KR101797347B1 - 탄소·알루미나 복합 종이, 그 제조 방법 및 열처리 트레이 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소·알루미나 복합종이, 그 제조 방법 및 열처리 트레이에 관한 것이며, 보다 상세하게는 열적 특성이 뛰어나고, 초경합금과의 고착 반응이 억제되는 탄소·알루미나 복합종이를 제공할 수 있으며, 보다 상세하게는 초경합금의 침탄 반응을 조절 가능한 초경합금용 열처리 복합종이를 제공함으로써, 보다 간소한 소결 공정 및 우수한 품질의 초경합금 열처리 탄소·알루미나 복합종이를 제공할 수 있으며, 나아가 상기 탄소·알루미나 복합종이를 포함하는 열처리 트레이를 제공할 수 있다.

Description

탄소·알루미나 복합 종이, 그 제조 방법 및 열처리 트레이 {The Carbon·Alumina mixed paper, the method of manufacturing it and the heat treatment tray}

본 발명은 탄소 섬유와 알루미나 섬유를 이용하는 복합 종이, 그의 제조 방법 및 열처리 트레이에 관한 것이다.

초경합금은 경도가 높고 내마모성이 우수하여 여러 분야에 사용되고 있는데, 이러한 기계적 성질을 얻기 위해서는 소결 조직에 프리카본이나 에타(η) 상이 없는 안정상 역역으로 소결되어야 하며, 기공이나 불순물 같은 내부 결함도 없어야 한다. 소결공정은 약 1400℃에서 이루어지며 소결 시 성형제품을 지탱해주는 내화물로 카본 플레이트가 사용되나 초경합금과의 반응으로 고착되거나 초경제품에 탄소가 확산되어 제품에 나쁜 영향을 주게 되어 이형제를 도포한다.

대부분의 초경 공구 업체에서는 초경합금과 카본 플레이트의 반응을 막고자 Al₂O₃분말과 AlN분말이 사용되고 있고, 이 방법은 카본플레이트에 접착제를 바르고 Al₂O₃와 AlN 분말을 도포하는 형태로 진행되어, 접착제에서 가스가 발생하게 되면 제품 내 기공 형성이 쉬울 뿐 아니라 로내의 분위기에 영향을 주어, 프리카본이나 에타(η)상이 없는 안정상으로 소결하는 것 또한 어렵다. 이렇듯 Al₂O₃분말과 AlN 분말의 도포 작업 및 제거 작업이 어렵고, 공정상에서 내화물들이 제품 내로 혼입되어 불순물로 개재될 가능성이 있어 고품질의 초경 절삭 공구를 생산하기 위한 해결 방법이 필요한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위한 것으로, 탄소·알루미나 복합종이, 그 제조 방법 및 열처리 트레이의 제공을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 탄소 섬유와 알루미나 섬유를 해리시켜 슬러리를 수득하는 단계; 상기 슬러리를 수초지기에 공급하여 복합종이를 제조하는 단계; 상기 복합종이를 열경화성수지에 함침시키고, 탄화시키는 단계;를 포함하는 탄소·알루미나 복합 종이의 제조 방법인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 탄소·알루미나 섬유 복합 종이는 탄소 섬유의 우수한 열적 특성 및 알루미나 섬유가 가지는 초경합금과의 반응이 억제되는 특성을 동시에 가지므로, 초경합금 간의 고착반응을 억제할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 탄소·알루미나 섬유 복합 종이는 로 내의 분위기에 거의 영향을 끼치지 않으므로, 우수한 품질의 제품을 제공할 수 있으며, 또한, 소결 공정의 간소화가 가능하여 제조 비용의 감소 효과를 가질 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 열처리 트레이는 탄소·알루미나 섬유 복합 종이를 초경합금으로 소결하여 침탄 반응이 억제되어 보다 고품질의 열처리 트레이를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 실시예 1 내지 10의 탄소·알루미나 섬유 복합 종이의 표면을 전계방사형 주사전자현미경으로 촬영한 것을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예 1 내지 10의 복합종이에 WC Co계 초경합금 소결처리 후의 초경합금 단면을 실측현미경으로 촬영한 것을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예 1 내지 10의 복합종이에 Wc Ni계 초경합금 소결처리 후의 초경합금 단면을 실측현미경으로 관찰한 것을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 탄소섬유 종이의 표면을 전계방사형 주사전자현미경으로 관찰한 것을 나타낸 것이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시를 보다 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 다수의 상이한 형태로 구현될 수 있고, 기술된 실시 예에 제한되지 않음을 이해하여야 한다. 하기에 설명되는 본 발명의 실시 예는 당업자에게 본 발명의 사상을 충분하게 전달하기 위한 것임에 유의하여야 한다.

이하, 본 발명에 따른 탄소·알루미나 섬유 복합종이의 제조방법을 상세히 설명하기로 한다.

길이가 3~10㎜인 탄소 섬유와 1~6㎜의 길이를 가지는 알루미나 섬유를 해리시킨다. 이때 상기 탄소 섬유는 피치(Pitch) 계, 레이온 계 및 팬(PAN) 계 등을 사용할 수 있다. 또한, 상기 알루미나 섬유는 탄소 섬유의 중량 대비 10~90%를 첨가하여 슬러리를 제조한다.

초지체는 열경화성수지에 함침시킨 후, 탄화시켜 탄소·알루미나 섬유 복합종이를 제조한다. 상기 열경화성수지로는 페놀수지, 에폭시수지 등을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 탄화수율이 최대 약 60%정도이고, 고온에서도 강도가 그대로 유지되는 페놀수지를 사용하는 것이 좋다.

상기 페놀수지의 초지체 중량 대비 픽업률이 5% 미만일 경우, 결합력이 낮아져 강도 등의 물성이 저하되고, 중량 대비 20% 초과일 경우 유연성이 저하되는 문제점이 발생한다. 그러므로 상기 페놀수지의 픽업률은 상기 초지체를 기준으로 중량 대비 5~20%인 것이 바람직하다.

상기의 과정을 통하여 제조된 탄소·알루미나 복합 종이는 탄소 섬유의 뛰어난 열적 특성과 알루미나 섬유의 열적 특성 및 초경합금과 반응하지 않는 성질을 가지고 있기 때문에 상기 복합 종이는 초경합금 열처리 트레이로써 널리 사용될 수 있다.

1. 탄소·알루미나 섬유 복합종이(실시예 1~5) 및 상기 복합종이에 대하여 WC Co 초경합금을 소결 처리한 예(실시예 6~10)

3~12㎜의 탄소 섬유(6NA2, ACE C&TECH co,.LTD)와 1~3㎜의 알루미나 섬유(MAFTEC ALS, MITSUBISHI, INC.)를 첨가하고, 펄퍼(pulper)를 이용하여 2500rpm의 속도로 해리시켰다.

초지의 중량 대비 5%의 바인더 섬유(VPB-105_1, KURALON Co., Ltd.)를 첨가하고, 분산제(HANWET HF-59, Hansol Chem., Co., Ltd)를 첨가하여 12분 동안 유지하였다.

해리 상태의 혼합 슬러리를 연속식 습식 부직포 장비를 이용하여 시트 형태로 성형시키고, 상기 성형시킨 탄소 섬유 시트를 130℃의 조건에서 연속식 건조기로 건조시켜 탄소·알루미나 섬유 복합종이를 제조하였다.

물 15 중량 %로 용해한 페놀수지(phenolic resin, NEOLTTE KC-6301, Kangnam Chem., co., Ltd)에 상기 제조한 탄소·알루미나 섬유 복합종이를 함침하고, pick-up율을 조절하여 130℃에서 경화시켰다.

상기 탄소·알루미나 섬유 복합종이를 불활성 가스 조건 및 2000℃의 온도 조건에서 탄소화시켜 탄소·알루미나 복합종이를 제조할 수 있었고, 도 1은 본 발명에 따른 탄소·알루미나 섬유 복합 종이의 표면을 전계방사형 주사전자현미경으로 촬영한 것이다.

실시예 1 내지 5를 제조하기 위하여 탄소 섬유와 알루미나 섬유의 비율을 각각 9:1, 7:3, 5:5, 3:7, 9:1로 가지는 탄소·알루미나 섬유 복합 종이를 제조하였다.

또한, 탄소 섬유와 알루미나 섬유의 비율을 각각 상이하게 가지는 상기 실시예 1 내지 5에 대하여 WC Co 초경합금을 1400℃의 온도 조건에서 소결하여 실시예 6 내지 10을 제조하였다. 도 2는 상기 탄소·알루미나 섬유에 대하여 WC Co 초경합금을 소결 처리한 초경합금의 단면을 실측현미경으로 관찰한 것이다.

2. 탄소·알루미나 섬유 복합종이에 대하여 WC Ni 초경합금을 소결 처리한 실시예 11~15

상기 탄소 섬유와 알루미나 섬유의 비율을 다르게 가지는 실시예 1 내지 5의 제조 방법과 실질적으로 동일한 방법으로 제조한 복합종이에 대하여 WC Ni 초경합금을 1150℃의 온도 조건에서 소결하여 실시예 11 내지 15를 제조하였다. 도 3은 상기 탄소·알루미나 섬유에 대하여 WC Ni 초경합금을 소결 처리한 초경합금의 단면을 실측현미경으로 관찰한 것을 나타낸다.

3. 탄소 섬유 종이(비교예 1 및 2)

3~12㎜의 탄소 섬유(6NA2, ACE C&TECH co,.LTD)를 펄퍼(pulper)를 이용하여 2500rpm의 속도로 해리하고, 초지의 중량 대비 5%의 비율로 바인더 섬유(VPB-105_1, KURALON Co., Ltd.)를 첨가하였다. 그 후, 분산제(HANWET HF-59, Hansol Chem., Co., Ltd)를 첨가하고 12분 동안 유지하였다.

해리 상태의 혼합 슬러리는 연속식 습식 부직포 장비를 이용하여 시트 형태로 성형시킨 후, 탄소 섬유 시트를 130℃의 온도 조건에서 연속식 건조기를 이용하여 건조시켜 탄소 섬유 종이를 제조하였다.

도 4는 상기 제조된 탄소 섬유 종이의 표면을 전계방사형 주사전자현미경으로 촬영한 것이다.

상기 제조된 탄소 섬유 종이를 물 15 중량 %로 용해된 페놀수지(phenolic resin, NEOLTTE KC-6301, Kangnam Chem., co., Ltd)에 함침시킨 후, pick-up율을 조절하여 130℃에서 경화시키고, 다시 2000℃의 온도 조건 및 불활성 가스 조건에서 탄소화시켜 탄소 종이를 제조하였다.

비교예 1 및 2를 제조하기 위하여 상기 제조한 탄소 종이에 대하여 WC Co 초경합금을 1400℃의 온도 조건에서 소결하여 비교예 1을 제조할 수 있었고, WC Ni계 초경합금을 1150℃의 온도 조건에서 소결하여 비교예 2를 제조할 수 있었다.

4. 두께 및 밀도 측정

실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 2의 복합종이에 대하여 함량, 두께, 벌크 밀도(Bulk density) 및 기공도를 측정하여 하기 표 1에 그 결과를 나타내었다.

구분	함량(중량 %)		두께 (㎛)	벌크밀도 (g/㎤)	기공도 (%)
	탄소 섬유	알루미나 섬유
비교예 (1 및 2)	100%	-	187	0.124	80%
실시예 (1 내지 5)	90%	10%	185	0.134	76%
	70%	30%	174	0.154	72%
	50%	50%	169	0.159	72%
	30%	70%	162	0.179	68%
	10%	90%	154	0.189	61%

상기 표 1에서 탄소·알루미나 섬유 복합종이의 두께(㎛)는 디지털 두께측정기(ID-C112, Mitutoyo)를 이용했고, 복합종이의 다섯 지점을 측정하여 구한 평균값을 사용하였다. 벌크 밀도(g/㎤)는 복합종이의 부피에 대한 질량 값으로 측정하였다.

5. 초경합금의 소결 적용 후 물성의 측정

실시예 6 내지 10과 WC Co계 초경합금을 적용한 비교예 1의 물성을 비교 하였고, 이에 대한 결과를 하기 표 2에 나타냈다.

구분	함량(중량 %)		경도 (HRA)	밀도 (g/㎤)	M.S (%)	H.C
	탄소 섬유	알루미나 섬유
비교예 1	100%	-	92.1	14.13	85.55	335.8
실시예 (6 내지 10)	90%	10%	92.0	14.13	84.91	335.4
	70%	30%	92.0	14.13	83.58	334.5
	50%	50%	92.1	14.13	84.85	336.9
	30%	70%	92.0	14.13	84.64	339.2
	10%	90%	92.1	14.16	83.41	338.4

상기 표 2에 나타난 결과와 같이 실시예 6 내지 10과 비교예 1을 비교해보면 경도(HRA), 밀도(g/㎤) 및 H.C와 같은 물성은 유사하였으나 실시예 6 내지 10에 있어서, 알루미나 섬유의 함량이 증가할수록 비교예 1의 M.S(%)값에 비하여, 감소하는 것을 알 수 있는데 이는 알루미나 섬유의 함량이 증가함에 따라 침탄 반응이 줄어들어 낮아지는 것으로 사료된다.

또한, 실시예 11 내지 15와 WC Ni계 초경합금을 적용한 비교예 2의 물성을 비교하여 하기 표 3에 그 결과를 나타내었다.

구분	함량 (중량 %)		경도 (HRA)	밀도 (g/㎤)	Carbon
	탄소 섬유	알루미나 섬유
비교예 2	100%	-	87.5	12.01	4.586
실시예 (11 내지 15)	90%	10%	87.3	11.99	4.573
	70%	30%	87.4	11.99	4.546
	50%	50%	87.5	11.99	4.541
	30%	70%	87.4	12.00	4.530
	10%	90%	87.3	12.00	4.512

상기 표 3에 나타난 결과를 참조하여 실시예 11 내지 15와 비교예 2를 비교해보면, 경도(HRA) 및 밀도(g/㎤)와 같은 물성은 유사한 것을 확인할 수 있었으나, 알루미나 섬유의 함량이 증가할수록 Carbon 수치가 감소하는 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

이렇듯 알루미나 섬유의 함량이 증가함에 따라 Carbon 수치가 감소하는 경향을 나타내는 이유는 탄소 섬유가 초경합금에 미치는 영향이 감소하였기 때문이다.

그러므로 상기 실시예 1 내지 15와 같이 탄소 섬유와 알루미나 섬유의 함량을 조절하면, 초경합금의 침탄 반응을 조절할 수 있게 되어 품질이 향상된 복합종이를 제조할 수 있다.

Claims (5)

1. 탄소 섬유와 알루미나 섬유를 해리시켜 슬러리를 수득하는 단계;
   상기 슬러리를 수초지기에 공급하여 복합종이를 제조하는 단계;
   상기 복합종이를 페놀수지에 함침시키고, 탄화시키는 단계; 및
   상기 탄화된 복합종이를 초경합금으로 소결하는 단계
   를 포함하는 방법으로 제조되는 탄소·알루미나 복합 종이를 포함하는 초경합금용 열처리 트레이.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 초경합금은 WC Co 계 또는 WC Ni 계인 것을 특징으로 하는 초경합금용 열처리 트레이.

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