KR100643725B1

KR100643725B1 - 복합 금속 재료 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR100643725B1
Application number: KR1020050007697A
Authority: KR
Inventors: 노구치도루; 마가리오아키라
Original assignee: 닛신 고오교오 가부시키가이샤
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2005-01-27
Publication date: 2006-11-10
Also published as: EP1559800A2; EP1559800A3; JP4224407B2; US7252135B2; CN1647916A; US20050194115A1; EP1559800B1; CN100564020C; JP2005213577A; KR20050077770A

Abstract

본 발명의 목적은, 매트릭스 금속 중에서의 충전용 입자의 분산성을 개선한 복합 금속 재료 및 그 제조 방법을 제공하는 것에 있다.

복합 금속 재료의 제조 방법은, 엘라스토머(30)와 충전용 입자(40)를 혼합하여 복합 재료를 얻는 공정 (a)과, 상기 복합 재료와 금속을 혼합하여, 이 금속 중에 상기 충전용 입자가 균일하게 분산된 복합 금속 재료를 얻는 공정 (b)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

복합 금속 재료 및 그 제조 방법{METAL COMPOSITE MATERIAL AND METHOD OF PRODUCING THE SAME}

도 1은 본 실시형태에서 사용한 오픈롤법에 의한 엘라스토머와 충전용 입자의 혼련법을 모식적으로 나타낸 도면,

도 2는 비가압 침투법에 의해 복합 금속 재료를 제조하는 장치의 개략 구성도,

도 3은 비가압 침투법에 의해 복합 금속 재료를 제조하는 장치의 개략 구성도이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1…용기 2…감압 수단

3…주입 수단 4…복합 재료

5…알루미늄 덩어리 6…복합 금속 재료

10…제1 롤 20…제2 롤

30…엘라스토머 40…충전용 입자

본 발명은, 복합 금속 재료 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

최근 세라믹스 등을 강화재로 하는 복합 금속 재료가 주목받고 있다. 이러한 복합 금속 재료로서, 예를 들면 알루미늄기 복합 재료가 제안되어 있다.(예를 들면, 일본국 특개 2002-115017호 공보 참조). 또, 충전제로서는, 그 형태에 따라 입자형태의 충전제(이하, 충전용 입자라 한다)와 섬유형태의 충전제가 사용되고 있다.

이렇게, 세라믹 등을 강화재로 하는 복합 금속 재료에 대해서는, 지금까지도 제안이 이루어져 왔으나, 금속 매트릭스 중에서의 충전용 입자의 분산(分散)성에는 개선의 여지가 남아 있었다. 복합 금속 재료에서의 복합화 성능은, 매트릭스 금속과 강화재의 습윤성(濡れ性)과, 매트릭스 금속 중에서의 강화재의 분산성에 의해 영향을 받는 것이 알려져 있다.

본 발명에 따른 복합 금속 재료의 제조 방법은, 엘라스토머(elastomer)와 충전용 입자를 혼합하여 복합 재료를 얻는 공정 (a)과,

상기 복합 재료와 금속을 혼합하여, 이 금속 중에 상기 충전용 입자가 균일하게 분산된 복합 금속 재료를 얻는 공정 (b)을 포함한다.

본 발명의 제조 방법에 의하면, 엘라스토머와 충전용 입자를 혼합함으로써, 엘라스토머 중에 충전용 입자가 균일하게 분산된 복합 재료를 얻을 수 있고, 이 복합 재료를 사용함으로써, 충전용 입자가 금속중에 균일하게 분산된 복합 금속 재료를 제조할 수 있다. 또, 이렇게 하여 얻어진 본 발명의 복합 금속 재료는, 충전용 입자의 분산성이 개선되어, 전체적으로 균일한 복합화 성능, 예를 들면 강도 향상이나 내마모성 향상 등의 특성을 갖는 뛰어난 재료가 된다.

또, 본 발명에 따른 복합 금속 재료의 제조 방법에 있어서, 상기 공정 (b)은, 상기 복합 재료와 상기 금속을 혼합할 때, 상기 복합 재료의 상기 엘라스토머를 분해하여 제거할 수 있다.

이렇게, 복합 금속 재료의 조성물로서 불필요한 엘라스토머를 분해하여 제거할 수 있다.

또, 본 발명에 따른 복합 금속 재료의 제조 방법에 있어서, 상기 공정 (a)은, 상기 엘라스토머에 상기 충전용 입자를 혼합시키고, 또한 전단력(剪斷力)에 의해 분산시킬 수 있다.

이렇게 공정 (a)이 행해짐으로써, 비교적 용이하게 충전용 입자를 엘라스토머 중에 분산시킬 수 있다. 또, 이렇게 상기 복합 재료를 얻는 공정 (a)은,

(a-1) 롤 간격이 0.5mm 이하인 오픈롤(オ-プンロ-ル)법,

(a-2) 로터 간극이 1mm 이하인 밀폐식 혼련(混練)법,

(a-3) 스크류 간극이 0.3mm 이하인 다축(多軸) 압출 혼련법 등을 사용하여 행할 수 있다.

또, 본 발명에 따른 복합 금속 재료의 제조 방법에 있어서, 상기 공정 (b) 은,

(b-1) 상기 복합 재료를 분말 성형하는 방법,

(b-2) 상기 복합 재료와 유체 상태의 상기 금속을 혼합한 후, 고화(固化)하는 방법,

(b-3) 상기 복합 재료에, 상기 금속의 용탕을 침투시켜 상기 엘라스토머를 상기 금속의 용탕과 치환하는 방법 등을 사용하여 행할 수 있다.

또한, 본 발명에 사용되는 충전용 입자는, 금속계 충전용 입자 또는 비금속계 충전용 입자로 할 수 있다. 또 비금속계 충전용 입자는, 세라믹스계 충전용 입자로 할 수 있다.

금속계 충전용 입자는, 매트릭스가 되는 금속과 동일한 금속 또는 그 합금, 또는 매트릭스가 되는 금속과 비교적 습윤성이 좋은 금속으로 할 수 있으므로, 원하는 복합화 성능을 얻을 수 있다. 또, 비금속계 충전용 입자, 특히 세라믹스계 충전용 입자는, 내열성, 내마모성, 절연성 등이 뛰어나므로, 복합 금속 재료로서 바람직한 특성을 얻을 수 있다.

또, 본 발명에 사용되는 금속은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 할 수 있다.

이렇게, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 함으로써, 복합 금속 재료의 경량화를 도모할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시형태에 관해 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 복합 금속 재료는, 금속 재료 중에 균일하게 분산된 충전용 입자를 갖는다.

본 실시형태에 따른 복합 금속 재료의 제조 방법은, 엘라스토머와 충전용 입자를 혼합하여 복합 재료를 얻는 공정 (a)과, 상기 복합 재료와 금속을 혼합하여, 이 금속 중에 상기 충전용 입자가 균일하게 분산된 복합 금속 재료를 얻는 공정 (b)을 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 복합 금속 재료의 제조 방법에 있어서, 상기 공정 (a)은, 상기 엘라스토머에 상기 충전용 입자를 혼합시키고, 또한 전단력에 의해 분산시킬 수 있다.

(A) 먼저 충전용 입자에 대해 설명한다.

본 발명에 사용되는 충전용 입자로서는, 세라믹스계 충전용 입자 등의 비금속 입자, 금속계 충전용 입자, 또는 이들을 조합하여 사용할 수 있다. 세라믹스계 충전용 입자는, 내열성, 내마모성, 절연성 등이 뛰어나다.

비금속계 충전용 입자로서는, 유기계(有機系) 충전재, 세라믹스계 충전용 입자 등이 있다. 유기계 충전재로서는, 예를 들면 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리우레탄 및 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다. 세라믹스계 충전용 입자로서는, 예를 들면 알루미나, 탄화규소, 질화규소, 산화마그네슘 및 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있다.

금속계 충전용 입자로서는, 예를 들면 크롬, 동, 철, 니켈 등을 사용할 수 있다.

또, 충전용 입자로서는, 복합 금속 재료의 강도를 향상시키기 위해서는 평균입경이 1nm 내지 300㎛인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 100nm 내지 50㎛이다. 충전용 입자의 배합량은, 특별히 한정되지 않고, 용도에 따라 설정할 수 있는데, 예를 들면 복합 금속 재료에 사용하는 금속 재료에 대해 1∼50vol%인 것이 바람직하다. 충전용 입자의 배합량이, 1vol% 미만이면 복합 재료로서의 효과가 얻어지지 않고, 50vol%를 넘으면 가공이 곤란해진다. 또, 충전용 입자의 형상은, 구형 입상에 한정되지 않고, 평판상, 비늘조각상이어도 된다.

또, 금속계 충전용 입자로서는, 공정 (b)에서 매트릭스가 되는 금속과 동일한 금속 및 그 합금을 사용할 수 있다. 금속과의 혼합 공정 (b)에서 비가압(非加壓) 침투법을 사용하는 경우에는, 충전용 입자의 양은, 엘라스토머 100중량부(重量部)에 대해, 10∼3000중량부, 바람직하게는 100∼1000중량부이다. 충전용 입자가 10중량부 이하이면, 모세관 현상이 작아, 금속 용탕의 침투 속도가 느리기 때문에, 생산성 및 비용면에서 채용이 어렵다. 또, 금속 입자 및 세라믹스 입자가 3000중량부 이상이면, 복합 재료를 제조할 때, 엘라스토머에 함침시키기 힘들어진다.

본 실시형태의 충전용 입자는, 엘라스토머와 혼합하여 복합 재료를 제조하고, 그 복합 재료를 복합 금속 재료를 제조할 때의 원료로서 사용한다.

충전용 입자는, 엘라스토머 또는 금속 재료와 혼합되기 전에, 미리 표면 처리, 예를 들면 이온 주입 처리, 스퍼터 에칭 처리, 플라즈마 처리 등을 행함으로 써, 엘라스토머와의 접착성이나 습윤성을 개선할 수 있다.

(B) 공정 (a)에서 사용되는 엘라스토머에 관해 설명한다.

충전용 입자는 응집하기 쉬워 금속 재료중에 분산되기 힘들므로, 먼저 엘라스토머에 충전용 입자를 혼합함으로써 엘라스토머 중에 분산시킨 복합 재료를 제조한다. 엘라스토머는, 분자량이 바람직하게는 5000 내지 500만, 더욱 바람직하게는 2만 내지 300만인 것이 사용된다. 엘라스토머의 분자량이 이 범위이면, 엘라스토머 분자가 서로 얽혀 상호 연결되어 있으므로, 엘라스토머는 응집한 충전용 입자의 상호간에 침입하기 쉽고, 따라서 충전용 입자들을 분리하는 효과가 크다. 엘라스토머의 분자량이 5000보다 작으면, 엘라스토머 분자가 상호 충분히 얽히지 않아, 후 공정에서 전단력을 가해도 충전용 입자를 분산시키는 효과가 작아진다. 또, 엘라스토머의 분자량이 500만보다 크면, 엘라스토머가 너무 단단해져 가공이 곤란해진다.

엘라스토머는, 펄스법(パルス法) NMR을 사용하여 한 에코(ハ-ンエコ-法)법에 의해 30℃에서 측정한, 미가교체(未架橋體)에서의 네트워크 성분의 스핀-스핀(スピン-スピン) 완화 시간(T2n/30℃)이 바람직하게는 100 내지 3000μ초, 보다 바람직하게는 200 내지 1000μ초이다. 상기 범위의 스핀-스핀 완화 시간(T2n/30℃)을 갖는 것에 의해, 엘라스토머는 유연하고 충분히 높은 분자 운동성을 가질 수 있다. 이에 의해, 엘라스토머와 충전용 입자를 혼합했을 때, 엘라스토머는 높은 분자 운동에 의해 충전용 입자 상호의 간극에 용이하게 침입할 수 있다. 스핀-스핀 완화 시간(T2n/30℃)이 100μ초보다 짧으면, 엘라스토머가 충분한 분자 운동성을 가질 수 없다. 또, 스핀-스핀 완화 시간(T2n/30℃)이 3000μ초보다 길면, 엘라스토머가 액체처럼 흐르기 쉬워져, 충전용 입자를 분산시키는 것이 곤란해진다.

또, 엘라스토머는, 펄스법 NMR을 사용하여 한 에코법에 의해 30℃에서 측정한, 가교체(架橋體)에서의 네트워크 성분의 스핀-스핀 완화 시간(T2n)이 100 내지 2000μ초인 것이 바람직하다. 그 이유는, 상술한 미가교체와 동일하다. 즉, 상기의 조건을 갖는 미가교체를 본 발명의 제조 방법에 의해 가교화하면, 얻어지는 가교체의 T2n은 대략 상기 범위에 포함된다.

펄스법 NMR을 사용한 한 에코법에 의해 얻어지는 스핀-스핀 완화 시간은, 물질의 분자 운동성을 표시하는 척도이다. 구체적으로는, 펄스법 NMR을 사용한 한 에코법에 의해 엘라스토머의 스핀-스핀 완화 시간을 측정하면, 완화 시간이 짧은 제1 스핀-스핀 완화 시간(T2n)을 갖는 제1 성분과, 완화 시간이 보다 긴 제2 스핀-스핀 완화 시간(T2nn)을 갖는 제2 성분이 검출된다. 제1 성분은 고분자의 네트워크 성분(골격 분자)에 상당하고, 제2 성분은 고분자의 비(非) 네트워크 성분(말단쇄 등의 지엽의 성분)에 상당한다. 그리고, 제1 스핀-스핀 완화 시간이 짧을수록 분자 운동성이 낮고, 엘라스토머는 단단하다고 할 수 있다. 또, 제1 스핀-스핀 완화 시간이 길수록 분자 운동성이 높고, 엘라스토머는 부드럽다고 할 수 있다.

펄스법 NMR에서의 측정법으로서는, 한 에코법이 아니라도 솔리드 에코법, CPMG법(Carr·Purcell·Meiboom·Gill법) 또는 90°펄스법도 적용할 수 있다. 단, 본 발명에 따른 복합 재료는 중간 정도의 스핀-스핀 완화 시간(T2)을 갖기 때문에, 한 에코법이 가장 적합하다. 일반적으로, 솔리드 에코법 및 90°펄스법은, 짧은 T2의 측정에 적합하고, 한 에코법은, 중간 정도의 T2의 측정에 적합하고, CPMG법은 긴 T2의 측정에 적합하다.

엘라스토머는, 주쇄(主鎖), 측쇄(側鎖) 및 말단쇄(末端鎖)의 적어도 하나에, 불포화 결합 또는 기(基)로서, 2중 결합, 3중 결합, α수소, 카르보닐기, 카르복실기, 수산기, 아미노기, 니트릴기, 케톤기, 아미드기, 에폭시기, 에스테르기, 비닐기, 할로겐기, 우레탄기, 뷰렛기, 알로파네이트기(アロファネ-ト基) 및 요소기 등의 관능기(官能基)로부터 선택되는 적어도 하나여도 된다.

엘라스토머로서는, 천연고무(NR), 에폭시화 천연고무(ENR), 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 니트릴 고무(NBR), 클로로프렌 고무(CR), 에틸렌프로필렌 고무(EPR, EPDM), 부틸 고무(IIR), 클로로부틸 고무(CIIR), 아크릴 고무(ACM), 실리콘 고무(Q), 불소 고무(FKM), 부타디엔 고무(BR), 에폭시화 부타디엔 고무(EBR), 에피클로로히드린 고무(CO, CEO), 우레탄 고무(U), 폴리설파이드 고무(T) 등의 엘라스토머류 ; 올레핀계(TPO), 폴리염화비닐계(TPVC), 폴리에스테르계(TPEE), 폴리우레탄계(TPU), 폴리아미드계(TPEA), 스티렌계(SBS) 등의 열가소성 엘라스토머 ; 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.

충전용 입자는, 통상 응집하기 쉬워, 매체에 분산되기 힘든 성질을 갖는다. 그러나, 본 실시형태의 복합 재료를 금속의 복합 재료의 원료로서 사용하면, 충전용 입자가 엘라스토머에 이미 분산된 상태로 존재하므로, 이 원료와 금속 등의 매체를 혼합함으로써 충전용 입자를 매체에 용이하게 분산시킬 수 있다.

(C) 다음에, 충전용 입자와 엘라스토머를 혼합하여 복합 재료를 얻는 공정 (a)에 관해 설명한다.

복합 재료를 얻는 공정 (a)은, 상술한 충전용 입자 및 엘라스토머를 사용하여, 예를 들면 이하와 같은 방법을 채용할 수 있다.

(a-1) 롤 간격이 0.5mm 이하인 오픈롤법,

(a-2) 로터 간극이 1mm 이하인 밀폐식 혼련법,

(a-3) 스크류 간극이 0.3mm 이하인 다축 압출 혼련법 등을 들 수 있다.

본 실시형태에서는, 복합 재료를 얻는 공정 (a)로서, 롤 간격이 0.5mm 이하인 오픈롤법(a-1)을 사용한 예에 관해 설명한다.

충전용 입자는 분산시키기 힘드므로, 엘라스토머는 예를 들면 상기 (B)에서 설명한 특징을 갖는 것이 바람직하다.

도 1은, 2개의 롤을 사용한 오픈롤법을 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 1에 있어서, 부호 10은 제1 롤을 나타내고, 부호 20은 제2 롤을 나타낸다. 제1 롤(10)과 제2 롤(20)은, 소정의 간격 d, 바람직하게는 1.0mm 이하, 보다 바람직하게는 0.1 내지 0.5mm의 간격으로 배치되어 있다. 제1 및 제2 롤은, 정회전 또는 역회전으로 회전한다. 도시한 예에서는, 제1 롤(10) 및 제2 롤(20)은, 화살표로 나타낸 방향으로 회전하고 있다. 제1 롤(10)의 표면 속도를 V1, 제2 롤(20)의 표면 속도를 V2로 하면, 양자의 표면 속도비(V1/V2)는, 1.05 내지 3.00인 것이 바람직하다. 이러한 표면 속도비를 사용함으로서써, 원하는 전단력을 얻을 수 있다. 먼저 제1, 제2 롤(10, 20)이 회전하는 상태에서, 제2 롤(20)에 엘라스토머(30)를 감으면, 롤(10, 20) 사이에 엘라스토머가 쌓인, 소위 뱅크(32)가 형성된다.

이어서, 이 엘라스토머(30)가 쌓인 뱅크(32) 내에 충전용 입자(40)를 첨가해, 제1, 제2 롤(10, 20)을 회전시킨다. 또한, 제1, 제2 롤(10, 20)의 간격을 좁혀 상술한 간격 d로 하고, 이 상태로 제1, 제2 롤(10, 20)을 상기 소정의 표면 속도비로 회전시킨다. 이에 의해, 엘라스토머(30)에 높은 전단력이 작용하고, 이 전단력에 의해 응집하고 있던 충전용 입자가 상호 분리되어, 엘라스토머(30)에 분산된다.

또한, 복합 재료를 얻는 공정 (a)은, 가능한한 높은 전단력으로 혼련되는 것이 바람직하다. 이 공정에서는, 가능한한 높은 전단력을 얻기 위해서, 엘라스토머와 충전용 입자의 혼합은, 바람직하게는 0 내지 50℃, 보다 바람직하게는 5 내지 30℃의 비교적 낮은 온도에서 행해진다. 오픈롤법을 사용한 경우에는, 롤의 온도를 상기의 온도로 설정하는 것이 바람직하다.

이 때, 본 실시형태에 있어서, 분자 길이가 적절하게 길고, 분자 운동성이 높은 엘라스토머가 충전용 입자의 상호간에 침입하여, 엘라스토머와 충전용 입자의 혼합물에 강한 전단력이 작용하면, 엘라스토머의 이동에 따라 충전용 입자도 이동하여, 응집하고 있던 충전용 입자가 분리되어, 엘라스토머 중에 분산되게 된다. 그리고, 복합 재료 중의 충전용 입자는, 양호한 분산 안정성을 가질 수 있다.

복합 재료를 얻는 공정 (a)은, 상기 오픈롤법(a-1)에 한정되지 않고, 상기한 밀폐식 혼련법(a-2) 또는 다축 압출 혼련법(a-3)을 사용할 수도 있다. 요컨대, 이 공정에서는, 응집한 충전용 입자를 분리할 수 있는 전단력을 엘라스토머에 부여할 수 있으면 된다.

상술한 엘라스토머에 충전용 입자를 분산시켜 양자를 혼합시키는 공정(혼합·분산 공정)에 의해 얻어진 복합 재료는, 가교제에 의해 가교시켜 원하는 형상으로 성형하거나, 또는 가교시키지 않고 성형할 수 있다. 이렇게 하여 얻어진 복합 재료는, 공정 (b)에 의해 복합 금속 재료를 얻을 수 있다.

엘라스토머와 충전용 입자의 혼합·분산 공정에서, 또는 계속해서, 통상 고무 등의 엘라스토머의 가공에서 사용되는 배합제를 첨가할 수 있다. 배합제로서는 공지의 것을 사용할 수 있다. 배합제로서는, 예를 들면 가교제, 가황(加硫)제, 가황 촉진제, 가황 지연제, 연화(軟化)제, 가소제, 경화제, 보강제, 충전제, 노화 방지제, 착색제 등을 들 수 있다.

(D) 다음에, 복합 금속 재료를 얻는 공정 (b)에 관해 설명한다.

복합 금속 재료를 얻는 공정 (b)은, 상기 공정 (a)에서 얻어진 복합 재료를 사용하여, 예를 들면 이하와 같은 각종 성형 방법을 채용할 수 있다.

(b-1) 상기 복합 재료를 분말 성형하는 방법,

(b-2) 상기 복합 재료와 유체 상태의 상기 금속을 혼합한 후, 고화하는 방법,

(b-3) 상기 복합 재료에, 상기 금속의 용탕을 침투시켜 상기 엘라스토머를 상기 금속의 용탕과 치환하는 방법 등을 들 수 있다.

예를 들면, (b-1)로서는, 상기 공정 (a)에서 얻어진 복합 재료를 그대로, 또는 냉동 분쇄한 복합 재료의 입자를, 틀 내에서 압축하여, 금속의 소결 온도(예를 들면 알루미늄의 경우 550℃)에서 소결하여 복합 금속 재료를 얻을 수 있다. 따라 서, 본 실시형태에서의 분말 성형은, 소위 분말 야금을 포함하고, 또 분말 원료를 사용한 경우 뿐만 아니라 복합 재료와 같은 경우, 미리 예비 압축 성형을 실시하여 블록형상으로 한 원료도 포함한다.

또, 예를 들면 냉동 분쇄된 상기 공정 (a)에서 얻어진 복합 재료의 입자와 복합 금속 재료의 매트릭스가 되는 다른 금속의 입자를 혼합(예를 들면 드라이 블렌드(ドライブレンド)나 습식 혼합 등)한 후, 동일하게 하여 소결법에 의해 복합 금속 재료를 소성할 수 있다.

또한, 냉동 분쇄한 복합 재료의 입자와, 다른 금속의 입자를 혼합하고, 예를 들면 드라이 블렌드한 후, 틀 내에서 압축 성형한 후, 소결법에 의해 복합 금속 재료를 얻을 수 있다. 소결법으로서는, 일반적인 소결법 외에, 플라즈마 소결 장치를 사용한 방전 플라즈마 소결법(SPS) 등을 채용할 수 있다.

또는 마찬가지로 다른 금속의 입자와 이 복합 재료의 입자를 혼합(예를 들면 드라이 블렌드)한 후, 분말 단조법이나 분말 사출법 등에 의해 복합 금속 재료를 얻을 수도 있다. 이러한 분말 성형에 의해 제조된 복합 금속 재료는, 충전용 입자를 금속 재료중에 분산시킬 수 있다. 이 공정에서 사용되는 다른 금속의 입자는, 복합 금속 재료를 얻기 위해 사용된 금속의 입자와 동일한 재질이 바람직하지만, 입자의 크기는 분말 성형에 의해 얻어지는 복합 재료의 용도 등에 따라 적절하게 선택할 수 있다.

또, 예를 들면 (b-2)로서는, 상기 공정 (a)에서 얻어진 복합 재료와 유체 상태의 금속(금속 용탕)을 혼합한 후, 고화하여 복합 금속 재료를 얻을 수 있다. 이 러한 주조 공정은, 먼저 복합 재료와 금속 용탕의 혼합이 행해진다. 도가니에 금속 예를 들면 알루미늄을 용해(650∼800℃)하고, 또한 용해한 알루미늄을 교반하면서 복합 재료를 도가니에 투입하여 혼합한다. 이 때, 교반은 일방향의 회전이어도 되나, 3방향(3차원)으로 교반함으로써 혼합의 효과는 높아진다. 공기 분위기 또는 불활성 분위기 중에서 혼합된 알루미늄 용탕의 주조는, 예를 들면 강제의 주형 내에 금속 용탕을 주탕하여 행하는 금형 주조법, 다이캐스트법, 저압 주조법을 채용할 수 있다. 또한 그 밖의 특수 주조법으로 분류되는, 고압화로 응고시키는 고압 주조법(스퀴즈 캐스팅), 용탕을 교반하는 틱소(thixo) 캐스팅, 원심력으로 용탕을 주형 내에 주입하는 원심 주조법 등을 채용할 수 있다. 이들 주조법에 있어서는, 금속 용탕 내에 복합 재료를 혼합시킨 채로 주형 내에서 응고시켜, 원하는 형상을 갖는 복합 금속 재료를 성형한다.

예를 들면, 틱소 캐스팅에 있어서는, 700∼800℃에서 알루미늄을 용해한 후, 교반하면서 온도를 내려 400∼600℃에서 틱소트로피 상태를 얻어, 그 상태에서 복합 재료를 혼합하는 것이 바람직하다. 틱소트로피 상태에서는, 점도가 커지므로, 균일한 분산을 가능하게 한다. 이들 주조 공정에서는, 불활성 분위기 예를 들면 질소 분위기 중에서, 질소에 소량의 수소 가스를 더한 약(弱)환원 분위기 중에서, 또는 감압한 진공하에서 행하면, 금속 용탕(예를 들면, 알루미늄 용탕)의 산화가 방지되어, 보다 충전용 입자와의 습음성이 좋아지므로 바람직하다. 또한, 이 주조 공정에서, 복합 재료의 엘라스토머는, 금속 용탕의 열에 의해 분해되어 제거된다.

또한, 이러한 제조 방법에 의해 얻어진 복합 금속 재료를, 예를 들면 잉곳으 로서 사용하여, 주조법, 분말 단조법, 분말 압출 성형법, 또는 분말 사출 성형법에 의해 원하는 형태로 성형할 수도 있다.

이러한 주조 공정에 의해 제조된 복합 금속 재료는, 충전용 입자를 금속 재료 중에 분산시킬 수 있다.

또, 본 실시형태에서는, 상기 공정 (a)에서 얻어진 복합 재료에 용탕을 침투시키는 소위 비가압 침투법을 사용하여 주조하는 공정 (b-3)에 대해, 도 2 및 도 3을 사용하여 상세하게 설명한다.

도 2 및 도 3은, 비가압 침투법에 의해 복합 금속 재료를 제조하는 장치의 개략 구성도이다. 상기 공정 (a)에서 얻어진 복합 재료는, 예를 들면 최종 제품의 형상을 갖는 성형 금형 내에서 압축 성형된 복합 재료(4)를 사용할 수 있다. 복합 재료(4)는, 가교되어 있지 않은 것이 바람직하다. 가교되어 있지 않아서, 금속 용탕의 침투 속도가 빨라지기 때문이다. 도 2에 있어서, 밀폐된 용기(1) 내에는, 복합 재료(4), 예를 들면 가교되어 있지 않은 엘라스토머(30)에 충전용 입자(40)가 혼입된 복합 재료(4)가 넣어진다. 복합 재료(4)는, 도 2의 확대도에 나타낸 바와 같이, 엘라스토머(30)의 매트릭스 중에 충전용 입자(40)가 분산된 상태로 성형되어 있다. 그 복합 재료(4)의 윗쪽에 금속덩어리 예를 들면 알루미늄 덩어리(5)가 배치된다. 다음에, 용기(1)에 내장된 도시되지 않은 가열 수단에 의해, 용기(1) 내에 배치된 복합 재료(4) 및 알루미늄 덩어리(5)를 알루미늄의 융점 이상으로 가열한다. 가열된 알루미늄 덩어리(5)는, 용융하여 알루미늄 용탕(금속 용탕)이 된다. 또, 알루미늄 용탕에 접촉한 복합 재료(4) 중의 엘라스토머(30)는, 분해되어 기화 하여, 엘라스토머(30)가 분해되어 생긴 빈 공간에 알루미늄 용탕(금속 용탕)이 침투한다.

본 실시형태의 복합 재료(4)로서는, 엘라스토머(30)가 분해되어 생긴 빈 공간이 모세관 현상에 의해 알루미늄 용탕을 보다 빨리 전체에 침투시킬 수 있다. 알루미늄 용탕은, 환원됨으로써 엘라스토머(30) 내에 모세관 현상에 의해 침투하여 복합 재료의 내부까지 완전히 알루미늄 용탕이 채워진다.

그리고, 용기(1)의 가열 수단에 의한 가열을 정지시키고, 복합 재료(4) 중에 침투한 금속 용탕을 냉각·응고시켜, 도 3에 나타낸 것 같은 충전용 입자(40)가 균일하게 분산된 복합 금속 재료(6)를 얻을 수 있다.

또, 도 2에 있어서, 용기(1)를 가열하기 전에, 용기(1)의 실내를 용기(1)에 접속된 감압 수단(2), 예를 들면 진공 펌프에 의해 탈기(脫氣)해도 된다. 또한, 용기(1)에 접속된 불활성 가스 주입 수단(3), 예를 들면 질소 가스 봄베(ボンバ)로부터 질소 가스를 용기(1) 내에 도입해도 된다.

금속 용탕에 알루미늄을 사용한 경우, 알루미늄 덩어리(5)의 표면은 산화물로 덮혀 있는데, 알루미늄 용탕을 침투시켰을 때, 열분해된 엘라스토머의 분자 선단(先端)은 라디칼이 되고, 그 라디칼에 의해 알루미늄 용탕의 표면에 있는 산화물(알루미나)을 환원하는 것으로 생각된다. 따라서, 본 실시형태에 있어서는, 복합 재료에 포함되는 엘라스토머의 분해에 의해 내부까지 환원 분위기를 생성시킬 수 있으므로, 종래처럼 환원 분위기의 처리실을 준비하지 않아도 비가압 침투법에 의한 주조를 실시할 수 있다. 또, 복합재료 중에 미리 환원제로서 마그네슘 입자를 혼입시켜 둠으로써, 환원 작용을 촉진할 수도 있다.

또, 알루미늄 용탕의 침투에 의해 분해된 엘라스토머 분자의 라디칼에 의해 충전용 입자의 표면이 활성화하여, 알루미늄 용탕과의 습윤성이 향상한다. 이렇게 하여 얻어진 복합 금속 재료는, 알루미늄의 매트릭스 내에 균일하게 분산된 충전용 입자를 갖는다.

또한, 상기 공정 (a)에 있어서는, 비가압 침투법에 관해 설명했으나, 침투법이면 이것에 한정되지 않고 예를 들면 불활성 가스 분위기의 압력에 의해 가압하는 가압 침투법을 사용할 수도 있다.

또한, 상기 공정 (a)와 같은 침투법에 의하면, 복합 재료 중의 엘라스토머가 금속 재료로 치환되므로, 다른 주조법에 비해, 충전용 입자의 분산 상태가 균일하여 비교적 유리하다.

이들 공정 (b)에 사용하는 금속은, 통상의 분말 성형·주조 가공에 사용되는 금속 예를 들면 철 및 그 합금, 알루미늄 및 그 합금, 티탄 및 그 합금, 마그네슘및 그 합금, 동 및 그 합금, 아연 및 그 합금 등으로부터 용도에 맞춰 단독으로 또는 조합하여 적절하게 선택할 수 있다.

(실시예)

이하, 본 발명의 실시예에 관해 설명하는데, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.

(a) 미가교의 복합 재료의 제작

제1 공정 : 롤 직경이 6인치인 오픈롤(롤 온도 10∼20℃)에, 표 1에 나타낸 소정량(100g)의 엘라스토머(100중량부(phr))를 투입하여, 롤에 감았다. 엘라스토머는, 분자량 300만의 천연 고무(NR)를 사용했다.

제2 공정 : 엘라스토머에 대해 표 1에 나타낸 양(중량부)의 충전용 입자를 엘라스토머에 투입했다. 이 때, 롤 간극을 1.5mm로 했다. 충전용 입자는, 알루미나(평균입경 38㎛), SiC (평균입경 45㎛), 텅스텐(평균입경 150㎛)을 사용했다.

제3 공정 : 충전용 입자의 투입이 끝났으면, 엘라스토머와 충전용 입자와의 혼합물을 롤로부터 취출했다.

제4 공정 : 롤 간극을 1.5mm에서 0.3mm로 좁게 하여, 혼합물을 오픈롤에 투입하여 타이트 밀링(tight milling)(薄通し)했다. 이 때, 2개의 롤의 표면 속도비를 1.1로 했다. 타이트 밀링은 반복 10회 행했다.

제5 공정 : 롤을 소정의 간극(1.1mm)으로 세팅하여, 타이트 밀링한 혼합물을 투입하여, 분출(分出)했다.

이렇게 하여, 실시예 1∼3의 미가교의 복합 재료를 얻었다.

(b) 복합 금속 재료의 제작

상술한 (a)에서 얻어진 미가교의 복합 재료를 용기(로) 내에 배치시키고, 알루미늄 덩어리(지금(地金))를 그 위에 놓고, 불활성 가스(질소) 분위기 중에서 알루미늄의 융점까지 가열했다. 알루미늄 덩어리는 용융하여, 알루미늄 용탕이 되어, 복합 재료의 엘라스토머와 치환하도록 금속 용탕이 침투했다. 알루미늄의 용탕을 침투시킨 후, 이것을 자연 방냉(放冷)하여 응고시켜, 실시예 1∼3의 복합 금속 재료를 얻었다.

또, 비교예 1로서, 알루미늄 용탕에 충전용 입자를 표 1에 나타낸 양으로 투입하여 교반 후, 주조한 복합 금속 재료 샘플을 사용했다.

또한, 비교예 2로서 알루미늄 단체(單體)를 사용했다.

또한, 실시예 1∼3 및 비교예 1, 2에서의 알루미늄 덩어리에는, 알루미늄 합금 AC3C를 사용했다.

(c) 인장 강도의 측정

실시예 1∼3 및 비교예 1, 2의 복합 금속 재료 샘플을 각각 10 샘플씩 인장 시험을 행하여, 인장 강도의 최대값, 최소값 및 평균값을 구했다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.

표 1의 결과로부터, 비교예 1은 샘플마다 인장 강도의 격차가 있는 것을 알 수 있고, 실시예 1∼3은 인장 강도의 격차가 적은 것을 알 수 있었다.

이상으로부터, 본 발명에 의하면, 일반적으로 기재(基材)에 대한 분산이 어 려운 충전용 입자가 금속의 매트릭스 중에 균일하게 분산되는 것이 명확해졌다.

또, 표 1의 결과로부터, 비교예 2에 비해, 실시예 1∼3은 인장 강도가 큰 것을 알 수 있었다.

이상으로부터, 본 발명에 의하면, 복합 금속 재료가 금속 단체보다도 강도가 향상한 것이 명확해졌다.

Claims

엘라스토머와 충전용 입자를 혼합하여 복합 재료를 얻는 공정 (a)와,

상기 복합 재료와 금속을 혼합하여, 이 금속 중에 상기 충전용 입자가 균일하게 분산된 복합 금속 재료를 얻는 공정 (b)를 포함하며,

상기 공정 (a)는, 상기 엘라스토머에 상기 충전용 입자를 혼합시키고, 상기 엘라스토머에 전단력을 작용시켜, 이 전단력에 의해 상기 충전용 입자가 상호 분리되어 상기 엘라스토머에 분산되는 복합 금속 재료의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 공정 (b)은, 상기 복합 재료와 상기 금속을 혼합할 때, 상기 복합 재료의 상기 엘라스토머를 분해하여 제거하는 복합 금속 재료의 제조 방법.
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 공정 (b)은, 상기 복합 재료를 분말 성형하는 복합 금속 재료의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 공정 (b)은, 상기 복합 재료와 유체 상태의 상기 금속을 혼합한 후, 고화하는 복합 금속 재료의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 공정 (b)은, 상기 복합 재료에, 상기 금속의 용탕을 침투시켜 상기 엘라스토머를 상기 금속의 용탕과 치환하는 복합 금속 재료의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 충전용 입자는, 금속계 충전용 입자인 복합 금속 재료의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 충전용 입자는, 비금속계 충전용 입자인 복합 금속 재료의 제조 방법.
제8항에 있어서,

상기 비금속계 충전용 입자는, 세라믹스계 충전용 입자인 복합 금속 재료의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 엘라스토머는, 분자량이 5000 내지 500만인 복합 금속 재료의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 엘라스토머는, 주쇄, 측쇄 및 말단쇄의 적어도 하나에, 2중 결합, 3중 결합, α수소, 카르보닐기, 카르복실기, 수산기, 아미노기, 니트릴기, 케톤기, 아미드기, 에폭시기, 에스테르기, 비닐기, 할로겐기, 우레탄기, 뷰렛기, 알로파네이트기 및 요소기 등의 관능기로부터 선택되는 적어도 하나를 갖는 복합 금속 재료의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 엘라스토머는, 펄스법 NMR을 사용하여 한 에코법에 의해 30℃에서 측정한, 미가교체에서의 네트워크 성분의 스핀-스핀 완화 시간(T2n)이 100 내지 3000μ초인 복합 금속 재료의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 엘라스토머는, 펄스법 NMR을 사용하여 한 에코법에 의해 30℃에서 측정한, 가교체에서의 네트워크 성분의 스핀-스핀 완화 시간(T2n)이 100 내지 2000μ초인 복합 금속 재료의 제조 방법.
제1항에 있어서,

상기 금속은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 복합 금속 재료의 제조 방법.
제1항에 기재된 제조 방법에 의해 얻어진 복합 금속 재료.