KR19990018885A - 알루미나/알루미늄 복합체의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내마모부재나 구조재에 이용되는 세라믹/금속 복합체의 제조방법에 관한 것이며, 그 목적은 복합체 내부의 기공을 줄여 파괴인성 및 강도를 향상시키기 위한 알루미나/알루미늄 복합체의 제조방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 로안의 도가니에 장입되어 서로 접촉하고 있는 세라믹 프리폼(preform)과 용융알루미늄을 일정온도로 일정시간 유지하여 용융알루미늄이 세라믹과 치환반응하도록 하는 알루미나/알루미늄 복합체를 제조하는 방법에 있어서, 상기 도가니에 장입된 세라믹 프리폼과 용융알루미늄의 접촉은, 상기 용융알루미늄이 세라믹 프리폼의 일면에 접촉하도록 하여 용융알루미늄이 세라믹 프리폼의 일방향으로 침투하여 반응되도록 하는 알루미나/알루미늄 복합체의 제조방법에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

알루미나/알루미늄 복합체의 제조방법

본 발명은 내마모부재나 구조재에 이용되는 세라믹/금속 복합체의 제조방법에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 복합체의 기공을 줄여 파괴인성 및 강도를 향상시키기 위한 알루미나/알루미늄 복합체의 제조방법에 관한 것이다.

세라믹/금속복합체는 파괴에 대한 저항성이 강한 재료로 내마모부재나 구조재 및 기계적 충격이 강하게 작용하는 곳에 많이 이용되고 있다.

이러한 세라믹/금속 복합체의 제조방법으로는 여러 가지 방법들이 알려져 있다. 그 제조방법으로는 먼저, 세라믹 분말이나 휘스커를 금속분말과 혼합하여 불활성 분위기에서 열처리함으로써 복합체를 얻거나, 또는 다공성의 세라믹 소결체 즉, 세라믹 프리폼(preform)을 만든 후 이 프리폼에 용융금속을 물리적으로 침투시켜 복합체를 제조하는 방법이 있다. 이 방법들은 복합체의 균질성을 확보하기가 어려우며, 제조공정상의 어려움도 많이 따른다.

또 다른 방법으로 용융금속을 기상과 직접 반응시켜 복합체를 얻는 방법이 있는데, 이 방법은 복합체의 형상이나 미세구조제어에 어려움이 있다.

최근, 위에서 언급한 방법들의 단점을 극복하기 위한 새로운 방법으로 세라믹 프리폼과 용융금속 사이의 치환반응에 의하여 복합체를 얻는 방법(이하, '용융금속 치환반응법' 이라함)이 연구되고 있다.

상기 용융금속 치환법은 일정온도의 조건에서 용융금속과 세라믹 프리폼을 일정시간 접촉시키기만 하면 복합체의 형상을 얻을 수 있는 것으로서, 그 치환반응은 상기 용융금속이 세라믹내부로 침투하면서 일어나는 것이다,

알루미나/알루미늄 복합체를 제조하는 방법의 경우 일정온도로 유지된 도가니 내부에 용융알루미늄과 실리카(SiO₂) 프리폼을 접촉시키면 용융알루미늄이 프리폼의 내부로 침투하게 되고, 이어 하기식 1과 같은 화학적인 치환반응에 의해 규소(Si)는 세라믹 프리폼의 밖으로 나오게 되고, 이와 동시에 프리폼의 형상이 알루미나/알루미늄으로 대체되면서 비교적 쉽게 알루미나/알루미늄 복합체를 얻을 수 있다.

3SiO₂+ 4Al → 2Al₂O₃+ 3Si

이러한 치환반응은 세라믹 프리폼의 형상에 가까운 복합체를 얻을 수 있는 장점이 있다.

그런데, 용융금속 치환반응법은 세라믹 프리폼 내부에 기공이 존재하는 경우 복합체의 생성반응이 완료되더라도 세라믹 프리폼의 내부에 기공이 존재하게 되고, 이러한 기공은 그 제거가 매우 힘들다. 이러한 기공을 제거하기 위한 수단으로서 복합체의 생성반응을 진공분위기에서 진행하는 방법이 있지만 제조공정이 어렵고 복잡하기 때문에 효율적이지 못하다.

이에, 본 발명은 상술한 종래문제를 해결하기 위해 안출된 것으로써, 알루미나/알루미늄 복합체의 기공을 보다 간단한 방법으로 줄일 수 있는 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 종래방법에 따라 용융 알루미늄이 세라믹 프리폼의 전반향으로 침투되어 가는 것을 나타내는 모식도

도 2는 본 발명에 따라 용융알루미늄이 세라믹 프리폼의 일면에만 위치하여 일방향 침투반응을 일으키는 것을 나타내는 모식도

도 3은 종래 방법 및 본 발명에 따라 제조된 알루미나/알루미늄 복합체의 미세구조를 나타내는 사진

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 도가니 2 : 용융알루미늄

3 : 세라믹 프리폼 4 : 알루미나 분말

5 : 최종형상 6 : 제거부

7 : 세라믹 프리폼 지지대 10 : 로

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 로안의 도가니에 장입되어 서로 접촉하고 있는 세라믹 프리폼(preform)과 용융금속을 일정온도로 일정시간 유지하여 용융알루미늄이 세라믹과 치환반응하도록 하는 알루미나/알루미늄 복합체를 제조하는 방법에 있어서,

상기 도가니에 장입된 세라믹 프리폼과 용융알루미늄의 접촉은, 상기 용융알루미늄이 세라믹 프리폼의 일면에 접촉하도록 하여 용융금속이 세라믹 프리폼의 일방향으로 침투하여 반응되도록 하는 것을 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 도면을 통하여 상세히 설명한다.

일반적으로 알루미나/알루미늄 복합체 제조를 위한 용융금속 치환반응은, 상술한 바와 같이, 도가니에 장입되어 접촉하고 있는 세라믹 프리폼(preform)과 용융알루미늄을 일정온도로 일정시간 유지하여 용융 알루미늄의 세라믹과 치환반응하도록 하는 것이다. 이때의 치환반응은 용융알루미늄이 세라믹 프리폼의 내부로 침투해 들어가 세라믹과 화학반응하는 것이다.

본 발명에 의하면, 세라믹 프리폼의 내부에 존재하는 기공을 알루미늄으로 완전히 채우기 위해서는 용융알루미늄의 침투방향이 무엇보다 중요하다.

보다 자세히 설명하면, 도 1(a)(b)에 도시된 바와같이 종래의 용융알루미늄 치환반응법에 의하면, 용융알루미늄(2)이 세라믹 프리폼(3)의 모든 주변 즉, 도1(b)의 경우와 같이 내·외부를 완전히 둘러싸게 되고, 결국 용융알루미늄이 세라믹 프리폼의 내·외부에서 모든 방향으로 침투해 들어가 치환반응한다. 이와같이 되면, 세라믹 프리폼의 내부에 존재하는 기공이 용융알루미늄으로 채워지기가 힘들어 복합체가 제조된 다음에도 그대로 내부에 기공이 존재하게 된다.

본 발명은 이러한 점을 고려하여 용융알루미늄이 세라믹 프리폼의 일방향으로 침투해가도록 하는데, 그 특징이 있다.

즉, 도 2(a)(d)에 도시된 바와같이, 용융금속(2)이 세라믹 프리폼(3)의 일면에 접촉하도록 하여 용융금속(2)이 세라믹 프리폼(3)의 타면을 향해 일방향으로 침투해 가도록 하면 기공을 채우고 있는 공기가 타면으로 빠져 나가서 용융금속이 쉽게 기공내부에 채워지는 것이다.

이때, 세라믹 프리폼이 중공형이 아닌 경우 예를들면 도 2(a)에 도시된 것과 비슷한 경우에는, 알루미늄을 세라믹 프리폼의 일면위에 위치시키고, 그 타면 주위와 도가니(1) 사이에는 알루미늄과 반응성이 낮은 분말(4)을 채워넣어 알루미늄을 용융시키므로써 용융알루미늄이 세라믹 프리폼(3)의 전방향으로 스며들지 않도록 하면, 일방향 침투가 될 수 있다. 상기 알루미늄과 반응성이 낮은 분말로는 알루미나 분말 또는 지르코니아 분말을 예로 들 수 있다.

그리고, 얻고자 하는 복합체의 형상이 도 2(b)와 같이 중공형(5)의 경우 세라믹 프리폼의 형상을 도 2(c)와 같이 하여 도 2(d)에 도시된 바와 같이, 용융금속이 세라믹 프리폼이 외부에만 접촉하도록 하면 용융금속이 일방향으로 침투되어 기공을 용융금속으로 채울 수 있게 된다. 상기와 같이 복합체를 제조한 후에는 도 2(c)에 나타낸 바와 같이 세라믹 프리폼의 위 부분을 절단하여 제거부(6)를 제거하면 얻고자 하는 도 2(b)의 형상과 똑 같은 복합체을 얻을 수 있다.

본 발명에서 이용되는 세라믹 프리폼의 제조에 사용되는 원료로서는 용융실리카 분말, 뮬라이트 분말 또는 카올린족 광물의 분말을 사용하면 된다. 이러한 프리폼의 제조조건은 원료마다 상이하기 때문에 여기에 특별히 한정하지는 않고 통상의 소결체 제조조건으로 한 것이면 된다. 그리고, 용융알루미늄은 알루미늄괴나 펠렛을 사용하여 용융시키면 되며, 이때의 용융온도는 후술하는 유지온도로 가열하여 용융시키면 된다.

상기와 같이 도가니에 장입되어 접촉하고 있는 세라믹 프리폼과 용융알루미늄은 치환반응이 일어나도록 일정시간 유지는데, 이때의 유지온도는 750∼1100℃ 가 바람직하다. 그 이유는, 750℃ 미만의 경우 알루미늄의 용융시간이 많이 소요되며, 알루미늄과 실리카 프리폼의 반응에 의한 복합체의 생성속도가 너무 느리다. 또한 1100℃ 이상에서 반응시키면 알루미늄 용탕 표면의 산화속도가 빨라서 비효율적이기 때문이다.

그리고, 상기 온도에서의 유지시간은 (상기 세라믹 프리폼의 두께)/0.75 이상 시간 유지하면 반응이 완료되는데, 최적의 유지시간은 유지온도 및 세라믹 두께에 따라 닫라지므로 이들의 조건에 따라 설정하는 것이 보다 바람직하다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

[실시예]

1mm 크기의 입도를 갖는 용융실리카를 알루미나 포트에서 24시간 볼밀링하여 얻은 분말을 50MPa 의 압력으로 10mm x 15mm x 60mm 크기의 시편을 성형하였다. 성형시편은 전기로를 이용 1400℃의 온도로 2시간 소성하였으며 이때 승온속도는 분당 5℃ 로 하였고 냉각은 자연 로냉시켰다. 이렇게 얻어진 실리카 프리폼을 도 2와 같이 알루미나 도가니의 바닥에 놓고 프리폼의 상부 한면만이 알루미늄이 접촉하도록 나머지 면은 알루미나 분말로 채워 수평이 되게 하였다. 프리폼과 알루미나 분말로 채운 상면에 알루미늄 금속펠렛을 채우고 전기로 내에 장입한 후 1000℃ 에서 24시간 반응시켜 알루미나/알루미늄 복합체를 제조한 후 그 물성을 측정하고 그 결과를 하기표 1에 나타내었다.

한편, 본 발명의 비교예로서 도 1에 도시된 바와같이 종래의 방법대로 용융알루미늄을 세라믹 프리폼의 전방향으로 침투하도록 하여 알루미나/알루미늄 복합체를 제조한 후 그 물성을 측정하고, 그 결과를 하기표 1에 나타내었다.

이때의 세라믹 프리폼, 가열온도 가열시간은 상기 본 발명과 동일하게 하였다.

	발명예	비교예
복합체의 기공율(%)	0.02	0.3
복합체의 꺾임강도(MPa)	500	450
복합체의 파기인성(MPa.m1/2)	10	7.0
복합체의 밀도(g/cm3)	3.5	3.3

상기 표 1에 나타난 바와같이, 본 발명에 따라 제조된 복합체의 강도 및 인성이 우수하였다. 이는 복합체의 기공율이 줄어든 결과임을 알 수 있었다.

한편, 본 발명예와 비교예를 통하여 얻어진 복합체의 미세구조 사진을 도 3에 나타내었는데, 여기서 흑색으로 나타나는 부분이 잔류기공이며, 회색은 알루미나, 희게 빛나는 것은 금속 알루미늄을 나타내고 있다.

도 3에 나타난 바와같이, 발명예의 경우가 기공이 적음을 알 수 있었다.

상술한 바와같이, 본 발명에 의해 제조된 복합체는 종래 용융금속 치환반응의 침적법에 의해 제조된 복합체보다 복합체 내부에 기공을 완전히 제거할 수 있어서 치밀하며, 강도 및 파괴인성이 높아서 구조재료 또는 내마모용 재료에 사용할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (4)

1. 로안의 도가니에 장입되어 서로 접촉하고 있는 세라믹 프리폼(preform)과 용융알루미늄을 일정온도로 일정시간 유지하여 용융알루미늄이 세라믹과 치환반응하도록 하는 세라믹/금속 복합체를 제조하는 방법에 있어서, 상기 도가니에 장입된 세라믹 프리폼과 용융알루미늄의 접촉은, 상기 용융알루미늄이 세라믹 프리폼의 일면에 접촉하도록 하여 용융알루미늄이 세라믹 프리폼의 일방향으로 침투하여 반응되도록 함을 특징으로 하는 일방향 침투에 의한 알루미나/알루미늄 복합체의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 세라믹 프리폼은 실리카, 뮬라이트, 카올린족 광물중 선택된 하나로 된 것을 특징으로 하는 일방향 침투에 의한 알루미나/알루미늄 복합체의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 유지온도는 750-1100℃에서 행함을 특징으로 일방향 침투에 의한 알루미나/알루미늄 복합체의 제조방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 유지시간은 (상기 세라믹 프리폼의 두께)/0.75 이상 시간임을 특징으로 하는 일방향 침투에 의한 알루미나/알루미늄 복합체의 제조방법.