KR100373741B1

KR100373741B1 - 가압통전 소결법을 이용한 다공성 알루미늄재의 제조방법

Info

Publication number: KR100373741B1
Application number: KR10-2000-0041970A
Authority: KR
Inventors: 김재수; 윤진국; 이종권; 신종철; 김두용
Original assignee: 주식회사일진; 한국과학기술연구원
Priority date: 2000-07-21
Filing date: 2000-07-21
Publication date: 2003-02-26
Also published as: KR20020008312A

Abstract

본 발명은 다공성 알루미늄재를 제조하는 방법에 관한 것으로, 알루미늄 분말 및(또는) 단섬유를 크기비로 단계적으로 적층하고 2 내지 100 kg/㎠ 정도의 압력을 가해 성형시킨 후 약 20 내지 500 A/㎠ 정도의 고전류와 약 0.2 내지 10 V/㎠ 정도의 저전압을 알루미늄 성형체에 직접 통전시켜, 알루미늄 분말 및(또는) 단섬유들이 상호 접촉되어 있는 부위에서 순간적인 아크가 발생하여 국부적으로 플라즈마 분위기가 형성되며 이때 생성된 반응열에 의해서 알루미늄 표면에 존재하는 알루미나를 국부적으로 용해시켜 알루미늄 분말 및(또는) 단섬유를 결합시키므로서 판재와 같은 일정한 형상을 갖는, 필터 효과와 흡음 효과가 우수한 다공성 경사기공구조의 알루미늄 재료를 제조하는 방법이 제공되는데, 본 발명의 방법을 사용하는 경우에는 다공성 경사기공구조를 갖는 알루미늄재의 기공율과 기공크기 및 구조의 조절이 용이하고, 본 발명의 방법에 의해 제조되는 다공성 경사기공구조의 알루미늄재는 우수한 필터 효과 및 흡음 효과를 나타낸다.

Description

가압통전 소결법을 이용한 다공성 알루미늄재의 제조방법{A PROCESS FOR PRODUCING POROUS ALUMINUM USING THE PRESSURE-ASSISTED CURRENT SINTERING}

본 발명은 금속 필터, 흡음재 등으로 사용될 수 있는 다공성 알루미늄재의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 필터 및 흡음재로 사용될 때 필터 효과와 흡음 효과가 우수한 경사기공구조의 다공성 알루미늄재를 저비용으로 용이하게 제조하는 방법에 관한 것이다.

금속 필터, 흡음재 등으로 사용되는 다공성 알루미늄재을 제조하기 위한 방법으로는 발포법, 소결법 등이 사용되고 있는데, 발포법에서는 용융 알루미늄욕에TiH₂와 같은 발포제를 넣어 열분해 시 발생되는 수소 가스를 이용하여 다공성 알루미늄재를 제조하게 된다. 한편 소결법에 대해 설명하면, 알루미늄 재료의 표면에는 환원성 분위기에서조차 쉽게 환원되지 않는 두꺼운 알루미나 (Al₂O₃) 피막이 존재하기 때문에 알루미늄 재료만으로는 소결이 거의 불가능한 것으로 알려져 있다. 따라서 지금까지의 소결법에 의한 다공성 알루미늄재의 제조방법은 다음과 같다. 즉, 구형, 침상 등의 알루미늄 분말을 제조한 다음, 여기에 저융점 합금인 결합재 분말을 일정 비율로 섞어 주형에 분산시킨 후 650℃ 전후의 온도에서 진공 액상 소결하여 다공성 알루미늄을 제조하는 것이다.

그러나, 다공성 알루미늄재를 제조하기 위해 상기한 발포법을 사용하는 경우에는 발포제를 알루미늄욕에 균일하게 분산시키기 어렵기 때문에 기공의 크기나 기공분포의 제어가 기술적으로 한계가 있어 제조된 다공성 알루미늄재의 필터 특성 및 흡음 특성이 떨어지고, 이에 따라 제조된 다공성 알루미늄재의 용도가 제한되는 단점이 있었다. 또한, 소결법에 의해 제조된 다공성 알루미늄재는 필터 특성 및 흡음 특성은 우수하나, 결합재의 불균일한 분포로 인해 진공 소결 과정에서 불량품의 발생률이 높을 뿐만 아니라, 특히 진공 소결로의 크기에 의해서 제품의 형상과 크기가 결정되므로 진공 소결로의 크기 증가에 따른 기술적인 제약과 장치비의 기하급수적 증가가 발생하며, 아울러 소결시간이 비교적 긴 단점이 있다.

따라서, 상기한 바와 같은 종래의 제조방법이 갖는 문제점 및 한계를 인식하여 안출된 본 발명의 목적은 종래의 발포법이 갖는 상기 문제점과, 결합재 첨가 후에 진공 액상 소결 공정을 거치는 종래의 소결법이 갖는 상기 문제점을 해결한 다공성 알루미늄재의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 상기 목적 및 다른 목적과 특징 및 장점은 후술하는 발명의 상세한 설명에 의해 더욱 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 경사기공구조를 갖는 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 의한 다공성 알루미늄재를 주사전자현미경 본 미세조직사진이고,

도 2는 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 다공성 알루미늄재의 음성 주파수에 흡음율의 변화를 보이는 그래프이며,

도 3은 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 다공성 알루미늄재의 이물질 크기에 따른 필터링 효율의 변화를 나타낸 그래프이다.

본 발명자들은 상기한 바와 같은 종래의 다공성 알루미늄재 제조 방법들의 한계를 극복하기 위하여 연구를 거듭한 결과, 알루미늄 분말, 알루미늄 단섬유, 또는 이들의 혼합물을 적층하는 단계와; 적층된 원료에 압력을 가해 성형시키는 단계와; 성형 후에 가압통전 소결법을 이용하여 알루미늄 성형체를 직접 통전시켜 알루미늄 표면에 존재하는 알루미나를 국부적으로 용해시켜 알루미늄 분말 또는 단섬유를 직접 결합시키는 단계를 포함하여 구성되는 가압통전 소결법을 이용한 다공성 알루미늄재의 제조방법을 안출하게 되었다.

또한, 알루미늄 분말, 알루미늄 단섬유, 또는 이들의 혼합물을 크기 비로 단계적으로 적층하는 단계와; 적층된 원료에 압력을 가해 성형시키는 단계와; 성형 후에 가압통전 소결법을 이용하여 알루미늄 성형체를 직접 통전시켜 알루미늄 표면에 존재하는 알루미나를 국부적으로 용해시켜 알루미늄 분말 또는 단섬유를 직접 결합시키는 단계를 포함하여 구성되는 가압통전 소결법을 이용한 경사기공구조를 갖는 다공성 알루미늄재의 제조방법을 안출하게 되었다.

상기한 바와 같이, 알루미늄 재료의 표면에는 환원성 분위기에서조차 쉽게환원되지 않는 두꺼운 알루미나 (Al₂O₃) 피막이 존재하기 때문에 알루미늄 재료만으로는 소결이 거의 불가능한 것으로 알려져 있었다. 그러나 본 발명자들의 연구 결과, 알루미늄 분말 및(또는) 단섬유를 적층하고 낮은 압력을 가해 성형시킨 후 고전류와 저전압을 갖는 직류전류를 통전시키면 알루미늄 분말 및(또는) 단섬유들이 상호 접촉되어 있는 부위에서 순간적인 아크가 발생하여 국부적으로 플라즈마 분위기가 형성되며 이때 생성된 반응열에 의해서 알루미늄 표면에 존재하는 알루미나가 국부적으로 용해되면서 알루미늄 분말 및(또는) 단섬유를 결합시킴으로서 판재와 같은 일정한 형상을 갖는, 필터 효과와 흡음 효과가 우수한 알루미늄 재료를 제조할 수 있다는 것이 밝혀진 것이다. 흡음 효과 내지 필터 효과를 보다 향상시키기 위해서는 알루미늄 분말, 알루미늄 단섬유, 또는 이들의 혼합물을 크기 비로 단계적으로 적층하는 것이 바람직하다.

본 발명은 발포 공정 또는 진공 액상 소결 공정을 거치지 않고 알루미늄 분말 및(또는) 단섬유를 적층하고 낮은 압력을 가해 성형시킨 후 가압통전 소결법을 이용하여 대기중에서 3∼5분 정도의 매우 짧은 소결 시간내에서 직접 알루미늄 분말 및 단섬유를 결합시키므로서 필터 특성 및 흡음 특성이 우수한 다공성 알루미늄재를 제공하는데, 본 발명에 의한 다공성 알루미늄재의 제조 방법에 따르면, 액상 소결법의 경우와 달리 결합제 분말을 사용하지 않고 직접 알루미늄 분말 또는 단섬유를 결합시키기 때문에 다공성 알루미늄재의 기공율의 증가와 조절이 쉽고 다양한 크기의 기공 및 기공 구조의 조절이 용이하다. 따라서 발포법과 액상 소결법에 비해 다공성 알루미늄재의 기공율과 기공크기 및 구조의 조절이 가능하여 목적하는 최종 용도에 따라 필터 특성 및 흡음 특성의 제어가 용이하다.

본 발명에서 다공성 경사기공구조를 갖는 알루미늄재의 제조 방법은 알루미늄 분말 및(또는) 단섬유를 일정한 크기 비로 분급하여 각각 단독으로 적층하거나, 조대한 분말에서 미세한 분말로 단계적으로 적층하여 약 2 내지 100 kg/㎠ 정도의 압력을 가해 성형시킨 후 가압통전 소결장치를 이용하여 약 20 내지 500 A/㎠ 정도의 고전류와 0.2 내지 10 V/㎠ 정도의 저전압을 알루미늄 성형체에 직접 통전시키면 알루미늄 분말 및(또는) 단섬유들이 상호 접촉되어 있는 부위에서 순간적인 아크가 발생하여 국부적으로 플라즈마 분위기가 형성되며 이때 생성된 반응열에 의해서 알루미늄 표면에 존재하는 알루미나를 국부적으로 용해시켜 직접 알루미늄 분말 또는 단섬유를 결합시키는 것으로 이루어진다. 여기서의 전류와 전압은 제조되는 알루미늄재의 단위면적당의 값을 나타낸다. 성형압력이 2 kg/㎠ 미만, 전류가 20 A/㎠ 미만, 전압이 0.2 V/㎠ 미만인 가압통전 소결 조건인 경우 다공성 알루미늄재의 소결이 불완전해진다. 한편, 성형압력이 100 kg/㎠ 초과, 전류가 500 A/㎠초과, 전압이 10 V/㎠ 초과인 경우에는 국부적인 용융현상이 나타나서 기공율이 약 10 내지 30 % 이하가 되어 다공성 알루미늄재의 제조에 적합하지 않게 된다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 하기 실시예는 예시로서 보여지는 것일 뿐 본 발명이 그에 의해 한정되는 것은 아니다.

(실시예 1)

알루미늄 분말은 크기에 따라서 180∼212㎛, 212∼300㎛, 300∼425㎛,425∼600㎛, 600∼850㎛ 등의 다섯 가지로 분급하여 사용하였다. 알루미늄 단섬유는 직경 약 10∼50㎛, 길이 약 1, 3, 5, 7, 10 ㎝ 정도의 파이버(fiber) 형상을 사용하였다. 직경이 100 mm인 디스크 형태의 홀더에 다섯 가지 크기의 알루미늄 분말을 각각 단독으로, 다섯 가지 길이의 알루미늄 단섬유를 각각 단독으로, 또는 알루미늄 분말과 단섬유의 혼합물을 각각 장입하여 전체 두께가 약 10~15㎜가 되도록 적층하였다. 그 후 2 내지 100 kg/㎠ 의 성형 하중을 5~15초 동안 가하여 알루미늄 분말 성형체에 통전이 용이하도록 한 후 더 이상 하중을 가하지 않은 상태에서 20~500 A/㎠ 정도의 고전류와 0.2~10 V/㎠ 정도의 저전압을 성형체에 직접 통전시키므로써 두께가 약 9~14㎜ 인 다공성 알루미늄 디스크를 제조하였다.

(실시예 2)

알루미늄 분말은 크기에 따라서 180∼212㎛, 212∼300㎛, 300∼425㎛, 425∼600㎛, 600∼850㎛ 등의 다섯 가지로 분급하여 사용하였다. 알루미늄 단섬유는 직경 약 10∼50㎛, 길이 약 1, 3, 5, 7, 10 ㎝ 정도의 파이버(fiber) 형상을 사용하였다. 직경이 100 mm인 디스크 형태의 홀더에 첫 번째 아래층으로서 가장 미세한 분말 (180∼212㎛)을 또는 가장 짧은 단섬유(1 ㎝)를, 다섯 번째 최상층으로서 가장 조대한 분말 (600∼850㎛) 또는 가장 긴 단섬유(10 ㎝)가 위치하도록 다섯 가지 크기의 분말 또는 단섬유를 순차적으로 2∼3 mm 두께로 깔아서 전체 두께가 약 10∼15 mm가 되도록 적층하였다. 가압통전 소결법을 사용하여 제조된 다공성 알루미늄재의 기공 크기는 사용된 분말크기에 좌우되기 때문에 다섯 층의 기공 크기도 달라지게 되고 미세한 기공에서 조대한 기공으로 연속적으로 변화되는 경사기공구조를 가지게 된다. 상기 알루미늄 분말 또는 단섬유에 2∼100 Kg/cm2의 성형 하중을 5∼15 초 동안 가하여 알루미늄 분말 성형체에 통전이 용이하도록 한 후 더 이상 하중을 가하지 않은 상태에서 20∼500 A/㎤ 정도의 고전류와 0.2∼10 V/㎤ 저전압을 성형체에 직접 통전시킴으로서 두께가 약 9∼14 mm인 다공성 경사기공구조의 알루미늄 디스크를 제조하였다.

도 1은 실시예 2의 방법으로 제조된 다공성 알루미늄재의 기공구조를 조사하기 위해서 단면을 주사전자현미경으로 관찰한 사진으로서 다섯 번째 층에서 첫 번째 층으로 갈수록 기공의 크기가 감소되는 경사기공구조를 가짐을 볼 수 있다. 이 소재를 흡음재로 사용하는 경우의 작용을 보면, 기공들이 크기가 변하면서 연결되어 있으므로 소리의 파동 에너지가 기공을 통과하면서 열에너지로 변화되어 소음이 흡수되게 된다. 특히, 다섯 번째 층과 네 번째 층에서 주로 저주파음이 흡수되고 세 번째 층과 두 번째 층에서 중주파음이 흡수되고, 가장 미세한 첫 번째 층에서 고주파음이 흡수되도록 분말 크기 분포를 배열하였다. 아울러 본 발명에서 제조된 다공성 알루미늄재는 큰 기공에서 작은 기공으로 연결되어 배열되어 있기 때문에 공기정화용 필터재료로서도 사용 가능하다.

도 2는 본 실시예에 의해 제조된 다공성 알루미늄재의 음성 주파수에 따른 흡음률의 변화를 나타낸 것으로서 고주파, 중주파의 경우 약 80∼90% 이상이 흡음되며 저주파의 경우 약 10∼50% 정도 흡음되고 있음을 보여준다.

도 3은 본 실시예에 의해 제조된 다공성 알루미늄재의 이물질 크기에 따른 필터링 효율의 변화를 나타낸 것으로서 크기가 약 1 ㎛ 이상의 이물질을 약 90% 이상 제거할 수 있는 우수한 필터링 효과를 보여준다.

또한 본 실시예를 통해 제조된 다공성 알루미늄재는 약 1.0 Kg/mm²이상의 강도를 나타내는 것으로 판명되었으며, 이에 따라 진동이 심한 운동기관에서도 흡음재나 필터재로 사용이 가능하다.

본 발명에서 제조된 다공성 알루미늄재의 기공도는 다음과 같이 계산되었다. 즉, 기공이 전혀 없는 알루미늄재의 밀도 (26.982 g/cm³)를 진밀도로 정의하고 다공성 알루미늄재의 부피와 무게를 측정하여 계산된 밀도를 겉보기 밀도로 정의하였고, 다공성 알루미늄재의 기공도는 진밀도와 겉보기 밀도의 차를 진밀도로 나눈 값의 100분률로 표현된다. 이렇게 하였을 때 본 실시예에 의해 제조된 다공성 알루미늄재의 기공도는 약 55%∼80%를 나타냈다.

본 발명의 방법에 따르면, 발포 공정 또는 액상 소결 공정을 거치지 않고도 가압통전 소결법을 이용하여 직접 알루미늄 분말 및(또는) 단섬유을 결합시킴으로서 기공율의 조절과 기공의 크기 및 구조의 조절이 가능하면서 다공성 경사기공구조의 알루미늄재를 제조할 수 있으며, 이와 같이 제조된 다공성 알루미늄재는 우수한 필터링 효과 및 흡음 효과를 나타낸다.

Claims

알루미늄 분말, 알루미늄 단섬유 또는 이들의 혼합물을 적층하는 단계;

상기 적층된 원료에 압력을 가하여 성형시키는 단계; 및

상기 성형체에 직접 0.2 ~ 10 V/cm³범위의 전압과 20 ~ 500 A/cm³범위의 전류를 갖는 전기를 통전시킴으로써 상기 알루미늄 분말, 알루미늄 단섬유 또는 이들의 혼합물 사이에 순간적인 아크를 발생시켜 국부적으로 플라즈마 분위기를 형성시키고, 이 때 발생되는 반응열에 의하여 알루미늄 표면에 존재하는 알루미나를 국부적으로 용해시킴으로써 알루미늄 분말, 알루미늄 단섬유 또는 이들의 혼합물을 직접 결합시키는 단계를 포함하여 구성되는 가압통전 소결법을 이용한 다공성 알루미늄재의 제조방법.
알루미늄 분말, 알루미늄 단섬유 또는 이들의 혼합물을 크기 비로 단계적으로 적층하는 단계;

상기 적층된 원료에 압력을 가하여 성형시키는 단계; 및

상기 성형체에 직접 0.2 ~ 10 V/cm³범위의 전압과 20 ~ 500 A/cm³범위의 전류를 갖는 전기를 통전시킴으로써 상기 알루미늄 분말, 알루미늄 단섬유 또는 이들의 혼합물 사이에 순간적인 아크를 발생시켜 국부적으로 플라즈마 분위기를 형성시키고, 이 때 발생되는 반응열에 의하여 알루미늄 표면에 존재하는 알루미나를 국부적으로 용해시킴으로써 알루미늄 분말, 알루미늄 단섬유 또는 이들의 혼합물을 직접 결합시키는 단계를 포함하여 구성되는 가압통전 소결법을 이용한 경사기공구조를 갖는 다공성 알루미늄재의 제조방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 적층된 원료에 가하는 압력은 2~100 kg/㎤ 인 것을 특징으로 하는 가압통전 소결법을 이용한 다공성 알루미늄재의 제조방법.
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