특수합금 2
제3장 초소성 합금 및 입자분산 강화합금
점토처럼 자유 자재로 변형하여 형 그대로 만드는 합금으로 복잡한 형상품 가공에 이용되고 있는 초소성 합금(Super Plasticity Alloy)과 산화물 같은 미립자를 분산시켜 강화한 금속 매트릭스 복합재료이며 특히 고온 강도면에서 주목을 받고 있는 입자분산 강화합금(Particle Dispersion Strengthened Metals) 등을 소개 합니다.
1. 초소성 합금
(1) 개요
미시적인 결정 구조, 온도 및 변형 속도가 있는 조건을 만족하면서 그 재료가 파단 될 때까지 끊어지지 않고 비정상적으로 수백 % 이상의 연신율을 나타내는 성질을 초소성이라 하고 이러한 성질을 나타내는 합금을 초소성 합금이라고 함.
초소성 현상은 크게 2 가지로 대별되는데 하나는 미세한 결정립 초소성은 결정 입자가 입계를 따라 미끄러지거나 회전하여 변형하는 것이고 또 다른 하나인 변태 초소성은 변태 중에 하중을 가하면 발생하는 것으로 변태를 진행시키기 위해 변태점을 오르내리는 열 사이클을 반복하여 온도가 변화하기 때문에 동적 초소성이라고 불리기도 함.
(2) 상용 초소성 합금의 특징
1) 초소성 아연합금
성형 온도가 가장 낮고 가격이 저렴하며 성형성이 좋아 복잡한 형상의 성형이 용이함.
크리프 강도가 낮아 구조 재료로는 부적당하며 관상으로 가공하는 것이 어려워 가공비가 비쌈.
강도가 중요하지 않고 2차 가공이 그다지 필요하지 않는 제품에 적용.
2) 초소성 알루미늄합금
크리프 강도가 우수하고 강도가 높음.
형상이 복잡하고 경량화가 필요한 제품에 적용.
박관인 경우에는 열성형 가공법에 의해 성형할 수 있음.
3) 초소성 니켈합금
분말야금법에 의해 가공비가 적고 균일한 조직을 갖는 제품을 성형할 수 있음.
터빈 디스크 제작에 사용됨.
4) 초소성 티타늄합금
Ti-6Al-4V 합금이 대표적이며 초소성 가공 시 50~150%의 연신율로 성형함.
초소성 합금을 이용한 성형 가공은 일반 티타늄합금에 비해 가공 온도가 다소 높지만 가공 시간을 짧게 할 수 있음.
(3) 초소성 합금의 산업적 이용
1) 성형 가공
(가) 변태 초소성 굽힘가공
고온 폴리머의 유동 변형과 같은 변형능을 이용하는 가공법.
(나) 다이리스 인발가공
미세 결정립 초소성은 및 변태 초소성에 이용함.
종류 : SS41, Ti
(다) 변태 초소성 열처리(순철)
급속 가열 열처리를 할 경우에는 변태 초소성으로 인한 열 사이클을 반복 시행 함.
가공 열처리를 할 경우에는 변태 초소성에서의 작용 하중이 증가함.
(라) 초소성 절단 및 절삭
초소성은 고체 상태에서 액상 변형이 일어나므로 일반 금속의 고체 상태의 것보다 훨씬 작은 하중으로 절단(파단)이 가능함.
초소성 상태에서의 절삭은 절삭력이 작고 표면 정도가 매우 높아 난삭재의 절삭가공에 많이 이용함.
2. 입자분산 강화합금
(1) 개요
합금의 강화법 중에서 고용체 강화, 가공경화, 시효경화, 상변태에 의한 강화 등에 기초를 둔 합금은 고온이 되면 응력 변형이 완화되어 연하게 되고 제2상 석출 입자가 고온 또는 응집 성장을 일으켜 강도가 현저하게 저하됨.
이에 비해 고온에서도 열적으로 안정적인 입자가 제2상 입자로서 미세하고 균일하게 분산 된 합금이 있다면 고온에서도 높은 합금 강도를 유지할 수 있음.
즉, 기지 금속 중에서 0.01μm~0.1μm의 미세한 입자를 균일하게 분포 시킨 것이 입자분산 강화합금이며 분산 된 미립자는 기지 중에서 화학적으로 안정하고 용융점이 높은 성질을 띰.
(2) 강화기구
미세하게 분포된 분산입자의 입자 간 간격이 어느 수준 이하가 되면 임계응력이 급격히 증가 됨.
또한 분산입자는 크리프 속도를 저하시킴과 동시에 응력지수를 증가시켜 크리프 특성이 우수함.
재료의 성질은 입자 크기, 형상, 양에 따라 변화하며 고온에서 기지층에 입자를 균일하게 분산시키는 것이 중요함.
(3) 제조법
1) 분말혼합법
금속 분말과 산화물, 질화물, 금속 간 화합물 등 고온에서 안정적인 분말을 기계적으로 혼합한 후 압출하는 가장 단순한 방법임.
사용하는 금속 분말과 분산 입자의 입도에 한계가 있으며 기지금속과 분산 입자 사이에 비중 차가 있으면 균일하게 혼합되기 어려움.
2) 고상변태법
과포화 고용체로부터의 분해, 석출 등을 이용하는 방법으로 금속 간 화합물에 의한 분산 강화는 일반적으로 분산 입자의 고온에서의 안정성이 낮으므로 고온 특성보다는 상온에서의 역학적 성질의 개선에 역점을 둠.
3) 반응법
기상 및 고상반응법, 기상 및 액상반응법, 액상 및 고상반응법, 액상 및 액상반응법이 있음.
화학반응 등으로 금속 분말의 표면에 생긴 산화 피막을 최종적으로 합금의 분산 입자로서 이용하는 방법이 대표적임.
(4) 실용 재료
1) SAP(Sintered Aluminium Power Product)
저온 내열 재료로서 Al 기지 중에 Al₂O₃의 미세 입자를 분산시킨 것임.
350~550℃에서도 Al에 비해 안정된 강도를 유지하기 때문에 디젤 엔진의 피스톤 밴드, 제트 엔진 부품 등에 사용됨.
2) TD Ni(Thoria Dispersion Strengthened Nickel)
100℃에서 100MPa의 인장강도를 갖는 고온 내열 재료이며 Ni 기지 중에 ThO₂ 입자를 분산시킨 것으로 고온 안전성이 우수하여 터빈 블레이드 등에 사용됨.
혼합, 침전, 분쇄, 압분-소결, 압출 등의 공정을 거쳐 생산됨.
특수합금에 대한 포스트를 마치고 다음부터는 열처리에 관한 포스트를 할 예정입니다.
2022년 01월 22일
특수합금 2
제3장 초소성 합금 및 입자분산 강화합금
점토처럼 자유 자재로 변형하여 형 그대로 만드는 합금으로 복잡한 형상품 가공에 이용되고 있는 초소성 합금(Super Plasticity Alloy)과 산화물 같은 미립자를 분산시켜 강화한 금속 매트릭스 복합재료이며 특히 고온 강도면에서 주목을 받고 있는 입자분산 강화합금(Particle Dispersion Strengthened Metals) 등을 소개 합니다.
1. 초소성 합금
(1) 개요
미시적인 결정 구조, 온도 및 변형 속도가 있는 조건을 만족하면서 그 재료가 파단 될 때까지 끊어지지 않고 비정상적으로 수백 % 이상의 연신율을 나타내는 성질을 초소성이라 하고 이러한 성질을 나타내는 합금을 초소성 합금이라고 함.
초소성 현상은 크게 2 가지로 대별되는데 하나는 미세한 결정립 초소성은 결정 입자가 입계를 따라 미끄러지거나 회전하여 변형하는 것이고 또 다른 하나인 변태 초소성은 변태 중에 하중을 가하면 발생하는 것으로 변태를 진행시키기 위해 변태점을 오르내리는 열 사이클을 반복하여 온도가 변화하기 때문에 동적 초소성이라고 불리기도 함.
(2) 상용 초소성 합금의 특징
1) 초소성 아연합금
성형 온도가 가장 낮고 가격이 저렴하며 성형성이 좋아 복잡한 형상의 성형이 용이함.
크리프 강도가 낮아 구조 재료로는 부적당하며 관상으로 가공하는 것이 어려워 가공비가 비쌈.
강도가 중요하지 않고 2차 가공이 그다지 필요하지 않는 제품에 적용.
2) 초소성 알루미늄합금
크리프 강도가 우수하고 강도가 높음.
형상이 복잡하고 경량화가 필요한 제품에 적용.
박관인 경우에는 열성형 가공법에 의해 성형할 수 있음.
3) 초소성 니켈합금
분말야금법에 의해 가공비가 적고 균일한 조직을 갖는 제품을 성형할 수 있음.
터빈 디스크 제작에 사용됨.
4) 초소성 티타늄합금
Ti-6Al-4V 합금이 대표적이며 초소성 가공 시 50~150%의 연신율로 성형함.
초소성 합금을 이용한 성형 가공은 일반 티타늄합금에 비해 가공 온도가 다소 높지만 가공 시간을 짧게 할 수 있음.
(3) 초소성 합금의 산업적 이용
1) 성형 가공
(가) 변태 초소성 굽힘가공
고온 폴리머의 유동 변형과 같은 변형능을 이용하는 가공법.
(나) 다이리스 인발가공
미세 결정립 초소성은 및 변태 초소성에 이용함.
종류 : SS41, Ti
(다) 변태 초소성 열처리(순철)
급속 가열 열처리를 할 경우에는 변태 초소성으로 인한 열 사이클을 반복 시행 함.
가공 열처리를 할 경우에는 변태 초소성에서의 작용 하중이 증가함.
(라) 초소성 절단 및 절삭
초소성은 고체 상태에서 액상 변형이 일어나므로 일반 금속의 고체 상태의 것보다 훨씬 작은 하중으로 절단(파단)이 가능함.
초소성 상태에서의 절삭은 절삭력이 작고 표면 정도가 매우 높아 난삭재의 절삭가공에 많이 이용함.
2. 입자분산 강화합금
(1) 개요
합금의 강화법 중에서 고용체 강화, 가공경화, 시효경화, 상변태에 의한 강화 등에 기초를 둔 합금은 고온이 되면 응력 변형이 완화되어 연하게 되고 제2상 석출 입자가 고온 또는 응집 성장을 일으켜 강도가 현저하게 저하됨.
이에 비해 고온에서도 열적으로 안정적인 입자가 제2상 입자로서 미세하고 균일하게 분산 된 합금이 있다면 고온에서도 높은 합금 강도를 유지할 수 있음.
즉, 기지 금속 중에서 0.01μm~0.1μm의 미세한 입자를 균일하게 분포 시킨 것이 입자분산 강화합금이며 분산 된 미립자는 기지 중에서 화학적으로 안정하고 용융점이 높은 성질을 띰.
(2) 강화기구
미세하게 분포된 분산입자의 입자 간 간격이 어느 수준 이하가 되면 임계응력이 급격히 증가 됨.
또한 분산입자는 크리프 속도를 저하시킴과 동시에 응력지수를 증가시켜 크리프 특성이 우수함.
재료의 성질은 입자 크기, 형상, 양에 따라 변화하며 고온에서 기지층에 입자를 균일하게 분산시키는 것이 중요함.
(3) 제조법
1) 분말혼합법
금속 분말과 산화물, 질화물, 금속 간 화합물 등 고온에서 안정적인 분말을 기계적으로 혼합한 후 압출하는 가장 단순한 방법임.
사용하는 금속 분말과 분산 입자의 입도에 한계가 있으며 기지금속과 분산 입자 사이에 비중 차가 있으면 균일하게 혼합되기 어려움.
2) 고상변태법
과포화 고용체로부터의 분해, 석출 등을 이용하는 방법으로 금속 간 화합물에 의한 분산 강화는 일반적으로 분산 입자의 고온에서의 안정성이 낮으므로 고온 특성보다는 상온에서의 역학적 성질의 개선에 역점을 둠.
3) 반응법
기상 및 고상반응법, 기상 및 액상반응법, 액상 및 고상반응법, 액상 및 액상반응법이 있음.
화학반응 등으로 금속 분말의 표면에 생긴 산화 피막을 최종적으로 합금의 분산 입자로서 이용하는 방법이 대표적임.
(4) 실용 재료
1) SAP(Sintered Aluminium Power Product)
저온 내열 재료로서 Al 기지 중에 Al₂O₃의 미세 입자를 분산시킨 것임.
350~550℃에서도 Al에 비해 안정된 강도를 유지하기 때문에 디젤 엔진의 피스톤 밴드, 제트 엔진 부품 등에 사용됨.
2) TD Ni(Thoria Dispersion Strengthened Nickel)
100℃에서 100MPa의 인장강도를 갖는 고온 내열 재료이며 Ni 기지 중에 ThO₂ 입자를 분산시킨 것으로 고온 안전성이 우수하여 터빈 블레이드 등에 사용됨.
혼합, 침전, 분쇄, 압분-소결, 압출 등의 공정을 거쳐 생산됨.
특수합금에 대한 포스트를 마치고 다음부터는 열처리에 관한 포스트를 할 예정입니다.
2022년 01월 22일
특수합금 2
제3장 초소성 합금 및 입자분산 강화합금
점토처럼 자유 자재로 변형하여 형 그대로 만드는 합금으로 복잡한 형상품 가공에 이용되고 있는 초소성 합금(Super Plasticity Alloy)과 산화물 같은 미립자를 분산시켜 강화한 금속 매트릭스 복합재료이며 특히 고온 강도면에서 주목을 받고 있는 입자분산 강화합금(Particle Dispersion Strengthened Metals) 등을 소개 합니다.
1. 초소성 합금
(1) 개요
미시적인 결정 구조, 온도 및 변형 속도가 있는 조건을 만족하면서 그 재료가 파단 될 때까지 끊어지지 않고 비정상적으로 수백 % 이상의 연신율을 나타내는 성질을 초소성이라 하고 이러한 성질을 나타내는 합금을 초소성 합금이라고 함.
초소성 현상은 크게 2 가지로 대별되는데 하나는 미세한 결정립 초소성은 결정 입자가 입계를 따라 미끄러지거나 회전하여 변형하는 것이고 또 다른 하나인 변태 초소성은 변태 중에 하중을 가하면 발생하는 것으로 변태를 진행시키기 위해 변태점을 오르내리는 열 사이클을 반복하여 온도가 변화하기 때문에 동적 초소성이라고 불리기도 함.
(2) 상용 초소성 합금의 특징
1) 초소성 아연합금
성형 온도가 가장 낮고 가격이 저렴하며 성형성이 좋아 복잡한 형상의 성형이 용이함.
크리프 강도가 낮아 구조 재료로는 부적당하며 관상으로 가공하는 것이 어려워 가공비가 비쌈.
강도가 중요하지 않고 2차 가공이 그다지 필요하지 않는 제품에 적용.
2) 초소성 알루미늄합금
크리프 강도가 우수하고 강도가 높음.
형상이 복잡하고 경량화가 필요한 제품에 적용.
박관인 경우에는 열성형 가공법에 의해 성형할 수 있음.
3) 초소성 니켈합금
분말야금법에 의해 가공비가 적고 균일한 조직을 갖는 제품을 성형할 수 있음.
터빈 디스크 제작에 사용됨.
4) 초소성 티타늄합금
Ti-6Al-4V 합금이 대표적이며 초소성 가공 시 50~150%의 연신율로 성형함.
초소성 합금을 이용한 성형 가공은 일반 티타늄합금에 비해 가공 온도가 다소 높지만 가공 시간을 짧게 할 수 있음.
(3) 초소성 합금의 산업적 이용
1) 성형 가공
(가) 변태 초소성 굽힘가공
고온 폴리머의 유동 변형과 같은 변형능을 이용하는 가공법.
(나) 다이리스 인발가공
미세 결정립 초소성은 및 변태 초소성에 이용함.
종류 : SS41, Ti
(다) 변태 초소성 열처리(순철)
급속 가열 열처리를 할 경우에는 변태 초소성으로 인한 열 사이클을 반복 시행 함.
가공 열처리를 할 경우에는 변태 초소성에서의 작용 하중이 증가함.
(라) 초소성 절단 및 절삭
초소성은 고체 상태에서 액상 변형이 일어나므로 일반 금속의 고체 상태의 것보다 훨씬 작은 하중으로 절단(파단)이 가능함.
초소성 상태에서의 절삭은 절삭력이 작고 표면 정도가 매우 높아 난삭재의 절삭가공에 많이 이용함.
2. 입자분산 강화합금
(1) 개요
합금의 강화법 중에서 고용체 강화, 가공경화, 시효경화, 상변태에 의한 강화 등에 기초를 둔 합금은 고온이 되면 응력 변형이 완화되어 연하게 되고 제2상 석출 입자가 고온 또는 응집 성장을 일으켜 강도가 현저하게 저하됨.
이에 비해 고온에서도 열적으로 안정적인 입자가 제2상 입자로서 미세하고 균일하게 분산 된 합금이 있다면 고온에서도 높은 합금 강도를 유지할 수 있음.
즉, 기지 금속 중에서 0.01μm~0.1μm의 미세한 입자를 균일하게 분포 시킨 것이 입자분산 강화합금이며 분산 된 미립자는 기지 중에서 화학적으로 안정하고 용융점이 높은 성질을 띰.
(2) 강화기구
미세하게 분포된 분산입자의 입자 간 간격이 어느 수준 이하가 되면 임계응력이 급격히 증가 됨.
또한 분산입자는 크리프 속도를 저하시킴과 동시에 응력지수를 증가시켜 크리프 특성이 우수함.
재료의 성질은 입자 크기, 형상, 양에 따라 변화하며 고온에서 기지층에 입자를 균일하게 분산시키는 것이 중요함.
(3) 제조법
1) 분말혼합법
금속 분말과 산화물, 질화물, 금속 간 화합물 등 고온에서 안정적인 분말을 기계적으로 혼합한 후 압출하는 가장 단순한 방법임.
사용하는 금속 분말과 분산 입자의 입도에 한계가 있으며 기지금속과 분산 입자 사이에 비중 차가 있으면 균일하게 혼합되기 어려움.
2) 고상변태법
과포화 고용체로부터의 분해, 석출 등을 이용하는 방법으로 금속 간 화합물에 의한 분산 강화는 일반적으로 분산 입자의 고온에서의 안정성이 낮으므로 고온 특성보다는 상온에서의 역학적 성질의 개선에 역점을 둠.
3) 반응법
기상 및 고상반응법, 기상 및 액상반응법, 액상 및 고상반응법, 액상 및 액상반응법이 있음.
화학반응 등으로 금속 분말의 표면에 생긴 산화 피막을 최종적으로 합금의 분산 입자로서 이용하는 방법이 대표적임.
(4) 실용 재료
1) SAP(Sintered Aluminium Power Product)
저온 내열 재료로서 Al 기지 중에 Al₂O₃의 미세 입자를 분산시킨 것임.
350~550℃에서도 Al에 비해 안정된 강도를 유지하기 때문에 디젤 엔진의 피스톤 밴드, 제트 엔진 부품 등에 사용됨.
2) TD Ni(Thoria Dispersion Strengthened Nickel)
100℃에서 100MPa의 인장강도를 갖는 고온 내열 재료이며 Ni 기지 중에 ThO₂ 입자를 분산시킨 것으로 고온 안전성이 우수하여 터빈 블레이드 등에 사용됨.
혼합, 침전, 분쇄, 압분-소결, 압출 등의 공정을 거쳐 생산됨.
특수합금에 대한 포스트를 마치고 다음부터는 열처리에 관한 포스트를 할 예정입니다.
2022년 01월 22일