KR20070110091A - 개방-다공성 금속 발포체를 제조하기 위한 방법, 이에 따라제조된 금속 발포체 및 이의 용도 - Google Patents

개방-다공성 금속 발포체를 제조하기 위한 방법, 이에 따라제조된 금속 발포체 및 이의 용도 Download PDF

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Abstract

본 발명은 니켈 기초 합금을 포함하는 개방-다공성 금속 발포체를 제조하기 위한 방법, 이에 따라 제조된 금속 발포체 및 유체 흐름으로부터 오염물질과 특정 성분을 분리하기 위한 선호되는 용도에 관한 것이다. 본 발명에 따라서, 증가된 표면 조도 및/또는 증가된 특정 표면과 개선된 기계적 특성을 가지는 개방-다공성 금속 발포체가 제공된다. 이의 제조 단계는 니켈 기초 합금 또는 니켈로 제조된 개방-다공성 기초 발포체가 액체 결합제로 코팅되도록 수행된다. 그 뒤 고체 상태로부터 액체 상태로의 상변태 온도가 30°C 이상인 유기 성분과 분말 니켈 기초 합금을 포함하는 혼합물이 각각의 상변태 온도보다 낮은 온도에서 상기 결합제로 코팅된 상기 기초 발포체의 표면으로 침착되고, 열처리에 의해 상기 결합제와 상기 유기 성분이 배출되고, 분말 입자의 일부분이 소결되며, 상기 분말 입자의 그 외의 다른 부분은 소결 브리지에 의해 재료-피트 방식으로 상기 기초 발포체의 표면으로 결합된다.

Description

개방-다공성 금속 발포체를 제조하기 위한 방법, 이에 따라 제조된 금속 발포체 및 이의 용도{A METHOD FOR FABRICATING AN OPEN-POROUS METAL FOAM BODY, A METAL FOAM BODY FABRICATED THIS WAY AS WELL AS ITS APPLICATIONS}
본 발명은 니켈 기초 합금으로 개방-다공성 금속 발포체를 제조하기 위한 방법과 이에 따라 제조된 금속 발포체에 관한 것이다. 이는 가스 흐름, 에어로졸, 서스펜션 또는 스프레이와 같은 유체의 흐름으로부터 오염물질과 특정 성분을 분리하는데 이용되는 것이 선호된다. 그러나 예를 들어 배기 가스 내에 포함된 입자들의 분리와 같은 내연기관으로부터의 배기가스의 2차 처리를 위한 용도와 촉매 2차 처리를 위한 용도로 이용되는 것도 또한 선호된다.
미공개된 독일 특허 출원 DE 103 46 281호에 따르면, 니켈 기초 합금으로 요소들을 제조하기 위한 방법과 이에 따라 제조된 요소들이 공개된다. 상기 기술된 요소들로 인해 적어도 일정 영역이 선택적으로 니켈 기초 합금으로 구성되는 발포체를 제조할 수 있다.
때때로, 개방-다공성 발포체의 형태를 가지는 소위 기질 코어(substrate core)는 니켈이 첨가된 추가적인 합금 성분을 포함하는 금속 파우더로 코팅될 수 있으며, 초기 기질 코어로 합금 처리되며 및/또는 니켈 기초 합금으로 구성된 표면 코팅은 열처리 동안 형성될 수 있다. 이와 같은 해결 방법에 따라, 기계적인 특성은 상대적으로 높은 온도에 대한 연장된 온도 범위로 개선될 수 있다. 그러나 공지된 개방-다공성 금속 발포체는 특히 분리/여과, 등등에 부정적인 영향을 미치는 개방-다공성 레이아웃 내의 표면 구조물에 대한 단점을 가진다.
그 결과, 웹상에서 그리고 미세 구멍의 내부 벽의 특정 표면에서 적절히 얻어질 수 있는 표면 조도(surface roughness)는 예를 들어 선호되는 높은 정도의 분리를 구현하기에 너무 낮게 형성된다.
이러한 문제점을 제거하기 위하여, 적절한 표면 코팅을 도포하는 것이 선호되며, 이는 소위 CVD 방법에 의해 수행된다. 그러나 개별적인 처리와 이에 따른 파워로 인해 기술적인 노력과 비용이 상당히 증가된다. 게다가 이러한 방법은 불균일하게 도포된 코팅이 전체적인 개방 다공성 부피(open-porous volume) 내에서 형성되는 것을 보장하지 못한다.
게다가, DE 101 50 948 C1호에 기술된 바와 같이, 용액 내에서 소결된 다공체는 증가된 특정 표면을 가지도록 형성된다. 이를 위해 금속간 상(intermetallic phase) 또는 고용체가 표면상에 형성된다. 그러나 고용체 또는 금속간 상을 포함하는 상기 표면은 특정의 기계적인 특성에 있어서 부정적인 영향을 미치며, 이는 특정의 추가적은 측정에 따라 비용이 증가하고 기계적 및/또는 열 하중을 가변시킴으로써 적용 분야가 제한된다.
취성(brittleness)은 내연기관의 배기가스의 2차 처리를 위해 시스템내에서 이용될 때 부정적인 영향을 미치며, 특히 파괴로 이르는 파편(flake off)이 발생될 수 있다.
따라서 본 발명의 목적은 개선된 기계적인 특성에 추가하여 증가된 표면 조도 및/또는 확장된 특정 표면을 가지는 개방-다공성 금속 발포체를 제공하는 데 있다.
본 발명에 따라서, 이러한 목적은 청구항 제 1 항에 따르는 방법과 청구항 제 11 항에 따르는 금속 발포체에 의해 구현된다. 선호되는 장점 및 개선점은 각각의 종속항에 정의된 특징에 따라 구현될 수 있다. 본 발명에 따르는 금속 발포체의 용도는 청구항 제 13 항과 제 14 항에 기술된다.
니켈 기초 합금으로 개방-다공성 금속 발포체를 제조하기 위한 본 발명에 따르는 방법에 있어서, 상기 방법은 DE 103 46 281호(공개되기 이전)에 기술된 바와 유사하게 수행된다.
따라서 니켈 기초 합금 또는 니켈로 제조된 개방-다공성 기초 발포체가 이용된다. 그 뒤 상기 발포체의 표면은 바람직하게 유기 결합제를 포함하는 액체 결합제로 코팅된다. 그 뒤, 유기 성분과 파우더 니켈 기초 합금으로 제조된 혼합물이 액체 결합제로 코팅된 기초 발포체의 표면상으로 침착된다.
각각의 유기 성분은 이의 상변태 온도가 적어도 30℃ 이상인 것으로 선택되며, 이에 따라 고체 상태에서 액체 상태로의 변태는 상변태 온도 미만, 즉 30℃에 도달되기 전에는 일어나지 않는다.
미리 액체 결합제로 코팅된 표면상에 혼합물이 고체 상태로 완전히 침착되는 것을 보장하기 위하여, 혼합물은 각각의 상변태 온도 미만의 온도에서 침착되어야 한다.
침착 후, 상기 혼합물은 열처리된다. 때때로 유기 성분뿐만 아니라 결합제의 유기 부분이 배출된다. 온도가 상승되는 동안, 상기 사용된 파우더 니켈 기초 합금의 파우더 입자의 일부분이 소결되며, 파우더 입자의 그 외의 다른 일부분은 재료-피트 방식으로 기초 발포체의 표면과 변하지 않는 상태로 결합되며, 표면과의 재료-피트 결합은 입자의 하나 이상의 소결 브리지를 통해 각각 수행된다. 이러한 입자들은 열처리 후 이의 형태가 변하지 않는 상태로 유지되며, 다소 이러한 입자들은 소결되기 시작한다.
재료-피트 방식으로 결합되는 니켈 기초 합금의 개별적인 입자들은 최종적으로 제조된 개방-다공성 금속 발포체에서 시각적으로 감지될 수 있으며, 재료-피트 방식으로 결합되는 이러한 입자들은 금속 발포체의 지지 구조물을 형성하는 웹(web)뿐만 아니라 미세 구멍의 내부 표면에 배치될 수 있다.
따라서 본 발명에 따라 제조된 개방-다공성 금속 발포체는 사용된 기초 발포체에 비해 증가된 특정 표면뿐만 아니라 이의 표면상에 현저히 증가된 조도를 가지며, 이는 제조에 의해 정해지는 니켈 합금 또는 니켈로 제조된 개방-다공성 기초 발포체에 따라 용이하게 구현될 수 없다.
제조를 위해 이용된 혼합물 및 열처리 동안의 파라미터는 기초 발포체의 표면 상에서 재료-피트 방식으로 결합되어 지는 20% 이상의 입자들이 이의 입자 형태가 유지될 수 있도록 보장해야 한다.
파라핀과 왁스는 선호되는 유기 성분으로 알려졌다. 마이크로나이즈드 아미드 왁스는 특히 선호되는 것을 언급되어 진다.
그러나 본 발명에 따라 사용되어 지는 혼합물 내에 유기 성분으로서 물질의 혼합물을 수용할 수 있으며, 사용된 물질들은 항시 30℃보다 큰 다양한 상변태 온도를 가질 수 있다. 따라서 혼합물은 파우더 니켈 기초 합금, 유기 천연 물질로 제조될 수 있다.
본 발명에 따라 이용되는 니켈 기초 합금은, 탄소, 크롬, 몰리브덴, 철, 코발트, 니오븀, 티타늄, 알루미늄, 붕소, 지르코늄, 망간, 실리콘, 란탄으로부터 선택되는, 니켈이 첨가된 추가 합금 요소를 가져야 한다.
이 경우, 니켈 기초 합금으로 제조된 기초 발포체가 이용된다면, 혼합물을 위해 이용된 파우더 기초 합금은 각각의 기초 발포체의 니켈의 비율보다 작은 니켈의 비율을 가져야 한다. 따라서 특히 파우더 기초 합금의 소결된 부분, 적어도 기초 발포체의 표면 영역에서 소결이 개시된다.
본 발명에 따르는 금속 발포체를 제조하기 위해 이용되는 파우더 니켈 기초 합금에서 크롬은 적어도 15 중량 % 이상, 바람직하게 18 중량% 이상의 비율로 포함되어야 한다.
파우더 니켈 기초 합금에 추가적으로 혼합물 내에 포함되는 유기 성분의 비율은 적어도 0.05 중량 %이여야 한다.
열처리 동안 파우더 입자들의 일부분을 소결하기 위한 상기 언급된 높은 온도 범위와 파우더 입자들의 그 외의 다른 부분의 재료-피트 결합의 진행(development), 1200 내지 1250 ℃, 바람직하게 1220 내지 1250℃ 내의 최대 온도가 유지되어야 하며, 그 뒤 불활성 또는 환원 분위기에서 진행된다.
때때로, 파라미터는 가변되는 입자들의 일부분이 완전히 소결되거나 재료-피트 방식으로 결합되도록 영향을 미칠 수 있다. 이에 따라 표면 조도 또는 특정 표면은 금속 발포체에서 다소 증가된다.
게다가 파우더 니켈 기초 합금이 사용되는 것이 선호되며, 여기서 각각의 입자들은 이의 용도에 적합한 종래의 코팅 재료를 도시하는 입자 크기의 스펙트럼 내에 있다.
본 발명은 실례에 의해 보다 상세히 기술된다.
도 1은 본 발명에 따라서, 금속 발포체 상에서 개방-다공성 구조물의 일부분을 도시하는 SEM 도면.
증가된 표면 조도와 특정 표면을 포함하는 본 발명에 따르는 금속 발포체의 제조는 94 %의 다공성을 가지는 니켈로 제조된 기초 발포체가 50 ml 부피를 가지는 폴리비닐피롤리돈의 1%의 수용액으로 침적되도록 수행될 수 있다. 침적 후, 흡수성 패드로 압착하는 단계(pressing out)가 수행된다. 이로 인해 결합제(binding agent)는 단지 미세 구멍의 내부 표면과 웹(web)만이 적셔지도록 미세 구멍의 공동으로부터 제거될 수 있다.
300 mm * 150 mm * 1.9 mm의 치수를 가지는 상기 방식에 따라 제조된 기초 발포체는 진동 장치 내에서 혼합되고, 파우더 혼합물이 점재된다(sprinkle). 진동으로 인해 결합제로 적셔진 기초 발포체의 표면상에는 파우더가 균일하게 분포될 수 있다. 동시에, 기초 발포체의 개방 다공성이 유지된다. 혼합물 내에 포함된 파우더 니켈 기초 합금은 0.1 중량 %의 탄소, 22.4 중량 %의 크롬, 10 중량 %의 몰리브덴, 4.8 중량 %의 철, 0.3 중량 %의 코발트, 3.8 중량 %의 니오븀, 58.6 중량 %의 니켈로 구성되고, 이는 상표명 “Inconel 625"로 판매된다.
추가적으로 유기 성분으로써 30 ㎛의 중간 입자 크기를 가지는 파우더형 마이크로나이즈드 아미드 왁스(powdery micronized amide wax)는 혼합물 내에서 2 중량 %로 포함된다.
상기 마이크로나이즈드 아미드 왁스(C38H76N2O2에서 에틸렌디스티어아미드(ethylenedistearamide))는 30 ㎛의 중간 입자 크기를 가지는 파우더로 이용된다. 상기 마이크로나이즈드 아미드 왁스의 용융점은 140 °C 내지 145 °C의 온도 범위로 형성된다.
아미드 왁스와 니켈 기초 합금 파우더는 관형 혼합기 내에서 분당 50회전의 속도로 10분 동안 서로 혼합되며, 그 뒤 상기 혼합물은 액체 결합제가 적셔진 기초 발포체의 표면상에 침착된다(deposite).
이에 따라 코팅되고 제조된 기초 발포체는 필요 시 변형될 수 있으며, 여기서 특정의 최소 곡률 반경이 고려되어 져야 한다.
10 K/min의 열전비로 열처리하는 동안, 유기 성분과 결합제의 유기 요소는 대략 300°C의 온도에서 배출되기 시작한다. 유기 요소의 배출 단계는 대략 600°C에서 완료된다.
1220 내지 1250°C의 온도 범위로 온도를 추가적으로 상승시킨 후, 대략 30분의 유지 시간이 지속되는 동안 파우더 니켈 기초 합금의 입자들의 일부분이 소결되며, 상기 니켈 기초 합금의 입자들의 그 외의 다른 부분은 기초 발포에의 표면 상에 하나 이상의 소결 브리지(sintering bridge)에 의해 재료-피트 방식(material-fit manner)으로 결합되며, 재료-피트 방식으로 결합된 이러한 입자들은 미세 구멍(pore)의 내부 표면뿐만 아니라 웹(web) 상에 결합될 수 있다. 분말형 니켈 기초 합금에 대해 30 ㎛의 중간 입자 크기를 가지는 파우더가 이용되며, 상대적으로 크고 작은 입자 크기를 가지는 입자들은 혼합물 내에 포함된다.
유기 성분으로써 추가적으로 혼합물 내에 포함된 아미드 왁스는 아미드 왁스의 상변태 온도가 30°C보다 높기 때문에 혼합물이 적어도 미세하게 분포된 파우더 형태로 기초 발포체의 표면으로 제공될 때까지 고체 형태로 존재한다.
최종적으로 제조된 금속 발포체는 92%의 다공성을 가지며, 이의 표면 조도는 도 1에 도시된 바와 같이 상당히 증가되고, 금속 발포체의 개방-다공성 구조물 내 에서 특정 표면은 기초 발포체에 비해 증가될 수 있다.
그러나 니켈로 제조된 기초 발포체 대신에 니켈 기초 합금으로 제조된 기초 발포체가 이용될 수 있다.

Claims (14)

  1. 니켈 기초 합금을 포함하는 개방-다공성 금속 발포체를 제조하기 위한 방법에 있어서,
    니켈 또는 니켈 기초 합금으로 제조된 개방-다공성 기초 발포체가 액체 결합제로 코팅되고, 그 뒤 고체 상태로부터 액체 상태로의 상변태 온도가 30°C 이상인 유기 성분과 분말 니켈 기초 합금을 포함하는 혼합물이 각각의 상변태 온도보다 낮은 온도에서 상기 결합제로 코팅된 상기 기초 발포체의 표면으로 침착되고, 열처리에 의해 상기 결합제와 상기 유기 성분이 배출되고, 분말 입자의 일부분이 소결되며, 상기 분말 입자의 그 외의 다른 부분은 소결 브리지에 의해 재료-피트 방식으로 상기 기초 발포체의 표면으로 결합되는 것을 특징으로 하는 개방-다공성 금속 발포체를 제조하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 사용된 분말 니켈 기초 합금의 상기 입자들의 20% 이상이 재료-피트 방식으로 결합되는 것을 특징으로 하는 개방-다공성 금속 발포체를 제조하기 위한 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 파라핀 파우더 또는 왁스 파우더가 상기 유기 성분으로서 이용되는 것을 특징으로 하는 개방-다공성 금속 발포체를 제조하기 위한 방법.
  4. 전 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유기 성분은 물질 혼합물(substance mixture)의 형태로 이용되는 것을 특징으로 하는 개방-다공성 금속 발포체를 제조하기 위한 방법.
  5. 전 항들 중 어느 한 항에 있어서, 탄소, 크롬, 몰리브덴, 철, 코발트, 니오븀, 티타늄, 알루미늄, 붕소, 지르코늄, 망간, 실리콘, 란탄으로부터 선택된 추가적인 합금 요소를 가지는 상기 니켈 기초 합금이 이용되는 것을 특징으로 하는 개방-다공성 금속 발포체를 제조하기 위한 방법.
  6. 전 항들 중 어느 한 항에 있어서, 니켈 기초 합금의 기초 발포체의 니켈 비율보다 작은 상기 파우더 기초 합금의 니켈 비율이 이용되는 것을 특징으로 하는 개방-다공성 금속 발포체를 제조하기 위한 방법.
  7. 전 항들 중 어느 한 항에 있어서, 크롬이 15 중량% 이상의 비율로 포함되는 파우더 니켈 기초 합금이 이용되는 것을 특징으로 하는 개방-다공성 금속 발포체를 제조하기 위한 방법.
  8. 전 항들 중 어느 한 항에 있어서, 0.05 중량 % 이상의 유기 성분이 포함된 혼합물이 이용되는 것을 특징으로 하는 개방-다공성 금속 발포체를 제조하기 위한 방법.
  9. 전 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파우더 입자들의 소결 단계 및 재료-피트 결합의 진행 단계(developing)는 불활성 또는 환원 분위기에서 1200°C 내지 1500°C의 온도 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 개방-다공성 금속 발포체를 제조하기 위한 방법.
  10. 전 항들 중 어느 한 항에 있어서, 입자의 크기가 60 ㎛보다 작은 파우더 니켈 기초 합금이 이용되며, 중간 입자 크기는 20 내지 35 ㎛의 범위로 형성되는 것을 특징으로 하는 개방-다공성 금속 발포체를 제조하기 위한 방법.
  11. 청구항 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따르는 방법으로 제조된 개방-다공성 금속 발포체에 있어서, 특정 표면 및/또는 표면의 조도(roughness)는 상기 기초 발포체에 비해 증가되고, 다공성은 개방-다공성 구조물이 유지되도록 최대 15% 감소되는 것을 특징으로 하는 개방-다공성 금속 발포체.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 니켈 기초 합금의 입자들은 상기 기초 발포체의 웹과 미세 구멍의 표면상에서 재료-피트 방식으로 소결 브리지에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 금속 다공체.
  13. 유체 흐름으로부터 오염물질(pollutant) 또는 성분들을 분리하기 위하여 청구항 제 11 항 또는 제 12항 중 어느 한 항에 따르는 금속 발포체의 이용.
  14. 내연기관으로부터 배기가스를 처리하기 위하여 청구항 제 11 항 또는 제 12 항 중 어느 한 항에 따르는 금속 발포체의 이용.
KR1020077021556A 2005-02-28 2006-02-24 개방-다공성 금속 발포체를 제조하기 위한 방법, 이에 따라제조된 금속 발포체 및 이의 용도 KR20070110091A (ko)

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