KR101635792B1 - 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료 - Google Patents

알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알루미늄(Al) 및 마그네슘(Mg)을 포함하는 제1 합금 분말 및 알루미늄(Al) 기지에 탄화규소(SiC)가 분산된 제2 합금 분말을 혼합하여 혼합 분말을 제조하는 단계(단계 1); 상기 단계 1에서 제조된 혼합 분말을 바인더와 혼합하여 진밀도에 대하여 85 내지 92 %의 성형밀도를 가지는 성형체를 제조하는 단계(단계 2); 및 상기 단계 2에서 제조된 성형체를 무가압 소결하여 소결체를 제조하는 단계(단계 3);를 포함하는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법은 무가압 소결법으로 제조되기 때문에 생산 단가를 대폭 낮출 수 있는 효과가 있다. 또한, 이에 따라 제조되는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료는 내마모성이 우수하여 고강도 내마모성이 요구되는 구조용 부품 소재에 응용이 가능하다.

Description

알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료{The preparing method of aluminum/silicon carbide metal matrix composites and the aluminum/silicon carbide metal matrix composites thereby}
본 발명은 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료에 관한 것이다.
알루미늄/탄화규소 금속 복합재료와 같은 입자강화 금속 복합재료의 제조방법은 일반적으로 액상 제조 공정과 고상 제조 공정으로 구분할 수 있다. 액상 제조법의 종류에는 일반적인 주조법(casting), 고압다이캐스팅(high-pressure die casting), 혼합주조법(compocasting), 액상금속주입법(liquid metal infiltration) 및분무성형법(spray deposition) 등이 있으며, 고상 제조법의 종류에는 분말야금법(PM, powder metallurgy)을 이용하여 고온진공가압(VHP, vacuum hot pressing) 또는 열간등가압(HIP, hot isostatic pressing)으로 성형하는 방법이 주로 사용되고 있다.
알루미늄 소재에 있어 액상 제조법을 이용하는 경우 타 금속에 비해 비교적 낮은 용융 온도에 의해 제품 제작이 가능함에 따라 공정비용을 줄일 수 있는 장점이 있으나, 강화재로 사용되는 탄화규소(SiC) 입자와 알루미늄의 상호반응을 통하여 계면에서 부산물이 생성되고 또한 강화재의 주입과정에서 군집현상이 발생함에 따라 불균일한 강화재의 분포에 의해 금속 복합재료의 성능이 전반적으로 저하될 수 있는 문제가 있다.
이때, 고상 제조법은 기지 재료와 강화재 계면 간 반응을 억제할 수 있으며 균일한 강화재의 분포를 얻을 수 있는 장점을 지니고 있다.
그러나, 알루미늄 소재의 경우에는 표면에 존재하는 치밀한 산화막에 의하여 가압없이 소결하는 것이 어려운 것으로 알려져 있어, 종래에는 대부분 핫프레스나 스파크플라즈마 소결 공정과 같이 분말 성형체를 가압, 가열하는 방식으로 소결제품을 제조하거나, 압출공정 등 후가공 공정을 활용하여 벌크화하고 있다.
상기와 같이 알루미늄 소재를 탄화규소와 결합하여 금속 복합재료를 제조하는 경우에는 다양한 공정을 수행하여야 하기 때문에 고생산 비용이 소요되는 문제점을 지니고 있다.
한편, 2000 년대 초반 호주의 Schaffer 교수 그룹에서 연구한 내용을 살펴보면(Shrewsbury: EPMA, 2005, S.293-298), 마그네슘이 첨가될 경우 알루미늄 분말 표면의 산화막이 마그네슘(Mg)-알루미늄(Al)-산소(O)의 스피넬구조를 가진 복합 산화물을 형성함으로써 표면 산화막이 제거되어 무가압 소결이 가능함을 확인하였다.
그러나, 무가압 소결을 통해 제조되는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료는 내마모성 등의 기계적 물성이 부족한 문제가 있다.
특히, 자동차 부품 소재 중 복잡한 형상을 가지면서 고내마모성과 경량성을 동시에 요구하는 스프로켓(sprocket)등의 부품에는 알루미늄계 분말을 무가압 소결한 제품이 활용되기도 하였으나, 강도나 내마모성의 한계가 나타나는 문제가 있다.
이에, 본 발명자들은 고내마모성을 가지는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법에 대하여 연구하던 중, 알루미늄 및 마그네슘을 포함하는 합금 분말과 알루미늄 기지에 탄화규소가 분산된 합금 분말을 혼합하고, 혼합된 분말을 사용하여 성형체를 제조하며, 상기 성형체를 무가압 소결함으로써, 생산 단가를 낮출 수 있으며 내마모성이 향상된 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료를 제조하는 방법을 개발하고, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
알루미늄(Al) 및 마그네슘(Mg)을 포함하는 제1 합금 분말 및 알루미늄(Al) 기지에 탄화규소(SiC)가 분산된 제2 합금 분말을 혼합하여 혼합 분말을 제조하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 제조된 혼합 분말을 바인더와 혼합하여 진밀도에 대하여 85 내지 92 %의 성형밀도를 가지는 성형체를 제조하는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 제조된 성형체를 무가압 소결하여 소결체를 제조하는 단계(단계 3);를 포함하는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은
상기의 제조방법으로 제조되는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료를 제공한다.
나아가, 본 발명은
상기의 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료를 포함하는 자동차 부품 소재를 제공한다.
본 발명에 따른 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법은 무가압 소결법으로 제조되기 때문에 생산 단가를 대폭 낮출 수 있는 효과가 있다. 또한, 이에 따라 제조되는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료는 알루미늄 기지 상에 탄화규소가 균일하게 분포되어 내마모성이 우수하기 때문에 고강도 내마모성이 요구되는 구조용 부품 소재에 응용이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법을 개략적으로 나타낸 모식도이고;
도 2는 본 발명에 따른 실시예 6 및 비교예 2에서 제조된 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료 및 알루미늄 복합금속을 광학 현미경으로 관찰한 사진이고;
도 3은 본 발명에 따른 실시예 5 및 비교예 3에서 제조된 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료를 광학 현미경으로 관찰한 사진이고;
도 4는 본 발명에 따른 실시예 6, 실시예 11 및 실시예 12에서 제조된 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 인장강도를 나타낸 그래프이고;
도 5는 본 발명에 따른 실시예 6, 실시예 11 및 실시예 12에서 제조된 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 마모율을 나타낸 그래프이다.
본 발명은
알루미늄(Al) 및 마그네슘(Mg)을 포함하는 제1 합금 분말 및 알루미늄(Al) 기지에 탄화규소(SiC)가 분산된 제2 합금 분말을 혼합하여 혼합 분말을 제조하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 제조된 혼합 분말을 바인더와 혼합하여 진밀도에 대하여 85 내지 92 %의 성형밀도를 가지는 성형체를 제조하는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 제조된 성형체를 무가압 소결하여 소결체를 제조하는 단계(단계 3);를 포함하는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법을 제공한다.
이때, 본 발명에 따른 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법의 일례를 도 1의 모식도를 통해 개략적으로 나타내었으며,
이하, 도 1의 모식도를 참고하여 본 발명에 따른 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법에 있어서, 단계 1은 알루미늄(Al) 및 마그네슘(Mg)을 포함하는 제1 합금 분말 및 알루미늄(Al) 기지에 탄화규소(SiC)가 분산된 제2 합금 분말을 혼합하여 혼합 분말을 제조하는 단계이다.
상기 단계 1은 알루미늄 및 마그네슘을 포함하는 제1 합금 분말과 알루미늄 기지에 탄화규소를 분산시킨 제2 합금 분말을 혼합하여 혼합 분말을 제조하는 단계로서, 알루미늄 및 마그네슘을 각각 사용하지 않고 알루미늄 및 마그네슘을 포함하는 제1 합금 분말을 사용하게 되면 알루미늄 및 마그네슘 분말을 단독으로 혼합하는 경우보다 마그네슘의 균질한 혼합이 가능하므로 소결 공정동안 마그네슘에 의한 알루미늄 산화막 제거가 용이하고, 더불어 열처리시 형성되는 마그네슘 기반의 미세 석출물들이 균일하게 분포된 상태로 형성되는 것이 용이하기 때문에 경도나 강도의 향상에 유리한 장점이 있으며, 알루미늄 기지에 탄화규소가 분산된 제2 합금 분말을 사용하여 추후 제조되는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료에 탄화규소를 균일하게 분산시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 단계 1의 제1 합금 분말은 실리콘(Si), 구리(Cu), 아연(Zn), 주석(Sn) 및 비스무스(Bi) 등의 금속을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 단계 1의 제1 합금 분말은 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 구리(Cu) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어지는 합금 분말 또는 알루미늄(Al), 아연(Zn), 구리(Cu) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어지는 합금 분말일 수 있다.
나아가, 상기 단계 1의 제1 합금 분말에서 마그네슘의 함량은 알루미늄 100 중량부에 대하여 0.1 내지 5.0 중량부인 것이 바람직하다. 만약, 상기 단계 1의 제1 합금 분말에서 마그네슘의 함량이 알루미늄 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 미만일 경우에는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료를 제조하는 경우 마그네슘이 알루미늄과 산소와 반응하여 형성된 알루미나 산화막을 벗겨내는 스피넬 구조를 형성하기 위한 충분한 양이 되지 않기 때문에 소결이 이루어지기 어려운 문제가 있다. 5.0 중량부를 초과하는 경우에는 마그네슘과 산소의 반응 확률이 높아지기 때문에 마그네슘이 스피넬 구조를 형성하기전에 마그네슘 산화물을 먼저 형성됨으로써 소결밀도가 저하되는 문제가 있다.
또한, 상기 단계 1의 제2 합금 분말은 실리콘(Si), 구리(Cu), 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 주석(Sn) 및 비스무스(Bi) 등의 금속을 더 포함할 수 있다.
나아가, 상기 단계 1의 제2 합금 분말은 알루미늄(Al), 실리콘(Si) 및 탄화규소(SiC)로 이루어지는 합금 분말일 수 있다.
또한, 상기 단계 1의 제2 합금 분말에서 탄화규소의 함량은 알루미늄 100 부피부에 대하여 5 내지 50 부피부인 것이 바람직하다. 만약, 상기 단계 1의 제2 합금 분말에서 탄화규소의 함량이 알루미늄 100 부피부에 대하여 5 부피부 미만일 경우에는 추후 제조되는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료에 분산된 탄화규소가 부족하여 내마모성 등의 기계적 물성이 감소하는 문제가 있으며, 50 부피부를 초과하는 경우에는 균질한 혼합이 어려운 문제가 있다.
나아가, 상기 단계 1의 제2 합금 분말은, 구체적인 일례로써,
알루미늄(Al)을 포함하는 합금을 용탕에 용해시키는 단계(단계 a); 및
상기 단계 a에서 준비된 용탕에 탄화규소(SiC)를 분산시킨 후, 가스 분무법(gas atomization)으로 분말을 제조하는 단계(단계 b);를 수행하여 제조될 수 있다.
먼저, 상기 단계 a는 알루미늄을 포함하는 합금을 용탕에 용해시키는 단계이다.
구체적으로, 가스 분무법으로 제2 합금 분말을 제조하기 위하여, 상기 단계 a에서는 알루미늄을 포함하는 합금을 용탕에 용해시킨다.
이때, 알루미늄을 포함하는 합금은 일례로써, 알루미늄(Al) 및 실리콘(Si)으로 이루어진 합금일 수 있다.
다음으로, 상기 단계 b는 상기 단계 a에서 준비된 용탕에 탄화규소(SiC)를 분산시킨 후, 가스 분무법(gas atomization)으로 분말을 제조하는 단계이다.
상기 단계 a에서 준비된 알루미늄을 포함하는 합금이 용해된 용탕에 탄화규소를 분산시켜 가스 분무법으로 분말을 제조함으로써, 알루미늄 기지에 탄화규소가 분산된 제2 합금 분말을 제조할 수 있다.
상기와 같이, 가스 분무법으로 알루미늄 기지에 탄화규소가 분산된 제2 합금 분말을 제조하는 경우, 알루미늄 용탕에서 탄화규소가 이미 알루미늄 기지와 분산, 혼합되어 있기 때문에 탄화규소와 알루미늄 기지 사이의 계면결합이 우수한 장점이 있으며, 이를 통해 분말을 제조한 후에도 탄화규소가 뭉쳐 있기보다는 분산되어 있는 형상의 분말을 얻을 수 있는 장점이 있다.
한편, 상기 단계 1의 혼합 분말은 60 내지 95 중량%의 제1 합금 분말 및 5 내지 40 중량%의 제2 합금 분말을 포함하는 것이 바람직하다. 만약, 상기 단계 1의 혼합 분말에서 제1 합금 분말 및 제2 합금 분말의 함량이 상기 범위를 벗어나는 경우에는 인장 강도 등의 기계적 물성이 감소하는 문제가 있다.
또한, 상기 단계 1의 혼합 분말은 주석(Sn) 분말을 더 포함할 수 있다. 상기 단계 1의 혼합 분말에 주석 분말을 더 포함하는 경우에는 더욱 우수한 인장 강도 및 내마모성을 나타낼 수 있다.
이때, 상기 주석 분말의 함량은 혼합 분말 100 중량부에 대하여 0.01 내지 0.50 중량부인 것이 바람직하다. 만약, 상기 주석 분말의 함량이 혼합 분말 100 중량부에 대하여 0.01 중량부 미만일 경우에는 제조되는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 기계적 물성에 변화가 거의 없기 때문에 주석 첨가 효과가 미미하다. 또한, 0.50 중량부를 초과하는 경우에는 주석의 용융점이 낮기 때문에 소결 샘플 내에 다량의 액상출현으로 인한 밀도 저하로 기계적 물성이 낮아지는 문제가 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 제조된 혼합 분말을 바인더와 혼합하여 진밀도에 대하여 85 내지 92 %의 성형밀도를 가지는 성형체를 제조하는 단계이다.
상기 단계 2에서는 상기 단계 1에서 제조된 혼합 분말을 바인더와 혼합하여 진밀도에 대하여 85 내지 92 %의 성형밀도를 가지는 성형체를 제조한다. 이와 같이, 상기 성형체를 진밀도에 대하여 85 내지 92 %의 성형밀도를 가지도록 제조하고, 이를 사용하여 제조되는 알루미늄/탄화규소 복합재료를 제조하는 경우에는 우수한 내마모성을 확인할 수 있다.
구체적으로, 상기 단계 2의 바인더는 에틸렌 비스 스테아마이드(Ethylene Bis Stearamide, EBS), 징크 스테아레이트(Zn-Stearate) 및 알루미늄 스테아레이트(Al-Stearate) 등을 사용할 수 있으나, 합금 분말을 접착시킬 수 있는 바인더이면 이에 제한되지 않고 사용할 수 있다.
또한, 상기 단계 2의 바인더의 함량은 혼합 분말 100 중량부에 대하여 0.5 내지 2.0 중량부인 것이 바람직하다. 만약, 상기 단계 2의 바인더의 함량이 혼합 분말 100 중량부에 대하여 0.5 중량부 미만일 경우에는 성형체를 제조하기 어려운 문제가 있으며, 2.0 중량부를 초과하는 경우에는 디바인딩 및 소결 공정에서 바인더가 잔류하는 문제와 다량의 유기물 사용에 따른 비경제적인 문제가 있다.
나아가, 상기 단계 2의 성형체가 진밀도에 대하여 85 내지 92 %의 성형밀도를 가질 수 있는 범위의 압력으로 성형체를 제조하는 것이 바람직하다. 이때, 상기와 같이 진밀도에 대하여 85 내지 92 %의 성형밀도를 가지기 위해서는 성형압력을 최대 800 MPa까지 증가시키는 것이 원하는 성형밀도를 가지는 것에 유리하다. 800 MPa를 초과하는 성형압력에서는 금형과 분말 사이의 마찰력을 고려하고 금형의 강도를 고려하여 생산공정 측면에서 바람직하지 않다.
바람직하게, 상기 단계 2의 성형체의 제조는 500 내지 800 MPa의 압력으로 수행될 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2에서 제조된 성형체를 무가압 소결하여 소결체를 제조하는 단계이다.
상기 단계 3에서는 상기 단계 2에서 적정 성형 밀도를 가지도록 제조된 성형체를 무가압 소결하여 소결체를 제조한다.
본 발명에 따른 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법은 상기 단계 3에서와 같이 무가압 소결법으로 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료를 제조함으로써 생산 단가를 대폭 낮출 수 있는 장점이 있다.
구체적으로, 상기 단계 3의 무가압 소결은 초고순도 비활성 기체 분위기에서 수행되는 것이 바람직하다. 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료를 제조하는 방법으로 무가압 소결법을 수행하기 위해서는 산화막의 형성을 최대한 억제할 필요가 있다. 이때, 초고순도 비활성 기체 분위기는 99.99 % 이상의 비활성 기체 농도를 가지는 분위기를 의미하며, 99.999 % 이상의 비활성 기체 농도를 가지는 분위기인 것이 바람직하다.
또한, 상기 비활성 기체는 질소 또는 아르곤 기체일 수 있다.
나아가, 상기 단계 3의 무가압 소결은 500 내지 600 ℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다. 만약, 상기 단계 3의 무가압 소결이 500 ℃의 온도 미만에서 수행되는 경우에는 물질이동에 필요한 충분한 에너지가 공급되지 않아 기공이 많이 발생하는 문제가 있으며, 600 ℃의 온도를 초과하여 수행되는 경우에는 내부에서 발생한 다량의 액상이 표면으로 빠져나와 내부와 외부에 기공을 형성하게 되고, 이로인해 부분별로 조성이 달라지는 문제가 있다.
한편, 상기 단계 3의 무가압 소결 전에 성형체에 포함되어 있는 바인더를 제거하기 위하여 300 내지 500 ℃의 온도에서 열처리를 수행할 수 있다.
또한, 상기 단계 3을 수행하고 난 후, 상기 단계 3에서 제조된 소결체를 용체화처리 후, 시효경화시키는 단계(단계 a);를 수행할 수 있다.
상기 단계 3에서 제조된 소결체를 용체화처리한 후, 시효경화시켜 인장 강도와 내마모성 등의 기계적 물성을 더욱 극대화시킬 수 있다.
나아가, 본 발명은
상기의 제조방법으로 제조되는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료를 제공한다.
본 발명에 따른 제조방법으로 제조되는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료는 무가압 소결법으로 제조되기 때문에 생산 단가를 대폭 낮출 수 있다. 또한, 상기 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료는 알루미늄 기지 상에 탄화규소가 균일하게 분포되어 내마모성이 우수하기 때문에 고강도 내마모성이 요구되는 구조용 부품 소재에 응용이 가능하다.
더욱 나아가, 본 발명은
상기의 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료를 포함하는 자동차 부품 소재를 제공한다.
자동차 부품 소재 중 복잡한 형상을 가지면서 고내마모성과 경량성을 동시에 요구하는 스프로켓(sprocket) 등의 부품에 본 발명에 따른 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료를 응용할 수 있다.
이와 같이, 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료를 포함하는 자동차 부품 소재는 생산 단가를 낮추어 우수한 시장성을 가질 수 있다.
이하, 하기 실시예 및 실험예에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 발명의 범위가 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<제조예 1> 알루미늄 기지에 탄화규소가 분산된 합금 분말의 제조
단계 1: 알루미늄(Al) 및 실리콘(Si)으로 이루어진 합금(Al-Si 합금)을 용탕에 용해시켰다.
단계 2: 상기 단계 1에서 준비된 알루미늄(Al) 및 실리콘(Si)으로 이루어진 합금이 용해된 용탕에 탄화규소(SiC) 입자를 20 부피% 만큼 분산시킨 후, 아르곤 가스를 60 bar의 가스 압력으로 초고압 분사하는 가스 분무법(gas atomization)으로 알루미늄 기지에 탄화규소가 분산된 합금 분말을 제조하였다.
<실시예 1> 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조 1
단계 1: 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 구리(Cu) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어진 합금 분말(Al-Si-Cu-Mg 합금 분말) 95 g과 상기 제조예 1에서 제조된 알루미늄 기지에 탄화규소가 분산된 합금 분말 5 g을 건식 볼밀링기기로 혼합하여 혼합 분말을 제조하였다.
단계 2: 상기 단계 1에서 제조된 혼합 분말 100 g을 에틸렌 비스 스테아마이드(Ethylene bis stearamide, EBS) 1.5 g과 혼합하고, 700 MPa의 압력으로 진밀도에 대하여 85 내지 92 %의 성형밀도를 가지는 성형체를 제조하였다.
단계 3: 상기 단계 2에서 제조된 성형체를 99.999 %의 초고순도 질소 분위기에서 400 ℃의 온도로 1 시간 동안 열처리하여 바인더인 EBS를 제거하고, 555 ~ 575 ℃의 온도에서 1 시간 동안 소결하여 소결체를 제조하였다.
그 후, T6 처리(400 ℃의 온도에서 1 시간 동안 가열하고, 수냉시킨 후, 120 ℃의 온도에서 24 시간 동안 방치함.)하여 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료를 제조하였다.
<실시예 2> 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조 2
상기 실시예 1의 단계 1에서, 상기 제조예 1에서 제조된 알루미늄 기지에 탄화규소가 분산된 합금 분말을 10 g 사용하고, 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 구리(Cu) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어진 합금 분말(Al-Si-Cu-Mg 합금 분말)을 90 g 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료를 제조하였다.
<실시예 3> 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조 3
상기 실시예 1의 단계 1에서, 상기 제조예 1에서 제조된 알루미늄 기지에 탄화규소가 분산된 합금 분말을 15 g 사용하고, 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 구리(Cu) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어진 합금 분말(Al-Si-Cu-Mg 합금 분말)을 85 g 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료를 제조하였다.
<실시예 4> 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조 4
상기 실시예 1의 단계 1에서, 상기 제조예 1에서 제조된 알루미늄 기지에 탄화규소가 분산된 합금 분말을 20 g 사용하고, 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 구리(Cu) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어진 합금 분말(Al-Si-Cu-Mg 합금 분말)을 80 g 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료를 제조하였다.
<실시예 5> 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조 5
상기 실시예 1의 단계 1에서, 상기 제조예 1에서 제조된 알루미늄 기지에 탄화규소가 분산된 합금 분말을 25 g 사용하고, 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 구리(Cu) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어진 합금 분말(Al-Si-Cu-Mg 합금 분말)을 75 g 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료를 제조하였다.
<실시예 6> 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조 6
단계 1: 알루미늄(Al), 아연(Zn), 구리(Cu) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어진 합금 분말(Al-Zn-Cu-Mg 합금 분말) 95 g과 상기 제조예 1에서 제조된 알루미늄 기지에 탄화규소가 분산된 합금 분말 5 g을 건식 볼밀링기기로 혼합하여 혼합 분말을 제조하였다.
단계 2: 상기 단계 1에서 제조된 혼합 분말 100 g을 에틸렌 비스 스테아마이드(Ethylene bis stearamide, EBS) 1.5 g과 혼합하고, 700 MPa의 압력으로 진밀도에 대하여 85 내지 92 %의 성형밀도를 가지는 성형체를 제조하였다.
단계 3: 상기 단계 2에서 제조된 성형체를 99.999 %의 초고순도 질소 분위기에서 400 ℃의 온도로 1 시간 동안 열처리하여 바인더인 EBS를 제거하고, 570 ~ 590 ℃의 온도에서 1 시간 동안 소결하여 소결체를 제조하였다.
그 후, T6 처리(400 ℃의 온도에서 1 시간 동안 가열하고, 수냉시킨 후, 120 ℃의 온도에서 24 시간 동안 방치함.)하여 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료를 제조하였다.
<실시예 7> 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조 7
상기 실시예 6의 단계 1에서, 상기 제조예 1에서 제조된 알루미늄 기지에 탄화규소가 분산된 합금 분말을 10 g 사용하고, 알루미늄(Al), 아연(Zn), 구리(Cu) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어진 합금 분말(Al-Zn-Cu-Mg 합금 분말)을 90 g 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일하게 수행하여 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료를 제조하였다.
<실시예 8> 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조 8
상기 실시예 6의 단계 1에서, 상기 제조예 1에서 제조된 알루미늄 기지에 탄화규소가 분산된 합금 분말을 15 g 사용하고, 알루미늄(Al), 아연(Zn), 구리(Cu) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어진 합금 분말(Al-Zn-Cu-Mg 합금 분말)을 85 g 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일하게 수행하여 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료를 제조하였다.
<실시예 9> 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조 9
상기 실시예 6의 단계 1에서, 상기 제조예 1에서 제조된 알루미늄 기지에 탄화규소가 분산된 합금 분말을 20 g 사용하고, 알루미늄(Al), 아연(Zn), 구리(Cu) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어진 합금 분말(Al-Zn-Cu-Mg 합금 분말)을 80 g 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일하게 수행하여 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료를 제조하였다.
<실시예 10> 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조 10
상기 실시예 6의 단계 1에서, 상기 제조예 1에서 제조된 알루미늄 기지에 탄화규소가 분산된 합금 분말을 25 g 사용하고, 알루미늄(Al), 아연(Zn), 구리(Cu) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어진 합금 분말(Al-Zn-Cu-Mg 합금 분말)을 75 g 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일하게 수행하여 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료를 제조하였다.
<실시예 11> 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조 11
상기 실시예 6의 단계 1에서 주석(Sn) 분말을 0.05 g 더 혼합하여 혼합 분말을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일하게 수행하여 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료를 제조하였다.
<실시예 12> 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조 12
상기 실시예 6의 단계 1에서 주석(Sn) 분말을 0.1 g 더 혼합하여 혼합 분말을 제조한 것을 제외하고는 상기 실시예 6과 동일하게 수행하여 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료를 제조하였다.
<비교예 1>
알루미늄(Al), 실리콘(Si), 구리(Cu) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어진 합금 분말(Al-Si-Cu-Mg 합금 분말) 100 g을 에틸렌 비스 스테아마이드(Ethylene bis stearamide, EBS) 1.5 g과 혼합하고, 700 MPa의 압력으로 성형체를 제조하였다.
단계 2: 상기 단계 1서 제조된 성형체를 99.999 %의 초고순도 질소 분위기에서 400 ℃의 온도로 1 시간 동안 열처리하여 바인더인 EBS를 제거하고, 575 ~ 585 ℃의 온도에서 1 시간 동안 소결하여 소결체를 제조하였다.
그 후, T6 처리(400 ℃의 온도에서 1 시간 동안 가열하고, 수냉시킨 후, 120 ℃의 온도에서 24 시간 동안 방치함.)하여 알루미늄 복합금속을 준비하였다.
<비교예 2>
알루미늄(Al), 아연(Zn), 구리(Cu) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어진 합금 분말(Al-Zn-Cu-Mg 합금 분말) 100 g을 에틸렌 비스 스테아마이드(Ethylene bis stearamide, EBS) 1.5 g과 혼합하고, 700 MPa의 압력으로 성형체를 제조하였다.
단계 2: 상기 단계 1서 제조된 성형체를 99.999 %의 초고순도 질소 분위기에서 400 ℃의 온도로 1 시간 동안 열처리하여 바인더인 EBS를 제거하고, 575 ~ 585 ℃의 온도에서 1 시간 동안 소결하여 소결체를 제조하였다.
그 후, T6 처리(400 ℃의 온도에서 1 시간 동안 가열하고, 수냉시킨 후, 120 ℃의 온도에서 24 시간 동안 방치함.)하여 알루미늄 복합금속을 준비하였다.
<비교예 3>
알루미늄(Al), 실리콘(Si), 구리(Cu) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어진 합금 분말(Al-Si-Cu-Mg 합금 분말) 94 g을 용탕에서 700 ℃ 이상의 온도로 용융시킨 후 25 ㎛ 급의 탄화규소 분말 6 g을 혼합한 후 금형에 용탕을 주입하고 냉각시켜 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료를 제조하였다.
<실험예 1> 광학 현미경 관찰
본 발명에 따른 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 표면 형상을 관찰하기 위하여, 상기 실시예 6, 실시예 5, 비교예 2 및 비교예 3에서 제조된 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료 및 알루미늄 복합금속을 광학 현미경(Optical microscopy)으로 관찰하였으며, 그 결과를 도 2 및 도 3에 나타내었다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료인 실시예 6의 표면에 탄화규소가 고르게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료와 같이 고르게 분포된 탄화규소는 Al-Zn-Cu-Mg 합금 기지 재료가 마모될 경우 탄화규소(SiC)가 미리 분산된 상태로 사용되었기 때문에 탄화규소와 기지 재료간의 계면접합상태가 우수할 것으로 예상되어 외부의 응력을 견뎌내는 역할을 통해 내마모성을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료인 실시예 5의 경우에는 Al-Si-Cu-Mg 합금 기지에 균일하게 분산된 탄화규소를 확인할 수 있는 반면, Al-Si-Cu-Mg 합금 분말을 용해시킨 용탕에 탄화규소 분말을 분산시키는 일반적인 제조방법으로 제조된 비교예 3의 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료는 탄화규소가 서로 응집되어 존재하고 조대한 실리콘이 탄화규소 계면에 석출되는 미세 조직을 확인할 수 있었다. 응집된 탄화규소와 조대한 실리콘은 인장시험시 응력이 집중되는 영역이 되기 때문에 미세화된 실리콘과 분산된 탄화규소의 미세조직을 확보하는 것이 기계적 특성 확보에 유리하다.
<실험예 2> 기계적 물성 분석
본 발명에 따른 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 기계적 물성을 확인하기 위하여, 상기 실시예 1 내지 13, 비교예 1 및 비교예 2에서 제조된 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료 및 알루미늄 복합금속을 nstron 4206을 이용하여 인장시험을 통해 인장강도를 측정하였으며, Pin-on-disk 타입의 내마모 시험기를 사용하여 마모율을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1 내지 3, 도 4 및 도 5에 나타내었다.
Al-Si-Cu-Mg
합금 분말 함량
(중량%)		 Al-Si-SiC
합금 분말 함량
(중량%)		 인장강도
(MPa)		 마모율
(10-15 m3/Nm)
실시예 1 95 5 255 0.27
실시예 2 90 10 225 0.18
실시예 3 85 15 228 0.13
실시예 4 80 20 205 0.17
실시예 5 75 25 218 0.09
비교예 1 100 - 250 0.82
Al-Zn-Cu-Mg
합금 분말 함량
(중량%)		 Al-Si-SiC
합금 분말 함량
(중량%)		 인장강도
(MPa)		 마모율
(10-15 m3/Nm)
실시예 6 95 5 395 0.85
실시예 7 90 10 370 0.30
실시예 8 85 15 350 0.26
실시예 9 80 20 350 0.27
실시예 10 75 25 330 0.23
비교예 2 100 - 410 1.21
Al-Zn-Cu-Mg
합금 분말 함량
(중량%)		 Al-Si-SiC
합금 분말 함량
(중량%)		 주석(Sn)
함량
(중량부)		 인장강도
(MPa)		 마모율
(10-15 m3/Nm)
실시예 11 95 5 0.05 395 0.81
실시예 12 95 5 0.10 405 0.78
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, Al-Si-Cu-Mg 합금 분말만을 사용하여 제조된 알루미늄 복합금속인 비교예 1의 경우에는 마모율이 0.82 × 10-15 m3/Nm으로 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 반면, Al-Si-Cu-Mg 합금 분말 및 Al-Si-SiC 합금 분말을 사용하여 제조된 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료인 실시예 1 내지 5의 경우에는 마모율이 0.09 내지 0.27 × 10-15 m3/Nm로 나타나며, 비교예 1과 비교하여 5 배에서 최대 9 배까지 향상된 내마모성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
이때, 인장강도의 경우에는 큰 변화를 나타내지 않은 것을 확인할 수 있었다.
또한, 상기 표 2에 나타낸 바와 같이, Al-Zn-Cu-Mg 합금 분말만을 사용하여 제조된 알루미늄 복합금속인 비교예 2의 경우에는 마모율이 1.21 × 10-15 m3/Nm으로 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 반면, Al-Zn-Cu-Mg 합금 분말 및 Al-Si-SiC 합금 분말을 사용하여 제조된 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료인 실시예 6 내지 10의 경우에는 마모율이 0.23 내지 0.85 × 10-15 m3/Nm로 나타나며, 비교예 1과 비교하여 1.5 배에서 최대 5 배까지 향상된 내마모성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
이때, 인장강도의 경우에는 큰 변화를 나타내지 않은 것을 확인할 수 있었다.
나아가, 상기 표 3, 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같이, Al-Zn-Cu-Mg 합금 분말 및 Al-Si-SiC 합금 분말과 더불어 주석(Sn) 분말을 사용하여 제조된 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 경우에는 주석을 더 포함함으로써 내마모성 및 인장강도가 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
이와 같이, 본 발명에 따른 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법은 무가압 소결법으로 제조되기 때문에 생산 단가를 대폭 낮출 수 있으며, 이에 따라 제조되는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료는 알루미늄 기지 상에 탄화규소가 균일하게 분포되어 내마모성이 우수하기 때문에 고강도 내마모성이 요구되는 구조용 부품 소재에 응용이 가능하다.

Claims (20)

  1. 알루미늄(Al) 및 마그네슘(Mg)을 포함하는 제1 합금 분말 및 알루미늄(Al) 기지에 탄화규소(SiC)가 분산된 제2 합금 분말을 혼합하여 혼합 분말을 제조하는 단계(단계 1);
    상기 단계 1에서 제조된 혼합 분말을 바인더와 혼합하여 진밀도에 대하여 85 내지 92 %의 성형밀도를 가지는 성형체를 제조하는 단계(단계 2); 및
    상기 단계 2에서 제조된 성형체를 무가압 소결하여 소결체를 제조하는 단계(단계 3);를 포함하고,
    상기 단계 1의 혼합 분말은 75 내지 95 중량%의 제1 합금 분말 및 5 내지 25 중량%의 제2 합금 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단계 1의 제1 합금 분말은 실리콘(Si), 구리(Cu), 아연(Zn), 주석(Sn) 및 비스무스(Bi)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 금속을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단계 1의 제1 합금 분말에서 마그네슘의 함량은 알루미늄 100 중량부에 대하여 0.1 내지 5.0 중량부인 것을 특징으로 하는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단계 1의 제2 합금 분말은 실리콘(Si), 구리(Cu), 아연(Zn) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 금속을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단계 1의 제2 합금 분말에서 탄화규소의 함량은 알루미늄 100 부피부에 대하여 5 내지 50 부피부인 것을 특징으로 하는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단계 1의 제2 합금 분말은,
    알루미늄(Al)을 포함하는 합금을 용탕에 용해시키는 단계(단계 a); 및
    상기 단계 a에서 준비된 용탕에 탄화규소(SiC)를 분산시킨 후, 가스 분무법(gas atomization)으로 분말을 제조하는 단계(단계 b);를 수행하여 제조되는 것을 특징으로 하는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 단계 1의 제1 합금 분말은 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 구리(Cu) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어지는 합금 분말 또는 알루미늄(Al), 아연(Zn), 구리(Cu) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어지는 합금 분말인 것을 특징으로 하는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 단계 1의 제2 합금 분말은 알루미늄(Al), 실리콘(Si) 및 탄화규소(SiC)로 이루어지는 합금 분말인 것을 특징으로 하는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 단계 1의 혼합 분말은 주석(Sn) 분말을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 주석 분말의 함량은 혼합 분말 100 중량부에 대하여 0.01 내지 0.50 중량부인 것을 특징으로 하는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 단계 2의 바인더는 에틸렌 비스 스테아마이드(Ethylene Bis Stearamide, EBS), 징크 스테아레이트(Zn-Stearate) 및 알루미늄 스테아레이트(Al-Stearate)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 단계 2의 바인더의 함량은 혼합 분말 100 중량부에 대하여 0.5 내지 2.0 중량부인 것을 특징으로 하는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 단계 2의 성형체의 제조는 500 내지 800 MPa의 압력으로 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 단계 3의 무가압 소결은 초고순도 비활성 기체 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 비활성 기체는 질소 또는 아르곤 기체인 것을 특징으로 하는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 단계 3의 무가압 소결은 500 내지 600 ℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 단계 3을 수행하고 난 후, 상기 단계 3에서 제조된 소결체를 용체화처리 후, 시효경화시키는 단계(단계 a);를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료의 제조방법.
  19. 제1항의 제조방법으로 제조되는 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료.
  20. 제19항의 알루미늄/탄화규소 금속 복합재료를 포함하는 자동차 부품 소재.
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