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KR102869752B1 - High-entropy carbide and manufacturing method thereof - Google Patents

High-entropy carbide and manufacturing method thereof

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KR102869752B1
KR102869752B1 KR1020220142479A KR20220142479A KR102869752B1 KR 102869752 B1 KR102869752 B1 KR 102869752B1 KR 1020220142479 A KR1020220142479 A KR 1020220142479A KR 20220142479 A KR20220142479 A KR 20220142479A KR 102869752 B1 KR102869752 B1 KR 102869752B1
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sintering
superhard material
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한국생산기술연구원
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Abstract

본 발명에 따른 고엔트로피 초경소재는 고엔트로피화가 가능한 원료 분말 및 바인더의 개발과 이들에 대한 최적의 성형/소결 방법 제시를 통해, 종래 초경소재로 사용되는 WC-Co합금계 초경합금의 주성분인 텅스텐 및 코발트를 대체 또는 사용량을 저감할 수 있으면서도 동등 이상의 기계적 특성을 만족하는 고엔트로피 초경소재를 제조할 수 있어서, 다양한 산업군으로의 활용도 제고 및 공급망 문제데 효과적으로 대비할 수 있음을 알 수 있다.The high-entropy superhard material according to the present invention can replace or reduce the amount of tungsten and cobalt, which are the main components of WC-Co alloy-based superhard alloys used as conventional superhard materials, while satisfying equivalent or higher mechanical properties, by developing raw material powders and binders capable of high entropy and suggesting an optimal molding/sintering method for them, thereby increasing utilization in various industrial groups and effectively preparing for supply chain problems.

Description

고엔트로피 초경소재 및 이의 제조방법{High-entropy carbide and manufacturing method thereof}High-entropy carbide and manufacturing method thereof

본 발명은 고엔트로피 초경소재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래 초경합금에 사용되는 소재를 대체 또는 저감할 수 있는 고성능의 분말야금 기반 초경소재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a high-entropy superhard material and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a high-performance powder metallurgy-based superhard material that can replace or reduce materials used in conventional superhard alloys and a method for manufacturing the same.

전통적으로 일반적인 합금계는 철, 구리, 알루미늄, 마그네슘, 티타늄과 같은 주요 원소와 다양한 소량의 합금 원소로 구성되어 있다. 통상적으로, 기존 다원소 합금의 경우, 합금 원소의 수와 양이 증가할수록 재료의 기계적 성질을 취약하게 하는 금속간 화합물을 형성한다. 하지만, 최근의 고엔트로피 합금(High-Entropy Alloy, HEA)의 출현은 기존 합금설계의 패러다임을 크게 변화시켰다. Traditionally, common alloy systems consist of major elements such as iron, copper, aluminum, magnesium, and titanium, along with various minor alloying elements. Typically, in conventional multi-element alloys, increasing the number and amount of alloying elements leads to the formation of intermetallic compounds, which degrade the mechanical properties of the material. However, the recent emergence of high-entropy alloys (HEAs) has significantly changed the paradigm of conventional alloy design.

고엔트로피 합금은 다수의 원소가 주요원소로 작용하는 합금으로 높은 혼합 엔트로피를 가지기 때문에 깁스 자유에너지가 낮아지므로 금속간 화합물이 형성되지 않고 연성이 우수한 새로운 개념인 신물질이다. 고엔트로피 합금은 높은 강도, 연신율 이외에도 고온 저항성, 내식성, 내산화성 등의 우수한 특성을 가지고 있어서 기존 소재의 한계를 극복할 수 있는 소재로서 다양한 분야에서 연구가 이루어지고 있다.High-entropy alloys (HEAs) are alloys composed of multiple elements as primary constituents. Because they possess high entropy of mixing, their Gibbs free energy of formation is low, preventing the formation of intermetallic compounds and resulting in superior ductility. In addition to high strength and elongation, HEAs possess exceptional properties such as high-temperature resistance, corrosion resistance, and oxidation resistance. Research is underway in various fields as a means of overcoming the limitations of existing materials.

특히, 초경합금 분야와 관련하여 고엔트로피 소재가 주목받고 있는데 초경합금이란주기율표 IVa, Va, VIa 족에 속하는 금속탄화물의 분말에 Fe, Co, Ni 등의 철족 금속을 혼합하여 소결 결합한 합금을 총칭한다. 이와 같은 합금은 실온 경도는 물론이고, 고온 경도가 우수하고, 강도가 높고, 물리적 성질이 안정한 것이 특징이다. 그 중에서 WC-Co합금의 기계적 성질이 가장 우수하여 이 합금계를 보통 초경합금이라 한다. 초경합금의 응용분야는 각종 절삭공구에서부터 내마모, 내충격용 공구, 고온 고압용 부품 및 초내열재료 등 넓은 범위에서 사용된다High-entropy materials are attracting attention, particularly in the field of cemented carbides. Cemented carbides are a general term for alloys formed by mixing and sintering iron group metals such as Fe, Co, and Ni into powders of metal carbides belonging to groups IVa, Va, and VIa of the periodic table. These alloys are characterized by excellent hardness at room temperature, high temperature hardness, high strength, and stable physical properties. Among them, the mechanical properties of the WC-Co alloy are the best, and this alloy system is commonly referred to as cemented carbides. Cemented carbides are widely used in various fields, including various cutting tools, wear-resistant and impact-resistant tools, high-temperature and high-pressure parts, and superheat-resistant materials.

이와 같은 WC-Co합금계 초경합금의 성분은 주성분인 입도 0.5~16㎛의 텅스텐 카바이드, 결합금속으로 첨가되는 입도 1.0~2.0㎛의 코발트, 및 고용체로 첨가되어 초경합금의 경도 및 내열성을 향상시키는 티타늄 카바이드와 초경합금의 내산화성을 향상시킴과 동시에 텅스텐 카바이드와 티타늄 카바이드의 입자성장을 억제하고, 초경합금의 내마모성과 강도를 향상시키는 탄탈륨 카바이드 등이 있다The components of this WC-Co alloy superalloy include tungsten carbide with a particle size of 0.5 to 16 ㎛ as the main component, cobalt with a particle size of 1.0 to 2.0 ㎛ added as a bonding metal, titanium carbide added as a solid solution to improve the hardness and heat resistance of the superalloy, and tantalum carbide that improves the oxidation resistance of the superalloy while suppressing the grain growth of tungsten carbide and titanium carbide and improving the wear resistance and strength of the superalloy.

그러나 현재까지 상술한 WC-Co합금계 초경합금 이외에 고엔트로피화에 의한 고성능 초경소재 및 이를 이용한 초경합금 신소재에 대한 기술개발은 전무한 실정이다. 즉 파괴인성, 상대밀도 및 경도 등의 기계적 물성이 우수한 고엔트로피화에 의한 고성능 초경소재를 개발하기 위해서는 초경 소재 특성의 고도화 관련 인자 도출은 물론, 고엔트로피 카바이드 원료분말의 선정에서부터 이들의 합성, 성형 및 소결방법에 대한 연구가 선행되어야 하는데 연구개발의 난이도로 인해 이에 대한 연구는 보고된 바 없다.However, to date, other than the WC-Co alloy-based cemented carbide described above, there has been no technological development on high-entropy-based high-performance cemented carbide materials and new cemented carbide materials using these materials. In other words, in order to develop high-entropy-based high-performance cemented carbide materials with excellent mechanical properties such as fracture toughness, relative density, and hardness, it is necessary to derive factors related to the advancement of the properties of cemented carbide materials, as well as conduct research on the selection of high-entropy carbide raw material powders, their synthesis, molding, and sintering methods. However, due to the difficulty of research and development, no research on this has been reported.

이에 따라 고엔트로피 초경합금인 가지고 있는 우수한 특성을 충분히 이용하고 다양한 산업군으로의 활용을 극대화하기 위하여는 파괴인성, 상대밀도 및 경도 등의 기계적 물성이 우수한 고엔트로피 카바이드 원료분말의 선정에서부터 이들의 합성, 성형 및 소결방법 전반에 대한 연구가 시급한 실정이다.Accordingly, in order to fully utilize the excellent properties of high-entropy superalloys and maximize their utilization in various industrial groups, there is an urgent need for research on the selection of high-entropy carbide raw material powders with excellent mechanical properties such as fracture toughness, relative density, and hardness, as well as on their synthesis, molding, and sintering methods.

대한민국 등록특허 1039631 (2011.06.01)Republic of Korea Patent No. 1039631 (June 1, 2011)

본 발명은 상술한 문제를 극복하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 고엔트로피화가 가능한 원료 분말 및 바인더의 개발과 이들에 대한 최적의 혼합, 성형/소결 방법을 제공하는데 있다. 이를 통해 종래 초경소재로 사용되는 WC-Co합금계 초경합금의 주성분인 텅스텐 및 코발트를 대체 또는 사용량을 저감할 수 있으면서도 동등 이상의 기계적 특성을 만족하는 고엔트로피 초경소재 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.The present invention has been conceived to overcome the aforementioned problems, and the problem to be solved by the present invention is to develop raw powders and binders capable of high entropy and to provide optimal mixing, molding, and sintering methods therefor. Through this, the present invention provides a high-entropy superhard material and a manufacturing method thereof that can replace or reduce the amount of tungsten and cobalt, which are the main components of conventional WC-Co alloy superhard alloys, while satisfying equivalent or higher mechanical properties.

본 발명은 상술한 과제를 해결하기 고엔트로피 초경소재의 제조방법으로서 적어도5종 이상의 전이금속이 포함되는 고엔트로피 카바이드 원료분말을 통해 고엔트로피 카바이드를 제조하는 제1단계, 고엔트로피 바인더를 제조하는 제2단계 및 상기 고엔트로피 카바이드 및 고엔트로피 바인더를 혼합, 성형 및 소결하여 고엔트로피 소결체를 제조하는 제3단계를 포함하며,The present invention is a method for manufacturing a high-entropy superhard material to solve the above-described problem, comprising a first step of manufacturing a high-entropy carbide using a high-entropy carbide raw material powder containing at least five kinds of transition metals, a second step of manufacturing a high-entropy binder, and a third step of manufacturing a high-entropy sintered body by mixing, molding, and sintering the high-entropy carbide and the high-entropy binder.

하기 관계식 (1) 및 (2)을 모두 만족하는 고엔트로피 초경소재를 제공한다.A high-entropy superhard material satisfying both the following relationships (1) and (2) is provided.

(1) 1,300 이상의 비커스경도(HV30)(1) Vickers hardness of 1,300 or more (HV30)

(2) 6 Mpaㆍm1/2 이상의 파괴인성(2) Fracture toughness of 6 Mpaㆍm 1/2 or more

또한, 본 발명 일 실시예에 의하면 상기 제1단계의 고엔트로피 카바이드 원료분말은 HfC, TaC, TiC, ZrC, NbC, VC, CrC, MoC 및 WC로 이루어진 군에서 선택되는 5종 인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, according to one embodiment of the present invention, the high-entropy carbide raw material powder of the first step may be characterized by being five kinds selected from the group consisting of HfC, TaC, TiC, ZrC, NbC, VC, CrC, MoC, and WC.

또한, 상기 제1단계는 대기 분위기 하에서 500 ~ 1,100 rpm(중력가속도 40G~90G)으로 15 ~ 90 분간 5~15: 1의 볼 및 분말 비율로 볼밀링하는 단계인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the first step may be characterized as a step of ball milling at a ball and powder ratio of 5 to 15:1 for 15 to 90 minutes at 500 to 1,100 rpm (gravitational acceleration of 40 G to 90 G) in an air atmosphere.

또한, 상기 제1단계를 통해 상기 고엔트로피 카바이드 원료분말이 다성분계 상에서 FCC 단상화 되는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, it can be characterized in that the high-entropy carbide raw material powder is FCC single-phased in a multi-component system through the first step.

또한, 상기 제1단계는 온도 유지구간이 적어도 1회 이상인 다단계 소결 단계인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the first step may be characterized as a multi-stage sintering step in which the temperature maintenance section is performed at least once.

또한, 상기 제1단계의 온도 유지구간은 1,500 ~ 2,000℃인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the temperature maintenance range of the first step may be characterized as being 1,500 to 2,000°C.

또한, 상기 제1단계는 50 ~ 65 MPa의 소결 압력으로 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.Additionally, the first step may be characterized by being performed at a sintering pressure of 50 to 65 MPa.

또한, 상기 제1단계는, 55 ~ 65 MPa의 압력 및 1,750 ~ 1,850℃의 온도에서 10분간 1단 소결한 후, 55 ~ 65 MPa의 압력 및 1,950 ~ 2,050℃의 온도에서 1분 ~ 10분간 2단 소결하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the first step may be characterized by performing a first stage sintering for 10 minutes at a pressure of 55 to 65 MPa and a temperature of 1,750 to 1,850°C, and then performing a second stage sintering for 1 to 10 minutes at a pressure of 55 to 65 MPa and a temperature of 1,950 to 2,050°C.

또한, 상기 고엔트로피 바인더는 알루미늄(Al), 코발트(Co), 구리(Cu), 크롬(Cr), 철(Fe) 및 니켈(Ni)에서 선택되는 어느 하나 이상의 물질로 가스아토마이징된 것을 특징으로 할 수 있다.Additionally, the high-entropy binder may be characterized by being gas-atomized with one or more materials selected from aluminum (Al), cobalt (Co), copper (Cu), chromium (Cr), iron (Fe), and nickel (Ni).

또한, 상기 제3단계 수행 전 고엔트로피 카바이드를 조분쇄 및 미세화하는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, it may be characterized by crushing and refining high-entropy carbide before performing the third step.

또한 본 발명은 HfC, TaC, TiC, ZrC, NbC, VC, CrC, MoC 및 WC로 이루어진 군에서 선택되는 5종의 고엔트로피 카바이드 원료분말 및 고엔트로피 바인더를 포함하며, 하기 관계식 (1) 및 (2)을 모두 만족하는 고엔트로피 초경소재를 제공한다.In addition, the present invention provides a high-entropy superhard material comprising five kinds of high-entropy carbide raw material powders selected from the group consisting of HfC, TaC, TiC, ZrC, NbC, VC, CrC, MoC and WC and a high-entropy binder, and satisfying both the following relationships (1) and (2).

(1) 1300 이상의 비커스경도(HV30)(1) Vickers hardness of 1300 or higher (HV30)

(2) 6 Mpaㆍm1/2 이상의 파괴인성(2) Fracture toughness of 6 Mpaㆍm 1/2 or more

본 발명에서 제시하는 고엔트로피화가 가능한 원료 분말 및 바인더의 개발과 이들에 대한 최적의 혼합, 성형/소결 방법을 통해, 종래 초경소재로 사용되는 WC-Co합금계 초경합금의 주성분인 텅스텐 및 코발트를 대체 또는 사용량을 저감할 수 있으면서도 동등 이상의 기계적 특성을 만족하는 고엔트로피계 초경소재를 제조할 수 있어서 다양한 산업군으로의 활용도 크게 제고시킬 수 있다.By developing a raw material powder and binder capable of high entropy formation as suggested in the present invention and an optimal mixing, molding/sintering method for them, it is possible to replace or reduce the amount of tungsten and cobalt, which are the main components of WC-Co alloy-based superhard alloys used as conventional superhard materials, while manufacturing a high-entropy superhard material that satisfies mechanical properties equivalent to or better, thereby greatly increasing its utilization in various industrial groups.

또한, 최근에 큰 사회적 이슈로 관심받고 있는, 공급망 안정화 문제(Global Value Chain:GVC)관련하여 종래의 초경소재의 주요성분인 텅스텐(W) 및 코발트(Co)의 대체 및 저감에 대한 요구가 크게 증가하고 있다. 상기 두 원소는 중국이 거의 전량 생산 및 공급하고 있는 대표적인 공급망 관리 품목이다. 이러한 측면에서 본 발명의 고엔트로피 초경소재는 W 및 Co를 완전 대체, 또는 매우 극미량 포함하는 조성이며, 일반적으로 고엔트로피 소재는 3~5종 이상 동등한 양의 원소로 구성되어 있어, 일부 구성소재의 공급망 문제 발생 시 해당 원소를 제외한 유사 특성을 갖는 다른 원소로 대체 가능하므로 공급망 이슈에 쉽게 대응이 가능한 장점이 있다.In addition, there is a growing demand for replacement and reduction of tungsten (W) and cobalt (Co), which are the main components of conventional superhard materials, in relation to the supply chain stabilization issue (Global Value Chain: GVC), which has recently attracted significant social attention. The above two elements are representative supply chain management items that are almost entirely produced and supplied by China. In this respect, the high-entropy superhard material of the present invention has a composition that completely replaces W and Co or contains very small amounts, and high-entropy materials are generally composed of 3 to 5 or more types of elements in equivalent amounts. Therefore, when a supply chain problem occurs in some component materials, it can be replaced with other elements with similar properties excluding the element in question, so there is an advantage in that it is easy to respond to supply chain issues.

도 1은 종래 초경소재로 대표적인 WC-Co합금의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고엔트로피 초경소재(카바이드+바인더)의 모식도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 원료 분말들의 SEM 이미지이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 밀링 후 초경분말을 나타내는 SEM 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고에너지 볼밀 장치를 나타내는 이미지이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 볼 및 분말 비율에 따른 영향을 나타내는 SEM이미지이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 밀링 조건 중 rpm에 따른 영향을 나타내는 SEM이미지이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 볼 및 자 재질에 따른 영향을 나타내는 SEM이미지이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 밀링 시간에 따른 영향을 나타내는 SEM이미지이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전이금속 카바이드의 밀링 시간에 따른 EDS mapping 이미지이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전이금속 카바이드의 밀링 시간에 따른 XRD 분석 결과이다.
도 11는 본 발명이 일 실시예에 따른 신속 소결장치를 나타내는 이미지이다.
도 12은 최대 소결 온도 구간에 따른 소결체의 불량을 나타내는 이미지이다.
도 13은 본 발명에 따른 소결 온도 구간을 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 고엔트로피 카바이드 소결체의 XRD 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따라 1단 및 2단 소결법을 사용한 고엔트로피 카바이드 소결체의 비커스 경도와 파괴인성을 나타내는 그래프이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 고엔트로피 카바이드 소결체의 밀도와 비커스 경도를 나타내는 표이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 소결 온도에 카바이드의 미세조직을 나타내는 이미지이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 소결 온도에 따른 입자크기를 나타내는 그래프이다.
도 19및 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 소결 온도에 따른 기계적 물성을 나타내는 그래프이다.
도 21은 고엔트로피 카바이드 또는 고엔트로피 바인더의 60분 밀링 조건에서 조대화된 고엔트로피 카바이드가 존재함을 나타내는 이미지이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 초경소재의 기계적 물성을 나타내는 그래프이다.
도 23은 종래 일반적인 초경소재의 기계적 물성을 나타내는 그래프이다.
Figure 1 is a schematic diagram of a WC-Co alloy, a typical conventional superhard material.
Figure 2 is a schematic diagram of a high-entropy superhard material (carbide + binder) according to one embodiment of the present invention.
Figure 3a is an SEM image of raw material powders according to one embodiment of the present invention.
Figure 3b is a SEM image showing superhard powder after milling according to one embodiment of the present invention.
Figure 4 is an image showing a high-energy ball mill device according to one embodiment of the present invention.
Figure 5 is an SEM image showing the influence of ball and powder ratio according to one embodiment of the present invention.
Figure 6 is an SEM image showing the influence of rpm among milling conditions according to one embodiment of the present invention.
Figure 7 is an SEM image showing the influence of ball and magnet materials according to one embodiment of the present invention.
Figure 8 is an SEM image showing the effect of milling time according to one embodiment of the present invention.
Figure 9 is an EDS mapping image according to milling time of a transition metal carbide according to one embodiment of the present invention.
Figure 10 shows the results of XRD analysis according to milling time of transition metal carbide according to one embodiment of the present invention.
Figure 11 is an image showing a rapid sintering device according to one embodiment of the present invention.
Figure 12 is an image showing defects in sintered bodies according to the maximum sintering temperature range.
Figure 13 is a graph showing the sintering temperature range according to the present invention.
Fig. 14 is a graph showing the results of XRD analysis of a high-entropy carbide sintered body according to one embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a graph showing the Vickers hardness and fracture toughness of high-entropy carbide sintered bodies using one-stage and two-stage sintering methods according to one embodiment of the present invention.
Figure 16 is a table showing the density and Vickers hardness of a high-entropy carbide sintered body according to one embodiment of the present invention.
Fig. 17 is an image showing the microstructure of carbide at a sintering temperature according to one embodiment of the present invention.
Fig. 18 is a graph showing particle size according to sintering temperature according to one embodiment of the present invention.
Figures 19 and 20 are graphs showing mechanical properties according to sintering temperature according to one embodiment of the present invention.
Figure 21 is an image showing the presence of coarse high-entropy carbide under 60-minute milling conditions of high-entropy carbide or high-entropy binder.
Figure 22 is a graph showing the mechanical properties of a superhard material according to one embodiment of the present invention.
Figure 23 is a graph showing the mechanical properties of conventional superhard materials.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the invention. The present invention may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein.

상술한 것과 같이 종래 초경소재는 고엔트로피화에 따른 기계적 물성 향상에 대한 연구가 제한적이서 이에 대한 활용에 제한이 있다. As described above, research on the improvement of mechanical properties of conventional superhard materials due to high entropy is limited, and thus their utilization is limited.

이에 따라, 본 발명은 고엔트로피 초경소재의 제조방법으로서, 적어도5종 이상의 전이금속이 포함되는 고엔트로피 카바이드 원료분말을 통해 고엔트로피 카바이드를 제조하는 제1단계, 고엔트로피 바인더를 제조하는 제2단계 및 상기 고엔트로피 카바이드 및 고엔트로피 바인더를 혼합, 성형 및 소결하여 고엔트로피 소결체를 제조하는 제3단계를 포함하며, 하기 관계식 (1) 및 (2)를 모두 만족하는 고엔트로피 초경소재의 제조방법을 제공하여 상술한 문제의 해결을 모색하였다.Accordingly, the present invention seeks to solve the above-described problem by providing a method for manufacturing a high-entropy superhard material, comprising a first step of manufacturing a high-entropy carbide using a high-entropy carbide raw material powder containing at least five kinds of transition metals, a second step of manufacturing a high-entropy binder, and a third step of manufacturing a high-entropy sintered body by mixing, molding, and sintering the high-entropy carbide and the high-entropy binder, and satisfying both the following equations (1) and (2).

(1) 1300 이상의 비커스경도(HV30)(1) Vickers hardness of 1300 or higher (HV30)

(2) 6 Mpaㆍm1/2 이상의 파괴인성(2) Fracture toughness of 6 Mpaㆍm 1/2 or more

이를 통해, 본 발명에서 제시하는 고엔트로피화가 가능한 원료 분말 및 바인더의 개발과 이들에 대한 최적의 혼합, 성형/소결 방법을 통해, 종래 초경소재로 사용되는 WC-Co합금계 초경합금의 주성분인 텅스텐 및 코발트를 대체 또는 사용량을 저감할 수 있으면서도 동등 이상의 기계적 특성을 만족하는 고엔트로피계 초경소재를 제조할 수 있어서 다양한 산업군으로의 활용도 크게 제고시킬 수 있다Through this, through the development of raw material powder and binder capable of high entropy as suggested in the present invention and the optimal mixing, molding/sintering method for them, it is possible to replace or reduce the amount of tungsten and cobalt, which are the main components of WC-Co alloy-based superalloys used as conventional superalloys, while manufacturing high entropy superalloys that satisfy equivalent or higher mechanical properties, thereby greatly increasing their utilization in various industrial groups.

이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 고엔트로피 초경소재의 제조방법을 설명한다.Referring to the drawings below, a method for manufacturing a high-entropy superhard material according to the present invention is described.

본 발명에 따른 고엔트로피 초경소재의 제조방법 제1단계는 적어도5종 이상의 전이금속이 포함되는 고엔트로피 카바이드 원료분말을 통해 고엔트로피 카바이드를 제조하는 단계이다.The first step of the method for manufacturing a high-entropy superhard material according to the present invention is a step of manufacturing a high-entropy carbide using a high-entropy carbide raw material powder containing at least five types of transition metals.

도 1을 참조하면 종래 초경소재로 대표적인 WC-Co합금의 모식도를 알 수 있다. 이와 같은 종래 WC-Co합금은 텅스텐을 원료 분말로 하여 코발트 바인더 및 알루미늄 등의 미량 원소가 첨가되는데 현재 고엔트로피 합금의 다양한 산업군의 적용 영역을 넓히고 활용도를 극대화하며, 종래 물질들의 사용량을 저감하거나 대체하기 위한, 다양한 원소를 포함하는 새로운 고엔트로피 초경소재의 개발이 요구되고 있다.Referring to Figure 1, a schematic diagram of a typical WC-Co alloy, a conventional superhard material, can be seen. Such a conventional WC-Co alloy is made from tungsten as a raw material powder, with trace elements such as cobalt binder and aluminum added. Currently, there is a need to develop new high-entropy superhard materials containing various elements to expand the application areas of high-entropy alloys across various industries, maximize their utility, and reduce or replace the use of conventional materials.

이에 본 발명은 도 2의 모식도와 같이 본 발명은 고엔트로피화가 가능한 원료분말(High-Entory-Carbide, HEC)을 연구/개발 및 도출함으로써 새로운 소재의 고엔트로피 초경소재를 제공할 수 있다. Accordingly, the present invention can provide a new high-entropy superhard material by researching/developing and deriving a high-entropy raw material powder (High-Entory-Carbide, HEC) as shown in the schematic diagram of Fig. 2.

이를 위해 상기 고엔트로피 카바이드 원료분말은 고엔트로피화가 가능한 소재 중에서 선택될 수 있는데 고엔트로피화가 가능한 소재는 예를 들어 IVa, Va, VIa 족에 속하는 전이금속 중 결정구조가 유사한 전이금속을 선택하여 이들의 카바이드 소재를 사용할 수 있다. 보다 바람직하게는 원료분말은 HfC, TaC, TiC, ZrC, NbC, VC, CrC, MoC 및 WC로 이루어진 군에서 선택되는 5종일 수 있다. 상기 원료분말들의 경우 녹는점이 높은 편이고, 기계적 강도가 우수하며, 비슷한 분율로 합금 생성시 체심입방 구조 고엔트로피 합금을 형성할 수 있어서 보다 유리할 수 있다. 이에 따라 가장 바람직하게는 고엔트로피 카바이드 원료분말로 (Hf-Ta-Ti-Zr-Nb)C을 사용할 수 있다. 이 경우 상기 고엔트로피 카바이드 원료분말 HfC, TaC, TiC, ZrC, NbC 각각은 25~32: 7~12: 27~32: 13~20: 14~20의 중량비 조성을 가질 수 있다. To this end, the high-entropy carbide raw material powder can be selected from materials capable of being made into high entropy. For example, the high-entropy raw material can be a transition metal belonging to groups IVa, Va, and VIa, and a carbide material thereof can be used by selecting a transition metal with a similar crystal structure. More preferably, the raw material powder can be five kinds selected from the group consisting of HfC, TaC, TiC, ZrC, NbC, VC, CrC, MoC, and WC. The above raw material powders have a high melting point, excellent mechanical strength, and can form a body-centered cubic structure high-entropy alloy when an alloy is produced at a similar fraction, which may be more advantageous. Accordingly, (Hf-Ta-Ti-Zr-Nb)C can be most preferably used as the high-entropy carbide raw material powder. In this case, the high-entropy carbide raw material powders HfC, TaC, TiC, ZrC, and NbC may each have a weight ratio composition of 25~32: 7~12: 27~32: 13~20: 14~20.

한편, 상술한 바와 같이 상기 고엔트로피 카바이드 원료분말은 고엔트로피 특성을 나타내야 하는데 이를 위해서는 이들 원료분말이 균일하게 혼합될 수 있어야 하고, 미세화가 가능해야 한다. 이와 같은 특성을 만족해야 본 발명이 목적하는 종래 카바이드 소재의 동등 또는 그 이상의 기계적 물성을 나타낼 수 있다. 그러나 도 3a를 참조하면 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 (Hf-Ta-Ti-Zr-Nb)C 원료분말의 형상을 알 수 있는데, 대체로 그 표면이 날카롭고 불규칙적인 형상을 가짐을 알 수 있다. 이에 따라 본 발명은 후술할 최적의 밀링 또는 성형/소결 조건을 제시하여 분말의 미세화/균일화 및 혼합 특성을 향상시킬 수 있다. 즉 도 3b에 나타난 것과 같이 각진 형상을 갖는 원료분말이 밀링 시간 이 증가하면서 미세화되어 0.2 ~ 2 ㎛의 평균입경을 가지는 고엔트로피 카바이드의 제조가 가능하다.Meanwhile, as described above, the high-entropy carbide raw material powder must exhibit high-entropy characteristics. To achieve this, these raw material powders must be able to be uniformly mixed and refined. Only when these characteristics are satisfied can the present invention exhibit mechanical properties equivalent to or superior to those of conventional carbide materials. However, referring to Fig. 3a, the shape of the (Hf-Ta-Ti-Zr-Nb)C raw material powder according to a preferred embodiment of the present invention can be seen, and it can be seen that the surface generally has a sharp and irregular shape. Accordingly, the present invention can improve the refinement/homogenization and mixing characteristics of the powder by suggesting the optimal milling or molding/sintering conditions described below. That is, as shown in Fig. 3b, the raw material powder having an angular shape is refined as the milling time increases. It is possible to manufacture high-entropy carbide having an average particle size of 0.2 to 2 ㎛.

이를 위해 상기 제1단계는 대기 분위기 하에서 500 ~ 700 rpm으로 15 ~ 90 분간 5~15: 1의 볼 및 분말 비율로 도 4와 같은 장비를 이용하여 고에너지에서 볼밀링하는 단계일 수 있다.For this purpose, the first step may be a step of ball milling at high energy using equipment such as Fig. 4 with a ball and powder ratio of 5 to 15:1 for 15 to 90 minutes at 500 to 700 rpm in an air atmosphere.

이때 만일 상기 제1단계의 밀링속도가 500 rpm 미만일 경우 도 5에 나타난 이미지와 같이 불균일한 혼합 또는 미세화 면에서 불리하여 혼합특성이 저하될 수 있으며, 만일 상기 밀링속도가 700 rpm을 초과하는 경우 벽면에 적층되거나 회수율이 저하되는 문제가 있을 수 있다.At this time, if the milling speed of the first step is less than 500 rpm, the mixing characteristics may deteriorate due to uneven mixing or fine mixing as shown in the image in Fig. 5, and if the milling speed exceeds 700 rpm, there may be a problem of deposition on the wall or a decrease in the recovery rate.

또한, 만일 상기 볼 및 분말 비율이 15: 1을 초과하는 경우 도 6에 나타난 이미지와 같이 분말 회수율에 문제가 생겨서 밀링 효율이 저하되는 문제가 있을 수 있으며, 만일 상기 볼 및 분말 비율이 5: 1 미만일 경우 불균일한 혼합 또는 미세화 면에서 불리하여 혼합특성이 저하될 수 있다.In addition, if the ball and powder ratio exceeds 15:1, there may be a problem with the powder recovery rate as shown in the image in Fig. 6, which may result in a decrease in milling efficiency, and if the ball and powder ratio is less than 5:1, there may be a disadvantage in terms of uneven mixing or fine mixing, which may result in a decrease in mixing characteristics.

또한, 만일 상기 볼 및 자 재질은 도 7에 나타난 이미지와 같이 텅스텐 카바이드가 적절한데, 만일 금속(SUS) 또는 세라믹(ZrO2)을 사용하는 경우 충분한 충격량이 전달되지 않거나 불순물이 증가하는 문제가 있을 수 있다.In addition, if the ball and shaft material is tungsten carbide as shown in the image in Fig. 7, it is appropriate, but if metal (SUS) or ceramic (ZrO 2 ) is used, there may be a problem that sufficient impact is not transmitted or impurities increase.

또한, 만일 상기 제1단계의 밀링시간이 15분 미만일 경우 도 8에 나타난 이미지와 같이 불균일한 혼합 또는 미세화 면에서 불리하여 혼합특성이 저하될 수 있으며, 만일 상기 밀링시간이 90분을 초과하는 경우 밀링시간 증가에 따른 불순물이 증가하는 문제가 있을 수 있다. In addition, if the milling time of the first step is less than 15 minutes, the mixing characteristics may deteriorate due to uneven mixing or fine mixing as shown in the image in Fig. 8, and if the milling time exceeds 90 minutes, there may be a problem of impurities increasing as the milling time increases.

보다 구체적으로 도 9를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따를 경우 상기 전이금속 카바이드는 HfC, TaC, TiC, ZrC, NbC를 사용한 경우 밀링 시간에 따른 EDS mapping 이미지를 알 수 있는데 이를 통해 본 발명에 따른 고엔트로피 전이금속 초경분말은 특정 밀링 시간 이후에서부터 우수한 균일 분산성을 나타냄을 알 수 있다. 또한, 도 10의 XRD 분석 결과에서도 초기 밀링 시간(1, 5, 15분)에서 다양한 카바이드 상들이 관찰되었으나, 밀링 시간이 증가함에 따라 상들이 점차 합성되는 경향을 나타냄을 알 수 있다. 즉 본 발명은 상기 제1단계를 통해 상기 고엔트로피 카바이드 원료분말이 다성분계 상에서 FCC 단상화에 근접하게 합성시킬 수 있다.More specifically, referring to FIG. 9, in a preferred embodiment of the present invention, when the transition metal carbide uses HfC, TaC, TiC, ZrC, and NbC, the EDS mapping image according to the milling time can be seen, through which it can be seen that the high-entropy transition metal cemented carbide powder according to the present invention exhibits excellent uniform dispersibility after a certain milling time. In addition, in the XRD analysis results of FIG. 10, it can be seen that although various carbide phases were observed at the initial milling time (1, 5, 15 minutes), the phases tend to be gradually synthesized as the milling time increases. That is, the present invention can synthesize the high-entropy carbide raw material powder in a multi-component phase close to FCC single phase through the first step.

이때 상술한 본 발명의 제1단계의 밀링 조건은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 주요 밀링 조건을 설명한 것으로, 본 발명의 목적에 부합하는 한 분쇄나 열처리 등 공지의 통상적인 과정이 추가될 수 있다.At this time, the milling conditions of the first stage of the present invention described above describe the main milling conditions for achieving the purpose of the present invention, and conventional processes known in the art, such as grinding or heat treatment, may be added as long as they are consistent with the purpose of the present invention.

한편, 상기 제1단계는 고엔트로피 카바이드 밀링분말을 성형 및 소결하는 단계를 포함한다. 상술한 밀링분말을 이용하여 기계적 물성이 우수한 고엔트로피 카바이드 제조하기 위해서는 일반적으로 밀링 공정 후 소결체 제조 과정에서 소결체의 균열 등이 발생하지 않고 치밀화가 가능하도록 승온 속도, 시간, 압력 및 소결 유지 온도 등의 조건의 최적화가 필요하며, 만일 어느 하나의 조건이라도 적절하게 설계되지 않은 경우 목적하는 기계적 물성을 나타내기 어렵다.Meanwhile, the first step includes a step of molding and sintering high-entropy carbide milling powder. In order to manufacture high-entropy carbide with excellent mechanical properties using the above-described milling powder, it is generally necessary to optimize conditions such as heating rate, time, pressure, and sintering holding temperature so that cracks in the sintered body do not occur during the sintering process after the milling process and densification is possible. If even one of the conditions is not properly designed, it is difficult to exhibit the desired mechanical properties.

이에 따라 본 발명의 상기 제1단계는 바람직하게는 도 12의 장비를 이용하여 상기 고엔트로피 카바이드 밀링분말을 진공 분위기에서 50 ~ 65 MPa의 압력으로 초고압성형한 후 1,500 ~ 2,000℃온도에서 소결하는 단계일 수 있다. 이때 만일 온도가 2,000℃를 초과하는 경우 도 13에 나타난 것과 같이 카바이드 소결체의 불량이 발생할 수 있다. 또한 만일 온도가 1,500℃미만일 경우 카바이드 소결체의 균일화 및 미세화면에서 불리할 수 있다. Accordingly, the first step of the present invention may preferably be a step of ultra-high pressure molding the high-entropy carbide milling powder at a pressure of 50 to 65 MPa in a vacuum atmosphere using the equipment of FIG. 12 and then sintering at a temperature of 1,500 to 2,000°C. At this time, if the temperature exceeds 2,000°C, defects in the carbide sintered body may occur, as shown in FIG. 13. In addition, if the temperature is less than 1,500°C, it may be disadvantageous in the uniformity and micro-screen of the carbide sintered body.

또한, 도 13a 및 13b를 참조하면 상기 최대 온도 구간까지 승온은 80~120℃/분의 승온속도로 이루어질 수 있다. 80℃/분의 속도 미만으로 승온하는 경우 열처리 시간이 너무 길어져 바람직하지 않고, 120℃/분의 승온 속도를 초과하는 경우 가열에 투입되는 에너지 대비 공정 효율이 떨어지게 되므로 바람직하지 않다. 또한 냉각은 30~70℃/분으로 이루어질 수 있다.In addition, referring to FIGS. 13a and 13b, the temperature increase to the maximum temperature range can be achieved at a heating rate of 80 to 120°C/min. If the temperature increase is lower than 80°C/min, the heat treatment time becomes too long, which is undesirable. If the temperature increase is higher than 120°C/min, the process efficiency decreases compared to the energy input for heating, which is undesirable. In addition, the cooling can be achieved at a rate of 30 to 70°C/min.

보다 구체적으로 상기 소결 단계가 1회의 온도 유지구간(1,700 ~ 2,000℃를 가지는 1단 소결법인 도 13a, 도 14를 참조하면, 온도 유지구간이 1,700 ~ 2,000℃에서 10분간 1회만 소결한 1단계의 소결법으로 제조한 고엔트로피 카바이드 소결체의 XRD 결과를 통해 소결 온도가 증가함에 따라 ZrC, HfC 단일 원소들이 FCC 단상으로 합성되는 경향을 나타내는 것을 알 수 있고, 일부 HfO2, ZrO2 산화물 피크도 함께 검출되는 것을 알 수 있다. More specifically, referring to FIG. 13a and FIG. 14, which are single-stage sintering methods having a single temperature holding section (1,700 to 2,000°C), the XRD results of the high-entropy carbide sintered body manufactured by the single-stage sintering method in which the temperature holding section is sintered only once for 10 minutes at 1,700 to 2,000°C show that as the sintering temperature increases, single elements of ZrC and HfC tend to be synthesized in an FCC single phase, and some peaks of HfO 2 and ZrO 2 oxides are also detected.

이때, 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면 상기 제1단계의 소결 단계는 도 13b와 같이 온도 유지구간이 적어도 1회 이상인 다단계 소결 단계일 수 있다. 즉 상술한 도 13a는 상기 제1단계의 소결 단계가 1회의 온도 유지구간(1,700 ~ 2,000℃만 가지는 것을 나타내며 도 13b는 2회의 온도 유지구간을 가지는 것을 나타낸다.At this time, according to a preferred embodiment of the present invention, the sintering step of the first stage may be a multi-stage sintering step having at least one temperature maintenance section, as shown in FIG. 13b. That is, FIG. 13a described above shows that the sintering step of the first stage has only one temperature maintenance section (1,700 to 2,000°C), and FIG. 13b shows that it has two temperature maintenance sections.

보다 구체적으로 도 13b 및 도 15를 참조하면, 온도 유지구간이 1,750 ~ 1,850℃의 온도에서 10분간 1단 소결한 후 다시 55 ~ 65 MPa의 압력 및 1,950 ~ 2,050℃의 온도에서 1분 ~ 10분간 2단 소결하는 경우 전체적인 상대 밀도와 비커스 경도가 1단계 소결법 대비 우수함을 알 수 있다. 또한 도 15를 통해 비커스 경도를 향상시키는 주요 공정인자는 최종 소결온도의 유지시간이 결정립 크기 성장 최소화하는 면에서 중요함을 알 수 있으며, 상대 밀도를 향상시키기 위해서는 압력 변수가 가장 중요함을 알 수 있다.More specifically, referring to FIGS. 13b and 15, it can be seen that when the first stage sintering is performed at a temperature of 1,750 to 1,850°C for 10 minutes and then the second stage sintering is performed at a pressure of 55 to 65 MPa and a temperature of 1,950 to 2,050°C for 1 to 10 minutes, the overall relative density and Vickers hardness are superior to those of the single-stage sintering method. In addition, through FIG. 15, it can be seen that the main process factor for improving the Vickers hardness is that the holding time of the final sintering temperature is important in minimizing grain size growth, and the pressure variable is most important for improving the relative density.

다음 본 발명에 따른 고엔트로피 초경소재의 제조방법 제2단계는 상기 제1단계에서 제조한 고엔트로 카바이드와 혼합하기 위한 고엔트로피 바인더를 제조하는 단계이다.The second step of the method for manufacturing a high-entropy superhard material according to the present invention is a step of manufacturing a high-entropy binder for mixing with the high-entropy carbide manufactured in the first step.

상기 고엔트로피 바인더는 고엔트로피화가 가능한 물질이 사용될 수 있으며, 본 발명의 목적에 부합하는 한 공지의 통상적인 물질이 사용될 수 있으나 바람직하게는 망간(Mn), 알루미늄(Al), 코발트(Co), 구리(Cu), 크롬(Cr), 철(Fe) 및 니켈(Ni)로 가스아토마이징된 바인더를 사용하는 것이 후술할 분말 균일도 및 미세화면에서 보다 유리할 수 있다.The high-entropy binder may be a material capable of high entropy, and a known, conventional material may be used as long as it is suitable for the purpose of the present invention. However, it is preferable to use a gas-atomized binder made of manganese (Mn), aluminum (Al), cobalt (Co), copper (Cu), chromium (Cr), iron (Fe), and nickel (Ni), which may be more advantageous in terms of powder uniformity and fine screen, which will be described later.

본 발명의 일 실시예에 따를 때, 상기 고엔트로피 바인더가 망간(Mn), 코발트(Co), 철(Fe) 및 니켈(Ni)을 포함하여 이루어진 경우 종래 바인더로 사용되는 물질에 대한 저감이 가능할 수 있고, 또한 본 발명의 다른 실시예에 따를 때, 상기 고엔트로피 바인더가 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 철(Fe) 및 니켈(Ni)을 포함하여 이루어진 경우 종래 바인더로 사용되는 코발트를 대체할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, when the high-entropy binder comprises manganese (Mn), cobalt (Co), iron (Fe), and nickel (Ni), reduction in materials used as conventional binders may be possible, and further, according to another embodiment of the present invention, when the high-entropy binder comprises aluminum (Al), chromium (Cr), iron (Fe), and nickel (Ni), cobalt used as conventional binders may be replaced.

이때 상기 바인더는 상술한 물질을 포함하는 고엔트로피화가 가능한 물질에 대하여 공지의 통상적인 방법으로 제조할 수 있어서 특별히 제한하지 않는다.At this time, the binder can be manufactured using a known, conventional method for a material capable of high entropy including the above-described material, and is not particularly limited.

다음 본 발명에 따른 고엔트로피 초경소재의 제조방법 제3단계는 상기 고엔트로피 카바이드 및 고엔트로피 바인더를 혼합, 성형 및 소결하여 고엔트로피 소결체를 제조하는 단계이다.The third step of the method for manufacturing a high-entropy superhard material according to the present invention is a step of manufacturing a high-entropy sintered body by mixing, molding, and sintering the high-entropy carbide and the high-entropy binder.

본 발명은 상술한 것과 같이 종래 초경소재로서 텅스텐을 고엔트로피 카바이드로, 종래 코발트 바인더를 고엔트로피 바인더로 대체하여 사용함으로써 종래 초경소재보다 고성능의 신소재를 제공하는 것에 발명의 목적이 있는 바, 이들 고엔트로피 카바이드와 고엔트로피 바인더의 균일한 혼합이 요구된다.The purpose of the present invention is to provide a new material having higher performance than conventional superhard materials by replacing tungsten as a conventional superhard material with high-entropy carbide and replacing the conventional cobalt binder with a high-entropy binder as described above. Therefore, uniform mixing of the high-entropy carbide and the high-entropy binder is required.

이를 위해 상기 제3단계는 상술한 도 12의 장비를 이용하여 상기 고엔트로피 전이금속 카바이드 초경분말을 진공 분위기에서 40 ~ 60 MPa의 압력으로 초고압성형한 후 1,200 내지 1,400 ℃의 온도를 5 ~ 15 분간 유지하여 신속소결하는 단계일 수 있다. 이때 상기 1,200 내지 1,400 ℃의 온도는 최대 온도 구간으로 5 ~ 15 분간 유지시켜 줌으로써 소결체의 치밀화가 가능하다. 이때 만일 온도가 1,400℃를 초과하는 경우 소결체 불량이 발생할 수 있다. 또한 만일 온도가 1,200℃미만일 경우 소결체의 균일화 및 미세화면에서 불리할 수 있다. To this end, the third step may be a step of performing ultra-high pressure molding of the high-entropy transition metal carbide superhard powder using the equipment of FIG. 12 described above at a pressure of 40 to 60 MPa in a vacuum atmosphere, and then maintaining the temperature at 1,200 to 1,400°C for 5 to 15 minutes to rapidly sinter it. At this time, the temperature of 1,200 to 1,400°C is maintained as the maximum temperature range for 5 to 15 minutes, thereby enabling densification of the sintered body. At this time, if the temperature exceeds 1,400°C, sintered body defects may occur. In addition, if the temperature is lower than 1,200°C, it may be disadvantageous in uniformity and fine screen of the sintered body.

이때 상기 최대 온도 구간까지 승온은 80~120℃/분의 승온속도로 이루어질 수 있다. 80℃/분의 속도 미만으로 승온하는 경우 열처리 시간이 너무 길어져 바람직하지 않고, 120℃/분의 승온 속도를 초과하는 경우 가열에 투입되는 에너지 대비 공정 효율이 떨어지게 되므로 바람직하지 않다. 또한 냉각은 40~60℃/분으로 이루어질 수 있다.At this time, the temperature can be increased to the above maximum temperature range at a heating rate of 80 to 120°C/min. If the temperature is increased at a rate lower than 80°C/min, the heat treatment time becomes too long, which is undesirable. If the temperature is increased at a rate higher than 120°C/min, the process efficiency decreases compared to the energy input for heating, which is undesirable. In addition, cooling can be performed at a rate of 40 to 60°C/min.

한편, 도 21을 참조하면 고엔트로피 카바이드 또는 고엔트로피 바인더의 60분 밀링 조건에서 조대화된 고엔트로피 카바이드가 존재함을 알 수 있다. 이와 같이 목적하는 고성능의 고엔트로피 초경소재를 제조하기 위해서는 카바이드 및 바인더 분말을 혼합하기 전에 고엔트로피 카바이드의 조분쇄 및 미세화가 추가적으로 요구될 수 있다.Meanwhile, referring to FIG. 21, it can be seen that coarse high-entropy carbide exists under 60-minute milling conditions of high-entropy carbide or high-entropy binder. In order to manufacture the desired high-performance high-entropy superhard material, coarse grinding and refinement of the high-entropy carbide may be additionally required prior to mixing the carbide and binder powders.

이에 따라, 본 발명에 따른 고엔트로피 초경소재의 제조방법은 상기 제3단계 수행 전 고엔트로피 카바이드를 조분쇄 및 미세화하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우 제3단계의 고엔트로피 바인더와의 혼합 성형에서 카바이드 및 바인더와 혼합도와 소결체의 치밀도가 현격히 증가할 수 있다.Accordingly, the method for manufacturing a high-entropy superhard material according to the present invention may further include a step of coarsely crushing and refining the high-entropy carbide before performing the third step. In this case, the degree of mixing of the carbide and the binder and the density of the sintered body can be significantly increased during the mixing and molding with the high-entropy binder in the third step.

다음 본 발명에 따른 고엔트로피 초경소재에 대하여 설명한다. 다만 중복을 피하기 위해 상술한 고엔트로피 카바이드의 제조방법과 기술적 사상이 동일한 부분에 대하여는 설명을 생략한다.The following describes a high-entropy superhard material according to the present invention. However, to avoid duplication, descriptions of parts that share the same technical concept as the manufacturing method for the high-entropy carbide described above are omitted.

본 발명에 따른 고엔트로피 초경소재는 HfC, TaC, TiC, ZrC, NbC, VC, CrC, MoC 및 WC로 이루어진 군에서 선택되는 5종의 고엔트로피 카바이드 원료분말 및 고엔트로피 바인더를 포함하며, 하기 관계식 (1) 및 (2)을 모두 만족한다.The high-entropy superhard material according to the present invention comprises five kinds of high-entropy carbide raw material powders selected from the group consisting of HfC, TaC, TiC, ZrC, NbC, VC, CrC, MoC and WC and a high-entropy binder, and satisfies both the following relationships (1) and (2).

(1) 1300 이상의 비커스경도(HV30)(1) Vickers hardness of 1300 or higher (HV30)

(2) 6 Mpaㆍm1/2 이상의 파괴인성(2) Fracture toughness of 6 Mpaㆍm 1/2 or more

보다 구체적으로 도 22 및 23을 참조하면, 본 발명에 따른 고엔트로피 초경소재는 1,300 이상의 비커스 경도를 가질수 있다. 즉, 도 23에 나타낸 종래 WC-Co 초경소재와 동등 또는 우위를 갖는 기계적 특성(비커스 경도)을 나타냄을 알 수 있다. 만일 본 발명에 따른 고엔트로피 초경소재의 비커스 경도가 1,300 미만일 경우 피삭재의 절삭, 가공, 연마 성능이 저하될수 있다.More specifically, referring to FIGS. 22 and 23, the high-entropy superhard material according to the present invention can have a Vickers hardness of 1,300 or more. That is, it can be seen that it exhibits mechanical properties (Vickers hardness) that are equivalent to or superior to the conventional WC-Co superhard material shown in FIG. 23. If the Vickers hardness of the high-entropy superhard material according to the present invention is less than 1,300, the cutting, processing, and polishing performance of the workpiece may deteriorate.

또한 본 발명에 따른 고엔트로피 초경소재는 6 Mpaㆍm1/2 이상의 파괴인성을 나타냄을 알 수 있다. 만일 본 발명에 따른 고엔트로피 초경소재의 파괴인성이 7 Mpaㆍm1/2 미만일 경우 공구 수명이 현격히 감소할 수 있다.In addition, it can be seen that the high-entropy superhard material according to the present invention exhibits a fracture toughness of 6 Mpaㆍm 1/2 or more. If the fracture toughness of the high-entropy superhard material according to the present invention is less than 7 Mpaㆍm 1/2 , the tool life may be significantly reduced.

이를 종합하면, 본 발명에 고엔트로피 초경소재는 고엔트로피화가 가능한 원료 분말 및 바인더의 개발과 이들에 대한 최적의 성형/소결 방법 제시를 통해, 종래 초경소재로 사용되는 WC-Co합금계 초경합금의 주성분인 텅스텐 및 코발트를 대체 또는 사용량을 저감할 수 있으면서도 동등 이상의 기계적 특성을 만족하는 고엔트로피계 초경소재를 제조할 수 있어서, 초경합금의 우수한 내재적 물성을 충분히 이용함으로써 다양한 산업군으로의 활용도 크게 제고시킬 수 있으며, 공급망 문제 발생시 효과적으로 대응가능함을 알 수 있다.In summary, the high-entropy superhard material of the present invention can replace or reduce the amount of tungsten and cobalt, which are the main components of WC-Co alloy superhard alloys used as conventional superhard materials, while satisfying equivalent or higher mechanical properties by developing raw material powders and binders capable of high entropy and suggesting an optimal molding/sintering method for them, thereby manufacturing a high-entropy superhard material that can sufficiently utilize the excellent intrinsic properties of superhard alloys and can greatly increase their utilization in various industrial groups, and can effectively respond to supply chain problems that arise.

이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples, but the following examples do not limit the scope of the present invention, and should be interpreted as helping to understand the present invention.

준비예 1 - 볼 밀링Preparation Example 1 - Ball Milling

HfC, TaC, TiC, ZrC, NbC를 하기 표 1과 같은 조성을 가지도록 혼합하고 도 4과 같은 초고에너지 밀링 장비를 이용하여 하기 표 2와 같은 밀링조건에서 밀링하여 고엔트로피 카바이드 분말을 제조하였다.HfC, TaC, TiC, ZrC, and NbC were mixed to have the composition shown in Table 1 below, and milled under the milling conditions shown in Table 2 below using ultra-high energy milling equipment as shown in Fig. 4 to manufacture high-entropy carbide powder.

   HfCHfC TiCTiC TaCTaC ZrCZrC NbCNbC CompositionComposition at.%at.% 11 11 11 11 11 (HfTiTaZrNb)C(HfTiTaZrNb)C wt.%wt.% 29.229.2 9.29.2 29.629.6 15.815.8 16.116.1

준비예 2 내지 9Preparation examples 2 to 9

상기 준비예 1과 동일하게 제조하되, 상기 밀링 조건을 하기 표 2와 같이 다르게 하여 고엔트로피 카바이드 소결체를 제조하였다.A high-entropy carbide sintered body was manufactured in the same manner as in Preparation Example 1 above, but with different milling conditions as shown in Table 2 below.

밀링조건Milling conditions 자 재질Self-made material 볼 재질/크기Ball material/size BPRBPR RPMRPM 밀링 시간Milling time 분위기atmosphere 준비예 1Preparation Example 1 WCWC 초경 볼/5 øCarbide ball/5 ø 10:0110:01 600600 30분*2cyvle = 60 분30 minutes * 2 cycles = 60 minutes 대기atmosphere 준비예 2Preparation Example 2 세라믹Ceramic 초경 볼/5 øCarbide ball/5 ø 10:0110:01 600600 30분*2cyvle = 60 분30 minutes * 2 cycles = 60 minutes 대기atmosphere 준비예 3Preparation Example 3 금속metal 초경 볼/5 øCarbide ball/5 ø 10:0110:01 600600 30분*2cyvle = 60 분30 minutes * 2 cycles = 60 minutes 대기atmosphere 준비예 4Preparation Example 4 WCWC 초경 볼/5 øCarbide ball/5 ø 15:0115:01 600600 30분*2cyvle = 60 분30 minutes * 2 cycles = 60 minutes 대기atmosphere 준비예 5Preparation Example 5 WCWC 초경 볼/5 øCarbide ball/5 ø 20:0120:01 600600 30분*2cyvle = 60 분30 minutes * 2 cycles = 60 minutes 대기atmosphere 준비예 6Preparation Example 6 WCWC 초경 볼/5 øCarbide ball/5 ø 10:0110:01 200200 30분*2cyvle = 60 분30 minutes * 2 cycles = 60 minutes 대기atmosphere 준비예 7Preparation Example 7 WCWC 초경 볼/5 øCarbide ball/5 ø 10:0110:01 400400 30분*2cyvle = 60 분30 minutes * 2 cycles = 60 minutes 대기atmosphere 준비예 8Preparation Example 8 WCWC 초경 볼/5 øCarbide ball/5 ø 10:0110:01 600600 5분5 minutes 대기atmosphere 준비예 9Preparation Example 9 WCWC 초경 볼/5 øCarbide ball/5 ø 10:0110:01 600600 10분10 minutes 대기atmosphere

실험예 1 - SEM 이미지 분석Experimental Example 1 - SEM Image Analysis

상기 준비예 1에 따른 원료 분말 및 이들을 밀링한 고엔트로피 카바이드 분말 대한 SEM 이미지를 측정하고 이를 도 3a 및 도 3b에 나타내었다.SEM images of the raw material powder according to the above Preparation Example 1 and the high-entropy carbide powder milled from the same were measured and shown in Figs. 3a and 3b.

도 3a를 참조하면 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 (Hf-Ta-Ti-Zr-Nb)C 원료분말의 형상을 알 수 있는데, 대체로 그 표면이 날카롭고 불규칙적인 형상을 가짐을 알 수 있다. 그러나 본 발명에 따른 밀링 조건으로 준비예 1에 대한 밀링 단계를 수행한 도 3b에 나타난 것과 같이 각진 형상을 갖는 원료 분말이 밀링 시간 이 증가하면서 미세화되어 0.2 ~ 2 ㎛의 평균입경을 가지는 고엔트로피 전이금속 초경분말의 제조가 가능함을 알 수 있다.Referring to Fig. 3a, the shape of the (Hf-Ta-Ti-Zr-Nb)C raw material powder according to a preferred embodiment of the present invention can be seen, and it can be seen that the surface generally has a sharp and irregular shape. However, as shown in Fig. 3b, in which the milling step for Preparation Example 1 was performed under the milling conditions according to the present invention, the raw material powder having an angular shape was refined as the milling time increased. It can be seen that it is possible to manufacture high-entropy transition metal superhard powders having an average particle size of 0.2 to 2 ㎛.

실험예 2 - 밀링 조건에 따른 분석Experimental Example 2 - Analysis according to milling conditions

상기 준비예 1 내지 9에 대한 밀링 조건을 달리한 결과를 분석하고 이를 도 5 내지 10에 나타내었다.The results of varying the milling conditions for the above preparation examples 1 to 9 were analyzed and shown in Figures 5 to 10.

도 5를 참조하면, 상기 제1단계의 밀링속도가 500 rpm 미만일 준비예 6 및 7의 경우 불균일한 혼합 또는 미세화 면에서 불리하여 혼합특성이 저하될 수 있는 것을 알 수 있다.Referring to Fig. 5, it can be seen that in the case of Preparation Examples 6 and 7 where the milling speed of the first step is less than 500 rpm, the mixing characteristics may deteriorate due to uneven mixing or refinement.

도 6을 참조하면 만일 상기 볼 및 분말 비율이 15: 1을 초과하는 경우 준비예 5의 경우 분말 회수율에 문제가 생겨서 밀링 효율이 저하되는 문제가 있을 수 있는 것을 알 수 있다.Referring to Fig. 6, it can be seen that if the ball and powder ratio exceeds 15:1, in the case of Preparation Example 5, there may be a problem with the powder recovery rate, resulting in a decrease in milling efficiency.

도 7을 참조하면 볼 밀자의 재질과 관련하여 준비예 2 및 3의 경우 금속(SUS) 또는 세라믹(ZrO2)을 사용하는 경우 충분한 충격량이 전달되지 않거나 불순물이 증가하는 문제가 있을 수 있는 것을 알 수 있다.Referring to Fig. 7, it can be seen that in the case of Preparation Examples 2 and 3, when metal (SUS) or ceramic (ZrO 2 ) is used in relation to the material of the ball mill, there may be a problem in that sufficient impact is not transmitted or impurities increase.

도 8을 참조하면 만일 상기 제1단계의 밀링시간이 30분 미만인 준비예 8 및 9의 경우 불균일한 혼합 또는 미세화 면에서 불리하여 혼합특성이 저하될 수 있으며, 만일 상기 밀링시간이 90분을 초과하는 경우 밀링시간 증가에 따른 불순물이 증가하는 문제가 있을 수 있는 것을 알 수 있다.Referring to Fig. 8, it can be seen that in the case of Preparation Examples 8 and 9 where the milling time of the first step is less than 30 minutes, the mixing characteristics may be deteriorated due to uneven mixing or fine mixing, and if the milling time exceeds 90 minutes, there may be a problem of impurities increasing as the milling time increases.

도 9를 참조하면, 본 발명의 준비예 1에 대한 밀링 시간에 따른 EDS mapping 이미지를 알 수 있는데 이를 통해 본 발명에 따른 고엔트로피 전이금속 초경분말은 특정 밀링 시간 이후에서부터 우수한 균일 분산성을 나타냄을 알 수 있다. 나아가 도 10의 XRD 분석 결과에서도 초기 밀링 시간에서 다양한 카바이드 상들이 관찰되었으나, 밀링 시간이 증가함에 따라 상들이 점차 합성되는 경향을 나타냄을 알 수 있다.Referring to Fig. 9, EDS mapping images according to milling time for Preparation Example 1 of the present invention can be seen, through which it can be seen that the high-entropy transition metal cemented carbide powder according to the present invention exhibits excellent uniform dispersibility after a certain milling time. Furthermore, from the XRD analysis results of Fig. 10, it can be seen that although various carbide phases were observed at the initial milling time, the phases tended to be gradually synthesized as the milling time increased.

실시예 1 내지 6 - 고엔트로피 카바이드 제조(1단 소결)Examples 1 to 6 - High-entropy carbide production (one-step sintering)

상기 준비예 1에 대하여 상기 밀링 단계를 수행한 후 하기 표 3와 같이 소결 온도 및 입자 크기 특성, 최대온도 유지 시간 및 압력 달리하여 도 12와 같은 장비를 이용하여 고엔트로피 카바이드를 제조하였다.After performing the milling step for the above Preparation Example 1, high-entropy carbide was manufactured using equipment such as Fig. 12 by varying the sintering temperature and particle size characteristics, maximum temperature maintenance time, and pressure as shown in Table 3 below.

   실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 실시예 4Example 4 실시예 5Example 5 실시예 6Example 6 최대온도구간
(℃)
Maximum temperature range
(℃)
17001700 18001800 19001900 20002000 18001800 18001800
유지시간
(min)
Retention time
(min)
1010 1010 1010 1010 1010 1010
압력(MPa)Pressure (MPa) 5050 5050 5050 5050 5555 6060

실험예 3 -소결 조건에 따른 분석(1단 소결)Experimental Example 3 - Analysis according to sintering conditions (single-stage sintering)

도 13a, 도 14를 참조하면, 온도 유지구간이 1700 ~ 2000℃에서 10분간 1회만 소결한 1단계의 소결법으로 제조한 고엔트로피 카바이드 소결체의 XRD 결과를 통해 소결 온도가 증가함에 따라 ZrC, HfC 단일 원소들이 FCC 단상으로 합성되는 경향을 나타내는 것을 알 수 있고, 일부 HfO2, ZrO2 산화물 피크도 함께 검출되는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 13a and FIG. 14, the XRD results of the high-entropy carbide sintered body manufactured by a single-step sintering method in which the temperature is maintained at 1700 to 2000°C and sintered only once for 10 minutes show that as the sintering temperature increases, single elements of ZrC and HfC tend to be synthesized as a FCC single phase, and some peaks of HfO 2 and ZrO 2 oxides are also detected.

보다 구체적으로 1단계 소결법으로 제조한 고엔트로피계 카바이드에 대한 기계적 물성을 나타내는 도 16 및 도 17을 통해 소결온도가 증가하면서 마이크로 기공의 분율은 꾸준히 감소하는 경향을 나타내는 것을 알 수 있으며, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 (Hf-Ta-Ti-Zr-Nb)C 결정립자 크기 1-3㎛을 가지는 것을 알 수 있다.More specifically, through Figs. 16 and 17 showing the mechanical properties of high-entropy carbides manufactured by the one-step sintering method, it can be seen that as the sintering temperature increases, the fraction of micropores shows a tendency to steadily decrease, and it can be seen that (Hf-Ta-Ti-Zr-Nb)C has a crystal grain size of 1-3 ㎛ according to a preferred embodiment of the present invention.

또한 도 18을 통해 소결온도에 따른 입자 크기 변화를 알 수 있으며, 도 19를 통해 소결온도가 증가함에 따라 고엔트로피 카바이드 소결체 상대밀도도 증가하는 경향을 가지는 것을 알 수 있다. 이때 고밀도를 갖는 고엔트로피 카바이드 제조에 효과적인 압력은 60 MPa로 확인된다.In addition, through Fig. 18, it can be seen that the particle size changes according to the sintering temperature, and through Fig. 19, it can be seen that as the sintering temperature increases, the relative density of the high-entropy carbide sintered body also tends to increase. At this time, the effective pressure for producing high-density high-entropy carbide is confirmed to be 60 MPa.

또한, 도 20를 통해, 소결온도가 증가함에 따라 고엔트로피 카바이드 소결체 비커스 경도도 증가하는 경향을 가지는 것을 알 수 있으며, 마찬가지로 60 MPa의 소결 압력은 고엔트로피 카바이드의 경도를 향상시키는 데 효과적인 것을 알 수 있다.In addition, through Fig. 20, it can be seen that as the sintering temperature increases, the Vickers hardness of the high-entropy carbide sintered body also tends to increase, and similarly, it can be seen that a sintering pressure of 60 MPa is effective in improving the hardness of the high-entropy carbide.

실시예 7 - 고엔트로피 카바이드 제조(2단 소결)Example 7 - High-entropy carbide production (two-stage sintering)

상기 준비예 1에 대하여 상기 밀링 단계를 수행한 후 하기 도 13b 및 도 16과 같이 소결 온도, 압력 및 최대온도 유지 시간을 달리하여 도 12와 같은 장비를 이용하여 고엔트로피 카바이드를 제조하였다.After performing the milling step for the above Preparation Example 1, high-entropy carbide was manufactured using equipment such as FIG. 12 by varying the sintering temperature, pressure, and maximum temperature maintenance time as shown in FIG. 13b and FIG. 16 below.

도 15를 참조하면, 60 MPa의 압력 및 1800℃의 온도 유지구간에서 10분간 1단 소결한 후 다시 60 MPa의 압력 및 2000℃의 온도에서 10분간 2단 소결하는 경우 전체적인 상대 밀도와 비커스 경도가 1단계 소결법 대비 우수함을 알 수 있다. 또한 도 15를 통해 비커스 경도를 향상시키는 주요 공정인자는 최종 소결온도의 유지시간이 결정립 크기 성장 최소화하는 면에서 중요함을 알 수 있으며, 상대 밀도를 향상시키기 위해서는 압력 변수가 가장 중요함을 알 수 있다.Referring to Fig. 15, it can be seen that when single-stage sintering is performed for 10 minutes under a pressure of 60 MPa and a temperature of 1800°C, and then double-stage sintering is performed for 10 minutes under a pressure of 60 MPa and a temperature of 2000°C, the overall relative density and Vickers hardness are superior to those of the single-stage sintering method. In addition, through Fig. 15, it can be seen that the main process factor for improving Vickers hardness is the maintenance time of the final sintering temperature, which is important in minimizing grain size growth, and the pressure variable is the most important for improving the relative density.

준비예 - 고엔트로피 바인더 제조(가스분무법)Preparation Example - Manufacturing of High-Entropy Binder (Gas Atomization Method)

망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 알루미늄(Al) 중 적어도 4개 이상의 원소를 동등 비율 조성으로 제조하였다. 조성은 아래와 같이 코발트가 전혀 들어가지 않은 대체 조성, 미량 포함된 저감 조성으로 설계하였다.At least four elements among manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), chromium (Cr), and aluminum (Al) were manufactured in equal proportions. The composition was designed as an alternative composition that did not contain any cobalt, and a reduced composition that contained trace amounts, as shown below.

제조변수Manufacturing variables 제조조건Manufacturing conditions 오리피스orifice 세라믹, 내경(3~7mm)Ceramic, inner diameter (3-7 mm) 분사가스 종류 및 압력Type and pressure of injection gas 아르곤(Ar), 5~15barArgon (Ar), 5~15 bar 도가니 종류Crucible types 고순도 흑연high purity graphite 챔버 분위기Chamber atmosphere 질소nitrogen 노즐 분사각도Nozzle spray angle 15도15 degrees

제조예 - 고엔트로피 바인더(가스분무법)Manufacturing Example - High-Entropy Binder (Gas Atomization Method)

상기 준비예의 고엔트로피 바인더 조성 중 AlCoCuCrFeNi를 가스분무법으로 분말을 제조하였다. 가스분무공정의 캐리어 가스로는 아르곤(Ar)가스를 사용하였고, 산화 방지를 위해 챔버내부는 진공 후 질소가스(N2)를 수회 주입하여 불활성 분위기로 만들었다. 각 금속원소는 고순도 흑연도가니에 장입하고 고주파가열하여 용해 및 합금화하였다. 용탕은 완전 합금화를 위해 10분간 유지시킨 뒤, 노즐을 통해 흘려보내면서 고압의 아르곤가스와 충동시켜 분무하였다. 분무된 분말은 분급하여 200마이크론 크기 이하 분말만 포집하였다.Among the high-entropy binder compositions of the above preparation examples, AlCoCuCrFeNi was prepared into powder using a gas atomization method. Argon (Ar) gas was used as the carrier gas in the gas atomization process, and to prevent oxidation, the inside of the chamber was evacuated and then nitrogen gas (N2) was injected several times to create an inert atmosphere. Each metal element was placed in a high-purity graphite crucible and melted and alloyed by high-frequency heating. The molten metal was maintained for 10 minutes to ensure complete alloying, and then atomized by colliding with high-pressure argon gas while flowing through a nozzle. The atomized powder was classified to collect only powders smaller than 200 microns in size.

제조변수Manufacturing variables 제조조건Manufacturing conditions 오리피스orifice 세라믹, 내경(3~7mm)Ceramic, inner diameter (3-7 mm) 분사가스 종류 및 압력Type and pressure of injection gas 아르곤(Ar), 5~15barArgon (Ar), 5~15 bar 도가니 종류Crucible types 고순도 흑연high purity graphite 챔버 분위기Chamber atmosphere 질소nitrogen 노즐 분사각도Nozzle spray angle 15도15 degrees

제조예 - 고엔프로피 초경분말 혼합(파쇄 및 혼합)Manufacturing Example - Goenprofi Superhard Powder Mixing (Crushing and Mixing)

상기 실시예 6 및 7에서 제조된 고엔트로피 카바이드는 상기 제조예에서 제조된 바인더와 혼합하기 위해 조분쇄 및 미세화를 진행하였다. 이를 위해 통상의 조분쇄기 또는 순간적으로 1~2?quot;의 초고압으로 충격을 줄 수 있는 성형장비를 이용하여 수회 조분쇄 및 미세화를 진행하였다.The high-entropy carbides manufactured in Examples 6 and 7 were coarsely ground and refined for mixing with the binder manufactured in the above manufacturing example. To this end, coarsely ground and refined were performed several times using a conventional coarse grinder or a molding device capable of momentarily applying an ultra-high pressure of 1 to 2?quot;.

미세화된 카바이드는 바인더와 초고에너지 밀링공정으로 혼합을 진행하였으며, 고엔트로피 카바이드와 고엔트로피 바인더의 혼합비율은 사용목적에 따라 (100~85)wt%HEC + (0~15)wt% 범위로 다양하나, 본 실시예는 90%HEC + 10%HEB의 조성으로 초경소재를 제조하였다.The finely divided carbide was mixed with a binder through an ultra-high energy milling process, and the mixing ratio of the high-entropy carbide and the high-entropy binder varied in the range of (100-85) wt% HEC + (0-15) wt% depending on the intended use. However, in this example, a superhard material was manufactured with a composition of 90% HEC + 10% HEB.

제조예 - 고엔트로피 초경소재 제조Manufacturing Example - Manufacturing of High-Entropy Superhard Materials

상기 실시예 6에 따른 고엔트로피 카바이드에 AlCoCuCrFeNi 고엔트로피 바인더(조성비)를 도 12의 장비를 이용하여 진공분위기에서 50 MPa의 압력과 1300 ℃의 온도로 10 분간 유지하여 신속소결하여 최종 고엔트로피 초경소재를 제조하였다.The high-entropy carbide according to the above Example 6 was rapidly sintered using the equipment of Fig. 12 at a pressure of 50 MPa and a temperature of 1300°C for 10 minutes in a vacuum atmosphere with a high-entropy binder (composition ratio) of AlCoCuCrFeNi, to produce the final high-entropy superhard material.

실험예 4 - 초경소재의 기계적 물성 분석Experimental Example 4 - Mechanical Properties Analysis of Superhard Materials

상기 제조예에 대하여 비커스 경도와 파괴인성을 측정하고 이를 도 22에 나타내었으며, 종래 일반적인 초경소재에 대한 비커스 경도를 측정하여 도 23에 나타내었다.For the above manufacturing example, Vickers hardness and fracture toughness were measured and shown in Fig. 22, and Vickers hardness for conventional general superhard materials was measured and shown in Fig. 23.

보다 구체적으로 도 22 및 23를 참조하면, 본 발명에 따른 고엔트로피 초경소재는 1,300 이상의 비커스 경도를 가질수 있다. 즉, 도 23에 나타낸 종래 WC-Co 초경소재와 동등 또는 우위를 갖는 기계적 특성(비커스 경도)을 나타냄을 알 수 있다. 또한 본 발명에 따른 고엔트로피 초경소재는 6 Mpaㆍm1/2 이상의 파괴인성을 나타냄을 알 수 있다. More specifically, referring to FIGS. 22 and 23, the high-entropy superhard material according to the present invention can have a Vickers hardness of 1,300 or more. That is, it can be seen that it exhibits mechanical properties (Vickers hardness) that are equivalent to or superior to the conventional WC-Co superhard material shown in FIG. 23. In addition, it can be seen that the high-entropy superhard material according to the present invention exhibits a fracture toughness of 6 Mpaㆍm 1/2 or more.

Claims (11)

고엔트로피 초경소재의 제조방법으로서HfC, TaC, TiC, ZrC, NbC, VC, CrC, MoC 및 WC로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 5종 이상의 전이금속 카바이드를 포함하는 고엔트로피 카바이드 원료분말을 제조하는 제1단계;
Al, Co, Cu, Cr, Fe, Ni, Mn으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 3종 이상의 금속을 포함하는 고엔트로피 바인더를 제조하는 제2단계; 및
상기 고엔트로피 카바이드 및 고엔트로피 바인더를 혼합, 성형 및 소결하여 고엔트로피 소결체를 제조하는 제3단계; 를 포함하며,
하기 관계식 (1) 및 (2)를 모두 만족하고, 상기 고엔트로피 카바이드는 고엔트로피 효과로 인해 금속간 화합물을 형성하지 않는 단상 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 고엔트로피 초경소재의 제조방법.
(1) 1300 이상의 비커스경도(HV30)
(2) 6 Mpaㆍm1/2 이상의 파괴인성
A method for manufacturing a high-entropy superhard material, comprising: a first step of manufacturing a high-entropy carbide raw material powder comprising at least five kinds of transition metal carbides selected from the group consisting of HfC, TaC, TiC, ZrC, NbC, VC, CrC, MoC and WC;
A second step of manufacturing a high-entropy binder comprising at least three metals selected from the group consisting of Al, Co, Cu, Cr, Fe, Ni, and Mn; and
A third step of manufacturing a high-entropy sintered body by mixing, molding, and sintering the high-entropy carbide and the high-entropy binder;
A method for manufacturing a high-entropy superhard material, characterized in that both the following relations (1) and (2) are satisfied, and the high-entropy carbide has a single-phase structure that does not form an intermetallic compound due to the high-entropy effect.
(1) Vickers hardness of 1300 or higher (HV30)
(2) Fracture toughness of 6 Mpaㆍm 1/2 or more
제1항에 있어서,
상기 제1단계는 400 ~ 800 rpm으로 10 ~ 120 분간 3~20:1의 볼 및 분말 비율로 볼밀링하는 단계를 포함하며, 상기 볼밀링 단계를 통해 상기 고엔트로피 카바이드 원료분말의 균일한 혼합 및 미세화가 이루어지는 것을 특징으로 하는 고엔트로피 초경소재의 제조방법.

In the first paragraph,
A method for manufacturing a high-entropy superhard material, characterized in that the first step includes a ball milling step at 400 to 800 rpm for 10 to 120 minutes with a ball to powder ratio of 3 to 20:1, and the ball milling step allows uniform mixing and micronization of the high-entropy carbide raw material powder.

제1항에 있어서,
상기 제1단계를 통해 상기 고엔트로피 카바이드 원료분말이 다성분계 상에서 FCC 또는 BCC 단상으로 합성되는 것을 특징으로 하는 고엔트로피 초경소재의 제조방법.
In the first paragraph,
A method for manufacturing a high-entropy superhard material, characterized in that the high-entropy carbide raw material powder is synthesized into an FCC or BCC single phase in a multi-component system through the first step.
제1항에 있어서,
상기 제1단계는 온도 유지구간이 적어도 1회 이상인 소결 단계를 포함하고, 상기 소결 단계는 50 ~ 70 MPa의 소결 압력으로 수행되는 것을 특징으로 하는 고엔트로피 초경소재의 제조방법.
In the first paragraph,
A method for manufacturing a high-entropy superhard material, characterized in that the first step includes a sintering step in which the temperature maintenance section is performed at least once, and the sintering step is performed at a sintering pressure of 50 to 70 MPa.
제4항에 있어서,
상기 제1단계의 소결 단계는, 50 ~ 70 MPa의 압력 및 1,700 ~ 1,900℃의 온도에서 5분 ~ 15분간 1단 소결한 후, 50 ~ 70 MPa의 압력 및 1,900 ~ 2,100℃의 온도에서 1분 ~ 20분간 2단 소결하는 것을 특징으로 하는 고엔트로피 초경소재의 제조방법.
In paragraph 4,
A method for manufacturing a high-entropy superhard material, characterized in that the sintering step of the first step comprises first-stage sintering at a pressure of 50 to 70 MPa and a temperature of 1,700 to 1,900°C for 5 to 15 minutes, and then second-stage sintering at a pressure of 50 to 70 MPa and a temperature of 1,900 to 2,100°C for 1 to 20 minutes.
제1항에 있어서,
상기 제3단계 수행 전 상기 고엔트로피 카바이드를 조분쇄 및 미세화하여 0.2 ~ 2 μm의 평균입경을 가지도록 하는 것을 특징으로 하는 고엔트로피 초경소재의 제조방법.
In the first paragraph,
A method for manufacturing a high-entropy superhard material, characterized in that the high-entropy carbide is crushed and refined before performing the third step to have an average particle size of 0.2 to 2 μm.
제5항에 있어서,
상기 고엔트로피 바인더는 가스아토마이징 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 고엔트로피 초경소재의 제조방법.
In paragraph 5,
A method for manufacturing a high-entropy superhard material, characterized in that the high-entropy binder is manufactured by a gas atomizing method.
제1항에 있어서,
상기 제3단계는 40 ~ 65 MPa의 압력 및 1,200 ~ 1,400℃의 온도에서 5 ~ 15분간 소결하는 것을 특징으로 하는 고엔트로피 초경소재의 제조방법.
In the first paragraph,
A method for manufacturing a high-entropy superhard material, characterized in that the third step is sintering at a pressure of 40 to 65 MPa and a temperature of 1,200 to 1,400°C for 5 to 15 minutes.
HfC, TaC, TiC, ZrC, NbC, VC, CrC, MoC 및 WC로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 5종 이상의 전이금속을 포함하는 고엔트로피 카바이드; 및
Al, Co, Cu, Cr, Fe, Ni, Mn으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 3종 이상의 금속을 포함하는 고엔트로피 바인더;를 포함하며,
하기 관계식 (1) 및 (2)를 모두 만족하고, 상기 고엔트로피 카바이드는 고엔트로피 효과로 인해 금속간 화합물을 형성하지 않는 단상 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 고엔트로피 초경소재.
(1) 1,300 이상의 비커스경도(HV30)
(2) 6 MPa·m¹/² 이상의 파괴인성
A high-entropy carbide comprising at least five transition metals selected from the group consisting of HfC, TaC, TiC, ZrC, NbC, VC, CrC, MoC and WC; and
A high-entropy binder comprising at least three metals selected from the group consisting of Al, Co, Cu, Cr, Fe, Ni, and Mn;
A high-entropy superhard material characterized by satisfying both the following relations (1) and (2), and having a single-phase structure in which the high-entropy carbide does not form an intermetallic compound due to the high-entropy effect.
(1) Vickers hardness of 1,300 or more (HV30)
(2) Fracture toughness of 6 MPa·m¹/² or more
제9항에 있어서,
상기 고엔트로피 카바이드는 0.2 ~ 2 μm의 평균입경을 가지고, 상기 고엔트로피 바인더는 가스아토마이징 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 고엔트로피 초경소재.
In paragraph 9,
A high-entropy superhard material characterized in that the high-entropy carbide has an average particle diameter of 0.2 to 2 μm and the high-entropy binder is manufactured by a gas atomizing method.
제9항 기재의 고엔트로피 초경소재를 포함하는 절삭공구.

A cutting tool comprising the high-entropy superhard material described in Article 9.

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WO2022204556A1 (en) * 2021-03-26 2022-09-29 Nutech Ventures High-entropy metal/ceramic composite materials for harsh environments

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