KR100713233B1 - 비정질 금속기지 복합재 및 이의 제조방법 - Google Patents

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엄문광
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Abstract

본 발명은 용융금속의 반응과 냉각능을 제어하여 낮은 가압력에서 직조된 강화재에 함침되어 형성된 비정질 금속기지 복합재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 비정질 금속기지 복합재는, 임계 냉각속도가 102 K/s 이하인 금속기지(120)와, 상기 금속기지(120) 내부에 구비되어 금속기지(120)를 지지하는 프리폼(110)을 포함하는 구성을 가지며, 상기 금속기지(120)는 50% 이상이 비정질 상태로 상기 프리폼(110)에 함침된다. 그리고 이의 제조방법은, 분리판(260)을 금형(200) 내부에 삽입하는 삽입단계(S100)와, 상기 금형(200) 내부에 직조된 프리폼(110)과 금속기지(120)를 장입하는 캐닝단계(S200)와, 상기 금형(200) 내부의 유체를 제거하는 진공형성단계(S300)와, 상기 금형(200)을 가열하는 금형가열단계(S400)와, 상기 금형가열단계(S400)에서 용융된 금속기지(120)를 프리폼(110)에 함침하는 함침단계(S500)와, 상기 프리폼(110)에 함침된 금속기지(120)를 냉각하는 냉각단계(S600)를 포함하여 구성된다. 이와 같은 본 발명에서는, 낮은 가압력으로 경량의 박판 비정질 금속기지 복합재의 제조가 가능하다
비정질 금속기지, 복합재, 액상가압, 프리폼, 함침, 박판

Description

비정질 금속기지 복합재 및 이의 제조방법{ Amorphous Metal Matrix Composites and The method for manufacturing the same }
도 1a 는 본 발명에 의한 비정질 금속기지 복합재의 제조방법에서 2차원프리폼의 외관 구성을 보인 개략적인 사시도.
도 1b 는 본 발명에 의한 비정질 금속기지 복합재의 제조방법에서 3차원프리폼의 외관 구성을 보인 개략적인 사시도.
도 2a 는 본 발명에 의한 비정질 금속기지 복합재의 제조방법으로 만들어진 2차원복합재의 외관 구성을 보인 사시도.
도 2b 는 본 발명에 의한 비정질 금속기지 복합재의 제조방법으로 만들어진 3차원복합재의 외관 구성을 보인 사시도.
도 3 은 본 발명에 의한 비정질 금속기지 복합재의 제조시 사용되는 금형의 구성을 개략적으로 보인 내부 구성도.
도 4a 는 본 발명에 의한 비정질 금속기지 복합재의 제조방법을 나타낸 블럭도.
도 4b는 본 발명에 의한 비정질 금속기지 복합재의 제조방법에서 캐닝단계를 상세히 나타낸 블럭도.
도 4c는 본 발명에 의한 비정질 금속기지 복합재의 제조방법에서 금형가열단 계를 상세히 나타낸 블럭도.
도 4d는 본 발명에 의한 비정질 금속기지 복합재의 제조방법에서 함침단계를 상세히 나타낸 블럭도.
도 5 는 본 발명에 의한 비정질 금속기지 복합재를 제조하는 과정에서 온도변화를 나타낸 그래프.
도 6 은 도 2의 A-A'부를 확대한 단면 사진.
도 7a 은 도 2의 3차원 복합재의 상면 확대사진.
도 7b 는 도 2의 3차원 복합재의 정면 확대사진
도 8 은 도 2의 B-B'부를 확대한 단면 사진.
도 9a 는 본 발명에 의한 비정질 금속기지 복합재의 제조방법으로 제조된 2차원복합재의 X-ray 회절분석 그래프.
도 9b 는 본 발명에 의한 비정질 금속기지 복합재의 제조방법으로 제조된 3차원복합재의 X-ray 회절분석 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100. ..... 복합재 110. .... 프리폼
120. ..... 금속기지 200. ..... 금형
200'. ..... 제1금형 200". ..... 제2금형
210. ..... 공간 210'. ..... 제1공간
210". ..... 제2공간 220. ..... 안내수단
240. ..... 가열수단 260. ..... 분리판
S100. ..... 삽입단계 S200. ..... 캐닝단계
S220. ..... 기지장입과정 S240. ..... 프리폼장입과정
S300. ..... 진공형성단계 S400. ..... 금형가열단계
S420. ..... 기지용융과정 S440. ..... 예열과정
S500. ..... 함침단계 S520. ..... 기지가압과정
S540. ..... 기지유입과정 S560. ..... 기지함침과정
S600. ..... 냉각단계
본 발명은 비정질 금속기지 복합재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용융금속의 반응과 냉각능을 제어하여 낮은 가압력에서 직조된 강화재에 함침시킴으로써 형성되는 비정질 금소기지 복합재와 저렴한 비용으로 비정질 금속기지의 형성이 가능하도록 하는 비정질 금속기지 복합재의 제조방법에 관한 것이다.
복합재료(Composite material)란 두 가지 이상 구성물질의 혼합체로써 서로 화학적으로 구분되는 구성물질들이 각각의 특성을 유지한 채로 결합되어 있으면서 각 구성물질의 독특한 기계적, 물리적, 화학적 특성이 서로 상호 보완적으로 작용하여 개개의 구성물질이 분리 되어 있을 때 보다 좋은 특성을 얻고자 인위적으로 구성된 물질을 일컫는 것이다.
일반적으로 구조 재료용 복합재료의 구성물질은 기지와 강화재의 두 가지로 나눌 수 있다. 기지는 강화재를 서로 결합시키고 강화재를 외부로부터 보호하며 복합재료의 형태를 유지하게 하는 기능을 가지며, 또한 복합 재료 내에서 연속적인 구조를 가지고 있다.
강화재는 외부응력을 지탱하여 복합재료가 기지에 비해 좋은 기계적 성질을 나타내게 하며 기지 내에 분산되어 있는 입자, 휘스커 또는 섬유 형태의 구성물질이다.
그리고, 금속기지 복합재료는 금속기지의 높은 인성과 산화물(Al2O3), 탄화물(SiC, B4C), 질화물(TiN, AlN) 등 강화입자의 고경도, 고온 안정성, 화학적 안정성 등의 조합에 의해 기존의 금속재료에 비하여 비강도, 탄성계수 및 인성 등이 크게 향상된 우수한 기계적 성질을 가지면서 고분자 복합재료에 비하여 고온 강도, 전기 및 열전도도와 내마멸 특성이 우수하며, 소재의 재활용율도 고분자 복합재료보다 높아 우주항공, 자동차 및 방위 산업 등에서 크게 대두되고 있는 소재이다.
예를 들어, 알루미늄기지 복합재료는 신소재 중에서 기존 철강 및 비철 재료에 비해 경량이면서 높은 비강도, 피로강도, 탄성률, 내마모성, 고온 특성, 낮은 열팽창 계수 등 우수한 특성을 가지고 있는 재료이다.
한편, 1990년대에 들어서는 비정질 합금 분야에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 비정질 합금은 금속이 액체와 유사한 비정질 구조를 가지는 것으로, 우수한 강도, 내마모, 내식성 등의 특성을 가지며, 10K/s 정도의 낮은 냉각속도에서도 비정질의 형성이 가능한 벌크 비정질합급이 개발되었다.
그러나, 상기 벌크 비정질합금의 경우 비정질 천이온도 이하에서 연성이 거의 없이 국소부위에 전단영역(Shear band)이 형성됨에 따라 급격한 파괴가 일어나는 문제점이있다. 그리고, 이러한 문제점을 해결하기 위해 비정질 기지 내에 결정상을 포함한 복합재료를 만드는 방법도 제안되어 있다.
기존의 대표적인 비정질 복합재를 제조하는 방법으로는 분말야금법이 있다. 분말야금법은 급냉의 조건에서 분말을 제조하고, 이 중 비정질 분말과 강화재 분말만 용기에 담고 밀폐한 후 비정질 천이온도 이상에서 압출 또는 단조하여 분말이 일체화된 복합재료를 제조하는 방법이다.
그러나, 분말야금법의 경우 근본적으로 비정질 상이 결정화되지 않는 조건에서 분말간의 결합을 하는데 어려움이 있다.
즉, 분말 제조시 결정화되는 것을 방지하기 위해 공정 조건이 극히 제한적이며, 비정질 분말의 표면에 산화막이 형성되어 있어, 이 산화막이 분쇄되지 않을 경우는 입자간의 결합력이 저하되고 많은 기공이 존재하게 된다.
또 다른 방법으로는 주조법에 의해 복합재료를 제조하는 것이다. 이것은 용탕에 강화입자를 혼합하고 급냉하여 형성하는 입자강화 복합재 제조법이다. 그러나 이러한 방법은 강화재가 균일하게 분산되지 않으며, 강화재로 인한 비정질의 형성이 어려운 문제점이 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 비정질이 형성 되도록 용융금속의 반응과 냉각능을 제어하며 이와함께 낮은 가압력에서 2차원 및 3차원으로 직조된 강화재 사이에 용융금속이 함침되도록 하여 형성되는 비정질상을 기지로 하는 금속기지 복합재 및 이의 제조방법을 제공하는 것에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 비정질 금속기지 복합재는, 임계 냉각속도가 102 K/s 이하인 금속기지와, 상기 금속기지 내부에 구비되어 금속기지를 지지하는 프리폼을 포함하는 구성을 가지며, 상기 금속기지는 50%이상이 비정질 상태로 상기 프리폼에 함침됨을 특징으로 한다.
상기 금속기지(120)는 지르코늄(Zr)계, 구리(Cu)계, 티타늄(Ti)계, 니켈(Ni)계, 알루미늄(Al)계, 철(Fe)계, 마그네슘(Mg)계 합금 중에서 어느 하나임을 특징으로 한다.
상기 프리폼은 텅스텐(W)계, 철(Fe)계, 니켈(Ni)계, 구리(Cu)계 합금 중에서 어느 하나 또는 그 이상의 금속 연속섬유로 형성됨을 특징으로 한다.
상기 프리폼은 50 내지 500㎛의 직경을 가지도록 형성됨을 특징으로 한다.
상기 프리폼은 직경 20㎛ 이하의 세라믹 및 카본 재질 연속섬유임을 특징으로 한다.
상기 프리폼은 연속섬유 100가닥 이상을 합쳐 묶음을 형성한 후 직조된 것임을 특징으로 한다.'
상기 프리폼은, 평면을 형성하는 다수개의 평면섬유와, 상기 다수개의 평면섬유를 서로 분리되지 않도록 구속하는 구속섬유를 포함하여 구성됨을 특징으로 한 다.
상기 구속섬유는, 상기 평면섬유를 관통하는 관통부와, 상기 관통부의 양단부에 절곡되어 상기 평면섬유의 유동을 구속하는 구속부를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
상기 관통부는 등간격으로 이격됨을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 비정질 금속기지 복합재의 제조방법은, 용융된 금속기지와 금형의 반응을 억제하는 분리판을 금형 내부에 삽입하는 삽입단계와, 상기 금형 내부에 직조된 프리폼과 금속기지를 장입하는 캐닝단계와, 상기 금형 내부의 유체를 제거하는 진공형성단계와, 상기 금형을 가열하는 금형가열단계와, 상기 금형가열단계에서 용융된 금속기지를 상기 프리폼에 함침하는 함침단계와, 상기 프리폼에 함침된 금속기지를 냉각하는 냉각단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
상기 캐닝단계는, 상기 금형의 일구성인 제1금형 내부에 금속기지를 장입하는 기지장입과정과, 상기 금형의 일구성인 제2금형 내부에 프리폼을 장입하는 프리폼장입과정으로 이루어짐을 특징으로 한다.
상기 금형가열단계는, 상기 제1금형을 가열하여 금속기지를 용융시키는 기지용융과정과, 상기 제2금형을 가열하여 내부 온도를 상승시키는 예열과정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 함침단계는, 상기 제1금형 내부에서 용융된 금속기지를 가압하는 기지가압과정과, 가압된 금속기지가 상기 제2금형 내부로 유입되는 기지유입과정과, 상기 제2금형 내부로 유입된 금속기지가 상기 프리폼에 함침되는 기지함침과정으로 이루어짐을 특징으로 한다.
상기 금속기지는 비정질 금속재질로 형성되며, 임계 냉각속도가 102 K/s 이하임을 특징으로 한다.
상기 금속기지는 알루미늄(Al)계, 철(Fe)계, 마그네슘(Mg)계 합금 중에서 어느 하나로 형성됨을 특징으로 한다.
상기 프리폼은 직조됨을 특징으로 한다.
상기 프리폼은 직경 20㎛ 이하의 세라믹재질로 이루어진 연속섬유 100가닥 이상을 합쳐 묶음을 형성한 후 이를 직조한 것임을 특징으로 한다.
상기 프리폼은 텅스텐(W)계, 철(Fe)계, 니켈(Ni)계, 구리(Cu)계 등의 금속 연속섬유이며, 그 직경은 50 내지 500㎛임을 특징으로 한다.
상기 기지함침과정은 30 ~ 80 vol%의 프리폼에, 20 ~ 70 vol% 금속기지가 함침되는 과정임을 특징으로 한다.
상기 복합재는 0.5mm 내지 10mm 의 두께를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 기지용융과정과 예열과정은 동시에 진행됨을 특징으로 한다.
상기 금형가열단계가 진행되는 과정에서 상기 금속기지와 제2금형의 온도차이는 200℃ 미만임을 특징으로 한다.
상기 기지용융과정은 제1금형의 온도가 금속기지의 용융온도보다 50℃ 이상 높게 유지되도록 하는 것임을 특징으로 한다.
상기 기지유입과정은 제1금형과 제2금형의 내부가 서로 연통되도록 설치된 안내수단 내부를 유동하여 상기 제1금형 내부의 금속기지가 제2금형으로 유동하도록 과정임을 특징으로 한다.
상기 안내수단의 일측에는 안내수단 내부를 유동하는 금속기지가 응고되지 않도록 가열하는 가열수단이 구비됨을 특징으로 한다.
상기 분리판은 금속기지와 반응성이 없는 카본(C) 또는 알루미나(Al2O3)로 형성됨을 특징으로 한다.
상기 분리판은 1mm 이하의 두께를 가지도록 형성됨을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 프리폼의 변형없이 상대적으로 낮은 가압력으로 경량의 박판 금속기지 복합재의 제조가 용이한 이점이 있다.
금속기지 복합재(이하 '복합재'라 칭함)는 금속기지(Metal Matrix)와 강화재(Reinforcement)를 거시적으로 혼합하여 사용 용도에 적합한 특성을 가지게 하는 재료로 정의되는데, 열적 안정성, 비강도, 열전도도, 내마모성, 치수 안정성 등이 우수한 장점을 가지고 있어 사용자의 요구 특성을 설계자가 선택적으로 재단(Tailorability)할 수 있는 뛰어난 설계 유연성을 가지고 있다.
그리고, 상기 복합재(100)는 금속기지(120)와 강화재의 종류에 따라 여러 가지 특성을 가지며, 본 발명에서 상기 금속기지(120)는 임계 냉각속도가 102 K/s 이하인 비정질 금속기지(120)가 적용된다.
즉, 상기 금속기지(120)는 지르코늄(Zr), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 알류미늄(Al), 철(Fe), 마그네슘(Mg) 중에서 어느 하나가 선택적으로 사용됨이 바 람직할 것이다.
또한, 본 발명에서 상기 강화재는 금속기지(120)보다 낮은 비중을 가지는 재질로 직조하여 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같은 2차원 및 3차원 형상의 프리폼(도 1a 및 도 1b의 도면부호 110))이 적용된다.
보다 상세하게는 상기 프리폼(110)은 직경 20㎛ 이하의 세라믹재질로 이루어진 연속섬유 100가닥 이상을 합쳐 묶음을 형성한 후 이를 직조한 것이며, 상기 복합재(100)의 사용용도에 따라 도 1a와 같은 2차원 또는 도 1b와 같은 3차원 형상이 적용 가능하다.
그리고, 상기 복합재(100)가 도 1b와 같이 3차원 형상을 가질 때 상기 프리폼(110)은 평면을 형성하는 다수개의 평면섬유(112)와, 상기 다수개의 평면섬유(112)가 서로 분리되지 않도록 구속하는 구속섬유(114)를 포함하여 구성된다.
상기 평면섬유(112)는 도1a와 같이 평면을 이루는 것으로 도 1b에서는 상하방향으로 다수개가 구비되며, 이러한 평면섬유(112)를 관통하여 상기 구속섬유(114)가 구비된다.
따라서, 상기 구속섬유(114)는 평면섬유(112)를 상/하방향으로 관통하는 관통부(114')와, 상기 관통부(114')의 상/하단부에 절곡되어 상기 평면섬유(112)의 유동을 구속하는 구속부(114")로 이루어짐이 바람직하며, 상기 관통부(114')는 등간격으로 이격 형성된다.
또한, 상기 프리폼(110)은 텅스텐(W)계, 철(Fe)계, 니켈(Ni)계, 구리(Cu)계 등의 금속 연속섬유의 적용도 가능하며 이때 직경은 50 내지 500㎛가 바람직하다.
따라서, 상기 프리폼(110)에 본 발명에 의한 비정질 금속기지 복합재의 제조방법이 실시되면, 상기 복합재(100)는 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같은 형상을 가지게 된다.
즉, 도 2a 및 도 2b 는 본 발명에 의한 비정질 금속기지 복합재(100)의 제조방법으로 만들어진 2차원 복합재(도 2a의 도면부호 100) 및 3차원 복합재(도 2b의 도면부호 100)의 외관 구성을 보인 사시도이다.
이하에서는 상기 복합재(100)를 형성하기 위한 금형의 구성을 첨부된 도 3을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3에는 본 발명에 의한 비정질 금속기지 복합재의 제조시 사용되는 금형의 구성을 개략적으로 보인 내부 구성도가 도시되어 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 상기 복합재(100)를 형성하기 액상으로 용융하여 가압하기 위해서는 금형(200)이 구비된다. 상기 금형(200)은 금속기지(120)가 장입되는 제1금형(200')과, 프리폼(110)이 장입되는 제2금형(200")을 포함하여 구성되며, 상기 제1금형(200')과 제2금형(200") 내부에는 금속기지(120)와 프리폼(110)이 각각 수용될 수 있도록 공간(210)이 형성된다.
즉, 상기 제1금형(200')과 제2금형(200") 내부에는 제1공간(210')과 제2공간(210")이 형성되며, 상기 제1금형(200')과 제2금형(200")은 상/하부가 각각 상하방향으로 유동하여 서로 분리될 수 있게 구성된다.
따라서, 도 3과 같은 상태에서 상기 제1금형(200') 내부에는 제1공간(210')이 형성되고, 제2금형(200") 내부에는 제조하고자 하는 복합재(100)의 크기와 대응 되는 크기의 제2공간(210")이 형성된다.
여기서 본 발명에서는 상기 복합재(100)가 0.5mm 내지 10mm의 두께를 가질 수 있도록 하기 위해 상기 제2공간(210")은 0.5mm 내지 10mm의 높이를 가지도록 형성됨이 바람직하다.
그리고, 상기 금형(200)이 서로 분리되면, 상기 공간(210)은 개방되어 금속기지(120) 및 프리폼(110)의 장입 및 취출은 가능하게 됨은 물론이다.
상기 제1금형(200')과 제2금형(200") 사이에는 용융된 상태의 금속기지(120)가 제2금형(200") 내부로 유입될 수 있도록 안내하는 안내수단(220)이 구비된다. 상기 안내수단(220)은 내부가 천공된 관형상을 가지며, 좌우측 단부가 상기 제1공간(210') 및 제2공간(210")과 연통되도록 형성된다.
따라서, 상기 제1금형(200') 내부의 용융된 금속기지(120)에 압력이 가해지면, 상기 안내수단(220)을 따라 우측으로 유동하여 상기 제2공간(210") 내부로 유입 가능하게 된다.
이때, 상기 제1금형(200') 내부에서 금속기지(120)에 가해지는 압력은 제1금형(200')의 상/하부가 서로 근접하는 방향으로 이동시에 발생된 것임은 자명하다.
그리고, 상기 안내수단(220)의 외측에는 가열수단(240)이 구비된다. 상기 가열수단(240)은 제1금형(200') 내부에서 안내수단(220)을 통해 제2금형(200") 내부로 유동하는 용융된 금속기지(120)가 응고되지 않도록 하는 것으로, 도 3에 도시된 바와 같이 다수개를 구비할 수도 있을 것이며, 단일의 가열수단(240)이 안내수단(220)의 외면에 감싸지도록 구성할 수도 있음은 자명하다.
물론 도면에는 상세히 도시되진 않았지만, 금형(200)의 외면에도 역시 상기 금속기지(120)를 가열하여 용융되도록 하는 별도의 가열수단(240)이 구비되어야 할 것이다.
한편, 상기 제1금형(200') 내부에는 분리판(260)이 더 구비된다. 상기 분리판(260)은 용융된 금속기지(120)와 제1금형(200')의 반응을 억제하기 위한 구성으로, 1mm이하의 두께를 가지는 판재를 직육면체모양으로 형성한 것이다.
보다 상세하게는 상기 분리판(260)은 제1공간(210')을 이루는 직육면체의 형상 및 크기와 대응되는 크기를 가지며, 상기 금속기지(120)와 반응성이 없는 카본(C) 또는 알루미나(Al2O3)로 형성된다.
따라서, 상기 제1공간(210') 내부의 금속기지(120)에 열이 가해져 용융되더라도, 상기 금속기지(120)는 분리판(260)에 의해서 상기 제1금형(200')과 접촉하지 않게 되어 반응이 규제된다.
그리고, 상기 분리판(260)의 우측면에는 상기 안내수단(220)의 내부와 연통될 수 있도록 구멍이 형성되어야 함은 자명하다.
이하에서는 상기와 같은 구성을 가지는 금형 내부에서 본 발명에 의한 비정질 금속기지 복합재의 제조방법을 도 4a 내지 도 4d를 참조하여 상세히 설명한다.
도 4a에는 본 발명에 의한 비정질 금속기지 복합재의 제조방법을 나타낸 블럭도가 도시되어 있고, 도 4b 내지 도 4d는 본 발명에 의한 비정질 금속기지 복합재의 제조방법에서 캐닝단계와, 금형가열단계 및 함침단계를 상세히 나타낸 블럭도 가 도시되어 있다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 상기 비정질 금속기지 복합재의 제조방법은, 용융된 금속기지(120)와 금형(200)의 반응을 억제하는 분리판(260)을 금형(200) 내부에 삽입하는 삽입단계(S100)와, 상기 금형(200) 내부에 직조된 프리폼(110)과 금속기지(120)를 장입하는 캐닝단계(S200)와, 상기 금형(200) 내부의 유체를 제거하는 진공형성단계(S300)와, 상기 금형(200)을 가열하는 금형가열단계(S400)와, 상기 금형가열단계(S400)에서 용융된 금속기지(120)를 상기 프리폼(110)에 함침하는 함침단계(S500)와, 상기 프리폼(110)에 함침된 금속기지(120)를 급속히 냉각하는 냉각단계(S600)를 포함하여 구성된다.
상기 삽입단계(S100)는 앞서 설명한 분리판(260)을 제1금형(200')의 내부 즉, 제1공간(210') 내부에 삽입하는 단계로서, 상기 캐닝단계(S200)에서 제1금형(200') 내부에 장입 될 금속기지(120)와 제1금형(200')이 서로 반응하지 않도록 하기 위함이다.
상기 삽입단계(S100)를 거쳐 상기 제1금형(200') 내부에 분리판(260)이 삽입되면, 상기 캐닝단계(S200)를 실시하게 된다.
상기 캐닝단계(S200)는 금속기지(120)와 프리폼(110)이 금형(200) 내부에서 서로 이격된 상태로 장입되도록 하는 것으로, 크게 상기 금속기지(120)가 제1금형(200') 내부에 장입되는 기지장입과정(S220)과, 상기 프리폼(110)을 제2금형(200") 내부에 장입하는 프리폼장입과정(S240)으로 이루어진다.
상기 기지장입과정(S220)과 프리폼장입과정(S240)을 거쳐 상기 제1금형 (200')과 제2금형(200") 내부에 도 3과 같이 금속기지(120)와 프리폼(110)이 각각 장입되면, 상기 진공형성단계(S300)를 실시하게 된다.
상기 진공형성단계(S300)는 제1공간(210') 및 제2공간(210") 내부의 가스 등 유체를 제거하여 진공 상태가 되도록 하는 것으로, 상기 금속기지(120)가 용융되었을 때 상기 공간(210) 내부의 가스와 용융된 금속기지 및 프리폼(110)의 외면이 화학반응을 일으키지 않도록 하기 위함이다.
따라서, 상기 진공형성단계(S300)에 의해 상기 복합재(100) 내부에는 기공의 형성이 완전히 차단될 수 있게 된다.
상기 진공형성단계(S300)가 완료되면 금형가열단계(S400)를 실시하게 된다. 상기 금형가열단계(S400)는 제1금형(200') 및 제2금형(200")을 가열하는 단계로서, 상기 제1금형(200') 및 제2금형(200")은 동시에 가열된다.
그리고, 상기 금형가열단계(S400)는 제1금형(200')을 금속기지(120)의 용해온도 이상으로 가열하여 상기 금속기지(120)가 용융하도록 강제하는 기지용융과정(S420)과, 상기 제1금형(200') 내부에서 안내수단(220)에 의해 안내되어 상기 제2금형(200") 내부로 유입되는 금속기지(120)가 빠르게 응고되지 않도록 제2금형(200")의 내부 온도를 상승시키는 예열과정(S440)으로 이루어진다.
보다 상세하게는 상기 기지용융과정(S420)에서 상기 제1금형(200')을 가열하는 온도는 상기 금속기지(120)의 용융온도보다 100℃ 이상 높게 유지되도록 함이 바람직하며, 이때 상기 금속기지(120)의 온도와 제2금형(200")의 온도 차이는 200℃ 미만으로 유지되도록 함이 바람직하다.
따라서, 상기 금형가열단계(S400)가 완료되면 상기 금속기지(120)는 용해된 상태가 되며, 상기 제2금형(200")의 예열과정(S440)에 의해 프리폼(110) 역시 가열된 상태가 된다.
이후, 상기한 함침단계(S500)를 실시하게 된다. 상기 함침단계(S500)는 프리폼(110)에 용융된 금속기지(120)가 함침되도록 하는 단계로서, 상기 함침단계(S500)가 완료된 복합재(100)는 30 ~ 80 vol%의 프리폼(110)에, 20 ~ 70 vol% 금속기지(120)가 함침된 상태가 된다.
도 4d를 참조하여 상기 함침단계(S500)를 보다 상세하게 살펴보면, 상기 함침단계(S500)는 상기 제1금형(200') 내부에서 용융된 금속기지(120)를 가압하는 기지가압과정(S520)과, 가압된 금속기지(120)가 상기 제2금형(200") 내부로 유입되는 기지유입과정(S540)과, 상기 제2금형(200") 내부로 유입된 금속기지(120)가 상기 프리폼(110)에 함침되는 기지함침과정(S560)으로 이루어진다.
상기 기지가압과정(S520)은 제1금형(200')의 상/하부가 서로 근접하도록 이동시킴으로써 상기 금속기지(120)에 압력이 발생되도록 하는 과정이다. 즉, 상기 제1금형(200') 내부에서 용융된 금속기지(120)는 분리판(260)에 의해 금형(200)과 이격되어 반응이 규제된 상태로 압력을 받게 된다.
이때, 상기 제1금형(200') 내부에 발생되는 압력은 20MPa 이하로 유지함이 바람직하다.
그리고, 상기 기지가압과정(S520)에 의해 압력을 받은 상기 금속기지(120)는 전술한 안내수단(220)을 경유하여 상기 제2금형(200") 내부로 유입됨으로써 상기 기지유입과정(S540)이 이루어진다.
이후, 상기 기지유입과정(S540)에 의해 상기 제2금형(200") 내부로 유입된 금속기지(120)는 상기 제1금형(200') 내부의 지속적인 압력에 의해 상기 프리폼(110)을 이루는 섬유 가닥 사이로 유입된 후에 비정질 상태로 완전히 함침될 수 있게 된다.(기지함침과정(S560))
상기 제2금형(200") 내부로 유입되는 금속기지(120)는 상기 예열과정(S440)에 의해 예열된 제2금형(200")의 온도에 의해 빠르게 응고되지 않고 상기 제2공간(210")을 완전히 채울 수 있게 된다.
이때, 그리고, 상기 기지함침과정(S560)에서는 금속기지(120)와 철(Fe)계, 니켈(Ni)계, 구리(Cu)계 합금이 적용된 프리폼(110)의 접촉시간이 5초 이내로 제어되어야 한다. 이것은 상기 프리폼(110)이 용융되지 않도록 하기 위한 것으로, 만일 상기 프리폼(110)이 용융되면 상기 금속기지(120)의 조성이 변화되어 비정질 형성능이 저하되지 않도록 하기 위함이다.
상기 프리폼(110)에 금속기지(120)의 함침이 완료되면, 상기 냉각단계(S600)를 실시하게 된다. 상기 냉각단계(S600)는 금속기지(120)가 비정질 상태에서 응고될 수 있도록 임계냉각속도 102 K/s 이상의 속도로 냉각시키게 된다. 이때, 상기 금속기지(120)는 50% 이상이 비정질 상태가 된다.
즉, 비정질 상태가 결정 상태보다 체적율이 크다면, 즉 50% 이상이 비정질 상태이면 통상의 지식으로 보아 금속기지는 비정질 기지라고 보아도 무방하며, 상기 금속기지(120)의 50% 이상이 비정질 상태이면 상기 금속기지(120)는 프리폼(110)에 보다 용이하게 함침될 수 있게 된다.
상기와 같은 과정을 통해 제조된 복합재(100)는 도 6 내지 도 8에 도시된 사진과 같이, 2차원 또는 3차원으로 직조된 프리폼(110)에 금속기지(120)의 함침이 골고루 잘 되어 있어 판재형상으로 금속기지 복합재(100)의 제조가 가능할 뿐만 아니라, 특히 박판의 금속기지 복합재(100)의 제조가 가능함을 알 수 있다.
또한, 도 9a 및 도 9b에 도시된 X-ray 회절분석 그래프와 같이, 상기 프리폼(110)에 금속기지(120)가 균일하게 함침되어 있으며, 비정질 상태를 형성하고 있음을 알 수 있으며, 금속기지 복합재(100)의 벌크(Bulk)화에 적용이 가능함을 알 수 있다.
이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정되지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.
예를 들어 본 발명의 실시예에서는 프리폼(110)이 2차원 또는 3차원으로 형성되도록 구성하였으나, 1차원(선형)으로 형성하여 적용할 수도 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 제1금형(200')과 제2금형(200")을 안내수단(220)으로 서로 연통시켜 상기 프리폼(110)에 금속기지(120)가 간접가압방식으로 함침되도록 구성하였으나, 상기 제1금형(200') 내부에 프리폼(110)과 금속기지(120)를 동시에 장입하여 직접가압방식으로 함침되도록 구성할 수도 있음은 물론이다.
위에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 비정질 금속기지 복합재의 제조방법에서는, 2차원 또는 3차원적으로 직조된 프리폼에 금속기지를 캔에 장입하여 가열하고, 이렇게 가열된 액상의 금속기지를 가압함으로써 프리폼에 함침시켜 금속 기지 복합재를 제조하게 하였다.
따라서, 종래에는 높은 가압력(50MPa이상)으로 인해 프리폼의 변형을 야기하였으나, 본 발명에서는 보다 낮은 가압력(20MPa이하)으로 프리폼의 변형없이 금속기지 복합재의 제작이 가능해지는 효과가 기대된다.
또한, 금형을 제1금형 및 제2금형으로 구성하고, 제2금형에서 금속기지의 함침이 이루어지도록 구성함으로써 프리폼에 함침되는 시간이 줄어드는 효과도 기대된다.
뿐만 아니라, 2차원으로 직조되는 프리폼으로 제작되는 금속기지 복합재의 판재형상에서 한단계 더 나아가 3차원으로 직조되는 프리폼으로 다양한 형태를 가진 금속기지 복합재의 제작이 가능하게 됨으로써 벌크(Bulk)형상의 금속기지 복합재의 제조도 가능한 이점도 있다.

Claims (27)

  1. 임계 냉각속도가 102 K/s 이하인 금속기지(120)와,
    상기 금속기지(120) 내부에 구비되어 금속기지(120)를 지지하는 프리폼(110)을 포함하는 구성을 가지며,
    상기 금속기지(120)는 50% 이상이 비정질 상태로 상기 프리폼(110)에 함침됨을 특징으로 하는 비정질 금속기지 복합재.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 금속기지(120)는 지르코늄(Zr)계, 구리(Cu)계, 티타늄(Ti)계, 니켈(Ni)계, 알루미늄(Al)계, 철(Fe)계, 마그네슘(Mg)계 합금 중에서 어느 하나임을 특징으로 하는 비정질 금속기지 복합재.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 프리폼(110)은 텅스텐(W)계, 철(Fe)계, 니켈(Ni)계, 구리(Cu)계 합금 중에서 어느 하나 또는 그 이상의 금속 연속섬유로 형성됨을 특징으로 하는 비정질 금속기지 복합재.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 프리폼(110)은 50 내지 500㎛의 직경을 가지도록 형성됨을 특징으로 하는 비정질 금속기지 복합재.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 프리폼(110)은 직경 20㎛ 이하의 세라믹 및 카본 재 질 연속섬유임을 특징으로 하는 비정질 금속기지 복합재.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 프리폼(110)은 연속섬유 100가닥 이상을 합쳐 묶음을 형성한 후 직조된 것임을 특징으로 하는 비정질 금속기지 복합재.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 프리폼(110)은,
    평면을 형성하는 다수개의 평면섬유와,
    상기 다수개의 평면섬유를 서로 분리되지 않도록 구속하는 구속섬유를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 비정질 금속기지 복합재.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 구속섬유는,
    상기 평면섬유를 관통하는 관통부와,
    상기 관통부의 양단부에 절곡되어 상기 평면섬유의 유동을 구속하는 구속부를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 비정질 금속기지 복합재.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 관통부는 등간격으로 이격됨을 특징으로 하는 비정질 금속기지 복합재.
  10. 용융된 금속기지(120)와 금형(200)의 반응을 억제하는 분리판(260)을 금형 (200) 내부에 삽입하는 삽입단계(S100)와,
    상기 금형(200) 내부에 직조된 프리폼(110)과 금속기지(120)를 장입하는 캐닝단계(S200)와,
    상기 금형(200) 내부의 유체를 제거하는 진공형성단계(S300)와,
    상기 금형(200)을 가열하는 금형가열단계(S400)와,
    상기 금형가열단계(S400)에서 용융된 금속기지(120)를 상기 프리폼(110)에 함침하는 함침단계(S500)와,
    상기 프리폼(110)에 함침된 금속기지(120)를 냉각하는 냉각단계(S600)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 비정질 금속기지 복합재의 제조방법
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 캐닝단계(S200)는,
    상기 금형(200)의 일구성인 제1금형(200') 내부에 금속기지(120)를 장입하는 기지장입과정(S220)과,
    상기 금형(200)의 일구성인 제2금형(200") 내부에 프리폼(110)을 장입하는 프리폼장입과정(S240)으로 이루어짐을 특징으로 하는 비정질 금속기지 복합재의 제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 금형가열단계(S400)는,
    상기 제1금형(200')을 가열하여 금속기지(120)를 용융시키는 기지용융과정(S420)과,
    상기 제2금형(200")을 가열하여 내부 온도를 상승시키는 예열과정(S440)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비정질 금속기지 복합재의 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 함침단계(S500)는,
    상기 제1금형(200') 내부에서 용융된 금속기지(120)를 가압하는 기지가압과정(S520)과,
    가압된 금속기지(120)가 상기 제2금형(200") 내부로 유입되는 기지유입과정(S540)과,
    상기 제2금형(200") 내부로 유입된 금속기지(120)가 상기 프리폼(110)에 함침되는 기지함침과정(S560)으로 이루어짐을 특징으로 하는 비정질 금속기지 복합재의 제조방법.
  14. 제 10 항에 있어서, 상기 금속기지(120)는 비정질 금속재질로 형성되며, 임계 냉각속도가 102 K/s 이하임을 특징으로 하는 비정질 금속기지 복합재의 제조방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 금속기지(120)는 알루미늄(Al)계, 철(Fe)계, 마그네슘(Mg)계 합금 중에서 어느 하나로 형성됨을 특징으로 하는 비정질 금속기지 복합재의 제조방법.
  16. 제 10 항에 있어서, 상기 프리폼(110)은 직조됨을 특징으로 하는 비정질 금속기지 복합재의 제조방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 프리폼(110)은 직경 20㎛ 이하의 세라믹재질로 이루어진 연속섬유 100가닥 이상을 합쳐 묶음을 형성한 후 이를 직조한 것임을 특징으로 하는 비정질 금속기지 복합재의 제조방법.
  18. 제 16 항에 있어서, 상기 프리폼(110)은 텅스텐(W)계, 철(Fe)계, 니켈(Ni)계, 구리(Cu)계 등의 금속 연속섬유이며, 그 직경은 50 내지 500㎛임을 특징으로 하는 비정질 금속기지 복합재의 제조방법.
  19. 제 13 항에 있어서, 상기 기지함침과정(S560)은 30 ~ 80 vol%의 프리폼(110)에, 20 ~ 70 vol% 금속기지(120)가 함침되는 과정임을 특징으로 하는 비정질 금속기지 복합재의 제조방법.
  20. 제 17 항 또는 제 18 항에 있어서, 상기 복합재는 0.5mm 내지 10mm 의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 비정질 금속기지 복합재의 제조방법.
  21. 제 12 항에 있어서, 상기 기지용융과정(S420)과 예열과정(S440)은 동시에 진 행됨을 특징으로 하는 비정질 금속기지 복합재의 제조방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 금형가열단계(S400)가 진행되는 과정에서 상기 금속기지(120)와 제2금형(200")의 온도차이는 200℃ 미만임을 특징으로 하는 비정질 금속기지 복합재의 제조방법.
  23. 제 12 항에 있어서, 상기 기지용융과정(S420)은 제1금형(200')의 온도가 금속기지(120)의 용융온도보다 50℃ 이상 높게 유지되도록 하는 것임을 특징으로 하는 비정질 금속기지 복합재의 제조방법.
  24. 제 13 항에 있어서, 상기 기지유입과정(S540)은 제1금형(200')과 제2금형(200")의 내부가 서로 연통되도록 설치된 안내수단(220) 내부를 유동하여 상기 제1금형(200') 내부의 금속기지(120)가 제2금형(200")으로 유동하도록 과정임을 특징으로 하는 비정질 금속기지 복합재의 제조방법.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 안내수단(220)의 일측에는 안내수단(220) 내부를 유동하는 금속기지(120)가 응고되지 않도록 가열하는 가열수단(240)이 구비됨을 특징으로 하는 비정질 금속기지 복합재의 제조방법.
  26. 제 10 항에 있어서, 상기 분리판(260)은 금속기지(120)와 반응성이 없는 카 본(C) 또는 알루미나(Al2O3)로 형성됨을 특징으로 하는 비정질 금속기지 복합재의 제조방법.
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 분리판(260)은 1mm 이하의 두께를 가지도록 형성됨을 특징으로 하는 비정질 금속기지 복합재의 제조방법.
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