KR20110059720A - 계층적 복합 재료 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 규정된 기하학적 형상에 따라 티타늄 카바이드에 의해 보강된 철계 합금을 포함하는 계층적 복합 재료에 관한 것이며, 상기 보강된 부분은 실질적으로는 구형 마이크로미터 크기의 티타늄 카바이드 입자가 없는 밀리미터 크기의 영역에 의해 분리된 구형 마이크로미터 크기의 티타늄 카바이드 입자의 농도를 갖는 밀리미터 크기 영역의 번갈아 있는 매크로-미세구조를 포함하고, 상기 영역은 상기 구형 입자 사이에 마이크로미터 크기의 간극이 상기 철계 합금에 의해 또한 채워지는 미세 구조를 규정하는 구형 마이크로미터 크기의 티타늄 카바이드 입자의 농도를 갖는다.
Description
본 발명은 조합된 마모/충격 응력에 대한 개선된 내성을 갖는 계층적 (hierarchical) 복합 재료에 관한 것이다. 복합재는, 티타늄 카바이드의 특별한 구조에 의해 보강된, 주철 또는 강의 금속 매트릭스를 포함한다.
계층적 복합재는 재료 과학에서 잘 알려진 군 (family) 이다. 주물 (foundry) 에서 만들어지는 복합재 마모 부분에 대하여, 마모와 충격의 측면에서 현저하고 동시적인 응력을 견디기 위해 보강재 요소가 충분한 두께로 존재해야 한다.
티타늄 카바이드에 의해 보강된 복합재 마모 부분이 본 기술분야의 당업자에게 잘 알려져 있으며, 다른 접근 방식을 통한 이들의 제조가 재료과학의 저널 37 (2002) (pp. 3881 ~ 3892) 에 발표된 요약 논문 ≪ A review on the various synthesis routes of TiC reinforced ferrous based composites ≫ 에 기재되어 있다.
원위치에서 생성되는 티타늄 카바이드에 의해 보강된 복합재 마모 부분이 이 논문의 포인트 2.4 에서 언급된 가능성 중 하나이다. 그럼에도 불구하고, 이 경우의 마모 부분은 고온 자전 (self-propagation) 합성 (SHS) 의 범위 내에서 오로지 분말을 이용함으로써 제조되고, 여기서 또한 분말로서 도입되는 철계 (ferrous) 합금에 기초한 매트릭스 내에 티타늄 카바이드를 형성하기 위해 티타늄은 탄소와 발열 방식으로 반응한다. 이러한 타입의 합성은, 철계 합금의 매트릭스 내에 균질하게 분산된 마이크로미터 크기의 구형 (micrometric globular) 티타늄 카바이드를 얻는 것을 가능하게 한다 (도 12A (c)). 상기 논문은 또한 그러한 합성 반응의 제어에 있어서의 어려움을 매우 잘 묘사하고 있다.
문헌 EP 1 450 973 (Poncin) 은, 주조 금속을 수용하기 위한 주형 (mold) 내에, 고온 주조 (> 1,400 ℃) 동안 금속에 의해 제공되는 열 때문에 서로 반응하는 분말의 혼합물로 이루어진 인서트를 놓음으로써 만들어지는 마모 부분 보강재를 기재하고 있다. 분말들 사이의 반응은 주조 금속의 열에 의해 개시된다. 반응성 인서트의 분말은, SHS 타입의 반응 후에, 원위치에서 형성되는 단단한 세라믹 입자의 다공성 클러스터 (역암) 를 생성하고, 이 다공성 클러스터가 일단 형성되어 여전히 매우 높은 온도에 있다면, 주조 금속이 다공성 클러스터에 즉시 침투하게 된다. 분말들 사이의 반응은 발열성이고 자전성이며, 이는 고온에서 주형 내의 카바이드 합성을 가능하게 하고, 침투 금속에 대한 다공성 클러스터의 젖음성의 현저한 증가를 가능하게 한다. 이 기술은 분말 야금보다는 훨씬 더 경제적이지만 아직 꽤 비용이 많이 든다.
문헌 WO 02/053316 (Lintunen) 은, 특히 티타늄 카바이드에 의해 형성되는 골격의 구멍의 채움 (filling) 을 가능하게 하는, 바인더의 존재 하에서 티타늄과 탄소 사이의 SHS 반응에 의해 얻어지는 복합재 부분을 기재하고 있다. 부분은 주형에서 압축된 분말로 이루어진다. SHS 반응 이후 얻어지는 고온의 매스 (hot mass) 는 가소성이 남아 있고, 최종 형태로 압축된다. 하지만 반응의 점화는 어느 외부 주조 금속의 열에 의해 달성되지 않고 더욱이 외부 주조 금속에 의한 어떠한 침투 현상도 존재하지 않는다. 문헌 EP 0 852 978 A1 및 문헌 US 5,256,368 은, 보강된 부분을 얻기 위한 압력 또는 가압 반응의 이용에 대한 유사한 기술을 기재하고 있다.
문헌 GB 2,257,985 (Davies) 는, 분말 야금에 의한 티타늄 카바이드 보강 합금의 제조 방법을 기재하고 있다. 이 티타늄 카바이드 보강된 합금은 다공성 금속 매트릭스 내에 분산된 크기 10 ㎛ 미만의 미소 (microscopic) 구형 입자를 갖는다. 반응 조건은 제조되는 부분에서 SHS 반응 전방부 (reaction front) 를 전파시키도록 선택된다. 반응은 버너로 점화되고, 외부 주조 금속에 의한 침투는 없다.
문헌 US 6,099,664 (Davies) 는, 티타늄 보라이드 및 가능한 티타늄 카바이드를 포함하는 복합재 부분을 기재하고 있다. 공융 (eutectic) 페로티탄을 포함하는 분말의 혼합물은 붕소와 티타늄의 발열 반응을 형성하도록 버너로 가열된다. 여기서, 반응 전방부는 부분을 통해 전파된다.
문헌 US 6,451,249 B1 은, 가능하게는 카바이드가 바인더로서 금속 매트릭스에 의해 함께 결합되어 있는 세라믹 골격을 포함하는 보강 복합재 부분을 기재하고 있고, 이 부분은 세라믹 과립을 응집시키는데 요구되는 용해 열 (melting heat) 을 생성하기 위해 SHS 반응에 따라 반응할 수 있는 테르밋 (thermite) 을 포함한다.
또한, 문헌 WO 93/03192 및 US 4,909,842 는, 금속 매트릭스 내에 세밀하게 분산된 티타늄 카바이드 입자를 포함하는 합금의 제조 방법을 기재하고 있다. 이는 다시 분말 야금 기법이며 주조 공장에서의 주조에 의한 침투 기법이 아니다.
문헌 US 2005/045252 는 스트립으로 구성되는 단단한 및 연성 금속 상태의 주기적인 그리고 3 차원 계층적 구조를 갖는 계층적 복합재를 기재하고 있다.
예컨대 용융로에서, 액체 금속 안에 단단한 입자를 첨가하거나, 또는 인서트에 의한 보강 또는 충전과 같은 다른 기법이 당업자에게 또한 잘 공지되어 있다. 하지만 모든 이러한 기법은 실제로 두께에 대한 제한이 없고 플레이킹 (flaking) 및 충격에 대하여 양호한 내성을 갖는 티타늄 카바이드에 의해 보강된 계층적 복합재를 만들고 이를 매우 경제적인 방식으로 가능하게 하는 것을 허락하지 않는 다양한 단점을 갖는다.
본 발명은 첨단 기술의 단점에 대한 해결책을 발견하는 것을 제안하고 양호한 내충격성을 유지하면서, 개선된 내마모성을 갖는 계층적 복합 재료를 기재한다. 이러한 특성은 티타늄 카바이드의 마이크로미터 크기의 구형 입자에 의해 농축되는 별개의 밀리미터 크기의 영역을 포함하는 매크로-미세구조의 형태로 추정되는 특정한 보강재 구조에 의해 얻어진다.
본 발명은 또한 특별한 방법에 의해 얻어지는 특별한 티타늄 카바이드 구조를 포함하는 계층적 복합 재료를 제안한다.
본 발명은 또한 특별한 티타늄 카바이드 구조를 포함하는 계층적 복합 재료를 얻기 위한 방법을 제안한다.
본 발명은 규정된 기하학적 형상에 따라 티타늄 카바이드에 의해 보강된 철계 합금을 포함하는 계층적 복합 재료를 기재하고 있고, 상기 보강된 부분은 본질적으로는 티타늄 카바이드의 마이크로미터 크기의 구형 입자가 없는 밀리미터 크기의 영역에 의해 분리된 티타늄 카바이드의 마이크로미터 크기의 구형 입자에 의해 농축된 밀리미터 크기 영역의 번갈아 있는 매크로-미세구조를 포함하고, 상기 영역은 상기 구형 입자 사이에 마이크로미터 크기의 간극이 상기 철계 합금에 의해 또한 채워지는 미세 구조를 형성하는 티타늄 카바이드의 마이크로미터 크기의 구형 입자에 의해 농축된다.
본 발명의 특별한 실시형태에 따르면, 계층적 복합 재료는 이하의 특징의 적어도 하나 또는 하나의 적절한 조합을 포함한다 :
- 상기 농축된 밀리미터 크기의 영역은 36.9 용적% 보다 높은 티타늄 카바이드 농도를 갖는다;
- 상기 보강된 부분은 16.6 ~ 50.5 용적% 의 총괄 티타늄 카바이드 함량을 갖는다;
- 티타늄 카바이드의 마이크로미터 크기의 구형 입자는 50 ㎛ 미만의 크기를 갖는다;
- 티타늄 카바이드의 마이크로미터 크기의 구형 입자의 주된 부분은 20 ㎛ 미만의 크기를 갖는다;
- 티타늄 카바이드의 구형 입자에 의해 농축된 상기 영역은 36.9 ~ 72.2 용적% 의 티타늄 카바이드를 포함한다;
- 티타늄 카바이드에 의해 농축된 상기 밀리미터 크기의 영역은 1 ~ 12 ㎜ 로 변하는 크기를 갖는다;
- 티타늄 카바이드에 의해 농축된 상기 밀리미터 크기의 영역은 1 ~ 6 ㎜ 로 변하는 크기를 갖는다;
- 티타늄 카바이드에 의해 농축된 상기 영역은 1.4 ~ 4 ㎜ 로 변하는 크기를 갖는다;
- 상기 복합재는 마모 부분이다.
본 발명은 또한 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 계층적 복합 재료의 제조 방법을 기재하며 이 방법은 이하의 단계 :
- 계층적 복합 재료의 임프린트를 포함하는 주형 (mold) 에 미리 규정된 보강재 기하학적 형상을 제공하는 단계;
- 보강된 부분을 형성하기 위해 의도되는 임프린트의 부분 안으로 티타늄 카바이드의 밀리미터 크기의 과립 전구체의 형태의 티타늄 및 탄소를 포함하는 압착된 (compacted) 분말의 혼합물을 도입하는 단계;
- 철계 합금을 주형으로 주조하는 단계로서, 상기 주조 단계의 열은 상기 전구체 과립 내의 티타늄 카바이드의 발열성 자전 연소 고온 합성 (self-propagating high temperature synthesis, SHS) 을 촉발시키는 단계;
- 계층적 복합 재료의 보강된 부분 내에, 상기 전구체 과립의 위치에서 티타늄 카바이드의 마이크로미터 크기의 구형 입자에 의해 농축된 밀리미터 크기의 영역의 번갈아 있는 매크로-미세구조를 형성하는 단계로서, 상기 영역은 본질적으로는 티타늄 카바이드의 마이크로미터 크기의 구형 입자가 없는 밀리미터 크기의 영역에 의해 서로 분리되고, 상기 구형 입자는 마이크로미터 크기의 간극을 통하여 티타늄 카바이드로 농축된 상기 밀리미터 크기의 영역 내에서 또한 분리되는 단계;
- 이후에 티타늄 카바이드의 미소 구형 입자의 형성이 일어나는, 상기 고온 주조 철계 합금에 의한 밀리미터 크기의 영역 및 마이크로미터 크기의 간극의 침투의 단계를 포함한다.
본 발명의 특별한 실시형태에 따르면, 이 방법은 이하의 특징의 적어도 하나 또는 하나의 적절한 조합을 포함한다 :
- 탄소 및 티타늄의 압착된 분말의 혼합물은 철계 합금의 분말을 포함한다;
- 상기 탄소는 그래파이트이다.
본 발명은 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항의 방법에 따라 얻어지는 계층적 복합 재료를 기재한다.
마지막으로, 본 발명은 또한 제 1 항 내지 제 10 항 또는 제 14 항에 따른 계층적 복합 재료를 포함하는 기계 또는 공구를 기재한다.
도 1 은 복합재를 형성하는 강 또는 주철의 매트릭스 내의 보강재 매크로-미세구조의 다이어그램을 나타내는 도면이다. 연한 상태는 금속 매트릭스를 나타내고 어두운 상태는 구형 티타늄 카바이드에 의해 농축되는 영역을 나타낸다. 이 사진은 에칭되지 않은 연마된 표면을 광학 현미경에 의해 적은 배율로 취한 것이다.
도 2 는 전반적으로 구형 티타늄 카바이드가 없는 영역을 향하는 구형 티타늄 카바이드에 의해 농축되는 영역의 제한을 더 큰 배율로 나타내는 도면이다. 전체 부분에 걸친 금속 매트릭스의 연속성이 또한 주목된다. 티타늄 카바이드의 마이크로미터 크기의 입자 사이의 공간 (마이크로미터 크기의 간극 또는 구멍) 은 또한 주조 금속 (강 또는 주철) 에 의해 침투된다. 사진은 에칭되지 않은 연마된 표면을 광학 현미경에 의해 적은 배율로 취한 것이다.
도 3 의 (a) ~ (h) 는 본 발명에 따른 계층적 복합재의 제조 방법을 나타내는 도면이다.
- 단계 (a) 는 티타늄 및 탄소 분말의 혼합을 위한 장치를 나타낸다;
- 단계 (b) 는 2 개의 롤 사이의 분말의 압착 후 분쇄 및 너무 미세한 입자의 재활용에 의한 체분리 (sifting) 를 나타낸다;
- 단계 (c) 는 계층적 복합재의 보강재의 위치에서 압착되는 분말의 과립을 담기 위해 배리어가 놓이는 모래 주형을 나타낸다;
- 단계 (d) 는 TiC 의 전구체의 시약을 포함하는 압착 과립이 위치되는 보강재 영역을 확대하여 나타낸다;
- 단계 (e) 는 주형 안으로의 철계 합금의 주조를 나타낸다;
- 단계 (f) 는 주조의 결과인 계층적 복합재를 개략적으로 나타낸다;
- 단계 (g) 는 높은 농도의 TiC 입자 (구체) 를 갖는 영역을 확대하여 나타내며 - 이러한 다이어그램은 도 4 에서와 동일한 영역을 나타낸다;
- 단계 (h) 는 높은 농도의 TiC 구체를 갖는 동일한 영역 내를 확대하여 나타낸다. 마이크로미터 크기의 구체는 주조 금속에 의해 개별적으로 둘러싸인다.
도 4 는 마이크로미터 크기의 구형 티타늄 카바이드 (TiC 구체) 에 의해 농축되는 밀리미터 크기의 영역 (연한 회색 (pale grey)) 에 의해 본 발명에 따른 매크로-미세구조의 연마되고, 에칭되지 않은 표면의 쌍안 현미경 도면 (binocular view) 을 나타낸다. 색상은 반전되며; 어두운 부분은 마이크로미터 크기의 구형 티타늄 카바이드에 의해 농축되는 이러한 영역 사이의 공간 또한 구체 자체 사이의 공간을 채우는 금속 매트릭스 (강 또는 주철) 를 나타낸다 (도 5 & 도 6 참조).
도 5 및 도 6 은 연마되고 에칭되지 않은 표면의 마이크로미터 크기의 구형 티타늄 카바이드의 SEM 전자 현미경에 의해 취해진 도면을 상이한 배율로 나타낸다. 이러한 특별한 경우, 대부분의 티타늄 카바이드 구체는 10 ㎛ 보다 더 작은 크기를 갖는 것이 나타난다.
도 7 및 도 8 은 마이크로미터 크기의 구형 티타늄 카바이드를 나타내는 도면이지만, 이번에는 SEM 전자 현미경에 의해 취해진 균열 표면을 나타내는 도면이다. 티타늄 카바이드 구체는 완벽하게 금속 매트릭스와 통합되는 것이 나타난다. 이는 주조 금속이 주조 동안 일단 티타늄과 탄소 사이의 화학 반응이 개시되면 구멍에 완전히 침투 (함침) 하는 것을 증명한다.
도 9 및 도 10 은 본 발명에 따른 보강된 부분의 Ti 뿐만 아니라 Fe 의 분석 스펙트럼을 나타내는 도면이다. 이는 도 7 에 나타낸 균열 표면으로부터 전자 현미경에 의해 취해진, EDX 분석에 의한 Fe 와 Ti 의 분산의 《맵핑 (mapping)》 이다. 도 9 의 연한 지점은 Ti 를 나타내고 도 10 의 연한 지점은 Fe 를 나타낸다 (따라서 구멍은 주조 금속에 의해 채워진다).
도 11 은 높은 배율로, 전반적으로는 티타늄 카바이드 구체가 없는 영역에서, 침전에 의해 형성되는 각이진 티타늄 카바이드를 갖는 SEM 전자 현미경에 의해 취한 균열 표면을 나타내는 도면이다.
도 12 는 높은 배율로, 가스 거품을 갖는 SEM 전자 현미경에 의해 취한 균열 표면을 나타내는 도면이다. 이는 최대한 이러한 종류의 결함을 제한하려는 시도이다.
도 13 은 부피가 큰 인서트에 의해 보강된 영역을 포함하는 마모 부분과 본 발명의 매크로-미세구조에 의해 보강된 영역을 포함하는 부분 사이의 비교 시험을 실행하는데 사용되는 수직 축선을 갖는 분쇄기 내의 앤빌의 레이아웃을 나타내는 도면이다.
도 14 는 도 3 에서 이미 부분적으로 나타낸 본 발명에 따른 매크로-미세구조를 나타내는 블록 다이어그램을 나타낸다.
도 2 는 전반적으로 구형 티타늄 카바이드가 없는 영역을 향하는 구형 티타늄 카바이드에 의해 농축되는 영역의 제한을 더 큰 배율로 나타내는 도면이다. 전체 부분에 걸친 금속 매트릭스의 연속성이 또한 주목된다. 티타늄 카바이드의 마이크로미터 크기의 입자 사이의 공간 (마이크로미터 크기의 간극 또는 구멍) 은 또한 주조 금속 (강 또는 주철) 에 의해 침투된다. 사진은 에칭되지 않은 연마된 표면을 광학 현미경에 의해 적은 배율로 취한 것이다.
도 3 의 (a) ~ (h) 는 본 발명에 따른 계층적 복합재의 제조 방법을 나타내는 도면이다.
- 단계 (a) 는 티타늄 및 탄소 분말의 혼합을 위한 장치를 나타낸다;
- 단계 (b) 는 2 개의 롤 사이의 분말의 압착 후 분쇄 및 너무 미세한 입자의 재활용에 의한 체분리 (sifting) 를 나타낸다;
- 단계 (c) 는 계층적 복합재의 보강재의 위치에서 압착되는 분말의 과립을 담기 위해 배리어가 놓이는 모래 주형을 나타낸다;
- 단계 (d) 는 TiC 의 전구체의 시약을 포함하는 압착 과립이 위치되는 보강재 영역을 확대하여 나타낸다;
- 단계 (e) 는 주형 안으로의 철계 합금의 주조를 나타낸다;
- 단계 (f) 는 주조의 결과인 계층적 복합재를 개략적으로 나타낸다;
- 단계 (g) 는 높은 농도의 TiC 입자 (구체) 를 갖는 영역을 확대하여 나타내며 - 이러한 다이어그램은 도 4 에서와 동일한 영역을 나타낸다;
- 단계 (h) 는 높은 농도의 TiC 구체를 갖는 동일한 영역 내를 확대하여 나타낸다. 마이크로미터 크기의 구체는 주조 금속에 의해 개별적으로 둘러싸인다.
도 4 는 마이크로미터 크기의 구형 티타늄 카바이드 (TiC 구체) 에 의해 농축되는 밀리미터 크기의 영역 (연한 회색 (pale grey)) 에 의해 본 발명에 따른 매크로-미세구조의 연마되고, 에칭되지 않은 표면의 쌍안 현미경 도면 (binocular view) 을 나타낸다. 색상은 반전되며; 어두운 부분은 마이크로미터 크기의 구형 티타늄 카바이드에 의해 농축되는 이러한 영역 사이의 공간 또한 구체 자체 사이의 공간을 채우는 금속 매트릭스 (강 또는 주철) 를 나타낸다 (도 5 & 도 6 참조).
도 5 및 도 6 은 연마되고 에칭되지 않은 표면의 마이크로미터 크기의 구형 티타늄 카바이드의 SEM 전자 현미경에 의해 취해진 도면을 상이한 배율로 나타낸다. 이러한 특별한 경우, 대부분의 티타늄 카바이드 구체는 10 ㎛ 보다 더 작은 크기를 갖는 것이 나타난다.
도 7 및 도 8 은 마이크로미터 크기의 구형 티타늄 카바이드를 나타내는 도면이지만, 이번에는 SEM 전자 현미경에 의해 취해진 균열 표면을 나타내는 도면이다. 티타늄 카바이드 구체는 완벽하게 금속 매트릭스와 통합되는 것이 나타난다. 이는 주조 금속이 주조 동안 일단 티타늄과 탄소 사이의 화학 반응이 개시되면 구멍에 완전히 침투 (함침) 하는 것을 증명한다.
도 9 및 도 10 은 본 발명에 따른 보강된 부분의 Ti 뿐만 아니라 Fe 의 분석 스펙트럼을 나타내는 도면이다. 이는 도 7 에 나타낸 균열 표면으로부터 전자 현미경에 의해 취해진, EDX 분석에 의한 Fe 와 Ti 의 분산의 《맵핑 (mapping)》 이다. 도 9 의 연한 지점은 Ti 를 나타내고 도 10 의 연한 지점은 Fe 를 나타낸다 (따라서 구멍은 주조 금속에 의해 채워진다).
도 11 은 높은 배율로, 전반적으로는 티타늄 카바이드 구체가 없는 영역에서, 침전에 의해 형성되는 각이진 티타늄 카바이드를 갖는 SEM 전자 현미경에 의해 취한 균열 표면을 나타내는 도면이다.
도 12 는 높은 배율로, 가스 거품을 갖는 SEM 전자 현미경에 의해 취한 균열 표면을 나타내는 도면이다. 이는 최대한 이러한 종류의 결함을 제한하려는 시도이다.
도 13 은 부피가 큰 인서트에 의해 보강된 영역을 포함하는 마모 부분과 본 발명의 매크로-미세구조에 의해 보강된 영역을 포함하는 부분 사이의 비교 시험을 실행하는데 사용되는 수직 축선을 갖는 분쇄기 내의 앤빌의 레이아웃을 나타내는 도면이다.
도 14 는 도 3 에서 이미 부분적으로 나타낸 본 발명에 따른 매크로-미세구조를 나타내는 블록 다이어그램을 나타낸다.
재료 과학에서, SHS 반응 또는 《자전 연소 고온 합성》 은 일반적으로 1500℃, 또는 심지어 2000℃ 보다 높은 반응 온도가 도달되는 자전 연소 고온 합성이다. 예컨대, 티타늄 카바이드 (TiC) 를 얻기 위한 티타늄 분말과 탄소 분말 사이의 반응은 강한 발열성이다. 단지 적은 에너지가 국부적으로 반응을 개시하는데 필요하다. 그 후, 반응은 도달되는 높은 온도에 의해 시약의 혼합물의 전체로 자발적으로 전파될 것이다. 반응의 개시 이후, 따라서 자발적으로 전파되고 (자전되고) 티타늄 카바이드가 티타늄과 탄소로부터 얻어지는 것을 가능하게 하는 반응의 앞부분이 발생한다. 이에 의해 얻어지는 티타늄 카바이드는 《원 위치에서 얻어지는》 것이라고 하는데 이는 주조 철계 합금으로부터 저지되지 않기 때문이다.
시약 분말의 혼합물은 탄소 분말 및 티타늄 분말을 포함하고 판으로 압축되고 그 후 과립을 얻기 위해 분쇄되며, 그의 크기는 1 ~ 12 ㎜, 바람직하게는 1 ~ 6 ㎜, 그리고 더 바람직하게는 1.4 ~ 4 ㎜ 로 변한다. 이러한 과립은 100 % 압착되지 않는다. 이러한 과립은 일반적으로 55 ~ 95 % 의 이론적 밀도로 압축된다. 이러한 과립은 쉬운 사용/취급을 가능하게 한다 (도 3 의 (a) ~ (h) 참조).
도 3 의 (a) ~ (h) 의 다이어그램에 따라 얻어지는 혼합된 탄소 및 티타늄 분말의 이러한 밀리미터 크기의 과립은 생성되는 티타늄 카바이드의 전구체를 형성하고 다양한 또는 불규칙한 형상을 갖는 주형의 부분이 쉽게 채워지는 것을 가능하게 한다. 이러한 과립은 예컨대 배리어 (16) 에 의해 주형 (15) 내에 제자리에 유지될 수 있다. 이러한 과립의 형상 형성 또는 조립은 접착제에 의해 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 계층적 복합재, 그리고 특히 실제적으로 티타늄 카바이드의 구형 마이크로미터 크기의 입자가 없는 영역에 의해 분리되는 티타늄 카바이드의 구형 마이크로미터 크기의 입자에 의해 농축되는 영역의 번갈아 있는 구조로 또한 불릴 수 있는 보강재 매크로-미세구조는, 탄소 및 티타늄 분말의 혼합물을 포함하는 과립의 주형 (15) 내의 반응에 의해 얻어진다. 이러한 반응은 전체 부분 그리고 따라서 보강되지 않는 부분과 보강된 부분 (도 3 의 (e) 참조) 양쪽을 주조하는데 사용되는 강 또는 주철의 주조 열에 의해 개시된다. 따라서 주조는 주형 (15) 에 사전에 놓이고 과립으로서 압착되는 탄소 및 티타늄 분말의 혼합물의 발열성 자전 연소 고온 합성 (자전 연소 고온 합성 - SHS) 을 촉발시킨다. 반응은 그 후 개시되자 마자 계속 전파되는 독특함을 갖는다.
이러한 고온 합성 (SHS) 은 주철 또는 주조 강에 의해 모든 밀리미터 크기 및 마이크로미터 크기의 간극이 쉽게 침투되는 것을 가능하게 한다 (도 3 의 (g) 및 (h) 참조). 습윤성을 증가시킴으로써, 침투는 모든 보강재 두께에 걸쳐 달성될 수 있다. 외부 주조 금속에 의한 침투 및 SHS 반응 이후, 이는 유리하게는 높은 농도의 티타늄 카바이드의 마이크로미터 크기의 구형 입자를 갖는 영역 (또한 단괴 (nodule) 의 클러스터라고 불릴 수 있음) 을 생성하는 것을 가능하게 하고, 상기 영역은 약 1 밀리미터 또는 수 밀리미터의 크기를 갖고, 실질적으로 구형 티타늄 카바이드가 없는 영역과 번갈아 있다. 낮은 카바이드 농도를 갖는 영역은 실제로 주조 금속에 의해 침투되는 과립 사이의 밀리미터 크기의 공간 또는 간극 (2) 을 나타낸다. 이러한 상부 구조를 보강재 매크로-미세구조라고 한다.
일단 이러한 TiC 의 과립 전구체가 SHS 반응에 따라 반응하면, 이러한 과립이 위치되는 영역은 TiC (구체) 의 마이크로미터 크기의 구형 입자 (4) 의 농축된 분산을 나타내고, 그의 마이크로미터 크기의 간극 (3) 은 여기서 주철 또는 강인 주조 금속에 의해 또한 침투된다. 밀리미터 크기 및 마이크로미터 크기의 간극은 계층적 복합재의 보강되지 않은 부분을 형성하는 것과 동일한 금속 매트릭스에 의해 침투된다는 것을 인지하는 것이 중요하고, 이는 주조 금속의 선택에 있어 전체적인 자유를 가능하게 한다. 최종적으로 얻어지는 복합재에서, 높은 농도의 티타늄 카바이드를 갖는 보강재 영역은 현저한 퍼센티지 (약 35 ~ 약 70 용적%) 의 마이크로미터 크기의 구형 TiC 입자와 침투 철계 합금으로 이루어진다.
마이크로미터 크기의 구형 입자에 의해 이는 대부분 1 ㎛ ~ 수십 ㎛ 의 크기를 갖는 전반적으로 타원체 입자를 의미한다. 이는 또한 TiC 구체라고 불린다. 이러한 입자의 대부분은 50 ㎛ 미만, 심지어 20 ㎛ 미만, 또는 심지어 10 ㎛ 의 크기를 갖는다. 이러한 구형 형상은 자전 합성 (SHS) 에 의한 티타늄 카바이드를 얻기 위한 방법을 특징으로 한다 (도 6 참조).
본 발명에 따른 보강된 구조는 광학 또는 전자 현미경을 특징으로 할 수 있다. 보강재 매크로-미세구조는 그 안에서, 시각적으로 또는 낮은 배율로 구별된다. 높은 배율에서, 높은 티타늄 카바이드 농도의 영역에서, 구형 형상을 갖는 티타늄 카바이드 (4) 는, 이러한 영역의 원인인 과립의 압착 레벨에 따라, 이러한 영역에서 약 35 ~ 약 75 % 의 용적 퍼센티지로 구별된다 (표 참조). 이러한 구형 TiC 는 마이크로미터 크기이다 (도 6 참조).
높은 티타늄 카바이드 농도를 갖는 영역 사이의 간극에서, 침전에 의해 형성되는 각이진 형상 (5) 을 갖는 낮은 퍼센티지의 TiC (< 5 용적%) 가 또한 일부의 경우에 나타난다. 낮은 퍼센티지의 TiC 는 SHS 반응 동안 형성되는, 작은 비율의 구형 카바이드의 액체 금속의 용해로부터 발생된다. 이러한 각이진 카바이드의 치수는 또한 마이크로미터 크기이다. 이러한 각이진 TiC 카바이드의 형성은 바람직하지 않지만 제조 방법의 결과이다.
본 발명에 따른 마모 부분에서, TiC 보강재의 용적 비율은 3 개의 용인에 따라 상이하다 :
- 티타늄 및 탄소 분말의 혼합물의 과립에 존재하는 마이크로미터 크기의 공극률,
- Ti + C 과립 사이에 존재하는 밀리미터 크기의 간극,
- Ti + C 로부터, TiC 의 형성 동안 용적 수축으로부터 발생되는 공극률.
과립을 제조하기 위한 혼합물 (Ti + C 버전)
티타늄 카바이드는 탄소 분말과 티타늄 분말 사이의 반응에 의해 얻어질 것이다. 이러한 분말 모두는 균질하게 혼합된다. 티타늄 카바이드는 0.50 ~ 0.98 몰의 탄소와 1 몰의 티타늄을 혼합시킴으로써 얻어질 수 있고, 화학량론적 조성 Ti + 0.98 C → TiC0.98 이 바람직하다.
과립 (Ti + C 버전) 얻기
과립을 얻기 위한 방법이 도 3 의 (a) ~ (h) 에 도시되어 있다. 탄소/티타늄 시약의 과립은 그 후 분쇄기 (11) 에서 분쇄되는 스트립을 얻기 위한 롤 (10) 사이에서의 압착에 의해 얻어진다. 분말의 혼합은, 균질함을 주기 위해, 블레이드가 제공되는 탱크로 이루어지는 혼합기 (8) 에서 실행된다. 혼합물은 그 후 호퍼 (9) 를 통하여 과립화 기구 안으로 전달된다. 이 기계는 재료가 통과되는 2 개의 롤 (10) 을 포함한다. 압력이 이러한 롤 (10) 에 가해지고, 이는 재료의 압축을 가능하게 한다. 출구에서 압축된 재료의 스트립이 얻어지고 이는 그 후 과립을 얻기 위해 분쇄된다. 이러한 과립은 그 후 체 (sieve, 13) 에서 원하는 알갱이 (grain) 크기로 체분리된다. 현저한 변수는 롤에 가해지는 압력이다. 이 압력이 더 높을수록, 스트립, 그리고 따라서 과립은 더 압축될 것이다. 스트립, 그리고 따라서 과립의 밀도는 55 ~ 95 % 의 이론적 밀도로 변할 수 있고 이는 티타늄 및 탄소의 화학량론적 혼합물에 대하여 3.75g/㎤ 이다. 겉보기 밀도 (다공성을 고려한) 는 그 후 2.06 ~ 3.56 g/㎤ 이 된다.
스트립의 압착 레벨은 롤 (직경 200 ㎜, 폭 30 ㎜) 에 가해지는 압력 (㎩) 에 따라 상이하다. 약 106 ㎩ 의 낮은 압착 레벨에 대하여, 스트립 상에 약 55 % 의 이론적 밀도의 밀도가 얻어진다. 이러한 재료를 압축하기 위해 롤 (10) 을 통과한 이후, 과립의 겉보기 밀도는 3.75 × 0.55. 즉 2.06 g/㎤ 이다.
약 25.106 ㎩ 의 높은 압착 레벨에 대하여, 스트립 상에 약 90 % 의 이론적 밀도의 밀도, 즉 3.38 g/㎤ 의 겉보기 밀도가 얻어진다. 실제로, 95 % 에 달하는 이론적 밀도를 얻는 것이 가능하다.
따라서, 원 재료 (Ti + C) 로부터 얻어지는 과립은 다공성이다. 이러한 공극률은 매우 강하게 압착된 과립에 대하여 5 % 로부터 약간 압착된 과립에 대하여 45 % 로 변한다.
압착 레벨 외에, 스트립을 분쇄하고 Ti + C 과립을 체분리하는 작업 동안 과립의 알갱이 크기의 분포 뿐만 아니라 이들의 형상을 조정하는 것이 또한 가능하다. 바람직하지 않는 알갱이 크기 부분은 원하는 대로 재활용된다 (도 5 의 (b) 참조). 얻어진 과립은 전반적으로 1 ~ 12 ㎜, 바람직하게는 1 ~ 6 ㎜, 더 바람직하게는 1.4 ~ 4 ㎜ 의 크기를 갖는다.
본 발명에 따른 계층적 복합재에 보강재 영역을 만듦
과립은 상기 설명한 것과 같이 만들어진다. 이러한 과립으로 계층적 복합재라는 명칭을 정당화하는 상부 구조 (superstructure)/매크로-미세구조 또는 3 차원 구조를 얻기 위해, 이러한 과립은 부분을 보강하기에 바람직한 몰드의 영역에 위치된다. 이는 접착제에 의해, 또는 컨테이너 또는 어떠한 다른 수단 (배리어 (16)) 에 과립을 넣는 것에 의해 이러한 과립을 뭉침으로써 달성된다.
Ti + C 과립의 더미 (stack) 의 벌크 밀도는 ISO 697 표준에 따라 측정되고 스트립의 압착 레벨, 과립의 알갱이 크기 분포 그리고 스트립 분쇄 방법에 따라 상이하고, 이는 과립의 형상에 영향을 미친다.
이러한 Ti + C 과립의 벌크 밀도는 이러한 과립의 압착 레벨 및 더미의 밀도에 따라 일반적으로 약 0.9 g/㎤ ~ 2.5 g/㎤ 이다.
반응 전에, 따라서 티타늄 분말 및 탄소 분말의 혼합물로 이루어진 다공성 과립의 더미가 있다.
반응 Ti + C → TiC 동안, 시약으로부터 제품을 지날 때 약 24 % 의 용적 수축이 발생한다 (시약과 제품 사이의 밀도 차이로부터 기인한 수축). 따라서, Ti + C 혼합물의 이론적 밀도는 3.75 g/㎤ 이고 TiC 의 이론적 밀도는 4.93 g/㎤ 이다. 최종 제품에서, TiC 를 얻기 위한 반응 이후, 주조 금속은
- 이러한 과립의 초기 압착 레벨에 따라, 높은 티타늄 카바이드 농도로 공간에 존재하는 미소 구멍 (microscopic porosity);
- 과립의 초기 더미 (벌크 밀도) 에 따라, 높은 티타늄 카바이드 농도로 영역 사이의 밀리미터 크기의 공간;
- TiC 를 얻기 위한 Ti + C 사이의 반응 동안 용적 농도로부터 기인하는 구멍 (porosity) 으로 침투할 것이다.
실시예
이하의 실시예에서, 이하의 원재료가 사용되었다
- 티타늄 H.C. STARCK, Amperit 155.066, 200 메쉬 미만,
- 그래파이트 탄소 GK Kropfmuhl, UF4, > 99.5 %, 15 ㎛ 미만,
- Fe, HSS M2 Steel 의 형태, 25 ㎛ 미만,
- 비율 :
- Ti + C 100 g Ti - 24.5 g C
- Ti + C + Fe 100 g Ti - 24.5 g C - 35.2 g Fe
아르곤 하에서, Lindor 혼합기에서 15 분 동안 혼합.
과립화는 Sahut-Conreur 과립기기에 의해 실행되었다.
Ti+C+Fe 및 Ti+C 혼합물에 대하여, 과립의 압착도는 이하의 방식으로 얻어졌다.
보강은 100 × 30 × 150 ㎜ 의 금속 컨테이너에 과립을 놓음으로써 실행되었고, 이 컨테이너는 그 후 보강된 위치에서 주형 내에 놓인다. 그 후, 강 또는 주철이 이 주형 안으로 주조된다.
실시예 1
이러한 실시예에서, 목적은 보강된 영역이 약 42 % 의 TiC 의 총괄 용적 (global volume) 퍼센티지를 포함하는 부분을 만드는 것이다. 이를 위해, 스트립이 C 와 Ti 의 혼합물의 이론적 밀도의 85 % 로의 압착에 의해 만들어 진다. 분쇄 이후, 과립은 1.4 ~ 4 ㎜ 의 과립의 치수를 얻기 위해 체분리된다. 약 2.1 g/㎤ 의 벌크 밀도가 얻어진다 (과립간 공간의 35 % + 과립의 다공도의 15 %).
과립은 따라서 65 용적% 의 다공성 과립을 포함하는 보강된 부분의 위치에서 주형 내에 위치된다. 크롬을 갖는 주철 (3 % C, 25 % Cr) 이 그 후 예열되지 않은 모래 주형에서 약 1500℃ 로 주조된다. Ti 와 C 사이의 반응은 주철의 열에 의해 개시된다. 이러한 주조는 어떠한 보호 대기 없이 실행된다. 반응 이후, 보강된 부분에서, 약 65 % 의 구형 티타늄 카바이드의 높은 농도를 갖는 영역의 65 용적% 가 얻어지고 이는, 다시 말해서 마모 부분의 보강된 부분에서 TiC 가 42 % 의 총괄 용적을 갖는다는 것이다.
실시예 2
이러한 실시예에서, 목적은 보강된 영역이 약 30 % 의 TiC 의 총괄 용적 퍼센티지를 포함하는 부분을 만드는 것이다. 이를 위해, 스트립이 C 와 Ti 의 혼합물의 이론적 밀도의 70 % 로의 압착에 의해 만들어 진다. 분쇄 이후, 과립은 1.4 ~ 4 ㎜ 의 과립의 치수를 얻기 위해 체분리된다. 약 1.4 g/㎤ 의 벌크 밀도가 얻어진다 (과립간의 공간의 45 % + 과립의 다공도의 30 %). 과립은 따라서 55 용적% 의 다공성 과립을 포함하는 보강된 부분에 위치된다. 반응 이후, 보강된 부분에서, 약 53 % 의 구형 티타늄 카바이드의 높은 농도를 갖는 영역의 55 용적% 가 얻어지고 이는, 다시 말해서 마모 부분의 보강된 부분에서 TiC 가 약 30 % 의 총괄 용적을 갖는다는 것이다.
실시예 3
이러한 실시예에서, 목적은 보강된 영역이 약 20 % 의 TiC 의 총괄 용적 퍼센티지를 포함하는 부분을 만드는 것이다. 이를 위해, 스트립이 C 와 Ti 의 혼합물의 이론적 밀도의 60 % 로의 압착에 의해 만들어 진다. 분쇄 이후, 과립은 1 ~ 6 ㎜ 의 과립의 치수를 얻기 위해 체분리된다. 약 1.0 g/㎤ 의 벌크 밀도가 얻어진다 (과립간의 공간의 55 % + 과립의 다공도의 40 %). 과립은 따라서 45 용적% 의 다공성 과립을 포함하는 보강된 부분에 위치된다. 반응 이후, 보강된 부분에서, 약 45 % 의 구형 티타늄 카바이드로 농축되는 영역의 45 용적% 가 얻어지고 이는, 다시 말해서 마모 부분의 보강된 부분에서 TiC 가 20 % 의 총괄 용적을 갖는다는 것이다.
실시예 4
이러한 실시예에서, 분말의 철계 합금을 탄소와 티타늄에 첨가함으로써 탄소와 티타늄 사이의 반응의 세기를 약화시키는 것이 추구되었다. 실시예 2 에서와 같이, 목적은 보강된 영역이 약 30 % 의 TiC 의 총괄 용적 퍼센티지를 포함하는 마모 부분을 만드는 것이다. 이를 위해, 스트립이 15 중량% 의 C, 63 중량% 의 Ti 그리고 22 중량% 의 Fe 의 혼합물의 이론적 밀도의 85 % 로의 압착에 의해 만들어 진다. 분쇄 이후, 과립은 1.4 ~ 4 ㎜ 의 과립의 치수를 얻기 위해 체분리된다. 약 2 g/㎤ 의 벌크 밀도가 얻어진다 (과립간의 공간의 45 % + 과립의 다공도의 15 %). 과립은 따라서 55 용적% 의 다공성 과립을 포함하는 보강되는 부분에 위치된다. 반응 이후, 보강된 부분에서, 약 55 % 의 구형 티타늄 카바이드의 높은 농도를 갖는 영역의 55 용적% 가 얻어지고 이는, 다시 말해서 마모 부분의 보강된 매크로-미세구조의 총괄 티타늄 카바이드가 30 용적% 을 갖는다는 것이다.
이하의 표는 다수의 가능한 조합을 나타낸다.
이러한 표는 스트립 및 따라서 과립에 대한 55 ~ 95 % 의 압착 레벨에 의해, 45 용적% ~ 70 용적% 범위 (과립의 전체 용적과 이 과립 한정부의 용적 사이의 비) 의 보강된 부분에서 과립 채움 레벨을 수행하는 것이 가능한 것을 나타낸다. 따라서, 약 29 용적% 의 보강 부분의 총괄 TiC 농도 (표에서 굵은 글씨) 를 얻기 위해, 예컨대 60 % 압착과 65 % 채움, 또는 70 % 압착과 55 % 채움, 또는 또한 85 % 압착과 45 % 채움과 같은 상이한 조합으로 진행하는 것이 가능하다. 70 용적% 에 달하는 보강된 부분에서 과립 채움 레벨을 얻기 위해, 과립을 다지기 위해 진동을 가하는 것이 의무적이다. 이러한 경우, 채움 레벨을 측정하기 위한 ISO 697 표준은 더 이상 적용 가능하지 않고 주어진 용적 내의 재료의 양이 측정된다.
여기서, 압착 레벨에 따른 과립의 밀도와 반응 이후 얻어지는 TiC 의 용적 퍼센트를 나타내었고 따라서 약 24 용적% 의 수축이 이로부터 추론되었다. 과립의 이론적 밀도의 95 % 로 압착되는 과립은 따라서 반응 이후 TiC 의 72.2 용적% 의 농도를 얻는 것을 가능하게 한다.
실제로, 이러한 표는 이러한 기술의 사용자에 의해 주판 (abacus) 으로서 사용되고, 이는 부분 중 보강된 부분에서 얻어지는 총괄 TiC 퍼센티지를 설정하고, 이에 의해서 사용가 사용할 과립의 압착 및 채움 레벨을 결정한다. 동일한 표가 Ti + C + Fe 분말의 혼합물을 위해 만들어졌다.
Ti + 0.98 C + Fe
여기서, 발명자는 반응 이후 15 용적% 의 철을 얻는 것을 가능하게 하는 혼합물을 목적으로 하였다. 사용된 혼합물의 비율은 :
100 g Ti + 24.5 g C + 35.2 g Fe
이다.
철 분말에 의해 혼합물은 순철 (pure iron) 또는 철 합금을 의미한다.
혼합물의 이론적 밀도 : 4.25 g/㎤
반응 동안 용적 수축 : 21 %
다시, 약 26 용적% 의 보강된 부분에서의 총괄 TiC 농도 (표에서 굵은 글씨) 를 얻기 위해, 예컨대 55 % 압착과 70 % 채움, 또는 60 % 압착과 65 % 채움, 또는 70 % 압착과 55 % 채움, 또는 또한 85 % 압착과 45 % 채움과 같은 상이한 조합으로 진행하는 것이 가능하다.
EP 1 450 973 과의 비교 시험
부피가 큰 인서트 (150 × 100 × 30 ㎜) 에 의해 보강된 영역을 포함하는 마모 부분과 본 발명의 매크로-미세구조에 의해 보강된 영역을 포함하는 부분 사이의 비교 시험이 실행되었다. 이러한 시험이 실행된 밀링 머신은 도 13 에 나타나 있다. 이러한 기계에서, 발명자는 보강되지 않은 앤빌에 의해 한 측이 둘러싸이는 최신 기술에 따른 인서트를 포함하는 앤빌, 그리고 또한 2 개의 보강되지 않은 기준 앤빌에 의해 둘러싸이며, 본 발명에 따른 매크로-미세구조에 의해 보강된 영역을 갖는 앤빌을 번갈아가며 놓았다.
성능 지수는 보강되지 않은 앤빌과 주어진 타입의 암석에 대하여 규정되었다. 다른 타입의 암석에 대한 외삽법 (extrapolation) 이 항상 쉽지는 않더라도, 그럼에도 불구하고 관찰되는 마모에 관하여 수많은 접근이 시도되었다.
성능 지수는 보강된 앤빌의 마모에 대한 보강되지 않은 기준 앤빌의 마모의 비이다. 따라서 지수 2 는 보강된 부분이 기준 부분보다 2 배 더 느리게 마모된 것을 의미한다. 마모는 보강재가 위치되는 작업 부분에서 측정되었다 (마모 ㎜).
최신 기술에 따른 인서트의 성능은 약간 더 우세한 성능을 보이는 과립의 85 % 의 압착 레벨을 제외하면, 본 발명의 매크로-미세구조와 유사하다. 하지만 보강재 영역을 구비하는데 사용되는 재료의 양이 비교된다면, 765 g 의 Ti + C 분말에 의해, 인서트 형태의 1,100 g 의 Ti + C 분말과 동일한 성능이 얻어졌다. 이러한 혼합물의 가격이 2008 년에 약 75 유로/㎏ 인 것에 대하여, 본 발명에 의해 제공되는 이점이 평가된다.
총괄적으로, 경우에 따라 EP 1450973 에 설명된 타입의 인서트와 비교하여 보강재의 20 ~ 40 질량% 의 증가가 달성된다.
따라서, 보강재의 벌크 밀도 (± 1.9) 와 철계 합금의 밀도 (± 7.6) 사이의 비가 4 인 것이 고려된다면, 보강재의 5 질량% 의 첨가가 20 용적% 의 최종 부분의 보강재에 대응한다. 따라서 매우 소량의 보강 재료가 매우 효과적인 방식으로 위치된다.
이점
본 발명은 일반적으로 최신 기술과 비교하여 이하의 이점을 갖는다 :
- 동일한 보강 레벨을 위해 더 적은 재료의 사용;
- 더 양호한 내충격성;
- 동등한 또는 더 양호한 내마모성;
- 적용 변수의 더 나은 유연성 (적용에 있어서 더 유연함);
- 더 적은 제조 결함, 특히
- 더 적은 가스 결함,
- 제조 동안 균열에 더 적은 민감성,
- 더 적은 감손율 (waste percentage) 에 의해 나타나는 부분 중 보강재의 더 양호한 유지;
- 반응의 발열성에 의한 보강재의 쉬운 침투, 이는
- 큰 두께의 보강재를 달성하고,
- 표면에 보강재를 위치시키고,
- 얇은 벽을 보강하는 것을 가능하게 함;
- 보강재의 국부화, 원하는 위치로 제한;
- 주조 금속과 양호한 결합을 수반하는, 형성된 카바이드의 유효한 표면;
- 주조 동안 압력이 가해지지 않음;
- 특별한 보호 분위기가 없음;
- 압착 전처리가 없음.
더 양호한 내충격성
본 발명에 따른 방법에서, 다공성 밀리미터 크기의 과립은 침투 금속 합금 안에 침투된다. 이러한 밀리미터 크기의 과립 자체는 침투 금속 합금 안에 또한 끼워지는 구형의 경향을 갖는 TiC 의 미소 입자로 이루어진다. 이러한 시스템은 약 수천 배 더 작은 크기의 동일한 미세구조가 있는 매크로구조를 갖는 복합재 부분을 얻는 것을 가능하게 한다.
이러한 재료가 티타늄 카바이드의 소형의 단단한 구형 입자를 포함하고 이 입자는 이 입자를 둘러싸는 금속 매트릭스에 미세하게 분산된다는 사실은 균열의 형성 및 전파를 회피하는 것을 가능하게 한다 (도 4 및 도 6 참조). 따라서 이 영역은 균열에 대한 이중 소산 시스템 (double dissipative system) 을 갖는다.
균열이 일반적으로 가장 취성인 위치에서 발생하고, 이러한 경우 이 위치에는 TiC 입자 또는 이러한 입자와 침투 금속 합금 사이의 계면이 있다. 균열이 계면 또는 마이크로미터 크기의 TiC 입자에서 발생한다면, 이러한 균열의 전파는 그 후 이러한 입자를 둘러싸는 침투 합금에 의해 방해를 받는다. 침투 합금의 인성 (toughness) 은 세라믹 TiC 입자보다 더 크다. 균열은, 입자 사이에 존재하는 마이크로미터 크기의 공간을 가로지르기 위해 하나의 입자로부터 다른 입자로 통과하는데 더 많은 에너지를 필요로한다.
더 양호한 내충격성을 설명하기 위한 다른 이유는 충분한 보강을 달성하기 위한 티타늄 카바이드의 더 합리적인 적용이다.
내마모성 (사용시 거동)
이러한 더 양호한 내충격성이 내마모성의 손상을 달성하지 않는 것을 강조하는 것이 중요하다. 이러한 기법에서 단단한 입자는 특별히 침투 금속 합금 안에 잘 침투된다. 격렬한 충격을 받는 경우에, 보강된 부분의 플레이킹 현상은 잘 일어나지 않는다.
적용 변수에 대한 최대한의 유연성
과립의 압착 레벨 외에, 알갱이 크기 부분과 과립의 형상인, 2 개의 변수가 변할 수 있고, 따라서 이들의 벌크 밀도도 변할 수 있다. 다른 한편, 인서트에 의한 보강 기법에서, 단지 후자의 압착 레벨만이 제한된 범위 내에서 변할 수 있다. 부분의 디자인과 보강재가 요구되는 위치를 고려하여, 보강재에 주어지는 요구되는 형상에 관하여, 과립의 사용은 더 나은 가능성과 적응성을 가능하게 한다.
제조와 관련한 이점
보강재로서 다공성 과립의 더미를 사용하는 것은 제조와 관련하여 특정한 이점 :
- 더 적은 가스 방출,
- 균열에 더 적은 민감성,
- 부분에서 보강재의 더 양호한 국부화를 갖는다.
Ti 와 C 사이의 반응은 강한 발열성이다. 온도의 상승은 시약의 가스 분해, 즉 시약에 포함되는 휘발성 재료 (탄소의 H2O, 티타늄의 H2, N2) 의 가스 분해를 야기한다. 반응 온도가 더 높을수록, 이러한 방출은 더 현저해진다. 과립 기법은 온도를 제한하고, 가스 용적을 제한하고 가스를 더 쉽게 배출하고 따라서 가스 결함을 제한하는 것을 가능하게 한다 (바람직하지 않은 가스 거품이 있는 도 12 참조).
본 발명에 따른 마모 부분의 제조 동안 균열에 대한 낮은 민감성
TiC 보강재의 팽창 계수는 철계 합금 매트릭스보다 더 낮다 (TiC 의 팽창 계수 : 7.5 10-6/K 그리고 철계 합금의 팽창 계수 : 약 12.0 10-6/K). 팽창 계수의 이러한 차이는 고형화 단계 및 또한 열 처리 동안 재료에 응력을 발생하는 결과를 갖는다. 이러한 응력이 너무 현저하다면, 균열은 부분에 나타날 수 있고 그의 불합격을 유도할 수 있다. 본 발명에서 TiC 보강재의 적은 비율이 사용되며 (50 용적% 미만), 이는 부분에 더 적은 응력을 야기한다. 또한, 낮은 농도와 높은 농도의 번갈아 있는 영역의 마이크로미터 크기의 구형 TiC 입자 사이의 더 연성인 매트릭스의 존재는 가능한 국부적 응력을 더 양호하게 취급하는 것을 가능하게 한다.
부분 중 보강재의 우수한 유지
본 발명에서, 계층적 복합재의 보강되지 않은 부분과 보강된 부분 사이의 경계는 명확하지 않은데 보강된 부분과 보강되지 않은 부분 사이의 금속 매트릭스가 연속하기 때문이며, 이는 보강재의 완전한 분리에 대하여 보강재를 보호하는 것을 가능하게 한다.
1 : 티타늄 카바이드 (구체) 의 마이크로미터 크기의 구형 입자에 의해 농축되는 밀리미터 크기의 영역
2 : 전반적으로 티타늄 카바이드의 마이크로미터 크기의 구형 입자가 없는 주조 합금에 의해 채워지는 밀리미터 크기의 간극
3 : 주조 합금에 의해 또한 침투되는 TiC 구체 사이의 마이크로미터 크기의 간극
4 : 티타늄 카바이드에 의해 농축되는 영역의 마이크로미터 크기의 구형 티타늄 카바이드
5 : 전반적으로 티타늄 카바이드의 마이크로미터 크기의 구형 입자가 없는 간극에 침전되는 각이진 티타늄 카바이드
6 : 가스 결함
7 : 앤빌
8 : Ti 및 C 분말의 혼합기
9 : 호퍼
10 : 롤
11 : 분쇄기
12 : 출구 그리드
13 : 체
14 : 호퍼를 향하는 너무 미세한 입자의 재활용
15 : 모래 주형
16 : Ti/C 혼합물의 압착된 과립을 함유하는 배리어
17 : 주조 레이들 (ladle)
18 : 계층적 복합재
2 : 전반적으로 티타늄 카바이드의 마이크로미터 크기의 구형 입자가 없는 주조 합금에 의해 채워지는 밀리미터 크기의 간극
3 : 주조 합금에 의해 또한 침투되는 TiC 구체 사이의 마이크로미터 크기의 간극
4 : 티타늄 카바이드에 의해 농축되는 영역의 마이크로미터 크기의 구형 티타늄 카바이드
5 : 전반적으로 티타늄 카바이드의 마이크로미터 크기의 구형 입자가 없는 간극에 침전되는 각이진 티타늄 카바이드
6 : 가스 결함
7 : 앤빌
8 : Ti 및 C 분말의 혼합기
9 : 호퍼
10 : 롤
11 : 분쇄기
12 : 출구 그리드
13 : 체
14 : 호퍼를 향하는 너무 미세한 입자의 재활용
15 : 모래 주형
16 : Ti/C 혼합물의 압착된 과립을 함유하는 배리어
17 : 주조 레이들 (ladle)
18 : 계층적 복합재
Claims (15)
- 규정된 기하학적 형상에 따라 티타늄 카바이드에 의해 보강된 철계 합금을 포함하는 계층적 복합 재료로서, 상기 보강된 부분은 본질적으로는 티타늄 카바이드의 마이크로미터 크기의 구형 입자 (4) 가 없는 밀리미터 크기의 영역 (2) 에 의해 분리된 티타늄 카바이드의 마이크로미터 크기의 구형 입자 (4) 에 의해 농축된 밀리미터 크기 영역 (1) 의 번갈아 있는 매크로-미세구조를 포함하고, 상기 영역은 상기 구형 입자 (4) 사이에 마이크로미터 크기의 간극 (3) 이 상기 철계 합금에 의해 또한 채워지는 미세 구조를 형성하는 티타늄 카바이드의 마이크로미터 크기의 구형 입자 (4) 에 의해 농축되는 계층적 복합 재료.
- 제 1 항에 있어서, 상기 밀리미터 크기의 농축된 영역은 36.9 용적% 보다 높은 티타늄 카바이드 (4) 의 농도를 갖는 계층적 복합 재료.
- 제 1 항에 있어서, 상기 보강된 부분은 16.6 ~ 50.5 용적% 의 총괄 티타늄 카바이드 함량을 갖는 계층적 복합 재료.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 티타늄 카바이드의 마이크로미터 크기의 구형 입자 (4) 는 50 ㎛ 미만의 크기를 갖는 계층적 복합 재료.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 티타늄 카바이드의 마이크로미터 크기의 구형 입자 (4) 의 주된 부분은 20 ㎛ 미만의 크기를 갖는 계층적 복합 재료.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 티타늄 카바이드의 구형 입자에 의해 농축된 상기 영역 (1) 은 36.9 ~ 72.2 용적% 의 티타늄 카바이드를 포함하는 계층적 복합 재료.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 티타늄 카바이드에 의해 농축된 상기 밀리미터 크기의 영역 (1) 은 1 ~ 12 ㎜ 로 변하는 크기를 갖는 계층적 복합 재료.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 티타늄 카바이드에 의해 농축된 상기 밀리미터 크기의 영역 (1) 은 1 ~ 6 ㎜ 로 변하는 크기를 갖는 계층적 복합 재료.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 티타늄 카바이드에 의해 농축된 상기 영역 (1) 은 1.4 ~ 4 ㎜ 로 변하는 크기를 갖는 계층적 복합 재료.
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복합재는 마모 부분인 계층적 복합 재료.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 계층적 복합 재료의 주조에 의한 제조 방법으로서, 상기 방법은 이하의 단계 :
- 계층적 복합 재료의 임프린트를 포함하는 주형 (mold) 에 미리 규정된 보강재 기하학적 형상을 제공하는 단계;
- 보강된 부분을 형성하기 위해 의도되는 임프린트의 부분 안으로 티타늄 카바이드의 밀리미터 크기의 과립 전구체의 형태의 티타늄 및 탄소를 포함하는 압착된 분말의 혼합물을 도입하는 단계;
- 철계 합금을 주형으로 주조하는 단계로서, 상기 주조 단계의 열은 상기 전구체 과립 내의 티타늄 카바이드의 발열성 자전 연소 고온 합성 (SHS) 을 촉발시키는 단계;
- 계층적 복합 재료의 보강된 부분 내에, 상기 전구체 과립의 위치에서 티타늄 카바이드의 마이크로미터 크기의 구형 입자 (4) 에 의해 농축된 밀리미터 크기의 영역 (1) 의 번갈아 있는 매크로-미세구조를 형성하는 단계로서, 상기 영역은 본질적으로는 티타늄 카바이드의 마이크로미터 크기의 구형 입자 (4) 가 없는 밀리미터 크기의 영역 (2) 에 의해 서로 분리되고, 상기 구형 입자 (4) 는 마이크로미터 크기의 간극 (3) 을 통하여 티타늄 카바이드로 농축된 상기 밀리미터 크기의 영역 (1) 내에서 또한 분리되는 단계;
- 이후에 티타늄 카바이드의 미소 구형 입자 (4) 의 형성이 일어나는, 상기 고온 주조 철계 합금에 의한 밀리미터 크기의 영역 (2) 및 마이크로미터 크기의 간극 (3) 의 침투의 단계를 포함하는 제조 방법. - 제 11 항에 있어서, 상기 탄소 및 티타늄의 압착된 분말의 혼합물은 철계 합금의 분말을 포함하는 제조 방법.
- 제 11 항에 있어서, 상기 탄소는 그래파이트인 제조 방법.
- 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항의 방법에 따라 얻어지는 계층적 복합 재료.
- 제 1 항 내지 제 10 항 또는 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 계층적 복합 재료를 포함하는 기계 또는 공구.
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