KR101248967B1

KR101248967B1 - 알루미늄 복합재의 제조방법

Info

Publication number: KR101248967B1
Application number: KR1020077017413A
Authority: KR
Inventors: 시게루 오카니와; 시게키 아오야마; 도시마사 니시야마; 히로아키 기타
Original assignee: 닛케이킨 아쿠토 가부시키가이샤; 니폰게이긴조쿠가부시키가이샤
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2005-12-28
Publication date: 2013-03-29
Also published as: WO2006070879A1; CN101090788A; US7998401B2; CN101090788B; EP1837103A4; JPWO2006070879A1; EP1837103A1; ES2404505T3; US20080131719A1; JP4037901B2; EP1837103B1; KR20070094014A

Abstract

본 발명은 세라믹스의 첨가량이 많은 알루미늄 복합재를 쉽게 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것으로, (a) 알루미늄 분말과 세라믹스 입자를 혼합하여 혼합재를 조제하는 공정과, (b) 상기 혼합재를 금속판재와 함께 통전가압 소결하여, 소결체가 금속판재로 피복된 클래드재를 형성하는 공정과, (c) 상기 클래드재에 소성가공을 실시하여 알루미늄 복합재를 얻는 공정을 구비한다. 공정 (b)에서는, 혼합재를 한쌍의 금속판재 사이에 끼우거나 금속제 용기에 혼합분말을 수용하여, 금속판재가 펀치로 눌리는 상태로 성형 다이 안에 장입하여, 혼합재를 금속판재와 함께 압축한다. 금속판재는 알루미늄제 또는 스테인레스강제이다.

알루미늄 복합재

Description

알루미늄 복합재의 제조방법{METHOD FOR PRODUCING ALUMINUM COMPOSITE MATERIAL}

본 발명은 일반적으로 알루미늄 복합재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 소성가공성, 열전도성, 실온 또는 고온에서의 강도, 높은 강성, 중성자 흡수성능, 내마모성, 낮은 열팽창성 등 적어도 하나의 특성이 뛰어난 알루미늄 복합재의 제조에 관한 것이다.

분말야금법에 의해 알루미늄을 모상(母相)으로 하는 복합재를 제조하는 경우, 모상이 되는 알루미늄 분말에 강화재가 되는 Al₂O₃, SiC나 B₄C, BN, 질화알루미늄, 질화규소 등의 세라믹스 입자를 혼합한 후, 혼합분체를 캔밀봉하거나 냉간압축성형한 후, 탈가스나 소결 등을 하여 목적으로 하는 형상으로 성형하였다. 소결방법으로는 단순히 가열하는 방법, 핫프레스 등의 가압을 하면서 가열하는 방법, 열간압출가공, 열간단조가공 또는 열간압연가공 등의 열간소성가공에 의해 가압 소결시키는 방법, 가압하면서 통전하여 소결시키는 방법이나 이 방법들을 조합한 방법 등이 있다. 또한, 탈가스에 소결을 겸하게 하는 경우도 있었다(예를 들어, 일본특허공개 2001-329302호 공보).

근래, 알루미늄 복합재로서 강도뿐만 아니라 높은 영률(Young's modulus), 내마모성, 낮은 열팽창성, 그리고 방사능 흡수성능이 요구되는 용도도 개발되게 되어 왔다. 일반적으로 각 기능성을 가지는 세라믹스의 첨가량을 증가시키면, 각 기능을 증가시키는 것은 가능하지만, 단순히 첨가량을 증가시키는 것만으로는, 소결성, 압출성, 압연성 및 단조성 등의 소성가공성이 현저히 떨어지게 된다.

그래서, 세라믹스를 예비성형하고, 그것에 알루미늄 합금용탕을 침투시켜, 높은 농도의 세라믹스를 균일하게 모상 안에 분산시키도록 하는 방법도 생각되고 있는데, 용탕의 침투부족이나 응고시의 뒤쳐짐 등의 결함이 발생할 우려가 있었다.

그리하여, 본 발명은 상기 사정에 감안하여 이루어진 것으로, 예를 들어 10질량% 이상으로 세라믹스 첨가량이 많은 알루미늄 복합재를 쉽게 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것을 주된 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은, 알루미늄·세라믹스 복합재에 금속판재를 클래드(clad)화하여, 소성가공을 용이하게 한 알루미늄 복합재의 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 클래드화한 알루미늄·세라믹스 복합재에 압연가공을 실시하는데 있어, 깨짐 등의 발생을 확실하게 방지할 수 있는 알루미늄 복합재의 제조방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 높은 생산성을 달성할 수 있는 알루미늄 복합재의 제조방법을 제공하는데 있다.

한편, 본 명세서에서 알루미늄이란, 순알루미늄 및 알루미늄 합금을 의미한다.

또한, 본 발명의 제조방법은, 강화재 첨가량이 많은 알루미늄 복합재의 제조로 한정되지 않고, 강화재 첨가량이 적은 예를 들어, 0.5 질량%의 세라믹스를 함유하는 알루미늄 복합재의 제조에도 적용할 수 있다.

본 발명에 따른 알루미늄 복합재의 제조방법은, (a) 알루미늄 분말과 세라믹스 입자를 혼합하여 혼합재를 조제하는 공정과, (b) 상기 혼합재를 금속판재와 함께 통전가압 소결하여 소결체가 금속판재로 피복된 클래드재를 형성하는 공정과, (c) 상기 클래드재에 소성가공을 실시하여 알루미늄 복합재를 얻는 공정을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

일반적으로, 세라믹스 입자는 알루미늄에 비하여 경도가 매우 높다. 그 때문에, 세라믹스 입자를 많이 포함하는 알루미늄 분말의 소결체를 소성가공하면, 표면의 세라믹스 입자가 파괴의 기점이 되어, 소성가공재에 깨짐이 발생한다. 또한, 압출 다이스, 압연롤러, 단조금형 등을 마모시킨다. 하지만, 본 발명에서는, 소성가공을 실시하기 전에, 알루미늄 분말과 세라믹스 입자의 혼합재를 금속판재로 덮은 후, 통전가압 소결하여 세라믹스 함유 알루미늄 소결체의 표면에 금속판재를 클래드하고, 그 상태에서 소성가공을 하도록 하였다. 이 방법에 따르면 표면에 파괴의 기점이 되거나 다이스 등을 마모시키는 세라믹스 입자가 없기 때문에, 양호한 소성가공재를 얻을 수 있다. 또한, 세라믹스 함유 알루미늄 분말에 통전가압 소결법에 의해 금속판재를 클래드시켰기 때문에, 세라믹스 함유 알루미늄재와 금속판재의 밀착성이 좋고, 세라믹스 함유 알루미늄재와 금속판재 사이의 열전도성이나 전기전도성이 뛰어나다. 또한, 열간소성 가공을 하여도 금속판재와 세라믹스 함유 알루미늄재의 사이에 결함이 일어나지 않아, 따라서 열간소성 가공후에 금속판재를 벗길 필요도 없다.

본 발명의 양호한 실시예에서는, 상기 공정 (b)에 있어서, 상기 혼합재를 금속판재에 접촉시킨 상태로 금속판재와 함께 성형 다이 안에 장입(裝入)하여, 펀치로 압축하는 동시에 전압을 인가하여 통전가압 소결을 실시한다. 여기서, 혼합재를 한 쌍의 금속판재 사이에 끼우고, 금속판재가 펀치로 눌린 상태로 성형 다이 안에 장입하여, 혼합재를 금속판재와 함께 압축하도록 할 수도 있으며, 혹은 다른 방법으로서, 덮개부 판재를 바닥부 판재에 대향하여 가지는 금속제 용기에 혼합분말을 수용하고, 바닥부 판재와 덮개부 판재가 펀치로 눌린 상태로 성형 다이 안에 장입하여, 혼합재를 용기와 함께 압축하도록 하는 것도 가능하다.

본 발명의 더욱 바람직한 실시예에서는, 상기 공정 (b)에 있어서, 혼합재와 금속판재의 조합체를 적어도 2세트 준비하고, 이 적어도 2세트의 조합체를 겹쳐쌓은 상태로 성형 다이 안에 장입하고 통전가압 소결을 실시하여, 적어도 2개의 클래드재를 동시에 형성할 수 있으며, 이러한 방법에 의해 생산성을 대폭 향상시킬 수 있다. 여기서, 성형 다이 안의 수용공간을 펀치 이동방향에 직교하는 적어도 하나의 칸막이 부재에 의해 나누어 적어도 2개의 분할된 공간을 형성하고, 상기 적어도 2세트의 조합체를 상기 적어도 2개의 분할된 공간에 장입하여 통전가압 소결을 할 수 있다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에서는, 상기 금속판재가 알루미늄제 또는 스테인레스강제이다. 또한, 상기 공정 (a)에 있어서, 알루미늄 분말과 세라믹스 입자를 혼합하여 혼합분말로 이루어지는 혼합재를 조제하는 것이 일반적인데, 알루미늄 분말과 세라믹스 입자의 혼합분말에 예를 들어, 냉간 정수압 성형(CIP)이나 냉간 일축 성형, 진동 프레스 성형 등의 압축성형을 실시하여 혼합재를 압축성형제로 이루어지는 것으로 하여도 되고, 한번 통전가압 소결한 것이어도 되며, 이와 같이 하면, 통전가압 소결시에 소결하기 쉬워지는데다가, 반송 등의 취급도 용이해진다. 또한, 금속제 용기에 혼합분말을 넣은 상태 또는 금속판재 사이에 혼합분말을 끼운 상태로 압축성형하여도 좋다.

본 발명의 또 다른 실시예에서는, 상기 공정 (a)에 있어서, 알루미늄 분말은 순도 99.0% 이상의 순알루미늄 분말 또는 알루미늄에 Mg, Si, Mn, Cr 중 어느 1종 이상을 0.2~2 질량% 함유하는 합금분말이며, 세라믹스 입자는 혼합재 전체 질량의 0.5~60%를 차지한다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에서는, 상기 공정 (b)에 있어서, 둘레부가 금속틀재로 둘러싸인 클래드재를 형성한다. 보다 바람직하게는 상기 공정 (b)에 있어서, 통전가압 소결후에 클래드재의 둘레부를 금속틀재로 둘러싼다. 혹은 다른 방법에서는, 통전가압 소결전에 금속판재 및/또는 혼합재의 둘레부를 금속틀재로 둘러싼다. 여기서, 상기 금속틀재는 복수개의 틀부재를 용접, 마찰교반 접합(FSW 접합) 등에 의해 고착시켜 형성한 것이어도 되고, 일체 부재이어도 된다. 바람직하게는, 금속틀재는 알루미늄 판재의 중앙부를 와이어 커트나 프레스 가공 등에 의해 절결한 것, 또는 중공 압출재를 적절한 길이로 절단한 것 등의 일체 부재인 것을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 실시예에서는, 상기 공정 (c)에 있어서, 소성가공을 실시하기 전에 상기 클래드재의 표면을 금속제 보호판으로 덮는다. 여기서, 상기 보호판은 신장력(extension)이 있고, 고온강도가 높으며, 열전도율이 낮은 재료로 제작하는 것이 바람직하고, 예를 들어 스테인레스 강판, Cu판, 연철판 등을 이용할 수 있고, 연철판이 가장 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는 상기 공정 (c)에 있어서, 상기 클래드재의 이동방향 전방측과 상하면을 상기 보호판으로 둘러싼다. 더구나, 상기 클래드재와 보호판의 사이에는, BN계 윤활제에 의한 고체윤활 등의 윤활처리를 실시하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 실시예에서는, 상술한 알루미늄 복합재의 제조방법에 의해 제조된 알루미늄 복합재가 제공된다.

본 발명에 따른 알루미늄 복합재의 제조방법은, 종래의 알루미늄 복합재의 제조방법이 가지는 상술한 문제를 부분적으로 또는 완전히 해소하는 것이다.

특히, 본 발명에 따른 알루미늄 복합재의 제조방법에서는, 소성가공을 실시하기 전에, 알루미늄 분말과 세라믹스 입자의 혼합재와 금속판재를 모두 통전가압 소결하여, 세라믹스 함유 알루미늄 소결체에 금속판재를 클래드하였기 때문에, 표면에 파괴의 기점이 되거나 다이스 등을 마모시키는 세라믹스 입자가 없어, 양호한 소성가공재를 얻을 수 있다. 또한, 세라믹스 함유 알루미늄재에 통전가압 소결법에 의해 금속판재를 클래드시켰기 때문에, 세라믹스 함유 알루미늄재와 금속판재의 밀착성이 좋고, 세라믹스 함유 알루미늄재와 금속판재 사이의 열전도성이나 전기전도성이 뛰어나다. 또한, 소성가공을 하여도 금속판재와 세라믹스 함유 알루미늄재의 사이에 결함이 발생하지도 않는다.

또한, 본 발명에 따른 알루미늄 복합재의 제조방법의 바람직한 태양에서는, 혼합재와 금속판재의 조합체를 2세트 이상 동시에 성형 다이에 장입하여 통전가압 소결함으로써 소결공정의 효율을 높일 수 있으며, 알루미늄 복합재의 생산성을 대폭 향상시킬 수 있다.

더욱 바람직한 태양에서는, 클래드재를 둘레부가 금속틀재로 둘러쌓여진 것으로 하거나, 압연가공을 실시하기 전에 클래드재의 표면을 금속제 보호판으로 덮도록 하였기 때문에, 소성가공에 의해 복합재의 표면이나 내부 또는 측면에 깨짐이나 균열 등이 발생하는 것을 확실하게 방지할 수 있다는 효과를 나타낸다.

또한, 다단 소결에 있어서는, 스페이서를 이용함으로써 자유롭게 판두께를 제어할 수 있는 효과도 있다.

도 1은 본 발명의 실시에 사용되는 통전가압 소결장치의 요부를 나타내는 개략단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 방법의 일실시예를 나타내는 개략도로서, 상하 한쌍의 금속판재의 사이에 혼합분말을 수용하여 통전가압 소결장치에 장입한 상태를 나타낸다.

도 3은 본 발명에 따른 방법의 다른 실시예를 나타내는 개략도로서, 통전가 압 소결장치에 장입되는 금속제 용기에 혼합분말을 수용하고 있는 상태를 나타낸다.

도 4는 본 발명에 따른 방법의 다른 실시예를 나타내는 통전가압 소결장치의 개략단면도로서, 2단소결예를 나타낸다.

도 5는 본 발명에 따른 방법의 다른 실시예를 나타내는 부분단면도로서, 상자형상체와 덮개부 부재로 이루어지는 용기의 바깥둘레부에 금속틀재를 설치한 상태를 나타낸다.

도 6은 바깥둘레부에 틀재를 설치한 도 5의 용기 전체를 나타내는 평면도이다.

도 7은 도 5와 마찬가지의 부분단면도로서, 용기 바깥둘레부로의 금속틀재의 다른 설치예를 나타낸다.

도 8은 바깥둘레부에 틀재를 설치한 도 7의 용기 전체를 나타내는 평면도이다.

도 9는 도 5와 마찬가지의 부분단면도로서, 용기 바깥둘레부로의 금속틀재의 또 다른 설치예를 나타낸다.

도 10은 도 5와 마찬가지의 부분단면도로서, 용기 바깥둘레부로의 금속틀재의 또 다른 설치예를 나타낸다.

도 11은 도 6과 마찬가지의 용기 전체의 평면도로서, 금속틀재의 코너부를 용접한 상태를 나타낸다.

도 12는 와이어 커트형 금속틀을 설치한 용기 전체를 나타내는 평면도이다.

도 13은 본 발명에 따른 방법의 다른 실시예를 나타내기 위한 개략종단면도로서, 통전가압 소결전에 혼합재의 둘레부에 금속틀재를 설치하고, 혼합재와 틀재를 동시에 소결하는 형태를 나타낸다.

도 14는 본 발명에 따른 방법의 다른 실시예를 나타내는 개략도로서, 소성가공을 실시하기 전에 클래드재의 표면을 보호판으로 덮은 상태를 나타낸다.

도 15는 직사각형의 알루미늄 합금 JIS 5052 및 JIS 1050제 용기를 사용하여 본 발명의 실시예 1에 기재된 방법에 따라 통전가압 소결한 소결체의 현미경 사진이다.

도 16은 직사각형의 알루미늄 합금 JIS 5052 및 JIS 1050제 용기를 사용하여 본 발명의 실시예 1에 기재된 방법에 따라 통전가압 소결한 소결체의 금속제 용기와 소결체의 경계면을 나타내는 현미경 사진이다.

도 17은 도 15 및 도 16의 소결체의 Mg 선분석을 나타내는 도면이다.

도 18은 도 15 및 도 16의 소결체를 포함하는 통전가압 소결체를 냉간압연한 압연재의 사진이다.

도 19는 실시예 2에 기재된 방법에 따라 제조된 압출재의 종단면 현미경 조직 사진이다.

**부호의 설명**

1: 성형 다이 2: 상부펀치부재

3: 하부펀치부재 A: 재료수용부

4, 5: 금속판재 6: 바닥부 판재

9: 덮개부 판재 10: 적층판

11: 조합체 12: 스페이서

13: 칸막이부재 14: 용기

15: 틀재 16, 18: 용접부

17: 공극(空隙)부 21: 보호판

24: 압연롤

본 발명의 제조방법은, (a) 알루미늄 분말과 세라믹스 입자를 혼합하여 혼합재를 조제하는 공정과, (b) 상기 혼합재를 금속판재와 함께 통전가압 소결하여 소결체가 금속판재로 피복된 클래드재를 형성하는 공정과, (c) 상기 클래드재에 소성가공을 실시하여 알루미늄 복합재를 얻는 공정을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이하, 사용되는 원재료를 설명한 후, 각 공정을 (a) 공정에서 (c) 공정의 순서로 상세히 설명한다.

(1) 원재료 설명

[모재 알루미늄 분말]

본체부의 모재가 되는 알루미늄 분말의 조성은 특별히 한정되지 않고, 순알루미늄(JIS 1050, 1070 등), Al-Cu계 합금(JIS 2017 등), Al-Mg계 합금(JIS 5052 등), Al-Mg-Si계 합금(JIS 6061 등), Al-Zn-Mg계 합금(JIS 7075 등), Al-Mn계 합금 등 여러가지 타입의 합금 분말을 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

어떠한 조성의 알루미늄 합금분말을 선택할지는, 원하는 특성, 이후 성형가공시의 변형저항, 혼합되는 세라믹스 입자의 양, 원료 비용 등을 고려하여 결정된다. 예를 들어, 알루미늄 복합재의 가공성이나 방열성을 높이고 싶은 경우에는, 순알루미늄 분말이 바람직하다. 순알루미늄 분말은 알루미늄 합금분말의 경우에 비하여 원료 비용의 면에서 유리하기도 하다. 한편, 순알루미늄 분말은, 순도가 99.5 질량% 이상인 것(통상 시판되는 순알루미늄 분말은 99.7질량% 이상)을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 중성자 흡수능력을 부여하는 경우에는, 후술하는 세라믹스 입자로서 붕소화합물을 사용하는데, 얻어지는 중성자 흡수능력을 더욱 높이고 싶은 경우에는, 하프늄(Hf), 사마륨(Sm), 가돌리륨(Gd) 등의 중성자 흡수능력을 구비한 적어도 1종의 원소를, 알루미늄 분말 안에 바람직하게는 1~50 질량% 첨가할 수 있다. 또한, 고온강도가 요구되는 경우에는, 티탄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 구리(Cu), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 니오브(Nb), 지르코늄(Zr), 스트론튬(Sr) 등 중 적어도 1종을, 실온강도가 요구되는 경우에는, 규소(Si), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 지르코늄(Zr) 등 중 적어도 1종을, 어느 것이든 각 원소 2% 이하, 합계량으로 15 질량% 이하의 비율로 첨가할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 소결성을 높이는 것이 특히 필요한데, 이러한 목적에는 Mg(마그네슘), Cu(구리), Zn(아연) 중 어느 1종 이상을 0.2 질량% 이상 포함시키는 것이 바람직하다.

한편, 상기 알루미늄 합금분말에서 특정한 성분 이외의 잔부는, 기본적으로 알루미늄 및 불가피 불순물이다.

알루미늄 분말의 평균입자직경은 특별히 한정되지 않지만, 상한값은 일반적으로 500㎛ 이하, 바람직하게는 150㎛ 이하, 보다 바람직하게는 60㎛ 이하의 분말을 사용할 수 있다. 평균입자직경의 하한값은, 제조가능하면 특별히 한정되지 않지만, 통상은 1㎛ 이상, 바람직하게는 20㎛ 이상이다. 또한, 알루미늄 분말의 입도분포를 100㎛ 이하로 하고, 강화재 입자의 평균입도를 10㎛ 이하로 하면, 강화재의 입자가 균일하게 분산되어 강화재 입자가 희박한 부분이 매우 적어지고, 특성의 안정화에 효과가 있다. 알루미늄 합금 분말의 평균입자직경은, 후술하는 세라믹스 입자의 평균입자직경과 차이가 크면 압출가공이나 압연가공 등의 소성가공시에 균열이 발생하기 쉽기 때문에, 평균입자직경의 차이를 작게 하는 것이 바람직하다. 평균입자직경이 너무 커지면, 평균입자직경을 크게 할 수 없는 세라믹스 입자와의 균일 혼합이 어려워지는 한편, 평균입자직경이 너무 작으면, 미세 알루미늄 합금분말끼리 응집이 발생하기 쉬워져, 세라믹스 입자와의 균일 혼합이 매우 어려워지기 때문이다. 또한, 이러한 범위안의 평균입자직경으로 함으로써, 한층 뛰어난 가공성, 성형성, 기계적 특성을 얻을 수도 있다.

한편, 본 발명에서의 평균입자직경은, 레이저 회절식 입도분포 측정법에 의한 값을 나타낸다. 분말형상도 한정되지 않으며, 예를 들어 눈물방울 형상, 구형상, 회전타원체 형상, 플레이크 형상 또는 부정형 등 중 어느 것이어도 상관없다.

상기 알루미늄 분말의 제조방법도 한정되지 않으며, 공지의 금속분말 제조방법에 따라 제조할 수 있다. 그 제조방법은 예를 들어, 아토마이즈(atomize)법, 멜 트 스피닝법, 회전원반법, 회전전극법, 그 밖의 급냉응고법 등을 들 수 있는데, 공업적 생산에는 아토마이즈법, 특히 용탕을 분무함으로써 분말을 제조하는 가스 아토마이즈법이 바람직하다.

한편, 아토마이즈법에서는 상기 용탕을 통상 700~1200℃로 가열하여 분무하는 것이 바람직하다. 이 온도범위로 설정함으로써 보다 효과적으로 분무할 수 있기 때문이다. 또한, 분무시의 분무매체 분위기는, 공기, 질소, 아르곤, 헬륨, 이산화탄소, 물 등 또는 이들의 혼합가스이어도 되는데, 분무매체는 경시적 관점에서 공기, 질소가스 또는 아르곤가스에 의한 것이 바람직하다.

[세라믹스 입자]

알루미늄 분말과 혼합되어 본체부의 형성에 사용되는 세라믹스로는, Al₂O₃, SiC나 B₄C, BN, 질화 알루미늄, 질화규소 등이 있다. 이것들을 단독으로 또는 혼합물로서 사용할 수 있으며, 복합재의 용도에 따라 선택된다.

여기서, 붕소(B)에는 중성자를 흡수하는 성능이 있기 때문에, 붕소계 세라믹스 입자를 사용한 경우에는, 알루미늄 복합재는 중성자 흡수재로서도 사용할 수 있다. 그러한 경우, 붕소계 세라믹스로는 예를 들어, B₄C, TiB₂, B₂O₃, FeB, FeB₂ 등을 들 수 있으며, 이들을 단독으로 또는 혼합물로서 사용할 수 있다. 특히, 중성자를 잘 흡수하는 B의 동위체인 ¹⁰B를 많이 포함하는 탄화붕소 B₄C를 사용하는 것이 바람직하다.

이 세라믹스 입자는 상술한 알루미늄 합금 분말에 0.5 질량% ~ 60 질량%의 양으로 함유시키는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 5 질량% ~ 45 질량%이다. 0.5 질량% 이상으로 한 이유는, 0.5 질량% 보다 적으면 복합재를 충분히 강화시킬 수 없기 때문이다. 또한, 60 질량% 이하로 한 이유는, 60 질량% 보다 많으면 소결이 어렵고, 소성가공시의 변형저항이 높아 소성가공이 어려운데다가, 성형체가 물러져 구부러지기 쉬워지는 문제가 있기 때문이다. 또한, 알루미늄과 세라믹스 입자의 밀착성도 악화되어 공극이 생기기 쉽고, 요구되는 각종 능력을 얻을 수 없게 되어 강도나 열전도성도 떨어진다. 또한, 절삭성도 떨어진다.

B₄C나 Al₂O₃ 세라믹스 입자의 평균입자직경은 임의인데, 1~20㎛가 바람직하다. 알루미늄 합금의 평균입자직경에 대하여 설명한 바와 같이, 이들 2종의 분말 사이의 입자직경 차이가 적은 쪽이 바람직하다. 따라서, 5㎛ 이상 20㎛ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 평균입자직경이 20㎛ 보다 크면, 절단시에 톱니가 바로 마모되어 버리는 문제가 있으며, 또한 평균입자직경이 1㎛(바람직하게는 3㎛)보다 작으면, 이 미세분말들끼리 응집이 발생하기 쉬워져, 알루미늄 분말과의 균일한 혼합이 매우 어려워지기 때문이다.

한편, 본 발명의 평균입자직경은 레이저 회절식 입도분포 측정법에 의한 값을 나타낸다. 분말형상도 한정되지 않으며, 예를 들어, 눈물방울 형상, 구형상, 회전타원체 형상, 플레이크 형상, 부정형 등 어느 것이어도 된다.

[금속판재]

본 발명에 따른 제조방법에서 사용되는 금속판재로서는, 분말재료와의 밀착성이 뛰어나고 소성가공에 적합한 금속이면 어떠한 금속이어도 사용할 수 있는데, 바람직하게는 알루미늄제 또는 스테인레스강제이다. 예를 들어, 알루미늄의 경우, 순알루미늄(JIS 1050, 1070 등)이 바람직하게 사용되는 것 외에, Al-Cu계 합금(JIS 2017 등), Al-Mg계 합금(JIS 5052 등), Al-Mg-Si계 합금(JIS 6061 등), Al-Zn-Mg계 합금(JIS 7075 등), Al-Mn계 합금 등 여러가지 타입의 합금소재도 사용할 수 있다. 어떠한 조성의 알루미늄을 선택할지는, 원하는 특성, 비용 등을 고려하여 결정된다. 예를 들어, 가공성이나 방열성을 높이고 싶은 경우에는, 순알루미늄이 바람직하다. 순알루미늄은 알루미늄 합금의 경우와 비교하여 원료비용의 면에서 유리하기도 하다. 또한, 더욱 강도나 가공성을 높이고 싶은 경우에는, Al-Mg계 합금(JIS 5052 등)이 바람직하다. 더구나, 중성자 흡수능력을 더욱 높이고 싶은 경우에는, Hf, Sm, Gd 등의 중성자 흡수능력을 구비한 적어도 1종의 원소를, 바람직하게는 1~50 질량% 첨가할 수 있다.

또한, 금속판재는 이후의 통전가압 소결공정에서 상세히 설명하는 바와 같이, 한쌍의 금속판재이어도 되고, 바닥부 판재와 측부 판재로 이루어지는 상자형상체에 덮개부 판재가 조합된 용기이어도 된다. 용기의 경우, 바람직하게는 상자형상체의 상부 가장자리에는 덮개부 판재의 둘레부가 끼워맞추어지는 단형상의 끼워맞춤부가 형성되어 있어도 된다.

(2) 공정 (a) (알루미늄·세라믹스 혼합재 제조공정)

알루미늄 분말과 세라믹스 입자를 준비하고, 이 분말들을 균일하게 혼합한 다. 알루미늄 분말은 1종 뿐이어도 되고, 복수 종류를 혼합하여도 된다. 세라믹스 입자에 대해서도 1종 뿐이어도 되고, 복수 종류 예를 들어, B₄C 및 Al₂O₃을 혼합하여도 된다. 혼합 방법은 공지의 방법이면 되고, 예를 들어, V 블렌더(blender), 크로스 로터리 믹서 등의 각종 믹서, 진동 밀, 유성 밀(planetary mill) 등을 사용하여 소정 시간(예를 들어, 10분~10시간 정도) 혼합하면 된다. 또한, 혼합은 건식 또는 습식 중 어느 것이어도 좋다. 또한, 혼합시에 해쇄(解碎, crusher) 목적으로 알루미나 볼 등의 수단을 적절히 더하여도 된다.

공정 (a)에서는 분말 혼합재를 조제할 뿐, 이 분말혼합재를 그대로 다음 공정인 통전가압 소결공정으로 보내는 것이 기본 프로세스인데, 경우에 따라서는 다음 공정인 통전가압 소결전에 냉간정수압 성형(CIP)나 냉간 일축성형, 진동 프레스 성형 등에 의해 알루미늄 혼합분말을 압축성형해 두는 것도 가능하고, 한번 통전가압 소결하여 둔 것이어도 되며, 혼합분말 그대로가 아니라, 이러한 압축성형재로 하면, 통전가압 소결시에 소결하기 쉬워지는데다가 반송 등의 취급도 용이해지는 이점이 있다. 또한 압축성형한 것을 감압분위기, 불활성 분위기, 환원성 분위기에서 200~600℃까지 가열하여 탈가스하여도 된다.

(3) 공정 (b) (통전가압 소결공정)

공정 (b)에서는 공정 (a)에서 제조된 혼합재(혼합분말 또는 혼합압축 성형체)를 통전가압 소결장치에 장입하여 통전가압 소결한다. 통전가압 소결장치 자체는 소정의 통전가압 소결을 실시할 수 있는 것이면 어떠한 것을 사용하여도 상관없 지만, 예를 들어 도 1에 개략도를 나타낸 장치를 사용할 수 있다. 이 장치는 도시하지 않은 진공용기 안에 수용된 소결노(이것도 도시하지 않음) 안에 설치되어 있으며, 상하방향으로 관통한 구멍이 형성되고 초경금속, 초경합금, 탄소계 재료 등의 도전성 재료로 이루어지는 성형 다이(1)와, 이 성형 다이(1)의 위아래에 펀치부를 상기 관통구멍으로 이동가능하게 삽입시켜 각각 설치되고 초경금속, 초경합금, 탄소계 재료 등의 도전성 재료로 이루어지는 상부펀치부재(2) 및 하부펀치부재(3)를 구비하여 이루어지고, 상기 관통구멍의 상부펀치부재(2)와 하부펀치부재(3)에 의해 형성되는 공간이 재료수용부(A)가 된다. 그리하여, 일반적으로는 분말재료를 이 재료수용부(A)에 장입하고, 도시하지 않은 상부펀치부재 구동기구와 하부펀치부재 구동기구를 작동시켜 상부펀치부재(2)와 하부펀치부재(3)에 의해 분말재료를 압축하여 압분체를 성형하는 동시에, 도시하지 않은 DC펄스 통전기구에 전압을 인가하여 상부펀치부재(2)와 하부펀치부재(3)로부터 직류펄스전류를 통전시켜 통전가압 소결한다. 이 통전가압 소결방법 자체는 이미 공지된 것인데, 본 발명에서는 분말재료를 그대로 재료수용부(A)에 장입하는 것이 아니라, 분말재료를 금속판재에 접촉시킨 상태에서 금속판재와 함께 성형 다이(1) 안에 장입하여, 상하의 펀치부재(2, 3)에서 압축하는 동시에 전압을 인가하여 통전가압 소결을 실시하는 점에 특징이 있다.

즉, 본 발명에서는, 소결체에 금속판재가 피복된 클래드재가 형성되도록 분말 재료와 금속판재를 서로 접한 상태에서 재료수용부(A)에 장입하고 통전가압 소결을 실시한다. 통전가압 소결은 종래 알려진 방법으로 실시할 수 있으며, 진공용 기를 밀봉하여 진공펌프 등으로 소결노 안을 감압상태로 하고, 필요에 따라 진공용기 안에 불활성 분위기 가스를 충진한 후, 상부펀치부재(2)와 하부펀치부재(3)를 작동시켜 성형 다이(1) 안의 재료를 소정압으로 눌러압축한 후, 얻어진 고밀도 압축체에 상부펀치부재(2)와 하부펀치부재(3)를 통하여 직류펄스 전류를 통전하여 재료를 가열소결한다. 통전가압 소결의 조건은 원하는 소결결과가 달성되도록 선택되어야 하며, 대상으로 하는 분말의 종류, 원하는 소결 정도 등에 따라 적절히 결정되는데, 본 발명에서 기본적으로 원하는 요건인 금속판재와 소결체의 밀착성, 클래드재의 소성가공성 등에 감안하면, 대기중에서도 통전가압 소결은 가능한데, 예를 들어 진공도 0.1torr 이하의 진공분위기 아래에서 전류 5000~30000A, 승온속도 10~300℃/분, 소결온도 500~650℃, 보유시간 5분 이상, 압력 5~10Mpa의 조건에서 실시된다. 소결온도 500℃ 미만에서는 충분히 소결시키기 어렵고, 650℃를 넘으면 알루미늄 분말 또는 알루미늄 판재가 용융되어 버릴 우려가 있다(바람직하게는 530~580℃ 이하).

여기서, 본 발명에서는 소결체에 금속판재가 피복된 클래드가 형성되도록 분말재료와 금속판재를 서로 접하게 한 상태로 하는데, 구체적으로는 다음 2가지의 태양을 바람직하게 생각할 수 있다.

즉, 제1 태양은 도 2에 나타내는 것으로, 성형 다이(1)의 분말재료 수용부에 먼저 알루미늄제, 스테인레스강제 등의 금속판재(4)를 하부펀치부재(3)의 펀치면에 이것을 맞닿게 하여 장입하고, 이어서 공정 (a)에서 얻어진 분말의 혼합재 M(또는 압축성형체)을 장진한 후, 위에서부터 금속판재(5)를 덮는다. 그리고, 이 상태에서 상술한 조건으로 통전가압 소결을 실시한다.

제2 태양은 도 3에 나타내는 것으로, 바닥부 판재(6)와 측부 판재(7)로 이루어지는 상자형상체(8)에 공정 (a)에서 얻어진 분말의 혼합재 M(또는 압축성형체)을 장진한 후, 그 위에서부터 덮개부 판재(9)를 끼워맞춘다. 이 용기를 성형 다이(1)의 분말재료 수용부에 수용하고, 이 상태에서 상기 조건으로 통전가압 소결을 실시한다. 한편, 도 3에서는 상자형상체(8)를 사각형상으로 하고 있는데, 압출가공을 하는 경우에는 원통형상의 상자형상체(8)를 사용한다.

상기 어느 방법이더라도, 통전가압 소결에 의해 알루미늄 혼합 분말 또는 그 압축성형체로 이루어지는 혼합재가 소결되며, 그것과 동시에 상하의 금속판재(4, 5)나 용기의 바닥부 판재(6) 및 덮개부 판재(9)에 밀착하여 클래드재가 형성된다.

또한, 본 발명에서는 소결공정을 2단소결, 3단소결 등의 다단소결로 할 수 있다. 도 4는 2단소결인 경우의 실시예를 나타낸 것으로, 3단 이상의 경우도 마찬가지의 구성으로 실시할 수 있다.

도 4에서 부호 13은 펀치 이동방향에 직교하는 적어도 하나의 칸막이 부재를 나타내고, 이것에 의해 성형 다이 안의 수용공간에는 2개의 칸막이 공간이 형성되어 있다. 이 각 칸막이 공간에 혼합재와 금속판재의 조합체(11)를 1세트씩 장입하여 통전가압 소결을 실시하는 것인데, 각 조합체(11)와 성형 다이(1) 사이와, 각 조합체(11)와 칸막이 부재(13)의 사이에는, 펀치부재나 칸막이 부재와 조합체가 접합되어 버리지 않도록 상하 한쌍의 적층판(10)이 설치된다. 또한, 상하 한쌍의 적층판(10) 사이에서 적층판 둘레부의 근방에는, 적층판의 바깥둘레부에 따라 뻗는 직사각형 틀형상의 스페이서(12)가 상하면을 상하 한쌍의 적층판의 대향면을 향하여 설치되어 있다. 이 스페이서(12)는 측부판재(7)와 덮개부 판재(9)의 접촉부가 통전가압 소결시에 변형되는 것을 억제하고, 상자형상체(8)와 덮개부 판재(9)가 잘 벗겨지지 않도록 하기 위한 것이다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 공정 (b)에서 둘레부가 알루미늄 블럭재 등의 금속틀재로 둘러싸인 클래드재를 형성함으로써, 금속틀재에 압연하중이 실리는 구조로 하여, 클래드재의 주로 측방향의 깨짐이나 균열 등의 발생이 미연에 방지된다. 이 금속틀재에 의한 클래드재의 보호는, 통전가압 소결후에 이루어져도 되고, 통전가압 소결전에 이루어져도 된다. 틀재(15)의 폭(a)이 클수록 압연하중을 받을 수 있기 때문에, 클래드재의 깨짐이나 균열이 발생하기 어려워져, 틀재(15)의 폭(a)은 5mm 이상으로 하는 것이 바람직하다. 더욱이 20mm 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 틀재(15)는 금속판재나 금속용기와 동일한 재질의 금속이면 그것들과의 접합성이 좋다. 또한, 압연할 때의 조성변형량에 차이가 잘 발생하지 않는다.

도 5 및 도 6은 상자형상체와 덮개부 부재로 이루어지는 용기(14)에 의해 나타낸 조합체 바깥둘레부로의 금속틀재(15)의 일설치예를 나타내는 것으로, 통전가압 소결시에 알루미늄 블록으로 이루어지는 틀재(15)를 설치하고, 통전가압 소결후에 틀재(15)의 외주부를 용접 혹은 마찰교반 접합한다. 도 5에서 부호 16은 용접의 덧붙임부를 나타낸다. 또한, 도 5로부터 알 수 있듯이, 용기(14)(조합체이기도 한데, 이하, 용기(14)라고 함)를 그 바닥부 및 상부와 그 측면부와의 각(角)부가 완 만한 완곡면 형상이 되도록 형성하고, 틀재(15)와 용기(14)의 상기 각부의 사이에 공극(17)을 형성해두면, 소결시에 이 공극(17)에 틀재(15)의 알루미늄 블럭이 녹아들어, 틀재(15)와 용기(14)의 일체화가 꾀해지고, 틀재(15)의 마찰계수가 올라간다는 이점이 있다. 한편, 용기내부에서는 분말의 압축이 발생하기 때문에, 알루미늄 블럭의 틀재(15)의 두께는 용기(14)의 두께보다 작은 것이 바람직하다. 알루미늄 블럭의 틀재(15)는 용기(14)와 같은 레벨 혹은 그 이상이면 통전가압 소결시의 압축력의 많은 부분을 틀재(15)가 받아버려, 용기(14) 및 그 내부의 분말에 압축력이 제대로 가해지지 않을 우려가 있다. 반대로, 틀재(15)의 두께가 너무 얇으면 압연초기에 틀재(15)에 압력이 가해지지 않게 되기 때문에, 용기(14) 두께의 90% 이상인 것이 바람직하다.

도 7 및 도 8은 금속틀재(15)를 용기(14)에 설치하는 경우의 다른 실시예를 나타내는 것으로, 통전가압 소결후에 클래드재로 되어 있는 용기(14)의 외주부에 알루미늄 블럭으로 이루어지는 틀재(15)를 용접(16) 또는 마찰교반 접합에 의해 설치한다. 이 방법은 실시가 용이하며, 알루미늄 블럭의 틀재(15)를 용기(14)의 두께보다 약간 두껍게 함으로써 틀재(15)에 압력이 초기부터 가해지도록 한다. 초기 단계에서 틀재(15)에 압력이 실리면 클래드재의 깨짐이나 균열이 발생하기 어려워진다. 또한, 틀재(15)를 통전가압 소결장치에 넣을 필요가 없기 때문에, 그 만큼 통전가압 소결체를 크게 할 수 있다.

또한, 도 9는 다른 실시예를 나타내는 것으로, 클래드재의 바깥측 부분을 구성하는 용기(14) 둘레부의 외부형상을 바깥쪽을 향하여 용기가 서서히 얇아지도록 테이퍼 형상으로 함으로써, 압연하중이 틀재(15)로 흐르기 쉽게 한 것이다. 이와 같은 구조로 하면, 알루미늄 블럭의 틀재(15)를 설치했을 때, 테이퍼부로 하중이 실리기 쉬워진다. 또한, 클래드되는 용기(14)의 제작이 비교적 용이하고, 통전가압 소결 처리전에 CIP 등의 압축성형을 하는 경우에는, 분체를 채우는 작업이 용이해진다는 이점이 있다.

도 10은 또 다른 실시예를 나타내는 것으로, 통전가압 소결시에 알루미늄 블럭의 틀재(15)를 용기(14)와 동시에 소결하고, 소결후에 외주부에서 틀재(15)와 용기(14)를 용접 또는 마찬교반 접합한다. 이 때, 용기(14)의 플랜지(flange) 부분의 끝부분을 바깥쪽으로 대략 90° 꺾음으로써 플랜지 부분의 단면적을 늘리고, 구부러진 중앙부분을 전체둘레 용접 혹은 마찰교반 접합한다. 이 방법에서는 플랜지 인장 강도를 높일 수 있다는 이점이 있다.

또한, 도 11에 나타내는 바와 같이, 금속틀재(15)는 복수개의 틀부재(15a)를 용접 혹은 마찰교반 접합에 의해 고착시켜 형성할 수 있는데, 압연시에 코너부(18)에 커다란 힘이 가해지기 때문에, 코너부(18)에는 강도를 높이기 위하여 용접처리를 실시하여도 된다. 또한, 틀재(15) 코너부의 강도를 보다 높이기 위하여, 도 13에 나타내는 바와 같이, 알루미늄 판재의 중앙부를 와이어 커트나 프레스 가공 등에 의해 절제한 일체 부재의 금속틀(15)을 사용할 수도 있다. 또한, 중공 형상의 알루미늄 압출재를 적절한 치수로 잘라낸 것을 금속틀재(15)로서 사용할 수도 있다.

도 13은 더욱 다른 실시예를 나타내는 것으로, 부호 19는 금속판재, 20은 혼 합재이다. 이 예에서는 통전가압 소결전에 혼합재(20)의 둘레부에 알루미늄 등의 금속틀재(15)를 설치하고, 혼합재(20)와 틀재(15)를 동시에 소결한다. 혼합재 안의 알루미늄과 틀재가 용융상태에서 소결되기 때문에, 더욱 일체로 된 소결체를 얻을 수 있다. 금속틀부재(15)는 복수개의 알루미늄 블럭재 등으로 이루어지는 것이어도 되는데, 코너부의 강도를 고려하면 알루미늄 판재의 중앙부를 와이어 커트나 프레스 가공 등에 의해 절제한 것이나 중공형상의 알루미늄 압출재를 적절한 치수로 잘라낸 것 등의 일체물을 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우, 틀재(15)도 재료수용부(A) 안에 넣기 때문에, 틀재(15)의 폭(a)이 크면 소결체가 작아진다. 그래서, 폭이 작은 틀재(15)를 사용하여, 통전가압 소결후에 틀재(15)의 바깥에 더욱 틀재를 설치하여도 된다.

(4) 공정 (c) (소성가공공정)

통전가압 소결체는 일반적으로는, 열간압출, 열간압연, 열간단조 등의 열간소성 가공이 실시되어 가압 소결이 더욱 개량되는 동시에, 목적으로 하는 형상으로 성형된다. 판형상 클래드재를 제작하는 경우에는, 냉간압연만으로 Al판재나 Al용기와의 소정의 클래드율을 가지는 클래드 판재를 얻는 것도 가능하다. 열간소성 가공은 하나의 가공을 하여도 되고, 복수개의 가공을 조합하여도 된다. 또한, 열간소성 가공후, 냉간소성 가공을 하여도 된다. 냉간소성 가공을 하는 경우에는, 가공전에 100~530℃(바람직하게는 400~520℃)에서 소둔을 하면 가공을 하기 쉬워진다.

소결체는 금속판재에 의해 클래드되어 있기 때문에, 그 표면에는 소성가공시에 파괴의 기점이 되거나 다이스 등을 마모시키는 세라믹스 입자가 없다. 그 때문 에 소성가공성이 양호하고, 강도나 표면성상이 뛰어난 알루미늄 복합재를 얻을 수 있다. 또한, 얻어진 열간소성 가공재는, 표면이 금속으로 클래드되고, 표면의 금속과 내부의 알루미늄 소결체의 밀착성도 좋기 때문에, 표면이 금속재에 의해 클래드되어 있지 않은 알루미늄 복합재보다, 내식성, 내충격성, 열전도성이 뛰어나다.

바람직한 압연가공의 실시예에서는, 압연가공을 실시하기 전에 클래드재의 표면을 금속제 보호판 예를 들어, 스테인레스강, Cu 또는 연철제 박판으로 덮는다. 이에 의해 압연가공시(특히, 초기)에 롤러와 금속판재의 마찰에 의해 발생할 우려가 있는 소결재와 금속판재의 박리 등을 미연에 방지할 수 있다.

도 14는 이 실시예의 일례를 나타내는 개략도로, 클래드재(23)의 이동방향 전방측과 상하면을 보호판(21)으로 둘러싸고 있다. 또한, 클래드재(23)와 보호판(21) 사이에는 윤활처리(22)가 실시된다. 윤활처리를 실시함으로써, 보호판과 금속판재의 마찰이 감소하고, 소결재와 금속판재의 박리가 보다 발생하기 어려워진다. 보다 구체적으로는 예를 들어, 통전가압 소결체를 연철제 박판(0.5mm 두께)으로 덮고, 소결체와 연철박판의 내부를 BN계 윤활제로 고체윤활 처리하여, 열간압연(롤직경: φ340mm, 면길이 400mm, 속도 15.2m/min)을 실시한다. 한편, 맞물림성의 개선을 위하여, 롤(24)은 무윤활로 하고, 또한 연철판의 선단 표면만 거친면 처리(예를 들어, #120 사포(emery paper)를 사용함)를 실시하는 등의 조건으로 할 수 있다. 보호판은 압연의 마지막까지 사용할 필요없이, 압연이 어느 정도 진행된 단계에서는 금속판재와 소결체의 결합이 강고해지기 때문에 사용을 멈추어도 된다. 또한, 보호판도 압연을 반복하면 가공경화된다. 가공경화된 보호판은 클래드재를 손상시킬 가능성이 있다. 클래드재가 손상되면 파괴의 기점이 되기 때문에, 압연을 여러번 반복한 후, 새로운 보호판과 교체하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 제조방법을 실시예를 참조하면서 상세히 설명한다.

한편, 실시예에 기재한 각 물성값의 측정방법은 아래와 같다.

(1) 조성

ICP 발광분광 분석법에 의해 분석하였다.

(2) 평균입자직경

상품명 '마이크로트랙'(일본 니키소 제품)을 사용하고, 레이저 회절식 입도분포 측정법에 의해 실시하였다. 평균입자직경은 체적기준 미디언 직경(median size)이다.

(3) 압연성

시료를 압연가공하였을 때의 깨짐의 유무나 표면성상을 평가하였다. 판면 위에 표면깨짐이 발생한 것을 '×', 표면에 깨짐은 없지만 주름모양의 굴곡이 있는 것을 '○', 표면깨짐이나 굴곡이 발생하지 않은 것을 '◎'로 하였다.

(4) 조직관찰

시료를 절단한 작은 조각을 수지에 채우고, 금강사(emery) 연마, 버핑(buffing) 연마를 한 후, 광학현미경으로 조직을 관찰하였다.

(5) 선분석

조직관찰에 사용한 시료에 대하여, EPMA 장치를 사용하여 Mg의 분포를 조사하였다.

[실시예 1]

표 1에 나타내는 조성의 알루미늄 합금분말에 B₄C 세라믹스 분말을 35 질량%가 되도록 균일하게 혼합하였다. 이어서, 세로 100mm×가로 100mm×높이 5mm의 판두께 0.5mm의 알루미늄 합금 JIS 5052 및 JIS 1050제 용기를 준비하고, 상기 혼합분말을 각 용기에 넣은 상태로 통전가압 소결장치에 장진하여, 진공분위기(진공도: 0.1torr)에서 전압(전류 7000A)을 인가하여 통전가압 소결을 하였다. 여기서, 소결온도는 520~550℃, 보유시간은 20분으로 하고, 승온속도 20℃/분, 압력 7Mpa의 조건으로 하였다.

모재인 알루미늄 합금 분말의 조성

Si	Mg	Fe	Cu	Mn	Cr	Ni	Al
0.05질량%	0.1질량%	0.1질량%	0.05질량%	0.02질량%	0.02질량%	0.01질량%	잔부

상기 표에서 Al 잔부에는 불가피 불순물을 포함한다.

얻어진 소결재로부터 시험조각을 채취하고, 그 금속조직을 광학현미경을 사용하여 조직관찰하였다. 도 15 및 도 16에 그 현미경 사진을 나타낸다. 이 사진으로부터 시험조각은 충분히 높은 밀도로 소결되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 도 16으로부터 용기와 내부의 알루미늄 분말 합금이 강고하게 밀착되어 있는 것을 알 수 있다.

또한, 조직관찰에 사용한 시험조각에 대하여, EPMA 장치를 사용하여 Mg의 선분석을 하였다. 그 결과를 도 17에 나타낸다. 도 17로부터 접합면 가까운 곳의 5052재의 Mg가 감소하고, 모재가 순알루미늄인 소결체 내부에 Mg가 검출되는 것을 알 수 있다. 즉, 5052재의 Mg가 소결체 내부에 확산되어 있는 것을 알 수 있다. 이것으로부터도 5052재와 소결재가 강고하게 밀착되어 있는 것이 확인되었다.

이어서, 얻어진 소결체를 판두께 2mm까지 냉간압연하였다. 냉간압연재의 외관 사진을 도 18에 나타낸다. 도 18로부터 외관불량이 없고, 압연가공되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 냉간압연재의 강도, 내식성(염수분무시험: 실온, 식염수, 침지 500 시간후 외관검사)을 조사하였다. 그 결과를 도 2에 나타낸다.

비교예로서 용기에 넣지 않은 분말 그대로 통전가압 소결을 한 것을 냉간압연하였다(그 밖의 조성, 제조 조건은 동일). 하지만, 표면에 깨짐이나 뜯김이 발생하여 압연재를 얻을 수 없었다. 그래서, 소결재의 강도, 내식성을 조사하였다. 그 결과를 아래의 표 2에 함께 나타낸다.

표 2로부터, 본 발명예는 강도, 내식성이 뛰어난 동시에 압연성도 양호한데 반하여, 비교예는 어느 성질에 있어서도 본 발명의 예와 비교하여 뒤쳐지고, 또한 압연시에 깨짐이 발생하는 것을 알 수 있다.

	강도 (Mpa)	내식성	압연성
	강도 (Mpa)	내식성	표면성상	깨짐
본발명예(1050)	120	표면 구멍 조금	○	없음
본발명예(5052)	190	표면 부식 없음	◎	없음
비교예(용기없음)	110	구멍 다수 있음	×	있음

[실시예 2]

표 1에 나타내는 조성의 알루미늄 합금분말에 B₄C 세라믹스 분말을 43 질량%가 되도록 혼합하였다. 이어서, 혼합분말을 순알루미늄(JIS 1050)제의 원통형상 용기(φ100mm; 판두께 2mm)에 넣고, 실시예 1에 기재된 조건으로 통전가압 소결을 하였다.

이어서 얻어진 소결재를 480℃까지 가열하고, 두께 6mm×40mm의 평판형상으로 열간압출 가공하였다. 도 19에 금속조직의 현미경 사진을 나타낸다. 도 19로부터, 압출재가 소결되어 용기와 압출재가 충분히 밀착되어 있는 것을 알 수 있다.

본 명세서 내용 중에 포함되어 있음

Claims

(a) 알루미늄 분말과 세라믹스 입자를 혼합하여 혼합재를 조제하는 공정과, (b) 상기 혼합재를 금속판재와 함께 통전가압 소결하여 소결체가 금속판재로 피복된 클래드재를 형성하는 공정과, (c) 상기 클래드재에 소성가공을 실시하여 알루미늄 복합재를 얻는 공정을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합재의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 공정 (b)에서 상기 혼합재를 금속판재에 접촉시킨 상태로 금속판재와 함께 성형 다이 안에 장입하여, 펀치로 압축하는 동시에 전압을 인가하여 통전가압 소결을 실시하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합재의 제조방법.
제 2 항에 있어서,

상기 공정 (b)에서 혼합재를 한 쌍의 금속판재 사이에 끼우고, 금속판재가 펀치로 눌린 상태로 성형 다이 안에 장입하여, 혼합재를 금속판재와 함께 압축하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합재의 제조방법.
제 2 항에 있어서,

상기 공정 (b)에서 덮개부 판재를 바닥부 판재에 대향하여 가지는 금속제 용 기에 혼합분말을 수용하고, 바닥부 판재와 덮개부 판재가 펀치로 눌린 상태로 성형 다이 안에 장입하여, 혼합재를 용기와 함께 압축하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합재의 제조방법.
제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 공정 (b)에서 혼합재와 금속판재의 조합체를 적어도 2세트 준비하고, 이 적어도 2세트의 조합체를 겹쳐쌓은 상태로 성형 다이 안에 장입하고 통전가압 소결을 실시하여, 적어도 2개의 클래드재를 동시에 형성하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합재의 제조방법.
제 5 항에 있어서,

성형 다이 안의 수용공간을 펀치 이동방향에 직교하는 적어도 하나의 칸막이 부재에 의해 나누어 적어도 2개의 분할된 공간을 형성하고, 상기 적어도 2세트의 조합체를 상기 적어도 2개의 분할된 공간에 장입하여 통전가압 소결을 실시하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합재의 제조방법.
제 6 항에 있어서,

상기 각 조합체와 성형 다이의 사이와, 각 조합체와 칸막이 부재의 사이에, 상하 한쌍의 적층판을 설치하고, 통전가압 소결을 실시하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합재의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 금속판재가 알루미늄제 또는 스테인레스강제인 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합재의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 공정 (a)에서 알루미늄 분말과 세라믹스 입자를 혼합하여 혼합분말로 이루어지는 혼합재를 조제하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합재의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 공정 (a)에서 알루미늄 분말과 세라믹스 입자를 혼합하여 혼합분말을 조제하고, 이 혼합분말에 압축성형을 실시하여 압축성형체로 이루어지는 혼합재를 조제하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합재의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 공정 (a)에서 알루미늄 분말은 순도 99.0% 이상의 순알루미늄 분말 또는 알루미늄에 Mg, Si, Mn, Cr 중 어느 1종 이상을 0.2~2 질량% 함유하는 합금분말이며, 세라믹스 입자는 혼합재 전체 질량의 0.5~60%를 차지하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합재의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 공정 (b)에서 둘레부가 금속틀재로 둘러싸인 클래드재를 형성하고, 상기 공정 (c)에서 소성가공이 압연가공인 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합재의 제조방법.
제 12 항에 있어서,

상기 공정 (b)에서 통전가압 소결후에 클래드재의 둘레부를 금속틀재로 둘러싸는 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합재의 제조방법.
제 12 항에 있어서,

상기 공정 (b)에서 통전가압 소결전에 금속판재 및 혼합재의 둘레부 또는 혼합재의 둘레부를 금속틀재로 둘러싸는 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합재의 제조방법.
제 12 항에 있어서,

복수개의 틀부재를 용접 또는 마찰교반 접합에 의해 고착시켜 금속틀재를 형성하는 알루미늄 복합재의 제조방법.
제 12 항에 있어서,

금속틀재가 일체 부재인 알루미늄 복합재의 제조방법.
제 12 항에 있어서,

상기 금속틀재가 알루미늄재인 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합재의 제조방법.
제 1 항에 있어서,

상기 공정 (c)에서, 압연가공을 실시하기 전에, 상기 클래드재의 표면을 금속제 보호판으로 덮는 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합재의 제조방법.
제 18 항에 있어서,

상기 공정 (c)에서 상기 클래드재의 이동방향 전방측과 상하면을 상기 보호판으로 둘러싸는 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합재의 제조방법.
제 18 항에 있어서,

상기 클래드재와 보호판의 사이에 윤활처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합재의 제조방법.
제 18 항에 있어서,

상기 보호판이 스테인레스강, Cu 또는 연철제 박판인 것을 특징으로 하는 알루미늄 복합재의 제조방법.
제 1 항에 기재된 알루미늄 복합재의 제조방법에 의해 제조된 알루미늄 복합재.