[논문]비고용 V-Cu계 MA합금의 중성자 및 X선 회절에 의한 상분석

이충효; 조재문; 이상진; 김지순

doi:10.3740/mrsk.2004.14.5.348

비고용 V-Cu계 MA합금의 중성자 및 X선 회절에 의한 상분석
Phase Analysis of Immiscible V-Cu MA Powders by Neutron and X-ray Diffraction 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.14 no.5, 2004년, pp.348 - 352

이충효 (목포대학교 신소재공학과) , 조재문 (목포대학교 신소재공학과) , 이상진 (목포대학교 신소재공학과) , 김지순 (울산대학교 지역협력연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

The mechanical alloying (MA) effect in immiscible V-Cu system with positive heat of mixing was studied by not only the neutron and X-ray diffraction but also the analysis of DSC spectra. The total energy, ΔHt accumulated during MA for the mixture of $V_{50}$ $Cu_{50}$ / powders increased with milling time and approached the saturation value of 14 kJ/mol after 120 h of milling. It can be seen that the free energy difference between the amorphous phase and the pure V and Cu powders with an atomic ratio 5:5 is estimated to be 11 kJ/mol by Miedema et al. This is thermodynamically taken as one of the evidences for the amorphization. The structural changes of V-Cu MA powders were characterized by the X-ray diffraction and neutron diffraction. We take a full advantage of a negligibly small scattering length of the V atom in the neutron diffraction measurement. The neutron diffraction data definitely indicate that the amorphization proceeds gradually but incompletely even after 120 h of MA and bcc-Cu Bragg peaks appears after 60 h of MA.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서 실시한 비고용 V-Cu계의 MA 효과를 중성자와 X선 회절 및 열분석을 통하여 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 V-Cu계 혼합분말에 대한 볼밀처리를 실시하여 볼밀시간에 따른 기계적 합금화 효과를 조사하였다. 제조된 분말시료에 대하여 중성자 및 X선 회절실험을 행하여 bcc-fcc 결정의 상변화 과정을 단계별로 관찰하고 그 결과를 비교분석함으로써 비고용 합금계의 MA 특징을 밝히고자 하였다.
한편 MA를 120 시간까지 행하면 2θ=43° 위치에 매우 넓은 선폭을 가진 회절선만이 얻어짐을 알 수 있다. 이것은 MA에 의하여 과포화 고용체나 비정질상과 같은 비평형상의 생성 가능성을 나타내는 것이며 본 연구에서는 아래에서 기술한 바와 같이 열분석 및 중성자회절 결과를 통하여 생성상을 자세히 고찰하였다.
제조된 분말시료에 대하여 중성자 및 X선 회절실험을 행하여 bcc-fcc 결정의 상변화 과정을 단계별로 관찰하고 그 결과를 비교분석함으로써 비고용 합금계의 MA 특징을 밝히고자 하였다. 한편 V-Cu합금계의 중성자회절에 의한 상분석의 경우 X선 회절과 달리 V원자의 중성자에 대한 간섭성 핵산란인자가 Cu의 그것에 비하여 매우 작기 때문에 V원자의 분포는 거의 관찰되지 않으며 fcc-Cu 결정만의 구조변화를 선택적으로 관찰할 수 있다는 특징이 있다⑹

제안 방법

9 %, 평균입경 150㎛)분말을 출발원료로 V₅₀CU₅₀ 조성의 혼합분말에 대한 MA를 실시하였다. 기계적 합금화 처리는 고에너지 유성형 볼밀장치(독일제, Fritsch P-5)로 Ar 분위기에서 행하였다. 볼밀용기는 내부의 가스치환, 가압 등이 가능하도록 설계 제작하였으며 내부용적은 80cc이었다.
분말시료의 밀도측정은 톨루엔을 이용하여 아르키메데스법으로 행하였다 . 또한 중성자회절 실험은 한국원자력연구소의 하나로(HANARO)에 설치된 중성자분말회절장치로 행하였으며, 원통형 V제(Φ8mm×40mm) 시료홀더를 사용하여 실온에서 측정하였다.
볼밀용기는 내부의 가스치환, 가압 등이 가능하도록 설계 제작하였으며 내부용적은 80cc이었다. 본 연구에서는 Cu-Be(1.4-2.0wt%Be)제 볼 및 볼 밀용 기를 사용하여 불순물 혼입을 최소화하였다. 또한 유성형 볼밀을 고속회전 및 연속 운전하면 용기의 온도가 상승하기 때문에 30분 운전 후 6분 정지를 반복하는 공정으로 온도상승을 최대한 억제하였다.
제조된 분말시료에 대하여 불활성 가스로 치환된 용기내에서 처리된 후 X선 회절기(Cu-Ka), 열분석기(DSC, 승온속도 20℃/min.), 주사전자현미경 (SEM) 및 중성자 회절기 등을 통하여 기계적 합금화에 따른 구조변화 및 분말의 형상을 조사하여 V-Cu계 MA분말의 고상 반응과정을 고찰하였다. 분말시료의 밀도측정은 톨루엔을 이용하여 아르키메데스법으로 행하였다 .

대상 데이터

본 실험에서는 V(99.5%, 평균입경 50과 Cu(99.9 %, 평균입경 150㎛)분말을 출발원료로 V₅₀CU₅₀ 조성의 혼합분말에 대한 MA를 실시하였다. 기계적 합금화 처리는 고에너지 유성형 볼밀장치(독일제, Fritsch P-5)로 Ar 분위기에서 행하였다.

이론/모형

), 주사전자현미경 (SEM) 및 중성자 회절기 등을 통하여 기계적 합금화에 따른 구조변화 및 분말의 형상을 조사하여 V-Cu계 MA분말의 고상 반응과정을 고찰하였다. 분말시료의 밀도측정은 톨루엔을 이용하여 아르키메데스법으로 행하였다 . 또한 중성자회절 실험은 한국원자력연구소의 하나로(HANARO)에 설치된 중성자분말회절장치로 행하였으며, 원통형 V제(Φ8mm×40mm) 시료홀더를 사용하여 실온에서 측정하였다.
여기서 120시간 MA를 행한 V₅₀Cu₅₀ 합금분말에 대한 생성상의 상분석을 보다 명확히 하기 위하여 중성자 회절법을 적용하였다. Fig.

성능/효과

1. 비고용 V₅₀Cu₅₀ 조성의 혼합분말을 120시간까지 MA처리를 행하면 비정질상과 bcc-(Cu,V) 고용체의 혼합상이 생성됨을 알 수 있었다.
2. MA처리한 V₅₀CU₅₀ 시료의 열분석에 의한 열역학적 고찰 및 수밀도 측정으로부터 이 합금계에서 비정질화가 진행되는 것으로 판단하였다.
3. V₅₀Cu₅₀ 혼합분말에 대한 중성자 회절에서는 V 및 Cu원자의 중성자에 대한 산란능 차이를 이용하여 fcc-Cu 원자만의 구조변화를 선택적으로 관찰할 수 있었으며, MA 60 및 120시간 시료에서 bcc-Cu 결정이 뚜렷하게 생성됨을 알 수 있었다.
즉 V-rich 한 조성영역에서는 Cu의 bcc-V고용체가 생성됨과 동시에 Cu-rich 한 조성영역에서는 비정질화가 진행하고 있는 것으로 판단된다. 따라서 비고용 V₅₀Cu₅₀ 조성의 혼합분말은 MA에 의하여 비정질상과 bcc 고용체의 혼합상이 생성된 것으로 결론을 내릴 수 있다. 이것은 일반적으로 고용 합금계에 있어서 MA에 의하여 매우 균일한 합금상이 생성되는 것과는 매우 대조적인 결과라고 할 수 있다.
것이다. 실제로 본 연구와 함께 실시한 V₇₀Cu₃₀ 및 V₉₀Cu₁₀ 조성의 혼합분말에 대한 MA 처리에서 단상의 bcc 고용체가 얻어져, 적어도 V에 Cu의 고용도가 30at% 까지 비평형적으로 넓어짐을 확인할 수 있었다. 앞에서 기술한 바와 같이 MA 처리한 V₅₀Cu₅₀ 시료는 열역학적으로 충분히 비정질상이 생성될 수 있으며, X선 및 중성자 회절패턴이 매우 넓어지고 MA를 실시함에 따라 fcc-Cu 결정의 소멸과 함께 밀도가 점점 감소하는 결과로부터 비정질화가 진행되는 것으로 판단된다.
4의 1st run과 2nd run 에 의해 둘러싸인 면적은 MA에 의해 계에 축적된 총에너지, ΔH_t에 해당하는 것으로 간주할 수 있다^6,13). 이 값은 MA 30 및 60시간에 각각 11 및 13.6kJ/mol로 증가하여, MA 120시간 시료에서 14kJ/mol에 포화됨을 알 수 있었다.
이상의 결과를 종합하여 보면 ΔH_mix>0인 V₅₀Cu₅₀ 조성에 있어서 MA 처리에 의하여 원자 단위의 혼합은 이루어지나 그 혼합 상태는 화학적으로 균일하지 않은 것으로 화학적 조성 fluctuation (chemical composition fluc-tuation)이 존재하는 것으로 생각된다. 즉 V-rich 한 조성영역에서는 Cu의 bcc-V고용체가 생성됨과 동시에 Cu-rich 한 조성영역에서는 비정질화가 진행하고 있는 것으로 판단된다.

후속연구

따라서 합금화를 위해서는 MA에 의하여 V-Cu계 혼합분말의 자유에너지가 합금상의 그것보다 높은 상태로 여기되어 반응이 진행되어야 한다. 이것은 MA에 의하여 평형상으로서는 합금화가 불가능한 원소간의 혼합을 의미하며, 그 과정에서의 구조 및 상변화를 조사하는 것은 신소재의 개발을 위한 중요한 기초 데이터로서 활용될 수 있을 것이다.

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