KR19990081331A

KR19990081331A - 고부피분율 SiC분말함유 예비성형체의 제조장치 및 제조방법

Info

Publication number: KR19990081331A
Application number: KR1019980015198A
Authority: KR
Inventors: 홍순형; 이효수; 전경윤
Original assignee: 박호군; 한국과학기술연구원; 윤덕용; 한국과학기술원
Priority date: 1998-04-28
Filing date: 1998-04-28
Publication date: 1999-11-15
Also published as: US6190604B1; KR100253118B1

Abstract

본 발명은 SiC 강화재 부피분율이 50%이상인 고부피분율 금속복합재료의 제조에 필요한 고부피분율 SiC분말함유 예비성형체 제조장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 특징은 적층효율을 높이기 위해 크기가 서로 다른 SiC분말을 사용하여 무기바인더, 유기바인더, 응집제 및 초산과 혼합하여 균일한 슬러리(slurry)상태로 만들고 볼밀링가압법(ball milling & pressing)에 의하여 가압, 건조 및 소성처리를 통해 고밀도 예비성형체를 제조하는데 있다. 본 발명으로 제조된 예비성형체의 강화재 부피분율은 기존의 예비성형체의 제조공정인 진공압추출법에 비해서 SiC강화재의 부피분율을 증가시킬 수 있다. 본 발명의 공정에서 적층효율을 높이기 위하여 크기가 서로 다른 SiC입자를 강화재로 이용하였으며 이들의 균일혼합을 위해 새로운 볼밀링가압법을 사용하였고 예비성형체 제조시 프레스(press)에 의한 가압공정을 도입하여 SiC의 부피분율을 최대화시킨데에 특징이 있다.

본 발명은 SiC분말 함유의 경우 기존의 예비성형체 제조방법으로는 부피분율이 50%정도가 한계인 것으로 알려져 있으나 본 발명은 볼밀링가압법을 이용하여 제조가 간단하고 60% 이상의 고부피분율 예비성형체의 새로운 제조공정을 개발하였다.

Description

고부피분율 ＳｉＣ분말함유 예비성형체의 제조장치 및 제조방법

본 발명은 전자패키징(electronic packaging)용 또는 우주항공구조용 소재로 사용되는 저 열팽창계수와 고열전도도를 갖는 금속복합재료를 가격이 저렴한 SiC분말을 이용하여 고부피분율을 갖는 예비성형체의 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다. 전자패키징 소재중에서 최근에 관심이 집중되고 있 금속 복합재료(Metal Matrix Composite)는 강화된 세라믹 재료의 낮은 열팽창계수로 인하여 기지의 열팽창이 제한되기 때문에 금속재료에 비해 열팽창 계수가 크게 낮아지고 또한 강화재의 부피분율을 조절함으로써 열팽창 계수를 원하는 수준으로 조절할 수 있는 설계특성이 있기 때문에 전자패키징용 소재와 열팽창에 의한 칫수변화를 엄격히 제어하여야 하는 인공위성 등의 우주항공 구조용 소재로서의 응용에 관심이 집중되고 있다. 또한 금속복합재료는 금속기지를 사용함으로서 열전도도가 높은 특성이 있으며 기계적특성이 뛰어나고 비교적 가공성이 양호하여 전자패키징 및 우주항공용 소재로서의 요구조건을 충족시킬수 있는 신소재이다.

종래의 예비성형체 제조공정은 섬유(fiber)의 예비성형체 제조시 진공압추출법(vacuum assisted extraction method)을 사용하여 강화재와 바인더의 슬러리(slurry)를 기계적으로 교반한후 진공압으로 매액을 추출하는 방법으로서 입자강화재를 진공압추출법으로 제조할 경우 평균 강화제부피분율이 50%정도 밖에 되지 않는다. 그러나 최근에 금속복합재료가 전자패키징 분야에 응용되면서 전자패키징 소재로 금속복합재료를 사용하기 위해서는 강화재 부피분율이 65%이상 되어야 하는 것으로 알려져 있다.

본 발명과 관련된 고 강화재 부피분율 예비성형체의 제조방법에 대한 선행기술은 1,700℃이상의 온도에서 소결을 이용한 예비성형체의 제조방법(WO96/41030), 구리분말을 산소나 질소 분위기조절에 의해 산화구리의 형성을 유발하여 예비성형체를 제조방법(US5,374,391), 금속실리콘분말과 탄소섬유를 알미늄알콕사이드용액에 첨가한 후 진공압에 의한 예비성형체 제조방법(US5,620,511)등이 보고되고 있다. 그러나 종래기술들은 모두 강화재 부피분율 예비성형체의 제조에 있어서, 개스에 의한 분위기조절과 높은 온도 및 고가의 대형설비가 필요하여 경제적으로 적합하지 않은 제조방법이다.

본 발명은 볼밀링 가압법(ball milling and pressing method)에 의해 고 강화재 부피분율 예비성형체의 대량 생산방법을 개발하는데 있다. 볼밀링 가압법은 증류수와 강화제, 바인더의 슬러리상태를 볼밀링에 의해 균일하게 교반한후 가압에 의해 수분을 배출하는 방식으로 예비성형체를 제조하기 때문에 강화재의 형상, 크기 및 강화재간의 마찰력을 감소시켜 가압시 응력의 전달을 원활하게 함으로써 고 강화재 부피분율의 예비성형체를 제조할 수 있다. 또한 본 발명에서 사용한 가압방식은 상부금형 및 하부금형에 흡수체를 설치하여 가압시 예비성형체내의 수분이 흡수 및 배출되도록 설계하였다. 상기와 같은 가압방식은 하부금형위에 흡수체를 설치한후에 상부금형을 흡수체위에 부착하여 상부금형안에 실리콘카바이드, 무기바인더, 유기바인더, 응집제 및 초산의 슬러리 상태로 섞여진 혼합물을 투입한다. 상부펀치을 설치하기 전에 상부금형의 상부에도 흡수체를 설치한다. 상부펀치에 의해 수직방향으로 가압을 하면 혼합물의 잔류수분이 상부금형과 하부금형사이의 틈으로 배출되거나 하부금형과 상부금형 사이의 흡수체에 의해 흡수되면서 1차예비성형체를 용이하게 대량생산할 수 있는 새로운 제조장치 및 방법을 제공하는데 있다.

도 1 은 볼밀링 가압법에 의한 예비성형체의 제조공정도

도 2 (a)와(b),(c),(d)는 볼밀링 가압법에서 사용된 금형의 구조와 잔류수분량을

나타낸 것으로,

(a)는 볼밀링 가압법에 의한 금형구조의 분리사시도

(b)는 초기가압 상태를 나타낸 것이고,

(c)는 잔류수분이 하부로 배출되는 상태를 나타낸 것이며,

(d)는 잔류수분이 상부 및 하부로 배출되는 상태를 나타낸 것이다.

도 3 의 (a)(b)는 건조에 따른 예비성형체의 무게변화량을 나타낸 것으로,

(a)는 자연건조에 따른 예비성형체의 무게변화량을 나타낸 것이고,

(b)는 오븐건조에 따른 예비성형체의 무게변화량을 나타낸 것이다.

도 4 (a)(b)는 볼밀링 가압법으로 제조된 예비성형체 및 기지가 함침된 금속복 합재료의 미세조직을 나타낸 것으로,

(a)는 SiC 부피분율이 71%인 예비성형체의 미세조직을 나타낸 것이고,

(b)는 볼밀링가압법으로 제조된 예비성형체를 사용하여 가압주조에 의해 제조된 SiC/Al 복합재료의 미세조직을 나타낸 것이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 하부금형 2 : 상부금형

3 : 흡수체 4 : 금형내부

5 : 상부펀치 6 : 예비성형체

본 발명의 예비성형체 제조방법 및 제조장치를 첨부도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1은 본 발명에서 사용된 예비성형체(6)의 제조과정을 나타낸 것이다. 도1과 같이 예비성형체(6)를 제조시 충진밀도 향상을 위해 SiC입자크기는 25∼48 ㎛ SiC와 3∼8 ㎛ SiC의 서로 다른 크기의 입자를 적정 비율로 혼합하였다. 슬러리 제조조건은 3차증류수에 SiO₂를 무기바인더로 0.1∼10%농도로 첨가하였고 양이온성전분(cationic starch)을 유기바인더로 0.1∼5%농도로 첨가하였다. 혼합된 슬러리에 폴리아크릴아마이드(polyacrylamide)를 응집제로 미량 첨가하였으며 첨가입자의 등전점 및 무기바인더의 젤라틴(gellation)의 영향을 고려하여 초산을 적정량 혼합하여 산성도(pH)를 조절하였다. 이러한 슬러리 상태의 혼합물을 볼밀링 가압(ball milling & pressing)법에 의해 4∼12시간동안 혼합하여 SiC입자주위에 무기바인더가 잘 도포되도록 하였다.

* 일축프레스형 볼밀링 가압장치를 이용한 예비성형체의 제조

슬러리 상태의 혼합된 SiC입자를 본 발명에서 고안한 장치를 사용하여 가압하였다. 도2는 본 발명에서 사용한 가압방식을 나타낸 것으로 상부금형(2) 및 하부금형(1)에 흡수체(3)를 설치하여 가압시 예비성형체(6)내의 수분이 흡수 및 배출되도록 설계하였다. 도2(a)에서와 같이 하부금형(1)위에 흡수체(3)를 설치한 후에 상부금형(2)을 흠수체(3)위에 올려 놓는다. 상부금형(2)안에 실리콘카바이드, 무기바인더, 유기바인더, 응집제 및 초산을 슬러리 상태로 혼합하여 투입한다. 상부펀치(5)을 설치하기 전에 상부금형(2)의 상부에도 흡수체(3)를 설치한다. 상부펀치(5)에 의해 가압방향으로 가압을 하면 혼합물의 잔류수분이 상부금형(2)과 하부금형(1)사이의 틈으로 배출되거나 하부금형(1)과 상부금형(2)사이의 흡수체(3)에 의해 흡수되면서 1차예비성형체(6)가 완성된다. 도2의(a)(b)(c)에서는 볼밀링 가압법에서 사용된 금형의 구조와 잔류수분량의 배출을 도시하였다.

본 발명에서 사용된 금형의 구조는 상,하부금형에(2)(1)에 흡수체(3)를 설치하여 도2의 (b)(c)(d)에서와 같이 가압력이 증가할수록 상부금형(2)하부의 흡수체(3)를 통하여 슬러리내의 잔류수분이 방출되고 가압력이 더욱 증가하게 되면 금형상부(2)의 흡수체(3)를 통하여 잔류수분이 방출된다. 제조된 1차예비성형체(6)의 불충분한 건조는 소성공정시 수분의 급격한 증발로 예비성형체내에 결함을 유발할 수 있으므로 복합재료 제조시 주된 결함중의 하나인 Al-rich층이(국부적으로 강화재가 없는 AI층이 형성되는 층)이 발생하는 원인이 되므로 건전한 복합재료의 제조가 어렵게된다. 이에 본 발명에서는 24∼48시간 자연건조 후에 100℃의 드라이오븐(Drying Oven)에서 4∼24시간동안 고온건조를 하는 이단계 건조방법을 사용하였다. 도3(a)와 도3(b)는 자연건조와 어븐 건조시 건조시간에 따른 예비성형체(6)의 무게변화측정을 나타낸 그림으로 예비성형체를 가압력에 따라 제조하여 각각의 무게변화를 나타냈다. 예비성형체(6)의 소성조건(calcination condition)은 무기바인더의 결정화(cristobalite)가 시작되는 800∼1100℃에서 1∼8시간동안 수행하였다.

본 발명으로 제조한 예비성형체의 금속기지함침은 다음과 같다.

본 발명으로 제조한 고 강화재 부피분율 예비성형체(6)에 알루미늄을 가압력 50MPa, 용탕온도 800℃, 금형온도 300℃, 예비성형체의 예열온도 750℃로 squeeze casting(스퀴즈캐스팅)법으로 가압함침하였다. 도4(a)은 71vol%의 강화재 부피분율을 가지는 고밀도 예비성형체(6)의 표면조직이고 도4(b)는 예비성형체(6)에 Al기지를 가압함침하여 제조한 Al-SiC복합재료의 미세조직을 나타낸 것이다. 표면조직과 Al-SiC복합재료의 미세조직을 보면 입자크기가 다른 두종류의 입자가 균일한 분포를 나타내 서로 교반이 잘되어있는 것을 보여주고 있으며 금속복합재료의 밀도가 99%이상으로 높게 나타났으므로 Al기지가 원활하게 함침이 이루어 졌음을 나타내고 있다.

＜ 실시예 ＞

제조방법에 따른 예비성형체(6)의 특성을 비교하기 위하여 진공압추출법과 볼밀링가압법으로 SiC 입자크기에 따른 무기바인더, 유기바인더, 응집제, 초산의 첨가유무에 따른 예비성형체(6)를 제조한 후 부피분율 및 상대밀도를 측정하여 표1에 나타냈다. 진공압추출법으로 제조된 예비성형체(6)의 최대 강화제 부피분율은 약 50vol% 정도인 것으로 나타났으나 본 발명에서 개발된 새로운 방법인 볼밀링 가압법으로 제조된 예비성형체(6)는 단일크기입자를 혼합한 경우에는 진공압추출법 보다 향상된 약 55∼60vol%정도의 강화재 부피분율를 얻었으며 입자크기가 다른 두가지 분말을 혼합하여 제조한 경우에는 최대 71vol%의 높은 강화재 부피분율을 얻었다.

＜ 적용예 ＞

진공압 추출법과 볼밀링 가압법으로 제조한 예비성형체(6)에 기지상을 함침시킨 금속복합재료의 강화제부피분율에 따른 열전도도와 열팽창계수를 측정하여 이론치와 함께 표2에 나타냈다. 열전도도는 이론치에 근접하였으나 강화재의 부피분율이 증가할수록 열전도도가 떨어지는 반면에 열팽창계수는 부피분율이 변화함에 따라 이론치에 비교적 잘 일치하는 것을 나타났다. 본 발명에서 개발한 방법으로 제조한 70vol%이상의 고부피분율의 금속복합재료는 열전도도가 130W/mK이상이며, 열팽창계수는 7x10^-6/K이하로 나타났다. 따라서 본 발명의 볼밀링 가압법으로 만든 예비성형체(6)를 이용하여 제조한 금속복합재료가 패키징용으로의 이용가능성이 매우 높고 제조공정 및 주조공정의 개선으로 상대밀도가 높고 열적특성이 우수한 70vol% 이상의 고강화재 부피분율 금속복합재료의 제조가 가능함을 알수 있다.

표 2. 볼밀링 가압법으로 제조된 금속복합재료의 열적특성 측정결과 및 이론치

	강화재 부피분율	열팽창계수(10^-6/K)	열전도도(W/mK)
	강화재 부피분율	측정치	이론치	측정치	이론치
진공압 추출법	49.1	9.5	9.1	180	174.7
진공압 추출법	54.5	8.3	8.4	172	166
볼밀링가압법	59	7.4	7.9	172	162
볼밀링가압법	71	6.8	6.8	131	145

본 발명의 방법으로 제조한 예비성형체는 고 강화재부피분율을 유지하면서 금속의 원할한 함침이 용이하므로 낮은 열팽창계수와 높은 열전도도가 요구되는 전자패키징 및 우주항공 산업용 부품의 생산을 위한 복합재료 제조용 기초소재로 광범위하게 사용될 것이다. 또한 저열팽창-고열전도도를 갖는 소재의 특성으로 산업적 이용범위가 증가할 것으로 전망되며 고부가가치 부품의 국산화가 실현될 것으로 기대된다.

Claims

SiC 강화제, 증류수, 바인더 등의 매액을 혼합하여 볼밀링에 의해 슬러리를 균일하게 교반하고 가압장치로 수분을 배출하여 고부피분율 SiC 분말함유 예비성형체(6)를 제조함에 있어서, 가압장치는 하부금형(1)위에 흡수체(3)를 설치하고, 상부금형(2)을 흡수체위에 부착하여 금형내부(4)에서 매액을 상부펀치(5) 의해 수직방향으로 가압하여 잔류수분이 상부금형(2)과 하부금형(1)사이의 틈으로 배출되거나 하부금형(1)과 상부금형(2)사이의 흡수체(3)에 의해 흡수되도록 구성된 볼밀링가압에 의한 고부피분율 SiC 분말함유 예비성형체의 제조장치.
무기강화재, 증류수, 유기강화재, 응집제를 혼합하여 얻은 매액을 볼밀링에 의해 슬러리를 균일하게 교반한 후 가압장치의 금형내부(4)로 매액을 이송하여 상부펀치(5)의 가압에 의해 수분을 상부금형(2)과 하부금형(1) 사이 또는 흡수체(3)로 배출시켜 건조 및 소성시키는 것을 특징으로 하는 볼밀링가압법에 의한 고부피분율 SiC 분말함유 예비성형체의 제조방법.
제 2 항에 있어서,

매액은 3차증류수에 무기강화재로서 산화규소(SiO₂) 0.1∼10%농도, 유기강화재로서 양이온성 전분(cationic starch) 0.1∼5%농도, 응집제로서 폴리아크릴아마이드(polyacrylamide) 0.1∼5%농도, 산도는 pH 2∼4로 구성된 것을 특징으로 하는 볼밀링가압법에 의한 고부피분율 SiC 분말함유 예비성형체의 제조방법
제 2 항에 있어서,

무기 및 유기강화제의 입도 차가 3∼16배가 되는 강화재를 사용하여 볼밀링 공정에 의하여 4∼24시간동안 균일한 교반과, 프레스를 이용하여 0.50∼3.00MPa의 범위로 가압하며 가압시 흡수체(3)의 설치로 예비성형체(6)의 잔류수분를 제거하여 강화재 부피분율 60vol% 이상인 것을 특징으로 하는 볼밀링 가압법에 의한 고부피분율 SiC 분말함유 예비성형체의 제조방법.
제 2 항에 있어서,

예비성형체(6)를 건조하기 위하여 상온에서 24∼48시간, 100℃에서 4∼24시간 건조한 후, 800∼1100℃에서 1∼8시간동안 소성시키는 것을 특징으로 하는 볼밀링가압법에 의한 고부피분율 SiC 분말함유 예비성형체의 제조방법.