KR100471649B1 - 고감쇠 알루미늄기지 복합재료 - Google Patents

Abstract

본 발명은 경량인 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 마그네슘(Mg)으로 구성된 알루미늄 합금 기지(matrix)에 실리콘카바이드(SiC)입자와 니켈 코팅된 흑연(graphite)입자를 첨가시켜 우수한 감쇠특성을 가지고, 수중무기용 추진기 제작에 적용할 수 있는 주조성을 갖는 고감쇠 알루미늄기지 복합재료를 제공한다.

Description

고감쇠 알루미늄기지 복합재료{HIGH DAMPING ALUMINUM MATRIX COMPOSITE}

본 발명은 수중운동체중 고속으로 주행하는 어뢰 및 저소음특성을 요하는 분야에서 정숙성을 획기적으로 증대시키는 고감쇠 알루미늄기지 복합재료에 관한 것이다.

수중운동체, 특히 수중무기는 일반 민수용 선박과 비교하여 상당히 빠른 속도로 수중에서 주행하게된다. 고속으로 주행시 수중무기의 추진기는 고속회전에서 발생하는 소음을 최대한 감소시켜 피탐가능성을 감소시키고 표적탐지능력을 향상시켜야 한다.

종래의 수중운동체의 추진기 재료는 망간-구리합금이나 스테인레스 계통 합금을 주로 사용하였다. 이러한 재료를 사용한 추진기는 밀도가 높거나 감쇠능이 거의 없어 수중에서 고속 주행시 방사소음수준이 높아 수중은밀성과 고속화를 위한 용도에 적합하지 않았다.

현재 수중무기의 추진기 재료로는 경량이면서 가공성이 우수한 주조용 알루미늄 합금이 주로 적용되고 있으나, 이 재료가 가지는 나쁜 감쇠특성으로 인해 수중무기가 고속으로 주행할 경우 발생하는 추진기의 진동을 억제시키지 못해 추진기의 진동이 소음으로 전파되어 수중무기의 수중은밀성 증대뿐만 아니라 자체 탐지능력의 향상에 제약 요인이 되었다.

이와 같은 문제점들을 해결하기 위해서 경량이면서 고감쇠 특성을 지닌 추진기 재료가 절실하게 요구되어 왔다.

이에 본 발명은 전술한 바와 같은 점을 해결하기 위해서 안출된 것으로, 경량이면서 고감쇠능을 지닌 알루미늄기지 복합재료 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 경량인 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 마그네슘(Mg)으로 구성된 알루미늄 합금 기지(matrix)에 실리콘카바이드(SiC)입자와 니켈 코팅된 흑연(graphite)입자를 첨가시켜 우수한 감쇠특성을 가지고, 수중무기용 추진기 제작에 적용할 수 있는 주조성을 갖는 고감쇠 알루미늄기지 복합재료를 제공한다.

상기 복합재료는 55.8~81.6 중량%의 알루미늄과 7~10 중량%의 실리콘과 0.4~1.2 중량%의 마그네슘과 1~8 중량%의 니켈과 8~15 부피%의 실리콘카바이드 입자와 2~10 부피%의 흑연으로 구성된다.

상기 복합재료에서 알루미늄에 첨가된 합금원소인 실리콘(Si)은 주조시 주조성을 향상시키고, 흑연(graphite)과 알루미늄의 계면반응을 통해 발생되는 취약한 특성을 지닌 화합물인 Al₄C₃의 발생을 억제시키는 역할을 한다.

또한, 마그네슘(Mg)은 용융알루미늄에 실리콘카바이드(SiC)와 니켈 코팅된 흑연(graphite)입자를 첨가할 때 첨가된 입자들의 젖음성(wettability)을 향상시켜 입자들이 고르게 분산시킨다.

또한, 실리콘카바이드(SiC)입자는 용융알루미늄과 냉각과정에서 전위(dislocation)를 발생시킴으로써 알루미늄기지 복합재료의 감쇠능을 향상시키고, 복합재료의 기계적 특성을 향상시키는 역할을 한다.

도 1에 보인 바와 같이, 알루미늄기지 복합재료에서 SiC함량에 따른 감쇠능이 SiC 10부피%에서 최고를 나타내고 이후 20부피%까지 향상된 값을 보이다가 20부피%를 기점으로 급격히 감소하는 경향을 보인다. 흑연을 첨가시킬 경우 야기되는 기계적 강도의 감소를 어느 정도 보상해 줄 수 있으면서 감쇠특성 또한 동시에 가질 수 있는 최저 SiC 조성으로 8%를 선정하였으며, 최대 함량은 15%를 선정하였는데 그 이유는 SiC가 이 이상의 조성이 될 경우, SiC의 내마모특성과 깨지기 쉬운(brittle) 성질로 인해서 가공시 또는 추진기에서의 고속 회전시 충격으로 인하여 쉽게 부서져 버릴 수 있기 때문이다.

한편, 니켈 코팅된 흑연(graphite) 입자는 알루미늄기지 복합재료에 감쇠능을 향상시키며, 흑연에 코팅된 니켈은 용융알루미늄에서 흑연의 젖음성을 향상시켜 흑연입자의 분산성을 향상시킨다. 도 2a에 보인 바와 같이 알루미늄기지 복합재료의 감쇠능은 첨가된 흑연량에 거의 비례하여 증가한다. 하지만, 실험을 통해서 약 10% 이후로는 감쇠능이 그렇게 향상되지 않는 것으로 나타났으며, 도 2b에 나타난 바와 같이 10% 이상의 흑연을 첨가하게 되면 기계적 특성을 상당히 저하시킨다. 따라서 최대 흑연 함량을 10%로 선정하였으며, 최저 2%를 선정한 이유는 초기 약 2%까지의 흑연 첨가로 감쇠능이 크게 향상되지 않았기 때문이다.

본 발명의 고감쇠 알루미늄기지 복합재료의 제조방법은 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 마그네슘(Mg)으로 이루어진 합금을 용해시키는 단계(S1), 상기 단계에서 용해된 알루미늄 합금을 교반시키면서 실리콘카바이드를 첨가시키는 단계(S2), 용탕을 교반시키면서 니켈 코팅된 흑연을 첨가시키는 단계(S3), 실리콘카바이드와 흑연이 첨가된 용융된 알루미늄 합금을 주조하는 단계(S4), 주조된 알루미늄에 실리콘카바이드와 흑연이 첨가된 복합재료를 열처리하는 공정(S5)을 포함하여 구성된다.

상기 제조방법의 실리콘카바이드 입자와 흑연입자 첨가단계(S2, S3)에서 용탕의 교반을 위한 장치를 도 4에 도시하였다. 교반시 임펠러의 블레이드는 용해로와 수직인 회전축에 대해 45。 각도를 유지하거나 회전축과 평행한 블레이드를 가진 임펠러의 회전축을 20 ~ 30。 정도 기울여 교반시키는 것이 바람직하다.

상기 제조방법에서 실리콘카바이드 입자는 크기가 3~15㎛, 흑연입자의 크기는 50~200㎛로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 제조방법의 흑연입자 첨가단계(S3)는 흑연의 표면에 니켈(Ni)을 0.2 ~ 1㎛두께로 코팅하는 표면처리 공정을 포함하여 이루어진다. 이와 같은 표면처리 공정으로는 전기증착, 이온플레이팅, 화학기상증착 등의 다양한 방법들이 포함될 수 있다. 니켈은 흑연입자 표면에 0.2 ~ 1㎛두께로 코팅되는 것이 바람직한데, 그 이유는 이 이상의 두께가 되면 흑연 표면의 니켈이 덴드라이트 구조를 보인다고 알려져 있으며, 또한 이 이상의 두께가 되면 취약한 화합물인 알루미늄-니켈 화합물을 생성시켜 알루미늄기지 복합재료의 기계적 강도를 저하시킨다.

주조단계(S4)에서의 용탕의 온도는 690℃ ~ 710℃로 유지하는 것이 바람직하며, 열처리 단계(S5)에서 열처리 조건은 T6로 이루어져 있다. 알루미늄기지 복합재료는 입자들이 첨가되지 않은 알루미늄합금 일때에 비해 입자들을 첨가시키면 점도가 높아져 주조성이 나빠지게 된다. 주조시 온도를 높이면 점도는 좋아지는 반면 입자의 계면에서 기지금속과 화합반응을 일으켜 기계적물성에 악영향을 미치는 화합물(Al₄C₃)을 생성시킬 수 있으므로, 본 발명에서는 상기와 같은 온도 범위로 주조시 온도를 제어한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시례를 첨부도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 고감쇠 알루미늄기지 복합재료의 제조방법을 도시한 공정도이고, 도 4는 본 발명에 따른 고감쇠 알루미늄기지 복합재료의 제조 과정에 사용되는 교반장치를 도시한 사시도이고, 도 5a 및 5b는 본 발명에 따른 고감쇠 알루미늄기지 복합재료의 조직을 분석한 전자주사현미경사진이고, 도 6a 내지 6c는 본 발명에 따른 고감쇠 알루미늄기지 복합재료의 감쇠능 측정값이다.

도 4에 나타난 용해 및 교반을 위한 예시적인 장치를 사용하여 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 마그네슘(Mg)으로 구성된 알루미늄 합금 용탕을 제조한다(S1). 알루미늄 합금 용탕에 도 4에 나타난 교반장치를 사용해 임펠러(5)에 연결된 구동전동기(2)를 구동시켜 임펠러(5)가 용해로(4)에서 일정속도로 회전될 수 있도록 조절하고, 실리콘카바이드 입자를 첨가한다.(S2). 임펠러(5)의 회전각도는 용해로(4)와 수평방향인 것보다 조금 비스듬하게 유지시키는 것이 교반에 더 효과적이다. 실리콘카바이드 입자가 모두 용탕 내부로 주입이 디면 첨가된 실리콘카바이드입자가 고르게 분산되도록 임펠러(5)의 회전속도를 첨가시 보다 낮추어 교반을 일정시간동안 유지시킨다.

실리콘카바이드를 첨가하여 고르게 분산시킨 후 니켈이 코팅된 흑연입자를 실리콘카바이드입자 첨가시와 같은 조건에서 흑연입자를 첨가시킨다(S3). 첨가가 끝나면 다시 회전속도를 낮추어 완전한 흑연입자의 분산이 이루어지도록 교반을 유지한다. 교반 과정에서 교반속도가 너무 빨라 지나친 보텍스콘(vortex cone)이 발생하면 용탕 내부로 공기가 유입되어 주조시 기공이 생성될 수 있으므로 용해로의 크기와 용탕의 량에 맞는 적절한 교반속도 설정이 중요하다.

또한, 입자의 첨가가 끝난 후 교반 속도를 첨가시보다 낮추어 교반을 주물에 주입하기 약 10분 전까지 실시하여 완전히 입자들의 분산이 이루어지도록 한다. 알루미늄의 용해와 입자첨가 및 첨가 후 교반과정에서 용탕의 표면에 볼활성가스(예를들어 Ar)나 N₂를 흐르게 한다. 일반적인 알루미늄의 탈가스 과정의 경우 용탕 내부로 불활성가스를 불어넣으면 용탕 내부의 수소가스 및 기포들을 포집하여 용탕 외부로 배출시킬 수 있지만, 복합재료 제조시의 경우 이와 같이 용탕 내부로 불활성가스를 취입시키면 입자들이 가스와 함께 용탕 상부로 부유해 버려 고른 분산에 문제가 발생하고, 일반적으로 알려진 다른 탈가스 방법의 적용이 곤란하다. 따라서, 본 발명에서는 주조시 알루미늄과 공기의 화학반응에 의한 용탕 내부로의 미세기공의 생성을 최대한 억제시키기 위해 아르곤가스나 질소와 같은 불활성 가스를 용탕 표면으로 흐르게 한다.

교반에 의한 분산이 끝나고 약 10분간 용탕을 방치시켜 교반시 포함될 수 있는 기포들을 용탕 표면으로 배출시킨 후, 몰드에 일반 주조용 알루미늄과 같은 방식으로 용탕을 몰드에 주입시킨다(S4). 몰드에 주입시 기포 및 불순물의 제거를 위해 필터를 몰드에 사용할 수도 있다. 주입이 끝난 주물의 몰드는 냉각속도를 빠르게 하여 입자들이 고르게 분산되도록 유도하여야 한다.

냉각 후 제거된 주조품은 T6 열처리 과정을 거친다(S5).

도 5a 및 5b는 주조된 고감쇠 알루미늄기지 복합재료의 조직을 나타낸 전자주사현미경사진이다. 도 5a는 18배 확대 사진이며, 5b는 100배 확대 사진으로서, 사진에서 검게 보이는 흑연(13)과 첨가된 실리콘카바이드 입자(12)가 고르게 분산되어 있다. 또한, 밝게 보이는 알루미늄과 니켈의 금속간 화합물(11)은 흑연표면에 증착시켰던 니켈 성분이 주조과정에서 분산되어 알루미늄기지 금속사이에 고르게 분산되어 있는 것이다.

도 6a 내지 6c는 각각 고감쇠 특성을 갖는 알루미늄기지 복합재료(6c), 고감쇠 재료로 알려진 망간-구리 계통의 합금(6b) 및 현재 수중무기용 추진기 재료로 사용되고 있는 주조용 알루미늄합금(6a)의 감쇠 특성을 자유 감쇠 측정(free decay method)에 의해 측정한 값을 보여주는 그래프이다. 각 측정값을 비교해보면 고감쇠 특성을 갖는 망간-구리합금보다 본 발명의 고감쇠 알루미늄기지 복합재료의 진동 감쇠특성이 더 우수한 것을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 고감쇠 알루미늄기지 복합재료는 수중운동체중 어뢰와 같이 고속으로 회전하는 추진기 및 기타 고감쇠 특성을 요하는 분야에서 고속회전과 진동으로 발생되는 소음을 획기적으로 감소시켜 피탐가능성 저하, 표적 탐지능력 및 정숙성 향상에 크게 기여할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 실리콘카비이드 첨가에 따른 알루미늄기지 복합재료의 감쇠능 변화를 보여주는 그래프이다.

도 2a는 흑연 첨가에 따른 알루미늄기지 복합재료의 감쇠능 변화를 보여주는 그래프이다.

도 2b는 흑연 첨가에 따른 알루미늄기지 복합재료의 기계적 강도 변화를 보여주는 그래프이다.

도 3는 본 발명에 따른 고감쇠 알루미늄기지 복합재료의 제조방법을 도시한 공정도.

도 4은 본 발명에 따른 고감쇠 알루미늄기지 복합재료의 제조 과정에서 사용되는 교반장치를 도시한 사시도.

도 5a 및 5b는 본 발명에 따른 고감쇠 알루미늄기지 복합재료의 조직을 분석한 전자주사현미경사진.

도 6a 내지 6c는 종래 기술 및 본 발명에 따른 고감쇠 알루미늄기지 복합재료의 감쇠능 측정결과를 보여주는 그래프.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

1 : 가스밸브 2 : 구동전동기

3 : 절연선 4 : 용해로

5 : 임펠러 11 : 알루미늄니켈화합물

12 : 실리콘카바이드입자 13 : 흑연입자

Claims (9)

1. 55.8~81.6 중량%의 알루미늄(Al)과 7~10 중량%의 실리콘(Si)과 0.4~1.2 중량%의 마그네슘(Mg)과 1~8 중량%의 니켈(Ni)과 8~15 부피%의 실리콘카바이드(SiC)입자와 2~10 부피%의 흑연(graphite)으로 구성되며,

   상기 흑연과 니켈은 흑연입자 표면에 니켈이 0.2 ~ 1㎛두께로 코팅되어 있는 상태로 포함되는 것을 특징으로 하는 고감쇠 알루미늄기지 복합재료.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 실리콘카바이드 입자는 크기가 3 ~ 15㎛, 흑연입자의 크기는 50 ~ 200㎛로 이루어지는 고감쇠 알루미늄기지 복합재료.
4. 55.8~81.6 중량%의 알루미늄과 7~10 중량%의 실리콘과 0.4~1.2 중량%의 마그네슘을 포함하는 알루미늄 합금을 용해시키고;

   상기 알루미늄 합금이 용해된 용탕을 교반시키면서 8~15 부피%의 실리콘카바이드를 첨가하고;

   상기 알루미늄 합금이 용해된 용탕을 교반시키면서 1~8 중량%의 니켈이 0.2 ~ 1㎛두께로 코팅된 2~10 부피%의 흑연을 첨가하고;

   실리콘카바이드와 흑연이 첨가된 용융된 알루미늄 합금을 주조하고;

   주조된 알루미늄 합금을 열처리하는 단계를 포함하여 구성되는 고감쇠 알루미늄기지 복합재료 제조방법.
5. 삭제
6. 제4항에 있어서, 상기 열처리는 T6 열처리에 의하는 고감쇠 알루미늄기지 복합재료 제조방법.
7. 제4항에 있어서, 상기 교반은 알루미늄 합금이 용해된 용탕에 구동기와 연결되어 있는 임펠러를 용탕의 표면에 대해 경사지도록 넣고 회전시킴으로써 수행되는 고감쇠 알루미늄기지 복합재료 제조방법.
8. 제4항에 있어서, 상기 교반과정에서 용탕의 표면에 Ar 또는 N₂를 흘려주는 고감쇠 알루미늄기지 복합재료 제조방법.
9. 제4항에 있어서, 상기 주조과정에서 알루미늄 합금이 용융되어 있는 용탕의 온도는 690℃ ~ 710℃를 유지하는 고감쇠 알루미늄기지 복합재료 제조방법.