KR20040041816A - 고분자 복합체를 이용한 다공성 금속 소결체의 제조방법 - Google Patents

Abstract

90% 이상의 기공율을 가지는 다공질 금속소결체를 제조하기위해 수용성 유기바인더와 금속분말을 혼합하여 스러리형태로 유동성을 부여하고 발포된 고분자를 혼합하여 고분자 복합체용액을 만드는 단계, 미리 정해진 형태의 주형에 복합체 용액을 주입하고 건조하여 강도를 가지는 성형체(green body)를 만드는 단계, 유기바인더와 고분자 복합체를 가열하여 제거하는 단계, 환원성 분위기에서 고온으로 가열하여 소결체를 얻는 단계로 이루어진 초경량의 다공성 금속소결체를 제조하는 방법.

Description

고분자 복합체를 이용한 다공성 금속소결체의 제조방법{Process method for the making sintered porous metal body using polymer composite}

다공질 금속 성형체는 금속의 특성,즉 전기전도성,가공성,용접성 등이 우수하며 경량이고 비표면적이 크고 재활용성이 뛰어나기 때문에 고온 및 내식성이 요구되는 분위기에서의 필터소재나 불연성 흡음소재 , 충격흡수 구조물 또는 촉매담체 등으로 유용한 산업소재이다. 종래의 제조법은 주로 금속분말을 금형으로 성형하여 소결하는 분말야금 방법이나 금속섬유를 부직포 형상으로 가공하여 소결하는 방법이 주로 사용되었다. 그러나 분말야금 방법은 고압으로 성형을 하여야 하기 때문에 얻을수 있는 기공크기가 제한 될 수밖에 없어 기공율이 40%를 넘지못해 압력손실이 심하고 또한 금형으로 성형해야 하기 때문에 광폭을 제조하기는 매우 어렵다. 금속섬유를 이용하여 부직포 형상으로 가공한후 소결체를 얻는 것은 1970년대 이후 상업적으로 사용되고 있으나 금속섬유의 가격이 비싸고 판상으로만 성형이 가능해 그 사용이 제한적이다. 좀더 기공율이 크고 경량인 소재를 얻으려는 노력으로 Al의 발포법이 사용된다. 용융 Al 에 Ca등으로 점도를 조정하고 발포제인 TiH.sub.2등을 투입하여 기공율 95% 이상의 초경량 소재를 제조하는 것이 가능하다.

이 방법으로 많은 기업이 상업적인 제품을 만들고 있으나 소재가 Al에 한정되고 용융설비,주조설비 등의 시설비가 많이 소요되며 발포기공이 닫힌형태(closed cell)여서 흡음율이나 필터로서의 기능이 부족하고 고가의 발포제를 사용하여 가격이 비싸다는 문제를 가지고 있다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하고자 연구되었다. 즉, 금속의 종류에 관계없이 다양한 금속분말을 발포상태의 다공성 금속으로 얻을수 있으며, 금속분말 혹은 섬유상 분말을 사용하여 소결체로서의 모재(matrix)를 얻기 때문에 발포기공과 모재가 열린기공(open cell) 상태를 유지 할수 있다. 또한 발포법의 장점인 높은 기공율을 가지는 경량구조를 용융발포법에 비해 값싸게 얻을수 있다. 이와 같이 분말소결법과 발포금속법의 장점을 결합하여 열린 기공을 가지면서도 발포기공을 얻을수 있도록 금속분말에 수용성 바인더와 발포된 수지를 혼합하여 유동성을 가지는 복합제 용액을 얻은뒤 이것을 주형에 주입하므로서 형태를 갖게하고 일정조건에서 가열하므로서 바인더는 경화하여 강도를 부여하고 발포된 수지는 열분해되어 제거되면 그자리가 기공으로 남게된다. 이러한 방법으로 제조된 예비성형체(green body)는 다음공정에서 충분히 취급이 용이할 정도로 강도가 있으며 절단이나 압연에 의해 두께의 조절도 가능하다. 발포수지의 혼합량에 따라 기공율은 조절되며 최대가공율 96%까지 얻을수 있다. 이 예비성형체를 환원성분위기나 진공에서 소결처리하여 다공질의 금속소결체를 얻을수 있으며 이 금속소결체는 불연성 흡음패널, 고온 금속 필터,경량구조물,촉매담체 등의 다양한 기능성 산업소재로 사용될수 있다.

본 발명dl 이루고자 하는 기술적 과제는 첫째, 금속의 종류에 관계없이 다양한 금속분말을 발포상태의 다공성 금속으로 얻을수 있다. 둘째, 금속분말 혹은 섬유상 분말을 사용하여 소결체로서의 모재(matrix)를 얻기 때문에 발포기공과 모재가 열린기공(open cell) 상태를 유지 할수 있다. 셋째, 발포법의 장점인 높은 기공율을 가지는 경량구조를 용융발포법에 비해 값싸게 얻을수 있다. 분말소결법과 발포금속법의 장점을 결합하여 열린 기공을 가지면서도 발포기공을 얻다. 이 금속소결체는 불연성 흡음패널, 고온 금속 필터,경량구조물,촉매담체 ,2차전지 전극 등의 다양한 기능성 산업소재로 사용될수 있다.

본 발명을 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.

열경화성 유기바인더 수용액과 금속분말을 혼합하여 금속분말이 분산된 유동성스러리를 얻는 단계, 이 유동성스러리에 발포된 고분자 수지를 혼합하여 복합제를 만들어 일정 형상을 부여하는 단계, 이 복합체 용액을 가열하여 발포된 고분자 수지는 열분해하여 제거하고 유기바인더는 열경화 시켜 겔상의 성형체(green body)를 얻는 단계, 이 성형체를 환원분위기에서 가열하여 유기바인더를 열분해하여 제거하고 금속분말 사이의 원자확산에 의한 결합으로 얻어지는 소결체를 얻는 단계로 이루어진다.

복합체 용액은 금속분말,발포 고분자 수지, 수용성 유기바인더로 이루어진다.

금속분말의 형상은 수분사법으로 제조된 부정형 분말이거나 가스분사법으로 제조된 구형분말, 또는 연마방법으로 제조된 섬유상 분말을 사용한다.

분말의 크기는 1 미크론 보다 크고 300 미크론보다 적은 것이 좋다. 1 미크론 이하는 기공이 형성되기 어렵고 300 미크론 이상은 소결강도가 떨어진다.

금속분말의 종류는 스테인레스강, 구리 및 그 합금, 니켈 및 그 합금, 알미늄 및 그합금,아연 및 그합금,주석 및 그합금, 티타늄 및 그합금, 금 및 그합금,은 및 그합금 등으로한다. 사용하는 금속분말의 양은 복합제의 전체중량대비 30 - 500%로 하는 것이 좋다. 금속분말의 양이 중량대비 30% 이하이면 발포용액중에 분말간의 접촉점이 생기지 않아 소결이 되기 어려우며 500%이상이되면 기공율이 90% 이하가 되어 본 발명의 목적인 초경량 발포금속의 목적에서 벗어난다.

바인더는 수용성이며 열경화성을 가지는 유기바인더를 사용한다. 유기바인더는 소결시 일정온도에 도달하면 열분해 되어 제거 되므로 최종제품에 남지 않고 소결에도 영향을 주지않는다. 바인더는 복합체 용액의 점도를 조정하며 건조시 열경화되어 예비성형체(green body)에 강도를 부여하여 다음 공정에서 취급이 용이하도록 한다.

이러한 목적에 맞는 수용성이며 겔(gel)특성을 가지는 유기바인더는 polyvinylalchol, polyvinyl pyrrolidone, methylcellulose, carboxymethylcellulose, agar 등이 있다.

바인더의 사용량은 복합제용액의 0.5 - 20%로 하며 더 바람직하게는 2 에서 10%로 한다.

2% 이하에서는 성형체(green body)의 강도가 떨어지고 10%이상이 되면 용액의 점도가 높아 주형내 주입이 어려워진다.

복합체로 사용하는 고분자수지는 열분해로 제거가 가능한 유기물이면 어떤 형태의 수지를 사용해도 가능하다. 형성하려는 기공크기에 따라 수지크기를 조정할수 있으며, 혼합된 수지의 양을 최소화하기 위해서는 발포상태의 수지를 사용하는 것이 좋다. EPS(expanded polystylene)는 스티로폼으로 알려진 발포스티렌으로 값이 저렴하며, 발포율이 90%이상이고, 다양한 기공크기로 대량 생산되고 있어 이러한 목적으로 적합하다.

발포수지의 크기는 직경이 0.5mm 에서 10mm 까지 가능하며 더욱 좋게는 1.0mm 에서 5mm 까지가 좋다. 혼합하는 발포수지의 부피분율은 전체부피의 30%에서 90%까지가 좋다.

금속분말이 균일하게 분산되고 점성을 가지는 복합체용액은 만들고자 하는 형상을 가지는 주형내에 주입된다. 이때 용액은 바인더에 의해 점성이 조정되어 500cps -1,500cps의 점도를 가지는 것이 좋다. 주입된 용액은 표면장력에 의해 표면이 평탄하여 지고 일정두께를 가지게 되어 넓은 면적의 판상을 제조하는데 유리하다.

성형된 용액은 섭씨100도에서 350도 사이로 30분에서 3시간 정도 가열하면 내부의 수분과 발포수지가 제거되고 바인더는 경화되어 다음공정에서 취급이 가능한 강도를 가지는 예비성형체(green body)가 얻어진다. 이렇게 얻어진 예비성형체는 주형에서 분리하여 필요한 크기로 절단하거나 압연등에 의해 두께를 조절할수 있다.

제조된 예비성형체는 환원성분위기 또는 진공중에서 금속의 종류에 따라 섭씨200도에서 1500도의 온도로 10에서 120분간 가열한다. 단, 은이나 금과 같은 경우는 대기분위기 혹은 질소분위기에서 가열하여도 가능하다. 가열하는 동안 성형체 내부의 유기물,즉 바인더등은 열분해되어 제거되고 서로 접촉되어 있는 금속분말 사이에서 원자확산에 의해 소결이 일어나 금속의 강도를 가지며 결합하게된다.

금속의종류에 따른 적정소결온도는 스테인레스 및 니켈합금등은 섭씨 800도에서 1300도,아연은 400도에서 600도, 구리 및 은 합금은 700도에서 1000도, 주석 및 그합금은 200도에서 400도,알미늄 및 그합금은 400도에서 700도 사이이다.

가열하는 동안 유기물을 제거하기 위해 섭씨400도에서 600도사이에서 1시간이상 유지시켜 준다.

이와같은 방법으로 제조된 발포금속소결체는 금속분말이나 금속섬유에 의해 미세기공이 열린상태로 형성되고 발포수지에의해 직경이 큰 기공이 형성되어 이중기공 구조를 가지는 다공성 소결체를 얻는다. 이러한 이중구조는 기존의 분말소결체에 비해 월등히 높은 기공율을 얻을수 있으며 기존발포금속에서 얻을수 없는 열린기공상태의 다공성소결체를 금속의 종류에 제한없이 얻을수 있다.

또한 본 발명의 결과물은 쉽게 광폭의 판상으로 성형할수 있고 두께 및 밀도의 조절이 용이하다. 이러한 판상의 다공질체는 calendering, 압축,절단,용접,솔더링 등을 자유롭게 할수 있어 가공성 및 시공성이 우수하다.

본 발명은 금속의 종류에 관계없이 다양한 금속분말을 발포상태의 다공성 금속으로 얻을수 있으며, 금속분말 혹은 섬유상 분말을 사용하여 소결체로서의 모재(matrix)를 얻기 때문에 발포기공과 모재가 열린기공(open cell) 상태를 유지 할수 있다. 또한 발포법의 장점인 높은 기공율을 가지는 경량구조를 용융발포법에 비해 값싸게 얻을수 있다. 이와 같이 분말소결법과 발포금속법의 장점을 결합하여 열린 기공을 가지면서도 발포기공을 얻을수 있도록 금속분말에 수용성 바인더와 발포제를 혼합하여 유동성을 가지는 발포 용액을 얻은뒤 이것을 주형에 주입하므로서 형태를 갖게하고 일정조건에서 가열발포하므로서 바인더는 경화하여 강도를 부여하고 발포된 기공들은 모재의 미세기공과 함께 열린기공 상태를 유지하면서 높은 기공율을 가지게된다. 이러한 방법으로 제조된 예비성형체(green body)는 다음공정에서 충분히 취급이 용이할 정도로 강도가 있으며 절단이나 압연에 의해 두께의 조절도 가능하다. 발포수지의 혼합량에 따라 기공율은 조절되며 최대가공율 96%까지 얻을수 있다. 이 예비성형체를 환원성분위기나 진공에서 소결처리하여 다공질의 금속소결체를 얻을수 있으며 이 금속소결체는 불연성 흡음패널, 고온 금속 필터,경량구조물,촉매담체, 전극소재등의 다양한 기능성 산업소재로 사용될수 있다

Claims (5)

1. 다공질 금속소결체를 제조하기위해 수용성 유기바인더와 금속분말을 혼합하여 스러리형태로 유동성을 부여하고 발포된 고분자를 혼합하여 저밀도의 고분자 복합체용액을 만드는 단계, 미리 정해진 형태의 주형에 복합체 용액을 주입하고 건조하여 강도를 가지는 성형체(green body)를 만드는 단계, 유기바인더와 고분자 복합체를 가열하여 제거하는 단계, 환원성 분위기 혹은 진공에서 고온으로 가열하여 소결체를 얻는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 초경량의 다공성 금속소결체를 제조하는 방법.
2. 1항에서 금속분말은 직경이 1 미크론 보다 크고 300 미크론보다 적은 수분사법으로 제조된 부정형 분말이거나 가스분사법으로 제조된 구형분말, 또는 연마방법으로 제조된 섬유상 분말로 한다.
3. 1항에서 금속분말의 종류는 스테인레스강, 구리 및 그 합금, 니켈 및 그 합금, 알미늄 및 그합금,아연 및 그합금,주석 및 그합금, 티타늄 및 그합금, 금 및 그합금,은 및 그합금 등으로 하고 사용하는 금속분말의 양은 복합체 용액의 전체중량대비 30 - 500%로 한다.
4. 1항에서 수용성 유기바인더는 polyvinylalchol, polyvinyl pyrrolidone, methylcellulose, carboxymethylcellulose, agar 등으로 하고 바인더의 사용량은 복합체용액의 0.5 - 20%로한다
5. 1항에서 발포된 고분자수지는 직경이 0.5mm 에서 10mm 인 발포 폴리스티렌(expanded polystylene)으로 한다. 혼합하는 발포수지의 부피분율은 전체부피의 30%에서 90%까지로 한다.