KR20070074699A - 비금속성 재료의 분산에 의한 금속성 재료의 강화 방법 및그에 의해 강화된 금속성 재료 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비금속성 재료의 분산에 의한 금속성 재료의 강화 방법 및 그에 의해 강화된 금속성 재료에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 세라믹과 같은 비금속성 재료의 표면에 기계 물리적 방법을 이용하여 다량의 결함을 형성시키고, 이를 적절한 금속으로 코팅하여 표면 에너지적으로 활성화시키는 단계 및 표면이 활성화된 상기 비금속성 재료를 용융된 동종의 또는 이종의 금속 재료에 혼입시키는 단계를 포함하여 이루어지며, 표면 활성화에 의해 비금속성 재료와 용융금속과의 젖음성이 향상되므로써 비금속성 재료를 용융금속 내에 균일하게 분산시킬 수 있어, 결과적으로 매우 적은 양의 비금속성 재료로도 간단하고 저렴하게 금속 재료의 물성 개량 및 기계적 특성의 향상을 얻을 수 있는 금속성 재료의 강화 방법 및 그에 의해 강화된 금속성 재료에 관한 것이다.

비금속성 재료, 세라믹, 분산, 금속성 재료, 강화, 주조

Description

비금속성 재료의 분산에 의한 금속성 재료의 강화 방법 및 그에 의해 강화된 금속성 재료{A METHOD FOR STRENGTHENING METALLIC MATERIAL BY DISPERSION OF NON-METALLIC MATERIAL AND A METALLIC MATERIAL STRENGTHENED BY THE SAME}

도 1은, 본 발명에 따른 금속성 재료 강화 방법 및 그 활용을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2는, 본 발명의 실시예에 있어서, 강화되기 전과 강화된 후의 주철의 내부 미세조직을 각각 촬영한 광학현미경(OM) 사진이다.

도 3은, 본 발명의 실시예에 있어서, 강화되기 전과 강화된 후의 주철의 파단 단면조직을 각각 촬영한 주사전자현미경(SEM) 사진이다.

본 발명은 비금속성 재료의 분산에 의한 금속성 재료의 강화 방법 및 그에 의해 강화된 금속성 재료에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 세라믹과 같은 비금속성 재료의 표면에 기계 물리적 방법을 이용하여 다량의 결함을 형성시키고, 이를 적절한 금속으로 코팅하여 표면 에너지적으로 활성화시키는 단계 및 표면이 활성화된 상기 비금속성 재료를 용융된 동종의 또는 이종의 금속 재료에 혼입시키는 단계 를 포함하여 이루어지며, 표면 활성화에 의해 비금속성 재료와 용융금속과의 젖음성이 향상되므로써 비금속성 재료를 용융금속 내에 균일하게 분산시킬 수 있어, 결과적으로 매우 적은 양의 비금속성 재료로도 간단하고 저렴하게 금속 재료의 물성 개량 및 기계적 특성의 향상을 얻을 수 있는 금속성 재료의 강화 방법 및 그에 의해 강화된 금속성 재료에 관한 것이다.

본 발명은 비금속성 재료의 분산에 의한 금속성 재료의 강화 방법 및 그에 의해 강화된 금속성 재료에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 세라믹과 같은 비금속성 재료의 표면을, 금속을 사용하여 기계적으로 활성화시킨 후, 이를 용융된 동종의 또는 이종의 금속 재료에 혼입시키므로써, 매우 적은 양의 비금속성 재료로도 간단하고 저렴하게 금속 재료의 물성 개량 및 기계적 특성의 향상을 얻을 수 있는 금속성 재료의 강화 방법 및 그에 의해 강화된 금속성 재료에 관한 것이다.

산업이 고도로 발전하고, 그에 따라 기계 부품에 있어서 요구되는 각종 물성 및 기계적 특성의 수준이 높아짐에 따라, 고온·고강도 소재 개발을 위한 이종 재료의 복합화에 대한 연구가 지속적으로 이루어져 오고 있다. 그러나, 세라믹 등의 비금속 재료와 금속 재료로 이루어진 복합재료의 경우, 세라믹과 금속 사이에는 근본적으로 이질성(incompatibility)이 존재하기 때문에, 그 복합화가 상당히 어려운 것이 사실이다.

따라서, 지금까지는 주로 물리적 방법에 의존하는 방향으로 기술 개발이 이루어져 왔는 바, 분말야금 기술의 발전에 따라, 최근에는 금속 분말과 세라믹 분말을 기계적·물리적으로 분쇄하고 혼합하는 과정에 의해 복합화하는 기계적 합금화 (mechanical alloying) 기술이 개발되면서 일부 부품에 적용되는 시도가 있었다. 그러나, 기계적 합금화 기술은 근본적으로 공정이 매우 복잡하고, 생산 비용이 많이 들며, 세라믹 원료 분말 및 금속 원료 분말의 오염방지 문제 등과 같이, 공정 중에 민감하게 조절되어야 할 인자들이 많다는 점 등 많은 문제점을 지니고 있어서, 매우 제한적으로만 활용되고 있는 실정이다. 또한, 최근들어 매우 복잡하고 정교한 형상을 갖는 부품의 정밀 제조가 점점 요구됨에 따라, 주조(casting)에 의하여 기계 부품 등의 제품으로 성형하기에 적합한 복합재료의 개발이 요청되고 있으나, 기계적 합금화 기술로 제조된 소재는, 생산 후 부품 성형에도 많은 어려움이 있어서, 다양한 부품의 실용화에도 한계가 있다.

한편, 미국특허 제3,028,234호에는, 고온에서 수소 가스를 이용하여 활성화 금속이 함유된 산화물 또는 수산화물 등을 난용성 금속 산화물에 환원 코팅시키고, 이를 건조시키는 침전법(precipitation method)을 이용하여 난용성 금속 산화물 입자를 용융금속에 분산시키므로써, 복합재료를 얻는 방법이 개시되어 있다. 그러나 상기 미국특허에 개시된 기술은, 난용성 금속 산화물의 분산에만 국한되어 있어 그 활용의 폭이 극히 제한적이고, 이 기술에서 사용된 침전법의 경우, 난용성 금속 산화물이 분산된 콜로이드 졸(sol)과 활성화 금속이 함유된 용융염을 포함하는 용액으로부터 코팅된 난용성 금속 산화물 입자를 동시침전시키는 방법을 채택하는 바, 이러한 경우에는, 난용성 금속 산화물 입자의 주위를 활성화 금속이 완벽하게 둘러싸지 않으면, 졸 상태 산화물의 응집 내지 겔화 등이 일어나게 되는 문제가 있다. 또한, 상기 침전법은 수행 후 남아있는 금속염의 세척을 필요로 하고, 고온에서의 건조과정이 필수적이며, 특히, 코팅 후, 코팅된 산화물 입자들을 고온의 로 안에서 위치시키고, 수소, 메탄, 일산화탄소, 탄화수소 등의 환원 가스를 흘려주어 표면에 코팅되어 있는 산화상태의 금속 화합물을 금속으로 환원시키는 과정이 반드시 요구되는 등, 그 공정이 대단히 복잡할 뿐만 아니라, 효율도 낮아 상업적으로 활용되기에는 한계가 있다.

따라서, 보다 간단하면서도 재료에 제한이 없는 이종 재료의 복합화 기술의 개발이 지속적으로 요청되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 한 것으로서, 본 발명의 목적은, 다양한 비금속성 재료를 다양한 금속성 재료에 간단한 방법으로 분산시키므로써, 금속 재료의 물성 개량 및 기계적 특성의 향상을 얻을 수 있는 금속성 재료의 강화 방법 및 그에 의해 강화된 금속성 재료를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, (1) 비금속성 재료와 표면 활성화용 금속을 기계적으로 혼합분쇄하여 상기 비금속성 재료의 표면에 결함을 형성시키고, 상기 표면 활성화용 금속을 상기 비금속성 재료의 입자표면에 코팅시키는 비금속성 재료의 표면 활성화 단계 및 (2) 상기 표면 활성화 단계의 결과 얻어진, 표면 활성화용 금속으로 표면 코팅된 비금속성 재료 입자를 용융된 기본 금속성 재료에 투입하고 분산시키는 단계를 포함하여 이루어지는, 금속성 재료의 강화 방법이 제공된다.

본 발명의 금속성 재료 강화 방법에 있어서, 상기 비금속성 재료란, 단독으 로 상기 용융된 기본 금속성 재료에 혼입될 경우에는, 그 금속성 재료에 대한 융화성(compatibility) 내지 젖음성(wettability)이 부족하여 응집되거나 표면에 부유하게 되는 화합물을 의미한다. 이러한 비금속성 재료의 예로는, 금속 또는 비금속의 산화물, 탄화물, 질화물, 붕소화물 등과 같은 화합물을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 보다 구체적으로는 Y₂O₃, TiO₂, Al₂O₃, TiC, SiC, AlN, TiN, TiB₂ 등을 들 수 있으나, 역시 이에 제한되는 것은 아니다.

또한, 본 발명의 금속성 재료 강화 방법에 있어서, 상기 표면 활성화용 금속이란, 상기 비금속성 재료의 표면에 코팅되어 그 표면 에너지를 활성화시키므로써, 결과적으로 상기 비금속성 재료가 용융된 기본 금속성 재료 내에 균일하게 분산될 수 있도록 하는 금속을 의미한다. 이러한 표면 활성화용 금속의 예로는, Ni, Cr, Fe, Ti, Al, Mg, Cu 등에서 하나 이상 선택되는 금속 단독 또는 그 합금을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 후술하는 기본 금속성 재료와 동종의 금속이어도 좋고, 이종의 금속이어도 무방하며, 용융된 기본 금속성 재료에 따라 적절히 선정되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 금속성 재료 강화 방법에 있어서, 상기 기본 금속성 재료란, 본 발명에 의하여 그 물성이 강화되는 기본적인 금속성 재료를 의미하며, 상기 표면 활성화용 금속으로 표면 코팅된 비금속성 재료 입자는 용융된 형태의 상기 기본 금속성 재료 안으로 투입되어 분산되게 된다. 이러한 기본 금속성 재료의 예로는, Al, Fe, Cu, Ni 등에서 하나 이상 선택되는 금속 단독 또는 그 합금들을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 전술한 표면 활성화용 금속과 동종의 금속 또는 그 합금이어도 좋고, 이종의 금속 또는 그 합금이어도 무방하다.

이하, 본 발명의 금속성 재료 강화 방법에 대한 일 구체예를 통해, 본 발명을 각 세부단계별로 보다 상세히 설명한다.

본 발명의 금속성 재료 강화 방법에 대한 일 구체예에 따르면, 상기 (1)단계에서는, 예컨대 수㎛~수십㎛의 입자 크기를 갖는 SiC 등의 비금속성 재료 입자와 수십㎛ 이상의 입자 크기를 갖는 Cr 등의 표면 활성화용 금속을, 비금속성 재료 입자:표면 활성화용 금속의 중량비가 약 0.1:1~10:1의 비율로 되도록 기계적 혼합분쇄기, 예컨대 고에너지 볼 밀(high energy ball mill)기에 투입하고, 기계적으로 혼합분쇄를 실시한다. 이 기계적 혼합분쇄의 조건으로는, 특별히 제한되지는 않으나, 장시간 밀링을 하게 되면 응집 및 조대화 현상이 나타날 수 있으므로, 가능하면 고에너지를 이용하여 공정 시간을 10분 이내로 줄이는 것이 바람직하다. 특히, 이 기계적 혼합분쇄의 결과 얻어지는 입자의 크기는 나노미터 수준인 것이 바람직하므로, 기계적 혼합분쇄 시에 혼합분쇄기에 인가되는 에너지는, 비금속성 재료 입자의 평균 입자크기를 나노미터 수준으로, 바람직하게는 50nm 이하의 수준으로 더욱 미세화하면서 표면 활성화용 금속이 그 표면에 코팅될 수 있을 정도의 에너지가 인가될 필요가 있다.

또한, 본 발명의 금속성 재료 강화 방법에 대한 일 구체예에 따르면, 상기 (2)단계에서는, 상기 (1)단계의 결과 얻어진, 50nm 이하의 입자 크기를 갖는, Cr 등의 표면 활성화용 금속으로 표면 코팅된 SiC 등의 비금속성 재료 입자를, 예컨대 용융된 형태의 주철과 같은 기본 금속성 재료에 투입하고 균일하게 분산시킨다. 상기 표면 코팅된 비금속성 재료 입자와 기본 금속성 재료와의 혼합비는 각 재료의 종류, 분산성 및 원하는 물성 향상의 수준에 따라 다양하게 될 수 있으며, 적게는, 상기 표면 코팅된 나노미터 크기의 비금속성 재료 입자를 약 0.1중량% 정도의 극소량으로 용융된 기본 금속성 재료에 분산시키더라도 상당한 수준의 물성 개량 내지 기계적 성질의 향상을 얻을 수 있고, 바람직하게는 0.1~1.0중량%의 양으로 용융된 기본 금속성 재료에 분산시키며, 경우에 따라서는, 그 투입량을 10중량% 이상으로 증가시켜 복합재료화할 수도 있다. 상기 (2)단계에서의 표면 코팅된 비금속성 재료 입자의 투입 및 분산에 사용되는 기술에는 특별한 제한이 없으며, 통상의 합금 설계 및 금속 주조 방법에 따라, 통상적인 용융 금속에 첨가제를 혼입하는 방법을 제한없이, 또는 적절히 변형하여 사용할 수 있다.

본 발명의 금속성 재료 강화 방법에는, 상기한 단계들 이외에도, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위 내에서 용융 금속의 처리에 통상적으로 채택되는 단계들을 필요에 따라 더 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 표면 활성화용 금속으로 표면 코팅된 비금속성 재료 입자가 기본 금속성 재료 내에 분산되어 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 강화된 금속성 재료가 제공된다.

본 발명에 따른 강화된 금속성 재료에 포함되는 상기 표면 활성화용 금속, 상기 비금속성 재료 입자 및 상기 기본 금속성 재료에 대한 설명은, 앞서 본 발명의 금속성 재료 강화 방법에서 각각 행한 바와 같다. 또한, 본 발명에 따른 강화된 금속성 재료는, 예컨대, 앞서 설명한 본 발명의 금속성 재료 강화 방법의 일 구체예에 의해 제조될 수 있다.

이하, 실시예를 통하여, 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 하나, 본 발명의 범위가 이에 의해 제한되는 것은 아니다.

[실시예]

(1) 비금속성 재료의 표면 활성화

비금속성 재료로서 SiC 입자(알드리치(Aldrich)사 제조, 평균 입자크기 약 50~100㎛) 5g과 표면 활성화용 금속으로서 Cr 입자(준세이(Junsei)사 제조, 평균 입자크기 약 50~100㎛) 5g을 고에너지 볼 밀기에 투입하고, 4~5기압의 불활성 아르곤 가스 분위기 하에서 8mm 직경의 강구를 약 200g 투입한 후 기계적 혼합분쇄를 실시하여, 평균 입경 약 100nm의 Cr-코팅된 SiC 입자를 얻었다.

(2) 표면 코팅된 비금속성 재료 입자의 분산

상기 (1)단계에서 얻어진 Cr-코팅된 SiC 입자 10g을, 약 1600℃의 용융된 기본 금속성 재료인 주철(cast iron) 10kg에 투입하고, 약 2분동안 유지하며 균일하게 분산시켰다. 분산이 완료된 후, 결과물 용융 금속을 사형 몰드에 붓고 냉각시켜, 약 0.1중량%의 Cr-코팅된 SiC 입자가 내부에 분산된 SiC-강화 주철을 얻었다.

얻어진 SiC-강화 주철의 경도 및 강도를, 각각 미소 비커스 경도계를 이용하여 측정하였으며, 그 일부를 엣칭(etching)한 후 내부 미세조직을 광학 현미경(OM)으로 촬영하여 도 2에 나타내었고, 그 일부를 파단한 후 단면의 내부조직을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영하여 도 3에 나타내었다. 또한, 상기 (2)단계에서 기본 금 속성 재료로서 사용된, 강화되지 않은 주철의 내부 미세조직 및 파단 단면조직 또한 마찬가지로 촬영하여 도 2 및 도 3에 각각 함께 나타내었다.

SiC-강화 주철의 경도 및 강도의 측정결과, 상기 (2)단계에서 기본 금속성 재료로서 사용된, 강화되지 않은 주철에 비하여, 경도는 약 9%, 강도는 약 22%가 상승하였음을 알 수 있었다. 또한, 도 2 및 도 3에 나타낸 강화 전후의 사진들로부터, 본 발명의 실시예에서 얻어진 SiC-강화 주철의 내부 구조가 강화 전에 비하여 보다 미세해졌음을 확인할 수 있었다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 다양한 비금속성 재료가 다양한 금속성 재료에 분산된 형태의 강화된 금속성 재료를 단순한 공정으로 저렴하게 얻을 수 있으며, 특히 본 발명은, 전통적인 주조 기술에의 적용이 가능하기 때문에, 임펠러와 같이 복잡한 형상을 갖는 부품 및 정밀 제조를 요구하는 부품의 성능을 개선하고 부품수명을 향상시키는 데에 매우 효과적으로 활용될 수 있다.

Claims (8)

1. (1) 비금속성 재료와 표면 활성화용 금속을 기계적으로 혼합분쇄하여 상기 비금속성 재료의 표면에 결함을 형성시키고, 상기 표면 활성화용 금속을 상기 비금속성 재료의 입자표면에 코팅시키는 비금속성 재료의 표면 활성화 단계 및 (2) 상기 표면 활성화 단계의 결과 얻어진, 표면 활성화용 금속으로 표면 코팅된 비금속성 재료 입자를 용융된 기본 금속성 재료에 투입하고 분산시키는 단계를 포함하여 이루어지는, 금속성 재료의 강화 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 비금속성 재료는, 금속 또는 비금속의 산화물, 탄화물, 질화물 또는 붕소화물인 것을 특징으로 하는 금속성 재료의 강화 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 표면 활성화용 금속은, Ni, Cr, Fe, Ti, Al, Mg 및 Cu로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택되는 금속 단독 또는 그 합금인 것을 특징으로 하는 금속성 재료의 강화 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 기본 금속성 재료는, Al, Fe, Cu 및 Ni로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택되는 금속 단독 또는 그 합금인 것을 특징으로 하는 금속성 재료의 강화 방법.
5. 표면 활성화용 금속으로 표면 코팅된 비금속성 재료 입자가 기본 금속성 재료 내에 분산되어 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 강화된 금속성 재료.
6. 제5항에 있어서, 상기 비금속성 재료는, 금속 또는 비금속의 산화물, 탄화물, 질화물 또는 붕소화물인 것을 특징으로 하는 강화된 금속성 재료.
7. 제5항에 있어서, 상기 표면 활성화용 금속은, Ni, Cr, Fe, Ti, Al, Mg 및 Cu로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택되는 금속 단독 또는 그 합금인 것을 특징으로 하는 강화된 금속성 재료.
8. 제5항에 있어서, 상기 기본 금속성 재료는, Al, Fe, Cu 및 Ni로 이루어진 군으로부터 하나 이상 선택되는 금속 단독 또는 그 합금인 것을 특징으로 하는 강화된 금속성 재료.

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