KR100467766B1 - 충격, 진동의 완충효능이 우수한 자기유동성 유체와 그제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 충격이나 진동분위기에서 분산성을 가지며 완충부에 차별화된 자장과 함께 탁월한 완충효과를 갖는 Fe-Co 자성분말을 이용한 자기유동성 유체를 제공하는 것이다. 나아가, 본 발명에서는 산세폐액으로부터 완충효능을 나타내는 적정 입도의 Fe-Co자성분말을 만들어 자기유동성 유체의 제조하는 방법을 제공하는데도 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

입경이 0.03∼5㎛의 Fe-Co자성분말과 탄화수소의 기름 용매로 이루어지는 충격, 진동의 완충특성이 우수한 자기유동성 유체 및,

Fe의 함량이 8∼13%의 산세폐액에 Co:Fe가 2.5:7.5~3.5:6.5가 되도록 Co를 혼합하는 단계, 이 혼합용액의 pH를 7∼14로 조절하여 Co-페라이트를 침전하여 분리시키는 단계, 분리한 Co-페라이트를 환원분위기의 600∼1000℃에서 환원처리하여 0.03∼5㎛의 Fe-Co분말을 얻는 단계, 상기 Fe-Co자성분말과 탄화수소의 기름 용매를 혼합하는 단계를 포함하여 이루어지는 충격, 진동의 완충효능이 우수한 자기유동성 유체의 제조방법에 관한 것을 그 기술요지로 한다.

Description

충격, 진동의 완충효능이 우수한 자기유동성 유체와 그 제조방법{Magneto rheological fluid having superior damping property and process for the production thereof}

본 발명은 충격이나 진동의 억제와 완충에 이용되는 자기유동성 유체와 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 입경이 0.03∼5㎛인 Fe-Co분말을 분산질로 하여 완충특성이 우수한 자기유동성 유체와 산세폐액으로부터 완충효능을 나타내는 적정 입도의 Fe-Co자성분말을 만들어 자기유동성 유체로 제조하는 방법에 관한 것이다.

자성을 갖는 유체로서는 자성유체(Magnetic fluid)와 자기유동성 유체(Magneto rheological fluid)가 있다.

자성유체는 고상의 강자성 분말을 단자구 크기(0.02㎛) 이하로 하여 액상중에 균질하게 분산시킨 현탁액으로 대기 또는 진동의 어느 상태에도 액상과 고상의 분리가 일어나지 않는 분산성이 탁월한 유체이다. 액상중에서 자성분말이 브라운 운동을 받아 서로 무차별 충돌-반발하여 균질하게 분산되도록 하기 위하여, 통상적으로 자성분말의 크기를 단자구 크기인 0.02㎛이하로 관리하고 있다. 이 단자구 직경이하의 강자성분말은 자장중 초상자성으로 변하는 특성이 있어 자장중에는 유체의 자화력 감소를 초래한다.

자기유동성 유체는 자장중 유체의 자화력을 증가시키기 위하여 강자성 분말의 직경을 단자구 크기 보다 크게 하여 액상중에 분산시킨 현탁액이다. 대기중에는 자성유체보다 분산성이 열세이나 충격이나 진동분위기에서는 분산성이 향상되며 자화력이 자성유체 보다 우수하다. 즉, 자기유동성 유체는 자성유체 보다 유체의 자화력은 우수한 반면 분산성은 열세이나, 충격, 진동 분위기에서는 분말의 분산성이 향상된다.

자성유체로는 일본 공개특허공보 특개평 3-187907와 특개평 5-70784호에 Fe(Co)₅기체를 암모니아 가스와 함께 가열하여 얻은 Fe₃N, Fe₄N 등의 질화철 분말을 탄화수소계의 계면활성제와 함께 액상중에 분산시킨 것이다. 그러나, 이 질화철은

포화자화(164∼186emu/g)가 낮을 뿐 아니라 장기간 사용시 질화철의 변질에 따른포화자화가 감소하는 문제가 있다.

이 보다 포화자화 값이 큰 자성분말로는 Fe-Co로 널리 알려져 있으며, 이 자성분말은 0.02㎛이하의 크기로서 자성유체에 이용되고 있다(한국특허제 100322902). Fe-Co 자성분말의 자성유체는 1∼20kg/㎠의 내압특성에 힘입어 높은 압력이 요구되는 회전축의 기름이나 물의 밀봉에 사용할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 이보다 더 높은 내압이 요구되는 충격이나 진동의 억제와 완충에 사용되는 자기유동성

유체로서의 사용은 보고된 바 없다.

한편, 자기유동성 유체로는 Fe분말(포화자화-218 emu/g)과 액상의 탄화수소 용매로 이루어지는 자기유동성 유체(미국의 Load사 제공, 상품명 Magneto rheologica fluid)가 이용되고 있다. 이 자기유동성유체는 자동차나 총기에서 충격이나 진동의 억제-방지 용도로 사용되고 있으나, 자화값이 낮을 뿐 아니라 고가라는 단점이 있다.

본 발명은 충격이나 진동분위기에서 분산성을 갖으면서 자장중 자화력이 최대가 되어 완충특성이 우수하며 주변재료와 마찰이나 마모를 최소화할 수 있는 Fe-Co 자성분말을 이용하는 자기유동성 유체를 제공하는데 그 목적이 있다. 나아가, 본 발명의 또 다른 목적은 산세폐액으로부터 완충효능을 나타내는 적정입도의 Fe-Co자성분말을 만들어 자기유동성 유체로 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 자기유동성 유체를 이용하는 댐퍼의 일례도

도 2는 본 발명에 따라 산세폐액으로부터 제조된 Fe-Co분말의 주사전자현미경 사진(확대율 5000배)

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자기유동성 유체는, 입경이 0.03∼5㎛의 Fe-Co자성분말과 탄화수소의 기름 용매로 이루어진다.

또한, 본 발명의 자기유동성 유체의 제조방법은, Fe의 함량이 8∼13%의 산세폐액에 Co:Fe가 2.5:7.5~3.5:6.5가 되도록 Co를 혼합하는 단계.

이 혼합용액의 pH를 7∼14로 조절하여 Co-페라이트를 침전하여 분리시키는 단계,

분리한 Co-페라이트를 600∼1000℃에서 환원분위기에서 환원처리하여 0.03∼5㎛의 Fe-Co분말을 얻는 단계,

상기 Fe-Co자성분말과 탄화수소 기름 용매를 혼합하는 단계를 포함하여 이루어진다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명자는 충격이나 진동의 억제와 완충용으로 적합한 자기유동성유체에 대하여 연구하던 중, 자성유체에서 수㎚이하의 초미립자로 이용하던 Fe-Co 자성분말의 입도를 0.03∼5㎛로 하여 자기유동성 유체로 적용한 결과, 충격이나 진동분위기에서 분산성이 향상되고 유체의 자화력 증가에 의해 충격, 진동의 완충에 탁월한 성능을 나타내는 새로운 사실을 밝혀내어 본 발명을 제안하게 된 것이다. 나아가, 본 발명에서는 산세폐액으로부터 완충효능을 나타내는 적정입도의 Fe-Co 분말을 만들어 저렴한 자기유동성 유체로 제공하는데도 특징이 있다.

본 발명의 자기유동성 유체는 입경이 0.03∼5㎛의 Fe-Co 자성분말과 탄화수소의 기름 용매로 구성되는데, 여기서 Fe-Co자성분말은 산세폐액으로부터 제조한 것을 이용할 수도 있다. Fe-Co분말은 0.03∼5㎛의 입도로서 적용될 때 충격이나 진동의 흡수능에 탁월한 효과를 나타낸다. 즉, Fe-Co자성분말의 입경이 0.03㎛미만의 경우에는 자기유동성 유체에서 자성분말이 강자성을 잃고 초상자성 특성으로

변해 자화값을 감소시켜 충격이나 진동의 억제와 방지용으로 적합하지 않다. 또한, Fe-Co자성분말의 입경이 5㎛초과의 경우에는 강자성특성과 자화향상의 특성을 갖고 있지만, 충격이나 진동의 억제와 완충 용도로 사용할 때 주변재료의 마모가 심하게 발생하는 문제점이 있다.

본 발명에서 탄화수소 기름 용매는 시중에 널리 사용되는 충격이나 진동의 흡수기름(Shock absorber oil), 유압작동유 또는 엔진오일등에서 선택될 수 있다.

본 발명에 따르면 자기유동성 유체에서 Fe-Co 자성분말 농도는 50∼90중량%가 가장 바람직하다. Fe-Co자성분말의 함량이 50중량%미만에서는 고체분말과 액상(기름)과의 분리가 심하게 일어나 유체의 특성을 잃고, 90중량% 초과의 경우에는 점성 증가에 따라 겔(gel)상태로 되어 유체의 특성을 잃으므로 유체로서 활용이 곤란하다.

본 발명에서도 Fe-Co자성분말의 표면에 소수성 탄화수소계의 계면활성제(올레인산, 스테이린산등)를 피복시켜 유성(油性)의 자기유동성 유체로 만들 수 있다. 계면활성제는 통상 1∼30nm의 매질분자와 결합되므로 매질분자 크기에 상당하는 작동유체의 기밀성, 유동성의 특성을 부여해 준다.

다음으로 본 발명의 자기유동성 유체의 제조방법을 설명한다.

본 발명의 자기유동성 유체의 제조방법에서는 산세폐액을 원료로 하여 Fe-Co자성분말을 얻는 것과 함께 자성분말의 입도를 0.03∼5㎛로 입도제어하는데 특징이 있다. 지금까지 분말야금법을 통한 Fe-Co분말의 제조는 10㎛이하의 큰 분말로 제조하는 것이 일반적이며, 최근 들어 Fe-Co분말의 표면에 산화방지막을 피복하여 수㎚이하의 미립자로 제조하는 기술은 소개된 바 있다. 그러나, 충격, 진동에 적합한

0.03∼5㎛의 Fe-Co자성분말의 제조기술은 알려져 있지 않으며, 특히 산세폐액으로부터 얻는 기술은 소개된 바 없는 것이다.

본 발명에서는 Fe 함량이 8∼13%의 산세폐액을 사용한다. 강의 냉간가공 기업에서는 가공전 강표면의 녹찌꺼기를 제거하기 위한 목적으로 산세법이 널리 사용되고 있으며, 국내에는 연간 70,000톤 이상의 산세폐액( Fe 이온이 8∼13% 함유된 )이 발생하고 있다. 따라서, 산세폐액으로 Fe-Co자성분말을 제조할 수 있다면 원료면에서 저렴하기 때문에 경제성이 높다.

산세폐액은 강의 산화피막을 염산 또는 황산으로 선택 용해시켜 제거하는 공정에서 발생하며, 그 반응은 아래식 1과 같다.

[반응식1]

Fe-oxides + 2HCl = FeCl₂+ H₂O

산세폐액은 주로 2가철 및 과잉의 산(酸)이 용해된 것으로, Fe 이온이 8∼13%이고 그 외는 물로 구성된다.

다음으로 산세척 폐기 용액에 질산과 같은 산화제를 첨가하여 반응식 2와 같이 2가철을 3가철 용액으로 변화시킨다.

[반응식2]

3FeCl₂+ 3HCl + HNO₃= 3FeCl₃+ 2H₂O + NO

이와 같이 얻어진 3가철 용액에 2가 코발트 용액을 첨가한다. 이때 Co:Fe의 비가 2.5:7.5~3.5:6.5이 되도록 하는데, 이 비율이 Fe-Co 분말의 최대 포화자화 값을 갖는 범위이다.

그 다음, Co가 첨가된 용액의 pH를 7∼14의 알카리로 만들어 용액중 금속 성분을 반응식 3과 같이 Co-페라이트(ferrite)를 생성시켜 침전 분리한다. pH 7 미만에서는 산성영역으로 금속성분을 침강 분리하기 곤란하며 pH14는 알카리 영역중 가장 높은 값이다.

[반응식 3]

Fe³⁺+ Co²⁺+ 2(OH)^-= Co-페라이트(ferrite) + H₂O

분리한 Co-페라이트를 반응식 4와 같이 환원분위기의 600∼1000℃에서 환원 반응시켜 입경이 0.03∼5㎛의 Fe-Co 분말을 제조한다. 환원분위기는 수소, 탄화수소계 등의 환원제를 이용한다.

[반응식 4]

Co-페라이트 + H₂= Fe-Co + H₂O

환원처리에서 온도가 600℃ 미만에서는 Fe-Co 분말입경이 0.02㎛ 이하의 단자구 이하가 되어 강자성을 잃고 초상자성 특성으로 자화값이 감소된다. 환원처리온도가 1000℃ 초과의 경우에는 Fe-Co 분말이 직경이 5㎛보다 커져서 강자성 특성, 자화율 향상의 특성을 갖고 있지만, 이 입도의 자기유동성 유체는 충격-진동의 억제-완충 역할시 주변 재료의 마모가 심하게 발생하는 문제점이 있다. 한국특허 제

100322902에서는 Co-페라이트 표면에 산화물을 피복시킨 후 가열하고 환원시켜 Fe-Co 분말을 제조하였는데, 이 경우 직경 0.02㎛ 이하로 단자구 크기 이하의 분말이 얻어진다. 본 발명에서는 Co-페라이트 표면에 산화물 피복없이 환원한 결과 Fe-Co 입경이 단자구 크기 이상인 0.03㎛ 이상으로 크게 성장한 결과, 자화력이 향상되어 그 성능이 크게(내압성이 2배) 향상되는 것이다.

Fe-Co자성분말의 표면에 전술의 소수성 계면활성제를 피복한 다음 완충용 기름 용매중에 분산시켜 자기유동성 유체로 만들 수 있다.

본 발명의 자기유동성 유체는 최대 60kg/㎠의 내압특성을 갖는다. 도 1과 같이 화살표 방향으로 충격-진동이 작용할 때, 억제-완충부에 자기유동성 유체를 충진하고 자장을 걸어 주는데, 이 경우 내압성은 관계식 5로 나타낼 수 있다.

[관계식 5]

ΔP = MH

여기서, ΔP는 외부 대기와 유체 내부 사이의 압력차,

M은 유체의 자화율

H는 자계강도

따라서, 도 1의 상부에서는 낮은 자장이며 하부로 내려갈수록 큰 자장이 걸리게 하면 자기유동성 유체의 강자성 분말농도가 정해지면 M은 일정하므로, ΔP는 H에 비례한다. 충격이나 진동의 억제-완충부에 자기유동성 유체를 구배진 자장과 병용하면서 도 1의 상부에서 하부로 내려올수록 H가 증가하므로 외부 대기와 유체내부의 압력차(ΔP)가 크게 된다. 즉, 충격이나 진동의 억제-완충 효력이 차별화 되어 하부일수록 강화될 수 있는 완충 작용이 이루어진다. 이와 같은 자기유동성 유체에 의한 차별화된 완충 효과는 기존 기름 완충(oil absorber, 현재 자동차 바퀴 등에 널리 사용) 성능보다 완충 범위가 넓고 성능이 탁월하여 보다 안락한 승차감을 줄 수 있다.

본 발명의 자기유동성 유체는 Fe-Co 자성분말의 직경을 0.03∼5㎛로 하였을 경우Fe-Co 직경 9nm인 자성유체(한국특허 제100322902)인 경우보다 내압을 2배 이상 증가하는 성능이 있다. 따라서, 종래의 Fe-Co자성유체(입자 직경 0.02㎛이하)에서는

활용 할 수 없었던 자동차, 선박, 각종 자동화 기계, 항공기, 화기 총기류의 충격이나 진동의 억제-완충(damper)에 효과적이다. 즉, 자동차, 선박의 경우에는 보다 안락한 승차감을 제공한다. 또한, 총기의 경우 연속사격시에도 충격-진동의 억제 또는 완충 작용이 기존의 어느 것 보다 탁월하여 명중률을 향상, 사용자에 안락감을 향상시킬 수 있는 효과가 있어 광범위하게 활용할 수 있다. 또한, Fe-Co자성분말을 산세폐액으로부터 제조하여 이용하여도 특성의 변화가 없기 때문에 대량생산에 의하여 그 활용폭을 대폭 확대할 수 있을 뿐 아니라 폐기물 재활용에 따른 경제성, 환경보존 특성이 우수하다.

이하 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

강의 냉간가공 기업에서 강의 산화피막을 제거하기 위한 산세척 공정에서 발생한 산세폐액으로 자성분말을 제조하였다. 산세폐액은 철의 함량이 8∼13% 용해된 것을 이용하였다. 철이온이 9% 용해된 산세폐액에 질산을 첨가하여 Fe²⁺를 Fe³⁺로 산화시킨 다음, 이 Fe³⁺의 용액에 Co:Fe의 비가 3:7이 되도록 CO²⁺를 혼합하였다. 다음으로 pH10의 알카리 수용액 중에서 처리하여 Co-페라이트 분말을 침전시켜 분리하였다. 얻어진 Co-페라이트 분말을 800℃에서 수소, 일산화탄소, 탄화수소계통의 환원제 가스와 반응시켜 Fe-Co 분말을 제조하였다. 상기에서 얻은 직경 0.03㎛ 이상의 Fe-Co 분말 표면에 탄화수소계통의 소수성 계면활성제를 피복시켜 탄화수소 기름 용매에 교반 분산시켜 자기유동성 유체를 제조하였다. 자기유동성 유체의 주요성능을 지배하는 고체분말의 포화자화도를 종래의 고체분말과 비교하면 표 1과 같다

고체분산질	포화자화도(emu/g, 실온)
마그네타이트(산화철)	91
Fe	218
Fe3N, Fe4N	164, 186
Fe-Co	240

표 1에 나타난 바와 같이, Fe-Co 분말은 이론 포화자화도가 240emu/g로서, 실측결과 포화자화도가 200∼230emu/g(자계강도10kOe에서)였다. 이는 현재까지의 강자성 분말 중 가장 높은 자화도로서, 이때의 Fe-Co자성분말의 조건은 0.03∼2㎛,

20∼150℃에서 변질이 없었다.

본 발명자는 중심회전축 기름밀봉(회전축과 자석과의 간격:0.5mm,자석의 표면 자장강도:5kOe) 실험을 행하였는데, 그 결과는 다음과 같다.

마그네타이트 분말의 자성유체는 내압 1kg/㎤ 이하로 측정되었다. 이 정도의 내압으로는 스피커의 댐퍼, 윤활촉진, 표면연마, 진공-밀봉에 활용될 수 있는 정도이다. Fe 분말의 자성유체는 내압 7kg/㎤ 이하였다.

이에 반해, 본 발명의 Fe-Co 자기유동성 유체는 내압 60kg/㎤ 정도로 자동차, 선박, 비행기, 총기류의 충격-진동의 억제-완충 효과까지도 확대 활용 할 수 있는것으로 밝혀졌다. 그 이유는 본 발명의 자성분말의 포화자화가 가장 높고 입경이 단자구 크기 이상의 미립자 분말로 강자성 특성을 잃지않고 분말의 자화력이 크게 나타나는데, 이는 관계식 6을 통해 알 수 있다.

[관계식 6]

Fm = (π/6)d³HdH/dx

여기서, Fm은 자장중 자성 분말에 작용하는 자기력(dyne).

d는 자성분말의 직경(cm),

ρ는 자성분말의 밀도(g/㎤),

χ는 자성분말의 자화율(emu/g),

H는 자계강도,

dH/dx는 자계구배

식 6에서 알 수 있는 바와 같이, 자성분말과 자장 조건이 주어지면 각 ρ χ H dH/dx의 항은 일정하며 분말의 직경이 클수록 분말에 작용하는 자화력은 증가하는 것이다. 본 발명에 사용된 Fe-Co 분말에 대하여 전자주사현미경을 이용하여 입경을 조사한 결과 약 0.03∼5㎛인 것을 알 수 있었다(도 2).

상술한 바와 같이, 본 발명은 60kg/㎠ 정도의 내압성을 갖는 자기유동성 유체를 제공할 수 있으며, 이 유체는 산세폐액으로부터 얻은 Fe-Co 자성분말을 이용하므로 저렴하게 대량생산할 수 있다. 따라서, 본 발명의 자기유동성 유체는 자동차(국내 연간 400만대×4개), 선박, 비행기, 총기류(한국군인 총기류수)에 응용될 수 있으며, 충격, 진동의 완충 성능이 기존의 어떤 완충 성능보다 탁월하므로, 대량생산 품목인 자동차, 총기류의 완충 장치에 혁신적인 발전을 가져오는 유용한 효과가 있는 것이다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. Fe의 함량이 8∼13%의 산세폐액에 Co:Fe가 2.5:7.5~3.5:6.5가 되도록 Co를 혼합하는 단계.

   이 혼합용액의 pH를 7∼14로 조절하여 Co-페라이트를 침전하여 분리시키는 단계,

   분리한 Co-페라이트를 600∼1000℃에서 환원분위기로 환원처리하여 0.03∼5㎛의 Fe-Co분말을 얻는 단계,

   상기 Fe-Co 자성분말과 탄화수소 기름 용매를 혼합하는 단계를 포함하여 이루어지는 충격, 진동의 완충효능이 우수한 자기유동성 유체의 제조방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 Fe-Co 분말의 함량은 50∼90중량%이고 나머지 탄화수소 기름 용매임을 특징으로 하는 충격, 진동의 완충특성이 우수한 자기유동성 유체의 제조방법.