KR101028969B1 - 금속 중공구의 제조 방법, 금속 중공구, 경량 구조체의 제조 방법, 및 경량 구조체 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 금속 중공구의 제조 방법에 있어서 : 소결된 골격용 금속 중공구를 준비하는 단계 ; 상기 골격용 금속 중공구 표면에 바인더를 이용하여 평균입자크기 50nm ~ 5μm의 산화금속 분말을 코팅하여 성형용 구체를 형성하는 단계 ; 상기 성형용 구체를 보호 분위기에서 550℃~700℃에서 10분~120분간 유지하여 환원시키는 단계 ; 상기 환원 단계를 거친 상기 성형용 구체를 보호 분위기에서 700℃~1350℃에서 소결시키는 단계 ; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

금속 중공구의 제조 방법, 금속 중공구, 경량 구조체의 제조 방법, 및 경량 구조체{Manufacturing method for metallic hollow sphere, metallic hollow sphere, manufacturing method for light-weight structure, and light-weight structure}

본 발명은 금속 중공구를 제조하는 방법, 이에 의하여 제조되는 금속 중공구, 경량 구조체를 제조하는 방법, 및 경량 구조체에 관한 것이다.

본 발명은 금속 중공구를 제조하는 방법, 이에 의하여 제조되는 금속 중공구, 경량 구조체를 제조하는 방법, 및 경량 구조체에 관한 것이다.

금속 중공구 혹은 금속 중공구를 이용하여 제작되는 경량 구조체에 관한 종래의 기술로서 미국 특허 US4,917,857 "PROCESS FOR PRODUCING METALLIC OR CERAMIC HOLLOW-SPHERE BODIES" 및 미국 특허 US6,828,026 "HOLLOW BALLS AND A METHOD FOR PRODUCING HOLLOW BALLS AND FOR PRODUCING LIGHT-WEIGHT STRUCTURAL COMPONENTS BY MEANS OF HOLLOW BALLS"이 개시되어 있으며, 상기 종래 기술들은 본 명세서에 일체화된 것으로 본다.

금속 중공구 및 이를 이용한 경량 구조체를 제조하는 기본적인 방법은 종래 기술인 미국 특허 US4,917,857에 상세히 기술되어 있으며,

또한 금속 중공구를 이용한 경량 구조체는, 금속 중공구가 매우 가벼운 중량에 비하여 고강도를 가지기 때문에, 이러한 특성을 이용하여 각종 구조체, 충격 흡수용 구조체, 차음 내지 차폐용 구조체, 건축물의 구성요소, 선박 등의 대형 철재 구조물의 구성요소 등으로 사용될 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술이 가지는 아래의 문제점을 해결하기 위하여 제안되는 것이다.

종래 기술에 의하여 금속 중공구 내지 경량 구조체를 제조할 때 아래와 같은 문제점이 발견된다.

1) 상기 종래 기술은 금속 중공구를 제조하는 새로운 방법에 관하여 제시하였지만, 금속 중공구의 물리적 특성 등에 대한 문제점은 제시되지 않았다.

다양한 크기가 금속 중공구가 제조될 수 있지만, 실제로 제조되는 금속 중공구는 발포 폴리머 구체(foamed polymer)의 직경이 약 1mm~5mm 정도이므로, 제조된 금속 중공구의 껍질(shell)의 두께는 약 0.05mm~0.5mm 정도로 한정되어야 한다.

이와 같은 직경과 두께를 가진 금속 중공구를 제조함에 있어서, 발포 폴리머 구체에 고르고 얇게 금속 분말의 코팅층을 형성하기 위하여는 금속 분말의 입자크기가 수 μm 내지 수십μm인 금속 분말을 사용하여야 한다.

만일 10μm의 입자크기를 가진 금속 분말을 이용하여 금속 중공구를 제조한다면 금속 중공구의 껍질(shell)의 두께가 0.1mm가 형성하기 위하여는 대략 10개의 금속 분말 입자가 필요하다. (0.1mm의 껍질 두께 / 10μm의 입자크기 = 10개의 금속분말 입자) 즉 10개의 금속 분말 입자가 일렬로 늘어선다면 0.1mm의 금속 중공구의 껍질을 형성할 수 있다.

그러나 금속 중공구의 무게가 보다 가벼워지기 위하여는 금속 중공구의 껍질(shell)의 두께는 보다 얇아지는 것이 바람직하다. 그러나 금속 중공구의 껍질의 두께가 얇아진다는 것은, 껍질을 형성하기 위하여 필요한 금속 분말의 입자 숫자를 감소시킴으로써 결과적으로 금속 중공구의 강도 저하를 야기하게 된다.

따라서 금속 중공구의 무게와 금속 중공구의 강도는 서로 반비례관계가 성립된다고 볼 수 있다. 즉 금속 중공구를 보다 가볍게 하기 위하여는 금속 중공구의 껍질의 두께를 얇게 할 수 있지만 이는 필연적으로 금속 중공구의 강도 저하를 야기한다.

그러나 금속 중공구를 제조하는 이유 자체가 보다 가벼운 경량 구조체를 제조하기 위한 것이라는 점에 비추어, 본 발명자는 보다 가벼우면서도 보다 강도가 강한 금속 중공구를 제조하기 위한 기술을 개발하고자 하였다.

이러한 점에서 본 발명자는 금속 중공구의 경량성과 양호한 강도 모두를 실현하기 위하여는, 동일한 두께의 금속 중공구 껍질을 형성하기 위하여 보다 많은 금속 분말이 사용될 수 있다면 그다지 큰 중량 증가 없이도 금속 중공구의 강도를 향상시킬 수 있음에 착안하여 본 기술을 발명하게 되었다. 즉 본 발명자는 금속 분말의 입자크기를 감소시킨다면 동일한 두께의 껍질을 가진 금속 중공구라고 하여도 입자 크기가 작은 금속 분말을 이용하여 제조된 금속 중공구는 보다 치밀하게 결합된 상태이므로 물리적 성질이 개선될 수 있을 것이라는 점에 착안하여 본 발명을 제안하게 된 것이다.

종래 기술에서는 금속 분말의 입자크기에 관하여 순금속인 Cu 분말 (평균입 자크기 0.001mm), 순금속인 Fe 분말(2 to 8μm)을 사용한 실시례를 언급하고 있다.

그러나 이와 같은 금속 분말의 입자크기는 실제로는 아래와 같은 문제점으로 인하여 사용하기가 어려우며, 또한 본 발명자는 종래 기술에 비하여 보다 작은 입자크기의 금속 분말을 이용하여 금속 중공구의 물리적 특성을 향상시키고자 한다.

이러한 의도에서 시작된 본 발명을 통하여, 본 발명자는 입자 크기를 매우 작게 하는 것은 아래와 같은 이유로 실현하기 어렵다는 점을 발견하였다.

2) 상기 종래 기술은 Fe, Co, Ni, Cu, W, Mo, 귀금속(noble metals, e.g. titanium, platinum, iridium) 등의 순금속을 이용하여 금속 중공구를 제조할 수 있음을 언급하고 있으며, 실시례로서 순금속인 Cu 분말 (평균입자크기 0.001mm), 순금속인 Fe 분말(평균입자크기 2 to 8μm)을 사용한 실시례를 언급하고 있다.

그러나 순금속을 매우 미세하게 분쇄하여 금속 중공구를 만드는 것은 매우 어려운 문제이다.

먼저 순금속을 나노 사이즈로 분쇄하는 것 자체가 매우 어려우며, 또한 순금속을 나노 사이즈로 분쇄하면 금속의 산화 경향이 커지기 때문에 그 취급이 매우 어렵다.

또한 금속 분말을 코팅할 때 사용하는 바인더(binder)는 대체로 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol) 또는 폴리아크릴래이트(polyacrylate) 등의 수용성 바인더이므로, 나노 사이즈의 금속 분말이 이들 수용성 바인더와 접하게 되면 더욱 산화되기 쉽다는 문제가 있다.

또한 이러한 나노 사이즈의 금속 분말은 매우 높은 산화 경향으로 인하여 소결 등의 제조 공정에서 엄격한 보호분위기 등 공정 조건을 매우 엄격하게 관리하여야 한다는 문제가 있다.

본 발명자는 이러한 문제점들로 인하여 순금속 분말을 매우 미세하게 분쇄하여 금속 중공구를 제조하는 것은 상업적 이용성이 거의 없음을 확인할 수 있었다.

다음으로 본 발명자는 매우 미세하게 분쇄된 산화금속 분말을 이용하여 금속 중공구를 제조하는 것에 대하여 여러가지 실험을 실시하여 보았다.

3) 상기 종래 기술은 Fe, Ni, Co, Cu, 귀금속, W, Mo 등의 쉽게 환원되는 금속이 산화금속의 형태로서 사용되며, 소결 과정에서 순금속으로 환원될 수 있음을 언급하고 있다. 그러나 상기 종래 기술은 이에 대한 실시례에 관하여는 전혀 언급하지 않고 있다.

본 발명자가 실험한 결과에 의하면, 산화금속 분말을 이용하여 금속 중공구를 제조할 경우 산화금속 분말이 순금속으로 환원됨에도 불구하고 소결된 금속 중공구의 물리적 성질이 기대했던 것보다 개선되지 않음을 확인할 수 있었다.

이러한 문제점에 대하여 본 발명자가 연구한 결과, 종래의 방법에 따라 제조된 금속 중공구는 그 껍질을 이루는 산화금속 분말의 내부에는 미처 환원되지 못한 부분이 존재할 수 있으며, 특히 산화금속 분말의 모든 부분이 환원이 되는 경우에도 결정입자 내부에 매우 많은 기공이 존재하며 그 기공에 의하여 금속 중공구의 물리적 성질이 저하된다는 것을 확인할 수 있었다.

이는 입자 크기가 매우 미세한 산화금속 분말을 이용할 경우, 산화금속 내부의 환원 속도에 비하여 산화금속 표면의 소결이 매우 빠르게 진행되기 때문에, 소결된 산화금속 표면에 의하여 내부의 산소가 갇히게 되어 그 부분이 기공으로 존재하는 것으로 이해된다. 즉, 입자크기가 매우 작은 산화금속 분말을 이용할 경우 그 작은 표면적으로 인하여 비교적 낮은 온도에서 급격하게 소결반응이 발생하여 기공 발생을 제어할 수 없기 때문이다.

이에 반하여 입자크기가 비교적 큰 산화금속 분말을 이용할 경우 그 큰 표면적과 내부까지의 긴 거리로 인하여 환원되지 못하는 부분이 존재하거나 기공이 발생할 수 있으며, 아울러 이를 방지하기 위하여 높은 소결온도와 긴 소결 유지 시간 등 제조 공정을 좀더 엄격하게 제어함으로써 불완전한 환원과 기공 발생을 억제할 수 있음을 발견하였다. 그러나 비교적 큰 입자크기를 가진 산화금속 분말은 앞서 설명한 바와 같이 금속 중공구의 껍질을 약하게 하는 요인으로 작용하기 때문에 금속 중공구의 물리적 성질 개선을 기대할 수 없다는 근본적인 문제를 해결하지 못한다.

본 발명자는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 매우 작은 입자크기를 가진 금속 분말을 이용하되, 금속 분말의 산화 문제 자체가 발생하지 않도록 산화금속 분말을 이용하며, 산화금속의 기공 잔류 문제를 해결하기 위하여 환원 공정과 소결 공정을 분리시켜 실질적으로 환원 과정이 완료된 후 소결 과정이 진행되도록 제조공정을 제어하여 기공 잔류 문제로 인한 물리적 성질 저하의 문제점을 극복하여, 보다 가벼우면서도 물리적 성질이 향상된 금속 중공구를 제조하는 것을 본 발명의 기술적 과제로 한다.

아울러 이렇게 경량 및 고강도의 금속 중공구가 제조될 수 있다면, 이는 이에 의하여 보다 가벼운 경량 구조체를 제조할 수 있음을 의미한다.

본 발명자는 이와 같이 경량 및 고강도의 금속 중공구의 제조에 머무르지 않고, 더 나아가 거북등과 같이 표면이 갈라짐으로써 표면적이 획기적으로 증대되어 특히 차음 효과가 우수한 금속 중공구 혹은 경량 구조체를 제조하고자 한다.

상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 금속 중공구의 제조 방법에 있어서 : 소결된 골격용 금속 중공구를 준비하는 단계 ; 상기 골격용 금속 중공구 표면에 바인더를 이용하여 평균입자크기 50nm ~ 5μm의 산화금속 분말을 코팅하여 성형용 구체를 형성하는 단계 ; 상기 성형용 구체를 보호 분위기에서 550℃~700℃에서 10분~120분간 유지하여 환원시키는 단계 ; 상기 환원 단계를 거친 상기 성형용 구체를 보호 분위기에서 700℃~1350℃에서 소결시키는 단계 ; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기에 있어서, 상기 산화금속 분말은 산화철 분말이 90wt%이상인 것이 바람직하다.

상기에 있어서, 상기 산화철 분말은 평균입자크기가 50nm ~ 500nm인 것이 바 람직하다.

본 발명의 다른 사상으로 상기의 제조 방법에 의하여 제조되는 금속 중공구가 제안된다.

또한 본 발명의 다른 사상으로 상기의 금속 중공구를 이용하여 제조되는 경량 구조체가 제안된다.

한편, 구체적인 경량 구조체 제조 방법으로서 본 발명은, 금속 중공구를 이용하여 경량 구조체를 제조하는 방법에 있어서 : 소결된 골격용 금속 중공구를 준비하는 단계 ; 상기 골격용 금속 중공구 표면에 바인더를 이용하여 평균입자크기 50nm ~ 5μm의 산화금속 분말을 코팅하여 성형용 구체를 형성하는 단계 ; 복수의 상기 성형용 구체가 이웃하는 상기 성형용 구체와 접촉하도록 집적하여 성형용 구조체를 형성하는 단계 ; 상기 성형용 구조체를 보호 분위기에서 550℃~700℃에서 10분~120분간 유지하여 환원시키는 단계 ; 상기 환원 단계를 거친 상기 성형용 구조체를 보호 분위기에서 700℃~1350℃에서 소결시키는 단계 ; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기에 있어서, 상기 산화금속 분말은 산화철 분말이 90wt%이상인 것이 바람직하다.

상기에 있어서, 상기 산화철 분말은 평균입자크기가 50nm ~ 500nm인 것이 바 람직하다.

본 발명의 다른 사상으로 상기의 제조 방법에 의하여 제조되는 경량 구조체가 제안된다.

상기와 같은 방법에 의하여 제조되는 금속 중공구는, 더욱 가벼운 중량으로 양호한 물리적 특성을 발휘할 수 있으며, 또한 그 껍질 내부에 기공이 거의 발생되지 않아 그 물리적 특성이 더욱 향상된다.

이와 같은 금속 중공구을 이용하여 더욱 가볍고 물리적 특성이 우수한 경량 구조체를 제조할 수 있게 된다.

또한 상기와 같은 방법에 의하여 제조되는 금속 중공구 내지 경량 구조체는, 소결 과정중에 표면층의 수축을 통하여 표면이 거북등과 같이 갈라짐으로써 표면의 표면적이 획기적으로 증가되고 표면 형상이 불규칙하여 소리의 난반사가 증가되어 차음 효과가 증가된 금속 중공구 혹은 경량 구조체를 제조할 수 있게 된다.

상기와 같이 본 발명은, 매우 작은 입자크기를 가진 금속 분말을 이용하여 더욱 경량화되고 조직이 치밀한 금속 중공구를 제조할 수 있으며, 금속 분말의 산화 문제 자체가 발생하지 않도록 산화금속 분말을 이용하며 제조 공정을 간편하게 할 수 있으며, 산화금속의 기공 잔류 문제를 해결하기 위하여 환원 공정과 소결 공정을 분리시켜 실질적으로 환원 과정이 완료된 후 소결 과정이 진행되도록 제조공 정을 제어하여 기공 잔류 문제로 인한 금속 중공구의 물리적 성질 저하의 문제점을 극복하여, 결과적으로 보다 가벼우면서도 물리적 성질이 향상된 금속 중공구를 매우 간편하게 제조하는 것이 가능하게 된다.

또한 본 발명은 매우 작은 입자크기를 가진 산화금속 분말을 사용함으로써 산화금속 분말의 표면적이 증가될 뿐만 아니라 환원이 실질적으로 완료된 후 소결이 진행되도록 함으로써 소결 반응을 촉진할 수 있으므로, 종래의 비교적 큰 입자크기를 가진 금속 분말을 사용하여 곧바로 소결을 진행하는 경우에 비하여 소결온도를 더 낮출 수 있어 경제적일 뿐만 아니라 실용적이다.

또한 이렇게 제조된 경량 및 고강도의 금속 중공구를 이용하여 경량 구조체를 제작함으로써 보다 가볍고 강도가 향상된 경량 구조체를 제조할 수 있게 된다.

또한 상기와 같은 방법에 의하여 제조되는 금속 중공구 내지 경량 구조체는, 소결 과정중에 표면층의 수축을 통하여 표면이 거북등과 같이 갈라짐으로써 표면의 표면적이 획기적으로 증가되고 표면 형상이 불규칙하여 소리의 난반사가 증가되어 차음 효과가 증가된 금속 중공구 혹은 경량 구조체를 제조할 수 있게 된다.

이하 본 발명의 일 실시례에 따라 그 구성과 작용을 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 금속 중공구 제조 방법은 근본적으로 종래 기술의 일반적인 금속 중공구 제조 방법을 따른다.

이하에서는 본 발명을 실시함에 있어서 특히 주의할 점을 위주로 본 발명의 실시례를 설명한다.

(1) 골격용 금속 중공구의 제조

먼저 본 발명의 효과인 경량화와 물리적 특성 향상을 위하여 골격용 금속 중공구를 준비하는 과정을 설명한다.

골격용 금속 중공구는 종래의 일반적인 방법에 의하여 소결되는 금속 중공구의 일종이다. 다만 본 발명에서의 골격용 금속 중공구는 2차 껍질을 위한 골격으로서 1차 껍질을 형성한다는 점에서 이를 골격용 금속 중공구라 명칭한다.

본 실시례의 골격용 금속 중공구 제조 과정은 크게 (1-1) 예비 성형용 구체 형성 단계, (1-2) 열분해 단계, (1-3) 환원 단계, (1-4) 소결 단계로 이루어진다.

이러한 실시례는 보다 가볍고 물리적 특성이 향상된 골격용 금속 중공구를 제조하기 위한 것으로서, 골격용 금속 중공구는 이러한 실시례에 의하지 않고 종래의 기술이 그대로 적용되어 제조될 수도 있다.

(1-1) 예비 성형용 구체 형성 단계

발포 폴리머 구체 표면에 바인더를 이용하여 평균입자크기 50nm~5μm의 산화금속 분말을 코팅한다. 즉, 발포 폴리머 구체 표면에 산화금속 분말의 코팅층을 형성하는 것이다.

발포 폴리머 구체 표면에 바인더를 이용하여 금속 분말을 코팅하는 것은 종 래의 기술이 그대로 이용될 수 있으며, 다만 본 단계에서는 금속 분말이 산화금속 분말이며, 금속 분말의 평균입자크기는 50nm~5μm인 점이 주목하여야 한다.

즉, 물에 희석된 바인더와 산화금속 분말을 혼합하여 발포 폴리머 구체에 코팅할 수 있다. 코팅 방법으로서는 유동상(fluidized bed)을 이용한 분무 코팅 이외에 다양한 방식이 제안될 수 있다.

산화금속 분말은 Fe, Ni, Co, Cu, 귀금속, W, Mo 등의 쉽게 환원되는 금속의 산화물이 잘게 분쇄된 것이다.

산화금속 분말로서는 산화철을 이용하는 것이 더욱 바람직하다.

아울러 산화철을 주로 하면서(약 90wt% 이상), 통상의 소결 분야의 강화제로 널리 사용되면서 그 산화물의 환원이 용이한 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 니켈(Ni) 등의 산화물 분말(약 10wt% 이하)이 산화철 분말에 첨가 혼합되어 사용될 수 있다.

즉 산화금속 분말은 산화철과 기능성 산화금속 분말의 혼합분말로서 사용될 수 있다.

산화철만을 사용할 경우 Fe로만 이루어진 골격용 금속 중공구가 제조될 수 있으며, 산화철에 다른 분말이 첨가될 경우 철합금의 금속 중공구가 제조될 수 있다.

산화금속 분말은 금속의 산화물인 관계로 취성이 크지만 서로 달라붙는 특성인 연성이 없기 때문에 습식 밀링 등에 의해서 쉽게 분쇄가 되고 나노 크기로까지 분쇄가 가능하다.

순금속은 나노 크기의 분말이 되면 매우 불안정하기 때문에 공기중의 산소와 반응하면서 급격하게 연소되거나 폭발하게 되는 특징이 있지만, 이미 산화가 된 산화금속 분말은 나노 크기가 되더라도 재산화하는 특성이 없다.

또한 나노 크기의 산화금속 분말은 수용성의 바인더에 분산되면 더욱 고르게 발포 폴리머 구체 표면에 코팅될 수 있다.

이와 같이 산화금속 분말은 일반적인 순금속 분말과 달리, 매우 작게 분쇄되어도, 그 분쇄 작업이 매우 용이하며, 재산화의 염려가 없기 때문에 그 취급이 매우 용이하게 된다.

한편 표면 뿐만 아니라 내부까지 모두 산화된 산화금속 분말은, 일정 크기 이상이 되면 내부까지 환원되기 위하여 상당히 긴 시간을 필요로 하고, 모두 환원이 되더라도 산소가 있던 부분이 소결 도중에 환원이 되면, 산소가 있던 부분이 기공으로 남아 금속 중공구의 물리적 특성을 저하시킬 수 있다. 따라서 일정 크기 이상의 산화금속 분말은 기공을 제거하기 위하여 소결 온도를 올리거나 소결에 긴 시간이 필요하게 된다.

이러한 문제점과, 경량화 및 고강도의 목적 달성을 위하여 산화금속 분말의 평균입자크기는 일정 범위로 제한된다.

산화금속 분말의 평균입자크기는 금속의 환원 용이성에 따라 상이하나, 대부분 평균입자크기가 5μm이하인 것이 바람직하다.

평균입자크기가 5μm이상이 되면 환원에 오랜 시간이 걸리거나 제조 공정을 정밀하게 제어하지 않을 경우 입자 내부에 잔류 기공이 발생한 가능성이 높으며, 경량화 및 고강도를 기대하기 어렵다.

산화금속 분말의 평균입자크기는 더욱 바람직하게는 500nm이하인 것이 바람직하다. 평균입자크기가 작아지면 더욱 낮은 환원온도에서도 충분한 환원이 가능할 뿐만 아니라 환원시간이 짧아지는 장점이 있기 때문이다. 또한 평균입자크기가 작아지면 소결 구동력이 높아지기 때문에 소결온도가 낮아질 뿐만 아니라 소결시간도 짧아진다.

그러나 산화금속 분말의 평균입자크기를 감소시키기 위하여는 오랜 시간 분쇄를 하여야 하므로, 상업적으로 이용되기 위하여는 산화금속 분말의 평균입자크기는 50nm이상인 것이 바람직하다.

한편 산화금속 분말 중에서도 산화철 분말은 구입이 용이하며, 가격이 저렴하며, 우수한 물리적 특성을 가진다는 점에서 더욱 바람직하다.

이와 같이 예비 성형용 구체를 형성하면, 자연 건조시키거나 혹은 후술하는 열분해 단계를 위하여 예비 성형용 구체를 가열할 때 예비 성형용 구체는 건조될 수 있다.

(1-2) 열분해 단계

본 단계는 종래의 기술과 동일하다.

즉 예비 성형용 구체를 350℃~500℃로 가열하여 발포 폴리머 구체를 열분해한다.

이에 의하여 발포 폴리머 구체가 열분해됨으로써 예비 성형용 구체의 내부가 비게 되어, 내부에 중공이 형성된 성형용 구체가 형성된다. 즉 내부가 빈 산화금속 분말의 코팅층이 남게 되는 것이다.

상기 및 하기에서 성형용 구체란 환원 및 소결 처리 직전의 구형의 성형체(green body)를 의미한다.

(1-3) 환원 단계

열분해 단계를 거친 성형용 구체를 수소 단일 가스 또는 수소와 질소의 혼합가스 등 보호 분위기에서 550℃~700℃에서 10분 내지 120분간 유지하여 환원시킨다.

종래 기술과 같이 열분해 단계 이후 소결 단계를 연속적으로 수행할 경우에도, 즉 열분해 단계 이후 급격히 승온시켜 소결 단계를 수행하는 경우에도 성형용 구체에서 환원 공정은 부분적으로 발생할 수 있다.

그러나 본 실시례의 특징은 적절한 환원 온도에서 충분한, 즉 10분 내지 120분간의 환원 온도 유지 시간을 가진다는 점이다.

왜냐하면 열분해가 완료된 후 환원 공정을 거치지 않고 곧바로 소결 온도로 급격하게 가열할 경우 산화금속 분말의 극히 일부가 환원될 뿐이며, 환원되지 않은 나머지 부분이 초기 소결을 방해하여 필요한 소결 온도를 높이게 되며, 소결 도중에 환원 반응이 함께 일어나면서 소결이 완료된 후 산소가 있던 부분이 기공으로 남아 소결된 금속 중공구의 물리적 특성을 저하시키기 때문이다.

따라서 기공 발생의 억제 등을 위하여 적정한 환원 온도에서 충분한 유지 시간을 가져서 산화금속 분말의 내부 전체가 모두 환원될 수 있도록 하여야 한다.

특히 본 실시례와 같이 매우 작은 입자크기를 가진 산화금속 분말을 환원하면 그 분말의 표면이 활성화 상태가 되고 표면적이 넓은 불안정한 상태가 되기 때문에 통상적인 소결 온도보다 낮은 온도에서 소결이 되거나, 혹은 통상적인 소결 온도에서 소결할 경우 소결성이 크게 증가하기 때문에 환원 단계에서 충분한 환원이 이루어지지 않는다면 소결 단계에서 소결 반응이 급격하게 발생하여 입자 내부에 상당량의 기공이 발생할 수 있다.

따라서 적절한 환원 온도와 환원 온도 유지 시간을 통하여 산화금속 분말의 내부까지 모두 실질적으로 환원 처리되도록 하여 소결 단계에서는 환원 반응이 일어나지 않도록 하는 것이 바람직하다.

필요한 환원 온도와 환원 온도 유지 시간은 산화금속 분말의 평균입자크기, 코팅 두께 등에 따라 상이할 수 있지만 아래와 같은 범위 내에서 제한된다.

실질적인 환원 처리가 가능하기 위하여 환원 온도는 550℃이상이 되어야 하며, 환원 도중 부분적 소결을 억제하기 위하여 환원 온도는 700℃이하로 유지되어야 한다.

환원 온도 유지 시간은 적어도 10분 이상이 요구된다. 즉 평균입자크기와 코팅 두께가 매우 작은 경우에도 적어도 10분 이상을 유지하여야 산화금속 분말의 내부까지 실질적으로 환원이 완료될 수 있다.

환원 온도 유지 시간이 길어질수록 완벽한 환원이 가능하나, 너무 오랫동안 환원 온도를 유지하면 환원이 되면서 활성화된 표면이 일부 소결되는 현상이 발생할 수 있으므로 너무 긴 환원 온도 유지 시간은 소결 구동력을 저하시킨다. 따라서 환원 온도 유지 시간은 120분 이내에서 유지되어야 한다.

이와 같은 적절한 환원 온도와 환원 온도 유지 시간을 통하여 산화금속 분말은 순금속 분말로 변화된다.

(1-4) 소결 단계

환원 단계를 거친 성형용 구체를 수소 단일 가스 또는 수소와 질소의 혼합가스 등 보호 분위기에서 700℃~1350℃에서 소결시킨다.

소결 단계는 환원 단계를 거친 후 연속적으로 이루어지거나 혹은 단속적으로 이루어질 수 있다.

본 실시례는 평균입자크기가 매우 작은 산화금속 분말을 이용하기 때문에 그 표면적이 매우 넓을 뿐만 아니라 환원 처리가 실질적으로 완료된 상태이기 때문에 그 표면이 활성화 상태가 되어 소결 구동력이 높아 통상의 소결온도보다 비교적 낮은 온도에서 소결이 가능하다.

이와 같은 방법으로 제조된 골격용 금속 중공구에 대하여 구체적인 실시례들을 설명한다.

- 실시례 1-1

발포 폴리머 구체로서, 5mm의 지름을 가지는 구형의 발포 스티로폼을 준비한 후, 바인더로서 물 1리터에 50그램의 폴리비닐알콜을 용해한 후, 습식볼밀로 분쇄 하여 평균입자크기가 100nm인 산화철 분말 250g을 상기 폴리비닐알콜 수용액에 분산시킨 다음, 발포 폴리머 구체 표면에 유동상(fluidized bed)를 이용하여 0.3~0.4mm의 두께로 균일하게 코팅하여 예비 성형용 구체를 형성하였다.

이렇게 코팅된 예비 성형용 구체를 보호분위기로 질소와 수소가 부피비 90%:10%로 유지된 가열로에서 가열하여 400℃에서 40분간 유지하여 발포 스티로폼을 열분해하였다. 이후 계속 승온하여 650℃에서 60분간 유지하여 환원 처리한 후, 계속 승온하여 1120℃에서 40분간 유지하여 소결 처리하였다. 이때 승온속도는 5℃/분으로 하였다.

도 1은 실시례 1-1의 소결 후에 얻어진 금속 중공구의 외관 사진이다.

도 2는 실시례 1-1의 소결 후에 얻어진 금속 중공구의 단면사진이다. 사진에서 확인되는 바와 같이 금속 중공구가 매우 치밀하게 소결이 완료되었음을 확인할 수 있다.

아울러 소결 후에 얻어진 금속 중공구는 지름이 약 3.3~4.0mm이며, 껍질(shell) 두께는 약 20~30μm로서 확인되었다.

- 실시례 1-2

실시례 1-1에서와 같이 준비한 예비 성형용 구체를 실시례 1-1에서와 동일한 보호분위기가 유지된 가열로에서 가열하여 400℃에서 40분간 유지하여 발포 스티로폼을 열분해하였으며, 이후 계속 승온하여(즉, 환원 단계를 거치지 않고 가열하여) 1120℃에서 40분간 유지하여 소결 처리하였다. 이때 400℃에서 750℃ 사이의 가열 시간은 승온 시간으로 계산할 때 약 10분 정도였다.

도 3은 실시례 1-2의 소결 후에 얻어진 금속 중공구의 단면사진이다.

도 3에서 확인되는 바와 같이, 가열시 가열 속도가 빨라서 환원 처리가 제대로 되지 않은 경우는 소결 중에 환원이 함께 진행되므로, 소결 후에 산화물이 존재하지는 않지만, 소결이 진행되거나 소결이 진행된 후에 산화물이 환원됨에 따라 금속 중공구의 껍질 내부에 많은 기공이 존재하는 것을 확인할 수 있다.

아울러 소결 후에 얻어진 금속 중공구는 지름이 약 3.8~4.6mm이며, 껍질(shell) 두께는 약 30~60μm로서 확인되었다.

실시례 1-2의 금속 중공구와 실시례 1-1의 금속 중공구를 비교하면, 동일한 분말을 사용하였음에도 불구하고 실시례 1-1의 금속 중공구는 실시례 1-2의 금속 중공구보다 더 수축되었으며(즉, 지름이 작으며) 또한 동일한 두께로 산화철 분말을 코팅하였음에도 불구하고 실시례 1-1의 금속 중공구의 껍질 두께는 실시례 1-2의 금속 중공구의 껍질 두께보다 얇다. 즉 실시례 1-1은 실시례 1-2에 비하여 보다 치밀한 상태로 수축 결합된다.

- 실시례 1-3

실시례 1-1에서와 같은 방법으로 예비 성형용 구체를 준비하였다. 다만 실시례 1-1과 비교하여 산화철 분말의 평균입자크기는 20μm이며, 코팅 두께는 평균입자크기의 증가로 0.5~0.7mm이다.

이와 같이 준비된 예비 성형용 구체를 실시례 1-1에서와 동일한 승온 방법과 보호 분위기에서 열분해, 환원 처리, 소결 처리를 수행하였다.

도 4는 실시례 1-3의 소결 후에 얻어진 금속 중공구의 단면사진이다.

도 4에서 확인되는 바와 같이, 실시례 1-3는 실시례 1-1과 동일한 조건이었음에도 불구하고 비교적 큰 평균입자크기로 인하여 소결성이 떨어져 소결이 불충분하게 진행되었다.

아울러 소결 후에 얻어진 금속 중공구는 지름이 약 4.0~5.0mm이며, 껍질(shell) 두께는 약 120~170μm로서 확인되었다.

본 발명자의 추가적인 실험에 의하면 실시례 1-3의 입자크기에서는 1350℃ 이상의 소결온도가 되어야 치밀화가 진행됨을 알 수 있었다.

한편 이렇게 제조된 금속 중공구들에 대한 강도 시험을 실시하였다. 강도 시험은 금속 중공구들에 대하여 금속 중공구가 파괴될 때까지 압축력을 점점 높이면서 가하고, 이때 금속 중공구에 힘을 가하기 시작하면서부터 금속 중공구가 파괴될 때까지의 과정에서 확인된 최대 압축력을 조사하였다.

실험에서 발생할 수 있는 오차 범위를 감안하여 전체 실험 사례 중에서 압축력 상위 10% 및 압축력 하위 10%는 오차값으로 인정하고 이를 제외한 상태의 결과값은 아래와 같은 범위를 가진다.

실시례 1-1 : 1.3~1.6 kgf

실시례 1-2 : 0.5~0.8 kgf

실시례 1-3 : 0.5~0.8 kgf

실시례 1-2는 실시례 1-3에 비하여 그 산화철 분말의 코팅 두께가 얇았음에도 불구하고 거의 비슷한 강도를 가지는 것으로 확인되었다.

한편 실시례 1-1은 실시례 1-2에 비하여 동일한 분말을 사용하였음에도 거의 2배에 달하는 강도의 증가를 발휘하는 것으로 확인되었다.

이와 유사한 실험을 반복함에 따라 본 발명자는 산화철 분말의 평균입자크기가 5μm이하인 경우에는 도 5와 같이 치밀한 조직을 가진 골격용 금속 중공구를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었으며, 산화철 분말의 평균입자크기가 5μm를 초과하게 되면 즉, 평균입자크기가 증가하면 치밀도가 떨어져 기공 발생을 억제하는 경우에도 도 6과 같이 치밀하지 못한 조직을 얻을 수 있음을 확인하였다. 또한 동일한 크기의 평균입자크기를 사용하더라도 환원 시간의 길고 짧음에 따라 도 7과 같이 내부 기공의 차이가 발생하는 것을 확인하였다. 따라서 골격용 금속 중공구의 경량화와 물리적 특성 향상을 위하여 산화물 분말의 평균입도를 적정하게 관리할 필요가 있으며 아울러 환원 시간을 적절하게 제어할 필요가 있다.

상기에서 설명한 골격용 금속 중공구의 제조는 하나의 실시례일 뿐이며, 골격용 금속 중공구를 제조하기 위하여 종래의 기술이 그대로 적용될 수 있다. 즉 수십μm의 입자크기를 가진 금속 분말이 금속 중공구를 제조하기 위하여 이용될 수도 있으며, 환원 단계를 거치지 않고 열분해 단계에서 직접 소결 단계로 진행이 될 수도 있다.

다만 상기의 설명들은 산화금속 분말을 이용하고, 산화금속의 평균입자크기 를 일정한 범위내로 한정하고, 환원 단계를 부가함으로써 종래의 기술에 비하여 보다 경량화되고 보다 물리적 특성이 우수한 골격용 금속 중공구를 제조할 수 있다는 것을 보여주고 있다.

한편 도 2 및 도 3에서 확인되는 바와 같이 하나의 껍질로 된 골격용 금속 중공구는 그 표면이 비교적 매끄러운 면으로 되어 있다. 이와 같이 매끄러운 면은 차음 특성을 필요로 하는 경우에는 단점으로 작용될 수 있다. 즉 차음특성을 필요로 하는 부위에 골격용 금속 중공구가 그대로 이용될 경우 비록 소리가 골격용 금속 중공구의 표면에서 난반사되기는 하지만 산란 효과가 적기 때문에 차음 특성이 비교적 불량하다.

물론 도 4와 같이 필요한 소결 온도보다 낮은 온도에서 소결이 이루어지는 경우 난반사 특성은 조금 개선될 수 있지만 이 경우 강도가 저하되는 문제가 발생한다. 또한 도 4에서 확인되는 바와 같이 이러한 골격용 금속 중공구는 내부 및 외부가 동일한 정도의 다공성을 가지지만 표면적이 매우 넓다고 보기에는 무리가 있다.

이와 같이 개선된 골격용 금속 중공구 혹은 종래의 골격용 금속 중공구를 이용하여 보다 개선된 금속 중공구 혹은 경량 구조체를 제조하는 방법을 상세히 설명한다.

한편 골격용 금속 중공구는 실질적으로 소결이 완료된 1차 껍질을 형성하기 위한 것이므로, 최소한의 형태를 유지하기에 충분할 정도의 얇은 두께를 가지는 것으로도 충분하며, 또한 얇은 두께를 가질수록 바람직하다.

(2) 금속 중공구의 제조

골격용 금속 중공구를 이용하여 경량화, 물리적 특성 향상, 표면 형상이 개선된 금속 중공구를 제조할 수 있다.

본 실시례의 금속 중공구는 1차 껍질이 형성된 골격용 금속 중공구에 2차 껍질을 소결에 의하여 완성시키는 것이다.

본 실시례의 금속 중공구 제조 과정은 크게 (2-1) 성형용 구체 형성 단계, (2-2) 환원 단계, (2-3) 소결 단계로 이루어진다.

(2-1) 성형용 구체 형성 단계

골격용 금속 중공구 표면에 바인더를 이용하여 평균입자크기 50nm~5μm의 산화금속 분말을 코팅한 후 건조한다. 즉, 골격용 금속 중공구에 의하여 형성된 1차 껍질의 표면에 2차 껍질을 위하여 산화금속 분말의 코팅층을 형성하는 것이다.

앞서 설명한 바와 같이 골격용 금속 중공구 표면에 바인더를 이용하여 금속 분말을 코팅하는 것은 종래의 기술이 그대로 이용될 수 있으며, 다만 본 단계에서는 금속 분말이 산화금속 분말이며, 금속 분말의 평균입자크기는 50nm~5μm인 점이 특징이다.

즉, 물에 희석된 바인더와 산화금속 분말을 혼합하여 골격용 금속 중공구 표 면을 코팅할 수 있다. 코팅 방법으로서는 유동상을 이용한 분무 코팅 이외에 다양한 방식이 제안될 수 있다.

산화금속 분말은 Fe, Ni, Co, Cu, 귀금속, W, Mo 등의 쉽게 환원되는 금속의 산화물이 잘게 분쇄된 것이다.

산화금속 분말로서는 산화철을 이용하는 것이 더욱 바람직하다.

아울러 산화철을 주로 하면서(약 90wt% 이상), 통상의 소결 분야의 강화제로 널리 사용되면서 그 산화물의 환원이 용이한 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 니켈(Ni) 등의 산화물 분말(약 10wt% 이하)이 산화철 분말에 첨가 혼합되어 사용될 수 있다.

산화철만을 사용할 경우 제조되는 금속 중공구의 2차 껍질은 Fe로만 이루어지며, 산화철에 다른 분말이 첨가될 경우 제조되는 금속 중공구의 2차 껍질은 철합금으로 이루어진다.

산화금속 분말의 성질 및 그 평균입자크기의 중요성은 앞서 설명한 바와 같다.

산화금속 분말의 평균입자크기는 금속의 환원 용이성에 따라 상이하나, 대부분 평균입자크기가 5μm이하인 것이 바람직하다.

평균입자크기가 5μm이상이 되면 환원에 오랜 시간이 걸리거나 제조 공정을 정밀하게 제어하지 않을 경우 입자 내부에 잔류 기공이 발생한 가능성이 높으며, 근본적으로 본 발명의 경량화 및 고강도의 목적을 해결하기 어렵다.

산화금속 분말의 평균입자크기는 더욱 바람직하게는 500nm이하인 것이 바람직하다. 평균입자크기가 작아지면 더욱 낮은 환원온도에서도 충분한 환원이 가능할 뿐만 아니라 환원시간이 짧아지는 장점이 있기 때문이다. 또한 평균입자크기가 작아지면 소결 구동력이 높아지기 때문에 소결온도가 낮아지며 아울러 소결시간도 짧아진다.

그러나 산화금속 분말의 평균입자크기를 감소시키기 위하여는 오랜 시간 분쇄를 하여야 하므로, 상업적으로 이용되기 위하여는 산화금속 분말의 평균입자크기는 50nm이상인 것이 바람직하다.

이와 같이 성형용 구체를 형성한다.

이와 같이 성형용 구체를 형성하면, 자연 건조시키거나 혹은 후술하는 환원 단계를 위하여 성형용 구체를 가열할 때 성형용 구체는 건조될 수 있다.

본 성형용 구체는, 골격용 금속 중공구와 달리 발포 폴리머 구체가 존재하지 않으므로 열분해 단계는 불필요하다.

(2-2) 환원 단계

성형용 구체를 수소 단일 가스 또는 수소와 질소의 혼합가스 등 보호 분위기에서 550℃~700℃에서 10분 내지 120분간 유지하여 환원시킨다.

환원 단계 없이 곧바로 급격하게 승온하여 소결 단계를 수행할 경우에도 성형용 구체에서 환원 공정은 부분적으로 발생할 수 있다.

그러나 본 실시례의 특징은 적절한 환원 온도에서 충분한, 즉 10분 내지 120분간의 환원 온도 유지 시간을 가진다는 점이다.

왜냐하면 환원 공정을 거치지 않고 곧바로 소결 온도로 급격하게 가열할 경우 산화금속 분말의 극히 일부가 환원될 뿐이며, 환원되지 않은 나머지 부분이 초기 소결을 방해하여 필요한 소결 온도를 높이게 되며, 소결 도중에 환원 반응이 함께 일어나면서 소결이 완료된 후 산소가 있던 부분이 기공으로 남아 소결된 금속 중공구의 물리적 특성을 저하시키기 때문이다.

따라서 기공 발생의 억제 등을 위하여 적정한 환원 온도에서 충분한 유지 시간을 가져서 산화금속 분말의 내부 전체가 모두 환원될 수 있도록 하여야 한다.

특히 본 실시례와 같이 매우 작은 입자크기를 가진 산화금속 분말을 환원하면 그 분말의 표면이 활성화 상태가 되고 표면적이 넓은 불안정한 상태가 되기 때문에 통상적인 소결 온도보다 낮은 온도에서 소결이 되거나, 혹은 통상적인 소결 온도에서 소결할 경우 소결성이 크게 증가하기 때문에 환원 단계에서 충분한 환원이 이루어지지 않는다면 소결 단계에서 소결 반응이 급격하게 발생하여 결정립 내부에 상당량의 기공이 발생할 수 있다.

따라서 적절한 환원 온도와 환원 온도 유지 시간을 통하여 산화금속 분말의 내부까지 모두 실질적으로 환원 처리되도록 하여 소결 단계에서는 환원 반응이 일어나지 않도록 하는 것이 바람직하다.

필요한 환원 온도와 환원 온도 유지 시간은 산화금속 분말의 평균입자크기, 코팅 두께 등에 따라 상이할 수 있지만 아래와 같은 범위 내에서 제한된다.

실질적인 환원 처리가 가능하기 위하여 환원 온도는 550℃이상이 되어야 하며, 환원 도중 부분적 소결을 억제하기 위하여 환원 온도는 700℃이하로 유지되어 야 한다.

환원 온도 유지 시간은 적어도 10분 이상이 요구된다. 즉 평균입자크기와 코팅 두께가 매우 작은 경우에도 적어도 10분 이상을 유지하여야 산화금속 분말의 내부까지 실질적으로 환원이 완료될 수 있다.

환원 온도 유지 시간이 길어질수록 완벽한 환원이 가능하나, 너무 오랫동안 환원 온도를 유지하면 환원이 되면서 활성화된 표면이 일부 소결되는 현상이 발생할 수 있으므로 너무 긴 환원 온도 유지 시간은 소결 구동력을 저하시킨다. 따라서 환원 온도 유지 시간은 120분 이내에서 유지되어야 한다.

이와 같은 적절한 환원 온도와 환원 온도 유지 시간을 통하여 2차 껍질을 이루는 산화금속 분말은 순금속 분말로 변화된다.

(2-3) 소결 단계

환원 단계를 거친 성형용 구체를 수소 단일 가스 또는 수소와 질소의 혼합가스 등 보호 분위기에서 700℃~1350℃에서 소결시킨다.

소결 단계는 환원 단계를 거친 후 연속적으로 이루어지거나 혹은 단속적으로 이루어질 수 있다.

본 실시례는 평균입자크기가 매우 작은 산화금속 분말을 이용하기 때문에 소결 구동력이 높아 통상의 소결온도보다 비교적 낮은 온도에서 소결이 가능하다.

또한 본 실시례에서 골격용 금속 중공구는 이미 소결이 된 부위이므로 그 형태가 거의 변화하지 않으며, 즉 1차 껍질의 형태는 거의 변화하지 않으며(특히 거 의 수축하지 않으며), 2차 껍질은 소결 공정에 의하여 내측으로, 즉 골격용 금속 중공구 측으로 수축되면서 소결되어 그 표면이 갈라지게 된다.

즉 본 실시례에 의하여 제조된 금속 중공구의 표면은 도 8의 모식도와 유사한 거북등 모양으로 갈라진 표면을 가지게 되어 매우 넓은 표면적을 가지게 된다.

이하에서는 본 실시례에 따른 구체적인 실시례를 설명한다.

- 실시례 2-1

물 1리터에 80그램의 폴리비닐알콜(PVA)을 용해한 후 평균입자크기 3μm의 구형 형상의 스테인리스 분말 250그램을 분산시킨 다음, 5mm의 지름을 갖는 구형의 발포 스티로폼 표면에 유동상을 이용하여 0.40-0.5mm의 두께로 코팅하였다. 이렇게 코팅한 구체를 건조시킨 후 소결로에서 가열하여 400℃에서 40분간 유지하여 열분해하였으며, 수소와 질소가 3:1로 혼합된 환원 분위기의 1300℃에서 40분간 유지하여 소결 처리하여 골격용 금속 중공구를 제조하였다.

이와 같이 제조된 골격용 금속 중공구의 표면에 물 1리터에 50그램의 폴리비닐알콜을 용해한 후 평균입자크기가 100nm인 산화철 분말 250그램을 분산시킨 용액을 이용하여 유동상에서 0.30-0.35mm 두께로 코팅을 실시하고 건조하였다. 이 코팅된 성형용 구체를 메쉬벨트로 구동되는 연속로에서 가열하여 650℃에서 60분간 유지하여 환원처리한 후 1130℃에서 40분간 유지하여 소결 처리하였다. 가열시 분위기는 수소와 질소가 부피비 3:1로 혼합된 환원 분위기를 사용하였다.

도 9는 실시례 2-1에 의한 금속 중공구의 단면 사진으로서, 2차 껍질의 1차 껍질측은 치밀한 조직이 형성되며, 2차 껍질의 표면측은 거북등 모양으로 갈라져 있어 표면적이 매우 넓은 것을 확인할 수 있다.

- 비교례 2-1

실시례 2-1과 같은 방법으로 골격용 금속 중공구를 제조하고, 실시례 2-1과 같은 방법으로 산화금속 분말의 코팅, 소결하였다. 다만 본 비교례에서는 적절한 환원 처리를 하지 않고 상온에서 1300℃까지 급격히 승온하였다. 상온에서 1300℃까지의 승온 시간은 40분 정도였다.

이와 같이 환원 단계를 거치지 않고 단지 소결 온도까지의 승온을 위하여 예비 가열의 개념으로 승온할 경우 환원이 완료되지 않은 상태로 소결이 진행되어 소결 후에 도 10에서와 같이 내부에 상당히 많은 양의 기공이 발생한 다공질의 2차 껍질이 형성되었다. 이와 같은 다공질의 표면은 치밀한 껍질에 비하여 차음 특성이 다소 향상되지만 앞서 골격용 금속 중공구의 제조 과정에서 설명한 바와 같이 물리적 특성이 취약하다.

또한 비교례 2-1의 표면적은 실시례 2-1의 표면적에 비하여 작다고 볼 수 있다.

- 실시례 2-2

실시례 2-1에서와 같은 방법으로 골격용 금속 중공구를 제조하고 다시 산화철 분말을 코팅하여 2차 껍질을 가진 금속 중공구를 환원-소결하였다. 다만 평균입 자크기가 100nm인 산화철을 사용하는 대신에 500nm인 산화철분말을 사용하여 코팅을 실시하였다. 환원-소결 조건도 변경하여 환원 공정을 700℃에서 30분간 유지한 후 1150℃에서 40분간 소결하였다. 이 경우에도 도 9과 유사한 2차 껍질이 넓은 표면적과 치밀한 막을 가지는 금속 중공구를 얻을 수 있었다.

- 비교례 2-2

실시례 2-1에서와 같은 방법으로 골격용 금속 중공구를 제조하고 다시 산화철 분말을 코팅하여 2차 껍질을 가진 금속 중공구를 환원-소결하였다. 다만 평균입자크기가 100nm인 산화철을 사용하는 대신에 15μm인 산화철분말을 사용하여 코팅을 실시하였다. 환원-소결 조건도 변경하여 환원 공정을 700℃에서 15분간 유지한 후 1120℃에서 60분간 소결하였다. 이 경우는 도 10에서와 유사한 불충분한 환원 내지는 소결 중의 환원에 의해서 발생하는 기공이 많은 소결층이 나타났다. 또한 소결온도를 1200℃로 증가시켜도 내부의 기공은 완전하게 제거되지 않았다.

상기의 실시례의 설명은 하나의 금속 중공구를 제조하기 위한 방법을 설명한 것이며, 상기와 같이 제조된 금속 중공구는 낱개 단위로서 이용되거나 혹은 복수의 금속 중공구를 이용하여 경량 구조체를 제조할 수 있다.

즉 금속 중공구는 낱개 상태로도 사용될 수 있으며, 혹은 이들 금속 중공구를 적절한 제조 과정을 거쳐 경량 구조체를 제조할 수도 있다.

그러나 이렇게 금속 중공구를 제조한 후 다시 이들 복수의 금속 중공구를 이용하여 경량 구조체를 제조하는 것은 경우에 따라 매우 번잡할 수 있으며, 또한 이들 복수의 금속 중공구를 서로 결합시키기 위한 공정이 필요할 수 있다.

이하에서는 골격용 금속 중공구를 이용하여 직접 경량 구조체를 제조하는 방법을 설명한다.

(3) 경량 구조체 제조 방법

골격용 금속 중공구를 이용하여 경량화, 물리적 특성 향상, 표면 형상이 개선된 경량 구조체를 직접 제조할 수 있다.

본 실시례의 경량 구조체 제조 과정은 크게 (3-1) 성형용 구체 형성 단계, (3-2) 성형용 구조체 형성 단계, (3-3) 환원 단계, (3-4) 소결 단계로 이루어진다.

(3-1) 성형용 구체 형성 단계

골격용 금속 중공구 표면에 바인더를 이용하여 평균입자크기 50nm~5μm의 산화금속 분말을 코팅한 후 건조시킨다. 즉, 골격용 금속 중공구에 형성된 1차 껍질의 표면에 2차 껍질을 위하여 산화금속 분말의 코팅층을 형성하는 것이다.

본 성형용 구체 형성 단계는 (2-1) 성형용 구체 형성 단계와 모두 동일하므로 상세한 설명을 생략한다.

(3-2) 성형용 구조체 형성 단계

앞서 준비된 성형용 구체들을 집적하여 성형용 구조체를 형성한다.

즉 성형용 구체들의 표면은 이웃하는 성형용 구체의 표면과 접촉되도록 집적되어 하나의 성형용 구조체를 형성한다.

이와 같이 성형용 구체를 집적하는 방법으로는 i) 성형용 구체를 일정한 형틀에 채워넣는 방법과, ii) 성형용 구체와 함께 하나의 구조물을 이루게 되는 용기 등의 형태를 가진 다른 구조물에 성형용 구체를 채워넣는 방법이 있다.

i)의 경우 소결이 완료된 후 형틀을 제거할 필요가 있다.

ii)의 경우 소결 과정에서 성형용 구조체와 다른 구조물은 소결 결합에 의하여 일체가 될 수 있다.

도 11은 형틀(10)에 집적된 성형용 구조체(100)의 개념도이다.

성형용 구조체(100)는 단위 성형용 구체(110)들이 집적되어 형성된 것이며, 성형용 구체(110)는 이미 소결이 완료되어 1차 껍질을 형성한 골격용 금속 중공구(111)와 2차 껍질을 위한 산화금속 분말 코팅층(112)로 이루어져 있다.

도 12는 성형용 구조체(100)가 형틀 또는 다른 구조물(10)에 완전히 둘러쌓여 있는 형태를 도시한 것이다.

(3-3) 환원 단계

성형용 구조체를 형틀 또는 다른 구조물과 함께 수소 단일 가스 또는 수소와 질소의 혼합가스 등 보호 분위기에서 550℃~700℃에서 10분 내지 120분간 유지하여 환원시킨다.

이 과정은 (2-2) 환원 단계와 완전히 동일하다. 다만 환원 대상이 성형용 구체에서 성형용 구조체로 변경된 것 뿐이다. 따라서 상세한 설명을 생략한다.

(3-4) 소결 단계

환원 단계를 거친 성형용 구조체를 수소 단일 가스 또는 수소와 질소의 혼합가스 등 보호 분위기에서 700℃~1350℃에서 소결시킨다.

소결 단계는 환원 단계를 거친 후 연속적으로 이루어지거나 혹은 단속적으로 이루어질 수 있다.

본 실시례는 평균입자크기가 매우 작은 산화금속 분말을 이용하기 때문에 소결 구동력이 높아 통상의 소결온도보다 비교적 낮은 온도에서 소결이 가능하다.

또한 본 실시례에서 골격용 금속 중공구는 이미 소결이 된 부위이므로 그 형태가 거의 변화하지 않으며, 즉 1차 껍질의 형태는 거의 변화하지 않으며(특히 거의 수축하지 않으며), 2차 껍질은 소결 공정에 의하여 골격용 금속 중공구 측으로 수축되면서 소결되어 그 표면이 갈라지게 된다.

또한 소결과정에서 성형용 구조체는 2차 껍질의 소결에 의하여 성형용 구체와 성형용 구체가 서로 소결 결합되어 성형용 구조체의 결합 구조가 완성된다.

물론 본 실시례에 의하여 제조된 금속 중공구의 표면은 도 8의 모식도와 유사한 거북등 모양으로 갈라진 표면을 가지게 되어 매우 넓은 표면적을 가지게 된다.

- 실시례 3-1

실시예 2-1에서와 같은 방법으로 골격용 금속 중공구에 산화철 분말로 재차 코팅된 성형용 구체를 형성한 후, 도 11에서와 같은 형틀에 코팅이 부서지지 않도록 성형용 구체를 채워 성형용 구조체를 형성하였다. 이와 같이 성형용 구조체가 내장된 형틀을 로에서 가열하여 실시례 2-1에서와 같은 방법으로 환원 및 소결 처리하였다. 환원 온도는 650℃, 환원시간은 90분이였으며, 소결온도는 1180℃, 소결시간은 40분이었다. 다른 조건은 실시례 2-1과 같았다.

본 실시례를 통하여 블록 상태로 소결 결합된 구조체를 얻을 수 있었으며 역시 표면적이 넓게 형성된 표면 조직을 얻을 수 있었다.

- 실시례 3-2

실시례 3-1과 같은 방법으로 성형용 구체를 제작하되, 골격용 금속 중공구에 코팅되는 산화철 분말의 평균입자크기를 하나는 2μm, 다른 하나는 15μm로 하였다.

이렇게 성형된 성형용 구체를 이용하여 실시례 3-1과 같은 방법을 통하여 지름 25mm, 높이 25mm의 실린더형 성형용 구조체를 형성한 다음 실시례 3-1과 같은 방법으로 환원 및 소결하였다.

이렇게 제조된 실린더형 경량 구조체를 만능시험기에서 가압하여 압축강도를 상승시키면서 압축강도에 따른 실린더형 경량 구조체의 변형율을 측정하였다. 도 13에 도시된 바와 같이 평균입자크기가 2μm의 산화철 분말을 사용한 경우가 15μm 의 산화철 분말을 사용한 경우에 비하여 압축강도가 크게 높은 것으로 나타났다. 이는 입자크기가 작을수록 소결성이 우수하고 내부 기공이 크게 줄어들기 때문이다.

상기의 실시례는 본 발명의 바람직한 실시례일 뿐이며, 본 발명의 기술적 사상은 당업자에 의하여 다양하게 변형 내지 조정되어 실시될 수 있다. 이러한 변형 내지 조정이 본 발명의 기술적 사상을 이용한다면 이는 본 발명의 범위에 속하는 것이다.

본 발명은 보다 가볍고 물리적 특성이 우수할 뿐만 아니라, 특히 차음성이 우수한 금속 중공구 내지 경량 구조체의 제조에 이용될 수 있다.

도 1은 실시례 1-1의 소결 후에 얻어진 골격용 금속 중공구의 외관 사진,

도 2는 실시례 1-1의 소결 후에 얻어진 골격용 금속 중공구의 단면사진,

도 3은 실시례 1-2의 소결 후에 얻어진 골격용 금속 중공구의 단면사진,

도 4는 실시례 1-3의 소결 후에 얻어진 골격용 금속 중공구의 단면사진,

도 5는 본 발명의 실시례에 의한 치밀한 조직을 가진 골격용 금속 중공구의 단면사진,

도 6은 본 발명의 실시례에 의한 치밀하지 않은 조직을 가진 골격용 금속 중공구의 단면사진,

도 7은 동일한 입자크기에 있어서의 환원 시간에 따라 기공 발생 여부를 대비하기 위한 골격용 금속 중공구의 단면사진.

도 8은 2차 껍질의 표면 상태를 설명하기 위한 거북등처럼 갈라진 표면의 모식도,

도 9는 실시례 2-1의 소결 후에 얻어진 금속 중공구의 단면사진,

도 10은 비교례 2-1의 소결 후에 얻어진 금속 중공구의 단면사진,

도 11 및 도 12는 경량 구조체를 제조하기 위하여 성형용 구조체를 형성한 상태의 개념도,

도 13은 입자크기에 따른 압축강도 및 변형율의 관계를 보이기 위한 도면.

Claims (9)

1. 금속 중공구의 제조 방법에 있어서 : 소결된 골격용 금속 중공구를 준비하는 단계 ; 상기 골격용 금속 중공구 표면에 바인더를 이용하여 평균입자크기 50nm ~ 5μm의 산화금속 분말을 코팅하여 성형용 구체를 형성하는 단계 ; 상기 성형용 구체를 보호 분위기에서 550℃~700℃에서 10분~120분간 유지하여 환원시키는 단계 ; 상기 환원 단계를 거친 상기 성형용 구체를 보호 분위기에서 700℃~1350℃에서 소결시키는 단계 ; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 중공구의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 산화금속 분말은 산화철 분말이 90wt%이상 100wt%이하인 것을 특징으로 하는 금속 중공구의 제조 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 산화철 분말은 평균입자크기가 50nm ~ 500nm인 것을 특징으로 하는 금속 중공구의 제조 방법.
4. 1차 껍질을 이루게 되는 골격용 금속 중공구의 표면에 평균입자크기 50nm ~ 5nm의 산화금속 분말이 코팅 후 소결되어 2차 껍질을 형성하게 되며, 상기 2차 껍질은 갈라진 표면을 가지는 것을 특징으로 하는 금속 중공구.
5. 제 4 항의 금속 중공구를 이용하여 제조되는 경량 구조체.
6. 금속 중공구를 이용하여 경량 구조체를 제조하는 방법에 있어서 : 소결된 골격용 금속 중공구를 준비하는 단계 ; 상기 골격용 금속 중공구 표면에 바인더를 이용하여 평균입자크기 50nm ~ 5μm의 산화금속 분말을 코팅하여 성형용 구체를 형성하는 단계 ; 복수의 상기 성형용 구체가 이웃하는 상기 성형용 구체와 접촉하도록 집적하여 성형용 구조체를 형성하는 단계 ; 상기 성형용 구조체를 보호 분위기에서 550℃~700℃에서 10분~120분간 유지하여 환원시키는 단계 ; 상기 환원 단계를 거친 상기 성형용 구조체를 보호 분위기에서 700℃~1350℃에서 소결시키는 단계 ; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 경량 구조체의 제조 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 산화금속 분말은 산화철 분말이 90wt%이상 100wt%이하인 것을 특징으로 하는 경량 구조체의 제조 방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 산화철 분말은 평균입자크기가 50nm ~ 500nm인 것을 특징으로 하는 경량 구조체의 제조 방법.
9. 1차 껍질을 이루게 되는 다수의 골격용 금속 중공구의 표면에 평균입자크기 50nm ~ 5nm의 산화금속 분말이 코팅 후 소결되어 2차 껍질을 형성하게 되며, 상기 2차 껍질은 갈라진 표면을 가지며,

   상기 1차 껍질을 감싸는 구조의 상기 2차 껍질은 이웃하는 다른 2차 껍질과 서로 소결 결합되어 일체화되는 것을 특징으로 하는 경량 구조체.

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