KR101855587B1 - 수용해성 합금 용탕 치환 공정 및 이를 통해 제조된 다공성 금속 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물과 반응하여 용해될 수 있는, 수용해성 합금을 이용한 AMS 공정 및 이를 통해 제조된 다공성 금속에 관한 것으로, AMS 공정을 행할 수용해성 합금 조성과 혼합열 관계를 고려하여 선택된 원소군으로 구성된 다공체 모물질을 합금 용탕에 침지하여 이중연속합금을 제조하고, 이를 다시 물로 선택적 탈성분 부식하여 제조된 다공성 금속 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 수용해성 합금은, 물과의 반응성이 크면서도 고온 산화저항성이 큰 Ca 계 합금으로 기존의 탈부식 공정이 강산/강염기의 유독한 부식액에서 진행되었던 것과 달리 순수한 물만으로도 선택적 탈성분 부식 공정의 수행이 가능하다.
상기의 방법을 통해 제조된 금속 다공체는 합금의 우수한 기계적 특성에 추가하여, 높은 연신 등의 독특한 기계적 물성 및 넓은 표면적, 낮은 열 전도도 등의 독특한 특성을 보여 향후 신개념 기능성 금속재료로의 활용이 예상된다.

Description

수용해성 합금 용탕 치환 공정 및 이를 통해 제조된 다공성 금속 {WATER-LEACHABLE ALLOY MELT SWAPPING PROCESS AND THE POROUS METALS FABRICATED BY THIS METHOD}

본 발명은 물과 반응하여 용해될 수 있는, 수용해성 합금 용탕 치환 (Alloy melt swapping, AMS) 공정 및 이를 통해 제조된 다공성 금속에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 AMS 공정을 행할 수용해성 합금 조성과 혼합열 관계를 고려하여 선택된 원소군으로 구성된 다공체 모물질을 합금 용탕에 침지하여 원소간의 치환 과정을 통해 수용해성 합금을 포함하는 이중연속합금 (Bi-continuous alloy)을 제조하고, 이를 부식액이 아닌 순수한 물만으로 선택적 탈성분 부식하여, 제조된 다공성 금속 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

최근 다공성 금속은 우수한 연신 등의 기계적 특성을 이용한 구조용 소재의 영역은 물론, 넓은 표면적 및 낮은 열전도도 등의 기능 재료로써의 적용 가능성이 알려지면서 활발하게 연구되고 있으며, 이의 가장 간단하고 효과적인 제조 방법으로써 탈성분 부식 (Dealloying) 공정이 활발히 연구되고 있다. 하지만 기존의 탈성분 부식 공정은 구성 원소 간 부식 전위 차이에 의해 양극 역할을 할 수 있는 귀금속 계열의 금속만 제조 가능하다는 한계가 있었다. 이에 대한 해결책으로 최근 연구되고 있는 액상 금속 탈부식 (Liquid metal dealloying, LMD) 공정은 고온의 액상 금속으로 다공체 모물질 내 특정 원소를 탈부식 시킨 후 반응 부산물로 채워진 액상 금속 조성을 다공체 모물질로부터 부식액을 이용해 탈성분 부식하여 귀금속 이외에 낮은 부식 전위를 가지는 다공성 금속을 만드는 공정이다.

하지만 상기 LMD 공정의 경우, 쉽게 고온 대기 중 산화가 일어나는 순 마그네슘 액상 금속을 고온에서 장시간 유지시켜야 하는 점과, 다공체를 제조하기 위해 강산/강염기 등의 유독성 부식액을 사용해야 하는 등의 문제가 대두되고 있기 때문에 더욱 간편하고 효율적인 신공정 개발이 시급한 실정이다.

[문헌1] Advanced engineering materials. 2015. "Size Effects in the Mechanical Properties of Bulk Bicontinuous Ta/Cu Nanocomposites Made by Liquid Metal Dealloying" Ian McCue 등 7명, 46-50쪽 [문헌2] Carbon. 2016. "Three-dimensional bicontinuous porous graphite generated in low temperature metallic liquid" Seung-Geun Yu 등 4명, 403-410쪽

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 기존의 LMD 공정의 문제점으로 지적되어 왔던, 낮은 산화 저항성을 가지는 순 금속 액상에서 탈피하여 간편하고 효율적인 AMS 공정에 적용 가능한 수용해성 신합금을 설계하고, 기존의 부식액을 이용하던 단계를 순수한 물을 이용하는 공정으로 대체해 수용해성 탈부식 공정을 수행함으로써, 더욱 간편하고 효율적인 공정인 AMS 공정을 통해 제조된 다공성 금속 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 수용해성 합금 용탕 치환 (AMS) 공정은, 산화저항성이 우수한 수용해성 합금을 준비하는 단계; 상기 합금 원소들과 양(+) 및 음(-)의 혼합열 관계를 동시에 가지는 조성으로 다공체 모물질을 준비하는 단계; 준비한 모물질을 고온의 수용해성 합금 용탕에 침지하여 이중연속합금을 제조하는 단계; 및 상기 이중연속합금을 물에 침지하여 탈성분 부식 시킴으로써 다공성 금속을 제조하는 단계를 포함하여 구성된다.

이를 부연하면, 본 발명의 산화저항성이 우수한 수용해성 합금은 수용해가 가능한 금속 원소들(원소군 I)로 구성되며, 조성 제어를 통해 융점보다 높은 고온 대기 중의 산화 분위기에서도 안정적인 액상의 유지가 가능하게 하였다. 이때의 합금 용탕을 구성하는 원소군 I 은 수용해성이 우수한 Ca과 Mg으로 구성하여, 특히 Ca 계 합금으로 Ca_xMg_{100 -x} (단, 55≤x≤82 at.%)의 조성으로 표현되는 것을 특징으로 한다. 이는 충분히 낮은 융점을 확보하여 충분한 액상 안정성을 가지도록 Ca 계 공정 반응(Eutectic reaction) 근처 조성 영역에서 급격한 고온 산화 거동이 억제되는 조건인 융점이 600℃ 이하인 조성 영역과 순수한 물만으로도 0.1 mg/min. 이상의 속도로 탈성분 부식 공정을 수행할 수 있는 조성 영역의 교집합으로 한정하였다.

이와 더불어 다공체 모물질을 준비하는 단계로, 원소군 I 을 구성하는 원소들과 양(+)의 혼합열을 가지는 원소군 II; 및 음(-)의 혼합열을 가지는 원소군 III 으로 구성된 합금을 제조하였다. 이때, 상기 원소군 II 와 III 을 동시에 포함하는 다공체 모물질을 원소군 I 로 구성된 합금의 용탕에 침지하여, 반응 시킴으로써 제조한 이중연속합금을 다시 순수한 물에 침지하여, 수용해성 합금의 탈성분 부식 공정을 진행함으로써 다공성 금속을 얻는 단계를 포함한다.

이때, 본 발명에서 상기 액상 금속에 침지 될 다공체 모물질은 원소군 I 의 Ca 및 Mg과 모두 양(+)의 혼합열을 가지는 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Zr, Mo, Hf, Ta, W 및 Re 으로 구성된 원소군 II 에서 선택된 1 종 이상 및 원소군 I 의 Ca 및 Mg과 모두 음(-)의 혼합열을 가지는 Al, Si, P, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Pd, Ag, In, Sn, Pt, Au, Pb 및 Bi 으로 이루어진 원소군 III에서 선택된 1 종 이상의 원소가 반드시 포함되어 합금화 된 것을 특징으로 한다.

부연하면, 본 발명에 의한 다공체 모물질은 최종적으로 제조된 다공성 금속의 주원소로 작용할 원소군 II 에서 선택된 1 종 이상의 원소와, 고온의 합금 용탕과 반응하여 용해되어 빠져나갈 원소군 III 에서 선택된 1 종 이상의 원소로 합금화 된 것을 특징으로 한다. 이때 원소군 II 와 원소군 III 의 조성은 다음과 같이, (원소군 II)_{100- y}(원소군 III)_y (단, 5≤y≤95 at.%) 으로 표현된다. 이때 y의 값이 5 미만인 경우에는 선택적 탈성분 부식 후 다공성 금속이 그 구조를 유지하기가 어려우며, 95 초과인 경우에는 연결된 형태의 기공 구조를 탈성분 부식 공정을 통해 구현하는 것이 어렵다. 이와 같이 원료 준비 단계에서 원소군 II 와 원소군 III 조성비를 제어하여 최종적으로 얻어지는 다공체의 내부 기공도를 제어할 수 있으며, 이 밖에도 탈성분 부식 시 침지 시간 조절을 통해 선택적 탈부식 시간을 조절함으로써 시편의 깊이 방향으로 형성되는 기공도를 제어하는 것이 가능하다.

본 발명의 다른 형태에 의한 상기의 합금 용탕 치환 공정을 통해 제작된 다공성 금속은 원소군 II 를 구성하는 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Zr, Mo, Hf, Ta, W 및 Re를 주 원소로 하는 금속 재질과 그 내부에 기공을 구비한 것을 특징으로 한다. 이러한 금속 다공체는 기존의 금속 재료가 보이는 특성과 함께 기공에 의한 다공성 구조에 의한 특성이 추가됨으로써 독특한 물리적 특성을 나타낸다.

상기 금속 다공체는 AMS 공정을 통해 치환된 원소군 I 의 원소들이 주원소로 구성된 상과 원소군 II 에 의해 구성된 상을 동시에 포함하는 이중연속합금을 물에서 탈성분 부식하여 획득된 것일 수 있으며, 구성 원소의 조성 비율을 조절하여 내부 기공도가 제어될 수 있다.

이때 기공도 제어는 다공성 합금의 특성 제어에 있어 큰 역할을 하며, 본 발명의 금속 다공체는 이중연속합금을 순수한 물에서 전기화학적 탈부식 방법을 통해 선택적으로 탈성분 부식하여 제조됨으로써 부식 시간 등을 조절하여 내부 기공도를 제어할 수 있다.

상술한 바와 같이 수용해성 합금 기반 AMS 공정을 이용하면, 기존의 탈성분 공정과는 다르게 귀금속 이외의 낮은 부식 전위를 가지는 다양한 금속의 다공성 구조체를 기존의 공정 대비, 보다 간편하고 효율적으로 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 수용해가 가능한 Ca을 주 원소로 구성된 합금 조성은, 기존에 강산/강염기 등의 유독한 부식액에서 탈성분 부식 공정을 진행하던 것 대신에, 순수한 물만으로도 0.1 mg/min 이상의 빠른 속도로 탈성분 부식 공정을 진행할 수 있어 경제적이며 안전하다. 뿐만 아니라, 상기의 합금 조성은 고온에서 우수한 산화저항성을 가지도록 공정 반응을 중심으로 주변 조성을 특정하여 제조하였기 때문에, 기존에 LMD 공정에 사용되던 단일 금속 조성의 용탕 보다 우수한 액상 안정성을 가지며, 고온 환경의 대기 중에서 더욱 우수한 산화 저항성을 나타내는 효과가 있다.

나아가, 본 발명에서 제공하는 다공성 금속은 금속 재질 내부에 기공이 분포하는 구조로써, 기본적인 금속 재료가 가지는 우수한 기계적 특성에 더하여, 다공성 구조에 의한 높은 연신 및 넓은 표면적 등의 특성이 추가될 수 있다.

도 1은 본 발명 전체 공정을 간략히 도식화한 도면이다.
도 2는 본 발명의 수용해성 합금 조성을 Ca-Mg 이원계 상태도에 도시한 것이다.
도 3은 (a) 순 칼슘과 (b) 본 발명 칼슘 합금 용탕의 대기 중 산화 저항성 차이를 보여주는 사진이다.
도 4는 주기율표에 본 발명의 원소군 I, II 및 III 의 구성 원소를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예로 Ti 다공체 모물질 조성인 Ti-Cu 합금과 Ca 계 합금 구성 원소 간 혼합열 관계를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시예로 Ti 다공체 모물질 조성인 Ti₂₅Cu₇₅를 Ca₇₃Mg₂₇ 합금 용탕에 10 분간 침지 시켜 제조된 이중연속합금 표면을 주사전자현미경(SEM) 및 에너지 분산형 분광 분석법(EDS, Energy dispersive spectroscopy)으로 분석한 결과이다.
도 7은 본 발명의 Ti 다공체 모물질 조성인 Ti₂₅Cu₇₅를 Ca₇₃Mg₂₇ 합금 용탕에 침지 시켜 제조된 이중연속합금의 물을 이용한 선택적 탈부식 공정 전후 X-선 회절 분석(XRD) 결과이다.
도 8은 제조된 이중연속합금을 물에서 탈성분 부식한 이후의 표면 이미지로, 설계된 액상 금속에 모합금을 침지 시킨 시간을 (a) 5 분, (b) 10 분 및 (c) 20 분으로 변화시켜가면서 나타난 미세구조의 변화를 주사전자현미경을 통해 분석한 이미지이며, (d)는 침지 시간에 따른 리가먼트(ligament)의 두께 변화를 피팅(fitting)한 결과이다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명은 물과 반응하여 용해될 수 있는, 수용해성 합금 용탕 치환 (Alloy melt swapping, AMS) 공정 및 이를 통해 제조된 다공성 금속에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 AMS 공정을 행할 수용해성 합금 조성과 혼합열 관계를 고려하여 선택된 원소군으로 구성된 다공체 모물질을 합금 용탕에 침지하여 이중연속합금을 제조하고, 이를 다시 물로 선택적 탈성분 부식하여 제조된 다공성 금속 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 도 1은 본 발명의 수용해성 합금 용탕 치환 공정을 통해 다공성 금속을 제조하기 위한 전체 공정을 개략적으로 나타낸 도식이다. 본 발명의 수용해성 합금 용탕은 융점 이상의 고온 대기 분위기에서 기존의 순 금속 용탕 보다 산화 저항성이 우수한 것과 동시에, 물에서 쉽게 탈성분 부식이 가능하도록 하기 위하여, 물과 반응성이 큰 것으로 알려진 Ca과 Mg (원소군 I)을 주 원소로 하고 넓은 액상 안정 영역을 가지는 공정 (Eutectic) 합금 근처 조성으로 최적화 하여 선택적으로 제조하였다.

이때, 상기 액상 금속에 침지 시킬 다공체 모물질은 상기 수용해성 합금 (A)과 특별한 혼합열 관계 (B+C)에 의해 AMS 공정을 통해 쉽게 이중연속합금 (A+B)을 구성할 수 있게 하였으며, 해당 이중연속합금 중 수용해성 합금으로 구성된 A 를 다시 순수한 물에서 선택적 탈성분 부식하는 방법을 통해 내부에 기공을 포함하는 B 합금 다공체를 제조하였다. 부연하면, 본 발명의 AMS 공정에서 액상 금속 합금을 구성하는 원소군 I (A)과 양(+)의 혼합열을 가지는 원소군 II (B) 및 음(-)의 혼합열을 가지는 원소군 III (C)의 원소를 동시에 합금화 하여 다공체 모물질 (B+C)을 제조하였다. 이때, 이 모물질을 고온의 상기 합금 용탕에 침지하여, 원소군 I (A)과 원소군 III (B)간의 반응을 촉진 시켜 합금 용탕으로 원소군 III 의 원소들이 용해되어 나오도록 유도하였으며, 이와 동시에 다공체 모물질 내의 원소군 III (C) 에 의해 차지 되었던 자리가 원소군 I (A)로 치환되어 최종적으로 물과 큰 반응성을 가지는 원소군 I (A)과 물과 반응성이 없는 원소군 II (B)간의 이중연속합금 (A+B)이 얻어졌다. 이후, 이 (A+B) 합금을 순수한 물에 침지하여 탈성분 부식 공정을 진행함으로써 원소군 II (B)를 주 원소로 하는 다공성 합금을 제조하였다.

수용해성 합금 제조

본 발명의 합금 용탕을 구성하는 금속 원소는 1) 다공체 모물질을 침지 하였을 때 모물질 자체를 녹이지 않을 정도의 낮은 융점을 가져야 하며, 2) 대기 중에서 용해시키더라도 쉽게 산화 되지 않는 우수한 산화 저항성이 필요하고, 마지막으로 3) 순수한 물에 침지 하여도 부식액 분위기에서와 유사하게 탈성분 부식이 가능하도록 수용해성 물질로 구성되어야 하는 등의 조건이 필요하다.

이를 위하여 수용해성 합금을 구성하는 원소군 I (A)로써, 물과 활발히 반응하는 것으로 알려진 Ca과 Mg을 선택하여 0.1 mg/min 이상의 빠른 속도로 수용해가 가능한 조성 영역을 한정하였으며, 또한 도 2에서와 같이 해당 합금의 녹는점을 감소 시키고 액상의 안정성을 높여 대기 중 산화 저항성을 높이고자 Ca 계 공정 조성인 Ca₇₃Mg₂₇을 기준으로 하여 융점이 600℃ 이하인 조성 영역을 선택하여, 교집합 영역인 Ca_xMg_{100 -x} (단, 55≤x≤82 at.%)로 한정하였다. Ca 함량이 한정 영역보다 많아지면 산화에 대한 저항성이 크게 떨어지고, Ca의 함량이 한정 영역보다 작아지는 경우는 수용해 속도가 크게 저하되는 한계를 나타낸다.

상기 과정을 통해 한정된 수용해성 합금 모원소들은 유도된 전자기장에 의해 교반 효과를 가져 균일한 용해가 가능한 고주파 유도 용해 (induction melting)를 통해 아르곤 분사 분위기에서 모합금을 제조하였다. 하지만 정밀한 온도 제어 및 진공 조건 제어 등이 용이한 저항로 등의 기타 상용 가열 공정을 통해서도 모합금 제조가 가능하다. 도 3에 도시한 바와 같이 a) 순수한 Ca 액상이 1 분만에 급격하게 산화가 진행된 것과는 다르게, b) 본 발명의 Ca 계 합금 용탕의 경우 간단한 아르곤 분사 분위기에서도 급격히 산화되지 않고 양호한 액상 표면 상태를 유지하는 것을 확인할 수 있다.

다공체 모물질 제조

본 발명의 다공체 모물질은 도 4에 도시된 것과 같이 LMD 공정의 액상 금속 합금 조성과 특별한 혼합열 관계를 가지는 원소군 II 와 원소군 III 의 조합으로 구성되도록 하여, 아크멜팅법 (Arc-melting)을 통해 제조되었다. 아크멜팅법은 아크플라즈마를 통해서 고온을 구현할 수 있기 때문에, 빠르게 벌크 형태의 균질한 고용체를 성형할 수 있고 산화물과 기공 등의 불순물을 최소화할 수 있기 때문에 선택되었다. 이러한 아크멜팅법 이외에도 용해 중 전자기장에 의한 교반효과가 있는 고주파 유도 용해법, 그리고 정밀한 온도 제어가 가능한 저항 가열법 및 전율 고용체의 형성이 유리한 급랭 응고법 등의 주조 공정을 통해 제조하는 것이 가능하다. 이와 더불어, 고융점 금속의 직접 용해가 가능한 주조법 뿐만 아니라, 원료를 분말 등으로 제조하여 분말 야금법을 이용해 스파크 플라즈마 소결 (Spark Plasma Sintering) 혹은 열간 정수압 소결(Hot Isostatic Pressing)을 이용하여 고온/고압으로 소결하여 제조할 수 있으며, 소결법에 의한 경우에는 보다 정밀한 미세 조직 제어 및 원하는 형상의 모물질 제조가 용이한 장점이 있다.

이때, 액상 금속 합금 조성인 원소군 I 을 구성하는 원소들과 양(+)의 혼합열을 가져 고온의 액상 금속 내에서도 반응하지 않고 모물질 내에서 위치를 유지함으로써, 후공정인 선택적 탈성분 부식시에 다공성 금속의 주원소로 작용할 원소들을 포함하는 원소군 II 의 주요 구성 원소로 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Zr, Mo, Hf, Ta, W 및 Re 을 선택하였으며, 상기 모합금이 해당 원소군에서 반드시 1 종 이상의 원소를 포함하도록 하였다.

추가적으로 원소군 I 과 음(-)의 혼합열을 가져 쉽게 고온의 액상 금속과 반응하여 용해되어 나옴으로써, 모물질 내에서 원소군 I 의 구성 원소들과 위치를 교환할 수 있는 원소군 III 의 주요 구성 원소로 Al, Si, P, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Pd, Ag, In, Sn, Pt, Au, Pb 및 Bi 를 반드시 1 종 이상 포함하도록 하였다.

이를 종합하면, 상기 조건으로 제조한 다공체 모물질을 원소군 I (A)로 이루어진 합금의 고온 액상 금속에 침지 하였을 때, 원소군 I (A)과 반응하지 않은 원소군 II (B)는 다공체 모물질에 잔류해 있고, 기존 원소군 III (C)이 차지하고 있던 자리가 액상 금속과의 반응을 통해 원소군 I (A)에 의해 치환되면서, 원소군 I (A)과 원소군 II (B)사이의 이중연속합금 (A+B)이 제조될 수 있다.

본 발명의 실시예로 Ti 다공체 모물질 조성인 Ti-Cu 합금과 Ca 계 합금 구성 원소 간 혼합열 관계를 나타낸다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이 다공체 모물질은 합금 용탕의 주 원소인 Ca 및 Mg와 양(+)의 혼합열을 가지는 원소군 II 에서 선택되어, 다공성 금속의 주원소로 작용하는 Ti와 Ca 및 Mg와 음(-)의 혼합열을 가지는 원소군 III 에서 선택되어, Ca계 합금 용탕으로 용해되어 나올 구성원소로써 Cu를 포함한다. 이때 다공체 모물질을 구성하는 원소군 II 와 원소군 III 의 조성은 (원소군 II)_{100- y}(원소군 III)_y (단, 5≤y≤95 at.%) 으로 표현된다. 이때 y의 값이 5 미만인 경우에는 선택적 탈성분 부식 후 다공성 금속이 그 구조를 유지하기가 어려우며, 95 초과인 경우에는 연결된 형태의 기공 구조를 탈성분 부식 공정을 통해 구현하는 것이 어렵다. 본 발명의 실시예에서는 원소군 I 과 원소군 III 간의 반응 용이성을 위해 공정 조성인 Ti₂₅Cu₇₅의 모물질을 제조하였으며, 이러한 공정 조성 영역을 갖는 다공체 모물질은 낮은 용융점으로 인해 원소군 I 과 II 간의 치환 반응의 속도를 증가시켜, AMS 공정 효율을 향상시키는데 유리할 수 있다.

수용해를 통한 다공성 금속의 제조

상기와 같이 제조한 액상 금속 모합금 (A)과 다공체 모물질 (B+C)을 통해 AMS 공정을 진행하여 이중연속합금 (A+B)을 제조하고, 이를 물에서 수용해 시키는 방법으로 선택적 탈성분 부식 공정을 진행하여 다공성 금속 (B)을 제조하였다. 부연하면, 먼저 본 발명의 수용해성 Ca계 모합금을 용해하여 금속 용탕을 제조한 후, Ti 다공체 제조를 위해 공정 조성인 Ti₂₅Cu₇₅ 모합금 (B+C)을 침지하여 용탕 온도와 침지 시간 변화에 따른 이중 구조 합금 (A+B)의 미세구조 변화를 고찰하였다.

도 6은 본 발명의 실시예로 Ti 다공체 모물질 조성인 Ti₂₅Cu₇₅를 Ca₇₃Mg₂₇ 합금 용탕에 10 분간 침지시켜 제조된 이중연속합금 표면에서 a) 주사전자현미경을 통한 단면 이미지 및 b) EDS 분석을 통한 성분 분석 결과를 나타낸다. 이때, 도 6의 (a)에서 알 수 있는 것과 같이 AMS 공정을 통해 얻어진 이중연속합금이 밝은 색을 보이는 Ti의 조성 영역 (B)과, 어두운 색을 보이는 Ca-rich 조성 영역 (A)으로 확연히 구분 된 것을 확인 할 수 있으며, 이는 도 6의 b) 내지 d)의 EDS 분석 결과 및 매핑 (Mapping) 결과와도 일치한다.

이때 해당 공정의 합금 용탕의 온도가 높을수록 AMS 공정을 통한 이중연속합금 형성 속도가 빨라졌으며, 침지 시간이 길어질수록 최종 다공체 두께와 대응되는 이중 구조 합금의 리가먼트 두께가 순차적으로 증가 (5 분 0.5 ㎛, 10 분 1.5 ㎛, 20 분 4 ㎛) 하였다.

도 7은 본 발명의 실시예로, Ti₂₅Cu₇₅ 조성의 Ti 다공체 모물질을 Ca₇₃Mg₂₇ 합금 용탕에 10 분간 침지 시켜 제조된 이중연속합금 및 이를 다시 순수한 물에서 선택적 탈부식 하여 제조한 다공성 합금의 X-선 회절 분석 결과이다. 본 발명에서는 상기 이중연속합금을 구성하는 Ca-rich 조성 영역의 완전한 용해를 위하여, 순수한 물에서 48 시간 동안 탈성분 부식 공정을 진행하였다. 도면의 (a)에서 알 수 있는 바와 같이, 물에서의 탈성분 부식 공정 전에는 이중연속합금을 구성하는 Ca 계의 석출상과 다공성 합금의 리가먼트(ligament)를 구성할 Ti-rich의 합금 상이 혼재되어 있는 것을 확인할 수 있는 반면, 물을 이용해 탈성분 부식을 진행한 이후의 결과(b)에서는 상기의 Ca 계 석출상이 0.15 mg/min의 빠른 속도로 대부분 제거되고, Ti-rich 조성의 다공성 합금의 피크(peak)가 관찰되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 본 발명의 액상 금속인 Ca 계 합금이 다공체 모물질과 효과적으로 이중연속합금을 구성하고 물을 통해 용이하게 선택적 탈성분 부식 공정이 진행될 수 있음을 보여준다. 이때, 탈성분 부식 시간을 조절하여 제 2상을 완전히 제거하는 것도 가능하고, 기공도 조절을 위하여 일부를 잔류시키는 것도 가능하다. 부연하면, 탈성분 부식 공정에 사용되는 부식 용액의 농도나 종류, 혹은 공정 시간이나 온도 등의 공정 조건을 변화시키는 방법으로 기공도를 조절 할 수 있다.

도 8은 다공체 모물질의 합금 용탕 내 침지 시간을 각각 (a) 5 분, (b) 10 분, (c) 20 분으로 달리하여 제조된 이중연속합금을 물을 이용해 탈성분 부식 한 후의 표면을 주사전자현미경을 통해 관찰한 이미지이다. 해당 도면의 (a) 내지 (c)에 나타난 것과 같이 AMS 공정 시간을 증가시킴에 따라 Ti 조성 영역과 액상 금속 조성 영역 간 리가먼트의 두께의 순차적 증가를 통해 미세구조를 변화를 유발할 수 있음을 확인하였으며, 이를 통해 다공체의 특성을 제어하는 것 역시 가능하다. 이를 확인하기 위하여 (d)에 나타난 것과 같이 합금 용탕 내 모물질 침지 시간에 따른 리가먼트 두께를 피팅하였으며, 상기의 결과에 따라 선형적인 증가 관계를 보이는 것을 확인하였다. 이는 일반적으로 이중연속합금이 제조될 때, 도면에 나타난 식과 같이 원소간의 위치 교환에 재료 표면을 통한 확산 메커니즘(Mechanism)이 작용하는 것으로 사료된다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

1. 합금용탕치환(AMS) 공정을 위한 산화 저항성이 우수한 수용해성 합금을 준비하는 단계;
   산화 분위기에서 합금용탕치환 공정을 진행하여 이중연속합금을 제조하는 단계; 및
   순수한 물을 이용하여 선택적 탈성분 부식으로 수용해성 합금을 제거하여 다공성 금속을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화저항성이 우수한 수용해성 합금용탕치환 공정을 통한 다공성 합금의 제조 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   합금용탕치환(AMS) 공정을 위한 산화 저항성이 우수한 수용해성 합금을 준비하는 단계가 Ca 과 Mg 간의 2원계 합금을 통해 수행되는 것을 특징으로 하는 산화저항성이 우수한 수용해성 합금용탕치환 공정을 통한 다공성 합금의 제조 방법.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 Ca 과 Mg 간의 2원계 합금의 조성이 수용해성이 우수한 Ca-rich 공정점(Ca₇₃Mg₂₇)을 포함하며,
   융점이 600℃ 이하인 합금 영역을 선택함으로써 액상에서 우수한 산화 저항성을 가져 Ca_xMg_100-x(단, 55≤x≤82 at.%)로 표현되는 것을 특징으로 하는 산화저항성이 우수한 수용해성 합금용탕치환 공정을 통한 다공성 합금의 제조 방법.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   산화 분위기에서 합금용탕치환 공정을 진행하여 이중연속합금을 제조하는 단계가 주 원소인 Ca 및 Mg (원소군 I)과 양(+)의 혼합열을 가지는 V, Cr, Mn, Fe, Co, Mo 및 Re 의 원소군 II 에서 선택된 1 종 이상,
   원소군 I 과 음(-)의 혼합열을 가지는 Al, Si, P, Zn, Ga, Ge, Pd, Ag, In, Sn, Pt, Au, Pb 및 Bi 으로 이루어진 원소군 III 에서 선택된 1 종 이상의 원소로 구성된 조성으로 모합금을 이용하는 것을 특징으로 하는 산화저항성이 우수한 수용해성 합금용탕치환 공정을 통한 다공성 합금의 제조 방법.
   
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6. 청구항 1에 있어서,
   산화 분위기에서 합금용탕치환 공정을 진행하여 이중연속합금을 제조하는 단계가 상기 산화저항성이 우수한 수용해성 합금에서 합금용탕치환 공정을 진행함으로써,
   특별한 진공 분위기 이외의 산화 분위기에서도 간단히 수용해성 합금상을 포함하는 이중연속합금을 제조하는 것을 특징으로 하는 산화저항성이 우수한 수용해성 합금용탕치환 공정을 통한 다공성 합금의 제조 방법.
   
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8. 청구항 1에 있어서,
   순수한 물을 이용하여 선택적 탈성분 부식으로 수용해성 합금을 제거하여 다공성 금속을 제조하는 단계가 Ca 및 Mg 으로 구성된 수용해성 합금상을 포함하는 이중연속합금을 순수한 물만으로 탈성분 부식하여 다공성 금속을 제조하는 것을 특징으로 하는 산화저항성이 우수한 수용해성 합금용탕치환 공정을 통한 다공성 합금의 제조 방법.
   
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11. 합금용탕치환(AMS) 공정을 위한 산화 저항성이 우수한 수용해성 합금을 준비하는 단계;
    산화 분위기에서 합금용탕치환 공정을 진행하여 이중연속합금을 제조하는 단계; 및
    순수한 물을 이용하여 선택적 탈성분 부식으로 수용해성 합금을 제거하여 다공성 금속을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화저항성이 우수한 수용해성 합금용탕치환 공정을 통한 다공성 합금.
    
12. 청구항 11에 있어서,
    산화 분위기에서 합금용탕치환 공정을 진행하여 이중연속합금을 제조하는 단계가 주 원소인 Ca 및 Mg (원소군 I)과 양(+)의 혼합열을 가지는 V, Cr, Mn, Fe, Co, Mo 및 Re 의 원소군 II 에서 선택된 1 종 이상,
    원소군 I 과 음(-)의 혼합열을 가지는 Al, Si, P, Zn, Ga, Ge, Pd, Ag, In, Sn, Pt, Au, Pb 및 Bi 으로 이루어진 원소군 III 에서 선택된 1 종 이상의 원소로 구성된 조성으로 모합금을 이용하는 것을 특징으로 하는 산화저항성이 우수한 수용해성 합금용탕치환 공정을 통한 다공성 합금.
    

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