Zr-based 비정질 합금의 특성에 관한 연구

Abstract

2001년 후반부터 Zr-based 비정질 합금은 모바일 사업, 의료기 부품 및 전자 부품 등의 일부 산업용 부품에 사용하게 되었으며, 특히 모바일 제품의 hinge류와 케이스류에 많이 적용되어졌다. 이런 모바일 제품의 대부분은 제조 단가가 낮은 Zn계 합금과 Al계 합금이었다. Zn계 합금과 Al계 합금의 제조 단가에 비교해 Zr-based 비정질 합금은 제조 단가가 상당히 높다. 이러한 높은 제조 단가를 낮추는 방법이 산업 현장에 적용되어져야 한다. 본 연구에서는 제조 단가를 낮추기 위한 방법으로, 원재료를 용해하여 제품을 제조한 후 남은 scrap 재료를 recycle하여, recycle에 따른 산소/질소 함량 변화, 탄소 함량 변화와 기계적 특성을 관찰하였고, 주원료인 Zr를 Sn으로 치환하여 비정질 형성능에 미치는 Sn의 영향을 관찰하였으며, Zr-based 비정질 합금이 케이싱 재료로 사용될 때, 제품 표면에서 일어나는 현상을 관찰하기 위하여 염수 분무 시험으로 비정질 합금의 특성을 관찰한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다. 첫째, recycle에 따른 산소/질소 함량의 변화는 원재료를 사용한 virgin 시편에서 10회 recycle한 RCTA 시편의 합금 공정의 산소 함량은 980ppm에서 3,262ppm으로 증가되었고, casting 공정의 산소 함량은 1,244ppm에서 3,789ppm으로 증가되었다. 또한 합금 공정의 질소 함량은 24ppm에서 259ppm으로 증가되었고, casting 공정의 질소 함량은 40ppm에서 278ppm으로 증가되었다. 산소 함량 변화와 질소 함량 변화에 따른 X-선 회절 분석은 모두 비정질의 전형적 형태의 halo pattern이 관찰되었다. 열분석은 산소 함량이 증가되어도, Tg는 634K∼647K이었고, Tx는 690K∼702K이었다, DTA에 의한 융점(Tm)은 975K∼991K이었다. Recycle된 합금의 ΔT는 72K∼85K이었고, Trg는 0.63∼0.64이었다. 강도시험에서는, 산소 함량이 증가되면서, 강도는 3,055MPa에서 2,062MPa으로 감소하였고, extension도 3.02mm에서 1.74mm으로 감소하였다. 파단면 관찰은 산소 함량이 1,000ppm, 2,000ppm의 시편은 비정질 파면이었고, 산소 함량이 3,000ppm, 4,000ppm의 시편은 취성 파면이었다. 둘째, recycle에 따른 탄소 함량의 변화는 원재료를 사용한 virgin 시편에서 10회 recycle된 RCTA 시편의 합금 공정의 탄소 함량은 229ppm에서 3,917ppm으로 증가되었고, casting 공정의 탄소 함량은 360ppm에서 3,302ppm으로 증가되었다. 미세 조직 관찰은 작은 형상의 다각형의 석출물이 관찰되었으며, 탄소 함량이 점차 증가되면서, 비정질 기지에 다각형의 석출물이 증가되고 있다. 다각형의 석출물 성분은 Zr과 C로 이루어진 화합물이었다. 미소 경도는 655Hv∼738Hv이었으며, recycle 횟수가 증가하면서 ZrC의 다각형 석출물이 증가되어 경도값이 상승하였다. 셋째, Zr을 Sn으로 치환한 비정질 합금들의 X-선 회절 분석에서 비정질 합금의 halo pattern이 관찰되었으며, Zr을 Sn으로 치환하여도 상의 변화는 없었다. 열분석은 Tg는 677K∼691K이었으며, Tx는 733K∼752K이었다. 비정질 형성능에 영향을 미치는 ΔT(Tx-Tg)와 Trg(Tg/Tm)는 56K∼60K, 0.61∼0.62이었다. 압축 강도에서는 1,625MPa∼1,773MPa이었다. 경도 측정에서는 702Hv∼752Hv이었다. 넷째, 염수 분무 시험에서는, as-cast 상태의 시편, blasting한 시편을 사용한 X-선 회절 분석에서 비정질 합금의 전형적 형태인 halo pattern이 관찰되었고, 염수 분무 시험 후에도 상의 변화는 없었다. 열분석에서는 as-cast 시편의 Tg, Tx는 630K, 710K이었고, blasting한 시편의 Tg, Tx는 629K, 708K이었고, blasting 후 염수 분무 시험한 시편의 Tg, Tx는 627K, 715K이었다. 염수 분무 후 비정질 합금의 열적 특성에는 변화가 없었다. 조직 관찰에서는 염수 분무 시험 후 as-cast 상태의 시편에서는 부식 현상을 발견할 수 없었으나, blasting한 시편에서는 pitting이 발생되었으며, pitting 근처의 성분 분석에서 Na, Mg 그리고 Cl이 검출되었다. 염수 분무 시험 후 비정질 합금의 강도값은 as-cast 상태의 시편과 ZrO2 입자를 사용한 blasted 시편의 3-point bending 강도값은 각각 2,726MPa, 2,718Mpa이었으며, Al2O3 입자를 사용한 blasted 시편의 강도값은 염수분무 시험 후에 나타나는 미세 pitting에 의해 150MPa정도 낮은 2,563MPa의 강도값을 나타내었으며, 파단면은 전형적인 비정질의 vein pattern이었다.