KR100186782B1 - 입자강화 금속 발포체의 제조방법 및 그 제품 - Google Patents

Abstract

입자 강화된 저코스트 금속 발포체는 미세하게 분산된 기포화 기체를 사용하는 용융된 복합 재료의 발포에 기초한 금속 발포체의 제조방법에 의해 제공된다.

Description

입자 강화 금속 발포체의 제조 방법 및 그 제품

제1도는 본 발명에 따른 금속 발포체의 제조 방법을 나타낸 흐름도.

제2도는 본 발명에 따라 제조된 발포된 금속 샘플의 자연적 크기 접촉 프린트.

제3도는 독립 기포의 Al-발포체 구조의 광학적 금속 현미경 사진.

제4도는 발포체 샘플상에서 수행된 압축 시험으로부터의 결과 그래프.

금속 발포체의 제조 방법을 개략적으로 예시하는 제1도와 관련하여, 균일밀도 및 기포 구조를 갖는 독립 기포 유형 구조의 금속 발포체는 미세하게 분산된 기포화 기체를 용융된 입자 강화 금속 매트릭스 복합 재료(PMMC)내로 단순히 공급하여 제공될 수 있음이 밝혀졌다. 용융물을 통한 기포화 기체 기포의 분포에 관한 특별한 주의 또는 용융물의 점도를 조절하는 특별한 첨가제는 필요하지 않았다. 기체 기포들은 용융물의 상부까지 상승하고, 체적이 점차적으로 증가하는 발포체를 형성한다. 발포체 기포가 용융물의 표면에 도달할 때 발포체 기포의 파열 경향은 관찰되지 않았다. 이것은 기체 기포의 (크게)안정화된 표면을 나타낸다. 발포체 케이크의 상부는 응고되고, 쉽게 제거될 수 있다. 완전히 응고하지 않은 발포체 조차도 형성된 발포체의 점조도(thick consistency) 때문에 기포 구조를 변화시키지 않고 제거할 수 있다. 이것은, 반응고된 발포체를 모울드로 옮김으로서 공정을 연속적으로 진행할 수 있도록 하는, 본 발명에 따른 방법의 아주 중요한 특징이 된다. 이러한 특징은 이러한 단계시에 발포체에 특정의 성형 조작을 실시하여, 생성된 금속 발포체 반제품의 최종 형태에 관한 융통성을 어느 정도 제공할 수 있도록 한다.

본 발명은 금속 발포체(metal foam)의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 얇은 벽의 독립 기포(closed cell) 입자 강화 금속 발포체를 제공하는 방법에 관한 것이다.

발포된 금속 뿐 아니라, 발포된 세라믹 및 플라스틱은 이들의 성질들의 독특한 조합 및 경량 때문에 공업용 재료로저 점차 증대되는 주목을 받고 있다.

발포체를 제조하는 데는 몇가지 방법이 있다. 용융된 금속내에 수소화물을 혼입하거나 또는 가열시에 기체를 방출하는 유기 화합물을 첨가하는 것과 같은 상이한 발포 기법들이 공지되어 있다. 중합체 기판상에 증기 증착하거나, 또는 입자둘레에 금속을 캐스팅한 후 이 입자를 침출시켜 다공질 금속 구조를 남겨 놓는 것은 기포 구조를 갖는 금속을 제공하는 다른 예이다.

발포제를 사용하는 발포체 형성 방법은 실제 용융물의 표면 장력 및 점도에 영향을 받는다 점도는 형성된 기포의 체적이 점진적으로 증가하는 동안에 기포벽(cell wall)의 파열에 대항하는 한편, 낮은 표면 장력은 얇은 기포벽의 형성을 촉진할 수 있다.

고체중 기체(gas-in-solid) 분산물인 발포체의 성질은 대부분 이것의 밀도에 의해 결정되지만, 기포 크기, 구조 및 이것의 분포 또한 성질들을 좌우하는 중요한 변수이다

일반적으로, 이와 같은 발포된 금속들은 기체 방출 화합물을 용융된 금속에 소모적이고, 값비싼 방법이다.

유럽 특허 출원 제 0 210 803 호는 발포제로서의 용융물의 1 내지 3 중량%의 양으로 티타늄 수소화물 및 점도 조절제로서의 0.2 내지 8.0 중량% 의 금속성 칼슘의 사용에 기초한, 발포된 금속을 제조하는 유사한 회분식 방법을 개시하고 있다.

용융된 금속에서 열분해성 기체 방출 화합물의 분해에 의해 기포화된 금속을 제조하는 또 다른 방법이 미합중국 특허 제 3,297,431 호에 개시되어 있다. 이의 개선점은 기체 방출 화합물(탄산염 또는 수소화물)의 분해전에 또는 용융물내에서 기체의 용해전에, 완전히 분산된 미립 분말을 금속에 첨가하는 것을 포함한다. 안정화 분말은 금속 또는 비금속, 원소 또는 화합물일 수 있고, 바람직하게는 두가지의 습윤성 분말이 사용되며 그중 한가지 분말이 금속과 함께 고체 합금을 형성한다. 일반적으로 기체는 한가지 기압에서 용해되고, 제 2 의 더 낮은 압력에서 방출된다.

여태까지 알려져 있는 방법들의 공통적인 한가지 결점은 그 방법들 모두가 양질의 금속 발포체를 수득하기 위해서 기포화 수단 및 점도 증가용 또는 안정화용 첨가제로서 값비싼 기체 방출 화합물 또는 용해된 기체를 사용하는 회분식 조작 방법들이라는 것이다.

또한, 종래의 방법들은 방법의 상이한 단계들에서 온도 및 압력 조건의 조절을 필요로 한다. 따라서, 지금까지는 다른 공업용 재료와 경쟁하는 낮은 원가의 금속 발포체를 제공하는 경제적인 방식으로 공업적 규모에서 조작되는 방법이 없다.

따라서, 본 발명의 제1 목적은 안질의 발포체의 제조를 위한 간단한 저 원가 첨가한 후, 생성된 혼합물을 가열하여 그 혼합물을 분해시키고, 팽창 기포화 기체(cellulating gas)를 생성시킴으로써 제조되고 있다. 일반적으로 발포 화합물은 TiH₂또는 ZrH₂같은 금속 수소화물이고, 발포 단계후 모울드를 냉각시켜 고체 발포 재료를 형성시킨다. 발포된 금속의 전체 체적을 통한 방출 기체의 근일 분포와 관련된 어려움 때문에 불균일 구조 및/또는 바람직하지 못하게 크기가 큰 기포를 경험하게 된다.

영국 특허 제1,287,994 호는 용융 조건하에서 기체상인 산소 함유 물질 또는 불활성 기체를 포함하는 점도 증가제를 가하고 이렇게 생성된 점착성 용융물을 발포제로 처리하는, 금속 발포체의 제조 방법을 개시하고 있다. 이 방법에서 금속합금 100 g 당 1 내지 6 g 의 양으로 점도 증가제로서 공기, 질소, 이산화탄소, 아르곤 및 물을 사용하는 것이 바람직하다. 금속 수소화물은 합금 100 g 당 0.5 내지 1.0 g 의 양으로 발포제(하프늄, 티타늄 또는 지르코늄 수소화물)로서 사용된다.

점도 증가는 촉진제 금속의 존재에 의해 강화되는 것이 바람직하며, 예를 들어 4 내지 7 중량% 의 마그네슘이 알루미늄 합금에 사용된다. 우수한 혼합 기법이 요구되며, 일반적으로 발포제의 첨가는 점도 증가제의 첨가에 비해 더 낮은 온도에서 별도의 제2 용기에서 수행된다. 기포의 크기의 근일성 및 분포에 있어서 더 우수한 발포체를 수득하며, 발포제의 소비가 감소되는 것을 청구하고 있는 상기의 특허에 개시된 회분식 방법은 값비싼 열분해성 기체 방출 화합물 (수소화물)의 사용에 기초한 몇 개의 공정 단계 및 단위 장치를 필요로 하는 더욱 복잡하고, 시간방법을 제공하는데 있다

본 발명의 제2 목적은 스크캡(scrap) 금속 재료의 품질 상승 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 제3 목적은 향상된 기계적 성질을 갖는 새로운 유형의 입자 강화 금속 발포체를 제공하는데 있다.

여러가지 양태의 본 발명이 상세히 기술될 것이며, 여러가지의 다른 목적, 이점 및 추가의 특징들은 첨부된 제1도 내지 제4도와 관련하여 기술되는 하기의 설명 및 동봉한 특허 청구의 범위로부터 더욱 명백해 질 것이다.

30 kg 의 공융 알루미늄 합금(Si₁₂Mg₁Ni_2.5)를 개방 도가니에서 용융시켰다 650℃ 의 온도에서 유지된 용융된 합금을 12 ㎛ 의 평균 크기의 탄화 규소 입자에 첨가했고, 동시에 CO₂기체를 미합중국 특허 제 4,618,427 호에서 개시된 바와 같은 특별한 처리 로우터(rotor)에 의해 용융물을 통해 군일하게 분산시켰다. 형성 및 용융된 복합 재료내로 CO₂잔여물의 공급 동안에 기포들은 용융물의 상부까지 상승하여 상승 발포체 층을 형성했다 발포체의 상부는 표면이 파열되지 않고 응고됐다.

제2도는 발포체 케이크의 응고된 상부로서 제거된 발포체 샘플 사진을 본래 크기로서 나타낸다 샘플의 단면은 1 내지 5 mm 의 직경을 갖는 기포의 균일 분포를 나타낸다. 샘플의 밀도는 0 2 g/cm³으로 측정되었다.

[실시예 2]

20 kg 의 스크랩 PMMG 재료(A1₂O₃강화 Al-합금)를 개방 도가니에서 재용융시켰다. 이러한 경우에 기포화 기체원으로서 가압 공기를 가하고, 실시예 1에서 기술된 바와 같이 미세하게 분산시키고 분배시켰다.

또한, 이 경우 생성된 기포는 도가니내에서 용융물의 상부에 도달하게 되고, 냉각될 때 발포된 구조를 생기게 했다.

형성된 공극(기포)은 실제적으로 구형이고 독립되어 있으므로, 모든 방향에서, 특히 에너지 흡수에 관하여 등방성을 갖는 발포된 금속을 제공한다. 실시예 1로부터 수득된 샘플에 관한 구조의 금속 현미경 검사는 제 3 도에서 예시된 바와 같이 아주 얇은 벽을 가진 발포체 구조를 보여준다. 배율이 20 인 이러한 금속 현미경 사진에서의 벽 두께는 약 12 ㎛ 의 강화 SiC 입자 크기의 정도이다.

제조된 발포체의 기계적 상태는 실시예 1 로부터의 샘플상에서 수행된 압축응력 시험으로부터의 결과를 예시하는 제4도에 나타나있다. 2 mm/분의 크로스헤드 속도를 가한 26 mm 의 초기 높이를 갖는 샘플로부터 얻은 수평 응력/변형 곡선은 기포 구조가 완전히 붕괴되지 않는 한, 이러한 유형의 재료에 대하여 대표적인 곡선이다. 상기 발포체의 에너지 흡수는 2 kJ/ℓ 발포체인 것으로 측정되었으며, 이 값은 시판용 Al-발포체에 대해 문헌에 보고된 값과 비교하여 매우 바람직한 값이다. 명백히, 생성된 발포체에서 수득한 개선된 기계적 성질은 기포 벽에 혼입된 강화 입자로부터의 이로운 영향의 결과이다.

명백하게, 본 발명에 따른 발포된 금속의 제조를 위해 상기에 기술된 새로운 방법은 방법의 경제성 및 생성된 발포체의 특성 모두에 관하여 몇가지의 장점을 제공한다.

우선, 기포화 기체로서 예컨대 N₂, Ar, CO₂, He 및 낮은 원가로 쉽게 이용 가능한 가압 공기를 같은 여러 가지 이용 가능한 기체를 사용하여 용융 제품 강화 금속 재료의 연속적인 재용융 또는 공급에 의해 공정을 연속적으로 진행시킬 수 있다.

생성된 발포 금속의 발포 및 응고 동안에 온도, 압력 또는 기체 기포의 균일 분포에 대한 특별한 요건은 없다. 밀도 그리고 어느 정도까지는 입자 크기 또한, 바람직하게는 상기의 특별한 처리 로우터를 사용하는, 용융물을 통한 기포화 기체의 분산에 의해서 간단히 조절되고, 또한 기포의 미세한 분산을 확실하게 하는 다른 수단이 이용될 수도 있다. 용융물의 상부에 축적된 발포체는 원하는 형상 및 치수로 응고용 모울드내로 직접 공급될 수 있거나 또는 반응고된 발포체의 특정 등급의 변형 또는 재성형으로 처리할 수 있다.

또한, 활성 기체를 사용하는 별개의 공정 단계시에 용융된 입자 강화 합금을 제조할 수 있고, 기포화 기체를 가하기 전에 강화 입자를 첨가할 수 있긴 하지만, 본 발명의 최대의 잇점은 낮은 등급의 복합 스크랩 재료를 품질 상승시키는 것이다. 오늘날, 복합 스크랩 체적을 끊임없이 증가시키는 것은 단순히 재용융 되거나 또는 재순환된 제 2 알루미늄에 혼입될 수 없기 때문에 상당한 문제가 된다.

Claims (8)

1. 용융물내로 기포화 기체를 공급하여 용융 재료 표면상에 발포된 복합 금속재료를 축적시키고, 축적된 발포물을 제거하고 응고시킴으로써 금속 매트릭스와 미분 강화 입자를 포함하는 용융된 복합 재료를 연속적으로 발포시켜 입자 강화 금속 발포체를 제조하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 용융된 복합 재료는 입자 금속 매트릭스 복합 재료를 재용융시켜서 제공함을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 복합 재료는 활성 기체를 사용하여 용융 금속 또는 용융 합금내로 강화 입자를 첨가 또는 분포시키므로써 용기내 자체에서 형성시킴을 특징으로 하는 방법.
4. 제3항에 있어서, 활성 기체가 CO₂기체이고, 입자가 내화성 입자임을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서, 용융된 복합 재료가 내화성 입자를 포함하는 알루미늄 또는 알루미늄 합금임을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항에 있어서, 기포화 기체가 공기임을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서, 매트릭스 금속이 SiC 입자에 의해 강화된 알루미늄 합금잉을 특징으로 하는 방법.
8. 제7항에 있어서, 발포체가 0.2 g/cm³의 밀도에서 0.2 kg/mm²의 압축 강도를 나타냄을 특징으로 하는 방법.