KR100305687B1 - 링형 금속복합재료의 제조방법 및 이에 이용되는 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각종 기계나 구조체에 사용되는 링형 금속복합재료에 관한 것이며; 그 목적은 링형의 방향성을 갖는 예비성형체에 의해 보강된 금속복합재료의 제조방법 및 그 장치를 제공함에 있다.

상기 제조방법은 세라믹 강화재의 실리콘 오일 분산물에 전계를 가하여 분산물중의 세라믹 강화재를 일방향으로 배향시키고, 일방향 배향된 세라믹 강화재를 함유한 실리콘 오일 분산물로부터 예비성형체를 성형하는 금속복합재료의 제조에 있어서, 상기 세라믹 강화재를 일방향 배향시킬 때 실리콘 오일 분산물을 회전시키면서 전계를 가하여 분산물중의 세라믹 강화재를 일방향으로 배향시키므로써 링형태의 예비성형체를 형성하여 구성된다.

또한, 상기 제조장치는 교반기가 내장된 혼합탱크; 상기 혼합탱크의 하부에 위치하고, 외통(23)과 내통(24)로 구성된 배향셀(21); 그리고 상기 내통(24)은 상부가 2중으로 설치되며 내부 양측에 전극(22)이 마련되고, 상기 외통(23)은 중심부에 중심축(27)이 설치되며 외통(23)은 회전가능하도록 구성됨을 포함하여 구성된다.

Description

링형 금속복합재료의 제조방법 및 이에 이용되는 제조장치

본 발명은 각종 기계나 구조체에 사용되는 링형 금속복합재료의 제조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 링형의 방향성을 갖는 예비성형체에 의해 보강된 금속복합재료의 제조방법 및 이에 이용되는 장치에 관한 것이다.

금속 또는 합금을 고강도의 섬유상 세라믹으로 강화한 금속복합재료는 비강도를 비롯한 기계적 성질이 우수하기 때문에 각종기계나 구조체에의 응용이 검토되고 있다. 최근 기계부품의 응력해석기술이 진보함에 따라 부품의 강도가 부족한 부분만을 복합화하여 강화하는 부분강화의 방법이 개발되고 있다. 이 경우, 원하는 부분의 강도를 높일 수가 있다. 예를들면, 부품의 일부를 단섬유나 휘스커등의 불연속섬유로 강화하여 금속복합재료를 제조하여 왔다. 그러나, 이와 같은 불연속섬유 강화형의 금속복합재료는 제조상의 이유로 섬유의 배향이 일정하지 않기 때문에 연속섬유와 같이 일방향으로 강화된 것에 비하여 강도가 떨어진다. 강도가 높은 불연속섬유 강화형 복합재료를 얻기 위해서는 섬유와 모재 모두 고강도의 것을 조합하거나 복합식(rule of mixture)에서 예상되듯이 섬유배열의 일방향화가 필요하다. 그러나, 강도가 높은 섬유와 모재를 복합화하여도 섬유와 모재간의 계면에서 젖음성(wettability)이나 반응성 등이 문제가 되어 복합재료의 강도가 모재 자체의 강도에도 미치지 못하는 경우도 있기 때문에 섬유와 모재의 적합성에 대해서 충분한 조사와 검토가 필요하다.

지금까지 불연속섬유 강화형 금속복합재료의 섬유 일방향화의 수단으로서 도1a와 도1b와 같이, 압출금형(1)으로 펀치(2)에 의해 섬유(3)가 임의로 배향된 금속복합재료(1)를 압출하거나 압연롤(4) 등에 의해 소성가공을 하여 섬유의 방향을 가공방향으로 배향하는 방법과 원심력을 이용하는 방법(일본공개특허 昭60-65200호)이 이용되어 왔다. 상기 방법들에 의하면 가공도중 섬유가 손상을 입기 때문에 복합재료의 강도 향상은 기대하기 어려운 문제점이 있었다.

한편, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명자는 금속복합재료 제조시 사용되는 세라믹강화재(단섬유, 휘스커)를 전계에 의해 일방향으로 배향하는 방법을 제안한 바 있다(국내특허공개공보 97-27333호). 이 방법은 예비성형체 제조시에 전계(electric field)를 가하는 도1c와 같은 금속복합재료 제조장치(10)를 이용하였다. 즉, 세라믹 강화재와 분산매질인 실리콘오일을 혼합탱크(17)내에 넣은 다음, 교반기(18)를 사용하여 세라믹 강화재가 분산매질내에 균일하게 분산되도록 교반한 후, 배출구(19)를 통해 배향셀(11)의 상부로 부터 유입시키고, 스위치(16)를 통해 배향셀(11)내의 전극(12)에 전류를 통하게 하면 배향셀(11)내에는 전계가 형성되고, 형성된 전계하에서 보강재는 양극과 음극으로 분극하여 양극판 사이에 놓이게 된다. 이같이 분극된 세라믹 섬유들이 양극은 음극과 음극은 양극을 띤 자체 무게의 증가로 인해 배향셀(11) 하부의 여과지(13) 위로 침적하게 된다. 이후, 남은 실리콘오일들이 여과지(13) 및 세라믹필터(14) 등을 통해 배출되게 하므로써 예비성형체제조를 제조하여 복합재료 제조용 중간소재로 사용하여 왔다.

그러나, 상기 방법은 링형태의 예비성형체 제조시 전계를 부여하면 전극의 주변에서 세라믹 강화재가 불균일하게 배향되어 균일분산이 곤란하여 결국 링형 금속복합재료의 경우 소정의 일부분을 강화시킬 수 없는 문제가 있다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 링형태의 금속복합재료의 물성을 좌우하는 복합재료 내부의 세라믹 강화재에 균일한 방향성을 주어 임의의 방향으로 배향된 복합재료보다 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 복합재료의 제조방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 링형 금속복합재료에 부합되는 제조장치를 제공함에 있다.

도1은 종래의 방향성 복합재료 제조과정을 보이는 모식도

도2는 본 발명의 링형 예비성형체 제조장치의 구성도

도3은 도2의 AA′단면도

도4는 본 발명에 의해 제조된 일방향 배향된 링형 예비성형체의 내부조직사진

도5는 종래의 링형 예비성형체의 내부조직사진

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

21 ..... 배향셀 22 ..... 전극

23 ..... 외통 24 ..... 내통

25, 29 ..... 배출구 26 ..... 전원공급원

27 ..... 중심축 30 ..... 예비성형체

상기 목적 달성을 위한 본 발명은 세라믹 강화재를 실리콘 오일과 혼합하여 세라믹 강화재의 실리콘 오일 분산물을 형성하는 단계; 상기 실리콘 오일 분산물에 전계를 가하여 분산물중의 세라믹 강화재를 일방향으로 배향시키는 단계; 일방향 배향된 세라믹 강화재를 함유한 실리콘 오일 분산물을 흡인, 여과하여 실리콘 오일 분산물로부터 실리콘 오일을 제거한 후 오일이 제거된 분산물을 건조와 열처리를 통해 예비성형체를 성형하는 단계; 및 상기 예비성형체내부에 용해된 금속을 침투시키는 단계; 를 포함하여 구성되는 금속복합재료의 제조방법에 있어서,

상기 세라믹 강화재를 일방향 배향시키는 단계에서 실리콘 오일 분산물을 회전시키면서 전계를 가하여 분산물중의 세라믹 강화재를 일방향으로 배향시키고; 그리고, 상기 예비성형체 성형단계에서 예비성형체는 링형태로 성형함을 포함하여 구성되는 링형 금속복합재료의 제조방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 교반기가 내장된 혼합탱크; 상기 혼합탱크의 하부에 위치하고, 내부의 양측에 전극이 부착되며 또한 하부에는 배출구가 마련된 배향셀; 및 상기 배향셀의 전극에 전류를 인가하는 전원공급원; 을 포함하여 구성되는 금속복합재료의 제조장치에 있어서,

상기 배향셀은 외통과 내통로 구성되고; 그리고 상기 내통은 상부가 2중으로 설치되며 내부 양측에 전극이 마련되고, 상기 외통은 중심부에 중심축이 설치되며 외통은 회전가능하도록 구성됨을 포함하여 구성되는 링형 금속복합재료의 제조장치에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

링 형태의 일방향배향 예비성형체를 제조하기 위한 본 발명의 일방향 배향 링형 금속복합제료제조장치의 개략도를 도2에 나타내었다. 도2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 장치(20)의 배향셀(21)은 2개의 내통(24) 및 외통(23)으로 구성된다.

배향셀(21)의 외통(23)은 회전가능하며, 중심에는 중심축(27)이 마련되어 있다.

또한, 내측원통에 2개의 전극(22)이 설치되어 있는데, 예를들면 한변의 길이가 2mm인 스테인레스제 각봉으로 된 봉전극이 설치될 수 있다. 예비성형체는 내측의 원통과 중심축(27) 사이의 공간에서 형성되며 링형태가 된다.

교반기가 내장된 혼합탱크의 배출구(29)로부터 세라믹 강화재와 실리콘 오일의 분산물이 상기 내통(24)에 유입된 후 전원공급원(26)에서 2개의 전극(22)에 전원이 공급되면 전극(22) 사이에는 도3에 나타낸 것과 같은 전계가 얻어진다. 도3에서 알 수 있듯이, 전극 주변을 제외하고 전기력선은 거의 이 공간을 통하게 된다. 따라서, 링 형태의 성형체 중의 많은 섬유는 거의 원의 접선방향으로 배향된다. 그러나, 전극 주변의 세라믹섬유는 중심축의 중심방향으로 배향되며 상기 성형체의 섬유방향은 불균일하게 되지만 원리적으로 이를 피할 수는 없다. 이를 해결하기 위해서 불필요한 섬유의 배향을 균일하게 분산시키고 많은 섬유를 원의 접선방향으로 배향시키기 위해 외측의 원통과 중심축을 모터(미도시됨)로 천천히 회전시킨다. 이렇게 하면 원의 중심방향으로 섬유가 배향된 부분이 성형체 중에 균일하게 분산하기 때문에 평균적으로는 접선방향으로 섬유가 배향되게 된다. 이렇게 본 발명의 장치를 이용하여 배향셀(21) 내부에 유입된 세라믹 강화재는 전극(22)에 전원이 공급되어 생성된 전계하에서 양극(+)과 음극(-)으로 분극되고 극판 사이에 놓이게 된다. 이와 같이 분극된 세라믹 섬유들이 양극은 음극과, 음극은 양극을 띤 세라믹 강화재 끼리 연결이 되고 긴 연결고리가 형성되면 자체의 무게가 증가하게 되어 배향셀(21)의 아래쪽으로 침전하게 된다. 침전된 강화재 응집체를 꺼내어 건조시켜 예비성형체를 제조한다. 이렇게 제조된 예비성형체는 일방향으로 배향이 되어 있다. 이를 이용하여 용탕단조용 금형에 삽입하여 용탕단조법에 알루미늄용탕을 예비성형체 내부로 침투시켜 일방향배향된 금속복합재료를 제조한다.

이와 같이 전계를 이용하여 강화재를 일방향으로 배향시킨 링형 예비성형체를 이용하여 금속복합재료를 제조하면 임의의 방향으로 배향된 링형 금속복합재료보다 높은 인장강도를 얻을 수 있고, 종래의 방법에서 복합재료 내부의 세라믹 강화재를 일방향으로 배향하기 위해 압연이나 압출과 같은 2차 가공을 하지 않아도 2차 가공을 한 것과 같은 인장강도를 얻을 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

(실시예)

시판 그대로의 알루미나 단섬유는 금속복합재료의 강도저하의 원인이 되는 미세한 입자상 물질을 포함한다. 따라서 이것을 제거하기 위하여 물을 5g/l의 농도로 초음파 세척기에서 물에 분산시키고 30분간 침전시킨 후에 윗부분의 물을 버리는 방법을 5회 반복한 후 건조로에서 대기중 100℃에서 건조시켰다.

이와같이 건조된 알루미나 단섬유를 절연액체인 실리콘오일에 고르게 분산시키기 위하여 혼합액(실리콘오일+알루미나 단섬유)을 혼합탱크 내의 교반기로 30분간 교반시키고, 이 혼합용액을 배향셀(21) 위의 혼합탱크에 충진한 후, 다시 10분간 교반하였다. 이어서 혼합액 배출구(25)를 이용하여 배향셀에 0.03-1.0l/min의 속도로 주입하였다. 이때, 배향셀 내부에는 미리 실리콘오일을 충진하여 놓았다. 혼합되어 있는 섬유는 스테인레스 평판전극 사이에서 전계방향으로 배향하고 긴 응집체를 형성하며 침강한다. 이때, 전극주위의 섬유도 접선방향으로 침전시키기 위해 외통(23)을 분당 1회전을 시키면서 섬유가 소정의 양이 침전되었을 때 혼합액의 공급을 중단하고 실리콘오일을 배출시킨다. 또한, 배출속도를 빠르게 하기 위하여 진동모터를 이용하여 배향셀에 진동을 가하였다. 실리콘오일이 모두 배출된 후에 배향셀에 집적되어 있는 섬유집적체(예비성형체)를 추출하여 예비성형체를 제작하였다. 배향셀에서 추출한 예비성형체는 내부에 실리콘 오일이 함유되어 있기 때문에 이를 제거하기 위하여 150∼180℃ 질소분위기에서 3시간 건조한 후 대기중 800℃에서 30분간 열처리를 하였다.

도4에 본 발명으로 제조된 링형 예비성형체의 주사전자현미경 사진을 나타내었다.

본 발명의 예비성형체의 경우 도5의 종래의 방법에 의해 제조된 링형 예비성형체에 비하여 알루미나 단섬유가 일방향으로 배향된 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 전계를 이용하여 전계내에서 세라믹 강화재가 일방향으로 배향이 된 링형 예비성형체를 제조하고, 이를 알루미늄과 복합화시킴으로써 압연이나 압출과 같은 2차가공을 하지 않고서도, 2차 가공을 한 것과 같은 수준의 기계적성질을 얻을 수 있다.

Claims (3)

1. 세라믹 강화재를 실리콘 오일과 혼합하여 세라믹 강화재의 실리콘 오일 분산물을 형성하는 단계;

   상기 실리콘 오일 분산물에 전계를 가하여 분산물중의 세라믹 강화재를 일방향으로 배향시키는 단계;

   일방향 배향된 세라믹 강화재를 함유한 실리콘 오일 분산물을 흡인, 여과하여 실리콘 오일 분산물로부터 실리콘 오일을 제거한 후 오일이 제거된 분산물을 건조와 열처리를 통해 예비성형체를 성형하는 단계; 및

   상기 예비성형체내부에 용해된 금속을 침투시키는 단계; 를 포함하여 구성되는 금속복합재료의 제조방법에 있어서,

   상기 세라믹 강화재를 일방향 배향시키는 단계에서 실리콘 오일 분산물을 회전시키면서 전계를 가하여 분산물중의 세라믹 강화재를 일방향으로 배향시키고; 그리고, 상기 예비성형체 성형단계에서 예비성형체는 링형태로 성형함을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 링형 금속복합재료의 제조방법
2. 제1항에 있어서, 상기 회전은 분당 적어도 1회이상시킴을 특징으로 하는 제조방법
3. 교반기가 내장된 혼합탱크; 상기 혼합탱크의 하부에 위치하고, 내부의 양측에 전극이 부착되며 또한 하부에는 배출구가 마련된 배향셀; 및 상기 배향셀의 전극에 전류를 인가하는 전원공급원; 을 포함하여 구성되는 금속복합재료의 제조장치에 있어서,

   상기 배향셀은 외통(23)과 내통(24)로 구성되고; 그리고 상기 내통(24)은 상부가 2중으로 설치되며 내부 양측에 전극(31)이 마련되고, 상기 외통(23)은 중심부에 중심축(27)이 설치되며 외통은 회전가능하도록 구성됨을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 링형 금속복합재료의 제조장치

Images