[논문]W35Fe43C22 비정질 합금분말의 결정화 거동

권영준; 유정선; 박수근; 이근효; 조기섭

doi:10.12656/jksht.2018.31.4.165

W35Fe43C22 비정질 합금분말의 결정화 거동
Crystallization behavior of W35Fe43C22 amorphous alloy powders 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.31 no.4, 2018년, pp.165 - 170

권영준 (국민대학교 신소재공학부) , 유정선 (국민대학교 신소재공학부) , 박수근 (한국생산기술연구원) , 이근효 (한국생산기술연구원) , 조기섭 (국민대학교 신소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

W, Fe, and carbon powders were mechanical alloyed to produce $W_{35}Fe_{43}C_{22}$ ternary alloy powders containing nanocrystal W embedded within amorphous matrix. When the powder samples were heated to the primary crystallization temperature of $735^{\circ}C$, most parts of their amorphous region were fully crystallized to [W,Fe]-rich $M_6C$ carbides. Interestingly, a little portion of the carbides changes to stoichiometric line compounds ($M_{12}C$ and $W_6Fe_7$) and a solution phase (Fe-rich bcc), and remaining parts of the crystallites were amorphized again. The resulting microstructure was retained even by cyclic heating between room temperature of $1,200^{\circ}C$, and thus we found that the amorphous structure can be irreversibly formed at above glass transition temperature.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

6. TEM images showing (a) crystallization behavior of alloy powders heated to 735^oC. (b) and (c) determines the amorphization of (a) heated to 1,200^oC and its irreversibility, respectively.

제안 방법

MA에 의해 합성된 합금분말의 상동정을 포함한 결정화거동은 XRD(D/MAX-2500V XRD)를 활용하여 분석하였다. 이 때 20-120^o 2θ 범위에 대한 회절 패턴 결과를 기초로 식 (1)을 이용하여 분말내 비정질 및 결정상의 분율을 정량적으로 평가하였다[11] :
W, Fe, 스테아르산으로 구성된 혼합 분말을 60시간동안 볼밀링을 실시하여 비정질 기지내 W 나노결정이 균일하게 분산된 비정질 복합 합금분말의 제조에 성공하였다. 또한 제조된 W-Fe-C 3원계 합금분말을 1,200^oC까지 승온시켜 온도에 따른 비정질상의 결정화 거동을 포함한 비가역적 비정질화 거동을 분석하였다. 본 연구결과에 따르면, 초기 합금분말 내 잔류하는 비정질기지는 735^oC에서 대부분 M-₆C로 결정화되나, 1,200^oC까지 온도를 증가시킬 경우 고온 안정상으로의 뚜렷한 상변화 없이 배부분 비정질화되는 것으로 분석되었다.
이후 비정질 영역을 background 처리 후 평가된 결정질의 상대적인 양을( fcry)을 고려하여 결정질의 상분율((1 − A) × fcry)을 계산하였다.
한편, TEM(JEOL 1210 & 2100F) 분석을 위한 시험편은 as-milled 조건의 합금 분말을 10~20 μm 두께로 기계적 연마 후 Gatan PIPs를 활용하여 이온밀링하여 제작하였으며, 이 후 bright-field(BF) TEM 및 dark field(DF) STEM 분석을 통해 온도 변화에 따른 결정화 거동 및 비가역적 비정질화 반응을 분석하였다.
4 g)을 혼합한 분말을 기계적합금화(mechanical alloying, MA) 후 화학조성을 평가하여 나타낸 것이다. 합금 분말의 제조는 SPEX-8000M high-energy ball miller를 활용하였으며, 이때 강구(SUJ2)와 혼합 분말의 무게 중량비(ball to powder ratio)는 5:1로 고정하여 실험을 진행하였다. 모든 MA는 산화물의 형성과 같은 외부 오염을 최소화하기 위해 Ar 분위기의 글로브박스에서 실시하였으며, 이때 분말 입자의 fracturing 및 cold welding rate를 제어할 뿐만 아니라 마찰/마모에 의한 Fe오염 감소 및 분말내 탄소를 공급하기 위한 방안으로 process control agent(PCA)인 스테아르산(C₁₇H₃₅CO₂H)을 4 wt.
합성된 합금분말은 시차주사열량계/열중량분석기(DSC/TGA, Mettler Toledo TGA/DSC 1)를 활용하여 580, 735, 950, 1,200^oC까지 일정한 승온속도(10 K/min)로 가열하였으며, 이 후 상온까지 급속냉각하여 고온에서 형성된 미세구조를 분석하였다.

성능/효과

3의 무게감소 시작 온도는 본 합금계의 유리천이 온도로 근사하여 설명할 수 있다. 결과적으로 약 650~Tx^oC의 과냉각액상영역에서의 상분리 현상(C-rich 클러스터 형성)은 유리천이 이후 분말 표면에서의 산화반응을 위한 탄소의 확산을 제한하는 요인이 될 수 있으며, 그 결과 해당 온도영역에서 분말의 무게감소가 억제되는 것으로 판단된다. 한편, 1차 결정화 온도 이상으로 온도를 증가할 경우, 상분리된 C-rich 영역으로부터 WC(본 합금계에서 가장 높은 핵생성 구동력을 가지는 결정상)가 형성되어야 할 것이나 W 및 Fe의 제한된 상호확산으로 WC의 형성은 억제된 것으로 판단되며, 이의 대안으로 초기 합금분말의 기지조직과 유사한 성분을 가지는 M₆C로 결정화된 것으로 생각된다.
또한 제조된 W-Fe-C 3원계 합금분말을 1,200^oC까지 승온시켜 온도에 따른 비정질상의 결정화 거동을 포함한 비가역적 비정질화 거동을 분석하였다. 본 연구결과에 따르면, 초기 합금분말 내 잔류하는 비정질기지는 735^oC에서 대부분 M-₆C로 결정화되나, 1,200^oC까지 온도를 증가시킬 경우 고온 안정상으로의 뚜렷한 상변화 없이 배부분 비정질화되는 것으로 분석되었다. 특히 고온에서 얻어진 이러한 미세조직은 반복적인 열처리에도 추가적인 결정화 및 상변화 없이 동일한 미세구조를 안정적으로 유지할 수 있는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 기계적합금화 공정 및 PCA(processing control agent)를 활용해 W-Fe-C 3원계 비정질 합금 분말을 성공적으로 합성하였으며, 이 후 고온에서 화학량론적 탄화물의 석출을 유도함으로서 유리천이온도 이상에서 비정질상을 안정적으로 유지할 수 있음을 확인하였다.
3은 W-Fe-C 합금분말(milled for 60 h)에 대한 DSC/TGA 결과를 나타낸 것이다. 비록 DSC 결과에서 뚜렷한 유리천이현상은 관찰되지 않았으나 635~700^oC의 과냉각액상영역과 함께 약 735^oC에서 1차 결정화(primary crystallization) 피크를 확인할 수 있다. 동일한 승온조건에서 평가된 TGA분석 결과를 보면, 약 580^oC 이후 분말시험편의 무게가 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 이것은 분말시험편의 가열시 시험편 표면에서 발생하는 산화반응(O₂(g)+2C(s)→2CO(g))에 의한 것으로 설명할 수 있다[12].
본 연구결과에 따르면, 초기 합금분말 내 잔류하는 비정질기지는 735^oC에서 대부분 M-₆C로 결정화되나, 1,200^oC까지 온도를 증가시킬 경우 고온 안정상으로의 뚜렷한 상변화 없이 배부분 비정질화되는 것으로 분석되었다. 특히 고온에서 얻어진 이러한 미세조직은 반복적인 열처리에도 추가적인 결정화 및 상변화 없이 동일한 미세구조를 안정적으로 유지할 수 있는 것으로 나타났다.

후속연구

이러한 결과는 M6C 내 탄소를 수용할 수 있는 결정상의 부재로 설명될 수 있는 것으로, “chemical frustration effect” 뿐만 아니라 화학량론적 화합물 형성을 위한 치환형 합금원소의 제한된 재분배 효과로 이해할 수 있으나, 약 1,200oC의 온도는 이러한 합금원소가 확산하기에 충분히 높은 온도이기 때문에 전술한 효과보다는 lamellar 타입의 M12C 및 W6Fe7 line compound의 형성으로 확산 경로가 차단되는, 즉 diffusion barrier의 효과로 설명되어야 할 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	W 중합금의 특성은?	W 중합금은 고강도, 고중량 특성으로 중장갑으로 무장된 전차를 파괴시키는 대전차탄뿐만 아니라 고에너지 관통자소재로 활용될 수 있는 대표적인 소재로 알려져 있다[1]. 그러나 고속 충돌시 충돌선단부 위에서의 급격한 단열변형에 의한 머쉬루밍(mushrooming) 현상으로 성능확보에는 일정한 한계가 있는 것으로 보고되고 있다[2-4].
	열화우라늄탄의 사용이 엄격히 제한되고 있는 이유는?	반면에 열화우라늄(depleted uranium, DU)은 결정질 텅스텐과는 달리 충돌선단부위에서의 “self-sharpening”에 의한 국부 변형을 유도할 수 있어 W 중합금과 비교해 관통성능을 보다 향상시킬 수 있다[5, 6]. 그럼에도 불구하고 열화우라늄탄은 충돌 시 고온 마찰로 인한 분진 및 파편 발생 등 인체에 유해한 저 방사선을 방출하기 때문에 그 사용이 엄격히 제한되고 있는 실정이다.
	텅스텐이 기계적합금화를 통한 비정질화 후 소결하였을때 발생하는 문제점은?	그러나 텅스텐은 저밀도/저융점 및 높은 유리형성능을 가지는 일부 금속과는 달리 급속 응고에 의한 비정질화[9]가 어렵기 때문에 기계적합금화를 통한 비정질화 후 이를 소결하는 방법이 유일한 대안이라 할 수 있다. 그러나 이 또한 W의 높은 경도로 W함유 비정질 합금분말의 합성이 어려운 것으로 보고되고 있으며[10], 합성된 비정질 합금분말을 유리천이 온도이상에서 열처리 또는 소결 시 초기 비정질구조를 안정적으로 유지하기 어렵다는 문제가 있다.

참고문헌 (12)

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