Al-Cu-Fe-X(X=Si, Co, Be) 합금에서 준결정상의 형성거동 고찰

김봉환 연세대학교 대학원 2000 국내석사

1984년 급냉응고된 Al-Mn 계의 합금에서 최초로 준안정한 준결정상이 발견된 이래로 많은 연구를 통하여 Al-Pd-Mn, Al-Cu-Fe, Al-Cu-Li, Al-Ni-Co 등의 합금계에서는 열적으로 안정한 준결정상의 존재를 확인하였다. 이러한 준결정상은 급냉응고법 뿐만 아니라 일반적인 금형을 이용한 중력주조법에 의해서도 제조가 가능하기 때문에 준결정의 구조 분석, 물성 평가 등의 연구뿐 아니라 재료의 응용성면에서도 많은 기여를 하였다. 지금까지 3원계 합금에서의 준결정상에 관한 많은 연구가 보고되었으나 제4원소의 영향에 관한 연구는 미미한 실정이며 따라서 본 연구에서는 준결정상이 형성되는 Al-Cu-Fe 합금계에 Si, Co, Be 원소를 첨가하여 준결정상의 형성 거동에 미치는 영향을 고찰하였다. 시편은 일반적인 중력주조법과 멜트 스피닝법을 이용하여 각각 Al_(65-x)Cu_(20)Fe_(15)Si_x(x=0∼l5), Al_(65)Cu_(20)Fe_(15-x)Co_x(x=0∼15), Al_(62-x)Cu_(25.5)Fe_(12.5)Be_(x)(x=0∼7)의 조성 범위에서 제조하였다. 제조된 시편에 대하여 광학현미경, X-선 회절분석, 주사전자현미경, 투과전자현미경 등의 분석을 하였으며 상분해 거동과 열적 안정성을 조사할 목적으로 시차열분석 및 열처리 실험도 행하였다. 일반적으로 확산 율속의 포정 반응을 통해서 형성되는 Al-Cu-Fe 합금계의 준결정상은 일반적인 금형을 이용한 중력주조법에서 부여되는 냉각속도에서는 냉각속도가 느릴수록 형성능이 증가하였으며 특정 조성에서는 급냉응고법에 의하여 단상에 가까운 준결정상이 형성됨을 확인하였다. 특히 Al_(62)Cu_(25.5)Fe_(12.5) 조성의 합금은 750℃에서 수시간 동안의 등은 열처리를 통해 단상의 icosahedral 상으로 변태됨을 확인하였다. Si 원소를 첨가한 시편의 경우 Si의 첨가량이 약 7∼15 at.%의 범위에서는 icosahedral 준결정상과 유사한 구조의 1/1 cubic approximant 상이 관찰되었으나 준결정상과의 구분은 투과전자현미경 분석을 통해서만 가능하였다. Co 첨가 합금의 경우, Co 첨가량이 약 3∼5 at% 일 때 icosahedral 준결정상과 decagonal 준결정상이 공존하는 영역이 존재하였으며 좁은 조성범위에서 monoclinic λ-Al_(13)(Fe,Co)_(4)상이 decagonal 준결정상의 유사구조상으로 존재함을 확인할 수 있었다. 이때 λ상은 2π/5 rad의 방위차를 보이는 5 가지의 micro-domain으로 형성되며 decagonal 상과는 D_(10)//[010]_(λ), D_(2)//[001]_(λ), D_(2')//[104]_(λ)의 방위관계가 존재한다. Be 첨가 합금의 경우, Al-Cu-Fe 계에서와 동일한 준결정상이 형성되지만 약 3 at.% Be 이상이 첨가된 합금의 경우에는 포정 반응을 통하지 않고 초정의 dendrite로 형성된다. 특히 Al_(55)Cu_(25.5)Fe_(12.5)Be_(7) 조성의 합금은 매우 느린 냉각 속도 범위에서, 열처리를 통하지 않고도 단상의 준결정상으로 응고된다. 이는 Al-Cu-Fe 합금계에서는 icosahedral 상이 형성되기 전에 고온의 β상 안정 영역을 지나야 하는데, Be 원소의 첨가로 인해 icosahedral 상의 안정 영역이 고온 쪽으로 증가하는 반면에 β상의 안정 영역은 저온 쪽으로 감소하여 β상의 형성을 억제하기 때문이다. 즉, Be 원소는 Al-Cu-Fe 합금에서의 icosahedral 준결정상의 열적 안정성을 향상시킨다. 특히 Be 원소의 첨가량이 증가함에 따라서 미세경도 또한 증가하며 X-선 회절 분석 및 투과전자현미경 관찰을 통하여, Be 원소가 첨가된 icosahedral 준결정상은 Al-Cu-Fe 합금에서의 준결정상 보다 적은 결함을 가짐을 확인하였다. Since the first quasicrystal was reported in Al-Mn alloys by Shechtman et al., quasicrystal formation in many alloy systems has been studied by several investigators. It is now clear that some of quasicrystals are thermally stable and they are in an equilibrium state in the specific temperature and composition range. For example, the quasicrystalline phases such in Al-Pd-Mn, Al-Cu-Fe and Al-Cu-Li can be obtained using conventional solidification. This makes the study of the intrinsic structure and properties of quasicrystals possible. Most quasicrystals reported so far are formed in binary or ternary alloy systems. However, in quaternary systems, there are very limited reports regarding formation of quasicrystalline phase. In the present study, the effect of addition of Si, Co and Be to Al-Cu-Fe alloy has been investigated by means of optical microscopy, scanning, and transmission electron microscopy, X-ray diffraction, and differential thermal analysis. Evolution of the solidification structure in the icosahedral quasicrystal forming Al-Cu-Fe alloy was investigated as function of cooling rate during solidification, compositional variation, and additional Si amount. Two different formation mechanisms of the icosahedral quasicrystalline phase can be suggested as a function of cooling rate. For a moderate cooling rate regime such as conventional casting, the icosahedral phase was formed by a peritectic reaction, while for high cooling rate regime such as melt spinning, the i-phase was formed directly from the undercooled melt, without the formation of the primary λ or β phases. The formability of the icosahedral phase significantly decreased with the addition of Si element up to 5 at.%. For the as-cast Al_(50)Cu_(20)Fe_(15)Si_(15) alloy, however, the major phase was identified as an i-phase related 1/1 cubic approximant. With an increase of Co content up to 5 at.% in the Al_(65)Cu_(20)Fe_(15-x)Co_(x) alloys, the relative amount of i-phase drastically decreased. At the alloy compositions of Al_(65)Cu_(20)Fe_(12)Co_(3) and Al_(65)Cu_(20)Fe_(10)Co_(5), both icosahedral and decagonal phases were found to coexist, while melt spinning of an Al_(65)Cu_(20)Fe_(7)Co_(8) alloy showed a single decagonal phase. In the heat-treated Al_(65)Cu_(20)Fe_(12)Co_(3) and Al_(65)Cu_(20)Fe_(10)Co_(5) ribbons, decagonal related monoclinic λ-Al_(13)(Fe,Co)_(4) phase was observed having five differently oriented micro-domains. They are related with a crystallographic relationship of D_(10)//[010]_(λ), D_(2)//[001]_(λ), and D_(2')//[104]_(λ). Be addition to the Al-Cu-Fe alloy changes the i-phase formation mechanism from peritectic reaction to primary solidification from the undercooled melt during conventional casting. Furthermore, the thermal stability of the i-phase is greatly improved by addition of Be element. Single icosahedral quasicrystalline phase was obtained during crucible cooling of an Al_(55)Cu_(25.5)Fe_(12.5)Be_(7) alloy without heat-treatment. A significant amount of Be is soluble in Al-Cu-Fe i-phase. The Al-Cu-Fe-Be i-phase has the same highly ordered structure as the Al-Cu-Fe i-phase, showing perfect icosahedral symmetry with almost no phason strain. Also, hardness of the i-phase increases with the amount of Be added to the Al-Cu-Fe alloys.

치과용 레이저 선택가공을 위한 합금의 설계 및 금속학적 고찰

김성수 부산가톨릭대학교 대학원 2014 국내박사

Considering the tolerance of dental prosthetics, dental SLM equipment was developed to process for precision, processing with advanced technology. But, productivity is not enough because of precision and production costs. Thus, we will develop low-cost SLM equipment. This equipment at first adjusts the accuracy by calibration process. It is expected to improved productivity thanks to low cost and accuracy process. Dental SLM equipment is consisted of 3D platform, laser and material parts. In this study, we tried to develop an alloy powder material for low-cost SLM equipment. In order to develop the alloy powder material, metallurgical analysis was performed using three alloys processed by existing dental SLM equipment. To examine the metallurgical properties of the alloy, we performed component observation, hardness observation and structure observation experiments. As a result, there was no difference between the alloy body produced by laser irradiation and the alloy powder in components. The metal structure was not observed in the alloy body. In addition, the hardness is higher than that of other general alloys. We tried to produce an alloy material by irradiating laser beam on Ni-Cr alloy powder designed with several compositions. In order to produce an alloy body by using the laser, we set the laser in irradiation conditions. In conclusion, Ni-Cr alloy castings were processed by low output(30W, 40W, 60W) of laser with beam diameter 1mm. However, Ni-Cr alloy powder was processed at 100W of output or more during the laser processing. Moreover, when the diameter of the laser beam irradiation was 1mm, Ni-Cr alloy powder was not produced because the powder was dispersed. When the diameter of the laser irradiation was 0.5mm, Ni-Cr alloy powder was processed without dispersion. As the results of the experiments, we can come to conclusions as follows. 1. Alloys fabricated from existing SLM equipment which is commercialized, shows the characteristics of the amorphous alloy. 2. Solidification of Ni-Cr alloy powder requires laser beam with 0.5 mm or less diameter and 100W or more output. 3. Solid solution of the developed Ni-Cr alloy powder is considered to have a crystal grain. 소재부분과 레이저부분 및 3차원 platform으로 구분되는 치과용 SLM장비는 치과보철의 허용오차를 감안하여 고도의 기술로 아주 정밀하게 가공을 할 수 있게 개발되었다. 하지만 정밀도와 생산비용의 문제로 생산성이 부족하다. 본 연구에서는 1차적인 가공과 2차적인 정밀도를 조절 할 수 있는 보급형 SLM장비를 개발하여 저비용과 정밀화 공정으로 생산성을 높이기 위한 첫 단계로 보급형 SLM장비 개발을 위한 합금분말소재를 개발하고자 하였다. 합금분말소재 개발을 위하여 기존의 치과용 SLM장비에서 가공된 합금체 3종의 금속학적 분석을 실시하였다. 합금체의 성분관찰, 경도관찰, 구조관찰 실험을 실시한 결과 합금분말의 성분과 합금체의 성분에서 차이를 보이지 않으며 합금체에서 금속조직이 관찰되지 않았다. 그리고 일반적인 합금에 비하여 높은 경도가 측정되었다. 이를 바탕으로 수종의 조성으로 설계한 Ni-Cr합금분말을 레이저 조사하여 합금체를 제작하였다. 합금체 제작을 위한 레이저 조사 조건의 설정을 위해 Ni-Cr합금 주조체를 이용한 가공시험을 실시하였으며 그 결과 Ni-Cr합금 주조체는 직경이 1 mm인 저출력의 레이저 (30W, 40W, 60W) 에서도 가공이 되었다. Ni-Cr합금 주조체의 레이저 조사 가공조건을 기준으로 Ni-Cr합금분말을 가공할 수 있는 레이저의 조건 설정을 위한 실험을 실시하였다. 그 결과 레이저 조사 조건이 직경 0.5 mm, 출력 100W 이상일 때 Ni-Cr합금분말이 분산되지 않고 Ni-Cr합금분말이 고형화 (solidification)되는 것을 관찰할 수 있었다. Ni-Cr합금분말로 가공된 합금체는 금속학적 특성 관찰을 위하여 성분관찰과 금속구조관찰을 실시하였다. 이상의 결과로 다음과 같은 결론을 얻었다. 1. 기존의 치과용 SLM장비로 가공된 합금은 비정질 (amorphous)합금의 특성을 가진다. 2. Ni-Cr합금분말의 고형화 (solidification)를 위하여 0.5mm이하의 직경, 100W 이상의 출력의 레이저가 요구된다. 3. 개발된 Ni-Cr합금분말에 의한 고형체(solid solution)는 결정립(crystal grain)을 가지는 것으로 관찰 되었다.

투과전자현미경법을 이용한 Ti 첨가된 Cu 합금의 고강도 및 고전도성 기구 규명에 관한 연구

김상민 강원대학교 대학원 2014 국내석사

Cu alloys are usually used for electronics industry such as connector and lead-flame, owing to their high strength and high conductivity. Recently, electronics industry trends are miniaturization and integration of electronic devices. In order to meet industry demands, Cu alloys need to improve strength and conductivity. Cu alloys are studying a lot about high strength and conductivity through alloying design and thermo-mechanical treatment. Precipitation strengthening is one of the strengthening mechanism, it’s possible to improve both strength and conductivity. Strength and conductivity by precipitation strengthening are depend on alloying elements. Therefore, study about alloying elements is needed. Ti added Cu alloy show high strength and conductivity, but study has not been much progress. In this study, studied about Ti added Cu alloy. The mechanism of high strength and high conductivity of Ti added Cu alloy are investigated through relationship between properties and microstructure by add Ti and thermo-mechanical treatment. Ti added Cu-Ni-Si and Cu-Al designed and after progress hot rolling, cold rolling, solution treatment, and aging. 1) Ti add and thermo-mechanical treatment improved mechanical and conductivity property of Cu-Ni-Si alloy. Precipitation deriving force was increased by add Ti because Ti decreases the Ni and Si solution solubility in the Cu matrix. Ti added Cu showed the smaller and denser d-Ni2Si precipitates and coarse Ni16Ti6Si7 particle, after solution treatment, d-Ni2Si precipitates shape were changed form sphere to disk type and discontinuous precipitate of d-Ni2Si. The d-Ni2Si precipitates in Cu matrix were changed by add Ti and thermo-mechanical, consequently that Cu-Ni-Si alloy improved mechanical and conductivity property. 2) Ti add Cu-Al alloy improved mechanical and conductivity property. The g-Al2O3 particles in Cu matrix are changed such as size, density and shape by add Ti. The g-Al2O3 particles were size decrease, density increase and homogenized shapby increase Ti content. These change by add Ti contribute to improve mechanical and conductivity property. Ⅰ. 서 론 Cu 합금은 높은 강도 및 전기전도성을 가지고 있어 커넥터와 리드프레임과 같은 전자 및 정보 통신 산업 분야에서 주로 사용되고 있다. 최근 전자 및 통신 산업의 추세는 디바이스의 소형화 및 집적화이다. 이러한 산업의 요구를 충족하기 위해서는 Cu 합금의 강도 및 전기전도성 향상이 필요하다. Cu 합금의 고강도 및 고전도성을 위한 합금설계, 가공열처리 등 다양한 연구가 진행되고 있다 [1-5]. 강화기구 중 석출강화는 Cu 합금의 강도와 더불어 전도성을 동시에 향상시킬 수 있다. 석출강화는 첨가되는 원소에 따라 강도 및 전도성이 상이하기 때문에 첨가원소에 따른 연구가 필요하며, 많은 연구가 진행되고 있다 [6-7]. Cu 합금에 Ti 첨가 시 강도 및 전도성 향상을 나타내지만, 이에 관련된 연구는 많이 진행되어 있지 않다. 본 연구에서는 Ti 첨가된 Cu 합금에 대한 연구를 진행하였다. Ti 첨가량 및 가공열처리에 따른 Cu 합금 내 석출물의 거동 등 미세구조와 기계적 및 전기적 특성을 비교연구를 통해 Ti 첨가에 의한 Cu 합금의 고강도 및 고전도성 기구를 규명하였다. Cu-Ni-Si 및 Cu-Ni-Si-Ti 그리고 Cu-Al 및 Cu-Al-Ti 합금설계 후 열간압연, 냉간압연, 용체화처리, 열처리 등 가공 열처리를 진행하였다. 1) Ti 첨가 및 가공 열처리 조건에 따른 Cu-Ni-Si 계 합금의 기계적 및 전기적 특성을 확인하였다. Ti 첨가에 의한 석출 구동력 상승으로 d-Ni2Si 석출물의 크기감소 및 밀도증가, 주조 시 생성된 Ni16Ti6Si7 정출물을 관찰하였다. 용체화 처리 후 d-Ni2Si 석출물의 형태가 구형에서 미세하게 변하였다. Ti 첨가 및 용체화 처리 후 부분적으로 불연속 d-Ni2Si 석출물이 관찰되었다. Ti 첨가에 의한 석출 구동력 향상과 가공 열처리 조건에 따른 d-Ni2Si 석출제어를 통해 동합금의 기계적 및 전기적 물성이 향상되었다. 2) Cu-Al 계 합금에서 Ti 첨가에 따라 강도 및 전도성이 향상되었으며, g-Al2O3 입자의 크기 및 밀도 형상등 변화를 확인하였다. 형상학적으로 Ti 첨가효과를 보면, g-Al2O3 입자의 크기 감소, 밀도 증가, 균일한 형태등을 제어를 통해 동합금의 기계적 및 전기적 물성이 향상 된 것으로 생각된다.

합금화용융아연도금 강판의 합금화 거동에 미치는 P함량과 집합조직의 영향

문만빈 순천대학교 2003 국내석사

ABSTRACT Effects of P Content and Texture of Substrate on Galvannealing Behavior of Hot Dip Galvannealed Steel Sheets Man Been Moon Department of Materials Science and Metallurgical Engineering, the Graduate School, Sunchon National University Advisor : Professor Yong Bum Park Galvannealed(GA) steel sheets have increasingly been used for automotive applications owing to favorable properties such as corrosion resistance, weldablility and paintability. The coating layers of Ga steel sheets include several kinds of Fe-Zn intermetallic compounds such as ζ,δ₁,Γ, etc. It is needed to properly control thd phase distribution of the intermetallic compounds in order to obtain a desirable formability during press stamping in carmakers. Up to date, therefore, extensive surdies have been carried out to clarify the characteristics and growth behavior of the intermetallic compounds. In thd present study, effects of the galvannealing conditions on the phase distribution of the intermetallic compounds were investigated in interstitial free steel and high strength steel sheets. The micro-and macro-texture developments were examined and discussed in terms of relationship with the phase distribution. The following results were obtained. 1. The GA process was retrded in steels containing higher content of phosphorous. On the basis of XRD and AES analyses, it was shown stability of the inhibition layer, with suppressing the thickness of the Γ layer. 2. Higher concentration of Al in the Zn bath improved the stability of the inhibition layer and resulted in delay of GA completion. 3. In typocal IF steel and the steel containing 400ppm phosphorous, the XRS peaks corresponding to the ζ and δ₁ phases were observed after heattreament beyond 480℃, while in the steel containing 700ppm phosphorous, the η phase was mainly formed at 480℃, and then disappeared beyond 520℃. 4. The ζ phase was mainly nucleated and developed during galvannealing for up to 7 sexs and then drastically disappeared with increase of the δ₁phase. 5. It is proposed that the development of the {111}<112> component of v-fibre in the substrates may affect the preferred orientation of the ζ phase in the coating layers under the current GA conditions. Key words: Galvannealed steel, Phase distribution, Texture, Intermetallic compound.

냉각속도에 따른 ADC 12종 합금의 공정 Si상과 초정 α상의 미세조직 변화의 대한연구

임주형 순천향대학교 대학원 2015 국내석사

ADC 12종 합금의 기계적 성질은 개량화 처리 및 냉각속도 등에 기인하는 초정의 크기, 공정 Si의 형상 및 분포 등의 미세구조와 밀접한 관계를 가지고 있다. 특히 Al-Si 합금에서 공정 개량화가 이루어지지 않은 경우 공정 Si입자는 조대한 침상으로 존재하여 어떤 응력 하에서 응력 집중 효과를 발생시켜 파괴의 시작점이 된다. 이러한 특성저하와 미세조직 개선을 위해서 ADC 12종 합금을 냉각속도를 변화시켜 미세조직의 변화를 연구하였다. 본 연구에서는 컴퓨터 시뮬레이션 Procast 프로그램을 이용하여 금형온도를 변화시켜 주조공정에서의 냉각효과 영향력을 분석하였다. 또한, 본 연구에서는 고압다이캐스팅법으로 제조된 자동차 Valve body outer 제품을 주입온도 660℃~670℃, 주입속도 2.2m/sec, Sr 개량처리 온도를 660℃~670℃에서 2시간 처리하였다. 미세조직의 냉각효과를 관찰하기 위하여 주조 후 기존 ADC 12종 합금과 Sr을 첨가한 ADC 12종 합금을 각각 액체질소, 얼음물, 공냉 방법으로 냉각시켰다. 이렇게 준비된 시편의 body part 부분을 채취하여 미세조직 및 초정 α상과 공정 Si의 크기분율을 비교하였다. SEM 분석을 통하여 ADC 12종 합금의 수축공 및 기공, Si의 모양을 냉각속도 조건의 따라 비교하였다. 기존 ADC 12종 합금과 Sr이 첨가된 ADC 12종 합금 모두 냉각속도를 크게 할수록 초정 α상과 공정 Si 평균크기가 감소하는 것을 알 수 있었다. 또한 SEM 관찰 결과 수축공은 주로 공정상 근처에서 관찰되었고, 기공은 초정 결정립 내부에서도 관찰되었다. 금형온도를 변수로 컴퓨터 시뮬레이션을 한 결과에서도 초정 α상과 공정 Si의 미세조직 크기가 감소한 것을 확인할 수 있었다. 냉각속도 증가에 따라 ADC 12종 합금은 초정 상과 공정 Si의 미세조직 크기가 감소하였고, 개량화 처리를 하지 않은 경우에도 액체질소로 냉각한 시편에서는 개량화제 Sr을 첨가한 경우와 유사한 공정 Si의 개량화 효과가 나타났다. 본 연구에서는 개량화제에 의한 조직의 미세화효과를 큰 냉각속도에서 얻을 수 있음이 확인되었다. 주조공정에서 금형의 냉각속도를 변화시켜 주조조직의 미세화를 얻을 수 있으므로 개량화제 대신에 금형의 냉각시스템의 설계가 실제적으로 이루어진다면 원가절감 효과도 있을 것으로 생각된다.

수소분리용 Pd-Cu-Ni 합금 분리막의 Cu Reflow 영향

이재훈 경기대학교 2007 국내석사

본 연구는 점차 심해져 가는 화석자원의 고갈과 환경오염으로 인해 새로운 대체 에너지로 부각되고 있는 수소에너지 개발의 한 분야로서 이루어졌다. 무공해 에너지인 연료전지의 연료인 고순도 수소를 팔라듐 합금 분리막을 이용하여 제조 하였다. 팔라듐 합금 분리막은 구리 리플로우 공정과 스퍼터에 의해 제조 되었고 기존 지지체의 전처리에서 발생되는 불순물을 방지하기 위해 기존 HCl 전처리를 건식 방식의 플라즈마 표면처리로 대체함으로써, 전처리 과정에서 생성되는 지지체의 부식과 불순물을 완전히 배제 할 수 있었다. 또한 표면의 미세구조와 분리막의 성능은 다양한 리플로우 공정 변수 리플로우 온도, 시간, Pd/Cu 조성비에 의존하여 본 연구에서는 최적의 공정 변수를 잡고 규명함으로써 매우 우수한 특성인 무한대의 수소 선택도를 보이는 완전히 합금화된 Pd-Cu-Ni 합금 수소분리막을 제조하였다. 본 팔라듐 합금 수소분리막 연구는 향후 수소에너지 시대에서 주요 기술 분야로 대두될 고순도 수소 제조 기술의 기반을 다지고, 나아가 연료전지 개질기등의 기타 응용분야에도 넓게 활용 될 것으로 기대된다. Pd-Cu-Ni alloy membrane for hydrogen separation was fabricated by sputtering and Cu reflow process. At first, the Pd and Cu was continuously deposited by sputtering method on porous Ni support. The Cu reflow process was followed. Microstructure of the surface and permeability of the membrane was investigated depending on various reflow temperature, time, Pd/Cu composition and supports. With respect to our result, Pd-Cu thin film deposited by sputtering process with thickness of 4μm was heattreated for Cu reflow. The voids of the membrane surface were completely filled and the dense crystal surface was formed by Cu reflow behavior at 700℃ for 1 hour. Cu reflow process, which is adopted for our work, could be applied to fabrication of dense Pd-alloy membrane for hydrogen separation regardless of supports. Ceramic or metal support could be easily used for the membrane fabricated by reflow process. The Cu reflow process must result in void-free surface and dense crystalline of Pd-alloy membrane, which is responsible for improved selectivity of the membrane.

Fe-30Al系 合金의 微細組織과 機械的 特性에 미치는 Cr, B 및 Zr 添加效果

주형곤 전남대학교 대학원 2002 국내박사

본 연구에서는 DO₃형 Fe-3Oat.%Al 합금에 대하여 용접성 개선을 위해 Cr함량을 5at.%, 결정립 미세화와 결정립계 강화를 위해 B를 0.1at.%, 결정립 미세화와 결정립계의 연성화를 위해 Zr을 0.1 및 0.3at.%를 단독 또는 복합첨가한 다음 이들 원재료를 고주파 진공 유도용해로에서 용해하여 열처리한 시편, 압연한 시편및 용접한 시편의 미세조직, XRD 및 EDS 분석을 통한 상확인, 경도, 압축 또는 인장특성 및 파괴양상을 관찰하여 압연 및 용접 특성에 미치는 첨가원소의 영향을 조사하고, 그 결과를 상호 비교 검토하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 첫째, 열처리한 시편의 미세조직은 Fe-3OAl, Fe-30A1-5Cr 합금 및 여기에 B를 첨가한 경우 등축정을 나타내고 Zr을 첨가한 경우에는 의사 등축정으로 변화하였으며, 결정립은 B 및 Zr첨가에 의해 미세화 되었고, Cr의 첨가효과는 거의 없었다. B 및 Zr의 첨가와 관계없이 경도와 항복강도는 Cr을 첨가한 합금이 더 낮았고, Cr의 첨가와 관계없이 경도는 B, Zr 또는 B+Zr을 첨가한 합금이 더 높았다. 또한 파면양상은 Fe-3OAl, Fe-3OAl-5Cr 합금과 여기에 B을 첨가한 합금은 벽개파면을, Zr을 첨가한 합금은 벽개와 입계의 혼합 파면을 나타냈다. 둘째, 열처리한 시편을 1000℃ 에서 압연하였을 때 전 시편 모두 압연이 가능하였으며, 합금원소의 영향은 나타나지 않았다. 그리고 압연한 시편의 용접성은 350℃에서 예열하고 후열하지 않은 경우 전 시편 모두 용접 후 비드의 중앙부를 따라 균열이 발생하여 용접이 불가능하였으나, 750℃에서 후열한 경우는 용접이 가능하였고 균열은 발생하지 않았다. 따라서 용접성에 대한 합금원소의 영향은 크지 않았고, 후열처리 유무에 따라 용접성이 좌우되었다. 셋째, 압연한 시편의 미세조직은 Fe-3OAl합금과 여기에 B 또는 0.1Zr을 첨가한 합금 및 Fe-3OAl-5Cr합금과 여기에 B을 첨가한 합금은 모두 등축정을, 상기이외의 합금은 의사 등축정을 나타냈고, 결정립 미세화에 대한 B 및 Zr의 첨가효과는 열처리한 시편에 비해 크지 않았다. 그리고 용접한 시편의 용접금속부와 열영향부의 미세조직은 Fe-30A1, Fe-30Al-5Cr 합금 및 여기에 B를 첨가한 합금은 모두 등축정을 나타냈으나, Zr또는 B+Zr를 첨가한 합금은 의사 등축정을 나타냈고, 용접금속부가 열영향부에 비해 약간 더 미세화되었다. 기계적 성질은 경도의 경우 Cr첨가와 관계없이 압연한 시편→열처리한 시→용접한 시편(용접금속)의 순으로 경도가 더 높았으며, Cr을 첨가한 합금이 그렇지 않은 합금보다 더 낮았고, B 및 Zr을 단독 또는 복합첨가한 합금이 더 높았다. 용접한 시편의 인장강도, 항복강도 및 변형률은 모두 압연한 시편에 비해 훨씬 더 낮은 값을 나타내었고 매우 취약하였으며, 압연한 시편과 용접한 시편 모두 B 및 Zr의 첨가에 의한 인장특성의 차이는 크지 않았다. 파면양상은 압연한 경우 전 합금이 벽개파면을 나타냈고 입계파면은 나타나지 않았다. 용접한 경우 Fe-30Al-5Cr에 0.3Zr 또는 B+Zr을 첨가한 합금은 벽개와 입계가 혼합된 파면을 나타내었으나 나머지 합금은 모두 벽개파면을 나타냈다. Some alloying elements such as Cr(5 at%) for improvement in weldability, B(0.1at%) for grain refinement and grain boundary strengthening and Zr(0.1 and 0.3 at%) for grain refinement and grain boundary softening were added individually or as a mixture to DO₃ type Fe-30at%Al alloys. The alloys were melted using a high frequency vacuum induction furnace and then heat treated for homogenization and phase stabilization and followed by rolling at 1000℃ and welding. At each procedure microstructures, XRD patterns, EDS analysis, hardness, compressive or tensile strength and fractographs were examined. Through these investigations the effects of alloying elements on rolling and welding characteristics were compared with each other and discussed. The experimental results were summarized as follows. First, the microstructures showed that the heat treated Fe-30Al and Fe-30Al-5Cr alloys had equiaxed grains and an addition of Zr to these alloys changed it to the quasi-equiaxed one. Addition of Cr, however, did not affect the microstructures. B and Zr decreased grain size and increased hardness and yield strength whereas Cr decreased hardness and yield strength. Fractographs showed cleavage fractures in the heat treated Fe-30Al, Fe-30Al-5Cr and the B added alloys. However, in the Zr added alloys a mixture of cleavage and intergranular factures was seen. Second, all of the heat treated alloys could be rolled at 1000℃ and showed good welding performance with the aids of pre-heating at 350℃ and post-heating at 750℃. The post-heating should be done otherwise cracks appeared at the center of the weld bead. The alloying elements did not have significant effect on rolling and welding of the alloys. Third, the microstructures of the rolled specimens appeared equiaxed grains in Fe-30Al, Fe-30Al-5Cr and the alloys B or 0.1 Zr added and quasi-equiaxed grains in the rest. The effects of B and Zr on grain refinement were not significant in the rolled alloys compared to the heat treated. The microstructures of the weld metals and HAZs in Fe-30Al, Fe-30Al-5Cr and the B added alloys were all equiaxed, but those of the Zr added alloys were quasi-equiaxed. Grains of the weld metals were finer than those of the HAZs. Hardness was higher in order of the rolled, the heat treated and the welded, and increased with addition of Zr and/or B and decreased with addition of Cr. The welded specimens were more brittle and smaller in tensile strength, yield strength and strain rate compared to the rolled. Fractographs of the rolled and the welded alloys revealed mostly cleavage fractures, but intergranular fractures were also observed in part in the welded Fe-30Al-5Cr-0.3Zr and Fe-30Al-5Cr-0.1 Zr-0.1B alloys.

상용 알루미늄 합금의 플라즈마 전해 산화 코팅막의 특성평가

문정일 한밭大學校 産業大學院 2007 국내석사

플라즈마 전해산화 (Plasma Electrolytic oxidation)는 수용액 중에서 Al, Ti, Mg등의 금속표면에 산화피막을 형성시키는 기술로써, 기존의 Anodizing과 유사한 장치에서 고전압을 가해 미세 플라즈마 방전을 표면에서 유도하여 산화막의 치밀화를 꾀한 피막기술이다. 본 연구에서는 서로 다른 화학 성분을 갖는 상용 알루미늄 합금(2024, 6061 및 7075Al)에 PEO 피막기술을 적용하여 코팅층의 미세구조 및 피막건전성에 미치는 기지 합금의 영향을 평가하였다. 시편을 양극에 위치시키고 불균일 AC source, 전류밀도 20A/dm2으로 하여 시험 후, 코팅층에 대하여 미세구조, 기공도, 경도, 마모 및 파괴특성을 평가하였다. 코팅 분석 결과, 2024와 6061Al 합금위의 코팅층은 조밀하고 안정한 α-alumina를, 7075Al 코팅층은 대부분 덜 조밀한 γ-alumina만을 보였다. 7075Al 합금에는 Mg 성분이 높게 잔류하며 PEO 공정 동안 γ에서 α상으로의 변태를 방해하였다. Cu는 높은 Cu 이온의 이동도로 인해 코팅층에서 전해질 쪽으로 빠르게 빠져나가며, 매우 낮은 함량이 잔류하여 2024Al 합금 코팅층에서 α상 형성을 방해하지 않았다. 미세조직 분석결과, 기지금속과 근접한 코팅층(확산층)은 내부에 140㎚이하의 비정질층을 가지며 그 위에 나노결정립 γ상(~3㎛)이 존재하였다. 7075Al 합금위의 코팅층은 많은 micro-crack을 보이는 반면, 2024와 6061Al 합금의 코팅층들의 micro-crack들은 대부분 기지에 근접한 γ층과 외부다공성층에 한정되었다. 각 코팅들에 대한 경도와 내마모성을 비교한 결과, 2024와 6061Al은 7075Al보다 높은 경도와 마모저항성을 보였는데, 이는 α-alumina가 높은 때문으로 나타났다. α-Al2O3 와 γ-Al2O3 상 형성에 미치는 합금원소의 영향을 보다 상세히 평가하기 위하여 Mg, Cu, Zn을 각각 0.5%, 1%, 3%, 5%씩 포함한 2원계 알루미늄 모델 합금을 제작하여 첨가합금 원소가 PEO 피막의 미세조직 및 기계적 특성에 미치는 영향을 제시하였다. Plasma electrolysis oxidation (PEO) technique is formed of oxidation film on metal surface of Al, Ti, Mg alloys in aqueous solutions intend to form dense oxidation films that lead to micro plasma discharge on surface under the high voltage in equipment similar with traditional anodizing. The PEO coating is known to have very high wear resistance, electrical and thermal insulation, corrosion resistance and friction resistance. Alumina coatings were deposited by a plasma electrolyte oxidation(PEO) technique on 2024, 6061 and 7075 aluminium alloys having typically different chemical compositions and microstructure and tribological properties of the coatings were evaluated. During process, substrate materials was biased anodically with an unbalanced AC source of which current density was 20A/dm2. Microstructure, porosity, hardness, abrasive wear and fracture properties of the coatings were evaluated. Coatings on 6061 and 2024 alloys consisted of dense and stable α alumina and less dense γ alumina, while that of 7075 mostly showed γ alumina. Higher residual magnesium content in the coating of 7075 alloy prevented γ from transforming to α alumina during process. Copper was quickly moved away from the coating layer due to high mobility of Cu ion and did not affect the α formation in 2024 alloy coating noticeably. Coating layers adjacent to the substrate materials (previously named diffusion layer) were consisted of the inner amorphous layer (~10nm) and nanocrystalline γ layer (~3㎛) with high nano porosity. The coating on 7075 alloy showed lots of microcracks through thickness while in the 2024 and 6061 coatings the microcracks were mostly confined in the γ layer adjacent to the substrate and porous outer layer. The coatings on 2024 and 6061 alloys showed higher hardness and resistance to abrasive wear than 7075 due to the presence of α alumina. The microcracks in the coating of 7075 alloy enhanced the fracture of coating layer when the coatings were pressed to the same depth of ball indent.

Ni-rich Ti-Ni-X 합금에서의 시효에 의한 준안정 Ti₃Ni₄의 석출거동

금나영 동아대학교 대학원 2023 국내석사

Ti-Ni계 형상기억합금(SMA)은 우수한 형상기억 효과(SME), Pseudoel- asticity(PE), damping capacity를 가지므로 공업용 재료로 많이 쓰이며 더욱 개발될 필요성이 있다. Ti-Ni계 합금은 냉각 및 가열 시 B2↔B19′ 및 B2↔R, R↔B19′의 세 가지 상 변태가 발생하는데 B2↔R 변태는 1% 정도의 작은 변태 변형률을 가지고 5K 이하의 작은 변태 온도 히스테리시스를 가진다. 이에 따라 미세 조직의 구조적 결함이 낮아 높은 가역성과 열 응답성을 가진다고 보고된다. Ti-Ni 합금을 실용적으로 사용할 경우 이러한 R상 변태 온도를 제어하는 것이 중요하다. R상 변태 온도에 영향을 미치는 인자는 (1) 조성, (2) 용체화 처리 후 시효처리, (3) 열 기계적 처리, (4) 3 원소 첨가가 있다. Ti-Ni 2원계 합금에서의 R상 발현 3원계 첨가 원소로는 Fe, Co, Al이 있고 3원소 첨가 시 R상 안정화 효과가 있다. 시효 처리 시 발생하는 Ti₃Ni₄석출물은 rhombohedral structure를 가지고 석출경화로 인해 Ni-rich Ti-Ni합금의 변태 온도 제어와 형상기억 및 초탄성 특성 안정화에 중요한 역할을 하여 Ni-rich Ti-Ni 합금의 형상기억 특성을 개선하고 변태 온도를 조절하는데 효과적이다. 본 연구에서는 Ti-XNi-1Fe(X=49.1, 49.2, 49.3, 49.5)합금과 Ti-YNi-2Co(Y=48.1, 48.2, 48.3, 48.5) 및 Ti-ZNi-3Co(Z=47.1, 47.2, 47.3, 47.5)합금의 R상 변태 거동 및 Ti₃Ni₄석출 거동을 조사하였다. 진공 아크 용해로를 통하여 3가지 종류의 합금을 용해 후, 1073K, 300s에서 중간 어닐링하면서 최종 두께 0.4±0.02㎜로 냉간압연을 하였다. 방전 가공을 사용하여 시편을 가공하였다. 열처리는 1073K에서 3.6ks동안 용체화 처리 후 673K, 773K, 873K에서 3.6ks, 36ks, 180ks, 360ks, 1800ks, 3600ks, 10800ks 시간동안 시효처리 하였다. 합금의 시효처리에 의한 R상 변태 온도 변화를 측정하기 위해 DSC 측정하였고 TEM, XRD 측정을 통해 Ti₃Ni₄석출물에 미치는 영향을 조사하였다.

의료용 Co-Cr-Mo계 신합금의 절삭가공성 및 물성에 관한 연구

정용호 전남대학교 2016 국내박사

치과용 합금소재는 손상된 치아의 기능과 심미성을 복원하기 위해 Inlay,Crown 및 Denture 등의 보철물로 사용되는 소재를 통칭한다. 이러한 보철물들은 구강 내에서 타액에 상시 노출되어 있어 생물화학적 안정성이 요구되며, 음식물 저작을 위해 물리적 부하를 안정적으로 이겨낼 수 있어야 한다. 따라서 이런 기본 요구에 만족 될 수 있는 보철 재료로 화학적으로 안정성이 높은 금(Au) 합금이 주로 사용 되었는데, 최근 귀금속 값이 10배 이상 상승하면서 대채 재료 개발에 많은 투자를 해왔었다. 이중 생체적합성과 절삭성이 우수한 Co-Cr-Mo기 합금이 개발되어 시중에서 유통되고 있으나, 시중에서 유통되고 있는 합금들은 단조 합금으로서 주조 재활용성이 떨어져, 본 연구에서는 재활용성 까지를 높일 수 있는 합금을 국산화 하는데 목적을 두었다. Co-Cr-Mo을 기본으로 하고 첨가 원소들을 기존 특허에 저촉되지 않으면서 생체적합성, 절삭성 및 재활용성(주조성)을 향상시킬 수 있는 첨가 원소를 발굴해본 결과, Ta은 주조성과 절삭성을 개선하는데 아주 큰 역할을 함을 알 수 있었는데, 이는 첨가 원소가 수지상정의 파괴 및 탄화물 석출 억제에 상당히 영향을 미치는 것으로 판단 되었다. 따라서 Ta을 첨가원소로 하여 개발된 합금은 62Co-28Cr-6Mo-1Si-1Mn -2Ta 이었으며, 이 합금을 기존 치과나 치기공소에서 운영하는 CAD/CAM 절삭 설비로 절삭해본 결과 수입합금과 동일수준 이상으로 보철물 형상이 절삭 됨을 확인 하였다. 또한 개발된 합금은 수입 대체효과와 주조성이 양호하여 주조를 통해 잔여소재 및 절삭칩의 재활용이 가능하므로 크게 원가 절감의 효과가 있을 것으로 기대 되었다.