KR100548150B1

KR100548150B1 - 링 및 튜브형상의 금속기지복합재료의 제조장치

Info

Publication number: KR100548150B1
Application number: KR1020030041128A
Authority: KR
Inventors: 이재훈; 정운재; 김기태
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2003-06-24
Filing date: 2003-06-24
Publication date: 2006-02-02
Also published as: KR20050000659A

Abstract

본 발명은 링 및 튜브형상의 금속기지 복합재료에 관한 것으로, 내부에 강화재와 기지금속이 충진된 반응용기에 반응가스를 주입하면서 고주파유도가열과 반응용기를 고속회전시킴으로써 원심력과 모세관현상에 의해 강화재에 기지금속이 침투되도록 하여 링 또는 튜브형상의 금속기지복합재료를 제조할 수 있다.

기지금속, 복합재료, 반응용기, 질소, 원심, 침투, 강화재, 링, 튜브

Description

링 및 튜브형상의 금속기지복합재료의 제조장치 { manufacture apparatus of ring or tube type metal composite materials }

도 1은 링 및 튜브형상의 금속기지복합재료의 제조장치에 대한 일부절개 정면도

도 2는 도 1에서 반응용기의 구조를 보여주는 분해사시도

도 3은 반응용기의 실시상태를 보여주는 단면도

도 4는 본 발명에 따른 링 및 튜브형상의 금속기지복합재료의 제조공정에 대한 흐름도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

2 : 원심반응부 3 : 반응용기

4 : 회전장치 6 : 고정장치

8 : 가스공급부 22 : 가열부

24 : 삽입관 26 : 내화재

32 : 볼트관 34 : 외통체

36 : 하판 38 : 상판

39 : 너트관 42 : 구동모터

44 : 제1회전축 46 : 제1지지대

48 : 풀리 62 : 핸들

64 : 제2회전축 66 : 제2지지대

45,65 : 척 82 : 가열기

84 : 봄베 90 : 제어부

본 발명은 링 및 튜브형상의 금속기지 복합재료에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속기지(matrix)를 요구되는 형상으로 성형된 링 또는 튜브형 세라믹 강화재에 직접 침투시킴으로써 링 및 튜브형상의 금속기지 복합재료를 제조할 수 있는 링 및 튜브형상의 금속기지복합재료의 제조장치에 관한 것이다.

최근 기계 및 각종 장치산업에서 관련 장치의 정밀도 및 성능 향상을 위해 높은 내 마모 특성 및 열전도성 등, 우수한 기계적, 물리적 및 화학적 특성이 결합된 복합(Hybrid)재료에 대한 요구가 강력히 대두되고 있다.

따라서 금속재료의 높은 인성, 높은 열전도도 및 열 확산 등의 물리적 특성과 세라믹재료의 높은 탄성률, 고 내마모성 및 온도에 대한 높은 안정성 등의 장점을 결합 시킬 수 있는 금속기지 복합재료에 대한 연구는 전 세계적으로 관심이 집중되고 있다.

한편, 금속기지복합재료(Metal Matrix Composite : MMC)는 비강성 및 비강도가 높고 고온특성이 양호하며 열팽창계수가 낮고 습기에 예민하지 않은 장점을 가지고 있어 자동차 및 항공재료에 있어서 기존의 합금을 대체할 신소재로 주목받고 있다.

또한 상온 및 고온에서의 내 마멸성과 내열성을 가지며 일반적인 금속재료의 제조기술을 이용하여 제조가 가능하다. 특히 기지금속을 알루미늄 혹은 마그네슘합금으로 하는 복합재료는 밀도가 낮고, 주조성, 열전도성, 내식성, 내마모성 등이 우수하며 기지금속의 조성을 조절함으로서 부수적으로 석출경화에 의해 기계적 성질을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

현재까지 알려진 금속기지복합재료의 제조방법으로는 분말야금법, 용탕교반법, 반응고주조법, 가압침투법, 분무적층법, 무가압침투법 등이 있다.

그러나 상기한 제조방법들은 부품의 특성에 따라 각각의 고유 장점을 갖고 있으나 최종 부품형상에 도달하기까지 용해 및 단조성형, 압출공정, 분말제조 및 성형 등 여러 가지의 공정이 필수적으로 결합되어야만 가능하다.

따라서 복합공정의 결합으로 인한 환경부하 및 에너지소모가 매우 높고 관련소재 및 부품성능대비 제조비용이 매우 높아 부품의 본격적인 활용이 어려운 실정이다.

특히, 링 및 튜브 형상의 금속기복합재료를 제조하는데 있어서 종래의 일반적인 제조공정기술은 분말을 spray forming형태로 적층시키거나 용탕에 세라믹상을 혼합, 교반하여 복합재 잉고트를 제조한 후 압출공정을 통해 튜브 형상부품을 제조 하는 것으로 용해 및 압출시에 필수적으로 수반되는 각종 가스, dust, 윤활제의 사용 등 환경 오염인자들을 피할 수가 없다.

또한 용해, 압출 등의 다단공정과 고가의 높은 에너지를 소모하는 장비가 필수적으로 요구되고 관련 금형 등의 고가부품 소모성도 매우 크다.

한편, 용탕단조 등의 가압침투법에 의한 금속기복합재료의 제조기술은 용융기지금속의 침투를 위해 세라믹 강화재의 성형체 제조가 필수적으로 요구되고 이로 인해 각종 바인더에 의한 제품특성의 저하와 부품 및 세라믹 강화재 형상에 있어서 한계가 많고 소결조건 등이 까다로운 단점이 있다.

또한 세라믹강화재의 성형체에 용융금속의 가압침투를 위해 수천 톤의 가압력을 위한 고가의 장비 및 고가 금형의 소모가 높아 제조비용이 상승되는 단점이 있었다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 일정 형상의 반응용기 내에 기지금속과 강화재를 충진시킨 후 원심력과 모세관현상을 이용하여 기지금속이 강화재에 흡수시킴으로써 즉시로 일정형상을 갖는 복합재료를 완성할 수 있어 제조공정이 간단하고, 제조비용이 현저히 절감될 수 있는 링 및 튜브형상의 금속기지복합재료의 제조장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은,

내부에 강화재와 기지금속이 충진된 반응용기에 반응가스를 주입하면서 고주파유도가열과 반응용기를 고속회전시킴으로써 원심력과 모세관현상에 의해 강화재에 기지금속이 침투되도록 하여 링 또는 튜브형상의 금속기지복합재료를 제조함을 특징으로 한다.

이러한 금속기지복합재료는 내부에 반응용기가 개재된 원심반응부와, 이를 회전시키는 회전장치와, 원심반응부의 타단을 견고하게 지지하는 고정장치 및 가열부, 원심반응부에 반응가스를 공급시키기 위한 가스공급부 그리고 제어부를 포함하여 이루어진 제조장치에 의해 제조됨을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 토대로 상세하게 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도면 중에서 도 1은 링 및 튜브형상의 금속기지복합재료의 제조장치에 대한 일부절개 정면도이고, 도 2는 도 1에서 반응용기의 구조를 보여주는 분해사시도, 도 3은 반응용기의 실시상태를 보여주는 단면도, 도 4는 본 발명에 따른 링 및 튜브형상의 금속기지복합재료의 제조공정에 대한 흐름도이다.

먼저 본 발명에 따른 링 및 튜브형상의 금속기지복합재료의 제조장치(A)를 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

상기 원심반응부(2)는 내측에 관통되게 형성된 대구경의 삽입관(24)이 설치되고 그 외측에 가열부(22)가 설치된 본체(28)와, 내부에 기지금속(70)과 강화재(50)가 충진된 채 상기 삽입관(24)에 끼움결합되는 반응용기(3) 및 이 반응용기(3)의 양단부에 게재되는 다수의 내화재(26)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 반응용기(3)는 양단이 개구되고 내측에 중공부(340)를 갖는 원통형상의 외통체(34)와, 중심부에 관통공(360,380)이 형성되어 상기 개구된 양단부에 덮혀지는 상판(38) 및 하판(36)과, 내측에 중공부(320)를 가지며 외주면 상단에 나사부(322)가 형성되고 측면에 다수의 통공(324)이 형성된 채 상기 하판(36)의 관통공(360)에 끼워지는 볼트관(32)과, 내측에 중공부(390)가 형성되고 상기 볼트관(32)의 나사부(322)에 체결되는 너트관(39)으로 이루어진다.

즉, 상기 볼트관(32)을 하판(36)에 끼우고, 상기 외통체(34)를 결합한 후 상기 볼트관(32)의 외주연에 기지금속(70)을 게재하고, 이 기지금속(70)의 외주연에 강화재(50)를 게재시킨 후 상단의 개구부에 상판(38)을 덮은 다음 상기 너트관(39)을 나사결합함으로써 밀봉시킨다.

또한, 상기 가열부(22)는 고주파 가열방식이나 가스화염방식 및 전기로 가열방식 등을 채택할 수 있으나, 상기 가스화염방식 및 전기로 가열방식은 온도조절이 정확하지 않고 간접가열형태이므로 가열 및 냉각에 시간이 많이 소요되는 단점이 있으므로 본 발명에서는 고주파 가열방식을 채택한다.

즉, 고주파 가열방식은 전자기장 효과에 매체가 자기유도에 의해 직접 발열하는 형태로 단시간에 급속가열 및 급속냉각이 가능한 잇점이 있고, 고주파 발진기의 용량에 따라 수초에서 수십 분까지 가열 및 냉각 싸이클을 조절할 수 있으며, 가열한 후 원하는 온도를 지속적으로 유지할 수 있는 장점이 제공된다.

상기 회전장치(4)는 일단에 상기 삽입관(24)의 일단을 지지하는 척(45)이 구비되고, 타단에 풀리(48)가 장착되는 한편, 내측에 중공부를 갖는 제1회전축(44)을 본체(28)의 일측에 설치된 제1지지대(46)에 베어링결합시킨 후 상기 풀리(48)에 구동모터(42)의 V-벨트(49)를 연결시켜서 구성된 것이며, 상기 구동모터(42)의 구동에 의해 제1회전축(44)이 회전함으로써 이에 연동되어 본체(28)가 회전될 수 있도록 한다.

상기 고정장치(6)는 일단에 상기 삽입관(24)의 타단을 지지하는 척(65)이 구비된 제2회전축(64)이 베어링결합되고, 하부에는 가이드레일(630)에 결합되어 수평이동이 가능하게 된 가이드부(63)가 설치되어 이루어진 제2지지대(66)와, 상기 제2지지대(66)의 일측에 설치된 나사조임식 핸들(62)을 포함하여 구성된 것이며, 상기 핸들(62)을 조여줌으로써 상기 제2회전축(64)의 척(65)이 삽입관(24)의 타단을 견고하게 지지할 수 있도록 한다.

상기 가스공급부(8)는 상기 반응용기(3) 내에 반응을 촉진시켜주는 반응가스를 공급하기 위한 것으로, 반응가스를 저장하는 봄베(84)와, 일단은 봄베(84)에 연결되고 타단은 제1회전축(44)의 중공부에 연통된 주입호스(86)와, 주입호스(86) 상에 설치되어 반응가스를 예열시켜주는 가열기(82)로 구성된다.

본 발명에서 상기 반응가스는 질소가스(N₂)를 사용하고, 주입조건은 반응이 종료될 때까지 연속적으로 주입시켜서 반응용기 내를 항상 질소분위기를 유지하도록 한다.

즉, 질소가스가 반응용기(3)의 중공부(320)로 주입되면서 통공(324)을 통해 강화재(50)와 기지금속(70)에도 주입된다.

상기 가열기(82)는 질소가스를 약 200℃로 예열시켜줌으로써 반응을 더욱 촉진시킬 수 있도록 하기 위한 것이다.

이와 같이 구성된 상기 제조장치(A)를 통해 복합재료를 제조하는 방법을 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

상기 반응용기(3) 내에 기지금속(70)을 충진시키고, 기지금속(70)의 외주연에 강화재(50)를 충진시킨 후 상술한 바와 같이 반응용기(3)를 밀봉한다.(100)

상기 반응용기(3)를 삽입관(24)에 삽입(200)한 후 그 양측의 빈 공간에 다수의 내화재(26)를 게재시켜 충진시킨다.(300)

이후 상기 고정장치(6)의 핸들(62)을 조여주어 그 선단의 척(65)이 삽입관(24)의 끝단을 지지하도록 하여 삽입관(24)을 갖는 본체(28)가 상기 회전장치(4)와 고정장치(6)의 척(45,65)에 견고하게 지지되게 한다.(400 ~ 500)

이때, 상기 고정장치(6)는 상기 가이드부(63)를 이용하여 전후좌우로 이동시키면서 척(65)이 삽입관(24)의 중심부에 정확하게 지지되게 하여 본체(28)의 회전 시 무게중심의 편중현상이 배제되도록 함이 바람직하다.

이후 상기 제어부(90)를 조작하여 작동시키면 가스공급부(8)를 통해 질소가스가 반응용기 내로 주입(600)됨과 동시에 회전장치(4)의 구동(700)에 의해 상기 원심반응부(2)가 회전되면서 아울러 가열부(22)에 의해 고주파가열이 병행된다.(800)

이후 셋팅된 일정 시간동안 반응이 이루어진 다음 반응용기(3)를 냉각시키고 완성된 제품을 탈형한다.(900 ~ 1000)

이와 같은 본 발명에 따른 금속기지복합재료의 제조방법을 몇가지 실시예를 예를 들어 설명하면 다음과 같다.

상기 기지금속(70)과 강화재(50)의 혼합비율은 최종적으로 요구되는 복합재료의 물성에 따라 자유롭게 조절이 가능하며, 강화재의 종류에도 제한을 두지 않는다.

본 발명에서는 상기 강화재의 종류에 따라 세가지의 실시예를 들 수 있다.

첫번째는, 장 섬유강화형 복합재료를 제조하는 경우인데,

튜브형태의 기지금속(70)에 강화재(50)로 사용하고자 하는 알루미나, 혹은 ASZ, 기타 세라믹재나 혹은 흑연(黑鉛, graphite) 장섬유를 원하는 두께로 권회시킨 다음 상기 반응용기(3) 내에 충진시킨 후 급속가열하면서 회전시키면 기지금속이 용융되면서 원심력에 의해 장섬유상 강화재로 침투하여 최종적으로 섬유공극 사이에 기지금속이 채워짐으로써 금속기지복합재료가 완성된다.

두번째 실시예로써 단섬유 강화형 복합재료를 제조하는 경우인데,

튜브형태의 기지금속(70)을 반응용기(3)에 넣고 그 외주연에 단섬유 강화재를 충진시킨 다음 반응용기를 밀봉시키고 가열 회전반응을 실시하면, 기지금속이 용융되면서 단섬유사이로 침투해 최종적으로 단섬유와 기지금속이 혼재되어 있는 복합재료가 완성된다.

이때, 단섬유재의 양은 높은 부피분율을 필요로 할 경우(강화재의 양이 많을 경우) 충진시 압력을 가해 단섬유재의 밀도를 높여 혼합비율을 높일 수 있고, 낮은 부피분율의 경우(강화재의 양이 적을 경우) 자연 충진하거나 자연충진시 생기는 밀도보다 낮을 경우는 외부에서 소결방법에 의해 낮은 밀도의 단섬유재 프리폼을 제조한 후 튜브형태의 기지금속과 함께 반응용기에 넣고 반응시켜서 복합재료를 성형시킨다.

세번째 실시예로써 입자강화형 복합재료를 제조하고자 하는 경우인데,

튜브형태의 기지금속(70)을 반응용기(3)에 넣고 그 외주연에 입자상의 산화물 분말을 원하는 형태의 크기나 입도분포를 선택해 충진시킨 후 고주파가열하면서 회전시키면 원심력에 의해 기지금속이 입자사이로 침투해서 복합재료가 된다.

이때, 원하는 강화재의 밀도는 높은 부피분율을 요하는 경우(강화재의 양이 많을 경우)는 분말을 충진한 후 압력을 가해 밀도를 높이거나 ,낮은 부피분율을 요하는 경우(강화재의 양이 적을 경우)는 기지금속의 분말을 더 투입한 후 원심가열반응시켜서 복합재료를 성형시킨다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 링 및 튜브형상의 금속기지복합재료의 제조장치에 따르면, 일정 형상의 반응용기 내에 기지금속과 강화재를 충진시킨 후 원심력과 모세관현상을 이용하여 기지금속이 강화재에 흡수시킴으로써 즉시로 일정형상을 갖는 복합재료를 완성할 수 있어 제조공정이 간단하고, 제조비용이 현저히 절감될 수 있는 장점이 제공된다.

Claims

삭제
내측에 관통되게 형성된 대구경의 삽입관(24)이 설치되고 그 외측에 가열부(22)가 설치된 본체(28)와, 내부에 기지금속(70)과 강화재(50)가 충진된 채 상기 삽입관(24)에 끼움결합되는 반응용기(3) 및 이 반응용기(3)의 양단부에 게재되는 다수의 내화재(26)를 포함하여 구성된 원심반응부(2)와;

일단에 상기 삽입관(24)의 일단을 지지하는 척(45)이 구비되고, 타단에 풀리(48)가 장착되는 한편, 내측에 중공부를 갖는 제1회전축(44)을 본체(28)의 일측에 설치된 제1지지대(46)에 베어링결합시킨 후 상기 풀리(48)에 구동모터(42)의 V-벨트(49)를 연결시켜서 구성된 것이며, 상기 구동모터(42)의 구동에 의해 제1회전축(44)이 회전함으로써 이에 연동되어 본체(28)가 회전될 수 있게 한 회전장치(4)와;

일단에 상기 삽입관(24)의 타단을 지지하는 척(65)이 구비된 제2회전축(64)이 베어링결합되고, 하부에는 가이드레일(630)에 결합되어 수평이동이 가능하게 된 가이드부(63)가 설치되어 이루어진 제2지지대(66)와, 상기 제2지지대(66)의 일측에 설치된 나사조임식 핸들(62)을 포함하여 구성된 것이며, 상기 핸들(62)을 조여줌으로써 상기 제2회전축(64)의 척(65)이 삽입관(24)의 타단을 견고하게 지지할 수 있도록 한 고정장치(6)와;

상기 반응용기(3) 내에 반응을 촉진시켜주는 반응가스를 공급하기 위한 것으로, 반응가스를 저장하는 봄베(84)와, 일단은 봄베(84)에 연결되고 타단은 제1회전축(44)의 중공부에 연통된 주입호스(86)와, 주입호스(86) 상에 설치되어 반응가스를 예열시켜주는 가열기(82)로 구성된 가스공급부(8) 및

상기 원심반응부(2)와 회전장치(4)와 가스공급부(8)의 동작을 제어하는 제어부(90)를; 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 링 및 튜브형상의 금속기지복합재료의 제조장치.
제2항에 있어서,

상기 반응용기(3)는 양단이 개구되고 내측에 중공부를 갖는 원통형상의 외통체(34)와, 중심부에 관통공(324)이 형성되어 상기 개구된 양단부에 덮혀지는 상판(38) 및 하판(36)과, 내측에 중공부(320)를 가지며 외주면 상단에 나사부(322)가 형성되고 측면에 다수의 통공(324)이 형성된 채 상기 하판(36)의 관통공(324)에 끼워지는 볼트관(32)과, 내측에 중공부(390)가 형성되고 상기 볼트관(32)의 나사부(322)에 체결되는 너트관(39)으로 이루어진 것이며,

상기 볼트관(32)을 하판(36)에 끼우고, 상기 외통체(34)를 결합한 후 상기 볼트관(32)의 외주연에 기지금속(70)을 게재하고, 이 기지금속의 외주연에 강화재(50)를 게재시킨 후 상단의 개구부에 상판(38)을 덮은 다음 상기 너트관(39)을 나사결합함으로써 밀봉되게 한 것을 특징으로 하는 링 및 튜브형상의 금속기지복합재료의 제조장치.
제2항에 있어서,

상기 가열부(22)는 고주파 가열방식을 채택한 것을 특징으로 하는 링 및 튜브형상의 금속기지복합재료의 제조장치.
제2항에 있어서,

상기 반응가스는 질소가스(N₂)를 사용하고, 주입조건은 반응이 종료될 때까지 연속적으로 주입시켜서 원심반응부(2) 내를 항상 질소분위기를 유지하도록 한 것을 특징으로 하는 링 및 튜브형상의 금속기지복합재료의 제조장치.
제2항에 있어서,

상기 가열기(82)는 질소가스를 약 200℃로 예열시켜 주는 것을 특징으로 하는 링 및 튜브형상의 금속기지복합재료의 제조장치.