초경 공구의 절삭성 및 수명 향상을 위해서는 표면 내마모성 및 고경도 특성이 요구되며, 이러한 특성들은 공구 표면 코팅층의 물성과 매우 밀접한 관련이 있음. 최근 multi-layer 코팅에 대한 연구가 진행되고 있고, 각각의 코팅층 소재를 달리하여 물성을 향상 시키는 방법과 mono layer 코팅층에 복합상을 형성시켜 물성을 향상시키는 연구들이 해외 선진사로부터 진행되고 있음.
고엔트로피 합금은 합금 조성에 따라, 단상 또는 다상구조로 형성되는 것으로 알려져 있고 주로 FCC/BCC 결정구조를 갖는 것으로 보고됨. 또한, 기존 상용합금의 단일 성분을 주성분으로 하지 않고, 고엔트로피 합금은 5개 이상의 합금 원소를 모두 주원소로 하여 설계된 합금으로 높은 격자 뒤틀림 및 엔트로피 효과에 의한 미세한 결정립 형성으로부터 우수한 기계적 특성을 얻을 수 있다고 보고된 바 있음.
이러한 고엔트로피 합금의 특성과 더불어 극미세 결정립의 형성을 유도한다면 더욱 우수한 기계적 특성을 갖는 코팅 소재 개발이 가능할 것으로 판단하였음. 이를 위한 방법으로 비정질 구조를 기반으로 나노결정립화가 가능한 고엔트로피 합금 조성을 개발하고자 하였음. 이를 위해 기존에 보고된 고엔트로피 합금인 TiZrHfCuFe 합금 조성을 포함하여 총 4종의 합금 (TiZrHfCuFe, TiZrHFCuNiCo, TiZrHFCuNiAl, TiZrHfCuNi)을 설계 하였음.
합금은 열처리 온도가 증가함에 따라서 결정화 개시 이전의 유지 시간 및 결정화 개시-완료에 필요한 시간이 급격히 감소하는 특성을 나타내었음. 시차주사열량 분석 결과를 Johnson-Mehl-Avrami 방정식에 적용하여 Avrami 지수를 분석하였고, 이를 통해 결정화 기구에 대해 분석을 진행한 결과, 모든 합금은 다결정화 기구에 의해 결정화가 이루어 지는 것을 확인할 수 있었음.
또한, local Avrami 지수에 대한 분석을 통해, 열처리 온도가에 따른 핵생성 속도에 대해 고찰한 결과, 열처리 온도가 상대적으로 낮은 경우, 결정화가 진행됨에 따라 핵생성 속도가 감소하는데 반해, 열처리 온도가 높은 경우, 결정화가 진행됨에 따라 핵생성 속도가 증가하는 경향을 확인할 수 있었음.
이러한 결과로부터, 극미세 구조의 나노결정립 고엔트로피 합금을 제조하기 위해서는 고온 조건에서의 열처리가 효과적이라는 결과를 도출하였음.
고온 조건에서 열처리를 통해 결정화된 극미세 고엔트로피 합금의 미세조직 및 화학적 특성 분석을 위해 투과전자현미경 분석을 실시한 결과를 [그림 95]에 나타내었음. 투과전자현민경 사진에서 보이는 바와 같이 합금은 약 20-100 nm 크기를 갖는 결정립으로 이루어져 있고, 형성된 결정립들은 ordered BCC 구조를 갖는 B2상으로 확인되었음. 결정화 과정에서 합금 원소들의 용질분리 또는 편석 발생 유무를 확인하기 위해 EDS 원소 분포 분석을 진행한 결과 모든 합금 원소들은 균질한게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있었음.
본 사업의 기업 애로기술 지원을 통해 고경도 공구 코팅층 설계를 위한 합금 target용 합금 개발을 위한 기초 합금 설계 지원을 진행하였고, 이를 통해 요구되는 미세조직적 특성을 갖는 기초 합금을 설계할 수 있었음.
초경 공구의 절삭성 및 수명 향상을 위해서는 표면 내마모성 및 고경도 특성이 요구되며, 이러한 특성들은 공구 표면 코팅층의 물성과 매우 밀접한 관련이 있음. 최근 multi-layer 코팅에 대한 연구가 진행되고 있고, 각각의 코팅층 소재를 달리하여 물성을 향상 시키는 방법과 mono layer 코팅층에 복합상을 형성시켜 물성을 향상시키는 연구들이 해외 선진사로부터 진행되고 있음.
고엔트로피 합금은 합금 조성에 따라, 단상 또는 다상구조로 형성되는 것으로 알려져 있고 주로 FCC/BCC 결정구조를 갖는 것으로 보고됨. 또한, 기존 상용합금의 단일 성분을 주성분으로 하지 않고, 고엔트로피 합금은 5개 이상의 합금 원소를 모두 주원소로 하여 설계된 합금으로 높은 격자 뒤틀림 및 엔트로피 효과에 의한 미세한 결정립 형성으로부터 우수한 기계적 특성을 얻을 수 있다고 보고된 바 있음.
이러한 고엔트로피 합금의 특성과 더불어 극미세 결정립의 형성을 유도한다면 더욱 우수한 기계적 특성을 갖는 코팅 소재 개발이 가능할 것으로 판단하였음. 이를 위한 방법으로 비정질 구조를 기반으로 나노결정립화가 가능한 고엔트로피 합금 조성을 개발하고자 하였음. 이를 위해 기존에 보고된 고엔트로피 합금인 TiZrHfCuFe 합금 조성을 포함하여 총 4종의 합금 (TiZrHfCuFe, TiZrHFCuNiCo, TiZrHFCuNiAl, TiZrHfCuNi)을 설계 하였음.
합금은 열처리 온도가 증가함에 따라서 결정화 개시 이전의 유지 시간 및 결정화 개시-완료에 필요한 시간이 급격히 감소하는 특성을 나타내었음. 시차주사열량 분석 결과를 Johnson-Mehl-Avrami 방정식에 적용하여 Avrami 지수를 분석하였고, 이를 통해 결정화 기구에 대해 분석을 진행한 결과, 모든 합금은 다결정화 기구에 의해 결정화가 이루어 지는 것을 확인할 수 있었음.
또한, local Avrami 지수에 대한 분석을 통해, 열처리 온도가에 따른 핵생성 속도에 대해 고찰한 결과, 열처리 온도가 상대적으로 낮은 경우, 결정화가 진행됨에 따라 핵생성 속도가 감소하는데 반해, 열처리 온도가 높은 경우, 결정화가 진행됨에 따라 핵생성 속도가 증가하는 경향을 확인할 수 있었음.
이러한 결과로부터, 극미세 구조의 나노결정립 고엔트로피 합금을 제조하기 위해서는 고온 조건에서의 열처리가 효과적이라는 결과를 도출하였음.
고온 조건에서 열처리를 통해 결정화된 극미세 고엔트로피 합금의 미세조직 및 화학적 특성 분석을 위해 투과전자현미경 분석을 실시한 결과를 [그림 95]에 나타내었음. 투과전자현민경 사진에서 보이는 바와 같이 합금은 약 20-100 nm 크기를 갖는 결정립으로 이루어져 있고, 형성된 결정립들은 ordered BCC 구조를 갖는 B2상으로 확인되었음. 결정화 과정에서 합금 원소들의 용질분리 또는 편석 발생 유무를 확인하기 위해 EDS 원소 분포 분석을 진행한 결과 모든 합금 원소들은 균질한게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있었음.
본 사업의 기업 애로기술 지원을 통해 고경도 공구 코팅층 설계를 위한 합금 target용 합금 개발을 위한 기초 합금 설계 지원을 진행하였고, 이를 통해 요구되는 미세조직적 특성을 갖는 기초 합금을 설계할 수 있었음.