KR100497189B1 - 복합재료의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 세라믹섬유나 장섬유 대신에 형상기억합금 섬유를 강화재로 사용하여 섬유이 배열이 흐트러지지 않고 배열함과 동시에 금속복합재료 내부에 기공이나 결함을 갖지 않는 복합재료의 제조방법을 제공하는 것으로, 이에 따른 제조방법은, 다수 가닥의 형상기억합금 섬유의 양단을 지그에 고정하여 원하는 부피분율로 배열하는 단계; 상기 다수 가닥의 형상기억합금 섬유의 양단이 고정된 지그를 금형에 장착하는 단계; 상기 금형의 내부에 비철금속재료 용탕을 주입하는 단계; 상기 금형 내부에서 상기 비철금속재료 용탕이 굳은 후 열처리하여 균질화하는 단계; 및 상기 균질화된 복합체를 판재로 가공하는 단계를 포함한다.

Description

복합재료의 제조방법{Fabrication method of metal matrix composite}

본 발명은 복합재료에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 항공우주분야, 자동차 경량화 부품 등으로 이용되는 복합재료의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 금속복합재료는 경량이면서 고강도와 고강성을 가지고 있기 때문에 항공우주분야뿐 아니라 자동차 경량화 부품으로도 많이 사용되고 있다. 금속복합재료는 연한금속기지에 단단한 세라믹 강화재(단섬유, 휘스커, 입자 등)를 분산시켜 인장강도, 탄성률 등의 기계적 성질이 크게 개선시킨 재료이다.

그런데, 금속과 세라믹은 서로 혼합할 때 습윤성(wettability)이 좋지 않기 때문에 일본공개특허 소63-128965에서는 미리 세라믹으로 예비성형체(preform)를 만들고, 여기에 금속을 용해하여 용탕단조법이라는 방법을 이용하여 기계적인 압력에 의해 금속을 예비성형체 내부에 침투시켜 금속복합재료를 제조하는 기술을 개시하고 있다.

또한, 일본특허공보 소62-256954에서는 장섬유를 이용하여 금속복합재료를 제조할 방법을 언급하고 있는 데, 미리 섬유로 만든 천이나 매트를 이용하거나 섬유표면에 프라즈마를 이용하여 용사코팅하여 예비성형체를 제조하고 이를 이용하여 분말야금법이나 용탕단조법을 이용하여 금속복합재료를 제조하는 것이다.

이와 같이 제조한 금속복합재료는 모재로 사용되는 알미늄이나 마그네슘 등이 대부분이고 강화재로 사용하는 단섬유나 장섬유에 의해 모재금속 보다 기계적 특성이 향상된다.

그러나 단섬유로 복합재료를 제조할 때는 큰 문제가 되지 않지만 장섬유나 금속선재로 강화된 금속복합재료를 제조할 때는 제조시에 장섬유나 금속선재가 제조시의 배열과는 달리 제조시의 열과 압력에 의해 배열이 흐트러져서 원하는 기계적 성질을 얻지 못하는 문제점이 있다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 세라믹섬유나 장섬유 대신에 형상기억합금 섬유를 강화재로 사용하여 섬유이 배열이 흐트러지지 않고 배열함과 동시에 금속복합재료 내부에 기공이나 결함을 갖지 않는 복합재료의 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제조방법은, 다수 가닥의 형상기억합금 섬유의 양단을 지그에 고정하여 원하는 부피분율로 배열하는 단계; 상기 다수 가닥의 형상기억합금 섬유의 양단이 고정된 지그를 금형에 장착하는 단계; 상기 금형의 내부에 비철금속재료 용탕을 주입하는 단계; 상기 금형 내부에서 상기 비철금속재료 용탕이 굳은 후 열처리하여 균질화하는 단계; 및 상기 균질화된 복합체를 판재로 가공하는 단계를 포함한다.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 제조방법에 사용되는 지그를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 제조방법에 사용되는 금형을 도시한 단면도이다.

형상기억합금은 온도의 변화에 따라서 저온에서는 마르텐사이트상으로 변형이 쉽고 연한 반면에, 고온이 되면 오스테나이트상으로 상변태가 일어나 강화되기 때문에 변형이 되기 어렵다.

저온에서 쉽게 변형시킨 형상기억합금을 오스테나이트상 변태온도 이상으로 가열하면 변형되었던 형상기억합금이 본래의 형태로 돌아오려 하는 회복력이 발생하게 된다.

이러한 형상기억합금의 특성을 이용하여 복합재료를 제조하게 되는 바, 이러한 제조방법을 위해 사용되는 지그에 대해 설명하면, 도 1에 도시한 바와 같이 지그는 홈이 형성된 복수개의 지지바(1)와, 이 지지바(1)의 양 끝부분에 나사 체결되는 지지너트(2)와 조임너트(3)와, 복수개의 지지바(1)에 양 끝이 고정되는 크로스바(4)로 구성된다.

홈에는 형상기억합금 섬유(5)가 감겨지며, 이때 제조될 복합재료에서 차지하게 되는 분율에 해당하는 길이만큼 감겨지게 된다.

이러한 지그가 도 2에 도시한 바와 같은 금형의 내부에 장착된다. 금형에는 용탕을 주입하기 위한 탕구(6)가 형성된다.

본 발명에 따른 제조방법은, 다수 가닥의 형상기억합금 섬유의 양단을 지그에 고정하여 원하는 부피분율로 배열하는 단계와, 다수 가닥의 형상기억합금 섬유의 양단이 고정된 지그를 금형에 장착하는 단계와, 금형의 내부에 알루미늄 용탕을 주입하는 단계와, 금형 내부에서 알루미늄 용탕이 굳은 후 열처리하여 균질화하는 단계와, 균질화된 복합체를 판재로 가공하는 단계를 포함한다.

여기서 배열하는 단계는 상술한 지그의 지지바에 형상기억합금 섬유를 감게 되는 것으로, 제조될 복합재료에 대한 형상기억합금의 부피를 감안하여 감게 된다.

그 부피비율은 제조될 복합재료에 대한 부피의 3 내지 7 부피% 정도로 하는 것이 바람직하다.

이렇게 형상기억합금의 부피비율을 3 내지 7부피%로 정한 것은 3부피% 이상 되면서 복합재료의 기계적 특성이 개선되고, 7부피%를 초과하더라도 기계적 특성이 크게 좋아지지 않기 때문이다.

그리고 본 발명의 복합재료에 사용되는 비철금속재료는 알루미늄, 마그네슘, 아연, 또는 이들의 합금의 그룹에서 선택된 1종으로 한다.

이들 비철금속재료는 융점이 700℃이하인 것이 바람직한데, 그 이유는 복합재료 특성상 경량이면서 고강도를 가져야하고, 강화재로 사용되는 형상기억합금보다 융점이 낮아야 하기 때문이다.

또한, 본 발명에서 사용하는 형상기억합금 섬유는 널리 알려진 TiNi, NiAl, CuZn, FeNiTiCo, TiNb, MnCu, FeCrNi의 그룹에서 선택된 1종으로 한다.

이와 같이 지그에 형상기억합금이 배열되면, 지그를 금형에 장착하는 단계에서, 금형과 금형의 내부에 장착되는 지그를 예열하는 것이 바람직한다.

금형은 본격적인 주조가 시작되기 전에 예열하는 것으로, 가스 토치를 이용하여 예열하고, 지그는 금형에 투입되기 전에 전기로에서 예열한다.

이때 금형의 예열 온도가 지그의 예열온도보다 높게 하는 것이 바람직하며, 금형의 예열온도는 350 내지 450℃로 하고, 지그의 예열온도는 280 내지 320℃로 한다.

이렇게 금형의 내부에 장착된 지그와 금형을 예열하고 나서, 용탕을 주입하는 단계를 진행한다.

이 단계에서는 알루미늄 재료를 720℃ 용탕온도에 도달하면 지그가 장착된 금형의 내부에 즉시 주입한다.

알루미늄의 주입이 완료되면 금형의 내부에서 알루미늄이 굳을 때까지 기다렸다가 다음 단계를 진행하게 된다.

용탕을 주입한 후 균질화하는 단계는 형상기억합금 섬유와 알루미늄의 접합이 양호하게 되도록 실시하는 것으로, 400 내지 420 ℃에서 24시간 정도 진행하게 된다.

균질화가 종료되면 마지막으로 가공하는 단계에서, 와이어로 압탕 부위 및 지그를 제거하고 판재의 복합재료로 가공한다.

이하, 실시예를 통해 본 발명의 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

본 발명에 사용한 강화재인 TiNi 형상기억합금은 직경이 φ0.5mm인 일본 Kanto(주) Ti-50at%Ni 섬유(fiber)를 사용하였다.

그리고 복합재료 제조를 위한 전 단계로 두께 5mm 철판 및 직경 φ10mm너트를 지지대로 하여 지그를 제작한 후 강화재인 TiNi 형상 기억 효과 시 회복력에 의한 인장 특성을 명확히 이해하고자 형상기억합금 섬유를 지그에 일 방향 배열이 되도록 감아 예비 성형체를 설계 제작하였다.

복합재료의 기지재는 상용의 6061알루미늄합금을 사용하였으며, 전기로에서 용해하였다.

금형의 내부에 알루미늄 용탕을 주입하기 앞서, 먼저 예비 성형체를 전기로에서 300℃로 예열 하였으며, 초기 금형 온도는 400℃로 가스 토치로 예열 한 후 금형 내에 예비 성형체를 장착한다.

그리고 6061알루미늄합금의 용탕 온도가 720℃로 도달한 후 즉시 금형에 주입하여 복합재료를 제조하였다.

이러한 복합재료를 400℃에서 24시간 균질화 처리를 하였으며, 균질화 처리된 복합재료는 와이어 가공으로 압탕 부위 및 지그를 제거하고 판재의 복합재료로 가공하였다.

복합재료 기지(비철금속재료가 굳은 것)의 미세조직의 변화를 조사한 결과를 도 3 및 도 4에 나타내었다.

도 3에 나타난 바와 같이, 기지조직은 조대한 주방조직을 나타내고 있으며 기공 등의 결함은 발견되지 않았다.

도 4에 나타난 바와 같이, 강화재인 TiNi 파이버와 6061알루미늄기지의 복합재료의 조직은 형상기억합금 선재와 기지조직의 계면 접합이 양호함을 볼 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 복합재료의 강화재로 온도에 민감하게 반응을 하는 형상기억합금 섬유를 형상기억합금 고정용 지그를 이용하여 복합재료를 제조함으로써 복합재료 제조 후에 기존의 장섬유 강화재의 흐트러짐이 없는 복합재료를 제조할 수 있고 기존의 복합재료에서 얻을 수 없었던 높은 인장강도를 얻을 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 제조방법에 사용되는 지그를 도시한 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 제조방법에 사용되는 금형을 도시한 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조된 복합재료의 기지를 촬영한 광학현미경사진.

도 5는 본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조된 복합재료를 촬영한 광학현미경사진.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1...지지바 2...지지너트

3...조임너트 4...크로스바

5...형상기억합금 섬유 6...탕도

Claims (10)

1. TiNi, NiAl, CuZn, FeNiTiCo, TiNb, MnCu, FeCrNi의 그룹에서 선택된 1종인다수 가닥의 형상기억합금 섬유의 양단을 지그에 고정하여 원하는 부피분율로 배열하는 단계;

   상기 다수 가닥의 형상기억합금 섬유의 양단이 고정된 지그를 금형에 장착하는 단계;

   상기 금형의 내부에 알루미늄, 마그네슘, 아연, 또는 이들의 합금의 그룹에서 선택된 1종의 비철금속재료 용탕을 주입하는 단계;

   상기 금형 내부에서 상기 비철금속재료 용탕이 굳은 후 열처리하여 균질화하는 단계; 및

   상기 균질화된 복합체를 판재로 가공하는 단계

   를 포함하는 복합재료의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 배열하는 단계에서의 형상기억합금의 부피비율은 제조될 복합재료에 대한 부피의 3 내지 7 부피% 인 복합재료의 제조방법.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서, 상기 비철금속재료는 융점이 700℃이하인 복합재료의 제조방법.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서, 상기 용탕을 주입하는 단계 이전에, 상기 금형과 금형의 내부에 장착되는 지그를 예열한 후 금형에 용탕을 주입하는 복합재료의 제조방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 금형의 예열 온도가 350 내지 450℃이고 상기 지그의 예열온도가 280 내지 320℃인 복합재료의 제조방법.
8. 삭제
9. 삭제
10. 제 1 항에 있어서, 상기 용탕을 주입한 후 균질화하는 단계는 상기 형상기억합금 섬유와 굳은 비철금속의 접합이 양호하게 되도록 400 내지 420 ℃에서 24시간 정도 열처리하는 복합재료의 제조방법.