KR0122468B1 - 세라믹섬유강화 금속복합재료의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 세라믹섬유강화 금속복합재료의 제조방법에 관한 것으로, 알루미나:40~50wt%, 실리카:30~45wt%, 지르코니아:10~20wt%, 기타:0~5wt%로 이루어진 지르코니아가 참가된 알루미나 실리카계섬유와 알루미늄, 마그네슘합금에서 선택된 기지금속으로 구성되어 있는 복합재료의 세라믹섬유의 체적분율이 5~20VOL%이고, 입경이 150μ이상인 비섬유 입자가 6wt%이하로 된 상기 지르코나아가 첨가된 알루미나 실리카섬유 재료내에 포함되어 있어, 경도, 압축강도, 축력, 고온특성 등을 저렴한 가격으로 획기적으로 향상시키며, 이는 기존 주철재 부품중에서, 특히 압축강도, 축력, 고온특성(최대 300℃), 마모특성이 요구부품을 상기 섬유로 강화된 복합재료로 대체가 가능하다.

Description

세라믹섬유강화 금속복합재료의제조방법

제1도는 본 발명에 따른 예비성형체의 섬유배향 상태를 표시한 종방향 및 횡방향 단면도들.

제2도는 본 발명에 따른 복합재료가 가압주조법에 의해 제조되는 공정을 표시한 단면도.

제3도는 본 발명에 따른 복합재료로 성형된 엔진의 댐퍼허브(Damper-Hub)를 나타낸 단면도.

제4도는 본 발명에 따른 카오울(Kaowool) 및 HTZ(알루미나 실리카 지르코니아 세라믹섬유)로 강화된 복합재료(0,7,10,13%)와 주철재의 록크월 B스케일(Rockwell B-scale)경도를 나타내는 그래프.

제5도는 본 발명에 따른 카오울 및 HTZ섬유로 강도된 복합재료(0,7,10,13%)와 주철재의 압축강도를 나타내는 그래프.

제6도는 본 발명에 따른 HTZ섬유로 강화된 복합재료(체적분율 10%) 및 주철재의 열팽창계수를 나타내는 그래프.

제7도는 본 발명에 따른 HTZ섬유로 강화된 복합재료(체적분율 10%) 및 주철재의 시간에 따른 축력을 나타내는 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 예비성형체 2 : 하부램(RAM)

3 : 주형 4 : 몰드-캐비터

5 : 용탕 6 : 상부램

본 발명은 세라믹섬유강화 금속복합재료의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지르코니아가 함유된 알루미나 실리카를 강화섬유로 하고 알루미늄, 마그네슘 및 이것들을 주성분으로 하는 합금을 기지금속으로 하는 세라믹섬유강화 금속복합재료의 제조방법에 관한 것이다.

알루미늄 및 마그네슘합금은 저융점 및 경금속으로서 특히 자동차 부품에 사용이 증가되는 추세이다. 즉, 자동차 및 기타 부품의 고성능화, 경량화에 대한 요구는 기존 주철재를 알루미늄 및 마그네슘합금으로 대체하려는 노력으로 이어져 왔다.

또, 한편으로는 기존 재료의 사용조건이 점점 엄격하게 되어가고 있다.

또한, 상기와 같이 저융점, 경금속재료는 기존 주철 및 강 등의 대체재료로 주목받고 있으나 인장강도, 압축강도, 고온특성등이 기존 주철재에 비해 열등하다. 따라서 기존 주철재를 알루미늄이나 보다 가벼운 마그네슘합금으로 변경시키고자 할 때 많은 제약이 수반된다. 특히 압축강도, 인장강도, 내마모특성등이 그것이다. 그러나 경량화 및 고성능화의 요구가 강해지면서 이를 해결하려는 수단으로 알루미늄과 같은 경금속을 경도가 높고 강인한 강화섬유에 의해 강화하는 기술이 알려져 있다. 이러한 복합재료용의 강화섬유로는 탄화규소섬유, 질화규소섬유, 알루미나 실리카 섬유, 탄소섬유, 티탄산칼륨섬유, 광물섬유등이 있으나 강화효과가 뛰어나고 또한 비교적 저렴한 점에서 알루미나 실리카계 섬유, 즉 알루미나 섬유 및 알루미나 실리카 섬유가 바람직하다.

그러나, 알루미나 섬유를 강화섬유로 하는 복합재료에 있어서는 뛰어난 강화향상이 얻어지지만 알루미나섬유가 알루미나 실리카섬유에 비해 상대적으로 매우 고가이기 때문에 복합재료도 매우 고가인 것으로 되고, 이는 적용상의 커다란 제약이 되어 한정적으로 사용되어져 왔다. 이에 반하여 알루미나 실리카섬유는 종래부터 단열재로서 다량으로 사용되어 왔다. 이 알루미나 실리카 강화섬유를 이용 복합재료를 제조하는 경우에는 알루미나 섬유를 강화섬유로 하는 경우에 비하여 복합재료의 원가를 획기적으로 저감시킬 수가 있으나 알루미나 실리카섬유는 알루미나 섬유에 비하여 경도 및 내열특성이 낮기 때문에 복합재료의 강화효과가 불충분하게 되기 쉽다고 하는 문제가 있다.

따라서, 알루미나 실리카계 섬유를 강도용, 내마모용등 고기능화 재료로 사용하고자 할 경우에는 추가적으로 Ni분말의 첨가, 열처리에 의한 결정화, 또다른 첨가물의 첨가 등에 의해 강도나 경도, 내열특성 등을 증가시켜야 한다. 일반적으로 알루미나 실리카계 섬유는 그것의 조성 및 제조공법에 있어서 알루미나 실리카 섬유와 대별된다.

알루미나 함유량이 70wt% 이상이고, 실리카 함유량이 30wt% 이하인 소위 알루미나 섬유는 유기의 점조한 용액과 알루미늄의 무기염과의 혼합물에 의해 섬유화되고, 이것은 고온에서 산화배소함으로써 제조되므로, 강화섬유로서의 성능은 뛰어나지만 매우 고가이다.

한편, 알루미나 함유량이 35 내지 65wt%이고 실리카 함유량이 35 내지 65wt%인 이른바 알루미나 실리카 섬유는 알루미나와 실리카의 혼합물이 알루미나에 비하여 저융점이기 때문에 알루미나와 실리카의 혼합물을 전기로 등에 의해 용융한 후, 그 용액을 블로우닝법이나 스피닝법에 의해 섬유화함으로써 저렴하게 제조할 수가 있다. 그러나 알루미나 함유량이 65wt%이상이고 실리카 함유량이 35wt%이하인 경우에는 알루미나와 실리카의 혼합물의 융점이 지나치게 높아지고 또 용액의 점성이 낮고, 한편 알루미나 함유향이 35wt%이하이고 실리카 함유향이 65wt%이상인 경우에는 블로우잉이나 스피닝에 필요한 적정한 점성이 얻어지지 않는 등의 이유 때문에 이들의 저렴한 제조법을 적용할 수가 없는 등의 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 알루니마와 실리카의 혼합물에 복합재의 강도, 경도, 축력, 고온특성을 부여할 목적으로 알루미나와 실리카의 혼합물에 12 내지 20wt%의 지르코니아를 첨가하여 강도, 경도, 고온경도, 압축강도등과 같은 기계적 성질이 뛰어나고 저렴한 복합재료의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 40 내지 50wt%알루미나, 36 내지 40wt%실리카, 13 내지 16wt%의 지르코니아 5wt%이하의 기타성분의 조성(여기서 기타성분은 불순물의 금속산화물로서, CaO, MgO, Na₂O, Fe₂O₃, Cr₂O₃, ZrO₂, TiO₂, PbO, SnO₂, ZnO, MoO₃, NiO, K₂O, MnO₂, B₂O₃, V₂O₅, CuO, Co₃O₄등으로 이루어짐)을 가지고 있고, 그 집합체내에 함유되어 있는 입경이 150μ이상인 비섬유화 입자함유량이 5wt%이하, 더욱 바람직하게는 1wt%이하인 지르코니아가 첨가된 알루미나 실리카섬유를 강화섬유로 된 알루미늄, 마그네슘 및 이것들을 주성분으로 하는 합금으로 이루어진 재료에서 선택된 금속을 기지금속으로 하고, 상기 지르코니아가 첨가된 알루미나 실리카섬유의 체적율이 5%이상 20%이하인 지르코니아 실리카섬유강화 복합재료에 의해서 달성된다.

또한 본 발명에 의하면 알루미나 섬유 등에 비하여 훨씬 저렴하며 단단하고 안정한 지르코니아가 첨가된 알루미나 실리카섬유에 의해 기지금속이 강화되므로 경도, 압축강도, 축력 등의 기계적성질이 우수한 복합재료가 얻어지고, 또한 입경이 150μ이상인 거대하고 단단한 비섬유화 입자의 함유량이 5wt%이하로 유지되므로 강도 및 기계가공성이 우수한 복합재료가 얻어진다.

블로우닝법이나 스피닝법에 의해 있어서의 강화섬유로 사용한 지르코니아가 첨가된 알루미나 실리카섬유의 최대경도는 Hv1300정도로 나타나고, 이는 알루미나 실리카섬유에 비해 약 30%이상의 미소경도가 상승하게 된다. 이의 주요원인은 알루미나 실리카섬유에 경질인 지르코니아를 첨가하여 얻어진 효과로 판단되어지며, 상기와 같이 뛰어난 성질을 가진 지르코니아가 첨가된 알루미나 실리카섬유를 강화섬유로 하고, 알루미늄, 마그네슘 및 이것들을 주성분으로 하는 합금을 기지금속으로 하는 복합재료에 있어서 첨가된 섬유의 체적율이 5~20%인 경우, 압축강도, 인장강도, 고온경도, 내마모성이 우수한 복합재료가 얻어짐이 발견되었다.

따라서 이의 용융으로 자동차의 경우, 피스톤, 내마환, 댐퍼풀리, 시프트포크, 실린더 블록 라이너등에서 요구되는 압축강도, 내마모성, 고온특성(300℃ 최대)과 같은 주철재 부품들을 대체할 수가 있으며, 또한, 지르코니아가 첨가된 알루미나 실리카섬유강화 금속기지 복합재료의 사용에 의해 부품의 경량화를 실현시킴으로써 얻어지는 고기능, 연비향상에 기여가 가능하게 되었다.

이하 본 발명을 첨가된 예시도면을 참조하면서 실시예에 의거 상세히 설명한다.

[실시예]

알루미나 44~48wt%, 실리카 36~40wt%,지르코니아 13~16wt% 및 통상의 불순물 5wt%이하로 이루어진 알루미나 실리카섬유에 대해 탈립처리를 하여 섬유집합체내에 함유되어 있는 입경이 150μ이상인 입자 함유량을 0.2wt%이하로 된 예비성형체를 각각 형성시켰다. 이때, 지르코니아가 첨가된 알루미나 실리카섬유의 기본물성은 표1과 같다.

이어서 상기한 각 지르코니아가 함유된 알루미나 실리카섬유(이하, HTZ라 명칭한다.)를 콜로이달 실리카중에 분산시켜 이 콜로이달 실리카를 교반하고, 이렇게 하여 제1도에 표시된 바와 같이 외경 45mm, 내경 30mm, 높이 23mm인 예비성형체를 형성하고, 또한, 그것을 전자파를 사용하여 건조한 후 1100℃에서 소성하여 개개의 HTZ섬유를 콜로이달 실리카에 의해 결합시켰다. 이 경우 제1도에 표시된 바와 같이 개개의 HTZ섬유는 X-Y평면내에서는 무작위하게 배열되어 있고, Z방향으로 적층된 상태로 배향되었다. 이때 체적분율이 7,10,13%인 HTZ섬유 예비성형체를 제조하였다. 이어서 제2도에 표시되어 있는 바와 같이 예비성형체(1)를 주형(3의 몰드캐비티(4)에 배치하고, 이 몰드캐비티(4)내에 720℃의 알루미늄합금(JIS규격 AC8A, 구리 0.8~1.3%, 규소 11.0~13.0%, 마그네슘 0.7%, 아연 0.1%이하, 망간 0.1%이하, 니켈 1.0~2.5%, 티탄 0.2%이하, 기타)의 용량(5)를 주입하여 이 용탕을 주형(3)에 끼워 맞추어지는 플런저에 의해 1200kg/㎠의 압력으로 가압하여 그 가압상태를 용탕(5)이 완전히 응고할 때까지 유지하고 이렇게 하여 제3도에 표시된 바와 같이 내경 29mm, 외경 46mm, 높이 24mm의 실린더모양을 주조하고, 또 이 응고체에 대하여 열처리(T6)를 행하고, 각 응고체로부터 HTZ섬유를 강화섬유로 하여 알루미늄 합금을 기지금속으로 하는 복합재료를 축출하여 이들 시험편으로부터 미소경도, 경도 시험편을 기계가공에 의해 만들었다.

이렇게 하여, 경도시험편의 시험편을 연마한 후 HTZ 섬유의 빅커스(Vickers)경도를 측정하였다. 그러나 섬유 자체의 크기는 평균섬유 직경이 3.0μ로 매우 작기 때문에 경도의 측정이 가능한 비교적 입경이 큰 비섬유화 입자의 경도를 측정하고 그 값을 가지고 HTZ섬유의 경도로 하였다.

다음에, 복합재료 자체의 경도를 비교하기 위해서 록크월 B스케일 경도를 빅커스 경도시편과 유사한 방법으로 시편을 절취한 후 측정하였다.

그리고, 주철재(FCH 25)와 시험결과를 비교하기 위해 함께 측정후 그 측정결과를 제4도에 나타내었다.

제4도의 결과로부터 HTZ섬유 10%로 보강된 복합재료는 주철재와 유사한 경도값을 가지며 카오울섬유 10%로 보강된 복합재보다 우수한 특성을 나타내는 것을 알 수 있었다.

또한, 제1도에 표시된 크기의 예비성형체의 체적분율이 7,10,13%의 HTZ섬유로 보강된 복합재와 주철을 이용하여 2.4L 가솔린엔진용 댐퍼허브를 제3도와 같은 형상으로 제조하였다. 상기 엔진은 고성능을 목적으로 설게된 것이며, 성능향상을 위해 터보챠져를 선택하고 있다.

댐퍼허브의 경우 현재 주철재로 사용하고 있으며, 상기 전술한 HTZ와 카오울섬유를 이용하여 7,10,13%의 세라믹 예비성형체를 제조하였고, 이를 250℃로 예열된 금형내에 장입하고 720℃의 알루미늄 용탕을 이용, 가압주조기를 사용하여 댐퍼허브를 제조하였다. 이때, 예비성형체의 크기는 제1도와 같다. 상기 제조된 복합재를 T6 열처리를 한 후 시험편을 복합재 부분에서 절단한 후, 열팽창 측정시험을 실시하여 그 결과를 제6도에 나타내었다. 제6도의 결과로부터 HTZ 섬유의 체적분율이 증가할수록 열팽창계수는 감소하고 있으며, 이는 댐퍼허브가 요구하는 성질에 부합되는 것을 알 수 있었다.

그리고, 압축강도 시험편의 경우, 내경 29mm, 외경 37mm, 높이 17mm로 기계가공하였다. 그 결과는 제5도에 나타내었다. 압축강도의 경우, HTZ섬유로 보강된 복합재가 카오울섬유로 보강된 복합재보다 우수한 것을 알 수 있었다. 또한 같은 방법으로 외경 45mm, 내경 30mm, 높이 23mm인 촉력시험편을 제조하였다. 그 결과를 제7도에 나타내었다. 출력시험편의 경우, HTZ섬유를 사용하여 제조된 복합재료는 카오울섬유로 보강된 복합재보다 기계적 물성의 향상을 가져왔다.

이상 설명한 것과 같이 본 발명 세라믹섬유강화 금속복합재료의 제조방법에 따르면, HTZ섬유를 이용하여 제조된 복합재료는 경도, 압축강도, 축력, 고온특성등은 저렴한 가격으로 획기적으로 향상시키며, 이는 기존 주철재 부품중에서, 특히 압축강도, 축력고온특성(최대 300℃), 마모특성이 요구부품을 상기 섬유로 강화된 복합재료로 대체가 가능하다.

Claims (4)

1. 알루미나:40~50wt%, 실리카:36~40wt%, 지르코니아:13~16wt%, 및 통상의 불순물:5wt% 이하로 이루어진 지르코니아가 첨가된 알루미나 실리카계 섬유로 된 예비성형체를 제조하는 단계; 상기 예비성형체를 알루미늄 합금의 용탕에 주입하고 가압하는 단계; 상기 가압한 상태에서 응고될때까지 유지시키는 단계; 및 상기 응고된 응고체를 열처리하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 세라믹섬유강화 금속복합재료의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 예비성형체의 세라믹섬유 체적분율이 5~17%가 되게 하여 제조함을 특징으로 하는 금속복합재료의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 알루미나 실리카계 섬유는 비섬유화 입자를 포함하며, 상기 비섬유화 입자는 입경이 150μm이상인 것이 0.5wt%이하인 것을 특징으로 하는 금속복합재료의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 예비성형체를 몰드캐비티에 배치하고 이 몰드캐비티 내에 720℃의 알루미늄합금을 1200kg/cm²의 압력으로 용탕단조하여 T6열처리하는 금속복합재료의 제조방법.