KR101360418B1 - Ｃｎｔ가 분산된 주조용 알루미늄 합금 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

Cu와 CNT 분말이 혼합과 밀링 후 소결을 거쳐 형성된 중간재 형태로 알루미늄 합금 용탕에 장입되어 교반됨으로써 용해되어 제조되되 CNT 함량은 1~5 vol%로 성형된 것을 특징으로 하는 CNT가 분산된 주조용 알루미늄 합금 및 그 제조방법이 소개된다.

Description

ＣＮＴ가 분산된 주조용 알루미늄 합금 및 그 제조방법 {CASTING ALUMINUM ALLOY WITH DISPERSED CNT AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}

본 발명은 대량생산을 위한 주조용 고강도 CNT가 분산된 주조용 알루미늄 합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.

탄소나노튜브(Carbon Nanotube,CNT)는 6각형 고리로 연결된 탄소들이 긴 대롱 모양을 이루는 지름 1나노미터(1나노미터는 10억분의 1m) 크기의 미세한 분자이다. 탄소원자가 3개씩 결합해 벌집 모양의 구조를 갖게 된 탄소평면이 도르르 말려서 튜브모양이 됐다고 해서 붙여진 이름이다.

CNT는 인장력이 강철보다 1백배 강하고 유연성이 뛰어난 미래형 신소재다. 속이 비어있어 가볍고, 전기도 구리만큼 잘 통하며, 열전도도 다이아몬드 만큼이나 좋은 것으로 알려져 있다.

또한, 태초부터 존재했는지 실험실에서 우연히 합성됐는지는 규명되지 않았지만 탄소나노튜브가 처음으로 세상에 알려진 것은 1991년으로서, 일본NEC연구소의 이지마박사가 전자현미경을 들여다 보다가 이 튜브형태의 탄소분자를 발견했다．

탄소나노튜브는 그 튜브의 지름이 얼마나 되느냐에 따라 도체가 되기도 하고 반도체가 되는 성질이 있음이 밝혀지면서 차세대 반도체 물질로 각광을 받고 있다. 단중벽 튜브, 다중벽 튜브, 다발등 형태에 따라 다양한 물성을 띠어 반도체 메모리소자, 수소저장 및 수소전지전극 등으로 이용할 수 있는 것으로 알려져 왔다.

예컨대 탄소나노튜브로 반도체 칩을 만들면 현재 기가(10억)바이트의 한계를 뛰어넘는 테라(1조)바이트급의 집적도가 가능해진다. 비어있는 관 속에 수소를 저장해 배터리로 쓰거나 고순도 정화필터로 활용할 수도 있다. 뭐든지 잘 흡수하기 때문에 레이더파까지 흡수, 감시망에 걸리지 않는 비행기 도료로 개발하려는 움직임도 있다.

본 발명은 대량생산을 위한 주조용 고강도 알루미늄 소재를 개발하기 위한 것으로서, 종래에 본 출원인에 의해 개발된 CNT(탄소나노튜브) 분산 알루미늄 복합재 등은 분말 성형을 통한 소결 및 압출 공정으로 제조되고, 분산 및 CNT함량의 한계로 인해 강도 향상에 한계가 있었다.

CNT 복합재의 제조시에는 CNT 응집에 의한 불균일 분산 등의 문제로 많은 양의 분산 어려우며, 분말성형 공정으로 제조되어 원가경쟁력 및 생산성의 한계가 있었던 것이다.

따라서, 이러한 CNT의 첨가를 통한 알루미늄 복합 합금재의 경우에도 알루미늄 합금의 강도를 확보하기 위해 CNT를 적절하게 코팅하고 분산시켜 강도를 확보하며, 아울러 석출상의 게재를 통해 그 강도를 원하는 목표로 상승시킴으로써 차량의 대체재로서 사용할 수 있도록 할 필요가 있었다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, CNT 분산 및 시효강화를 통한 석출상(Al₂Cu)상에 의한 강도 증가효과를 통해 초고강도(600MPa이상)의 CNT가 분산된 주조용 알루미늄 합금 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 CNT가 분산된 주조용 알루미늄 합금은, Cu와 CNT 분말이 혼합과 밀링 후 소결을 거쳐 형성된 중간재 형태로 알루미늄 합금 용탕에 장입되어 교반됨으로써 용해되어 제조되되 CNT 함량은 1~5 vol%로 성형된 것을 특징으로 한다.

상기 알루미늄 합금은 중간재의 용해 후 시효처리를 통해 Al₂Cu 상이 석출될 수 있다.

상기 중간재는 Cu와 CNT가 wt%기준 5:1의 비율로 혼합되어 성형될 수 있다.

한편, 본 발명의 CNT가 분산된 주조용 알루미늄 합금의 제조방법은, Cu와 CNT 분말을 혼합과 밀링 후 소결 공정을 통하여 중간재로 성형하는 중간재단계; 상기 중간재를 알루미늄 합금 용탕에 장입하고 교반하여 완전 용융시키는 용융단계; 및 상기 용융된 용탕을 시효처리하여 Al₂Cu상을 석출하는 석출단계;를 포함한다.

상기 중간재단계는 Cu와 CNT를 wt%기준 5:1의 비율로 혼합할 수 있다.

상기 중간재단계는 혼합된 Cu와 CNT를 밀링속도 300rpm 이상 밀링시간 3시간 이상의 조건으로 볼밀링할 수 있다.

상기 중간재단계는 밀링된 Cu와 CNT를 온도 200~500℃ 가압력 100MPa 이하(0은 불포함)의 조건으로 핫프레싱을 통하여 소결할 수 있다.

상기 용융단계는 온도 800℃ 이상 시간 30분 이상의 조건으로 중간재와 알루미늄 합금을 교반하며 용융할 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 CNT가 분산된 주조용 알루미늄 합금 및 그 제조방법에 따르면, CNT 분산 및 시효강화를 통한 석출상(Al₂Cu)상에 의한 강도 증가효과를 통해 초고강도(600MPa이상)의 CNT가 분산된 주조용 알루미늄 합금 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CNT가 분산된 주조용 알루미늄 합금의 CNT 함량에 따른 강도변화를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 CNT가 분산된 주조용 알루미늄 합금의 시효처리에 따른 강도변화를 나타낸 그래프.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 CNT가 분산된 주조용 알루미늄 합금 및 그 제조방법에 대하여 살펴본다.

본 발명의 CNT가 분산된 주조용 알루미늄 합금은, Cu와 CNT 분말이 혼합과 밀링 후 소결을 거쳐 형성된 중간재 형태로 알루미늄 합금 용탕에 장입되어 교반됨으로써 용해되어 제조되되 CNT 함량은 1~5 vol%로 성형된 것을 특징으로 한다.

기존의 CNT 분산 알루미늄 복합재 등은 분말 성형을 통한 소결 및 압출 공정으로 제조되고 있으며 분산 및 CNT함량의 한계로 인해 강도 향상에 한계가 있었다.

CNT 복합재의 제조시 CNT 응집에 의한 불균일 분산 등의 문제로 많은 양의 분산 어려우며, 분말성형 공정으로 제조되어 원가경쟁력 및 생산성의 한계있었던 것이다.

따라서, 본 발명은 강도 향상 효과 극대화를 위해 Cu+CNT 복합 분말을 통한 green compact상태의 중간재를 알루미늄 기지 용탕 내에 장입, stiring과정을 통해 Cu, CNT를 분산하여 최종적으로 CNT 분산으로 인한 강도 증가 및 시효처리에 의한 Al₂Cu 석출 강화상 생성을 통하여 추가 강도 증가를 확보하였다.

구체적으로는, 용탕 내에 장입을 위한 Cu+CNT green compact를 제조하는 것으로서, 알루미늄 기지에서 석출강화 효과를 위해 Cu와 CNT를 혼합, 기계적 밀링하여 Cu+CNT복합분말 제조하며, 제조된 복합분말을 HIP(hot isostactic processing) 소결법을 통해 고밀도의 green compact 상태의 중간재를 제조하였다.

green compact상태의 중간재는 CNT의 용탕내 산화 방지를 위한 기계적 금속코팅을 위함이며 용탕 내 균일 분산을 목적으로 하는 것이다.

그리고, 상기 중간재를 알루미늄 용탕 내에 장입, string하여 용해시킨다. green compact 상태의 중간재가 완전히 용해될 때까지 지속 교반시켜야 하며, CNT 함량은 1 ~ 5 vol%가 되도록 한다.

이를 통하여 Cu로 둘러쌓여 있는 CNT(green compact)를 용탕내 주입함으로써 CNT분산의 고온 산화를 방지하는 것이 가능하고, CNT분산 및 시효강화를 통한 석출상(Al2Cu)상에 의한 강도 증가효과를 통해 초고강도(600MPa이상)의 주조용 알루미늄 합금을 제조할 수 있는 것이다. 또한, Cu 석출상의 강도 증가로 CNT 함량 최소화가 가능하여 원가 절감 효과도 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CNT가 분산된 주조용 알루미늄 합금의 CNT 함량에 따른 강도변화를 나타낸 그래프로서, 1 wt%의 CNT 첨가시 hardeness가 135Hv로서, 종래의 일반적인 Al matrix 대비 32% 강도가 증가하였음을 알 수 있다. 그러나 1 wt% 이상으로 CNT를 첨가할 경우에는 강도가 오히려 감소하는바, 적절한 강도를 위하여 CNT의 총량은 1 wt%로 제한함이 바람직하다.

이를 위해 상기 중간재는 Cu와 CNT가 wt%기준 5:1의 비율로 혼합되어 성형되도록 함이 바람직하다.

또한, 상기 알루미늄 합금은 중간재의 용해 후 시효처리를 통해 Al₂Cu 상이 석출되도록 하는데, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 CNT가 분산된 주조용 알루미늄 합금의 시효처리에 따른 강도변화를 나타낸 그래프로서, Cu가 함유된 Al합금 + CNT 복합재의 시효처리에 따른 석출강화로 인한 강도 증가효과가 확인되었음을 알 수 있다.

본 발명의 Al 합금의 조성은 아래와 같다.

상기와 같은 CNT가 분산된 주조용 알루미늄 합금을 제조하기 위한 본 발명의 제조방법은, Cu와 CNT 분말을 혼합과 밀링 후 소결 공정을 통하여 중간재로 성형하는 중간재단계; 상기 중간재를 알루미늄 합금 용탕에 장입하고 교반하여 완전 용융시키는 용융단계; 및 상기 용융된 용탕을 시효처리하여 Al₂Cu상을 석출하는 석출단계;를 포함한다.

그리고, 상기 중간재단계는 Cu와 CNT를 wt%기준 5:1의 비율로 혼합하도록 하며, 상기 중간재단계는 혼합된 Cu와 CNT를 밀링속도 300rpm 이상 밀링시간 3시간 이상의 조건으로 볼밀링하도록 한다. 이를 통하여 Cold welding 현상에 의한 Cu 분말내에 CNT가 완전히 장입되도록 기계적으로 밀링을 한다.

또한, 상기 중간재단계는 밀링된 Cu와 CNT를 온도 200~500℃ 가압력 100MPa 이하(0은 불포함)의 조건으로 핫프레싱을 통하여 소결하도록 하도록 함으로써 밀도 95% 이상의 중간재를 제조한다.

한편, 상기 용융단계는 온도 800℃ 이상 시간 30분 이상의 조건으로 중간재와 알루미늄 합금을 교반하며 용융하도록 함으로써 중간재 형태로 투입하여 CNT의 고온 산화를 방지하며 밀도차에 의한 부유를 방지하여 분산효과를 개선토록 한다.

결국, 상술한 바와 같은 구조로 이루어진 CNT가 분산된 주조용 알루미늄 합금 및 그 제조방법에 따르면, CNT 분산 및 시효강화를 통한 석출상(Al₂Cu)상에 의한 강도 증가효과를 통해 초고강도(600MPa이상)의 CNT가 분산된 주조용 알루미늄 합금 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

Claims (8)

1. Cu와 CNT 분말이 혼합과 밀링 후 소결을 거쳐 형성된 중간재 형태로 알루미늄 합금 용탕에 장입되어 교반됨으로써 용해되어 제조되되 CNT 함량은 1~5 vol%로 성형된 것을 특징으로 하는 CNT가 분산된 주조용 알루미늄 합금.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 알루미늄 합금은 중간재의 용해 후 시효처리를 통해 Al₂Cu 상이 석출된 것을 특징으로 하는 CNT가 분산된 주조용 알루미늄 합금.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 중간재는 Cu와 CNT가 wt%기준 5:1의 비율로 혼합되어 성형된 것을 특징으로 하는 CNT가 분산된 주조용 알루미늄 합금.
4. Cu와 CNT 분말을 혼합과 밀링 후 소결 공정을 통하여 중간재로 성형하는 중간재단계;
   상기 중간재를 알루미늄 합금 용탕에 장입하고 교반하여 완전 용융시키는 용융단계; 및
   상기 용융된 용탕을 시효처리하여 Al₂Cu상을 석출하는 석출단계;를 포함하는 CNT가 분산된 주조용 알루미늄 합금의 제조방법.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 중간재단계는 Cu와 CNT를 wt%기준 5:1의 비율로 혼합하는 것을 특징으로 하는 CNT가 분산된 주조용 알루미늄 합금의 제조방법.
6. 청구항 4에 있어서,
   상기 중간재단계는 혼합된 Cu와 CNT를 밀링속도 300rpm 이상 밀링시간 3시간 이상의 조건으로 볼밀링하는 것을 특징으로 하는 CNT가 분산된 주조용 알루미늄 합금의 제조방법.
7. 청구항 4에 있어서,
   상기 중간재단계는 밀링된 Cu와 CNT를 온도 200~500℃ 가압력 100MPa 이하(0은 불포함)의 조건으로 핫프레싱을 통하여 소결하는 것을 특징으로 하는 CNT가 분산된 주조용 알루미늄 합금의 제조방법.
8. 청구항 4에 있어서,
   상기 용융단계는 온도 800℃ 이상 시간 30분 이상의 조건으로 중간재와 알루미늄 합금을 교반하며 용융하는 것을 특징으로 하는 CNT가 분산된 주조용 알루미늄 합금의 제조방법.

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