KR20020071286A

KR20020071286A - 용탕함침법에 의한 고부피분율 알루미늄 복합재료 제조용조성물 및 그 복합재료의 제조방법

Info

Publication number: KR20020071286A
Application number: KR1020010011347A
Authority: KR
Inventors: 송인혁; 한유동; 김해두; 김도경
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2001-03-06
Filing date: 2001-03-06
Publication date: 2002-09-12
Also published as: KR100397576B1; US6406516B1

Abstract

본 발명은 금속용탕 내부에 혼합분말 성형체를 장입하여 합성과 동시에 강화입자가 균일하게 분포된 고부피분율 Al 복합재료를 제조하기 위한 조성물 및 그 복합재료 제조방법에 관한 것이다. 상기 조성물은 금속 용탕 내부에 혼합분말 성형체를 장입하여 발열 합성과 동시에 강화 입자가 균일하게 분포하는 기공이 억제된 고부피 분율 복합재료를 제조하기 위하여, Ti와 C 또는 Ti와 B로 이루어진 발열반응 유도분말 20-50중량%와, 발열반응을 조절하는 희석제 분말 20-60중량%와, Al 또는 Al 합금으로 이루어져 침투를 용이하게 해주는 분말 5-30중량%을 함유한다. 특히 상기 발열반응을 조절하는 희석제 분말은 TiC, TiB₂, SiC 및 WC로 구성된 군으로부터 하나 이상이 선택된다. 상기 제조방법은 상기 조성물을 혼합하여 건조시켜 혼합분말을 제조하는 단계, 상기 혼합된 분말을 소정형상을 갖도록 성형하는 단계, 상기 성형체를 반응용기에 장입하고 700∼1,100℃ 온도범위의 Al 용탕에 투입하는 단계, 및 상기 성형체를 Al 용탕에서 꺼낸후 반응용기로부터 분리하는 단계를 포함한다. 이와같은 방법을 이용함으로써, 금속용탕 내부에 혼합분말 성형체를 장입하여 합성과 동시에 강화입자가 균일하게 분포하는 고부피분율 Al 복합재료를 얻을 수 있다.

Description

용탕함침법에 의한 고부피분율 알루미늄 복합재료 제조용 조성물 및 그 복합재료의 제조방법{Composition and Method for making high volume reinforced Al composite by using dipping process}

본 발명은 용탕함침법에 의한 고부피분율 Al 복합재료 제조용 조성물 및 그 복합재료의 제조방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 금속용탕 내부에 혼합분말 성형체를 장입하여 합성과 동시에 강화입자가 균일하게 분포하는 고부피분율 Al 복합재료를 제조하는 공정에 관한 것이다.

복합재료를 제조하기 위한 기존의 방법으로는 전통적인 분말야금 공정을 이용한 고상법과 스터 캐스팅(stir casting), 스퀴즈 캐스팅(squeeze casting), 스프레이 침적(spray deposition), 플라즈마공정(plazma process), DC 캐스팅(DC casting), 레오캐스팅(rheocasting), 식소캐스팅(thixocasting) 등의 액상법으로 구분할 수 있다. 고상법의 경우 경제성 측면에서 많은 제한을 받고 있으며, 액상법의 경우 강화재의 크기가 수십 ㎛ 이상이며, 복합재료 내부에 강화재를 함유량이 20% 이하로 제한되었다.

지금까지 분말법 이외의 고부피 분율 강화 복합재료를 제조하는 방법은 강화재로 이루어진 성형체 내부에 금속을 가압 또는 무가압 상태에서 함침시키는 방법이 사용되고 있으나 강화재와 용탕 사이의 젖음성이 불량하며 기공문제 등의 많은 한계점을 나타내고 있는 실정이다.

용탕 함침법의 특징은 강화입자를 재료 내부에서 자체적으로 형성시켜서 강화재의 크기를 조절할 수 있는 인시투(in-situ) 복합재료 제조공정으로서, 0.1∼수㎛의 매우 미세한 강화입자를 균일하게 분포시킨다. 인시투 공정에 의하여 제조된 복합재료 내부의 강화입자는 우수한 계면특징을 가지는 것으로 알려져 있다. 즉 기재재료(matrix material)와 새로이 형성된 분산강화 입자 사이의 계면이 청정하고 연속성이 있기 때문이다. 또한 용탕장입법은 성형체의 형상에 따라서 최종 복합재료의 형상도 동일하기 때문에 실형상 제어(near net shaping)가 가능하다.

미합중국 특허 제 4,710,348호(Brupbacher et al., Process for forming metal-ceramic composites), 미합중국 특허 제 5,336,291호(Nakami et al., Method of production of a metallic composite material incorporating metal carbide particles dispersed therein), 일본 특허공개 제 63-83239호(Brupbacher et al., Process for forming metal-ceramic composites) 등으로 알려진 바에 의하면, 인시투(in-situ) 복합재료 제조공정을 통하여 미세한 입자가 기지(matrix) 조직내에 분포된 것을 관찰할 수 있다.

그러나, 기존 방법에 의한 경우 합성공정 직후 급격한 발열반응인 용탕 합성반응에 의하여 균일한 분포를 갖는 Al 복합재료를 얻을 수 없다. 도 2a는 일반적으로 이미 알려진 방법을 이용하여 용탕 함침법에 의해 제조된 복합재료의 강화입자 분포모습으로 강화재가 불균일하게 분포되어 있음을 알 수 있다.

이와같은 문제점을 해결하기 위하여 기존의 발명자들은 강화입자가 균일하게 분포된 1차 합성 복합체를 모합금(master alloy)의 개념으로 다시 용탕 내부에서교반 등의 방법을 통하여 저부피 분율(10vol% 이하) 복합재료를 제조하거나 또는 1차 제조된 모합금 복합재료를 압출 등의 공정을 통하여 강화입자를 균일하게 재분포시키기 위한 노력이 이루어져 왔다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술이 갖는 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 금속용탕 내부에 혼합분말 성형체를 장입하여 합성과 동시에 강화입자가 균일하게 분포되는 복합재료를 얻도록 한 고부피분율 Al 복합재료 제조용 조성물을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 조성물을 혼합하여 성형한 성형체를 용탕함침법을 이용하여 고부피분율 Al 복합재료를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 상술한 목적은, 금속 용탕 내부에 혼합분말 성형체를 장입하여 발열 합성과 동시에 강화 입자가 균일하게 분포하는 기공이 억제된 고부피 분율 복합재료를 제조하기 위하여, Ti와 C 또는 Ti와 B로 이루어진 발열반응 유도분말 20-50중량%와, 발열반응을 조절하는 희석제 분말 20-60중량%와, Al 또는 Al 합금으로 이루어져 침투를 용이하게 해주는 분말 5-30중량%을 함유함에 특징이 있는 용탕함침법에 의한 고부피분율 Al 복합재료 제조용 조성물을 제공함으로써 달성될 수 있다.

바람직하기로는, 상기 발열반응을 조절하는 희석제 분말은 TiC, TiB₂, SiC 및 WC로 구성된 군으로부터 하나 이상이 선택된다.

본 발명의 다른 목적은, 금속 용탕 내부에 혼합분말 성형체를 장입하여 발열합성과 동시에 강화 입자가 균일하게 분포하는 기공이 억제된 고부피 분율 복합재료를 제조하기 위하여, Ti와 C 또는 Ti와 B로 이루어진 발열반응 유도분말 20-50중량%와, 발열반응을 조절하는 희석제 분말 20-60중량%와, Al 또는 Al 합금으로 이루어져 침투를 용이하게 해주는 분말 5-30중량%를 혼합하여 건조시켜 혼합분말을 제조하는 단계; 상기 혼합된 분말을 소정형상을 갖도록 성형하는 단계; 상기 성형체를 반응용기에 장입하고 700∼1,100℃ 온도범위의 Al 용탕에 투입하는 단계; 및 상기 성형체를 Al 용탕에서 꺼낸후 반응용기로부터 분리하는 단계를 포함함에 특징이 있는 용탕함침법에 의한 고부피분율 Al 복합재료의 제조방법을 제공함으로써 달성될 수 있다.

도 1a∼1d는 용탕함침법에 의한 고부피분율 Al 복합재료의 제조공정도로서,

도 1a는 혼합분말을 성형한 성형체를 나타낸 도면이고,

도 1b는 제조된 성형체가 초기의 형태를 유지하기 위해 그라파이트 용기내에 장착된 모습을 나타낸 도면이며,

도 1c는 금속 용탕내에서 성형된 성형체가 발열반응을 통해 합성되는 모습을 나타낸 도면이고,

도 1d는 합성후 용탕에서 꺼낸 후 그라파이트 용기가 제거된 최종 복합재료의 모습을 나타낸 도면이며,

도 2a 및 도 2b는 각각 희석제를 첨가하지 않은 경우와 희석제를 첨가한 경우의 용탕함침법에 의해 제조된 고부피분율 Al-TiC 복합재료의 저배율 단면도이고,

도 3은 희석제를 첨가한 경우 용탕함침법에 의해 제조된 고부피분율 TiC 강화 Al 복합재료의 고배율 단면 조직사진도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 성형체2 : 반응용기

3 : 금속 용탕4 : 용탕 용기

5 : 최종 Al 복합재료

이하에서는, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 1a∼1d는 용탕함침법에 의한 고부피분율 Al 복합재료의 제조공정도로서, 도 1a는 혼합분말을 성형한 성형체를 나타낸 도면이고, 도 1b는 제조된 성형체가 초기의 형태를 유지하기 위해 그라파이트 용기내에 장착된 모습을 나타낸 도면이며, 도 1c는 금속 용탕내에서 성형된 성형체가 발열반응을 통해 합성되는 모습을 나타낸 도면이고, 도 1d는 합성후 용탕에서 꺼낸 후 그라파이트 용기가 제거된 최종 복합재료의 모습을 나타낸 도면이며, 도 2b는 희석제를 첨가한 경우의 용탕함침법에 의해 제조된 고부피분율 Al-TiC 복합재료의 저배율 단면도이고, 도 3은 희석제를 첨가한 경우 용탕함침법에 의해 제조된 고부피분율 TiC 강화 Al 복합재료의 고배율 단면 조직사진도이다.

본 발명은 첫째 발열반응을 유도하는 혼합분말 성형체 제조시 발열반응을 조절하는 희석제를 혼합한다는 개념을 도입하여 실현될 수 있으며, 둘째 제조공정 변수인 성형원료 분말(발열반응 분말, 희석제 분말, 금속분말)의 조성과 용탕의 온도의 조절에 의해서 실현될 수 있다. 그 제조방법의 요지는 다음과 같다.

용탕함침법에 의해 고부피분율 복합재료를 제조하는 공정은 발열반응 분말로써 적절한 화학조성비의 발열반응을 발생시키는 분말 20∼50중량%, 발열반응을 조절하는 희석제 분말 20∼60중량%, 그리고 젖음성을 향상시키는 Al 금속분말 5∼30중량%를 혼합하여 성형체를 제조한다. 제조된 성형체는 항온조에서 건조한 후 그라파이트 반응용기에 장입한 후 700∼1,100℃의 금속용탕에 장입한다. 성형체가 장입된 용탕내부에서 합성 발열반응이 발생한 후 수초∼수분 후에 반응용기에서 꺼낸다.

상기 제조방법에서 원료분말의 조성 및 용탕의 온도 등을 한정한 이유는 다음과 같으며, 이때 발열반응 분말을 발생시키는 분말은 Ti 및 C이며, 희석제 분말은 TiC 인 경우를 예로 설명한다.

(1) 원료분말의 조성

a. 발열반응 유도분말

발열반응 유도분말인 Ti와 C 분말은 합성 반응시 발열반응을 유발하게 함으로써 젖음성을 개선시켜 Al 액상이 성형체 내부로 침투시키는 역할을 한다. 그러나, 티타늄과 탄소가 TiC로 합성되는 반응은 이론적으로 3,343K의 매우 높은 온도로서 다량의 발열반응 유도분말의 사용시 급격한 발열반응에 의해 균일한 강화재가 분포된 재료를 얻을 수 없다. 또한 발열반응 유도분말의 양이 적으면 용탕 내부에서 발열반응이 일어나지 않는다. 그러므로 성형체 제조시 발열반응 유도분말이 양을 20∼50중량%로 한정함으로써 Al 용탕의 침투를 용이하게 하지만 강화재 입자의 분포를 저해시키지 않는 범위로 한 것이다.

b. 희석제의 양

희석제는 원칙적으로 성형체 내부에서의 발열반응에는 기여하지 않고 전체적인 급격한 반응특성 및 온도를 제어함으로써 새로이 생성되는 강화입자와 균일한 분포를 이루는 것을 목적으로 한다.

이때 희석제가 TiC 분말인 경우 입자의 크기 및 형상에 의하여 상이한 결과를 보여 줌으로 성형체 중량의 20∼60중량% 범위로 한정한 것이다.

c. 금속분말의 양

성형체 내부의 금속분말은 용탕과 동일한 성분이거나 용탕과 유사한 성분으로서 성형체를 용탕 내부에 함침시킬 경우 용탕이 성형체 내부로 침투를 용이하게 해주는 역할을 한다. 그러나 금속분말의 함량이 많은 경우 전체적인 강화입자의 양이 감소하여 용탕 함침후 용탕의 침투로 인하여 성형체 내부의 점도가 감소된다. 즉 강화재 입자들이 균일한 분포를 이루지 못하거나 성형체의 일부가 반응용기의외부로 흘러나가는 경우가 발생된다. 그러므로 Al 분말의 양은 5∼30중량% 범위로 한정한 것이다.

하기 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하지만, 이에 의해 본 발명의 범주가 한정됨이 없이 다양한 변형실시가 가능하다.

실시예 1

Ti:C:TiC:Al=6:24:50:20의 중량 조성비를 갖도록 분말을 볼밀(ball milling)에 의해 혼합한 후 200℃의 항온조에서 8시간 이상 건조시켰다. 혼합된 분말은 도 1a에 도시된 바와 같은 원통형 모양(지름 20mm, 높이 30mm)으로 성형하였다. 원통형 성형체(1)를 도 1b에 도시된 바와 같이 반응용기(2)에 장입하였다. 이때 반응용기는 그라파이트로 제작하였으며 원통형 용기의 상하에서 자유로이 금속 용탕의 왕래가 가능하도록 제작하였다. 이와같이 성형체(1)가 장입된 반응용기(2)를 온도가 900℃인 Al 용탕(3)에 장입하였다(도 1c 참조). Al 용탕(3)에 장입된 성형체(1)내에서는 발열반응과 침투(infiltration)현상이 일어나며 합성후 1분을 유지시킨 후 용탕에서 꺼냈다. 꺼낸 반응용기(2)에서 제조된 고부피분율 복합재료(4)를 반응용기(2)에서 분리하였다. 제조된 복합재료(4)는 Al 기지내에 TiC 강화입자가 균일하게 분포된 형태를 보여주었다. 이때 강화입자는 희석제로서 첨가된 TiC 강화입자와 발열반응에 의해 형성된 TiC 강화입자가 혼재된 모습을 보여주었다.

실시예 2

성형체의 조성으로서, 발열반응을 일으키는 분말의 양을 30중량%, 발열반응을 조절하는 희석제 분말의 양을 50중량%, 그리고 침투를 용이하게 해주는 금속분말을 20중량% 조성비를 갖도록 분말을 볼밀에 의해 혼합한 후 200℃의 항온조에서 8시간 이상 건조시켰다. 이때 발열반응을 조절하는 희석제 분말을 하기 표 1과 같이 TiC 대신 TiB₂, SiC 그리고 WC 등으로 대체하였다. 혼합된 분말은 원통형 모양(지름 20mm, 높이 30mm)으로 성형한 후 도 1b에 도시된 바와 같은 반응용기에 장입하였다. 이와같이 성형체가 장입된 반응용기를 온도가 900℃인 Al 용탕에 장입하였다. Al 용탕에 장입된 성형체내에서는 발열반응과 침투(infiltration)현상이 일어나며 합성후 1분을 유지시킨 후 용탕에서 꺼냈다. 꺼낸 반응용기에서 제조된 고부피분율 복합재료를 반용용기에서 분리하였다. 이와같이 제조된 복합재료는 Al 기지내에 TiC와 TiB₂, TiC와 SiC, TiC와 WC 입자가 균일하게 분포된 복합체의 모습을 보여주었다.

성형체 조성	용탕온도(℃)	기지조직	강화입자
Ti-C-TiB₂-Al	900	Al	TiC, TiB₂
Ti-C-SiC-Al	900	Al	TiC, SiC
Ti-C-WC-Al	900	Al	TiC, WC

실시예 3

성형체의 조성을 상기 실시예 2와 동일하게 발열반응을 일으키는 분말의 양을 30중량%, 발열반응을 조절하는 희석제 분말의 양을 50중량%, 그리고 침투를 용이하게 해주는 금속분말을 20중량%한 조성비를 갖도록 하여 볼밀에 의해 혼합한 후200℃의 항온조에서 8시간 이상을 건조시켰다. 이때 발열반응을 일으키는 분말을 Ti와 C 대신에 표 2와 같이 Ti와 B로 대체하였다. Ti와 B에 의해 형성되는 TiB₂는 합성시 이론적인 단열 반응온도가 3,193K의 높은 발열량을 가지고 있을 뿐만 아니라 기지 금속과 계면반응이 거의 없는 우수한 강화재로 알려져 있다. 또한 이때 희석제 분말을 TiB₂, TiC, SiC 그리고 WC 등을 사용하였다. 혼합된 분말은 원통형 모양(지름 20mm, 높이 30mm)으로 성형한 후 도 1b에 도시된 바와 같은 반응용기에 장입하였다. 이와같이 성형체가 장입된 반응용기는 온도가 900℃인 Al 용탕에 장입하였다. Al 용탕에 장입된 성형체내에서는 발열반응과 침투현상이 일어나며 합성후 1분을 유지시킨 후 용탕에서 꺼냈다. 꺼낸 반응용기에서 제조된 고부피 분율 복합재료를 반응용기에서 분리하였다. 이와같이 제조된 복합재료는 Al 기지내에 TiB₂, TiB₂와 TiC, TiB₂와 SiC 그리고 TiB₂와 WC 입자가 균일하게 분포된 복합체의 모습을 나타내었다.

성형체 조성	용탕온도(℃)	기지조직	강화입자
Ti-B-TiB₂-Al	900	Al	TiB₂
Ti-B-TiC-Al	900	Al	TiB₂, TiC
Ti-B-SiC-Al	900	Al	TiB₂. SiC
Ti-B-WC-Al	900	Al	TiB₂, WC

실시예 4

장입용 용탕을 Al 대신 Al-11wt%Si 합금으로 대체한 점을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 공정으로 제조하였다. Al-11wt%Si 합금은 Al 금속에 비하여 젖음성을 증가시켜서 성형체 내부에 용탕의 침투를 용이하게 해주는 역할을 한다. 이와같이 제조된 복합재료는 Al-Si 공정 조직내에 TiC 강화입자가 균일하게 분포된 미세구조를 나타내었다.

이와같이, 본 발명에서는 용탕에 장입되는 성형체 제조공정중 분말의 혼합시 희석제(dilution agent)를 첨가하는 공정을 도입하여 높은 발열반응을 제어함으로써 생성되는 강화입자와 기존의 강화입자가 동시에 균일하게 분포하도록 조절할 수 있으며, 발열온도에 의한 젖음성 향상으로 인하여 기공이 억제된 고밀도의 복합재료를 제조할 수 있다.

도 2b는 용탕 함침법에 의해 제조된 고부피 분율 Al-TiC 복합재료 제조시 희석제를 첨가한 경우를 나타낸 결과이다. 희석제 첨가로 인하여 탄화물이 일정하게 배열된 것을 알 수 있으며, 도 3의 미세구조 사진에서 나타낸 바와 같이 미세한 TiC 탄화물 입자가 균일하게 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 높은 발열반응을 제어함으로써 생성되는 강화입자와 기존의 강화입자가 동시에 균일하게 분포하도록 조절할 수 있으며, 발열온도에 의한 젖음성 향상으로 인하여 기공이 억제된 고밀도의 복합재료를 제조할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Claims

금속 용탕 내부에 혼합분말 성형체를 장입하여 발열 합성과 동시에 강화 입자가 균일하게 분포하는 기공이 억제된 고부피 분율 복합재료를 제조하기 위하여, Ti와 C 또는 Ti와 B로 이루어진 발열반응 유도분말 20-50중량%와, 발열반응을 조절하는 희석제 분말 20-60중량%와, Al 또는 Al 합금으로 이루어져 침투를 용이하게 해주는 분말 5-30중량%을 함유함을 특징으로 하는 용탕함침법에 의한 고부피분율 Al 복합재료 제조용 조성물.
제 1항에 있어서, 상기 발열반응을 조절하는 희석제 분말이 TiC, TiB₂, SiC 및 WC로 구성된 군으로부터 하나 이상이 선택됨을 특징으로 하는 용탕함침법에 의한 고부피분율 Al 복합재료 제조용 조성물.
금속 용탕 내부에 혼합분말 성형체를 장입하여 발열 합성과 동시에 강화 입자가 균일하게 분포하는 기공이 억제된 고부피 분율 복합재료를 제조하기 위하여, Ti와 C 또는 Ti와 B로 이루어진 발열반응 유도분말 20-50중량%와, 발열반응을 조절하는 희석제 분말 20-60중량%와, Al 또는 Al 합금으로 이루어져 침투를 용이하게 해주는 분말 5-30중량%를 혼합하여 건조시켜 혼합분말을 제조하는 단계;

상기 혼합된 분말을 소정형상을 갖도록 성형하는 단계;

상기 성형체를 반응용기에 장입하고 700∼1,100℃ 온도범위의 Al 용탕에 투입하는 단계; 및

상기 성형체를 Al 용탕에서 꺼낸후 반응용기로부터 분리하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 용탕함침법에 의한 고부피분율 Al 복합재료의 제조방법.
제 3항에 있어서, 상기 발열반응을 조절하는 희석제 분말이 TiC, TiB₂, SiC 및 WC로 구성된 군으로부터 하나 이상이 선택됨을 특징으로 하는 용탕함침법에 의한 고부피분율 Al 복합재료의 제조방법.