하는 비정질 형성능이 우수한 합금조성의 함량에 추가적으로 형성하고자 하는 세라믹 화합물을 형성하기 위한 일부 금속 또는 비금속 원소들을 추가로 더 첨가한 모합금조성물을 제조한 뒤, 이를 냉각하며 세라믹 화합물을 모합금조성물로부터 물리·화학적으로 석출시킴으로써 제2상이 제1상에 분산되는 복합조직의 복합재가 얻어질 수 있다.
구체적으로는 모합금조성물에서 비정질 형성능이 우수한 타겟 비정질 합금 조성보다 더높은 함량(과량)으로 첨가되는 원소는 금속원소 및 비금속원소를 포함할 수 있고, 바람직하게는 비금속원소를 포함하는 것이 좋으며, 더욱 바람직하게는 세라믹 화합물에 포함되는 비금속원소 X가 포함되는 것이 좋다.
모합금조성물을 냉각함으로써 비정질형성능이 우수한 조성의 합금인 제1상과, 제1상에 분산되며 결정질의 세라믹 화합물을 포함하는 제2상이 구비된 복합재가 한번에 얻어질 수 있다.
전술한 과정에 의하여, 비금속원소는 모합금조성물에 포함되는 금속원소 중 적어도 하나 이상과 안정한 세라믹 화합물을 형성하며 제2상으로 복합재(100) 전체에서 균일하게 석출될 수 있고, 복합재(100)의 내부에서 세라믹 화합물을 포함하는 제2상이 석출되는 방식은 인시추(In-situ) 방식에 해당한다.
인시추 방식으로 얻어진 복합재에서는 제1상인 매트릭스와 제2상인 세라믹 화합물의 입계나 복합재(100) 내에 이종물질간 화학적 반응으로 형성되는 금속산화물 등의 불순물, 기타 화합물 들이 거의 생성되지 않아 입계에서의 물성이 우수해지는 드으이 장점이 있다.
제2상은 제1상 금속기지 내에 균일하게 분산되며, 복합재(100)의 단면구조에서 단위길이(1㎛)에 대하여 관찰되는 상(phase)의 수를 측정함으로써 복합재(100) 내에서 서로 제2상이 분산된 정도를 나타낼 수 있다.
구체적으로는, 전자현미경을 이용하여 복합재(100)의 표면이나 단면을 관찰하는 경우, 단위길이에 대하여 제1상에 분산된 제2상의 개수를 계산할 수 있고, 이를 상의 분포밀도(phase/㎛)로 정의하여 나타냈을 때, 복합재(100)에서 제2상의 분포밀도는 1㎛당 0.2 내지 1.2 인 것이 좋으며, 바람직하게는 제2상의 분포밀도가 0.4 내지 1.0인 것이 좋다.
만약 제2상의 분포밀도가 해당 범위 보다 낮은 경우 세라믹상의 불균일한 분포가 발생하여 기계적 특성의 이방성이 나타날 수 있으며, 해당 범위보다 높은 경우 비정질 상의 분율 감소로 인한 내식성이 저하될 수 있다.
아울러 본 발명의 다른 실시예로, 복합재는 결정질의 금속을 가지는 제3상(phase)을 더 포함할 수 있다.
제3상은 본 발명의 복합재(100)에 선택적으로 포함될 수 있으며, 제1상인 합금 매트릭스에 분산되는 결정질의 금속을 포함하는 상이다.
제3상은 제2상과 마찬가지로 단일한 조성의 모합금조성물로부터 석출되는 결정질의 금속을 포함하는 것이 좋으며, 바람직하게는 제3상이 비정질 합금인 제1상의 조성으로 포함되는 금속원소 M의 결정상을 가지는 것이 바람직하다.
제3상 또한 내부에서 인시추(In-situ) 방식으로 얻어지므로 제1상과 제3상은 균질하게 결합되어 입계 또는 계면에서 결합력이 우수한 특징을 갖는다.
본 명세서에서 제2상 및 제3상은 제1상에 포함되는 합금과 동일한 모합금조성물로부터 유래된다. 여기에서 제2상 및 제3상이 모합금조성물로부터 유래된다는 것은 제2상 및 제3상을 이루는 원소가 외부로부터 유입되거나 첨가되는 것이 아니라 모합금조성물에 포함된 원소들로부터 유래되었음을 의미하는 것으로서, 냉각되기 전의 용융된 모합금조성물 상태에서 제2상 및 제3상을 이루는 원소들이 모합금조성물에 함께 포함되어 있었으며, 냉각 과정에서 제1상으로부터 분리, 석출되었다는 의미를 포함한다.
즉, 모합금조성물에 합금화된 금속 및 비금속 원소가 냉각 과정에서 화학적 석출작용에 의해 모합금조성물로부터 분리되며 별개의 상을 형성하는 경우, 별개의 상으로 얻어진 화합물은 모합금조성물로부터 유래된 것으로 본다는 의미이다.
복합재(100)는 다양한 형태 및 방법으로 응용될 수 있으며, 그 응용분야 및 목적 등에 제한되지 않는다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시예는 복합재(100)가 분말 형태인 것을 개시한다. 합금조성물을 제조한 후 아토마이즈(atomize) 방법 또는 기타 공지의 방법을 이용하여 합금조성물이 냉각될 수 있으며, 최종적으로 분말 형태를 가지는 복합재(100)를 얻을 수 있다.
또 다른 형태로는 상기 분말 복합재(100)을 이용하여 제조되는 코팅체, 성형체 등이 있을 수 있다.
모재 상에 전술한 분말 형태의 복합재를 이용하여 코팅을 수행하는 경우, 제1상과 제2상을 포함하는 복합재가 코팅층 형태로 얻어질 수 있으며, 복합재 분말을 이용하여 분말야금, 사출, 주조, 3D프린팅 등의 방법으로 성형하여 제1상과 제2상을 포함하는 복합재 성형체를 제조할 수 있다.
이 때, 코팅 방법은 제한되지 않으나, 일 예로 저온용사(cold spray) 또는 고속화염용사(HVOF) 등의 방법이 사용될 수 있다.
제조된 코팅층과 성형체는 비정질상을 포함하는 제1상에 의해 내마모성, 내식성이 우수하고, 균일하게 분산된 제2상의 세라믹 화합물로 인하여 취성 특성이 개선되며, 내식성이나 내마모성이 더욱 향상되는 장점이 있다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.
(실시예)
1. 실시예 1 내지 4 - 복합재의 제조
복합재를 제조하기 위하여, 하기 표 1과 같은 조성의 원료를 준비하여 합금조성물을 제조한 뒤, 질소 가스 분위기 하에서 아토마이저 내에 공급한 후, 합금조성물의 용융상태로 아토마이즈(원자화)시킨 후, 냉각시켜 분말형태의 복합재를 제조하였다.
구분 실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 실시예5 실시예6 실시예7
Fe(wt%) 50.7 48.8 48.9 49.0 51.9 47.6 29.0
Cr(wt%) 15.6 18.3 10.8 13.5 15.3 44.5 30.9
Al(wt%) 0.3 - - 1.5 - - -
Mn(wt%) 0.2 - - 0.3 - - -
Mo(wt%) 26.4 20.8 28.3 23.3 27.1 - 4.0
Ni(wt%) - - 1.3 - - - 18.0
Co(wt%) - - 2.5 - - - 10.0
Cu(wt%) 0.2 0.2 0.8 - - - 2.5
Ti(wt%) - 0.6 0.7 0.5 - - -
Nb(wt%) - 1.0 - 1.5 - - -
Ta(wt%) - 0.4 - 0.8 - - -
W(wt%) - 0.3 - 1.6 - - -
P(wt%) 1.0 0.8 0.4 - - -
B(wt%) 1.1 5.3 3.2 4.2 1.2 5.9 4.0
C(wt%) 3.6 3.1 3.3 2.5 3.7 - -
Si(wt%) 0.9 0.4 0.2 0.9 0.8 2.0 1.4
분말평균입경 (μm) 43 36 28 16 32 30 42
1. 실시예 8 내지 14 -코팅체의 제조
실시예 1 내지 7의 복합재를 사용하여 장비명(Oerlikon Metco Diamond Jet series HVOF gas fuel spray system)으로, 연료는 산소와 프로판가스를 사용하고, 스프레이 거리는 30cm로 하여 초고속 화염용사(HVOF, High Velocity Oxygen Fuel)로 0.3mm 두께의 코팅층을 형성하였다. 이 때 사용된 장치 및 구체적인 조건은 아래와 같으며, 실시예 12의 코팅체를 도 1에 나타내었다.
DJ Gun HVOF
[조건] Gun type: Hybrid, 에어 캡: 2701, LPG 유량(LPG Flow) 160 SCFH, LPG압(LPG Pressure) 90 PSI, 산소 유량(Oxygen flow) 550 SCFH, 산소압(Oxygen Pressure) 150 PSI, 기류량(Air flow) 900 SCFH, 기류압(Air Pressure) 100 PSI, 질소 유량(Nitrogen flow) 28 SCFH, 질소압(Nitrogen Pressure) 150 PSI, Gun speed: 100 m/min, Gun pitch: 3.0mm, 피더 속도(Feeder rate) 45 g/min, Stand-off distance: 250mm
(실험예)
1. 실험예 1 - 복합재의 미세구조 관찰
실시예 5의 복합재 분말 및 실시예 12의 코팅체의 미세구조를 관찰하여 도 2 내지 도 4에 나타내었으며, 도 3, 4의 관찰결과, 코팅층의 두께는 약 250 μm이었으며, 화염용사에 의해 형성된 코팅체에서는 각각의 복합재 분말 사이의 경계영역(boundary)에서 미세한 기공(pore)가 관찰되었다.
2. 실험예 2 - 비정질상 및 결정질상의 관찰
실시예 5 및 실시예 12의 시료에 대하여 XRD, EBSD, EPMA를 분석하여 복합재 내에 비정질상 존재 여부, 상의 분포 정도를 관찰하였다.
도 5 및 도 6은 실시예 5 및 실시예 12의 XRD 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5에서는 제2상인 Fe2B 조성의 세라믹 화합물 피크(peak)가 검출되었으며, 도 6에서는 도5와 동일한 Fe2B 피크와 40~45도 위치에서 halo peak 가 검출되어 비정질 상을 포함하는 제1상이 존재할 것으로 예상되었다.
도 7 및 도 8은 실시예 5 및 실시예 12의 EBSD 분석 결과를 도시한 것이다. 공통적으로 phase map에서 검은색으로 보여지는 비정질상(metallic glass)을 포함하는 제1상이 전체영역에서 관찰되었고, 제1상에 분산되어 푸른색으로 보여지는 Fe2B와 노랑색으로 보여지는 미량의 Cr2B와 같은 제2상, 추가적으로 붉은색으로 보여지는 결정질의 Fe(BCC)인 제3상이 소량 존재하는 것으로 관찰되었다. 제3상의 입경은 약 1㎛이하인 것으로 관찰되었다.
도 9는 실시예 12의 코팅체를 EPMA 분석한 것이다. Fe, Cr, Mo, B의 분포가 각각 도시되었으며, 푸른색은 해당 원소 함량이 낮은 영역이고, 초록색, 노란색을 거쳐 붉은색으로 갈수록 해당원소가 더 높은 함량을 갖는다. 대부분의 합금 원소들이 고르게 분포되어 있으나, 일부 B 원소와 금속원소들이 유사한한 위치에서 상대적으로 높은 함량으로 존재하고 있는 것으로 관찰되어 해당 금속과 B이 제2상을 형성한 것으로 예상된다.
3. 실험예 3 - 복합재의 상의 분포밀도 관찰
실시예 3, 실시예 5 내지 7에 대하여, 전자현미경을 이용하여 복합재의 제1상에 분산된 제2상의 분포밀도를 1μm를 기준으로 측정하여, 결과를 아래 표 2에 나타냈다.
구분 실시예 3 실시예 5 실시예 6 실시예 7
제2상의 분포밀도 (phase/μm) 0.5 0.3 1.1 0.8
전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 복합재

Claims (11)

  1. 금속원소 M과 비금속원소 X를 포함하는 합금이며, 적어도 일부가 비정질상인 제1상(phase); 및
    상기 제1상에 분산되며, 상기 금속원소 M과 상기 비금속원소 X로 이루어지는 MaXb (a 및 b는 0 초과이다)로 표현되는 세라믹 화합물을 가지는 제2상(phase);을 포함하는 복합재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속원소 M은 Fe, Cr, Mo, Ni, Co, Cu, Ti, V, Nb, Ta, W, Mn 및 Al 으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나 이상이고, 상기 비금속원소 X는 Si, B, C, N, S 및 P 으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나 이상인 복합재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속원소 M과 상기 비금속원소 X가 결합된 상기 세라믹 화합물이 상기 제1상으로부터 석출되는 복합재.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2상은 결정질의 상기 세라믹 화합물을 포함하는 복합재.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 복합재에서 상기 제2상의 분포밀도는 0.2 내지 1.2(phase/㎛)인 복합재.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제1상 및 상기 제2상은 상기 금속원소 M과 상기 비금속원소 X를 포함하는 모합금조성물로부터 구비되고,
    상기 모합금조성물에 포함되는 상기 비금속원소 X의 함량은 상기 제1상에 포함되는 상기 비금속원소 X의 함량보다 큰 복합재.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1상에 분산되고, 상기 금속원소 M의 결정상을 가지는 제3상(phase)을 더 포함하는 복합재.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 MaXb는 Fe계 붕화물 또는 Cr계 붕화물을 포함하는 복합재.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복합재가 아토마이즈(atomize)방법에 의해 냉각되어 분말 형태를 가지는 복합재.
  10. 제9항의 복합재가 모재 상에 코팅되어 구비되는 코팅층을 포함하는 복합재 코팅체.
  11. 제9항의 복합재를 분말야금, 사출, 주조 또는 3D프린팅 방법으로 성형하여 제조되는 복합재 성형체.
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