KR101110947B1 - 금속 매트릭스 복합 재료의 제조 방법 - Google Patents

금속 매트릭스 복합 재료의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

이 발명은 틱소 몰딩을 수행하는 하나 이상의 제조 단계를 포함하는, 일정량 이상의 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 함유하는 금속 매트릭스 복합재료의 제조 방법에 관한 것이다. 이 발명에 따라 2 부피 % 이상의 Mg2Si 상을, 바람직하게는 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 포함하는 금속 매트릭스 내로 도입한다. 이 발명의 방법은 금속 복합 재료의 인시튜 제조를 위한 틱소 몰딩 방법을 사용하며, 복합 재료 중의 Mg2Si 상의 조절 가능한 부피율이 넓은 범위로 주어짐으로써, 복합 재료의 특성을 개별적으로 변경시킬 수 있다는 장점을 갖는다. 이 발명에 따른 금속 매트릭스 복합 재료는 예컨대 피스톤 등과 같은 열 부하를 받는 자동차 부품의 제조에 특히 적합하다.
틱소 몰딩, 금속 매트릭스 복합 재료, 피스톤, 마그네슘, 마그네슘 합금.

Description

금속 매트릭스 복합 재료의 제조 방법{METHOD FOR PRODUCING METAL MATRIX COMPOSITE MATERIALS}
이 발명은 틱소 몰딩을 수행하는 하나 이상의 제조 단계를 포함하는, 일정량 이상의 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 함유하는 금속 매트릭스 복합재료의 제조 방법에 관한 것이다.
마그네슘은 그의 낮은 탄성률, 높은 열 팽창 계수 및 낮은 내마모성으로 인해 특정 용도, 예컨대 자동차 엔진의 피스톤 또는 특히 엔진의 다른 부품에 사용될 수 없다. 그러나, 상기 특성은 재료가 통상적으로 훨씬 더 단단하고 경질인 제 2 상에 의해 강화되면 긍정적으로 조절될 수 있다. 이를 위해, 통상적으로 세라믹 또는 탄소를 기초로 하는 단 섬유 또는 장 섬유 또는 입자가 사용된다. 이들은 용융 야금법의 경우에는 유동성 금속 용융물로 침투된 다공성 성형체(소위, 모재:preform)의 형태로 또는 입자의 경우에는 교반에 의해 금속 매트릭스 내로 도입된다. 금속 재료를 섬유 또는 입자로 강화할 수 있는 다른 가능성은 강화 성분의 자체- 또는 "인시튜(in situ)"-형성에 있다. 금속 복합 재료는 상기 용융 야금법과 더불어, 분말 야금법으로도 제조될 수 있다.
침투 가능한 성형체로서 모재를 사용하면, 스퀴즈 캐스팅(squeeze casting) 이 바람직한 주조 방법으로 밝혀졌다. 이 경우, 종래의 다이 캐스팅에서 보다 약간 낮은 몰드 충전 속도 및 약간 높은 압력에서 용융성 금속이 다공성 섬유- 또는 입자체 내로 압입된다. 이때, 폐쇄된 섬유 매트릭스 결합을 가진, 다공이 거의 없는 복합 재료가 제조된다.
교반 시에 통상의 세라믹 입자는 이동되는 금속 용융물의 느슨한 퇴적물로서 유입 또는 취입에 의해 공급된다. 상기 형태의 복합 재료 용융물은 직접 주조품 또는 바아의 형태로 주조될 수 있다. 인시튜 방법의 경우, 상기 복합 재료는 대개 새로운, 일반적으로 금속간 상을 형성하면서, 전체 계의 상 또는 금속 매트릭스의 2개 이상의 합금 원소 간의 반응에 의해 생긴다.
계 Mg-Mg2Si의 제조 및 특성화는 여러 번 개시되었다. 예컨대, DE 41 25 014 A1 호의 공개 내용을 참고할 수 있다. 강화의 의미로 금속간 상의 생성은 인시튜 공정에 관련될 수 있다. 이는 대개 Si-입자 함유 섬유 모재의 침투에 의해 또는 과공정 Mg-Si 합금으로부터 1차 규화 마그네슘의 석출에 의해 이루어진다. 1차 석출 시에 액상선의 미달 후에 거친, 블록형 Mg2Si-석출물이 형성되는 한편, Mg2Si는 순수한 Si의 반응성 변환 시에 모재 내에 구상으로 형성된다. 공정 석출된 Mg2Si는 재차 일반적으로 특성적 "중국 문자" 구조를 나타낸다.
DE 101 35 198 A1호는 다른 원소와 더불어 일정량의 규소를 포함할 수 있는 틱소 몰딩에 의한 마그네슘 합금의 제조 방법을 개시한다.
틱소 몰딩 공정에서, 금속 재료는 과립으로서 틱소 몰딩 기계에 공급되고, 가열된 실린더 내부에서 이송 웜에 의해 압출 다이의 방향으로 이동된다. 전단력의 작용, 및 금속의 액상선과 고상선 사이의 온도의 작용 하에, 상기 금속은 부분적으로 액화되는 한편, 남은 고체 성분은 구상으로 형성된다. 틱소트로픽 재료의 특성은 구조 점성이다. 즉, 상기 점성은 전단 작용의 증가에 따라 감소한다. 틱소 몰딩은 높은 치수 정확성을 가진 매우 얇은 벽의 부품을 제조하는데 특히 적합한데, 그 이유는 액상선과 고상선 사이의 바람직한 온도 레벨로 인해, 수축 및 지연 현상이 거의 나타나지 않기 때문이다.
금속 복합 재료의 제조를 위한 상기 방법의 단점은 모재 침투의 경우에 복잡한 장치 기술, 제한된 디자인 가능성, 모재의 섬유 함량, 및 그것의 높은 비용에 있다. 복잡한 형상은 거의 구현될 수 없거나 많은 기술적 비용 및 재정적 비용에 의해서만 구현될 수 있으므로, 침투에 의한 섬유 또는 입자 강화 부품의 실형상(Net-Shape) 제조는 거의 불가능하다. 이는 일반적으로 강화재로서 세라믹 경질 상을 사용할 때 까다롭고 많은 비용을 필요로 하는 비교적 복잡한 처리를 야기한다. 그 이유는 예컨대 SiC-섬유 또는 Al2O3-섬유로 강화된 성형체의 처리가 다이아몬드로 코팅된 공구에 의해서만 가능하기 때문이다. 게다가, 높은 섬유 또는 입자 함량을 가진 모재의 침투 가능성은 종래의 다이 캐스팅에서는 문제가 있으며, 이를 위해서는 특수한 주조 장치를 필요로 하는 스퀴즈 캐스팅(squeeze casting) 법을 적용하는 것이 바람직하다. 침투 시에 다이 캐스팅에 의해 생기는 어려움은 그 원인이 주로 방법의 높은 충진 속도, 및 작은 탕구로 인해 용융물을 통해 가해질 수 있는 낮은 압력에 있다. 그러나, 이것은 통상적으로 금속 용융물과 세라믹 성형체 사이의 매우 낮은 교차 결합 경향을 극복하기 위해 필요하다. 또한, 모재는 섬유체에서 용융물의 조기 응고를 막기 위해 용융 온도보다 훨씬 높은 온도로 가열되어야 한다.
교반의 방법은 우선 입자형 강화재에 적용되는데, 그 이유는 섬유의 사용이 용융물의 점성을 급상승시킬 수 있고, 이는 섬유의 균일한 분포를 매우 어렵게 하거나 또는 불가능하게 하기 때문이다. 입자의 경우, 교반 결과는 사용된 입자의 크기, 교반기 속도 및 온도에 의존한다. 불충분한 파라미터 선택은 슬래그 내에서 입자의 플러싱, 덩어리 형성 및 포트 바닥에 그것의 침강을 야기할 수 있다. 입자 및 용융물은 반응성 계이며, 경우에 따라 2개의 상 간의 긴 접촉 시간으로 인해 경계면에서 변환 반응이 일어나고, 상기 반응은 입자의 손상을 야기한다. 이에 대한 예는 마그네슘-산화알루미늄 계이며, 이 경우 2개의 파트너 간의 반응 시에 입자 물질의 분해 하에 산화 마그네슘 및 알루미늄이 형성된다.
이 발명의 목적은 특히 열 부하를 받는 부품에 사용하기 위한 경금속 복합 재료의 제조를 가능하게 하고, 종래의 방법보다 가변적이고 저렴하며, 종래의 방법과 관련한 상기 단점을 갖지 않는 금속 매트릭스 복합 재료의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항 1의 특징을 가진 금속 매트릭스 복합 재료의 제조 방법에 의해 달성된다. 이 발명에 따라 경금속 복합 재료의 제조가 틱소 몰딩 방법으로 이루어지고, 2 부피 % 이상의 Mg2Si 상이 금속 매트릭스 내로 도입된다.
이 발명에 따른 방법의 특별한 장점은 금속 복합 재료의 인시튜 제조 방법과 틱소 몰딩 방법의 조합으로부터 얻어진다. 이 발명에 따라 바람직하게는 규소 또는 규소 합금의 과립 및 마그네슘 또는 마그네슘 합금의 과립을 함께 틱소 몰딩 공정에 공급하여 거기서 전단 하에 적어도 부분 유체의 용융물을 형성하고, 상기 용융물을 마그네슘 바디의 형태로 응고시킴으로써, 2 부피% 이상의 Mg2Si를 함유한 Mg-Mg2Si-복합 재료를 제조한다. 상기 방법의 장점은 Mg2Si의 조절 가능한 부피율이 넓은 범위로 주어지며, 섬유 또는 입자 모재가 생략될 수 있고, Si 입자의 크기 및 양에 의해, 형성되는 Mg2Si 결정의 양 및 크기가 결정될 수 있어서, 열 팽창 계수, 탄성률, 인장 한계, 항복점 및 마모 특성과 같은 특성이 개별적으로 변동될 수 있다는 것이다. 따라서, 용융 야금 기술로는 이루어질 수 없는 Si 함량이 조절될 수 있다. 이렇게 주조된 재료는 단조 공정과 같은 후속 성형 공정에 공급될 수 있다.
바람직하게 이 발명에 따른 틱소 몰딩 공정에서는 금속 매트릭스 복합 재료로 주조 바디를 제조한 다음, 후속 처리한다. 특히, 주조된 바디를 후속해서 하나 이상의 공정 단계에서 성형한다. 이러한 성형 공정은 예컨대 하나 이상의 단조 방법을 포함할 수 있다.
이 발명의 다른 대상은 이 발명의 방법에 따라 제조된 금속 매트릭스 복합 재료이다.
이 발명의 또 다른 대상은 청구항 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 특징을 가진 방법에 따라 제조된 금속 매트릭스 복합 재료를 자동차 부품의 제조에 사용하는 것이다. 바람직하게는 높은 열 부하에 노출된 경금속 복합 재료로 이루어진 상기 자동차 부품은 예컨대 피스톤 등과 같은 엔진 부품이다.
종속 청구항에 제시된 특징들은 이 발명에 따른 해결책의 바람직한 개선을 제시한다. 이 발명의 다른 장점은 하기 설명에 제시된다.
이하, 이 발명을 실시예를 참고로 상세히 설명한다.
이 발명의 방법에 따라 제조된 금속 매트릭스 복합 재료는 예컨대 디젤 연료 또는 가솔린 연료로 작동되는 엔진의 피스톤 또는 다른 엔진 부품의 제조를 위해 사용될 수 있다. 금속 매트릭스 복합 재료는 또한 특히, 엔진 내의 샤프트, 실린더 및 다른 회전 대칭 부품용 부싱의 제조에 적합하다. 이것은 또한 마모 부하를 받는 자동차 부품, 예컨대 브레이크 디스크의 제조에 적합하다.
금속 매트릭스 내의 Mg2Si-상의 부피율은 바람직하게는 약 5 내지 약 40 부피%의 범위이다. 이 발명에 따른 금속 매트릭스 복합 재료는 예컨대 Si를 첨가한 AZ91, AM50, MR1230D, MR1253M 또는 다른 Mg-다이캐스팅 합금과 같은 표준 합금으로부터 얻는다. 여기서는, 2 Mg + Si → Mg2Si 반응이 중요하다. 이 발명의 범주에서 약 2 중량 % 이상 Si 그리고 바람직하게는 약 15 중량% 이하 Si를 첨가한다. 이로부터 결과하는 Mg2Si의 부피 %를 하기 표 1에 표시하였으며, 이는 금속 매트릭스 복합 재료 중의 Mg2Si-상의 예시적인 양을 나타낸다.
표 1 중량%의 Si 첨가량과 그로부터 결과하는 부피%의 양
중량% Si 부피% Mg2Si
2 5.08
3 7.63
4 10.19
5 12.77
6 15.35
7 17.95
8 20.55
9 23.17
10 25.80
11 28.44
12 31.09
13 33.75
14 36.42
15 39.10
Mg2Si는 1,100 ℃ 근처의 융점을 가진 비교적 고용융 상이다. 따라서, 상기 상은 매트릭스 재료의 고온 특성을 개선시키는 강화재로 적합하다. 이것은 크리프 특성뿐만 아니라 열 전도율 및 열 팽창 계수와 같은 특성값에 관련된다. 다른 물리적 및 기계적 특성과 더불어, 상기 값들을 의도적으로 용도와 관련해서 조절할 수 있다. 정확한 수치는 특히 기본 합금, Mg2Si의 부피율, 매트릭스 합금 내의 추가 석출에 뿐만 아니라 사용 온도 및 사용 온도 범위에 의존한다. 상기 데이터는 각각의 용도에 있어서 각각 실험적으로 검출한 것이다.
다른 영향 인자는 Mg2Si 석출의 특성이다. 통상 이것을 소위 "중국 문자" 석출이라 한다. 즉, 그 형상이 중국 문자를 상기시키는 니들형 석출이라 한다. 그러나, 예컨대 Ca와 같은 합금 원소의 첨가에 의해, 1차 다각형 석출이 나타나고, 이는 입자 강화와 같은 특성을 나타낸다. 2가지 석출 타입은 기계적 및 물리적 특성에 영향을 준다.
이 발명에 따른 금속 매트릭스 복합 재료로 이루어진 반제품의 제조 시에, 후속 처리 시에 선택되는 파라미터가 특성 프로파일에 결정적으로 영향을 준다. 성형이 예컨대 압출에 의해 이루어지면, Mg 결정의 평면은 이방성에 대한 압출 방향에 대해 평행하게 배향된다. 이방성의 크기는 상이한 팩터, 특히 변형비, 공구 내의 온도, 예열, 압축 후 열 제어 및 그에 따른 동적 및 정적 재결정화에 의존한다. 불순물의 영향을 포함하는 합금 조성도 영향 팩터 중 하나이다.
제조의 파라미터:
이 발명의 방법에 따른 금속 매트릭스 복합 재료의 제조시 온도 제어는 선택된 합금, 사출량 및 공구, 특히 그 부품 형상, 탕구 등, 틱소 몰딩시 웜과 실린더의 형상, 전진 속도 및 사출 속도와 직접 관련된다. 상기 파라미터는 각각의 부품에 대한 실험에 의해 검출해야 하며 기계의 구조 및 그 데이터 프로파일에 의존한다. 특성도 마찬가지로 고상의 양에 의존한다. 이것은 매트릭스 합금의 기계적 특성뿐만 아니라 복합 재료, 즉 매트릭스와 강화재의 조합물의 기계적 특성에도 영향을 준다.
액상의 양과 관련해서, 2 Mg + Si → Mg2Si 반응은 합금이 액상의 많은 양을 신속히 형성하기는 하지만 동시에 Mg2Si의 형성에 의해 고상의 양이 증가한다는 것을 의미한다. 상기 반응은 틱소 몰딩 기계의 실린더-웜 영역에 뿐만 아니라 탕구 후방 공작물에서도 일어날 수 있다. 특히, 재료가 퇴적된 영역에서, 상기 특성이 고려된다. 따라서, 경우에 따라 후압이 성공적으로 제공될 수 있는데, 그 이유는 발열 반응에 의해 항상 매트릭스 합금의 일부가 용융 상이기 때문이다. 이와 관련한 추정은 금속 현미경 시편의 분석에 의해 얻을 수 있다.
매트릭스 합금과 관련해서, 용용 범위가 매우 중요하다. 예컨대, 합금 AZ91의 용융 범위는 440 내지 600℃ 이다. 간행물에는 상기 합금에 있어서 95% 범위의 많은 양의 고상이 부품의 기계적 특성을 개선한다는 것이 공지되어 있다. 이러한 고상의 양에서는 상기 합금을 과냉(undercooled melt) 용융물이라 한다. 따라서, 이 발명에 따른 방법에서는 공구 내로 사출 후에 매우 많은 수의 시이드와 동시에 높은 시이드 형성률이 나타난다. 이는, Hall-Petsch 관계로 인해 매우 양호한 기계적 특성을 갖는 매우 미세한 조직의 특성을 야기한다. 용융물의 과냉으로 인해, 수축은 전체적으로 매우 작다. 액상의 양이 작을수록 수축이 감소된다. 이는 동시에 다이 캐스팅에 보다 더 작은 내부 응력 및 그에 따른 더 작은 지연이 발생한다는 것을 의미한다.
Si의 첨가와 관련해서, 용융의 제 1 발생 시에 Mg와 Si 사이의 발열 반응이 나타난다. 이는 기계의 가열 출력이 감소될 수 있다는 것을 의미한다. 이에 대한 크기는 상이한 파라미터, 특히 주변 온도, 사용된 기계의 열 절연 및 여러 관련 부품(재료)의 열 전도율에 의존한다. 열 전달 계수의 범위에서, 틱소 몰딩 기계와 같은 폐쇄된 시스템 내에서 온도의 증가 시에 상기 관계는 매우 복잡하다.
과립의 입자 크기는 일반적으로 결정적인 값이 아니다. 기계 및 선택된 부 품에 따라 각각 다른 웜 형상을 선택할 수 있다. 입자 크기 및 입자 형태는 웜 형상에 매칭되어야 한다. 이는 합금 또는 복합 재료와는 완전히 무관하다. 후속해서 입자 크기 비 Mg-Si가 매칭되어야 한다. 물론, 이것은 일반적으로 이미 정해진 웜 형상에만 중요하다.
과립의 첨가는 예컨대 기계에 추가로 부착될 수 있는 간단한 공급 장치에 의해 과립의 송출(두 재료는 여전히 고체임)과 동시에 또는 직후에 이루어진다. 기본적으로 예컨대 Thixomat 또는 Japan Steel Works 사에 의해 시판 중인 종래 구조의 기계를 사용할 수 있다.

Claims (14)

  1. 틱소 몰딩을 수행하는 하나 이상의 제조 단계를 포함하는, 일정량 이상의 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 함유하는 금속 매트릭스 복합재료의 제조 방법에서, 2 부피 % 이상의 Mg2Si 상을 금속 매트릭스 내로 도입하는 것을 특징으로 하는, 금속 매트릭스 복합 재료의 제조 방법.
  2. 제 1항에서, 상기 금속 매트릭스가 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는, 금속 매트릭스 복합 재료의 제조 방법.
  3. 제 1항에서, 규소 또는 규소 합금의 과립과 상기 마그네슘 또는 마그네슘 합금의 과립을 함께 하나의 틱소 몰딩 공정에서 처리하는 것을 특징으로 하는, 금속 매트릭스 복합 재료의 제조 방법.
  4. 제 1항에서, 규소 또는 규소 합금의 입자의 크기 또는 양을 통해, 형성될 Mg2Si 결정의 양 또는 크기 또는 상기 복합 재료의 규소 함량을 결정하는 것을 특징으로 하는, 금속 매트릭스 복합 재료의 제조 방법.
  5. 제 1항에서, 상기 틱소 몰딩 공정에서 상기 금속 매트릭스 복합 재료로 주조된 바디를 제조한 다음, 후속 처리하는 것을 특징으로 하는, 금속 매트릭스 복합 재료의 제조 방법.
  6. 제 1항에서, 상기 금속 매트릭스 복합 재료로 주조된 바디를 후속해서 하나 이상의 공정 단계에서 성형하는 것을 특징으로 하는, 금속 매트릭스 복합 재료의 제조 방법.
  7. 제 1항에서, 상기 금속 매트릭스 복합 재료로 주조된 바디를 후속해서 하나 이상의 단조 공정 또는 압출 공정에서 성형하는 것을 특징으로 하는, 금속 매트릭스 복합 재료의 제조 방법.
  8. 제 1항에서, 상기 복합 재료의 제조 시에 2 중량% 이상의 Si 및 15 중량% 이하의 Si를 첨가하는 것을 특징으로 하는, 금속 매트릭스 복합 재료의 제조 방법.
  9. 제 1항에서, 5 부피 % 이상 내지 40 부피% 이하의 Mg2Si 상을 금속 매트릭스 내로 도입하는 것을 특징으로 하는, 금속 매트릭스 복합 재료의 제조 방법.
  10. 제 1항에서, 상기 금속 매트릭스 복합 재료의 제조를 마그네슘 표준 합금 AZ91, AM50, MR1230D, MR1253M 또는 Mg-다이캐스팅 합금으로 시작하는 것을 특징으로 하는, 금속 매트릭스 복합 재료의 제조 방법.
  11. 제 1항에서, Si의 첨가 후에 용융의 제 1 발생 시에 틱소 몰딩 장치의 가열 출력을 감소시키는 것을 특징으로 하는, 금속 매트릭스 복합 재료의 제조 방법.
  12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 방법에 따라 제조되는 것을 특징으로 하는, 금속 매트릭스 복합 재료.
  13. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 방법에 따라 제조된 하나 이상의 금속 매트릭스 복합 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자동차용 부품.
  14. 자동차용 엔진 부품, 피스톤, 샤프트, 실린더, 다른 회전 대칭 부품의 부싱 또는 브레이크 디스크의 제조를 위한 제 12항에 따른 금속 매트릭스 복합 재료의 용도.
KR1020067008204A 2003-11-07 2004-10-16 금속 매트릭스 복합 재료의 제조 방법 KR101110947B1 (ko)

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