KR0165171B1 - 윤활재가 첨가된 Al2O3-SiO2-ZrO2 섬유 강화 금속 복합재료 - Google Patents

Abstract

본 발명은 윤활재를 첨가하여 상대재의 마모량을 감소시키는 윤활재 첨가 A1₂O₃-SiO₂-ZrO₂섬유 강화 금속 복합재료에 관한 것이다.

이와 같은 본 발명의 윤활재가 첨가된 A1₂O₃-SiO₂-ZrO₂섬유 강화 금속 복합재료는 알루미늄, 마그네슘 및 그것의 혼합물로부터 선택된 기지금속과, 44 내지 48wt% 알루미나, 36 내지 40wt% 실리카, 12 내지 20wt%의 지르코니아, 0 내지 10wt% 이내의 윤활재, 6wt% 이내의 불순물 조성을 가지고, 상기 조성을 가진 집합체 내에 함유되어 있는 입경이 150㎛ 이상인 쇼트의 함유량이 6wt% 이하이고, 상기 조성의 강화 섬유와 상기 기지금속으로 구성되고, 상기 강화 섬유의 체적 분율은 5-20vo1%인 것을 특징으로 한다.

Description

윤활재가 첨가된 A12O3-SiO2-ZrO2섬유 강화 금속 복합재료

제1도는 본 발명에 따른 복합재료의 강화섬유 시편으로 제조된 예비정형체의 종단면도 및 횡단면도.

제2도는 제1도의 예비성형체를 이용하여 본 발명의 복합재료를 형성하기 위한 가압주조장치의 구성도.

제3도는 본 발명의 복합재료를 이용하여 제조된 댐퍼-허브의 단면도.

제4도는 그래파이트를 윤활제로 첨가하였을 때의 본 발명의 복합재료와 상대재의 마모량을 나타낸 그래프.

제5도는 MoS를 윤활제로 첨가하였을 때의 본 발명의 복합재료와 상대재의 마모량을 나타낸 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 예비성형체 2 : 하부 램

3 : 주형 4 : 몰드 캐비티

5 : 용탕 6 : 상부 램

본 발명은 섬유강화 금속복합재료에 관한 것으로서, 특히 윤활재를 첨가하여 상대재의 마모량을 감소시키는 윤활재 첨가 Al₂O₃-SiO₂-ZrO₂섬유 강화 금속 복합재료에 관한 것이다.

알루미늄 및 마그네슘 합금은 저융점 및 경금속으로서 특히 자동차 부품에서의 사용이 증대되고 있다 즉, 자동차 및 기타 부품의 고성능화, 경량화에 대한 요구는 기존 주철재를 알루미늄 및 마그네슘 합금으로 대체하려는 노력으로 이어져 왔다.

이러한 저융점의 경금속재료는 기존 주철(Cast Iron) 및 강 등의 대체 재료로 주목받고 있으나 인장강도, 압축강도, 고온특성 등이 기존 주철재에 비하여 열등하다. 따라서 기존 주철재를 알루미늄이나 보다 가벼운 마그네숨 합금으로 변경시키고자 할 때 많은 제약이 수반된다. 특히, 압축강도, 인장강도, 내마모 특성 등이 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 탄화규소 섬유, 질화규소 섬유, 알루미나 섬유, 알루미나 실리카 섬유, 탄소섬유, 티탄산 칼륨 섬유, 광물섬유 등이 있다. 이 중, 강화효과가 뛰어나고, 비용이 비교적 저렴한 점에서 알루미나 실리카계 섬유, 즉 알루미나(A1₂O₃) 섬유 및 알루미나 실리카(A1₂O₃-SiO₂) 섬유가 바람직하다.

그러나, 알루미나 섬유를 강화섬유로 하는 복합재료에 있어서는 뛰어난 강화향상이 얻어지지만 알루미나 섬유가 알루미나 실리카 섬유에 비해 상대적으로 매우 고가이기 때문에 이를 이용한 복합재료도 매우 고가이다.

이는 적용상의 커다란 제약이 되어 한정적으로 사용되어져 왔다. 이에 반하여, 알루미나 실리카 섬유는 종래부터 단열재로서 다량으로 사용되어 왔다. 이 알루미나 실리카 강화섬유를 이용하여 복합 재료를 제조하는 경우에는 알루미나 섬유를 강화섬유로 하는 경우에 비하여 복합재료의 원가를 획기적으로 저감시킬 수가 있다. 그러나, 알루미나 실리카 섬유는 알루미나 섬유에 비하여 경도 및 내열특성이 낮기 때문에 복합재료의 강화효과가 불충분하게 되기 쉽다고 하는 문제가 있다.

따라서, 알루미나 실리카 섬유를 강도용, 내마모용 등 고기능화 재료로 사용하고자 할 경우에는 추가적으로 니켈 분말의 첨가, 열처리에 의한 결정화, 또 다른 첨가물의 첨가 등에 의해 강도나 경도, 내열특성 등을 증가시켜야 한다

일반적으로 알루미나 실리카계 섬유는 그것의 조성 및 제조공법에 있어서, 알루미나 섬유와 알루미나 실리카 섬유로 대별된다.

알루미나 함유량이 70wt% 이상이고, 실리카 함유량이 30wt% 이하인 소위 알루미나 섬유는 유기의 점조한 용액과 알루미늄의 무기염과의 혼합물에 의해 먼저, 예비성형체가 형성되고, 이 예비성형체는 고온에서 산화 배소(roasting in oxygen ambient)과정을 통하게 된다. 그러나, 이것은 강화 섬유로서의 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 블로우닝 법이나 스피닝법에 의해 섬유화하므로써 저렴하게 제조할 수가 있다.

그러나 알루미나 함유량이 65wt% 이상이고 실리카 함유량이 35wt% 이하인 경우에는 알루미나와 실리카의 혼합물의 융점이 지나치게 높아지고 또 용액의 점성이 갖다.

아울러, 알루미나 함유량이 35wt% 이하이고 실리카 함유량이 65wt% 이상인 경우에는 블로우잉이나 스피닝에 필요한 적정한 점성이 얻어지지 않는 등의 이유 때문에 이들의 저렴한 제조법을 적용할 수가 없다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 알루미나와 실리카의 혼합물에 12내지 20wt%의 지르코니아를 첨가하여 강도, 경도, 고온경도, 압축 강도 등과 같은 기계적 성질이 뛰어나고 저렴한 A1₂O₃-SiO₂-ZrO₂섬유 강화 금속 복합재료에 대한 발명이 출원되었다. 이는 지르코니아의 내마모특성을 이용하여 지르코니아가 복합재료를 구성하는 불순물이 아닌 주성분중의 하나로서 작용하도록 그 함유량을 조절함으로써 비용이 저렴하고 내마모 특성이 뛰어난 복합재료를 제공할 수 있었다.

그러나, 상기한 복합재료를 이용하여 댐퍼 풀리와 같은 자동차 부품을 제조할 경우, 복합재료의 높은 내마모성으로 인하여 직접 맞물리는 상대재의 마모량이 급격하게 증대된다는 문제점을 가진다.

따라서, 본 발명의 목적은 윤활 특성을 갖는 그라파이트(graphite)나 황화몰리브데늄(MoS)을 A1₂O₃-SiO₂-ZrO₂에 첨가하여 강화섬유를 구성하고, 기지금속으로는 알루미늄이나 마그네슘 합금을 사용함으로써, 상기한 문제점을 해결할 수 있는 윤활재 첨가 A1₂O₃-SiO₂-ZrO₂섬유 강화 금속 복합재료를 제공하기 위한 것이다.

이와같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 윤활재 첨가 A1₂O₃-SiO₂-ZrO₂섬유 강화 금속 복합재료는 알루미늄 합금 또는 마그네슘 합금의 기지금속에, 강화섬유의 중량을 기준으로 43 내지 45wt% 알루미나, 35 내지 37wt% 실리카, 15 내지 17wt%의 지르코니아, 4 내지 10wt% 이내의 윤활재 및 11wt% 이하의 불순물로 이루어진 강화섬유가 8 내지 12%의 체적분율로 첨가된 조성을 가지며, 상기 강화섬유는 입경 150㎛ 이상의 입자의 함유량이 강화섬유의 중량을 기준으로 0.1wt% 이하가 되도록 탈립처리 되어있는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

본 발명에서는 알루미나 섬유에 비하여 제조비용이 싼 알루미나 실리카섬유를 복합재료에 적용하였고, 알루미나 실리카 섬유가 강화섬유로 첨가된 복합재료에서 나타나는 경도의 저하를 방지하기 위하여 내마모성의 특성이 우수한 지르코니아를 불순물이 아닌 주성분중의 하나로 선택하였으며, 상기 지르코니아에 의한 상대재의 마모를 방지하기 위하여 윤활재를 첨가하였다.

이러한, 복합재료를 자동차의 피스톤 내마환, 댐퍼풀리, 시프트포크, 실린더 블럭 라이너에 적용한 결과, 압축강도, 내마모성, 고온특성(300℃ 최대)의 요구를 만족시킬 뿐만 아니라, 상대재의 마모량을 감소시키는 것으로 나타났다. 따라서, 본 발명의 복합재 자동차 부품은 주철재 부품을 대신할 수 있는 것으로 판단된다

[실시예]

본 발명에서는 윤활재의 첨가에 따른 마모량 변화를 알아보기 위하여 조성이 A1₂O₃44wt%, SiO₂36wt% 및 ZrO₂16wt%이고, 평균섬유직경이 3.0㎛이고, 섬유 체적율이 10.0vol%이고, 평균 섬유길이가 150㎛인 강화 섬유에 그래파이트(Graphite)와 MoS를 윤활재로서 첨가하였다. 강화섬유의 총 무게에 대한 상기 윤활재의 무게분율은 0 내지 10wt% 범위까지 lwt%씩 변화시켜 가면서 시편을 제조하였다. 본 발명에서 사용된 윤활재의 종류와 무게분율에 따라 준비된 시편을 각각 다음 (표.1)과 (표.2)에 나타내었다. (표.1)은 윤활재를 그래파이트로 하였을 때의 복합재료의 조성이고, (표.2)는 윤활재를 MoS로 하였을 때 의 복합재료의 조성이다.

알루미나 실리카 섬유로 강화되는 알루미늄 합금 또는 마그네슘 합금기지 복합재료를 형성하기 위해서, 우선 알루미나 실리카 강화섬유가 형성된다. 이 때, 형성되는 강화섬유에는 복합재료의 특성을 약화시키는 둥근 입자인 쇼트(shot)가 섬유의 끝단에 결합된다.

그러므로, 본 발명에서는, 윤활재 및 지르코니아가 알루미나 실리카 섬유에 첨가된 강화섬유 시편(시편번호 2-10 및 12-20)에서 상기 쇼트를 제거하는 탈립처리를 하여 섬유집합체 내에 함유되어 있는, 입경이 150㎛ 이상인 입자의 함유량이 0.lwt% 이하가 되도록 하였다. 또한, 윤활재의 첨가에 따른 상대재의 마모량 변화를 알아보기 위하여 윤활재를 첨가하지 않고 지르코니아 만을 알루미나 실리카 섬유에 첨가한 강화섬유 시편(시편 번호 1 및 11)을 준비하고, 탈립처리를 하여 입경이 150㎛ 이상인 입자의 함유량이 0.lwt% 이하가 되도록 하였다.

이어서, 상기한 두 종류의 시편을 콜로이달 실리카 중에 각각 분산시키고 교반하여 제1도와 같은 외경 45㎜, 내경 30㎜, 높이 23㎜인 예비성형체를 형성한다 이어서, 상기 예비성형체를 전자파를 이용하여 건조한 후, 1100℃에서 소성함으로써 개개의 HTZ섬유를 콜로이달 실리카에 의해 결합시킨다. 결합된 개개의 HTZ섬유는 X-Y평면내에서는 무질서하게 배열되어 있고, 2방향으로 적층된 상태로 배향된다.

이어서, 제2도에 도시된 것과 같이, 윤활재를 함유하지 않거나(시편번호 1 및 11) 윤활재를 함유하는(시편번호 2-10 및 12-20) 각각의 예비성형체(1)를 주형(3)의 캐비티(4)에 배치하고, 상기 캐비티(4) 속으로 기지금 속인 720℃의 알루미늄 합금(JIS 규격 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 용탕(5)을 주입한다. 이 용탕을 1200㎏/㎠의 압력으로 상부 램(6)과 하부 램(2)으로 구성된 플런저(Plunger)를 이용하여 가압한다. 이 가압상태는 용탕(5)이 완전히 응고될 때까지 유지한다.

상기 가압공정으로 내경 29㎜, 외경 46㎜, 높이 24㎜인 실린더 모양의 성형체를 주조한다. 그런다음, 상기 성형체에 대하여 T6열처리를 행하여, 각 성형체로부터 HTZ섬유를 강화섬유로 하고 알루미늄 합금을 기지금속으로 하는 복합재료를 축출하고, 기계가공을 하여 제3도에 도시한 바와같은 댐퍼-허브 시험편을 만들었다.

이와같이 제조된 시험편을 사용하는 복합재료와 상대재의 마모량을 측정한 결과를 제4도와 제5도에 도시하였다.

제4도는 그래파이트를 윤활재로 첨가하였을 때의 복합재료와 상대재의 마모량 변화를 도시한 것이고, 제5도는 MoS를 윤활재로 첨가하였을 때의 복합재료와 상대재의 마모량 변화를 도시한 것이다.

먼저, 제4도를 살펴보면, 그래파이트의 무게분율이 증가함에 따라 복합재료의 마모량은 미세한 양만큼 증가하였지만, 상대재의 마모량은 그래파이트를 첨가하지 않은 경우에 비하여, 첨가되는 그래파이트의 양이 증가할수록 많은 정도로 감소하는 경향을 나타내었으며, 특히, 그래파이트가 4wt% 이상으로 첨가된 4번 내지 10번 및 14번 내지 20번 시편에서와 마모량은 거의 일정한 값을 나타내었다.

다음으로, MoS를 윤활재로 사용한 제5도의 그래프를 살펴보면, MoS의 경우 역시, MoS의 무게분율이 증가함에 따라 복합재료의 마모량은 미세한 양만큼 증가하였지만, 상대재의 마모량은 MoS를 첨가하지 않은 경우에 비하여, 첨가되는 MoS의 양이 증가할수록 많은 정도로 감소하는 경향을 나타내었으며, 특히, 4wt% 이상이 첨가된 4번 내지 10번 시편에서의 마모량은 거의 일정한 값을 나타내었다.

상기 결과로부터 A1O-SiO-ZrO강화섬유에 첨가되는 그래파이트나 MoS의 윤활재는 지르코니아에 의하여 강화된 마모특성을 거의 그대로 유지하면서 상대재의 마모량은 높은 정도로 감소시킨다는 것을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 지르코니아가 첨가된 알루미나 실리카 섬유에 그래파이트나 MoS의 윤활재를 상기 섬유의 중량을 기준으로 3 내지 10wt%, 바람직하게는 3 내지 8wt%를 첨가해 줌으로써, 지르코니아에 의한 마모특성을 거의 그대로 유지하면서도, 종래에 단점으로 지적되어 온 상대재인 주철재의 마모를 감소시킬 수 있는 결과를 얻었다.

따라서, 본 발명의 복합재료는 기존 주철재 부품 중에서, 특히 압축강도, 축력, 고온특성(최대 300℃), 마모특성이 요구되는 자동차 부품을 대체하는 것이 가능하다.

여기에서는 본 발명의 특정 실시예에 대하여 설명하고 도시하였지만 당업자에 의하여 이에 대한 수정과 변형을 할 수 있다. 따라서, 이하, 특허청구의 범위는 본 발명의 진정한 사상과 범위에 속하는 한 모든 수정과 변형을 포함하는 것으로 이해할 수 있다.

Claims (3)

1. 알루미늄 합금 또는 마그네슘의 기지금속에, 강화섬유의 중량을 기준으로 43 내지 45wt% 알루미나, 35 내지 37wt% 실리카, 15 내지 17wt%의 지르코니아, 4 내지 10wt% 이하의 불순물로 이루어진 강화섬유가 8 내지 12%의 체적 분율로 첨가된 조성을 가지며, 상기 강화 섬유는 입경 150㎛ 이상의 입자의 함유량이 강화섬유의 중량을 기준으로 0.1wt% 이하가 되도록 탈립처리 되어있는 것을 특징으로 하는 A1₂O₃-SiO₂-ZrO₂섬유 강화 금속 복합재료.
2. 제1항에 있어서, 상기 윤활재는 그라파이트인 것을 특징으로 하는 A1₂O₃-SiO₂-ZrO₂섬유 강화 금속 복합재료.
3. 제1항에 있어서, 상기 윤활재는 MoS인 것을 특징으로 하는 A1₂O₃-SiO₂-ZrO₂섬유 강화 금속 복합재료.