KR910003478B1 - 최종합금에 이용할 금속간 화합물 구조로된 모합금의 제조방법 - Google Patents

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Description

최종합금에 이용할 금속간 화합물 구조로된 모합금의 제조방법

제 1 도는 "손모된-형태(as-attrited)"의 모합금의 150 배율로 찍은 현미경사진.

제 2 도는 "반응한" 모합금의 150 배율로 찍은 현미경사진.

제 3 도와 4 도는 처리후 "손모된-형태"의 모합금의 150 배율로 찍은 현미경사진.

제 5 도와 6 도는 처리후 "반응한" 모합금의 150 배율로 찍은 현미경사진.

본 발명은 일차적으로 합금 제조기술(Alloying technique) 특히 모합금 분말을 제조하고 이것을 사용하는 방법에 관한 것이다. 모합금은 기계적 분쇄법에 따라 최종합금을 형성하는 합금 제조용 중간물 역할을 한다. 금속간 조성물 및 금속간 화합물과 동일한 중량 백분율로 되어 있으나 구조는 같지 않은 비-금속간(금속간 화합물 형태의) 조성물 모두를 생성한다.

최근 수년대로 낮은 비중성, 양호한 연성, 작업성, 성형성, 인성, 피로강도와 내수식성이 우수한 새로운 고강도 금속재료에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이러한 신소재는 항공우주, 자동차, 전자 및 다른 산업분야에 사용된다.

분말 야금기술, 보다 특별히는 기계적 분쇄법 (mechanical alloying technology)을 이용하여 이러한 개량된 성질을 얻는다. 또한, 분말야금법은 일반적으로 균질의 재질을 만들고, 화학적 조성을 조절하고 합금속에 확산 강화물질을 결합시키는 방법을 제공한다. 또한 합금재료를 취급하기가 어려워도 통상적인 이곳 용융기술 보다 분말야금기술로서 보다 용이하게 합금을 제조한다.

기계적 분쇄법에 의해서 개량된 성질을 갖춘 확산 강화분말의 제조가 미국특허 제3,591,362호(Benjamin)와 추후 특허에서 발표되었다. 기계적 분쇄법에 이용할 재료는 산화물 및/또는 탄화물과 같은 균일한 분산질 입가에 의해서 안정된 미세입자 구조를 특징으로 한다.

명세서의 목적에 맞는 기계적 분쇄법은 극히 미세한 현미경 조직으로된 합성분말을 제조하는 건식 고에너지 밀링공정(milling process)이다. 이 분말은 높은 에너지의 손모기(attritor)나 볼밀(ball mill)에서 제조한다. 대체적으로는 각종 요소(분말형태의)와 처리 보조제를 분쇄기에 충전한다. 분쇄기안에 들어있는 볼들은 분말을 냉간용착(cold weld)하고 극도로 잘게 부수어서 아주 균일한 분말분포로 만든다.

특히 알루미늄은 경량부품 조립-특히 항공우주 분야의 부품에 잘 이용된다. 알루미늄은 다른 성분과 함께 합금을 형성할때 최고온도가 보통 약 204-260℃(400℉-500℉)를 초과하지 않는 경우에 사용된다. 이보다 높은 온도에서는 현재의 알루미늄 합금은 그 강도가 소멸된다. 그러나 산업계에서는 482℃(900℉)까지 성공적으로 사용할 수 있는 알루미늄 합금을 개발하는 것이 요구된다. 티탄, 닉켈, 첼 및 크롬시스템과 함께 알루미늄을 이용하려는 개발연구는 보다 고온준위에서도 기능을 발휘할 수 있는 신규의 합금을 창출하기 위해 진행되고 있다.

이제까지는 알루미늄 조직(matrix) 보다 훨씬 강한 원소 첨가물을 포함하는 알루이늄 합금을 예컨대 Ni, Fe, Cr, V, Ce, Zr, Zn 및/또는 Ti과 알루미늄으로된 알루미늄 합금을 기계적으로 분쇄하는 것은 극히 어려웠다. 원하는 조성으로된 이러한 합금을 직접 가공할때 알루미늄 분말은 더 단단한 합금성분 주위에 냉간용착되어 큰 덩어리형태의 원소첨가물이 함유된 알루미늄의 복합 분말입자를 형성하게 된다.

본 발명은 뒤에 기계적으로 재-분쇄되어 최종적으로 원하는 조성의 합금을 형성할 수 있는 금속간 화합물의 조성으로된 금속분말을 제조하는 방법에 관한 것이다.

이 기술은 기계적으로 분쇄하여 금속간 화합물 조성에 상응하는 분말혼합물을 만들고 이 분말을 높은 온도에서 반응시켜 금속간 화합물 구조로 만들고, 그 결과로 나온 분말을 합금용 첨가물질중 하나로서 이용하여 최종분말 혼합물을 형성하고, 최종분말 혼합물에 대해 다른 첨가물질을 혼합하고 그후 다시 이결과 혼합물을 기계적으로 분쇄하는 것으로 된다.

또한 금속간 화합물 조성 즉, 적당한 중량 백분율로된 이 조성물은 가열단계전에는 금속간 화합물 구조로 되지 않는다.

다음의 토의는 주로 알루미늄을 중심으로 하고 있으나 이 기술을 다른 합금기질(예컨대, 티타늄, 닉켈, 철등과 같은) 예로 물론 사용될 수 있음을 알아야 한다.

발표된 공정은 원칙적으로 합금을 위한 금속간 화합물 형태를 만드는 것이다.

본 발명의 합금은 경질의 합금첨가물의 농도가 최종목표 조성물의 농도 보다 훨씬 더 큰 경우, 경질합금 원소와 알루미늄의 혼합물을 먼저 기계적으로 분쇄하여 제조한다. 이 성분을 합금계의 금속간 화합물중 하나에 상응하는 양으로 혼합한다. 일단 공정이 완료되면, 분말을 가열하여 금속간 화합물 형성반응을 완료한다. 고농도의 합금원소를 사용하면 합금첨가물이 기계적 분쇄법에 의해 미세하게 되지 않도록 하는 과정에서 알루미늄 분말조직의 감쇠(damping) 효율이 감소한다. 그결과 경질원소 첨가물을 기계적으로 분쇄하는 동안 알루미늄 조직을 통하여 미세하게 분산시킨다.

앞에서 언급했듯이, 현대 장비를 사용하는 표준 기계적 분쇄법은 비-균질성 준산을 초래한다. 이 합금의 각종 성분은 따로따로 분리되고 편석된 상태로 남으며, 이 상태는 합금의 특성에 역효과를 주고 그 유용성을 감소시킨다.

모합금 조성물을 만든후 최종처리하고.이 조성물을 다른 분말성분과 결합시켜 목표인 합금 조성물을 형성하면 구성원소의 분포가 우수하게 되고 편석은 적게된다. 이렇게 수득한 혼합물을 다시 기계적으로 분쇄하면 원하는 특성을 갖춘 최종합금을 수득할 수 있다. 모합금의 조성은 금속간 화합물의 조성으로 되어있다.

또한 모합금은 최종합금의 조성과는 상이한 비율로 들어있는 성분을 포함하게 된다.

예컨대, 여기서 설명한 알루미늄-티타늄합금계에서(비-제한적 실시예인), 최종목표의 합금분말 조성이 약 96% 알루미늄-4% 티타늄("Al 4Ti")외에도 불순물과 잔유의 처리보조제로 된다는 것을 알 수 있었다. 금속간 화합물의 중량 백분율로된 모합금은 예컨대 약 63% 알루미늄-37% 티타늄(Al 37Ti)처럼 티타늄의 함량이 높다.

본 명세서의 목적으로 하는 합금의 주성분은 어떤 합금속에 함유된 가장 큰 중량%의 원소로서 정의되고 제 2의 합금성분은 나머지 원소(또는 원소들)가 된다.

따라서, 상기의 예에서 알루미늄은 모합금과 최종합금에서 주원소로 간주하고 반면에 티타늄은 두합금에서 제 2원소가 된다.

먼저 모합금에서 제 2원소의 양을 증가시킨 후 이것을 기계적으로 분쇄하면 모합금의 결정구조가 변화되어서 금속간 화합물을 형성하고 이것이 주원소와 신속히 결합하여 최종합금을 형성한다고 하였다. 기계적으로 분쇄한후의 최종합금은 균질한 구조로 되었다. 그뒤 실험에서, 금속간 화합물의 조성으로된 금속간-화합물형태의 변형물 역시 최종 합금분말로 되는 것을 측정하였다. 불가능한 것은 아니지만 A1₄Ti 최종합금을 만들려고 시도할때 알루미늄과 티타늄을 기계적으로 분쇄해서 균질한 구조를 얻기는 곤란하다. 따라서, 모합금 A1₃Ti를 제조한 다음에 이 모합금을 알루미늄 분말(최종합금의 주원소인)과 혼합하면, 원하는 균질한 구조를 갖춘 최종합금을 형성할 수 있다. 다음은 Al-37Ti 모합금 분말을 제조한 다음에 희석하여 다시 기계적으로 분쇄해서 최종 Al-4Ti 합금이 되게 한다. "손모된 형태"와 "반응" 및 선별조건에서의 Al-Ti모합금을 추가의 알루미늄 분말로 희석하여 목표합금을 형성하였다.

약 62.8중량%의 Al과 37.2중량%의 Ti(Al 37Ti)로된 금속간 화합물인 Al₃Ti 조성에 상응하는 모합금을 만들려는 실험을 실시하였다. 실험실 규모의 손모기를 모든 실험에 사용하였다. 알루미늄 분말은 공기분산시킨 알루미늄이며 이것은 시중에서 구입할 수 있는 통상적인 원료로서 기계적 분쇄법에 따라 만들어진 알루미늄 합금이다. 출발물질인 티타늄 분말은 분쇄된 티타늄 스폰지이다.

처리조건은 아래와 같다.

볼투입량: 68kg

분말투입량: 3622g(아래성분의)

주: 스테아린산은 전체 투입량의 2%로서 첨가하였다. 모든 처리는 아르곤속에서 실시하였다.

Al-Ti-스테아린산 혼합물은 전적으로 실행시작점에서 첨가한다. 분말형 모합금을 3.5시간동안 처리하였다. 처리된 Al-Ti 모합금의 일부분("반응된" 합금)은 용광로내에 537.7℃(1000℉)의 진공하에서 2시간동안 탈기한 후 진공하에서 완전히 냉각시켰다. 또한 어떤 비-산화대기(헬륨, 아르곤등)을 사용할 수 있다. 이 반응된 모합금을 분쇄하고 -325메시(mesh)로 선별한 다음 알루미늄 분말을 넣고 재-분쇄하여 목표 Al4Ti 합금을 만들었다. 비-반응된 모합금을 "손모된" 모합금이라 정의한다.

목표 Al-4Ti 합금의 두변형물을 아래의 모합금과 스테아린산과의 4가지 결합물을 사용하면서 처리하여 3.632kg로 만들었다. 분쇄조건은 모합금의 형성과 동일하게 하였다.

실시예 1과 3은 0.35kg의 스테아린산 0.4kg의 모합금 분말 또한 3.2kg의 알루미늄 분말을 포함하였다. 실시예 2와 4는 0.73kg의 스테아린산, 0.4kg의 모합금 분말과 3.16kg의 알루미늄 분말을 포함하였다.

"손모된" Al-37Ti 모합금은 제 1도에 나타난다. 각 분말입자는 분명히 알루미늄 조직속에 분포된 티타늄 입자를 함유한 Al-Ti 복합물이다. 이 함유된 티타늄 입자의 직경은 대략 7마이크로미터이다.

가열온도를 537.7℃ (1000℉)로 높이면 스테아린산이 분해되고 분쇄작용과 함께 신규의 금속간 화합물의 결정구조 Al₃Ti를 형성하는데 도움을 준다. 모합금 분말을 반응시킨 후에는 분말형태와 현미경 조직이 현저하게 변화된다(제 2도 참조). 이 입자는 박편과 같은 형태로서 이들의 내부구성물은 더이상 용해될 수 없다.

모합금 조성을 Al 37Ti로 선택한 것은 금속간 화합물 Al₃Ti을 이러한 백분율로 제조하기 위한 것이다. Constitution of Binary Alloys, (2nd edition, page 140, by M. Hansen, McGraw Hill,1958)의 Al-Ti 평형도를 참조한다. 여기에서의 실험을 위해 선택된 온도(537.7℃ 또는 1000℉)는 임의의 온도이다. 그러나 의도적으로 융점이 가장 낮은 원소-이 경우 알루미늄(665℃ 또는 1229℉)의 고상선(solidus) 온도이하로 유지하여 용융을 피한다.

만일 금속간 화합물의 조성 및 이에 수반되는 금속간 화합물 구조로된 모합금을 형성하고자할 경우 상기한 가열단계("반응된")가 필요하다. 반면에, 금속간 화합물의 조성만 갖추고 그 구조("금속간-형태")는 원치않을 경우 가열조작은 그만둔다.

모합금의 두 변형물로 만든 Al-4Ti는 1 또는 2%의 스테아린산으로 처리하고 제 3도 내지 6도에 나타내었다.

1% 스테아린산과 함께 "손모된" 모합금을 사용하여 Al-4Ti를 처리하면 알루미늄 조직속에 모합금이 분포할때 정밀성이 부족하다(제3도 참조). 1% 스테아린산 준위의 냉간용착때문에 박편화와 입자파괴가 아주 크다. Al-Ti 모합금은 단순히 냉간용착된 알루미늄 입자층을 따라 퍼진다. 또한 처리된 알루미늄 입자는 냉간용착 덩어리이다.

스테아린산 함량을 2%로 증가시키면 시판되는 IN-9052 금속분말(Al 4Mg)과 그 구조가 매우 유사한 Al-Ti 분말을 생성한다(제4도 참조). 이 Al-Ti 모합금은 잘 정련되어서 분말입자 현미경 조직에서 용이하게 구별할 수 없다. 스테아린산(CH₃(CH₂)₁₆COOH)과 같은 처리조절제("PCA")는 금속분말의 표면을 피복하는 경향이 있고 분말입자간의 냉간용착 경향을 지연시킨다. 반대로, 기계적 분쇄방법에 따르면 손모기의 볼과 벽에 분말로 냉간용착되는 것을 곧 중지시킨다. 이 PGA는 분말입자의 냉간용착을 감소시키고 더 우수한 균질화와 층구조를 얻을 수 있게 한다.

Al-Ti 모합금을 반응시키고 이것을 -325매시(mesh) 선별하고 그후 1% 스테아린산을 넣어 기계적으로 분쇄하면 "손모된" 모합금으로 만든것과 유사한 분말이 제조된다(제 5도 참조). 또한 1% 스테아린산은 박편화, 파괴 또한 냉간용착을 적절히 균형화하기에는 부적합하다. 스테아린산의 함량을 증가시키면(예로, 2% 또는 그 이상으로) 합금처리가 개선되는 것으로 나타난다(제6도 참조). 그러나 이 "반응한" Al-Ti 모합금의 첨가로는 "반응하지 않은" 모합금의 수준까지 정렬되지는 않는것으로 나타났다. 이것이 그 특성에 바람직하지 못한 영향을 주는 것으로 생각하지 않는다.

스테아린산의 양은 전체 분말 투입량의 약 0.5% 내지 약 5%(중량%)의 범위가 된다. 어떤 PCA 첨가량은 분말의 파괴를 촉진하고 냉간용착을 감소시키기에 충분한 양과 동등하다. 여기에 제시한 비-제한적 실시예에서는 2%의 스테아린산이면 충분한 것으로 입증되었지만, 스테아린산이나 다른 PCA의 양은 사용하는 분말 조성물과 분쇄장치의 형태(볼밀 또는 손모기)에 따라 달라진다. 따라서 다른 실험에서는 PCA 양도 달라져야 한다.

수득된 분말을 모합금 첨가물로 사용해서 고농도의 티타늄을 함유한 알루미늄을 처리하여 합금을 희석시키는 것이 성공적인 것으로 나타났다. 이 기술은 Zr, Cr, Fe 및 Ni과 같은 다른 경질원소 첨가물에 직접 적용되어야 한다. 이 수득한 분말을 통상적인 방법과 장치를 사용하는 구체화된 형태로 만들 수 있다.

법령의 조문에 따른 본 발명의 특정 실시예가 여기에 기술되어 있지만, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진자는 청구범위로 해석되는 본 발명의 형태를 변경시킬 수 있고 본 발명의 어떤 특징도 다른 특징의 상응하는 사용이 없어도 때로는 유리하게 사용할 수 있음을 알 것이다.

Claims (2)

1. a) 62.8중량%의 알루미늄 분말과 비-알루미늄 원소인 37.2중량%의 티타늄을 혼합하여 1차 혼합물을 만들고, 이때 티타늄 원소의 백분율이 알루미늄-기초 합금에 들어있는 티타늄 원소의 백분율인 4중량% 보다 크고, b) 1차 혼합물을 기계적으로 분쇄하여 a)단계의 알루미늄 및 티타늄의 조성비로된 금속간 화합물 Al 37Ti를 만들고, c) 1차 혼합물에 추가량의 알루미늄 분말을 더하여 알루미늄 전체 백분율이 알루미늄-기초 합금의 96중량%인 2차 혼합물을 형성하고, 또한 d) 2차 혼합물을 기계적으로 분쇄하여 알루미늄-기초 합금 Al-4Ti족 제조하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 1차 혼합물을 이 1차 혼합물에 포함된것중 융점이 가장 낮은 원소인 알루미늄의 고상선(solidus temperature)인 665℃ 이하의 온도까지 가열하여 금속간 화합물을 형성하는 방법.

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