[논문]분말야금법으로 제조한 새로운 Co10Fe10Mn35Ni35Zn10 고엔트로피 합금

임다미; 박형근; 이병주; 김형섭

doi:10.4150/kpmi.2018.25.3.208

분말야금법으로 제조한 새로운 Co10Fe10Mn35Ni35Zn10 고엔트로피 합금
New Co10Fe10Mn35Ni35Zn10 high-entropy alloy Fabricated by Powder Metallurgy 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.25 no.3, 2018년, pp.208 - 212

임다미 (포항공과대학교 신소재공학과) , 박형근 (포항공과대학교 신소재공학과) , (포항공과대학교 신소재공학과) , 이병주 (포항공과대학교 신소재공학과) , 김형섭 (포항공과대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a new $Co_{10}Fe_{10}Mn_{35}Ni_{35}Zn_{10}$ high entropy alloy (HEA) is identified as a strong candidate for the single face-centered cubic (FCC) structure screened using the upgraded TCFE2000 thermodynamic CALPHAD database. The $Co_{10}Fe_{10}Mn_{35}Ni_{35}Zn_{10}$ HEA is fabricated using the mechanical (MA) procedure and pressure-less sintering method. The $Co_{10}Fe_{10}Mn_{35}Ni_{35}Zn_{10}$ HEA, which consists of elements with a large difference in melting point and atomic size, is successfully fabricated using powder metallurgy techniques. The MA behavior, microstructure, and mechanical properties of the $Co_{10}Fe_{10}Mn_{35}Ni_{35}Zn_{10}$ HEA are systematically studied to understand the MA behavior and develop advanced techniques for fabricating HEA products. After MA, a single FCC phase is found. After sintering at $900^{\circ}C$, the microstructure has an FCC single phase with an average grain size of $18{\mu}m$. Finally, the $Co_{10}Fe_{10}Mn_{35}Ni_{35}Zn_{10}$ HEA has a compressive yield strength of 302 MPa.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 고엔트로피 합금은 기존 합금계보다 비교적 높은 원소 가격으로 인해 실제 산업에 적용 되기 위해서 가격 경쟁력을 갖추어야 한다. 따라서, 본 연구에서는 가장 많이 연구되고 있는 CoCrFeMnNi 고엔트로피 합금에서 Cr을 가격이 저렴한 Zn를 대체하여 고엔트로피 합금을 설계 및 제조하고자 한다. Co, Fe, Mn, Ni, Zn의 녹는점은 각 1768 K, 1811 K, 1519 K, 1728 K, 693 K이다.
본 연구에서는 각 원소의 녹는점 차이가 커 주조법을 통해 제조하기 힘든 새로운 Co₁₀Fe₁₀Mn₃₅Ni₃₅Zn₁₀ 고엔트로피 합금을 제조하기 위해서 분말야금법을 통해 제조한 뒤, 상확인 및 기계적 특성을 평가하였다. 열역학 계산을 통해 예측된 바와 같이 새롭게 개발된 Co₁₀Fe₁₀Mn₃₅Ni₃₅Zn₁₀ 고엔트로피 합금은 기계적 합금화 된 분말뿐만 아니라 900
제안 방법
- XRD 분석은 CuKα 타겟(파장: 0.1542 nm)을 이용하여 상분석을 실시하였다.
- 위의 조성으로 구성된 고엔트로피 합금을 제조하기 위해서 최소 1768 K 이상의 온도에서 용융을 시행해야 하는데, Zn의 끓는점(1180 K)에 도달하게 되어 Zn의 기화가 발생하게 된다. 녹는점 차이로 인해 아크 용해 및 유도 용융과 같은 용융 기술 공정으로 제조하기 어렵기 때문에 Co₁₀Fe₁₀Mn₃₅Ni₃₅Zn₁₀ 고엔트로피 합금을 기계적 합금화(Mechanical alloying, MA)와 소결(pressure-less sintering)을 통해 제조하였다.
- 분말의 성분분석은 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy)를 통해 확인하였다. 분말 및 소결 시편의 상분석은 X-선 회절기(X-ray Diffractometer, XRD)를 사용하여 조사되었다. XRD 분석은 CuKα 타겟(파장: 0.
- 각 분말의 형상은 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)에 의해 관찰되었다. 분말의 성분분석은 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy)를 통해 확인하였다. 분말 및 소결 시편의 상분석은 X-선 회절기(X-ray Diffractometer, XRD)를 사용하여 조사되었다.
- 소결된 시편의 기계적 특성은 변형 속도 1.0 × 10-3 s-1의 조건 하에서 압축시험을 통해 실행하였다.
- 기계적합금화는 습식 볼 밀링 공정을 적용하였으며, 톨루엔을 사용하였다. 스테인레스 강 볼과 분말의 비율은 10:1로 배합하여, 스테인레스 강 밀링 용기에 장입하였으며, 300 rpm으로 아르곤 분위기 에서 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35 시간 동안 기계적 합금화를 진행하였다. 이어서, 30시간 밀링 된 분말을 500 MPa의 압력으로 디스크형태의 압축성형을 실시하여 직경 10 mm의 성형체를 준비하였다.
대상 데이터
- Co10Fe10Mn35Ni35Zn10 고엔트로피 합금의 제조를 위해, Co분말, Mn 분말, Ni 분말(< 50 μm, 99.9%, Sigma-Aldrich), Fe분 말, Zn 분말(< 50 μm, 99.5%, Sigma-Aldrich)을 사용하였다.
- 새로운 Co₁₀Fe₁₀Mn₃₅Ni₃₅Zn₁₀ 고엔트로피 합금은 실험 변수와 업그레이드 된 TCFE2000 열역학 데이터 베이스를 사용하여 FCC 단상 후보로 확인하였다[13]. 그림 1은 200~1200°C의 온도 범위에서 평형 상태의 계산된 몰 분율을 보여주는 상태도이다.
이론/모형
- 0 × 10^-3 s^-1의 조건 하에서 압축시험을 통해 실행하였다. 시편의 크기는 직경 4 mm, 길이 6 mm의 원통형 압축 샘플을 준비하고, 상부 및 하부 표면을 연마한 후 실시하였으며, 정확한 변형률을 측정하기 위해서 디지털 이미지 상관기법(digital image correlation, DIC)을 사용하여 측정하였다.

성능/효과

그림 1은 200~1200°C의 온도 범위에서 평형 상태의 계산된 몰 분율을 보여주는 상태도이다. Co₁₀Fe₁₀Mn₃₅Ni₃₅Zn₁₀ 고엔트로피 합금은 290~1120℃의 온도 범위에서 매우 넓은 FCC 단상 영역(빨간색 영역)을 갖는 것을 확인하였다. Co₁₀Fe₁₀Mn₃₅Ni₃₅Zn₁₀ 고엔트로피 합금의 제조를 위해, Co분말, Mn 분말, Ni 분말(< 50 μm, 99.
4° 이동하였으며, 각 원소 피크가 넓어진 것으로 보아, 각 원소의 고용화가 진행되고 있음을 의미한다. 그러나 밀링 시간이 20 시간으로 증가함에 따라, 각 원소의 잔여 피크는 완전히 사라져 FCC 고용체에 이들 원소가 완전히 용해되었음을 알 수 있었다. 실제로, 구성 원소의 합금 순서는 구성 원소의 융점과 관련이 있다[15].
실제로 가장 낮은 융점을 가지는 Zn는 5시간 이후에 피크가 사라졌으며, 이는 Zn가 가장 빨리 고용되었음을 알 수 있으며, 높은 융점을 가지는 Co는 15시간 이후에 피크가 사라지는 것을 알 수 있다. 또한, 밀링 시간이 증가할수록 피크 폭이 증가하였으며, Scherrer 식을 이용하여 주 피크의 반가폭으로부터 계산한 5~35 시간 밀링한 분말의 결정입자 크기는 각 80, 50, 35, 35, 30, 20, 20, 20 nm를 나타내었다. BCC 구조인 Fe, Mn과 HCP 구조인 Co, Zn가 FCC 구조에 혼합되어 FCC 단상을 이루는 이유는 고엔트로피 합금에서 FCC 단상을 구성하는데 매우 큰 영향을 미치는 Ni의 함유량이 35 원자%이기 때문이다[15].
그림 4는 XRD를 통해 분석한 900 °C에서 소결된 시편의 상 분석 결과이다. 소결된 시편은 FCC 단상의 결정구조를 가지고 있으며, 열역학 계산을 통해 나온 상태도의 결과와 일치하는 것을 확인하였다(그림 1). 고엔트로피 합금에서 안정한 단상 고용체 형성에 미치는 변수에 관한 문헌이 많이 보고되었다[16].
85이다. 즉, Co₁₀Fe₁₀Mn₃₅Ni₃₅Zn₁₀ 고엔트로피 합금은 고용체를 만족함과 동시에 FCC 결정구조를 가지는 것으로 예측될 수 있으며, 이는 그림 4의 XRD 결과와 일치하는 결과이다.

후속연구

소결된 시편의 기계적 물성은 302 MPa의 압축 항복 강도와 50%의 연신율을 나타내었다. 압력을 함께 가하면서 진행하는 소결법을 적용하면 더 높은 물성을 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
2%의 낮은 상대 밀도에서 비롯된 것이다. 향후, 방전 플라즈마 소결이나 열간 정수압 소결법과 같이 높은 진밀도를 얻을 수 있는 소결법을 적용하면, Co₁₀Fe₁₀Mn₃₅Ni₃₅Zn₁₀ 고엔트로피 합금의 작은 결정립 뿐만 아니라 높은 강도를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고엔트로피 합금의 구조적 특징은?	고엔트로피 합금(High-entropy alloy)은 철, 알루미늄, 마그네슘과 같은 주요 원소와 다양한 소량의 합금 원소로 구성되어 있는 일반적인 합금계와는 달리, 비슷한 몰분율(5~35 at%)의 다수의 주요 요소로 구성되어 있기 때문에 높은 구성 엔트로피로 인해 금속간 화합물이 형성되지 않고, 면심입방구조(Face-centered cubic, FCC) 혹은 체심입방구조(Body-centered cubic, BCC) 계열의 단상을 형성하는 것을 특징으로 한다[1-3]. 이러한 고엔트로피 합금은 우수한 내마모성, 높은 강도와 연성, 고온에서의 열안정성, 극저온에서의 탁월한 파괴인성 등의 뛰어난 성질로 인해 유망한 다기능 재료 및 차세대 구조 재료로 각광 받고 있다[4-6].
	용융 기술 공정을 사용할 때의 단점은?	대다수의 문헌에서, 고엔트로피 합금은 아크 용해 및 유도 용융과 같은 용융 기술 공정을 사용하여 제조된다[7-9]. 그러나, 이러한 공정은 잉곳의 고온 용융 및 균질한 분포를 얻기 위한 용융 공정의 반복 공정이 필요하기 때문에 공정상의 제한이 있다. 또한, 녹는점 차이가 큰 원소들은 용해 공정을 통해서 합금을 제조하기는 상대적으로 어렵다. 반면에, 분말야금법은 상대적으로 낮은 가공 온도를 필요로 하며, 보다 균일하고 결정 크기가 작은 합금을 생산할 수 있다.
	분말야금법의 장점은?	또한, 녹는점 차이가 큰 원소들은 용해 공정을 통해서 합금을 제조하기는 상대적으로 어렵다. 반면에, 분말야금법은 상대적으로 낮은 가공 온도를 필요로 하며, 보다 균일하고 결정 크기가 작은 합금을 생산할 수 있다. 뿐만 아니라, 각 원소의 녹는점 차이가 큰 경우에도 합금을 제조할 수 있는 장점을 지니고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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