KR100416336B1 - 준결정입자가 분산된 금속복합재료의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 순금속분말 또는 합금분말과 준결정분말 또는 준결정을 포함하는 분말로 구성된 혼합분말을 열간압출함으로써 준결정입자가 분산된 금속복합재료를 제조하는 방법에 관한 것으로 준결정합금을 분말로 형성시키는 단계와; 혼합기에서 상기의 준결정합금분말을 압출법에 의해 성형가능한 순금속분말 또는 합금분말과 균일하게 혼합하는 단계와; 상기의 혼합된 분말을 원통형 용기에 넣고 냉간성형한 다음 상온에서 350℃사이의 온도에서 배가스처리한 후 밀봉하여 압출용 빌레트로 형성시키는 단계와; 상기의 압출용 빌레트를 압출성형이 가능한 온도에서 예열한 후 압출기의 콘테이너온도를 빌레트 예열온도로 유지하여 압출시키는 단계로 구성되는 제조방법을 제공함으로써 핫이소택택프레스법과 같은 기존의 제조법으로 제조된 복합재료보다 우수한 기계적 성질을 갖는 복합재료를 제조할 수 있으며 봉, 판등과 같은 소형재의 대량생산에 유용하게 사용될 수 있다.

Description

준결정입자가 분산된 금속복합재료의 제조방법{Fabrication method of quasicrystalline particle reinforced metal matrix composites}

본 발명은 준결정입자가 분산된 금속복합재료의 제조방법에 관한 것으로써, 특히 순금속분말 또는 합금분말과 준결정분말 또는 준결정을 포함하는 분말로 구성된 혼합분말을 열간압출함으로써 준결정입자가 분산된 금속복합재료를 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 결정은 1회, 2회, 3회, 4회, 6회 회전대칭축만을 가지나, 준결정은 결정에서 나타나지 않는 5회, 8회, 10회 또는 12회 회전대칭축을 가진다. 준결정은 Al-Mn합금에서 발견된 이후로 많은 합금에서 준결정이 발견되고 있으며, 현재 Al-Cu-Fe, Al-Pd-Mn, Al-Cu-Cr, Al-Cu-Ru, Al-Li-Cu, Al-Ni-Co, Al-Cu-Co 등의 합금에서 열역학적으로 안정한 준결정상이 형성된다고 보고되고 있다. 준결정은 비슷한 조성의 결정에 비하여 높은 경도를 나타내기 때문에 최근에 이러한 준결정의 장점을 이용하여 준결정입자 분산강화 복합재료가 개발되고 있다.

구체적인 예로서 미국특허 제US5851317호는 가스아토마이즈법에 의해 제조된 준결정입자로 강화된 복합재료에 관한 것으로서, 상세하게는 알루미늄 또는 알루미늄합금 입자와 구형의 Al-Cu-Fe계 준결정 입자를 계면결합을 이용하여 결합시켜 판상 또는 쉬트로 형성시킬 수 있는 복합재료에 관한 것으로서 항복강도, 인장강도 및 강성 등의 기계적 특성이 개선된다고 개시되어 있다.

준결정입자 분산강화 복합재료의 제조방법으로 기지금속의 분말과 준결정분말을 적당한 비율로 균일혼합한 후 냉각성형한 다음, 핫프레스(Hot Press)나 핫이소택틱프레스(Hot Isostatic Press)등에 의해 치밀화 성형하는 방법이 이용되고 있다. 상기의 핫프레스법 또는 핫이소택틱프레스법은 소형의 제품을 소량생산하는데 적합하지만 파이프, 봉, 판 등과 같은 소형재의 대량생산에는 부적합하다. 또한 알루미늄 또는 알루미늄합금 분말과 같이 산화피막이 형성되기 쉬운 분말을 출발원료로서 사용하는 경우에는 원료분말의 표면에 형성되는 산화피막으로 인하여 기지금속 입자들간 또는 기지와 강화재의 결합이 약화되어 기계적 성질이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로써, 본 발명의 목적은 순금속분말 또는 합금분말과 준결정분말 또는 준결정상을 포함하는 분말로 구성된 혼합분말을 열간압출하여 치밀화 성형함으로써 종래의 제조방법에 의해 제조된 것보다 우수한 기계적 성질을 가지는 준결정입자가 분산된 복합재료의 제조방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 실시예 1의 분말압출법으로 제조한 금속복합재료의 미세조직을 주사현미경을 이용하여 측정한 사진.

도 2(a)는 본 발명에 따른 실시예 1에 사용된 준결정분말을 엑스레이회절기를 이용하여 측정한 그래프.

도 2(b)는 본 발명에 따른 실시예 1의 준결정입자가 분산된 복합재료를 엑스레이회절기를 이용하여 측정한 그래프.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 준결정합금을 분말로 형성시키는 단계와; 혼합기에서 상기의 준결정합금분말을 압출법에 의해 성형가능한 순금속분말 또는 합금분말과 균일하게 혼합하는 단계와; 상기의 혼합된 분말을 원통형용기에 넣고 냉간성형한 다음 상온에서 350℃ 사이의 온도에서 배가스처리한 후 밀봉하여 압출용 빌레트로 형성시키는 단계와; 상기의 압출용 빌레트를 압출성형이 가능한 온도에서 예열한 후 압출기의 콘테이너온도를 빌레트 예열온도로 유지하여 압출시키는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 준결정입자가 분산된 금속복합재료의 제조방법을 제공하는 것이다.

준결정입자가 분산된 금속복합재료의 제조방법에 대해서 살펴보면 다음과 같다.

첫 번째 단계에서 준결정분말은 가스아토마이즈법에 의해 제조된 분말을 사용하거나 또는 벌크준결정을 분쇄하여 만든 분말을 사용할 수 있다. 준결정분말은 Al-Cu-Fe, Al-Pd-Mn, Al-Cu-Cr, Al-Cu-Ru, Al-Li-Cu, Al-Ni-Co, Al-Cu-Co 합금과 같이 열역학적으로 안정한 준결정상을 형성하는 합금의 분말이 사용될 수 있다. 상기의 준결정분말은 준결정상 이외에 다른 상을 포함할 수도 있으며 분말조성을 변화하거나 분말을 열처리함으로써 단상의 준결정 또는 준결정분율이 높은 분말로 형성시켜 사용할 수 있다.

두 번째 단계에서 기지금속으로서 압출에 의해 성형가능한 순금속분말 또는 합금분말이 사용될 수 있으며 기지금속에 대한 준결정분말의 혼합비율은 약 70 부피%까지 첨가시킬 수 있다. 상기의 순금속분말은 알루미늄, 마그네슘, 구리중에서 선택하여 사용할 수 있으며 상기의 합금분말은 알루미늄기합금, 마그네슘기합금, 구리기합금중에서 선택하여 사용할 수 있다. 볼밀 또는 V형 혼합기에서 기지금속분말과 준결정분말을 균일하게 혼합한다.

세 번째 단계는 상기의 혼합된 분말을 원통형용기에 넣고 냉간성형한 다음 상온에서 350℃ 사이의 온도에서 배가스처리한 후 밀봉함으로써 압출용 빌레트로 형성시키는 단계로서, 분말의 산화가 문제되지 않는 경우에는 배가스 처리가 생략될 수 있다. 여기에서, 배가스처리의 온도는 높을수록 불순물가스를 제거하는데 유리하지만, 350℃보다 높은 온도에서 배가스가 처리되는 경우, 금속 분말의 조직변화가 일어날 수 있다.

네 번째 단계는 상기의 압출용 빌레트를 기지 순금속 혹은 합금 분말의 압출성형이 가능한 온도에서 예열한 후 압출기의 콘테이너온도를 빌레트 예열온도 전후로 유지하여 압출시키는 단계로서 이와같이 분말을 압출을 통하여 치밀화성형하는 방법을 분말압출법이라고 한다.

본 발명을 실시예에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다.

< 실시예 1 >

알루미늄 62 원자량%, 구리 26 원자량%, 철 12원자량%를 함유하며, 가스아토마이즈법에 의해 제조된 1∼50 ㎛ 크기의 준결정분말 10부피%와 상업용 순알루미늄분말 90 부피%로 구성된 혼합분말을 균일하게 혼합한 후 원통형 알루미늄제 용기에 넣고 냉간성형한 후 배가스처리를 행하고 봉입한 것을, 압출온도 400 ℃, 압출비 25:1의 압출조건하에서 압출함으로써 치밀화성형하여 준결정입자가 분산된 금속복합재료를 제조한다.

상기의 제조된 금속복합재료의 항복강도, 최대 인장강도, 연신율을 평형부 직경 6.4 mm의 봉상형 표준인장시험편을 사용하여 인장시험기에서 측정하였으며 그 결과를 표 1에 나타내었다.

상기의 제조된 금속복합재료의 미세조직을 주사현미경을 이용하여 측정하여 도 1에 나타내었다. 또한 준결정 분말 및 준결정입자가 분산된 금속복합재료를 엑스레이회절기를 이용하여 분석한 결과를 도 2에 나타내었다.

< 비교예 1 >

알루미늄 62 원자량%, 구리 26 원자량%, 철 12원자량%를 함유하며, 가스아토마이즈법에 의해 제조된 1∼50 ㎛ 크기의 준결정분말 20부피%와 상업용 순알루미늄분말 80부피%로 구성된 혼합분말을 균일하게 혼합한 후 HIP법으로 복합재료를 제조한다. 상기의 HIP법으로 제조된 복합재료의 기계적성질을 표 l에 나타내었다.

구분	실시예1	비교예1
항복강도 (MPa)	93	79
최대인장강도 (MPa)	122	104
연신율 (%)	22	8.5

표 1의 결과로부터 실시예 1의 분말압출법과 비교예 1의 HIP법으로 제조된 준결정입자가 분산된 복합재료의 기계적성질은 실시예 1의 경우가 비교예 1의 경우보다 준결정입자의 부피%가 작음에도 불구하고 항복강도, 인장강도, 연신율의 기계적성질이 우수함을 알 수 있다. 특히 연신율은 실시예 1의 경우가 비교예 1의 경우보다 약 3배정도 높다.

도 1은 실시예 1의 분말압출법으로 제조한 금속복합재료의 미세조직을 주사현미경을 이용하여 측정한 사진으로 준결정입자가 균일하게 분산되어 있고, 구형의 형태를 유지하고 있으며, 변형되거나 파괴가 일어난 흔적이 보이지 않는다. 즉 열간압출에 의해 준결정분말은 손상을 받지 않음을 알 수 있다. 또한 준결정입자와 기지금속의 계면에서의 결합상태가 양호하고, 계면에서의 반응층이 관찰되지 않음을 알 수 있다.

도 2는 엑스레이회절기를 이용하여 분석한 결과로서 (a)는 실시예 1에 사용된 준결정분말의 경우이고 (b)는 실시예 1의 준결정입자가 분산된 복합재료의 경우로서 기지금속인 알루미늄에 해당하는 피크를 제외하면 (a)와 (b)의 피크 위치가 일치함을 알 수 있다. 상기의 결과로부터 본 발명에 따른 복합재료의 제조과정에서 준결정분말을 구성하는 상이 다른 상으로 변화되거나, 준결정입자와 기지금속입자의 계면에서 새로운 반응층이 형성되지 않음을 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 준결정입자가 분산된 복합재료는 핫이소택택프레스법과 같은 기존의 제조법으로 제조된 복합재료보다 우수한 기계적 성질을 나타내며 봉, 판 등과 같은 소형재의 대량생산을 가능하게 하는 데에 효과가 있다.

Claims (4)

1. 압출성형용 순금속분말 또는 합금분말과, 분말화된 준결정합금분말과의 혼합물을 이용해 금속복합재료를 제조하는 방법에 있어서,

   상기 혼합된 분말을 원통형용기에 넣고 냉간성형한 다음, 상온 내지 350℃의 온도에서 배가스처리한 후 밀봉하여 압출용 빌레트로 형성시키는 단계와;

   상기의 압출용 빌레트를 압출성형이 가능한 온도에서 예열한 후 압출기의 콘테이너 온도를 빌레트 예열온도로 유지하여 압출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 준결정입자가 분산된 금속복합재료의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기의 준결정합금분말은 Al-Cu-Fe, Al-Pd-Mn, Al-Cu-Cr, Al-Cu-Ru, Al-Li-Cu, Al-Ni-Co 및 Al-Cu-Co로 이루어진 군으로 부터 1종이상 선택되어 사용되는 것을 특징으로 하는 준결정입자가 분산된 금속복합재료의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기의 순금속분말은 알루미늄, 마그네슘, 구리로 이루어진 군으로 부터 1종이상 선택되어 사용되는 것을 특징으로 하는 준결정입자가 분산된 금속복합재료의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기의 합금분말은 알루미늄계합금, 마그네슘계합금, 구리계합금으로 이루어진 군으로 부터 1종이상 선택되어 사용되는 것을 특징으로 하는 준결정입자가 분산된 금속복합재료의 제조방법.