KR100690281B1 - 철계 다원소 비정질 합금조성물 - Google Patents

철계 다원소 비정질 합금조성물 Download PDF

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Abstract

액상으로부터 1000K/s 이하의 비교적 낮은 냉각속도로 유리천이온도(Glass Transition Temperature) 이하의 온도까지 냉각하였을 경우 비정질 형성능이 우수하여 벌크(Bulk) 비정질을 형성하고, 20K 이상의 과냉각 액상영역(Supercooled Liquid Region)을 포함하고 있어 낮은 온도영역에서 온간 가공성(warm processing)이 우수하며, 액상에서의 유동도가 매우 우수하여 주조성이 뛰어난 특성을 갖는 철계 다원소 비정질 합금조성물이 개시된다.
본 발명의 일 면에 따른 철계 다원소 비정질 합금조성물은 일반식 FeαCβSiγBxPyMa로 표현되고, 상기 M은 Ti(티타늄), Cr(크롬), Mo(몰리브데늄), Nb(니오븀), Zr(지르코늄), Ta(탄탈륨), W(텅스텐) 또는 V(바나듐) 중 선택된 하나 이상의 원소이며, 상기 α, β, γ, x, y 및 a는 각각 철(Fe), 탄소(C), 실리콘(Si), 붕소(B), 인(P) 및 상기 선택된 금속원소의 원자％이고, 상기 α는 α=100-(β+ γ+ x + y + a)원자％, 상기 β는 8원자％＜β≤13원자％, 상기 γ는 1원자％≤γ≤5원자％, 상기 x는 4.5원자％≤x ≤9.5원자％, 상기 y는 3원자％≤y ≤10원자％, 그리고 상기 a는 0.1원자％≤a ≤6원자％인 것을 특징으로 한다.
철계, 비정질, 다원소, Mo(몰리브데늄), Nb(니오븀), Zr(지르코늄), Ta(탄탈륨), W(텅스텐), V(바나듐).

Description

철계 다원소 비정질 합금조성물{Fe-based bulk amorphous alloy compositions containing more than 5 elements and composites containing the amorphous phase}
도 1은 Fe-C-Si-B-P계 합금의 시차열분석 결과를 나타내는 그래프도.
도 2는 Fe-C-Si-B-P-Al계 합금의 시차열분석 결과를 나타내는 그래프도.
도 3은 Fe-C-Si-B-P-Cr계 합금의 시차열분석 결과를 나타내는 그래프도.
도 4는 Fe-C-Si-B-P-Nb계 합금의 시차열분석 결과를 나타내는 그래프도.
도 5는 Fe-C-Si-B-P-Nb-Mo계 합금의 시차열분석 결과를 나타내는 그래프도.
도 6은 Fe-C-Si-B-P-Ti-Al계 합금의 시차열분석 결과를 나타내는 그래프도.
도 7은 Fe-C-Si-B-P-Cr-Al계 합금의 시차열분석 결과를 나타내는 그래프도.
본 발명은 철계 다원소 비정질 합금조성물에 관한 것이다. 상세하게는, 본 발명은 액상으로부터 1000K/s 이하의 비교적 낮은 냉각속도로 유리천이온도(Glass Transition Temperature) 이하의 온도까지 냉각하였을 경우 비정질 형성능이 우수하여 벌크(Bulk) 비정질을 형성하고, 20K 이상의 과냉각 액상영역(Supercooled Liquid Region)을 가지고 있어 낮은 온도 영역에서 온간 가공성(warm processing)이 우수하며, 액상에서의 유동도가 매우 우수하여 주조성이 뛰어난 철계 다원소 비정질 합금조성물에 관한 것이다.
대부분의 금속합금은 액상으로부터 응고시 원자의 배열이 규칙적인 결정상이 형성된다. 그러나 응고시 냉각속도가 임계값 이상으로 충분히 커서 결정상의 핵생성이 억제될 수 있다면 액상의 불규칙적인 원자 구조가 고상으로 유지될 수 있다. 이와 같은 구조를 지닌 합금은 비정질 합금(amorhpous alloy)이라 통칭되며, 특히 금속 원소로 구성되어 있는 경우 금속기 비정질 합금(metallic glass alloy)이라 통칭된다.
1960년 Au-Si계 합금에서 처음으로 금속기 비정실 상이 보고된 이후로 많은 종류의 비정질 합금이 제시되어 활용되고 있다. 그러나 대부분의 비정질 합금은 104 내지 106K/s의 매우 큰 냉각 속도를 갖는 급속응고법(Rapid Quenching Method)을 이용하여 대략 80㎛ 이하의 두께를 갖는 리본이나, 대략 150㎛ 이하의 지름을 갖는 미세 와이어(wire), 또는 직경 수 백 ㎛ 이하의 분말 등의 형태로만 제조가 가능하였다.
따라서 급속응고법에 의해 제조되는 비정질 합금은 형태 및 크기에 한계가 있으므로 구조용 재료로의 공업적인 응용은 불가능하였고 일부만이 자성재료 등의 기능성 재료로써 공업적 응용이 가능하였다.
따라서 비정질 합금이 고기능/구조용 금속 재료로 활용되기 위한 요구에 부 응하여 비정질 형성능이 우수하고 낮은 임계 냉각 속도에서도 비정질상을 형성할 수 있으며 벌크 비정질 소재로 주조가 가능한 합금조성의 도출이 요구되었다.
미국특허 제5288344호 및 제5735975호 등에 의하면, 비정질 합금의 형성을 위한 임계 냉각속도가 수 K/s정도이고 과냉각 액상영역이 매우 넓어 비정질 합금을 일정 형태로 성형하여 구조용 재료로 활용할 수 있다는 사실이 알려져 있다. 실제로 상기 미국특허들에 명시된 Zr-Ti-Cu-Ni-Be 및 Zr-Ti-Al-Ni-Cu 합금 등은 벌크 비정질 제품으로 이미 활용되고 있다. 이 외에도 니켈계, 타이타늄계 또는 동계 등 각종 합금계에서 벌크 비정질 합금들이 개발되었으며, 이러한 합금들은 매우 우수한 부식 저항성과 강도를 지니는 등, 유용하고 독특한 특성들을 지니는 것으로 평가되었다. 예컨대 Materials Transactions(JIM, Vol. 40(10), pp.1130-1136)에 의하면 구리몰드 주조법(Copper Mold Casting)에 의해 최대 직경 1㎜의 벌크 비정질 합금이 Ni-Nb-Cr-Mo-P-B계에서 획득되었으며, 이 벌크 비정질 합금은 비교적 넓은 과냉각 액상영역을 갖는다.
또한 미국특허 제6325868호에 의하면 Ni-Zr-Ti-Si-Sn계에서 구리몰드 주조법에 의해 최대 직경 3㎜의 벌크 비정질 합금이 획득되었으며, 상기 벌크 비정질 합금도 비교적 넓은 과냉각 액상영역을 갖는다는 점이 알려져 있다.
그리고 Applied Physics Letters(Vol. 82, No. 7, pp. 1030-1032)에 의하면 구리몰드 주조법에 의해 최대 직경 3㎜의 벌크 비정질 합금이 Ni-Nb-Sn계에서 획득되었다.
한편, 철계 비정질 합금은 통상적으로 자성재료로써 수십년간 사용되었으나, 최근에는 수 ㎜ 이상의 크기로 주조가 가능한 합금들이 개발되어 고기능성 구조용 재료로의 적용 연구가 활발히 진행되고 있다. 예컨대, Virginia 대학의 Poon 교수 연구팀은 Fe-Cr-Mo-(Y, Ln)-C-B 합금계에서 12㎜ 크기의 비정질 봉을 제조할 수 있는 합금을 개발하여 보고 하였다(Journal of Materials Research Vol.19 No.5, pp. 1320-1323).
그러나, 종래의 기 개발된 벌크 비정질 합금들은 그 공업적 적용을 고려한다면 아래와 같은 문제점들이 발생한다.
첫째, 합금의 비정질 형성능이 합금의 원료에 함유되어 있는 불순물의 농도에 크게 영향을 받으므로 고가의 고순도 원료를 사용해야 하고, 용해 및 주조시 진공이나 Ar 가스(argon gas) 분위기와 같은 특수 분위기 하에서 정밀하게 재료공정이 이루어져야 한다.
둘째, 대부분의 합금들이 Er(erbium), Y(yttrium) 등 희귀 금속을 함유하거나 또는 Mo(molybdenum), Cr(chromium)과 같은 고가의 합금들을 다량 함유하므로 원료 단가의 상승과 용해방법 및 특수 도가니 사용에 따른 가격 상승이 초래된다.
셋째, 종래의 벌크 비정질 합금들은 액상의 점도가 일반 금속에 비하여 월등하게 높으므로 주조성이 열악하여 주조 및 제품 설계에 한계가 있다. 따라서 종래의 벌크 비정질 합금들은 매우 독특하고 유익한 특성들을 나타내지만 실험적으로만 제조가 가능하고 실질적인 공업적 응용을 위해서는 단가 및 대량생산, 기존설비를 이용한 재료공정 등에 적용하기에는 매우 어려운 심각한 문제점을 갖는다.
따라서 벌크 비정질 합금이 가지는 유용한 특성들을 실질적으로 산업에 적용 하기 위해서는 경제성 있는 원료와 공정으로 제조가 가능하고 주조성이 좋은 철계 비정질 합금조성이 시급히 요구된다.
본 발명은 상기 종래의 문제점들을 감안하고 이를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 다음과 같다.
첫째, 본 발명의 목적은 고강도 고기능을 가지며 제조공정과 제조 단가가 기존 철계 부품 소재 대비 공업적 및 경제적으로 우수한 경쟁력을 갖는 철계 다원소 벌크 비정질 합금조성물을 제공하는 것이다. 즉, 본 발명의 일 목적은 일반 제철소 또는 주물공장에서 생산되거나 사용 중인 주물선 또는 합금철 등을 사용하고, 일반 다이캐스팅(die casting) 공장이나 분말야금공장에서 부품 소재로의 생산이 가능한 철계 다원소 벌크 비정질 합금조성물 및 이 비정질 상을 함유하는 복합소재를 제공하는 것이다.
둘째, 본 발명은 임계 냉각속도가 낮아 비정질 형성능이 우수하며, 불순물에 의한 비정질 형성능 저하 현상이 현격히 감소되어 일반 제철소에서 사용되는 합금철을 사용하여서도 벌크 비정질 합금의 제조가 가능한 철계 다원소 벌크 비정질 합금조성물 및 이 비정질 상을 함유하는 복합소재를 제공하고자 함이 목적이다.
셋째, 본 발명은 과냉각 액상영역이 넓어 비정질 합금의 열간 가공성이 우수하며, 액상의 점도가 낮아 주조성이 뛰어난 새로운 철계 다원소 벌크 비정질 합금조성물 및 이 비정질 상을 함유하는 복합소재를 제공하고자 함이 목적이다.
즉, 본 발명은 합금원료로써 주물선, 각종 합금철(Fe-B, Fe-P, Fe-Si, Fe- Mo, Fe-Nb, Fe-V, Fe-Cr 등)과 공업용 Al, Ti 금속들을 사용하여 우수한 특성의 벌크 비정질 합금을 제조 할 수 있는 합금조성 영역을 제시한다. 또한, 이 비정질 재료의 열처리를 통하여 제조되는 복합재료와, 이 비정질 재료와 결정질 재료를 혼합하여 제조하는 복합재료를 제시한다.
본 발명의 목적은 상기 목적들에 한정되지 아니한다. 언급되지 아니한 본 발명의 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이고, 이 또한 본 발명의 목적에 해당되는 것이다.
상기 목적들을 달성하기 위하여 본 발명의 일 면에 따른 철계 다원소 비정질 합금조성물은 일반식 FeαCβSiγBxPyMa로 표현되고, 상기 M은 Ti(티타늄), Cr(크롬), Mo(몰리브데늄), Nb(니오븀), Zr(지르코늄), Ta(탄탈륨), W(텅스텐) 또는 V(바나듐) 중 선택된 하나 이상의 원소이며, 상기 α, β, γ, x, y 및 a는 각각 철(Fe), 탄소(C), 실리콘(Si), 붕소(B), 인(P) 및 상기 선택된 금속원소의 원자％이고, 상기 α는 α=100-(β+ γ+ x + y + a)원자％, 상기 β는 8원자％＜β≤13원자％, 상기 γ는 1원자％≤γ≤5원자％, 상기 x는 4.5원자％≤x ≤9.5원자％, 상기 y는 3원자％≤y ≤10원자％, 그리고 상기 a는 0.1원자％≤a ≤6원자％인 것을 특징으로 한다.
여기서, 본 발명은 상기 M이 Ti이고, 상기 β는 9원자％≤β≤11원자％, 상 기 γ는 4원자％≤γ≤5원자％, 상기 x는 6원자％≤x ≤7원자％, 상기 y는 7원자％≤y ≤9원자％, 상기 a는 0.5원자％≤a ≤1.5원자％인 것이 다른 특징이다.
여기서, 본 발명은 상기 M이 W 또는 V이고, 상기 β는 9원자％≤β≤11원자％,상기 γ는 3원자％≤γ≤5원자％, 상기 x는 6원자％≤x ≤7원자％, 상기 y는 7원자％≤y ≤9원자％, 그리고 상기 a는 0.5원자％≤a ≤1.5원자％인 것이 또다른 특징이다.
여기서, 본 발명은 상기 M이 Nb＋Mo이고, 상기 β는 9원자％≤β≤11원자％, 상기 γ는 3원자％≤γ≤5원자％, 상기 x는 4원자％≤x ≤6원자％, 상기 y는 8원자％≤y ≤10원자％, 상기 a는 2원자％≤a ≤5원자％인 것이 또다른 특징이다.
여기서, 본 발명은 상기 M이 Ti＋Cr이고, 상기 β는 9원자％≤β≤11원자％, 상기 γ는 3원자％≤γ≤5원자％, 상기 x는 6원자％≤x ≤7원자％, 상기 y는 8원자％≤y ≤10원자％, 상기 a는 2원자％≤a ≤5원자％인 것이 또다른 특징이다.
본 발명의 다른 일면에 따른 철계 다원소 비정질 합금조성물은 일반식 FeαCβSiγBxPyMaAlb로 표현되고, 상기 M은 Ti(티타늄), Cr(크롬), Mo(몰리브데늄), Nb(니오븀), Zr(지르코늄), Ta(탄탈륨), W(텅스텐) 또는 V(바나듐) 중 선택된 하나 이상의 원소이며, 상기 α, β, γ, x, y, a 및 b는 각각 Fe(철), C(탄소), Si(실리콘), B(붕소), P(인), 상기 선택된 금속원소 및 Al(알루미늄)의 원자％이고, 상기 α는 α=100-(β+ γ+ x + y + a + b)원자％, 상기 β는 5원자％＜β≤13원자％, 상기 γ는 1원자％≤γ≤5원자％, 상기 x는 5원자％≤x ≤9.5원자％, 상기 y는 3원자％≤y ≤10원자％, 상기 a는 0.1원자％≤a ≤10원자％, 상기 b는 0원자％＜b ≤6원자％인 것을 특징으로 한다.
여기서, 본 발명은 상기 M이 Cr＋Mo이고, 상기 a는 2원자％≤a ≤8원자％, 상기 β는 5원자％＜β≤8원자％, 상기 γ는 2.5원자％≤γ≤4원자％, 상기 x는 5원자％≤x ≤7원자％, 상기 y는 8원자％≤y ＜10원자％인 것이 다른 특징이다.
여기서, 본 발명은 상기 M이 Cr이고, 상기 a는 4원자％≤a ≤6원자％, 상기 β는 9원자％≤β≤11원자％, 상기 γ는 2.5원자％≤γ≤4원자％, 상기 x는 5원자％≤x ≤7원자％, 상기 y는 8원자％≤y ≤9.5원자％인 것이 또다른 특징이다.
여기서, 본 발명은 상기 M이 Ti이고, 상기 a는 0.5원자％≤a ≤1.5원자％, 상기 β는 9원자％≤β≤11원자％, 상기 γ는 3.5원자％≤γ≤4.5원자％, 상기 x는 6원자％≤x ≤7원자％, 상기 y는 7원자％≤y ≤9.5원자％인 것이 또다른 특징이다.
본 발명의 또다른 일면에 따른 철계 다원소 비정질 합금조성물은 일반식 FeαCβSiγBxPyAlb로 표현되고, 상기 α, β, γ, x, y, b는 각각 철(Fe), 탄소(C), 실리콘(Si), 붕소(B), 인(P) 및 알루미늄(Al)의 원자％이며, 상기 α는 α=100-(β+ γ+ x + y + b)원자％, 상기 β는 10원자％≤β≤12원자％, 상기 γ는 3.5원자％≤γ≤4.5원자％, 상기 x는 6원자％≤x ≤8원자％, 상기 y는 8원자％≤y ≤10원자％, 상기 b는 1원자％≤b ≤6원자％인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또다른 일면에 따른 철계 다원소 비정질 합금조성물은 일반식 FeαCβSiγSnzPyMoc로 표현되고, 상기 α, β, γ, z, y 및 c는 각각 철(Fe), 탄소(C), 실리콘(Si), 주석(Sn) 인(P) 및 몰리브덴(Mo)의 원자％이며, 상기 α는 α=100-(β+ γ+ z + y + c)원자％, 상기 β는 6원자％≤β≤7원자％, 상기 γ는 1.5원자％≤γ≤2.5원자％, 상기 z는 2.5원자％≤z ≤3.5원자％, 상기 y는 13원자％≤y ≤14원자％, 상기 c는 2원자％≤c ≤3원자％인 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명한다. 단, 첨부된 도면은 본 발명의 최적의 실시예를 상술하기 위한 일 예로써, 도면에 도시되고 이에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시예로써 설명되는 것이고, 단지 이에 의하여 본 발명의 기술적 사상의 범위와 구성 및 작용이 한정/제한되지는 아니한다.
본 발명은 주물선을 기지 금속(base alloy)으로 합금을 설계한다. 주물선은 일반 제철소에서 대량생산되어 판매되는 탄소가 포화된 선철로서, Si를 대략 2원자％ 이상 함유하고 있으므로 대기중에서 용해가 가능하고 주조성이 매우 우수하며 용융온도가 낮아 벌크 비정질 합금설계의 기지 금속으로써 적합하다.
주물선의 용융온도를 낮추고 냉각시 결정화를 지연시켜 비정질 형성능을 향상시키기 위해서는 적정량의 P(phosphorous) 또는 B(boron)의 첨가가 효과적인데, 이를 위하여 일반 주물공장에서 사용하고 있는 합금철 Fe-P, Fe-B을 사용하였다. 많은 합금 조성들의 비정질 형성능이 시행착오 시험법을 거쳐 검토되었으며, 표 1 과 도 1 내지 도 7에 대표적인 예를 나타내었다.
<실시예>
아래의 표 1에 주어진 각 조성물의 합금을 아크 용해법에 의해 제조한 뒤 지 름 1㎜, 길이 45㎜의 용량을 갖는 구리 몰드에 아크 용해 후 석션(suction)을 통해 비정질 합금을 제조하였다. 그리고 이 시편들의 시차 열분석(도 1 내지 도 7)을 통해 유리천이온도, 결정화온도, 결정화시 발열 엔탈피 및 액상선온도를 구하였고, 유리천이온도와 결정화온도를 통해 과냉각 액상 영역을 구하고, 유리천이온도와 액상선온도를 통해 환산유리천이온도 Trg (= Tg(K)/Tl(K))값을 구하였다.
시료번호 조성식(atomic％) Tg(K) Tx(K) ΔTx(K) ΔH(J/g) Φ1mm
1 Fe71.4C12.9Si4.5B8.2P3.0 814 842 28 -65.3 Ｏ
2 Fe70.8C12.0Si4.5B7.7P5.0 828 843 15 -79.2 Ｏ
3 Fe70.5C11.6Si4.5B7.4P6.0 821 845 24 -84.5 Ｏ
4 Fe70.2C11.2Si4.4B7.2P7.0 828 847 19 -86.5 Ｏ
5 Fe69.9C10.8Si4.4B6.9P8.0 835 856 21 -100.9 Ｏ
6 Fe69.6C10.4Si4.4B6.6P9.0 837 855 18 -97.2 Ｏ
7 Fe69.3C10.0Si4.4B6.4P10.0 837 854 17 -99.0 Ｏ
8 Fe69.0C10.9Si3.9B6.4P8.8Al1.0 814 845 31 -64 Ｏ
9 Fe68.4C10.8Si3.9B6.3P8.7Al2.0 808 843 35 -81 Ｏ
10 Fe67.7C10.7Si3.8B6.3P8.6Al2.9 800 834 34 -64 Ｏ
11 Fe69.4C10.8Si3.7B7.0P8.1Cr1.0 818 841 23 -86 Ｏ
12 Fe69.1C10.7Si3.7B7.0P8.0Cr1.5 822 852 30 -94 Ｏ
13 Fe68.9C10.6Si3.6B6.9P7.9Cr2.0 825 854 29 -75 Ｏ
14 Fe68.7C10.5Si3.6B6.8P7.9Cr2.5 829 854 25 -59 Ｏ
15 Fe69.5C10.7Si4.3B6.8P7.8Nb1.0 824 840 16 -67 ㅿ
16 Fe69.3C10.6Si4.3B6.7P7.7Nb1.5 813 838 25 -78 ㅿ
17 Fe69.0C10.5Si4.3B6.6P7.6Nb2.0 810 845 35 -52 ㅿ
18 Fe69.3C10.7Si3.5B6.7P8.9Mo1.0 817 851 34 -66 Ｏ
19 Fe68.6C10.5Si3.5B6.7P8.8Mo1.9 819 855 36 -99 Ｏ
20 Fe69.0C10.9Si4.5B6.8P7.8Ti1.0 815 845 30 -96 Ｏ
21 Fe68.8C10.8Si3.7B6.9P8.8W1.0 818 851 38 -35 Ｏ
22 Fe68.9C11.0Si3.6B6.6P8.9V1.0 822 850 28 -23 Ｏ
23 Fe73.0C6.6P13.3Sn2.9Mo2.4Si1.8 735 755 20 -93 Ｏ
24 Fe69.0C10.4Si3.5B4.9P9.2Nb2.0Mo1.0 806 844 38 -64 ㅿ
25 Fe68.6C10.2Si3.4B4.8P9.1Nb1.9Mo2.0 805 845 40 -64 ㅿ
26 Fe68.3C10.0Si3.4B4.6P8.9Nb1.9Mo3.0 803 841 38 -67 ㅿ
27 Fe69.0C10.4Si3.5B4.9P9.3Nb2.0W1.0 803 837 35 -71 ㅿ
28 Fe68.6C10.2Si3.5B4.8P9.1Nb1.9W2.0 807 841 34 -65 ㅿ
29 Fe68.2C10.0Si3.4B4.7P8.9Nb1.9W3.0 793 828 36 -41 ㅿ
30 Fe68.6C10.5Si3.6B4.9P9.4Nb2.0Zr1.0 813 837 24 -51 ㅿ
31 Fe67.4C10.6Si3.5B6.2P9.3Ti1.0Cr2.0 824 839 15 -76 Ｏ
32 Fe67.0C10.4Si3.5B6.1P9.1Ti1.0Cr2.9 812 837 25 -54 Ｏ
33 Fe66.5C10.2Si3.4B6.0P8.9Ti1.0Cr3.9 809 839 30 -46 Ｏ
34 Fe67.8C10.6Si3.4B6.4P8.8Mo2.0W1.0 829 866 37 -14 ㅿ
35 Fe68.4C10.7Si3.5B6.5P9.0Ta1.0W1.0 801 850 49 -7 ㅿ
36 Fe68.7C10.6Si4.2B6.7P7.8Ti1.0Al1.0 816 847 31 -61 Ｏ
37 Fe68.0C10.5Si4.2B6.7P7.7Ti1.0Al2.0 812 843 31 -61 Ｏ
38 Fe67.3C10.4Si4.1B6.6P7.6Ti1.0Al3.0 808 841 33 -76 Ｏ
39 Fe66.6C10.3Si4.1B6.5P7.5Ti1.0Al4.0 813 843 30 -58 Ｏ
40 Fe65.4C10.2Si3.0B5.8P9.0Cr5.0Al1.7 819 859 40 -101 Ｏ
41 Fe64.8C10.0Si2.9B5.8P8.9Cr6.0Al1.6 812 862 50 -92 Ｏ
42 Fe65.8C10.2Si3.3B6.2P8.6Cr2.1Mo1.9Al2.0 735 755 20 -93 Ｏ
주물선에 Fe-P, Fe-B를 첨가하여 제조한 Fe-C-Si-P-B 조성의 합금의 비정질 형성능을 더욱 향상시키기 위하여 각종 합금철을 적절한 분량으로 첨가 하였는데, 이들 합금원소들의 비정질 향상에 미치는 역할은 매우 복합적이고 동시 다발적으로 작용한다. 예컨대 Sn(stannum) 또는 Al(aluminum)의 경우는 합금의 용융점을 낮추어 비정질 형성능을 향상시킴과 동시에 액상의 원자구조를 치밀화함으로써 원자들의 이동이 어렵게 되고, 이에 따라 결정화 속도가 저하되어 비정질 형성능을 향상시키는 것으로 판단된다.
한편, Ti(Titanium), Mo(molybdenum), Cr(chromium), W(tungsten), Nb(niobium) 등은 액상의 용융온도를 오히려 높이는 경우도 있으나 액상의 원자구조를 치밀하게 함은 물론, C(carbon) 또는 Si(silicon) 등 결정화에 기여하는 원소들과의 원자결합이 매우 강하므로 이러한 원소들의 확산속도를 저하시킴으로써 전체적인 결정화 속도를 저하시켜 비정질 형성능 향상에 기여한다. 그러나 이러한 원소들의 영향은 각 원소들의 상대적인 비율에 따라 크게 변화하며, 가장 비정질 형성능이 우수한 원소비를 이론적으로 도출 할 수 없으므로 시행착오법 실험을 통하여 적정 원소비를 도출하였다.
본 발명에 의한 비정질 합금은 급속응고법, 금형주조법, 고압주조법 등에 의하여 제조할 수 있으며, 아토마이징(atomizing)법에 의해서 비정질 합금 분말을 제조할 수 있다.
본 발명에 의한 비정질 합금은 20K 내지 50K 정도의 매우 큰 과냉각 액상영역을 얻는 것이 가능하여 결정질 재료 대비 낮은 온도에서 가공성이 우수하므로 단 조, 압연, 인발 혹은 그 외의 가공공정을 거쳐 비정질 부품 소재를 제조할 수 있다.
본 발명에 의한 비정질 합금은 열처리를 통하여 비정질상과 결정상이 혼재하는 복합재료의 제조가 가능하며, ㎚ 단위, 또는 ㎛ 단위의 제 2상의 분말을 첨가하여 압출, 압연 등을 통해 본 발명의 비정질 상을 기지로 하는 복합재료로 제조가 가능하다.
이상으로부터의 본 발명에 의하면 주조성이 매우 우수하기 때문에 각종 주조공정을 통하여 복잡한 모양의 부품소재 제조가 가능하고, 20 내지 50K 이상의 매우 큰 과냉각 액상영역을 얻는 것이 가능하여 우수한 가공성을 확보할 수 있기 때문에 주조법에 의하여 판상봉상 혹은 기타 형태의 벌크 비정질 합금을 제조한 뒤 과냉각 액상 영역에서 점성 유동을 이용하여 특정 형태의 부품으로 용이하게 성형할 수 있다.
또한 본 발명은 아토마이징법에 의해 비정질분말을 제조한 뒤 분말의 예비 성형체를 과냉각 액상 영역의 고온에서 높은 압력을 가하여 비정질 구조를 그대로 유지하면서 벌크 비정질 부품으로의 성형이 가능하다.
이상으로 본 발명에 따른 철계 다원소 비정질 합금조성물에 대하여 설시하였으나, 이는 적어도 하나 이상의 실시예로써 제시되는 것이며 이에 의하여 본 발명의 기술적 사상과 그 구성 및 작용이 한정되지는 아니한다.
아울러, 본 발명에서 제시된 기술적 사상과 실시예가 본 발명의 동일 목적을 수행하기 위하여 다른 구조로 수정되거나 설계하기 위한 기초로써 본 발명이 속하 는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 사용되어질 수 있을 것인데, 그러나 본 발명은 특허청구범위에서 기술한 발명의 사상이나 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변화, 치환 및 변경이 가능한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 수정 또는 변경된 등가 구조 또한 본 발명에 귀속되는 것이다.
이상과 같은 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과를 얻는다.
첫째, 본 발명에 따른 철계 다원소 비정질 합금조성물은 응고시 낮은 임계냉각속도에서도 비정질상이 형성되는 우수한 비정질 형성능을 갖는다.
둘째, 본 발명에 의하면 주조법 및 분말야금법에 의하여 판상, 봉상 또는 기타 형태의 벌크 비정질 소재나 분말상의 비정질 분말의 제조가 용이하다.
셋째, 본 발명의 소재들을 실온으로부터 승온하는 경우, 유리천이온도 (glass transition temperature) 이상에서 20 내지 50K 이상의 매우 큰 과냉각 액상영역이 존재하며, 이 과냉각 액상의 우수한 점성 유동성을 이용하여 특정 형태의 비정질 또는 나노구조 부품으로 경제적이며, 용이하게 성형할 수 있다.
넷째, 이 비정질상을 함유하는 복합재료를 사용함으로써 결정질상과 비정질상의 특성이 적절히 융합된 우수한 특성의 부품소재의 제조가 가능하다.

Claims (11)

  1. 일반식 FeαCβSiγBxPyMa로 표현되고,
    상기 M은 Ti(티타늄), Cr(크롬), Mo(몰리브데늄), Nb(니오븀), Zr(지르코늄), Ta(탄탈륨), W(텅스텐) 또는 V(바나듐) 중 선택된 하나 이상의 원소이며,
    상기 α, β, γ, x, y 및 a는 각각 철(Fe), 탄소(C), 실리콘(Si), 붕소(B), 인(P) 및 상기 선택된 금속원소의 원자％이고,
    상기 α는 α=100-(β+ γ+ x + y + a)원자％, 상기 β는 8원자％＜β≤13원자％, 상기 γ는 1원자％≤γ≤5원자％, 상기 x는 4.5원자％≤x ≤9.5원자％, 상기 y는 3원자％≤y ≤10원자％, 그리고 상기 a는 0.1원자％≤a ≤6원자％인 것을 특징으로 하는 철계 다원소 비정질 합금조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 M이 Ti이고,
    상기 β는 9원자％≤β≤11원자％, 상기 γ는 4원자％≤γ≤5원자％, 상기 x는 6원자％≤x ≤7원자％, 상기 y는 7원자％≤y ≤9원자％, 상기 a는 0.5원자％≤a ≤1.5원자％임을 특징으로 하는 철계 다원소 비정질 합금조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 M이 W 또는 V이고,
    상기 β는 9원자％≤β≤11원자％,상기 γ는 3원자％≤γ≤5원자％, 상기 x는 6원자％≤x ≤7원자％, 상기 y는 7원자％≤y ≤9원자％, 그리고 상기 a는 0.5원자％≤a ≤1.5원자％임을 특징으로 하는 철계 다원소 비정질 합금조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 M이 Nb＋Mo이고,
    상기 β는 9원자％≤β≤11원자％, 상기 γ는 3원자％≤γ≤5원자％, 상기 x는 4원자％≤x ≤6원자％, 상기 y는 8원자％≤y ≤10원자％, 상기 a는 2원자％≤a ≤5원자％임을 특징으로 하는 철계 다원소 비정질 합금조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 M이 Ti＋Cr이고,
    상기 β는 9원자％≤β≤11원자％, 상기 γ는 3원자％≤γ≤5원자％, 상기 x는 6원자％≤x ≤7원자％, 상기 y는 8원자％≤y ≤10원자％, 상기 a는 2원자％≤a ≤5원자％임을 특징으로 하는 철계 다원소 비정질 합금조성물.
  6. 일반식 FeαCβSiγBxPyMaAlb 로 표현되고,
    상기 M은 Ti(티타늄), Cr(크롬), Mo(몰리브데늄), Nb(니오븀), Zr(지르코늄), Ta(탄탈륨), W(텅스텐) 또는 V(바나듐) 중 선택된 하나 이상의 원소이며,
    상기 α, β, γ, x, y, a 및 b는 각각 Fe(철), C(탄소), Si(실리콘), B(붕소), P(인), 상기 선택된 금속원소 및 Al(알루미늄)의 원자％이고,
    상기 α는 α=100-(β+ γ+ x + y + a + b)원자％, 상기 β는 5원자％＜β≤13원자％, 상기 γ는 1원자％≤γ≤5원자％, 상기 x는 5원자％≤x ≤9.5원자％, 상기 y는 3원자％≤y ≤10원자％, 상기 a는 0.1원자％≤a ≤10원자％, 상기 b는 0원자％＜b ≤6원자％인 것을 특징으로 하는 철계 다원소 비정질 합금조성물.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 M이 Cr＋Mo이고,
    상기 a는 2원자％≤a ≤8원자％, 상기 β는 5원자％＜β≤8원자％, 상기 γ는 2.5원자％≤γ≤4원자％, 상기 x는 5원자％≤x ≤7원자％, 상기 y는 8원자％≤y ＜10원자％임을 특징으로 하는 철계 다원소 비정질 합금조성물.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 M이 Cr이고,
    상기 a는 4원자％≤a ≤6원자％, 상기 β는 9원자％≤β≤11원자％, 상기 γ는 2.5원자％≤γ≤4원자％, 상기 x는 5원자％≤x ≤7원자％, 상기 y는 8원자％≤y ≤9.5원자％임을 특징으로 하는 철계 다원소 비정질 합금조성물.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 M이 Ti이고,
    상기 a는 0.5원자％≤a ≤1.5원자％, 상기 β는 9원자％≤β≤11원자％, 상기 γ는 3.5원자％≤γ≤4.5원자％, 상기 x는 6원자％≤x ≤7원자％, 상기 y는 7원자％≤y ≤9.5원자％임을 특징으로 하는 철계 다원소 비정질 합금조성물.
  10. 일반식 FeαCβSiγBxPyAlb로 표현되고,
    상기 α, β, γ, x, y, b는 각각 철(Fe), 탄소(C), 실리콘(Si), 붕소(B), 인(P) 및 알루미늄(Al)의 원자％이며,
    상기 α는 α=100-(β+ γ+ x + y + b)원자％, 상기 β는 10원자％≤β≤12원자％, 상기 γ는 3.5원자％≤γ≤4.5원자％, 상기 x는 6원자％≤x ≤8원자％, 상기 y는 8원자％≤y ≤10원자％, 상기 b는 1원자％≤b ≤6원자％인 것을 특징으로 하는 철계 다원소 비정질 합금조성물.
  11. 일반식 FeαCβSiγSnzPyMoc로 표현되고,
    상기 α, β, γ, z, y 및 c는 각각 철(Fe), 탄소(C), 실리콘(Si), 주석(Sn) 인(P) 및 몰리브덴(Mo)의 원자％이며,
    상기 α는 α=100-(β+ γ+ z + y + c)원자％, 상기 β는 6원자％≤β≤7원자％, 상기 γ는 1.5원자％≤γ≤2.5원자％, 상기 z는 2.5원자％≤z ≤3.5원자％, 상기 y는 13원자％≤y ≤14원자％, 상기 c는 2원자％≤c ≤3원자％인 것을 특징으로 하는 철계 다원소 비정질 합금조성물.
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