KR101822073B1 - 이종 복합 형재의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 이종 복합 형재 - Google Patents
이종 복합 형재의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 이종 복합 형재Info
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Abstract
본 발명은 이종 복합 형재의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 이종 복합 형재에 관한 것으로서, 상기 이종 복합 형재의 제조 방법은 속이 빈 원통 형상의 제 1 빌렛(billet)의 내부에 상기 제 1 빌렛과는 성분이 상이한 제 2 빌렛을 배치하여 복합 빌렛을 제조하는 단계, 그리고 상기 복합 빌렛을 압출 다이스(extrusion dies)를 이용하여 직접 압출(direct extrusion)시키는 단계를 포함한다.
상기 이종 복합 형재의 제조 방법은 이종 재료를 사용하여 한 가지 재료가 갖는 단점을 다른 재료를 사용하여 보완하고 극대화함으로써 새로운 다양한 기능을 갖는 복합 소재를 양산할 수 있고, 이종 재료를 사용함에도 종래의 대량 생산 방식인 직접 압출 설비를 활용할 수 있어 제조 공정이 간단하고 요구되는 설비 역시 상대적으로 단순하여 가격 경쟁력을 높아 양산에 적합하다.
상기 이종 복합 형재의 제조 방법은 이종 재료를 사용하여 한 가지 재료가 갖는 단점을 다른 재료를 사용하여 보완하고 극대화함으로써 새로운 다양한 기능을 갖는 복합 소재를 양산할 수 있고, 이종 재료를 사용함에도 종래의 대량 생산 방식인 직접 압출 설비를 활용할 수 있어 제조 공정이 간단하고 요구되는 설비 역시 상대적으로 단순하여 가격 경쟁력을 높아 양산에 적합하다.
Description
본 발명은 이종 복합 형재의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 이종 복합 형재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이종 재료를 사용하여 한 가지 재료가 갖는 단점을 다른 재료를 사용하여 보완하고 극대화함으로써 새로운 다양한 기능을 갖는 복합 소재를 양산할 수 있고, 이종 재료를 사용함에도 종래의 대량 생산 방식인 직접 압출 설비를 활용할 수 있어 제조 공정이 간단하고 요구되는 설비 역시 상대적으로 단순하여 가격 경쟁력을 높아 양산에 적합한 이종 복합 형재의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 이종 복합 형재에 관한 것이다.
알루미늄은 비중이 작아서 가벼운 점을 이용하여 항공기, 자동차, 선박, 철도 등에 사용되고, 전기의 양도체인 점을 이용하여 송전선 등에 사용되고, 대기 중에서의 내식성(耐蝕性)이 강하고 인체에 해가 없는 점 때문에 식품 공업 식기류 등에도 많이 이용되고, 이밖에 페인트, 알루미늄박에 의한 포장, 건축재료, 원자로재 등에도 이용 되는 등 현재까지 매우 많은 용도가 알려져 있다.
또한, 알루미늄은 전성(展性), 연성(延性)이 풍부하기 때문에 봉재(棒材), 관재(管材), 판재(板材), 박재(箔材), 선재(線材) 등 모든 형태로 가공이 가능하며, 일반적으로 봉재, 관재, 선재 등의 일정한 단면을 가진 제품으로 형성하기 위해서는 압출 장치를 이용하여 알루미늄 형재로 제조된다.
다만, 알루미늄 형재는 전술한 바와 같은 다양한 장점들이 있음에 비하여 기계적, 물리적 성질이 상대적으로 낮아 활용도가 낮은 상황이며, 더욱 복잡하고 다양한 환경에 적용하기 위해서는 알루미늄과 이종 재료를 복합하여 내부식성, 기계적 특성, 가공성 등의 기능이 향상된 알루미늄 형재를 개발할 필요가 있다.
그러나, 일반적으로 이종 재료를 복합화한 알루미늄 형재를 제조하기 위해서 단순 접합 또는 용접, 압연 공정 등이 이용되고 있지만, 아직까지는 이러한 제조 방법으로 제조된 제품의 품질과 신뢰성이 낮은 수준이다.
본 발명의 목적은 이종 재료를 사용하여 한 가지 재료가 갖는 단점을 다른 재료를 사용하여 보완하고 극대화함으로써 새로운 다양한 기능을 갖는 복합 소재를 양산할 수 있고, 이종 재료를 사용함에도 종래의 대량 생산 방식인 직접 압출 설비를 활용할 수 있어 제조 공정이 간단하고 요구되는 설비 역시 상대적으로 단순하여 가격 경쟁력을 높아 양산에 적합한 이종 복합 형재의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 이종 복합 형재의 제조 방법에 의하여 제조된 이종 복합 형재를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 속이 빈 원통 형상의 제 1 빌렛(billet)의 내부에 상기 제 1 빌렛과는 성분이 상이한 제 2 빌렛을 배치하여 복합 빌렛을 제조하는 단계, 그리고 상기 복합 빌렛을 압출 다이스(extrusion dies)를 이용하여 직접 압출(direct extrusion)시키는 단계를 포함하는 이종 복합 형재의 제조 방법을 제공한다.
상기 압출 다이스(extrusion dies)는 중공다이스일 수 있다.
상기 직접 압출시키는 단계는 상기 중공다이스에 의하여 상기 복합 빌렛이 원통 직경의 수직 방향으로 분할되는 복합 빌렛 분할 단계, 상기 분할된 복합 빌렛들을 접합 챔버(chamber)에 주입하여 속이 빈 중공 형상으로 접합시키는 접합 단계, 및 상기 속이 빈 중공 형상으로 접합된 복합 빌렛을 직접 압출하는 압출 단계를 포함할 수 있다.
상기 중공다이스는 상기 복합 빌렛을 분할하고자 하는 개수에 따라 복수개의 구멍이 형성될 수 있다.
상기 속이 빈 원통 형상의 제 1 빌렛의 두께는 상기 속이 빈 원통 형상의 제 1 빌렛의 제조시 압력과 하기 수학식 1의 상관 관계를 가질 수 있다.
[수학식 1]
σ = P x (Do - 2t) / (2 x t)
(상기 수학식 1에서, σ는 제 1 빌렛의 원주 방향의 허용 인장 응력이고, P는 제 1 빌렛 제조시 최고 사용 압력이고, Do는 제 1 빌렛의 외부 직경이고, t는 제 1 빌렛의 두께이다)
상기 제 1 빌렛의 성분은 알루미늄, 구리, 마그네슘, 티타늄, 스테인리스스틸, 탄소나노튜브(CNT), 텅스텐, 코발트, 니켈, 주석 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속일 수 있다.
상기 제 2 빌렛은 금속 덩어리(bulk) 또는 분말이고, 상기 금속 덩어리는 알루미늄, 구리, 마그네슘, 티타늄, 스테인리스스틸, 탄소나노튜브(CNT), 텅스텐, 코발트, 니켈, 주석 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속 덩어리이고, 상기 분말은 알루미늄, 구리, 마그네슘, 티타늄, 스테인리스스틸, 탄소나노튜브(CNT), 텅스텐, 코발트, 니켈, 주석 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 분말일 수 있다.
상기 제 2 빌렛이 분말인 경우, 상기 복합 빌렛을 제조하는 단계는 상기 제 1 빌렛의 내부에 상기 분말을 장입하는 단계, 및 상기 제 1 빌렛의 입구를 칩(chip) 형태의 빌렛으로 봉입하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 복합 빌렛은 상기 제 1 빌렛과 상기 제 2 빌렛 사이에 제 3 빌렛을 더 포함하고, 상기 제 3 빌렛은 알루미늄, 구리, 마그네슘, 티타늄, 스테인리스스틸, 탄소나노튜브(CNT), 텅스텐, 코발트, 니켈, 주석 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 분말일 수 있다.
상기 복합 빌렛을 제조하는 단계는 상기 제 1 빌렛의 내부에 상기 제 3 빌렛의 분말을 장입하는 단계, 및 상기 제 1 빌렛의 입구를 칩(chip) 형태의 빌렛으로 봉입하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 장입하는 단계는 상기 분말을 상기 제 1 빌렛의 내부에 넣고, 상기 분말을 압착할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 상기 이종 복합 형재의 제조 방법에 의하여 제조된 이종 복합 형재를 제공한다.
본 발명의 이종 복합 형재의 제조 방법은 이종 재료를 사용하여 한 가지 재료가 갖는 단점을 다른 재료를 사용하여 보완하고 극대화함으로써 새로운 다양한 기능을 갖는 복합 소재를 양산할 수 있고, 이종 재료를 사용함에도 종래의 대량 생산 방식인 직접 압출 설비를 활용할 수 있어 제조 공정이 간단하고 요구되는 설비 역시 상대적으로 단순하여 가격 경쟁력을 높아 양산에 적합하다.
도 1은 본 발명의 이종 복합 형재의 제조 방법의 공정 순서도이다.
도 2는 평다이스를 나타낸 사진이다.
도 3은 직접 압출시키는 단계에서 복합 빌렛의 형상이 변화하는 각각의 단계를 나타내는 그림이다.
도 4는 중공다이스를 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 제조된 복합 빌렛을 나타내는 사진이다.
도 6 및 도 7은 각각 본 발명의 실시예 1-3 및 실시예 1-4에서 제조된 제 1 빌렛의 입구를 칩 형태의 빌렛을 이용하여 봉입한 경우에 대한 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예에서 제조된 이종 복합 형재를 나타내는 사진이다.
도 9은 본 발명의 실험예 1에서 이종 복합 형재의 기계적 성질 측정한 결과를 나타내는 사진이다.
도 10는 본 발명의 실험예 2에서 이종 복합 형재의 확관시험 결과를 나타내는 사진이다.
도 2는 평다이스를 나타낸 사진이다.
도 3은 직접 압출시키는 단계에서 복합 빌렛의 형상이 변화하는 각각의 단계를 나타내는 그림이다.
도 4는 중공다이스를 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 제조된 복합 빌렛을 나타내는 사진이다.
도 6 및 도 7은 각각 본 발명의 실시예 1-3 및 실시예 1-4에서 제조된 제 1 빌렛의 입구를 칩 형태의 빌렛을 이용하여 봉입한 경우에 대한 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예에서 제조된 이종 복합 형재를 나타내는 사진이다.
도 9은 본 발명의 실험예 1에서 이종 복합 형재의 기계적 성질 측정한 결과를 나타내는 사진이다.
도 10는 본 발명의 실험예 2에서 이종 복합 형재의 확관시험 결과를 나타내는 사진이다.
이하, 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이종 복합 형재의 제조 방법은 속이 빈 원통 형상의 제 1 빌렛(billet)의 내부에 상기 제 1 빌렛과는 성분이 상이한 제 2 빌렛을 배치하여 복합 빌렛을 제조하는 단계(S10), 그리고 상기 복합 빌렛을 압출 다이스(extrusion dies)를 이용하여 직접 압출(direct extrusion)시키는 단계(S20)를 포함한다.
도 1은 상기 이종 복합 형재의 제조 방법의 공정 순서도이다. 이하, 상기 도 1을 참고하여 상기 이종 복합 형재의 제조 방법을 설명한다.
상기 도 1을 참고하면, 우선 속이 빈 원통 형상의 제 1 빌렛의 내부에 상기 제 1 빌렛과는 성분이 상이한 제 2 빌렛을 배치하여 복합 빌렛을 제조한다(S10).
상기 제 1 빌렛은 속이 빈 원통 형상으로서, 한쪽 입구가 막힌 캔(can) 형상이거나, 양쪽 입구가 뚫린 중공 원통 형상일 수 있다.
상기 속이 빈 원통 형상의 제 1 빌렛의 외부 직경 및 내부 직경은 본 발명에서 한정되지 않고, 적용되는 압출 설비에 따라 외부 직경 및 내부 직경은 다양하게 조절 가능하다. 다만, 상기 속이 빈 원통 형상의 제 1 빌렛의 두께는 상기 속이 빈 원통 형상의 제 1 빌렛의 제조시 압력과 하기 수학식 1과 같은 상관 관계를 가질 수 있다.
[수학식 1]
σ = P x (Do - 2t) / (2 x t)
(상기 수학식 1에서, σ는 제 1 빌렛의 원주 방향의 허용 인장 응력이고, P는 제 1 빌렛 제조시 최고 사용 압력이고, Do는 제 1 빌렛의 외부 직경이고, t는 제 1 빌렛의 두께이다)
예를 들어, 상기 제 1 빌렛의 소재를 알루미늄이라 가정하면 수직 방향의 허용 인장 응력은 180 MPa이고, 이때 원주 방향의 허용 인장 응력은 상기 수직 방향의 허용 인장 응력의 1/2로 나타낼 수 있으므로, 원주 방향의 허용 인장 응력 σ는 90 MPa이다.
그리고, 상기 제 1 빌렛 제조시 최고 사용 압력 P를 80 MPa로 적용하면, 외부 직경 Do이 4 inch(101.6 mm)인 제 1 빌렛의 경우, 90 MPa = 80 MPa x (101.6 - 2t) / 2t를 계산하면, 필요 두께 t는 23.9 mm임을 알 수 있고, 외부 직경 Do이 7 inch(177.8 mm)인 제 1 빌렛의 경우, 90 MPa = 80 MPa x (177.8 - 2t) / 2t를 계산하면, 필요 두께 t는 41.8 mm임을 알 수 있고, 외부 직경 Do이 10 inch(254 mm)인 제 1 빌렛의 경우, 90 MPa = 80 MPa x (254 - 2t) / 2t를 계산하면, 필요 두께 t는 59.8 mm임을 알 수 있다.
다만, 상기 제 1 빌렛 제조시 최고 사용 압력 P는 80 MPa 뿐만 아니라 필요에 따라 더 작은 압력 또는 더 큰 압력을 적용할 수 있으며, 이에 따라 제 1 빌렛의 필요 두께도 조절이 가능하다.
상기 제 1 빌렛의 성분은 알루미늄, 구리, 마그네슘, 티타늄, 스테인리스스틸, 탄소나노튜브(CNT), 텅스텐, 코발트, 니켈, 주석 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속일 수 있다. 상기 알루미늄은 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금일 수 있고, 상기 알루미늄 합금은 1000 번대 계열, 2000 번대 계열, 3000 번대 계열, 4000 번대 계열, 5000 번대 계열, 6000 번대 계열, 7000 번대 계열 및 8000 번대 계열로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 제 1 빌렛은 상기 금속 모재를 용융시킨 후, 주형에 주입하여 속이 빈 원통 형상으로 제조하거나, 기계 가공하여 제조할 수 있다.
상기 제 2 빌렛은 금속 덩어리(bulk) 또는 분말일 수 있다.
상기 제 2 빌렛이 금속 덩어리인 경우, 상기 제 2 빌렛은 구체적으로 원통 형상일 수 있고, 상기 복합 빌렛은 상기 원통 형상의 제 2 빌렛을 상기 제 1 빌렛의 내부에 배치시켜 제조할 수 있다. 이때, 상기 제 2 빌렛을 상기 제 1 빌렛의 내부에 배치시키는 방법으로는, 상기 제 2 빌렛의 금속 모재를 용융시켜 주형에 주입하여 원통 형상으로 제조하거나, 기계 가공하여 원통 형상으로 제조한 후, 이를 상기 제 1 빌렛 내부에 끼워 맞춤하여 제조할 수 있고, 또는 상기 용융된 금속 모재를 상기 제 1 빌렛 내부에 직접 주입하여 제조할 수도 있다.
상기 제 2 빌렛은 알루미늄, 구리, 마그네슘, 티타늄, 스테인리스스틸, 탄소나노튜브(CNT), 텅스텐, 코발트, 니켈, 주석 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속 덩어리일 수 있다. 상기 알루미늄은 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금일 수 있고, 상기 알루미늄 합금은 1000 번대 계열, 2000 번대 계열, 3000 번대 계열, 4000 번대 계열, 5000 번대 계열, 6000 번대 계열, 7000 번대 계열 및 8000 번대 계열로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있고, 상기 스테인리스는 오스테나이트계, 오스테나이트레라이트계, 페라이트계 및 마텐자이트계로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 제 2 빌렛은 서로 다른 재질을 가지는 여러 개의 봉 형상 빌렛들로 이루어질 수도 있다. 상기 제 2 빌렛을 이루는 봉 형상 빌렛들의 개수는 2개, 3개, 및 4개 이상일 수 있고, 본 발명에서 특별히 제한되지 않는다. 또한, 상기 봉 형상의 빌렛들은 각각이 원통 형상일 수 있고, 상기 봉 형상의 빌렛들은 서로 접합되어 하나의 원통 형상을 이룰 수도 있다.
한편, 상기 제 2 빌렛이 분말인 경우, 상기 복합 빌렛을 제조하는 단계(S10)는 상기 제 1 빌렛의 내부에 상기 분말을 장입하는 단계(S10-1), 및 상기 제 1 빌렛의 입구를 칩(chip) 형태의 빌렛으로 봉입하는 단계(S10-2)를 더 포함할 수 있다.
상기 분말을 장입하는 단계(S10-1)는 상기 분말 형태의 제 2 빌렛을 상기 제 1 빌렛의 내부에 장입한 후, 상기 분말을 고압으로 다져서 압착시킬 수 있다. 이때, 상기 분말을 압착시키는 압력도 상기 수학식 1에 의하여 계산할 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 빌렛의 소재를 알루미늄이라 가정하면 원주 방향의 허용 인장 응력 σ는 90 MPa이고, 상기 제 1 빌렛의 외부 직경 Do이 4 inch(101.6 mm)이고, 두께 t가 23.9 mm인 경우, 상기 분말을 압착시키는 압력은 80 MPa 이하이어야 함을 알 수 있다.
또한, 상기 분말을 압착시키는 하중은 5000 kgf 내지 50000 kgf, 구체적으로 5000 kgf 내지 7000 kgf일 수 있다. 상기 분말을 압착함에 따라, 이후 상기 복합 빌렛을 압출 다이스를 이용하여 직접 압출시키는 것이 가능해 진다. 상기 분말을 압착하는 조건이 5000 kgf 미만인 경우 제조된 이종 복합 형재에 기공이 발생할 수 있고, 50000 kgf를 초과하는 경우 높은 압력으로 인하여 상기 제 1 빌렛이 팽창할 수 있다.
상기 제 1 빌렛의 내부에 상기 분말을 장입한 후에는, 상기 제 1 빌렛의 입구를 칩(chip) 형태의 빌렛으로 봉입할 수 있다(S10-2).
상기 분말을 상기 제 1 빌렛 내부에 고압으로 다져서 압착시키더라도 상기 압출 다이스를 이용한 직접 압출시 일부 분말의 유실이 발생할 수 있다. 따라서, 상기 제 1 빌렛의 입구를 칩 형태의 빌렛으로 봉입함으로써, 상기 압출 다이스를 이용한 직접 압출시 일부 분말의 유실을 방지할 수 있다. 특히, 상기 분말을 압착한 후 상기 복합 빌렛을 예열시 높은 온도로 인해 고형화된 분말이 분리되어 흘러내릴 수 있는데, 상기 제 1 빌렛의 입구를 칩 형태의 빌렛으로 봉입함으로써, 상기 분말이 예열로 인하여 흘러내려 분해되는 현상을 방지할 수 있다.
상기 칩 형태의 빌렛은 상기 제 1 빌렛에 사용되는 금속을 모두 사용할 수 있고, 다만 칩 형태의 빌렛을 상기 제 1 빌렛과 동일한 재질로 사용할 필요는 없다. 상기 칩 형태의 빌렛은 고압 프레스를 이용하여 적절한 크기와 형태로 제조할 수 있다. 상기 칩 형태의 빌렛은 상기 분말이 장입된 후 상기 분말의 흘러내림을 방지해 주는 역할을 하며, 상기 칩 형태의 빌렛의 두께는 상기 분말이 흘러내리지 않을 수 있도록 하고, 압력을 견딜 수 있는 최소의 두께로 제조할 수 있다. 상기 칩 형태의 빌렛을 제 1 빌렛의 입구에 다져 넣는 방법은 상기 분말을 장입하는 방법과 동일한 방법을 사용할 수 있다.
상기 분말은 알루미늄, 구리, 마그네슘, 티타늄, 스테인리스스틸, 탄소나노튜브(CNT), 텅스텐, 코발트, 니켈, 주석 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 분말일 수 있다. 상기 알루미늄은 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금일 수 있고, 상기 알루미늄 합금은 1000 번대 계열, 2000 번대 계열, 3000 번대 계열, 4000 번대 계열, 5000 번대 계열, 6000 번대 계열, 7000 번대 계열 및 8000 번대 계열로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있고, 상기 스테인리스는 오스테나이트계, 오스테나이트레라이트계, 페라이트계 및 마텐자이트계로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
한편, 상기 복합 빌렛은 상기 제 1 빌렛과 상기 제 2 빌렛 사이에 제 3 빌렛을 더 포함할 수 있다. 상기 제 3 빌렛은 분말일 수 있는데, 상기 제 2 빌렛이 금속 덩어리인 경우, 상기 제 3 빌렛을 상기 제 1 빌렛과 상기 제 2 빌렛 사이에 배치함으로써 상기 제 1 빌렛과 상기 제 2 빌렛의 계면 접합 강도를 높일 수 있다.
상기 제 3 빌렛의 분말은 상기 제 2 빌렛의 분말에서 설명한 바와 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다. 또한, 상기 제 3 빌렛의 분말을 상기 제 1 빌렛과 상기 제 2 빌렛 사이에 장입시키는 방법도 상기 제 2 빌렛의 분말에서 설명한 바와 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다. 또한, 상기 제 3 빌렛을 장입한 후 상기 제 1 빌렛의 입구를 칩 형태의 빌렛으로 봉입할 수 있는데, 이에 대한 설명도 상기 제 2 빌렛의 분말에서 설명한 바와 동일하므로 반복적인 설명은 생략한다.
다음으로, 상기 복합 빌렛을 압출 다이스를 이용하여 직접 압출시켜 이종 복합 형재를 제조한다(S20).
상기 압출 다이스는 평다이스(Solid Dies), 중공다이스(Hollow Dies), 반중공다이스(Semi-Hollow Dies)일 수 있다. 도 2는 상기 평다이스를 나타내는 사진이다. 일 예로, 상기 평다이스는 봉 형상의 이종 복합 형재를 제조하는데 사용할 수 있고, 상기 중공다이스는 관 형상의 이종 복합 형재를 제조하는데 사용할 수 있다. 이하, 상기 압출 다이스가 중공다이스인 경우를 일 예로 상기 직접 압출 과정을 설명한다.
구체적으로, 상기 직접 압출시키는 단계(S20)는 상기 중공다이스에 의하여 상기 복합 빌렛이 원통 직경의 수직 방향으로 분할되는 복합 빌렛 분할 단계(S20-1), 상기 분할된 복합 빌렛들을 접합 챔버(chamber)에 주입하여 속이 빈 중공 형상으로 접합시키는 접합 단계(S20-2), 및 상기 속이 빈 중공 형상으로 접합된 복합 빌렛을 직접 압출하는 압출 단계(S20-3)를 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 직접 압출시키는 단계(S20)에서 상기 복합 빌렛의 형상이 변화하는 각각의 단계를 나타내는 그림이다.
상기 도 3을 참고하면, 우선 상기 복합 빌렛은 상기 중공다이스에 의하여 상기 원통 직경의 수직 방향으로 2개 이상으로 분할된다(S20-1). 참고로, 상기 도 3에서는 상기 복합 빌렛이 상기 중공다이스에 의하여 4 개로 분할되는 것이 예시되었다.
도 4는 상기 중공다이스를 나타낸 사진이다. 상기 도 4를 참고하면, 상기 중공다이스는 상기 복합 빌렛을 분할하고자 하는 개수에 따라 복수개의 구멍이 형성된 다이스이다. 상기 중공다이스의 구멍은 예를 들어 2개, 3개, 및 4개 이상일 수 있고 본 발명에서 특별히 제한되지 않는다. 상기 도 4에서는 상기 중공다이스가 4 개의 구멍을 가지는 것이 예시되었다.
다만, 상기 이종 복합 형재를 압출 다이스를 이용하여 직접 압출하고자 하는 경우, 상기한 바와 같이 상기 복합 빌렛 제조시 분말을 압착시키거나, 상기 칩 형상의 빌렛으로 제 1 빌렛의 입구를 봉입할 필요가 있다.
상기 분할된 복합 빌렛들은 접합 챔버(chamber)에 주입되어 챔버를 가득 채운 후(S20-2-1), 상기 분할된 복합 빌렛들이 다시 합쳐지면서 속이 빈 중공형상으로 접합된다(S20-2-1), 그 후 상기 속이 빈 중공 형상으로 접합된 복합 빌렛은 직접 압출된다(S20-3). 상기 방법에 의하여 제조된 상기 이종 복합 형재는 분할 후 접합되기 때문에 지름방향으로 2군데 이상의 압출 융착부가 존재할 수 있다.
상기 직접 압출시 온도는 350 ℃ 내지 550 ℃이고, 압출비는 15 내지 20일 수 있고, 상기 압출비는 상기 복합 빌렛의 단면적과 상기 이종 복합 형재의 단면적과의 비이다.
상기 이종 복합 형재의 제조 방법은 선택적으로 상기 제조된 이종 복합 형재를 열처리 등의 후처리 공정을 더 포함할 수 있다. 상기 이종 복합 형재의 제조 방법을 이용하는 경우 종래 일반적인 열처리 조건으로 열처리하여도 더 좋은 열처리 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 이종 복합 형재는 상기 이종 복합 형재의 제조 방법에 의하여 제조될 수 있다.
상기 이종 복합 형재는 내부가 빈 관 형상 또는 내부가 차 있는 봉 형상일 수 있고, 상기 이종 복합 형재는 이종 재료를 포함함에 따라 내부식성, 기계적 특성 및 가공성이 우수하다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 또한, 여기에 기재되지 않은 내용은 당 기술분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것으로 그 설명을 생략한다.
[제조예 1: 봉 형상의 이종 복합 형재의 제조]
(실시예 1-1 및 실시예 1-2)
직경이 100 mm이고, 두께가 30 mm이고, 알루미늄 합금(A6063) 재질의 속이 빈 원통 형상인 제 1 빌렛을 준비하였다. 직경이 40 mm이고, 알루미늄 합금(A3003) 재질의 원통 형상인 제 2 빌렛을 상기 제 1 빌렛 내부에 끼워 맞춤하여 복합 빌렛을 제조하였다.
상기 제조된 복합 빌렛을 구멍이 4 개인 중공다이스를 장착한 열간압출기(일본시마츠사, 모델 UH-500kN)를 이용하여, 하기 표 1에 기재된 빌렛 온도, 컨테이너(container) 온도, 금형 온도, 압력, 압출 속도 조건으로 각각 직접 압출하여 직경이 8 mm인 봉 형상의 이종 복합 형재를 제조하였다.
(실시예 1-3)
직경이 100 mm이고, 두께가 20 mm이고 알루미늄 합금(A6063) 재질의 속이 빈 원통 형상인 제 1 빌렛을 준비하였다. 직경이 40 mm이고 알루미늄 합금(A3003) 재질의 원통 형상인 제 2 빌렛을 상기 제 1 빌렛 내부에 배치하였다.
상기 제 1 빌렛과 상기 제 2 빌렛 사이의 틈새에 알루미늄 합금(A3003) 분말과 알루미늄 합금(A6063) 분말의 혼합 분말인 제 3 빌렛을 장입하고, UTM기에서 7,000 kgf으로 분말을 압착시킨 후, 직경이 60 mm, 두께가 10 mm 이고 알루미늄 합금 재질(A6063)인 칩 형상의 빌렛을 상기 제 3 빌렛 위에 다져 넣어 상기 제 1 빌렛의 입구를 봉입하여 복합 빌렛을 제조하였다.
상기 제조된 복합 빌렛을 구멍이 4 개인 중공다이스를 장착한 열간압출기(일본시마츠사, 모델 UH-500kN)를 이용하여, 하기 표 1에 기재된 빌렛 온도, 컨테이너(container) 온도, 금형 온도, 압력, 압출 속도 조건으로 직접 압출하여 직경이 8mm인 봉 형상의 이종 복합 형재를 제조하였다.
(실시예 1-4 및 실시예 1-5)
직경이 100 mm이고, 두께가 20 mm이고 알루미늄 합금(A6063) 재질의 속이 빈 원통 형상인 제 1 빌렛을 준비하였다.
상기 제 1 빌렛의 내부에 알루미늄 합금(A3003) 분말인 제 2 빌렛을 장입하고, UTM기에서 7,000 kgf으로 분말을 압착시킨 후, 직경이 60 mm이고, 두께가 10 mm이고 알루미늄 합금 재질(A6063)인 칩 형상의 빌렛을 상기 제 2 빌렛 위에 다져 넣어 상기 제 1 빌렛의 입구를 봉입하여 복합 빌렛을 제조하였다.
상기 제조된 복합 빌렛을 구멍이 4 개인 중공다이스를 장착한 열간압출기(일본시마츠사, 모델 UH-500kN)를 이용하여, 하기 표 1에 기재된 빌렛 온도, 컨테이너(container) 온도, 금형 온도, 압력, 압출 속도 조건으로 각각 직접 압출하여 직경이 8 mm인 봉 형상의 이종 복합 형재를 제조하였다.
(비교예 1-1)
상기 실시예 1-3과 동일하게 실시하되, 압출 다이스를 이용하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1-3과 동일하게 실시하여 이종 복합 형재를 제조하였다.
(비교예 1-2)
상기 실시예 1-3과 동일하게 실시하되, 상기 제 3 빌렛을 장입한 후 상기 칩 형상의 빌렛으로 상기 제 1 빌렛의 입구를 봉입하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 1-3과 동일하게 실시하여 이종 복합 형재를 제조하였다.
[제조예 2: 관 형상의 이종 복합 형재의 제조]
(실시예 2-1)
상기 실시예 1-1과 동일하게 실시하되, 하기 표 1에 기재된 조건으로 직접 압출하여 외경이 26 mm이고 내경이 20 mm인 관 형상의 이종 복합 형재를 제조하였다.
(실시예 2-2)
상기 실시예 1-3과 동일하게 실시하되, 상기 제 3 빌렛으로 알루미늄 합금(A3003) 분말만을 사용하고, 하기 표 1에 기재된 조건으로 직접 압출하여 외경이 26 mm이고 내경이 20 mm인 관 형상의 이종 복합 형재를 제조하였다.
(실시예 2-3)
상기 실시예 1-3과 동일하게 실시하되, 하기 표 1에 기재된 조건으로 직접 압출하여 외경이 26 mm이고 내경이 20 mm인 관 형상의 이종 복합 형재를 제조하였다.
(실시예 2-4)
상기 실시예 1-4와 동일하게 실시하되, 하기 표 1에 기재된 조건으로 직접 압출하여 26 mm이고 내경이 20mm인 관 형상의 이종 복합 형재를 제조하였다.
(비교예 2-1)
상기 실시예 2-3과 동일하게 실시하되, 압출 다이스를 이용하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 2-3과 동일하게 실시하여 이종 복합 형재를 제조하였다.
(비교예 2-2)
상기 실시예 2-3과 동일하게 실시하되, 상기 제 3 빌렛을 장입한 후 상기 칩 형상의 빌렛으로 상기 제 1 빌렛의 입구를 봉입하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예 2-3과 동일하게 실시하여 이종 복합 형재를 제조하였다.
| 구분 | 순번 | 형상 | 빌렛 온도(℃) | 컨테이너 온도(℃) | 금형온도(℃) | 압력 (kg/cm2) |
압출 속도 (mm/s) |
| 실시예1-1 | 1 | Φ8 환봉 | 472 | 407 | 468 | 138 | 2.64 |
| 실시예1-2 | 2 | Φ8 환봉 | 455 | 408 | 468 | 159 | 2.66 |
| 실시예2-1 | 3 | 20 X 26 | 472 | 407 | 468 | 170 | 4.94 |
| 실시예2-2 | 4 | 20 X 26 | 460 | 407 | 468 | 194 | 4.95 |
| 실시예1-3 | 5 | Φ8 환봉 | 480 | 407 | 468 | 155 | 2.76 |
| 실시예2-3 | 6 | 20 X 26 | 469 | 407 | 468 | 187 | 4.93 |
| 실시예1-4 | 7 | Φ8 환봉 | 464 | 407 | 468 | 178 | 2.64 |
| 실시예1-5 | 8 | Φ8 환봉 | 468 | 407 | 468 | 169 | 2.49 |
| 실시예2-4 | 9 | 20 X 26 | 486 | 407 | 468 | 205 | 4.78 |
| 비교예1-1 | 10 | Φ8 환봉 | 480 | 407 | 468 | 155 | 2.76 |
| 비교예1-1 | 11 | Φ8 환봉 | 480 | 407 | 468 | 155 | 2.76 |
| 비교예2-1 | 12 | 20 X 26 | 469 | 407 | 468 | 187 | 4.93 |
| 비교예2-1 | 13 | 20 X 26 | 469 | 407 | 468 | 187 | 4.93 |
도 5는 상기 실시예에서 제조된 복합 빌렛을 나타내는 사진이다. 상기 도 5에서 Sample 1은 상기 실시예 1-1에서 제조된 제 2 빌렛이 하나의 재질로 이루어진 금속 덩어리인 경우에 대한 사진이고, Sample 2는 상기 실시예 1-3에서 제조된 제 2 빌렛이 금속 덩어리이고, 분말 형태의 제 3 빌렛을 제 1 빌렛과 제 2 빌렛 사이에 장입한 경우에 대한 사진이고, Sample 3는 상기 실시예 1-4에서 제조된 분말 형태의 제 2 빌렛을 제 1 빌렛에 장입한 경우에 대한 사진이다. 상기 도 5에서 B1은 제 1 빌렛을 나타내고, B2는 제 2 빌렛을 나타내고, B3는 제 3 빌렛을 나타내고, CB는 복합 빌렛을 나타낸다.
또한, 도 6 및 도 7은 각각 상기 실시예 1-3 및 상기 실시예 1-4에서 제조된 제 1 빌렛의 입구를 칩 형태의 빌렛을 이용하여 봉입한 경우에 대한 사진이다.
또한, 도 8은 각각 상기 실시예에서 제조된 이종 복합 형재를 나타내는 사진이다.
[실험예 1: 이종 복합 형재의 기계적 성질 측정]
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 이종 복합 형재의 인장강도, 항복강도 및 연신률을 B0802(금속 재료 인장 시험 방법)으로 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2 및 도 9에 나타내었다. 구체적으로, 상기 표 1에서 Φ8.0 환봉 제품은 2호 인장시험편(봉재)을 이용하여 표점거리 50 mm, 단면적 49.26 mm2을 적용하여 나타난 시험 결과이고, Φ20x26 제품은 14C호 시험편(관재)으로 표점거리 100 mm, 단면적 209 mm2을 적용하여 나타난 시험 결과이다.
하기 표 2에서 인장시험(T-0)는 열처리 하지 않은 상태의 자연 시효 경화이고, 인장시험(T-5)는 열처리 후 인공 시효 경화이다.
| 구분 | 순번 | 인장시험(T-0) | 인장시험(T-5) | ||||
| 인장강도 (N/m2) |
항복강도 (N/m2) |
연신률 (%) |
인장강도 (N/m2) |
항복강도 (N/m2) |
연신률 (%) |
||
| 실시예1-1 | 1 | 135.76 | 129.19 | 27.72 | 227.53 | 195.68 | 25.12 |
| 실시예1-2 | 2 | 142.93 | 138.55 | 31.5 | 221.56 | 221.56 | 23.7 |
| 실시예2-1 | 3 | 144.5 | 측정fail | 74.84 | 186.97 | 186.97 | 측정fail |
| 실시예2-2 | 4 | 159.82 | 159.54 | 87.44 | 153.23 | 153.23 | 측정fail |
| 실시예1-3 | 5 | 154.08 | 150.69 | 28.98 | 186.92 | 186.92 | 측정fail |
| 실시예2-3 | 6 | 136.25 | 133.0 | 20.4 | 194.48 | 194.48 | 22.04 |
| 실시예1-4 | 7 | 179.56 | 175.38 | 측정fail | 252.42 | 252.42 | 14.06 |
| 실시예1-5 | 8 | 152.29 | 146.11 | 27.54 | 243.86 | 243.86 | 11.32 |
| 실시예2-4 | 9 | 120.11 | 114.71 | 측정fail | 114.95 | 88.83 | 19.88 |
상기 표 2를 참고하면, 상기 실시예 1-1, 1-2, 2-1의 경우, 복합 빌렛 제조시 제 1 빌렛에 제 2 빌렛이 삽입된 형태로 열처리/비열처리시 인장 강도가 현재 생산되는 제품 대비 우수함을 알 수 있다.
상기 실시예 2-2, 1-3, 2-3의 경우, 제 1 빌렛에 제 2 빌렛이 봉재가 삽입된 가운데 제 3 빌렛이 분말 형태로 압착된 형태로 열처리 후 강도 및 연신율이 약간 떨어짐을 알 수 있다.
상기 실시예 1-4, 1-5, 2-4의 경우, 제 1 빌렛에 제 2 빌렛이 분말 형태로 압축된 형태이며, 상기 실시예 1-1, 1-2, 2-1의 경우 대비 인장강도는 높으나 연신율이 떨어지는 형태로 강도가 요구되는 제품과 연신율이 요구되는 제품을 구분하여 생산 가능하다.
또한, 상기 표 2를 참고하면, 강한 재질(A6063)과 연한 재질(A3003)의 재료를 사용하여 이종 복합 형재를 압출하였는데, 열처리 시 강한 재질의 소재보다 인장강도가 높았으며, 비열처리 시 연한 재질의 소재보다 연신률이 높음을 알 수 있다.
[실험예 2: 이종 복합 형재의 확관 시험]
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 관 형상의 이종 복합 형재의 확관 시험을 Φ20x26 시편을 100 mm 길이로 절단하여 원뿔 형태의 확관 지그 상부에 고정하고 압축 시험기로 하중을 가하여 관이 크랙이 시작되는 지점에서의 외경을 측정하여 확관율을 계산하였고, 그 결과를 하기 표 3 및 도 10에 나타내었다.
하기 표 3에서 확관시험(T-0)는 열처리 하지 않은 상태의 자연 시효 경화이고, 확관시험(T-5)는 열처리 후 인공 시효 경화이다.
| 구분 | 순번 | 확관시험(T-0) | 확관시험(T-5) | ||||
| 내측확관률 (%) |
외측확관률 (%) |
최대확관률 (%) |
내측확관률 (%) |
외측확관률 (%) |
최대확관률 (%) |
||
| 실시예2-1 | 3 | 52.92 | 52.92 | 52.92 | 65.31 | 65.31 | 65.31 |
| 실시예2-2 | 4 | 20.0 | 41.54 | 41.54 | 26.15 | 26.15 | 26.15 |
| 실시예2-3 | 6 | 20.0 | 31.96 | 31.96 | 20.0 | 20.0 | 20.0 |
| 실시예2-4 | 9 | 10.0 | 30.0 | 30.0 | 측정fail | 측정fail | 측정fail |
상기 표 3을 참고하면, 제 1 빌렛에 봉 형태의 제 2 빌렛을 적용한 경우 확관율이 크고 품질도 가장 우수하게 나타났으며 열처리시에 확관율도 상승한 반면, 제 1 빌렛에 분말 형태의 제 2 빌렛을 적용한 경우 분말 비중이 큰 관계로 확관율이 낮게 나타났고 열처리시에는 미세 크랙이 많이 발생하여 확관율이 낮아진 것을 알 수 있다.
[실험예 3: 이종 복합 형재의 경도 측정]
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 이종 복합 형재의 비커스 경도를 측정하였고, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
| 구분 | 순번 | 비커스 경도(HV) | |||
| 1 | 2 | 3 | 4 | ||
| 실시예1-1 | 1 | 38 | 46 | 57 | 55 |
| 실시예1-2 | 2 | 35 | 37 | 49 | 53 |
| 실시예2-1 | 3 | 35 | 39 | 43 | 45 |
| 실시예2-2 | 4 | 54 | 49 | 50 | 51 |
| 실시예1-3 | 5 | 38 | 42 | 45 | 45 |
| 실시예2-3 | 6 | 64 | 56 | 63 | 49 |
| 실시예1-4 | 7 | 55 | 35 | 46 | 52 |
| 실시예1-5 | 8 | 51 | 55 | 54 | 45 |
| 실시예2-4 | 9 | 32 | 58 | 50 | 49 |
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 상기한 실시예는 본 발명의 특정한 일 예로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명의 권리범위는 후술할 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
Claims (12)
- 속이 빈 원통 형상의 제 1 빌렛(billet)의 내부에 상기 제 1 빌렛과는 성분이 상이한 제 2 빌렛을 배치하여 복합 빌렛을 제조하는 단계, 그리고
상기 복합 빌렛을 압출 다이스(extrusion dies)를 이용하여 직접 압출(direct extrusion)시키는 단계를 포함하며,
상기 압출 다이스(extrusion dies)는 중공다이스이고,
상기 직접 압출시키는 단계는 상기 중공다이스에 의하여 상기 복합 빌렛이 원통 직경의 수직 방향으로 분할되는 복합 빌렛 분할 단계,
상기 분할된 복합 빌렛들을 접합 챔버(chamber)에 주입하여 속이 빈 중공 형상으로 접합시키는 접합 단계, 및
상기 속이 빈 중공 형상으로 접합된 복합 빌렛을 직접 압출하는 압출 단계
를 포함하는 것인 이종 복합 형재의 제조 방법. - 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 중공다이스는 상기 복합 빌렛을 분할하고자 하는 개수에 따라 복수개의 구멍이 형성된 것인 이종 복합 형재의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 속이 빈 원통 형상의 제 1 빌렛의 두께는 상기 속이 빈 원통 형상의 제 1 빌렛의 제조시 압력과 하기 수학식 1의 상관 관계를 가지는 것인 이종 복합 형재의 제조 방법.
[수학식 1]
σ = P x (Do - 2t) / (2 x t)
(상기 수학식 1에서, σ는 제 1 빌렛의 원주 방향의 허용 인장 응력이고, P는 제 1 빌렛 제조시 최고 사용 압력이고, Do는 제 1 빌렛의 외부 직경이고, t는 제 1 빌렛의 두께이다) - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 빌렛의 성분은 알루미늄, 구리, 마그네슘, 티타늄, 스테인리스스틸, 탄소나노튜브(CNT), 텅스텐, 코발트, 니켈, 주석 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속인 것인 이종 복합 형재의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 빌렛은 금속 덩어리(bulk) 또는 분말이고,
상기 금속 덩어리는 알루미늄, 구리, 마그네슘, 티타늄, 스테인리스스틸, 탄소나노튜브(CNT), 텅스텐, 코발트, 니켈, 주석 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속 덩어리이고,
상기 분말은 알루미늄, 구리, 마그네슘, 티타늄, 스테인리스스틸, 탄소나노튜브(CNT), 텅스텐, 코발트, 니켈, 주석 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 분말인 것인 이종 복합 형재의 제조 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 2 빌렛이 분말인 경우,
상기 복합 빌렛을 제조하는 단계는
상기 제 1 빌렛의 내부에 상기 분말을 장입하는 단계, 및
상기 제 1 빌렛의 입구를 칩(chip) 형태의 빌렛으로 봉입하는 단계
를 더 포함하는 것인 이종 복합 형재의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 복합 빌렛은 상기 제 1 빌렛과 상기 제 2 빌렛 사이에 제 3 빌렛을 더 포함하고,
상기 제 3 빌렛은 알루미늄, 구리, 마그네슘, 티타늄, 스테인리스스틸, 탄소나노튜브(CNT), 텅스텐, 코발트, 니켈, 주석 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 분말인 것인 이종 복합 형재의 제조 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 복합 빌렛을 제조하는 단계는
상기 제 1 빌렛의 내부에 상기 제 3 빌렛의 분말을 장입하는 단계, 및
상기 제 1 빌렛의 입구를 칩(chip) 형태의 빌렛으로 봉입하는 단계
를 더 포함하는 것인 이종 복합 형재의 제조 방법. - 제 8 항 또는 제 10 항에 있어서,
상기 장입하는 단계는 상기 분말을 상기 제 1 빌렛의 내부에 넣고, 상기 분말을 압착하는 것인 이종 복합 형재의 제조 방법. - 삭제
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