W-Ni-Fe 중합금의 기계적 특성에 미치는 미세조직의 영향

Abstract

일반적으로 90wt.% 이상의 W에 바인더로써 Ni, Fe 또는 Ni, Cu를 사용하여 액상소결을 통해 합금화되는 텅스텐 중합금은 1950년대에 처음 개발된 일종의 복합재료로 우수한 기계적 특성으로 인해 장갑판 파괴용 운동에너지탄의 관통자 (penetrator), 방사선과 X-선 차폐재 (radiation shielding materials), gyroscope의 추 (counter weight materials) 등에 널리 사용되고 있다. 그 중 장갑판 파괴용 운동에너지탄의 관통자로 가장 많이 사용되는데, 관통자로서 사용되기 위해선 높은 밀도와 함께 우수한 기계적 특성이 요구된다. 또한 관통 시 재료의 첨단부위의 단열전단밴드(adiabatic shear band) 생성이 용이할수록 유리한데 이는 관통이 일어나는 동안 재료의 자기첨예화(self-sharpening) 현상을 일으키며 관통되는 효과를 갖기 때문이다. 이에 따라 본 연구에서는 텅스텐 중합금의 고속변형 특성 향상에 가장 큰 영향을 미치는 기계적 특성의 향상과 자기첨예화 현상을 유도하기 위해 첫째, 텅스텐 중합금에서 형성되는 제 3상인 금속간 화합물 μ-phase를 이용하고자 하였다. W 결정립 주위에 고온안정상인 brittle한 μ-phase가 균질하게 분포되면 크랙의 생성 및 성장을 촉진시킬 수 있어 단열전단밴드의 생성 없이 크랙의 전파를 통한 자기첨예화 효과를 기대할 수 있다. 둘째, 온도에 따라 μ-phase의 생성조성이 달라짐을 확인 하여 열처리 과정을 통해 기존 소결에 의한 미세조직보다 균질하고 많은 양의 기지상 확보를 통해 금속간 화합물 생성으로 인한 연성저하를 억제하고자 하는 연구를 진행하였다. 끝으로 제 4원소인 Mn 첨가를 통해 텅스텐 중합금의 열전도도를 감소시키고 융점이 낮아지는 효과를 통해 열연화율을 증가시켜 단열전단 변형을 위한 임계변형속도를 감소시켜 텅스텐 중합금에서도 자기첨예화 현상을 유도하고자 하였다. μ-phase를 통한 고속변형 특성 향상을 위해선 텅스텐 중합금의 연신율과 인장강도를 크게 저하시키지 않는 범위에서의 μ-phase 생성이 이루어져야 하며, 이는 생성된 μ-phase의 균질성에 따라 큰 차이를 가질 것이라 예상 됨에 따라 Ni과 Fe의 바인더 조성비 제어를 통하여 μ-phase를 균질하게 형성 시키고자 하였다. 제어된 미세조직이 기계적 특성에 미치는 영향에 대한 평가를 통해 관통특성향상에 대한 가능성을 확인 하였다. 열처리를 통한 μ-phase생성의 경우 소결시 생성되는 거동과는 달리 이미 만들어진 기지상의 Fe가 열처리를 통해 W 계면에서 상호 확산에 의해 μ-phase를 생성시키게 되므로 인해 기존 소결체와는 달리 μ-phase가 뭉치는 현상 없이 W입자 주변에 보다 균질하게 생성 되었으며 낮은 Fe함량에도 생성이 이루어 지므로 액상량 또한 기존보다 많은 분율을 갖게 되어 인성특성 확보도 가능함을 확인 하였다. Mn 첨가시 고속변형특성 변화 연구는 재소결 방법으로 첨가된 Mn이 기지상에 우선적으로 용해되면서 이미 기지상에 용해되어 있던 W의 고용도를 감소시켜 이로 인해 액상에 고용되어 있던 W의 석출이 일어났으며 Mn의 영향으로 인한 기지상의 젖음성이 향상되어 W 입자간의 contiguity가 눈에 띄게 감소하였으며 이에 따라 기계적 특성 또한 향상되었다.