KR100286645B1 - 장섬유강화 금속복합재료의 제조방법 - Google Patents

Abstract

부피분율 및 섬유의 배열조절이 가능한 장섬유 강화-금속 복합재료 제조방법이 제공된다.

이 방법은 지지대로 고정된 대향하는 2개의 플레이트 사이를 그 플레이트에 형성된 관통공을 통해 원하는 부피분율만큼 섬유를 통과시켜 예비성형체로 제조하고, 그 예비성형체에 기지금속을 충진한후 가압함을 포함한다.

이 방법을 위하여 상판, 하판 및 지지대로 구성되고, 상·하판에는 관통공이 형성된 예비성형체 제조용 지그를 사용할수 있다.

Description

장섬유강화 금속 복합재료의 제조방법

본 발명은 섬유강화 금속 복합재료의 제조방법에 관한 것이며, 보다 상세히는 장섬유의 배열조절이 가능하며 부피분율을 조절할 수 있는 예비성형체 제조용 지그를 이용하여 장섬유 강화 금속 복합재료를 제조하는 방법에 관한 것이다.

섬유강화 금속복합재료는 경량이면서 비강도와 비강성이 크기 때문에 항공우주분야 뿐 아니라 자동차 경량화 부품 및 사무자동화기기 등에 많이 사용되고 있다. 금속복합재료는 사용하는 강화재의 종류에 따라 단섬유강화 복합재료 및 장섬유 강화 복합재료로 구분할 수 있다. 통상적으로 장섬유를 이용하여 금속복합재료를 제조할 경우에는 미리 제조된 섬유의 집합체를 이용하거나, 섬유표면에 프라즈마를 이용하여 용사코팅을 하여 예비성형체를 제조하고, 이를 이용하여 분말야금법이나 용탕단조법, 반용융체(반응고체 슬러리) 주입법을 이용하여 복합재료를 제조하고 있다.

종래에는 장섬유강화 복합재료를 제조하기 위해서 제 1 도에 도시된 바와 같이 금속섬유(3)를 일정한 길이로 절단한 후 일방향으로 배열하여 충진시킨 적층체의 공간에 모재로서 금속 또는 합금의 분말(4)을 충진하고 금속과 금속섬유의 고상선 아래의 온도에서 가압을 행하거나, 금속 또는 합금의 용탕을 주입한 후 가압하여 섬유강화 금속복합재료를 제조하였다.

일본공개특허 소63-109128에 의하면, 금형의 크기에 맞도록 금속섬유를 일정길이로 절단하고 금형내에 배열을 한 후 알루미늄 분말이나 알루미늄 용탕(또는 마그네슘등)을 주입하여 가공성형함으로써 복합재료를 제조하는 방법이 개시되어 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 방법과 같이 금형내에 금속장섬유를 배열하여 복합재료를 제조하는 경우 제 1 도에 도시된 바와 같이 단위부피당 금속장섬유가 차지하는 비율인 부피분율이 50% 이상이 되어 필요이상으로 강화섬유가 포함되며, 50% 이하의 낮은 부피분율을 갖는 복합재료를 얻을 수 없을 뿐만 아니라, 복합재료 제조후에는 내부의 금속섬유의 배열이 균일하지 않고 한쪽으로 몰리는 현상이 발생하여, 제조된 복합 재료의 물성을 얻기가 어렵고 부위별로 기계적 특성이 달라지는 문제점이 있는 것이다.

이에 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하여, 금속섬유의 뭉침현상이 없을 뿐만 아니라 장섬유의 부피분율이 낮은 섬유강화 금속복합재료의 제조를 가능하게하는 섬유강화 금속복합재료의 제조방법을 제공하는데 있다.

제1도는 종래의 섬유강화 금속 복합재료의 제조방법을 개략적으로 도시한 단면도.

제2도는 본 발명의 방법에 사용되는 예비성형체 제조용 지그의 개략사시도.

제3도는 본 발명의 방법에 따라 제조된 금속 복합재료의 단면 조직사진.

제4도는 본 발명의 방법에 따라 제조된 금속 복합재료의 미세조직사진.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 금형 2 : 가압펀치

3 : 강화섬유 4 : 모재금속

5 : 지그 6 : 상판

7 : 하판 8 : 지지대

9 : 관통공 10 : 체결구

본 발명에 의하면, 지지대로 고정된 대향하는 2개의 플레이트 사이를 그 플레이트에 형성된 관통공을 통해 원하는 부피분율 만큼 강화 장섬유를 통과시켜 장섬유를 배열하여 예비성형체로 제조한후, 상기 예비성형체에 기지금속을 충진한 다음 가압함을 포함하는 섬유강화금속 복합재료의 제조방법이 제공된다.

이하 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명자는 금속복합재료의 제조에 있어서 금속섬유의 부피분율을 원하는 만큼 제어가능하면서도 복합재료의 제조후에도 금속섬유의 배열이 일정하여 균일한 기계적 특성을 나타낼 수 있도록 하기 위하여 연구한 결과 제 2 도에 도시된 바와 같은 예비성형체 제조용 지그를 개발하였다.

본 발명의 방법에 사용될 수 있는 예비성형체 제조용 지그(5)는 표면에 관통공(9)가 다수 형성되어 있는 상판(6)과 상기 상판(6)과 대향되게 배열된 하판(7)및 상기 상판(6)과 하판(7)사이에 위치하여 상판과 하판을 고정지지하는 지지대(8)를 포함하는 구조로 되어있다. 상기 지지대(8)은 상판과 하판과의 각 접속지점에서 체결장치(10)에 의해 고정된다.

상기 지그(5)는 사용하는 모재보다 용융온도가 높은 금속으로 구성가능하나, 철을 사용하는 것이 무난하다. 상기 상판(6)과 하판(7)에는 임의의 직경을 갖는 관통공(9)이 다수개 천설되어 있으며, 부피분율 제어를 위하여 각 관통공의 직경 및 간격을 적절히 가공하여 제조할 수도 있다. 또한 상기 상판과 하판을 지지해주는 지지대(8)은 그 양단에서 적절한 체결수단을 이용하여 상판 및 하판에 고정연결되어 있으며, 강화 장섬유를 절단하지 않고 연속적으로 상기 관통공을 통해 배열할 수 있게 되어 있다.

이와같이 구성된 상기 예비성형체 제조용 지그를 이용하면 상기 상판의 면적, 상기 관통공을 통하는 장섬유의 단면적 및 섬유의 통과횟수 등을 이용하여 원하는 부피분율만큼 배열이 가능하게 되는 것이다.

이같은 방법으로 강화섬유를 원하는 부피분율 만큼 배열하여 제조한 예비성형체에 기지 금속을 충진시킨후 가압하여 섬유강화 금속 복합재료가 제조되는바, 상기 기지금속충진은, 분말야금법에 의해 내부에 기지금속을 충진한 다음 금속분말의 고상선(固狀線)이하의 온도로 가압하여 복합재료를 제조하거나 혹은 용탕단조를 행할때에는 예비성형체를 미리 예열된 금형내에 충진하고 금속용탕을 주입한후 가압을 행하여 금속복합재료를 제조할 수 있다.

한편, 상기 지그의 상판 및 하판의 형상은 굳이 제한하지 않은바, 이는 그 형상이 원형 또는 다각형 모양으로 이루어져도 그 효과는 그다지 차이가 없기 때문인데, 바람직하게는 원형 또는 사각형으로 하는 것이다. 또한, 구멍의 간격도 반드시 일정간격으로 제한하지 않은바, 이는 구멍을 뚫는 목적이 복합재료의 사용목적에 따라 섬유의 배열을 조절할 수 있도록 하는 것이지 섬유의 등간격 배열 그 자체에 있는 것이 아니기 때문이다.

본 발명에서 적용하고자 하는 장섬유로 배열된 예비성형체는 금속복합재료를 제조하는데 필요한 중간소재로서, 사용가능한 금속으로는 알루미늄과 마그네슘등 융점이 700℃이하인 소재를 들 수 있다. 형상기억합금 섬유/알루미늄합금, 마그네슘 합금 스테인레스섬유/알루미늄합금, 마그네슘합금 등과같은 것을 예로 들수 있다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.

[실시예]

제 2도에 나타낸 예비성형체 제조용 지그를 이용하여 3%의 부피분율을 갖는 복합재료를 제조하였다. 우선, 3㎝ × 3㎝의 크기를 갖는 상판(6)과 하판(7)에 직경 500㎛, 1㎜간격을 갖도록 드릴 가공을 하여 상판과 하판을 제작하였다. 상판과 하판의 모서리에는 지지대를 설치할수 있도록 3㎜의 구멍을 만들어 3㎝ ×3㎝ × 10㎝의 예비성형체 제조용 지그를 제작하였다. 여기에 직경이 200㎛인 형상기억합금 섬유를 이용하여 연속적으로 상판과 하판에 등간격으로 설치된 구멍을 통과시키면서 형상기억 합금을 일방향으로 배열하였다. 이때 가로 3㎝, 세로 3㎝의 상판과 하판의 면적에 3%의 면적이 되도록 계산하여 200㎛의 형상기억 합금섬유가 860번 통과시켰다. 상판과 하판을 지지하고 있는 지지대를 제외하고 860번의 형상기억합금이 연속적으로 배열된 예비성형체를 제조하였다. 이어서 용탕단조법에 의하여 섬유강화 금속복합재료를 제조하기 위하여 300℃로 예열된 금형에 예비성형체를 삽입한 후, 700℃로 용융된 알루미늄 용탕을 용융단조 장치내의 금형에 주입하고 알루미늄 용탕을 100MPa의 압력으로 가압하여 1분간 유지시킨 후 압력을 제거하고 금형으로부터 섬유강화 복합재료를 취출한 다음 물에 넣어 냉각하여 금속복합재료를 제조하였다. 제 3 도에 이와같이 제조된 금속복합재료의 단면을 광학현미경으로 관찰한 조직사진을 나타내었다. 사진에서 알수 있듯이 예비성형체 제조용 지그를 이용하여 등간격으로 제조된 형상기억 합금섬유가 뭉침현상 없이 배열되어 있는 것을 알 수 있다. 제 4도에 제 3 도를 확대하여 한개의 형상기억합금 섬유와 모재와의 미세조직을 나타내었으며 섬유와 모재가 잘 결합되어 있음을 알 수 있다.

상기한 바와같이 본 발명의 방법에 의하면, 부피분율 제어가 가능할 뿐만아니라, 복합재료의 제조후에도 강화금속이 일정한 배열을 유지함으로써 기계적 특성이 균일한 장섬유 강화 금속복합 재료의 제조가 가능하게 되는 것이다.

Claims (2)

1. 지지대(8)에 의해 대향하도록 고정되고 다수개의 관통공(9)이 형성된 2개의 플레이트(6)(7) 사이에, 상기 관통공(9)을 통해 원하는 부피분율 만큼 강화섬유(3)를 연속적으로 통과시켜 장섬유를 배열하여 예비성형체를 제조하는 단계; 및 상기 예비성형체를 미리 예열된 금형내에 넣고 알루미늄 또는 마그네슘합금의 용탕을 충진한 다음 가압 및 냉각하는 단계를 포함하는 장섬유 강화 금속 복합재료 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 또는 마그네슘 합금은 예비성형체에 분말상태로 주입하고 고상선아래의 온도로 가열한 후, 가압 및 냉각함으로써 수행됨을 특징으로하는 장섬유 강화 금속복합재료의 제조방법.