KR101787737B1

KR101787737B1 - 알루미늄-마그네슘 복합소재 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR101787737B1
Application number: KR1020160124814A
Authority: KR
Inventors: 권한상
Original assignee: 부경대학교 산학협력단
Priority date: 2016-09-28
Filing date: 2016-09-28
Publication date: 2017-10-18

Abstract

본 발명은 알루미늄-마그네슘 복합소재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 우수한 강도 및 기계적 특성을 나타낼 뿐만 아니라 저경량 특성을 나타내는 복합소재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

알루미늄-마그네슘 복합소재 및 이의 제조방법 {Aluminium-Magnesium Composite Materials and Manufacturing method thereof}

본 발명은 알루미늄-마그네슘 복합소재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 알루미늄 분말에 특정 부피%의 마그네슘 분말을 혼합하고, 30 내지 800 MPa의 압력, 400 내지 600 ℃의 온도 및 유지시간 5 내지 10 분 조건에서 방전플라즈마 소결 공정을 이용하여 소결함으로써 경량, 고강도 특성을 나타내는 복합소재 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 방전플라즈마를 이용한 소결법(Spark Plasma Sintering, SPS)은 분말을 1축으로 가압하면서 가압방향과 평행한 방향으로 직류펄스전류를 인가하여 소결하는 방법인데, 분체 입자간의 틈새에 압력과 저전압 및 대전류를 투입하고 이때 발생하는 스파크(Spark)에 의해 순식간에 발생하는 플라즈마(Plasma)의 고에너지를 전계확산, 열확산 등에 응용한 소결법이다. 종래의 열간압축법(Hot Press)에 비해서, 소결온도가 200 ~ 500 ℃ 더 낮고, 승온 및 유지시간을 포함하여 단시간에 소결을 완료할 수 있기 때문에 전력소비가 크게 줄며, 취급이 간편하고, 러닝코스트가 저렴하고, 소결기술에 대한 숙련이 필요하지 않고, 난소결재 및 고온에서 가공이 어려운 재료들에 대해서도 적용이 가능하다.

최근, 상기 방전 플라즈마를 응용하여 분말의 소결 뿐만 아니라 금속 접합 기술로의 적용이 진행되고 있다. 플라즈마를 이용한 접합은 소결과 같이 접합물을 가압하면서 직접 펄스전류를 통해 발생하는 열을 이용하여 가열함으로써 수행한다. 이 때, 확산한 원자에 의해 재료 간에 새로운 금속 결합이 형성되고 접합된다.

한편, 알루미늄(Aluminium, Al)은 우수한 기계적 특성을 가지며, 밀도가 낮아(2.7g/cm³) 주방에서 사용하는 포일(foil)에서부터 일회용 식기, 창문, 자동차, 항공기, 우주선 등등 일상 생활뿐만 아니라 다양한 산업용 소재로 사용되고 있다.

그러나, 기술이 지속적으로 발전함에 따라 종래 소재보다 우수한 특성을 나타낼 수 있는 소재에 대한 연구 개발이 활발하게 진행되고 있으며, 다양한 산업용 부품군에서 사용되기 위해 보다 우수한 강도를 나타내면서 중량이 작은 복합소재에 대한 연구 개발이 요구되고 있다.

한국 등록특허 제10-0717201호

본 발명의 알루미늄-마그네슘 복합소재 및 이의 제조방법에 있어서 상기한 문제점을 해결하고자 예의 연구 검토한 결과,

알루미늄 분말과 40 내지 60 부피%의 마그네슘 분말을 혼합하고 30 내지 800 MPa의 압력, 400 내지 600 ℃의 온도 및 유지시간 5 내지 10 분 조건에서 방전 플라즈마를 이용하여 접합소결시킴으로써 우수한 강도를 나타낼 뿐만 아니라 저경량 특성을 나타낼 수 있음을 알아내고, 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 우수한 강도를 나타낼 뿐만 아니라 저경량 특성을 나타내는 알루미늄-마그네슘 복합소재 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

한편으로, 본 발명은

알루미늄 분말 100 부피% 대비 마그네슘 분말 40 내지 60 부피%을 혼합한 혼합 분말을 제조하고, 상기 혼합 분말을 30 내지 800 MPa의 압력, 400 내지 600 ℃의 온도 및 유지시간 5 내지 10 분 조건에서 방전 플라즈마 소결 공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 알루미늄-마그네슘 복합소재의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 방전 플라즈마 소결 공정은 진공 또는 공기 중에서 수행되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 마그네슘 분말은 상기 알루미늄 분말 100 부피% 대비 50 부피%로 혼합되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 압력은 800 MPa이고, 상기 온도는 600 ℃인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 복합소재의 비커스 경도는 66 내지 93 Hv인 것을 특징으로 한다.

다른 한편으로, 본 발명은 알루미늄 분말 100 부피% 대비 마그네슘 분말 40 내지 60 부피%를 포함하고, 비커스 경도 값이 66 내지 93 Hv인 것을 특징으로 하는 알루미늄-마그네슘 복합소재를 제공한다.

본 발명에 따른 알루미늄-마그네슘 복합소재는 알루미늄 분말 100 부피% 대비 마그네슘 분말 40 내지 60 부피%를 포함하고, 특정 조건에서 방전 플라즈마 소결 공정을 수행하였다. 이를 통해, 상기 알루미늄 분말 및 마그네슘 분말 입자의 넓은 표면적으로 인해 상기 이종 재료간에 보다 많은 접합 영역 또는 경계(Boundary)가 형성될 수 있고, 이에 따라 방전 플라즈마 소결 공정을 수행하면서 확산한 원자에 의해 재료 간에 형성될 수 있는 금속 결합이 더욱 증가하여 보다 견고한 복합소재를 제조할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 방법을 통해 제조된 복합소재는 우수한 강도를 나타낼 뿐만 아니라 저경량 특성을 나타낼 수 있으므로, 기계, 자동차, 열차, 선박, 우주항공 분야에 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1 내지 4의 복합소재의 비커스 경도(Vickers Hardness) 값을 나타낸 사진이다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 알루미늄-마그네슘 복합소재의 제조방법은

알루미늄 분말 100 부피% 대비 마그네슘 분말 40 내지 60 부피%을 혼합한 혼합 분말을 제조하고, 상기 혼합 분말을 30 내지 800 MPa의 압력, 400 내지 600 ℃의 온도 및 유지시간 5 내지 10 분 조건에서 방전 플라즈마 소결 공정을 수행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 상기 복합소재는 알루미늄 분말에 알루미늄보다 밀도가 낮은 마그네슘 분말을 혼합함으로써 제조되므로, 알루미늄으로만 구성된 소재에 비해 가벼우므로 저경량 특성을 필요로 하는 분야에서 사용될 수 있다. 또한, 저경량 특성뿐만 아니라, 알루미늄 분말에 마그네슘 분말이 포함되어 보다 우수한 강도를 나타낼 수 있으므로 보다 다양한 분야에서 사용될 수 있다.

상기 방전 플라즈마에 대해 상세히 설명하면, 상기 알루미늄 분말과 마그네슘 분말의 혼합 분말을 탄소몰드에 투입하고, 상기 탄소몰드를 진공챔버 내의 소결다이에 세팅한다. 상기 세팅된 진공챔버를 감압장치에 의해 감압 후 가압장치부에 의해 가압하고 직류전원 공급장치부를 통해 상, 하부 펀치 전극에 전류를 가하여 챔버 내 승온이 이루어진다. 챔버 내의 일정한 압력과 온도 조절은 제어부에서 온도계측기, 감압장치, 가압장치부, 직류전원 공급장치부 등을 제어하여 일정한 소결체가 나오도록 한다. 일정 시간 소결 후, 냉각장치 아르곤 또는 질소가스를 이용하여 챔버 내에서 냉각을 실시한다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 마그네슘 분말은 알루미늄 분말 100 부피% 대비 40 내지 60 부피%로 포함되는 것이 바람직하고, 50 부피%로 포함되는 것이 더욱 바람직하다.

구체적으로는, 상기 알루미늄 분말 대비 마그네슘 분말은 1:0.4 내지 1:0.6 부피비로 포함되는 것이 바람직하고, 1:0.5 부피비로 포함되는 것이 더욱 바람직하다.

상기 알루미늄 분말의 직경은 약 100 ㎛이고, 상기 마그네슘 분말의 직경은 약 100 ㎛이다.

본 발명의 일 실시형태에서, 혼합 공정으로 볼 밀(Ball Mill) 공정, 초음파 분산, 블렌딩, Tubular 믹싱 등을 사용할 수 있으나, 볼 밀 공정을 이용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 소결은 30 내지 800 MPa의 압력에서 수행되고, 400 내지 600 ℃의 온도에서 수행되며, 유지시간은 5 내지 10 분인 것이 바람직하다.

상기 조건에서 수행되지 않는 경우, 즉, 400 ℃ 아래의 온도에서는 소결접합이 제대로 이루어지지 않고, 600 ℃이상의 온도에서는 입자성장으로 인한 경도 감소가 나타날 수 있다.

또한, 상기 조건에서 수행되지 않는 경우, 알루미늄 융점 이상의 온도에서는 액상의 출현으로 불균일한 조직의 생성 및 알루미늄과 마그네슘의 화합물이 생성되는 문제점이 있다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 접합소결은 진공 또는 가스 분위기 중에서 수행될 수 있다. 상기 알루미늄과 마그네슘은 산소에 민감하게 반응하기 때문에 상기 접합 소결은 진공 또는 가스 분위기 중에서 수행되는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시형태에서, 상기 알루미늄 분말 및 마그네슘 분말 입자의 넓은 표면적으로 인해 상기 이종 재료간에 보다 많은 접합 영역 또는 경계(Boundary)가 형성될 수 있고, 이에 따라 방전 플라즈마 소결 공정을 수행하면서 확산한 원자에 의해 재료 간에 형성될 수 있는 금속 결합이 더욱 증가하여 보다 견고한 복합소재를 제조할 수 있다.

본 발명에 따른 복합소재는 알루미늄과 마그네슘의 특성을 모두 가지고 있으므로 우수한 강도 및 기계적 특성을 나타낼 뿐만 아니라, 저경량 특성을 나타내므로 기계, 자동차, 열차, 선박, 우주항공 분야에 적용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 복합소재는 알루미늄(약 230W/mk) 보다는 다소 떨어지는 열전도특성을 나타내지만 마그네슘(약 160W/mk) 보다는 높은 열전도도를 나타낼 수 있다.

상기 복합소재에서 알루미늄 분말 100 부피% 대비 마그네슘 분말이 40 내지 60 부피%로 포함되지 않는 경우, 측정되는 비커스 경도 값이 16 Hv 이하로 매우 낮아 고강도 특성을 필요로 하는 분야에서 사용되기 어렵다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 알루미늄-마그네슘 복합소재는,

알루미늄 분말 100 부피% 대비 마그네슘 분말 40 내지 60 부피%를 포함하고, 비커스 경도 값이 66 내지 93 Hv인 것을 특징으로 한다.

이하, 실시예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오직 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 국한되지 않는다는 것은 당업자에게 있어서 자명하다.

실시예 1 및 비교예 1 내지 4: 알루미늄-마그네슘 복합소재의 제조

알루미늄 분말 100 부피%, 헵탄(Heptane) 10 ml 및 상기 알루미늄 분말 100 부피% 대비 마그네슘 분말을 하기 표 1에 기재된 조성으로 혼합하고, 각각 볼 밀을 이용하여 6시간 동안 혼합하였다. 그런 다음, 800 MPa, 600 ℃에서 10분간 방전 플라즈마 소결 공정을 수행하여 알루미늄-마그네슘 복합소재를 제조하였다.

구분	마그네슘 분말(부피%)
비교예 1	10
비교예 2	30
실시예 1	50
비교예 3	70
비교예 4	90

실험예 1: 비커스 경도(Vickers Hardness)의 측정

실시예 1 및 비교예 1 내지 4의 복합소재의 비커스 경도를 측정하여 하기 표 2에 나타내었다. 구체적으로, 각 복합소재의 일면을 각각 3회씩 측정하였으며 그 평균값을 나타내었다.(단위 : HV). 또한, 하기 표 2에 기재된 데이터를 도 1에 상세히 나타내었다.

구분	비커스 경도
구분	1회	2회	3회	평균
비교예 1	34.66	47.53	39.68	40.62
비교예 2	57.14	54.35	53.15	54.88
실시예 1	66.00	93.00	88.00	82.33
비교예 3	42.88	48.10	47.16	46.05
비교예 4	41.62	44.40	42.69	43.24

표 2를 참조로, 실시예 1의 복합소재의 비커스 경도 값이 비교예 1 내지 4의 복합소재의 비커스 경도 값 대비 크게 상승한 것을 확인하였다.

따라서, 본 발명에 따른 복합소재는 상기 조건 하에서 수행됨으로써, 같은 총 함량의 분말을 사용하는 경우 알루미늄 분말만을 사용하여 제조되는 소재에 비해 알루미늄-마그네슘 혼합분말을 사용하여 제조되는 복합소재가 우수한 저경량 특성을 나타내며, 알루미늄(밀도 약 2.7) 분말 대비 마그네슘 (밀도 약 1.8) 분말을 1:0.5 부피비로 포함하는 경우에 보다 우수한 강도를 나타낼 수 있음을 확인하였다.

이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아님은 명백하다. 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 특허청구범위와 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims

알루미늄 분말 100 부피% 대비 마그네슘 분말 40 내지 60 부피%를 혼합한 혼합 분말을 제조하고, 상기 혼합 분말을 30 내지 800 MPa의 압력, 400 내지 600 ℃의 온도 및 유지시간 5 내지 10 분 조건에서 방전 플라즈마 소결 공정을 수행하며,
상기 혼합 분말을 방전 플라즈마 소결시켜 제조된 복합소재의 비커스 경도 값은 66 내지 93Hv인 것을 특징으로 하는 알루미늄-마그네슘 복합소재의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 방전 플라즈마 소결 공정은 진공 또는 공기 중에서 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄-마그네슘 복합소재의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 마그네슘 분말은 상기 알루미늄 분말 100 부피% 대비 50 부피%로 혼합되는 것을 특징으로 하는 알루미늄-마그네슘 복합소재의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 압력은 800 MPa이고, 상기 온도는 600 ℃인 것을 특징으로 하는 알루미늄-마그네슘 복합소재의 제조방법.
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