WO2021172635A1

WO2021172635A1 - 다원계 합금

Info

Publication number: WO2021172635A1
Application number: PCT/KR2020/002890
Authority: WO
Inventors: 모리시타유토; 황선태
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2020-02-28
Filing date: 2020-02-28
Publication date: 2021-09-02

Abstract

본 발명 실시예에 따른 다원계 합금은 Al, Ti 및 Zn을 포함하고, 상기 Al이 18at% 내지 33at%, 상기 Ti이 18at% 내지 33at% 및 상기 Zn이 40at% 내지 60at% 포함되고, 인장 강도가 500MPa 내지 900MPa이다.

Description

다원계 합금

본 발명은 다원계 합금에 관한 발명이다. 보다 상세하게는 알루미늄, 티타늄 및 징크의 포함 비율을 제어한 다원계 합금에 관한 발명이다.

하이 엔트로피 합금(High Entropy Alloy, 이하 HEA라 기재)은 단일 주성분 원소에 미량 원소를 첨가하는 기존의 합금과는 달리 주성분 원소가 복수개로 구비되어 고용체를 구성할 수 있다.

구체적으로, HEA는 5 종류 이상의 주성분 원소가 각각 5~35 원자%로 구성되는 합금일 수 있다.. 또, 다음 식에서 나타내는 합금 조성으로부터 계산되는 혼합 엔트로피△S가 1.5R 이상인 경우, HEA로 분류되고 있다.

R은 가스 정수, N은 원소 수, ci는 성분 i의 원자 비율이다.

또, △S가 1.0R 이상 1.5R 이하인 경우는 미디엄 엔트로피 합금(Medium Entropy Alloy, 이하 MEA라 기재), 1.0R 이하인 경우는 로 엔트로피 합금(Low Entropy Alloy, 이하 LEA라 기재)으로 분류되고 있다.

한편, HEA나 MEA는 주로 3d천이 금속 원소로 구성되어 있어 합금 밀도가 7g/cc를 넘어 무거운 단점이 있다.

또한, 종래 금속 재료로 많이 쓰이는 철강 재료는 기계적 성질이 뛰어나 높은 강도와 높은 가공성을 가져 자동차 부재나 구조용 재료 등으로 다양하게 사용되고 있다. 하지만, 철강 재료 역시 밀도가 높아 무거우므로 적용될 수 있는 분야에 제한이 많았다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제를 설명하면 다음과 같다.

첫째, 본 발명은 경량성 및 우수한 기계적 물성을 동시에 구현할 수 있는 다원계 합금을 제공하는데 있다.

기타, 본 발명은 상기에 기재한 기술적 과제외에 종래기술로부터 발생되거나 예측될 수 있는 모든 문제점을 해결하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 다원계 합금은 Al, Ti 및 Zn을 포함하고, 상기 Al이 18at% 내지 33at%, 상기 Ti이 18at% 내지 33at% 및 상기 Zn이 40at% 내지 60at% 포함되고,

인장 강도가 500MPa 내지 900MPa일 수 있다.

첨가 원소를 더 포함할 수 있고, 상기 첨가 원소는 Li, Mg, Si, Sc, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Ag, Hf, In, Sn, Ta, W 및 Au 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 첨가 원소는 10at% 이하일 수 있다.

빅커스 경도가 150HV 내지 300HV일 수 있다.

상기 Al이 20at% 내지 30at%, 상기 Ti이 20at% 내지 30at% 및 상기 Zn이 40at% 내지 55at% 포함될 수 있다.

소결 온도가 700℃ 내지 850℃일 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 다원계 합금을 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 다원계 합금은 다원계 합금을 구성하는 원소의 종류와 각 원소의 중량비를 제어함으로써, 다원계 합금이 경량인 동시에, 기계적 물성이 우수한 효과를 구현할 수 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 후술하는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의되며, 명세서에서 용어의 의미에 대해 별도로 기재한 내용이 있다면 용어의 의미는 상기 기재 내용으로 정의될 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

본원 발명의 다원계 합금은 주원소로서 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 아연(Zn)을 포함할 수 있으며, 상기 알루미늄, 티타늄 및 아연 모두가 주요 원소로서 일정 중량비를 유지하면서 포함될 수 있다.

구체적으로, 본 발명 실시예에 따른 다원계 합금은 알루미늄을 약 18at% 내지 약 33at% 포함될 수 있다.

바람직하게는 상기 다원계 합금이 알루미늄을 약 20at% 내지 약 30at% 포함될 수 있다.

본 명세서에서, 상기 다원계 합금에 포함되는 원소의 중량비는 상기 다원계 합금 전체를 100at%으로 할 때, 각 원소가 차지하는 at%를 의미한다.

상기 다원계 합금은 알루미늄을 상기 범위로 포함함으로써, 다원계 합금의 경량성을 향상시킬 수 있는 동시에, 강도(strength) 및 가공성을 향상시킬 수 있다.

알루미늄 범위가 상기 범위를 벗어나는 경우, 합금이 외부에서 가해지는 외력에 의해 쉽게 파괴될 수 있으며, 또는 합금의 경량성이 저감될 수도 있다.

본 발명 실시예에 따른 다원계 합금은 티타늄을 약 18at% 내지 약 33at% 포함될 수 있다.

바람직하게는 상기 다원계 합금이 티타늄을 약 20at% 내지 약 30at% 포함될 수 있다.

상기 다원계 합금은 티타늄을 상기 범위로 포함함으로써, 다원계 합금의 경량성을 향상시키며 기계적 강도를 개선시킬 수 있다.

티타늄 범위가 상기 범위를 벗어나는 경우, 상기 다원계 합금의 경량성 및 가공성이 악화될 수 있으며, 외력에 의해 쉽게 파괴될 수 있다.

또한, 본 발명 실시예에 따른 다원계 합금은 아연을 약 40at% 내지 약 60at% 포함될 수 있다.

바람직하게는 상기 다원계 합금이 아연을 약 40at% 내지 약 55at% 포함될 수 있다.

상기 다원계 합금이 아연을 상기 범위로 포함함으로써, 다양한 주원소들이 믹싱되어 합금으로 구성될 수 있다.

아연의 포함 범위가 상기 범위를 벗어나는 경우, 주원소들이 섞이지 않아 합금을 형성할 수 없거나, 소결 온도가 높을 수 있다.

또한, 본 발명 실시예에 따른 다원계 합금은 상기 주원소 뿐만 첨가 원소를 더 포함할 수 있다.

상기 첨가 원소는 Li, Mg, Si, Sc, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Ag, Hf, In, Sn, Ta, W 및 Au 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.

나아가, 상기 다원계 합금은 상기 첨가 원소를 약 10at% 미만으로 포함할 수 있다.

즉, 본 발명 실시예에 따른 다원계 합금은 상기 첨가 원소들 중에서 적어도 하나를 포함함으로써, 상기 다원계 합금의 부가적으로 물성을 제어할 수 있다.

다만, 상기 첨가 원소의 종류 및 포함 중량비는 상기 기재에 한정되는 것은 아니며, 통상의 기술자가 용이하게 설계 변경할 수 있는 범위까지 포함한다고 할 것이다.

예를 들어, 상기 다원계 합금은 상기 첨가 원소를 포함하지 않을 수도 있다.

본 발명 실시예에 따른 다원계 합금은 알루미늄, 티타늄 및 아연을 포함하며, 알루미늄을 약 18at% 내지 약 33at%, 티타늄을 약18at% 내지 약 33at% 및 아연을 약40at% 내지 약60at%으로 동시에 포함할 수 있다.

그 결과 본 발명 실시예에 따른 다원계 합금은 다원계 합금을 구성하는 원소의 종류와 원소별 중량비를 동시에 제어함으로써, 유기적으로 결합된 원소의 종류와 중량비에 의해 시너지 효과로서, 경량인 동시에 우수한 기계적 물성을 구현할 수 있는 것이다.

예를 들어, 상기 다원계 합금이 알루미늄을 알루미늄을 약 20at% 내지 약 30at%, 티타늄을 약20at% 내지 약 30at% 및 아연을 약40at% 내지 약55at%으로 포함하는 경우, 가공성을 더욱 향상시킬 수도 있다.

본 발명 실시예에 따른 다원계 합금은 인장 강도가 약500MPa 내지 약 900MPa일 수 있다.

상기 다원계 합금의 인장 강도를 상기 범위와 같이 제어함으로써, 우수한 기계적 강도(Strength)를 가질 수 있으므로 외부로부터 외력이 상기 다원계 합금에 작용하더라도, 파괴되지 않을 수 있다.

구체적으로, 상기 다원계 합금은 상기 주원소를 상기 at% 범위로 포함함으로써, 목적한 물성의 저하를 피하면서도 원자 사이즈가 다른 원자가 각각의 결정 구조에 불규칙하게 배치되면서 큰 격자변형을 일으켜 강도를 향상시킬 수 있다.

추가적으로, 본 발명 실시예에 따른 다원계 합금은 빅커스 경도가 약 150HV 내지 약 300HV일 수 있다.

상기 다원계 합금은 빅커스 경도를 상기 범위로 제어함으로써, 적절한 범위에서 기계적 물성을 더욱 향상시킬 수 있다.

구체적으로, 상기 다원계 합금은 상기 주원소에 상기 첨가 원소를 부가함으로써, 고용 혹은 금속 원소간 화합물 생성을 통해 열처리나 별도의 가공프로세스 없이도 경도를 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 다원계 합금은 빅커스 경도를 상기 범위로 제어함으로써, 기계적 물성을 향상시키는 동시에, 가공성이 악화되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

자세하게는, 상기 첨가 원소가 지나치게 부가되면 합금의 경도가 지나치게 높아져 가공시 크랙이나 치핑등이 발생해 합금이 파괴되어 가공성이 현저히 감소할 수 있다.

따라서, 본 발명 실시예에 따른 다원계 합금은 빅커스 경도를 상기 범위로 제어함으로써, 기계적 물성을 효과적으로 유지 및 개선시킬 수 있다.

본 발명 실시예에 따른 다원계 합금은 소결 온도가 약700℃ 내지 약850℃일 수 있다.

상기 다원계 합금은 구성 원소의 종류와 각 원소의 중량비를 제어함으로써, 소결 온도를 상기 범위와 같이 제어할 수 있다.

상기 다원계 합금의 소결 온도는 기존 철강의 소결 온도인 1500℃에 비해 절반 정도에 불과한 저온으로서, 생산 효율이 향상될 수 있다.

구체적으로, 상기 다원계 합금은 융점이 낮은 아연을 전술한 중량비 만큼 포함함으로써, 효과적으로 상기 다원계 합금의 소결 온도를 저감시킬 수 있다.

이어서, 표 1을 참고하여, 본 발명 실시예에 따른 다원계 합금 및 비교예의 소결 온도, 인장 강도, 빅커스 경도 및 계산 밀도를 비교한다.

	조성비(원자%)						소결 온도	인장 강도	빅커스 경도	계산밀도
	Al	Ti	Zn	제4원소	제5원소	제6원소	℃	MPa	HV	g/cc
실시례 1	25	25	50	－	－	－	850	507		5. 3
실시례 2	18	30	52	－	－	－	800	611	210	5. 5
실시례 3	30	18	52	－	－	－	790	654	222	5. 2
실시례 4	20	20	60	－	－	－	700	628	189	5. 6
실시례 5	33	20	47				750	610	204	5. 1
실시례 6	20	33	47				750	589	201	5. 3
실시례 ７	25	25	45	5(Mn)	－	－	800	655	214	5. 3
실시례 ８	25	25	40	10(Fe)			850	633	225	5. 3
실시례 ９	25	25	42	8(Li)		―	700	586	198	4. 7
비교예 1	25	25	25	25(Mn)	－	－	800	불가	443	5. 3
비교예 2	25	5	25	20(Li)	20(Mg)	5(Zr)	800	불가	573	3. 2
비교예 3	45	40	15	-	―	―	800	불가	723	4. 1
비교예 4	50	17	16	17(Mn)	―	―	750	불가	647	4. 4
비교예 5	25	0	25	25(Mg)	25(Cu)	―	750	불가	602	4. 5
비교예 6	0	25	25	25(Mg)	25(Sn)	―	650	불가	503	5. 1
비교예 7	25	25	0	25(V)	25(Cr)	―	1400	불가	785	4. 9

실시예 및 비교예는 실시예 1 내지 9 및 비교예 1 내지 7 각각에 도시되어 있는 금속 원소들을 각각의 at%의 조성비로 제어하여 금속 분말 300g을 준비한다.

다음으로 준비된 분말을 유발로 혼합하고 금형으로 성형한 후에 MgO 도가니에 넣어 적외선 가열로에서 합성해 소결체를 얻었다.

이 때의 합성 조건은 Ar가스 플로우 분위기, 승온 속도 50℃／분 , 온도 800℃, 유지 시간 10분이었다.

다음으로 이 소결체를 연마기로 ＃400~＃2000의 연마지로 연마하고 최종 마무리 연마로서 알루미나 연마액으로 버프 연마해 금속 광택을 띤 면을 얻었다.

이렇게 얻어진 실시예 및 비교예 합금은 소결 온도 측정 장치 및 빅커스 경도계 및 인장 강도 측정 장치를 통해 소결 온도, 빅커스 경도 및 인장 강도를 구하였다.

구체적으로, 실시예 1 내지 실시예 9는 밀도가 4.7g/cc 내지 5.6 g/cc으로서 종래 철강 재료에 비해 경량성을 구현할 수 있음을 확인하였다.

뿐만 아니라, 빅커스 경도가 189HV 내지 225HV인 동시에 인장 강도가 507MPa 내지 655 MPa으로서 우수한 기계적 물성을 구현하는 동시에 뛰어난 가공성을 달성할 수 있음을 확인하였다.

추가적으로, 소결 온도가 700℃ 내지 850℃로서 우수한 생산성이 달성될 수 있음을 확인하였다.

이에 반해, 비교예 1 내지 비교예 7은 밀도가 3.2g/cc 내지 5.3 g/cc으로 경량성은 매우 우수하나, 빅커스 경도가 443HV 내지 785HV로서 지나치게 높아 가공성이 현저히 저하되며, 결과적으로, 비교예는 인장 강도 시험용 형상으로 가공중에 모두 크랙이 형성되어 측정이 불가하므로 기계적 물성이 악화됨을 확인할 수 있었다.

이상, 본 발명의 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.

Claims

Al, Ti 및 Zn을 포함하고,

상기 Al이 18at% 내지 33at%, 상기 Ti이 18at% 내지 33at% 및 상기 Zn이 40at% 내지 60at% 포함되고,

인장 강도가 500MPa 내지 900MPa인 다원계 합금.
제1항에 있어서,

첨가 원소를 더 포함할 수 있고,

상기 첨가 원소는 Li, Mg, Si, Sc, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Ag, Hf, In, Sn, Ta, W 및 Au 중에서 적어도 하나를 포함하는 다원계 합금.
제2항에 있어서,

상기 첨가 원소는 10at% 이하인 다원계 합금.
제1항에 있어서,

빅커스 경도가 150HV 내지 300HV인 다원계 합금.
제1항에 있어서,

상기 Al이 20at% 내지 30at%, 상기 Ti이 20at% 내지 30at% 및 상기 Zn이 40at% 내지 55at% 포함되는 다원계 합금.
제1항에 있어서,

소결 온도가 700℃ 내지 850℃인 다원계 합금.